地质通报  2019, Vol. 38 Issue (6): 1018-1027  
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张开江, 刘治博, 李海峰, 高轲, 王超, 王嘉星. 西藏班公湖-怒江缝合带中段去申拉组火山岩锆石U-Pb年龄及Hf同位素特征[J]. 地质通报, 2019, 38(6): 1018-1027.
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Zhang K J, Liu Z B, Li H F, Gao K, Wang C, Wang J X. Zircon U-Pb age and Hf isotopic characteristics of Qushenla Formation volcanic rocks in the middle part of the Bangong Co-Nujiang suture, Tibet[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(6): 1018-1027.
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基金项目

中国地质调查局项目《藏西北铜多金属资源基地综合调查评价》(编号:DD20190167)和中国地质科学院基本科研业务费(编号:YK1604)

作者简介

张开江(1995-), 男, 在读硕士生, 矿物学、岩石学、矿床学专业。E-mail:1055290762@qq.com

通讯作者

刘治博(1981-), 男, 博士, 助理研究员, 主要从事构造地质学研究工作。E-mail:geoleo@163.com

文章历史

收稿日期: 2019-01-04
修订日期: 2019-04-18
西藏班公湖-怒江缝合带中段去申拉组火山岩锆石U-Pb年龄及Hf同位素特征
张开江1 , 刘治博2 , 李海峰3 , 高轲4 , 王超3 , 王嘉星3     
1. 成都理工大学地球科学学院, 四川 成都 610059;
2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;
3. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083;
4. 中国地质调查局成都地质调查中心, 四川 成都 610081
摘要: 西藏班公湖-怒江缝合带广泛分布中生代岩浆活动,对于认识特提斯洋的演化有重要的启示。班公湖-怒江缝合带中段东卡错微陆块去申拉组安山岩的锆石U-Pb测年和Hf同位素测试结果显示,其中21个测点给出的锆石206Pb/238U年龄加权平均值为110.3±0.7Ma;εHft)值为-5.66~1.05,二阶段Hf模式年龄为1020~1448Ma,表现出壳幔混源的特征。综合区域构造沉积演化及前人研究成果,认为东卡错微陆块内发育的去申拉组火山岩很可能与早白垩世班公湖-怒江洋壳南向俯冲消减引起的板片断离有关,并形成于板内伸展环境,其岩浆来源于聂荣微陆块成熟地壳物质发生深熔或重熔作用形成的酸性熔体与古老岩石圈地幔部分熔融产生的基性熔体的混合。
关键词: LA-ICP-MS锆石U-Pb定年    Hf同位素    岩浆混合    东卡错微陆块    班公湖-怒江缝合带    
Zircon U-Pb age and Hf isotopic characteristics of Qushenla Formation volcanic rocks in the middle part of the Bangong Co-Nujiang suture, Tibet
ZHANG Kaijiang1, LIU Zhibo2, LI Haifeng3, GAO Ke4, WANG Chao3, WANG Jiaxing3     
1. College of Earth Science, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China;
2. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
4. Chengdu Center of Geological Survey, China Geological Survey, Chengdu 610081, Sichuan, China
Abstract: Mesozoic magmatic activities are widely distributed in the Bangong Co-Nujiang suture zone in Tibet, and it is important to study them for understanding the evolution of the Tethys Ocean. This paper reports the zircon U-Pb dating and zircon Hf isotope data of the andesites of the Qushenla Formation in the Dongkaco microcontinental block of the middle Bangong Co-Nujiang suture zone. The zircon 206Pb/238U weighted age of the andesites obtained from 21 sites is 110.3±0.7Ma. Zircon Hf isotope analysis shows that the zircon εHf(t) varies in the range of -5.66~1.05, and second stage Hf model ages are 1020~1448Ma, showing the characteristics of crust-mantle mixing. Considering regional tectonic sedimentary evolution and previous research results, the authors hold that the volcanic rocks of the Qushenla Formation were probably related to the slab break-offduring southward subduction of the Bangong Co-Nujiang oceanic crust in the Early Cretaceous, and were produced in an intraplate extensional environment. The magma was derived from the mixing of acidic melt formed by deep melting or remelting of mature crustal material in Nyainrong microcontinent with basic melt formed by partial melting of ancient lithospheric mantle.
Key words: LA-ICP-MS zircon U-Pb dating    Hf isotope    magma mixing    Dongkaco microcontinent    Bangong Co-Nujiang suture    

