勉略縫合帶三岔子輝綠巖墻鋯石U-Pb年齡及Hf同位素組成——古特提斯洋殼俯沖的年代學(xué)證據(jù)

賴紹聰,秦江鋒

(1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710069;2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西西安710069)

0 引言

勉略縫合帶是一個(gè)東西向橫貫中國大陸中部的以逆沖推覆斷裂構(gòu)造為骨架的巨型復(fù)合構(gòu)造帶,它的形成標(biāo)志著揚(yáng)子和華北陸塊的最終拼合,對研究中國大陸的構(gòu)造演化具有重要的大地構(gòu)造意義[1]。該帶以勉縣—略陽蛇綠構(gòu)造混雜巖帶為代表,東西延展,向西可連接昆侖,向東則與巴山—大別山南緣相連[2-5]。

近年來,圍繞該帶的蛇綠混雜巖進(jìn)行了一系列巖石學(xué)、地球化學(xué)及年代學(xué)研究。地球化學(xué)研究結(jié)果表明,在勉略帶中存在高度虧損的洋中脊玄武巖(MORB)型古洋殼殘片[6]、雙峰式火山巖[2-7]、洋島型火山巖[3]和島弧型火山巖[4,7],其地質(zhì)時(shí)代為早石炭世[8-9]。勉縣—略陽結(jié)合帶黑溝峽變質(zhì)火山巖系的Sm-Nd等時(shí)線年齡(242±21)Ma表明勉略洋盆在三疊紀(jì)晚期已閉合[7]。然而,目前還沒有有效的年代學(xué)研究約束勉略洋俯沖消減的年齡,只有李曙光等[7]通過對略陽三岔子地區(qū)的斜長花崗巖的單顆粒鋯石U-Pb年代學(xué)研究獲得了(913±31)Ma和(300±61)Ma兩個(gè)不同的年齡值,提出前者為繼承鋯石年齡,而后者代表斜長花崗巖的形成年齡,并由此提出勉略古洋盆的洋殼在石炭紀(jì)時(shí)已開始消減。

圖1 略陽三岔子地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Sketch G eological Map of the Sanchazi Area of Lueyang County

早期的研究工作將三岔子島弧型火山巖歸入蛇綠混雜巖,并稱之為島弧型蛇綠混雜巖(圖1[7])。這一島弧火山巖塊究竟是代表一古島弧,還是代表大陸邊緣的古巖漿弧,其形成時(shí)代是什么?這些問題仍需更詳細(xì)的深入研究。筆者選擇略陽三岔子西部偏橋溝剖面中的輝綠巖墻,進(jìn)行詳細(xì)的鋯石U-Pb年代學(xué)、鋯石Hf同位素組成及微量元素組成研究,試圖探討三岔子島弧火山巖的源區(qū)性質(zhì)及勉略洋開始俯沖消減的年齡。

1 地質(zhì)背景及野外地質(zhì)樣品

勉略構(gòu)造帶南以勉縣—略陽斷裂為界,北以狀元碑?dāng)嗔褳榻?其南為新元古代碧口群,北為志留紀(jì)白水江群[10]。在三岔子鄉(xiāng)周圍集中發(fā)育了各種類型的鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖石(圖1),并被稱為三岔子“蛇綠混雜巖”。該“蛇綠混雜巖”可劃分為兩部分:西部島弧型雜巖和東部MORB型玄武質(zhì)火山巖。西部雜巖由強(qiáng)烈剪切變形的玄武質(zhì)和安山質(zhì)熔巖、輝(閃)長巖、超基性巖(蛇紋巖、滑石片巖)及巖墻群和少量斜長花崗巖組成。

圖2 三岔子—偏橋溝巖片褶皺 逆沖推覆構(gòu)造剖面Fig.2 Sketch Structure Profile of Slices Fold-thrust Nappe in the Sanchazi-Pianqiaogou Area

