青海南祁連晚奧陶世火山巖LA-MC-ICPMS鋯石U-Pb年齡及其地球化學(xué)特征

白旭東，楊波，趙忠國(guó)，歐陽(yáng)光文，張志青，郝呈祿

(青海省青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海省地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810012)

祁連造山帶位于青藏高原東北緣，通常被劃分為北、中、南3個(gè)構(gòu)造帶(馮益民等，2002)，寒武紀(jì)—早奧陶世在中—南祁連地區(qū)開始進(jìn)入裂谷體制構(gòu)造演化階段，在晉寧期陸殼基底上(夏林圻，1996)，開裂成一系列的火山盆地，形成拉脊山構(gòu)造帶(左國(guó)朝，2001)，呈北西—南東向展布。其中東部拉脊山地區(qū)開裂最為強(qiáng)烈，為一套形成于大陸板內(nèi)裂谷拉伸環(huán)境的火山巖系(夏林圻，2015)，在西部甘肅境內(nèi)黨河南山等地形成的火山盆地規(guī)模有限，為一套具島弧及活動(dòng)大陸邊緣性質(zhì)的中基性火山巖組合(趙虹，2004；馮備戰(zhàn)，2006)。

在拉脊山構(gòu)造帶中部出露了一套以中酸性火山碎屑巖為主夾火山熔巖及少量沉積巖的地層序列，該套地層呈北西—南東走向展布，向西北可延至甘肅肅北縣白石頭溝一帶，向東南可延至沙柳河一帶，以往研究程度較低。20世紀(jì)60～80年代開展的1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查時(shí)進(jìn)行了有限的研究，其劃分和時(shí)代歸屬有不同的見解，有歸屬前震旦紀(jì)的，也有歸屬早志留世或寒武紀(jì)的。孫崇仁(1995)建立“多索曲組”代表該套地層，建組時(shí)將其時(shí)代歸屬于晚奧陶世—志留紀(jì)；青海省地質(zhì)局(1997)依其與中奧陶世鹽池灣組整合接觸關(guān)系，暫將其歸屬晚奧陶世，但都缺少直接時(shí)代依據(jù)。

由于工作程度相對(duì)薄弱，對(duì)該套火山-沉積地層至今未見地球化學(xué)和成巖時(shí)代方面的系統(tǒng)研究，直接影響到對(duì)其歸屬及構(gòu)造格局的正確厘定，極大地妨礙了對(duì)該地區(qū)地質(zhì)發(fā)展史的深入了解。筆者報(bào)道了在開展1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查過程中，首次在南祁連中部火山巖中應(yīng)用LA-MC-ICPMS方法進(jìn)行鋯石微區(qū)測(cè)年，并結(jié)合對(duì)火山巖巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)特征的研究，探討其成因和形成的大地構(gòu)造環(huán)境，為中南祁連早古生代火山巖的研究提供新的資料。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

研究區(qū)位于秦祁昆造山系—中南祁連弧盆系，南祁連巖漿弧中部(潘桂堂，2002)。該區(qū)域多索曲組火山巖露頭較好，出露較完整，呈北西—南東向展布(圖1)，出露面積約50km2, 與中奧陶世鹽池灣組呈整合接觸，與二疊紀(jì)巴音河群、三疊紀(jì)郡子河群、默勒群呈不整合或斷層接觸。在其南側(cè)為志留紀(jì)巴龍貢噶爾組出露區(qū)，其北側(cè)木里一帶出露早奧陶世吾力溝組、奧陶紀(jì)花崗巖以及少量超鎂鐵質(zhì)巖。

