龍首山-北大山北部的屬性
——來自海森楚魯片麻巖鋯石U-Pb年齡和Hf同位素的約束

王毛毛，張 磊，霍雨佳，史興俊，劉 翠

(1. 中國地質科學院 地質研究所， 北京 100037； 2. 中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院， 北京 100083； 3. 信陽師范學院，城市與環境科學學院， 河南 信陽 464000)

阿拉善地塊北鄰中亞造山帶，西接塔里木板塊，南為祁連-秦嶺造山帶，其構造位置十分關鍵，是探討阿拉善地塊、華北克拉通與中亞造山帶相互關系以及研究古亞洲洋構造演化問題的重要窗口(Fengetal.， 2013)。在阿拉善北部，存在兩條重要的近東西向展布的蛇綠巖帶，即北部的恩格爾烏蘇蛇綠巖帶和南部的查干礎魯蛇綠巖帶(吳泰然等， 1993； 王廷印等， 1993， 1994， 1998)。恩格爾烏蘇蛇綠巖帶長期被認為是阿拉善地塊的北界(吳泰然等， 1993； 王廷印等， 1994； 李俊健， 2006)，但近年來也有一些研究提出查干礎魯蛇綠巖帶可能代表了阿拉善地塊北界的位置(Shietal.， 2014； 史興俊等， 2014， 2016； Zhangetal.， 2015； 葉珂等， 2016)。在阿拉善地區，出露一些太古宙到新元古代的變質巖(修群業等， 2002， 2004； 沈其韓等， 2005； 董春燕等， 2007； 耿元生等， 2007， 2010； 宮江華等， 2011， 2012， 2013； Danetal.， 2012， 2014； Wuetal.， 2014； Gongetal.， 2016)，這些前寒武紀變質巖的時空分布和組成特征對于認識阿拉善地區的構造劃分具有重要意義。

根據早期的一些調查研究工作，阿拉善地區的前寒武紀變質巖主要分為中東部的阿拉善巖群(李俊健等， 2004； 沈其韓等， 2005； 耿元生等， 2006， 2007， 2010， 2011； Danetal.， 2012)以及西部的北大山巖群和龍首山巖群(修群業等， 2002， 2004； 宮江華等， 2011， 2012； Zhangetal.， 2013a； Gongetal.， 2016)。普遍認為這3套巖群主要形成于太古宙到古元古代， 是阿拉善地塊基底的組成部分(吳泰然等， 1993； 王廷印等， 1994； 修群業等， 2002， 2004； 沈其韓等， 2005； 耿元生等， 2010； 宮江華等， 2011， 2012； Gongetal.， 2016； 張建新等， 2018)。根據近年來相繼獲得的一批高精度年齡數據，早期認識的阿拉善巖群被解體劃分為新太古代疊布斯格群(約2 700 Ma)、古元古代巴彥烏拉山群(2 500～2 267 Ma)以及古元古代阿拉善巖群(耿元生等， 2006)。其中，太古宙-古元古代變質巖均出露于查干礎魯蛇綠巖帶以南(李俊健等， 2004； 沈其韓等， 2005； 耿元生等， 2007， 2010； Danetal.， 2012)。位于恩格爾烏蘇蛇綠巖帶和查干礎魯蛇綠巖帶之間的宗乃山地區的變質巖早期被認為形成于太古宙到古元古代，現在被重新厘定為中元古代(卿蕓， 2010； 宋偉， 2014； 史興俊等， 2016)，因而一些研究提出這一地區可能并不是阿拉善地塊的組成部分(史興俊等， 2016)。

