甘肃北山南带晚泥盆世岩浆事件：锆石U-Pb年代学、地球化学和Sr-Nd-Hf同位素体系约束*

吕鑫 于晓飞 杜泽忠 康凯 杜轶伦 王春女

1.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037 2.自然资源部矿产勘查技术指导中心，北京 100083 3.中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京 100029

中亚造山带位于西伯利亚板块、塔里木板块、华北板块和东欧板块之间，是全球显生宙以来最大的增生型造山带之一，是研究古亚洲洋俯冲消减与大陆增生-改造过程的天然实验室(肖文交等, 2008; 图1a)。北山造山带处于中亚造山带南缘，从早古生代到中生代经历了长期多阶段的俯冲、拼贴，是记录中亚造山带南缘构造演化与古亚洲洋闭合的重要区域(Jahnetal., 2000; 左国朝等, 2003; Xiaoetal., 2010, 2018; Heetal., 2018)。北山地区岩浆活动频繁，不同规模、类型以及成因的岩浆岩广泛分布，出露面积超过总基岩面积的三分之一，反映了岩浆-热事件在地壳演化中的重要作用(杨合群等, 2006)。其中，花岗岩类约占侵入岩的95%(江思宏和聂凤军, 2006)。根据前人年代学研究结果，北山地区主要经历了前寒武纪、早古生代、晚古生代、早中生代四期岩浆事件(梅华林等, 1999; 周济元等, 2000；胡朋, 2007；赵泽辉等, 2007；Maoetal., 2010；Xiaoetal., 2010；毛启贵等, 2010；李舢等, 2011; 张文等, 2011; Lietal., 2012; 冯继承等, 2012; 朱江, 2013；王疆涛等, 2016)，记录了北山造山带各时期不同性质的构造事件。

图1 中亚造山带构造位置(a，据He et al., 2018)及北山造山带构造简图(b，据Song et al., 2013; Xiao et al., 2018)

北山造山带以红柳河-洗肠井蛇绿岩带为分界，分为北带与南带。近年来学者对北山南带花岗岩开展了丰富的研究。基于不同的证据，学者对北山南带构造环境存在不同观点：部分学者认为，在早泥盆世北山南带已转入造山晚期伸展环境(赵泽辉等, 2007; 李舢等, 2009, 2011)；也有学者认为，泥盆纪北山南带仍以俯冲作用为主导(Xiaoetal., 2010；Songetal., 2013；Zhuetal., 2016; 王疆涛等, 2016)。前人研究中对北山南带晚泥盆世的花岗岩报道较少，也限制了对本地区构造演化事件的解释推断。本文基于对甘肃北山南带花牛山幅、长流水幅1:50000矿产地质调查成果，对双峰山南复式岩体展开岩石学、锆石U-Pb年代学、Hf同位素、全岩地球化学及Sr-Nd同位素分析，为探讨北山南带晚泥盆世构造-岩浆事件提供依据。

1 地质背景及样品特征

北山造山带位于中亚造山带南缘，南接敦煌地块，北至蒙古造山带，西部以星星峡走滑断裂与东天山接邻，东部以弱水走滑断裂掩于巴丹吉林沙漠(刘雪亚和王荃, 1995; 姜洪颖等, 2013)。由于其特殊的构造位置与复杂的构造背景，北山造山带由一系列岛弧、蛇绿混杂岩带和微陆块构成。以红柳河-洗肠井蛇绿岩带为界，北山造山带分为北带与南带。北带由北至南以红石山绿混杂岩带和(星星峡-)石板井-小黄山蛇绿混杂岩带分隔划分为雀儿山岛弧带、黑鹰山-旱山岛弧带、马鬃山岛弧带(又称为公婆泉-东七一山弧)；南带由北至南以柳园蛇绿混杂岩带分隔划分为双鹰山-花牛山岛弧带和石板山岛弧带(图1b，Xiaoetal., 2010; Heetal., 2018)。