2 火山巖特征

2.1 巖石特征

南祁連晚奧陶世火山巖的主要巖石類型為玄武巖、玄武安山巖、安山巖、英安巖等。

玄武巖呈灰綠色-灰紫色，塊狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)具間粒結(jié)構(gòu)，巖石由斑晶和基質(zhì)組成。斑晶成分為斜長(zhǎng)石、輝石，斜長(zhǎng)石切面形態(tài)呈板狀自形晶、半自形晶，輝石全部被綠泥石、方解石及綠簾石的集合體交代，保留自形柱狀晶或自形粒狀晶的結(jié)晶形態(tài)?；|(zhì)由斜長(zhǎng)石、輝石、不透明礦物組成，其中斜長(zhǎng)石微晶呈柱狀晶，雜亂分布，具較強(qiáng)的黏土化蝕變。輝石呈粒狀晶，全部被綠簾石、綠泥石、方解石交代，與不透明礦物一起呈充填狀分布在斜長(zhǎng)石微晶構(gòu)成的間隙中，形成間粒結(jié)構(gòu)。

玄武安山巖呈灰色、灰綠色，塊狀構(gòu)造，斑狀結(jié)構(gòu)、殘余交織結(jié)構(gòu)，巖石由斑晶和基質(zhì)組成，斑晶成分為斜長(zhǎng)石，呈板狀，斜長(zhǎng)石斑晶具弱-中等絹云母化、弱的綠簾石化和方解石化，基質(zhì)已絹云母化、褐鐵礦化，只偶見細(xì)板條狀斜長(zhǎng)石似具交織結(jié)構(gòu)狀，原巖可能為?；豢椊Y(jié)構(gòu)。

安山巖呈灰綠色、灰紫色，塊狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)具玻晶交織結(jié)構(gòu)，巖石由斑晶、基質(zhì)和杏仁組成。斑晶成分為斜長(zhǎng)石、普通角閃石，斜長(zhǎng)石呈板狀自形晶、半自形晶，具強(qiáng)黏土化蝕變，伴絹云母化或簾石化蝕變，普通角閃石色澤呈黃褐色，縱切面呈柱狀，斷面呈六邊形或菱形狀?；|(zhì)由斜長(zhǎng)石微晶、普通角閃石、玻璃質(zhì)組成，斜長(zhǎng)石微晶呈柱狀，具黏土化、絹云母化蝕變，在玻璃質(zhì)間呈半定向排列，形成玻晶交織結(jié)構(gòu)。

英安巖呈灰色、灰紫色，塊狀構(gòu)造，板狀結(jié)構(gòu)、微晶-隱晶結(jié)構(gòu)，巖石由斑晶和基質(zhì)組成。斑晶主要為石英、斜長(zhǎng)石、黑云母,石英呈他形粒狀-半自形晶粒狀，半自形者呈多邊形斷面有的有被基質(zhì)溶蝕成港灣狀外形者。斜長(zhǎng)石呈細(xì)形-半自形板狀，受強(qiáng)烈絹云母化伴有隱晶簾石化，黑云母呈片狀，沿解理受綠泥石化，白云母化?；|(zhì)為長(zhǎng)英質(zhì)微晶、黑云母、磁鐵礦，有較強(qiáng)烈的絹云母化，伴有隱晶簾石化，黑云母呈片狀，已綠泥石化、白云母化。

1.地質(zhì)界線；2.平行不整合界線；3.角度不整合界線；4.斷層；5.采樣位置及編號(hào)Q；第四系；TM.默勒群；TJZ.郡子河群；PB.巴音河群；Sb.巴龍貢噶爾組；O2y.鹽池灣組；O3d.多索曲組；Ⅱ-6.阿拉善陸塊；Ⅳ-1.北祁連弧盆系；Ⅳ-2.中-南祁連弧盆系；Ⅳ-2-1.中祁連巖漿??；Ⅳ-2-2.黨河南山-拉雞山蛇綠巖混雜帶；Ⅳ-2-3.南祁連巖漿?。虎?2-4.宗務(wù)隆山-溝里-岡察陸緣裂谷；Ⅳ-3.全吉地塊；Ⅳ-5.柴北緣結(jié)合帶；Ⅳ-6.柴達(dá)木陸塊；Ⅳ-8.東昆侖弧盆系；Ⅳ-10.秦嶺弧盆系圖1 多索曲地區(qū)區(qū)域地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of the regional geology of the Duosuoqu area

