北秦嶺變質巖中鋯石U-Pb年齡結構及其地質意義

張 鵬，王 磷，代 威

（青海省第三地質礦產勘查院，青海西寧810029）

北秦嶺變質巖中鋯石U-Pb年齡結構及其地質意義

張 鵬*，王 磷，代 威

（青海省第三地質礦產勘查院，青海西寧810029）

選取2個北秦嶺的石英云母片巖樣品，通過陰極發光電子圖像（CL）和LA-ISP-MS測試技術，研究了其中碎屑鋯石的形態特征、U-Pb年齡及微量元素特征，并借鑒前人的研究結果，對石英云母片巖的形成年齡和巖石變質的各階段做出了初步解釋。通過對2個樣品中碎屑鋯石的U-Pb年齡測定，做年齡頻率圖得到2個樣品中碎屑鋯石的最大年齡峰值為1460Ma和1660Ma左右，顯示它們的物源區均主要來自中元古代。由于這一年齡結構與揚子板塊和華北板塊典型的晚太古代和早元古代、新元古代的巖漿活動時代不同，因此認為北秦嶺在新元古代大規模造山作用之前可能是一個獨立的微陸塊。

北秦嶺；石英云母片巖；碎屑鋯石U-Pb年齡；中元古代；獨立的微陸塊

1 區域地質概況

北秦嶺構造區呈狹窄帶狀分布于洛南—欒川—方城斷裂帶和商丹縫合帶之間。古元古代秦嶺群構成本構造單元最古老的結晶基底。中元古代晚期寬坪群變火山—沉積巖系分布于秦嶺北側和洛南—欒川—方城斷裂帶之間。新元古代—早古生代時期形成丹鳳群和二郎坪群。秦嶺群為一套中深變質雜巖系，由片麻巖、角閃巖和大理巖組成，變質程度達角閃巖相，局部麻粒巖相，時代為早元古代（2000～2200Ma）。經歷了晉寧期（1000～800Ma）變質作用和早古生代造山作用（楊經綏等，2002）[1]；寬坪群分布在二郎坪群北部，為一套強烈變形，變質達高綠片巖相一低角閃巖相中淺變質巖系。原巖主要由基性火山巖、碎屑巖和碳酸巖組成，時代為中新元古代（986～1142Ma）（張本仁、高山等，2002）[2]；丹鳳群主體為火山巖系，半有少量變碎屑沉積巖。發生于新元古代—早古生代時期。火山巖以變玄武巖為主，其次有少量變中性火山巖（安山巖類）。火山巖主體屬拉班玄武巖系列，少量鈣堿性系列。該巖系屬島弧構造環境中的產物（張國偉等）[1]、（張本仁等, 1994）[3]；二郎坪群為弧后盆地型變質火山—沉積巖系,發生于新元古代—早古生代。火山巖也顯示鈣堿性和拉斑玄武巖系列的特征。部分玄武巖具有島弧玄武巖地球化學特征,另一部分則顯示出洋脊玄武巖的特征。此外，中—酸性火山巖也同等發育。在東部二郎坪和大河地區以枕狀、塊狀拉班玄武巖為主，伴有輝長堆晶巖、橄欖輝長巖與厚層放射蟲硅質巖。有M型花崗巖和花崗閃長巖（即蛇綠巖）。相較于丹鳳群而言，變碎屑沉積巖的比例有所增大，出現了大量的碳酸鹽巖和硅質巖[1]。二郎坪群雖然也屬于變火山—沉積巖系，但與丹鳳群存在差別：（1）變碎屑沉積巖的比例增大，出現大量碳酸鹽巖和硅質巖。（2）在火山巖中，中性和酸性火山巖也有同等發育；寬坪群呈帶狀分布于北秦嶺構造帶的最北部。其下部主要由原巖為拉斑玄武巖的斜長片麻巖和綠片巖組成，中部以原巖為雜砂巖石英片巖為主，上部以大理巖為主（張本仁、高山等，2002）[2]。

