柴北缘超高压变质带折返过程对金红石成矿的制约：
?コ脉?+郑有业+许荣科+国显正+王会敏+蔡鹏捷
摘要：鱼卡和铁石观西榴辉岩均位于柴北缘超高压变质带，近期在鱼卡地区发现了大型以上的榴辉岩型金红石矿床，但在铁石观西地区仅发现钛矿化，两区成矿前景不同。在对两区进行详细野外地质观测、镜下观察及电子探针分析的基础上，通过LAICPMS系统研究了榴辉岩中石榴石的主、微量元素特征等。结果表明：鱼卡和铁石观西榴辉岩虽然产状基本一致，但鱼卡榴辉岩基本无退变，石榴石较自形，含较多的包裹体，石榴石中的主、微量元素成分呈环带分布，幔边部富集稀土元素，而铁石观西榴辉岩退变较强，矿物他形，石榴石包裹体数量较少，部分石榴石单矿物主量元素环带已经被均一化，核幔部相对边部更富集稀土元素。结合年代学等证据，鱼卡榴辉岩的形成经历了相对快速俯冲和折返的动力学过程，钛成矿作用中金红石很少转变为钛铁矿，而铁石观西榴辉岩经历了一个快速俯冲而折返速率较缓慢的动力学过程，钛成矿作用中金红石大多转变成了钛铁矿。揭示鱼卡和铁石观西钛物相、动力学过程等差异的原因及标志，为柴北缘超高压变质带内进一步寻找榴辉岩型金红石矿床提供了依据与方向。
关键词：石榴石；主量元素；微量元素；金红石矿床；榴辉岩；超高压变质带；柴达木盆地
中图分类号：P588.3文献标志码：A
Exhumation Processes of UHP Metamorphic Belt in the Northern Qaidam and
Their Constraints to Rutile Mineralization： Evidences from Compositional
Zoning of Garnets in Yuqia and West Tieshiguan Areas
CHEN Xin1， ZHENG Youye1，2，3， XU Rongke2， GUO Xianzheng2， WANG Huimin1， CAI Pengjie2， DU Wenyang2， LIN Chenggui3， FANG Changtan3， LU Rui2， FAN Xianbin3
（1. Faculty of Earth Resources， China University of Geosciences， Wuhan 430074， Hubei， China；
2. Institute of Geological Survey， China University of Geosciences， Wuhan 430074， Hubei， China；
3. College of Earth Sciences and Resources， China University of Geosciences， Beijing 100083， China）
Abstract： The oreforming prospect of eclogitetype rutile in Yuqia is different from that in West Tieshiguan， located in the northern Qaidam ultrahighpressure（UHP） metamorphic belt. Recently， the large eclogitetype rutile ore deposit in Yuqia is found， but only titanium mineralization in West Tieshiguan is found. Based on detailed field geological and microscopic observation， the major elements were analyzed by electron probe； moreover， the insitu trace element contents in garnet collected from the deposits were performed by LAICPMS. The results show that the occurrences of Yuqia and West Tieshiguan eclogites are basically identical. Yuqia eclogite degenerates weakly with mineral idiomorphic granular， and garnets contain more inclusions. Major and trace earth elements have welldeveloped zoning characteristic， and the mantle and rim enrich rare earth element in garnets. Relatively， the degeneration of West Tieshiguan eclogite is strong and mineral xenomorphicgranular. Some garnets of eclogites contain less inclusions and the zoning of major element has been homogenized， rare earth elements of the core and mantle are more than the side. Combining the chronology evidences， Yuqia eclogite undergoes rapid subduction and exhumation of the dynamic process， and the rutiles barely turn into ilmenites. West Tieshiguan eclogite undergoes an evolution history with a rapid burial and slow uplift， and the rutiles nearly turn into ilmenites， which reveal the differences between the dynamics process and the occurrence state of rutile. These characters provide directions for the study area to further find eclogitetype rutile deposits in the northern Qaidam UHP metamorphic belt.