研究区位于甘肃柳园镇北东方向约35km的花牛山-长流水一带，属于北山南带的双鹰山-花牛山岛弧带(图2)。构造格架主要以近东西向和北东向两组为主。研究区地层出露由老至新为：太古宙-中元古代敦煌岩群中深变质岩，前人对北山南带中敦煌岩群中眼球状片麻岩进行了锆石U-Pb测年，年龄结果在920～850Ma(梅华林等, 1999; Liuetal., 2015; Sakturaetal., 2017)；南华系-震旦系洗肠井群，为一套浅变质沉积岩；早古生代寒武系双鹰山组、西双鹰山组，奥陶系花牛山群、白云山组，总体为一套浅变质或基本未变质的碎屑岩夹有少量碳酸盐岩及火山岩；中-晚古生代泥盆系墩墩山群、石炭系红柳园组、二叠系双堡堂组和金塔组，总体为一套海相火山岩-碎屑岩(甘肃省地质矿产局, 1987(1)甘肃省地质矿产局.1987.花牛山幅等四幅1/5万区域地质调查报告、地质图及说明书(内部资料))。

图2 双峰山-花牛山-长流水一带地质简图(据王春女等, 2019; 甘肃省地质矿产局, 1987修改)

研究区内岩浆活动频繁，多呈岩基、岩株和岩墙状产出，从超基性至酸性岩均有出露，主要以花岗质侵入体为主。侵入岩在空间上呈三个分带：南部沿柳园-东大泉一带分布，被一系列平行的北东向断裂错断，岩性主要为闪长岩、石英闪长岩、似斑状二长花岗岩，局部有一定片麻状变形，形成时代主要在晚奥陶世-早志留世460～430Ma(赵泽辉等, 2007; 毛启贵等, 2010; Wangetal., 2019)。中部为花牛山-长流水一带连续分布的正长花岗岩-二长花岗岩，形成时代主要在三叠纪(Lietal., 2012; 朱江, 2013; 李增达, 2018)，是本区侵入年龄最新的酸性侵入体，与研究区中铅锌矿、金矿关系密切(朱江, 2013; 李增达, 2018)。北部为一套复式岩体，沿双峰山-长黑山一带分布，主要为花岗闪长岩-二长花岗岩，根据前人研究结果，大山头、双峰山一带石英闪长岩-花岗闪长岩的年龄为334～362Ma(王怀涛, 2019)。在北山北带马鬃山弧南缘，研究区东北方向牛圈子南的花岗闪长质北山杂岩体和算井子花岗岩中也分别得到374Ma和351Ma的年龄(Songetal., 2013; 赵宏刚等, 2019)，表明在红柳河-洗肠井南北两侧，晚泥盆世-早石炭世发生了一起较广泛的岩浆事件。研究区还广泛发育基性脉岩，主要岩性为辉绿岩，走向以北东向和近东西为主(孙海瑞等, 2020)。

本次研究采集样品为研究区北部双峰山南的中酸性复式岩体，其中TW6237、TW6239在双峰山-长黑山南侧，TW6240在长流水东北部。复式岩体近东西向略向南呈弧形展布，岩体呈岩基状产出(图2)，受后期岩浆及构造作用强烈改造，形态不规则，侵入于震旦系洗肠井群和寒武系双鹰山组，与围岩接触界线呈交错状、港湾状，接触面凹凸不平或波状起伏。TW6237为灰白色花岗闪长岩，中粒花岗结构，块状构造，边缘相微具似片麻状构造，粒度一般为2～3mm(图3a, c)。主要矿物成分为斜长石(30%～35%)、钾长石(15%～20%)、石英(20%～25%)、角闪石(10%～15%)和黑云母(<5%)。其中，斜长石板状、半自形晶，环带构造清晰；钾长石以微斜长石和条纹长石为主，粒状；黑云母呈鳞片状，发生绿泥石化，局部析出磁铁矿(图3e)。TW6239、TW6240样品为浅灰色-浅肉红色二长花岗岩，中粗粒花岗结构，块状构造，主要矿物成分为钾长石(35%～40%)、斜长石(30%～35%)、石英(25%～30%)，黑云母(<5%)及少量角闪石(<5%)(图3b, d)。钾长石以条纹长石和微斜长石为主，粒状；斜长石半自形板状，局部包围钾长石颗粒呈阴影状，发条纹状；石英呈他形粒状，裂痕发育；黑云母呈不规则片状，蚀变为绿泥石，析出铁钛物质(图3f-h)。

