付燕剛, 陸桂福, 馬德清,王振亮, 段壯,李勇

1) 中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北廊坊,065000;2) 國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心,河北廊坊,065000;3) 內(nèi)蒙古自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局五一一隊,內(nèi)蒙古巴彥淖爾,015000

內(nèi)容提要:深熔作用是大陸地殼分異、元素遷移富集的重要地質(zhì)過程。位于中亞造山帶南緣的北山地區(qū),筆者等對前寒武系北山巖群進行了研究,結(jié)果表明該巖群普遍經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)及深熔作用,長英質(zhì)淺色脈體分布廣泛,卻鮮有文獻報道。綿山地區(qū)出露的古元古代北山巖群斜長角閃巖及相關(guān)的長英質(zhì)淺色脈體的野外地質(zhì)特征、相互關(guān)系共同指示了北山巖群變質(zhì)地層經(jīng)歷了部分熔融,熔體在原地分凝聚積。鋯石LA-ICP-MS U-Pb 測定結(jié)果表明,順北山巖群變質(zhì)地層片理產(chǎn)出的長英質(zhì)淺色脈體鋯石n(206Pb)/n(238U)加權(quán)平均年齡約為370 Ma,表明深熔作用發(fā)生時間為晚泥盆世; 一測點的n(207Pb)/n(206Pb)年齡為1623±12 Ma,與前人報道的北山巖群測年結(jié)果高度相近,雖此年齡值不足為證,但結(jié)合產(chǎn)出特征,可能指示長英質(zhì)淺色脈體的源巖為北山巖群。此外,北山巖群中深熔作用普遍發(fā)育,露頭可見大量的石榴子石、電氣石、云母類礦物,指示區(qū)內(nèi)部分稀有元素成礦潛力巨大。

深熔作用在前寒武紀(jì)高級變質(zhì)地體和造山帶高級變質(zhì)巖中廣泛發(fā)育(Patino Douce et al., 1990; 程裕淇等,2004;曾令森等,2017;石強,2020),包括含水礦物的脫水部分熔融和水致部分熔融,兩者是混合巖化作用的主要機制,也是殼源花崗質(zhì)巖漿形成、陸殼分異演化的重要機制和關(guān)鍵過程(Zheng Yongfei and Gao Peng, 2021)。因此,針對深熔作用的熔融反應(yīng)、溫壓條件及流體在地殼熔融過程的潛在作用,熔體出溶、分凝聚集、分離及運移開展了廣泛研究(Brown, 2007; Bea, 2012; Newton et al., 2014; Clemens and Stevens, 2016; 魏春景,2016a, 2016b; Huang Guangyu et al., 2021),這些研究成果為進一步深入理解地殼深熔作用、陸殼中元素的分異富集規(guī)律、深部地殼的物理性質(zhì)及流變學(xué)行為等提供重要依據(jù)(劉建輝,2022)。

碰撞造山帶存在大量陸殼基底深熔型花崗巖,例如,喜馬拉雅新生代淡色花崗巖,澳大利亞Lachlan褶皺帶中的S型花崗巖等,值得關(guān)注的是,該類花崗巖常與稀有元素成礦密切相關(guān),如藏南喜馬拉雅淡色花崗巖稀有金屬成礦(吳福元等,2015;王汝成等,2017)。另外,該類花崗巖還與鉬 (Mo)成礦有關(guān),例如東秦嶺造山帶(Li Nuo et al., 2011, 2014;陳衍景等,2020)。中亞造山帶在晚古生代發(fā)生大規(guī)模的陸陸碰撞,隨后產(chǎn)生大量具陸殼深熔性質(zhì)的花崗巖,為研究地質(zhì)歷史時期深熔作用過程提供了物質(zhì)條件,也為稀有元素礦產(chǎn)提供了找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

