宗務隆山角閃輝長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年、地球化學特征及其地質意義

王蘇里，周立發

(西北大學 大陸動力學國家重點實驗室/地質學系,陜西 西安 710069)

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·地球科學·

宗務隆山角閃輝長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年、地球化學特征及其地質意義

王蘇里，周立發

(西北大學 大陸動力學國家重點實驗室/地質學系,陜西 西安 710069)

對宗務隆山角閃輝長巖進行的巖石學、地球化學及鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年的研究表明,該巖體的成巖年齡為(254.3±1.5)Ma,形成時代為晚二疊世晚期,顯示為海西—印支運動巖漿活動的產物。其SiO2質量含量為45.38%～52.65%，其低鋁(Al2O3質量含量為13.76%～16.86%)、富鈣(CaO質量含量為9.92%～11.06%)、貧堿(K2O+Na2O質量含量為2.86%～3.35%)的特點表明其屬于鈣堿性系列巖石。巖石明顯富集大離子親石元素(如Rb,Sr,Ba等),而相對虧損高場強元如素(Nb,Ta,Zr等)。稀土總量較低(ΣREE含量為7.05×10-6～38.71×10-6),顯示為輕稀土元素相對富集的右傾型配分模式,δEu為0.9～0.97,呈弱的Eu負異常。主、微量及稀土元素特征反映出巖石具幔源巖漿的特點,但受到地殼物質的混染,構造判別圖解顯示宗務隆山角閃輝長巖形成的大地構造背景為洋殼俯沖造山階段的島弧環境。該研究結果結合同位采樣的黑云花崗巖樣本的定年結果及地球化學特征,為宗務隆洋盆俯沖提供了年代學及巖漿作用方面的依據。

角閃輝長巖;鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年;地球化學;宗務隆山

宗務隆構造帶地處青藏高原東北緣,研究區巖漿活動復雜,南北側均有大量巖漿巖出露。長期以來,多見元古代和早古生代巖漿巖的發現而缺少印支期巖漿巖的報道[1-4],這直接影響了對宗務隆構造帶構造屬性的認識和構造意義的探討。此外,宗務隆構造帶位于秦—祁造山帶的鏈接部位,前人研究程度較低,爭議也較大,總體上認為以海西期巖漿活動為主[5-6],但缺乏區內巖漿巖的年代學以及地球化學資料。鎂鐵質巖石在探索地幔作用、殼幔相互作用等方面起到越來越重要的作用,已迅速成為研究板塊碰撞、殼幔相互作用、巖漿演化和地幔屬性的窗口。本研究在野外工作的基礎上,首次對宗務隆山海西褶皺帶的角閃輝長巖進行巖石學、LA-LCP-MS鋯石U-Pb定年及巖石地球化學研究,旨在準確厘定該區角閃輝長巖的形成時代,確定印支期花崗巖的存在，揭示其成因和成巖構造背景,有助于深化區內巖漿巖演化和成巖成礦地質背景方面的認識,為建立宗務隆構造帶的構造屬性模型、演化模型及其與祁連構造帶、西秦嶺構造帶的耦合關系有著重大意義。

1 地質背景

宗務隆山海西褶皺帶西起阿爾金山,向東經蘇干湖盆地被第四系覆蓋后,于土爾根大坂、達肯大坂又出露,繼續東延,經宗務隆山,至青海期南山的野馬湖一帶,呈北西西走向的窄條楔入南祁連加里東構造帶與柴達木地塊—西秦嶺構造帶之間；并以宗務隆山北緣斷裂和宗務隆山南緣斷裂作為與上述兩相鄰構造-地層單元體的分界[7-11](見圖1)。

圖1 宗務隆構造帶及其臨區構造單元劃分Fig.1 Division of tectonic units of the Zongwulong tectonic zone with adjacent region

