勉略缝合带三岔子辉绿岩墙锆石U-Pb年龄及Hf同位素组成——古特提斯洋壳俯冲的年代学证据

赖绍聪,秦江锋

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;2.西北大学地质学系,陕西西安710069)

0 引言

勉略缝合带是一个东西向横贯中国大陆中部的以逆冲推覆断裂构造为骨架的巨型复合构造带,它的形成标志着扬子和华北陆块的最终拼合,对研究中国大陆的构造演化具有重要的大地构造意义[1]。该带以勉县—略阳蛇绿构造混杂岩带为代表,东西延展,向西可连接昆仑,向东则与巴山—大别山南缘相连[2-5]。

近年来,围绕该带的蛇绿混杂岩进行了一系列岩石学、地球化学及年代学研究。地球化学研究结果表明,在勉略带中存在高度亏损的洋中脊玄武岩(MORB)型古洋壳残片[6]、双峰式火山岩[2-7]、洋岛型火山岩[3]和岛弧型火山岩[4,7],其地质时代为早石炭世[8-9]。勉县—略阳结合带黑沟峡变质火山岩系的Sm-Nd等时线年龄(242±21)Ma表明勉略洋盆在三叠纪晚期已闭合[7]。然而,目前还没有有效的年代学研究约束勉略洋俯冲消减的年龄,只有李曙光等[7]通过对略阳三岔子地区的斜长花岗岩的单颗粒锆石U-Pb年代学研究获得了(913±31)Ma和(300±61)Ma两个不同的年龄值,提出前者为继承锆石年龄,而后者代表斜长花岗岩的形成年龄,并由此提出勉略古洋盆的洋壳在石炭纪时已开始消减。

图1 略阳三岔子地区地质简图Fig.1 Sketch G eological Map of the Sanchazi Area of Lueyang County

早期的研究工作将三岔子岛弧型火山岩归入蛇绿混杂岩,并称之为岛弧型蛇绿混杂岩(图1[7])。这一岛弧火山岩块究竟是代表一古岛弧,还是代表大陆边缘的古岩浆弧,其形成时代是什么?这些问题仍需更详细的深入研究。笔者选择略阳三岔子西部偏桥沟剖面中的辉绿岩墙,进行详细的锆石U-Pb年代学、锆石Hf同位素组成及微量元素组成研究,试图探讨三岔子岛弧火山岩的源区性质及勉略洋开始俯冲消减的年龄。

1 地质背景及野外地质样品

勉略构造带南以勉县—略阳断裂为界,北以状元碑断裂为界,其南为新元古代碧口群,北为志留纪白水江群[10]。在三岔子乡周围集中发育了各种类型的镁铁—超镁铁质岩石(图1),并被称为三岔子“蛇绿混杂岩”。该“蛇绿混杂岩”可划分为两部分:西部岛弧型杂岩和东部MORB型玄武质火山岩。西部杂岩由强烈剪切变形的玄武质和安山质熔岩、辉(闪)长岩、超基性岩(蛇纹岩、滑石片岩)及岩墙群和少量斜长花岗岩组成。

图2 三岔子—偏桥沟岩片褶皱 逆冲推覆构造剖面Fig.2 Sketch Structure Profile of Slices Fold-thrust Nappe in the Sanchazi-Pianqiaogou Area

文中的辉绿岩墙样品主要采自三岔子西部的偏桥沟剖面(图2[7]),在剖面上可见强烈剪切变形的变质海相火山岩、辉长岩、超基性岩及辉绿岩墙群组成的混杂岩块。超基性岩均已蚀变成为致密块状的蛇纹岩,蛇纹石可达90%以上,以胶蛇纹石、叶蛇纹石为主,少量纤维蛇纹石,少数薄片中见斜方辉石假象及橄榄石假象,原岩主要为方辉橄榄岩和纯橄榄岩[2]。变质火山岩包括基性的绿片岩、中基性和中性的绿泥钠长片岩及中酸性的浅色绿泥钠长片岩。

所采集的辉绿岩呈岩墙状产出,岩石受剪切变形影响,矿物已发生显著的定向排列,手标本观察浅色矿物(基性斜长石)呈米粒状,暗色矿物(普通辉石)呈不对称眼球状,镜下观察岩石具碎裂结构,或粗糜棱结构。部分辉绿岩样品中见有长石旋转碎斑系,基性斜长石大多已蚀变为高岭土及绢云母,普通辉石明显绿泥石化。分析结果表明[3],辉绿岩-w(SiO2)偏高(50%～55%),碱质较富(w(K2O+Na2O)为5.18%～6.13%),而w(Al2O3)为14%～15.70%,w(CaO)为5.53%～7.89%,属亚碱性拉斑系列。

