羌北-昌都地塊那益雄組火山巖鋯石U-Pb年代學及地球化學特征

張 錦，程 鑫，高 揚，李玉玉，朱亞林，周亞楠，吳漢寧

(1. 西北大學 地質學系，大陸動力學國家重點實驗室， 陜西 西安 710069； 2. 深圳市勘察測繪院有限公司， 廣東 深圳 518028)

羌北-昌都地塊位于青藏高原東部，構造位置上位于西金烏蘭-金沙江縫合帶和班公湖-怒江縫合帶之間。羌北-昌都地塊出露有大量的晚古生代火山巖，以往的研究多集中于西部地區。

目前，對羌北-昌都晚古生代構造屬性的認識尚存在分歧。潘桂棠等(2002)認為羌北地塊東部發育晚古生代-中生代的火山弧，而張以茀(1991)則認為發育的是晚古生代開心嶺-雜多裂谷。古地磁學者初步認為昌都地塊和羌北地塊在晚石炭世至早二疊世期間均位于南緯中低緯度地區，并且是相互獨立的，其間的北瀾滄江洋寬度約1 300 km，北瀾滄江洋盆殘存的巖石學證據已經被發現(鄧萬明， 1996； 楊子江等， 2006； 王劍等， 2007； 李才等， 2009a， 2009b)。通過對羌北地塊和昌都地塊二疊紀古地磁數據定量化分析并結合已有巖石學證據，可以推斷出，早二疊世后昌都地塊相對于羌北地塊有逆時針旋轉，并持續北移，中晚二疊世期間兩地塊在緯向上已無明顯差異，其間的北瀾滄江洋隨著羌北地塊和昌都地塊發生陸-陸碰撞緩慢拼合而隨之消亡(陳守建等， 2006； 楊子江等， 2006； 王保弟等， 2011； 陶琰等， 2011； 程鑫等， 2013； 錢輝等， 2016)。

本文通過對出露于羌北-昌都地塊中部、青海西南部阿布日阿加措地區的那益雄組火山巖中鋯石進行LA-ICP-MS 鋯石U-Pb同位素測年、巖石學及全巖主微量分析，旨在探討該火山巖的構造屬性，為厘定晚二疊世羌北-昌都地塊的構造屬性提供一定的約束。

1 區域地質特征

研究區構造上位于羌北-昌都地塊中部，緊鄰羌北-昌都地塊結合帶的北瀾滄江縫合帶，其形成受到特提斯洋演化過程中的動力制約。研究區地理位置上位于青海省格爾木市唐古拉山鄉阿布日阿加措地區(圖1)。從構造單元劃分來看，研究區位于唐古拉山北側的開心嶺隆起帶，出露不超過50 m，呈帶狀展布，且具有西窄東寬的特點。隆起帶內出露地層根據蜓、腕足類、雙殼類及植物化石證據主要劃分為上石炭統-下二疊統扎日根組、中二疊統諾日巴尕日保組、九十道班組及上二疊統那益雄組。

本文著重研究那益雄組火山巖地層，其巖性以玄武巖、安山玄武巖、安山巖、流紋巖、凝灰巖為主。研究區內地層由新到老依次為晚二疊世烏麗群那益雄組(P3n)，中二疊世開心嶺群九十道班組(P2j)、諾日巴尕日保組(P2nr)和扎日根組(P2z)(劉廣才， 1993； 牛志軍等， 2008； 潘術娟， 2011)。

研究區那益雄組地層出露面積18 km2，厚度約70 m，頂部見深灰色流紋巖，產狀47°∠20°，厚約5 m；中部為灰綠色、灰色的凝灰巖，產狀52°∠21.5°，厚約35 m；下部為紫紅色、紅褐色玄武巖、安山巖，產狀47°∠25°，厚約30 m(圖2)。