2.2 剖面及火山-沉積韻律特征

在多索曲南部測(cè)制了地質(zhì)剖面(圖2)，剖面全長(zhǎng)3.96km，其南部與下伏中奧陶世鹽池灣組整合接觸，北側(cè)與上覆早三疊世江河組呈斷層接觸，控制厚度大于2 640m。

1.復(fù)成分礫巖；2.長(zhǎng)石石英砂巖；3.長(zhǎng)石砂巖；4.巖屑長(zhǎng)石砂巖；5.粉砂巖；6.泥巖；7.硅質(zhì)巖；8.白云巖；9.泥晶灰?guī)r；10.板巖；11.集塊巖；12.晶屑角礫凝灰?guī)r；13.凝灰角礫巖；14.晶屑凝灰?guī)r；15.巖屑凝灰?guī)r；16.玄武巖；17.安山巖；18.英安巖；19.鹽池灣組；20.多索曲組；21.江河組；22.逆沖斷層圖2 天峻縣多索曲南一帶多索曲組地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological section sketch of Duosuoqu Group in the south of Duosuoqu area，Tianjun County

多索曲組以火山碎屑巖為主，伴有少量熔巖和沉積巖，在剖面上可劃分出15個(gè)韻律，巖相變化一般為沉積相—爆發(fā)相—溢流相—沉積相，具有噴出期次多、規(guī)模小的特點(diǎn)。火山活動(dòng)具有弱—強(qiáng)—弱的特征，整體特征顯示多索曲組為一套巖漿弧火山巖系(劉肇昌，1985)。

3 火山巖LA-MC-ICPMS鋯石U-Pb年代學(xué)

為了獲得多索曲組火山巖的形成時(shí)代，分別在多索曲北以及錯(cuò)尕爾當(dāng)湖南2個(gè)不同層位采集了ⅡPM304U-Pb28-1和ⅡU-Pb4397兩件同位素樣品，采樣點(diǎn)經(jīng)緯度為37°58′55″N，99°09′56″E ；38°03′20″N，98°57′20″E，樣品巖性為安山巖和英安巖。

3.1 測(cè)試方法

野外采集了巖石蝕變較弱、相對(duì)較新鮮的火山巖樣品，重量約15kg，鋯石的挑選由河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查所實(shí)驗(yàn)室完成。采用常規(guī)方法進(jìn)行粉碎，并用浮選和電磁選方法進(jìn)行分選，然后在雙目鏡下挑選晶形和透明度較好的鋯石顆粒，并對(duì)其打磨和拋光。鋯石U-Pb測(cè)年工作在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實(shí)驗(yàn)室利用激光燒蝕多接收器等離子體質(zhì)譜法(LA-MC-ICPMS)完成(李懷坤，2009)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試的鋯石形態(tài)多呈半自形-自形柱狀，有少量的渾圓狀鋯石，長(zhǎng)度多變化于80～220μm，寬度一般為50～100μm，長(zhǎng)寬比一般為1.5∶1～4∶1。在鋯石的陰極發(fā)光照片中(圖3)，鋯石具有清晰的振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)和規(guī)則的條帶狀結(jié)構(gòu)，且Th/U值在0.06～1.28(表1、表2)，大多數(shù)在0.4以上，主體具有巖漿鋯石的特征。

樣品ⅡPM304U-Pb28-1中共25個(gè)分析點(diǎn)，206Pb/238U年齡中15和22兩個(gè)點(diǎn)明顯偏高，偏離了主鋯石群，考慮剔除，其余23個(gè)分析點(diǎn)位于U-Pb諧和線上或其附近，年齡在444～451Ma(圖4),其加權(quán)平均值為(449.5±1.8)Ma(MSWD=0.114)，代表安山巖形成的時(shí)代。

樣品ⅡU-Pb4397中共25個(gè)分析點(diǎn)，206Pb/238U年齡變化范圍小，成群分布，年齡在444～452Ma(圖4)，其加權(quán)平均值為(449.9±1.5)Ma(MSWD=0.33),代表英安巖形成的時(shí)代。

