地质通报  2019, Vol. 38 Issue (10): 1626-1636  
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张佳瑶, 何艳红, 陈亮, 徐可心. 北祁连造山带东端早古生代岩浆作用过程——来自甘肃天水长沟河闪长质片麻岩锆石年龄、微量元素及Hf同位素的证据[J]. 地质通报, 2019, 38(10): 1626-1636.
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Zhang J Y, He Y H, Chen L, Xu K X. Paleozoic magma evolution at the eastern end of Northern Qilian orogenic belt: Evidence from the zircon U-Pb ages, trace elements and Hf isotopic composition of Changgouhe dioritic gneiss[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(10): 1626-1636.
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基金项目

国家自然科学基金项目《早古生代胶-辽-吉带岩浆作用:地球化学和年代学研究》(批准号:41421002)和国家自然科学创新群体项目《大陆构造与动力学》(批准号:41102121)

作者简介

张佳瑶(1994-), 女, 在读硕士生, 矿物学、岩石学、矿床学专业。E-mail:zhangjiayaoxian@163.com

通讯作者

何艳红(1979-), 女, 副教授, 硕士生导师, 从事前寒武纪地质研究。E-mail:he-hk@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-11-02
修订日期: 2019-03-14
北祁连造山带东端早古生代岩浆作用过程——来自甘肃天水长沟河闪长质片麻岩锆石年龄、微量元素及Hf同位素的证据
张佳瑶 , 何艳红 , 陈亮 , 徐可心     
西北大学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: 甘肃天水地区长沟河闪长岩位于北祁连造山带东端,发育片麻状构造面理,长期以来被认为是形成于前寒武纪的侵入岩体。用LA-ICP-MS技术测得2组岩浆锆石的206Pb/238U年龄为463.3±2.3Ma(MSWD=0.52,n=11)和443.8±2.6Ma(MSWD=0.44,n=9)。锆石微量元素分析表明,2组年龄具有一致的微量元素组成,说明二者晶出于同源封闭的岩浆体系。t-Eu/Eu*投图显示,约460Ma的岩浆锆石无Eu异常,与幔源岩浆锆石稀土元素特征一致。而约440Ma的岩浆锆石具有负Eu异常,指示母岩开始发生斜长石的结晶分离,与深熔作用过程一致。因此,约460Ma为长沟河闪长质片麻岩原岩的形成年龄,约440Ma为长沟河闪长质片麻岩深熔岩浆的结晶年龄。Hf同位素分析测试结果显示,约460Ma和约440Ma两组锆石的εHft)值分别为8.23~11.57和6.36~8.03,指示460Ma发育幔源新生地壳岩浆作用,而440Ma壳源再造活动增强。
关键词: 北祁连造山带东端    长沟河闪长质片麻岩    LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄    微量元素    Hf同位素    
Paleozoic magma evolution at the eastern end of Northern Qilian orogenic belt: Evidence from the zircon U-Pb ages, trace elements and Hf isotopic composition of Changgouhe dioritic gneiss
ZHANG Jiayao, HE Yanhong, CHEN Liang, XU Kexin     
State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University/Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, Shaanxi, China
Abstract: Outcropped at the eastern end of the Northern Qilian orogenic belt in Tianshui area of Gansu Province, Changgouhe dioritic intrusion has traditionally been considered as Precambrian intrusive rocks due to their gneiss structure. The results of LAICP-MS zircon U-Pb dating in this study show two groups of magmatic zircon crystallization ages at 463.3±2.3Ma (MSWD=0.52, n=11) and 443.8 ±2.6Ma (MSWD=0.44, n=9). Zircon trace element analyses show that these two groups share the similar trace element compositions, indicating that they crystallized in a closed magmatic system. t-Eu/Eu* diagram shows that the magmatic zircons of about 460Ma have no Eu anomalies, similar to the REE patterns of mantle-derived zircons. The negative Eu anomaly of about 440Ma magmatic zircons indicates that the parent magma began to crystallize plagioclase, consistent with the process of the anatexis. Therefore, about 460Ma is the formation age of Changgouhe dioritic gneiss, and about 440Ma is the crystallization age of anatexis magma of Changgouhe dioritic gneiss. Hf isotope analysis shows that εHf(t) values of about 460Ma and about 440Ma zircons are 8.23~11.57 and 6.36~8.03 respectively, indicating that mantle-derived juvenile crustal magma was developed at about 460Ma and that more involvement of crustal remelting took place at about 440Ma.
Key words: eastern end of Northern Qilian orogenic belt    Changgouhe dioritic gneiss    LA-ICP-MS zircon U-Pb age    trace element    Hf isotope    

