羌塘中部黑脊山早石炭世钠长花岗岩锆石u-pb年代学及其地球化学特征

羌塘中部黑脊山早石炭世钠长花岗岩锆石u-pb年代学及其地球化学特征

1早古生代火山弧龙木措-甲湖-汉江缝合带是印度大陆与欧亚大陆之间的主要缝合带，连接着青藏高原的东西走向2000多公里，代表了古特提斯洋的封闭遗迹（李彩，2008）。由于缝合带本身复杂的构造演化历史及藏北羌塘极端恶劣的气候和交通条件,使得关于该缝合带的许多重要地质问题一直没有解决,其中古特提斯洋的演化历史依然存在很多空白。最近的研究在龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带上发现了一系列早古生代的洋壳残片,果干加年山和桃形湖等地发现了岩石组合比较完整的奥陶纪和志留纪的蛇绿岩(Zhaietal.,2010;李才等,2008;吴彦旺等,2009;胡培远等,2009),双湖地区发现了晚泥盆世法门期的放射虫硅质岩(朱同兴等,2006)。这些成果将古特提斯样的演化时限向前延伸至早古生代,但是与大洋演化密切相关的火山岩浆弧的相关研究却很少,翟庆国等(2007)报道了羌塘菊花山地区那底岗日组的SHRIMPU-Pb年龄为219Ma,并且认为其可能是古特斯洋沿龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带北向消减的火山弧岩浆活动的产物。施建荣等(2009)报道在果干加年山蛇绿岩中发现了早石炭世(348Ma)的斜长花岗岩侵入体,但是缺乏系统的同位素地球化学研究,斜长花岗岩的成因还不明确。目前还没有确切的三叠纪以前火山弧岩浆岩的报道,古特提斯洋由扩张转为消减的时代还不清楚,制约了对古特提洋俯冲方向和羌塘地区构造演化等问题的深入研究。近期的研究工作在青藏高原羌塘中部黑脊山地区识别出了与侵入蛇绿岩中的早石炭世钠长花岗岩,可能是古特提洋俯冲消减的岩浆记录。本文报道了它的岩石地球化学特征以及LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果,从而为羌塘中部古特提斯洋演化研究积累资料。2岩浆岩地质特征黑脊山地区位于桃形湖以东约30km处,改则县城北约200km(图1),龙木错-双湖-澜沧江构造带内(李才,2008)。区内断裂构造发育,主要以东西向断裂为主,并且表现为一系列的大型逆冲断裂。区内出露的地层时代主要为晚古生代,岩石总体变质程度较低,大面积分布的是冈瓦纳相上石炭统-下二叠统展金组(C2P1z),而在黑脊山以西约10km的驼背岭附近出露有扬子型的早石炭世日湾茶卡组(C1r)地层。同时也出露有高压变质带,岩性包括榴辉岩、大理岩和石榴石白云母片岩,为羌塘中部高压变质带的一部分,记录了扬子板块与冈瓦纳板块俯冲碰撞以及折返的过程(翟庆国等,2009a)。区内出露的岩浆岩以晚三叠世那底岗日组(T3n)为主,岩性主要为玄武岩、安山岩和英安岩,为一套火山岩浆弧组合。本文研究的花岗岩体主要出露于黑脊山南坡,与那底岗日组断层接触,与蛇绿岩为侵入接触关系,出露面积约为10km2。黑脊山地区的蛇绿岩混杂岩为桃形湖蛇绿岩的东延部分,受一系列断裂控制而成断块状产出,出露面积较小,仅出露有堆晶岩部分,岩性主要为堆晶辉石岩以及堆晶辉长岩(图2)。桃形湖蛇绿岩在桃形湖与冈玛错之间的蛇绿梁、驼背岭一带露头较好,岩石端元也比较齐全,主要岩石类型为蛇纹岩、堆晶辉长岩、斜长花岗岩、枕状玄武岩和硅质岩,时代主要为奥陶纪(Zhaietal.,2010),是目前龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带上年龄最古老的蛇绿岩。不同时代的蛇绿岩经过强烈后期构造活动的改造,但是蛇绿岩单元基本保留齐全。本文的锆石U-Pb测年样品和地球化学样品均采自黑脊山南坡花岗岩体,采样位置见图1和图2。由于区域内岩石普遍含有后期侵入的石英脉,所以采样时去除了严重硅化的样品。采集到的样品呈浅灰白色(图3),矿物成分以斜长石和石英为主,由斜长石(45%~47%)、石英(42%~45%)、黑云母(约10%~15%)、白云母(少于5%)及少量黝帘石、绢云母组成;矿物粒度较细,为0.2~0.5mm;细粒花岗结构,块状构造。石英的粒度与斜长石基本一致。斜长石为板柱状,晶形完好,经过后期的变质作用,斜长石内部多钠黝帘石化与绢云母化,边部局部发生绿泥石化,但由于变质改造不彻底,仍可看到聚片双晶残留(图4)。