文中的輝綠巖墻樣品主要采自三岔子西部的偏橋溝剖面(圖2[7]),在剖面上可見強(qiáng)烈剪切變形的變質(zhì)海相火山巖、輝長巖、超基性巖及輝綠巖墻群組成的混雜巖塊。超基性巖均已蝕變成為致密塊狀的蛇紋巖,蛇紋石可達(dá)90%以上,以膠蛇紋石、葉蛇紋石為主,少量纖維蛇紋石,少數(shù)薄片中見斜方輝石假象及橄欖石假象,原巖主要為方輝橄欖巖和純橄欖巖[2]。變質(zhì)火山巖包括基性的綠片巖、中基性和中性的綠泥鈉長片巖及中酸性的淺色綠泥鈉長片巖。

所采集的輝綠巖呈巖墻狀產(chǎn)出,巖石受剪切變形影響,礦物已發(fā)生顯著的定向排列,手標(biāo)本觀察淺色礦物(基性斜長石)呈米粒狀,暗色礦物(普通輝石)呈不對稱眼球狀,鏡下觀察巖石具碎裂結(jié)構(gòu),或粗糜棱結(jié)構(gòu)。部分輝綠巖樣品中見有長石旋轉(zhuǎn)碎斑系,基性斜長石大多已蝕變?yōu)楦邘X土及絹云母,普通輝石明顯綠泥石化。分析結(jié)果表明[3],輝綠巖-w(SiO2)偏高(50%～55%),堿質(zhì)較富(w(K2O+Na2O)為5.18%～6.13%),而w(Al2O3)為14%～15.70%,w(CaO)為5.53%～7.89%,屬亞堿性拉斑系列。

2 分析方法

鋯石按常規(guī)重力和磁選方法分選,在英國Gatan公司生產(chǎn)的Mono CL3+陰極發(fā)光裝置系統(tǒng)上進(jìn)行陰極發(fā)光(CL)照相。鋯石定年采用Agilient公司-Agilient 7 500 a。鋯石原位Lu-Hf同位素測定采用Nu Plasma HR(Wrexham U K)多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀完成(MC-ICPMS)。采用的激光剝蝕系統(tǒng)為德國MicroLas公司生產(chǎn)的GeoLas200M型激光剝蝕系統(tǒng),分析方法詳見文獻(xiàn)[9,11-15]。

3 測試結(jié)果

圖3 鋯石的陰極發(fā)光圖像Fig.3 Cathodoluminescent Electron Images for the Zircon G rains

三岔子輝綠巖中鋯石的陰極發(fā)光圖像見圖3。本次一共完成23個(gè)點(diǎn)的測試(表1)。鋯石主要可以分為2種,一種為自形透明長柱狀,陰極發(fā)光圖像顯示很好的巖漿鋯石震蕩環(huán)帶,其w(Th)、w(U)分別為(27.7～180.7)×10-6和(55～313)×10-6, w(Th)/w(U)為0.4～0.8,這些證據(jù)初步表明這類鋯石為巖漿鋯石。其-n(206Pb)/n(238U)年齡為264～487 Ma,由于年齡點(diǎn)較分散,較難獲得諧和年齡。另一種鋯石晶體有不同程度的磨圓,晶棱不明顯,其n(Th)、n(U)分別為(34～463)×10-6和(16～1 224)×10-6,w(Th)/w(U)為-0.1～1.2。根據(jù)w(Th)/w(U),初步判斷得到測點(diǎn)BQG-022應(yīng)為變質(zhì)鋯石。這類鋯石的年齡普遍偏老,其-N(207Pb)/ N(206Pb)年齡主要為1 713～2 559 Ma,其中測點(diǎn)BQG-019記錄的N(207Pb)/N(206Pb)年齡為1 145 Ma。

從圖4a可以看出,三岔子輝綠巖中鋯石的UPb年齡分布比較松散,既有古生代年齡,又有太古代和元古代年齡,表明巖石中鋯石來源比較復(fù)雜,這可能是由于輝綠巖漿中結(jié)晶的鋯石本身比較少,巖漿在上升過程中有大量捕獲鋯石;巖石本身經(jīng)歷強(qiáng)烈的變質(zhì)變形作用,在這個(gè)過程中也可能有其他來源的鋯石混入。從圖4b可以看出,三岔子輝綠巖中鋯石的年齡主要集中在古生代和太古代。

