西藏劉瓊村北始新世石英閃長巖的成因及其地質(zhì)意義

鄧科，袁仁華，董玉杰，張澤國，陳守關(guān)，辛堂

(西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)大隊，青海 格爾木 816099)

0 引言

前人把青藏高原的形成演化過程分為3個階段，即古特提斯演化階段、新特提斯演化階段、印度—亞洲大陸碰撞及高原隆升階段[1]。其中，新特提斯演化階段、印度—亞洲大陸碰撞及高原隆升階段的巖漿記錄主要集中于南岡底斯巖漿弧，巖漿巖出露面積占岡底斯帶總面積的80%以上[2-4]，同時，也是揭示印度大陸與亞洲大陸碰撞過程最重要的研究區(qū)。紀(jì)偉強等[5]將南岡底斯巖基巖漿活動分為205 Ma—152 Ma、109 Ma—80 Ma、65 Ma—41 Ma和33 Ma—13 Ma共4個階段。

古新世—始新世是岡底斯巖漿活動最為劇烈的時期，該期花崗巖構(gòu)成岡底斯基巖的主體[6]。關(guān)于其巖石成因與動力學(xué)機制尚存在不同意見，存在多種模型和解釋。其一認為是新特提斯洋殼向北俯沖的結(jié)果[7-8]，其二認為主要是新特提斯洋殼向北俯沖和班公湖—怒江洋向南俯沖消減共同作用的結(jié)果[9]，其三認為是班公湖—怒江特提斯洋洋殼向南俯沖作用的產(chǎn)物[10]，至今對其形成的動力學(xué)背景的認識仍然存在較大分歧。

本文基于中國地質(zhì)調(diào)查局“岡底斯—喜馬拉雅銅礦資源基地調(diào)查”項目工作，對西藏劉瓊村始新世石英閃長巖的巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)、同位素及地質(zhì)年代學(xué)等方面進行了研究，以期探討岡底斯帶始新世巖漿成因及其產(chǎn)生的構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)概況

青藏高原屬于由多微陸塊經(jīng)過多期拼合作用形成了一系列溝-弧-盆體系[11-14]，以雅魯藏布江縫合帶、班公湖—怒江縫合帶和金沙江縫合帶為界，由南向北分別為喜馬拉雅地塊、拉薩地塊、羌塘地塊[15](圖1a)。拉薩地塊是一條近EW向延伸的巨型構(gòu)造-巖漿巖帶，即岡底斯帶(圖1b)，其中廣泛發(fā)育的俯沖-碰撞-碰撞后巖漿作用，記錄了該地帶從特提斯洋俯沖消減到印度大陸陸內(nèi)俯沖的全過程[16-18]。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖及地質(zhì)簡圖(據(jù)西藏地勘局第五地質(zhì)大隊地勘院2019，修編)Fig.1 Geotectonic position and geological sketch of the study area1.第四系；2.中三疊統(tǒng)昌果組四段；3.中三疊統(tǒng)昌果組三段；4.中三疊統(tǒng)昌果組二段；5.始新世石英閃長巖；6.始新世石英二長閃長巖；7.始新世二長花崗巖；8.采樣位置BNSZ.班公湖—怒江縫合帶；JSSZ.金沙江縫合帶；YZSZ.雅魯藏布江結(jié)合帶

南岡底斯帶上的侵入體廣泛分布于雅魯藏布江結(jié)合帶北側(cè)，是岡底斯巖漿弧南緣的重要組成部分，受特提斯洋盆的演化所控制，大部分巖體呈近EW向帶狀分布，始新世巖漿活動較為強烈。研究區(qū)位置及地質(zhì)簡圖，分別見圖1b和圖1c所示。

本次研究的石英閃長巖主要分布在劉瓊村北側(cè)至江津村西側(cè)一帶，呈近EW向小型巖株產(chǎn)出，出露面積約8.62 km2。該巖體侵入于中三疊世昌果組之中，被始新世石英二長閃長巖、二長花崗巖侵入。巖體中可見變質(zhì)火山巖或變質(zhì)砂巖捕虜體。