由于“斜长花岗岩”这一术语有其特定的成因含义,通常指蛇绿岩中大洋玄武质岩浆结晶分异作用形成的花岗质岩石,而且样品中斜长石以钠长石为主,所以本文将样品定名为钠长花岗岩。3分析测试方法锆石U-Pb测年样品中锆石的分选在河北省区域地质调查院完成,采用常规的重液和磁选方法进行分选,最后在双目显微镜下挑纯。样品靶的制备在中国地质科学院地质研究所完成,制成的样品靶直径为25mm。样品靶打磨时,需要将大多数锆石颗粒中心部位暴露出来,然后抛光,待下一步的工作。锆石的阴极荧光图像分析在北京大学物理学院电镜室的阴极荧光分析系统(FEI公司生产的Quatan200F型场发射环境扫描电镜+Gatan公司MonoCL3阴极荧光谱仪)上完成,分析方法和条件参阅参考文献(陈莉等,2005)。花岗岩样品的锆石U-Th-Pb年龄分析在中国地质大学地学实验中心元素地球化学研究室完成,分析仪器为由美国NewWaveResearchInc.公司生产的193nm激光剥蚀进样系统(UP193SS)和美国AGILENT科技有限公司生产的Agilent7500a型四级杆等离子体质谱仪联合构成的激光等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)。本次分析193nm激光器工作频率为10Hz,剥蚀物质载气为高纯度He气,流量为0.7L/min;Angilent等离子质谱仪工作条件:冷却气(Ar)流量1.13L/min;测试点束斑直径为36mm,剥蚀采样时间为45s,具体分析流程见Yuanetal.(2004)。锆石91500(Wiedenbecketal.,1995)作为外部标准来校正分析过程中的同位素分馏,NIST610作为外部标准来获得分析点的Th和U的含量,普通Pb的校正采用Anderson(2002)的方法进行。锆石U-Pb年龄用澳大利亚Glitter4.4数据处理软件计算获得,加权平均年龄的计算和谐和图的绘制采用ISOPLOT3.0程序(Ludwig,2003)。原位微区锆石Hf同位素比值测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)利用激光剥蚀多接收杯等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)完成。激光剥蚀系统为GeoLas2005(LambdaPhysik,德国),MC-ICP-MS为NeptunePlus(ThermoFisherScientific,德国)。采用单点剥蚀模式,斑束固定为44μm。详细仪器操作条件和分析方法可参照Huetal.(2012)。在实验过程中,实时获取了锆石样品自身的βYb用于176Yb和176Lu对176Hf的同量异位素的干扰扣除。179Hf/177Hf=0.7325和173Yb/171Yb=1.13017(Segaletal.,2003)被用于计算Hf和Yb的质量分馏系数βHf和βYb。179Hf/177Hf和173Yb/171Yb的比值被用于计算Hf(βHf)和Yb(βYb)的质量偏差。使用176Yb/173Yb=0.79381(Segaletal.,2003)来扣除176Yb对176Hf的同量异位干扰。使用176Lu/175Lu=0.02656(Blichert-Toftetal.,1997)来扣除干扰程度相对较小的176Lu对176Hf的同量异位干扰。由于Yb和Lu具有相似的物理化学属性,因此在实验过程中采用Yb的质量分馏系数βYb来校正Lu的质量分馏行为。分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、同位素质量分馏校正)采用软件ICPMSDataCal(Liuetal.,2010)完成。地球化学样品的主量元素、微量元素和稀土元素的分析均在中国地质大学(北京)地学实验中心。主量元素采用X-射线荧光光谱仪(XRF-1500)分析。微量元素和稀土元素化学预处理采用两酸(HNO3+HF)高压反应釜溶样方法,分析仪器为Agilent7500a型等离子质谱仪,实验室分析详细方法见参考文献(Hanetal.,2007)。4分析的结果4.1锆石u含量分布特性样品中锆石的U-Pb分析共测试了30个点,测试结果见表1。