攀西地区猫沟霞石正长岩的成因锆石shrimpu-pb年代学证据

攀西地区猫沟霞石正长岩的成因锆石shrimpu-pb年代学证据

分布在中国西南的两座省的晚二叠纪火山岩及其伴随岩石是目前唯一被国际学术界认可的岩浆岩[1.3]。目前，越来越多的研究人员认为，凉山大火成岩省（elip）的大规模喷发可能是生物灭绝的重要原因。因此，elip研究必须解决的一个基本问题是它的喷发时间和发芽时间。峨眉玄武岩不能分离足够的锆，后期由于频繁事件的干扰，其ar-ar系统遭到破坏，这就带来了直接确定elip发芽时间的困难。在elip领域，从西昌到攀枝花市（也称为攀西县），有一系列基性超基性岩和中酸性碱性岩。第一种方法认为，这三个因素在时间和空间上密切相关，具有“三位一体”的特征。如果这个观点是正确的，则很容易将锆粉中酸性入侵岩作为一个重要的步骤，这不仅可以改善elip研究中酸性入侵岩的研究薄现状。会理猫猫沟霞石正长岩是攀西地区典型的碱性侵入岩,近年来的年代学工作表明该岩体的年龄为216～253Ma,与根据地层制约获得的峨眉山玄武岩年龄(258～260Ma)有较大的差异,从而对前人的三位一体的观点提出了质疑.考虑到猫猫沟岩体在ELIP研究中的重要性以及前人所用的Ar-Ar方法对ELIP存在失效的现象,我们对该岩体进行了详细的野外考察,对新采集的样品进行了岩石学、同位素地球化学和锆石年代学分析.通过岩石成因分析和年代学资料,我们认为中酸性侵入岩在时空上和成因上与峨眉山玄武岩的形成关系密切,从而为“三位一体”的观点提供了进一步的证据.1岩石地质特征攀西地区位于扬子板块的西缘,峨眉山大火成岩省的内部(图1(a)).攀西地区岩浆活动频繁,矿产资源丰富,断裂带发育,又被称为攀西古裂谷带.本区的古老基底是一套以中元古代变质岩石为主的片麻岩组合.沿断裂带由北至南,断续发育几个大型的层状侵入岩体,分别是太和岩体,新街岩体,红格岩体和攀枝花岩体.这些岩体以基性-超基性侵入岩为主体,侵入岩峨眉山玄武岩中,并伴生有少量的中酸性碱性侵入岩.目前玄武岩和基性-超基性侵入岩已经被研究认为是峨眉山地幔柱活动的产物,但是对中酸性碱性侵入岩的形成时间和岩石成因报道较少.猫猫沟霞石正长岩体出露于四川省会理县境内,龙帚山的北北东侧,受控于安宁河-易门断裂带,属于峨眉山大火成岩省内带的中部位置(图1(a))(内带划分方式参考文献).岩体呈近南北向展布,长约15km,宽约2.3km,面积约32km2.岩体以闪长岩为核心,霞石正长岩围绕它呈环状分布(图1(b)).霞石正长岩侵入于晚二叠世峨眉山玄武岩(图1(c))、早二叠世灰岩和奥陶纪砂岩中,并被闪长岩穿插.本文以霞石正长岩为重点研究对象.该岩石具粗面结构,矿物颗粒粗大,长石最大者可大于10mm.造岩矿物由微斜长石、钠长石、霞石、钙铁辉石、铁韭闪石、方钠石、钛磁铁矿和少量黑云母组成.2分析和结果2.1岩浆锆石成因分析锆石按常规重力和磁选方法分选,最后在双目显微镜下挑纯.将锆石与数粒RSES参考样TEM置于环氧树脂中,然后磨至约一半大小,使锆石内部暴露.通过阴极发光(CL)分析确定锆石颗粒的内部结构.锆石的U,Th和Pb同位素组成分析在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心的SHRIMPⅡ上进行,详细分析流程和原理参考文献[11,12].应用RSES参考锆石TEM(417Ma)进行元素分馏校正,应用SL13(年龄572Ma;U含量238µg/g)标定样品的U,Th和Pb含量.