甘肅北山紅巖井西南似斑狀二長花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年及其地質(zhì)意義

劉明強(qiáng)，朱永新

(甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000)

在漫長的地質(zhì)演化歷史進(jìn)程中，發(fā)生了大規(guī)模的構(gòu)造-巖漿活動，形成了壯觀的構(gòu)造-巖漿巖帶。花崗巖是研究地球動力學(xué)、大陸動力學(xué)的一種特殊對象，通過對花崗巖漿生成、演化、上升、定位的研究，可為探討大陸的生長、結(jié)構(gòu)演化、殼幔相互作用、地質(zhì)事件的定時、定位、大陸內(nèi)部物質(zhì)再分配、動力學(xué)演化、成礦等方面的研究提供重要信息。北山西鄰東天山，東接阿拉善，以阿爾金和星星峽兩大走滑斷裂為界，位于一個巨大的構(gòu)造楔形區(qū)，構(gòu)造形跡極其復(fù)雜，其大地構(gòu)造的歸屬一直有爭議(劉雪亞，1984；左國朝等，1990；龔全勝等，2002，2003；何世平等，2002；江思宏等，2003；李錦軼等，2006)。由于北山造山帶所處的特殊大地構(gòu)造位置，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，在漫長的地質(zhì)演化歷史進(jìn)程中，發(fā)育大規(guī)模的構(gòu)造-巖漿活動，并形成壯觀的構(gòu)造-巖漿巖帶(楊合群等，2009)。紅巖井西南中酸性侵入巖體位于馬鬃山早古生代巖漿弧帶上，通過對1∶20萬牛圈子幅分析研究認(rèn)為其時代為加里東晚期，通過對1∶25萬馬鬃山幅研究認(rèn)為其形成于石炭紀(jì)(329±3.0Ma)。筆者在北山馬鬃山地區(qū)勒巴泉一帶開展的1∶5萬紅泉等5幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查過程中，對紅巖井西南的似斑狀二長花崗巖體進(jìn)行了巖石地球化學(xué)和鋯石U-Pb測年研究，并在該巖體中獲得了LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡，筆者主要探討巖體形成的時代及其構(gòu)造屬性。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于牛圈子早古生代蛇綠構(gòu)造混雜巖帶北側(cè)，馬鬃山早古生代巖漿弧帶上(圖1B)。出露地層主要有前長城紀(jì)北山雜巖、長城紀(jì)古硐井群、薊縣平頭山組殘塊；震旦—寒武紀(jì)馬鬃山混雜巖、奧陶紀(jì)窯洞努如巖片(代文軍等，2000；劉明強(qiáng)等，2003)、志留紀(jì)公婆泉群；二疊紀(jì)紅巖井組、新近紀(jì)苦泉組、第四系等。紅巖井組在研究區(qū)內(nèi)大面積分布(圖1A)。

研究區(qū)構(gòu)造十分復(fù)雜，主要構(gòu)造格架呈近東西向或北西西向。形成勒巴泉變質(zhì)核雜巖構(gòu)造，具有多期次、多體制變形的特點(diǎn)。在上盤脆性域和變質(zhì)結(jié)晶基底之間存在一個強(qiáng)烈變形的中間韌性層，以發(fā)育褶疊層構(gòu)造群落為特征。但遭受后期構(gòu)造的強(qiáng)烈改造和破壞，以華力西末—印支期逆沖構(gòu)造尤甚，使變質(zhì)核雜巖構(gòu)造的早期構(gòu)造形跡、位態(tài)更加復(fù)雜化(劉明強(qiáng)等，2003)。

分布于紅巖井西南的中酸性侵入巖體，侵入于長城紀(jì)古硐井群中(圖2)，部分被第四系覆蓋；北側(cè)與二疊紀(jì)紅巖井組呈斷層接觸(圖1A)。主體巖性為一套似斑狀二長花崗巖。巖石呈似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，略顯定向構(gòu)造。斑晶為單一的鉀長石，含量為15%～25%，大小為5.0～12.0mm，屬微斜條紋長石，包裹細(xì)粒斜長石或與斜長石穿插生長，偶構(gòu)成蠕英結(jié)構(gòu)，無平直連續(xù)的棱邊，具似斑狀結(jié)構(gòu)的典型特征。基質(zhì)礦物的粒徑大小為0.5～3.5 mm，含量為75%～85%，主要由斜長石(30%～33%)、鉀長石(15%～21%)、石英(26%～28%)、黑云母(5%±)和微量副礦物金屬礦物、磷灰石、簾石等組成。基質(zhì)鉀長石與斑晶鉀長石的光性特征相同；斜長石具卡式和聚片雙晶，具不同程度的絹云母-白云母化；石英具波狀、帶狀消光，并見脆性裂紋。黑云母呈深褐色，具不同程度的綠泥石化和白云母化。受應(yīng)力作用各類組分的長軸略顯定向。