Key words： garnet； major element； trace element； rutile deposit； eclogite； UHP metamorphic belt； Qaidam Basin
0引言
柴达木盆地北缘（简称“柴北缘”）是近年来发现并确立的一条超高压变质带，位于祁连地块与柴达木地块之间，从青海省都兰县沙柳河—野马滩朝西北方向延伸到锡铁山、绿梁山、铁石观西、鱼卡一带，长约400 km，是典型的早古生代大陆型俯冲碰撞带[17]。其中，柯石英包裹体首先发现于都兰北带泥质片麻岩的锆石中[8]，之后在都兰和鱼卡榴辉岩薄片以及都兰和锡铁山榴辉岩锆石中有新的柯石英包裹体被发现[911]。绿梁山石榴橄榄岩锆石中发现有金刚石包裹体[12]，使阿尔金—柴北缘地区成为继大别—苏鲁地区之后，在中国发现的又一条被巨型走滑断裂所切割的高压—超高压变质带，引起了中外学者的普遍关注[1314]。郑有业团队在开展绿梁山—双口山矿产调查工作中，在成矿系列理论的指导下，通过与大别—苏鲁超高压变质带类比，提出了在大柴旦一带的超高压变质带内有找到大—中型榴辉岩型金红石矿床的远景，并最终在鱼卡—铁石观西一带找到了榴辉岩型钛矿床，从而实现了在柴北缘一带钛矿床找矿突破[15]。经过2012～2015年的不懈努力，鱼卡钛资源量已经达到大型以上规模，钛矿物主要为金红石，具有很好的工业利用价值；而铁石观西榴辉岩中TiO2含量较高，采集的大部分榴辉岩样品TiO2含量（质量分数，下同）在2%以上，但钛物相主要以钛铁矿为主，工业价值不大。在区域上，鱼卡、铁石观西都属于鱼卡—绿梁山超高压变质地块[16]，钛物相存在较大差异的原因需要进一步研究，以便更好地服务于其他超高压变质地块中榴辉岩型金红石矿床的寻找。
本文在详细野外地质填图、镜下观察以及电子探针分析的基础上，结合石榴石环带特征，利用LAICPMS技术分析鱼卡和铁石观西榴辉岩中石榴石主、微量元素特点，揭示鱼卡和铁石观西钛矿物存在差异的原因，为柴北缘超高压变质带内进一步寻找榴辉岩型金红石矿床提供依据与方向。
1区域地质背景
NQL为北祁连俯冲杂岩带；NAT为北阿尔金俯冲杂岩带；CAB为中阿尔金地块；QLB为祁连地块；SAT为南阿尔金俯冲碰撞杂岩带；NQD为柴北缘俯冲碰撞杂岩带；图件引自文献[23]，有所修改
柴北缘超高压变质带位于青海省境内，呈NWW—SEE向展布，北侧是祁连地块，南侧为柴达木地块，东接秦岭造山带（图1），西端被阿尔金断裂所切[4，17]，是一个形成于早古生代的典型大陆型俯冲碰撞构造带[1821]，从东南到西北共分为都兰、锡铁山、绿梁山—铁石观西、鱼卡4个超高压变质体，鱼卡、铁石观西超高压变质体位于其中西段（图1）[19，2122]。超高压变质带主要出露地层为中元古界鱼卡河岩群、古生界滩间山群、泥盆纪耗牛山组砂砾岩和火山碎屑岩以及城墙沟组生物碎屑灰岩、中—上新统油砂山组和狮子沟组以及较大面积分布的不同成因类型的第四纪堆积物（图2）。区内NW向断裂构造发育，榴辉岩、片岩和片麻岩都受到强烈的韧性剪切。岩浆活动频繁，从元古代到晚古生代岩浆活动都有不同程度地保留，尤其是中—新元古代、早古生代岩浆活动最为强烈[5]。
前人对鱼卡地区的榴辉岩进行了大量研究。陈丹玲等认为该地区榴辉岩中的石榴石经历了前榴辉岩相、榴辉岩相及后榴辉岩相3个主要变质演化阶段，榴辉岩中进变质矿物组合和生长环带的保存说明榴辉岩的形成经历了相对快速俯冲和折返的动力学过程[13]。陈丹玲等在该地区得到粗粒多硅白云母榴辉岩和细粒块状榴辉岩近乎一致的变质年龄和原岩年龄，分别为（436±3）Ma和（431±4）Ma 以及783～793 Ma和748～759 Ma[2]；Zhang等使用含柯石英榴辉岩进行温压测定，得到峰期榴辉岩相温度（T）和压力（P）条件为P=2.7～3.4 GPa，T=610 ℃～700 ℃[24]。Song等研究了该地区高钛榴辉岩和低钛榴辉岩，认为高钛部分具有洋岛玄武岩的特点， 岩石稀土元素总含量高，轻稀土元素表现为强富集型，而低钛类具洋中脊玄武岩的特点；同时，结合Nd同位素和UPb年代学的证据，认为榴辉岩的原岩是850 Ma左右的大陆溢流玄武岩[4]。陈鑫等认为铁石观西退变榴辉岩保留有超高压变质峰期矿物组合（石榴石+绿辉石+多硅白云母+金红石），大部分石榴石保留有明显的生长环带，通过用WatersMartin GtOmpPhe压力计[25]和Ravna GtOmp Fe2+Mg交换温度计[26]获得变质峰期温度范围为694 ℃～791 ℃，压力范围为25～26 GPa，表明其经历了高压变质作用[27]。宋述光等在与铁石观西相距超过20 km的绿梁山地区石榴橄榄岩金刚石包裹体和石榴石中发现两种辉石、金红石和钠质闪石出溶片晶等，证明柴北缘超高压变质带部分岩石经历了100～200 km地幔深度的超高压变质作用[5，1218，22]。张建新等在绿梁山发现了基性麻粒岩，通过传统温压计计算得到其形成的温压条件为：P=0.96～1.35 GPa，T=730 ℃～870 ℃；根据石榴石中残留的绿辉石，推断该基性麻粒岩是榴辉岩退变而来[16]。尽管不少学者在绿梁山地区进行了大量研究工作，但是否存在榴辉岩，迄今没有相关报道。