北大山巖群和龍首山巖群組出露于阿拉善西部的龍首山和北大山地區(修群業等， 2002， 2004； 宮江華等， 2011， 2012； Gongetal.， 2016)。近年來獲得的一些高精度年齡數據揭示北大山中東部地區TTG巖石形成于～2.5 Ga(宮江華等， 2012)，龍首山南部地區變質基底中的正片麻巖形成于2.33～2.0 Ga之間(Gongetal.， 2016)。這些研究表明龍首山和北大山南部也存在太古宙到古元古代變質巖。然而，目前對阿拉善西部地區北大山巖群和龍首山巖群的研究主要集中于南部地區，龍首山-北大山北部同樣出露一些前寒武紀巖石，早期地質調查工作通過區域對比推測它們同樣形成于古元古代，將其定為龍首山巖群，并認為它們是阿拉善地塊基底的組成部分(1)甘肅省區域地質調查隊. 1980. 1∶20萬咸水福地質報告.。最近有研究表明，龍首山西北部的原屬于龍首山巖群的深變質巖中識別出中元古代侵入體并具有早新元古代碎屑鋯石的變沉積巖(Songetal.， 2017)，與南部龍首山巖群的研究并不一致。因此，確定龍首山-北大山北部的前寒武紀變質巖是否屬于龍首山巖群，對于確定阿拉善北部構造劃分具有重要意義。

本文選擇阿拉善北大山西北部地區海森楚魯片麻巖開展了詳細的巖石學、年代學和鋯石Hf同位素研究，以期查明其形成時代和源區同位素組成特征，并與其南部傳統的阿拉善地塊內部以及北部中亞造山帶進行對比，進一步探討龍首山-北大山北部的構造歸屬。

1 區域地質背景

阿拉善地塊是位于祁連山以北、賀蘭山以西、中亞造山帶以南的具有前寒武紀基底巖石的古老地塊(圖1)。以騰格里沙漠為界，阿拉善地塊早前寒武紀變質巖可分為東西兩部分。其中，阿拉善地塊西部的前寒武紀基底巖石在北大山和龍首山地區都有出露，主要為北大山巖群和龍首山巖群。

北大山巖群從西向東主要分布在努爾蓋公社高家窯、阿拉善右旗次井子-青土井-周家井和萊芙山等地區，巖性主要為一套中基性火山巖，后期經歷了較為強烈的混合巖化作用，并存在新太古代末-古元古代早期的巖漿-變質事件(宮江華等， 2012； Zhangetal.， 2013a)。龍首山巖群西起金塔縣境內，向東南經高臺縣合黎山、張掖東大山，到金昌市龍首山一帶，斷續延伸約400 km。由于時代較老，后期經歷多期強烈的變質變形作用而變得支離破碎，層序不清(湯中立等， 1999)。

龍首山巖群自下而上主要由片麻巖、云母石英片巖、斜長角閃巖、變粒巖及混合巖，期間夾大理巖等組成，為一套中-中低級區域變質巖系。前人利用Sm-Nd等時線年齡確定龍首山巖群下段為新太古代，上段為古元古代(2.5～1.6 Ga)(湯中立等， 1999， 2001)。近年來一些高精度的鋯石U-Pb年代數據(2.17～2.04 Ga)表明龍首山巖群形成于古元古代(修群業等，2002，2004； 宮江華等，2011)。近年來，有學者獲得龍首山巖群正片麻巖年齡為2.33 Ga、2.17～2.15 Ga和2.06～2.0 Ga，副片麻巖鋯石年齡在2.2～2.0 Ga之間，并且都經歷了1.96～1.90 Ga 和1.85 Ga兩期的變質事件(Gongetal.， 2016)。

圖 1 阿拉善地區前寒武紀巖石分布圖(據Dan et al.， 2012修改)

2 樣品描述

海森楚魯片麻巖出露于北大山西北段(圖2)，在野外呈現塊狀構造，破碎強烈，內部不發育后期巖脈(圖3a)。巖石呈現塊狀構造，混合巖化程度較低，由于風化嚴重，巖體呈斷續分布，與周圍巖體的接觸產狀不明顯。該片麻巖(樣品號16AX16，采樣位置GPS：E100°9.56′，N40°5.77′)在顯微鏡下顯示出粒狀變晶結構(圖3b)，主要組成礦物有鉀長石(約25%)、斜長石(約25%)、石英(約40%)和黑云母(約10%)。其中鉀長石和斜長石呈板狀； 斜長石具有微弱的絹云母化；石英部分發生了重結晶作用，呈一定的定向排列(圖3b)。

圖 2 海森楚魯地區地質簡圖和采樣位置(據甘肅省地質局區域調查隊，1980(2)甘肅省區域地質調查隊. 1980. 1∶20萬咸水福地質報告 修改)