似斑狀二長花崗巖內(nèi)部存在一些不均勻的韌性剪切構(gòu)造，巖石變形強(qiáng)烈，石英、鉀長石等粒狀礦物定向排列且強(qiáng)烈細(xì)?；?。鉀長石斑晶發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成碎斑，粒狀礦物被普遍壓扁、拉長，形成條帶。黑云母等暗色礦物圍繞粒狀礦物碎斑展布，形成糜棱面理。發(fā)育不清晰的多米諾骨牌、“δ”旋轉(zhuǎn)碎斑(圖3)、S-C組構(gòu)等構(gòu)造行跡。指向性構(gòu)造判斷，該韌性構(gòu)造變形性質(zhì)屬右行剪切特征。

2 測年結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品采集和制備

樣品采自遠(yuǎn)離脈體和裂隙的新鮮似斑狀中細(xì)粒黑云母二長花崗巖，采樣位置為北緯41°42′14″，東經(jīng)96°03′28″。似斑狀中細(xì)粒黑云母二長花崗巖，似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由斜長石、鉀長石、石英、黑云母和副礦物金屬礦物、磷灰石、簾石等組成。形成粒徑懸殊的似斑狀結(jié)構(gòu)。斑晶含量25%，成分為單一的鉀長石，大小為5.0～12.0mm，卡式雙晶和形態(tài)復(fù)雜的條紋構(gòu)造發(fā)育(圖4)，屬微斜條紋長石，包裹細(xì)粒斜長石或與斜長石穿插生長，偶構(gòu)成蠕英結(jié)構(gòu)，無平直連續(xù)的棱邊，具似斑狀結(jié)構(gòu)的典型特征(圖5)。基質(zhì)礦物的粒徑大小在0.5～3.5mm，含量75%，其中斜長石30%±，石英28%±，鉀長石13%±，黑云母4%±，含微量磷灰石+金屬礦物+簾石。巖石新鮮，蝕變很微弱。

1.第四系;2.第三紀(jì)苦泉組;3.二疊紀(jì)紅巖井組;4.志留紀(jì)公婆泉群;5.奧陶紀(jì)窯洞努如巖片;6.奧陶紀(jì)牛圈子混雜巖.7;震旦—寒武紀(jì)馬鬃山混雜巖;8.長城紀(jì)古硐井群;9.早元古代北山雜巖;10.鉀長花崗巖;11.似斑狀二長花崗巖;12.二長花崗巖;13.花崗閃長巖;14.英云閃長巖;15.石英閃長巖;16.閃長巖;17.輝長巖;18.地質(zhì)界線;19.角度不整合界線;20.斷層;21.韌性剪切帶;22.平移斷層;23.剝離斷層;24.同位素采樣位置;25.蛇綠混雜巖；Ⅰ.雀兒山古生代巖漿弧;Ⅱ.紅石山晚古生代蛇綠構(gòu)造混雜巖帶;Ⅲ.白山晚古生代巖漿弧;Ⅳ.馬鬃山早古生代巖漿弧;Ⅴ.牛圈子早古生代蛇綠構(gòu)造混雜巖帶;Ⅵ.雙鷹山早古生代被動陸緣;Ⅶ.紅柳園古生代裂谷;Ⅷ.石板墩前陸基底圖1 北山紅巖井西南似斑狀二長花崗巖體地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Geological and structural sketch map of the granite from the southwest of HongyanJing，Gansu Beishan

圖2 似斑狀二長花崗巖侵入長城紀(jì)古硐井群圖Fig.2 The porphyritic monzonitic granite intruded into the Gudongjing Group of Changchengianperiod

圖3 似斑狀二長花崗巖中發(fā)育的旋轉(zhuǎn)碎斑圖Fig.3 The rotated porphyroclast in the porphyritic monzonitic granite