2 巖相學(xué)特征

劉瓊村北石英閃長巖風(fēng)化面呈黃灰色，新鮮面呈灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石由斜長石、鉀長石、石英、黑云母、角閃石組成。斜長石主要呈半自形板狀，粒度部分為2～4.5 mm(中粒)，少部分為0.3～2 mm(細粒)，雜亂分布，部分表面較干凈，少部分顆粒被絹云母、黝簾石交代較明顯，少部分可見環(huán)帶構(gòu)造，偶見顆粒彎曲、波狀消光現(xiàn)象，局部被鉀長石呈蠶食狀交代，部分可見聚片雙晶。鉀長石呈半自形板狀—它形粒狀，粒度一般0.4～1.4 mm，填隙狀分布于斜長石粒間，鉀長石主要為正長石，表面較干凈，局部交代斜長石。石英呈它形粒狀，粒度一般0.2～2 mm，單晶或集合體填隙狀分布于長石粒間，粒內(nèi)具波狀消光現(xiàn)象。黑云母呈鱗片狀、葉片狀，角閃石呈半自形柱粒狀，粒度部分0.4～2 mm，少部分2～3.5 mm，雜亂或似堆狀分布，黑云母多被綠泥石、綠簾石交代呈假像產(chǎn)出，少量棕色殘留。角閃石呈褐綠色，少量見黑云母穿插于角閃石粒內(nèi)，交代角閃石，有時見角閃石、黑云母粒內(nèi)嵌布少量斜長石。圖2為石英閃長巖野外露頭照片和鏡下顯微特征。

圖2 石英閃長巖野外露頭照片(a, b)及鏡下顯微特征(c, d)Fig.2 Photos of outcrops of the diorite taken from field(a, b) and under microscope(c, d)Pl.斜長石；Qz.石英；Hb.角閃石；Bi.黑云母

3 測試分析方法

本次研究對劉瓊村北石英閃長巖開展了鋯石U-Pb定年、鋯石原位Lu-Hf同位素分析和巖石地球化學(xué)測試工作。

(1)鋯石U-Pb定年

鋯石單礦物分選、鋯石的制靶及透射光、反射光、陰極發(fā)光照相在河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院實驗室完成。將完整的典型鋯石置于DEVCON環(huán)氧樹脂中，待固結(jié)后拋磨，使鋯石內(nèi)部充分暴露后進行鋯石的反射光和透射光照相及鋯石陰極發(fā)光照相。

鋯石U-Pb定年采用LA-ICP-MS法，在北京科薈測試技術(shù)有限公司進行。同位素分析測試儀器為+Jena PQMS多接收等離子體質(zhì)譜儀，激光剝蝕系統(tǒng)為New wave 193，實驗過程中的激光剝蝕斑束直徑為32 μm，激光剝蝕深度為20～40 μm。鋯石年齡計算采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石95100作為外標(biāo)，元素含量采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局人工合成硅酸鹽玻璃NIST610作為外標(biāo)，29Si作為內(nèi)標(biāo)元素進行校正。樣品的同位素比值和元素含量數(shù)據(jù)處理采用ICPMSDatacal軟件，并采用Anderson[19]軟件對測試數(shù)據(jù)進行普通鉛校正，年齡計算及諧和圖采用ISOPLOT2.49軟件完成[20]。

(2)鋯石原位Lu-Hf同位素分析

鋯石原位Lu-Hf同位素分析也在北京科薈測試技術(shù)有限公司進行，利用LA-ICP-MS系統(tǒng)對經(jīng)過LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年的同一測點進行了Hf同位素組成測試。Lu-Hf同位素分析激光進樣系統(tǒng)為NWR 213 nm固體激光器，分析系統(tǒng)為多接收等離子體質(zhì)譜儀(NEPTUNE plus)，實驗過程中采用He作為剝蝕物質(zhì)載氣，激光束直徑為55 μm，激光脈沖頻率為4～6 Hz。本次分析過程中使用鋯石國際標(biāo)樣Mud tank作為外標(biāo)。Mud tank的176Hf/177Hf值為0.282537±15。儀器分析條件和數(shù)據(jù)獲取方法見文獻[21-22]所述。

(3)巖石地球化學(xué)測試

巖石地球化學(xué)分析測試由河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院實驗室完成，樣品加工過程均在無污染設(shè)備中進行。主量元素測試采用堿燒法制備樣品，使用Axiosmax X射線熒光光譜儀完成分析測試，相對誤差不大于2%，燒失量、H2O+和H2O-采用P1245電子分析天平完成測試。稀土元素和微量元素分析采用酸溶法制備樣品，稀土元素和多數(shù)微量元素的含量使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X Serise2 ICP-MS)完成測試，Zr、Ti、K等元素在X射線熒光光譜儀(AxiosmaxX)上完成測試，分析精度高于5%～10%，測試方法見文獻[23]所述。

