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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (4): 682-692  
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朱涛, 王洪亮, 徐学义, 赵燕, 李智佩, 朱小辉. 甘肃多坝沟地区黑云斜长片麻岩锆石U-Pb年龄和Hf同位素特征[J]. 地质通报, 2018, 37(4): 682-692.
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Zhu T, Wang H L, Xu X Y, Zhao Y, Li Z P, Zhu X H. Zircon U-Pb age and Hf isotopes of the biotite plagioclase genesis in Duobagou area, Gansu Province[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(4): 682-692.
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基金项目

国家自然科学基金项目《敦煌地区高镁闪长岩成因与深部地球动力学过程研究》(批准号:41702235)、中国地质调查局项目《西北基础地质综合调查与片区总结》(编号:1212011220649)和《祁连成矿带肃南—大柴旦地区地质矿产调查》(编号:DD20160012)

作者简介

朱涛(1983-), 男, 硕士, 工程师, 从事区域地质调查和研究工作。E-mail:zhut_1983@163.com

文章历史

收稿日期: 2017-07-07
修订日期: 2018-02-06
甘肃多坝沟地区黑云斜长片麻岩锆石U-Pb年龄和Hf同位素特征
朱涛1 , 王洪亮1 , 徐学义1 , 赵燕2 , 李智佩1 , 朱小辉1     
1. 国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室/中国地质调查局造山带地质研究中心/中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054;
2. 大陆动力学国家重点实验室, 西北大学地质学系, 陕西 西安 710069
摘要: 通过对多坝沟地区敦煌杂岩中黑云斜长片麻岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄和Lu-Hf同位素的研究,对敦煌杂岩的形成时代和敦煌地块的前寒武纪地壳生长演化进行探讨。锆石U-Pb年代学研究表明,710Ma代表了敦煌杂岩的最大沉积时代,黑云斜长片麻岩发育422Ma的早古生代变质事件,表明敦煌地块卷入了早古生代古亚洲洋俯冲-碰撞的演化过程。锆石Hf同位素研究结果表明,敦煌地块具有幕式生长特征,经历了约2.7Ga、2.5Ga、2.3Ga、2.0Ga和1.8Ga多个地壳生长时期。黑云斜长片麻岩发育的约0.9Ga和约0.8Ga的峰值年龄表明,敦煌地块新元古代构造热事件可与塔里木克拉通对比。
关键词: 多坝沟    敦煌杂岩    碎屑锆石U-Pb年龄    锆石Lu-Hf同位素    
Zircon U-Pb age and Hf isotopes of the biotite plagioclase genesis in Duobagou area, Gansu Province
ZHU Tao1, WANG Hongliang1, XU Xueyi1, ZHAO Yan2, LI Zhipei1, ZHU Xiaohui1     
1. Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, Ministry of Land and Resources/Research Center for Orogenic Geology/CGS, Xi'an Center of Geological Survey, CGS, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, Shaanxi, China
Abstract: The LA-ICP-MS zircon U-Pb age and zircon Lu-Hf isotope were analyzed for biotite-plagioclase gneiss from Duoba-gou area, Dunhuang terrain, with the purpose of determining the formation age of the Dunhuang complex and discussing the crustal growth and evolution history of the Dunhuang terrain during Precambrian. Zircon U-Pb dating results indicate that the maximum depositional age of supracrustal rocks from the Dunhuang complex is ca. 710Ma. Additionally, the studied biotite-plagioclase gneiss indicates a metamorphic event at 422Ma, suggesting that the Precambrian Dunhuang terrain might have been involved in the subduc-tion-collision process of the Paleo-Asian Ocean during Early Paleozoic. Zircon Hf isotopes show that the Dunhuang terrain experi-enced episodic crustal growth events at ca. 2.7Ga, ca.2.5Ga, ca. 2.3Ga, ca. 2.0Ga and ca. 1.8Ga, suggesting episodic crustal growth. It is considered that the tectonic attribute could be compared with that of the Tarim craton during Neoproterozoic, as shown by the peak age at ca. 0.9Ga and ca. 0.8Ga.
Key words: Duobagou area    Dunhuang complex    detrital zircon U-Pb age    zircon Lu-Hf isotope    

