羌北-昌都地块那益雄组火山岩锆石U-Pb年代学及地球化学特征

2019-02-14李玉玉朱亚林周亚楠吴汉宁

岩石矿物学杂志 2019年1期

张锦，程鑫，高扬，李玉玉，朱亚林，周亚楠，吴汉宁

(1. 西北大学地质学系，大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069； 2. 深圳市勘察测绘院有限公司，广东深圳 518028)

羌北-昌都地块位于青藏高原东部，构造位置上位于西金乌兰-金沙江缝合带和班公湖-怒江缝合带之间。羌北-昌都地块出露有大量的晚古生代火山岩，以往的研究多集中于西部地区。

目前，对羌北-昌都晚古生代构造属性的认识尚存在分歧。潘桂棠等(2002)认为羌北地块东部发育晚古生代-中生代的火山弧，而张以茀(1991)则认为发育的是晚古生代开心岭-杂多裂谷。古地磁学者初步认为昌都地块和羌北地块在晚石炭世至早二叠世期间均位于南纬中低纬度地区，并且是相互独立的，其间的北澜沧江洋宽度约1 300 km，北澜沧江洋盆残存的岩石学证据已经被发现(邓万明， 1996；杨子江等， 2006；王剑等， 2007；李才等， 2009a， 2009b)。通过对羌北地块和昌都地块二叠纪古地磁数据定量化分析并结合已有岩石学证据，可以推断出，早二叠世后昌都地块相对于羌北地块有逆时针旋转，并持续北移，中晚二叠世期间两地块在纬向上已无明显差异，其间的北澜沧江洋随着羌北地块和昌都地块发生陆-陆碰撞缓慢拼合而随之消亡(陈守建等， 2006；杨子江等， 2006；王保弟等， 2011；陶琰等， 2011；程鑫等， 2013；钱辉等， 2016)。

本文通过对出露于羌北-昌都地块中部、青海西南部阿布日阿加措地区的那益雄组火山岩中锆石进行LA-ICP-MS 锆石U-Pb同位素测年、岩石学及全岩主微量分析，旨在探讨该火山岩的构造属性，为厘定晚二叠世羌北-昌都地块的构造属性提供一定的约束。

1 区域地质特征

研究区构造上位于羌北-昌都地块中部，紧邻羌北-昌都地块结合带的北澜沧江缝合带，其形成受到特提斯洋演化过程中的动力制约。研究区地理位置上位于青海省格尔木市唐古拉山乡阿布日阿加措地区(图1)。从构造单元划分来看，研究区位于唐古拉山北侧的开心岭隆起带，出露不超过50 m，呈带状展布，且具有西窄东宽的特点。隆起带内出露地层根据蜓、腕足类、双壳类及植物化石证据主要划分为上石炭统-下二叠统扎日根组、中二叠统诺日巴尕日保组、九十道班组及上二叠统那益雄组。

本文着重研究那益雄组火山岩地层，其岩性以玄武岩、安山玄武岩、安山岩、流纹岩、凝灰岩为主。研究区内地层由新到老依次为晚二叠世乌丽群那益雄组(P3n)，中二叠世开心岭群九十道班组(P2j)、诺日巴尕日保组(P2nr)和扎日根组(P2z)(刘广才， 1993；牛志军等， 2008；潘术娟， 2011)。

研究区那益雄组地层出露面积18 km2，厚度约70 m，顶部见深灰色流纹岩，产状47°∠20°，厚约5 m；中部为灰绿色、灰色的凝灰岩，产状52°∠21.5°，厚约35 m；下部为紫红色、红褐色玄武岩、安山岩，产状47°∠25°，厚约30 m(图2)。

2 岩相学特征

那益雄组火山岩主要是一套基性到中酸性火山熔岩夹凝灰岩，以玄武岩、安山岩、流纹岩为主。

流纹岩位于那益雄组上部，新鲜面呈深灰色，镜下呈现斑状结构，斑晶含有半自形粒状石英和长石，石英颗粒大小为0.2～0.5 mm，单偏光下无色透明，表面干净，正低突起，正交镜下呈Ⅰ级灰白干涉色，溶蚀边明显；长石主要为碱性长石，基质有碱性长石和石英，粗安结构，可清晰见有流动构造(图3a2)。

凝灰岩野外新鲜面呈灰绿色，镜下观察主要由晶屑和火山灰组成。晶屑以斜长石(8%～12%)、石英(5%～10%)为主，斜长石多呈针状，石英多呈次棱角状，部分被溶蚀呈现浑圆状(图3b3)。