2 巖相學特征

那益雄組火山巖主要是一套基性到中酸性火山熔巖夾凝灰巖，以玄武巖、安山巖、流紋巖為主。

流紋巖位于那益雄組上部，新鮮面呈深灰色，鏡下呈現斑狀結構，斑晶含有半自形粒狀石英和長石，石英顆粒大小為0.2～0.5 mm，單偏光下無色透明，表面干凈，正低突起，正交鏡下呈Ⅰ級灰白干涉色，溶蝕邊明顯；長石主要為堿性長石，基質有堿性長石和石英，粗安結構，可清晰見有流動構造(圖3a2)。

凝灰巖野外新鮮面呈灰綠色，鏡下觀察主要由晶屑和火山灰組成。晶屑以斜長石(8%～12%)、石英(5%～10%)為主，斜長石多呈針狀，石英多呈次棱角狀，部分被溶蝕呈現渾圓狀(圖3b3)。

玄武巖野外新鮮面呈紫紅色，鏡下觀察，其為斑狀結構，斑晶主要為斜長石(10%～15%)、輝石(約5%)及方解石(含量小于2%)。斜長石呈自形-半自形板條狀，長徑大小在0.3～0.5 mm；輝石呈灰色-灰黃色，長徑大小0.2～0.5 mm之間，短柱狀，正高突起，常見一組解理；方解石有兩組解理，閃突起明顯(圖3c2)。

圖 1 采樣區地質簡圖(據成都理大學地質調查研究院溫泉兵站區調隊[注]1∶25萬地質圖溫泉兵站幅. 2005. 成都理工大學地質調查研究院溫泉兵站區調隊測制. ) Fig. 1 Geological sketch map of the sampling area after Wenquanbingzhan District Team of Chengdu Institute of Geological Survey[注]1∶25萬地質圖溫泉兵站幅. 2005. 成都理工大學地質調查研究院溫泉兵站區調隊測制.

圖 2 采樣地層剖面圖(拍攝于格爾木市唐古拉山鄉通天河西北側)Fig. 2 Sampling stratigraphic section (on the northwest side of Tongtian River in Tanggula Mountain Township, Golmud City)

安山巖野外新鮮面呈紫紅色-紅褐色，斑狀結構和塊狀構造。由斑晶和基質組成，斑晶所占比例為25%～30%，主要有正長石、斜長石、角閃石；基質所占比例為75%～70%，石英含量較少，主要為石英、長石交生物質(圖3c3)。

3 測試方法

鋯石的挑選在河北廊坊區域地質調查研究院完成。在西北大學大陸動力學國家重點實驗室對鋯石進行了透射光、反射光和陰極發光(CL) 照相、U-Pb 年齡和微量元素分析的測定，U-Pb 年齡和微量元素分析測定是在連接193 nm 深紫外 ArF 激光器的 Agilient 7500a 型 ICP-MS 上進行的。后續數據處理及圖件繪制采用Glitter (Ver 4.0)程序和Isoplot 軟件，具體的數據測試、分析原理見文獻(柳小明等， 2002； 袁洪林等， 2003； Ludwig， 2003； 何艷紅等， 2005)。

圖 3 采樣地層野外照片及薄片鑒定圖Fig. 3 The photos and sheet identification of the sampling strata in the fielda—流紋巖； b—凝灰巖； c—玄武巖、安山巖； Qtz—石英； Pl—斜長石； Cal—方解石； Aug—普通輝石； Ep—綠簾石a—rhyolite； b—tuff； c—basalt and andesite； Qtz—quartz； Pl—plagioclase； Cal—calcite； Aug—augite； Ep—epidote

另外，在詳細的野外地質基礎上，選取7件那益雄組代表性的火山巖樣品用于主量元素和微量元素地球化學分析測試。主微量實驗測試均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室采用RIX2100XRF法和ICP-MS測定。

4 鋯石U-Pb同位素測定結果

本次實驗采用LA-ICP-MS方法對那益雄組頂部流紋巖及底部安山巖分別選取的一塊樣品(B01和B02)進行鋯石U-Pb同位素定年。所選樣品新鮮，成分相對均一，均未有變形變質現象。

