宗务隆山角闪辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年、地球化学特征及其地质意义

王苏里，周立发

(西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系,陕西 西安 710069)



·地球科学·

宗务隆山角闪辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年、地球化学特征及其地质意义

王苏里，周立发

(西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系,陕西 西安 710069)

对宗务隆山角闪辉长岩进行的岩石学、地球化学及锆石LA-ICP-MS U-Pb定年的研究表明,该岩体的成岩年龄为(254.3±1.5)Ma,形成时代为晚二叠世晚期,显示为海西—印支运动岩浆活动的产物。其SiO2质量含量为45.38%～52.65%，其低铝(Al2O3质量含量为13.76%～16.86%)、富钙(CaO质量含量为9.92%～11.06%)、贫碱(K2O+Na2O质量含量为2.86%～3.35%)的特点表明其属于钙碱性系列岩石。岩石明显富集大离子亲石元素(如Rb,Sr,Ba等),而相对亏损高场强元如素(Nb,Ta,Zr等)。稀土总量较低(ΣREE含量为7.05×10-6～38.71×10-6),显示为轻稀土元素相对富集的右倾型配分模式,δEu为0.9～0.97,呈弱的Eu负异常。主、微量及稀土元素特征反映出岩石具幔源岩浆的特点,但受到地壳物质的混染,构造判别图解显示宗务隆山角闪辉长岩形成的大地构造背景为洋壳俯冲造山阶段的岛弧环境。该研究结果结合同位采样的黑云花岗岩样本的定年结果及地球化学特征,为宗务隆洋盆俯冲提供了年代学及岩浆作用方面的依据。

角闪辉长岩;锆石LA-ICP-MS U-Pb定年;地球化学;宗务隆山

宗务隆构造带地处青藏高原东北缘,研究区岩浆活动复杂,南北侧均有大量岩浆岩出露。长期以来,多见元古代和早古生代岩浆岩的发现而缺少印支期岩浆岩的报道[1-4],这直接影响了对宗务隆构造带构造属性的认识和构造意义的探讨。此外,宗务隆构造带位于秦—祁造山带的链接部位,前人研究程度较低,争议也较大,总体上认为以海西期岩浆活动为主[5-6],但缺乏区内岩浆岩的年代学以及地球化学资料。镁铁质岩石在探索地幔作用、壳幔相互作用等方面起到越来越重要的作用,已迅速成为研究板块碰撞、壳幔相互作用、岩浆演化和地幔属性的窗口。本研究在野外工作的基础上,首次对宗务隆山海西褶皱带的角闪辉长岩进行岩石学、LA-LCP-MS锆石U-Pb定年及岩石地球化学研究,旨在准确厘定该区角闪辉长岩的形成时代,确定印支期花岗岩的存在，揭示其成因和成岩构造背景,有助于深化区内岩浆岩演化和成岩成矿地质背景方面的认识,为建立宗务隆构造带的构造属性模型、演化模型及其与祁连构造带、西秦岭构造带的耦合关系有着重大意义。

1 地质背景

宗务隆山海西褶皱带西起阿尔金山,向东经苏干湖盆地被第四系覆盖后,于土尔根大坂、达肯大坂又出露,继续东延,经宗务隆山,至青海期南山的野马湖一带,呈北西西走向的窄条楔入南祁连加里东构造带与柴达木地块—西秦岭构造带之间；并以宗务隆山北缘断裂和宗务隆山南缘断裂作为与上述两相邻构造-地层单元体的分界[7-11](见图1)。

图1 宗务隆构造带及其临区构造单元划分Fig.1 Division of tectonic units of the Zongwulong tectonic zone with adjacent region

