华北克拉通对Rodinia超大陆裂解的响应——来自贺兰山北段小松山地区辉长岩地球化学、年代学及Hf同位素的新证据
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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (6): 1075-1086  
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朱强, 曾佐勋, 李天斌, 王成, 刘更生. 华北克拉通对Rodinia超大陆裂解的响应——来自贺兰山北段小松山地区辉长岩地球化学、年代学及Hf同位素的新证据[J]. 地质通报, 2018, 37(6): 1075-1086.
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Zhu Q, Zeng Z X, Li T B, Wang C, Liu G S. Response of the North China Craton to the Rodinia supercontinent breakup: New evidence from petrochemistry, chronology and Hf isotope of the gabbro in Xiaosongshan area of northern Helan Moun-tain[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(6): 1075-1086.
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基金项目

安徽省国土资源科技项目《明光市管店—全椒县马厂一带金多金属矿控矿构造研究》(编号:2014-K-6)

作者简介

朱强(1989-), 男, 硕士, 工程师, 从事构造地质学与地球化学研究。E-mail:350470064@qq.com

通讯作者

曾佐勋(1954-), 男, 教授, 博士生导师, 从事构造地质学教学和科研。E-mail:zuoxun.zeng@126.com

文章历史

收稿日期: 2017-09-29
修订日期: 2017-10-16
华北克拉通对Rodinia超大陆裂解的响应——来自贺兰山北段小松山地区辉长岩地球化学、年代学及Hf同位素的新证据
朱强1 , 曾佐勋2,3 , 李天斌4 , 王成5 , 刘更生4     
1. 安徽省地质调查院, 安徽 合肥 23001;
2. 中国地质大学(武汉) 地球科学学院, 湖北 武汉 430074;
3. 华中构造力学研究中心, 湖北 武汉 430074;
4. 宁夏回族自治区国土资源调查监测院, 宁夏 银川 750021;
5. 宁夏回族自治区地质调查院, 宁夏 银川 750021
摘要: 华北克拉通西缘贺兰山北段小松山地区辉长岩锆石U-Pb年代学、岩石地球化学和锆石Hf同位素的研究结果表明,辉长岩的侵位结晶年龄为835.5±5.3Ma,即形成于新元古代早期,属于板内拉斑玄武岩系列岩石,总体上略富集轻稀土元素、大离子亲石元素Rb、Ba、La,略亏损高场强元素Th、Nb、Zr、Hf等;具有较高的εHft)值(5.83~7.87),其单阶段模式年龄tDM1为1075~1155Ma,两阶段模式年龄tDM2为1176~1289Ma。综合研究发现,辉长岩的原始岩浆起源于中元古代富集型地幔,形成于华北陆块西缘的板内伸展环境,说明华北陆块响应了Rodinia超大陆裂解,也是Rodinia超大陆的一部分。
关键词: 辉长岩    锆石U-Pb年龄    元素地球化学    Hf同位素    Rodinia裂解    华北陆块    新元古代    
Response of the North China Craton to the Rodinia supercontinent breakup: New evidence from petrochemistry, chronology and Hf isotope of the gabbro in Xiaosongshan area of northern Helan Moun-tain
ZHU Qiang1, ZENG Zuoxun2,3, LI Tianbin4, WANG Cheng5, LIU Gengsheng4     
1. Geological Survey of Anhui Province, Hefei 230001, Anhui, China;
2. Faculty of Earth Science, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China;
3. Huazhong Tectonomechanical Research Center, Wuhan 430074, Hubei, China;
4. Ningxia Monitoring Institute of Land and Resources Survey, Yinchuan 750021, Ningxia, China;
5. Geological Survey of Ningxia, Yinchuan 750021, Ningxia, China
Abstract: Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating, petrochemistry and zircon Hf isotope study of the gabbros from Xiaoshongshan area of the North Helanshan show that the emplacement crystallization age is 835.5±5.3Ma, suggesting early Neoproterozoic. The gab-bros belong to intraplate tholeiite basalt series, and are slightly rich in LREE, rich in Rb, Ba, La, and slightly depleted in HFSE, Th, Nb, Ta, Zr and Hf; Hf isotopic data of the gabbros show high εHf(t) values (5.83~7.87), the single stage model age tDM1 is 1075~1155Ma, and the two stage model age tDM2 is 1176~1289Ma. Comprehensive studies suggest that the magma of gabbros originated from an enriched mantle in the Mesoproterozoic, and was formed in an intraplate extension setting on the western margin of the North China continental blocks. The authors thus infer that this magma event was a response of the North China continental blocks to the breakup of the Rodinia supercontinent. Therefore, it was also a part of the supercontinent.
Key words: gabbros    zircon U-Pb age    element geochemistry    Hf isotope    breakup of Rodinia    North China Craton    Neoproterozoic    

