北山造山带东段早志留世岩浆演化特征<br/>——来自基东花岗闪长岩的地球化学和年代学约束

北山造山带东段早志留世岩浆演化特征
——来自基东花岗闪长岩的地球化学和年代学约束

2021-12-16潘志龙张立国张金龙侯德华

河北地质大学学报 2021年6期

关键词：花岗细粒闪长岩

潘志龙，王硕，张立国，张欢，张金龙，侯德华

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

河北省区域地质调查院，河北廊坊 065000

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

1 引言

中亚造山带是一条重要的显生宙增生造山带[1-6]，发育大量与新生陆壳密切相关的花岗岩类。北山造山带位于中亚造山带南缘，处于塔里木板块、哈萨克斯坦和华北板块的交汇部位，地质构造十分复杂，是以古大洋和微大陆并存为特征的“中亚褶皱带”的重要构造单元之一[7-16]，发育大量古生代花岗岩类侵入体。长期以来，对北山地区古生代构造演化的认识一直存在较大分歧，焦点集中于大洋演化时限以及最终闭合位置等[17-18]。区内前人资料丰富，但北山地区广泛分布的古生代侵入体尚缺乏精确的时代厘定和岩浆成因研究[14]。因此，本文选择基东早志留世花岗闪长岩体为研究对象，在野外地质调查的基础上，通过岩石地球化学、锆石U-Pb 测年和锆石Lu-Hf同位素研究，探讨岩浆成因及其形成的构造环境，为北山地区早古生代构造演化提供新的依据和约束。

2 区域地质背景

研究区大地构造位置属北山造山带东段，行政区划位于甘肃省与内蒙古自治区交界部位。自北向南，石板井—小黄山构造带和牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带分别从区内穿过（图1），前者主要表现为强烈的韧性剪切变形，受其影响的主要为早古生代末—晚古生代初期地质体，后者具典型的缝合带特征，其北侧分布有大规模的晚奥陶—早志留世火山弧性质的岩浆岩，南侧则主要分布寒武纪海相沉积建造。古元古代变质基底零星出露于石板井—小黄山构造带以北，中新元古代稳定浅海沉积则分布于牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带以南。晚古生代时期，两条构造带中间的块体相对隆升，在其南北两侧沉积了厚度巨大的石炭—二叠系。

图1 研究区大地构造位置图（据文献[17]修改）Fig.1 Geotectonic location map of the study area

3 岩体特征及岩相学特征

基东花岗闪长岩体沿石板井—小黄山构造带分布，由大小不等的12个侵入体组成，呈岩株状产出，近椭圆—不规则状，出露面积13.24 km2（图2）。侵入古元古代北山岩群、晚奥陶世—早志留世公婆泉组、早志留世细粒闪长岩、中粒英云闪长岩，被早志留世中粒二长花岗岩、早泥盆世中粒二长花岗岩、中粒斑状二长花岗岩、中粒正长花岗岩、中粒斑状正长花岗岩侵入，局部被早侏罗世芨芨沟组不整合覆盖。岩石发育似片麻状构造（图3a），岩体中见较多的石英片岩等围岩捕掳体。

图2 北山基东一带地质简图Fig.2 Geological sketch of the east of Beishan

岩石呈深灰色，细粒花岗结构，似片麻状构造。岩石由钾长石（15%）、斜长石（40%）、石英（20%）、黑云母（15%）、角闪石（10%）组成（图3b）。钾长石：主呈近半自形板状，少它形粒状，大小一般为0.25～2 mm，少部分2～4.7 mm，杂乱分布，具轻微高岭土化，有时粒内嵌布少量斜长石、角闪石、黑云母等，部分交代斜长石。斜长石：呈半自形板状，大小为0.15～2.55 mm，杂乱分布，可见环带构造，有时嵌布于钾长石粒内，具绢云母化、高岭土化、帘石化、少碳酸盐化，少数被钾长石蠕虫状、蚕蚀状交代。石英：呈它形粒状，大小一般为0.05～2 mm，部分2～3.9 mm，杂乱分布，粒内波状消光。黑云母：黄褐色，叶片状，片径一般0.05～2 mm，部分2～3.7 mm，杂乱分布，少葡萄石化、绿泥石化、绿帘石化。角闪石：显深蓝绿色，呈半自形柱状，大小一般0.2～2 mm，部分2～3.6 mm，杂乱分布，少数粒内嵌布黑云母等，个别绿帘石化、绿泥石化。

图3 基东早志留世细粒花岗闪长岩露头特征（a）及显微照片（b）Fig.3 Characteristics of outcrop of Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong(a)and micrograph(b)

