中祁連蘇里地區(qū)新元古代輝綠巖墻群LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及其地質(zhì)意義

張金明，才航加，陳光庭，田成秀，雷曉清

(青海省地質(zhì)調(diào)查院， 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 西寧 810012)

有關(guān)地球上超大陸生長、演化和離散的歷史，尤其是大陸塊匯聚和離散對(duì)于地幔動(dòng)力學(xué)、巖漿作用、成礦作用、地表過程和生命演化的影響，是地學(xué)界近年來頗受關(guān)注的重大科學(xué)問題之一(Moores, 1991； Hoffman, 1991； Zheng, 2003)。中國的華南陸塊、塔里木陸塊等前寒武紀(jì)的構(gòu)造-巖漿事件研究結(jié)果表明,其響應(yīng)了中元古代晚期至新元古代早、中期Rodinia超大陸的匯聚和裂解過程 (Wangetal., 2003； 郝杰等, 2004； Yangetal.， 2004)。秦嶺地區(qū)已厘定出中元古代晚期陸內(nèi)裂谷、中元古代末期洋盆打開、新元古代早期俯沖型花崗巖形成以及洋盆閉合的一個(gè)完整的洋陸轉(zhuǎn)換過程(陸松年等， 2003)。祁連陸塊因蘊(yùn)含有豐富的古板塊構(gòu)造演化信息長期以來受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的高度關(guān)注，其古構(gòu)造演化方面也取得了一些成果，其內(nèi)發(fā)育大量新元古代巖漿-變質(zhì)事件，被認(rèn)為是響應(yīng)全球Rodinia超大陸匯聚事件的物質(zhì)記錄：陸塊東段侵入到湟源群中的S型花崗巖(917±12 Ma)，北山一帶陸陸碰撞階段形成的花崗巖(880±31 Ma)，托勒、湟源、化隆、馬銜山等地識(shí)別出的大量的弧巖漿性質(zhì)花崗巖(943～875 Ma)，烏北地體中解體出的830～810 Ma花崗巖(于海峰等， 2000； 李向民等， 2006； 雍擁等， 2008； 高曉峰等， 2010； 李猛等， 2015； 王珩， 2016； 馬建軍等， 2018)，這些均記錄了祁連陸塊響應(yīng)全球Rodinia超大陸匯聚過程中長時(shí)間的后碰撞花崗巖巖漿作用歷史。但陸塊內(nèi)缺少可靠的與新元古代裂解有關(guān)的構(gòu)造-巖漿事件記錄，截至目前，對(duì)祁連陸塊是否記錄了Rodinia超大陸的裂解過程以及對(duì)祁連陸塊構(gòu)造屬性仍存在不同看法(董國安等， 2007； 王洪亮等， 2007)。本文對(duì)祁連西段蘇里地區(qū)出露的輝綠巖進(jìn)行了巖石地球化學(xué)、年代學(xué)的詳細(xì)研究,欲對(duì)探討祁連陸塊是否響應(yīng)Rodinia超大陸的裂解和探索祁連陸塊元古宙構(gòu)造演化提供重要的證據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

祁連地區(qū)地理位置在中國中央山鏈的中心區(qū)域，大地構(gòu)造位置位于華北陸塊、華南陸塊和塔里木陸塊這3個(gè)主要的陸塊之間。祁連地區(qū)在構(gòu)造上是一個(gè)早古生代造山系，從北到南可劃分為北祁連造山帶、祁連陸塊和柴北緣造山帶這3個(gè)構(gòu)造單元，其北部為阿拉善陸塊，東部為華北陸塊，南部為柴達(dá)木陸塊，西部為塔里木陸塊(圖1)(夏林圻等， 2016)。研究區(qū)位于祁連陸塊西段。祁連陸塊是一個(gè)具有古生代沉積巖系蓋層和前寒武紀(jì)基底的疊瓦狀逆沖帶(Luetal., 2002； Wuetal., 2005)。陸塊在中新元古代處于相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造演化環(huán)境，研究區(qū)內(nèi)中新元古代出露的地層有長城紀(jì)南白水河組、薊縣紀(jì)花兒地組和青白口紀(jì)龔岔群，主體為碎屑巖、碳酸鹽巖組合，為一套綠片巖相為主的變質(zhì)巖建造，原巖為一套穩(wěn)定-次穩(wěn)定型泥砂質(zhì)-碳酸鹽沉積組合，基本屬層狀有序的地層類型。晚寒武世六道溝組主體為一套由中性火山碎屑巖為主體夾火山熔巖的地層序列；早奧陶世吾力溝組以玄武巖、玄武安山巖、火山碎屑巖為主夾少量碎屑巖。晚古生代-中生代為蓋層沉積，下部與中新元古代地層呈角度不整合接觸，至下而上由早石炭世臭牛溝組、晚石炭世羊虎溝組、二疊紀(jì)巴音河群勒門溝組、草地溝組、哈吉爾組、忠什公組、早中三疊世郡子河群下環(huán)倉組、江河組、大加連組、切爾瑪溝組、晚三疊世默勒群阿塔寺組組成，總體為一套濱淺海陸棚-海陸交互相碳酸鹽巖、碎屑巖和含煤碎屑巖建造。