該構造帶出露最老地層為石炭系,是一套淺海相過渡型的碎屑巖-碳酸鹽巖-火山巖的沉積組合。二疊系缺失上統和下統,中統與下伏地層呈不整合接觸,為濱淺海相的穩定型至過渡型碎屑-碳酸鹽巖的沉積組合。三疊系與二疊系呈不整合接觸,其下、中統為淺海至次深海相碎屑巖-碳酸鹽巖的沉積組合,具復理石特征,時夾砂礫巖,局部多發育底礫巖,厚達4 000 m。三疊系上統僅局部地區見到,以陸相紫紅色碎屑巖為主。與下、中三疊統為不整合接觸。侏羅系、白堊系、第三系在本構造帶缺失,反映自三疊紀之后該構造帶一直處于一種隆起剝蝕的狀態[12-15]。宗務隆山構造帶的斷裂構造極其發育,且大都呈延伸很遠的近NWW向展布的沖斷層，斷面南傾、北傾皆有。褶皺以緊閉線性褶皺的廣泛發育為特點,充分反映出其為構造活動強烈地區的變形產物。它們與南、北相鄰的柴達木地塊—西秦嶺構造帶和南祁連印支期褶皺及斷裂構造形成明顯差別,故應屬于夾持于兩穩定塊體之間的強烈沉降帶和強烈構造變形帶。

2 巖體及巖相特征

本次巖漿巖采樣主要沿茶卡到天峻公路一線,采樣點如圖2所示。南部出露地層主要是石炭系上統果可山組,其主要由灰白色—深灰色白云巖、條帶狀板狀灰巖、結晶灰巖夾變火山巖及少許碎屑巖組成。暗綠色角閃輝長巖侵入到灰白色灰巖當中。其中,沿角閃輝長巖接觸帶可見細粒化冷凝邊,灰巖接觸帶則形成石榴子石矽卡巖。角閃輝長巖被灰白色中粗粒角閃黑云花崗閃長巖侵入,花崗閃長巖亦可見細粒化冷凝邊。花崗閃長巖中發育較多的球狀、橢球狀閃長質暗色包體,直徑5～20 cm。包體邊部較清晰,有時二者有混染,之間有過渡相,呈環狀分布。花崗閃長巖中有肉紅色黑云花崗巖巖墻貫入。灰巖、角閃輝長巖、花崗閃長巖及鉀長花崗巖均可見到片理化現象。它們中均發育有輝綠巖脈,輝綠巖脈呈塊狀構造,未見片理化,顯示形成較晚。

研究區角閃輝長巖為暗綠色,主要礦物為石英(2%)、鉀長石(3%)、斜長石(45%)、普通輝石(30%)、普通角閃石(10%)、黑云母(5%),副礦物組合為榍石、鋯石、磷灰石、磁鐵礦等。其中石英及鉀長石呈它形粒狀充填于其他礦物間隙,粒度小,鉀長石有高嶺土化;斜長石板柱狀,半自形,發育有聚片雙晶,雙晶紋多較寬,可見環帶,為拉—中長石;鉀長石呈它形—半自形粒狀。普通輝石呈半自形短柱狀,普通角閃石呈半自形—他形長柱狀,常形成普通輝石的反應邊結構。黑云母自形片狀,亦可形成普通角閃石的反應邊。暗色礦物有不同程度的綠泥石化，中粒半自形粒狀結構,塊狀構造(見圖3)。

圖2 宗務隆構造帶巖漿巖發育情況及采樣路線Fig.2 Zongwulong magmatite and samoling route

圖3 宗務隆山角閃輝長巖(KC0801)鏡下顯微照片Fig.3 Photomicrography of the Zongwulong bojite(KC0801)

3 樣品及分析方法

鋯石是由廊坊區測隊選礦室分別從大約5 kg新鮮巖石樣品中分離得到。對分離出來的鋯石在雙目鏡下挑出無裂隙、無包體、透明度好的顆粒,用環氧樹脂固定、拋光至鋯石顆粒一半出露,然后進行陰極發光(CL)內部結構及LA-ICP-MS原位微量元素和同位素分析。鋯石制靶、反射光、陰極發光以及鋯石U-Pb年齡測定均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成,其中,CL發光儀為加載于掃描電鏡上的英國Gatan公司的Mono CL3+型陰極熒光探頭,LA-ICP-MS分析采用Hewlett Packard公司最新一代帶有Shield Torch的Agilient 7500a ICP-MS和德國Lambda Physik公司的ComPex102 Excimer激光器(工作物質ArF,波長193 nm)以及MicroLas公司的GeoLas 200 M光學系統的聯機上進行,微量元素和U-Th-Pb同位素的測定在一個點上同時完成。 激光束斑直徑為30 μm,激光剝蝕樣品的深度為20～40 μm。實驗中采用He作為剝蝕物質的載氣,用美國國家標準技術研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標準參考物質NIST SRM610進行儀器最佳化。鋯石年齡采用國際標準鋯石91500作為外標標準物質[16],元素含量采用NIST SRM610作為外標,29Si作為內標[17]；詳細的測試過程見文獻[18]；所得鋯石同位素比值和年齡數據應用Glitter(V4.0,Mac QuarieUniversity)程序進行計算和處理,普通鉛校正采用Anderson[19]推薦的方法;年齡計算及協和圖的繪制采用Ludwig編寫的Isoplot程序[20]。

