甘肅北山雙峰山花崗閃長巖鋯石LA-ICP-MS定年及其構造意義

孫新春，王懷濤，李通國，魏海峰，徐 磊，王曉偉

(甘肅省地質調查院，甘肅 蘭州 730000)

位于中亞造山帶南段的北山地區巖漿巖分布廣泛且期次多，記錄了古亞洲洋構造域形成演化的重要信息。從目前獲得的同位素年齡來看，主要有前寒武紀、早古生代、晚古生代、早中生代4期的構造巖漿事件(梅華林等，1999；李伍平等，2001；劉明強等，2005；江思宏等，2006；趙澤輝等，2006，2007；李舢等，2009；毛啟貴等，2010；張文等，2011；Wanetal.，2013)。前寒武紀花崗巖類在北山地區出露不多，且遭受了后期構造熱事件的改造，發生一定程度的變形和變質作用。早古生代花崗巖類以I型花崗巖為主，其形成主要與早古生代古亞洲大洋巖石圈俯沖作用有關，對洋盆俯沖、俯沖方向及陸緣弧演化過程的研究具有重要的科學意義(毛啟貴等，2010；馮繼承等，2012；Songetal.,2015)。晚古生代花崗巖類在北山地區廣泛分布，在不同地區分布有I、S、A型巖石類型，因而北山地區晚古生代巖漿巖成因及其形成的構造動力學背景存在很大的爭議，有人認為北山花崗巖類的形成主要與板塊俯沖作用有關(左國朝等，1990；龔全勝等，2003；何世平等，2005；Xiaoetal.,2010；郭謙謙等，2013)，有人則認為其形成于板內環境(李伍平等，2001；趙澤輝等，2007；李舢等，2011；楊建國等，2012；王磊等，2017)。縱觀前人研究成果，北山地區泥盆紀花崗巖類的研究程度較高，而石炭紀花崗巖類的研究比較薄弱，從而對北山地區晚古生代構造巖漿演化缺乏完整的認識。本文選擇北山南帶具有代表性的雙峰山花崗閃長巖，通過巖石LA-ICP-MS 鋯石U-Pb定年和巖石地球化學分析，揭示了該巖體的形成年代、成因及形成的構造背景，探討北山地區晚古生代構造巖漿演化過程，以期對中亞造山帶中段南帶的構造演化研究提供資料。

1 區域地質背景

北山地區位于中亞造山帶中段南帶，經歷了新元古代-早古生代大陸裂解、古亞洲大洋俯沖、增生拼貼造山及后造山的演化過程，大地構造位置十分重要。由于其復雜的構造巖漿演化歷史，前人基于不同的研究對象、研究方法及測試技術，使得該地區的大地構造屬性及演化過程一直存在諸多不同的認識(左國朝等，1990，2003；何世平等，2002，2005；龔全勝等，2003；李錦軼等，2006；楊合群等，2009)，特別是區內蛇綠巖的類型、性質、形成時代、古亞洲大洋閉合時限以及板塊匯聚過程形成相應的增生雜巖體、火山弧及殘留陸塊的屬性等。北山造山帶發育前寒武系結晶基底，被古生代地層不整合覆蓋，地層主要出露寒武系-志留系淺海碎屑巖和火山巖、泥盆系-石炭系海相碎屑巖-碳酸鹽巖和島弧火山巖(安山巖、流紋巖和少量玄武巖)、二疊系淺海相碎屑巖和枕狀玄武巖(頡煒等，2013)。北山地區構造巖漿活動十分強烈，侵入巖以花崗巖類最為發育，早古生代中酸性侵入巖多呈近東西向長條狀巖基、巖株分布，巖性主要為石英閃長巖、英云閃長巖、花崗閃長巖和二長花崗巖等，代表性巖體有五峰山花崗巖、尖泉子西花崗閃長巖等。晚古生代中酸性侵入巖巖石類型較多，多以巖基產出，巖性主要有花崗閃長斑巖、石英閃長巖、花崗閃長巖、英云閃長巖、二長花崗巖和正長花崗巖等，在馬鬃山地區以西呈北東向展布，以東呈北西向展布，代表性的巖體有雙峰山鉀長花崗巖-花崗閃長巖巖體、大山頭石英閃長巖巖體、黑石山二長花崗巖巖體、雙峰山花崗巖體、拾金坡似斑狀花崗巖巖體、小泉東花崗閃長斑巖巖體、黃草灘英云閃長巖巖體等，這一時期的花崗巖類多為I型和A型花崗巖(李伍平等，2001；趙澤輝等，2007；李舳等，2009，2011；王磊等，2017)。基性-超基性巖次之，不同規模和走向的斷裂構造極為發育，主干斷裂帶呈近EW向和NEE展布。

