北秦嶺變質(zhì)巖中鋯石U-Pb年齡結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)意義

張 鵬，王 磷，代 威

（青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海西寧810029）

北秦嶺變質(zhì)巖中鋯石U-Pb年齡結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)意義

張 鵬*，王 磷，代 威

（青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海西寧810029）

選取2個(gè)北秦嶺的石英云母片巖樣品，通過(guò)陰極發(fā)光電子圖像（CL）和LA-ISP-MS測(cè)試技術(shù)，研究了其中碎屑鋯石的形態(tài)特征、U-Pb年齡及微量元素特征，并借鑒前人的研究結(jié)果，對(duì)石英云母片巖的形成年齡和巖石變質(zhì)的各階段做出了初步解釋。通過(guò)對(duì)2個(gè)樣品中碎屑鋯石的U-Pb年齡測(cè)定，做年齡頻率圖得到2個(gè)樣品中碎屑鋯石的最大年齡峰值為1460Ma和1660Ma左右，顯示它們的物源區(qū)均主要來(lái)自中元古代。由于這一年齡結(jié)構(gòu)與揚(yáng)子板塊和華北板塊典型的晚太古代和早元古代、新元古代的巖漿活動(dòng)時(shí)代不同，因此認(rèn)為北秦嶺在新元古代大規(guī)模造山作用之前可能是一個(gè)獨(dú)立的微陸塊。

北秦嶺；石英云母片巖；碎屑鋯石U-Pb年齡；中元古代；獨(dú)立的微陸塊

1 區(qū)域地質(zhì)概況

北秦嶺構(gòu)造區(qū)呈狹窄帶狀分布于洛南—欒川—方城斷裂帶和商丹縫合帶之間。古元古代秦嶺群構(gòu)成本構(gòu)造單元最古老的結(jié)晶基底。中元古代晚期寬坪群變火山—沉積巖系分布于秦嶺北側(cè)和洛南—欒川—方城斷裂帶之間。新元古代—早古生代時(shí)期形成丹鳳群和二郎坪群。秦嶺群為一套中深變質(zhì)雜巖系，由片麻巖、角閃巖和大理巖組成，變質(zhì)程度達(dá)角閃巖相，局部麻粒巖相，時(shí)代為早元古代（2000～2200Ma）。經(jīng)歷了晉寧期（1000～800Ma）變質(zhì)作用和早古生代造山作用（楊經(jīng)綏等，2002）[1]；寬坪群分布在二郎坪群北部，為一套強(qiáng)烈變形，變質(zhì)達(dá)高綠片巖相一低角閃巖相中淺變質(zhì)巖系。原巖主要由基性火山巖、碎屑巖和碳酸巖組成，時(shí)代為中新元古代（986～1142Ma）（張本仁、高山等，2002）[2]；丹鳳群主體為火山巖系，半有少量變碎屑沉積巖。發(fā)生于新元古代—早古生代時(shí)期?；鹕綆r以變玄武巖為主，其次有少量變中性火山巖（安山巖類(lèi)）?；鹕綆r主體屬拉班玄武巖系列，少量鈣堿性系列。該巖系屬島弧構(gòu)造環(huán)境中的產(chǎn)物（張國(guó)偉等）[1]、（張本仁等, 1994）[3]；二郎坪群為弧后盆地型變質(zhì)火山—沉積巖系,發(fā)生于新元古代—早古生代?；鹕綆r也顯示鈣堿性和拉斑玄武巖系列的特征。部分玄武巖具有島弧玄武巖地球化學(xué)特征,另一部分則顯示出洋脊玄武巖的特征。此外，中—酸性火山巖也同等發(fā)育。在東部二郎坪和大河地區(qū)以枕狀、塊狀拉班玄武巖為主，伴有輝長(zhǎng)堆晶巖、橄欖輝長(zhǎng)巖與厚層放射蟲(chóng)硅質(zhì)巖。有M型花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖（即蛇綠巖）。相較于丹鳳群而言，變碎屑沉積巖的比例有所增大，出現(xiàn)了大量的碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖[1]。二郎坪群雖然也屬于變火山—沉積巖系，但與丹鳳群存在差別：（1）變碎屑沉積巖的比例增大，出現(xiàn)大量碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖。（2）在火山巖中，中性和酸性火山巖也有同等發(fā)育；寬坪群呈帶狀分布于北秦嶺構(gòu)造帶的最北部。其下部主要由原巖為拉斑玄武巖的斜長(zhǎng)片麻巖和綠片巖組成，中部以原巖為雜砂巖石英片巖為主，上部以大理巖為主（張本仁、高山等，2002）[2]。