作为拉萨地体与南羌塘地体分界线的班公湖-怒江结合带[1],西起班公湖,向东经改则、安多、丁青,随后沿怒江向南而下,东西延伸长逾2000km且横向展布范围变化大,一般宽达几十至上百千米,在东段班戈和安多一带南北展布范围超过200km (图 1-a)。根据班公湖-怒江结合带的空间展布特征及相关年代学、地球化学研究,有学者认为该结合带由多条洋内俯冲带复合而成[4]。班公湖-怒江洋盆演化历史极其复杂,对于该洋盆的俯冲极性和闭合时限仍然存在争议。解决这些问题,除对缝合带中出露的蛇绿岩研究外,一定程度上还有赖于班-怒带内及其两侧与俯冲消减有关的火山岩的成因与年代学研究。已有资料表明,班公湖-怒江洋盆开始形成不晚于三叠纪,中—晚侏罗世开始俯冲消减,并于早白垩世中后期完成了洋壳俯冲闭合[5-7]。在拉萨地体北部昂龙错—班戈县一带发现了大量晚侏罗世—早白垩世(137~110Ma)的岩浆岩[2, 9-10],所测锆石εHf(t)为-30.4~18.8,说明岩浆既来源于地壳与地幔物质的混合[11-12],也来源于下地壳的部分熔融[2, 11];该期岩浆岩产生于班-怒洋俯冲背景下[8-9],包含丰富的班-怒洋演化信息,可以为反推班-怒洋的演化过程提供重大线索。本文对班公湖-怒江缝合带内东卡错微陆块[13]的早白垩世去申拉组火山岩进行了岩石学、锆石U-Pb年龄及LuHf同位素的研究,再结合同时期班公湖-怒江缝合带两侧早白垩世岩浆岩的相关资料,讨论了该火山岩的岩浆源区和构造环境,为探讨区域构造演化提供新的证据。

图 1 研究区大地构造位置(a)及地质简图(b) Fig.1 Geotectonic location map(a) and simplified geological map(b) of the study area a—拉萨地体构造格架及早白世火山岩分布图[2];b—班戈地区地质简图[3]。BNSZ—班公湖-怒江缝合带;SNMZ—狮泉河-纳木错混杂岩带;LMF—洛巴堆-米拉山断层;IYZSZ—印度河-雅鲁藏布江缝合带;1—全新统冲洪积层;2—全新统冲积层;3—第四系全新统;4—上更新统冲洪积层;5—蛇绿岩;6—白垩纪花岗闪长岩;7—白垩纪花岗岩类;8—上白垩统竟柱山组;9—下白垩统去申拉组;10—下白垩统多尼组;11—中-上侏罗统接奴群;12—下-中侏罗统希湖群;13—侏罗系粉砂岩;14—上三叠统曲龙共巴组;15—上三叠统确哈拉群;16—下二叠统下拉组;17—中-上泥盆统查果罗玛组;18—下泥盆统达尔东组;19—下志留统东卡组;20—湖;21—河流;22—采样位置
1 地质背景及岩石学特征

