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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (4): 724-733  
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张越, 李向民, 潘峰, 宋忠宝. 北祁连牛心山似斑状正长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义[J]. 地质通报, 2018, 37(4): 724-733.
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Zhang Y, Li X M, Pan F, Song Z B. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the porphyaceous syenogranite in Niuxinshan along the central segment of North Qilian orogenic belt and its geological significance[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(4): 724-733.
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基金项目

中国地质调查局项目《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

张越(1985-), 男, 硕士, 工程师, 从事岩石地球化学研究。E-mail:413027602@qq.com

文章历史

收稿日期: 2017-07-07
修订日期: 2018-03-13
北祁连牛心山似斑状正长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义
张越 , 李向民 , 潘峰 , 宋忠宝     
中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054
摘要: 青海省祁连县西出露一个似斑状正长花岗岩体,运用LA-ICP-MS方法,对似斑状正长花岗岩中的锆石进行U-Pb同位素分析。测年结果显示,似斑状正长花岗岩的形成年龄为166.6±2.4Ma,表明其形成于燕山期中侏罗世,继承锆石显示前寒武纪源区的时代信息。岩石地球化学特征表明,似斑状正长花岗岩具有高硅、富碱特点,属于过铝质高钾钙碱性岩,具弱负Eu异常,富集Rb、Th、K,亏损Ba、Nb、P、Ti,Rb/Sr值平均为1.86,反映出壳源特点,为S型花岗岩。
关键词: 北祁连造山带    花岗岩    地球化学特征    LA-ICP-MS锆石U-Pb测年    
LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the porphyaceous syenogranite in Niuxinshan along the central segment of North Qilian orogenic belt and its geological significance
ZHANG Yue, LI Xiangmin, PAN Feng, SONG Zhongbao     
Xi'an Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: The porphyaceous syenogranite pluton is exposed in the west of Qilian Country, Qinghai Province. The authors conduct-ed LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the porphyaceous syenogranite and the result shows that the age is 166.6±2.4Ma, suggesting the Middle Jurassic of Yanshanian period. Several inheritable magmatic zircons yielded the age information of the Precambrian peri-od. Geochemical data show that the porphyaceous syenogranite is silica-enriched in composition with high content of alkali, and hence it is a peraluminous granite and belongs to the high-K calc-alkaline series. It is characterized by enrichment of Rb, Th, K, de-pletion of Ba, Nb, P, Ti, and weak negative anomaly of Eu, with the average Rb/Sr ratio being 1.86, which reflects the characteris-tics of the crust source and indicates S type granite.
Key words: North Qilian orogenic belt    granite    geochemical characteristics    LA-ICP-MS zircon U-Pb dating    

北祁连造山带位于青藏高原东北缘,是中祁连地块与华北板块西部之间典型的碰撞造山带,与秦岭、昆仑一起构成中国大陆内部巨型的中央造山带,是中国大陆板块构造研究的摇篮[1]。近年来,关于北祁连造山带古老基底、洋盆性质与洋壳俯冲碰撞过程,以及大地构造演化等问题,一直受到众多专家的关注[2-18]

花岗岩研究是确定造山带构造发展演化的重要手段之一,特别是花岗岩的精确定年,在确定造山带构造发展演化阶段的年代学方面具有不可替代的作用。北祁连山分布着大量的花岗岩类,研究者对部分岩体做过研究。从祁连地区现有的年代学数据看,除少数花岗岩为元古宙外,其他都集中在加里东期,如野牛滩岩体锆石U-Pb年龄为459.6±2.5Ma[19];窑沟岩体和牛心山岩体锆石U-Pb年龄分别为463.2±4.7Ma和476.7±6.6Ma[20];车路沟岩体锆石U-Pb年龄为445.6±3.2Ma[21];桦树沟闪长玢岩锆石U-Pb年龄为421±24Ma[22];张德全等[23]对金佛寺岩体第Ⅰ、Ⅱ期岩体进行了Rb-Sr测年,年龄分别为419.87±0.4Ma和403.7±0.08Ma;刘晓煌等[24]对金佛寺岩体第Ⅰ、Ⅱ期岩体进行了Rb-Sr和Sm-Nd测年,Rb-Sr年龄分别为426.5Ma和389.6Ma,Sm-Nd年龄分别为421.9Ma和391.3Ma;小柳沟二长花岗岩和花岗闪长岩形成年龄分别为454.0±2.0Ma和417.7±1.7Ma[1]。有意义的是,二长花岗岩和花岗闪长岩的测年工作均获得了海西期和燕山期的年代学信息,年龄范围分别为346.0 ± 2.1~393.5 ± 3.5Ma和161.0 ± 1.6~ 183.5±1.2Ma,印证了前人关于北祁连西段存在海西期、燕山期岩浆活动的报道[19, 21]。笔者在野外调研期间,发现牛心山岩体由多期次岩浆作用形成,出露面积均较大。本文选择牛心山肉红色似斑状正长花岗岩为对象(图 1),在LA-ICP-MS锆石U-Pb测年的基础上,通过岩相学、地球化学等综合研究,探讨其岩石成因及其地质意义。