圖4 鉀長石(Kp)斑晶的卡式雙晶和條紋構(gòu)造圖(正交鏡10×2.5)Fig.4 The phenocrystof K-feldspar(Kp)with cassette twin and striped structure, is microcline perthite.(+)10×2.5

圖5 鉀長石斑晶(Kp)與基質(zhì)礦物斜長石(Pl)、石英(Qz)構(gòu)成的典型似斑狀結(jié)構(gòu)(正交鏡10×2.5)Fig.5 The phenocrysts of K-feldspar(Kp)in the porphyritic monzonitic granite are interspersed with matrix minerals such as plagioclase (Pl)and quartz (Qz), which form a typical porphyric structure.(+)10×2.5

所采樣品用常規(guī)方法粉碎至80—100目，并用常規(guī)浮選和電磁方法進(jìn)行分選，得到大于500粒鋯石后，再在雙目鏡下挑出晶形和透明度較好的鋯石顆粒作為測定對象。將鋯石粘在雙面膠上，然后用無色透明環(huán)氧樹脂固定，然后進(jìn)行鋯石顯微(反射光和投射光照相)、陰極發(fā)光(CL)顯微圖像研究及LA-ICP-MS分析。

2.2 鋯石特征

鋯石的陰極發(fā)光(CL)圖像在西北大學(xué)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，采用FEI公司XL30型SFEG電子束進(jìn)行鋯石顯微照相。所選鋯石晶體呈無色、淡黃色，柱狀，形態(tài)完整，晶體棱角亦較分明；鋯石晶體一般長軸在80～200μm，單顆粒柱狀鋯石長寬比介于1.25～2.25。鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)清楚，陰極發(fā)光圖像表現(xiàn)出典型的巖漿生長振蕩環(huán)帶和韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)，屬于巖漿結(jié)晶鋯石(吳元保等，2004)(圖6)。

2.3 測試方法及精度分析

激光剝蝕等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)鋯石微區(qū)原點(diǎn)定年在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在Agilent7500型ICP-MS、德國LambdaPhysik公司的ComPex102ArF準(zhǔn)分子激光器(工作物質(zhì)ArF，波長193nm)和MicroLas公司的GeoLas 200M光學(xué)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)上完成。激光束斑直徑為30μm，激光剝蝕樣品的深度為20～40μm。實(shí)驗(yàn)中采用He作為剝蝕物質(zhì)載氣，用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)

圈內(nèi)數(shù)字表示U-Pb分析點(diǎn)，其他數(shù)字表示206Pb/238U表面年齡圖6 紅巖井西南似斑狀二長花崗巖體中代表性單顆粒鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像Fig.6 CL images of the representative analyzed Zircons in the granite from the southwest of HongYanJing

研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NISTSRM610進(jìn)行儀器最佳化，采樣方式為單點(diǎn)剝蝕，數(shù)據(jù)采集選用一個質(zhì)量峰一點(diǎn)的跳峰方式，每完成4～5個測點(diǎn)的樣品測定插入測標(biāo)樣一次。在所測鋯石樣品15～20個分析點(diǎn)前后各測2次NISTSRM610。

鋯石年齡采用標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，元素含量采用NISTSRM610作為外標(biāo)，29Si作為內(nèi)標(biāo)。詳細(xì)分析步驟和數(shù)據(jù)處理方法參見相關(guān)文獻(xiàn)(HOM I et al.，2000；BALLARD J R et a.l，2001；KOSLER J et a.l，2002；袁洪林等，2003)。

2.4 測試結(jié)果

巖石鋯石U-Pb年齡測試結(jié)果見表1，單個數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差均為1σ，采用Glitter(ver4.0，Macquarie University)程序?qū)︿喪耐凰乇戎岛驮睾窟M(jìn)行計(jì)算，并按照Andersen Tom的方法，用LA-ICP-MS Common Lead Correction(ver3.15)進(jìn)行了普通鉛校正，所有樣品均采用207Pb/206Pb年齡，年齡計(jì)算和諧圖采用Isoplot(ver3.0)完成(LUDWIG K R，1991)。

