地质通报  2019, Vol. 38 Issue (7): 1136-1145  
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刘海永, 曾庆高, 旺姆, 陈国荣, 焦文龙, 叶强, 李正亮, 毛国正. 班公湖-怒江缝合带西段聂尔错—拉果错地区火山岩锆石U-Pb年龄及其地球化学特征[J]. 地质通报, 2019, 38(7): 1136-1145.
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Liu H Y, Zeng Q G, Wang M, Chen G R, Jiao W L, Ye Q, Li Z L, Mao G Z. Zircon U-Pb ages and geochemistry of volcanic rocks in the Nie'er Co-Laguo Co area of the western Bangong Co-Nujiang suture zone[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(7): 1136-1145.
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基金项目

中国地质调查局项目《班公湖-怒江成矿带铜多金属矿资源基地调查》(编号:DD20160026)和《西藏区域地质调查片区总结与服务产品开发》(编号:DD20160345)

作者简介

刘海永(1987-), 男, 硕士, 工程师, 地质工程专业。E-mail:liuhy_vip@126.com

通讯作者

曾庆高(1966-), 男, 博士, 高级工程师, 从事青藏高原大地构造与区域地质研究。E-mail:287729055@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-01-09
修订日期: 2019-03-25
班公湖-怒江缝合带西段聂尔错—拉果错地区火山岩锆石U-Pb年龄及其地球化学特征
刘海永1,2 , 曾庆高1 , 旺姆1 , 陈国荣3 , 焦文龙3 , 叶强3 , 李正亮3 , 毛国正4     
1. 西藏自治区地质调查院, 西藏 拉萨 850000;
2. 西藏自治区地质矿产勘查开发局第二地质大队, 西藏 拉萨 850000;
3. 西藏地勘局区调队, 西藏 堆龙 851400;
4. 西藏地勘局西勘集团, 西藏 堆龙 851400
摘要: 对出露于班公湖-怒江缝合带西段聂尔错和拉果错地区的火山岩开展了锆石U-Pb定年和岩石地球化学测试,旨在查明该区火山岩的形成时代、岩石成因及构造环境。锆石U-Pb定年结果显示,聂尔错地区流纹岩及拉果错地区英安岩分别形成于112.5Ma和112.3Ma,与区域上大规模展布的早白垩世岩浆作用时代一致。全岩主量、微量元素特征显示,英安岩与流纹岩样品均属于钙碱性系列,且明显富集Th、U,亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素。地球化学特征指示英安岩起源于增厚的下地壳部分熔融,而流纹岩是下地壳熔体经历广泛结晶分异作用的产物。研究认为,西藏中部早白垩世晚期大规模岩浆作用形成于碰撞后伸展背景,其深部动力学机制可能与北向俯冲的班公湖-怒江洋壳的板片断离有关。
关键词: 班公湖-怒江缝合带    火山岩    锆石U-Pb定年    岩石成因    构造环境    
Zircon U-Pb ages and geochemistry of volcanic rocks in the Nie'er Co-Laguo Co area of the western Bangong Co-Nujiang suture zone
LIU Haiyong1,2, ZENG Qinggao1, WANG Mu1, CHEN Guorong3, JIAO Wenlong3, YE Qiang3, LI Zhengliang3, MAO Guozheng4     
1. Tibet Institute of Geological Survey, Lhasa 850000, Tibet, China;
2. The Second Geological Team, Tibetan Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Lhasa 850000, Tibet, China;
3. Tibet Geology and Mineral Bureau Regional Geological Survey Team, Duilong 851400, Tibet, China;
4. The Western Exploration Group, Tibetan Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Duilong 851400, Tibet, China
Abstract: In order to ascertain the formation age, rock genesis and tectonic setting of volcanic rocks in the Nie'er Co and Laguo Co areas of the western Bangong Co-Nujiang suture zone, the authors mainly carried out zircon U-Pb dating and petrogeochemical analysis of volcanic rocks. The zircon U-Pb dating results show that the rhyolites in the Nie'er Co area were formed at 112.5Ma, and the dacite in the Laguo Co area was formed at 112.3Ma, respectively, consistent with the age of the magmatism extensively distributed in the study area. The characteristics of the main trace elements of the whole rock show that both the dacite and rhyolite samples belong to the calc-alkaline series, and are obviously enriched in Th, U, and depleted in high field strength elements such as Nb, Ta and Ti. Geochemical characteristics indicate that the dacite originated from the partial melting of the thickened lower crust, whereas rhyolite was formed by the extensive crystallization differentiation of the lower crust melts. The authors hold that the largescale magmatism in the late Early Cretaceous in central Tibet formed a background after collision, and the deep dynamic mechanism was probably related to the slab break-off of the northward subduction of Bangong Co-Nujiang oceanic floor.
Key words: Bangong Co-Nujiang suture zone    volcanic rock    zircon U-Pb dating    petrogenesis    tectonic setting    