主量元素、稀土元素以及微量元素分析測試在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成,主量元素采用X射線熒光光譜(XRF)分析法,對巖石樣品粉末進行了熔片,在RIX2100儀器中進行分析測試,精度與準確度優于5%;稀土及微量元素采用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)分析法,將巖石樣品粉末制成溶液,在Agilent7500a儀器中進行分析測試,精度與準確度優于10%。詳細的分析方法見文獻[18],分析結果見表1。

表1 宗務隆山角閃輝長巖主量(%)、微量及稀土元素(10-6)分析結果

續表1

樣品KC0501KC0502KC0701KC0801KC0802KC0501KC0502KC0701KC0801KC0802MgO8.729.037.548.468.51Pr3.693.913.414.034.33CaO10.8710.899.9211.0611.01Nd18.919.414.320.521.5Na2O2.442.302.162.502.01Sm5.285.383.195.735.69K2O0.820.640.700.850.89Eu1.811.810.991.961.85P2O50.180.180.130.190.15Gd6.086.173.506.586.55LOI1.001.121.261.011.09Tb0.991.000.551.061.36ToTAL99.62100.34100.1899.79100.07Dy6.026.093.506.506.42Li16.517.28.8416.616.2Ho1.191.200.721.261.14Be0.720.680.870.780.73Er3.273.292.113.443.31Sc39.940.729.140.840.2Tm0.450.460.320.480.47V424432146437431Yb2.732.782.022.862.75Cr221221228233238Lu0.390.390.300.410.37Co66.161.852.963.162.5Hf2.742.911.212.962.87Ni14013082.6133129Ta0.600.630.330.630.52Cu62.645.211.848.746.7Pb4.324.065.875.155.05Zn92.692.673.195.992.8Th0.0790.743.020.0970.079Ga20.921.117.022.221.7U0.170.250.500.260.28Ge1.651.581.441.341.68REE114.18119.3497.01123.23122.36Rb34.625.232.836.837.0L/H2.93.064.882.962.95Sr162131328183195(La/Yb)n1.922.174.52.012Y31.932.620.433.831.7δEu0.970.960.90.970.97Zr93.599.339.699.3101δCe1.061.050.981.071.05

注:TFe2O3代表全鐵的含量;LOI為燒失量;L/H為輕重稀土比值;(La/Yb)n為La與Yb經過球粒隕石標準化的值;δEu=Eun/(Smn×Gdn)1/2;δCe=Cen/(Lan×Prn)1/2

表2 宗務隆山角閃輝長巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb測年分析結果

4 測試結果

4.1 鋯石LA-ICP-MS U-Pb年代學

樣品KC0801中鋯石多為短柱狀,長柱狀次之,粒徑多在(50×60)～(120×100)μm。鋯石透明度較好,其CL圖像顯示(見圖4), 發光程度不均一,部分呈淺灰—深灰色,多數發育振蕩環帶結構,為典型的巖漿鋯石。23個有效分析點測試結果(見表2)顯示,U的含量為191×10-6～1 295×10-6,Th的含量為(144～1 648)×10-6,Th/U比值為0.7～1.74,該樣品所測定的鋯石具巖漿成因性質。23個鋯石點數據較集中,落在諧和線上及其附近(見圖5),23個206Pb/238U分析數據的加權平均年齡為(254.3±1.5)Ma,MSWD=0.64;諧和年齡值為(254.0±1.4)Ma,MSWD=0.66,二者十分接近,254Ma應為角閃輝長巖的侵位年齡,形成時代為晚二疊世晚期,顯示為海西—印支運動巖漿活動的產物。