该构造带出露最老地层为石炭系,是一套浅海相过渡型的碎屑岩-碳酸盐岩-火山岩的沉积组合。二叠系缺失上统和下统,中统与下伏地层呈不整合接触,为滨浅海相的稳定型至过渡型碎屑-碳酸盐岩的沉积组合。三叠系与二叠系呈不整合接触,其下、中统为浅海至次深海相碎屑岩-碳酸盐岩的沉积组合,具复理石特征,时夹砂砾岩,局部多发育底砾岩,厚达4 000 m。三叠系上统仅局部地区见到,以陆相紫红色碎屑岩为主。与下、中三叠统为不整合接触。侏罗系、白垩系、第三系在本构造带缺失,反映自三叠纪之后该构造带一直处于一种隆起剥蚀的状态[12-15]。宗务隆山构造带的断裂构造极其发育,且大都呈延伸很远的近NWW向展布的冲断层，断面南倾、北倾皆有。褶皱以紧闭线性褶皱的广泛发育为特点,充分反映出其为构造活动强烈地区的变形产物。它们与南、北相邻的柴达木地块—西秦岭构造带和南祁连印支期褶皱及断裂构造形成明显差别,故应属于夹持于两稳定块体之间的强烈沉降带和强烈构造变形带。

2 岩体及岩相特征

本次岩浆岩采样主要沿茶卡到天峻公路一线,采样点如图2所示。南部出露地层主要是石炭系上统果可山组,其主要由灰白色—深灰色白云岩、条带状板状灰岩、结晶灰岩夹变火山岩及少许碎屑岩组成。暗绿色角闪辉长岩侵入到灰白色灰岩当中。其中,沿角闪辉长岩接触带可见细粒化冷凝边,灰岩接触带则形成石榴子石矽卡岩。角闪辉长岩被灰白色中粗粒角闪黑云花岗闪长岩侵入,花岗闪长岩亦可见细粒化冷凝边。花岗闪长岩中发育较多的球状、椭球状闪长质暗色包体,直径5～20 cm。包体边部较清晰,有时二者有混染,之间有过渡相,呈环状分布。花岗闪长岩中有肉红色黑云花岗岩岩墙贯入。灰岩、角闪辉长岩、花岗闪长岩及钾长花岗岩均可见到片理化现象。它们中均发育有辉绿岩脉,辉绿岩脉呈块状构造,未见片理化,显示形成较晚。

研究区角闪辉长岩为暗绿色,主要矿物为石英(2%)、钾长石(3%)、斜长石(45%)、普通辉石(30%)、普通角闪石(10%)、黑云母(5%),副矿物组合为榍石、锆石、磷灰石、磁铁矿等。其中石英及钾长石呈它形粒状充填于其他矿物间隙,粒度小,钾长石有高岭土化;斜长石板柱状,半自形,发育有聚片双晶,双晶纹多较宽,可见环带,为拉—中长石;钾长石呈它形—半自形粒状。普通辉石呈半自形短柱状,普通角闪石呈半自形—他形长柱状,常形成普通辉石的反应边结构。黑云母自形片状,亦可形成普通角闪石的反应边。暗色矿物有不同程度的绿泥石化，中粒半自形粒状结构,块状构造(见图3)。

图2 宗务隆构造带岩浆岩发育情况及采样路线Fig.2 Zongwulong magmatite and samoling route

图3 宗务隆山角闪辉长岩(KC0801)镜下显微照片Fig.3 Photomicrography of the Zongwulong bojite(KC0801)

3 样品及分析方法

锆石是由廊坊区测队选矿室分别从大约5 kg新鲜岩石样品中分离得到。对分离出来的锆石在双目镜下挑出无裂隙、无包体、透明度好的颗粒,用环氧树脂固定、抛光至锆石颗粒一半出露,然后进行阴极发光(CL)内部结构及LA-ICP-MS原位微量元素和同位素分析。锆石制靶、反射光、阴极发光以及锆石U-Pb年龄测定均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成,其中,CL发光仪为加载于扫描电镜上的英国Gatan公司的Mono CL3+型阴极荧光探头,LA-ICP-MS分析采用Hewlett Packard公司最新一代带有Shield Torch的Agilient 7500a ICP-MS和德国Lambda Physik公司的ComPex102 Excimer激光器(工作物质ArF,波长193 nm)以及MicroLas公司的GeoLas 200 M光学系统的联机上进行,微量元素和U-Th-Pb同位素的测定在一个点上同时完成。 激光束斑直径为30 μm,激光剥蚀样品的深度为20～40 μm。实验中采用He作为剥蚀物质的载气,用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM610进行仪器最佳化。锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质[16],元素含量采用NIST SRM610作为外标,29Si作为内标[17]；详细的测试过程见文献[18]；所得锆石同位素比值和年龄数据应用Glitter(V4.0,Mac QuarieUniversity)程序进行计算和处理,普通铅校正采用Anderson[19]推荐的方法;年龄计算及协和图的绘制采用Ludwig编写的Isoplot程序[20]。