班公错-怒江结合带中段具备多岛洋特点,即由多个小洋盆构成,不同小洋盆间以不同且相互独立的微陆块相隔[14],东卡错微陆块即位于班公湖-怒江结合带中段明显变宽的部位(图 1-a)。东卡错微陆块北部以著名的东巧蛇绿混杂岩带与聂荣微陆块为界,向南延至白拉-觉翁蛇绿混杂岩带,呈东西走向的巨大眼球状夹持于班公湖-怒江板块结合带内[2]。根据现代沉积地层学、岩石学、岩石地球化学、同位素年代学等研究成果综合分析,东卡错微陆块地质演化过程主要经历了稳定陆壳形成阶段、离散拉张阶段、挤压会聚阶段、碰撞造山阶段和高原隆升等阶段[3]。研究区地层复杂[3],主要出露下志留统东卡组(S1d)、下二叠统下拉组(P1x)、上三叠统确哈拉群(T3Q)、下—中侏罗统希湖群(J1-2X)、中—上侏罗统接奴群(J2-3J)、下白垩统去申拉组(K1q)、上白垩统竟柱山组(K2j)及第四系(图 1-b)。研究区出露的去申拉组火山岩主要为玄武粗安岩和安山岩,分布于马前乡、白拉、切里湖等地,并与下伏接奴群和上覆竟柱山组均呈角度不整合接触[15]

研究样品为紫红色安山岩,采样位置为北纬31°38′56″、东经90°7′2″。安山岩为斑状结构,块状构造,斑晶约占25%,主要为斜长石(60%)、角闪石(30%)和辉石(10%)。斜长石为自形板状,大小一般0.2~0.4mm,略显定向分布,被绢云母及方解石、铁质交代,表面脏。角闪石多呈长柱状和粒状,大小0.1~0.3mm,单偏光下呈浅绿色-绿色的多色性,部分可见2组解理;辉石呈半自形柱状,被阳起石、绿泥石、方解石、石英、不透明矿物交代,为假象,大小0.1~0.3mm,具波状消光现象。基质为交织结构,由斜长石(约65%)、石英(约13%)及少许绿泥石(约2%)等组成,呈隐晶质产出(图 2)。

图 2 去申拉组安山岩野外照片(a、b)与显微照片(c、d) Fig.2 Field photographs(a, b)and microphotographs(c, d)of andesitesin the Qushenla Formation a—去申拉组火山岩野外露头;b—去申拉组安山岩岩石照片;c、d—安山岩样品中斜长石(Pl)斑晶和角闪石(Hbl)斑晶及基质交织结构(正交偏光)
2 分析方法

锆石挑选、制靶、拍照工作由广州市拓岩检测技术有限公司完成,岩石经过粉碎后,经淘洗、重力富集,再经过磁选和密度分选,在双目镜下挑选晶形、透明度和色泽都较好的锆石颗粒,纯度达到99%以上;置于环氧树脂表面固定,磨至锆石最大晶面后经抛光进行阴极发光(CL)图像拍摄。锆石U-Pb和Lu-Hf同位素分析在国家地质实验测试中心利用fs-LA-MC-ICP-MS分析完成。飞秒激光剥蚀系统(fs-LA)为ASI J200;MC-ICP-MS为Thermo Scientific Neptune Plus。锆石U-Pb同位素测定时用与未知样品交替测得的标准锆石GJ-1的测值校正Pb/U分馏[16],用标准锆石M127(U含量923 ppm)的测值校正未知样品的U含量[17]。原始数据处理使用ICPMSDataCal程序完成[18],年龄加权平均计算和U-Pb谐和图绘制使用Isoplot 3.0程序完成[19],详细的实验测试过程参见侯可军等[20]。锆石Lu-Hf同位素实验过程中采用氦气作为剥蚀物质载气,根据锆石大小,剥蚀直径采用55μm或40μm,测定时使用标准锆石GJ-1为参考物质。相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等[21]

3 锆石U-Pb定年和Hf同位素组成 3.1 锆石U-Pb年龄

东卡错微陆块内出露的去申拉组安山岩(17D021)样品锆石U-Pb同位素测试结果见表 1。安山岩中锆石呈自形-半自形柱状,粒径在150mm×70mm~200mm×80mm之间,长宽比为2: 1~ 3:1。从锆石阴极发光图像(图 3)可以看出,锆石具有明显的韵律环带,显示出岩浆成因的特点,且其Th/U值为0.30~0.52,也显示出典型的岩浆锆石特征[22],因此该锆石的U-Pb年龄可代表其岩浆结晶年龄。实验测得安山岩24个锆石颗粒的数据,其中21个测点的206Pb/238U年龄在105.6~112.7Ma之间,年龄加权平均值为110.3±0.7Ma(MSWD=0.98)(图 4)。