由此可見，來(lái)自兩個(gè)不同層位的樣品都顯示了近似的年齡(449.9～449.5Ma)，該年齡代表了多索曲組火山巖的巖漿結(jié)晶時(shí)間，其為南祁連巖漿弧火山活動(dòng)提供了重要的年代學(xué)依據(jù)。

4 巖石地球化學(xué)特征

在多索曲組火山巖中采集不含角礫和巖屑、未蝕變或弱蝕變的新鮮火山巖9件樣品進(jìn)行主量元素、微量元素和稀土元素分析。由國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心分析測(cè)試(表3)。

4.1 常量元素特征

巖石的SiO2含量變化較大(51.41%～64.24%)，在硅堿分類圖(TAS)圖解上(圖5a)投到玄武巖、玄武安山巖、安山巖和英安巖區(qū)域內(nèi)；Al2O3含量較高，為15.2%～18.41%,平均為16.8%；TiO2含量為0.54%～1.01%，平均為0.77%，明顯區(qū)別于MORB和OIB，而與島弧火山巖接近。MgO含量為1.63%～6.47%，平均為3.6%；Na2O+K2O為3.97%～6.09%，平均為5.26%；K2O/Na2O為0.08～0.49，平均為0.31，低鉀富鈉。里特曼指數(shù)為0.92～2.73，平均為1.91。在AFM圖解中(圖5b)樣品顯示為鈣堿性系列。整體顯示出島弧鈣堿性火山巖的特點(diǎn)。

4.2 稀土元素特征

多索曲組火山巖稀土總量較高，ΣREE為69.49×10-6～161.61×10-6，平均為119.20×10-6；輕、重稀土比值LREE/HREE為5.13～12.65，平均為9.56；(La/Yb)n為5.06～15.5，平均為11.0；(La/Sm)n為2.53～4.52，平均為3.83；(Gd/Yb)n為1.54～2.05，平均為1.8。輕重稀土元素分異程度較高,在巖石對(duì)原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(圖6)中,均表現(xiàn)為右傾的輕稀土元素(LREE)富集型，Eu弱正異常至弱負(fù)異常，δEu為0.83～1.12，平均為0.92，說(shuō)明斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶不明顯。

4.3 微量元素特征

在巖石對(duì)微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖上(圖7)，多索曲組火山巖的大離子親石元素Sr、Rb、Ba和不相容的高場(chǎng)強(qiáng)元素Th、U變化范圍較大，相對(duì)富集，虧損Ta、Nb、P、Ti，強(qiáng)相容元素Ni、Cr豐度更低，指示其具有島弧環(huán)境下形成的特征，并可能有古大洋板片俯沖作用的存在,而Ti和P的負(fù)異常還可能與鈦鐵礦和磷灰石的分離結(jié)晶作用有關(guān)(李昌年，1991)。

圖3 多索曲組火山巖鋯石陰極發(fā)光圖像和分析點(diǎn)的位置圖Fig.3 CL images and analytical spots of zircons from volcanic rocks in Duosuoqu Group

表1 多索曲組安山巖(IIPM304U.Pb28.1)鋯石LA-MC-ICPMS U-Pb同位素測(cè)定數(shù)據(jù)表Tab.1 LA-MC-ICPMS zircon U-Pb isotopic analysis of the andesite(IIPM304U.Pb28.1)in Duosuoqu Group

表2 多索曲組英安巖(IIU.Pb4397)鋯石LA-MC-ICPMS U-Pb同位素測(cè)定數(shù)據(jù)表Tab.2 LA-MC-ICPMS zircon U-Pb isotopic analysis of the dacite(IIU.Pb4397)in Duosuoqu Group

圖4 多索曲組火山巖鋯石U-Pb諧和圖Fig.4 U-Pb concordia diagram of zircons from volcanic rocks in Duosuoqu Group