中央造山带位于中国大陆中部,东起大别-苏鲁造山带,经秦岭造山带、祁连造山带和昆仑造山带,西至阿尔金—天山一带,是中国北部陆块群和南部陆块群的主要碰撞拼合带[1-2]。秦岭和祁连造山带是中央造山带的重要组成部分。已有的岩石学和年代学研究表明, 北秦岭造山带和北祁连造山带内均发育早古生代蛇绿岩、岛弧岩浆作用及高压/超高压变质作用,是原特提斯洋的分支洋盆[3-9]。同时,详细的早古生代岩浆岩石学研究显示北秦岭和北祁连造山带均经历了约534Ma的洋盆裂解,510~440Ma的俯冲消减和440~420Ma的碰撞拼合[8, 10-17]。因此,北秦岭和北祁连造山带构造格局和演化历史具有可对比性,早古生代可能构成了一个连通的洋盆[16, 18-22]。秦岭-祁连造山带结合部位是中央造山带东西衔接的关键地段。祁连造山带和秦岭造山带以新阳-元龙韧性走滑剪切带为界分为北祁连造山带东端和西秦岭造山带北缘。北祁连造山带东端和西秦岭造山带北缘的构造线分别以NW向和NWW向不同程度斜交于新阳-元龙韧性剪切带,使秦岭-祁连造山带结合部位的构造格局和演化历史存在很大的争议[18, 23-25]。秦岭-祁连造山带结合部位广泛发育早古生代岩浆作用,是探讨秦岭-祁连造山带结合部位构造作用的关键,亦会为秦岭和祁连造山带的对比研究提供重要依据。

长沟河闪长岩体位于北祁连造山带东端(图 1-a),强烈变形,发育片麻状构造。长期以来,长沟河闪长岩体被认为形成于前寒武纪,尚未有高质量的年代学数据的报道。本文对长沟河闪长岩进行了野外踏勘和采样,选取代表性样品开展了阴极发光(CL)、LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、锆石微量元素和LuHf同位素分析测试,拟精确限定长沟河闪长岩的形成年龄,探讨秦祁结合部位早古生代岩浆作用过程。

图 1 秦岭-祁连造山带(a)和北祁连造山带东端地质简图(b)[26] Fig.1 Geological sketch map of the Qinling-Qilian orogenic belt (a) and the eastern end of Northern Qilian orogenic belt (b) 1—新生界;2—古近系火山岩;3—白垩系;4—志留系葫芦河岩群;5—上奥陶统陈家河群;6—上奥陶统红土堡岩组基性火山岩;7—古元古界陇山岩群;8—古元古界秦岭岩群;9—印支期花岗岩;10—加里东期花岗岩;11—加里东期闪长岩;12—长沟河闪长质片麻岩;13—中元古代花岗质片麻岩;14—采样点;15—逆掩断层;16—断层
1 地质构造背景与岩体特征