锆石阴极荧光照片显示,样品中锆石具有较典型的岩浆振荡环带结构(图5),且晶形比较完整,长约100~200μm,长/宽比为1∶3~2∶5,符合岩浆型锆石的特点。全部锆石测点的Th含量为23×10-6~219×10-6,U含量变化为55×10-6~214×10-6,Th、U含量呈现出较好的正相关关系,Th/U比值为0.41~1.06,全部大于0.3,为典型的岩浆锆石(吴元保和郑永飞,2004)。所有锆石测点在U-Pb谐和图(图6)上集中落在谐和线上及其附近,获得351.2±1.9Ma的206Pb/238U谐和年龄,为钠长花岗岩的岩浆结晶年龄,时代为早石炭世。4.2锆石hf同位素组成样品的锆石Lu-Hf同位素是在锆石U-Pb定年的同一颗锆石的相同部位或相同结构的临近部位测定的,共选取典型锆石分析了29个测点,测点位置和测试结果分别见图5和表2。样品中锆石的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf比值范围分别为0.021777~0.73115和0.000583~0.001837,176Lu/177Hf比值全部小于0.002,表明这些锆石形成以后,基本没有明显的放射性成因Hf的积累,所测定的176Hf/177Hf比值基本可以代表其形成锆石时体系的Hf同位素组成(吴福元等,2007)。εHf(t)值和模式年龄根据每个锆石的U-Pb年龄计算,所有测点的εHf(t)值在+11.56~+14.16之间;二阶段Hf模式年龄(tDM2)变化范围为432~581Ma,平均值为483Ma。4.3岛弧强度特征为黑脊山钠长花岗岩的主量元素和微量(含稀土)元素的分析结果见表3。将主量元素测试结果扣除烧失量作归一划处理后,样品中SiO2为71.37%~73.44%,Al2O3为13.14%~15.35%,TiO2为0.37%~0.42%,Fe2O3T为1.99%~2.26%,Na2O为4.74%~5.60%,K2O为0.22%~0.75%,CaO为2.15%~2.83%,Mg#值为49~51,具有高SiO2、Al2O3,富碱,低Fe2O3T、TiO2的特征,与岛弧钙碱性系列可以对比,同时还具有高Na2O/K2O比值(Na2O/K2O=6~26,平均值为13)的特点,成分上属于奥长花岗质岩石,在K2O-Na2O相关图解上落入I型花岗岩区(图略)。在ALK-MgO-FeOT图解上,样品投点落在钙碱性系列区(图7)。在A/CNK-A/NK图解(图8)上,一个样品落入准铝质区,其余样品落入过铝质区,表明样品属准铝质-弱过铝质岩石。样品的ΣREE总体含量较低,在31×10-6~38×10-6之间,LREE相对HREE元素富集,LREE/HREE比值为5.40~6.42,平均5.90。在REE球粒陨石标准化模式图(图9)上,所有样品均表现为右倾的曲线,(La/Yb)N比值为5.94~7.33,一致性较好,同时具有弱正Eu异常,Eu/Eu*为1.13~1.65。在岩石微量元素原始地幔标准化蛛网图(图10)上,样品亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素元素,富集Rb、Th、U、K、Pb等大离子不相容元素和Zr、Hf等高场强元素,显示出岛弧岩浆岩的基本特征(Wilson,1989)。5讨论5.1成岩时代及构造环境全岩主量元素和锆石微量元素分析结果表明黑脊山钠长花岗岩属于钙碱性I型花岗岩,而全岩微量元素地球化学则显示其富集大离子不相容元素Rb、Th、U、K、Pb,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti,符合岛弧型岩浆作用的基本特征(Wilson,1989)。岩石化学成分在Pearceetal.(1984)的判别图解(图11a,b)投点均落入火山弧花岗岩区,在Vermaetal.(2012)新近提出的构造环境判别图解(图11c,d)中投点均落入岛弧花岗岩区,说明该花岗岩形成于岛弧俯冲消减环境。另外,钠长石花岗岩的Sr含量为151×10-6~365×10-6、La/Yb比值为8.28~10.22,低于典型埃达克岩的判别标准(Sr>400×10-6,La/Yb>20)(DefantandDrummond,1990,1993;Drummondetal.,1996),因此应当属于典型的岛弧岩浆岩,而不是埃达克岩。