主量元素、稀土元素以及微量元素分析测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成,主量元素采用X射线荧光光谱(XRF)分析法,对岩石样品粉末进行了熔片,在RIX2100仪器中进行分析测试,精度与准确度优于5%;稀土及微量元素采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析法,将岩石样品粉末制成溶液,在Agilent7500a仪器中进行分析测试,精度与准确度优于10%。详细的分析方法见文献[18],分析结果见表1。

表1 宗务隆山角闪辉长岩主量(%)、微量及稀土元素(10-6)分析结果

续表1

样品KC0501KC0502KC0701KC0801KC0802KC0501KC0502KC0701KC0801KC0802MgO8.729.037.548.468.51Pr3.693.913.414.034.33CaO10.8710.899.9211.0611.01Nd18.919.414.320.521.5Na2O2.442.302.162.502.01Sm5.285.383.195.735.69K2O0.820.640.700.850.89Eu1.811.810.991.961.85P2O50.180.180.130.190.15Gd6.086.173.506.586.55LOI1.001.121.261.011.09Tb0.991.000.551.061.36ToTAL99.62100.34100.1899.79100.07Dy6.026.093.506.506.42Li16.517.28.8416.616.2Ho1.191.200.721.261.14Be0.720.680.870.780.73Er3.273.292.113.443.31Sc39.940.729.140.840.2Tm0.450.460.320.480.47V424432146437431Yb2.732.782.022.862.75Cr221221228233238Lu0.390.390.300.410.37Co66.161.852.963.162.5Hf2.742.911.212.962.87Ni14013082.6133129Ta0.600.630.330.630.52Cu62.645.211.848.746.7Pb4.324.065.875.155.05Zn92.692.673.195.992.8Th0.0790.743.020.0970.079Ga20.921.117.022.221.7U0.170.250.500.260.28Ge1.651.581.441.341.68REE114.18119.3497.01123.23122.36Rb34.625.232.836.837.0L/H2.93.064.882.962.95Sr162131328183195(La/Yb)n1.922.174.52.012Y31.932.620.433.831.7δEu0.970.960.90.970.97Zr93.599.339.699.3101δCe1.061.050.981.071.05

注:TFe2O3代表全铁的含量;LOI为烧失量;L/H为轻重稀土比值;(La/Yb)n为La与Yb经过球粒陨石标准化的值;δEu=Eun/(Smn×Gdn)1/2;δCe=Cen/(Lan×Prn)1/2

表2 宗务隆山角闪辉长岩锆石LA-ICP-MS U-Pb测年分析结果

4 测试结果

4.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学

样品KC0801中锆石多为短柱状,长柱状次之,粒径多在(50×60)～(120×100)μm。锆石透明度较好,其CL图像显示(见图4), 发光程度不均一,部分呈浅灰—深灰色,多数发育振荡环带结构,为典型的岩浆锆石。23个有效分析点测试结果(见表2)显示,U的含量为191×10-6～1 295×10-6,Th的含量为(144～1 648)×10-6,Th/U比值为0.7～1.74,该样品所测定的锆石具岩浆成因性质。23个锆石点数据较集中,落在谐和线上及其附近(见图5),23个206Pb/238U分析数据的加权平均年龄为(254.3±1.5)Ma,MSWD=0.64;谐和年龄值为(254.0±1.4)Ma,MSWD=0.66,二者十分接近,254Ma应为角闪辉长岩的侵位年龄,形成时代为晚二叠世晚期,显示为海西—印支运动岩浆活动的产物。