3 測試方法

鋯石單礦物挑選采用常規方法完成。將原巖樣品粉碎，經常規重選和電磁選后，在雙目鏡下挑選鋯石。將完整的典型鋯石顆粒置于環氧樹脂中，待固結后拋磨，使鋯石內部充分暴露，然后進行鋯石顯微(反射光和透射光)照相和陰極發光(CL)照相。

鋯石U-Pb同位素定年在西北大學大陸動力學實驗室完成，分析儀器為Elan 6100DRC型四級桿質譜儀和Geolas 200M型激光剝蝕系統，激光器為193 nm ArF準分子激光器，單脈沖能量210 mJ。分析采用的激光斑束直徑為40 μm，采用標準鋯石91500為外部標樣進行同位素比值分餾校正，以保證標準和樣品的儀器條件完全一致，采用Andersen的方法進行普通鉛校正(Anderson， 2002)，以扣除普通Pb的影響。測試結果通過GLITTER(ver 4.0，Macquarie University)軟件計算得出206Pb/238U、207Pb/235U、207Pb/206Pb 3組同位素比值、年齡及誤差，最后采用Isoplot軟件進行統計計算(Ludwig， 1991)。所給定的同位素比值和年齡的誤差(標準偏差)在1δ水平。詳細的實驗原理和流程見Yuan等(2004)。

鋯石Hf同位素分析在中國地質科學院地質研究所完成。測定使用國際鋯石標樣GJ-1作為參考物質，GJ-1的176Hf/177Hf測試加權平均值為0.282 015±0.000 008(2δ，n=10)。為使Hf同位素分析與鋯石U-Pb年齡分析相對應，鋯石Hf同位素的分析點與鋯石U-Pb年齡分析點位于同顆鋯石晶體的相同位置或者結構相似處。計算176Lu衰變常數采用1.867×10-11/a(Soderlundetal.， 2004)。球粒隕石的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf的比值分別為0.033 2和0.282 772(Blichert-Toft and Albarede， 1997)，虧損地幔的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf的比值分別為0.038 4和0.283 25(Griffinetal.， 2000)，176Lu/177Hf平均地殼為0.015(Chauveletal.， 2014)。

圖 3 海森楚魯片麻巖野外(a)及單偏光鏡下特征(b)

4 測試結果

4.1 鋯石U-Pb年代學

海森楚魯片麻巖樣品(16AX16)中挑選的鋯石呈無色透明，半自形-自形，多數呈長柱狀，部分短柱狀，鋯石寬約100 μm，長約200～300 μm，長寬比2∶1～3∶1(圖4)。陰極發光圖像顯示這些鋯石普遍具有典型的巖漿結晶環帶，未見繼承核，多數鋯石邊部有極窄的明亮邊，可能與后期變質作用有關。在鋯石陰極發光照片中選擇沒有裂隙、沒有包裹體、鋯石內部環帶均勻的位置，共選取60顆鋯石進行了60個點位的U-Pb測年分析，測試結果見表1。其中，測試點27、28的207Pb/206Pb年齡明顯遠離諧和曲線，不參與年齡計算。其余58個測點的207Pb/206Pb年齡集中在1 509～1 034 Ma之間，大部分測點存在一定的Pb丟失(袁洪林等， 2003； 徐夕生等， 2003)，但在鋯石U-Pb年齡諧和圖中總體呈完好的線性排列。在鋯石U-Pb年齡諧和圖(圖5)中，不一致線上交點年齡為1 408±29 Ma(MSWD=13)。

表 1 甘肅兩當縣解板溝一帶華日組火山巖-火山碎屑巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素測年結果

注: Pb*=0.241×206Pb+0.221×207Pb+0.524×208Pb； 諧和度=(207Pb/235U)/(206Pb/238U)×100。

圖 4 鋯石陰極發光圖像及測點位置(實線圓圈代表鋯石U-Pb測年分析點，虛線圓圈代表鋯石Hf同位素分析點)