流紋巖樣品B01中的鋯石大多數無色透明，少數淡黃色，大多數呈自形-半自形短柱狀，少數為長柱狀，粒徑范圍為30～180 μm，長短軸之比1∶1～3∶1。部分鋯石表面可見裂縫，可能為后期遭受構造運動所致。在陰極發光圖像(CL)中，幾乎所有的鋯石都顯示有典型的韻律振蕩環帶和扇形分帶結構，說明其為巖漿成因(圖4)。安山巖樣品B02鋯石大多數無色透明，部分黃褐色，呈自形-半自形短柱狀，極少數為長柱狀，粒徑范圍為30～190 μm，長短軸之比1∶1～5∶1(圖5)。

樣品B01中鋯石的Th/U值平均值為0.18，而巖漿鋯石的Th/U值一般大于0.1(吳元保等， 2004)，因此，所測鋯石為典型巖漿成因鋯石，其年齡可代表流紋巖成巖年齡。在鋯石靶中挑選84顆鋯石進行了84個點的定年分析，其中64個點的數據集中在250 Ma左右，而且這64個測點的207Pb/206Pb值均集中在0.011 7～0.022 6之間(表1)，表明該流紋巖中鋯石為同期巖漿結晶而成，為典型的巖漿成因鋯石(Belousovaetal.， 2002)。去掉諧和度較低的3個點，最終對61個點的數據進行統計，其206U/238Pb年齡介于259～241 Ma之間，加權平均年齡值為249.6 ± 1.3 Ma(圖4)。

樣品B02中鋯石的Th/U值平均值為0.49，表明所測鋯石為典型巖漿成因鋯石，其年齡可代表安山巖成巖年齡。鋯石靶中挑選30顆鋯石進行了30個點的定年分析(表2)，其中11個測點的U-Pb同位素比值諧和度較高，數據均集中在諧和線附近。11個點在置信度為95%時的206U/238Pb加權平均年齡值為251.1 ± 4.8 Ma(MSWD=5.7)(圖5)。11個測點的同位素校正曲線集中分布于諧和線兩側，沒有離散的數據，這表明安山巖中鋯石對U-Pb同位素體系保持封閉狀態，未受后期熱事件及變質事件的影響，這使得源巖的地球化學數據更加可靠。因此，其U-Pb同位素諧和年齡可以代表安山巖成巖年齡。

圖 4 流紋巖樣品B01鋯石年齡諧和圖和陰極發光照片Fig. 4 Zircon CL images and U-Pb concordia diagrams of B01 rhyolite sample

圖 5 安山巖樣品B02鋯石年齡諧和圖和陰極發光照片Fig. 5 Zircon CL images and U-Pb concordia diagrams of B02 andesite sample

5 巖石地球化學

5.1 主量元素及主要參數特征

巖石化學成分見表3。結合野外資料和鏡下鑒定結果，發現安山巖和玄武巖樣品存在有輕微的蝕變。在Zr/TiO2-Nb/Y圖解中(圖6)，TTH04、05、06、07樣品基本都投影到流紋巖區域，屬于流紋巖；TTH09投影在安山巖區域，屬于安山巖；TTH01投影在亞堿性玄武巖區域，里特曼指數4.73，屬于堿性玄武巖；TTH02投影在靠近安山巖的亞堿性玄武巖區域，從薄片中看，其中有少量火山噴發帶上來的玄武安山玢巖角礫，屬于早期捕獲物，但最新一期火山噴發形成的巖石屬于安山巖，最終將其定名為安山巖。

流紋巖SiO2含量較高(74.85%～77.55%)；Na2O+K2O含量較高(5.40%～6.61%，平均6.18%)；里特曼指數平均為1.15，小于3.3，屬于鈣堿性系列；Al2O3含量低且穩定，平均含量12.23%，MgO含量較低，平均含量0.46%，CaO含量較低，平均含量0.38%，K2O含量較低，平均含量1.24%。