图2鱼卡—绿梁山地区地质简图
Fig.2Geological Sketch Map of YuqiaLuliangshan Area
2矿床地质特征
鱼卡金红石矿区出露的地层主要为鱼卡河岩群，岩性主要为云母石英片岩、大理岩、榴辉岩等，片岩、大理岩、榴辉岩在空间上整合接触，产状基本一致（图3），其中与榴辉岩接触的大理岩和片岩局部具有石榴石化。矿区构造线为NW走向，断层较为发育，钻孔中能够看到糜棱岩化的榴辉岩等断层破碎带，没有发现大型褶皱构造。矿区岩浆岩分布广泛。榴辉岩呈NW—SE走向，主要呈极灰黑—灰绿色，多呈透镜状或条带状及似层状产于云母石英片岩、英云闪长质片麻岩、大理岩之中，整体相连，断续分布（图3）。其中，出露规模较大的主要分布在鱼卡河北岸，宽度为30～80 m，其中4号矿体断续相连长达2 000 m，TiO2平均品位在25%以上。
摘要：鱼卡和铁石观西榴辉岩均位于柴北缘超高压变质带，近期在鱼卡地区发现了大型以上的榴辉岩型金红石矿床，但在铁石观西地区仅发现钛矿化，两区成矿前景不同。在对两区进行详细野外地质观测、镜下观察及电子探针分析的基础上，通过LAICPMS系统研究了榴辉岩中石榴石的主、微量元素特征等。结果表明：鱼卡和铁石观西榴辉岩虽然产状基本一致，但鱼卡榴辉岩基本无退变，石榴石较自形，含较多的包裹体，石榴石中的主、微量元素成分呈环带分布，幔边部富集稀土元素，而铁石观西榴辉岩退变较强，矿物他形，石榴石包裹体数量较少，部分石榴石单矿物主量元素环带已经被均一化，核幔部相对边部更富集稀土元素。结合年代学等证据，鱼卡榴辉岩的形成经历了相对快速俯冲和折返的动力学过程，钛成矿作用中金红石很少转变为钛铁矿，而铁石观西榴辉岩经历了一个快速俯冲而折返速率较缓慢的动力学过程，钛成矿作用中金红石大多转变成了钛铁矿。揭示鱼卡和铁石观西钛物相、动力学过程等差异的原因及标志，为柴北缘超高压变质带内进一步寻找榴辉岩型金红石矿床提供了依据与方向。
关键词：石榴石；主量元素；微量元素；金红石矿床；榴辉岩；超高压变质带；柴达木盆地
中图分类号：P588.3文献标志码：A
Exhumation Processes of UHP Metamorphic Belt in the Northern Qaidam and
Their Constraints to Rutile Mineralization： Evidences from Compositional
Zoning of Garnets in Yuqia and West Tieshiguan Areas
CHEN Xin1， ZHENG Youye1，2，3， XU Rongke2， GUO Xianzheng2， WANG Huimin1， CAI Pengjie2， DU Wenyang2， LIN Chenggui3， FANG Changtan3， LU Rui2， FAN Xianbin3
（1. Faculty of Earth Resources， China University of Geosciences， Wuhan 430074， Hubei， China；
2. Institute of Geological Survey， China University of Geosciences， Wuhan 430074， Hubei， China；
3. College of Earth Sciences and Resources， China University of Geosciences， Beijing 100083， China）