北秦嶺構(gòu)造帶中還存在著新元古代和早元古代的基性和酸性侵入巖，主體為輝長(zhǎng)巖類(lèi)和花崗巖類(lèi)，他們多數(shù)侵位于秦嶺群中，并顯示出島弧和陸緣弧巖漿巖的地球化學(xué)特征。

2 樣品采集、分析

2.1 樣品采集

本文所用2個(gè)樣品均采自于河南盧氏縣官坡地區(qū)，樣品巖性均為石英云母片巖。樣品Q(chēng)L19采樣地點(diǎn)為官坡；樣品Q(chēng)L28采樣地點(diǎn)為石架溝地區(qū)，均采自于秦嶺群。秦嶺群主體由原巖屬雜砂巖的黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、鈣硅酸鹽巖和石墨大理巖組成，夾少量變基性巖（斜長(zhǎng)角閃巖），后者部分呈侵入體（巖墻）狀產(chǎn)出，部分屬火山噴發(fā)巖層。其經(jīng)歷了古元古代、新元古代和加里東三期變質(zhì)作用，主期發(fā)生于新元古代。變質(zhì)程度由低角閃巖相從西向東經(jīng)角閃巖相遞增至麻粒巖相（游振東等，1991）[4]。

巖石表面風(fēng)化程度較高，多呈土黃色和淺綠色。采集手標(biāo)本觀察，有明顯的片理，主要由云母類(lèi)等片狀礦物平行排列而形成，片理多呈波浪狀的彎曲構(gòu)造，具有絹絲光澤。石英含量約40%～50%。云母片巖由泥巖、頁(yè)巖或凝灰?guī)r等細(xì)顆粒巖石經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而成，若母巖為砂巖，則通常變質(zhì)成石英云母片巖，甚至石英片巖。

2.2 樣品薄片鏡下觀察

樣品制成薄片在鏡下觀察，主要由石英、白/黑云母、長(zhǎng)石礦物組成，另外還含有少量石榴子石和鋯石。其中石英和云母的含量較多，石英約占40%，云母約30%。石榴子石和鋯石的含量很少，一個(gè)薄片中分別可見(jiàn)1～2顆。

石英無(wú)色透明，表面光滑，無(wú)解理，呈他形的顆粒狀，部分石英可見(jiàn)不規(guī)則的裂紋。正低突起，最高干涉色為一級(jí)白。

云母呈長(zhǎng)條行，單偏光鏡下多為淺褐—淺黃色。見(jiàn)不到解理紋，正低-正中突起，最高干涉色為一級(jí)灰—一級(jí)黃。

長(zhǎng)石呈長(zhǎng)條形，呈無(wú)色或白色，見(jiàn)不到明顯解理，突起較低，多為正低突起，干涉色較低，最高干涉色為一級(jí)灰—一級(jí)黃。

石榴子石呈無(wú)色或者淺色調(diào)，晶形較好，無(wú)解理，多具不規(guī)則裂痕，正高—正極高突起。

鋯石在樣品中含量較少，不易觀察到。觀察到的少量鋯石呈淺色顆粒狀被包裹在云母之中，其邊緣呈黑色。平行消光，正極高突起，干涉色較高，最高干涉色為3～4級(jí)紅—藍(lán)色。

2.3 樣品測(cè)試

從所有樣品中選取均一、新鮮、無(wú)脈體穿插的重約2kg，先用水洗后吹干，然后用剛玉機(jī)械碎樣機(jī)將樣品夾碎為0.15～3mm。先在實(shí)驗(yàn)室將粗碎的樣品挑出約50g，放入樣品磨粉碎，然后經(jīng)人工重砂和電磁儀等多種方法分離鋯石。在雙目鏡下挑選出不同晶形、不同顏色和透明度好的鋯石作為測(cè)定對(duì)象。在玻璃板上用環(huán)氧樹(shù)脂固定，并拋光至鋯石中心。在原位分析之前，通過(guò)雙目鏡和陰極發(fā)光（CL）圖像詳細(xì)研究鋯石的晶體形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，以選擇同位素分析的最佳點(diǎn)。鋯石陰極發(fā)光（CL）照相在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的掃描電鏡（+Gatan）陰極發(fā)光Mono-CI3+上完成。鋯石微量元素含量和U-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（GPMR）利用LA-ICP-MS同時(shí)分析獲得。激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas 2005，激光束斑直徑為32μm。鋯石U-Pb同位素組成分析采用91500國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石作為外標(biāo)，元素含量測(cè)定采用NISTSRM610作為外標(biāo)，29Si作為內(nèi)標(biāo)。激光剝蝕過(guò)程中采用氦氣作載氣、氬氣為補(bǔ)償氣以調(diào)節(jié)靈敏度。在等離子體中心氣流（Ar+He）中加入了少量氮?dú)?，以提高儀器靈敏度、降低檢出限和改善分析精密度。每個(gè)時(shí)間分辨分析數(shù)據(jù)包括大約20～30s的空白信號(hào)和50s的樣品信號(hào)。