班公湖-怒江缝合带(以下简称班-怒带)沿东西方向横贯于青藏高原中部,夹持于羌塘板块与拉萨地块之间。该缝合带西起印度克什米尔地区,经西藏境内的班公湖、改则、东巧、丁青,然后呈弧形折向东南,沿怒江延伸到滇西,全长近2800km。在中国境内该缝合带按地域以改则和丁青为界,可进一步划分为西、中和东3段[1-2]。班-怒带是青藏高原上中生代洋盆班公湖-怒江洋(以下简称班-怒洋)演化的残迹,该缝合带的研究对于认识青藏高原中生代构造演化史具有重要的科学意义,近年来受到国内外众多学者的关注[3-6]

近年来的国土资源大调查和专题研究发现,该缝合带不仅是重要的构造界线,同时也是青藏高原上3条重要的成矿带之一,先后在达查沟、多不扎、噶尔穷等地区发现了大型、特大型铜金矿床,成矿条件优越,显示出巨大的成矿潜力[7-10]。对成矿岩体的测年研究指示,班-怒带成矿作用集中在早白垩世晚期及晚白垩世,与班-怒带两侧大规模展布的岩浆岩时代一致[6, 11-16],然而关于该期岩浆作用的构造背景及深部动力学机制仍存在较大的争议,直接限制了对班-怒带成矿背景的认识。目前关于早白垩世晚期岩浆作用构造环境的争论主要集中于该期岩浆岩究竟形成于洋壳俯冲背景还是碰撞后伸展环境?同时板片断离[13, 17]、板片回转[18-19]、洋脊俯冲[20]、洋壳整体拆沉[21-22]等模型相继被提出用来解释该期岩浆岩的深部动力学机制。因此,查明西藏中部早白垩世晚期岩浆岩的构造环境,确定深部动力学机制,不仅是重建洋盆构造演化史的关键,同时对认识区域成矿作用与成矿机制具有重要的意义。

本文以出露于班-怒带西段聂尔错文布当桑地区流纹岩(流纹质凝灰岩)和拉果错联确弄巴地区的英安岩为研究对象,在野外调查的基础上,对其开展详细的年代学和地球化学研究,通过岩石成因与构造环境研究,探讨班-怒带早白垩世晚期构造演化。

1 地质背景及岩石学特征

研究区位于班-怒带西段的革吉县聂尔错和改则县拉果错地区,大地构造位置处于班公湖-怒江缝合带西段(图 1-a),区域构造演化主要受班-怒洋俯冲闭合作用的影响。区内地层复杂,构造断裂发育,大面积出露早白垩世火山岩地层,包括下白垩统纳日组(K1n)、罗玛组(K1lm)和郎山组(K1l)。本次研究的英安岩和流纹岩样品分别采自拉果错及聂尔错地区的下白垩统罗玛组(K1lm)(图 1-b、c)。区域上罗玛组为一套滨浅海碎屑岩、碳酸盐岩夹火山岩建造的地层岩石组合,其上被郎山组灰岩整合覆盖,其下与纳日组火山岩呈角度不整合接触。其中拉果错英安岩呈浅黄灰色,斑状结构,块状构造,斑晶含量约35%,斑晶成分主要为斜长石和石英,基质为隐晶质结构(图 2-a);聂尔错流纹岩呈灰白色-紫红色,斑状结构,流纹构造,斑晶含量约30%,成分以石英和斜长石为主,见少量黑云母,基质为霏细微晶结构(图 2-b)。

图 1 青藏高原构造纲要图(a)和革吉县聂尔错地区(b)、改则县拉果错地区地质简图(c) Fig.1 Tectonic outline of the Tibetan Plateau (a), and the simplified geological maps of the Nie'er Co area (b) and the Laguo Co area (c)
图 2 英安岩(a)与流纹岩(b)样品显微镜下照片 Fig.2 Petrographic photographs of dacite (a) and rhyolite (b) Q—石英;Pl—斜长石;Bt—黑云母
2 分析方法 2.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年

