甘肅龍首山芨嶺輝綠巖地球化學特征及其地質意義

高 宇 ，趙如意 ，王 剛 ，聶 利

1.核工業203研究所，陜西咸陽712000；2.中國地質科學院，北京100037

甘肅龍首山芨嶺輝綠巖地球化學特征及其地質意義

高 宇1，趙如意2，王 剛1，聶 利1

1.核工業203研究所，陜西咸陽712000；2.中國地質科學院，北京100037

輝綠巖脈在南方花崗巖型鈾礦成礦作用中起到較為重要的作用，芨嶺鈉交代型鈾礦床周邊也有產出.通過巖石學、巖相學、地球化學和同位素年代學研究，確定芨嶺鈾礦床外圍的輝綠巖是由堿性玄武巖漿上侵形成的，具有富鋁（15.97%～19.21%）、高堿（4.36%～6.89%）、中鈦（1.18%～2.02%）的特征，弱銪負異常（δEu＝0.65～0.86），輕稀土元素分異較強而重稀土元素較弱.相對富集LILE（Rb、Ba）和不相容元素（Th、U），虧損 HFSE（Nb、Ta、Hf、Ti）.輝綠巖的 LA－ICP－MS 鋯石 U－Pb 年齡為 485 Ma，形成于奧陶紀早期.MgO 含量（3.79%～8.22%）和 Mg＃值（42.4～66.5）均有較大的變化.巖漿經歷了橄欖石、輝石和少量斜長石分離結晶后上侵定位.輝綠巖脈的產出標志著祁連山－龍首山早古生代造山帶后碰撞伸展背景的開始，上涌地幔對酸性巖漿的形成、演化直至堿性巖和鈉交代型鈾礦化出現帶來了大量的熱能.

芨嶺巖體；輝綠巖；地球化學；后碰撞；地質意義；甘肅省

0 引言

甘肅省龍首山成礦帶以產出銅鎳硫化物礦床而舉世聞名，同時也是我國北西部重要的鈾成礦帶.芨嶺巖體是龍首山成礦帶最重要的巖體之一，由于其具有鈾礦化而受地質學界的廣泛關注［1-9］.該巖體是一個多期次的復式巖體，所見巖性主要有閃長巖、似斑狀花崗巖、中粒花崗巖、中細粒花崗巖，另有基性巖脈、鈉長巖脈等穿插其中.近年來，熱液型鈾礦床及周邊基性巖脈的研究是國內外深源成礦作用研究熱點，認為輝綠巖脈是深部鈾成礦作用的標志［10-11］，而在芨嶺鈉交代型鈾礦床外圍的確存在一些以脈狀、殘塊狀分布的輝綠巖.本文通過對這些輝綠巖巖石學、巖相學、同位素年代學、地球化學特征的研究，研究其形成的時代、構造地質背景，從而進一步探討其在鈉交代型鈾礦成礦作用中可能存在的作用.

1 區域地質背景

龍首山鈾成礦帶隸屬于我國北西部祁連山－龍首山鈾成礦帶，其區域上位于華北板塊西南部的龍首山陸緣帶，南接河西走廊、北依潮水盆地（圖1）.湯中立［12-13］立足于前人眾多研究成果，將北祁連劃為縫合帶，而河西走廊屬于龍首山陸緣帶外的邊緣海，中祁連具有離散型島弧地體屬性，南祁連為弧后盆地與柴達木地塊相接.芨嶺巖體位于龍首山成礦帶中段，目前所厘定出的最老的地層是以變質結晶基底產出的古元古界龍首山巖群（Pt1L），其不整合上覆地層為中元古界墩子溝群（Pt2D）和新元古界韓母山群（Pt3H）.除少量寒武系外，其余早古生界缺失，晚古生界有泥盆系紫紅色磨拉石和安山質凝灰巖、玄武巖和石炭、二疊系碎屑巖呈局部斷陷盆地分布.區內巖漿活動以元古宙和早古生代最為強烈，侵入巖類型多樣，超基性巖、基性巖、中性巖、酸性巖、堿性巖都有發育.侵入體的分布明顯受到早期北西西向構造控制，晚期構造以北北東向和北東東向兩期為主.

