龙首山-北大山北部的属性——来自海森楚鲁片麻岩锆石U-Pb年龄和Hf同位素的约束

王毛毛，张 磊，霍雨佳，史兴俊，刘 翠

(1. 中国地质科学院 地质研究所， 北京 100037； 2. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院， 北京 100083； 3. 信阳师范学院，城市与环境科学学院， 河南 信阳 464000)

阿拉善地块北邻中亚造山带，西接塔里木板块，南为祁连-秦岭造山带，其构造位置十分关键，是探讨阿拉善地块、华北克拉通与中亚造山带相互关系以及研究古亚洲洋构造演化问题的重要窗口(Fengetal.， 2013)。在阿拉善北部，存在两条重要的近东西向展布的蛇绿岩带，即北部的恩格尔乌苏蛇绿岩带和南部的查干础鲁蛇绿岩带(吴泰然等， 1993； 王廷印等， 1993， 1994， 1998)。恩格尔乌苏蛇绿岩带长期被认为是阿拉善地块的北界(吴泰然等， 1993； 王廷印等， 1994； 李俊健， 2006)，但近年来也有一些研究提出查干础鲁蛇绿岩带可能代表了阿拉善地块北界的位置(Shietal.， 2014； 史兴俊等， 2014， 2016； Zhangetal.， 2015； 叶珂等， 2016)。在阿拉善地区，出露一些太古宙到新元古代的变质岩(修群业等， 2002， 2004； 沈其韩等， 2005； 董春燕等， 2007； 耿元生等， 2007， 2010； 宫江华等， 2011， 2012， 2013； Danetal.， 2012， 2014； Wuetal.， 2014； Gongetal.， 2016)，这些前寒武纪变质岩的时空分布和组成特征对于认识阿拉善地区的构造划分具有重要意义。

根据早期的一些调查研究工作，阿拉善地区的前寒武纪变质岩主要分为中东部的阿拉善岩群(李俊健等， 2004； 沈其韩等， 2005； 耿元生等， 2006， 2007， 2010， 2011； Danetal.， 2012)以及西部的北大山岩群和龙首山岩群(修群业等， 2002， 2004； 宫江华等， 2011， 2012； Zhangetal.， 2013a； Gongetal.， 2016)。普遍认为这3套岩群主要形成于太古宙到古元古代， 是阿拉善地块基底的组成部分(吴泰然等， 1993； 王廷印等， 1994； 修群业等， 2002， 2004； 沈其韩等， 2005； 耿元生等， 2010； 宫江华等， 2011， 2012； Gongetal.， 2016； 张建新等， 2018)。根据近年来相继获得的一批高精度年龄数据，早期认识的阿拉善岩群被解体划分为新太古代叠布斯格群(约2 700 Ma)、古元古代巴彦乌拉山群(2 500～2 267 Ma)以及古元古代阿拉善岩群(耿元生等， 2006)。其中，太古宙-古元古代变质岩均出露于查干础鲁蛇绿岩带以南(李俊健等， 2004； 沈其韩等， 2005； 耿元生等， 2007， 2010； Danetal.， 2012)。位于恩格尔乌苏蛇绿岩带和查干础鲁蛇绿岩带之间的宗乃山地区的变质岩早期被认为形成于太古宙到古元古代，现在被重新厘定为中元古代(卿芸， 2010； 宋伟， 2014； 史兴俊等， 2016)，因而一些研究提出这一地区可能并不是阿拉善地块的组成部分(史兴俊等， 2016)。