圖5 宗務隆山角閃輝長巖鋯石年齡圖Fig.5 Zircon ages diagram of the Zongwulong bojite

4.2 地球化學

4.2.1 主量元素 宗務隆角閃輝長巖主量元素含量測試結果表明,角閃輝長巖巖體SiO2質量含量為45.38%～52.65%,為典型的基性巖—基偏中性巖。與世界輝長巖以及中國輝長巖平均含量相比[21],Al2O3質量含量偏低,為13.76%～16.86%;CaO質量含量較高,為9.92%～11.06%;全堿質量含量偏低,K2O+Na2O為2.86%～3.35%,相對富鈉(K2O/Na2O比值在0.3左右);富鐵(TFe2O3的質量含量為8.2%～14.21%);富鎂(MgO的質量含量為7.54%～9.03%);富鈦(TiO2的質量含量0.62%～2.27%);貧磷(P2O5的質量含量為0.13%～0.19%);MnO的質量含量為0.13%～0.18%,屬正常范圍。在深成巖全堿-硅(TAS)分類圖上[22],其主要屬于亞堿性輝長巖-輝長閃長巖;在SiO2-K2O圖中[23-24](見圖6A),所有樣品都投點在鈣堿性系列區;在Na2O+K2O-TFe2O3-MgO圖解中[23](見圖6B),樣品亦屬于鈣堿性系列。

4.2.2 微量元素及稀土元素 在微量元素原始地幔標準化蛛網圖中(見圖7A),角閃輝長巖相對于原始地幔,大離子親石元素K,Rb,Sr,Ba等明顯富集,高場強元素如Nb,Ta,Zr等相對虧損,類似于島弧火山巖的地球化學特征,顯示其成因與消減作用有關。

角閃輝長巖稀土元素的總量較低,ΣREE的含量為7.05×10-6～38.71×10-6;球粒隕石標準化后的稀土元素配分圖(見圖7B)表明,大部分樣品具有相似的稀土配分模式,顯示為同源巖漿演化特點[25],呈輕稀土元素(LREE)相對富集、重稀土元素(HREE)相對平坦的右傾型配分模式,但LREE/HREE為2.9～4.88,表明輕重稀土分異不甚明顯;δEu為0.9～0.97,呈弱的Eu負異常;δCe同樣變化不大,為0.98～1.06;(La/Yb)n為1.84～3.74,顯示輕重稀土分餾程度低。所有樣品的稀土元素配分模式與島弧或弧后盆地武巖相似。

5 討 論

5.1 巖石成因及構造背景

通過上述主量元素、微量及稀土元素含量的分析可知,總體上大離子親石元素和稀土元素略有富集,高場強元素中等虧損的特征與陸殼有一定的相似性,暗示在成巖過程中可能存在地殼物質的混染。宗務隆山角閃輝長巖的Sr質量含量為131×10-6～328×10-6,平均198×10-6,高于上地幔Sr的平均質量分數150×10-6,而低于大陸上地殼Sr的平均質量分數480×10-6[26],說明其中的Sr不可能完全來源于地幔,也不可能完全來源于地殼,這種特征暗示幔源巖漿在上升過程中與地殼發生了混染。

從構造背景來看, 宗務隆山角閃輝長巖顯示了其與島弧以及弧后盆地地球化學性質的類似。 例如, 其Y含量為20.4×10-6～33.8×10-6, Sr/Y為4～16.1,在Y-Sr/Y圖解中[27](見圖8A),所有樣品均投入島弧火山巖區域;同樣的,在(La/Yb)n-Ybn圖解中[28](見圖8B),所有樣品亦投入島弧火山巖區域,可見宗務隆山角閃輝長巖形成的大地構造背景為島弧環境。

圖6 宗務隆山角閃輝長巖巖性判別圖Fig.6 Lithological discrimination diagram of the Zongwulong bojite

圖7 宗務隆山角閃輝長巖微量元素配分曲線Fig.7 Normalized trace element patterns of the Zongwulong bojite

5.2 宗務隆洋殼的俯沖

本次研究中還采集了若干黑云花崗巖和二長花崗巖的樣本,對其中一塊黑云花崗巖樣本進行了鋯石同位素定年,測得其206Pb/238U加權平均年齡為(236.52±2.2)Ma(MSWD=0.48,25個點),其結晶年齡為中三疊世晚期。