4.2 鋯石Hf同位素特征

選取完成了U-Pb定年的鋯石，在與定年分析位置相同或內部結構相似處開展了激光原位Hf同位素分析，分析結果見表2。片麻巖中鋯石的Lu/Hf值為0.000 742～0.002 893，未矯正176Hf/177Hf值為0.281 982～0.282 203。利用單顆粒鋯石的207Pb/235U年齡對相應的176Hf/177Hf值進行校正，得出該片麻巖中鋯石的初始176Hf/177Hf值變化范圍為0.281 943～0.282 174，εHf(t)值變化范圍為-4.38～+6.68(57個點平均值為﹢2.35)，Hf同位素二階段地殼模式年齡為2 066～1 624 Ma(57個點平均值為1 962 Ma)。

表 2 海森楚魯片麻巖鋯石Hf同位素分析結果

圖 5 海森楚魯片麻巖鋯石U-Pb年齡諧和圖

5 討論

5.1 形成時代

根據礦物組成和礦物特征，海森楚魯片麻巖為長英質變質巖，而長英質變質巖的原巖可能是巖漿巖，也可能是砂質沉積巖(李曙光等，1989)。海森楚魯片麻巖具有糜棱巖化特征，但是成分比較均勻，沒有明顯的層理構造。顯微鏡下長石碎斑大小基本一致，表面比較干凈，并沒有經歷后期變質而產生的剪切變形和細?；卣?，而且各種組成礦物分布比較均勻(圖3b)。野外和鏡下特征均不符合沉積巖的特征，因而原巖可能是巖漿巖。此外，海森楚魯片麻巖中挑選出的鋯石具有相似的形態，大部分鋯石均具有較窄的白色增生邊，而測年結果顯示這些鋯石的207Pb/206Pb年齡非常集中，數據點多分布在諧和線上或呈線狀分布在諧和線右側(圖5)。鋯石的特征和分析結果進一步表明該片麻巖應當是酸性巖漿巖經歷后期變質作用而形成的，上交點年齡1 408±29 Ma(MSWD=13)應當代表了原巖的形成時代。

早期的調查研究中，通過與龍首山其他地區出露的前震旦系龍首山巖群的巖性進行對比，提出北大山西北部地區的變質巖可能為龍首山巖群(4)甘肅省區域地質調查隊. 1980. 1∶20萬咸水福地質報告.。近年來龍首山南部金昌市附近龍首山群的研究顯示，下部的花崗質片麻巖的測年結果集中在2.3～2.0 Ga，上部副片麻巖碎屑鋯石的測年結果集中在2.2～2.0 Ga，并普遍經歷了1.96～1.85 Ga的變質事件(修群業等， 2002， 2004； 宮江華等， 2011； Gongetal.， 2016)。在北大山西北部，近年來對于前人劃分的龍首山巖群的深變質巖中識別出中元古代侵入體和具有新元古代早期碎屑鋯石的變沉積巖(Songetal.， 2017)。本文研究表明海森楚魯片麻巖的原巖形成于大約1 408±29 Ma。目前，北大山西北部尚未發現太古宙-古元古代基底巖石。現有的研究結果均表明北大山西北部的這些前寒武紀正片麻巖原巖的侵位時代應當在大約1 400～1 200 Ma，變質作用發生時代更晚，這與傳統龍首山巖群的研究結果不一致(Tungetal.， 2007； 宮江華等， 2011； Gongetal.， 2016)。因而龍首山-北大山北部原被劃為“龍首山巖群”的變質巖可能并不屬于傳統的龍首山巖群。

5.2 物源組成

結合鋯石的U-Pb年齡，獲取準確的Hf同位素初始比值，能夠很好地示蹤物質的來源，了解大陸地殼增長和演化(Amelinetal.， 2000； Bodet and Schorcr， 2000； 吳福元等， 2007)。