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以北西向斷裂為主構(gòu)成區(qū)內(nèi)的基本構(gòu)造格架，控制本區(qū)巖漿活動(dòng)、沉積建造形成。區(qū)內(nèi)除局部有少量加里東期和燕山期的中酸性侵入巖呈巖株?duì)罘植纪猓€發(fā)現(xiàn)大量輝綠巖墻。

2 地質(zhì)及巖石學(xué)特征

2.1 地質(zhì)特征

蘇里地區(qū)輝綠巖墻廣泛分布，巖石類型為輝綠巖、輝長巖，以巖墻、巖脈形式產(chǎn)出，一般寬約在2～50 m之間，長20～3 000 m，其走向主要以北東向和近東西向?yàn)橹?，近南北向次之。該套基性巖穿插侵入于長城紀(jì)南白水河組、薊縣紀(jì)花兒地組及青白口紀(jì)其它大坂組、五個(gè)山組中(圖1)?；詭r與圍巖接觸界線彎曲，圍巖中多見基性巖脈(枝)的穿插(圖2a)，局部在基性巖中發(fā)育板巖捕虜體，接觸部位捕虜體較為發(fā)育且向巖體內(nèi)部數(shù)量有減少趨勢。巖石受變質(zhì)變形作用影響，局部呈板狀碎石出露，層理面可見柱狀礦物的定向排列，巖石普遍具褐鐵礦化、綠簾石化蝕變現(xiàn)象。

2.2 巖石學(xué)特征

蘇里地區(qū)基性巖巖石類型較單一，主要由輝綠巖組成，局部出露少量輝長巖，巖石蝕變較強(qiáng)，后期構(gòu)造疊加作用明顯。其巖石學(xué)特征如下(圖2b)：

圖2 蘇里地區(qū)輝綠巖野外露頭及輝綠巖、輝長巖鏡下特征Fig. 2 Field and microscopic features of the Suli gabbro

蝕變輝綠巖： 變余(殘余)輝綠結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石后期蝕變作用較強(qiáng)，原結(jié)構(gòu)有所破壞而不太清晰。輝石含量50%～55%，還含有斜長石(40%～45%)和少量角閃石、白鈦石(次生)，微量磷灰石、石英、不透明礦物，次生蝕變產(chǎn)物有次閃石、鈉黝簾石、綠泥石、黑云母等。輝石分布較為均勻，以單斜輝石為主，見少量斜方輝石，多呈他形晶，少部分以半自形晶存在，蝕變作用較強(qiáng)，見次閃石化、綠泥石化、黑云母化(少)蝕變，取代原礦物形成次生蝕變礦物集合體。磷灰石多呈自形晶，零星可見。

蝕變輝長巖： 細(xì)-中粒輝長結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斜長石含量62%，輝石為單斜輝石(30%)，另有部分鉀長石(2%)、石英(1%～2%)、白鈦石(1%～2%)和其他金屬礦物(2%～3%)，部分礦物蝕變強(qiáng)烈。斜長石主要為基性斜長石，多呈半自形板、柱狀，粒徑多為0.5～5 mm，多發(fā)生強(qiáng)烈鈉黝簾石化蝕變，分布廣泛。其他金屬礦物多呈他形粒狀及其集合體，分布不均勻。

3 樣品及其測試方法

在蘇里地區(qū)輝綠巖脈、輝長巖脈中分別采集主量、微量元素分析樣品，包括輝綠巖10件、輝長巖2件，重3 kg左右。在蘇里地區(qū)南側(cè)出露規(guī)模較大的輝綠巖巖株中選擇巖體出露較好、遠(yuǎn)離接觸帶邊部、蝕變較弱的巖石采集同位素測年樣1件(U-Pb32-1)，重約50 kg。

