地质通报  2019, Vol. 38 Issue (5): 711-718  
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胡志宇, 龙志军. 西藏门巴地区早白垩世花岗岩地球化学特征及LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄[J]. 地质通报, 2019, 38(5): 711-718.
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Hu Z Y, Long Z J. Geochemical characteristics and LA-ICP-MS zircon U-Pb age of Early Cretaceous granites in Menba area, Tibet[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(5): 711-718.
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基金项目

中国地质调查局项目《西藏卡贡地区1:5万四幅区域地质调查》(编号:DD20160016-21)

作者简介

胡志宇(1978-), 男, 硕士, 讲师, 从事区域地质调查、地质工程、地质灾害教学工作。E-mail:2121064076@qq.com

文章历史

收稿日期: 2018-06-19
修订日期: 2018-08-02
西藏门巴地区早白垩世花岗岩地球化学特征及LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄
胡志宇1 , 龙志军2     
1. 三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学), 湖北 宜昌 443002;
2. 扬子江工程咨询有限公司(湖北), 湖北 武汉 430010
摘要: 门巴地区早白垩世花岗岩位于冈底斯弧背断隆带东段,是研究冈底斯演化的重要组成部分。以门巴地区黑云母花岗岩和二云母花岗岩为研究对象,运用岩石地球化学和锆石U-Pb测年方法,分析了该区域早白垩世花岗岩的地球化学特征及构造背景。样品锆石具有明显的振荡环带,属岩浆成因锆石;测得LA-ICP-MS锆石206Pb/238U年龄为139.4~140.6Ma,为早白垩世。岩石地球化学特征表明,门巴地区早白垩世花岗岩具有富硅、高碱,贫FeO、MgO、CaO的特征,为强过铝质的高分异花岗岩,属高钾钙碱性系列,并具同源岩浆演化的趋势;稀土元素配分模式为右倾型,具Rb、Ba、Th、Nb、Ce等富集,Hf、Zr、Sm、Y、Yb等亏损的特征;门巴地区花岗岩形成于陆-陆碰撞造山环境,构造背景由同碰撞逐渐过渡为造山期后的构造环境,具有后碰撞伸展构造性质,是软流圈上涌或玄武岩底侵的岩浆响应。
关键词: 早白垩世    花岗岩地球化学    LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄    门巴地区    
Geochemical characteristics and LA-ICP-MS zircon U-Pb age of Early Cretaceous granites in Menba area, Tibet
HU Zhiyu1, LONG Zhijun2     
1. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area(China Three Gorges University), Ministry of Education, Yichang 443002, Hubei, China;
2. Yangze River Engingeering Consulting Company LTD, Wuhan 430010, Hubei, China
Abstract: The Early Cretaceous granites in the Menba area are located in the eastern segment of the Gangdise belt, being an important part for the study of Gangdise evolution. With biotite granite and two mica granite in Menba area as the object of study, the author analyzed the geochemical characteristics and tectonic setting of the Early Cretaceous granites in this area by using the method of rock geochemistry and zircon U-Pb chronology. In this paper, the zircon samples for the test and analysis have obvious oscillation ring band, belonging to zircon of magma origin, and the LA-ICP-MS zircon 206Pb/238U age is 139.4~140.6Ma, suggesting Early Cretaceous. The geochemical characteristics of rocks indicate that the Early Cretaceous granites in Menba area are rich in silicon, high in alkali, and poor in FeO, MgO, CaO, implying strong aluminum high differentiation granite and high potassium calcium alkaline series, with the trend of homologous magma evolution; the model of rare-earth element allocation is the right type with Rb, Ba, Th, Nb, Ce enrichment and Hf, Zr, Sm, Y, Yb depletion. The granite in Menba area was formed in the land-land collision orogenic environment, the tectonic background was gradual transition from "the same collision" to the tectonic environment after "orogenic period", which had the extensional tectonic characteristics of "post collision", and was the magma response to the soft flow ring upwelling or the basalt bottom invasion.
Key words: Early Cretaceous    granites geochemistry    LA-ICP-MS zircon U-Pb age    Menba area    