图5 宗务隆山角闪辉长岩锆石年龄图Fig.5 Zircon ages diagram of the Zongwulong bojite

4.2 地球化学

4.2.1 主量元素 宗务隆角闪辉长岩主量元素含量测试结果表明,角闪辉长岩岩体SiO2质量含量为45.38%～52.65%,为典型的基性岩—基偏中性岩。与世界辉长岩以及中国辉长岩平均含量相比[21],Al2O3质量含量偏低,为13.76%～16.86%;CaO质量含量较高,为9.92%～11.06%;全碱质量含量偏低,K2O+Na2O为2.86%～3.35%,相对富钠(K2O/Na2O比值在0.3左右);富铁(TFe2O3的质量含量为8.2%～14.21%);富镁(MgO的质量含量为7.54%～9.03%);富钛(TiO2的质量含量0.62%～2.27%);贫磷(P2O5的质量含量为0.13%～0.19%);MnO的质量含量为0.13%～0.18%,属正常范围。在深成岩全碱-硅(TAS)分类图上[22],其主要属于亚碱性辉长岩-辉长闪长岩;在SiO2-K2O图中[23-24](见图6A),所有样品都投点在钙碱性系列区;在Na2O+K2O-TFe2O3-MgO图解中[23](见图6B),样品亦属于钙碱性系列。

4.2.2 微量元素及稀土元素 在微量元素原始地幔标准化蛛网图中(见图7A),角闪辉长岩相对于原始地幔,大离子亲石元素K,Rb,Sr,Ba等明显富集,高场强元素如Nb,Ta,Zr等相对亏损,类似于岛弧火山岩的地球化学特征,显示其成因与消减作用有关。

角闪辉长岩稀土元素的总量较低,ΣREE的含量为7.05×10-6～38.71×10-6;球粒陨石标准化后的稀土元素配分图(见图7B)表明,大部分样品具有相似的稀土配分模式,显示为同源岩浆演化特点[25],呈轻稀土元素(LREE)相对富集、重稀土元素(HREE)相对平坦的右倾型配分模式,但LREE/HREE为2.9～4.88,表明轻重稀土分异不甚明显;δEu为0.9～0.97,呈弱的Eu负异常;δCe同样变化不大,为0.98～1.06;(La/Yb)n为1.84～3.74,显示轻重稀土分馏程度低。所有样品的稀土元素配分模式与岛弧或弧后盆地武岩相似。

5 讨 论

5.1 岩石成因及构造背景

通过上述主量元素、微量及稀土元素含量的分析可知,总体上大离子亲石元素和稀土元素略有富集,高场强元素中等亏损的特征与陆壳有一定的相似性,暗示在成岩过程中可能存在地壳物质的混染。宗务隆山角闪辉长岩的Sr质量含量为131×10-6～328×10-6,平均198×10-6,高于上地幔Sr的平均质量分数150×10-6,而低于大陆上地壳Sr的平均质量分数480×10-6[26],说明其中的Sr不可能完全来源于地幔,也不可能完全来源于地壳,这种特征暗示幔源岩浆在上升过程中与地壳发生了混染。

从构造背景来看, 宗务隆山角闪辉长岩显示了其与岛弧以及弧后盆地地球化学性质的类似。 例如, 其Y含量为20.4×10-6～33.8×10-6, Sr/Y为4～16.1,在Y-Sr/Y图解中[27](见图8A),所有样品均投入岛弧火山岩区域;同样的,在(La/Yb)n-Ybn图解中[28](见图8B),所有样品亦投入岛弧火山岩区域,可见宗务隆山角闪辉长岩形成的大地构造背景为岛弧环境。

图6 宗务隆山角闪辉长岩岩性判别图Fig.6 Lithological discrimination diagram of the Zongwulong bojite

图7 宗务隆山角闪辉长岩微量元素配分曲线Fig.7 Normalized trace element patterns of the Zongwulong bojite

5.2 宗务隆洋壳的俯冲

本次研究中还采集了若干黑云花岗岩和二长花岗岩的样本,对其中一块黑云花岗岩样本进行了锆石同位素定年,测得其206Pb/238U加权平均年龄为(236.52±2.2)Ma(MSWD=0.48,25个点),其结晶年龄为中三叠世晚期。

