北山造山帶東段早志留世巖漿演化特征
——來自基東花崗閃長巖的地球化學和年代學約束

2021-12-16 10:10:24潘志龍張立國張金龍侯德華

河北地質大學學報 2021年6期

潘志龍，王碩，張立國，張歡，張金龍，侯德華

PAN Zhi-long, WANG Shuo, ZHANG Li-guo, ZHANG Huan, ZHANG Jin-long, Hou De-hua

河北省區域地質調查院，河北廊坊 065000

Regional Geological Survey Institute of Hebei Province, Langfang 065000, China

1 引言

中亞造山帶是一條重要的顯生宙增生造山帶[1-6]，發育大量與新生陸殼密切相關的花崗巖類。北山造山帶位于中亞造山帶南緣，處于塔里木板塊、哈薩克斯坦和華北板塊的交匯部位，地質構造十分復雜，是以古大洋和微大陸并存為特征的“中亞褶皺帶”的重要構造單元之一[7-16]，發育大量古生代花崗巖類侵入體。長期以來，對北山地區古生代構造演化的認識一直存在較大分歧，焦點集中于大洋演化時限以及最終閉合位置等[17-18]。區內前人資料豐富，但北山地區廣泛分布的古生代侵入體尚缺乏精確的時代厘定和巖漿成因研究[14]。因此，本文選擇基東早志留世花崗閃長巖體為研究對象，在野外地質調查的基礎上，通過巖石地球化學、鋯石U-Pb 測年和鋯石Lu-Hf同位素研究，探討巖漿成因及其形成的構造環境，為北山地區早古生代構造演化提供新的依據和約束。

2 區域地質背景

研究區大地構造位置屬北山造山帶東段，行政區劃位于甘肅省與內蒙古自治區交界部位。自北向南，石板井—小黃山構造帶和牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶分別從區內穿過（圖1），前者主要表現為強烈的韌性剪切變形，受其影響的主要為早古生代末—晚古生代初期地質體，后者具典型的縫合帶特征，其北側分布有大規模的晚奧陶—早志留世火山弧性質的巖漿巖，南側則主要分布寒武紀海相沉積建造。古元古代變質基底零星出露于石板井—小黃山構造帶以北，中新元古代穩定淺海沉積則分布于牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶以南。晚古生代時期，兩條構造帶中間的塊體相對隆升，在其南北兩側沉積了厚度巨大的石炭—二疊系。

圖1 研究區大地構造位置圖（據文獻[17]修改）Fig.1 Geotectonic location map of the study area

3 巖體特征及巖相學特征

基東花崗閃長巖體沿石板井—小黃山構造帶分布，由大小不等的12個侵入體組成，呈巖株狀產出，近橢圓—不規則狀，出露面積13.24 km2（圖2）。侵入古元古代北山巖群、晚奧陶世—早志留世公婆泉組、早志留世細粒閃長巖、中粒英云閃長巖，被早志留世中粒二長花崗巖、早泥盆世中粒二長花崗巖、中粒斑狀二長花崗巖、中粒正長花崗巖、中粒斑狀正長花崗巖侵入，局部被早侏羅世芨芨溝組不整合覆蓋。巖石發育似片麻狀構造（圖3a），巖體中見較多的石英片巖等圍巖捕擄體。

圖2 北山基東一帶地質簡圖Fig.2 Geological sketch of the east of Beishan

巖石呈深灰色，細粒花崗結構，似片麻狀構造。巖石由鉀長石（15%）、斜長石（40%）、石英（20%）、黑云母（15%）、角閃石（10%）組成（圖3b）。鉀長石：主呈近半自形板狀，少它形粒狀，大小一般為0.25～2 mm，少部分2～4.7 mm，雜亂分布，具輕微高嶺土化，有時粒內嵌布少量斜長石、角閃石、黑云母等，部分交代斜長石。斜長石：呈半自形板狀，大小為0.15～2.55 mm，雜亂分布，可見環帶構造，有時嵌布于鉀長石粒內，具絹云母化、高嶺土化、簾石化、少碳酸鹽化，少數被鉀長石蠕蟲狀、蠶蝕狀交代。石英：呈它形粒狀，大小一般為0.05～2 mm，部分2～3.9 mm，雜亂分布，粒內波狀消光。黑云母：黃褐色，葉片狀，片徑一般0.05～2 mm，部分2～3.7 mm，雜亂分布，少葡萄石化、綠泥石化、綠簾石化。角閃石：顯深藍綠色，呈半自形柱狀，大小一般0.2～2 mm，部分2～3.6 mm，雜亂分布，少數粒內嵌布黑云母等，個別綠簾石化、綠泥石化。

圖3 基東早志留世細粒花崗閃長巖露頭特征（a）及顯微照片（b）Fig.3 Characteristics of outcrop of Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong(a)and micrograph(b)