门巴地区位于西藏特提斯构造域冈底斯地块东段中南部的之冈底斯弧背断隆带东段, 该区域历经了漫长复杂的拉张、俯冲、碰撞等演化过程, 特殊的地理环境造成该区频繁的岩浆活动及剧烈的构造运动, 其中中酸性岩浆活动最复杂且猛烈, 为青藏高原地区岩浆活动的代表[1]。潘桂棠等[2]提出了"多岛洋"的演化模式; 李光明等[3]则论述了"多岛弧盆系"的看法, 并且认为多期次的俯冲碰撞事件出现在特提斯洋; 丁林等[4]认为陆-陆碰撞始于古新世, 并且支持蛇绿岩于晚白垩-早新生代向南俯冲就位的观点; 潘桂棠等[5]提出了冈底斯带分别在石炭纪-二叠纪、早-中三叠世、晚三叠世、早-中株罗世、晚侏罗世-早白垩世、晚白垩世-始新世经历了6次造弧增生作用和相关的弧陆、陆陆碰撞作用。前人对门巴地区相关的岩石组合、构造岩浆演化、岩石地球化学等研究取得了一些成果, 但同时也存在诸多问题, 尤其用岩石组合法和大地构造相方法研究门巴地区地质和岩浆岩大地构造的学术思路尚处在探索阶段, 理论体系构建及其实践尚需深化。基于此, 本文以门巴地区早白垩世花岗岩为研究对象, 结合同位素年代学及岩石地球化学研究, 分析总结门巴地区花岗岩的岩石地球化学特征, 结合锆石U-Pb测年技术, 厘定岩浆活动期次, 探讨花岗岩成因及成岩成矿地质背景。

1 地质背景与样品特征

早白垩世花岗岩主要分布于门巴地区北部至巴嘎区东南部一带, 总体呈NEE展布, 侵位于上石炭统-下二叠统来姑组(C2P1l)(图 1)。该岩体主要由花岗岩类组成, 根据矿物特征可分为巨斑黑云母花岗岩、中粒二云母花岗岩和黑云母花岗岩, 以脉动侵入为主。根据野外地质特征得出侵位次序为:黑云母花岗岩(巨斑)→黑云母花岗岩(中粒)→二云母花岗岩(中粒)。

图 1 门巴地区早白垩世花岗岩分布简图 Fig.1 The sketch map of Early Cretaceous granites distribution in Menba area Q—全新统冲积物;E2P—始新统帕那组火山碎屑岩;C2P1l—上石炭统-下二叠统来姑组含砾砂质板岩、千枚状板岩、含砾石砂质板岩;γβK2—晚白垩世黑云母花岗岩;γJ3K1—早白垩世-晚侏罗世二云母花岗岩;γβJ3—晚侏罗世黑云母花岗岩;ηγJ3—晚侏罗世二长花岗岩;γJ3—晚侏罗世花岗岩;γδJ1—早侏罗世花岗闪长岩

黑云母花岗岩根据矿物颗粒的大小可分为巨斑和中粒2类, 二者的界线呈渐变关系, 其中, 巨斑黑云母花岗岩一般位于中粒黑云母花岗岩的中心部位。黑云母花岗岩(巨斑)呈灰色-灰白色, 具块状构造, 矿物成分主要为黑云母、石英、钾长石和斜长石; 石英呈他形粒状, 粒度变化较大, 但以细粒为主; 钾长石以条纹长石为主, 多为基质, 少量斑晶可达2~10cm; 斜长石多为半自形板状结构, 双晶发育, 并具有纹细且密的特征, 为酸性斜长石, 普遍发育不同程度的绢云母化; 黑云母呈片状, 具绿褐色-淡黄色的多色性, 在岩石中零散分布。黑云母花岗岩(中粒)呈灰白色, 具块状构造, 矿物成分主要为钾长石、斜长石、石英、黑云母和少量白云母; 钾长石呈半自形板状, 主要为微斜长石和条纹长石, 粒度较均匀, 条纹结构和格子状双晶均较发育; 黑云母呈片状, 具褐色-淡黄色的多色性, 分布不均衡, 一些黑云母褪色变成白云母或部分蚀变为绿泥石; 白云母呈片状, 具有较明显的闪突起, 最高干涉色达二级黄绿, 分布零星; 该岩石在岩体中不同的部位暗色矿物的含量稍有变化。