研究区位于秦岭和祁连造山带的构造衔接部位,北祁连造山带东端,东北部以固关-八渡断裂为界与华北板块相邻,南部以新阳-元龙大型韧性走滑剪切带与北秦岭造山带分隔,西部被新生代以来的黄土覆盖(图 1)。根据1:25万天水幅,该地区由新太古代—古元古代陇山杂岩、早古生代陈家河群-红土堡组基性火山岩-葫芦河群组成。陇山杂岩为一套角闪岩相中深变质基底岩系,主要为长英质片麻岩、斜长角闪岩、富铝片麻岩和大理岩。长英质片麻岩中锆石U-Pb测年得到2.5Ga和2.3Ga岩浆年龄和1.9Ga的变质年龄,指示陇山杂岩与太华杂岩、涑水杂岩、登封杂岩等共同构成了华北板块南缘基底岩系的出露带[26]。陈家河群为一套低绿片岩相中酸性火山岩夹少量基性岩及碎屑沉积岩组合,其中,中酸性火山岩具有陆缘弧型火山岩的地球化学特征,形成于462~447Ma[27-29]。红土堡组基性火山岩为低绿片岩相变基性火山岩系,具有MORB(洋中脊)拉斑玄武岩的地球化学特征,为活动大陆边缘进一步扩张形成弧后盆地的产物。红土堡地区变玄武岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为443.4±1.7Ma[27, 30]。葫芦河群为中浅变质碎屑沉积岩,具有复理石沉积特点,沉积时代限定为447~434Ma,可能代表弧后盆地闭合的前陆盆地沉积组合[31-33]。以上岩石单元均经历了不同程度的变质作用和构造变形,陈家河群活动大陆边缘弧型中酸性火山岩、红土堡组MORB型变基性火山岩及葫芦河群浅变质复理石岩系共同代表了陇山杂岩基底岩系上发育的早古生代的沟弧盆体系。

长沟河闪长岩体侵入于陇山杂岩中,断续出露于百家—李家河—石岭河—长沟河—范家台一带,向东被断裂切割而尖灭。岩体岩性以灰白色中粗粒石英闪长岩为主,发育片麻理,其中可见石英脉、钾长岩脉、伟晶岩脉等,脉体已强烈褶皱变形(图 2-a)。本文样品16LS09-2采自张家川—清水地区阎家店-清水剖面(图 1),岩性为斜长角闪片麻岩,片麻状构造,粒状变晶结构,主要造岩矿物为斜长石(45%)、角闪石(40%)、石英(10%)、黑云母(5%)。斜长石呈半自形板柱状,可见聚片双晶;角闪石具显著多色性,发育2组完全解理,夹角56°/124°,定向排列显著;石英颗粒细小,无解理,呈他形粒状;黑云母具显著多色性,一组极完全解理;含磷灰石、榍石、磁铁矿等副矿物(图 2-bc)。

图 2 长沟河闪长质片麻岩野外(a)及镜下照片(b、c,单偏光和正交偏光) Fig.2 Outcrops (a) and microscope(b, c)photographs of the Changgouhe dioritic gneiss Amp—角闪石;Pl—斜长石
2 分析方法 2.1 锆石U-Pb同位素分析

锆石单矿物分选由河北省地勘局廊坊区调研究所实验室完成。将原岩样品粉碎至80~120目,经淘洗、电磁选和重液分选得到锆石样品。在双目镜下选取晶形完好的无色透明颗粒制作成环氧树脂样品靶,待环氧树脂固结变硬后,打磨抛光至锆石核部暴露。拍摄靶上锆石颗粒的反射光和CL图像。

锆石阴极发光图像拍摄、U-Pb同位素测定均在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行。其中,锆石阴极发光图像分析使用的仪器是Gatan公司生产的MonoCL3阴极荧光探测仪的电子显微扫描电镜。ICP-MS是西北大学大陆动力学国家重点实验室最新一代的Agilient 7500a,将其与德国Lambda Physik公司生产的ComPex102Excimer激光器,(激光器为193nm ArF准分子激光器,单脉冲能量210mJ;最高重复频率20Hz;平均功率4W),以及MicroLas公司生产的光学系统所组成的GeoLas 200M联机进行锆石U-Pb同位素测定。