由鋯石U-Pb不一致曲線圖可以看出(圖7)，各測點(diǎn)具有較為一致的表面年齡，208Pb/238U年齡較為集中，表明測試結(jié)果可靠。所測12個點(diǎn)給出的206Pb/238U年齡加權(quán)平均值為(402.2±4.4)Ma，代表巖漿的結(jié)晶年齡，相當(dāng)于早泥盆世。

3 巖石地球化學(xué)特征

紅巖井西南似斑狀二長花崗巖體的巖石化學(xué)和微量元素分析數(shù)據(jù)見表2。

圖7 紅巖井西南似斑狀二長花崗巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡曲線及諧和圖Fig.7 LA-ICP-MS zircons U-Pb concordia age diagram from granite in the southwest of HongyanJing

在QAP圖中，樣品均投入二長花崗巖區(qū)。巖石富Si(SiO2=68.12%～75.76%)，Al2O3含量多在13.13%～15.55%，只有一個樣品為11.86%，鋁飽和指數(shù)A/CNK=1.02～1.05，為準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖的特征；Na2O的含量(2.94%～3.49%)較低，K2O含量為4.12%～6.41%，Na2O+K2O含量高(7.69%～9.91%)，平均8.39%，富鉀(K2O/Na2O 為1.18～1.90)，里特曼指數(shù)σ=1.76～3.77，屬鈣堿性巖漿系列，在硅堿圖解上樣品投入亞堿性巖漿系列區(qū)；在硅鉀圖上樣品落入高鉀鈣堿性-鉀玄巖系列區(qū)。

表1 甘肅北山紅巖井西南似斑狀二長花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Th-Pb同位素分析結(jié)果Tab.1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotopic analytical results for porphyriticgranites from the southwest of Hongyanjing，Beishan, Gansu province

注：西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等離子質(zhì)譜測試中心測試。

表2 紅巖井西南似斑狀二長花崗巖體的主量元素(%)和微量元素(10-6)分析結(jié)果Tab.2 Analyses of major (%)and trace elements (10-6)data of porphyriticgranites from the southwest of Hongyanjing

似斑狀二長花崗巖類稀土總量較低，∑REE在175.40×10-6～269.76×10-6，(La/Yb)n介于3.30～12.25，(LREE/HREE)為1.84～5.23，屬輕稀土富集型，δEu為0.23～0.47，具明顯的負(fù)Eu異常；稀土配分曲線右傾(圖8)，輕稀土富集，樣品變化趨勢大體一致，負(fù)Eu異常明顯，具海鷗型特征，與地殼重熔型花崗巖稀土配分型式相似。

圖8 紅巖井西南巖體稀土配分曲線圖(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值引自MASUDA等，1973；原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值引自WOOD等，1979)Fig.8 REE distribution of the southwest of HongyanJing pluton

微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖9)中各樣品的曲線基本平行，顯示同源巖漿演化的特征，微量元素特征顯示，巖石富集Rb、Th、K、Nd、Hf、Y等，而強(qiáng)烈虧損Ba、Nb、Sr、P、Ti。具正常弧花崗巖的特征，反映該花崗巖更具大陸殼的特征，是增生在大陸邊緣的新地殼(李昌年，1992)。巖體的Sr/Y值很低(Sr/Y=2.32～6.39)，貧Sr(91.5×10-6～156×10-6)，富Yb(2.18×10-6～6.71×10-6)，這種特征與華南低Sr高Yb型花崗巖相似。張旗等(2006a，2006b，2008)認(rèn)為這種低Sr高Yb型花崗巖為浙閩型花崗巖，與其平衡的是斜長石和角閃石殘留相，說明形成壓力較低(<0.8GPa或1.0GPa)，可能是地殼伸展變形減薄達(dá)正常地殼厚度(30km左右)或低于正常地殼厚度的造山后階段形成。

圖9 紅巖井西南巖體微量元素蛛網(wǎng)圖(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值引自MASUDA等，1973；原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值引自WOOD等，1979)Fig.9 Trace element distribution of the southwest of HongyanJingpluton