中粒二云母花岗岩呈灰白色, 具花岗结构, 块状构造。岩石主要由钾长石、斜长石、石英、黑云母、白云母等构成。石英乳白色, 油脂光泽, 呈他形粒状, 粒度变化较大, 多呈细粒状, 也常见多粒的集合体, 常充填于长石颗粒的孔隙中; 钾长石, 呈半自形板状, 主要为条纹长石, 条纹结构发育, 其中可见少量的斜长石包体, 个别颗粒中还包有白云母片, 钾长石表面常有差异发育的粘土化; 斜长石呈半自形板状, 粒度较均匀, 双晶较发育, 双晶纹细而密, 主要为酸性斜长石, 部分斜长石有较强的绢云母化。

2 分析方法

本文所测样品的主量、微量元素分析在川西北地质队检测中心完成, 采用Optima 5300V等离子体发射光谱仪在室温条件下分析[6], 其测试精度符合测试要求, 分析结果见表 1表 2

表 1 门巴地区早白垩世花岗岩主量元素分析结果 Table 1 Whole-rock major element data of the Early Cretaceous granites in Menba area
表 2 门巴地区早白垩世花岗岩微量元素分析结果 Table 2 The trace element data of the Early Cretaceous granites in Menba area

本文测年所用的锆石单矿物挑选和测试均由武汉上谱分析科技有限责任公司完成, 选择具有明显振荡环带的锆石进行测年, 使用Agilent 7700e仪器, 其GeolasPro激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF 193 nm准分子激光器和MicroLas光学系统组成。U-Pb同位素定年和微量元素含量处理中采用锆石标准91500和玻璃标准物质NIST610为外标分别进行同位素和微量元素分馏校正[6], 分析数据的离线处理采用ICPMSDataCal软件完成[7]。年龄加权平均值计算和锆石U- Pb谐和图绘制采用Isoplot/Ex_ver3软件完成[8]。锆石U-Pb同位素分析结果见表 3

表 3 门巴地区早白垩世花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果 Table 3 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical data of the Early Cretaceous granites in Menba area
3 分析结果 3.1 全岩地球化学特征

门巴地区早白垩世巨斑黑云母花岗岩、中粒二云母花岗岩和黑云母花岗岩的主量元素变化范围基本一致(表 1), 其SiO2含量为71.17%~78.42%, 平均74.13%, 属于酸性岩类; 全碱(K2O+Na2O)含量为6.75% ~8.21%, 平均为7.55%, K2O/Na2O值介于1.38~1.99之间, 显示富钾的特征; Al2O3含量为11.09%~14.38%, 平均为13.01%, 反映出岩石高铝的特征; FeO含量为1.09%~2.39%, 平均为1.51%; MgO含量为0.22%~1.45%, 平均为0.56%;CaO含量为0.12%~2.01%, 平均为1.08%。在SiO2-K2O图解(图 2-a)中, 3类样品投点均落入高钾钙碱性系列范围; 在A/CNK-A/NK图解(图 2-b)中, 3类样品投点均落入过铝质区域, 且A/CNK值均大于1.43, 为铝饱和系列岩石。综上所述, 门巴地区早白垩世花岗岩具有富硅、高碱, 贫FeO、MgO、CaO的特征。

图 2 门巴地区早白垩世花岗岩SiO2-K2O图解(a)和A/CNK-A/NK图解(b) Fig.2 SiO2-K2O(a)and A/CNK-A/NK(b)plots for the Early Cretaceous granites in Menba area

