西藏刘琼村北始新世石英闪长岩的成因及其地质意义

邓科，袁仁华，董玉杰，张泽国，陈守关，辛堂

(西藏自治区地质矿产勘查开发局第五地质大队，青海 格尔木 816099)

0 引言

前人把青藏高原的形成演化过程分为3个阶段，即古特提斯演化阶段、新特提斯演化阶段、印度—亚洲大陆碰撞及高原隆升阶段[1]。其中，新特提斯演化阶段、印度—亚洲大陆碰撞及高原隆升阶段的岩浆记录主要集中于南冈底斯岩浆弧，岩浆岩出露面积占冈底斯带总面积的80%以上[2-4]，同时，也是揭示印度大陆与亚洲大陆碰撞过程最重要的研究区。纪伟强等[5]将南冈底斯岩基岩浆活动分为205 Ma—152 Ma、109 Ma—80 Ma、65 Ma—41 Ma和33 Ma—13 Ma共4个阶段。

古新世—始新世是冈底斯岩浆活动最为剧烈的时期，该期花岗岩构成冈底斯基岩的主体[6]。关于其岩石成因与动力学机制尚存在不同意见，存在多种模型和解释。其一认为是新特提斯洋壳向北俯冲的结果[7-8]，其二认为主要是新特提斯洋壳向北俯冲和班公湖—怒江洋向南俯冲消减共同作用的结果[9]，其三认为是班公湖—怒江特提斯洋洋壳向南俯冲作用的产物[10]，至今对其形成的动力学背景的认识仍然存在较大分歧。

本文基于中国地质调查局“冈底斯—喜马拉雅铜矿资源基地调查”项目工作，对西藏刘琼村始新世石英闪长岩的岩石学、岩石地球化学、同位素及地质年代学等方面进行了研究，以期探讨冈底斯带始新世岩浆成因及其产生的构造背景。

1 地质概况

青藏高原属于由多微陆块经过多期拼合作用形成了一系列沟-弧-盆体系[11-14]，以雅鲁藏布江缝合带、班公湖—怒江缝合带和金沙江缝合带为界，由南向北分别为喜马拉雅地块、拉萨地块、羌塘地块[15](图1a)。拉萨地块是一条近EW向延伸的巨型构造-岩浆岩带，即冈底斯带(图1b)，其中广泛发育的俯冲-碰撞-碰撞后岩浆作用，记录了该地带从特提斯洋俯冲消减到印度大陆陆内俯冲的全过程[16-18]。

图1 研究区大地构造位置图及地质简图(据西藏地勘局第五地质大队地勘院2019，修编)Fig.1 Geotectonic position and geological sketch of the study area1.第四系；2.中三叠统昌果组四段；3.中三叠统昌果组三段；4.中三叠统昌果组二段；5.始新世石英闪长岩；6.始新世石英二长闪长岩；7.始新世二长花岗岩；8.采样位置BNSZ.班公湖—怒江缝合带；JSSZ.金沙江缝合带；YZSZ.雅鲁藏布江结合带

南冈底斯带上的侵入体广泛分布于雅鲁藏布江结合带北侧，是冈底斯岩浆弧南缘的重要组成部分，受特提斯洋盆的演化所控制，大部分岩体呈近EW向带状分布，始新世岩浆活动较为强烈。研究区位置及地质简图，分别见图1b和图1c所示。

本次研究的石英闪长岩主要分布在刘琼村北侧至江津村西侧一带，呈近EW向小型岩株产出，出露面积约8.62 km2。该岩体侵入于中三叠世昌果组之中，被始新世石英二长闪长岩、二长花岗岩侵入。岩体中可见变质火山岩或变质砂岩捕虏体。