北秦嶺構造帶中還存在著新元古代和早元古代的基性和酸性侵入巖，主體為輝長巖類和花崗巖類，他們多數侵位于秦嶺群中，并顯示出島弧和陸緣弧巖漿巖的地球化學特征。

2 樣品采集、分析

2.1 樣品采集

本文所用2個樣品均采自于河南盧氏縣官坡地區，樣品巖性均為石英云母片巖。樣品QL19采樣地點為官坡；樣品QL28采樣地點為石架溝地區，均采自于秦嶺群。秦嶺群主體由原巖屬雜砂巖的黑云母斜長片麻巖、鈣硅酸鹽巖和石墨大理巖組成，夾少量變基性巖（斜長角閃巖），后者部分呈侵入體（巖墻）狀產出，部分屬火山噴發巖層。其經歷了古元古代、新元古代和加里東三期變質作用，主期發生于新元古代。變質程度由低角閃巖相從西向東經角閃巖相遞增至麻粒巖相（游振東等，1991）[4]。

巖石表面風化程度較高，多呈土黃色和淺綠色。采集手標本觀察，有明顯的片理，主要由云母類等片狀礦物平行排列而形成，片理多呈波浪狀的彎曲構造，具有絹絲光澤。石英含量約40%～50%。云母片巖由泥巖、頁巖或凝灰巖等細顆粒巖石經區域變質作用而成，若母巖為砂巖，則通常變質成石英云母片巖，甚至石英片巖。

2.2 樣品薄片鏡下觀察

樣品制成薄片在鏡下觀察，主要由石英、白/黑云母、長石礦物組成，另外還含有少量石榴子石和鋯石。其中石英和云母的含量較多，石英約占40%，云母約30%。石榴子石和鋯石的含量很少，一個薄片中分別可見1～2顆。

石英無色透明，表面光滑，無解理，呈他形的顆粒狀，部分石英可見不規則的裂紋。正低突起，最高干涉色為一級白。

云母呈長條行，單偏光鏡下多為淺褐—淺黃色。見不到解理紋，正低-正中突起，最高干涉色為一級灰—一級黃。

長石呈長條形，呈無色或白色，見不到明顯解理，突起較低，多為正低突起，干涉色較低，最高干涉色為一級灰—一級黃。

石榴子石呈無色或者淺色調，晶形較好，無解理，多具不規則裂痕，正高—正極高突起。

鋯石在樣品中含量較少，不易觀察到。觀察到的少量鋯石呈淺色顆粒狀被包裹在云母之中，其邊緣呈黑色。平行消光，正極高突起，干涉色較高，最高干涉色為3～4級紅—藍色。

2.3 樣品測試

從所有樣品中選取均一、新鮮、無脈體穿插的重約2kg，先用水洗后吹干，然后用剛玉機械碎樣機將樣品夾碎為0.15～3mm。先在實驗室將粗碎的樣品挑出約50g，放入樣品磨粉碎，然后經人工重砂和電磁儀等多種方法分離鋯石。在雙目鏡下挑選出不同晶形、不同顏色和透明度好的鋯石作為測定對象。在玻璃板上用環氧樹脂固定，并拋光至鋯石中心。在原位分析之前，通過雙目鏡和陰極發光（CL）圖像詳細研究鋯石的晶體形貌和內部結構特征，以選擇同位素分析的最佳點。鋯石陰極發光（CL）照相在西北大學大陸動力學國家重點實驗室的掃描電鏡（+Gatan）陰極發光Mono-CI3+上完成。鋯石微量元素含量和U-Pb同位素數據在中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室（GPMR）利用LA-ICP-MS同時分析獲得。激光剝蝕系統為GeoLas 2005，激光束斑直徑為32μm。鋯石U-Pb同位素組成分析采用91500國際標準鋯石作為外標，元素含量測定采用NISTSRM610作為外標，29Si作為內標。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節靈敏度。在等離子體中心氣流（Ar+He）中加入了少量氮氣，以提高儀器靈敏度、降低檢出限和改善分析精密度。每個時間分辨分析數據包括大約20～30s的空白信號和50s的樣品信號。