3 數(shù)據(jù)分析及討論

3.1 鋯石U-Pb年齡分析

圖1 北秦嶺變質(zhì)巖（QL19）ICP-MS U-Pb年齡協(xié)和圖

樣品Q(chēng)L19鋯石的Th/U值也普遍較高，雖然大量研究表明:巖漿鋯石的Th,U含量較高、Th/U比值較大（一般＞0.4）;變質(zhì)鋯石的Th,U含量低、Th/U比值小（一般＜0.1），但是一些組成特殊的巖漿中結(jié)晶的巖漿鋯石具有異常的Th/U比值,而部分碳酸巖樣品中巖漿鋯石具有異常高的Th/U比值,所以,僅憑鋯石的Th/U比值有時(shí)并不能有效地鑒別巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石。變質(zhì)增生鋯石的Th/U比值受變質(zhì)流體和/或熔體的成分、共生礦物的組成以及變質(zhì)鋯石的生長(zhǎng)速率等因素的影響。由于U在流體中的活動(dòng)性比Th強(qiáng),所以變質(zhì)流體一般富U貧Th,從這種類(lèi)型的流體中結(jié)晶的鋯石常常具有較低的Th/U比值。在混合巖化地區(qū)部分熔融熔體中的成分也通常貧Th且富U,導(dǎo)致從這些熔體中結(jié)晶的鋯石也同樣具有非常低的Th/U比值。變質(zhì)鋯石形成時(shí),如果有富Th礦物（如獨(dú)居石和褐簾石）的同時(shí)形成,同樣會(huì)導(dǎo)致增生鋯石具有較低的Th/U比值[5]。

由于所有測(cè)點(diǎn)的年齡均大于1000Ma,所以選擇測(cè)點(diǎn)的207Pb/206Pb討論。從樣品Q(chēng)L19中所選取的15個(gè)測(cè)點(diǎn)中，有12個(gè)測(cè)點(diǎn)年齡分布在中元古代，有3個(gè)測(cè)點(diǎn)年齡分布在古元古代，有5個(gè)點(diǎn)的年齡分布在1000～1200Ma之間，占所選測(cè)點(diǎn)的33.3%，它們的年齡加權(quán)平均年齡為1165Ma±39Ma，為中元古代晚期。這5個(gè)測(cè)點(diǎn)的Th/U值均高于0.2，而且其中4個(gè)測(cè)點(diǎn)的Th/U值較高，分別為0.82、0.65、2.48、0.56；有7個(gè)測(cè)點(diǎn)的年齡分布在1400～1600Ma之間，占所選測(cè)點(diǎn)的46.6%，它們的加權(quán)平均年齡為1517Ma±55Ma，為中元古代早期。這7個(gè)測(cè)點(diǎn)的Th/U值除一個(gè)為0.17外，其余均大于0.2，最高的達(dá)到0.85；有3個(gè)測(cè)點(diǎn)的年齡分布在1700～1800Ma之間，占所選測(cè)點(diǎn)的20%。它們的加權(quán)平均年齡為1770Ma±92Ma，為古元古代晚期。這3個(gè)測(cè)點(diǎn)的Th/U值分別為0.34、0.72、0.92。

樣品Q(chēng)L19中碎屑鋯石的年齡頻率圖中出現(xiàn)多個(gè)峰值，反應(yīng)了北秦嶺在1100～1900Ma之間發(fā)生了多次構(gòu)造—熱事件，最大峰值為1460Ma左右，屬于中元古代。