数据处理采用LudwigSQUID1.0及ISOPLOT程序.应用实测204Pb校正锆石中的普通铅.表1所列单个数据点的误差均为1σ,采用年龄为206Pb/238U年龄,其加权平均值为95%的置信度.阴极发光图像分析是对岩浆锆石和变质锆石进行区别的主要而有效的手段,岩浆锆石一般都具有特征的岩浆振荡环带,而变质锆石为扇形结构增生、面状结构增生或呈补丁状[13～15].猫猫沟霞石正长岩的锆石无色透明,晶形多不完整.部分颗粒上可见典型的韵律环带结构,反映了岩浆成因锆石的结构特点(图2(b)).所有锆石均为原生岩浆锆石,不具有老核新壳的特征.大量研究表明,不同成因锆石具有不同的Th,U含量和Th/U比值:岩浆锆石的Th,U含量较高,Th/U比值较大(一般>0.4);变质锆石的Th,U含量低,Th/U比值小(一般<0.1).本文对猫猫沟LQ-3样品中14颗锆石进行了U,Th和Pb同位素组成分析(表1),所有分析结果都具有较高的Th,U含量和较大的Th/U比值.其中Th/U比值为0.39～1.04也反映了岩浆成因锆石的特点.锆石的SHRIMPU-Pb测年结果显示,除13号和14号两个分析点明显偏离外,其他12个分析点的206Pb/238U年龄为245～279Ma,在一致曲线中,且数据点成群分布(图2(a)).其206Pb/238U年龄的加权平均值为(261.6±4.4)Ma(n=12),记录了该霞石正长岩体的结晶年龄.锆石Hf同位素测试在中国科学院地质与地球物理研究所Neptune多道接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS)和193nm激光取样系统上进行,分析时激光束直径为31.5或63µm,激光剥蚀时间约26s测定时用国际标样91500锆石作外标,分析中所用的激光脉冲速率为8～10Hz,激光束脉冲能量为100mJ.仪器的运行条件及详细的分析过程可参见文献.本次实验测定过程中,91500锆石的176Hf/177Hf的测定结果是0.282282±29,该值与目前用溶液法获得的值在误差范围内一致.锆石的Hf同位素如表2所示.所有颗粒锆石的176Lu/177Hf比值均小于0.003,其平均值为0.001,显示锆石在形成以后具有极低的放射性成因Hf的积累.除13号分析点因为对应锆石的年龄明显偏低,其176Hf/177Hf比值为0.282407外,所有其他分析点的176Hf/177Hf比值变化在0.28257～0.28274之间,εHf(t=260Ma)变化在-1.4～+4.3之间.2.2微量元素特征主元素、微量元素和Nd同位素分析均在中国科学院广州地球化学研究所同位素年代学和地球化学重点实验室完成.主元素和微量元素分别采用X射线荧光光谱和等离子体质谱分析,Nd同位素采用MC-ICPMS测定.分析结果见表3.从主元素分析结果可以看出,该侵入岩为中性(SiO2=53.99%～55.79%),具富碱(Na2O+K2O=11.11%～13.00%)富钠(K2O/Na2O=0.27～0.32)特征,TAS图解上落于霞石正长岩区域,为典型的碱性岩浆岩(图3(a)).该侵入岩富Ba(505～1051µg/g),Ga(22～23µg/g)Zr(110～191µg/g).在微量元素蛛网图解上Ti具弱亏损,而无Nb和Ta负异常,显示出一些与A型花岗岩相似的特征.