本次对1件流纹质凝灰岩样品(KZL-003)和1件英安岩样品(2148TW)进行了锆石U-Pb测年。样品KZL-003锆石U-Pb同位素定年在自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验室完成,激光剥蚀系统为GeoLasPro 193 nm激光系统,质谱为高分辨电感耦合等离子体质谱仪ELEMENT2;样品2148TW锆石U-Pb同位素定年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)完成,激光剥蚀系统为GeoLas 2005,ICP- MS为Agilent 7500a。实验中激光波长193nm、束斑32μm、脉冲频率6Hz;分别采用锆石标样GJ-1和锆石标准91500为外标进行U-Pb同位素分馏效应和质量歧视的校正计算。采用软件ICPMSDTACAL离线处理分析数据,详细的仪器操作条件和数据处理方法见参考文献[23-24],最终采用Isoplot/Ex (3.0)完成锆石样品U-Pb谐和图绘制及年龄加权平均值计算。

2.2 全岩地球化学分析

为确定火山岩的成因,本次分别在拉果错和聂尔错地区采集了4件英安岩和5件流纹岩(流纹质凝灰岩)样品进行全岩主量、微量元素测试。样品测试均在西南冶金地质测试中心完成。首先机械粉碎岩石样品,之后用球磨机将其研磨成小于200目的粉末,主量元素FeO用滴定法测定,其他项目采用熔片法。采用X-射线荧光光谱仪进行分析。微量元素采用四酸分解法,利用PE公司的NexION 300x ICP-MS质谱仪测定。首先机械粉碎岩石样品,称取岩石粉末(约200目)50mg于Teflon溶样器中,保持在195℃条件下,用HF + HNO3消解48h,后将样品在120℃条件下蒸干除Si用2%HNO3稀释2000倍,在干净的聚酯瓶中定容,检出限为0.02×10- 6~ 10×10-6。稀土元素采用碱溶法,同样利用PE公司的NexION300xICP-MS质谱仪测定,分析项目检出限为0.05×10-6~1×10-6[25-26]

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb同位素年龄

2件火山岩样品测试结果见表 1。聂尔错文布当桑地区流纹质凝灰岩KZL-003样品中锆石呈自形-半自形晶,长宽比1:1~1:2,阴极发光(CL)图像(图 3-a)显示典型的振荡环带,具有岩浆成因锆石的特征。锆石Th含量为164×10-6~1117×10-6,U含量为193×10-6~630×10-6,Th/U值为0.68~1.54,大于0.4,显示岩浆成因锆石的特点。流纹岩样品共进行了22个点的测试分析,获得206Pb/238U年龄加权平均值为112.5±1.8Ma(图 3-b)。

表 1 流纹质凝灰岩(KZL-003)与英安岩(2148TW)样品LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb测年结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data for rhyolite tuff (KZL-003) and dacite (2148TW)
图 3 KZL-003代表性锆石阴极发光图像(a)及锆石U-Pb谐和图(b) Fig.3 Cathodoluminescence images of zircon grains(a)and zircon U-Pb concordia diagrams (b)of sample KZL-003

拉果错联确弄巴地区英安岩2148TW样品锆石呈自形-半自形晶,长宽比1:1~1:3,阴极发光(CL)图像(图 4-a)显示明显的振荡环带。锆石Th含量为120×10-6~1210×10-6,U含量为177×10-6~878×10-6,Th/U值为0.64~1.38,大于0.4,显示岩浆成因锆石的特点。英安岩样品共进行了7个点的测试分析,获得206Pb/238U年龄加权平均值为112.3±1.5Ma(图 4-b)。

图 4 2148TW代表性锆石阴极发光图像(a)及锆石U-Pb谐和图(b) Fig.4 Cathodoluminescence images of zircon grains(a)and zircon U-Pb concordia diagrams(b) of sample 2148TW
3.2 岩石地球化学特征

拉果错联确弄巴地区英安岩与聂尔错文布当桑地区的流纹岩、流纹质凝灰岩样品的全岩地球化学分析结果见表 2

表 2 研究区罗玛组火山岩全岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace and rare earth element data for volcanic rock of Luoma Formation in study area