玄武岩野外新鲜面呈紫红色，镜下观察，其为斑状结构，斑晶主要为斜长石(10%～15%)、辉石(约5%)及方解石(含量小于2%)。斜长石呈自形-半自形板条状，长径大小在0.3～0.5 mm；辉石呈灰色-灰黄色，长径大小0.2～0.5 mm之间，短柱状，正高突起，常见一组解理；方解石有两组解理，闪突起明显(图3c2)。

图 1 采样区地质简图(据成都理大学地质调查研究院温泉兵站区调队[注]1∶25万地质图温泉兵站幅. 2005. 成都理工大学地质调查研究院温泉兵站区调队测制. ) Fig. 1 Geological sketch map of the sampling area after Wenquanbingzhan District Team of Chengdu Institute of Geological Survey[注]1∶25万地质图温泉兵站幅. 2005. 成都理工大学地质调查研究院温泉兵站区调队测制.

图 2 采样地层剖面图(拍摄于格尔木市唐古拉山乡通天河西北侧)Fig. 2 Sampling stratigraphic section (on the northwest side of Tongtian River in Tanggula Mountain Township, Golmud City)

安山岩野外新鲜面呈紫红色-红褐色，斑状结构和块状构造。由斑晶和基质组成，斑晶所占比例为25%～30%，主要有正长石、斜长石、角闪石；基质所占比例为75%～70%，石英含量较少，主要为石英、长石交生物质(图3c3)。

3 测试方法

锆石的挑选在河北廊坊区域地质调查研究院完成。在西北大学大陆动力学国家重点实验室对锆石进行了透射光、反射光和阴极发光(CL) 照相、U-Pb 年龄和微量元素分析的测定，U-Pb 年龄和微量元素分析测定是在连接193 nm 深紫外 ArF 激光器的 Agilient 7500a 型 ICP-MS 上进行的。后续数据处理及图件绘制采用Glitter (Ver 4.0)程序和Isoplot 软件，具体的数据测试、分析原理见文献(柳小明等， 2002；袁洪林等， 2003； Ludwig， 2003；何艳红等， 2005)。

图 3 采样地层野外照片及薄片鉴定图Fig. 3 The photos and sheet identification of the sampling strata in the fielda—流纹岩； b—凝灰岩； c—玄武岩、安山岩； Qtz—石英； Pl—斜长石； Cal—方解石； Aug—普通辉石； Ep—绿帘石a—rhyolite； b—tuff； c—basalt and andesite； Qtz—quartz； Pl—plagioclase； Cal—calcite； Aug—augite； Ep—epidote

另外，在详细的野外地质基础上，选取7件那益雄组代表性的火山岩样品用于主量元素和微量元素地球化学分析测试。主微量实验测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室采用RIX2100XRF法和ICP-MS测定。

4 锆石U-Pb同位素测定结果

本次实验采用LA-ICP-MS方法对那益雄组顶部流纹岩及底部安山岩分别选取的一块样品(B01和B02)进行锆石U-Pb同位素定年。所选样品新鲜，成分相对均一，均未有变形变质现象。

流纹岩样品B01中的锆石大多数无色透明，少数淡黄色，大多数呈自形-半自形短柱状，少数为长柱状，粒径范围为30～180 μm，长短轴之比1∶1～3∶1。部分锆石表面可见裂缝，可能为后期遭受构造运动所致。在阴极发光图像(CL)中，几乎所有的锆石都显示有典型的韵律振荡环带和扇形分带结构，说明其为岩浆成因(图4)。安山岩样品B02锆石大多数无色透明，部分黄褐色，呈自形-半自形短柱状，极少数为长柱状，粒径范围为30～190 μm，长短轴之比1∶1～5∶1(图5)。

样品B01中锆石的Th/U值平均值为0.18，而岩浆锆石的Th/U值一般大于0.1(吴元保等， 2004)，因此，所测锆石为典型岩浆成因锆石，其年龄可代表流纹岩成岩年龄。在锆石靶中挑选84颗锆石进行了84个点的定年分析，其中64个点的数据集中在250 Ma左右，而且这64个测点的207Pb/206Pb值均集中在0.011 7～0.022 6之间(表1)，表明该流纹岩中锆石为同期岩浆结晶而成，为典型的岩浆成因锆石(Belousovaetal.， 2002)。去掉谐和度较低的3个点，最终对61个点的数据进行统计，其206U/238Pb年龄介于259～241 Ma之间，加权平均年龄值为249.6 ± 1.3 Ma(图4)。