Abstract： The oreforming prospect of eclogitetype rutile in Yuqia is different from that in West Tieshiguan， located in the northern Qaidam ultrahighpressure（UHP） metamorphic belt. Recently， the large eclogitetype rutile ore deposit in Yuqia is found， but only titanium mineralization in West Tieshiguan is found. Based on detailed field geological and microscopic observation， the major elements were analyzed by electron probe； moreover， the insitu trace element contents in garnet collected from the deposits were performed by LAICPMS. The results show that the occurrences of Yuqia and West Tieshiguan eclogites are basically identical. Yuqia eclogite degenerates weakly with mineral idiomorphic granular， and garnets contain more inclusions. Major and trace earth elements have welldeveloped zoning characteristic， and the mantle and rim enrich rare earth element in garnets. Relatively， the degeneration of West Tieshiguan eclogite is strong and mineral xenomorphicgranular. Some garnets of eclogites contain less inclusions and the zoning of major element has been homogenized， rare earth elements of the core and mantle are more than the side. Combining the chronology evidences， Yuqia eclogite undergoes rapid subduction and exhumation of the dynamic process， and the rutiles barely turn into ilmenites. West Tieshiguan eclogite undergoes an evolution history with a rapid burial and slow uplift， and the rutiles nearly turn into ilmenites， which reveal the differences between the dynamics process and the occurrence state of rutile. These characters provide directions for the study area to further find eclogitetype rutile deposits in the northern Qaidam UHP metamorphic belt.
Key words： garnet； major element； trace element； rutile deposit； eclogite； UHP metamorphic belt； Qaidam Basin
0引言
柴达木盆地北缘（简称“柴北缘”）是近年来发现并确立的一条超高压变质带，位于祁连地块与柴达木地块之间，从青海省都兰县沙柳河—野马滩朝西北方向延伸到锡铁山、绿梁山、铁石观西、鱼卡一带，长约400 km，是典型的早古生代大陆型俯冲碰撞带[17]。其中，柯石英包裹体首先发现于都兰北带泥质片麻岩的锆石中[8]，之后在都兰和鱼卡榴辉岩薄片以及都兰和锡铁山榴辉岩锆石中有新的柯石英包裹体被发现[911]。绿梁山石榴橄榄岩锆石中发现有金刚石包裹体[12]，使阿尔金—柴北缘地区成为继大别—苏鲁地区之后，在中国发现的又一条被巨型走滑断裂所切割的高压—超高压变质带，引起了中外学者的普遍关注[1314]。郑有业团队在开展绿梁山—双口山矿产调查工作中，在成矿系列理论的指导下，通过与大别—苏鲁超高压变质带类比，提出了在大柴旦一带的超高压变质带内有找到大—中型榴辉岩型金红石矿床的远景，并最终在鱼卡—铁石观西一带找到了榴辉岩型钛矿床，从而实现了在柴北缘一带钛矿床找矿突破[15]。经过2012～2015年的不懈努力，鱼卡钛资源量已经达到大型以上规模，钛矿物主要为金红石，具有很好的工业利用价值；而铁石观西榴辉岩中TiO2含量较高，采集的大部分榴辉岩样品TiO2含量（质量分数，下同）在2%以上，但钛物相主要以钛铁矿为主，工业价值不大。在区域上，鱼卡、铁石观西都属于鱼卡—绿梁山超高压变质地块[16]，钛物相存在较大差异的原因需要进一步研究，以便更好地服务于其他超高压变质地块中榴辉岩型金红石矿床的寻找。