Rodinia超大陆是继哥伦比亚超大陆解体后,于中元古代末期—新元古代早期形成的超级大陆。目前的研究成果表明,Rodinia超大陆最终聚合的时间约为900Ma[1-3],以Grenville期造山带为各板块拼合的主要标志。超大陆的裂解发生在新元古代早期,裂解过程具有明显的时、空分布不均一性及较大的穿时性,目前,大部分学者认为,地幔柱可能是导致超大陆裂解过程的主要机制[4-6]。中国的华南陆块、塔里木陆块等前寒武纪的构造-岩浆事件研究结果表明,其响应了中元古代晚期—新元古代早中期Rodinia超大陆的汇聚和裂解过程[7-19]。近年来,华北陆块周缘也陆续报道了新元古代早期的基性侵入体(图 1-a),王海清等[20]对华北陆块东南缘徐淮地区辉绿岩床群进行的年代学研究显示,该区绝大多数辉绿岩的侵位结晶年龄为890Ma,即其形成于新元古代的早期;彭澎等[21-23]在对华北陆块的基性岩墙研究中,通过SHRIMP锆石U-Pb等定年技术,报道了约800Ma的左权基性岩墙、920Ma的中部恒山地区大石沟基性岩墙。此外,在甘肃、秦岭、辽东等地也相继发现了新元古代基性岩墙,并指出它们与全球性新元古代Rodinia超大陆聚合和裂解以及与超大陆重建的关系[24-25]。尽管如此,华北陆块新元古代岩浆岩的分布范围及规模均难以与华南和塔里木板块相比,而且华北陆块的一些基性岩墙群形成时代较早,与同时期华南板块和塔里木板块的岩浆事件在构造属性和岩浆活动序列上都存在明显差异,这些岩浆事件仅能说明华北陆块在新元古代存在岩浆活动,对于华北陆块是否响应了Rodinia超大陆的裂解过程仍存在争议[26-28],因此,对华北陆块与Rodinia超大陆的裂解研究显得尤为重要。

图 1 华北克拉通新元古代基性岩(墙)及研究区大地构造位置(a)和地质简图(b,据参考文献 Fig.1 The distribution of the Neoproterozoic mafic dykes(swarm)in the North China Craton, schematic map of geotectonic position (a) and geological sketch map of the study area (b) Pt3z—古元古代贺兰山岩群;∈3-O1a—寒武纪-奥陶纪阿不切亥组;O1m—奥陶纪马家沟组;J3a-侏罗纪安定组

本文在前人研究的基础上,对出露于华北陆块西缘贺兰山北段小松山地区的辉长岩进行了岩石地球化学、年代学和锆石Hf同位素研究,为华北陆块Rodinia超大陆裂解的响应研究提供了新的证据。