新疆东部的甘肃、新疆交界及邻区的敦煌地区位于中亚地区的中部[1],区内广泛出露的前寒武纪变质基底岩石,是研究塔里木克拉通的理想地区[2-5]。前人依据区域内发育的岩石组合、所处的构造位置、地球物理资料等将夹持于且末-星星峡断裂和阿尔金断裂之间的广大区域称为敦煌地块[2-3, 6-9]。敦煌地块主要物质组成为分布于阿尔金东端的米兰岩群(杂岩)[9-10]、甘肃境内的敦煌杂岩,以及古生代侵入体和新生代火山-沉积岩系[11-12]

近年来,针对敦煌地区前寒武纪地质研究取得了一系列重要进展。然而对于敦煌地块归属问题仍存在不同的认识,部分学者认为敦煌地块是塔里木克拉通的组成部分[3-5, 8, 13-16],也有学者认为敦煌地块与其东侧的阿拉善地块或华北克拉通有相似的前寒武纪演化历史[17-22],还有学者认为新太古代—古元古代,塔里木克拉通、敦煌地块、阿拉善地块和阴山地块是可以对比的[23-24],然而对于中—新元古代的研究较少。已有研究表明,敦煌地区古生代侵入体模式年龄显示出大量中—新元古代信息[5, 24-27],中—新元古代是敦煌地块地壳演化的一个重要阶段,因此对敦煌地块中—新元古代地质研究显得尤为重要。为了进一步探讨敦煌地区前寒武纪地壳的形成、演化及其构造归属,本文在前人研究的基础上,对出露于甘肃省阿克塞县多坝沟地区的黑云斜长片麻岩进行了详细的锆石U-Pb年龄和Lu-Hf同位素分析,为敦煌地区前寒武纪地质研究提供基础资料。

1 地质背景

敦煌地块北接北山造山带,南以阿尔金南缘断裂带与祁连造山带分割,东端与阿拉善地块无明显分界,西与塔里木克拉通毗邻,夹持于且末-星星峡断裂和阿尔金断裂之间(图 1)。孙健初于1942年将分布于敦煌三危山附近的一套变质岩系命名为“敦煌系” [29],敦煌地区开展的区域地质调查工作将其命名为“敦煌群”,甘肃省地质矿产局(1989)将甘肃地区的敦煌岩群自下而上划分为4个岩组[6]:第一岩组主要由条痕状-眼球状混合岩、角闪黑云斜长片麻岩和石榴黑云片岩、石英岩及少量透辉石岩、大理岩透镜体组成;第二岩组主要为不同成分的大理岩夹少量石榴黑云石英片岩;第三岩组主要为含榴二云母石英片岩、白云母石英片岩和黑云斜长片麻岩,局部含石榴黑云斜长角闪岩;第四岩组为黑云石英片岩、黑云母变粒岩、黑云斜长片麻岩等,局部具有混合岩化现象。近年来,越来越多的研究表明,原划敦煌岩群被广泛发育的古生代岩浆岩侵入,且经历了多期变质作用[4-5, 14, 16, 24-27, 30-35]。大部分学者将这些古生代岩浆作用和变质作用解释为中亚造山带南缘于古生代期间的俯冲-碰撞造山过程[33, 36-38]

图 1 塔里木克拉通及其周缘地质简图(a,据参考文献[4]修改)和敦煌地区地质简图(b,据参考文献[28]修改) Fig.1 Sketch geological map of Talim craton(a) and the Dunhuang area(b)

多坝沟地区位于甘肃省阿克塞县西北多坝沟乡,1:20万多坝沟幅将该区出露的中深成变质岩系划分为a段(AnZa)的火山岩组和b段(AnZb)的混合岩组,火山岩组的岩石类型主要为流纹岩、英安岩和安山质凝灰熔岩,混合岩组的岩石类型主要为条带状黑云斜长角闪质混合岩、眼球状混合岩、均质混合岩、混合斜长花岗岩等。本次研究采集的黑云斜长片麻岩为深灰色中-细粒鳞片粒状变晶结构,片麻状构造(图 2),主要组成矿物为黑云母(约30%)、斜长石(约25%)、石英(约40%)及少量角闪石,其中黑云母呈片状,集合体为鳞片状,定向排列;斜长石呈他形粒状,粒度大小不等,发育聚片双晶;石英为他形粒状,压扁拉长为透镜状或不规则状,具波状消光。年龄样采样编号为09-4-2,采样点坐标为北纬39°49′0.9″、东经93°25′38.1″。

图 2 多坝沟黑云斜长片麻岩特征 Fig.2 Characteristics of biotite-plagioclase gneiss from Duobagou Bt—黑云母;Qtz—石英;Pl—斜长石
2 仪器设备和分析方法