图3 双峰山南复式岩体岩性野外及显微照片

2 样品测试方法

2.1 锆石U-Pb测年

锆石的分选由首钢地质勘查院完成，样品破碎至80目，重力磁力分选后利用双目镜把锆石颗粒挑出，后由北京锆年领航科技有限公司完成制靶和阴极发光照相。锆石的U、Th、Pb同位素由北京燕都中实测试技术有限公司完成。激光剥蚀系统为New Wave公司 UP213固体激光剥蚀系统，ICP-MS型号为布鲁克M90。本次测试剥蚀光斑直径30μm，每个时间分辨分析数据包括大约20～30s的空白信号和50s的样品信号。U-Pb 同位素定年中采用锆石标准91500和Plesovice作为外标进行同位素分馏校正。锆石微量元素含量利用SRM610作为多外标、Si 作内标的方法进行定量计算。实验所得数据使用采用软件ICP-MS-Data-Cal进行处理和校正(Liuetal., 2010)，校正后结果用Isoplot(version 3.0，Ludwig, 2003)完成年龄计算和协和图绘制。

2.2 全岩主微量元素分析

样品碎样由首钢地质勘查院完成，将岩石粗碎至厘米级的块体，选取无蚀变及脉体穿插的新鲜样品用纯化水冲洗干净，烘干并粉碎至200目以备测试使用。全岩主微量分析由北京燕都中实测试技术有限公司完成，主量元素测试首先将粉末样品称量后加入Li2B4O7(1:8)助熔剂混合，并使用融样机加热至1150℃使其在金铂坩埚中熔融成均一玻璃片体，后使用XRF(Zetium, PANalytical)测试。测试结果保证数据误差小于1%。微量元素测试将200目粉末样品称量后置放入聚四氟乙烯溶样罐，然后加入HF+HNO3，在干燥箱中将高压消解罐保持在190℃下72小时，后取出经过赶酸并将溶液定容为稀溶液上机测试。测试使用ICP-MS(M90，analytikjena)完成，所测数据根据监控标样GSR-2显示误差小于5%，部分挥发性元素及极低含量元素的分析误差小于10%。

2.3 Lu-Hf同位素分析

样品完成锆石U-Pb测年实验后，由西北大学大陆动力学国家重点实验室进行锆石微区原位Lu-Hf同位素分析。实验仪器为193nm 准分子激光剥蚀系统(RESOlution M-50, ASI)和Nu Instrument双聚焦多接收等离子体质谱仪。激光能量密度为6J/cm2, 频率为5Hz，斑束为43μm，载气为高纯氦气。Lu-Hf同位素分馏校正采用指数法则计算，采用176Lu/175Lu=0.02656和176Yb/173Yb=0.78696比值扣除176Lu和176Yb对176Hf的干扰，获得准确的176Hf信号值。Hf和Lu同位素比值采用179Hf/177Hf=0.7325进行仪器质量歧视效应校正，Yb同位素比值采用173Yb/171Yb=1.12346进行仪器质量歧视效应校正。在分析过程中，国际标准锆石样品91500和Mudtank作为监控样品，每8个样品插入一组国际标样，数据采集模式为TRA 模式，积分时间为0.2s，背景采集时间为30s，样品积分时间为50s，吹扫时间为40s。

2.4 Rb-Sr、Sm-Nd同位素分析

本次样品Rb-Sr、Sm-Nd同位素测试分析在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。Rb-Sr同位素分析采用ISOPROBE-T热电离质谱计，单带，M+，可调多法拉第接收器接收。用86Sr/88Sr=0.1194校正质量分馏；标准测量结果：NBS987为0.710250±7；实验室流程的本底为：Rb=2×10-10g，Sr=2×10-10g。Sm-Nd同位素分析采用ISOPROBE-T热电离质谱计，三带，M+，可调多法拉第接收器接收。用146Nd/144Nd=0.7219校正质量分馏；标准测量结果：JMC为143Nd/144Nd= 0.512109±3。