北大山岩群和龙首山岩群组出露于阿拉善西部的龙首山和北大山地区(修群业等， 2002， 2004； 宫江华等， 2011， 2012； Gongetal.， 2016)。近年来获得的一些高精度年龄数据揭示北大山中东部地区TTG岩石形成于～2.5 Ga(宫江华等， 2012)，龙首山南部地区变质基底中的正片麻岩形成于2.33～2.0 Ga之间(Gongetal.， 2016)。这些研究表明龙首山和北大山南部也存在太古宙到古元古代变质岩。然而，目前对阿拉善西部地区北大山岩群和龙首山岩群的研究主要集中于南部地区，龙首山-北大山北部同样出露一些前寒武纪岩石，早期地质调查工作通过区域对比推测它们同样形成于古元古代，将其定为龙首山岩群，并认为它们是阿拉善地块基底的组成部分(1)甘肃省区域地质调查队. 1980. 1∶20万咸水福地质报告.。最近有研究表明，龙首山西北部的原属于龙首山岩群的深变质岩中识别出中元古代侵入体并具有早新元古代碎屑锆石的变沉积岩(Songetal.， 2017)，与南部龙首山岩群的研究并不一致。因此，确定龙首山-北大山北部的前寒武纪变质岩是否属于龙首山岩群，对于确定阿拉善北部构造划分具有重要意义。

本文选择阿拉善北大山西北部地区海森楚鲁片麻岩开展了详细的岩石学、年代学和锆石Hf同位素研究，以期查明其形成时代和源区同位素组成特征，并与其南部传统的阿拉善地块内部以及北部中亚造山带进行对比，进一步探讨龙首山-北大山北部的构造归属。

1 区域地质背景

阿拉善地块是位于祁连山以北、贺兰山以西、中亚造山带以南的具有前寒武纪基底岩石的古老地块(图1)。以腾格里沙漠为界，阿拉善地块早前寒武纪变质岩可分为东西两部分。其中，阿拉善地块西部的前寒武纪基底岩石在北大山和龙首山地区都有出露，主要为北大山岩群和龙首山岩群。

北大山岩群从西向东主要分布在努尔盖公社高家窑、阿拉善右旗次井子-青土井-周家井和莱芙山等地区，岩性主要为一套中基性火山岩，后期经历了较为强烈的混合岩化作用，并存在新太古代末-古元古代早期的岩浆-变质事件(宫江华等， 2012； Zhangetal.， 2013a)。龙首山岩群西起金塔县境内，向东南经高台县合黎山、张掖东大山，到金昌市龙首山一带，断续延伸约400 km。由于时代较老，后期经历多期强烈的变质变形作用而变得支离破碎，层序不清(汤中立等， 1999)。

龙首山岩群自下而上主要由片麻岩、云母石英片岩、斜长角闪岩、变粒岩及混合岩，期间夹大理岩等组成，为一套中-中低级区域变质岩系。前人利用Sm-Nd等时线年龄确定龙首山岩群下段为新太古代，上段为古元古代(2.5～1.6 Ga)(汤中立等， 1999， 2001)。近年来一些高精度的锆石U-Pb年代数据(2.17～2.04 Ga)表明龙首山岩群形成于古元古代(修群业等，2002，2004； 宫江华等，2011)。近年来，有学者获得龙首山岩群正片麻岩年龄为2.33 Ga、2.17～2.15 Ga和2.06～2.0 Ga，副片麻岩锆石年龄在2.2～2.0 Ga之间，并且都经历了1.96～1.90 Ga 和1.85 Ga两期的变质事件(Gongetal.， 2016)。

图 1 阿拉善地区前寒武纪岩石分布图(据Dan et al.， 2012修改)

2 样品描述

海森楚鲁片麻岩出露于北大山西北段(图2)，在野外呈现块状构造，破碎强烈，内部不发育后期岩脉(图3a)。岩石呈现块状构造，混合岩化程度较低，由于风化严重，岩体呈断续分布，与周围岩体的接触产状不明显。该片麻岩(样品号16AX16，采样位置GPS：E100°9.56′，N40°5.77′)在显微镜下显示出粒状变晶结构(图3b)，主要组成矿物有钾长石(约25%)、斜长石(约25%)、石英(约40%)和黑云母(约10%)。其中钾长石和斜长石呈板状； 斜长石具有微弱的绢云母化；石英部分发生了重结晶作用，呈一定的定向排列(图3b)。

图 2 海森楚鲁地区地质简图和采样位置(据甘肃省地质局区域调查队，1980(2)甘肃省区域地质调查队. 1980. 1∶20万咸水福地质报告 修改)

