华北中部狐偃山杂岩体形成时代研究<br/>——来自榍石U-Pb同位素年代学的证据

华北中部狐偃山杂岩体形成时代研究
——来自榍石U-Pb同位素年代学的证据

2022-02-28何佳佳张乔靳梦琪周俊林李玉宏陈高潮

西北地质 2022年1期

何佳佳，张乔，靳梦琪，周俊林，李玉宏，陈高潮

(1.西安城市发展(集团)有限公司，陕西西安 710004；2.自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室，中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安 710054；3.西北地质调查科技创新中心，陕西西安 710054)

华北克拉通在晚中生代遭受破坏，伴随的岩浆活动集中分布于华北东部(Guo et al.，2001，2003；Zhang et al.，2002；Wu et al.，2005；Xu et al.，2008)。而近年来越来越多的研究表明，华北克拉通中部也发育有同时期的岩浆事件(Chen et al.，2004；Wang et al.，2006；Ying et al.，2007；许文良等，2009)。华北克拉通中部从北往南出露有一系列晚中生代碱性杂岩，主要分布在紫金山、狐偃山、塔尔山—二峰山。针对这些杂岩体的年代学研究有利于展示华北克拉通中部晚中生代岩浆事件的时代格架。

前人对狐偃山杂岩体已经进行过大量岩石学、年代学及地球化学等方面的研究。杂岩体主要由二长岩类组成，对其最新的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究显示，其侵位于早白垩世 (127～130 Ma)(Ying et al.，2011；常泽光等，2017；霍腾飞等，2016)。但前人年代学研究区域局限于孤山地区，对杂岩体其他二长质侵入体缺乏精确的年代学约束，限制了对杂岩体年代学的定年。同时，在前人定年数据中出现大量继承或捕获锆石，岩浆锆石相对较少(霍腾飞等，2016；常泽光等，2017)。因此，笔者对研究薄弱的狐偃山杂岩体2个二长岩体进行榍石LA-ICP-MS U-Pb定年，并与锆石LA-ICP-MS U-Pb定年方法对比研究，结合已有的研究资料，精确限定狐偃山地区二长岩的年龄，确定狐偃山碱性杂岩体的形成时代。

1 区域地质背景和岩体地质

晚中生代以来，华北克拉通遭到破坏，伴随有沉积盆地、巨量岩浆作用的发育，这些岩浆作用主要分布在大兴安岭-太行山重力梯度带以东的东部陆块上(Griffin et al.，1998)，以大量中酸性侵入体和广泛的中酸性火山作用为特征，还包括少量基性岩浆岩(Guo et al.，2001；Wu et al.，2005；Xu et al.，2008；Ma et al.，2021)。相比华北克拉通东部，华北克拉通中部晚中生代岩浆活动较弱，主要分布在紫金山、狐偃山、塔尔山—二峰山三大碱性杂岩带(图1a)。其中狐偃山碱性杂岩体分布在太原以西50 km，出露面积约200 km2，杂岩体主要侵入到中奥陶系灰岩中(图1b)。杂岩体岩性多样，呈多次侵入，根据侵入接触关系，杂岩体从早到晚可以划分为3期：①二长岩、似斑状二长岩。②霓辉二长岩、霓辉正长岩、石英正长岩。③正长岩、正长斑岩(图1b)。前人通过锆石LA-ICP-MS U-Pb法获得狐偃山杂岩体中孤山地区二长岩的年龄为127～130 Ma；科头和龙庄沟正长岩形成于111～114 Ma(霍腾飞等，2016；常泽光等，2017；张乔等，2020)，表明杂岩体的侵位时间可能为早白垩世。

笔者在狐偃山地区进行了二长质岩体的野外地质调查，并结合前人调查结果，发现二长质岩体露头主要分布在南部的矿泉、孤山、古洞道一带，而在北部的东、西高塔茆-松塔茆岩体虽呈规模大的岩株，但植被覆盖严重，目前所见露头很少。本次采样的位置分布在矿泉、狼窝沟2个侵入体上。矿泉和狼窝沟岩体均分布在矿泉村东侧。矿泉岩体岩性为二长岩，具有斑状或似斑状结构，斑晶成分为钾长石和斜长石；基质由斜长石和少量石英组成。狼窝沟岩体岩性为石英二长岩，具有斑状结构，斑晶成分为钾长石和斜长石、石英；基质由斜长石和少量石英组成。2个岩石样品副矿物中均含有大量榍石，形态呈菱形(图2)。

2 采样与分析方法

本次研究共采集2件岩石样品，具体位置见图1b。对矿泉、狼窝沟2个岩体的二长岩样品(18KQ-1、18LWG-1)进行了榍石U-Pb年代学研究，为对比榍石定年结果的准确性，对这2个样品也进行了锆石U-Pb定年。

图1 (a)华北板块构造分区图(据Zhao et al.，2005修改，DTGL代表大兴安岭-太行重力梯度带)、(b)狐偃山杂岩体地质简图Fig.1 (a)Tectonic subdivision map of the North China Block (modified after Zhao et al.，2005;DTGL represents Daxing’anling-Taihang gravity lineament)and(b)Simplified geological map of Huyanshan complex