由于碰撞造山導(dǎo)致隆升剝蝕,北山地區(qū)野外可見大量前寒武系變質(zhì)地層及侵入巖出露于地表,在花崗巖與變質(zhì)地層的接觸帶,廣泛發(fā)育順片理產(chǎn)出的長英質(zhì)脈體(部分粒度達到偉晶巖),且圍巖片麻巖化、糜棱巖化發(fā)育,這些地質(zhì)現(xiàn)象為研究地質(zhì)歷史時期深熔作用過程提供了條件。因此,筆者對北山地區(qū)經(jīng)歷了變質(zhì)深熔作用的北山巖群斜長角閃巖及順片理產(chǎn)出的長英質(zhì)脈體開展了詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合室內(nèi)巖相學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)的研究,確定了深熔作用的時間及成因機制,并探討了北山巖群稀有元素的成礦潛力。

1 地質(zhì)概況及樣品采集

中亞造山帶是位于東歐陸塊、西伯利亞陸塊、塔里木陸塊和華北陸塊之間的巨型造山拼貼體(圖1a)。它西起里海,東臨西太平洋北部,橫跨俄羅斯、哈薩克斯坦、中國等多個國家,是全球最大的大陸造山帶(肖文交等,2019)。

北山地區(qū)位于中亞造山帶中南緣,處在塔里木陸塊、華北陸塊的交匯部位,東側(cè)與興蒙造山帶相接,西側(cè)以星星峽斷裂為界與東天山造山帶分隔,北側(cè)和南側(cè)分別與蒙古造山帶和敦煌地塊相鄰。北山造山帶由多個微陸塊、島弧、蛇綠混雜巖帶/增生雜巖等構(gòu)造單元組成(圖1)。前人認(rèn)為,該造山帶自北向南依次發(fā)育紅石山—百合山、石板井—小黃山、月牙山—洗腸井和柳園—帳房山4條蛇綠混雜巖(超基性巖)帶,并分割為5個地體,由北向南依次為雀兒山地體、黑鷹山—旱山地體、馬鬃山地體、雙鷹山—花牛山地體和石板山地體(圖1b)(左國朝等,2003;Xiao Wenjiao et al., 2010; Liu Qian et al., 2015; 辛后田等,2020;李皓東等,2022;余吉遠(yuǎn)等,2023;鄭小明等,2023)。

北山造山帶屬于典型的增生型造山帶,經(jīng)歷了從寒武紀(jì)延續(xù)到二疊紀(jì)的漫長俯沖—拼貼造山過程,為我國西北地區(qū)的重要成礦帶(聶鳳軍等,2002;Xiao Wenjiao et al., 2010; 江彪等,2022)。北山地區(qū)變質(zhì)基底最遠(yuǎn)可追溯到太古宇—古元古界敦煌群變質(zhì)巖系,其上為中新元古界長城系、薊縣系及青白口系淺變質(zhì)巖。古生界蓋層沉積序列較為連續(xù),由早古生代的海相沉積逐漸過渡為二疊系的陸相沉積,中新生界主要為陸相沉積(左國朝等,1990;張二朋等,1998;王浩等,2021)。北山地區(qū)巖漿巖分布廣泛,其中火山巖主體產(chǎn)于古生界地層,其次為元古界地層;侵入巖以中—酸性巖體最為發(fā)育,超基性、基性巖體多沿深大斷裂斷續(xù)分布。從形成時代來看,華力西中期侵入巖體分布最為廣泛,且與北山地區(qū)部分銅、金、鉬、鎢及稀有金屬礦化有密切的空間分布關(guān)系,其次為華力西晚期及加里東晚期,少量的華力西早期、印支期、燕山期巖體亦有發(fā)育(聶鳳軍等,2002;江彪等,2022)。

本文研究對象為北山巖群及順其片理產(chǎn)出的長英質(zhì)脈體。區(qū)域上北山巖群分布于額濟納旗雅干一帶,呈近東西向或北東東向展布,向西延入甘肅境內(nèi)。北山巖群原巖為一套陸緣濱淺海相碎屑巖建造,可將北山巖群地層劃分4個巖組。一巖組(Pt1B1)為一套淺粒巖、變粒巖夾石英巖建造;二巖組(Pt1B2)為一套厚層狀石英巖、長石石英巖夾淺粒巖建造;三巖組(Pt1B3)為一套二云片巖、變粒巖及斜長角閃巖組合;四巖組(Pt1B4)以硅化大理巖為主。