Pc.苦橄玄武巖；B.玄武巖；O1.玄武安山巖；O2.安山巖；O3.英安巖；R.流紋巖；S1.粗面玄武巖；S2.玄武質(zhì)粗面安山巖；S3.粗面安山巖；T.粗面巖、粗面英安巖；F.副長(zhǎng)石巖；U1.堿玄巖、玄巖；U2.響巖質(zhì)堿玄巖；U3.堿玄質(zhì)響巖；Ph.響巖；Ir.分界線，上方為堿性，下方為亞堿性圖5 (a)多索曲組火山巖的TAS圖解和(b)AFM圖解Fig.5 (a)TAS and (b)AFM diagrams of the Duosuoqu Group volcanic rocks

圖6 多索曲組火山巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖解Fig.6 Chondrite-normalized rare earth element diagrams of volcanic rocks in Duosuoqu Group

圖7 多索曲組火山巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.7 Primitive mantle-normalized trace element variation diagrams of volcanic rocks in Duosuoqu Group

樣品XT4396PM401XT25?2PM401XT25?1pm602XT12?1pm304XT28?1XT3435PM401XT10?1PM401XT18?1XT4397巖石玄武巖玄武安山巖玄武安山巖玄武安山巖安山巖安山巖安山巖安山巖英安巖SiO2514152405358546462455912626760376420TiO2083096101085072054072079073Al2O317161812184116771598170415821753152Fe2O3212549520462434244477487490FeO650203222407155335115105068MnO01801501201301011011012005MgO647501409447235319331268163CaO656666585601439516365358350Na2O342372382394402497310475419K2O055134152052197038115131186P2O5017037038024027021021025023H2O+4023193328156270263222161CO2038032051022006057043020096Total997799769971997699769978997299729974La133310323171278138228330295Ce259668631324537272414619543Pr314810795419608326511722637Nd148332325167225132194270240Sm330566579342406271369458433Eu115159157103106086105118108Gd283492449306355246298357326Tb055074071044048038046053049Dy334395387273267215258275255Ho0670760710539051045049051048Er224214196153147131139138129Tm034036031021022019021022021Yb177210198148142129132148128Lu027029028022021020020022019Y177210192148147125133140128ΣREE735816161157438505125686949103131454512918LREE/HREE5139591001733109472597112641225

續(xù)表3

樣品XT4396PM401XT25?2PM401XT25?1pm602XT12?1pm304XT28?1XT3435PM401XT10?1PM401XT18?1XT4397巖石玄武巖玄武安山巖玄武安山巖玄武安山巖安山巖安山巖安山巖安山巖英安巖δEu112090090095083100093086084(La/Yb)n50699511007761315723116815021549(La/Sm)n253345350313430321389452428(Gd/Yb)n129189183167201154183195205La/Nb268235296262239248192265251K2O/Na2O016036040013049008037028044δ187272270171184178092211173Sr48578217871506157545671756781875189Rb1142712998940252271299524Ba33455437284615472953578715767227804Th239412371304948285561742901Ta034154074079092048092094092Nb497132010916521164557118612441177Zr7371410143287414031036125320221459Hf232469372291411296334461375Sc342171152217144162121117127Cr536503374588718391987400726Co295233205272176197174161135Cu3841608741983396764536Zn77613011031927580649968730518Pb555142184140256302171167121U060102091102309095143183263Ni209231238356324172245252346V25616116221110812310511988

注：主量元素含量為10-2，微量元素和稀土元素含量為10-6。

5 構(gòu)造環(huán)境分析

上述研究表明，多索曲組火山碎屑巖與熔巖和沉積巖相伴產(chǎn)出，且以火山碎屑巖為主，這種強(qiáng)烈的爆發(fā)作用與弧火山活動(dòng)的特征相一致?；鹕綆r巖石地球化學(xué)特征顯示，該套火山巖為一套鈣堿性系列組合，化學(xué)成分以高Al2O3、低TiO2為特征，具有相對(duì)富集大離子親石元素(Sr、Rb、Ba)和不相容的高場(chǎng)強(qiáng)元素(U、Th)以及輕稀土元素(La、Ce),虧損Ta、Nb、P、Ti以及強(qiáng)相容元素Cr、Ni特征。稀土總量較高，輕重稀土元素分異程度較高，表現(xiàn)為右傾的輕稀土元素(LREE)富集型，Eu弱正異常至弱負(fù)異常。