2 岩相学特征

刘琼村北石英闪长岩风化面呈黄灰色，新鲜面呈灰白色，中粒结构，块状构造，岩石由斜长石、钾长石、石英、黑云母、角闪石组成。斜长石主要呈半自形板状，粒度部分为2～4.5 mm(中粒)，少部分为0.3～2 mm(细粒)，杂乱分布，部分表面较干净，少部分颗粒被绢云母、黝帘石交代较明显，少部分可见环带构造，偶见颗粒弯曲、波状消光现象，局部被钾长石呈蚕食状交代，部分可见聚片双晶。钾长石呈半自形板状—它形粒状，粒度一般0.4～1.4 mm，填隙状分布于斜长石粒间，钾长石主要为正长石，表面较干净，局部交代斜长石。石英呈它形粒状，粒度一般0.2～2 mm，单晶或集合体填隙状分布于长石粒间，粒内具波状消光现象。黑云母呈鳞片状、叶片状，角闪石呈半自形柱粒状，粒度部分0.4～2 mm，少部分2～3.5 mm，杂乱或似堆状分布，黑云母多被绿泥石、绿帘石交代呈假像产出，少量棕色残留。角闪石呈褐绿色，少量见黑云母穿插于角闪石粒内，交代角闪石，有时见角闪石、黑云母粒内嵌布少量斜长石。图2为石英闪长岩野外露头照片和镜下显微特征。

图2 石英闪长岩野外露头照片(a, b)及镜下显微特征(c, d)Fig.2 Photos of outcrops of the diorite taken from field(a, b) and under microscope(c, d)Pl.斜长石；Qz.石英；Hb.角闪石；Bi.黑云母

3 测试分析方法

本次研究对刘琼村北石英闪长岩开展了锆石U-Pb定年、锆石原位Lu-Hf同位素分析和岩石地球化学测试工作。

(1)锆石U-Pb定年

锆石单矿物分选、锆石的制靶及透射光、反射光、阴极发光照相在河北省区域地质调查院实验室完成。将完整的典型锆石置于DEVCON环氧树脂中，待固结后抛磨，使锆石内部充分暴露后进行锆石的反射光和透射光照相及锆石阴极发光照相。

锆石U-Pb定年采用LA-ICP-MS法，在北京科荟测试技术有限公司进行。同位素分析测试仪器为+Jena PQMS多接收等离子体质谱仪，激光剥蚀系统为New wave 193，实验过程中的激光剥蚀斑束直径为32 μm，激光剥蚀深度为20～40 μm。锆石年龄计算采用国际标准锆石95100作为外标，元素含量采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NIST610作为外标，29Si作为内标元素进行校正。样品的同位素比值和元素含量数据处理采用ICPMSDatacal软件，并采用Anderson[19]软件对测试数据进行普通铅校正，年龄计算及谐和图采用ISOPLOT2.49软件完成[20]。

(2)锆石原位Lu-Hf同位素分析

锆石原位Lu-Hf同位素分析也在北京科荟测试技术有限公司进行，利用LA-ICP-MS系统对经过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年的同一测点进行了Hf同位素组成测试。Lu-Hf同位素分析激光进样系统为NWR 213 nm固体激光器，分析系统为多接收等离子体质谱仪(NEPTUNE plus)，实验过程中采用He作为剥蚀物质载气，激光束直径为55 μm，激光脉冲频率为4～6 Hz。本次分析过程中使用锆石国际标样Mud tank作为外标。Mud tank的176Hf/177Hf值为0.282537±15。仪器分析条件和数据获取方法见文献[21-22]所述。

(3)岩石地球化学测试

岩石地球化学分析测试由河北省区域地质调查院实验室完成，样品加工过程均在无污染设备中进行。主量元素测试采用碱烧法制备样品，使用Axiosmax X射线荧光光谱仪完成分析测试，相对误差不大于2%，烧失量、H2O+和H2O-采用P1245电子分析天平完成测试。稀土元素和微量元素分析采用酸溶法制备样品，稀土元素和多数微量元素的含量使用电感耦合等离子体质谱仪(X Serise2 ICP-MS)完成测试，Zr、Ti、K等元素在X射线荧光光谱仪(AxiosmaxX)上完成测试，分析精度高于5%～10%，测试方法见文献[23]所述。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb年龄