本文在详细野外地质填图、镜下观察以及电子探针分析的基础上，结合石榴石环带特征，利用LAICPMS技术分析鱼卡和铁石观西榴辉岩中石榴石主、微量元素特点，揭示鱼卡和铁石观西钛矿物存在差异的原因，为柴北缘超高压变质带内进一步寻找榴辉岩型金红石矿床提供依据与方向。
1区域地质背景
NQL为北祁连俯冲杂岩带；NAT为北阿尔金俯冲杂岩带；CAB为中阿尔金地块；QLB为祁连地块；SAT为南阿尔金俯冲碰撞杂岩带；NQD为柴北缘俯冲碰撞杂岩带；图件引自文献[23]，有所修改
柴北缘超高压变质带位于青海省境内，呈NWW—SEE向展布，北侧是祁连地块，南侧为柴达木地块，东接秦岭造山带（图1），西端被阿尔金断裂所切[4，17]，是一个形成于早古生代的典型大陆型俯冲碰撞构造带[1821]，从东南到西北共分为都兰、锡铁山、绿梁山—铁石观西、鱼卡4个超高压变质体，鱼卡、铁石观西超高压变质体位于其中西段（图1）[19，2122]。超高压变质带主要出露地层为中元古界鱼卡河岩群、古生界滩间山群、泥盆纪耗牛山组砂砾岩和火山碎屑岩以及城墙沟组生物碎屑灰岩、中—上新统油砂山组和狮子沟组以及较大面积分布的不同成因类型的第四纪堆积物（图2）。区内NW向断裂构造发育，榴辉岩、片岩和片麻岩都受到强烈的韧性剪切。岩浆活动频繁，从元古代到晚古生代岩浆活动都有不同程度地保留，尤其是中—新元古代、早古生代岩浆活动最为强烈[5]。
前人对鱼卡地区的榴辉岩进行了大量研究。陈丹玲等认为该地区榴辉岩中的石榴石经历了前榴辉岩相、榴辉岩相及后榴辉岩相3个主要变质演化阶段，榴辉岩中进变质矿物组合和生长环带的保存说明榴辉岩的形成经历了相对快速俯冲和折返的动力学过程[13]。陈丹玲等在该地区得到粗粒多硅白云母榴辉岩和细粒块状榴辉岩近乎一致的变质年龄和原岩年龄，分别为（436±3）Ma和（431±4）Ma 以及783～793 Ma和748～759 Ma[2]；Zhang等使用含柯石英榴辉岩进行温压测定，得到峰期榴辉岩相温度（T）和压力（P）条件为P=2.7～3.4 GPa，T=610 ℃～700 ℃[24]。Song等研究了该地区高钛榴辉岩和低钛榴辉岩，认为高钛部分具有洋岛玄武岩的特点， 岩石稀土元素总含量高，轻稀土元素表现为强富集型，而低钛类具洋中脊玄武岩的特点；同时，结合Nd同位素和UPb年代学的证据，认为榴辉岩的原岩是850 Ma左右的大陆溢流玄武岩[4]。陈鑫等认为铁石观西退变榴辉岩保留有超高压变质峰期矿物组合（石榴石+绿辉石+多硅白云母+金红石），大部分石榴石保留有明显的生长环带，通过用WatersMartin GtOmpPhe压力计[25]和Ravna GtOmp Fe2+Mg交换温度计[26]获得变质峰期温度范围为694 ℃～791 ℃，压力范围为25～26 GPa，表明其经历了高压变质作用[27]。宋述光等在与铁石观西相距超过20 km的绿梁山地区石榴橄榄岩金刚石包裹体和石榴石中发现两种辉石、金红石和钠质闪石出溶片晶等，证明柴北缘超高压变质带部分岩石经历了100～200 km地幔深度的超高压变质作用[5，1218，22]。张建新等在绿梁山发现了基性麻粒岩，通过传统温压计计算得到其形成的温压条件为：P=0.96～1.35 GPa，T=730 ℃～870 ℃；根据石榴石中残留的绿辉石，推断该基性麻粒岩是榴辉岩退变而来[16]。尽管不少学者在绿梁山地区进行了大量研究工作，但是否存在榴辉岩，迄今没有相关报道。
图2鱼卡—绿梁山地区地质简图
Fig.2Geological Sketch Map of YuqiaLuliangshan Area
2矿床地质特征
鱼卡金红石矿区出露的地层主要为鱼卡河岩群，岩性主要为云母石英片岩、大理岩、榴辉岩等，片岩、大理岩、榴辉岩在空间上整合接触，产状基本一致（图3），其中与榴辉岩接触的大理岩和片岩局部具有石榴石化。矿区构造线为NW走向，断层较为发育，钻孔中能够看到糜棱岩化的榴辉岩等断层破碎带，没有发现大型褶皱构造。矿区岩浆岩分布广泛。榴辉岩呈NW—SE走向，主要呈极灰黑—灰绿色，多呈透镜状或条带状及似层状产于云母石英片岩、英云闪长质片麻岩、大理岩之中，整体相连，断续分布（图3）。其中，出露规模较大的主要分布在鱼卡河北岸，宽度为30～80 m，其中4号矿体断续相连长达2 000 m，TiO2平均品位在25%以上。
