柴达木地块北缘南北沟岩体地球化学特征及成矿前景

摘 要： 南北沟岩体位于柴达木地块北缘，出露面积4.5 km2。岩石主要类型有淡色辉长岩、辉长岩、暗色辉长岩，各岩石类型之间多为过渡关系，局部呈侵入接触。主量元素化学组成属拉斑玄武岩系列。岩石相对富集大离子亲石元素，亏损高场强元素，明显亏损Nb、Ta。岩体原生岩浆属于高镁拉斑玄武岩（MgO质量分数为11.1%），在岩浆演化过程中遭受了一定程度中—上地壳物质的同化混染作用。岩体形成于古岛弧环境，是早古生代柴达木地块向祁连地块俯冲过程的产物。从岩浆分异程度、原生岩浆性质、同化混染等方面综合评价认为，南北沟岩体具有较好的铜镍硫化物矿床成矿潜力。
关键词： 地球化学；成矿潜力；地壳混染；原生岩浆；构造环境；铜镍硫化物矿床；柴达木地块
中图分类号： P588.1 文献标志码： A
Abstract： Nanbeigou intrusion is located in the northern margin of Qaidam massif， and the outcrop area is 4.5 km2. The intrusion is emplaced into amphibole plagiogneiss from Paleoproterozoic Dakendaban Group and amphibolite from Mesoproterozoic. It consists of pale gabbro， gabbro， melagabbro. They extend mainly gradual transition， and part shows intrusive contact. Rock alteration is strong， most of pyroxenes alter to amphibole， and part shows biotitization and chloritization； plagioclase shows saussuritization at different levels. Chemical composition of major element belongs to tholeiitic series. The rocks relatively enrich in large ion lithophile element （LILE）， deplete in high field strength element （HFSE）， and obviously deplete in Nb and Ta. The primary magma of intrusion is high Mg tholeiitic （mass fraction of MgO is 11.1%）， and is developed by the middle-upper crustal assimilation contamination in a certain extent during the magma evolution. The intrusion， which forms in ancient island arc environment， is the product of Qaidam massif subduction to Qilian massif in Early Paleozoic. According to the degree of magmatic differentiation， characteristics of primary magma and assimilation contamination， it is comprehensively concluded that Nanbeigou intrusion has good metallogenetic potentiality of Cu-Ni sulfide deposit.