4 成因環(huán)境判別及形成的構(gòu)造背景

北山地區(qū)在新元古代末經(jīng)歷了晉寧運(yùn)動，導(dǎo)致各陸塊發(fā)生匯聚并強(qiáng)烈碰撞，在匯聚碰撞之后，最終形成了統(tǒng)一的古陸(左國朝等，2003；何世平等，2005)。震旦紀(jì)晚期，出現(xiàn)了中基性火山活動，為大陸裂解的先兆。寒武紀(jì)初期，北山地區(qū)古大陸大致沿紅柳河—牛圈子—洗腸井一帶發(fā)生裂解，為裂谷發(fā)育的早期。早奧陶紀(jì)世古大陸裂解加劇，是裂谷演化的主要時期。中奧陶世初期在裂谷的基礎(chǔ)上形成紅柳河-牛圈子-洗腸井洋盆，中晚奧陶世大洋繼續(xù)擴(kuò)張。志留紀(jì)期間紅柳河-牛圈子-洗腸井大洋強(qiáng)烈向北俯沖，出現(xiàn)了特征明顯的島弧帶、弧后盆地及弧前盆地，表明這一時期已發(fā)育成為溝-弧-盆體系齊全的成熟洋盆(龔全勝等，2003；何世平等，2005)。北山地區(qū)早古生代末結(jié)束了板塊構(gòu)造格局。泥盆紀(jì)初，出現(xiàn)碰撞造山作用。晚古生代早期的碰撞造山作用與早古生代晚期的俯沖造山作用先后銜接、相互關(guān)聯(lián)，共同組成俯沖-碰撞造山作用期。紅柳河-牛圈子-洗腸井蛇綠構(gòu)造混雜巖和構(gòu)造混雜巖帶則代表了弧-陸碰撞的縫合線(何世平等，2005；李錦軼等，2009)，并代表著早古生代塔里木板塊和哈薩克斯坦-準(zhǔn)噶爾板塊的縫合帶，屬于大洋擴(kuò)張脊型蛇綠巖，形成于中奧陶世—早志留世(何世平等，2005；武鵬等，2012)。

泥盆紀(jì)碰撞造山的同時，不斷隆升的山系前陸出現(xiàn)局部拉張環(huán)境，泥盆紀(jì)山前磨拉石拗陷帶就是上述構(gòu)造背景下的產(chǎn)物，成為泥盆紀(jì)碰撞造山的地質(zhì)記錄(龔全勝等，2003；何世平等，2005)。

紅巖井西南花崗巖的巖石富Si，富堿，鋁飽和指數(shù)A/CNK=1.02～1.05，巖石富集Rb、Th、K、Nd、Hf、Y等，而強(qiáng)烈虧損Ba、Nb、Sr、P、Ti。貧Sr富Yb。具明顯的Eu負(fù)異常，與A型花崗巖相似。

在Rb-Yb+Nb圖解和Nb-Y圖解(圖10)中，樣品均投在火山弧花崗巖+同碰撞花崗巖區(qū)。在Rb-Hf-Ta圖解(圖11)中反映出該花崗巖體形成于同碰撞-碰撞后，在ACF圖解(圖12)中反映出侵入巖體屬S型花崗巖。結(jié)合測區(qū)的地質(zhì)特征及同位素年代特征，說明巖體形成于造山后階段階段。

ORG.洋脊花崗巖; WPG.板內(nèi)花崗巖;VAG.火山弧花崗巖;COLG.同碰撞花崗巖圖10 (a)紅巖井西南巖體Nb-Y和(b)Rb-Yb+Nb圖解(據(jù)PEARCE等，1984)Fig.10 (a)Nb-Y and (b)Rb-Yb+Nb diagrams of the southwest of HongyanJing pluton

圖11 不同構(gòu)造環(huán)境花崗巖的Rb-Hf-Ta判別圖(據(jù)HARRIS等，1986)Fig.11 Rb-Hf-Ta diagram for the different tectonic setting of granite

圖12 花崗巖的ACF圖解Fig.12 ACF Classification diagram for granite

5 小結(jié)

(1)甘肅北山紅巖井西南似斑狀二長花崗巖為準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖，屬高鉀鈣堿性-鉀玄巖系列。地球化學(xué)特征表明巖石富集Rb、Th、K、Nd、Hf、Y等，而強(qiáng)烈虧損Ba、Nb、Sr、P、Ti，具S型花崗巖的特點(diǎn)。其特征表明巖體形成于造山后階段。

(2)紅巖井西南似斑狀二長花崗巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為(402.2±4.4)Ma，時代為早泥盆世。為造山后伸展環(huán)境下形成的花崗巖，該年齡界定了碰撞造山時間的上限。

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