锆石分选在廊坊区域地质调查院进行,将分选好的锆石颗粒随机固定在环氧树脂表面并抛光。抛光后对待测锆石进行透射光、反射光和阴极发光(CL)照相,选定最佳的锆石测定部位。锆石UPb-Hf同位素分析均在西北大学大陆动力国家重点实验室完成。

锆石U-Pb年龄测定在Agilient 7500a型ICPMS仪器上进行,激光束斑直径为30μm,频率为8Hz,激光剥蚀样品的深度为20~40μm。数据处理采用Glitter4.0程序,年龄计算以标准锆石91500为外标进行同位素比值分馏校正,元素浓度计算采用NIST610为外标,29Si为内标[39],样品的谐和图、年龄加权平均值计算及绘图采用Isoplot软件[40]

锆石原位Hf同位素测定在配备Geolas-193型紫外激光剥蚀系统的多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)上完成,激光的脉冲频率为10Hz,激光束直径为32μm,176Lu和176Yb对176Hf的同质异位素干扰通过监测175Lu和172Yb信号强度,采用175Lu/176Lu=0.02655和176Yb/172Yb=0.5886[41]进行校正,以标准锆石91500、GJ-1与样品锆石交叉分析对仪器漂移进行外部监控。分析结果所获得标准样品91500和GJ-1的176Hf/177Hf值分别为0.282283± 0.000041(n=4, 2σ)和0.282019 ± 0.000029(n=4,2σ),在误差范围内与参考值吻合[42-43]。计算εHf(t)时,球粒陨石的176Hf/177Hf值为0.282772,176Lu/177Hf值为0.0332[44],单阶段Hf模式年龄(TDM1)计算时,亏损地幔的值采用176Hf/177Hf=0.28325,176Lu/177Hf=0.0384[45],两阶段Hf模式年龄(TDM2)计算时,平均地壳的176Lu/ 177Hf值为0.015[46]

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年龄

多坝沟黑云斜长片麻岩中的锆石为无色或淡黄色,形态不规则,多数锆石为半自形-自形。CL图像(图 3)显示,锆石多呈浑圆状,并发育岩浆生长振荡环带(点26、44)或板状环带(点25、48),部分岩浆锆石包裹核部锆石,形态与岩浆锆石差异明显(点19、27、49),核部为继承或捕获锆石,部分锆石发育亮色加大边(点1、2、6、7等),表明其经历了后期的构造-热事件改造。随机选择黑云斜长片麻岩中的52颗锆石进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,结果表明(表 1),锆石表面年龄信息丰富,年龄值跨度较大,其中最大年龄为3214Ma,最小年龄为404Ma,显示了锆石的多成因特征。锆石U-Pb谐和图(图 4-a)和谐和年龄频率分布图(图 4-b)表明,岩石主要有3个年龄峰值,由老至新分别为2090Ma、979Ma和422Ma,主峰值为422Ma(图 4-cd),另外还发育2个次级峰值年龄,分别为2518Ma、856Ma。此外,还见约1800Ma和2700Ma的锆石年龄信息。

图 3 敦煌杂岩锆石阴极发光(CL)图像 Fig.3 CL images of the zircon from Dunhuang complex
表 1 黑云斜长片麻岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素测试数据 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical data of biotite-plagioclase gneiss
图 4 敦煌杂岩锆石U-Pb年龄谐和图和年龄频谱图 Fig.4 U-Pb concordia diagrams, histograms and relative probability plots of zircons from Dunhuang complex
3.2 锆石Lu-Hf同位素