3 數據分析及討論

3.1 鋯石U-Pb年齡分析

圖1 北秦嶺變質巖（QL19）ICP-MS U-Pb年齡協和圖

樣品QL19鋯石的Th/U值也普遍較高，雖然大量研究表明:巖漿鋯石的Th,U含量較高、Th/U比值較大（一般＞0.4）;變質鋯石的Th,U含量低、Th/U比值小（一般＜0.1），但是一些組成特殊的巖漿中結晶的巖漿鋯石具有異常的Th/U比值,而部分碳酸巖樣品中巖漿鋯石具有異常高的Th/U比值,所以,僅憑鋯石的Th/U比值有時并不能有效地鑒別巖漿鋯石和變質鋯石。變質增生鋯石的Th/U比值受變質流體和/或熔體的成分、共生礦物的組成以及變質鋯石的生長速率等因素的影響。由于U在流體中的活動性比Th強,所以變質流體一般富U貧Th,從這種類型的流體中結晶的鋯石常常具有較低的Th/U比值。在混合巖化地區部分熔融熔體中的成分也通常貧Th且富U,導致從這些熔體中結晶的鋯石也同樣具有非常低的Th/U比值。變質鋯石形成時,如果有富Th礦物（如獨居石和褐簾石）的同時形成,同樣會導致增生鋯石具有較低的Th/U比值[5]。

由于所有測點的年齡均大于1000Ma,所以選擇測點的207Pb/206Pb討論。從樣品QL19中所選取的15個測點中，有12個測點年齡分布在中元古代，有3個測點年齡分布在古元古代，有5個點的年齡分布在1000～1200Ma之間，占所選測點的33.3%，它們的年齡加權平均年齡為1165Ma±39Ma，為中元古代晚期。這5個測點的Th/U值均高于0.2，而且其中4個測點的Th/U值較高，分別為0.82、0.65、2.48、0.56；有7個測點的年齡分布在1400～1600Ma之間，占所選測點的46.6%，它們的加權平均年齡為1517Ma±55Ma，為中元古代早期。這7個測點的Th/U值除一個為0.17外，其余均大于0.2，最高的達到0.85；有3個測點的年齡分布在1700～1800Ma之間，占所選測點的20%。它們的加權平均年齡為1770Ma±92Ma，為古元古代晚期。這3個測點的Th/U值分別為0.34、0.72、0.92。

樣品QL19中碎屑鋯石的年齡頻率圖中出現多個峰值，反應了北秦嶺在1100～1900Ma之間發生了多次構造—熱事件，最大峰值為1460Ma左右，屬于中元古代。

圖2 北秦嶺變質巖（QL28）ICP-MS U-Pb年齡協和圖

樣品QL28中碎屑鋯石的Th/U值也普遍較高。由于所有測點的年齡均大于1000Ma,所以選擇測點的207Pb/206Pb討論。樣品QL28所選18顆打點鋯石中，有6顆鋯石的年齡屬于中元古代，有11顆該市的年齡屬于古元古代。最年輕的鋯石年齡約為1200Ma，該點的Th/U值為0.61；有5顆鋯石的年齡在1400～1600Ma，占樣品2所選測點的27.8%,它們的加權平均年齡為1509Ma±86Ma，為中元古代早期。這5顆鋯石的Th/U值都較高，最小的為0.49，其余均大于0.5，最高的達到1.94；有7測點的年齡在1600～1800Ma，占樣品2所選測點的33.3%,它們的加權平均年齡1672Ma±22Ma，為古元古代晚期。這6個測點的Th/U值也均較大，除最小的個為0.28外，其余的均大于0.5，最大的為0.95；有一個測點的年齡為2500Ma左右，為古元古代早期；另外有2個測點的年齡在諧和圖上極不和諧，可能因為U、Pb缺失所造成，在此不做詳細討論；另外還有一顆比較特殊的鋯石，其年齡為2520Ma±23Ma，可能來自于秦嶺群古老的結晶基底。

樣品QL28中碎屑鋯石年齡頻率圖中出現的峰值比樣品QL19中碎屑鋯石的年齡頻率圖中出現的峰值更多，說明該樣品記錄了北秦嶺更多的構造—熱事件。最大峰值在1660Ma左右，屬于中元古代早期。

通過對2組樣品測試數據的分析表明，2個樣品有著比較接近的主要物源，都是來自中元古代。同時發現所測碎屑鋯石有2組比較集中的年齡段。第一組碎屑鋯石年齡在1400～1600Ma，2個樣品的所有鋯石中有13顆的年齡分布在此區間，占2個樣品所有測點的39%，其中樣品QL19的測點有7顆，樣品QL28的測點有6顆；第二組碎屑鋯石年齡在1600～1800Ma,2個樣品的所有鋯石中有13顆鋯石的年齡分布在此區間，占2個樣品所有鋯石的39%,其中樣品09QL19的鋯石有3顆，樣品QL28的鋯石有10顆。