筆者等采集了綿山地區(qū)順北山巖群片理產(chǎn)出的長英質(zhì)巖脈樣品(圖2a、b)。圍巖為北山巖群三巖組變質(zhì)地層(Pt1B3),由黑云斜長角閃巖組成,呈深灰色,中細(xì)粒粒狀變晶結(jié)構(gòu),強面理化,礦物成分主要為斜長石、角閃石、石英、黑云母、白云母等,含少量石榴子石,副礦物有磁鐵礦、磷灰石、鋯石等(圖2c)。順片理產(chǎn)出的長英質(zhì)脈體,呈灰白色,半自形粒狀結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu),主要由石英、鉀長石、斜長石及少量絹云母組成,副礦物有磁鐵礦、鋯石等(圖2d)。

圖2 北山地區(qū)古元古界北山巖群中黑云斜長角閃巖及順片理分布的長英質(zhì)脈體(a)、(b)和黑云斜長角閃巖(c) 及長英質(zhì)脈體(d) 的顯微照片(正交偏光)Fig.2 Field photos (a), (b) and photomicrographs (c), (d) of the felsic veins and biotite plagioclase amphibolite of the Paleoproterozoic Beishan Group in Beishan Orogenic BeltAmp—角閃石;Bt—黑云母;Kfs—鉀長石;Pl—斜長石;Qz—石英;Mus—白云母Amp— amphibole; Bt—biotite; Kfs—K-feldspar; Pl—plagioclase; Qz—quartz; Mus—Muscovite

2 分析方法

鋯石分選由河北省地質(zhì)測繪院巖礦實驗測試中心完成,將挑選出的鋯石粘貼制成環(huán)氧樹脂樣品靶,經(jīng)過打磨拋光使鋯石露出中心后進行透射光、反射光和陰極發(fā)光(CL)顯微照相,陰極發(fā)光顯微照相在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院采用掃描電鏡完成,加速電壓為15 kV。

鋯石U-Pb同位素定年在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院利用LA-ICP-MS分析完成,使用的儀器是英國生產(chǎn)的Nu Plasma II型多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,激光波長為193 nm。剝蝕實驗選取的激光束斑大小為32 μm,分析過程中,測試樣品每個樣點的背景采集時間為20 s,信號采集時間為50 s;每測定5次樣品點后,測定2次鋯石標(biāo)樣91500,用來校正U-Pb、Th-Pb同位素分餾和儀器質(zhì)量誤差。數(shù)據(jù)采集完成后,利用ICPMSDataCal(Liu et al., 2008)軟件進行數(shù)據(jù)離線處理,采用Andersen (2002)提出的ComPbCorr3.17校正程序進行普通鉛校正,年齡諧和圖的繪制采用Isoplot(Ludwig, 2003)軟件。

3 分析結(jié)果

本次采集了順北山巖群斜長角閃巖片理產(chǎn)出的長英質(zhì)脈體樣品(編號:SBJ9),進行了鋯石U-Pb定年分析。鋯石長度約100～200 μm,無色至淺褐色,透明,短柱狀、次圓狀晶體顆粒,CL圖像顯示清晰的振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu),為巖漿結(jié)晶成因(圖3)。

圖3 北山地區(qū)古元古界北山巖群中順黑云斜長角閃巖片理分布的長英質(zhì)脈體中鋯石代表性CL圖像Fig.3 Representative CL images of the zircons from the felsic veins within biotite plagioclase amphibolite of the Paleoproterozoic Beishan Group in Beishan Orogenic Belt