4 測試方法及測試結果

4.1 測試方法

全巖的主量元素和微量元素分析在河北省區域地質調查院實驗室完成。主量元素（SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、CaO、P2O5）分析采用X射線熒光熔片法完成，分析精度為0.05%；FeO采用滴定分析完成；灼燒減量、H2O+和H2O-用重量法完成。微量元素分析采用HF+HClO3+HNO3溶解樣品，王水復溶，在線加入Rh內標溶液，用Thermofisher X Series Ⅱ 型ICP-MS完成測定，稀土元素分析精度為0.1×10-6，微量元素≤5×10-6，測試方法詳見高劍峰等（2003）[19]。

鋯石分選在河北省區域地質調查院實驗室完成。雙目鏡下挑選晶形好、無裂隙和包裹體的鋯石，用環氧樹脂制靶。將鋯石靶打磨、拋光后，進行反射光、透射光和陰極發光（CL）顯微觀察照片。鋯石制靶及陰極發光照相在北京鋯年領航科技有限公司完成。

LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年在天津地質礦產調查研究所完成。激光剝蝕采樣采用單點剝蝕的方式，數據分析之前用美國國家標準研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標準參考物質NIST SRM 610進行儀器最佳化，采樣方式為單點剝蝕，數據采集選用1個質量峰1個點的跳峰方式，每完成8個測點的樣品測定，加測標樣1次，觀察儀器的狀態以保證測試的精度。詳細的實驗測試過程參見袁洪林等（2003）[20]。鋯石年齡采用91500作為外標標準物質，元素含量采用NIST SRM 610作為外標，29Si作為內標。測試結果應用GLITTER（ver 4.2）軟件計算得出，并按照 Andersen的方法用LA-ICP-MS CommonLead Correction（ver 3.15）對其進行了普通鉛校正，年齡計算和諧和圖繪制采用Isoplot（ver 3.0）完成。

鋯石Hf 同位素測試是在中國地質科學院地質研究所大陸構造與動力學實驗室完成，所用儀器為Neptune Plus多接收等離子質譜和Compex pro.193nm紫外激光剝蝕系統（LA-MC-ICP-MS），實驗過程中采用He作為剝蝕物質載氣，剝蝕直徑采用44 μm，測定時使用國際通用的鋯石標樣GJ-1作為參考物質，分析點與U-Pb定年分析點為同一位置。相關儀器運行條件及詳細分析流程見侯可軍等（2007）[21]。分析過程中鋯石標準GJ-1的176Hf/177Hf 測試加權平均值為0.282 015±8（2σ，n=10）（Elhlou 等，2006；侯可軍等，2007）[21-22]。在進行εHf（t）計算時，采用176Lu衰變常數為1.867×10-11yr-1，球粒隕石現今的176Hf /177Hf = 0.282 772 和176Lu /177Hf = 0.033 2（Blichert和 Albarède，1997）[23]。在進行模式年齡計算時，采用現今的虧損地幔176Hf /177Hf =0.283 25和176Lu /177Hf= 0.038 4（Griffin 等，2000）[24]，現今平均大陸殼的176Lu /177Hf = 0.015（Griffin 等，2000）[24]。

4.2 測試結果

4.2.1 地球化學

基東早志留世細粒花崗閃長巖的全巖主量、微量元素分析結果及特征參數列于表1。

表1 基東早志留世細粒花崗閃長巖主量元素和微量元素分析結果及相關參數Table 1 Analysis of major elements and trace elements and related parameters of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

表1（續）

SiO2含量59.58%～66.64%，平均63.91%；ALK含量5.07%～5.88%，K2O/Na2O為0.59～1.42；鋁指數A/CNK為0.93～1.05，MgO#為39.01～41.14。里特曼指數σ為1.34～1.60，分異指數DI 為55.98～71.03。在TAS圖解中，1個樣品落于花崗閃長巖區，2件落入花崗閃長巖與英云閃長巖界線附近，另外1件落入閃長巖區，造成這種結果的原因可能為樣品中暗色礦物含量偏高，結合野外宏觀地質特征及薄片鑒定結果，將其定名為花崗閃長巖更為準確，屬亞堿性巖系（圖4）；進一步將其投入K2O-SiO2圖解中，樣品落入高鉀鈣堿性—鈣堿性系列區（圖5）。

圖4 基東早志留世細粒花崗閃長巖TAS圖解Fig.4 TAS diagram of the Early Silurian fine-grained granodiorite from Jidong

圖5 基東早志留世細粒花崗閃長巖K2O-SiO2圖解Fig.5 K2O-SiO2 diagram of the Early Silurian finegrained granodiorite in Jidong

早志留世細粒花崗閃長巖稀土總量∑REE（包括Y元素）介于188.51×10-6～250.62×10-6之間，平均為208.77×10-6；δEu值變化于0.67～0.79，負銪異常明顯；LREE/HREE介于4.39～5.87之間，(La/Yb)N變化于10.18～18.23，輕稀土富集。(La/Sm)N為3.48～5.75，(Gd/Lu)N為1.81～2.84，表明輕稀土較重稀土分異強烈。稀土配分曲線為LREE富集的右傾型（圖6）。在球粒隕石標準化的蜘蛛網圖中，富集Rb、Th、K等強不相容元素，Nb、Ta、P、Ti等元素虧損（圖7）。