4 测试方法及测试结果

4.1 测试方法

全岩的主量元素和微量元素分析在河北省区域地质调查院实验室完成。主量元素（SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、CaO、P2O5）分析采用X射线荧光熔片法完成，分析精度为0.05%；FeO采用滴定分析完成；灼烧减量、H2O+和H2O-用重量法完成。微量元素分析采用HF+HClO3+HNO3溶解样品，王水复溶，在线加入Rh内标溶液，用Thermofisher X Series Ⅱ 型ICP-MS完成测定，稀土元素分析精度为0.1×10-6，微量元素≤5×10-6，测试方法详见高剑峰等（2003）[19]。

锆石分选在河北省区域地质调查院实验室完成。双目镜下挑选晶形好、无裂隙和包裹体的锆石，用环氧树脂制靶。将锆石靶打磨、抛光后，进行反射光、透射光和阴极发光（CL）显微观察照片。锆石制靶及阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成。

LA-ICP-MS锆石U-Pb测年在天津地质矿产调查研究所完成。激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，数据分析之前用美国国家标准研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM 610进行仪器最佳化，采样方式为单点剥蚀，数据采集选用1个质量峰1个点的跳峰方式，每完成8个测点的样品测定，加测标样1次，观察仪器的状态以保证测试的精度。详细的实验测试过程参见袁洪林等（2003）[20]。锆石年龄采用91500作为外标标准物质，元素含量采用NIST SRM 610作为外标，29Si作为内标。测试结果应用GLITTER（ver 4.2）软件计算得出，并按照 Andersen的方法用LA-ICP-MS CommonLead Correction（ver 3.15）对其进行了普通铅校正，年龄计算和谐和图绘制采用Isoplot（ver 3.0）完成。

锆石Hf 同位素测试是在中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学实验室完成，所用仪器为Neptune Plus多接收等离子质谱和Compex pro.193nm紫外激光剥蚀系统（LA-MC-ICP-MS），实验过程中采用He作为剥蚀物质载气，剥蚀直径采用44 μm，测定时使用国际通用的锆石标样GJ-1作为参考物质，分析点与U-Pb定年分析点为同一位置。相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等（2007）[21]。分析过程中锆石标准GJ-1的176Hf/177Hf 测试加权平均值为0.282 015±8（2σ，n=10）（Elhlou 等，2006；侯可军等，2007）[21-22]。在进行εHf（t）计算时，采用176Lu衰变常数为1.867×10-11yr-1，球粒陨石现今的176Hf /177Hf = 0.282 772 和176Lu /177Hf = 0.033 2（Blichert和 Albarède，1997）[23]。在进行模式年龄计算时，采用现今的亏损地幔176Hf /177Hf =0.283 25和176Lu /177Hf= 0.038 4（Griffin 等，2000）[24]，现今平均大陆壳的176Lu /177Hf = 0.015（Griffin 等，2000）[24]。

4.2 测试结果

4.2.1 地球化学

基东早志留世细粒花岗闪长岩的全岩主量、微量元素分析结果及特征参数列于表1。

表1 基东早志留世细粒花岗闪长岩主量元素和微量元素分析结果及相关参数Table 1 Analysis of major elements and trace elements and related parameters of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

表1（续）

SiO2含量59.58%～66.64%，平均63.91%；ALK含量5.07%～5.88%，K2O/Na2O为0.59～1.42；铝指数A/CNK为0.93～1.05，MgO#为39.01～41.14。里特曼指数σ为1.34～1.60，分异指数DI 为55.98～71.03。在TAS图解中，1个样品落于花岗闪长岩区，2件落入花岗闪长岩与英云闪长岩界线附近，另外1件落入闪长岩区，造成这种结果的原因可能为样品中暗色矿物含量偏高，结合野外宏观地质特征及薄片鉴定结果，将其定名为花岗闪长岩更为准确，属亚碱性岩系（图4）；进一步将其投入K2O-SiO2图解中，样品落入高钾钙碱性—钙碱性系列区（图5）。

图4 基东早志留世细粒花岗闪长岩TAS图解Fig.4 TAS diagram of the Early Silurian fine-grained granodiorite from Jidong

图5 基东早志留世细粒花岗闪长岩K2O-SiO2图解Fig.5 K2O-SiO2 diagram of the Early Silurian finegrained granodiorite in Jidong

早志留世细粒花岗闪长岩稀土总量∑REE（包括Y元素）介于188.51×10-6～250.62×10-6之间，平均为208.77×10-6；δEu值变化于0.67～0.79，负铕异常明显；LREE/HREE介于4.39～5.87之间，(La/Yb)N变化于10.18～18.23，轻稀土富集。(La/Sm)N为3.48～5.75，(Gd/Lu)N为1.81～2.84，表明轻稀土较重稀土分异强烈。稀土配分曲线为LREE富集的右倾型（图6）。在球粒陨石标准化的蜘蛛网图中，富集Rb、Th、K等强不相容元素，Nb、Ta、P、Ti等元素亏损（图7）。