1 地质背景与样品

研究区位于华北克拉通西部陆块西缘,鄂尔多斯地块与阿拉善地块之间的贺兰山北段小松山地区,构造活动频繁,后期改造强烈,地质特征复杂。沿贺兰山西麓深大断裂带控制的伊克田-小松山基性-超基性杂岩体呈带展布,与上侏罗统安定组、寒武纪—奥陶纪灰岩、古元古代贺兰山岩群变粒岩、片麻岩等变质岩呈断层接触(图 1-b)。外接触带具有大理岩化、蛇纹石化等热接触变质现象,形成了大理岩、蛇纹石化大理岩、硅灰石角岩等变质岩,内接触带发育蛇纹石化、滑石化、矽卡岩化等蚀变现象

本次研究的样品采自小松山辉长岩体内部,野外露头新鲜(图 2-ab),地理坐标:北纬39°06′17″、东经106°02′06″。样品烧失量大于2%,显示蚀变特征。岩石薄片镜下特征显示,原岩结构几乎均已消失,仅见粒状、纤维状变晶结构,变余碎裂辉长结构,以基性斜长石和辉石为主(图 2-cd),可见零星分布的黑云母。矿物已多蚀变,主要有斜长石(绢云母化)、蚀变单斜辉石、透闪-阳起石、绿帘石-绿泥石、碳酸盐矿物等。综合野外样品特征、岩石薄片鉴定及化学分析结果,将岩石定名为细-中粒变辉长岩。从辉长岩样品HL39-1中分选出锆石颗粒,用来进行锆石原位微区U-Pb同位素测年和Hf同位素分析。同时挑选了HL29- 1、HL29- 2、HL39-1、HL39-2四个蚀变程度最低的样品进行全岩主量和微量元素地球化学分析。

图 2 辉长岩野外及镜下照片 Fig.2 Field and microscope photos of the grabbos Pl—斜长石;Px—辉石
2 分析方法

主量和微量元素分析主要在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成,部分微量元素分析在中国科学院广州地球化学研究所完成。主量元素采用玻璃熔片大型X射线荧光光谱法(XRF)分析,微量元素采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)进行分析。

锆石单矿物分选在河北省区域地质调查研究所实验室完成。将野外采集的新鲜样(3~5kg/件)粉碎,经重液分选和电磁分离方法,最后在双目镜下挑选出锆石晶体,并在环氧树脂表面制成锆石样品靶,然后对锆石样品靶进行阴极发光(CL)图像研究。CL照相在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。

LA-ICP-MS锆石U-Pb测年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室利用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪LA-ICP-MS同时完成。激光剥蚀系统为配备有193nm ArF准分子激光器的GeoLas 2005,等离子体质谱仪为Agi-lent 7500a。激光剥蚀孔径为32μm,采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal[29-30]完成。

原位微区锆石Hf同位素比值测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成,利用激光剥蚀多接收杯等离子体质谱(LAMC- ICP- MS)完成。激光剥蚀系统为Geo-Las2005,MC-ICP-MS为Neptune Plus。实际输出能量密度为5.3J/cm2,采用单点剥蚀模式,斑束固定为44μm。用176Yb/173Yb =0.79381[31]扣除176Yb对176Hf的同量异位干扰。分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal[32]完成。

3 分析结果

样品的主量、微量元素分析数据见表 1。辉长岩中的SiO2含量为46.02%~47.93%,K2O+Na2O为2.04%~3.11%,Al2O3为14.35%~17.87%,TFe2O3为4.81%~6.33%,MgO为6.36%~8.34%,CaO为14.05%~18.16%。在TAS分类图解上全部落到玄武岩区(图 3-a),AFM图解显示拉斑玄武岩系列的趋势(图 3-b)。

图 3 辉长岩TAS(a)和AFM图解(b) Fig.3 TAS (a) and AFM diagrams (b) for the gabbro
表 1 小松山地区辉长岩主量、微量和稀土元素组成 Table 1 Major, trace elements and REE analyses of the gabbro from Xiaosongshan area