Key words： geochemistry； ore-forming； crustal contamination； primary magma； structural environment； Cu-Ni sulfide deposit； Qaidam massif
0 引 言
柴达木地块北缘（简称“柴北缘”）隶属于青藏高原东北缘构造带，是祁连地块和柴达木地块的结合部位。柴北缘经历了大洋俯冲→闭合→大陆俯冲→造山的过程，在早古生代形成了大陆高压—超高压变质带[1-5]。据统计，柴北缘共有超镁铁质—镁铁质岩体300余个，总面积288 km2。前人将柴北缘绝大多数超镁铁质岩石归属为阿尔卑斯型橄榄岩（或称镁质橄榄岩），甚至将与辉长岩呈过渡关系的橄榄岩也归为此类，因此，多年来在柴北缘岩带开展的矿产勘查主要是以寻找铬铁矿和石棉矿为目标。然而，2009年青海省核工业地质局在柴达木地块西北缘鄂博梁段牛鼻子梁岩体中发现了镍硫化物矿体，赋矿岩石主要为橄榄岩，Ni含量（质量分数，下同）最高可达2.43%，平均在0.12%～0.30%范围内；Cu最高为0.36%，平均为0.11%[6]。由此可见，在柴达木地块北缘，镁质与铁质橄榄岩是并存的。2013年，姜常义等在柴达木地块边缘识别出南北沟岩体属于铁质基性岩，显示了较好的矿化信息，具有形成岩浆型矿床的潜力[7]。基于此，本文以南北沟岩体为研究对象，通过岩石学、矿物学和岩石地球化学研究，探讨其原生岩浆性质、岩浆演化过程及其构造环境，初步分析其成矿潜力，为区域矿床勘查提供理论依据。
1 地质概况
南北沟岩体位于青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦镇东偏南150 km处，大地构造位置属于柴达木地块北缘[图1（a）]。岩体形态呈不规则状，走向近SN向，长约3 km，宽约1.5 km，出露面积约4.5 km2。岩体侵位于古元古代达肯大坂群角闪斜长片麻岩和中元古代的斜长角闪岩中。岩体与围岩的接触面不规则，呈波浪状、港湾状[图1（b）]。岩体北部被后期花岗岩脉侵入，岩脉与岩体走向近乎一致。岩体后期遭受了较强的区域变形作用，其中劈理的强变形带与弱变形域清晰可见。岩体中暗色辉长岩、辉长岩可见星点状硫化物不均匀分布，硫化物以黄铁矿、黄铜矿为主。
2 岩相学与造岩矿物化学成分
南北沟岩体主要由淡色辉长岩、辉长岩、暗色辉长岩组成，各岩石类型之间多为过渡关系，局部也有侵入接触关系。岩石常见结构有自形—半自形粒状结构、辉长结构、包含结构、不等粒结构等典型镁铁—超镁铁质岩结构特征，以块状构造为主。岩石蚀变较强，大部分辉石蚀变为角闪石，局部黑云母化和绿泥石化；斜长石不同程度钠黝帘石化。
2.1 淡色辉长岩
淡色辉长岩呈灰白色、块状构造、辉长结构，主要由辉石、斜长石、黑云母、磷灰石和不透明矿物组成。辉石（体积分数为20%）呈半自形—自形短柱状[图2（a）]，粒径为1～2 mm，单偏光镜下为无色，正高突起，大部分为单斜辉石，少数为斜方辉石，可见其平行消光；部分辉石有弱的次闪石化。斜长石（体积分数为70%）呈半自形板状，粒径为1～3 mm；单偏光镜下无色透明，正突起低，大部分已钠黝帘石化。黑云母（体积分数为7%）呈片状，粒径为0.5～2 mm，部分为原生黑云母，少量为交代辉石而成[图2（b）]。磷灰石（体积分数为3%）呈短柱状和六边形自形，粒径为0.1～0.5 mm，不高于一级灰色的干涉色，平行消光，六边形切面在正交偏光下全消光。
2.2 辉长岩