2 分析方法

锆石按常规重力和磁选方法分选,在英国Gatan公司生产的Mono CL3+阴极发光装置系统上进行阴极发光(CL)照相。锆石定年采用Agilient公司-Agilient 7 500 a。锆石原位Lu-Hf同位素测定采用Nu Plasma HR(Wrexham U K)多接收电感耦合等离子体质谱仪完成(MC-ICPMS)。采用的激光剥蚀系统为德国MicroLas公司生产的GeoLas200M型激光剥蚀系统,分析方法详见文献[9,11-15]。

3 测试结果

图3 锆石的阴极发光图像Fig.3 Cathodoluminescent Electron Images for the Zircon G rains

三岔子辉绿岩中锆石的阴极发光图像见图3。本次一共完成23个点的测试(表1)。锆石主要可以分为2种,一种为自形透明长柱状,阴极发光图像显示很好的岩浆锆石震荡环带,其w(Th)、w(U)分别为(27.7～180.7)×10-6和(55～313)×10-6, w(Th)/w(U)为0.4～0.8,这些证据初步表明这类锆石为岩浆锆石。其-n(206Pb)/n(238U)年龄为264～487 Ma,由于年龄点较分散,较难获得谐和年龄。另一种锆石晶体有不同程度的磨圆,晶棱不明显,其n(Th)、n(U)分别为(34～463)×10-6和(16～1 224)×10-6,w(Th)/w(U)为-0.1～1.2。根据w(Th)/w(U),初步判断得到测点BQG-022应为变质锆石。这类锆石的年龄普遍偏老,其-N(207Pb)/ N(206Pb)年龄主要为1 713～2 559 Ma,其中测点BQG-019记录的N(207Pb)/N(206Pb)年龄为1 145 Ma。

从图4a可以看出,三岔子辉绿岩中锆石的UPb年龄分布比较松散,既有古生代年龄,又有太古代和元古代年龄,表明岩石中锆石来源比较复杂,这可能是由于辉绿岩浆中结晶的锆石本身比较少,岩浆在上升过程中有大量捕获锆石;岩石本身经历强烈的变质变形作用,在这个过程中也可能有其他来源的锆石混入。从图4b可以看出,三岔子辉绿岩中锆石的年龄主要集中在古生代和太古代。

表1 三岔子辉绿岩锆石U-Pb同位素分析结果Tab.1 Zircon U-Pb Isotopic Analysis Result of the Diabase from Sanchazi Area

图4 三岔子辉绿岩中锆石U-Pb谐和年龄图和锆石U-Pb年龄分布频谱Fig.4 Zircon U-Pb Concordia Diagram and Probability Density Plot for the Diabase from the Sanchazi Area

在U-Pb年代学研究的基础上,对其中21颗锆石进行了Hf同位素测定。从表2可以看出,记录了古生代年龄信息的锆石-N(176Hf)/N(177Hf)初始值为0.281 934～0.282 292,对应的εHf(t)值为-9.4～-16.4,为典型的壳源岩浆锆石。其中有2个测点(BQG-014、BQG-021)的 N(176Hf)/N(177Hf)为0.282 722～0.282 798,对应的εHf(t)值为4.5～6.3,为典型的幔源岩浆锆石,这2个点的两阶段亏损地幔Hf模式年龄为765～885 Ma,表明其可能与扬子板块晋宁期的幔源岩浆作用有成因联系。记录古元古代—太古代年龄信息锆石的N(176Hf)/N(177Hf)初始值为-0.281 288～0.282 263,对应的εHf(t)值为-1.3～8.7,绝大部分锆石的εHf(t)值大于2,显示出幔源岩浆锆石的特征,这些颗粒的两阶段亏损地幔Hf模式年龄为1 457～2 768 Ma,表明其源岩为元古代—太古代的幔源岩浆岩石。

表2 三岔子辉绿岩锆石H f同位素分析结果Tab.2 Zircon H f Isotopic Analysis Result of the Diabase from Sanchazi Area

表3表明,记录古生代年龄信息锆石的w(∑REE)为(295～948)×10-6,其中2个测试点(BQG-014、BQG-016)表现出轻稀土超量的特征,其-w(La)N/ w(Sm)N为0.17～2.70,δ(Eu)为0.07～0.39,其余5个颗粒的-w(La)N/w(Sm)N为-0～0.40, δ(Eu)为0.06～0.54。记录元古代—太古代年龄信息的锆石中有4颗锆石表现出轻稀土超量的特征,其w(∑REE)为(468～753)×10-6,w(La)N/ w(Sm)N为0.19～4.35,δ(Eu)为0.19～0.58,其余10颗锆石的-w(∑REE)为(165～637)×10-6, w(La)N/w(Sm)N为0～0.11,δ(Eu)为0.18～0.47。所有轻稀土超量的锆石均不发育Ce的正异常。