雙峰山花崗閃長巖位于紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠巖帶南側，出露面積約300 km2，東西長約40 km，南北寬5～10 km。巖體主要侵入于薊縣紀平頭山組、南華-震旦紀洗腸井群及早泥盆世正長花崗巖中，侵入界線呈港灣狀、不規則狀，局部接觸帶附近的地層具角巖化、矽卡巖化等。雙峰山花崗閃長巖被印支期的鉀長花崗巖、花崗斑巖等侵入破壞，同時花崗閃長巖中分布有呈近東西向展布的花崗巖脈和近南北向的輝綠巖脈，花崗巖脈切穿輝綠巖脈(圖1)。

圖1 研究區大地構造位置圖(a，據聶鳳軍等，2002修改)及雙峰山花崗閃長巖地質簡圖(b)Fig.1 Tectonic setting of granodiorites (a,modified after Nie Fengjun et al.,2002) from Shuangfengshan and its geologic sketch map (b)

2 巖石學特征

花崗閃長巖具細粒花崗結構，塊狀構造，巖石主要由角閃石、斜長石、條紋長石、黑云母和石英等組成。斜長石(50%，體積分數)呈寬板狀，個別呈板狀，見殘缺聚片雙晶，成分以更長石為主，粒度大多為(0.3～0.6)mm×1.8 mm；條紋長石(12%)呈它形局部具直邊，具高嶺土化，隱約可見滴狀條紋結構，粒度大多為0.5～1.6 mm；石英(23%)呈它形粒狀，透明潔凈，分布不均勻，大多數不規則鑲嵌聚集狀分布，粒度多為0.3～1.0 mm；角閃石(10%)呈短柱狀、柱狀假像，個別殘留見灰綠色-淡黃綠色弱多色性，具綠泥石化、綠簾石化、陽起石化、透閃石化，粒度約為0.5～1.4 mm，均勻分布；黑云母(5%)呈近片狀，已變形，呈半透明蝕變物混雜集合體狀，粒度大多為0.4～1.0 mm(圖2)。

圖2 雙峰山花崗閃長巖野外照片(a)及正交偏光顯微照片(b)Fig.2 Outcrop (a) and microphotographs under crossed nicols (b) of granodiorites from ShuangfengshanHbl—普通角閃石；Pl—斜長石；Qtz—石英Hbl—hornblende；Pl—plagioclase；Qtz—quartz