表 1 流紋巖樣品B01鋯石U-Th-Pb同位素測定結果Table 1 U-Th-Pb composition of the zircons from B01 rhyolite sample

續表 1 Continued Table 1

表 2 安山巖樣品B02鋯石年齡數據表Table 2 U-Th-Pb composition of the zircons from B02 andesite sample

安山巖SiO2含量55.13%～56.28%，Na2O+K2O含量較高(4.13%～6.15%，平均5.14%)，里特曼指數平均為2.20，小于3.3，屬于鈣堿性系列；Al2O3含量較高，平均含量16.74%，MgO含量高，平均含量3.45%，CaO含量高，平均含量6.54%，K2O含量較低，平均含量0.17%。

玄武巖SiO2含量51.49%，Na2O+K2O含量6.34%，里特曼指數平均為4.73，大于3.3，屬于堿性系列；Al2O3含量較高，含量17.34%，MgO含量高，含量4.87%，CaO含量高，含量6.41%，K2O含量很低，含量0.26%。

總之，樣品整體表現為具高硅堿、低鈣鎂、Al2O3含量偏高的特點。

5.2 稀土元素及微量元素地球化學特征

流紋巖稀土元素總量為97.49×10-6～240.84×10-6，LREE為77.79×10-6～207.27×10-6，HREE為19.70×10-6～33.57×10-6，LREE/HREE=3.95～6.40，具富集輕稀土型分布模式。(La/Yb)N=3.23～6.83，說明輕稀土元素與重稀土元素之間有一定的分餾；(La/Sm)N=3.56～4.21，說明輕稀土元素之間也存在一定的分餾；(Gd/Lu)N=0.71～1.37，說明重稀土元素之間存在輕度分餾(<1表示無分餾)。從圖7a可以看出粗安流紋巖樣品存在明顯的Eu負異常，δEu=0.27～0.42。

安山巖稀土元素總量為142.11×10-6～157.74×10-6，LREE為120.01×10-6～134.68×10-6，HREE為22.10×10-6～23.06×10-6，LREE/HREE=5.43～5.84，為右傾的富集輕稀土元素型分布模式。(La/Yb)N=5.00～5.84，說明輕稀土元素與重稀土元素之間有一定的分餾；(La/Sm)N=2.72～2.87，說明輕稀土元素之間也存在一定的分餾；(Gd/Lu)N介于1.42～1.56，說明重稀土之間存在輕度分餾。安山巖樣品具弱負Eu異常，δEu=0.89～0.96(圖7b)。

表 3 那益雄組火山巖主量元素(wB/%)，稀土元素和微量元素(wB/10-6)測試結果Table 3 Whole-rock major elements(wB/%), trace elements and REE data(wB/10-6) of the Nayixiong Formation

圖 6 那益雄組火山巖Zr/TiO2-Nb/Y圖解(底圖據Winchester and Floyd, 1977)Fig. 6 Zr/TiO2-Nb/Y diagrams of Nayixiong Formation volcanic rocks (after Winchester and Floyd, 1977)

玄武巖稀土元素總量為170.37×10-6，LREE為145.51×10-6，HREE為24.86×10-6，LREE/HREE=5.85，為右傾的富集輕稀土元素型分布模式。(La/Yb)N=5.94，說明輕稀土與重稀土元素之間有一定的分餾；(La/Sm)N=2.82，說明輕稀土元素之間也存在一定的分餾；(Gd/Lu)N=1.55，說明重稀土元素之間存在輕度分餾。玄武巖樣品具弱正Eu異常，δEu=1.04。

從圖7中可以看出，稀土元素配分樣式圖和微量元素原始地幔標準化蛛網圖整體形態與目前公認的新西蘭克馬德克(Kermadec)島弧火山巖相一致(Ewartetal., 1998)，大離子親石元素(LILE)Th、U及LREE富集，高場強元素(HFSE)Nb、Ta虧損，與島弧火山巖地球化學特征一致(周華等， 2016； 張騰蛟等， 2017)。