主量、微量元素測試由自然資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。制樣過程中利用切喬特公式計(jì)算粗碎、中碎、細(xì)碎3個(gè)過程中用四分法縮分至需要的質(zhì)量并保留相應(yīng)的副樣。主量元素使用Phillips 4400X熒光光譜儀測試，F(xiàn)eO用容量滴定法測定，燒失量(LOI)通過對(duì)樣品加熱至1 000℃后1 h稱量其質(zhì)量變化獲得,分析誤差小于0.9%；微量分析采用質(zhì)譜法，使用熱電公司X7等離子質(zhì)譜儀，分析誤差小于7.8%；稀土元素采用等離子直讀光譜儀(JY38S)分析，分析誤差小于4.8%。

同位素測年樣碎樣、鋯石分選、制靶和陰極發(fā)光(CL)顯微照相由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成，采用常規(guī)方法進(jìn)行粉碎，鋯石利用常規(guī)單礦物分選技術(shù)完成，使用環(huán)氧樹脂凝固成靶后對(duì)鋯石進(jìn)行陰極發(fā)光(CL)顯微照相。LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測定在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實(shí)驗(yàn)室完成，儀器為ThermoFisher公司Neptune型質(zhì)譜儀和美國ESI公司UP193-FXArF準(zhǔn)分子激光器，激光剝蝕系統(tǒng)為New Wave UP213，剝蝕光斑直徑25 μm，ICP-MS為布魯克M90，鋯石標(biāo)準(zhǔn)以91500和Plesovice 作為外標(biāo)進(jìn)行校正，普通鉛以Andersen(2002)的3D 坐標(biāo)法進(jìn)行校正計(jì)算，鋯石樣品的Pb、U含量計(jì)算采用Skits 和ICPMSDataCal 軟件處理，采用Isoplot3.2 等程序進(jìn)行鋯石的諧和曲線和加權(quán)平均年齡的計(jì)算。

4 分析結(jié)果

4.1 鋯石U-Pb定年

測年鋯石的CL圖見圖3，所測樣點(diǎn)經(jīng)校正后的有效數(shù)據(jù)共15個(gè)(表1)。CL圖顯示大部分鋯石晶形完整具有淺色核部和暗色的邊部，且振蕩環(huán)帶并不明顯，有少量破片狀或是磨圓的鋯石的CL 圖特征多樣，其中6和9號(hào)鋯石形態(tài)與其它鋯石明顯不同，呈渾圓狀不顯示環(huán)帶構(gòu)造，206Pb/238U表面年齡分別為1 734±19 Ma、2 152±27 Ma，比其它鋯石年齡老很多，可能為捕獲鋯石。其余13顆鋯石多呈次棱角狀-次圓狀，鋯石顆粒較大，一般鋯石晶體長軸在75～150 μm之間，長寬比值介于1.5～3之間，大部分鋯石內(nèi)部震蕩環(huán)帶較清晰，顯示巖漿鋯石的特點(diǎn)，鋯石U-Pb年齡比較集中，其206Pb/238U表面年齡為835～806 Ma，加權(quán)平均年齡為819.5±5.2 Ma(MSWD=0.35，N=13)(圖4)，因此該年齡應(yīng)為巖漿侵位年齡，表明輝綠巖巖墻的侵入時(shí)代為新元古代早期。

圖3 蘇里地區(qū)輝綠巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig. 3 CL images of the diabase sample from Suli area

圖4 蘇里輝綠巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和加權(quán)平均年齡圖(b)Fig. 4 U-Pb concordia diagram (a) and weighted graph (b) of the diabase sample from Suli area

表1 蘇里地區(qū)輝綠巖(U-Pb32-1)U-Pb同位素測年數(shù)據(jù)Table 1 U-Pb isotope age determined results of the diabase sample (U-Pb32-1) from Suli area

4.2 巖石地球化學(xué)特征

4.2.1 主量元素

新元古代基性侵入巖巖石化學(xué)特征見表2。由表2可見，巖石中SiO2含量變化不大，在46.77%～52.37%之間，平均值為48.73%；Al2O3含量較低，變化在12.82%～15.86%之間，平均值為13.73%；Na2O含量在1.48%～3.33%，平均為2.37%；TiO2分為兩組，大部分含量在1.16%～1.87%,少數(shù)含量較高介于2.02%～3.14%；MgO含量為3.84%～7.98%，F(xiàn)eOT含量為10.42%～15.53%，貧K(0.10%～1.60%)，Na2O>K2O，巖石里特曼指數(shù)σ=0.67～2.96。在SiO2-Nb/Y圖解(圖5)中，樣品投點(diǎn)多落在亞堿性玄武巖區(qū)域內(nèi)；在FeOT/MgO-SiO2圖解(圖6)中樣品投點(diǎn)均落在拉斑系列區(qū)域內(nèi)。綜上所述，該期基性巖整體具有拉斑玄武巖的特征。