黑云花岗闪长岩与角闪辉长岩的形成类似,均属于岛弧环境俯冲体制下的产物,它们与带内发育在鱼卡河和怀头塔拉一带的早三叠世的岛弧火山岩属于同一时空条件下的产物。

宗务隆构造带是一独立演化发展的印支期造山带,它经历了由早泥盆世的陆内裂陷、晚石炭世的洋盆发育和晚二叠世到中三叠世的俯冲-碰撞造山的演化过程[5-6],这与本研究是相吻合的。角闪辉长岩和黑云花岗闪长岩的年龄提供了宗务隆洋壳俯冲的时限,即晚二叠世晚期—中三叠世晚期。后者代表了宗务隆带洋壳俯冲的最晚时间限制。考虑到带内拉让岗一带的英云闪长岩、石英闪长岩、闪长岩岩石序列和它们的岛弧环境背景,宗务隆洋洋壳俯冲起始的时间可向前推至早二叠世，大约280 Ma(青海省地质调查院,2001)。从花岗岩的年代学数据和它们的岛弧性质并结合宗务隆带发育的岛弧火山岩,可以推断宗务隆洋盆的俯冲过程大约持续了40 Ma的时间历程。这一俯冲过程及其岛弧的发育时限基本与区域上东昆仑阿尼玛卿山一带构造发展一致,那里洋壳的生成于早石炭世而俯冲开始于二叠纪[29-30]。黑云花岗岩岩墙则可能是造山后拉张环境的产物。

图8 宗务隆山角闪辉长岩构造背景判别图Fig.8 Structural setting diagram of the Zongwulong bojite

6 结 论

1)宗务隆山角闪辉长岩的SiO2质量含量为45.38%～52.65%，低铝(Al2O3质量含量为13.76%～16.86%)、富钙(CaO质量含量为9.92%～11.06%)、贫碱(K2O+Na2O质量含量为2.86%～3.35%)的特点表明其属于钙碱性系列岩石。

2)岩石大离子亲石元素(如Rb,Sr,Ba等)明显富集,而相对亏损高场强元素(如Nb,Ta,Zr等)。稀土总量较低(ΣREE含量为7.05×10-6～38.71×10-6),显示为轻稀土元素相对富集的右倾型配分模式,δEu为0.9～0.97,呈弱的Eu负异常。

3)主、微量及稀土元素特征反映出岩石具幔源岩浆的特点,但受到地壳物质的混染,构造判别图解显示宗务隆山角闪辉长岩形成的大地构造背景为洋壳俯冲造山阶段的岛弧环境。

4)测得角闪辉长岩成岩年龄为(254.3±1.5)Ma,形成时代为晚二叠世晚期,显示为海西—印支运动岩浆活动的产物。结合同位采样的黑云花岗岩样本的定年结果及地球化学特征，其提供了宗务隆洋壳俯冲的时限,即晚二叠世晚期—中三叠世晚期,大约持续了40 Ma的时间历程。

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(编 辑 雷雁林)

LA-ICP-MS zircon U-Pb dating, geochemistry and tectonic implication of the bojite in the Zongwulong Mountain

WANG Suli, ZHOU Lifa

(State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology, Northwest university, Xi′an 710069， China)

Detailed Petrographic, geochemical studies and zircon LA-ICP-MS U-Pb dating shows that the bojite in the Zongwulong Mountain was formed at (254.3±1.5)Ma, in the late Late Permian, Hercynian-Indosinian. The characteristic of the major elements of bojite, such as the SiO2 range at 45.38%～52.65%, poor in Aluminum(Al2O3range at 13.76%～16.86%), rich in Calcium(CaO range at 9.92%～11.06%), poor in Alkali(K2O+Na2O range at 2.86%～3.35%), shows that it belongs to the calc-alkaline series. This suite of bojite rocks are enriched in LILE(such as Rb,Sr,Ba), relatively depleting in HFSE(such as Nb,Ta,Zr).The total content of REE is low(ΣREE range at 7.05×10-6-38.71×10-6), rich in LREE and poor in HREE, with slightly negative Eu anomaly(δEu=0.9-0.97). The major, trace and rare earth elements reflect the characteristic of mantle-derived magma, and show that the magma may be contaminated by the crust material. Tectonic discrimination diagrams show that the Zongwulong bojite resulted from the island arc setting in the oceanic crust subduction orogenic stage. Combine with the dating result and the geochemical characteristic of the biotite granite sampled in the same place with bojite, it provides a basis of geochronology and magmatism for subduction of the Zongwulong oceanic basin.

bojite; zircon LA-ICP-MS U-Pb dating; geochemistry; Zongwulong Mountain

2015-03-10

国家重点基础研究发展基金资助项目(2003CB214601)

王苏里，男，陕西西安人，博士生，从事沉积盆地分析研究。

P597.3

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-018