实验以氦气为剥蚀物质的载气,LA-ICP-MS激光剥蚀采样方式为单点剥蚀,激光束直径为30μm,剥蚀深度为20~40μm。实验前,先利用美国国家标准与技术研究院所研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM 610对仪器进行最佳化调试。数据采集选用跳峰方式,标准锆石样品为91500,每测定6个未知样品点后插入1次标样测定。以NIST SRM 610为外标、29 Si为内标进行主量(P、Ca)、微量(Th、U、Pb)、稀土及高场强元素(Nb、Ta、Hf、Ti)的含量计算和校正。实验完成后,原始数据处理使用GLITTER程序完成,加权平均计算及U-Pb谐和图的绘制用Isoplot(2.49版)完成[34-35]

2.2 锆石Hf同位素分析

锆石的Lu-Hf同位素测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成,Lu-Hf同位素测定选取U-Pb同位素测定的相同位置。激光斑束直径为44μm,激光的脉冲频率为8Hz,每个测点的背景采集时间为30s,样品剥蚀时间为50s,吹扫时间为40s,剥蚀厚度为20~30μm。在分析过程中,将标准锆石样品91500和Mudtank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,详细的分析流程和仪器参数见Yuan等[35]

模式年龄的计算以现今的球粒陨石和亏损地幔的176Hf/177Hf值(分别为0.282772和0.28325)和176Lu/177Hf值(分别为0.0332和0.0384)为参照[36]。两阶段模式年龄(tDM2Hf)的计算取现今平均地壳的176Lu/177Hf=0.015[37]值,并将锆石的初始176Hf/177Hf值投影到亏损地幔线上得到[38]εHf(t)值的计算取176Lu衰变常数为1.867×10-11a-1 [39],现今球粒陨石的176Hf/177Hf为0.282772和176Lu/177Hf值为0.0332得到[40]

3 测试结果 3.1 锆石U-Pb同位素

长沟河闪长质片麻岩样品(16LS09-2)锆石无色透明,粒径为80~220μm,短柱状-长柱状,自形程度较高。CL图像普遍发光较强,大部分锆石显示明显的振荡环带或条带状结构(图 3),均为岩浆锆石成因。部分锆石CL图像显示,核部颗粒具有熔蚀港湾和较窄的增生边,具有核幔结构。本文共对30个颗粒进行了分析,并依据谐和度在10%以内的范围,选取21个测点。锆石U-Pb同位素分析结果见表 1图 4。其中11个测点(2、5、6、7、10、12、13、15、24、26、29)的206Pb/238U年龄集中在460~469Ma,年龄加权平均值为463.3±2.3Ma(MSWD=0.52);9个测点(1、4、9、14、16、18、20、21、28)的206Pb/238U年龄集中在441~448Ma,年龄加权平均值为443.8±2.6Ma(MSWD=0.44);1个测点的206Pb/238U年龄为486± 5Ma。463.3±2.3Ma和443.8±2.6Ma两组年龄锆石的Th、U含量分别为109×10-6~927×10-6和110×10-6~560×10-6,对应的Th/U值介于0.85~1.66之间,均大于0.4,与典型的岩浆锆石特征一致。

图 3 长沟河闪长质片麻岩(16LS09-2)锆石阴极发光(CL)图像 Fig.3 CL images of zircon from Changgouhe dioritic gneiss (16LS09-2) (图中测点年龄采用206Pb/238U定年分析结果)
表 1 长沟河闪长质片麻岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U- Th-Pb isotope analyses of the Changgouhe dioritic gneiss
图 4 长沟河闪长质片麻岩LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和图 Fig.4 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagram of Changgouhe dioritic gneiss

在球粒陨石标准化稀土元素配分图(图 5)中,2组年龄的锆石均显示左倾型的球粒陨石标准化稀土元素配分模式,即强烈轻稀土元素亏损、重稀土元素富集的特征,以及一致的Ce显著正异常(Ce/Ce*=12.64~27.62,平均值为18.07)和Eu无异常或弱负异常(Eu/Eu*=0.85~1.17,平均值为0.93)(表 2)。因此,463.3±2.3Ma和443.8±2.6Ma均为岩浆锆石的结晶年龄。