拉果错英安岩样品SiO2含量为67.70% ~ 74.24%,Al2O3含量为14.55%~16.20%,MgO含量为0.03% ~1.12%;全碱(Na2O + K2O)含量为2.27% ~ 6.46%。在TAS图解(图 5-a)中,4件样品落在英安岩区域;在SiO2-K2O图解中,英安岩样品落在中钾钙碱性区域(图 5-b)。英安岩样品具有较低的稀土元素含量,稀土元素总量(∑REE)为60.88×10-6~ 79.37×10-6,轻、重稀土元素比值(∑LREE/∑HREE)为4.15~5.36,(La/Yb)N值为13.68~17.91,轻、重稀土元素分异中等,其球粒陨石标准化稀土元素配分曲线呈轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的右倾模式(图 6-a),4件样品未表现出明显的Eu异常(Eu/ Eu*=0.86~1.14)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 6-b)中,明显富集Th、U等大离子亲石元素及K,亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素。

图 5 TAS(a)[27-28]和K2O-SiO(2 b)[29]图解 Fig.5 TAS (a) and K2O versus SiO2 (b) diagrams
图 6 球粒陨石标准化稀土元素配分模式(a)[30]和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)[31] Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized multi-element patterns (b)

聂尔错流纹岩(流纹质凝灰岩)样品SiO2含量为71.31%~77.42%,Al2O3含量为12.17%~13.95%;MgO含量为0.07% ~1.02%,全碱(Na2O + K2O)含量为6.80%~8.31%。在TAS图解(图 5-a)中,5件样品均落在流纹岩区域;在SiO2-K2O图解(图 5-b)中,流纹岩(流纹质凝灰岩)样品均落在高钾钙碱性区域。流纹岩(流纹质凝灰岩)样品具有相对高的稀土元素含量,稀土元素总量∑REE为82.75×10-6~223.98×10-6,轻、重稀土元素比值∑LREE/∑HREE为2.14~4.14,(La/Yb)N值为5.18~8.98,轻、重稀土元素分异中等,其球粒陨石标准化稀土元素配分曲线呈右倾模式(图 6-a),5件样品均表现出不同程度的负Eu异常(Eu/Eu*=0.44~0.95)。在原始地幔标准化多元素蛛网图(图 6-b)中,样品明显富集Th、U等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素。

4 讨论 4.1 岩石成因

酸性岩的形成主要包括2种机制:①幔源基性岩浆经历广泛的分离结晶作用[32-34];②起源于中下部地壳物质的部分熔融[35-36]。基性岩浆的结晶分异过程会形成从基性到酸性一系列岩石,同时区域上的岩石组合会出现大量的基性岩浆成分,而在聂尔错和拉果错地区,火山岩端元以中酸性为主,缺乏基性岩端元。因此,笔者认为,英安岩与流纹岩样品很难解释为基性岩浆结晶分异的产物,二者应起源于中下地壳物质的部分熔融。

尽管英安岩与流纹岩(包括流纹质凝灰岩)样品具有相同的形成时代,但是2类样品显示明显不同的地球化学特征,反映了不同的岩浆源区与成岩过程。其中,英安岩具有高Al2O3含量、弱正Eu异常,以及重稀土元素强烈亏损,与埃达克质岩石的地球化学特征相似[37-38]。埃达克质岩石特殊的地球化学特征是岩浆源区存在角闪石、石榴子石残留的结果,一般认为其源区可能为俯冲的洋壳板片或增厚的下地壳。实验岩石学表明,派生熔体的K含量明显受源岩K含量的影响[39]。源于板片熔融的埃达克岩平均K2O含量为1.72%[40],其原岩MORB平均的K2O含量为0.18%,明显低于大陆下地壳的K2O含量(平均0.6%)[40-41]。同时,板片熔体具有较低的Rb/Sr值(0.01~0.04)。英安岩相对高的K2O含量及Rb/Sr值,均显示地壳熔体的特征。因此,笔者认为英安岩应该起源于增厚下地壳的部分熔融。

不同于英安岩的地球化学组成,流纹岩样品不同程度亏损Eu、Sr等元素,并具高的TFeO/MgO值(2.43~7.73)和分异指数(DI=83~97),显示高分异岩石的地球化学特征,反映岩浆后期经历了广泛结晶分异过程。而且流纹岩样品无明显的重稀土元素亏损,应起源于正常厚度地壳的部分熔融。2类样品中Nb、Ta、Ti的亏损,较合理的解释是地壳源区在部分熔融过程中存在钛铁矿、金红石等矿物的难熔残余,而流纹岩中Eu、Sr等元素的负异常可能与成岩过程中斜长石和/或钾长石的广泛结晶分异作用有关。