黑云花崗閃長巖與角閃輝長巖的形成類似,均屬于島弧環境俯沖體制下的產物,它們與帶內發育在魚卡河和懷頭塔拉一帶的早三疊世的島弧火山巖屬于同一時空條件下的產物。

宗務隆構造帶是一獨立演化發展的印支期造山帶,它經歷了由早泥盆世的陸內裂陷、晚石炭世的洋盆發育和晚二疊世到中三疊世的俯沖-碰撞造山的演化過程[5-6],這與本研究是相吻合的。角閃輝長巖和黑云花崗閃長巖的年齡提供了宗務隆洋殼俯沖的時限,即晚二疊世晚期—中三疊世晚期。后者代表了宗務隆帶洋殼俯沖的最晚時間限制。考慮到帶內拉讓崗一帶的英云閃長巖、石英閃長巖、閃長巖巖石序列和它們的島弧環境背景,宗務隆洋洋殼俯沖起始的時間可向前推至早二疊世，大約280 Ma(青海省地質調查院,2001)。從花崗巖的年代學數據和它們的島弧性質并結合宗務隆帶發育的島弧火山巖,可以推斷宗務隆洋盆的俯沖過程大約持續了40 Ma的時間歷程。這一俯沖過程及其島弧的發育時限基本與區域上東昆侖阿尼瑪卿山一帶構造發展一致,那里洋殼的生成于早石炭世而俯沖開始于二疊紀[29-30]。黑云花崗巖巖墻則可能是造山后拉張環境的產物。

圖8 宗務隆山角閃輝長巖構造背景判別圖Fig.8 Structural setting diagram of the Zongwulong bojite

6 結 論

1)宗務隆山角閃輝長巖的SiO2質量含量為45.38%～52.65%，低鋁(Al2O3質量含量為13.76%～16.86%)、富鈣(CaO質量含量為9.92%～11.06%)、貧堿(K2O+Na2O質量含量為2.86%～3.35%)的特點表明其屬于鈣堿性系列巖石。

2)巖石大離子親石元素(如Rb,Sr,Ba等)明顯富集,而相對虧損高場強元素(如Nb,Ta,Zr等)。稀土總量較低(ΣREE含量為7.05×10-6～38.71×10-6),顯示為輕稀土元素相對富集的右傾型配分模式,δEu為0.9～0.97,呈弱的Eu負異常。

3)主、微量及稀土元素特征反映出巖石具幔源巖漿的特點,但受到地殼物質的混染,構造判別圖解顯示宗務隆山角閃輝長巖形成的大地構造背景為洋殼俯沖造山階段的島弧環境。

4)測得角閃輝長巖成巖年齡為(254.3±1.5)Ma,形成時代為晚二疊世晚期,顯示為海西—印支運動巖漿活動的產物。結合同位采樣的黑云花崗巖樣本的定年結果及地球化學特征，其提供了宗務隆洋殼俯沖的時限,即晚二疊世晚期—中三疊世晚期,大約持續了40 Ma的時間歷程。

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(編 輯 雷雁林)

LA-ICP-MS zircon U-Pb dating, geochemistry and tectonic implication of the bojite in the Zongwulong Mountain

WANG Suli, ZHOU Lifa

(State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology, Northwest university, Xi′an 710069， China)

Detailed Petrographic, geochemical studies and zircon LA-ICP-MS U-Pb dating shows that the bojite in the Zongwulong Mountain was formed at (254.3±1.5)Ma, in the late Late Permian, Hercynian-Indosinian. The characteristic of the major elements of bojite, such as the SiO2 range at 45.38%～52.65%, poor in Aluminum(Al2O3range at 13.76%～16.86%), rich in Calcium(CaO range at 9.92%～11.06%), poor in Alkali(K2O+Na2O range at 2.86%～3.35%), shows that it belongs to the calc-alkaline series. This suite of bojite rocks are enriched in LILE(such as Rb,Sr,Ba), relatively depleting in HFSE(such as Nb,Ta,Zr).The total content of REE is low(ΣREE range at 7.05×10-6-38.71×10-6), rich in LREE and poor in HREE, with slightly negative Eu anomaly(δEu=0.9-0.97). The major, trace and rare earth elements reflect the characteristic of mantle-derived magma, and show that the magma may be contaminated by the crust material. Tectonic discrimination diagrams show that the Zongwulong bojite resulted from the island arc setting in the oceanic crust subduction orogenic stage. Combine with the dating result and the geochemical characteristic of the biotite granite sampled in the same place with bojite, it provides a basis of geochronology and magmatism for subduction of the Zongwulong oceanic basin.

bojite; zircon LA-ICP-MS U-Pb dating; geochemistry; Zongwulong Mountain

2015-03-10

國家重點基礎研究發展基金資助項目(2003CB214601)

王蘇里，男，陜西西安人，博士生，從事沉積盆地分析研究。

P597.3

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-018