3 分析方法

樣品取自雙峰山花崗閃長巖巖體，采集1件鋯石U-Pb 測年樣和8 件巖石地球化學分析樣，巖性均為花崗閃長巖，具體采樣位置見圖1。

3.1 LA-ICP-MS 測年

鋯石的分選由河北省廊坊地質調查研究所實驗室完成。樣品經常規粉碎至100目左右，采用重液法和電磁法進行分選，再通過雙目鏡手工精選無包裹體、無裂紋和透明度高的晶形完好的單顆粒鋯石作為測定對象。鋯石CL(陰極發光)研究及LA-ICP-MS鋯石U-Pb測定在西北大學大陸動力學重點實驗室完成。實驗采用電感耦合等離子體質譜儀(Agilent7500a)和激光剝蝕系統(GeoLas 2005)聯機進行，激光束斑直徑為32 μm，剝蝕深度為20～40 μm，采用He作為剝蝕物質的載氣。鋯石年齡測定采用國際標準鋯石91500(206Pb/238U年齡為1 065.4±0.6 Ma)作為校正外標，元素含量采用NIST SRM 612作為外標、29Si作為內標進行校正。采樣方式為單點剝蝕，每完成5個測點的樣品測定，加測標樣一次。對分析數據的離線處理運用ICPMS-DataCal(V8.0)軟件計算得出，采用Anderson(2002)的方法進行普通鉛校正，并利用Isoplot-ver3進行鋯石年齡諧和圖繪制和年齡權重計算。

3.2 主量、微量元素分析

樣品的主量元素分析測試在廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室完成。主量元素采用帕拉科生產的Axios型X熒光光譜儀，分析精度0.1%～1%(RSD%)，準確度優于1%，元素檢出下限為0.01%。微量元素和稀土元素分析測試在中國地質大學(武漢)生物地質與環境地質國家重點實驗室采用ICP-MS(Agilent 7700x)完成，元素測試精度下限為0.01×10-6。

3.3 Sr-Nd同位素分析

Sr-Nd同位素在中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室完成。采用儀器為Micromass IsoProbeTM型MC-ICP-MS，所有樣品的143Nd/144Nd值和87Sr/86Sr值統一采用146Nd/144Nd=0.721 9和86Sr/88Sr=0.119 4分別進行標準化，具體的實驗流程參見韋剛健等(2002)和梁細榮等(2003)。

4 鋯石U-Pb年代學

挑選出的鋯石顆粒大小約為90～250 μm，自形程度較好，呈灰白色-灰色，陰極發光影像圖顯示良好的巖漿振蕩環帶結構(圖3)，絕大多數鋯石的Th/U值大于0.4(表1)，是典型的巖漿鋯石(吳元保等，2004)。

圖3 雙峰山花崗閃長巖體鋯石特征和LA-ICP-MS 測點位置Fig.3 Characteristics and dating spots of zircons from granodiorites in Shuangfengshan

共選取24顆鋯石，共有24個測點，所測得年齡數據見表1。所有鋯石顆粒樣品均投影在諧和曲線上或諧和曲線附近(圖4)，表明這些顆粒形成后 U-Pb同位素體系是封閉的，基本沒有 U 或Pb同位素的丟失或加入。24個花崗閃長巖的206Pb/238U年齡都集中在344±6～326±4 Ma之間，207Pb/235U -206Pb/238U諧和年齡為334.8±2.1 Ma(MSWD=1.2)，可信度高，可解釋為巖體結晶的年齡，屬早石炭世。

圖4 雙峰山花崗閃長巖鋯石U-Pb年齡圖Fig.4 Zircon LA-ICP-MS U-Pb isotopic concordia diagrams for zircons of granodiorites from Shuangfengshan

表1 雙峰山花崗閃長巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb分析結果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb data of granodiorites from Shuangfengshan

5 巖石地球化學特征

5.1 主量元素

雙峰山花崗閃長巖主量元素分析結果見表2。巖石SiO2含量為55.42%～65.53%，平均值為61.29%；Na2O含量為6.33%～6.58%，K2O含量為1.05%～1.87%，Na2O+K2O含量變化范圍為7.42%～8.32%，平均值為7.88%，K2O/Na2O比值為0.16～0.29，具富鈉貧鉀特征；Al2O3含量較高，為14.84%～17.53%，A/CNK介于0.85～0.91之間，具準鋁質花崗巖特征；MgO(1.51%～3.13%)、TiO2(0.51%～0.87%，平均值為0.66%)、CaO(3.91%～6.96%，平均值為5.22%)和Fe2O3T(4.15%～6.43%)含量低。