根据锆石-Ti温度计[16]对所有锆石的形成温度t进行了计算,计算公式为

记录古生代年龄信息的锆石中,轻稀土超量的两颗锆石-Ti温度为643～653℃,其余颗粒的-Ti温度为632～700℃,点BQG-004记录的-Ti温度最高,为997℃。在记录古老年龄信息的锆石中,轻稀土超量颗粒记录的Ti温度为654～741℃,其余颗粒记录的Ti温度为690～903℃。

表3 三岔子辉绿岩锆石微量元素分析结果Tab.3 Zircon Trace Element Analysis Result of the Diabase from Sanchazi Area

4 讨论

前人研究表明,三岔子火山岩块实际上是以岛弧火山岩为主要成分的火山岩块[2],而勉略洋开始发生俯冲的时间,则成为地质学界关注的焦点。

三岔子辉绿岩中共有8颗锆石记录了古生代的年龄信息,其-n(206Pb)/n(238U)年龄为-264～487 Ma,由于年龄点较分散,较难得到有效的谐和年龄,这可能是因为所采样品是多次岩浆作用的产物。因为在勉略洋俯冲消减过程中,岛弧岩浆作用是一个持续的过程,会有多次岩浆作用产生,因而很难有一致的年龄。在记录古生代年龄信息的8颗锆石中,有2颗锆石表现出轻稀土超量的特征。一般来讲,锆石中轻稀土超量可能是由以下几种原因造成:①锆石结晶时LREE优先进入锆石的晶格缺陷中;②锆石结晶时的熔体成分与全岩成分不一致;③分析点中包含了富LREE的磷酸盐矿物(如独居石和磷灰石);④后期地质事件扰动时LREE优先进入被扰动的锆石中。目前,对于造成这种特征的原因尚不十分清楚。根据锆石-Hf同位素组成,BQG-014和BQ G-021两个分析点具有εHf(t)值为-4.5～6.3,为典型的幔源岩浆锆石,其 n(206Pb)/n(238U)年龄分别为295、264 Ma,代表古生代岩浆事件,这2个点的两阶段亏损地幔-Hf模式年龄为765～885 Ma,表明其可能与扬子板块晋宁期的幔源岩浆作用有成因联系。

此外,勉略带是一个复杂的构造混杂带,带内除蛇绿岩、岛弧火山岩、洋岛火山岩块外,实际上还包含了众多古老结晶基底岩块(岩片),在勉略带中除了320～200 Ma的同位素年龄外,还获得了一些(8～10)×108年的古老岩块岩石年龄[17-18]。本研究共有15颗锆石记录了元古代—太古代的年龄信息,其中BQG-019记录的-N(207Pb)/N(206Pb)年龄为1 145 Ma,其余14颗锆石的N(207Pb)/N(206Pb)均大于1 700 Ma(1 713～2 559 Ma),其-N(176Hf)/ N(177Hf)初始值为0.281 288～0.282 263,对应的εHf(t)值为-1.3～8.7,绝大部分锆石的εHf(t)值大于2,两阶段Hf模式年龄(T2DM)为1 457～2 768 Ma,暗示勉略构造带中存在显著的古老基底物质混入。

5 结语

(1)三岔子辉绿岩中含有元古代—太古代锆石捕虏晶,表明岛弧玄武质岩浆在侵位过程中曾受到上覆地壳物质的强烈混染,而且这些地壳中含有大量元古代—太古代基底物质。

(2)锆石Hf同位素组成特征表明,辉绿岩中古老锆石来源于古元古代—太古代的幔源岩浆作用,这说明三岔子岛弧火成杂岩可能代表了南秦岭微陆块(在石炭纪以前已拼合到华北陆块上)南侧石炭纪活动陆缘岩浆弧,而不是位于古勉略洋中的岛弧。

(3)根据锆石-Hf同位素组成,BQG-014和BQ G-021两个分析点具有εHf(t)值为4.5～6.3,为典型的幔源岩浆锆石,其-n(206Pb)/n(238U)年龄分别为295、264 Ma,代表古生代岩浆事件,这2个点的两阶段亏损地幔-Hf模式年龄为765～885 Ma,表明其可能与扬子板块晋宁期的幔源岩浆作用有成因联系。

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