图 5 长沟河闪长质片麻岩锆石稀土元素配分图解 Fig.5 Zircon REE patterns of Changgouhe dioritic gneiss
表 2 长沟河闪长质片麻岩锆石微量元素数据分析结果 Table 2 Analytical results of trace element data of zircons from Changgouhe dioritic gneiss
3.2 锆石Lu-Hf同位素

对长沟河闪长质片麻岩样品(16LS09-2)中约460Ma和约440Ma年龄的20颗锆石进行了Hf同位素分析测试,测试结果见表 3。所有测点的176Lu/177Hf值为0.000483~0.002178,平均值为0.001289,表明锆石在形成后基本没有或具有极低的放射成因Hf的积累[41],所测定的176Hf/177Hf值即为形成时体系的Hf同位素组成。fLu-Hf值为-0.99~-0.93,明显小于硅铝质地壳的fLu-Hf值(-0.72),因此其二阶段模式年龄更能反映源区物质从亏损地幔抽取出来的时间。样品中约460Ma年龄的11颗锆石的176Hf/177Hf值为0.282724~0.282829,平均值为0.282764,对应的εHf(t)值变化在8.23~11.57(图 6)之间,亏损地幔二阶段模式年龄变化范围为704~916Ma;约440Ma的9颗锆石的176Hf/177Hf值为0.282691~0.282734,平均值为0.282717,对应的εHf(t)值在6.36~8.03之间(图 6),亏损地幔二阶段模式年龄变化范围为912~1023Ma。

表 3 长沟河闪长质片麻岩锆石Lu-Hf同位素分析结果 Table 3 Zircon Lu-Hf isoplot data of Changgouhe dioritic gneiss
图 6 长沟河闪长质片麻岩年龄t-εHf(t)图解 Fig.6 dating t-εHf(t) diagram of Changgouhe dioritic gneiss
4 长沟河闪长岩的形成年龄及其意义

长沟河闪长质片麻岩样品(16LS09-2)CL图像显示,锆石颗粒具有明显的振荡环带或条带状结构,与岩浆锆石特征一致。部分锆石具有港湾状熔蚀核部和振荡环带的增生幔部,指示该样品记录了至少2期锆石的形成事件。用LA-ICP-MS测得463.3±2.3Ma和443.8±2.6Ma两组锆石年龄。微量元素分析结果(表 2)也表明,锆石颗粒核/幔均具有较高的Th/U值(0.85~1.66,均大于0.4),强烈的LREE亏损和HREE富集的球粒陨石标准化稀土元素配分模式,指示其均为岩浆成因[45-46]。因此,约460Ma代表了残余锆石的形成年龄,约440Ma代表了长沟河闪长质片麻岩晚期岩浆活动的结晶年龄。约460Ma的残余锆石既可能是来自于长沟河围岩的捕获锆石,也可能是来自岩浆源区的继承锆石。岩浆锆石记录了岩浆的演化过程,通过锆石微量元素组成可以较好地反映晶出锆石岩浆源区的性质[47-48]。Y-Sm、Y-Yb、Y-Nb和Y-Th投图显示,本文2组年龄的锆石具有一致的、连续的微量元素分布趋势(图 7)说明,2组锆石结晶于封闭的岩浆源区。但从t-Eu/Eu*图解(图 8)可见,约460Ma和约440Ma的锆石Eu/Eu *值分别为0.89~1.01和0.85~0.93,即约460Ma锆石Eu基本无异常,与常见的岩浆锆石显著负Eu异常特征不同[47, 49-50]。岩浆锆石中Ce的正异常一般反映锆石结晶于氧化环境。氧化环境中Eu通常为正三价阳离子,REE标准化配分模式中Eu行为不与其他稀土离子解耦而不具有异常。本文约460Ma锆石的Eu无异常与正Ce异常完全协调,反映其结晶于氧化的岩浆体系。但是,岩浆锆石普遍存在强烈的正Ce异常和负Eu异常。现有研究[47, 51-54]认为,强烈的负Eu异常继承于母源岩浆的Eu亏损,即锆石晶出的母源岩浆中存在显著的斜长石的结晶分离。但是,来自Jwaneng和Nurbinskaya金伯利岩的锆石具有正Ce异常,而无Eu异常,代表了幔源成因的稀土元素特征[47, 55]。因此,约460Ma锆石Eu无异常反映了岩浆源区不存在显著的斜长石的结晶分离,即约460Ma母源岩浆来自偏基性的地幔岩浆部分熔融。约440Ma锆石相比约460Ma锆石开始出现一致的负Eu异常,指示其母源岩浆中斜长石开始发生结晶分异,与岩浆深熔作用过程一致。因此,约460Ma为长沟河闪长质片麻岩原岩形成年龄,约440Ma为长沟河闪长质片麻岩深熔岩浆的结晶年龄。Hf同位素分析测试结果显示约460Ma和约440Ma两组锆石εHf(t)值分别为8.23~11.57和6.36~8.03,对应的二阶段模式年龄分别变化于704~916Ma和912~1023Ma之间,亦指示460~440Ma以幔源新生地壳岩浆向壳源重熔岩浆的转变(图 6)。综上,长沟河闪长质片麻岩原岩形成于约460Ma,与幔源新生地壳岩浆活动密切相关;约440Ma是受地壳再造活动影响形成的深熔岩浆的结晶年龄。