表2 蘇里基性巖主量元素(wB/%)、微量元素(wB/10-6)分析結(jié)果表Table 2 Major element (wB/%) and trace element (wB/10-6) compositions of the diabase sample from Suli area

圖5 SiO2-Nb/Y圖解(據(jù)Winchester和Floyd, 1977)Fig.5 SiO2-Nb/Y diagram (after Winchester and Floyd, 1977)

4.2.2 微量元素

稀土元素含量見表1。巖石中稀土元素總量偏低，在51.28×10-6～165.11×10-6之間，輕稀土元素含量在39.37×10-6～129.60.26×10-6之間，重稀土元素含量在11.91×10-6～35.51×10-6之間，輕重稀土元素之比為3.05～4.90，(La/Yb)N值為2.62～5.03，均大于1，δEu=0.93～1.12,顯示Eu虧損不明顯，稀土元素配分曲線呈輕稀土元素相對(duì)富集型,曲線右緩傾斜, Eu具較弱的負(fù)異常,表明巖漿在上升過程中受到了陸殼物質(zhì)的輕度混染(圖7a)。

在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素配分圖解(圖7b)上，富集Rb、Ba、Th、U，虧損Nb、Ta和K，大離子親石元素豐度變化范圍相對(duì)較寬，高場強(qiáng)元素富集程度不強(qiáng)，微量元素比值蛛網(wǎng)圖上具有左側(cè)隆起、右側(cè)相對(duì)平坦的分布型式。基性巖中Nb、Ta含量分別在6.51×10-6～13.04×10-6(平均值為10.6×10-6)和0.60×10-6～1.36×10-6(平均值為0.93×10-6)，比典型島弧玄武巖的虧損程度要弱，可能與地殼的混染或幔源區(qū)殘留體中富Nb、Ta有關(guān)(高俊等， 1995)；巖石的Th/Ta值為1.5～3.98之間，與大陸拉張帶或裂谷初期的玄武巖Th/Ta值(1.6～4)相一致(汪云亮等， 2001)，表明蘇里地區(qū)基性巖形成于大陸裂谷環(huán)境。

圖7 蘇里地區(qū)基性巖的稀土元素配分模式(a)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解(b)(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace elements patterns (b) of the basic rock samples from Suli area (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

在Meschede(1986)的Nb-Zr-Y三角圖解 (圖8a) 中，樣點(diǎn)全部落入板內(nèi)拉斑玄武巖區(qū)；汪云亮等(2001)的Th/Hf-Ta/Hf (圖8b)可以判別出基性巖的構(gòu)造環(huán)境，蘇里輝綠巖樣品點(diǎn)全部落入陸內(nèi)裂谷玄武巖區(qū)域。從以上參數(shù)及圖解等的分析可以初步判斷，本區(qū)新元古代基性巖形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境。

圖8 蘇里地區(qū)基性巖Nb-Zr-Y(a)和Th/Hf-Ta/Hf(b)構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig. 8 Nb-Zr-Y(a) and Th/Hf-Ta/Hf(b) diagrams for discrimination of tectonic settings of the samples from Suli area