4 分析結(jié)果

4.1 鋯石U-Pb年齡

本次對在石英閃長巖中采集的1件同位素樣品(PM22TW1)進行了鋯石U-Pb年代學(xué)測年，測試數(shù)據(jù)見表1。樣品鋯石大多為近短柱狀-長柱狀，呈無色透明，自形程度較好，鋯石粒徑多為100～200 μm，長寬比多為1∶1.5～1∶2。陰極發(fā)光圖像鋯石為灰色-灰黑色發(fā)光，顯示清晰的巖漿震蕩環(huán)帶，表明為巖漿成因鋯石(圖3)。鋯石w(U)=54.0×10-6～117.4×10-6，平均為75.24×10-6；w(Th)=27.5×10-6～63.4×10-6，平均為38.49×10-6；相應(yīng)的w(Th)/w(U)值平均為0.5，比值較高(均大于0.1)，屬典型巖漿鋯石特征。22顆鋯石測點顯示206Pb/238U年齡范圍為51.01 Ma—56.52 Ma，獲得加權(quán)平均年齡為53.74 Ma±0.94 Ma(圖4)，能夠代表該樣品的結(jié)晶年齡。綜合野外地質(zhì)體穿切關(guān)系，將該石英閃長巖的侵位時代厘定為始新世。

表1 石英閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果Table 1 U-Pb dated age of zircon LA-ICP-MS of quartz diorite

圖3 石英閃長巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 Cathodoluminescence image of zircon from the diorite

圖4 石英閃長巖鋯石U-Pb年齡圖、加權(quán)平均年齡圖(樣號PM22TW1)Fig.4 Plot showing U-Pb dating age and the average weighted age of the diorite

4.2 鋯石Hf同位素特征

本次在石英閃長巖樣品中采集1件鋯石同位素測試樣品(PM22TW1)，對鋯石Lu-Hf同位素測試是在U-Pb定年的基礎(chǔ)上進行的，剔除不諧和年齡和繼承鋯石的測點后，對樣品的15顆鋯石進行Hf同位素測試。結(jié)果顯示，樣品的176Yb/177Hf為0.008194～0.037500，176Lu/177Hf為0.000366～0.001596(表2)，均小于0.002，表明鋯石形成后基本沒有明顯的放射性成因Hf的積累，因而可以使用所測定的176Hf/177Hf比值代表其形成時Hf同位素的組成。fLu/Hf變化在-0.99～-0.95之間。εHf(t)均為正值，變化于10.0～13.3之間。單階段Hf模式年齡(tDM1)變化于192.9 Ma—326.1 Ma之間，平均值266.9 Ma。二階段Hf模式年齡(tDM2)介于320.7 Ma—490.9 Ma之間，平均396.4 Ma，大于侵入體形成年齡[24]。

表2 石英閃長巖鋯石Hf同位素組成分析結(jié)果Table 2 Hf isotropic composition of zircon from the diorite

4.3 巖石地球化學(xué)特征

(1)巖石化學(xué)特征

表3為研究區(qū)石英閃長巖5件樣品的全巖主量元素測試結(jié)果。石英閃長巖5件樣品的w(SiO2)=53.49%～59.61%，平均為57.71%；w(Al2O3)=16.44%～18.14%，平均為17.48%；ALK值為4.25%～5.81%，平均為5.21%；w(K2O)/w(Na2O)=0.25～0.532，平均為0.36，巖石為鈉質(zhì)巖石。里特曼指數(shù)σ為1.59～2.13，平均為1.83；堿度指數(shù)KN/A=0.36～0.51，平均為0.45，表明巖石屬鈣堿性巖。巖漿分異指數(shù)DI=39.77～58.96，固結(jié)指數(shù)SI=19.24～24.81，指示巖漿分異程度中等偏高。鎂鐵指數(shù)MF=61.51～67.87，長英指數(shù)FL=34.78～52.81，說明巖漿分離結(jié)晶作用程度中等偏高。在TAS圖解(圖5a)中，樣品多投入閃長巖區(qū)，為亞堿性巖系；在w(K2O)—w(SiO2)圖解(圖5b)中，樣品多落于鈣堿性系列區(qū)；堿度率(A.R.)為1.48～1.73，在A.R.圖解中落于鈣堿性巖石區(qū)(圖5c)。A/NK=1.95～2.48，A/CNK=0.91～0.93，巖石屬準(zhǔn)鋁質(zhì)(圖5d)。綜上，劉瓊村北石英閃長巖為準(zhǔn)鋁質(zhì)鈣堿性系列的鈉質(zhì)巖石[25]。

表3 石英閃長巖全巖主量元素分析結(jié)果Table 3 Analysis of major elements of the diorite

圖5 石英閃長巖巖石地球化學(xué)圖解[25]Fig.5 Geochemical diagram of the dioritea.TAS圖解；b.w(K2O)—w(SiO2)圖解；c.w(SiO2) —A.R.圖解；d.鋁飽和指數(shù)圖解