本次对在石英闪长岩中采集的1件同位素样品(PM22TW1)进行了锆石U-Pb年代学测年，测试数据见表1。样品锆石大多为近短柱状-长柱状，呈无色透明，自形程度较好，锆石粒径多为100～200 μm，长宽比多为1∶1.5～1∶2。阴极发光图像锆石为灰色-灰黑色发光，显示清晰的岩浆震荡环带，表明为岩浆成因锆石(图3)。锆石w(U)=54.0×10-6～117.4×10-6，平均为75.24×10-6；w(Th)=27.5×10-6～63.4×10-6，平均为38.49×10-6；相应的w(Th)/w(U)值平均为0.5，比值较高(均大于0.1)，属典型岩浆锆石特征。22颗锆石测点显示206Pb/238U年龄范围为51.01 Ma—56.52 Ma，获得加权平均年龄为53.74 Ma±0.94 Ma(图4)，能够代表该样品的结晶年龄。综合野外地质体穿切关系，将该石英闪长岩的侵位时代厘定为始新世。

表1 石英闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果Table 1 U-Pb dated age of zircon LA-ICP-MS of quartz diorite

图3 石英闪长岩锆石阴极发光图像Fig.3 Cathodoluminescence image of zircon from the diorite

图4 石英闪长岩锆石U-Pb年龄图、加权平均年龄图(样号PM22TW1)Fig.4 Plot showing U-Pb dating age and the average weighted age of the diorite

4.2 锆石Hf同位素特征

本次在石英闪长岩样品中采集1件锆石同位素测试样品(PM22TW1)，对锆石Lu-Hf同位素测试是在U-Pb定年的基础上进行的，剔除不谐和年龄和继承锆石的测点后，对样品的15颗锆石进行Hf同位素测试。结果显示，样品的176Yb/177Hf为0.008194～0.037500，176Lu/177Hf为0.000366～0.001596(表2)，均小于0.002，表明锆石形成后基本没有明显的放射性成因Hf的积累，因而可以使用所测定的176Hf/177Hf比值代表其形成时Hf同位素的组成。fLu/Hf变化在-0.99～-0.95之间。εHf(t)均为正值，变化于10.0～13.3之间。单阶段Hf模式年龄(tDM1)变化于192.9 Ma—326.1 Ma之间，平均值266.9 Ma。二阶段Hf模式年龄(tDM2)介于320.7 Ma—490.9 Ma之间，平均396.4 Ma，大于侵入体形成年龄[24]。

表2 石英闪长岩锆石Hf同位素组成分析结果Table 2 Hf isotropic composition of zircon from the diorite

4.3 岩石地球化学特征

(1)岩石化学特征

表3为研究区石英闪长岩5件样品的全岩主量元素测试结果。石英闪长岩5件样品的w(SiO2)=53.49%～59.61%，平均为57.71%；w(Al2O3)=16.44%～18.14%，平均为17.48%；ALK值为4.25%～5.81%，平均为5.21%；w(K2O)/w(Na2O)=0.25～0.532，平均为0.36，岩石为钠质岩石。里特曼指数σ为1.59～2.13，平均为1.83；碱度指数KN/A=0.36～0.51，平均为0.45，表明岩石属钙碱性岩。岩浆分异指数DI=39.77～58.96，固结指数SI=19.24～24.81，指示岩浆分异程度中等偏高。镁铁指数MF=61.51～67.87，长英指数FL=34.78～52.81，说明岩浆分离结晶作用程度中等偏高。在TAS图解(图5a)中，样品多投入闪长岩区，为亚碱性岩系；在w(K2O)—w(SiO2)图解(图5b)中，样品多落于钙碱性系列区；碱度率(A.R.)为1.48～1.73，在A.R.图解中落于钙碱性岩石区(图5c)。A/NK=1.95～2.48，A/CNK=0.91～0.93，岩石属准铝质(图5d)。综上，刘琼村北石英闪长岩为准铝质钙碱性系列的钠质岩石[25]。

表3 石英闪长岩全岩主量元素分析结果Table 3 Analysis of major elements of the diorite

图5 石英闪长岩岩石地球化学图解[25]Fig.5 Geochemical diagram of the dioritea.TAS图解；b.w(K2O)—w(SiO2)图解；c.w(SiO2) —A.R.图解；d.铝饱和指数图解