圖1 甘肅省龍首山成礦帶中東段地質圖Fig.1 Geological sketch map of the middle-east Longshoushan metallogenic belt in Gansu Province

2 輝綠巖脈巖石學特征

灰黑色輝綠巖脈主要呈脈狀侵入于芨嶺巖體閃長巖之中或是以殘塊存在于花崗巖之中，采樣點（圖1）坐標為 X＝101°48′02＂，Y＝38°34′04＂，H＝2416.15（西安80坐標系，6度帶）.巖石呈灰黑色—黑色，塊狀構造（圖 2a、b），輝綠結構，主要由角閃石（15%～20%）、輝石（30%～35%）、斜長石（40%～45%）及少量的黑云母（1%～5%）和不透明礦物（2%～5%）組成（圖 2c、d）.輝石呈方立狀，大小約0.3～1 mm之間，輝石式解理明顯，被似斑狀花崗巖捕獲的殘塊有的輝石僅保留了輝石晶形而已經變質為角閃石，其中有約15%～20%的輝石轉化為了普通角閃石.角閃石呈柱狀、短柱狀，粒徑約0.2～1 mm，藍綠色—淺黃綠色，多色性明顯，Ng∧C＝21°±，屬于普通角閃石.斜長石呈柱狀，0.5～1.0 mm 之間，常以集合體形式產出.由于構造作用的影響，輝綠結構特點不甚明顯，斜長石多發生簾石化和絹云母化，雙晶以復合雙晶為主.與石英相比，其折射率大于石英，干涉色與石英相當，應為基性斜長石.黑云母呈片狀，片長0.3 mm左右，呈明顯的深棕褐色—淺黃色干涉色.不透明礦物呈粒狀或集合體狀分布，以磁鐵礦為主.

3 鋯石U－Pb年齡

3.1 樣品采集與分析測試

用于 LA－ICP－MS鋯石 U－Pb測年的樣品是在2013年進行初步研究的基礎上于2014年進行的，樣品在核工業二〇三研究分析測試中心破碎后由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成鋯石挑選，同位素年齡測試在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成，詳細分析步驟和數據處理方法參見相關文獻［14-15］.

圖2 芨嶺礦區輝綠巖脈特征Fig.2 Diabase in the Jiling orefield

3.2 鋯石特征

在進行測試之前，對鋯石進行了反射光和陰極發光研究.輝綠巖脈的鋯石呈半自形—他形單錐狀或不規則狀、粒狀，長約60～120 μm，震蕩環帶在錐部發育清晰且細而密，個別鋯石內部見有繼承性捕擄體鋯石.CL圖像（圖3）顯示多數鋯石發育細密震蕩環帶，輝綠巖脈鋯石的 Th、U 含量較低，Th 含量變化于 13×10－6～2217×10－6之間，U 含量變化于 71×10－6～1316×10－6，Th/U比值大多數為0.35～1.09，但有3個測點的Th/U值小于0.4的較多；這可能是受到后期花崗巖質巖漿作用及晚期鈾成礦的影響.但總體特征表明，測試分析所選鋯石均為巖漿鋯石.

3.3 分析測試結果及可靠性

輝綠巖脈的鋯石所測的有效點數20個（表1），所有測點在206Pb/238U－207Pb/235U諧和圖上相對有些偏離，但加權平均年齡為 485 Ma，MSWD＝0.068，95%置信度（圖4）.雖然區域上沒有其他與這個年齡相近的基性巖活動報道，但是項目組對芨嶺巖體不同單元進行測試時獲得閃長巖的加權平均年齡為540 Ma，柴保民等［16］在青山堡、坡拉麻頂和芨嶺閃長巖用單顆粒鋯石蒸發所獲得的U－Pb年齡為558 Ma，河西堡花崗巖體中牌黑云花崗閃長巖Rb－Sr年齡577±59 Ma，而似斑狀花崗巖加權平均年齡為 455 Ma（MSWD＝0.70，95%置信度），結合輝綠巖以脈狀侵入至閃長巖之中卻以捕虜體產出于似斑狀花崗巖的特點，該年齡具有一定的可靠性.