图 1 北祁连牛心山一带地质图 Fig.1 Geological map of Niuxinshan, North Qilian
1 岩体地质特征

该肉红色似斑状正长花岗岩岩体位于祁连县城西南约15km处的冰沟口,呈北西西向延伸,长约10km,宽2~3km,出露面积约20km2。沿牛心山复向斜轴部侵入,两侧为寒武系,在接触带附近,明显见到似斑状正长花岗岩呈脉状穿插到围岩黑云斜长角闪片麻岩中,围岩具明显的片理化、混合岩化、混染现象,岩体内部有大量围岩捕虏体(图 2-D)。岩体斜切岩层走向和倾向,但分布方向大体与区域构造线方向一致。

图 2 花岗岩样品野外和镜下显微特征 Fig.2 Photos of rocks and microphotographs of granites Qtz—石英;Tur—电气石;Kfs—钾长石;Grt—石榴子石

经过详细的手标本及显微镜观察,牛心山肉红色似斑状正长花岗岩主要岩石特征为:似斑状结构、块状构造。斑晶为钾长石,部分发育棋盘格子状双晶和卡斯巴双晶,含量在35%~40%之间。基质呈半自形-他形粒状结构,其中主要的浅色矿物由具动态重结晶的亚颗粒状石英(18%~22%)、板片状微斜长石(约30%)和少量斜长石构成(约10%)。暗色矿物主要为电气石,节理发育,另有少量石榴子石、榍石等(图 2-ABC)。

2 锆石U-Th-Pb同位素分析 2.1 分析方法

所采年龄样品破碎和锆石挑选在河北省廊坊区域地质调查研究院地质实验室完成。锆石阴极发光(CL)图像及LA-ICP-MS定年在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成,阴极发光图像所用仪器为FEI公司的场发射环境扫描电子显微Quanta400 EFC,分析电压15kV,电流19nA;锆石U-Pb原位定年分析所用仪器为Agilent型ICP-MS及与之配套的激光剥蚀系统(德国Lamda Physik公司生产的Geolas 200M深紫外DUV 193nmArF准分子激光剥蚀系统)。激光斑束直径为30μm,剥蚀样品的深度为20~40μm。数据处理软件使用ICPMS Data Cal程序[25]和Ludwig的Isoplot程序[26]。年龄计算时以标准锆石91500为外标进行同位素比值校正[27]。元素含量以标准玻璃NIST612为外标计算。对于锆石年龄大于1.0Ga的数据,采用207Pb/206Pb年龄,而对于锆石年龄小于1.0Ga的数据,采用206Pb/238U年龄[28-29]。以206Pb/238U年龄和207Pb/206Pb年龄值为标准选择U-Pb年龄数据[28, 30-32],谐和度介于90% ~ 110%的数据为有效数据。

2.2 分析结果

阴极发光图像表明,锆石具有明显的振荡环带或扇形分带,表明其为岩浆成因锆石(图 3)。锆石样品在双目镜下呈粉色透明体,大多呈长柱状,部分晶体两端可见双锥。其中,柱状锆石晶体长50~ 150μm,宽50~100μm,长宽比多为2:1~3:1;部分锆石晶形较完整,大小各异。这些锆石的阴极发光强度较强,大多显示核-幔结构。

图 3 锆石阴极发光(CL)图像 Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of zircons

锆石测年结果如表 1所示。其中,Th含量为29.79 ×10-6~392.66 ×10-6,U含量为149.97 ×10-6~ 756.36×10-6,除4号点的Th/U值为0.04外,其余锆石Th/U值为0.28~0.83,平均为0.52。测定了24粒锆石,有效点数20个,其中12、18、21、22号点的测试异常已删去(锆石被击穿,所得数据量少,测试结果不可靠)。在U-Pb谐和图和年龄频谱上,所有分析点并不是集中于一个范围,而是出现了2个集中区(图 4),第一组206Pb/238U年龄加权平均值为166.6± 2.4Ma(图 5),第二组206Pb/238U年龄加权平均值为789.5±6.7Ma(图 6),其中4号点的207Pb/206Pb年龄为1469 ± 28Ma,23号点的207Pb/206Pb年龄为1628 ± 39Ma。锆石依据阴极发光图像内部结构的差异和表面年龄明显可分为2类,第一类为2、6、7、8、9、10、11、13、14、16、17号锆石,均显示岩浆锆石特征,振荡环带清晰,U、Th之间具有良好的相关性(R2= 0.5835)(图 7),其206Pb/238U年龄加权平均值为166.6±2.4Ma,代表锆石形成年龄;第二类为1、3、5、15、19、20、24、4、23号锆石,有明显的蚀变边,振荡环带较弱,具有明显继承锆石的特征,U、Th之间相关系数R2=0.3219(图 7),除4、23号点外,其他206Pb/ 238U年龄加权平均值为789.5±6.7Ma,代表捕获锆石的年龄。