榍石是普遍发育于各类火成岩中的一种副矿物。因榍石具有较高的U含量(10×10-6～100×10-6)和相对较高的封闭温度(650～700℃)，使其成为一种理想的U-Pb同位素定年的副矿物(Frost et al.，2000；Storey et al.，2006)。相比于应用更广泛的锆石U-Pb年代学，在火成岩研究中，榍石定年的优势在于：①继承或捕获的榍石较少出现于火成岩中(Corfu et al.，1996)，避免了客观因素对实验结果的影响，更加直观体现岩浆的形成时代。②在某些火成岩中不发育锆石或发育少量结晶锆石，如碱性岩(Ji et al.，2016)，但含有大量榍石，榍石U-Pb定年结果更具可靠性和说服力。近年来，随着分析技术的不断发展，LA-ICP-MS法逐渐成为优先选择的测试方法。相比于锆石，榍石LA-ICP-MS U-Pb年代学方法未能普及，主要原因在于榍石中含有较高的普通Pb含量，而且该方法缺乏榍石标准物质，分析的基体不同，会产生基体效应(Sun et al.，2012)。袁继海等(2016)利用基体匹配的榍石标准物质BLR-1和非基体匹配的锆石U-Pb定年标准(91500、GJ-1)对榍石校准物质OLT1和TCR进行LA-ICP-MS榍石U-Pb定年，校正后结果显示，基体匹配的榍石标准物质作为标样时测得的OLT1和TCR榍石年龄与校准年龄在误差范围内，而非基体匹配的锆石U-Pb定年标准(91500，GJ-1)下测得的年龄有10%的偏低。该研究表明，以榍石U-Pb定年标准物质BCR-1为外标时，LA-ICP-MS榍石定年可以满足微区U-Pb定年的需要。

岩石样品经过破碎、浮选、电磁选后，再淘洗、提纯出单颗粒锆石。手工挑选出晶形完好、透明度和色泽度好的锆石和榍石分别用环氧树脂固定在样靶上。样靶经研磨抛光，直至露出新鲜截面，具体的制靶方法参考北京离子探针中心实验室提供的方法(Song et al.，2002)。在显微镜下对靶上的榍石进行透反射光照相，榍石的背散射(BSE)照相在北京科荟测试技术有限公司完成。

LA-ICP-MS榍石U-Pb定年测试分析在北京科荟测试技术有限公司完成，榍石定年分析所用仪器为AnalytikJena PQMS Elite型 ICP-MS及与之配套的RESOlution 193 nm 准分子激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为30 μm，频率为6 Hz，能量密度约为6 J/cm2，以He为载气。LA-ICP-MS激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，测试前先用NIST 610进行仪器调试，使之达到最优状态。测试过程中首先遮挡激光束进行空白背景采集20 s，然后进行样品连续剥蚀采集45 s，停止剥蚀后继续吹扫20 s清洗进样系统，单点测试分析时间85 s。榍石U-Pb定年以标样BLR-1为外标，测试过程中在每测定10个样品前后重复测定2个榍石标样BLR-1对样品进行校正。榍石的普通Pb校正采用207Pb校正与Tera-Wasserburg图解相结合的方法(Storey et al.，2006)。数据处理采用ICPMSDataCal程序(Liu Yongsheng et al.，2010)，榍石年龄谐和图用Isoplot 3.0程序获得(图2)。

Tit.榍石图2 矿泉和狼窝沟岩体野外与显微照片(单偏光下)Fig.2 Field pictures and photomicrographs of Kuangquan and Langwogou pluton

在显微镜下对靶上的锆石进行透反射光照相，锆石的阴极发光(CL)照相和U-Pb 同位素定年在中国地质调查局西安地质调查中心自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。采用的ICP-MS型号为 Agilent 7700x，激光剥蚀系统为 Geolas Pro 型 ArF准分子激光剥蚀系统，激光剥蚀直径为 32 μm，激光取样过程采用20 s的背景采集时间、40 s的剥蚀取样时间和 10 s的样品池冲洗时间。实验中采用He作为载气，锆石年龄采用91500作为标样，成分测定采用NIST 610作为标样，保证每5个样品点至少插一组标。数据的离线处理在软件Glitter4.4上调试，普通Pb校正使用Anderson(2002)的方法进行，年龄谐和图采用Isoplot 4.15软件完成。

3 讨论

3.1 榍石U-Pb定年结果

笔者选取二长岩样品(18KQ-1、18LWG-1)进行了榍石U-Pb年代学研究，分析结果见表1。测年的榍石晶体呈半自形四边形-自形菱形，大小在100～200 um(图2)，不具有变质榍石特有的孔洞特征，Th/U值大部分>1.5，且具有一致的右倾型稀土配分曲线，表明其为岩浆成因，其年龄能代表岩浆结晶时间。

矿泉岩体二长岩样品(18KQ-1)共获得24个有效数据点。谐和图上数据点的线性拟合性较好，下交点年龄为(128±15)Ma(图3)。初始Pb同位素经207Pb法校正后，获得该样品的206Pb/238U年龄加权平均值为(129.0±2.6)Ma(n=24，MSWD=1.01)(图3)，与下交点年龄在误差范围内一致，代表了该岩体的形成时代。