圖2 北秦嶺變質(zhì)巖（QL28）ICP-MS U-Pb年齡協(xié)和圖

樣品Q(chēng)L28中碎屑鋯石的Th/U值也普遍較高。由于所有測(cè)點(diǎn)的年齡均大于1000Ma,所以選擇測(cè)點(diǎn)的207Pb/206Pb討論。樣品Q(chēng)L28所選18顆打點(diǎn)鋯石中，有6顆鋯石的年齡屬于中元古代，有11顆該市的年齡屬于古元古代。最年輕的鋯石年齡約為1200Ma，該點(diǎn)的Th/U值為0.61；有5顆鋯石的年齡在1400～1600Ma，占樣品2所選測(cè)點(diǎn)的27.8%,它們的加權(quán)平均年齡為1509Ma±86Ma，為中元古代早期。這5顆鋯石的Th/U值都較高，最小的為0.49，其余均大于0.5，最高的達(dá)到1.94；有7測(cè)點(diǎn)的年齡在1600～1800Ma，占樣品2所選測(cè)點(diǎn)的33.3%,它們的加權(quán)平均年齡1672Ma±22Ma，為古元古代晚期。這6個(gè)測(cè)點(diǎn)的Th/U值也均較大，除最小的個(gè)為0.28外，其余的均大于0.5，最大的為0.95；有一個(gè)測(cè)點(diǎn)的年齡為2500Ma左右，為古元古代早期；另外有2個(gè)測(cè)點(diǎn)的年齡在諧和圖上極不和諧，可能因?yàn)閁、Pb缺失所造成，在此不做詳細(xì)討論；另外還有一顆比較特殊的鋯石，其年齡為2520Ma±23Ma，可能來(lái)自于秦嶺群古老的結(jié)晶基底。

樣品Q(chēng)L28中碎屑鋯石年齡頻率圖中出現(xiàn)的峰值比樣品Q(chēng)L19中碎屑鋯石的年齡頻率圖中出現(xiàn)的峰值更多，說(shuō)明該樣品記錄了北秦嶺更多的構(gòu)造—熱事件。最大峰值在1660Ma左右，屬于中元古代早期。

通過(guò)對(duì)2組樣品測(cè)試數(shù)據(jù)的分析表明，2個(gè)樣品有著比較接近的主要物源，都是來(lái)自中元古代。同時(shí)發(fā)現(xiàn)所測(cè)碎屑鋯石有2組比較集中的年齡段。第一組碎屑鋯石年齡在1400～1600Ma，2個(gè)樣品的所有鋯石中有13顆的年齡分布在此區(qū)間，占2個(gè)樣品所有測(cè)點(diǎn)的39%，其中樣品Q(chēng)L19的測(cè)點(diǎn)有7顆，樣品Q(chēng)L28的測(cè)點(diǎn)有6顆；第二組碎屑鋯石年齡在1600～1800Ma,2個(gè)樣品的所有鋯石中有13顆鋯石的年齡分布在此區(qū)間，占2個(gè)樣品所有鋯石的39%,其中樣品09QL19的鋯石有3顆，樣品Q(chēng)L28的鋯石有10顆。

高山等[4]人對(duì)揚(yáng)子板塊做了詳細(xì)年代學(xué)研究后，與前人對(duì)華北板塊演化過(guò)程的研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)采自華北板塊鋯石的年齡最大峰值出現(xiàn)在2500Ma左右，屬于古元古代，說(shuō)明華北板塊在此時(shí)期的構(gòu)造-熱事件比較強(qiáng)烈。而采自揚(yáng)子板塊的鋯石年齡的峰值雖然在古元古代也出現(xiàn)過(guò)，但是最大峰值出現(xiàn)在830Ma左右的新元古代，主要的構(gòu)造-熱事件發(fā)生在新元古代，而此時(shí)期的華北板塊卻相對(duì)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)此時(shí)期的鋯石。而本文兩個(gè)樣品的碎屑鋯石年齡未表現(xiàn)這兩個(gè)重要地質(zhì)事件的時(shí)代信息。