3 测试方法

锆石单矿物挑选采用常规方法完成。将原岩样品粉碎，经常规重选和电磁选后，在双目镜下挑选锆石。将完整的典型锆石颗粒置于环氧树脂中，待固结后抛磨，使锆石内部充分暴露，然后进行锆石显微(反射光和透射光)照相和阴极发光(CL)照相。

锆石U-Pb同位素定年在西北大学大陆动力学实验室完成，分析仪器为Elan 6100DRC型四级杆质谱仪和Geolas 200M型激光剥蚀系统，激光器为193 nm ArF准分子激光器，单脉冲能量210 mJ。分析采用的激光斑束直径为40 μm，采用标准锆石91500为外部标样进行同位素比值分馏校正，以保证标准和样品的仪器条件完全一致，采用Andersen的方法进行普通铅校正(Anderson， 2002)，以扣除普通Pb的影响。测试结果通过GLITTER(ver 4.0，Macquarie University)软件计算得出206Pb/238U、207Pb/235U、207Pb/206Pb 3组同位素比值、年龄及误差，最后采用Isoplot软件进行统计计算(Ludwig， 1991)。所给定的同位素比值和年龄的误差(标准偏差)在1δ水平。详细的实验原理和流程见Yuan等(2004)。

锆石Hf同位素分析在中国地质科学院地质研究所完成。测定使用国际锆石标样GJ-1作为参考物质，GJ-1的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282 015±0.000 008(2δ，n=10)。为使Hf同位素分析与锆石U-Pb年龄分析相对应，锆石Hf同位素的分析点与锆石U-Pb年龄分析点位于同颗锆石晶体的相同位置或者结构相似处。计算176Lu衰变常数采用1.867×10-11/a(Soderlundetal.， 2004)。球粒陨石的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf的比值分别为0.033 2和0.282 772(Blichert-Toft and Albarede， 1997)，亏损地幔的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf的比值分别为0.038 4和0.283 25(Griffinetal.， 2000)，176Lu/177Hf平均地壳为0.015(Chauveletal.， 2014)。

图 3 海森楚鲁片麻岩野外(a)及单偏光镜下特征(b)

4 测试结果

4.1 锆石U-Pb年代学

海森楚鲁片麻岩样品(16AX16)中挑选的锆石呈无色透明，半自形-自形，多数呈长柱状，部分短柱状，锆石宽约100 μm，长约200～300 μm，长宽比2∶1～3∶1(图4)。阴极发光图像显示这些锆石普遍具有典型的岩浆结晶环带，未见继承核，多数锆石边部有极窄的明亮边，可能与后期变质作用有关。在锆石阴极发光照片中选择没有裂隙、没有包裹体、锆石内部环带均匀的位置，共选取60颗锆石进行了60个点位的U-Pb测年分析，测试结果见表1。其中，测试点27、28的207Pb/206Pb年龄明显远离谐和曲线，不参与年龄计算。其余58个测点的207Pb/206Pb年龄集中在1 509～1 034 Ma之间，大部分测点存在一定的Pb丢失(袁洪林等， 2003； 徐夕生等， 2003)，但在锆石U-Pb年龄谐和图中总体呈完好的线性排列。在锆石U-Pb年龄谐和图(图5)中，不一致线上交点年龄为1 408±29 Ma(MSWD=13)。

表 1 甘肃两当县解板沟一带华日组火山岩-火山碎屑岩锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测年结果

注: Pb*=0.241×206Pb+0.221×207Pb+0.524×208Pb； 谐和度=(207Pb/235U)/(206Pb/238U)×100。

图 4 锆石阴极发光图像及测点位置(实线圆圈代表锆石U-Pb测年分析点，虚线圆圈代表锆石Hf同位素分析点)

4.2 锆石Hf同位素特征

选取完成了U-Pb定年的锆石，在与定年分析位置相同或内部结构相似处开展了激光原位Hf同位素分析，分析结果见表2。片麻岩中锆石的Lu/Hf值为0.000 742～0.002 893，未矫正176Hf/177Hf值为0.281 982～0.282 203。利用单颗粒锆石的207Pb/235U年龄对相应的176Hf/177Hf值进行校正，得出该片麻岩中锆石的初始176Hf/177Hf值变化范围为0.281 943～0.282 174，εHf(t)值变化范围为-4.38～+6.68(57个点平均值为﹢2.35)，Hf同位素二阶段地壳模式年龄为2 066～1 624 Ma(57个点平均值为1 962 Ma)。