狼窝沟岩体二长岩样品(18LWG-1)共获得27个有效数据点。谐和图上数据点的线性拟合性也较好，下交点年龄为(127±13 )Ma(图3)。初始Pb同位素经207Pb法校正后，获得该样品的206Pb/238U年龄加权平均值为(129.5±2.5)Ma(n=27，MSWD=1.17)(图3)，与下交点年龄在误差范围内一致，代表了该岩体的形成时代。

图3 矿泉和狼窝沟二长岩体榍石背散射照片和榍石U-Pb年龄谐和图Fig.3 Titanite BSE images and titanite U-Pb concordia diagrams for the two plutons

3.2 锆石U-Pb同位素定年结果

为与榍石U-Pb同位素定年结果对比，检验其准确性，对上述相同的2个岩石样品也同时进行了锆石U-Pb定年(表2)。2个岩体样品中锆石分为2类：绝大多数锆石为他形圆状，具有核边结构，大小在50～100 um，为捕获的继承锆石；还有少部分锆石为半自形-自形棱柱状，具有振荡环带，大小在100 um左右(图2)，具有高Th/U值(0.9～2.3)，暗示这些少数锆石为岩浆锆石成因。矿泉岩体样品中3颗岩浆锆石测点的206Pb/238U加权平均年龄为(127.3±2.7)Ma(n=3，MSWD=0.18)。而狼窝沟岩体样品中11颗岩浆锆石测点的206Pb/238U加权平均年龄为(126.2±1.6)Ma(n=5，MSWD=1.5)(图4)。2个样品榍石和锆石U-Pb同位素定年结果均在误差范围内一致。由于样品中结晶锆石数量少，且远低于同一样品中榍石的数量，因此，对狐偃山矿泉和狼窝沟2个二长岩体榍石U-Pb定年结果更能反映它们的形成时代。

图4 矿泉和狼窝沟二长岩体锆石CL照片和锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 Zircon CL images and zircon U-Pb concordia diagrams of the two plutons

4 讨论

4.1 狐偃山杂岩体形成时代

狐偃山杂岩体位于华北克拉通中部，其主要以似斑状和斑状二长岩、二长岩、霓辉二长岩为主，还包括霓辉正长岩、石英正长岩、正长岩、正长斑岩等不同岩性类型。前人对它们的野外产状及接触关系进行了详细调查，结果显示，二长岩与似斑状二长岩为渐变过渡关系，后被霓辉二长岩侵入，多呈岩株产出；而正长斑岩和霓辉正长岩呈脉状侵入到斑状二长岩中，呈岩墙产出(杨浩，2016)。上述侵入关系也得到了年代学研究的进一步证实。常泽光等(2017)和霍腾飞等(2016)已对孤山地区二长岩体进行了精确的年代学研究，结果显示它们形成于127～130 Ma。本次研究对矿泉地区二长岩类的定年结果表明，它们侵位于129～130 Ma。同时，古洞道附近的二长岩类的年龄为131 Ma(未发表数据)。而对杂岩体中正长岩的已有研究表明，它们形成晚于二长岩，结晶于111～114 Ma(常泽光等，2017；张乔等，2020)。综上所述，狐偃山杂岩体主体二长岩类侵位于早白垩世早期(127～131 Ma)，在早白垩世晚期(111～114 Ma)有少量正长岩形成，从而形成了狐偃山杂岩体。张乔等(2020)对华北中部晚中生代岩浆岩资料整理时，归纳出华北克拉通中部晚中生代岩浆事件分为早白垩世中期(～131 Ma)、早白垩世晚期(～114 Ma)。因此，狐偃山杂岩体的形成过程可能是华北中部晚中生代岩浆作用过程的缩影。对杂岩体形成过程的深入刻画，将对探讨华北中部晚中生代岩浆演化及深部地球动力学作用提供良好的启示。

4.2 继承锆石的地质意义

在矿泉、狼窝沟二长岩体中发育大量继承锆石，它们的年龄为前寒武纪，谐和年龄峰值在2.44～2.55 Ga、2.0～2.18 Ga、1.80～1.88 Ga。这3组继承锆石普遍存在于华北克拉通中部晚中生代岩浆岩中(许文良等，2009；Ying et al.，2011；霍腾飞等，2016；常泽光等，2017)。它们分别对应华北克拉通中部～2.5 Ga、～1.8 Ga岩浆-变质事件和2.0～2.2 Ga岩浆作用(Kröner et al.，2005；Faure et al.，2007；Zhao et al.，2008；赵瑞福等，2011)。已有的研究表明，华北克拉通中部晚中生代岩浆岩是壳幔相互作用的产物(许文良等，2009；Chen et al.，2009；Ying et al.，2011；霍腾飞等，2016；Xue et al.，2019)。而这些继承锆石的出现也进一步证实白垩纪时期在华北克拉通中部，地壳物质明显参与了该时期岩浆岩的形成。