门巴地区早白垩世巨斑黑云母花岗岩、中粒二云母花岗岩和黑云母花岗岩的微量元素变化略有差异, 主要体现在重稀土元素的含量上(表 2), 其中巨斑黑云母花岗岩的稀土元素总量∑REE(不含Y)为183.08 × 10-6~194.55 × 10-6, 平均值为189.78 × 10-6, LREE/HREE值介于4.66~6.91之间, 平均值为5.57, (La/Yb)N值变化于4.03~6.74之间; δEu值在0.09~0.29之间, 平均值为0.17, 显示具有较强的负Eu异常; δCe值均大于1, 具弱的正Ce异常; 中粒黑云母花岗岩的∑REE(不含Y)为157.72×10-6~ 205.37×10-6, 平均值为185.03×10-6, LREE/HREE值介于6.03~6.84之间, 平均值为6.50, (La/Yb)N值变化于6.01~7.17之间; δEu值在0.39~0.61之间, 平均值为0.48, 显示较强的负Eu异常; δCe值平均0.97, 具弱的负Ce异常; 中粒二云母花岗岩的∑REE(不含Y)介于161.55×10-6~179.91×10-6, 平均值为167.81×10-6, LREE/HREE值介于9.47~6.91之间, 平均值为11.85, (La/Yb)N值变化于13.21~ 36.25之间; δEu值在0.49~0.57之间, 平均值为0.54, 显示较强的负Eu异常; δCe平均0.93, 具弱的负Ce异常。3类花岗岩均显示出轻稀土元素(LREE)相对重稀土元素(HREE)富集的特征, 且具有较一致的稀土元素配分模式, 总体上呈现左陡右缓的右倾形式(图 3-a)。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 3-b)显示, 3类花岗岩呈现相似的分布曲线, 具有Rb、Ba、Th、Nb、Ce等富集, Hf、Zr、Sm、Y、Yb等亏损的特征, 且因Rb、Th强烈富集, 蛛网图呈现出"M"的变化规律, 这与同碰撞花岗岩蛛网图的变化规律一致。此外, 样品的Th/U值相对恒定, 且具有一致的稀土元素配分模式和蛛网图特征, 暗示了同源岩浆的演化趋势。

图 3 门巴地区早白垩世花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace earth element patterns (b) of the Early Cretaceous granites in Menba area
3.2 锆石U-Pb年龄

本次用于LA-ICP-MS测年的锆石均为无色、透明。样品中锆石多为长柱状, 少数呈细粒浑圆状, 长轴和短轴之比为1.2~3, 振荡环带明显, 为典型的岩浆锆石。

本次对门巴地区巨斑黑云母花岗岩(MB-2)和中粒二云母花岗岩(MB-9)进行了LA-ICP-MS测年工作, 分别获得5个点的U-Pb同位素数据(表 3)。从分析结果可以得出, 2件样品的年龄均较谐和, 在U-Pb谐和图中, 数据点分布较集中(图 4), 巨斑黑云母花岗岩(MB- 2)的206Pb/238U年龄介于138~142Ma之间, 206Pb/238U年龄加权平均值为140.6±0.5Ma(MSWD=0.65)(图 4-ab); 中粒二云母花岗岩(MB- 9)的206Pb/238U年龄介于136~ 143Ma之间, 206Pb/238U年龄加权平均值为139.4± 0.2Ma(MSWD=0.65)(图 4-cd)。综上可知, 门巴地区存在一期岩浆活动, 活动时限为139.4~ 140.6Ma, 为早白垩世。

图 4 门巴地区早白垩世花岗岩锆石U-Pb谐和图(a、c)和阴极发光(CL)图像(b、d) Fig.4 The zircon U-Pb concordia diagrams(a, c)and CL images(b, d)from the Early Cretaceous granites in Menba area
4 讨论 4.1 岩浆源区