辉长岩呈青灰色，中细粒结构、辉长结构、包含结构，块状构造。岩石主要由斜长石（体积分数为40%）、辉石（55%）和不透明矿物组成。辉石呈半自形短柱状，粒径为1～2 mm，全部蚀变为绿色普通角闪石，保留了辉石的晶形。斜长石呈半自形板条状，粒径为0.5～1 mm，钠黝帘石化发育，少数斜长石包裹于辉石颗粒中[图2（d）]。磷灰石（体积分数为2%）呈短柱状或圆粒状，粒径为0.1～0.3 mm，平行消光。不透明矿物主要以磁铁矿（体积分数为1%）和黄铁矿（2%）为主。
2.3 暗色辉长岩
暗色辉长岩呈灰黑色、不等粒结构、块状构造，由辉石、斜长石、磷灰石和不透明矿物组成。辉石颗粒远大于斜长石，而且自形程度也明显优于斜长石[图2（c）]。辉石（体积分数为70%）呈半自形短柱状，粒径为1～3 mm，已蚀变为角闪石但仍保留了辉石的晶形。斜长石（25%）呈半自形板状，粒径为0.5～3 mm，钠黝帘石化发育。磷灰石（1%）呈半自形短柱状，粒径为0.1～0.4 mm，平行消光。不透明矿物以磁铁矿和黄铁矿为主，体积分数约4%。
2.4 造岩矿物化学成分
电子探针分析结果表明（表1）：主要造岩矿物单斜辉石En牌号为42～44，Fs牌号为12～15，Wo牌号为41～46，其以普通辉石为主[图3（a）]；斜长石An牌号为71～80，Ab牌号为22～30，其为钙长石。 在单斜辉石的SiO2-Al2O3图解中，所有单斜辉石位于亚碱性岩区，表明其原生岩浆属于亚碱性系列[图3（b）]。
3 矿相学特征
南北沟岩体中暗色辉长岩和辉长岩常见星点状硫化物，暗色辉长岩硫化物含量明显高于辉长岩。其中，硫化物主要以黄铁矿和黄铜矿为主，此外还有磁铁矿、钛铁矿，脉石矿物主要为辉石。结构类型以粒状结构、交代结构为主。黄铁矿多呈星点状分布[图4（a）]，粒度大多在0.5 mm以下，半自形—他形粒状， 一般为晚期叠加，局部发生褐铁矿化。黄铜矿包裹在黄铁矿中[图4（d）]。磁铁矿多与钛铁矿连生[图4（c）、（f）]，形成铁钛氧化物的稀疏浸染状分布[图4（e）]。褐铁矿微量，一般是由黄铁矿的褐铁矿化形成[图4（b）]。
4 岩石地球化学
4.1 分析方法
主要造岩矿物化学成分在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室采用JXI-8100型电子探针进行分析，加速电压15 kV，束电流1.0×10-8 A，束斑直径1 μm；主量元素含量在西北大学大陆动力学国家重点实验室采用3080E型X-射线荧光光谱仪分析，观测方法为XRF熔片法，按国家标准GB/T 14506.28—1993执行。微量和稀土元素含量在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室采用美国X7型ICP-MS测定。
4.2 主量元素
岩体中各类岩石的SiO2含量范围为40.55%～ 53.52%。 从暗色辉长岩到辉长岩，再到单色辉长岩， 随着SiO2含量的降低，CaO、TFe2O3含量逐渐降低，而w（Na2O）+w（K2O）值逐渐升高（表2）。在SiO2-Na2O+K2O图解上，大部分样品位于亚碱性系列区域，淡色辉长岩位于碱性系列区域。这可能是淡色辉长岩富含黑云母，导致其KO2含量整体偏高，落入碱性区域[图5（a）]。在SiO2-TFe2O3/MgO图解上，样品皆落于拉斑玄武岩系列区域[图5（b）]。
4.3 微量和稀土元素
各种岩石的稀土元素总含量变化较大（表2）。岩石wREE值为（39.25～302.4）×10-6，w（La）N/w（Yb）N值为1.98～5.16，w（La）N/w（Sm）N值为1.68～4.70，w（Gd）N/w（Yb）N值为1.69～6.07。这表明岩石轻、重稀土元素分馏较强，重稀土元素之间的分馏程度与轻稀土元素之间的分馏程度相近。在球粒 陨石标准化稀土元素配分模式[图6（a）]上，样品均表现为富集轻稀土元素型。所有样品的Eu异常为0.69～1.07，未显示Eu异常或Eu异常不明显。