鋯石Hf同位素資料表明，海森楚魯片麻巖原巖的源區物質組成與龍首山-北大山南部以及阿拉善中東部的太古代宙-古元古代基底巖石不同，而與宗乃山地區中元古代片麻巖相近(圖6)。片麻巖中鋯石的εHf(t)值大多集中于+0.13～+6.68，而宗乃山地區片麻巖(年齡為1.5～1.4 Ga)中鋯石εHf(t)值絕大多數集中于+0.1～+6.3(史興俊等， 2016)。二者的鋯石二階段模式年齡均位于2.20～1.8 Ga之間。阿拉善西南部的龍首山巖群正片麻巖(2.17～2.04 Ga)，北大山地區正片麻巖(2.55 Ga)和阿拉善中東部雅布賴-紅古爾玉林一帶巴彥烏拉山地區角閃巖(2.34 Ga)、疊布斯格巖群(2.7 Ga)的形成年齡略有不同，但是鋯石的二階段模式年齡均在3.25～2.45 Ga之間(圖6， Danetal.， 2012； Zhangetal.， 2013a)。因此，龍首山-北大山南部與阿拉善中東部雅布賴-紅古爾玉林地區具有相似的物質組成，而龍首山-北大山北部應當與龍首山-北大山南部具有不同的基底物質組成，卻與宗乃山地區具有相似的基底物質組成。

5.3 龍首山-北大山北部的構造屬性

阿拉善西北部的龍首山-北大山北部地區，僅出露有少量的前寒武紀巖石。在早期的研究中，這些前寒武紀巖石均被認為與龍首山-北大山南部出露的前寒武紀巖石相同，均形成于太古宙或古元古代，因而這兩個地區往往被作為一個統一的構造單元(任繼舜等， 1980； 董申保， 1986； 湯中立等， 1999， 2001； 修群業等， 2002； Zhaoetal.， 2012； Gongetal.， 2016； Songetal.， 2017， 2018)。本文及近年來的研究結果表明，龍首山-北大山北部地區出露的前寒武紀巖石可能形成于中元古代或更晚(Songetal.， 2017)，該地區迄今為止均尚未發現太古宙-古元古代基底巖石。同位素組成上，龍首山-北大山北部地區的前寒武紀巖石具有相對較年輕的Hf同位素模式年齡，而龍首山-北大山南部Hf同位素模式年齡相對較老(圖6)(宮江華等， 2011， 2012)。 由此可見，無論是形成時代(圖7)，還是物源組成，龍首山-北大山北部與南部分布的前寒武紀巖石都呈現出明顯不同的特征。因此，這兩個地區應該作為兩個不同的構造單元。

圖 6 阿拉善地區前寒武紀片麻巖鋯石εHf(t)-t圖解

圖 7 阿拉善地區前寒武紀變質巖結晶年齡統計圖(數據來源： 宮江華等， 2012； Dan et al.， 2012； Zhang et al.， 2013a； 史興俊等， 2016； Gong et al.， 2016)

盡管被巴丹吉林沙漠分隔，龍首山-北大山北部地區與宗乃山-沙拉扎山地區出露的前寒武紀巖石均形成于中元古代或更晚(圖7)，鋯石Hf同位素模式年齡也都集中分布于2.10～1.60 Ga(圖6)。因此，龍首山-北大山北部與宗乃山-沙拉扎山地區可能具有相同或相似的構造屬性。近期，在北大山中部地區識別出的特拜蛇綠巖(圖1)的研究結果表明，該蛇綠巖可能形成于278.4±3.3 Ma，并且富集相容元素，強烈虧損稀土元素和高場強元素，表明可能形成于俯沖環境(Zhengetal.， 2018)。這些特征與阿拉善中東部的查干礎魯蛇綠巖(圖1，吳泰然等， 1993； Zhengetal.， 2014)相似，被認為是查干礎魯蛇綠巖向西的延伸(Zhengetal.， 2018)。如果特拜蛇綠巖和查干礎魯蛇綠巖是同一洋盆閉合的殘余，位于這條蛇綠巖帶以北的龍首山-北大山北部地區和宗乃山-沙拉扎山地區應當屬于同一構造帶。