高山等[4]人對揚子板塊做了詳細年代學研究后，與前人對華北板塊演化過程的研究對比發現采自華北板塊鋯石的年齡最大峰值出現在2500Ma左右，屬于古元古代，說明華北板塊在此時期的構造-熱事件比較強烈。而采自揚子板塊的鋯石年齡的峰值雖然在古元古代也出現過，但是最大峰值出現在830Ma左右的新元古代，主要的構造-熱事件發生在新元古代，而此時期的華北板塊卻相對穩定，未發現此時期的鋯石。而本文兩個樣品的碎屑鋯石年齡未表現這兩個重要地質事件的時代信息。

前人研究表明，1600Ma以來，秦嶺經歷了3期強烈地質事件：（1）發生在1000Ma左右的晉寧期，秦嶺地區遭受強烈的變質作用并伴隨地殼部分熔融和強烈火山活動。（2）發生在400Ma左右的加里東—早華力西期，秦嶺在此遭受強烈變質并伴隨酸性巖漿侵入噴發。（3）280～200Ma晚華力西—印支期的又一次重要構造熱事件（張宗清、張國偉等，1996）。這3次強烈地質事件的事件未能在兩個樣品的碎屑鋯石年齡上得到體現，樣品QL28石年齡為1200Ma左右，樣品QL19晚的鋯石年齡為1100Ma左右，雖然與晉寧運動的時間比較接近，但是晉寧運動主要發生在1000～800Ma之間，所以這些測碎屑鋯石沒有記載晉寧期及其后來強烈地質事件的年代信息。

從以上的分析可以看出，北秦嶺主要的構造—熱事件既不同以華北板塊典型的早元古代強烈構造—熱活動，也不同于揚子板塊典型的新元古代強烈構造—熱事件，這就說明在早元古代大規模造山運動之前，北秦嶺可能是一個獨立的微陸塊。

3.2 鋯石微量元素分析

雖然鋯石的稀土元素特征并不能用來判斷寄主巖石的類型，但是在變質過程中,變質增生鋯石的微量元素特征除與各個微量元素進入鋯石晶格的能力大小有關外還受與鋯石同時形成的礦物種類控制，因此,通過變質鋯石微量元素特征的研究,可以很好地判斷鋯石的形成條件,為鋯石U-Pb年齡的解釋提供更加有效的制約[5]。

圖3 北秦嶺變質巖（QL19）稀土元素球粒隕石標準化配分圖解

2個樣品的稀土元素的特征基本相同，明顯具有LREE虧損、HREE富集、Ce正異常和Eu負異常的特征。在變質重結晶的過程中，微量元素被不同程度地逐出重結晶鋯石的晶格,導致其含量比原巖鋯石低。輕稀土在鋯石中的穩定性小于重稀土,在重結晶過程中更易被逐出鋯石的晶格,所以,變質重結晶鋯石的HREE/LREE比值一般會高于同一顆粒的原巖鋯石。在同一鋯石顆粒內部,重結晶鋯石區域與重結晶前鋒區域之間的微量元素相對原巖鋯石有互補關系,即原巖鋯石的微量元素含量介于變質重結晶鋯石與變質重結晶前鋒之間。

圖4 北秦嶺變質巖（QL28）稀土元素球粒隕石標準化配分圖解

4 結論

從以上的數據分析和討論及前人的研究成果中，我們初步得到以下結論：

（1）從研究中—高級變沉積巖的碎屑鋯石可以很好的獲得物源區和制約地層時代的年代學信息。

（2）根據207Pb/206Pb年齡數據，北秦嶺變質巖的主要物源區為1400～1800Ma的中元古代，盡管出現大于2500Ma的鋯石，但是太古宙和古元古代不是秦嶺群變質巖的主要物源區。

（3）北秦嶺板塊在大規模造山運動之前可能是一個獨立的微板塊，既不同于華北板塊的南緣，也不同于揚子板塊的北緣。

（4）本文的2個樣品中的碎屑鋯石形成于開放的系統，同時這些鋯石的U和Th的含量很高，說明北秦嶺可能與揚子板塊存在物質交換。

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P534.46

A

1004-5716（2015）06-0171-05

2014-10-21

2015-01-04

張鵬（1986-），男（漢族），湖北宜昌人，助理工程師，現從事礦產勘查技術工作。