对锆石进行了43组Hf同位素测试,点位与UPb定年点位相同,Hf同位素分析数据表明,不同年龄锆石具有不同的εHf(t)值和两阶段模式年龄TDM2值(表 2)。其中表面年龄3214Ma的锆石εHf(t)为-0.93,TDM2为3600Ma,约2700Ma锆石的εHf(t)值介于3.44~ 7.32之间,TDM介于2708~2968Ma之间,峰值年龄为2518Ma的锆石εHf(t)值介于2.96~8.44之间,TDM2介于2583~2872Ma之间,峰值年龄为2090Ma的锆石εHf(t)值可明显分为2组,一组εHf(t)值为-2.31~-2.81,其两阶段模式年龄介于2782~2820Ma之间,另一组εHf(t)值介于3.49~4.27之间,两阶段模式年龄为2380~2462Ma,约1800Ma的2粒锆石的εHf(t)值分别为-4.91和6.99,TDM2分别为2784Ma和2062Ma。峰值年龄为979Ma的锆石εHf(t)也明显分为2组,第一组2粒锆石的εHf(t)值分别为-12.05和-3.89,对应的两阶段模式年龄分别为2591Ma和2059Ma,第二组锆石的εHf(t)值介于2.85~10.38之间,两阶段模式年龄介于1204~1638Ma之间。856Ma峰值年龄的锆石εHf(t)也明显分为2组,第一组2粒锆石εHf(t)值分别为-9.26和-3.83,对应的两阶段模式年龄分别为2317Ma和1952Ma,第二组锆石εHf(t)值介于1.42~ 4.43之间,两阶段模式年龄介于1469~1572Ma之间。主峰年龄422Ma的锆石εHf(t)值也可分为正、负2组,其中负值介于-12.98~-0.34之间,TDM2介于1435~2206Ma之间,正值介于0.90~10.75之间,TDM2介于728~2347Ma之间。

表 2 黑云斜长片麻岩Hf同位素组成 Table 2 Analytical data of zircon Hf isotope composition of biotite-plagioclase gneiss
4 讨论 4.1 多坝沟地区前寒武纪岩石年代学

近年的研究表明,敦煌地区发育众多的古生代岩浆-变质事件[5, 14, 16, 24-27, 32],敦煌地区古生代经历了俯冲-碰撞-快速抬升造山的构造演化过程[36],该过程可能从奥陶纪持续到石炭纪,因此本文获得的422Ma的锆石峰值年龄代表了敦煌地区顶志留世的一次变质事件,其时限与研究区东部蘑菇台、红柳峡地区存在的变质事件年龄基本一致[14, 24]。422Ma的年龄值代表了敦煌杂岩早古生代的一期变质事件年龄,碎屑锆石年龄分布于710~3214Ma之间,因此710Ma代表了地层的最大沉积时代。

4.2 敦煌地区前寒武纪地壳生长和演化

锆石Hf同位素组成已成为目前大陆地壳生长和演化研究的有效工具[47],新生地壳所形成的锆石具有正的εHf(t)值,且其形成年龄和模式年龄相近[48],本文运用εHf(t)值和两阶段模式年龄对敦煌地区前寒武纪生长演化进行了探讨(图 5)。样品Hf模式年龄最大值为3600Ma,εHf(t)为负值,表明敦煌地区可能存在3.6Ga的大陆地壳。2707Ma的锆石εHf(t)值为7.33,两阶段模式年龄值为2708Ma;εHf(t)值介于-2.31~-2.81之间、峰值年龄为2090Ma的锆石,其两阶段模式年龄介于2782~2820Ma之间;表面年龄为1834Ma的锆石εHf(t)值为-4.19,两阶段模式年龄为2784Ma,表明敦煌地区2.7Ga为太古宙地壳生长时期,与红柳河—石包城地区形成于2.7Ga的TTG岩石和阿克塔什塔格杂岩中暗色包体的形成时代一致[15, 49]。敦煌地区另一期重要的生长事件发生在2.5Ga左右,表面年龄2500Ma左右的锆石具有正的εHf(t)值,两阶段模式年龄介于2483~ 2587Ma之间,表面年龄为993Ma的锆石εHf(t)值为- 12.05,两阶段模式年龄为2591Ma,该期生长事件与水峡口和石包城地区正片麻岩的形成年龄相近[20-21],模式年龄为2.3Ga的锆石与红柳峡地区正片麻岩的形成时代接近[20],表面年龄为1.8Ga、0.9Ga、0.8Ga和0.4Ga的锆石分别具有负的εHf(t)值,而其模式年龄均为2.0Ga,与干沟和浪柴沟地区的变质事件年龄一致[31, 49]。本次分析样品中仅有1件样品的两阶段模式年龄在1.8Ga左右,两阶段模式年龄为1725Ma,峰值年龄为979Ma和856Ma且具有正εHf(t)值的锆石与422Ma峰值具有负εHf(t)值的锆石具有相似的两阶段模式年龄,模式年龄值介于1204~ 1639Ma之间,1639Ma的模式年龄与红柳峡河地区石榴子石斜长角闪岩的形成时代一致[50],主峰年龄422Ma具有正εHf(t)值的锆石TDM2介于728~1347Ma之间,表明敦煌地区存在新元古代地壳再造物质。