4 地球化學特征

4.1 樣品采集與測試分析

樣品主要來自于芨嶺礦床北東部外圍閃長巖之中的輝綠巖脈和以捕擄體形式產出于花崗巖之中的巖塊.樣品采集過程中盡量取靠近中心部位較為新鮮的巖石作為樣品，檢測分析由核工業二〇三研究所分析測試中心在2013～2014年完成.主量元素檢測使用的是荷蘭帕納科公司制造的Axios X射線光譜儀，分析數據總量介于 99.30～100.70 之間，滿足 GB/T 14506.28－2010、GB/T14506－2010 和 GB/T3257.21－1987要求.微量元素和稀土元素檢測使用的是荷蘭帕納科公司制造的Axios X射線光譜儀和Thermo Flsher公司制造的Xseries2型ICP－MS，分析數據結果滿足GB/T 14506.28－2010 和 DZ/T0223－2001 要求［17-19］.

4.2 地球化學特征

圖3 芨嶺巖體輝綠巖脈鋯石CL圖像特征及測點年齡Fig.3 The CL images and ages of zircons from the Jiling diabase

輝綠巖脈的具體地球化學數據見表2，其中，SiO2含量為 46.93%～51.30%；TiO2的含量中等，為 1.18%～2.02%；Al2O3的含量很高，為 15.97%～19.21%；TFe2O3含量為 9.28%～12.00%；MgO 含量為 3.79%～8.22%；CaO 含 量 為 5.34% ～8.33% ；Na2O 含 量 為 2.86% ～5.59%；K2O 含量為 1.20%～2.51%；P2O5含量為 0.28%～0.66%.所有樣品堿的含量較高，Na2O＋K2O 為 4.36%～6.89%，Mg＃值為 42.4～66.5，Mg＃值平均值為 57.4.在TAS圖（圖5）上，多數分布于玄武巖－粗面玄武巖區域，為堿性巖漿系列.考慮到區域高堿性背景及K、Na的活動性較強的特征，利用蝕變和變質作用下較為穩定的元素進行判別.在Nb/Y－Zr/TiO2圖解（圖6）上，絕大多數樣品位于堿性玄武巖的區域內.

表1 芨嶺輝綠巖LA－ICP－MS鋯石U－Pb同位素分析數據一覽表Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic data of the Jiling diabase

圖4 芨嶺輝綠巖LA－ICP－MS鋯石U－Pb年齡諧和圖和直方圖Fig.4 The LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagram and weighted average age histogram of the Jiling diabase

表2 芨嶺輝綠巖主量元素、稀土元素和微量元素含量一覽表Table 2 Geochemical compositions of major，trace and rare earth elements of the Jiling diabase

輝綠巖脈稀土元素總量（∑REE）為 141×10－6～329×10－6，輕稀土元素豐度（LREE）為 124×10－6～294×10－6，重稀土元素豐度（LREE）為 16.6×10－6～34.9×10－6，LREE/HREE 的值為 7.5～9.9.在球粒隕石標準化稀土元素配分曲線圖（圖7a）上呈發育較弱銪負異常（δEu＝0.65～0.86）右傾配分模式，且輕稀土元素分異較強而重稀土元素較弱.在原始地幔標準化微量元素蛛網圖上（圖 7b）可以看出，富集 LILE（Rb、Ba）和不相容元素（Th、U），相對虧損 HFSE（Nb、Ta、Hf、Ti）.