图 3 去申拉组安山岩锆石阴极发光(CL)图像、测点206Pb/238U年龄值和εHf(t)值(实线圈代表测点206Pb/238U年龄值,虚线圈代表εHf(t)值) Fig.3 CL images of zircons, 206Pb/238Uages and εHf(t) values of andesites in the Qushenla Formation
图 4 去申拉组安山岩锆石U-Pb谐和图(a)和206Pb/238U年龄图(b) Fig.4 U-Pb concordia diagram (a) and weighted mean age chart (b) of the zircon of andesites in the Qushenla Formation
表 1 去申拉组安山岩样品(17D021)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素组成 Table 1 LA-ICP-MS zircons U-Th-Pb isotope composition from andesites(17D021) in the Qushenla Formation
3.2 Hf同位素特征

18颗安山岩中锆石Hf同位素分析结果见表 2(同位素校正公式见表 2,相关参数见文献[23-25])。176Lu/177Hf值介于0.000676~0.001459之间,小于0.002,表明放射性成因的Hf在该安山岩形成以后几乎没有累积。176Hf/177Hf值变化于0.282394~ 0.282802之间,平均值为0.282689。根据锆石年龄计算的εHf(t)值介于-5.66~1.05之间,变化范围较大。在锆石εHf(t)与U-Pb年龄图解(图 5)中,所有样品点均处于亏损地幔和下地壳之间,说明岩浆具有壳幔混源特征,对应的二阶模式年龄(tDM2)介于1020~1448Ma之间,总体表现出较年轻的年龄值。

图 5 去申拉组安山岩锆石εHf(t)-U-Pb年龄图解(a)和锆石Hf同位素直方图(b) Fig.5 Plot of εHf(t) versus U-Pb ages (a) of zircons and zircon Hf isotope histogram (b) of andesites in the Qushenla Formation
表 2 去申拉组安山岩样品(17D021)锆石Hf同位素组成 Table 2 Hf isotopic composition of zircons from andesites (17D021) in the Qushenla Formation
4 讨论 4.1 构造环境

判别火山岩的构造环境,首先应该掌握区域地质演化历史,在此基础上结合火山岩的年代学、岩石地球化学特征得出合理的结论。

4.1.1 东卡错微陆块构造沉积演化

东卡错微陆块出露地层主要有东卡组(S1d)、查果罗玛组(D2-3cg)、下拉组(P1x)、确哈拉群(T3Q)、希湖群(J1-2X)、接奴群(J2-3J)、去申拉组(K1q)及竟柱山组(K2j)。根据对该区域沉积地层的已有研究,可大致推断东卡错微陆块的构造沉积演化历史:东卡组、查果罗玛组与下拉组均为碳酸盐台地相沉积[26-28],表明在古生代东卡错地区具有稳定沉积的特征。而上三叠统确哈拉群为一套碎屑岩夹火山岩,火山岩为玄武岩-流纹岩双峰组合,其岩石地球化学特征显示该火山岩产于板内裂谷环境[29],表明该时期东卡错地区已经处于裂陷拉张阶段;下—中侏罗统希湖群(J1-2X)岩性为浅海陆棚相的碎屑岩类复理石沉积[30],证明此时多岛洋格局已基本形成。接奴群(J2-3J)总体为一套碎屑岩组合,并见火山岩夹层,区域上接奴群火山岩的岩石组合以玄武安山岩-安山岩-英安岩-流纹岩为主,含大量中酸性火山碎屑岩[9]。李小波等[31]对接奴群中安山岩的地球化学研究显示,在Sc/Ni-La/Yb图解中,该安山岩投点全部落在安第斯型安山岩区,表明接奴群安山岩的形成与活动大陆边缘环境有关,中—晚侏罗世东卡错微陆块所处的班公湖-怒江结合带部位在该时期已经开始俯冲消减,并在此过程中形成一系列火山岩。上白垩统竟柱山组为一套典型山间磨拉石-复陆屑沉积建造[32],表明在晚白垩世班公湖-怒江洋盆已经闭合并进入碰撞造山阶段。东卡错微陆块构造沉积演化模式见图 6