刘红英等人曾对该岩体进行了研究将他们的数据与本文研究结果对比发现,二者的岩性都属于霞石正长岩(图3(a)),而在微量元素蛛网图解上除了前者的Ti亏损程度稍大之外,其他与本文研究结果相一致(图3(b)).这说明两次研究的对象是同一岩体的同类岩石.根据前面所测锆石SHRIMPU-Pb年龄,我们将实测143Nd/144Nd计算至260Ma的初始值,获得的εNd(t)=-0.73～+1.44.3猫沟岩体与峨眉玄武岩之间的起源关系3.1地质背景和岩石结构攀西地区的中酸性碱性侵入岩与峨眉山玄武岩、基性-超基性侵入岩在空间上紧密伴生,基性-超基性侵入岩侵入峨眉山玄武岩,又被中酸性碱性侵入岩所侵入.前人把攀西地区这三类岩石的伴生特征称为“三位一体”.猫猫沟霞石正长岩的锆石年龄为(261.6±4.4)Ma,与新街超基性侵入岩年龄((259±3)Ma)、攀枝花基性侵入岩年龄((263±3)Ma)和盐源辉绿岩脉年龄((262±3)Ma)在误差范围内相一致虽然目前还没有有关峨眉山玄武岩可靠年龄的报道但根据峨眉山玄武岩出现在中、晚二叠界限的事实以及该界限年龄推测峨眉山玄武岩的年龄为258～260Ma.由此可见,ELIP中的喷出岩、基性-超基性侵入岩和中酸性碱性侵入岩具有相似的年龄.Lo等人对猫猫沟岩体的黑云母40Ar/39Ar定年结果为251～253Ma,比本文报道的年龄略为年轻.我们认为这可能是因为黑云母的40Ar/39Ar体系封闭温度较低(300～400℃),从而导致实测年龄比侵入年龄要滞后几个百万年.刘红英等人对该岩体的锆石SHRIMP定年显示岩体的结晶年龄为(224±8)Ma,并且存在年龄为622～691和2692～2818Ma的两期锆石老核,与本文的报道有较大的差别,原因不详.考虑到两次分析给出的主元素、微量元素组成的相似性(图3),似乎不是采样的因素.地球化学研究指示猫猫沟霞石正长岩具有幔源岩石的特征(见后文).幔源岩石的锆石结构简单,不具有老核新壳的特征,这与本文锆石的CL图像是一致的(图2(b)).由于地幔中亏损Zr元素,因此如果没有地壳物质的加入,幔源岩石中的锆石将不可能存在和生长;而地壳物质所占比例的多少,直接决定了幔源岩石中锆石的Hf同位素组成.本文的锆石εHf(t=260Ma)最低值仅为-1.4,说明加入的地壳物质比例较低.根据Hf同位素在锆石中的演化趋势,如果存在2.7～2.8Ga的锆石老核,那么演化至260Ma时,它的εHf值应低于-40(图4),而本文的锆石εHf(t=260Ma)却集中在-1.4～+4.3之间,也说明其成因与幔源岩浆有关.从上述两点而言,本文的数据似乎要优于刘红英等人报道的结果.前人还对攀西地区的其他侵入岩体进行了年代学研究,发表了大量与本文不一致的年龄[28～30].这些结果中,通过40Ar/39Ar年代学方法获得了茨达辉长岩的黑云母坪年龄(256Ma),和鸡街、大向坪霞辉岩的全岩坪年龄(214～193Ma).值得注意的是只有茨达辉长岩的Ar-Ar年龄谱线是一条平坦的直线,而另外两条年龄谱线都有明显的离散现象.前者对应的年龄与Lo等人获得的猫猫沟岩体的黑云母40Ar/39Ar定年结果相近,而后两者对应的年龄则明显偏低.这说明鸡街和大向坪霞辉岩的40Ar/39Ar同位素体系已被破坏,而茨达辉长岩和猫猫沟霞石正长岩的黑云母Ar-Ar坪年龄才是攀西地区40Ar/39Ar同位素体系平衡温度的真实反映.