樣品共進行了24個點的U-Pb年齡,分析結(jié)果分為兩類,一類為長英質(zhì)脈體結(jié)晶年齡,另一類為繼承鋯石年齡(圖4a)。其中第一類包括13個分析點,這些分析點的Th含量為76×10-6～521×10-6,U含量為148×10-6～903 ×10-6,Th/U比值為0.45～0.86(表1),具有典型巖漿鋯石的特征,n(206Pb)/n(238U)加權(quán)平均年齡為370.7±2.0 Ma(n=13,MSWD=0.59)(圖4b),代表長英質(zhì)脈體的結(jié)晶年齡;第二類為繼承鋯石,特別值得注意的是SBJ9-17號分析點,n(207Pb)/n(206Pb)年齡為1623±12 Ma(1σ)(表1),與前人報道的北山巖群測年結(jié)果一致(張正平等,2017)。

圖4 北山地區(qū)古元古界北山巖群內(nèi)順黑云斜長角閃巖片理分布的長英質(zhì)脈體中鋯石U-Pb諧和年齡圖Fig.4 U-Pb concordia diagrams of zircons from the felsic veins within biotite plagioclase amphibolite of the Paleoproterozoic Beishan Group in Beishan Orogenic Belt

4 討論

4.1 深熔作用時間及地球動力學(xué)背景

微區(qū)鋯石U-Pb定年技術(shù)目前已經(jīng)十分成熟,前人對不同巖石類型中不同成因鋯石的形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及Th/U比值等都進行過研究和總結(jié)(吳元保和鄭永飛,2004)。順北山巖群變質(zhì)地層片理產(chǎn)出的長英質(zhì)脈體(樣品SBJ9)中鋯石13個分析點的n(206Pb)/n(238U)加權(quán)平均年齡為370.7±2.0 Ma,表明深熔作用發(fā)生時間為晚泥盆世。 另外,一顆繼承鋯石(SBJ9-17號分析點)的n(207Pb)/n(206Pb)年齡為1623±12 Ma,與前人報道的北山巖群測年結(jié)果(張正平等,2017)高度相近,雖此年齡值不足為證,但結(jié)合產(chǎn)出特征,可能指示長英質(zhì)淺色脈體的源巖為北山巖群。

造山作用過程中,深熔作用往往發(fā)生在地殼增厚向伸展過渡的減壓階段,即減壓部分熔融(Hinchey and Carr, 2006)。前人研究表明,該區(qū)于晚志留世發(fā)生碰撞(公婆泉島弧與明水旱山地塊),并于早泥盆世發(fā)現(xiàn)A型花崗巖及3個井組雙峰式火山巖,代表了后碰撞伸展階段的產(chǎn)物,隨后于晚泥盆世進入陸內(nèi)伸展階段(辛后田等,2020)。如前所述,本次深熔作用發(fā)生時間為晚泥盆世(370 Ma左右),與陸內(nèi)伸展作用有關(guān)。

4.2 深熔作用過程

深熔作用多與高級變質(zhì)作用相聯(lián)系,是處于地殼深部的變質(zhì)巖,在溫度升高、壓力降低或流體加入的情況下,使物質(zhì)發(fā)生部分熔融,即深熔,通常產(chǎn)生長英質(zhì)成分的熔體,如果這個體系保持封閉,則會在其內(nèi)部發(fā)生混合巖化作用,并形成一些長英質(zhì)脈體,這個過程就是變質(zhì)作用向巖漿作用的過渡(程裕淇等,2004;石強,2020;董漢文,2022)。