表1 三岔子輝綠巖鋯石U-Pb同位素分析結(jié)果Tab.1 Zircon U-Pb Isotopic Analysis Result of the Diabase from Sanchazi Area

圖4 三岔子輝綠巖中鋯石U-Pb諧和年齡圖和鋯石U-Pb年齡分布頻譜Fig.4 Zircon U-Pb Concordia Diagram and Probability Density Plot for the Diabase from the Sanchazi Area

在U-Pb年代學(xué)研究的基礎(chǔ)上,對其中21顆鋯石進(jìn)行了Hf同位素測定。從表2可以看出,記錄了古生代年齡信息的鋯石-N(176Hf)/N(177Hf)初始值為0.281 934～0.282 292,對應(yīng)的εHf(t)值為-9.4～-16.4,為典型的殼源巖漿鋯石。其中有2個(gè)測點(diǎn)(BQG-014、BQG-021)的 N(176Hf)/N(177Hf)為0.282 722～0.282 798,對應(yīng)的εHf(t)值為4.5～6.3,為典型的幔源巖漿鋯石,這2個(gè)點(diǎn)的兩階段虧損地幔Hf模式年齡為765～885 Ma,表明其可能與揚(yáng)子板塊晉寧期的幔源巖漿作用有成因聯(lián)系。記錄古元古代—太古代年齡信息鋯石的N(176Hf)/N(177Hf)初始值為-0.281 288～0.282 263,對應(yīng)的εHf(t)值為-1.3～8.7,絕大部分鋯石的εHf(t)值大于2,顯示出幔源巖漿鋯石的特征,這些顆粒的兩階段虧損地幔Hf模式年齡為1 457～2 768 Ma,表明其源巖為元古代—太古代的幔源巖漿巖石。

表2 三岔子輝綠巖鋯石H f同位素分析結(jié)果Tab.2 Zircon H f Isotopic Analysis Result of the Diabase from Sanchazi Area

表3表明,記錄古生代年齡信息鋯石的w(∑REE)為(295～948)×10-6,其中2個(gè)測試點(diǎn)(BQG-014、BQG-016)表現(xiàn)出輕稀土超量的特征,其-w(La)N/ w(Sm)N為0.17～2.70,δ(Eu)為0.07～0.39,其余5個(gè)顆粒的-w(La)N/w(Sm)N為-0～0.40, δ(Eu)為0.06～0.54。記錄元古代—太古代年齡信息的鋯石中有4顆鋯石表現(xiàn)出輕稀土超量的特征,其w(∑REE)為(468～753)×10-6,w(La)N/ w(Sm)N為0.19～4.35,δ(Eu)為0.19～0.58,其余10顆鋯石的-w(∑REE)為(165～637)×10-6, w(La)N/w(Sm)N為0～0.11,δ(Eu)為0.18～0.47。所有輕稀土超量的鋯石均不發(fā)育Ce的正異常。

根據(jù)鋯石-Ti溫度計(jì)[16]對所有鋯石的形成溫度t進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算公式為

記錄古生代年齡信息的鋯石中,輕稀土超量的兩顆鋯石-Ti溫度為643～653℃,其余顆粒的-Ti溫度為632～700℃,點(diǎn)BQG-004記錄的-Ti溫度最高,為997℃。在記錄古老年齡信息的鋯石中,輕稀土超量顆粒記錄的Ti溫度為654～741℃,其余顆粒記錄的Ti溫度為690～903℃。

表3 三岔子輝綠巖鋯石微量元素分析結(jié)果Tab.3 Zircon Trace Element Analysis Result of the Diabase from Sanchazi Area

4 討論

前人研究表明,三岔子火山巖塊實(shí)際上是以島弧火山巖為主要成分的火山巖塊[2],而勉略洋開始發(fā)生俯沖的時(shí)間,則成為地質(zhì)學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