在原始地幔标准化微量元素蛛网图[图6（b）]上，各类岩石具有相似的原始地幔标准化微量元素蛛网图，显示了同源岩浆演化分异特征。总体上，岩石富集大离子亲石元素（Cs、Rb、Ba），显著亏损高场强元素（Nb、Ta），亏损Zr、Hf。
5 讨 论
5.1 地壳混染
目前，许多学者认为同化混染尤其是外来硫的 加入是形成铜镍硫化物矿床不可或缺的条件，因此，在岩浆硫化物矿床研究中，对于同化混染作用的约束显得十分必要。在野外工作中，南北沟岩体未见围岩捕虏体及明显的混染现象；但是除了野外详细地质观察以外，还有一系列地球化学指标可以判定同化混染作用。通常，幔源岩浆侵入地壳过程中会不同程度受到地壳物质的影响，如果幔源岩浆在上升过程中有地壳物质的加入，往往会使岩浆的SiO2，K2O和Zr、Hf、Th、Cs、Rb、Ba等大离子亲石元素的含量增加，同时还会使w（La）/w（Nb）、w（Zr）/w（Nb）值升高，w（Ti）/w（Yb）、w（Ce）/w（Pb）值降低，而且总分配系数相同或相近，不受分离结晶和部分熔融程度的影响，因此，不同元素含量比值
之间的相关关系（如w（Ce）/w（Pb）、w（Th）/w（Yb）、w（Nb）/w（Ta）、w（Ta）/w（Yb）、w（K2O）/w（P2O5）、w（Ti）/w（Yb）、w（Zr）/w（Nb）等之间的协变关系）可以准确地验证同化混染作用是否存在及其程度[14-15]。在La/Yb-Th/Ta、Ce/Pb-Th/Zr和Ta/Yb-Th/Yb图解[图7（a）～（c）]上，南北沟岩体中岩石不同元素含量比值之间具有一定的正相关性，暗示岩浆演化过程中发生了不同程度的同化混染作用。Neal等提出可以用w（La）PM/w（Nb）PM和w（Th）PM/w（Ta）PM值来区分上地壳和下地壳物质的混染作用[16]，由图7（d）可知，大部分样品遭受了中—上地壳物质的混染。其中，w（·）PM为元素含量原始地幔标准化后的值。
5.2 原生岩浆
绝大多数赋存铜镍硫化物矿床的岩体都是由岩浆多次贯入形成的复式岩体， 而且在不同岩体之间镁铁质岩石与超镁铁质岩石所占比例相差甚大，因此，构成这类岩体的母岩浆类型是多种多样的。但是，已有的研究成果表明，形成这些岩体的原生岩浆主要有高镁拉斑玄武岩、苦橄质岩浆和科马提质岩浆[17-20]。在南北沟岩体12件硅酸盐分析数据中，有7件样品的MgO含量介于9.41%～12.21%。这些数值明显高于岩浆正常中弱分异的辉长岩相应值。Mg#值是鉴别原生岩浆的重要标志之一。Green认为，与地幔橄榄岩平衡的原生岩浆Mg#值为0.63～0.73[21]；Frey等认为，Mg#值为0.68～0.73[22]； Hess认为，Mg#值大于0.68[23]。如果0.65～0.73代表原生岩浆和近于原生岩浆的Mg#值范围， 依据岩体中Mg#值介于0.66～0.73的4个样品，计算的原生岩浆MgO含量平均值为11.1%。根据现有资料，含镍铜铂矿岩体及火山岩的原生岩浆均为高镁拉斑玄武岩、苦橄岩和科马提岩。Bushveld、Great Dyke、Stillwater、Norilsk-Talnah、Sudbury、金川、喀拉通克、黄山、黄山东、图拉尔根、葫芦等岩体的原生岩浆均属高镁拉斑玄武岩类，但是国际上对于高镁拉斑玄武岩的MgO含量并没有形成统一的认识[24-26]。根据金川岩体原生岩浆的MgO含量（10.8%），不同学者计算的喀拉通克和黄山岩带诸含矿岩体原生岩浆的MgO含量都在11%～12%之间，因此，可以考虑将高镁拉斑玄武岩的MgO含量界定为大于等于10%。全球洋中脊玄武岩的MgO含量平均值为7.6%，低于这一界定值，因此，南北沟岩体的原生岩浆应属高镁拉斑玄武岩浆。
5.3 构造环境