表 1 LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb定年结果 Table 1 Results of zircon LA-ICP-MS U-Th-Pb dating
图 4 锆石U-Pb谐和图和年龄频谱图 Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagram and age spectra
图 5 锆石U-Pb谐和图及206Pb/238U年龄 Fig.5 Zircon U-Pb concordia diagram and weighted average diagram
图 6 锆石U-Pb谐和图及206Pb/238U年龄 Fig.6 Zircon U-Pb concordia diagram and weighted average diagram
图 7 锆石Th-U之间的相关性 Fig.7 Diagram of relativity between Th and U in zircons
3 地球化学特征

在薄片鉴定的基础上,选择了8件较新鲜的岩石样品进行化学分析,分析在中国地质调查局西安地质调查中心完成。主量元素用X荧光光谱仪3080E测试,稀土和微量元素Cu、Pb、Th、U、Hf、Ta、Sc、Cs、V、Co、Ni用等离子质谱测试,微量元素Sr、Ba、Zn、Rb、Nb、Zr、Ga用X荧光光谱仪2100测试。8个正长花岗岩代表性样品的主量、微量和稀土元素的分析结果列于表 2

表 2 花岗岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace and rare earth elements compositions of the granites
3.1 主量元素

牛心山似斑状正长花岗岩的SiO2含量较稳定,为72.42%~75.98%,平均为74.26%;Al2O3含量为13.47%~14.24%,平均为13.97%;K2O+Na2O含量介于8.31%~8.98%之间,平均为8.65%;K2O/Na2O=0.57~1.59,平均为1.14,铝饱和指数(A/CNK)介于0.99~1.03之间。Fe* =0.44~0.59,MALI=6.28~ 8.34,反映了岩石的铝弱过饱和。在A/CNKA/NK图解(图 8-a)上,绝大多数样品点落在准铝质和过铝质分界线附近,而偏向于过铝质,在SiO2-K2O图解(图 8-b)上,样品点基本落在高钾钙碱性系列区域。在SiO2-Fe*图解(图 9-a)上,样品点投在镁质区域,在SiO2-MALI图解(图 9-b)上,样品点大多落在CA区域。所以牛心山似斑状正长花岗岩具有高硅、富碱特点,属于过铝质高钾钙碱性系列。

图 8 花岗岩A/CNK-A/NK[33]和SiO2-K2O图解[34] Fig.8 A/CNK-A/NK and SiO2-K2O diagrams of the granites
图 9 花岗岩SiO2-Fe*(a)和SiO2-MALI图解(b)[35-36] Fig.9 SiO2-Fe*(a) and SiO2-MALI(b) diagrams of the granites
3.2 稀土和微量元素

牛心山正长花岗岩的稀土元素总量(ΣREE)为45.75 ×10-6~78.14 ×10-6,平均为59.00 ×10-6。LREE/HREE值介于1.58~3.18之间,(La/Yb)N= 1.29~2.88,显示轻、重稀土元素分馏作用不明显,略富集轻稀土元素。(La/Sm)N=2.07~2.35,(Gd/Yb)N= 0.64~1.07,表明轻稀土元素分馏相对明显,而重稀土元素分馏不显著。δEu值介于0.47~0.84之间,显示Eu具弱负异常(图 10-a),表明在花岗岩岩浆喷发前发生过斜长石的分离结晶作用或源区有斜长石残留。

图 10 稀土元素球粒陨石配分模式图[37](a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图[37](b) Fig.10 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b)

微量元素分析结果显示,牛心山正长花岗岩富集大离子亲石元素Rb、Th、K,而Ba、Nb、P、Ti明显亏损,具有活动大陆边缘花岗岩特征(图 10-b)。Rb/Sr值介于1.60~2.28之间,平均为1.86,明显高于上地幔值(0.034)和地壳值(0.35)[38],反映壳源特点。