圖5 芨嶺輝綠巖脈TAS圖解Fig.5 The TAS diagram of Jiling diabase

圖6 芨嶺輝綠巖脈Zr/TiO2－SiO2圖解Fig.6 The Zr/TiO2-SiO2diagram of Jiling diabase

5 地質意義

圖7 芨嶺礦區輝綠巖脈球粒隕石標準化稀土元素配分曲線圖與原始地幔標準化微量元素蛛網圖（據文獻［20］）Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergram of Jiling diabase（After Reference［20］）

從地球化學特征看，輝綠巖脈Na2O和K2O的含量都較高，且Na2O的含量大于K2O的含量，具有拉張環境的特征.考慮其分布于礦區周邊，可能會受到熱液作用的影響，故而利用相對穩定的元素對成因進行研究.基性巖漿巖中Th、Zr、Y、Nb等微量元素在蝕變和變質作用過程中較為穩定，它們對巖漿巖的產出構造背景有較好的指示作用.芨嶺輝綠巖脈中Zr的含量較高且Zr/Y的值均大于4，具有拉張環境下基性巖漿的地球化學特征［21］，且 Nb/Zr的值為 0.04～0.10，Th/Zr的值為 0.02～0.07.在 Zr－Zr/Y 構造屬性判別圖（圖 8a）上，所有樣品落入板內構造環境區.在Nb/Zr－Th/Zr判別圖（圖8b）上，樣品顯示具有與大陸碰撞有關拉張環境的趨勢.結合輝綠巖脈的產出年齡（485 Ma），表明祁連山－龍首山早古生代造山帶在奧陶紀早期進入后碰撞構造背景，標志著碰撞造山作用的結束.

芨嶺輝綠巖脈的 MgO 含量（3.79%～8.22%）和 Mg＃值（42.4～66.5）均有較大的變化，暗示其自產出后經歷一定的分離結晶作用［21］.在哈克圖解（圖9）中隨著MgO含量的降低，Ni、Cr含量隨之降低，表明巖漿經歷了橄欖石的分離結晶［22］；FeO的含量和CaO的含量隨MgO含量的降低而降低，且相關性較好，表明橄欖石分離結晶之后巖漿繼續分離結晶出輝石［11］.而Al2O3和K2O的含量與MgO有一定的相關性，說明巖漿未經歷較強烈的斜長石分離結晶，這與球粒隕石標準化稀土元素配分曲線圖上無Eu負異常或有弱的負異常特征相一致，同時原始地幔標準化微量元素蛛網圖上Sr的弱負異常或無異常也驗證了巖漿經歷弱的斜長石分離結晶.通常認為Nb、Ta負異常可能是受到了地殼物質的混染作用而形成的，芨嶺輝綠巖脈的La/Sm值為4.42～5.87，一般認為高 La/Sm 值（＞4.5）指示了地殼的混染作用.所有樣品的Rb、Ba、Th含量較高，U的含量比Th等大離子親石元素更高，這些微量元素特征暗示著芨嶺輝綠巖的巖漿受到了地殼物質的混染作用.

在我國南方，下莊礦田的小水“交點型”鈾礦是典型的與基性巖關系密切的鈾礦化［23］，其鈾源最有可能直接來自與輝綠巖具有相似源區性質的巖石圈富集地幔［24］.粵北中洞地區“交點型”鈾礦的成礦物質與輝綠巖源區表現出相似性或成生聯系，可能與富集地幔有關［10］，但是下莊礦田太平奄組中輝綠玢巖脈只是顯示了晚白堊世該地區處于地殼伸展和巖石圈減薄的構造環境［24］，相山鈾礦田中的基性巖脈同樣揭示了該區的伸展、裂解作用［25］.與前人研究成果不同［2］，本輪研究認為甘肅省龍首山成礦帶的芨嶺輝綠巖脈與鈉交代型鈾礦化關系不甚密切，而鈉長巖脈與鈉交代型鈾礦化具有同源、等時（443 Ma）、共體的特征［9］，關系緊密.雖然后碰撞構造背景下地幔上涌帶來的熱能，促進了似斑狀花崗巖的形成，但地幔流體在鈉交代型鈾礦成因上作用十分有限［9］，它只是標志著后碰撞伸展背景的開始，為酸性巖漿的形成、演化直至堿性巖和鈉交代型鈾礦化出現提供了地球動力學背景.