南北沟岩体由暗色辉长岩、辉长岩和淡色辉长岩3种岩石类型组成。它们具有相似的地球化学特征，各类岩石稀土元素分布形式呈轻稀土元素（LREE）略微富集型，LREE相对重稀土元素（HREE）略微富集，岩石普遍集大离子亲石元素（LILE），显著亏损高场强元素（Nb、Ta），与岛弧型火山岩地球化学特征一致。在各类构造环境判别图解（图8）中，样品均落在岛弧玄武岩区，因此，岩体形成的构造环境应属于古岛弧，是相对原始的岛弧环境下岩浆分异结晶作用的产物。此外，区域研究资料表明，在早古生代柴达木地块和祁连地块之间的南祁连洋发生了大洋俯冲，同时产生了岛弧岩浆作用，并在柴达木地块北缘形成了一套与超高压变质岩带并行的早古生代岛弧火山岩带[27]。南北沟岩体位于柴达木地块与沙柳河—鱼卡超高压碰撞带接触带的边缘，又由于其形成于岛弧环境，所以应该是早古生代柴达木地块向祁连地块俯冲的结果。
5.4 成矿前景
大量研究成果表明：要有效地优选出赋含岩浆硫化物矿床的镁铁质—超镁铁质岩体，必须从构造环境、岩浆源区性质、原生岩浆、岩体类型、岩浆分异程度、质量平衡、岩浆含水量、同化混染、矿物学、造岩矿物晶体化学、主量元素地球化学、物化探异常等方面进行综合评价。例如，对于所有岩浆矿床而言，岩浆分异程度都是至关重要的成矿因素，因为岩浆分异程度越高，越有利于成矿物质聚集，从而成大矿和富矿。岩浆源区富水对成矿也十分有利，因为富水的岩浆在生成时往往部分熔融程度较高，有利于更多的硫化物进入岩浆；岩浆富水有利于成矿物质的运移与聚集，是成矿过程的重要媒介。此外，国外许多著名的铜镍硫化物矿床研究成果显示同化混染尤其是外来硫的加入是不可或缺的成矿条件，否则就很难形成大矿[17]。然而，南北沟岩体的研究资料较少，岩体成矿潜力评价工作处于空白状态，本文将对其成矿潜力进行初步评述。
南北沟岩体地表平坦，只有辉长岩出露。尽管如此，仍可将辉长岩分为暗色辉长岩、辉长岩和淡色辉长岩，辉石体积分数介于20%～70%。与此相对应，SiO2含量介于40.55%～53.52%，说明岩浆有较好的分异。岩石中既可见辉石中包含多个细小斜长石颗粒的包含结构，也可见辉石颗粒远大于斜长石，而且其自形程度也明显优于斜长石的不等粒结构。这些特征说明不平衡结晶过程主导了镁铁质岩浆的结晶过程，由此推测岩体下部可能有超基性岩石。岩体存在一定程度的同化混染作用，可以视为形成铜镍硫化物矿床的有利条件，而且岩体的原生岩浆跟金川、黄山、黄山东等镍铜硫化物矿床相同，都属于高镁拉斑玄武岩浆。
岩浆硫化物矿床在岩浆阶段成矿后通常都叠加有热液阶段的成矿，属于岩浆-热液复合成因矿床，热液阶段成矿作用的普遍性意味着富水岩浆有利于成矿。岩浆富水有利于成矿物质的运移和聚集，是成矿过程的重要媒介。南北沟岩体中的辉石大多已角闪石化，而且淡色辉长岩有非常发育的黑云母化。这些蚀变特征证明岩浆相对富水，有利于成矿。基于以上条件，南北沟岩体形成铜镍硫化物矿床的潜力较大。
大部分岩浆镍铜硫化物矿床赋存于二辉橄榄岩和苏长岩中，而非单辉橄榄岩和辉长岩，因此，斜方辉石的出现将有利于成矿。然而，南北沟岩体中绝大多数为单斜辉石， 鲜见斜方辉石，对成矿并不利。南北沟岩体中可见浸染状黄铁矿、磁铁矿，而未见磁黄铁矿、镍黄铁矿，表明当时岩浆具有较高的氧逸度条件。而在铜镍硫化物矿床中，磁黄铁矿总是数量最多、结晶最早的硫化物，在常见的硫化物中，磁黄铁矿稳定存在所需要的氧逸度是较低的，因此，岩浆房中较高的氧逸度对形成铜镍硫化物矿床是不利的。
6 结 语
（1）南北沟岩体主要由暗色辉长岩、辉长岩、淡色辉长岩组成。岩石属于拉斑玄武岩系列，亏损高场强元素，富集大离子亲石元素，明显亏损Nb、Ta。
（2）岩体的原生岩浆为相对富水、高镁拉斑玄武岩浆，岩浆演化过程遭受了中—上地壳的同化混染作用。
（3）岩体形成于岛弧环境，应该是早古生代柴达木地块向祁连地块俯冲的产物。
（4）从岩浆分异程度、原生岩浆性质、同化混染等方面综合评价认为，南北沟岩体形成铜镍硫化物矿床的潜力较大。
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