3 测试结果

3.1 锆石U-Pb年代学

本文对双峰山南复式岩体中不同样品进行了锆石U-Pb定年，测试结果如表1，中酸性侵入体中锆石阴极发光(CL)图像如图4。锆石样品均呈无色透明，自形-半自形棱柱状，长50～200μm，长宽比1:1～1:3，发育明显的震荡环带。本次测试的锆石样品中Th/U比值在0.21～1.74，均大于0.1，表现出典型的岩浆锆石特征(Hoskin and Schaltegger, 2003)。

图4 山南复式岩体样品锆石阴极发光图像

表1 双峰山南复式岩体锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果

花岗闪长岩TW6237-3测定的23个样品206Pb/238U加权平均年龄为366.3±2.2Ma(n=23，MSWD=0.046)(图5a)。二长花岗岩TW6239-1测定的21个样品206Pb/238U加权平均年龄为367.5±1.7Ma(n=21，MSWD=0.046)(图5b)；TW6240-1测定的17个样品206Pb/238U加权平均年龄为368.0±1.8Ma(n=17，MSWD=0.040)(图5c)。双峰山南复式岩体中各样品得到年龄基本一致，均为晚泥盆世366～368Ma侵位形成的花岗质岩体。

图5 双峰山南复式岩体锆石年龄协和图

3.2 全岩主量、微量元素特征

双峰山南复式岩体的全岩主量、微量元素测试数据见表2。花岗闪长岩样品SiO2=64.39%～70.64%，钾含量相对较低，K2O=1.26%～2.89%，碱含量为5.01%～5.66%，在TAS图解中主要上落于花岗闪长岩区域(图6a)，在SiO2-K2O图解中落钙碱系列(图6b)。二长花岗岩样品硅含量相对较高，SiO2=71.03%～74.59%，钾含量变化较大，K2O=2.36%～6.88%，且相对富碱，Na2O+K2O=6.20%～9.21%，在TAS图解中主要上落于花岗岩区域(图6a)。双峰山南复式岩体所有样品A/CNK值在0.88～1.00，属于准铝质(图7)。

图6 双峰山南复式岩体TAS图解(a，底图据Middlemost, 1994)和SiO2-K2O图解(b，底图据Peccerillo and Taylor, 1976)

图7 双峰山南复式岩体A/NK-A/CNK图(底图据Maniar and Piccoli, 1989)

表2 双峰山南复式岩体全岩主量(wt%)和微量(×10-6)元素数据表

所有样品稀土总量偏高(ΣREE=90.83×10-6～298.4×10-6)，在球粒陨石标准化稀土元素配分图中(图8a)呈轻稀土元素富集、重稀土元素平坦的右倾型((La/Yb)N=6.23～23.0)。花岗闪长岩表现出较强的Eu负异常(δEu=0.53～0.69)，二长花岗岩Eu负异常更强烈(δEu=0.31～0.55)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图8b)，所有复式岩体样品均表现出富集Rb、Th、U等大离子亲石元素(LILE)，贫高场强元素(HFSE)，P、Ti明显亏损，较强烈亏损Nb。其中二长花岗岩样品表现出富集LILE和亏损HFSE特征更为明显。

图8 双峰山南复式岩体球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)及原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据 Sun and McDonough, 1989)

3.3 Hf同位素地球化学

锆石Hf同位素分析结果见表3。花岗闪长岩(TW6237-3)测点16个，176Hf/177Hf初始比值在0.282623～0.282715之间，εHf(t)值为+2.7～+6.0，tDM2为860～1028Ma(图9)。二长花岗岩(TW6239-1、TW6240-1)测点32个，176Hf/177Hf初始比值在0.282457～0.282678之间，εHf(t)值为-3.1～+4.7，tDM2为928～1326Ma(图9)。双峰山南复式岩体的Hf同位素特征基本一致，二长花岗岩相较花岗闪长岩εHf(t)更小，tDM2更高。

表3 双峰山南复式岩体锆石Hf同位素组成

图9 甘肃双峰山南复式岩体样品锆石Hf同位素组成(底图据吴福元等, 2007)

3.4 Sr-Nd同位素地球化学

全岩Sr-Nd同位素分析结果见表4。花岗闪长岩(TW6237)的(87Sr/86Sr)i和εNd(t)分别在0.705607～0.706358和-2.5～-2.0之间(图10)；二长花岗岩(TW6239、TW6240)的(87Sr/86Sr)i和εNd(t)在0.706268～0.708523和-4.1～-1.9之间(图10)。双峰山南复式岩体的Sr-Nd同位素组成具有一致性。