样品B02中锆石的Th/U值平均值为0.49，表明所测锆石为典型岩浆成因锆石，其年龄可代表安山岩成岩年龄。锆石靶中挑选30颗锆石进行了30个点的定年分析(表2)，其中11个测点的U-Pb同位素比值谐和度较高，数据均集中在谐和线附近。11个点在置信度为95%时的206U/238Pb加权平均年龄值为251.1 ± 4.8 Ma(MSWD=5.7)(图5)。11个测点的同位素校正曲线集中分布于谐和线两侧，没有离散的数据，这表明安山岩中锆石对U-Pb同位素体系保持封闭状态，未受后期热事件及变质事件的影响，这使得源岩的地球化学数据更加可靠。因此，其U-Pb同位素谐和年龄可以代表安山岩成岩年龄。

图 4 流纹岩样品B01锆石年龄谐和图和阴极发光照片Fig. 4 Zircon CL images and U-Pb concordia diagrams of B01 rhyolite sample

图 5 安山岩样品B02锆石年龄谐和图和阴极发光照片Fig. 5 Zircon CL images and U-Pb concordia diagrams of B02 andesite sample

5 岩石地球化学

5.1 主量元素及主要参数特征

岩石化学成分见表3。结合野外资料和镜下鉴定结果，发现安山岩和玄武岩样品存在有轻微的蚀变。在Zr/TiO2-Nb/Y图解中(图6)，TTH04、05、06、07样品基本都投影到流纹岩区域，属于流纹岩；TTH09投影在安山岩区域，属于安山岩；TTH01投影在亚碱性玄武岩区域，里特曼指数4.73，属于碱性玄武岩；TTH02投影在靠近安山岩的亚碱性玄武岩区域，从薄片中看，其中有少量火山喷发带上来的玄武安山玢岩角砾，属于早期捕获物，但最新一期火山喷发形成的岩石属于安山岩，最终将其定名为安山岩。

流纹岩SiO2含量较高(74.85%～77.55%)；Na2O+K2O含量较高(5.40%～6.61%，平均6.18%)；里特曼指数平均为1.15，小于3.3，属于钙碱性系列；Al2O3含量低且稳定，平均含量12.23%，MgO含量较低，平均含量0.46%，CaO含量较低，平均含量0.38%，K2O含量较低，平均含量1.24%。

表 1 流纹岩样品B01锆石U-Th-Pb同位素测定结果Table 1 U-Th-Pb composition of the zircons from B01 rhyolite sample

续表 1 Continued Table 1

表 2 安山岩样品B02锆石年龄数据表Table 2 U-Th-Pb composition of the zircons from B02 andesite sample

安山岩SiO2含量55.13%～56.28%，Na2O+K2O含量较高(4.13%～6.15%，平均5.14%)，里特曼指数平均为2.20，小于3.3，属于钙碱性系列；Al2O3含量较高，平均含量16.74%，MgO含量高，平均含量3.45%，CaO含量高，平均含量6.54%，K2O含量较低，平均含量0.17%。

玄武岩SiO2含量51.49%，Na2O+K2O含量6.34%，里特曼指数平均为4.73，大于3.3，属于碱性系列；Al2O3含量较高，含量17.34%，MgO含量高，含量4.87%，CaO含量高，含量6.41%，K2O含量很低，含量0.26%。

总之，样品整体表现为具高硅碱、低钙镁、Al2O3含量偏高的特点。

5.2 稀土元素及微量元素地球化学特征

流纹岩稀土元素总量为97.49×10-6～240.84×10-6，LREE为77.79×10-6～207.27×10-6，HREE为19.70×10-6～33.57×10-6，LREE/HREE=3.95～6.40，具富集轻稀土型分布模式。(La/Yb)N=3.23～6.83，说明轻稀土元素与重稀土元素之间有一定的分馏；(La/Sm)N=3.56～4.21，说明轻稀土元素之间也存在一定的分馏；(Gd/Lu)N=0.71～1.37，说明重稀土元素之间存在轻度分馏(<1表示无分馏)。从图7a可以看出粗安流纹岩样品存在明显的Eu负异常，δEu=0.27～0.42。

安山岩稀土元素总量为142.11×10-6～157.74×10-6，LREE为120.01×10-6～134.68×10-6，HREE为22.10×10-6～23.06×10-6，LREE/HREE=5.43～5.84，为右倾的富集轻稀土元素型分布模式。(La/Yb)N=5.00～5.84，说明轻稀土元素与重稀土元素之间有一定的分馏；(La/Sm)N=2.72～2.87，说明轻稀土元素之间也存在一定的分馏；(Gd/Lu)N介于1.42～1.56，说明重稀土之间存在轻度分馏。安山岩样品具弱负Eu异常，δEu=0.89～0.96(图7b)。