(2)稀土元素和微量元素特征

表4为研究区石英闪长岩6件样品的稀土元素及微量元素测试结果。石英闪长岩稀土元素总量ΣREE(包括Y元素)为w(ΣREE)=51.47×10-6～146.17×10-6，平均95.77×10-6，低于上地壳稀土总量(210×10-6)，高于下地壳稀土总量(74×10-6)[25]；w(LREE)/w(HREE)值为2.13～3.50，w(La)N/w(Yb)N=4.14～6.54，平均为5.47，轻稀土富集明显；δEu为0.86～1.18，平均为1.00，Eu负异常不明显；w(La)N/w(Sm)N=2.42～3.16，平均为2.84，w(Gd)N/w(Yb)N值为1.22～1.33，平均为1.25，显示轻稀土较重稀土分馏强烈。稀土配分曲线为LREE富集的右倾型(图6)。

表4 石英闪长岩稀土元素和微量元素分析结果Table 4 Analysis of REE and trace element of the diorite

图6 石英闪长岩稀土元素配分曲线(球粒陨石数据据文献[27])Fig.6 REE pattern of the diorite

图7为研究区石英闪长岩6件样品的球粒陨石标准化的蜘蛛网图。该岩石中相对富集大离子亲石元素Rb、Th、U、K，显著亏损高场强元素Ta、Nb、P、Ti，显示出与板块碰撞作用有关的岩浆岩特征[26]。

图7 石英闪长岩微量元素蜘蛛网图(球粒陨石数据据文献[28])Fig.7 Trace element spider diagram of the diorite

5 讨论

5.1 关于岩石成因

石英闪长岩的微量元素铷锶比值为w(Rb)/w(Sr)=0.05～0.12(表4)，平均为0.08，明显高于上地幔平均值(0.025)，低于大陆地壳平均值(0.24)；w(Nb)/w(Ta)值为6.71～21.78，平均13.54，明显低于幔源岩石(17.5±2)[29-31]，高于陆壳岩石(11±)[29,31]；w(Zr)/w(Hf)=26.65～33.34，平均为30.30，接近于壳源岩石(33±)，表明岩体成岩物质主要来自地壳。Hf同位素显示εHf(t)值主要变化于10～14.9之间，单阶式年龄集中在192.9～341.8之间，大于其岩体形成年龄，在εHf(t)—t图解中所有数据点均落入球粒陨石与亏损地幔之间(图8)，表明岩浆源区来自于二叠纪(单阶段模式年龄)从亏损地幔中新增生出来的年轻地壳[24]。

图8 始新世侵入岩εHf(t)—t图解Fig.8 εHf(t)-t plot of Eocene intrusive rock

5.2 构造环境分析

J.A.Pearce等[32]提出元素Ta、Yb、Rb等是区分洋中脊花岗岩类(ORG)、板内花岗岩类(WPG)、火山弧花岗岩类(VAG)和同碰撞花岗岩类(Syn-COLG)最为有效的判据。刘琼村北石英闪长岩的岩石地球化学数据分析表明，该侵入岩属高钾钙碱性系列、准铝质-过铝质岩石，具S型花岗岩地球化学特征，无明显Eu异常，相对富集大离子亲石元素Rb、Th、U、K，显著亏损高场强元素Ta、Nb、Sr、P、Ti。在w(Yb+Ta)—w(Rb)、w(Yb)—w(Ta)、w(Y)—w(Nb)图解(图9a—图9c)中，样品集中落入岛弧花岗岩和同碰撞花岗岩界线附近；在R1—R2图解(图9d)中，样品主要落入同碰撞区域，少量样品落入板块碰撞前区域。综上，基于刘琼村北石英闪长岩所处的区域构造位置及其稀土微量元素特征，认为该岩体形成于同碰撞构造环境。

6 结论

(1)刘琼村北石英闪长岩的锆石εHf(t)值为+10～+14.9，单阶式Hf模式年龄(tDM1)集中在192.9～341.8之间，表明岩浆源区来自于亏损地幔中新增生出来的年轻地壳，具S型花岗岩地球化学特征。

(2)刘琼村北石英闪长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为53.74 Ma±0.94 Ma，表明其侵位时代为始新世。

(3)岩石地球化学、同位素、年代学特征表明，始新世时期冈底斯南缘处于新特提斯洋与拉萨地块同碰撞构造环境。

图9 构造环境判别图解(底图据文献[32])Fig.9 Discrimination diagram of geotectonic environment of the dioritea.岩石w(Y+Ta)—w(Rb)图解；b.岩石w(Yb)—w(Ta)图解；c.岩石w(Y)—w(Nb)图解；d.岩石R1—R2图解