表4 甘肃双峰山南复式岩体全岩Sr-Nd同位素组成

图10 甘肃双峰山南复式岩体样品全岩Sr-Nd同位素组成(底图据洪大卫等, 2000; Ding et al., 2017)

4 讨论

4.1 双峰山南复式岩体侵位时代

根据测试结果，双峰山南复式岩体中黑云母花岗闪长岩年龄为366.3±2.2Ma，黑云母二长花岗岩年龄为367.5±1.7Ma和368.0±1.8Ma，由此判断双峰山南复式岩体为北山南带在晚泥盆世岩浆活动的产物，岩体形成时代为366～368Ma。

前人的年代学研究将北山南带花岗质岩体分为四期，分别为新元古代、晚志留世-早泥盆世、晚石炭世-早二叠世和三叠纪(朱江, 2013, 表5)，但相对缺乏晚泥盆世花岗岩的报道。近期，王怀涛(2019)对双鹰山-花牛山岛弧带中各类岩体进行了较细致的年代学研究，在花牛山、双峰山一带测得花岗闪长岩等年龄数据为334～363Ma；而在北山北带南缘的马鬃山岛弧带中，也有关于晚泥盆世到早石炭世花岗质岩体的报道(Songetal.,2013;王鑫玉,2018;赵宏刚等, 2019)。

表5 北山南带花岗质侵入体同位素年代学年龄统计

本文所获得的年龄数据与这些成果相近，由此佐证了该地区晚泥盆世花岗岩的存在。此外，由于红柳河-洗肠井洋在早泥盆世前已闭合(张元元和郭召杰, 2008)，说明晚泥盆世红柳河-洗肠井缝合带南北两侧的岩体可能具有同样的成因及构造背景。此时，北山地区应该存在一起较广泛的岩浆事件。

4.2 岩体成因与源区判别

双峰山南复式岩体中花岗闪长岩与二长花岗岩主要矿物组合均为斜长石+角闪石+石英+钾长石+黑云母，副矿物为磷灰石、锆石和磁铁矿，具有I型花岗岩的特征。在Nb-10000×Ga/Al图中(图11a)，样品落入A型与I、S型花岗岩之间；在FeOT/MgO-(Zr+Nb+Ce+Y)判别图中(图11b)，多数样品落入未分异的I、S、M类型的花岗岩之中，也表明不具备A型花岗岩特征。岩体样品A/CNK值在0.88～1.00，属准铝质。岩体样品中P2O5含量均低于0.20%，且与SiO2呈负相关(图12c)，具备典型的I型花岗岩特征(Chappel, 1999)。

图11 双峰山南复式岩体类型判别图(底图据Whalen et al., 1987)

图12 双峰山南复式岩体Hacker图解

在微量元素蛛网图和稀土元素配分图(图8)中可见，所有样品普遍表现出亏损Ba、Sr，并均有较强烈的Eu负异常(δEu=0.31～0.81)。在Hacker图解中可见(图12d, f)，随着SiO2增加Sr和δEu下降，说明岩浆源区存在斜长石残留，并在结晶过程中受到斜长石分离影响。根据Th/Nd-Th图(图13)，样品主要表现出部分熔融或岩浆混合的成因(Schianoetal., 2010)。

图13 双峰山南复式岩体成因判别图(底图据Schiano et al., 2010)

双峰山南复式岩体样品Zr/Hf=29.4～35.0，平均值32.6，接近壳源岩石(33左右，Taylor and McLennan, 1985)。样品在(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图(图10)展现出地壳演化源区，与中亚造山带微陆块表现一致(洪大卫等, 2000; Dingetal., 2017)。εHf(t)值为-3.1～+6.0，Hf模式年龄tDM2为860～1326Ma，指示岩体的源区主要为中元古代到新元古代下地壳，与前人对本区古生代花岗质岩体Hf同位素特征研究结果基本一致(Heetal., 2018)。εHf(t)跨度较大，说明岩浆源区存在幔源物质贡献。样品Mg#=14.3～48.9，也指示源区有幔源组分加入。复式岩体中，花岗闪长岩相对二长花岗岩有更高的εHf(t)值、Mg#值，说明花岗闪长岩受到幔源组分更多影响。但复式岩体样品整体MgO含量较低(0.19%～2.25%)，表明幔源组分贡献有限。