前人的锆石年代学结果显示白马石英正长岩年龄为225Ma,鸡街霞辉岩年龄为204Ma,但难以解释的是在鸡街的超基性霞辉岩中也存在～680和～2000Ma的锆石老核.最近周美夫课题组对白马和鸡街岩体中碱性岩进行了锆石SHRIMPU-Pb测年,测年结果均为～260Ma1).本文更倾向于接受这一年龄结果.3.2东南角相结构的地球化学特征陈岳龙等人对攀西地区斜长角闪岩研究获得的锆石SHRIMP年龄为～706Ma,徐士进等人对该地区中基性麻粒岩研究获得的Sm-Nd等时线年龄为～1140Ma,因此这两类岩石被认为是攀西地区下地壳古老基底的代表性岩石.根据他们的Nd同位素分析结果,把143Nd/144Nd计算至260Ma,则这些岩石的εNd(t)分别为-5.8～-2.4和-6.7,都是绝对值较大的负值.这与本文的Nd同位素研究结果(εNd(t)=-0.73～+1.44)都有较大的差异,从而排除了猫猫沟岩体由下地壳古老基底部分熔融形成的可能.高场强元素Nb和Ta具有非常相似的离子半径,在岩浆演化过程中通常具有一致的行为,因此被称为地球化学孪生子(geochemicaltwins).目前研究认为,在一些特定的地质条件下,如金红石和榍石等富钛矿物的析出或加入会导致Nb/Ta比值的大幅变化,但在大多数岩浆过程中Nb/Ta比值的变化范围很小.地幔具有和球粒陨石一致的Nb/Ta比值(～17.5±2.0),而地壳的Nb/Ta比值约为11～12,两者存在显著差异.因此Nb/Ta比值是区别幔源和壳源岩石的一个有效参数.猫猫沟霞石正长岩的Nb/Ta比值为16.7～19.5(表3),与地幔值非常相近Yb/Ta-Y/Nb判别图上这些样品均落于OIB区域内(图5(a)),εNd-La/Nb协变图解上则落于峨眉山玄武岩的区域(图5(b)).这些特征说明猫猫沟霞石正长岩属于幔源岩石,具有与峨眉山玄武岩相似的源区.La/Nb值小于1则说明受壳源混染的程度较低.目前霞石正长岩的成因主要有结晶分异和部分熔融两种解释.当霞石正长岩和其他基性侵入岩以及硅饱和的正长岩相互伴生,并组成一套连续的岩石演化序列时,通常认为它是结晶分异的产物[38～40]由于猫猫沟霞石正长岩体缺少一套连续的岩石演化序列,因此我们认为它更可能是部分熔融成因.为了更好的区分这两种成因模式,我们从岩石的微量元素特征进行了判别,并采用主量元素的质量平衡法和稀土元素的反演来验证.猫猫沟霞石正长岩具有Sr富集的特征(图3(b))而峨眉山玄武岩中的Sr通常具有一定程度的亏损[41～43],因此由峨眉山玄武岩结晶分异出Sr富集的霞石正长岩是不大可能的.在与猫猫沟岩体相邻的龙帚山发育一套Sr富集的响岩和响岩质玄武岩并且猫猫沟岩体侵入于其中,那么猫猫沟岩体是否由该岩浆结晶分异而来呢?我们以样品LZ-22代表母岩浆的成分,主量元素的最小方差质量平衡计算结果显示结晶分离相中需要～35wt%的斜长石,而如此高比例的斜长石的分异必将导致岩浆中Sr呈现明显亏损的特征(图6(a)),因此可以排除这种结晶分异的可能性.Hay等人在研究肯尼亚裂谷时从实验和地球化学的角度证实在下地壳压力条件下响岩可以由碱性玄武质岩石部分熔融形成.地震成像研究揭示ELIP内带的下地壳P波波速高达7.1～7.8km/s.对于该高速层成因的一种可能解释是随峨眉山地幔柱上升的地幔岩石在柱头处部分熔融,熔融产物玄武质岩浆再底侵于下地壳.该底侵层的存在满足了Hay等人的实验中要求的下地壳压力条件和玄武质岩石成分,为霞石正长岩的形成提供了前提条件.