一般認(rèn)為,深熔作用是殼源花崗巖形成的主要方式。北山巖群變質(zhì)地層中,長英質(zhì)脈體與斜長角閃巖空間上密切共生,漸變過渡,顯示出脈體與這些圍巖密切的成因關(guān)系(圖2a、b,圖5)。綿山地區(qū)能夠看到由長英質(zhì)脈體與斜長角閃巖基體組成的混合巖化及相關(guān)花崗巖體等深熔作用各階段的產(chǎn)物,這些野外地質(zhì)現(xiàn)象為研究深熔熔體的形成、運移以及成巖過程提供了重要的證據(jù)。其中在斜長角閃巖中分布有大量新生成的石英、長石晶體,靠近長英質(zhì)脈體的位置,晶體數(shù)量明顯增多(圖5c,d),暗示長英質(zhì)脈體是由這些石英、長石等礦物晶體匯聚形成,同時長英質(zhì)脈體中往往存在大小不一,形狀各異的斜長角閃巖源巖包體(圖5a)。隨著深熔程度的加強,深熔源巖中長英質(zhì)晶體含量逐漸增多,直到形成長英質(zhì)脈體,殘留體與熔漿未發(fā)生完全分離,形成綿山地區(qū)不同混合程度的混合巖及花崗巖等多種巖石類型,具有近源地熔融成因的花崗巖特征,類似于石強等(2021)報道的包頭地區(qū)深熔花崗巖。另外,在北山巖群變質(zhì)地層中見糜棱巖化斜長角閃巖,其內(nèi)部夾有大小不均一的長英質(zhì)透鏡體(圖5b),糜棱巖內(nèi)部有定向長石、石英斑晶(圖5c),暗示其結(jié)晶于韌性狀態(tài)下,可能是在剪切熱作用下(不排除有深部熱),古老基底原地熔融所致。

圖5 北山的綿山地區(qū)古元古界北山巖群中的混合巖化及深熔作用現(xiàn)象Fig.5 Outcrop observations of the migmatization and anataxis within the Paleoproterozoic Beishan Group in Mianshan area, Beishan Orogenic Belt

從巖漿巖的角度出發(fā),過鋁質(zhì)、強過鋁質(zhì)花崗巖均來自深部地殼陸源物質(zhì)的部分熔融,在侵位過程中,熔體與殘留體分離。在大多數(shù)花崗巖中都有殘留礦物的存在,其中最常見的就是殘留鋯石(石強等,2021)。在CL圖像上,長英質(zhì)脈體樣品部分鋯石具有核—?！吔Y(jié)構(gòu)(圖3),核部鋯石(SBJ9-17號分析點)n(207Pb)/n(206Pb)年齡為1623±12 Ma(1σ),與文獻中報道的北山巖群斜長角閃巖巖漿鋯石年齡一致(張正平等,2017)。結(jié)合兩者之間緊密的地質(zhì)產(chǎn)出關(guān)系,暗示長英質(zhì)脈體中～1.6 Ga繼承鋯石捕獲自北山巖群變質(zhì)地層。進一步指示長英質(zhì)脈體來自于北山巖群斜長角閃巖的重熔。

4.3 稀有金屬成礦潛力

以稀土、稀有和稀散金屬等為代表的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)礦產(chǎn)資源雖然用量不大,卻是引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性原材料,國際上高度重視。我國在《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016～2020年)》中,首次在全國103個能源資源基地中設(shè)立了14個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)礦產(chǎn)基地,并與能源礦產(chǎn)、黑色金屬、有色金屬和非金屬礦產(chǎn)并列(王登紅等,2019)。中國是稀有金屬資源大國,特別是南嶺和新疆阿爾泰地區(qū)是中國兩個重要的稀有金屬成礦帶,近年來的工作表明,喜馬拉雅成礦帶、北山成礦帶也顯示出良好的稀有金屬成礦潛力,很可能成為繼華南、新疆阿爾泰之后中國又一個重要的稀有金屬成礦帶,在北山地區(qū),該類礦床以鎢礦床(紅尖兵山、玉山、國慶、鷹嘴紅山)、銣礦床(東七一山、國寶山)為代表(王勇等,2009;周會武等,2015a,王汝成等,2017;孫艷等,2019;江彪等,2022)。