稀土元素总量(ΣREE)较低,ΣREE为37.98×10-6~48.13×10-6,LaN/YbN值为3.43~6.18,ΣLREE/ΣHREE值为3.67~5.17,说明稀土元素的分异程度不高,Eu显示弱正异常(δEu为1.07~1.41),可能与斜长石斑晶的少量存在有关。配分曲线近平坦,显示轻稀土元素富集(图 4-a),不同于汇聚板块边缘玄武岩的稀土元素配分曲线,说明辉长岩形成于板内拉张环境下。在微量元素原始地幔标准化图解(图 4-b)上,富集大离子亲石元素Rb、Ba、La、Eu,尤其Sr富集明显,可能与后期蚀变有关,略亏损Th、Nb、Zr、Hf等高场强元素。

图 4 辉长岩稀土元素配分模式(a)和微量元素蛛网图(b) Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b)

辉长岩样品HL39中的锆石多为浅黄色、自形-半自形短柱状颗粒,部分为破碎的不完整晶体颗粒。锆石阴极发光(CL)图像(图 5)显示,部分锆石具有明显的振荡环带且环带较宽,少量锆石为弱振荡环带或板状结构,无继承性核,无变质增生边,属于典型的岩浆结晶产物,且与高温基性岩石锆石特征类似。

图 5 辉长岩(HL39)锆石阴极发光(CL)图像及U-Pb年龄 Fig.5 Zircon CL images of gabbro(HL39) and U-Pb ages

利用LA-ICP-MS对该样品的18颗锆石进行了20个点的U-Pb年龄和微量元素测定,获得的同位素比值及年龄结果见表 2图 6-a。20个锆石分析点的Th/U值为0.38~0.67,符合岩浆型锆石的特征[33]。所有测试点均分布在206Pb/238U- 207Pb/235U谐和线上(图 6-b),20个分析点的206Pb/238U年龄加权平均值为835.5±5.3Ma(MSWD= 0.035,n=20),代表了辉长岩的结晶年龄。

图 6 辉长岩中锆石206Pb/238U年龄直方图(a)和U-Pb谐和图(b) Fig.6 Weighted average 206Pb/238U age diagram(a)and U-Pb concordia diagram(b)of zircons from the gabbro
表 2 小松山地区辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析数据 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data of the gabbro from Xiaosongshan area

在锆石U-Pb定年的基础上,利用LA-MCICP-MS对其中13颗锆石进行了15个点的Lu-Hf同位素分析,结果列于表 3。15个分析点中锆石的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值变化范围较大,分别为0.012570~0.034272和0.000278~0.000709,176Hf/177Hf值为0.282421~0.282478,以835Ma计算,锆石初始Hf同位素成分εHf(t)值为5.83~7.87。表 3给出Hf同位素单阶段模式年龄(tDM1)和两阶段模式年龄(tDM2),后者因样品辉长岩主要来源于岩石圈地幔,在计算两阶段模式年龄时采用铁镁质下地壳的Lu/Hf值(fLu/Hf=0.34)进行计算。该样品tDM1为1075~1155Ma,tDM2为1176~1289Ma。

表 3 小松山地区辉长岩锆石Hf同位素组成 Table 3 Zircon Hf isotopic composition of the gabbro from Xiaosongshan area
4 讨论 4.1 辉长岩的形成时代

近年来,有关Rodinia超大陆的演化历史及中国不同陆块在其中位置的研究,受到地学界的广泛关注[26-27, 34-35]。中国大陆由多陆块组成的特点决定了其形成与演化过程的复杂性。华北陆块主要经历了1.95Ga西部陆块聚合和1.85Ga东、西陆块碰撞、1.78~1.45Ga南缘增生和1.6~1.2Ga北缘裂解[36-46],新元古代构造-岩浆活动较弱,地表较缺乏岩浆热事件记录。