黑脊山钠长花岗岩出露于羌南-保山板块北侧、龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带内,并且侵入蛇绿岩混杂岩中,与高压变质带等相伴产出,在时空分布上明显受到古特提斯洋演化的制约,形成的构造背景也应当与此有关。近几年来龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带的蛇绿岩研究有了新的进展;果干加年山地区发现了一套较为典型的蛇绿混杂岩,其中包括志留纪的蛇绿岩岩石端元(李才等,2008;王立全等,2008);桃形湖地区发现了奥陶纪的变质基性岩,并且具有类似大洋中脊玄武岩地球化学和同位素特征,很可能是一处洋壳残片(Zhaietal.,2010);双湖地区的才多茶卡地区发现了晚泥盆世的放射虫硅质岩(朱同兴等,2006)。这些研究成果使得羌塘中部古特提斯洋的演化时限得到了进一步扩展,很可能开始于中奥陶世,并且不排除继续向前延伸的可能。同时,古特提斯洋的闭合时限也得到了很好的限定,Lietal.(2006)在果干加年山以南的片石山发现了榴辉岩,其研究分析结果表明,榴辉岩的变质峰期年龄为243Ma(翟庆国等,2009b),折返年龄为220Ma左右(Lietal.,2009;李才等,2006)。董永胜等(2009)和张修政等(2010)分别对榴辉岩的围岩石榴子石白云母片岩和硬玉石榴子石二云母片岩进行了研究分析,认为榴辉岩的围岩至少经历了两期变质作用,并且主期蓝片岩相高压变质作用的时代为218Ma左右。羌塘中部同碰撞-后碰撞岩浆弧的研究工作也取得了一致的成果。胡培远等(2010)报道果干加年山地区花岗岩的形成时代为210±3Ma,并且认为其成因类型为后碰撞花岗岩,将果干加年山地区龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带的主碰撞期的上限限制在210Ma左右。此外,在果干加年山地区还发现了一个重要的不整合面,未变质的沉积岩以角度不整合覆盖于蛇绿混杂岩之上(李才等,2007a),上覆地层底部流纹岩夹层的锆石SHRIMPU-Pb年龄为214±4Ma(李才等,2007b),为沉积盖层提供了可靠的年龄依据;不整合面之下强烈变形的阳起片岩(变质玄武岩)中阳起石的Ar-Ar年龄为219.7±6.5Ma(李才等,2007b);这两个年龄很好的限制了该角度不整合的时限,说明羌塘地区冈瓦纳板块与扬子板块在晚三叠世实现了闭合。以上研究成果基本确立了羌塘中部古特提斯洋盆初始形成和闭合造山的时代,但是大洋何时开始俯冲消减仍然没有定论。黑脊山钠长花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为351.0±1.9Ma,这一年龄为古特斯洋的俯冲消减时代提供了制约,虽然羌塘中部地区还没有其它同时代火山弧岩浆岩的报道,但是李朋武等(2005,2009)对滇西藏东地区的古地磁研究结果表明,保山与华南地块之间的古特提斯洋盆在晚泥盆世-早石炭世(360Ma左右)达到最大宽度,随后保山地块开始迅速向北运移,导致古特提斯洋盆开始缩小(图12)。虽然古地磁资料为藏东滇西地区,但是与羌塘同属一个构造带,其演化历史应当是可以对比的。由于黑脊山钠长花岗岩出露于构造混杂岩带中,仅与蛇绿岩为侵入接触关系,并且野外观察未见与其它沉积地层的侵入接触关系,因此仅通过该花岗岩体难以确定洋壳俯冲消减的极性。但是,结合区域地质资料可知,目前龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带以南还没有发现岛弧岩浆岩,反而是以北的地区广泛分布有晚三叠世那底岗日组火山岩,并且新近的研究成果已经从那底岗日组火山岩中解体出一套早石炭世的火山岩(358Ma,李才,未发表数据),可能也是形成于岛弧环境。因此,本文倾向于认为于俯冲消减的方向是由南向北的,具体还需要进一步的研究才能确定。5.2黑脊山钠长火山岩岩浆源地理-构造背景全岩地球化学分析结果表明,黑脊山钠长花岗岩具有较低的Rb含量(8×10-6~24×10-6)和较高的Ba含量(86×10-6~355×10-6),Ba没有相对亏损的现象,同时Na2O、K2O、MgO、Al2O3和FeOT与SiO2没有明显的线性关系,说明岩浆没有经历过明显的结晶分异作用。Hf同位素分析结果表明,样品中锆石的εHf(t)值为+11.56~+14.46,显示出明显