图6 细粒花岗闪长岩稀土配分曲线Fig.6 REE partition curve of fine-grained granodiorite

图7 细粒花岗闪长岩微量元素蜘蛛网图Fig.7 Spider web pattern of trace elements in fine-grained granodiorite

4.2.2 锆石U-Pb年龄

基东早志留世细粒花岗闪长岩锆石多数呈长柱状，半自形—自形，震荡环带发育，边部具轻微熔蚀特征（图8），为岩浆锆石。对晶形较好的25颗锆石共分析了25个测点（表2）。Th/U值除16号点偏小为0.06，其余在0.32～0.83之间，显示岩浆锆石特征。206Pb/238U年龄在434～440 Ma之间，数据和谐性好、集中度高，25个数据的加权平均年龄为436.65±0.94 Ma（N＝25，MSWD＝0.44）（图9），能够代表该样品的结晶年龄。

图8 基东早志留世细粒花岗闪长岩锆石CL图像及206Pb/238U年龄、测点位置及其编号Fig.8 Zircon CL image of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong and its 206Pb/238U age, location and serial number

图9 基东早志留世细粒花岗闪长岩锆石U-Pb谐和图Fig.9 Zircon U-Pb harmonic map of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

表2 基东早志留世细粒花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

4.2.3 锆石Hf同位素

基东早志留世细粒花岗闪长岩锆石Lu-Hf同位素分析结果见表3。21颗锆石176Yb/177Hf的范围在0.018 375～0.045 917，176Lu/177Hf的变化范围在0.000 371～0.000 904，176Lu/177Hf比值均小于0.002，表明这些锆石在形成以后仅有较少的放射性成因Hf的积累[25]。fLu/Hf变化在-0.97～-0.99，小于镁铁质地壳的fLu/Hf（-0.34）和硅铝质地壳的fLu/Hf（-0.72）（Vervoort 和 Patchett，1996）。εHf(t)均为负值，变化于-9.37～-13.49。单阶段Hf模式年龄（tDM1）变化于1 416～1 570 Ma，平均为1 486 Ma；两阶段Hf模式年龄（tDM2）介于2 015～2 274 Ma，平均为2 134 Ma。

表3 基东早志留世细粒花岗闪长岩Lu-Hf同位素组成Table 3 Lu-Hf isotopic compositions of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

5 讨论

5.1 岩石成因及构造环境

基东早志留世细粒花岗闪长岩Mg#值平均为40.1，接近玄武质下地壳[26-27]；Rb/Sr比值0.197～0.277，平均0.238，接近大陆地壳平均值（0.24）；Nb/Ta比值12.11～18.48，平均14.03，略高于陆壳岩石（11±）；Zr/Hf比值16.14～45.43，平均30.23，略低于壳源岩石（33±）[28-29]。以上表明岩体成岩物质主要来自地壳。在εHf(t)-t图解（图10）上，来自花岗闪长岩中的锆石Hf 同位素全部落于元古宙地壳演化范围内，推测为古老下地壳物质再熔融的产物。

图10 基东早志留世细粒花岗闪长岩εHf(t)-t图解Fig.10 εHf(t)-t diagram of the Early Silurian fine-grained granodiorite in Jidong

研究区东北石板井地区形成于岛弧环境的高镁闪长岩体指示本区晚奥陶世早期已经处于俯冲阶段[30]，南部三道明水地区埃达克岩的发现则暗示晚志留世本区进入了强烈快速俯冲状态，并且于晚志留世末至早泥盆世出进入碰撞造山阶段[31]。从岩体宏观特征来看，基东早志留世细粒花岗闪长岩具有明显的透入性构造（似片麻状构造）与后期岩体相区别，显示就位过程中的压性环境。在微量元素蜘蛛网图上具强烈Nb、Ta亏损特征；在微量元素构造环境判别图解（图11）中样品均落入火山弧花岗岩区。综合区域地质背景、宏观地质特征及岩石地球化学特征，基东早志留世细粒花岗闪长岩形成于板块俯冲环境。

图11 构造环境判别Nb-Y图解（a）和Rb-Y+Nb图解（b）Fig.11 Nb-Y diagram of tectonic environment discrimination (a) and Diagram of Rb-Y+Nb (b)

5.2 地质时代及构造意义

虽然不同学者对于该区早古生代大洋的演化过程存在较多争议[4,12,17,18]，但志留纪处于俯冲阶段的事实已被越来越多的同位素资料证实[30,32]。本次工作在基东细粒花岗闪长岩体中获得了436.65±0.94 Ma的LAICP-MS锆石U-Pb年龄，该年龄一致性好，能够代表该岩体的结晶年龄，地质时代为早志留世，其再一次佐证了本区在早志留世洋盆已经开始萎缩但仍未闭合的事实。

基东早志留世细粒花岗闪长岩两阶段模式年龄为2 015～2 274 Ma，平均2 134 Ma，表明其为古元古代地壳物质部分熔融作用的产物，该时期为本区重要的地壳增生期。