图 5 敦煌杂岩锆石Lu-Hf同位素组成 Fig.5 Zircon Lu-Hf isotopic compositions of Dunhuang complex
4.3 构造意义

敦煌地区前寒武纪地质研究结果表明,敦煌地区出露众多太古宙和元古宙的变质基底岩石。其中以中太古代以东巴兔山3.06Ga的片麻岩为代表[22],新太古代以浪柴沟和石包城地区发育的2.7Ga的TTG岩石为主[3, 31, 44],约2.5Ga则发育于石包城和红柳峡河地区,也以TTG岩石为主[20],区域上关于古元古代早期(约2.3Ga)的岩石报道较少[20],包括本文在内的多数约2.3Ga的年龄信息多为模式年龄,与前人研究成果相似[35]。敦煌地块于古元古代(约2.0Ga)发育一期重要的变质作用,干沟和浪柴沟地区的TTG岩石记录了本期变质事件[31, 44],古元古代另一期重要的地壳生长事件则发生在1.8Ga左右,于红柳峡、好不拉和三危山地区发育多个片麻岩[33],干沟、石包城和红柳峡地区TTG岩石发育于同期的变质作用也印证了这一点[20, 31, 35]。因此,敦煌地块前寒武纪具有幕式生长特征[49],约2.7Ga、约2.5Ga、约2.3Ga、约2.0Ga和约1.8Ga是几个重要的地壳生长期。然而区域上关于古元古代早期(约2.3Ga)岩石的报道较少,多以模式年龄出现,因此,该时期敦煌地区有关大陆地壳形成演化的研究有待于进一步深入。

华北克拉通、扬子克拉通和塔里木克拉通是中国3个主要的前寒武纪克拉通[17, 51],发育众多早前寒武纪陆壳岩石和多期变质事件,其基底构造属性、物质来源、岩浆演化及锆石年龄谱系常被作为微陆块(地块)亲缘性研究的参照物[52],精确的同位素年龄数据为锆石年龄谱系对比研究提供了基础。已有研究表明,太古宙—古元古代,包括约2.7Ga、约2.5Ga、约2.0Ga和约1.8Ga的地壳生长事件在各克拉通普遍发育[53],敦煌地块锆石年代学成果体现了相似的特征[20, 24, 31, 49],而本文样品所呈现的约0.9Ga和约0.8Ga两个新元古代峰值年龄与东天山—北山地区星星峡杂岩花岗片麻岩的形成时代[54]和石板墩地区北山杂岩中斜长角闪岩和片麻岩、古堡泉地区正片麻岩、雅丹地区片麻状花岗岩的形成时代[54-56],以及北山杂岩石榴子石片岩的变质时代相近[57],约0.7Ga的峰值年龄则与库鲁克塔格和库尔勒地区发育的基性岩墙、中-酸性侵入体和特瑞爱肯组玄武岩形成时代,以及碎屑锆石峰值年龄接近[58-61],新元古代年龄峰值结果表明,敦煌地块新元古代与塔里木克拉通具有较好的可比性。因此,笔者认为,敦煌地块与大多克拉通具有相似的太古宙—古元古代演化特征,新元古代演化则可与塔里木克拉通进行对比。

5 结论

(1)敦煌杂岩黑云斜长片麻岩的变质时代为422Ma,表明敦煌杂岩经历了早古生代造山事件,敦煌杂岩卷入了早古生代古亚洲洋俯冲-碰撞的演化过程。

(2)敦煌杂岩碎屑锆石年龄分布于0.7~3.2Ga之间,具有多个峰值年龄,由老至新分别为2518Ma、2090Ma、979Ma和856Ma,710Ma代表地层的最大沉积时代。

(3)锆石Hf同位素结果显示,敦煌地区具有幕式生长特征,地壳生长集中于约2.7Ga、约2.5Ga、约2.3Ga、约2.0Ga和约1.8Ga。

(4)敦煌地块太古宙—古元古代具有与大多数克拉通相似的生长过程,新元古代构造热事件则可与塔里木克拉通进行对比。

致谢: 样品测试过程中得到了西北大学大陆动力国家重点实验室第五春荣、戴梦宁、张红等老师的大力帮助,成文过程得到中国地质调查局西安地质调查中心孙吉明、李平工程师的帮助,在此一并表示感谢。

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