表 2 海森楚鲁片麻岩锆石Hf同位素分析结果

图 5 海森楚鲁片麻岩锆石U-Pb年龄谐和图

5 讨论

5.1 形成时代

根据矿物组成和矿物特征，海森楚鲁片麻岩为长英质变质岩，而长英质变质岩的原岩可能是岩浆岩，也可能是砂质沉积岩(李曙光等，1989)。海森楚鲁片麻岩具有糜棱岩化特征，但是成分比较均匀，没有明显的层理构造。显微镜下长石碎斑大小基本一致，表面比较干净，并没有经历后期变质而产生的剪切变形和细粒化特征，而且各种组成矿物分布比较均匀(图3b)。野外和镜下特征均不符合沉积岩的特征，因而原岩可能是岩浆岩。此外，海森楚鲁片麻岩中挑选出的锆石具有相似的形态，大部分锆石均具有较窄的白色增生边，而测年结果显示这些锆石的207Pb/206Pb年龄非常集中，数据点多分布在谐和线上或呈线状分布在谐和线右侧(图5)。锆石的特征和分析结果进一步表明该片麻岩应当是酸性岩浆岩经历后期变质作用而形成的，上交点年龄1 408±29 Ma(MSWD=13)应当代表了原岩的形成时代。

早期的调查研究中，通过与龙首山其他地区出露的前震旦系龙首山岩群的岩性进行对比，提出北大山西北部地区的变质岩可能为龙首山岩群(4)甘肃省区域地质调查队. 1980. 1∶20万咸水福地质报告.。近年来龙首山南部金昌市附近龙首山群的研究显示，下部的花岗质片麻岩的测年结果集中在2.3～2.0 Ga，上部副片麻岩碎屑锆石的测年结果集中在2.2～2.0 Ga，并普遍经历了1.96～1.85 Ga的变质事件(修群业等， 2002， 2004； 宫江华等， 2011； Gongetal.， 2016)。在北大山西北部，近年来对于前人划分的龙首山岩群的深变质岩中识别出中元古代侵入体和具有新元古代早期碎屑锆石的变沉积岩(Songetal.， 2017)。本文研究表明海森楚鲁片麻岩的原岩形成于大约1 408±29 Ma。目前，北大山西北部尚未发现太古宙-古元古代基底岩石。现有的研究结果均表明北大山西北部的这些前寒武纪正片麻岩原岩的侵位时代应当在大约1 400～1 200 Ma，变质作用发生时代更晚，这与传统龙首山岩群的研究结果不一致(Tungetal.， 2007； 宫江华等， 2011； Gongetal.， 2016)。因而龙首山-北大山北部原被划为“龙首山岩群”的变质岩可能并不属于传统的龙首山岩群。

5.2 物源组成

结合锆石的U-Pb年龄，获取准确的Hf同位素初始比值，能够很好地示踪物质的来源，了解大陆地壳增长和演化(Amelinetal.， 2000； Bodet and Schorcr， 2000； 吴福元等， 2007)。

锆石Hf同位素资料表明，海森楚鲁片麻岩原岩的源区物质组成与龙首山-北大山南部以及阿拉善中东部的太古代宙-古元古代基底岩石不同，而与宗乃山地区中元古代片麻岩相近(图6)。片麻岩中锆石的εHf(t)值大多集中于+0.13～+6.68，而宗乃山地区片麻岩(年龄为1.5～1.4 Ga)中锆石εHf(t)值绝大多数集中于+0.1～+6.3(史兴俊等， 2016)。二者的锆石二阶段模式年龄均位于2.20～1.8 Ga之间。阿拉善西南部的龙首山岩群正片麻岩(2.17～2.04 Ga)，北大山地区正片麻岩(2.55 Ga)和阿拉善中东部雅布赖-红古尔玉林一带巴彦乌拉山地区角闪岩(2.34 Ga)、叠布斯格岩群(2.7 Ga)的形成年龄略有不同，但是锆石的二阶段模式年龄均在3.25～2.45 Ga之间(图6， Danetal.， 2012； Zhangetal.， 2013a)。因此，龙首山-北大山南部与阿拉善中东部雅布赖-红古尔玉林地区具有相似的物质组成，而龙首山-北大山北部应当与龙首山-北大山南部具有不同的基底物质组成，却与宗乃山地区具有相似的基底物质组成。