4 讨论

牛心山肉红色似斑状正长花岗岩为过铝质高钾钙碱性花岗岩,岩石中SiO2含量介于72.42%~ 75.98%,平均为74.26%,Rb/Sr值介于1.60~2.28之间,平均为1.86,明显低于全球148个典型A型花岗岩的平均值(3.52),接近S型花岗岩578个样品平均值(1.81),高于Ⅰ型花岗岩991个样品的平均值(0.61),也高于全球典型M型花岗岩17个样品的平均值(0.06);花岗岩Rb/Ba值介于0.63~1.09之间,平均值为0.85,高于Ⅰ型花岗岩991个样品的平均值(0.28),接近于全球148个典型A型花岗岩的平均值(0.48)和S型花岗岩578个样品的平均值(0.47),而远高于全球典型M型花岗岩17个样品的平均值(0.07)[39]。稀土元素具弱负Eu异常,铝饱和指数(A/CNK)介于0.99~1.03之间。综合分析,牛心山肉红色似斑状正长花岗岩显示S型花岗岩特征。

似斑状正长花岗岩样品挑选出的锆石在阴极发光图中明显可分为2类,第一类锆石振荡环带清晰,U、Th之间具有良好的相关性(R2=0.5835),显示典型的岩浆锆石特点(2、6、7、8、9、10、11、13、14、16、17号锆石);第二类锆石振荡环带较弱,锆石有明显的蚀变边,U、Th之间相关系数R2=0.3219,具有明显继承锆石特点(1、3、5、15、19、20、24、4、23号锆石)。通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,其数据分析结果也与阴极发光图完全一致,可分为2类,第一类锆石206Pb/238U年龄加权平均值为166.6±2.4Ma,代表岩浆结晶年龄,即牛心山肉红色似斑状正长花岗岩形成于燕山期中侏罗世;除4、23号点外,第二类锆石206Pb/238U年龄加权平均值为789.5±6.7Ma,代表捕获锆石的年龄,根据野外及产状特征,花岗岩岩体中有大量围岩黑云斜长角闪片麻岩包裹体,同时岩浆运移距离不远,此类锆石可能为围岩部分熔融形成的,代表围岩年龄,即黑云斜长角闪片麻岩年龄可能为前寒武纪新元古代;其中4号点207Pb/206Pb年龄为1469±28Ma,23号点207Pb/206Pb年龄为1628±39Ma,可能反映了其前寒武纪中元古代源区的时代信息。

北祁连造山带燕山期地质事件尚未有报道,是否有燕山期岩浆活动和成矿作用是目前关心的科学问题。毛景文等[19]对野牛滩岩体中黑云母花岗岩锆石U-Pb测年所得出的下交点年龄表明,北祁连地区有燕山早期酸性岩浆活动;赵辛敏等[1]对小柳沟花岗岩进行定年,发现燕山期的年代学信息,燕山期岩浆热事件改造小柳沟花岗岩。前人关于燕山期岩浆活动的报道均未发现地质实体。笔者首次在北祁连地区发现燕山期岩体,印证了前人对该地区燕山期岩浆活动的报道[1, 19, 21],并对岩体进行了详细的地球化学和年代学分析。吴才来等[20]对牛心山红色花岗岩进行了SHRIMP U-Pb定年,确定其年龄为476±6.6Ma。本文通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,确定似斑状正长花岗岩年龄为166.6± 2.4Ma,结果不矛盾。野外观测得知,牛心山经历了多期岩浆事件,其岩体还需区域地质调查进一步解体。

5 结论

(1)牛心山肉红色似斑状正长花岗的锆石206Pb/238U年龄加权平均值为166.6±2.4Ma,表明其形成于燕山期中侏罗世。

(2)继承锆石的206Pb/238U年龄加权平均值为789.5±6.7Ma,可能代表围岩的年龄;继承锆石(4、23号点)207Pb/206Pb年龄为1469±28Ma、1628±39Ma,可能反映了其前寒武纪中元古代源区的时代信息。

(3)似斑状正长花岗岩具有高硅、富碱特点,属于过铝质高钾钙碱性系列,轻、重稀土元素分馏作用不明显,具弱负Eu异常,富集Rb、Th、K,亏损Ba、Nb、P、Ti,显示S型花岗岩特征。

(4)牛心山是一个复合岩体,对其各组分岩体的组成特征、侵位时代和过程,区域上不同时期岩体的成矿效应及其与造山带演化的关系需要进一步研究。

致谢: 感谢甘肃四堪院张野工程师及中国地质大学(北京)博士生邵华胜对野外工作的帮助,审稿专家对文章提出了诸多宝贵意见,在此表示感谢。

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