樣品K/Na值為0.18～0.32，平均值為0.25，小于1，在A/NK-A/CNK圖解中落入準鋁質區域(圖5a)，在K2O-SiO2圖解中落入鈣堿性系列區域(圖5b)。

圖5 A/NK-A/CNK圖解(a,據Shand，1944)和K2O-SiO2判別圖解(b,據Peccerillo and Taylor,1976)Fig.5 A/NK-A/CNK diagram (a,after Shand,1944) and K2O-SiO2 diagram (b,after Peccerillo and Taylor,1976)

5.2 微量元素

雙峰山花崗閃長巖微量元素分析結果見表2。微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖6a)顯示，雙峰山花崗閃長巖強烈富集Pb，富集Rb、K、Nd、Zr、Hf，虧損Nb、Ta、P、Sm、Ti元素。巖石Th、U含量變化較大，較為富集；Sr(232.00×10-6～370.00×10-6)、Y(18.30×10-6～20.50×10-6)和Yb(1.87×10-6～2.19×10-6)含量較低，具低Sr/Y(11.61～18.32)和La/Yb(5.66～9.33)值，Rb/Sr值為0.10～0.31，La/Ce值為0.42～0.53，Nb/U值為7.00～18.48。

表2 雙峰山花崗閃長巖主量(wB/%)、微量和稀土元素(wB/10-6)地球化學分析結果Table 2 Analytical result of major elements (wB/%) and trace elements (wB/10-6) data of granodiorites from Shuangfengshan

雙峰山花崗閃長巖ΣREE含量為74.30×10-6～114.58×10-6。在稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖上(圖6b)，中等富集輕稀土元素(LREE)，(La/Yb)N介于4.06～8.76之間，重稀土元素(HREE)相對虧損且分餾不明顯，(Gd/Yb)N介于1.27～1.63之間，無Eu異常，δEu介于1.01～1.07之間。

圖6 微量元素原始地幔標準化蛛網圖(a)和稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(b)(標準化值據Sun and McDonough，1989)Fig.6 Trace element spider diagram (a) and chondrite-normalized REE patterns(b) (normalized values after Sun and McDonough，1989)

5.3 Sr-Nd同位素

雙峰山花崗閃長巖的Sr-Nd同位素數據見表3。樣品的87Sr/86Sr在0.708 2～0.710 7之間，具相對較高的初始鍶(87Sr/86Sr)i值(0.706 0～0.706 7)；147Sm/144Nd值介于0.121 6～0.138 8之間，143Nd/144Nd 值為0.512 5，εNd(t)值為 -0.22～+0.52，二階段法計算獲得Nd模式年齡tDM2為1 334～1 091 Ma，平均為1 197 Ma。

表3 雙峰山花崗閃長巖Sr-Nd同位素分析結果Table 3 Sr-Nd isotopic compositions of granodiorites from Shuangfengshan

6 巖石成因及形成環境

在I、S、A型花崗巖判別圖上(圖7)，樣品均落入未分異的I和S型花崗巖區域。樣品的P2O5含量較低(0.12%～0.22%，僅1個樣品值為0.22%)，且與SiO2呈負相關關系(圖略)，與S型花崗巖明顯不同(P2O5>0.20%；Chappell，1999)，A/CNK為0.72～0.76，結合巖石含I型花崗巖的特征礦物角閃石，因此其應為I型花崗巖。

圖7 雙峰山花崗閃長巖I、S、A型花崗巖判別圖(據Whalen et al.，1987)Fig.7 I-S-A discrimination diagrams of granodiorites from Shuangfengshan (after Whalen et al.，1987)