前人研究表明，1600Ma以來(lái)，秦嶺經(jīng)歷了3期強(qiáng)烈地質(zhì)事件：（1）發(fā)生在1000Ma左右的晉寧期，秦嶺地區(qū)遭受強(qiáng)烈的變質(zhì)作用并伴隨地殼部分熔融和強(qiáng)烈火山活動(dòng)。（2）發(fā)生在400Ma左右的加里東—早華力西期，秦嶺在此遭受強(qiáng)烈變質(zhì)并伴隨酸性巖漿侵入噴發(fā)。（3）280～200Ma晚華力西—印支期的又一次重要構(gòu)造熱事件（張宗清、張國(guó)偉等，1996）。這3次強(qiáng)烈地質(zhì)事件的事件未能在兩個(gè)樣品的碎屑鋯石年齡上得到體現(xiàn)，樣品Q(chēng)L28石年齡為1200Ma左右，樣品Q(chēng)L19晚的鋯石年齡為1100Ma左右，雖然與晉寧運(yùn)動(dòng)的時(shí)間比較接近，但是晉寧運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在1000～800Ma之間，所以這些測(cè)碎屑鋯石沒(méi)有記載晉寧期及其后來(lái)強(qiáng)烈地質(zhì)事件的年代信息。

從以上的分析可以看出，北秦嶺主要的構(gòu)造—熱事件既不同以華北板塊典型的早元古代強(qiáng)烈構(gòu)造—熱活動(dòng)，也不同于揚(yáng)子板塊典型的新元古代強(qiáng)烈構(gòu)造—熱事件，這就說(shuō)明在早元古代大規(guī)模造山運(yùn)動(dòng)之前，北秦嶺可能是一個(gè)獨(dú)立的微陸塊。

3.2 鋯石微量元素分析

雖然鋯石的稀土元素特征并不能用來(lái)判斷寄主巖石的類(lèi)型，但是在變質(zhì)過(guò)程中,變質(zhì)增生鋯石的微量元素特征除與各個(gè)微量元素進(jìn)入鋯石晶格的能力大小有關(guān)外還受與鋯石同時(shí)形成的礦物種類(lèi)控制，因此,通過(guò)變質(zhì)鋯石微量元素特征的研究,可以很好地判斷鋯石的形成條件,為鋯石U-Pb年齡的解釋提供更加有效的制約[5]。

圖3 北秦嶺變質(zhì)巖（QL19）稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖解

2個(gè)樣品的稀土元素的特征基本相同，明顯具有LREE虧損、HREE富集、Ce正異常和Eu負(fù)異常的特征。在變質(zhì)重結(jié)晶的過(guò)程中，微量元素被不同程度地逐出重結(jié)晶鋯石的晶格,導(dǎo)致其含量比原巖鋯石低。輕稀土在鋯石中的穩(wěn)定性小于重稀土,在重結(jié)晶過(guò)程中更易被逐出鋯石的晶格,所以,變質(zhì)重結(jié)晶鋯石的HREE/LREE比值一般會(huì)高于同一顆粒的原巖鋯石。在同一鋯石顆粒內(nèi)部,重結(jié)晶鋯石區(qū)域與重結(jié)晶前鋒區(qū)域之間的微量元素相對(duì)原巖鋯石有互補(bǔ)關(guān)系,即原巖鋯石的微量元素含量介于變質(zhì)重結(jié)晶鋯石與變質(zhì)重結(jié)晶前鋒之間。

圖4 北秦嶺變質(zhì)巖（QL28）稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖解

4 結(jié)論

從以上的數(shù)據(jù)分析和討論及前人的研究成果中，我們初步得到以下結(jié)論：

（1）從研究中—高級(jí)變沉積巖的碎屑鋯石可以很好的獲得物源區(qū)和制約地層時(shí)代的年代學(xué)信息。

（2）根據(jù)207Pb/206Pb年齡數(shù)據(jù)，北秦嶺變質(zhì)巖的主要物源區(qū)為1400～1800Ma的中元古代，盡管出現(xiàn)大于2500Ma的鋯石，但是太古宙和古元古代不是秦嶺群變質(zhì)巖的主要物源區(qū)。

（3）北秦嶺板塊在大規(guī)模造山運(yùn)動(dòng)之前可能是一個(gè)獨(dú)立的微板塊，既不同于華北板塊的南緣，也不同于揚(yáng)子板塊的北緣。

（4）本文的2個(gè)樣品中的碎屑鋯石形成于開(kāi)放的系統(tǒng)，同時(shí)這些鋯石的U和Th的含量很高，說(shuō)明北秦嶺可能與揚(yáng)子板塊存在物質(zhì)交換。

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A

1004-5716（2015）06-0171-05

2014-10-21

2015-01-04

張鵬（1986-），男（漢族），湖北宜昌人，助理工程師，現(xiàn)從事礦產(chǎn)勘查技術(shù)工作。