图 7 长沟河闪长质片麻岩锆石微量元素相关图解 Fig.7 Zircon trace element correlation diagrams of Changgouhe dioritic gneiss
图 8 长沟河闪长质片麻岩锆石t-Eu/Eu*图解 Fig.8 Zricon t-Eu/Eu* dirgram of Changgouhe diorite gneiss

北祁连东端广泛发育早古生代岩浆作用。中酸性侵入体的年代学和地球化学资料反映,北祁连东端的早古生代阶段大规模俯冲型花岗质岩浆侵入活动主要在455~440Ma发生[11, 13, 56-58];434Ma的埃达克质草川铺花岗岩指示,由红土堡弧后盆地碰撞闭合导致的增厚地壳开始发生部分熔融[11]。本文长沟河闪长质片麻岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年得到443.8±2.6Ma的年龄,因其与463.3±2.3Ma锆石的微量元素特征一致,且具有较低的Eu/Eu*值,被解释为长沟河闪长质片麻岩深熔岩浆的结晶年龄。因此,443.8±2.6Ma北祁连东端地壳深熔作用已经开始发生,进入陆内再造阶段。

5 结论

(1)长沟河闪长质片麻岩锆石CL图像显示明显的振荡环带,部分锆石具有熔蚀港湾和较窄的增生边,具有核幔结构。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年得到2组岩浆年龄,443.8±2.6Ma(MSWD=0.44)和463.3±2.3Ma(MSWD=0.52)。

(2)锆石微量元素投图显示, 443.8 ± 2.6Ma和463.3±2.3Ma两组锆石具有一致的微量元素组成,说明二者晶出于封闭的岩浆体系。同时,443.8± 2.6Ma锆石比463.3±2.3Ma锆石具有较低的Eu/Eu*值,指示母岩开始发生斜长石的结晶分离,与深熔作用过程一致。因此,约460Ma为长沟河闪长质片麻岩原岩形成年龄,约440Ma为长沟河闪长质片麻岩深熔岩浆的结晶年龄。460~440Ma锆石εHf(t)值的降低也说明了壳源再造活动的增强。

(3)锆石Eu异常及εHf(t)特征指示,北祁连造山带东端在约460Ma发生了显著的新生地壳生长,而约440Ma地壳深熔作用已经开始发生,进入陆内再造阶段。

致谢: 锆石U-Pb同位素定年及Hf同位素分析测试得到西北大学大陆动力学国家重点实验室柳小明和张红老师的指导和帮助,在此表示诚挚的感谢。同时,感谢审稿专家提出的宝贵修改意见。

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