图 6 东卡错微陆块构造演化简图 Fig.6 Structural evolution of the Dongkaco microcontinental block J1-2X—下-中侏罗统希湖群;T3Q—上三叠统确哈拉群;J2-3J—中-上侏罗统接奴群;J2-3l—中-上侏罗统拉贡塘组;K1q—下白垩统去申拉组
4.1.2 岩石地球化学特征

吴浩等[33-34]分别对尼玛地区及达查沟地区出露的早白垩世去申拉组火山岩进行了系统的岩石地球化学研究,结果表明,尼玛地区去申拉组安山岩为富镁安山岩,MgO含量为4.51%~5.38%,K2O/Na2O值为0.32~0.46,Mg#值在63~66之间,富集大离子亲石元素Rb、Th、U、K、Pb、Sr等,(La/Yb)N=4.78~5.23,无明显的Eu异常(Eu/Eu*=0.89~1),同时具有部分埃达克岩的特征;结合埃达克岩形成模式及地球化学特征认为,去申拉组火山岩是羌塘板块与拉萨地块陆-陆碰撞背景下的火山岩浆活动的产物。达查沟地区去申拉组火山岩为双峰式火山岩,以基性玄武岩与酸性英安岩、流纹岩为主,玄武岩地球化学分析结果显示出Nb、Ta、Ti亏损,以及高Zr含量、Zr/Y和(Th/Nb)N值的特征,认为达查沟去申拉双峰式火山岩可能是大洋闭合后区域伸展环境的产物。Sui等[35]对盐湖地区去申拉组火山岩的岩石成因及构造环境进行了研究,发现盐湖地区去申拉组同样为双峰式火山岩,产于班-怒洋南向俯冲时板片断离形成的伸展环境。麦源君等[36]对羌塘南缘查格隆地区发现的去申拉组进行了年代学和地球化学研究,该去申拉组火山岩主量元素富集Al2O3(平均为15.43%)、贫MgO(平均为3.18%);稀土元素总量较高,稀土元素配分图显示为轻稀土元素富集右倾型,存在弱负Eu异常,其产出的构造环境整体属于大陆板内裂谷。

综合前人在盐湖地区、物玛地区、查格隆地区、改则地区和达查沟地区对去申拉组玄武岩的研究成果[34-38],并对地球化学数据进行Zr-Zr/Y和Ta/ Hf-Th/Hf投图(图 7),发现5个地区去申拉组玄武岩均属于板内玄武岩,形成于陆内裂谷或大陆伸展带环境。同时,朱弟成等[2, 39]对拉萨地体分布的大量早白垩世火山岩成因进行了研究,认为140~110Ma拉萨地体与羌塘地体可能处于同碰撞环境,在110Ma左右,班-怒洋洋壳在俯冲消减过程中发生板片断离,引起拉萨地体早白垩世岩浆大爆发。因此,在前人研究的基础上,结合区域构造演化及本文去申拉安山岩年代学成果,认为研究区去申拉组火山岩可能产于班-怒洋俯冲消减过程中板片断离引起的伸展环境。

图 7 去申拉组玄武岩Zr-Zr/Y和Ta/Hf-Th/Hf图解(盐湖地区去申拉玄武岩数据据Sui等[35],物玛地区数据据康志强等[37];查格隆地区数据据麦源君等[36],改则地区数据据李伟等[38],达查沟地区数据据吴亮等[34]) Fig.7 Zr-Zr/Y and Ta/Hf-Th/Hf diagrams of basalts in the Qushenla Formation WPB—板内玄武岩;MORB—洋中脊玄武岩;IAB—岛弧玄武岩;3种玄武岩分布范围数据见参考文献[40];Ⅱ2—大陆边缘岛弧+大陆边缘火山弧;Ⅳ1—陆内裂谷+大陆边缘裂谷拉斑玄武岩;Ⅳ2—陆内裂谷碱性玄武岩;Ⅳ3—大陆伸展带/初始裂谷玄武岩
4.2 岩浆源区性质