4.3 构造环境分析

双峰山南复式岩体为一套钙碱系列的花岗闪长岩-二长花岗岩岩石组合，前人也在该区域发现了早石炭世石英闪长岩-英云闪长岩(王怀涛, 2019)，同为钙碱系列(图6b)，表现为大陆边缘弧特征，与伸展环境形成的花岗岩特征不同。双峰山南复式岩体富集Rb、Th、U等大离子亲石元素(LILE)，亏损高场强元素(HFSE)，Hf同位素研究表明岩体成因主要为下地壳部分熔融，并混有不同程度的幔源物质，在Nb-Y和Rb-Y+Nb构造环境判别图中(图14)大部分落入火山弧环境花岗岩。这些地球化学及同位素特征表明，双峰山南复式岩体的构造背景可能为活动大陆边缘。同时，在本区域还发育上泥盆统墩墩山群安山岩-流纹岩，表现俯冲消减环境下弧火山岩特征(Guoetal., 2014, 2017)。在北山南带出露的基性-超基性岩体，形成时代同为中晚泥盆世，指示为俯冲过程中亏损岩石圈地幔部分熔融的产物(Xieetal., 2012; 谢燮等, 2015; 杨建国等, 2016)。综上，幔源岩浆底侵加热下地壳使其部分熔融，并与之不同程度的混合，最终在双峰山南侵位形成了花岗闪长岩与二长花岗岩的复式岩体，并在区域上形成了超基性岩、安山岩-流纹岩(图15)。

图14 双峰山南复式岩体构造环境判别图(底图据Pearce et al., 1984)

图15 甘肃北山南带花牛山-双鹰山弧地区泥盆纪构造演化模型示意图(据王疆涛等, 2016；Guo et al., 2017修改)

前人研究提出，北山南带晚志留-早中泥盆世(424～395Ma)的花岗岩主要为S型与A型，判断其构造环境为造山晚期的伸展环境(赵泽辉等, 2007; 李舢等, 2009，2011; Wangetal., 2018)，与本研究中晚泥盆世花岗质岩体特征不同，这可能为该时期北山南带在红柳河-洗肠井洋闭合后，受后造山晚期的伸展环境主导所致。通过本文及前人研究成果(Songetal., 2013；王疆涛等, 2016; Heetal., 2018; 王怀涛, 2019)，红柳河-洗肠井洋于早泥盆世闭合后，作为古亚洲洋残留的柳园洋从晚泥盆世到早石炭世持续向北俯冲，重新主导了北山南带双鹰山-花牛山岛弧带地区的大地构造环境。

5 结论

(1)对双峰山南复式岩体的花岗闪长岩、二长花岗岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年得到花岗闪长岩年龄为366.3±2.2Ma，二长花岗岩年龄为367.5±1.7Ma和368.0±1.8Ma，它们均为晚泥盆世同一期岩浆事件的产物。

(2)双峰山南复式岩体具有I型花岗岩特征，结合Lu-Hf、Sr-Nd同位素特征，表明岩体成因主要为下地壳部分熔融，并混有不同程度的幔源物质。

(3)双峰山南复式岩体形成环境为活动大陆边缘，表明晚泥盆世柳园洋持续向北俯冲，重新主导了北山南带岩浆事件的构造环境。

致谢野外调查工作得到了中国地质调查局西安地质调查中心杨建国研究员和甘肃省地矿局第一地质矿产勘查院梁明宏总工的热心指导，同时也得到了甘肃省地质调查院王怀涛、把建业、董国强，甘肃省地矿局第四地质矿产勘查院杨镇熙等同志的指导与帮助；实验测试得到中国地质大学(北京)黄式庭、袁伟恒硕士的协助；中国地质调查局发展研究中心公凡影、孙海瑞、宓奎峰同志与作者进行了讨论并对本文给予了指导；两名审稿人对本文也提供了宝贵的修改意见；在此一并表示感谢！