(2)稀土元素和微量元素特征

表4為研究區(qū)石英閃長巖6件樣品的稀土元素及微量元素測試結(jié)果。石英閃長巖稀土元素總量ΣREE(包括Y元素)為w(ΣREE)=51.47×10-6～146.17×10-6，平均95.77×10-6，低于上地殼稀土總量(210×10-6)，高于下地殼稀土總量(74×10-6)[25]；w(LREE)/w(HREE)值為2.13～3.50，w(La)N/w(Yb)N=4.14～6.54，平均為5.47，輕稀土富集明顯；δEu為0.86～1.18，平均為1.00，Eu負異常不明顯；w(La)N/w(Sm)N=2.42～3.16，平均為2.84，w(Gd)N/w(Yb)N值為1.22～1.33，平均為1.25，顯示輕稀土較重稀土分餾強烈。稀土配分曲線為LREE富集的右傾型(圖6)。

表4 石英閃長巖稀土元素和微量元素分析結(jié)果Table 4 Analysis of REE and trace element of the diorite

圖6 石英閃長巖稀土元素配分曲線(球粒隕石數(shù)據(jù)據(jù)文獻[27])Fig.6 REE pattern of the diorite

圖7為研究區(qū)石英閃長巖6件樣品的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的蜘蛛網(wǎng)圖。該巖石中相對富集大離子親石元素Rb、Th、U、K，顯著虧損高場強元素Ta、Nb、P、Ti，顯示出與板塊碰撞作用有關(guān)的巖漿巖特征[26]。

圖7 石英閃長巖微量元素蜘蛛網(wǎng)圖(球粒隕石數(shù)據(jù)據(jù)文獻[28])Fig.7 Trace element spider diagram of the diorite

5 討論

5.1 關(guān)于巖石成因

石英閃長巖的微量元素銣鍶比值為w(Rb)/w(Sr)=0.05～0.12(表4)，平均為0.08，明顯高于上地幔平均值(0.025)，低于大陸地殼平均值(0.24)；w(Nb)/w(Ta)值為6.71～21.78，平均13.54，明顯低于幔源巖石(17.5±2)[29-31]，高于陸殼巖石(11±)[29,31]；w(Zr)/w(Hf)=26.65～33.34，平均為30.30，接近于殼源巖石(33±)，表明巖體成巖物質(zhì)主要來自地殼。Hf同位素顯示εHf(t)值主要變化于10～14.9之間，單階式年齡集中在192.9～341.8之間，大于其巖體形成年齡，在εHf(t)—t圖解中所有數(shù)據(jù)點均落入球粒隕石與虧損地幔之間(圖8)，表明巖漿源區(qū)來自于二疊紀(jì)(單階段模式年齡)從虧損地幔中新增生出來的年輕地殼[24]。

圖8 始新世侵入巖εHf(t)—t圖解Fig.8 εHf(t)-t plot of Eocene intrusive rock

5.2 構(gòu)造環(huán)境分析

J.A.Pearce等[32]提出元素Ta、Yb、Rb等是區(qū)分洋中脊花崗巖類(ORG)、板內(nèi)花崗巖類(WPG)、火山弧花崗巖類(VAG)和同碰撞花崗巖類(Syn-COLG)最為有效的判據(jù)。劉瓊村北石英閃長巖的巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析表明，該侵入巖屬高鉀鈣堿性系列、準(zhǔn)鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)巖石，具S型花崗巖地球化學(xué)特征，無明顯Eu異常，相對富集大離子親石元素Rb、Th、U、K，顯著虧損高場強元素Ta、Nb、Sr、P、Ti。在w(Yb+Ta)—w(Rb)、w(Yb)—w(Ta)、w(Y)—w(Nb)圖解(圖9a—圖9c)中，樣品集中落入島弧花崗巖和同碰撞花崗巖界線附近；在R1—R2圖解(圖9d)中，樣品主要落入同碰撞區(qū)域，少量樣品落入板塊碰撞前區(qū)域。綜上，基于劉瓊村北石英閃長巖所處的區(qū)域構(gòu)造位置及其稀土微量元素特征，認為該巖體形成于同碰撞構(gòu)造環(huán)境。

6 結(jié)論

(1)劉瓊村北石英閃長巖的鋯石εHf(t)值為+10～+14.9，單階式Hf模式年齡(tDM1)集中在192.9～341.8之間，表明巖漿源區(qū)來自于虧損地幔中新增生出來的年輕地殼，具S型花崗巖地球化學(xué)特征。

(2)劉瓊村北石英閃長巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為53.74 Ma±0.94 Ma，表明其侵位時代為始新世。

(3)巖石地球化學(xué)、同位素、年代學(xué)特征表明，始新世時期岡底斯南緣處于新特提斯洋與拉薩地塊同碰撞構(gòu)造環(huán)境。

圖9 構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)文獻[32])Fig.9 Discrimination diagram of geotectonic environment of the dioritea.巖石w(Y+Ta)—w(Rb)圖解；b.巖石w(Yb)—w(Ta)圖解；c.巖石w(Y)—w(Nb)圖解；d.巖石R1—R2圖解