雙峰山花崗閃長巖稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖顯示，輕稀土元素分餾中等，富集LREE、無明顯的銪異常；微量元素原始地幔標準化蛛網圖顯示，LILE相對富集，HFSE (Nb、Ta、P和Ti)虧損，總體顯示與活動陸緣有關的I型花崗巖的地球化學特征(Pearceetal.,1984)。花崗閃長巖的 Nb/La值為 0.41～1.01，平均0.65，接近典型島弧巖漿巖的 Nb/La值(約 0.3)，低于 OIB 的 Nb/La值(1.30)；Hf/Th值為0.80～1.15，平均0.88，與島弧玄武巖(Hf/Th<8)相類似(Condie，1989)。在Pearce等(1984)花崗巖構造環境判別圖上(圖8)，全部樣品均落入火山弧花崗巖區域，指示花崗閃長巖可能為板塊俯沖階段火山弧巖漿作用的產物。

圖8 雙峰山花崗閃長巖構造環境判別圖解(據Pearce et al.，1984)Fig.8 Discrimination diagrams for tectonic settings of granodiorites from Shuangfengshan (after Pearce et al.,1984)

樣品具高SiO2、低 MgO、低Yb和Y以及Th(3.37×10-6～6.02×10-6)、Ba(209×10-6～458×10-6)、Rb(32.7×10-6～73.4×10-6)含量接近大陸地殼平均含量(5.6×10-6、390×10-6、58×10-6，Sun and McDonough，1989)特征。Zr/Nb值為11.88～23.31，平均值16.73，接近大陸地殼(16.2)(Saundersetal.,1988；Weaver,1991)，La/Nb值為0.99～1.88，平均1.67，低于大陸地殼和上地殼(分別為2.2和2.8，Saunderetal.，1988；Weaver，1991)，大于島弧玄武巖與洋島玄武巖的界線(>1.4為火山弧型，<1.4為洋島型，Condie，1989)，以及低的Nb/U值(7～18)和高的Rb/Sr值(0.1～0.31)等地球化學特征排除了源區為地幔楔或俯沖洋殼的可能性，暗示其可能源于新生地殼。在微量元素原始地幔標準化蛛網圖上相對虧損Nb、Ta、P、Ti，略富集Zr、Hf，也反映了該花崗巖具有典型的大陸地殼的特點(Davies and Macdonald,1987)，指示該區花崗巖可能是下地殼部分熔融的產物，在底侵玄武巖漿加熱過程中可能有一定量的地幔物質混合作用。

花崗閃長巖具有較高且變化范圍較大的Mg#值(41.89～51.23)，指示有幔源組分的加入(Rapp and Waston,1995)。在εNd(t)-t圖解中(圖9a)，花崗閃長巖的投點均位于古-中元古代地殼的上方，在 Sr-Nd 同位素演化圖解上(圖9b)，樣品落入上地幔、上地殼和下地殼組成的三角區域內，表明巖漿作用過程中有一定量的幔源組分的參與，通過二階段法計算獲得的Nd平均模式年齡為1 197 Ma，指示其源巖可能為形成于中元古代晚期的下地殼。巖石εNd(t)為 -0.22～+0.52，亦表明巖漿作用過程中有一定量的幔源組分的參與。強烈的Nb、Ta 負異常及Ta/Yb值(0.30～0.38)小于0.5，指示巖漿源區組分或新生地殼有關。雙峰山花崗閃長巖較低的Yb、Y及Y/Nb值，暗示源區有少量的石榴子石殘留，部分熔融深度較深。巖石無明顯Eu異常，指示斜長石沒有經歷結晶分離或源區沒有殘留。巖石具高稀土總量和輕稀土富集的特征，說明花崗巖漿分異程度較低；微量元素原始地幔標準化蛛網圖上富集Zr、Hf及虧損P，亦為新生地殼部分熔融的特點。結合區域地質背景研究認為，雙峰山花崗閃長巖可能是中元古代晚期受俯沖流體交代的虧損地幔部分熔融形成的新生地殼發生部分熔融的產物，在源區新生地殼部分熔融過程中有一定量的幔源物質加入。