活動(dòng)大陸邊緣區(qū)火山巖La/Nb值普遍較高(La/Nb>2),研究區(qū)火山巖的La/Nb為1.92～2.96，平均為2.52，明顯具有活動(dòng)大陸邊緣/島弧區(qū)火山巖的特征。在Th-Hf/3-Nb/16判別圖解中,該組火山巖全部落入島弧鈣堿性玄武巖區(qū)域內(nèi)，這與微量和稀土元素的研究結(jié)果相一致。在微量元素Th/Yb- Ta/Yb構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖8b)中, 投影點(diǎn)大部分落在活動(dòng)大陸邊緣島弧火山巖區(qū)域。

已有研究表明：拉脊山地區(qū)在寒武紀(jì)至奧陶紀(jì)期間，曾經(jīng)歷過從大陸裂谷經(jīng)陸間裂谷(小洋盆)和火山弧到造山帶的構(gòu)造演化(邱家驤，1995；鄧清祿，1995)，其俯沖增生造山作用在晚奧陶世時(shí)期依然存在，可能持續(xù)到志留紀(jì)末期(閆臻，2012)。因此，該套火山巖應(yīng)為拉脊山構(gòu)造帶向南俯沖，造成的陸緣弧火山活動(dòng)的產(chǎn)物。

A.N-MORB；B.E-MORB和板內(nèi)玄武巖；C.板內(nèi)堿性玄武巖；D.火山弧玄武巖；IAT.島弧拉斑玄武巖；ICA.島弧鈣堿性玄武巖；SHO.島弧橄欖玄武巖；TH.拉斑系列；ALK.堿性系列；WPB.板內(nèi)玄武巖；TR.過渡型玄武巖；MORB.洋中脊玄武巖圖8 (a)多索曲組火山巖Th-Hf/3-Nb/16及(b)Th/Yb-Ta/Yb圖解Fig.8 (a)Th-Hf/3-Nb/16 and (b)Th/Yb-Ta/Yb diagrams of volcanic rocks in Duosuoqu Group

6 結(jié)論

(1)采用LA-MC-ICPMS鋯石U-Pb定年方法，在多索曲組火山巖中首次獲得206Pb/238U年齡加權(quán)平均值為(449.9±1.5)Ma、(449.5±1.8)Ma，確定該套火山巖形成于晚奧陶世。

(2)多索曲組為一套以火山碎屑巖為主夾基性-中酸性火山巖及正常沉積巖的較復(fù)雜巖石組合，巖石類型從玄武巖、玄武安山巖、安山巖到英安巖均有出露，其化學(xué)成分演化較明顯，顯示較完整的火山巖漿演化序列。

(3)多索曲組火山巖為典型的鈣堿性系列組合，化學(xué)成分以高Al2O3、低TiO2為特征，具有相對(duì)富集大離子親石元素(Sr、Rb、Ba)和不相容的高場(chǎng)強(qiáng)元素(U、Th)以及輕稀土元素(La、Ce),虧損Ta、Nb、P、Ti以及強(qiáng)相容元素Cr、Ni。稀土總量較高，輕重稀土元素分異程度較高，表現(xiàn)為右傾的輕稀土元素(LREE)富集型，Eu弱正異常至弱負(fù)異常。

(4)綜合判斷認(rèn)為，南祁連晚奧陶世火山巖形成于活動(dòng)大陸邊緣/島弧環(huán)境，為殘余洋盆閉合階段的產(chǎn)物，標(biāo)志著拉脊山小洋盆由俯沖造山向陸陸碰撞造山轉(zhuǎn)化。

致謝：野外工作和研究過程中得到青海省地質(zhì)調(diào)查院王秉璋博士、祁生勝博士、郭通珍高級(jí)工程師的指導(dǎo)，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院力學(xué)研究所胡道功教授對(duì)論文初稿提出了寶貴的意見，在此一并表示誠(chéng)摯的謝意！

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