6 構造環境

研究區緊鄰羌北-昌都地塊結合帶的北瀾滄江縫合帶。前人對羌北地塊和昌都地塊的古地磁學研究表明，中晚二疊世期間，羌北地塊和昌都地塊在緯向上已無明顯差異，加之定量化計算結果顯示，晚二疊世之后，羌北地塊相對于昌都地塊進一步旋轉，最終完成拼合，其間的北瀾滄江洋隨之消亡(程鑫等， 2013)。李莉(2009b)通過對昌都地塊中部早二疊世棲霞期火山巖進行的全巖主微量及Sr、Nd、Pb 同位素測試分析表明，棲霞期火山巖形成于大陸邊緣拉張構造環境，屬陸緣初始裂谷環境。李善平等(2008)對北羌塘盆地結扎鄉一帶二疊系尕笛考組火山巖進行了巖石學、巖石化學、微量元素的分析及研究結果表明北羌塘地塊在早中二疊世處于島弧環境。李莉(2009a)對昌都地塊中部晚三疊世地層進行的巖石學及地球化學研究結果顯示，甲丕拉組火山巖呈現島弧火山巖的特征，并且反映了板塊俯沖環境中火山巖的典型特征。巖石化學上表現為低Ti、高Al、輕稀土元素富集、輕重稀土元素呈現較強的分餾并具有輕微的負Eu異常，大離子親石元素富集，高場強元素 Nb、Zr、Ta虧損，這些地球化學特征均為島弧火山巖所常見。

圖 7 那益雄組火山巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(a、b)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(c、d)(據Sun and McDonough, 1989)Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns (a, b) and primitive mantle-normalized trace element diagrams (c, d) for Nayixiong Formation volcanic rocks (after Sun and McDonough, 1989)

研究區巖石組合從基性-中性-酸性均有出露，見有玄武巖、安山質玄武巖、安山巖、流紋巖等，具有較為典型的島弧火山巖特征；稀土元素特征表現為輕稀土元素富集，為典型的右傾富集輕稀土型分布模式，具有無Eu異常到輕微的負Eu異常；大離子親石元素富集，高場強元素虧損，這些特征與島弧巖漿巖的地球化學特征較為一致。在非活動性元素Nb-Y、Ta-Yb、Rb-Y+Nb、Rb-Yb+Ta圖解中(圖8)，樣品均投在島弧火山巖區域。在Hf/3-Th-Ta圖解(圖9)中，樣品也投在島弧火山巖區域，Th/Ta值約為8.05，遠遠大于1.6，而且Th×Ta/Hf2值為0.39，遠遠小于0.035，說明其為陸緣島弧火山巖(大洋島弧火山巖Th×Ta/Hf2<0.035，陸緣島弧火山巖>0.035； 汪云亮等， 2001)。以上證據表明，那益雄組火山巖形成的大地構造環境總體應屬于陸緣島弧環境。

圖 8 那益雄組火山巖構造背景判別圖(底圖據Pearce et al., 1984)Fig. 8 Discrimination diagrams for tectonic settings of the volcanic rocks in the Nayixiong Formation (after Pearce et al., 1984)

圖 9 那益雄組Hf/3-Th-Ta圖解(據Meschede, 1986)Fig. 9 Hf/3-Th-Ta diagrams of Nayixiong Formation volcanic rocks (after Meschede, 1986)

7 結論

(1) 那益雄組火山巖鋯石U-Pb定年結果表明，其頂部火山巖的年齡為249.6 ± 1.3 Ma，底部火山巖的年齡為251.1 ± 4.8 Ma，確定其形成時代為晚二疊世。

(2) 地球化學分析結果表明，那益雄組火山巖形成于陸緣島弧環境，具有大離子親石元素(LILE)Th、U及LREE富集，高場強元素(HFSE)Nb、Ta虧損的特征。