锆石Hf同位素特征可以更加准确和客观地反映岩浆源区的特征,主要是因为以下特点:锆石稳定性高且具较高的Hf含量和很低的Lu含量,得到的176Hf/177Hf误差极小,同时Hf同位素体系封闭温度很高,相对Nd同位素,由多种组分构成的岩石可获得多组锆石Hf反映岩石的演化特征,而Nd同位素仅可获得一个数据。不同源区的岩浆岩锆石Hf同位素具有显著差异,亏损地幔的176Hf/177Hf值较大,εHf(t)值为正值或零;地壳的176Hf/177Hf值相对较小,εHf(t)值则为负值[41]。正是由于锆石Hf同位素的这些特征,其被越来越多地应用于判断岩浆源区特征,成为探讨源区的有效方法。

去申拉组安山岩锆石176Lu/177Hf值介于0.000676~0.001459之间,均小于0.002,表明放射性成因Hf在安山岩形成以后几乎没有累积,其176Lu/177Hf值可以代表锆石形成时的Hf同位素组成。锆石微量元素Th/U值介于0.30~0.52之间,显示出典型的岩浆来源特征[22]。在锆石εHf(t)与U-Pb年龄图解(图 4)中,所有样品点主要落在球粒陨石与下地壳之间,个别点落在球粒陨石与亏损地幔之间,说明岩浆有可能以壳源物质为主,有少量幔源物质的混入;同时εHf(t)变化范围较大,明显超出了分析方法自身误差的影响[42],可能是岩浆的不均一性导致[43]。Zhu等[2]对拉萨地体北部盐湖、尼玛、班戈等地的酸性岩浆岩进行了研究,发现其具有正的锆石εHf(t)值,表明拉萨地块北部为新生地壳,若该去申拉组安山岩来源于北拉萨地体地壳与幔源物质的混合,则其所测的εHf(t)也应当为正值,故排除此可能性。本次研究获得的火山岩锆石εHf(t)值介于-5.66~1.05之间,其对应的Hf同位素二阶模式年龄(tDM2)介于1020~1448Ma之间,推断其可能来源于成熟地壳物质的深熔或重熔,并有幔源物质的混入。虽然中部拉萨地块具有前寒武纪结晶基底,但研究区与其距离超过了100km,且Kapp等[44]指出北部拉萨地体在晚白垩世—古新世经历了明显的地壳缩短,故此种可能性不大。在地理位置上,东卡错微陆块与具有元古宙片麻岩基底为特征的聂荣微陆块相拼接,最近研究表明,聂荣微陆块在早白垩世已经与北部拉萨地块北缘拼贴在一起[2],在这种情况下,南向俯冲的班公湖-怒江洋壳岩石圈在约110Ma发生的板片断离,不仅使得软流圈物质快速上升,造成古老岩石圈地幔部分熔融产生基性熔体[2, 10],同时很可能使聂荣微陆块成熟地壳物质发生深熔或重熔形成酸性熔体,两者由于岩浆混合作用形成了中性的安山质岩浆,并再经过冷凝结晶形成了研究区去申拉组安山岩。

5 结论

(1)东卡错微陆块去申拉组安山岩岩浆活动侵位于110.3±0.7Ma,与邻区的去申拉组火山岩活动时间相近,说明早白垩世晚期该地区岩浆活动强烈。

(2)去申拉组安山岩可能与早白垩世班公湖-怒江洋壳向南俯冲消减引起的板片断离有关,形成于板内伸展环境。

(3)去申拉组安山岩浆可能来源于聂荣微陆块成熟地壳物质深熔或重熔作用形成的酸性熔体与古老岩石圈地幔部分熔融产生的基性熔体的混合。

致谢: 野外工作中得到西藏自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队的大力支持,广州市拓岩检测技术有限公司在本文锆石挑选、制靶、拍照工作中给予支持,锆石U-Pb和Lu-Hf同位素分析得到了国家地质实验测试中心李超副研究员的大力支持和耐心指导,审稿专家对本文提出了诸多宝贵意见和建议,在此一并深表衷心的感谢。

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