1978—1979年,宁夏区调队在1:20万石嘴山市幅区调时获得含长单辉橄榄岩K-Ar法同位素年龄值384.4Ma,将小松山岩体的侵入时代定为古生代泥盆纪,黄喜峰等[47]在贺兰山北段显生宙构造演化研究过程中,利用前人所得K-Ar法年龄值,依据基性岩指示的地壳拉张的动力学意义,结合贺兰山地区的构造演化史,判断小松山岩体侵入时代应为中奥陶世米钵山期强烈拉张期。可惜的是,此后一直缺少确切的年龄数据,年代学研究也一直停滞不前,加上K-Ar法测年封闭温度不高等原因,所得的384.4Ma年龄值并不能代表其成岩年龄,亟需更新、更准确的定年方法重新对小松山岩浆岩的形成结晶年龄进行厘定。本次研究以小松山杂岩体中的辉长岩为测年对象,利用LA-ICP-MS锆石U-Pb测年技术对小松山杂岩体形成时代进行准确的厘定。辉长岩(HL39)中的锆石特征及较高的Th/U值(0.38~0.67),暗示锆石为岩浆结晶成因。锆石CL图像和原位微区测年均未发现继承性锆石或捕获锆石,LA- ICP- MS锆石U- Pb测年结果为835.5±5.3Ma,代表了该区辉长岩的侵位结晶年龄,即小松山辉长岩形成于新元古代早期。

研究区南面贺兰山中段侵入到黄旗口岩体中的辉绿岩LA-ICP-MS锆石U-Pb的测年结果中,有820~840Ma的岩浆事件记录,进一步佐证了华北板块西缘贺兰山地区存在新元古代早期的构造-岩浆事件。

4.2 岩浆源区

小松山地区辉长岩具有较高的Mg#值(69~76),接近原生岩浆的值。微量元素显示轻稀土元素较富集的特征,总体上富集大离子亲石元素Rb、Ba、La,略亏损高场强元素Th、Nb、Ta、Zr、Hf等,且相对富集Cr,从手标本和主量元素测试烧失量可以看出,辉长岩有一定的蚀变,因此主要依据高场强元素和稀土元素等不活泼元素对样品进行岩石学分类和成因讨论。La/Yb-Th/Ta图解[48-49]图 7)显示,岩浆来源于较富集型地幔。

图 7 辉长岩La/Yb-Th/Ta图解 Fig.7 La/Yb-Th/Ta diagram of the gabbro DM—亏损地幔;PM—普通地幔;
EMⅠ—富集地幔Ⅰ型;EMⅡ—富集地幔Ⅱ型

锆石的Hf同位素可以真实反映源区特征[50-51]。小松山地区辉长岩中岩浆锆石的εHf(t)值为5.83~7.87(图 8-a),无继承性或捕获锆石及均一的Hf同位素组成,表明锆石结晶于均一、无混染的岩浆源区;正的εHf(t)值反映了锆石母岩浆的幔源属性,在Hf同位素特征图解上分布于球粒陨石与亏损地幔Hf同位素演化线之间,1.8Ga古老地壳的演化线之上(图 8-b)。锆石Hf模式年龄反映寄主岩石从亏损地幔分离的时间,如果锆石母岩浆直接来源于未受任何影响的亏损地幔,那么锆石结晶年龄应近似等于锆石Hf模式年龄。小松山地区辉长岩的Hf同位素单阶段模式年龄(tDM1=1075~1155Ma)和两阶段模式年龄(tDM2=1176~1289Ma)与辉长岩侵入体的形成年龄(835.5±5.3Ma)相比,所有测点的Hf模式年龄均大于其形成年龄,指示岩浆源区受富集组分影响。

图 8 辉长岩中锆石εHf(t)柱状图(a)和t-εHf(t)图解(b) Fig.8 Zircon Hf isotopic compositions(a)and t-εHf(t) diagram(b)of the gabbro

另外,一些微量元素比值可以用来判断是否存在地壳物质的混染作用。本次研究的小松山岩体中的辉长岩具有高Ba/Nb值(46.69~275.4),相应的高La/Nb值(1.447~2.139)和低La/Ba值(0.008~0.031),说明其受到一定程度的大陆地壳物质混染。其次,总分配系数相同或很相近,且对同化混染作用又敏感的元素,例如Ce和Pb,典型地幔的Ce/Pb值为25±5,而地壳的Ce/Pb小于15[52-55],小松山岩体的Ce/Pb值为0.3193~8.306,进一步证明岩浆在演化过程中受到一定程度的地壳物质混染。综上所述,小松山地区辉长岩岩石地球化学、Hf同位素特征及模式年龄研究表明,其岩浆来源于中元古代的富集型地幔,并受到一定程度的地壳物质混染。