5.3 龙首山-北大山北部的构造属性

阿拉善西北部的龙首山-北大山北部地区，仅出露有少量的前寒武纪岩石。在早期的研究中，这些前寒武纪岩石均被认为与龙首山-北大山南部出露的前寒武纪岩石相同，均形成于太古宙或古元古代，因而这两个地区往往被作为一个统一的构造单元(任继舜等， 1980； 董申保， 1986； 汤中立等， 1999， 2001； 修群业等， 2002； Zhaoetal.， 2012； Gongetal.， 2016； Songetal.， 2017， 2018)。本文及近年来的研究结果表明，龙首山-北大山北部地区出露的前寒武纪岩石可能形成于中元古代或更晚(Songetal.， 2017)，该地区迄今为止均尚未发现太古宙-古元古代基底岩石。同位素组成上，龙首山-北大山北部地区的前寒武纪岩石具有相对较年轻的Hf同位素模式年龄，而龙首山-北大山南部Hf同位素模式年龄相对较老(图6)(宫江华等， 2011， 2012)。 由此可见，无论是形成时代(图7)，还是物源组成，龙首山-北大山北部与南部分布的前寒武纪岩石都呈现出明显不同的特征。因此，这两个地区应该作为两个不同的构造单元。

图 6 阿拉善地区前寒武纪片麻岩锆石εHf(t)-t图解

图 7 阿拉善地区前寒武纪变质岩结晶年龄统计图(数据来源： 宫江华等， 2012； Dan et al.， 2012； Zhang et al.， 2013a； 史兴俊等， 2016； Gong et al.， 2016)

尽管被巴丹吉林沙漠分隔，龙首山-北大山北部地区与宗乃山-沙拉扎山地区出露的前寒武纪岩石均形成于中元古代或更晚(图7)，锆石Hf同位素模式年龄也都集中分布于2.10～1.60 Ga(图6)。因此，龙首山-北大山北部与宗乃山-沙拉扎山地区可能具有相同或相似的构造属性。近期，在北大山中部地区识别出的特拜蛇绿岩(图1)的研究结果表明，该蛇绿岩可能形成于278.4±3.3 Ma，并且富集相容元素，强烈亏损稀土元素和高场强元素，表明可能形成于俯冲环境(Zhengetal.， 2018)。这些特征与阿拉善中东部的查干础鲁蛇绿岩(图1，吴泰然等， 1993； Zhengetal.， 2014)相似，被认为是查干础鲁蛇绿岩向西的延伸(Zhengetal.， 2018)。如果特拜蛇绿岩和查干础鲁蛇绿岩是同一洋盆闭合的残余，位于这条蛇绿岩带以北的龙首山-北大山北部地区和宗乃山-沙拉扎山地区应当属于同一构造带。