稀有金屬主要包括鋰、銣、鈹、鈮、鉭、鋯、鉿、鎢、錫等(礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊編委會,2010),主要為大離子親石元素和高場強元素。相較于隕石和地幔來講,陸殼中稀有元素明顯富集,稀有金屬成礦與花崗巖關(guān)系最為密切,花崗巖漿的結(jié)晶分異作用導(dǎo)致親花崗巖的金屬元素從巖漿中伴隨著氣水溶液分泌出來(即成礦過程三部曲“源—運—儲”之“源”),并在“運與儲”的有利條件下,形成這些金屬元素的巖漿熱液礦床(汪相和樓法生,2022)。在S型花崗質(zhì)和A型花崗質(zhì)巖石中稀有金屬含量富集倍數(shù)是陸殼1～2個數(shù)量級以上(Linnen and Cuney, 2005;王汝成等,2021),因此,陸殼深熔成因的花崗巖(特別是偉晶巖脈)找礦潛力巨大。北山巖群深熔現(xiàn)象普遍存在,深熔花崗巖較為發(fā)育,意味著稀有金屬礦化的前景很好。

在北山地區(qū),銣(Rb)、鋰(Li)、鈹(Be)元素異常呈三條帶狀自北向南沿近東西向弧形構(gòu)造巖漿巖帶分布,與之對應(yīng)的巖性主要為堿性花崗巖、偉晶巖,以銣礦化為主。稀有金屬成礦構(gòu)造位置多處在古老地塊邊緣,與變質(zhì)基底關(guān)系密切。成礦時代大多數(shù)為華力西期,次為印支—燕山期,個別為加里東期。野外工作過程中,發(fā)現(xiàn)了大量的稀有金屬礦化痕跡,例如,可能富含重稀土(HREE)石英—石榴子石脈(圖6a),富銣(Rb)的鉀長花崗巖(圖6b),富硼(B)、鋰(Li)的電氣石—石英脈(圖6c、d),可能富鋰(Li)、銣(Rb)的淺色長英質(zhì)脈體(圖6e、f)。顯示出銣(Rb)、鋰(Li)巨大的找礦潛力,與王學(xué)求等(2020)報道的北山地區(qū)鋰(Li)地球化學(xué)異常、孫艷等(2019)綜述的北山地區(qū)銣(Rb)成礦帶相一致。北山地區(qū)已公開發(fā)表的稀有金屬礦床(點)地質(zhì)特征與研究區(qū)極為類似,包括國寶山銣礦床、劉家河銣礦床、白頭山銣礦床等,這些礦床均與前寒武系變質(zhì)地層有空間、成因上的密切關(guān)系,礦物組合均與淺色的長英質(zhì)礦物有關(guān),包括鉀長石、白云母、石英、斜長石及少量黑云母、石榴子石、電氣石等(周會武等,2015b;于俊博,2015;王喬林等,2021)。目前,北山地區(qū)公開發(fā)表的稀有金屬礦床(點)的資料相對較少,研究相對薄弱,后續(xù)還需加大勘查研究力度,爭取獲得稀有金屬找礦重大突破,成為北山地區(qū)的優(yōu)勢礦種。

5 結(jié)論

在中亞造山帶南緣北山地區(qū),前寒武系北山巖群普遍經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)及深熔作用,長英質(zhì)淺色脈體分布廣泛。

(1)長英質(zhì)脈體中巖漿鋯石的U-Pb年齡為370.7±2.0 Ma, 表明深熔作用發(fā)生時間為晚泥盆世。

(2)綿山地區(qū)深熔作用過程如下:在高級變質(zhì)作用下,當(dāng)溫度升高(或壓力降低、揮發(fā)分加入,或三者皆滿足)到一定程度時,北山巖群的某些區(qū)域發(fā)生部分熔融,產(chǎn)生長英質(zhì)熔體。這些熔體起初并未流通匯聚,便在形成它們的地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)晶。隨著深熔程度的加強,深熔源巖中長英質(zhì)晶體含量逐漸增多,直到形成長英質(zhì)脈體,殘留體與熔漿未發(fā)生完全分離,形成綿山地區(qū)不同混合程度的混合巖及花崗巖等多種巖石類型,具有近源地熔融成因的花崗巖特征。

(3)北山巖群中深熔作用普遍發(fā)育,露頭可見大量的石榴子石、電氣石、云母類礦物,指示區(qū)內(nèi)稀有元素成礦潛力巨大。