圖9 雙峰山花崗閃長巖εNd(t)-t 圖解和Sr-Nd同位素演化圖解(據Jahn et al.,2000)Fig.9 εNd(t)-t and Sr-Nd diagrams of granodiorites from Shuangfengshan(after Jahn et al.,2000)DM—虧損地幔；CHUR—球粒隕石均一源區；UM—上地幔；LCC—下地殼；UCC—上地殼DM—depleted mantle；CHUR—chondritic uniform reservoir；UM—upper mantle；LCC—lower crust；UCC—upper crust

綜上所述，研究區在早石炭世晚期處于洋殼俯沖階段，由于俯沖板片的脫水作用使其上覆的地幔楔發生部分熔融形成玄武質巖漿，玄武質巖漿上涌底侵并加熱下地殼中的中元古代晚期的玄武質巖石，使其發生部分熔融形成花崗質巖漿，并與幔源玄武質巖漿發生混合，然后侵位到一定深度形成早石炭世雙峰山花崗閃長巖。

7 構造意義

北山地區石炭紀構造屬性存在有多種不同的觀點：一種觀點認為北山地區古洋盆在志留紀末至早泥盆世閉合，石炭紀-二疊紀進入陸內裂谷演化階段(左國朝等，1990，2003；楊合群等，2008)；另一種觀點認為古洋盆于石炭紀末期閉合，哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊之間的洋盆最終閉合，形成新的統一大陸(龔全勝等，2003；何世平等，2005)；還有一種觀點則認為在早二疊世之前，隨著北山南帶及南天山古洋盆的封閉，塔里木板塊、哈薩克斯坦板塊和西伯利亞板塊最終拼接(劉雪亞等，1995)；此外，還有學者認為古北山地區古洋盆的消亡時間為二疊紀，石炭紀-二疊紀為洋陸演化階段(黃增寶等，2006；Xiaoetal.,2010)。形成于活動大陸邊緣弧早石炭世雙峰山花崗閃長巖(334.8±2.1 Ma)指示在早石炭世，北山地區南部具有洋盆俯沖作用的動力學過程。但從區域地質研究來看，位于雙峰山之北的紅柳河-牛圈子蛇綠巖帶所代表的古洋盆已于早泥盆世之前閉合(張元元等，2008)，因此其不可能是紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠巖所代表的洋盆向南俯沖的產物。然而，雙峰山南側的輝銅山和帳房山蛇綠巖獲得的年齡為446.1±3.0 Ma、362.1±4.0 Ma，且具SSZ性質，為弧后盆地的殘留體(余吉遠等，2012)。因此，初步研究認為，早石炭世雙峰山花崗閃長巖可能與輝銅山-帳房山蛇綠巖所代表的洋盆向北俯沖有關，即其形成環境為輝銅山-帳房山蛇綠巖所代表的弧后盆地北向俯沖消減過程中形成的活動大陸邊緣弧。

區域上的下、中泥盆統與下石炭統均呈角度不整合接觸，代表區域性的一次重大事件，推測北山南帶在早石炭世末期古洋盆發生了閉合造山事件。晚石炭世北山及鄰區，主要洋盆都已閉合，塔里木板塊、哈薩克斯坦板塊以及西伯利亞板塊拼合在一起(Coleman，1989；Dobrestsovetal.,1995；Xiaoetal.,2004；趙澤輝等，2006)，北山地區進入后碰撞構造演化階段。

8 結論

(1) 雙峰山花崗閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為334.8±2.1 Ma，為準鋁質、鈣堿性I型花崗巖，是中元古代晚期形成的新生地殼在玄武巖漿底侵作用下發生部分熔融的產物，且在源區巖漿作用過程中有一定量的幔源物質的參與，形成于活動大陸邊緣。

(2) 形成于活動大陸邊緣弧環境的早石炭世雙峰山花崗閃長巖，為輝銅山-帳房山蛇綠巖所代表的弧后盆地北向俯沖提供了巖石學和年代學證據。