5 地質(zhì)意義

對(duì)于蘇里地區(qū)新元古代基性巖墻的源區(qū)性質(zhì)、組成和巖漿熔融深度等問題的認(rèn)識(shí)，往往與巖漿源區(qū)、地幔動(dòng)力學(xué)機(jī)制等問題密切相關(guān)。本文根據(jù)樣品的元素地球化學(xué)特征，就相關(guān)問題做進(jìn)一步的探討。蘇里基性巖墻侵位于中新元古代不同層位地層；地球化學(xué)總體上表現(xiàn)為低SiO2含量(46.77%～52.37%)，屬基性巖漿巖系列；TiO2含量大部分為1.16%～1.87%，其中4件樣品TiO2含量介于2.02%～3.14%之間 ,平均含量為2.86%，較低的MgO含量(平均值為5.21%)和Mg#(平均值為49.4)；堿含量(Na2O+K2O=2.41%～4.29%)，其常量元素組成與夏威夷堿性玄武巖(TiO2含量平均為3.22%)相似，結(jié)合野外觀察及巖相學(xué)推測輝綠巖在形成過程中應(yīng)經(jīng)歷了明顯的橄欖石、單斜輝石、斜長石等礦物的分離結(jié)晶。輕、重稀土元素微弱分異，輕稀土元素略為富集，富集Rb、Ba、Th、U，虧損Nb、Ta和K，大離子親石元素含量變化范圍相對(duì)較寬，高場強(qiáng)元素富集程度不強(qiáng)，因此推斷巖漿應(yīng)起源于虧損地幔源區(qū)。Nb、Zr和Y等不活潑元素不因地幔巖部分熔融程度和玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶程度而發(fā)生變化，通常同來劃分巖石源區(qū)地幔類型。研究區(qū)巖石Zr/Nb值為10.32～16.75，平均值為12.39，低于原始地幔Zr/Nb值(Zr/Nb=18)，說明蘇里地區(qū)基性巖地幔源區(qū)是過渡型或者富集型(李昌年， 1992)。在Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb圖解(圖9)中，樣品全部投在了過渡型地幔區(qū)域附近。因此，研究區(qū)基性巖脈源區(qū)為過渡型地幔。通過La/Sm-Sm/Yb圖解(圖10)對(duì)源區(qū)組成加以判定，考慮到地殼混染、結(jié)晶分異的影響，樣品表現(xiàn)出尖晶石地幔橄欖巖部分熔融趨勢，認(rèn)為巖漿應(yīng)來源于尖晶石穩(wěn)定域地幔，是尖晶石地幔橄欖巖部分熔融的產(chǎn)物。

圖9 蘇里地區(qū)基性巖Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb圖解(Pearce， 1996)Fig. 9 Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb diagram of the basic rocks from Suli area(after Pearce，1996)

Rodinia超大陸是繼Columbia超大陸后形成的又一超級(jí)聯(lián)合古大陸，被認(rèn)為是由Columbia超大陸裂解之后的陸塊碎塊在新的構(gòu)造背景下的拼合產(chǎn)物。Rodinia超大陸主體形成在1.3～1.0 Ga期間，穩(wěn)定存在約300 Ma之后開始發(fā)生裂解( McMenamin and McMenamin， 1990； Hoffman, 1991； Dalziel， 1991； Moores, 1991)。近年來，Rodinia超大陸的構(gòu)型和演化以及中國不同陸塊在其中位置的研究，受到地學(xué)界廣泛的關(guān)注。

祁連陸塊元古宙主要的區(qū)域性構(gòu)造熱事件產(chǎn)物有陸塊西南部大柴旦地區(qū)古元古代花崗片麻巖(2.47～2.2 Ga)、淡色花崗巖(1.96～1.91 Ga)和環(huán)斑花崗巖(1.77～1.76 Ga)(陸松年， 2002； Chenetal.， 2009； Wangetal., 2009)，西寧地區(qū)北部的片麻巖中花崗質(zhì)侵入體(940～880 Ma)(郭進(jìn)京等， 1999； Tungetal.， 2007)，陸塊東段發(fā)育的興龍山群裂谷火山巖(824～713 Ma)、朱龍關(guān)群大陸溢流火山巖(738～604 Ma)等新元古代中晚期裂谷火山巖系(Maoetal.， 1997； 徐學(xué)義等， 2008)。蘇里地區(qū)新元古代基性巖墻巖石類型為輝綠巖、輝長巖，巖漿起源于虧損地幔源區(qū)，是尖晶石地幔橄欖巖部分熔融的產(chǎn)物，巖漿形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境，輝綠巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素獲得819.5±5.2 Ma(MSWD=0.35)的加權(quán)平均年齡值，說明蘇里地區(qū)新元古代基性巖墻可能與導(dǎo)致Rodinia超級(jí)大陸裂解的新元古代地幔柱事件有關(guān)。

6 結(jié)論

(1) 祁連陸塊西段蘇里地區(qū)基性巖墻LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果為819.5 ±5.2 Ma，表明輝綠巖形成于新元古代早期，形成時(shí)代與陸塊東段興龍山群裂谷火山巖(824～713 Ma)形成時(shí)代一致。

(2) 蘇里基性巖墻巖石地球化學(xué)分析結(jié)果顯示巖漿起源于虧損地幔源區(qū)，是尖晶石地幔橄欖巖部分熔融的產(chǎn)物，巖漿形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境。

(3) 根據(jù)蘇里基性巖墻形成時(shí)代、成因及構(gòu)造環(huán)境，結(jié)合近年來對(duì)祁連陸塊研究進(jìn)展，表明其可能與導(dǎo)致Rodinia超級(jí)大陸裂解的新元古代地幔柱事件有關(guān)。