龍首山-北大山北部地區與宗乃山-沙拉扎山地區出露的前寒武紀巖石曾被認為形成于太古宙或古元古代，與阿拉善南部地區的前寒武紀巖石相似，共同構成阿拉善地塊的變質基底(霍福臣等， 1987； 楊振德等， 1988； 吳泰然等， 1993； 王廷印等， 1994； 陳志勇等， 2004)。一些研究認為在早古生代時期，龍首山-北大山北部地區與宗乃山-沙拉扎山地區從阿拉善地塊上裂解出去，并在之間形成了以特拜蛇綠巖和查干礎魯蛇綠巖為代表的洋盆(吳泰然等，1993； Zhangetal.，2013b； Zhengetal.， 2014, 2018)。然而根據現有資料，特拜-查干礎魯蛇綠巖一帶南北兩側的前寒武紀巖石在形成時代和物源組成方面具有明顯的不同(圖6、圖7)。龍首山-北大山北部地區，以及宗乃山-沙拉扎山地區出露的前寒武紀變質巖均形成于中元古代或更晚(卿蕓等， 2010； 宋偉， 2014； 史興俊等， 2016； Songetal.， 2017)，物源主要為相對年輕的地殼物質(圖6)。龍首山-北大山南部與雅布賴-諾爾公-紅古爾玉林一帶出露大量太古宙或古元古代的變質巖(圖7)(修群業等， 2002， 2004； 耿元生等， 2002， 2006； 李江海等， 2006； Tungetal.， 2007； 宮江華等， 2011； Danetal.， 2012； Zhangetal.， 2013a)，其物源主要為古老的地殼物質(圖6)，顯示了典型古老地體的Hf同位素特征(Danetal.， 2012； Zhangetal.， 2013a)。目前在特拜-查干礎魯蛇綠巖南北兩側尚未發現具有相同形成時代和物源組成的前寒武紀巖石。因而，龍首山-北大山北部地區和宗乃山-沙拉扎山地區可能并不是阿拉善地塊在早古生代時期裂解形成的。

近年來，在阿拉善以西和以東的中亞造山帶南緣地區均識別出一系列具有中元古基底的微陸塊。例如，在阿拉善以西的星星峽、尾亞和阿拉塔格東等地識別出1 459～1 405 Ma的花崗質片麻巖(胡靄琴等， 2006； 施文翔等， 2010； Heetal.， 2015)； 在北山造山帶南部獲得正片麻巖鋯石U-Pb年齡為1 408±4 Ma(賀振宇等，2015)。在阿拉善以東錫林浩特地塊的原寶音圖群中花崗片麻巖獲得了1 516～1 390 Ma的年齡(孫立新等，2013)。而且它們都具有為正且較高的εHf(t)值(+1～+7)，tDM模式年齡(2.0～1.5 Ga)與其巖漿巖結晶年齡相近，表明它們的源巖都來自虧損地幔或新生地殼(孫立新等， 2013； Liuetal.， 2014； 賀振宇等， 2015)。中亞造山帶南緣這些中元古(1.5～1.4 Ga)基底的微陸塊在形成時代、物質組成上與海森楚魯地區以及宗乃山-沙拉扎山地區出露的前寒武紀變質巖相似，而不同于塔里木克拉通、華北克拉通等古老地體(tDM模式年齡3.0～2.5 Ga)(Jiangetal., 2011; 相振群， 2014； 賀振宇等， 2015)。因此，特拜-查干礎魯蛇綠巖可能代表了阿拉善地塊的北界，其南部的龍首山-北大山南部地區和雅布賴-諾爾公-紅古爾玉林一帶屬于阿拉善地塊，而北部的龍首山-北大山北部地區以及宗乃山-沙拉扎山一帶出露的前寒武紀變質巖可能是中亞造山帶中的古老微板塊。

6 結論

(1) 海森楚魯地區出露的前寒武紀片麻巖是正片麻巖，其原巖形成于中元古代(1 408±29 Ma)。結合前人研究成果，龍首山-北大山北部原被劃為龍首山巖群的變質巖可能并不屬于傳統的龍首山巖群。

(2) 海森楚魯片麻巖具有較高的εHf(t)值(-4.38～+6.68)和較年輕的二階段模式年齡(2 091～1 624 Ma)，表明原巖的源區來自虧損地?；蛐律貧?。海森楚魯片麻巖源區特征與阿拉善中東部的宗乃山-沙拉扎山地區以及中亞造山帶南緣微陸塊相似，而與阿拉善中東部的雅布賴-諾爾公-紅古爾玉林地區、龍首山-北大山南部有差別。

(3) 龍首山-北大山北部地區與東部的宗乃山-沙拉扎山地區具有相同的構造屬性，可能不是阿拉善地塊的組成部分。

致謝兩位評審人對本文的初稿提出了寶貴的修改建議，在此表示衷心的感謝！