圖6 細粒花崗閃長巖稀土配分曲線Fig.6 REE partition curve of fine-grained granodiorite

圖7 細粒花崗閃長巖微量元素蜘蛛網圖Fig.7 Spider web pattern of trace elements in fine-grained granodiorite

4.2.2 鋯石U-Pb年齡

基東早志留世細粒花崗閃長巖鋯石多數呈長柱狀，半自形—自形，震蕩環帶發育，邊部具輕微熔蝕特征（圖8），為巖漿鋯石。對晶形較好的25顆鋯石共分析了25個測點（表2）。Th/U值除16號點偏小為0.06，其余在0.32～0.83之間，顯示巖漿鋯石特征。206Pb/238U年齡在434～440 Ma之間，數據和諧性好、集中度高，25個數據的加權平均年齡為436.65±0.94 Ma（N＝25，MSWD＝0.44）（圖9），能夠代表該樣品的結晶年齡。

圖8 基東早志留世細粒花崗閃長巖鋯石CL圖像及206Pb/238U年齡、測點位置及其編號Fig.8 Zircon CL image of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong and its 206Pb/238U age, location and serial number

圖9 基東早志留世細粒花崗閃長巖鋯石U-Pb諧和圖Fig.9 Zircon U-Pb harmonic map of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

表2 基東早志留世細粒花崗閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

4.2.3 鋯石Hf同位素

基東早志留世細粒花崗閃長巖鋯石Lu-Hf同位素分析結果見表3。21顆鋯石176Yb/177Hf的范圍在0.018 375～0.045 917，176Lu/177Hf的變化范圍在0.000 371～0.000 904，176Lu/177Hf比值均小于0.002，表明這些鋯石在形成以后僅有較少的放射性成因Hf的積累[25]。fLu/Hf變化在-0.97～-0.99，小于鎂鐵質地殼的fLu/Hf（-0.34）和硅鋁質地殼的fLu/Hf（-0.72）（Vervoort 和 Patchett，1996）。εHf(t)均為負值，變化于-9.37～-13.49。單階段Hf模式年齡（tDM1）變化于1 416～1 570 Ma，平均為1 486 Ma；兩階段Hf模式年齡（tDM2）介于2 015～2 274 Ma，平均為2 134 Ma。

表3 基東早志留世細粒花崗閃長巖Lu-Hf同位素組成Table 3 Lu-Hf isotopic compositions of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

5 討論

5.1 巖石成因及構造環境

基東早志留世細粒花崗閃長巖Mg#值平均為40.1，接近玄武質下地殼[26-27]；Rb/Sr比值0.197～0.277，平均0.238，接近大陸地殼平均值（0.24）；Nb/Ta比值12.11～18.48，平均14.03，略高于陸殼巖石（11±）；Zr/Hf比值16.14～45.43，平均30.23，略低于殼源巖石（33±）[28-29]。以上表明巖體成巖物質主要來自地殼。在εHf(t)-t圖解（圖10）上，來自花崗閃長巖中的鋯石Hf 同位素全部落于元古宙地殼演化范圍內，推測為古老下地殼物質再熔融的產物。

圖10 基東早志留世細粒花崗閃長巖εHf(t)-t圖解Fig.10 εHf(t)-t diagram of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

研究區東北石板井地區形成于島弧環境的高鎂閃長巖體指示本區晚奧陶世早期已經處于俯沖階段[30]，南部三道明水地區埃達克巖的發現則暗示晚志留世本區進入了強烈快速俯沖狀態，并且于晚志留世末至早泥盆世出進入碰撞造山階段[31]。從巖體宏觀特征來看，基東早志留世細粒花崗閃長巖具有明顯的透入性構造（似片麻狀構造）與后期巖體相區別，顯示就位過程中的壓性環境。在微量元素蜘蛛網圖上具強烈Nb、Ta虧損特征；在微量元素構造環境判別圖解（圖11）中樣品均落入火山弧花崗巖區。綜合區域地質背景、宏觀地質特征及巖石地球化學特征，基東早志留世細粒花崗閃長巖形成于板塊俯沖環境。

圖11 構造環境判別Nb-Y圖解（a）和Rb-Y+Nb圖解（b）Fig.11 Nb-Y diagram of tectonic environment discrimination (a) and Diagram of Rb-Y+Nb (b)

5.2 地質時代及構造意義

雖然不同學者對于該區早古生代大洋的演化過程存在較多爭議[4,12,17,18]，但志留紀處于俯沖階段的事實已被越來越多的同位素資料證實[30,32]。本次工作在基東細粒花崗閃長巖體中獲得了436.65±0.94 Ma的LAICP-MS鋯石U-Pb年齡，該年齡一致性好，能夠代表該巖體的結晶年齡，地質時代為早志留世，其再一次佐證了本區在早志留世洋盆已經開始萎縮但仍未閉合的事實。

基東早志留世細粒花崗閃長巖兩階段模式年齡為2 015～2 274 Ma，平均2 134 Ma，表明其為古元古代地殼物質部分熔融作用的產物，該時期為本區重要的地殼增生期。