表 3 那益雄组火山岩主量元素(wB/%)，稀土元素和微量元素(wB/10-6)测试结果Table 3 Whole-rock major elements(wB/%), trace elements and REE data(wB/10-6) of the Nayixiong Formation

图 6 那益雄组火山岩Zr/TiO2-Nb/Y图解(底图据Winchester and Floyd, 1977)Fig. 6 Zr/TiO2-Nb/Y diagrams of Nayixiong Formation volcanic rocks (after Winchester and Floyd, 1977)

玄武岩稀土元素总量为170.37×10-6，LREE为145.51×10-6，HREE为24.86×10-6，LREE/HREE=5.85，为右倾的富集轻稀土元素型分布模式。(La/Yb)N=5.94，说明轻稀土与重稀土元素之间有一定的分馏；(La/Sm)N=2.82，说明轻稀土元素之间也存在一定的分馏；(Gd/Lu)N=1.55，说明重稀土元素之间存在轻度分馏。玄武岩样品具弱正Eu异常，δEu=1.04。

从图7中可以看出，稀土元素配分样式图和微量元素原始地幔标准化蛛网图整体形态与目前公认的新西兰克马德克(Kermadec)岛弧火山岩相一致(Ewartetal., 1998)，大离子亲石元素(LILE)Th、U及LREE富集，高场强元素(HFSE)Nb、Ta亏损，与岛弧火山岩地球化学特征一致(周华等， 2016；张腾蛟等， 2017)。

6 构造环境

研究区紧邻羌北-昌都地块结合带的北澜沧江缝合带。前人对羌北地块和昌都地块的古地磁学研究表明，中晚二叠世期间，羌北地块和昌都地块在纬向上已无明显差异，加之定量化计算结果显示，晚二叠世之后，羌北地块相对于昌都地块进一步旋转，最终完成拼合，其间的北澜沧江洋随之消亡(程鑫等， 2013)。李莉(2009b)通过对昌都地块中部早二叠世栖霞期火山岩进行的全岩主微量及Sr、Nd、Pb 同位素测试分析表明，栖霞期火山岩形成于大陆边缘拉张构造环境，属陆缘初始裂谷环境。李善平等(2008)对北羌塘盆地结扎乡一带二叠系尕笛考组火山岩进行了岩石学、岩石化学、微量元素的分析及研究结果表明北羌塘地块在早中二叠世处于岛弧环境。李莉(2009a)对昌都地块中部晚三叠世地层进行的岩石学及地球化学研究结果显示，甲丕拉组火山岩呈现岛弧火山岩的特征，并且反映了板块俯冲环境中火山岩的典型特征。岩石化学上表现为低Ti、高Al、轻稀土元素富集、轻重稀土元素呈现较强的分馏并具有轻微的负Eu异常，大离子亲石元素富集，高场强元素 Nb、Zr、Ta亏损，这些地球化学特征均为岛弧火山岩所常见。

图 7 那益雄组火山岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a、b)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(c、d)(据Sun and McDonough, 1989)Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns (a, b) and primitive mantle-normalized trace element diagrams (c, d) for Nayixiong Formation volcanic rocks (after Sun and McDonough, 1989)

研究区岩石组合从基性-中性-酸性均有出露，见有玄武岩、安山质玄武岩、安山岩、流纹岩等，具有较为典型的岛弧火山岩特征；稀土元素特征表现为轻稀土元素富集，为典型的右倾富集轻稀土型分布模式，具有无Eu异常到轻微的负Eu异常；大离子亲石元素富集，高场强元素亏损，这些特征与岛弧岩浆岩的地球化学特征较为一致。在非活动性元素Nb-Y、Ta-Yb、Rb-Y+Nb、Rb-Yb+Ta图解中(图8)，样品均投在岛弧火山岩区域。在Hf/3-Th-Ta图解(图9)中，样品也投在岛弧火山岩区域，Th/Ta值约为8.05，远远大于1.6，而且Th×Ta/Hf2值为0.39，远远小于0.035，说明其为陆缘岛弧火山岩(大洋岛弧火山岩Th×Ta/Hf2<0.035，陆缘岛弧火山岩>0.035；汪云亮等， 2001)。以上证据表明，那益雄组火山岩形成的大地构造环境总体应属于陆缘岛弧环境。

图 8 那益雄组火山岩构造背景判别图(底图据Pearce et al., 1984)Fig. 8 Discrimination diagrams for tectonic settings of the volcanic rocks in the Nayixiong Formation (after Pearce et al., 1984)