圖8 芨嶺輝綠巖Zr－Zr/Y和Nb/Zr－Th/Zr構造環境判別圖（據文獻［21］）Fig.8 Tectonic setting discrimination diagrams of the Jiling diabase（After Reference［21］）

圖9 芨嶺輝綠巖哈克圖解Fig.9 The Harker diagram of Jiling diabase

6 結論

（1）甘肅省龍首山成礦帶芨嶺輝綠巖是485 Ma前后的堿性玄武巖漿上侵形成的，它具有富鋁、高堿、中鈦的特征，它的MgO含量和Mg＃值均有較大變化，同時發育較弱銪負異常，輕稀土元素分異較強而重稀土元素較弱，相對富集LILE（Rb、Ba）和不相容元素（Th、U），虧損 HFSE（Nb、Ta、Hf、Ti）.

（2）芨嶺輝綠巖形成于后碰撞構造背景，其巖漿具有板內堿性玄武巖漿的特點，它是巖石圈地幔部分熔融形成的巖漿在經歷橄欖石、輝石和少量斜長石分離結晶后上侵形成的.

（3）芨嶺輝綠巖的產出標志著后碰撞伸展背景的開始，上涌地幔帶來了大量的熱能，對酸性巖漿的形成、演化直至堿性巖和鈉交代型鈾礦化出現提供了地球動力學背景.

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GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS AND GEOLOGICAL IMPLICATION OF THE JILING DIABASE IN GANSU PROVINCE

GAO Yu1，ZHAO Ru-yi2，WANG Gang1，NIE Li1
1.No.203 Institute of Nuclear Industry，Xianyang 712000，Shaanxi Province，China；2.Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

As one of the important factors for uranium metallogenesis in southern China，diabase occurs around the Jiling sodium-metasomatic uranium deposit.With study on petrology， petrography， geochemistry and isotopic chronology，it is confirmed that the diabase surrounding the Jiling uranium deposit is the product of upwelling alkali basaltic magma，which is characterized by rich-aluminum （15.97%-19.21%），high-alkali （4.36%-6.89%），medtitanium （1.18%-2.02%）and weak negative Eu anomaly.The chondrite-normalized REE patterns show strong LREE and weak HREE fractionations，with relatively enriched LILEs （Rb and Ba）and incompatible elements （Th and U），and depleted HFSE （Nb，Ta，Hf and Ti）.The LA-ICP-MS zircon U-Pb age of the diabase is 485 Ma，indicating it was formed in Early Ordovician.Both the MgO contents （3.79%-8.22%）and Mg＃values （42.4-66.5）vary greatly.The basic magma underwent the fractional crystallization of olivine，pyroxene and plagioclase before its emplacement into the crust.The Jiling diabase in the Longshoushan metallogenic belt marks the beginning of post-collisional extension setting，in which the upwelling mantle with heat brought the formation and evolution of acidic magma and alkaline rock，as well as the sodium-metasomatic uranium mineralization.

Jiling rock mass;diabase;geochemistry;post-collision;geological implication;Gansu Province

1671-1947（2017）05-0505-10

P595

A

2017－01－16；

2017－04－12.編輯：李蘭英.

中國核工業地質局項目“甘肅省龍首山成礦帶火石嶺-馬路溝地區鈾礦預查”（201349）、“甘肅省龍首山成礦帶鈉交代型鈾礦蝕變和地球化學分帶性研究”（201571）和中國地質調查局項目“甘肅省龍首山成礦帶鈾資源調查評價”（12120114014901）.

高宇（1984—），男，工程師，現主要從事鈾礦勘查工作，通信地址陜西省咸陽市渭陽西路48號，E-mail//280977305@qq.com

趙如意（1982—），男，博士，工程師，主要從事巖漿巖與成礦研究工作，通信地址北京市西城區百萬莊大街26號中國地質科學院，E-mail//93236749@qq.com