龙首山-北大山北部地区与宗乃山-沙拉扎山地区出露的前寒武纪岩石曾被认为形成于太古宙或古元古代，与阿拉善南部地区的前寒武纪岩石相似，共同构成阿拉善地块的变质基底(霍福臣等， 1987； 杨振德等， 1988； 吴泰然等， 1993； 王廷印等， 1994； 陈志勇等， 2004)。一些研究认为在早古生代时期，龙首山-北大山北部地区与宗乃山-沙拉扎山地区从阿拉善地块上裂解出去，并在之间形成了以特拜蛇绿岩和查干础鲁蛇绿岩为代表的洋盆(吴泰然等，1993； Zhangetal.，2013b； Zhengetal.， 2014, 2018)。然而根据现有资料，特拜-查干础鲁蛇绿岩一带南北两侧的前寒武纪岩石在形成时代和物源组成方面具有明显的不同(图6、图7)。龙首山-北大山北部地区，以及宗乃山-沙拉扎山地区出露的前寒武纪变质岩均形成于中元古代或更晚(卿芸等， 2010； 宋伟， 2014； 史兴俊等， 2016； Songetal.， 2017)，物源主要为相对年轻的地壳物质(图6)。龙首山-北大山南部与雅布赖-诺尔公-红古尔玉林一带出露大量太古宙或古元古代的变质岩(图7)(修群业等， 2002， 2004； 耿元生等， 2002， 2006； 李江海等， 2006； Tungetal.， 2007； 宫江华等， 2011； Danetal.， 2012； Zhangetal.， 2013a)，其物源主要为古老的地壳物质(图6)，显示了典型古老地体的Hf同位素特征(Danetal.， 2012； Zhangetal.， 2013a)。目前在特拜-查干础鲁蛇绿岩南北两侧尚未发现具有相同形成时代和物源组成的前寒武纪岩石。因而，龙首山-北大山北部地区和宗乃山-沙拉扎山地区可能并不是阿拉善地块在早古生代时期裂解形成的。

近年来，在阿拉善以西和以东的中亚造山带南缘地区均识别出一系列具有中元古基底的微陆块。例如，在阿拉善以西的星星峡、尾亚和阿拉塔格东等地识别出1 459～1 405 Ma的花岗质片麻岩(胡霭琴等， 2006； 施文翔等， 2010； Heetal.， 2015)； 在北山造山带南部获得正片麻岩锆石U-Pb年龄为1 408±4 Ma(贺振宇等，2015)。在阿拉善以东锡林浩特地块的原宝音图群中花岗片麻岩获得了1 516～1 390 Ma的年龄(孙立新等，2013)。而且它们都具有为正且较高的εHf(t)值(+1～+7)，tDM模式年龄(2.0～1.5 Ga)与其岩浆岩结晶年龄相近，表明它们的源岩都来自亏损地幔或新生地壳(孙立新等， 2013； Liuetal.， 2014； 贺振宇等， 2015)。中亚造山带南缘这些中元古(1.5～1.4 Ga)基底的微陆块在形成时代、物质组成上与海森楚鲁地区以及宗乃山-沙拉扎山地区出露的前寒武纪变质岩相似，而不同于塔里木克拉通、华北克拉通等古老地体(tDM模式年龄3.0～2.5 Ga)(Jiangetal., 2011; 相振群， 2014； 贺振宇等， 2015)。因此，特拜-查干础鲁蛇绿岩可能代表了阿拉善地块的北界，其南部的龙首山-北大山南部地区和雅布赖-诺尔公-红古尔玉林一带属于阿拉善地块，而北部的龙首山-北大山北部地区以及宗乃山-沙拉扎山一带出露的前寒武纪变质岩可能是中亚造山带中的古老微板块。

6 结论

(1) 海森楚鲁地区出露的前寒武纪片麻岩是正片麻岩，其原岩形成于中元古代(1 408±29 Ma)。结合前人研究成果，龙首山-北大山北部原被划为龙首山岩群的变质岩可能并不属于传统的龙首山岩群。

(2) 海森楚鲁片麻岩具有较高的εHf(t)值(-4.38～+6.68)和较年轻的二阶段模式年龄(2 091～1 624 Ma)，表明原岩的源区来自亏损地幔或新生地壳。海森楚鲁片麻岩源区特征与阿拉善中东部的宗乃山-沙拉扎山地区以及中亚造山带南缘微陆块相似，而与阿拉善中东部的雅布赖-诺尔公-红古尔玉林地区、龙首山-北大山南部有差别。

(3) 龙首山-北大山北部地区与东部的宗乃山-沙拉扎山地区具有相同的构造属性，可能不是阿拉善地块的组成部分。

致谢两位评审人对本文的初稿提出了宝贵的修改建议，在此表示衷心的感谢！