现阶段研究成果表明, 强过铝质花岗岩的源岩一般为强过铝质岩石。Sylvester [9]对泥质岩进行了熔融实验, 结果表明, 强过铝质花岗岩岩浆一般形成于800±20℃温度条件, 该温度低于黑云母消失的温度上限, 并认为含石榴子石岩浆形成深度大于25km, 含堇青石的岩浆形成深度小于25km。门巴地区早白垩世花岗岩中普遍含有黑云母, 且在局部区域的中粒二云花岗岩中见极少量的石榴子石, 由此可得出, 门巴地区的强过铝质花岗岩岩浆形成深度大于25km。Rb/Sr值常被作为反映源区部分熔融程度的指示剂, 部分熔融一般向富Rb、亏损Sr的方向发展。门巴地区早白垩世花岗岩的Rb/Sr值平均为4.62, 较高, 暗示该3类花岗岩的源岩部分熔融程度较高, 间接地反映出岩浆形成的深度较深。此外, Sylvester [9]提出强过铝质花岗岩的源岩为杂砂岩和泥质岩, 并利用CaO/Na2O值与Rb/SrRb/Ba关系图解区分源岩的性质, 当源区为砂岩或正变质岩时, CaO/Na2O值大于0.3, 源区为泥岩时则小于0.3。门巴地区早白垩世花岗岩的CaO/ Na2O值除MB-2样品外, 其余样品均大于0.3, 由此可得出岩浆源自砂质岩。

4.2 构造背景

有关强过铝质花岗岩形成的构造背景, 早期认为是在汇聚背景下地壳加厚进而部分熔融形成的, 但随着对花岗岩认识的不断深入, 伸展环境中形成过铝质花岗岩的认识逐渐被认可。对于过铝质花岗岩形成环境的判别, Pearce等[10]提出了洋脊花岗岩(ORG)、火山弧花岗岩(VAG)、板内花岗岩(WPG)和碰撞花岗岩的微量元素判别图解, Harris等[11]进一步利用Rb-Hf-Ta三元图解区分碰撞带中不同构造演化阶段的花岗岩。从Rb-Hf-Ta三元图解(图 5)可以看出, 门巴地区早白垩世花岗岩的构造背景由同碰撞逐渐过渡为造山期后的构造环境, 显示了从挤压到伸展的转化。此外, 对于SiO2含量在67%~77%之间的强过铝质花岗岩, Al2O3/TiO2值可以反映部分熔融过程中的温度, 具有温度与二者比值呈反比的变化关系, 即Al2O3/TiO2值大于100时, 其部分熔融温度低于875℃(即高压型), 而小于100时, 其部分熔融温度高于875℃(即高温型)。通常高压型过铝质花岗岩形成规模较小, 是在高压碰撞过程中由于地壳变厚(大于50km), 由K、U、Th的放射性衰变导致的, 并在后碰撞折返过程中减压部分熔融形成的; 而在后碰撞阶段, 由于岩石圈发生拆沉作用, 软流圈上涌或玄武岩底侵导致的高温型强过铝质花岗岩规模较大, 且伴随着高温/低压变质作用。本文样品中的Al2O3/TiO2值均小于100, 平均为55.32, 表明其部分熔融温度大于875℃。综上所述, 门巴地区早白垩世强过铝质花岗岩具有后碰撞伸展构造性质, 是软流圈上涌或玄武岩底侵的岩浆响应。

5 结论

(1) 门巴地区早白垩世花岗岩具有富硅、高碱, 贫FeO、MgO、CaO的特征, 为强过铝质的高分异花岗岩, 属高钾钙碱性系列, 并具同源岩浆演化的趋势。

(2) 门巴地区巨斑黑云母花岗岩和二云母花岗岩样品LA-ICP-MS锆石U-Pb定年显示, 该地区存在一期岩浆活动, 活动时限为139.4~140.6Ma, 为早白垩世。

(3) 门巴地区花岗岩形成于陆-陆碰撞造山环境, 构造背景由"同碰撞"逐渐过渡为"造山期后"的构造环境, 具有"后碰撞"伸展构造性质, 是软流圈上涌或玄武岩底侵的岩浆响应。

致谢: 在实验测试过程中, 得到武汉上谱分析科技有限责任公司的协助, 使文稿获得了精确的实验数据; 审稿专家提出了宝贵的建议, 在此一并表示感谢。

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