4.3 构造意义

本次研究表明,华北克拉通西缘贺兰山北段小松山地区835.5±5.3Ma基性辉长岩,微量元素的Ti/100-Zr-Y×3图解[56]图 9-a)显示,其为板内拉斑玄武岩系列岩石。此外,高Zr/Y值(4.36~4.76)和Zr/Sm值(17.27~17.55)接近于板内拉斑玄武岩(Zr/Y > 3.5, Zr/Sm≈30),而不同于岛弧拉斑玄武岩(Zr/Y < 3.5, Zr/Sm < 20),在Ta/Hf-Th/Hf图解[57]上,所有样品点均投在大陆板内拉张环境(图 9-a)。这些特征更加说明辉长岩形成于板内拉张背景,结合辉长岩的锆石U-Pb定年结果(835.5±5.3Ma),华北陆块西缘新元古代早期处于大陆伸展阶段。

图 9 辉长岩的Ti/100-Zr-Y×3(a)和Ta/Hf-Th/Hf(b)构造环境判别图 Fig.9 Ti/100-Zr-Y×3(a)and Th/Hf-Ta/Hf (b)discrimination diagrams of tectonic setting

近年来,重新构建的Rodinia超大陆复原图或未标出华北陆块的具体位置或将华北陆块边缘化,置于Rodinia超大陆外围,与西伯利亚古陆临近[58],近来有研究者提出,劳伦大陆东南缘的格林威尔造山带、西伯利亚克拉通东南缘和华北克拉通东缘可能在中—新元古代之交存在某种连结[59]

本次研究的华北陆块西缘存在的新元古代早期岩浆活动事件,以及前人报道的中元古代晚期—新元古代早期华北陆块南、北缘,东南缘和华北陆块内部构造-岩浆事件的存在,证明华北陆块经历了Rodinia超大陆聚合裂解事件,是Rodinia超大陆的一部分。贺兰山北段小松山地区的新元古代岩浆活动为华北陆块西缘对Rodinia超大陆裂解的响应,为华北、西伯利亚和劳伦大陆的亲缘关系提供了新的佐证。

5 结论

(1)贺兰山北段小松山地区辉长岩锆石LAICP-MS年龄为835.5±5.3Ma,表明贺兰山北段小松山基性岩形成于新元古代,而不是前人认为的古生代。

(2)小松山地区辉长岩属于板内拉斑玄武岩系列岩石;其稀土元素总量较低,富集轻稀土元素,Eu异常不明显;总体上富集大离子亲石元素Rb、Ba、K,略亏损高场强元素Th、Nb、Ta、Zr、Hf等,相对富集Cr;具有较高的εHf(t)值(5.83~7.87),综合辉长岩岩石地球化学、Hf同位素特征及模式年龄研究,其岩浆来源于中元古代的富集型地幔,并受到一定程度的地壳物质混染。

(3)华北陆块西缘贺兰山地区新元古代早期处于大陆伸展环境,存在构造-岩浆活动,响应了Ro-dinia超大陆的全球性裂解,为华北、西伯利亚和劳伦的大陆亲缘关系提供了新的佐证,但在Rodinia超大陆重建恢复中的位置还需进一步研究。

致谢: 中国地质大学(武汉)张鸣教授参加了野外工作,样品制备、锆石阴极发光照相、地球化学分析、LA-ICP-MS锆石测年和Hf同位素分析得到中国地质大学(武汉)地质过程和矿产资源国家重点实验室邓黎旭博士、郑署教授、陈康博士等的帮助,在此一并感谢。

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