4.2 构造环境与深部动力学解释

西藏中部早白垩世的大地构造背景一直存在较大的争议,不同学者基于不同的研究资料往往得出不同的认识。一般认为,班-怒洋在早白垩世初期闭合,开启了拉萨地块与羌塘板块的陆-陆碰撞过程[42-45]。同时,国内外学者近年对西藏中部班-怒带两侧大规模展布的早白垩世岩浆岩开展了大量研究,先后取得大量的研究成果。根据以下4点证据,笔者认为该期岩浆岩形成于碰撞后伸展背景:①在盐湖、达查沟、麦尔则等地区先后识别了双峰式火山岩组合,指示区域伸展背景[17, 46-47];②对双峰式火山岩中玄武岩端元的研究发现,西藏中部早白垩世玄武岩具有大陆玄武岩的特征,形成于大陆伸展的构造环境[17, 46];③在早白垩世岩浆岩中识别出大量的高温A2型花岗岩,一般认为A2型岩石形成于碰撞后伸展背景[22, 48];④在构造判别图解Rb-Hf-Ta图解(图 7)中,本文的酸性岩样品主体落在碰撞后及板内花岗岩区域。因此,笔者认为,拉果错和聂尔错地区的火山岩与西藏中部早白垩世岩浆岩一样,形成于碰撞后伸展背景。

图 7 Rb-Hf-Ta构造判别图解[49] Fig.7 Rb-Hf-Ta diagrams

最近,板片断离[13, 50]、洋壳拆沉[21]、增厚岩石圈拆沉[51]等模型相继被提出,用来解释西藏中部早白垩世大规模岩浆作用爆发的深部动力学机制。其中增厚岩石圈拆沉引发岩浆作用的峰期在晚白垩世,形成的岩浆岩往往具有高Sr/Yb值和高Mg#值的特征[52],这与本文的岩浆岩在形成时代与地球化学特征上具有明显的差异。洋壳拆沉的提出是基于班-怒洋在中晚侏罗世的双向俯冲模式[53],认为在双向俯冲机制下陆壳与洋壳之间处于解耦状态,洋壳无法进一步拖曳陆壳物质进入地幔深度,因此难以发生板片断离。班-怒洋双向俯冲模型提出的主要依据是班-怒带两侧展布的晚侏罗世岩浆作用,然而最新的年代学资料显示,南北2条岩浆带在形成时代上存在一定的差异,南侧岩浆岩带更有可能是新特提斯洋俯冲消亡的产物。而板片断离机制发生的前提是大陆深俯冲,是地幔中低密度陆壳(正浮力)与高密度洋壳(负浮力)之间的浮力差互相作用的结果[52, 54]。结合南羌塘板块南缘大规模展布的中晚侏罗世弧型岩浆作用,笔者认为,西藏中部早白垩世晚期岩浆作用爆发应该是班-怒洋北向俯冲背景下板片断离的产物[50]。在班-怒洋闭合后,板片断离导致深部软流圈地幔上涌,造成上覆板块伸展的同时,进一步为大陆地壳物质重熔提供了热源条件。因此,笔者认为,班-怒洋北向俯冲过程中板片断离应该是聂尔错—拉果错地区火山岩形成较合理的深部动力学解释。

5 结论

(1)锆石U-Pb测年结果显示,拉果错和聂尔错地区的火山岩形成于112Ma左右,与西藏中部大规模展布的早白垩世岩浆岩形成时代一致。

(2)英安岩与流纹岩样品均显示钙碱性岩石的特征,二者不同的地球化学组成反映了不同的岩浆源区,其中英安岩起源于已经增厚的地壳,而流纹岩起源于正常厚度的地壳,并经历了广泛的结晶分异作用。

(3)本文研究认为,西藏中部聂尔错—拉果错地区的早白垩世火山岩形成于区域碰撞后伸展背景,是北向俯冲的班公湖-怒江洋壳发生板片断离引发的岩浆作用。

致谢: 感谢自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验室、中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)及西南冶金地质测试中心等测试单位的老师在样品分析过程中给予的帮助,感谢青岛海洋地质研究所吴浩博士和吉林大学范建军副教授、杨浩博士在成文过程中给予的热情指导,感谢审稿专家提出的宝贵修改意见和建议。

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