三岔子輝綠巖中共有8顆鋯石記錄了古生代的年齡信息,其-n(206Pb)/n(238U)年齡為-264～487 Ma,由于年齡點(diǎn)較分散,較難得到有效的諧和年齡,這可能是因?yàn)樗蓸悠肥嵌啻螏r漿作用的產(chǎn)物。因?yàn)樵诿懵匝蟾_消減過程中,島弧巖漿作用是一個(gè)持續(xù)的過程,會有多次巖漿作用產(chǎn)生,因而很難有一致的年齡。在記錄古生代年齡信息的8顆鋯石中,有2顆鋯石表現(xiàn)出輕稀土超量的特征。一般來講,鋯石中輕稀土超量可能是由以下幾種原因造成:①鋯石結(jié)晶時(shí)LREE優(yōu)先進(jìn)入鋯石的晶格缺陷中;②鋯石結(jié)晶時(shí)的熔體成分與全巖成分不一致;③分析點(diǎn)中包含了富LREE的磷酸鹽礦物(如獨(dú)居石和磷灰石);④后期地質(zhì)事件擾動(dòng)時(shí)LREE優(yōu)先進(jìn)入被擾動(dòng)的鋯石中。目前,對于造成這種特征的原因尚不十分清楚。根據(jù)鋯石-Hf同位素組成,BQG-014和BQ G-021兩個(gè)分析點(diǎn)具有εHf(t)值為-4.5～6.3,為典型的幔源巖漿鋯石,其 n(206Pb)/n(238U)年齡分別為295、264 Ma,代表古生代巖漿事件,這2個(gè)點(diǎn)的兩階段虧損地幔-Hf模式年齡為765～885 Ma,表明其可能與揚(yáng)子板塊晉寧期的幔源巖漿作用有成因聯(lián)系。

此外,勉略帶是一個(gè)復(fù)雜的構(gòu)造混雜帶,帶內(nèi)除蛇綠巖、島弧火山巖、洋島火山巖塊外,實(shí)際上還包含了眾多古老結(jié)晶基底巖塊(巖片),在勉略帶中除了320～200 Ma的同位素年齡外,還獲得了一些(8～10)×108年的古老巖塊巖石年齡[17-18]。本研究共有15顆鋯石記錄了元古代—太古代的年齡信息,其中BQG-019記錄的-N(207Pb)/N(206Pb)年齡為1 145 Ma,其余14顆鋯石的N(207Pb)/N(206Pb)均大于1 700 Ma(1 713～2 559 Ma),其-N(176Hf)/ N(177Hf)初始值為0.281 288～0.282 263,對應(yīng)的εHf(t)值為-1.3～8.7,絕大部分鋯石的εHf(t)值大于2,兩階段Hf模式年齡(T2DM)為1 457～2 768 Ma,暗示勉略構(gòu)造帶中存在顯著的古老基底物質(zhì)混入。

5 結(jié)語

(1)三岔子輝綠巖中含有元古代—太古代鋯石捕虜晶,表明島弧玄武質(zhì)巖漿在侵位過程中曾受到上覆地殼物質(zhì)的強(qiáng)烈混染,而且這些地殼中含有大量元古代—太古代基底物質(zhì)。

(2)鋯石Hf同位素組成特征表明,輝綠巖中古老鋯石來源于古元古代—太古代的幔源巖漿作用,這說明三岔子島弧火成雜巖可能代表了南秦嶺微陸塊(在石炭紀(jì)以前已拼合到華北陸塊上)南側(cè)石炭紀(jì)活動(dòng)陸緣巖漿弧,而不是位于古勉略洋中的島弧。

(3)根據(jù)鋯石-Hf同位素組成,BQG-014和BQ G-021兩個(gè)分析點(diǎn)具有εHf(t)值為4.5～6.3,為典型的幔源巖漿鋯石,其-n(206Pb)/n(238U)年齡分別為295、264 Ma,代表古生代巖漿事件,這2個(gè)點(diǎn)的兩階段虧損地幔-Hf模式年齡為765～885 Ma,表明其可能與揚(yáng)子板塊晉寧期的幔源巖漿作用有成因聯(lián)系。

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