西藏岡底斯南緣班則石英二長閃長巖鋯石U-Pb 年齡、 Lu-Hf 同位素組成及其地質(zhì)意義

王 碩, 王金貴, 楊鑫朋, 侯德華, 張立國

河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院, 河北 廊坊 065000

1 引言

青藏高原位于岡瓦納大陸與歐亞大陸之間的東特提斯構(gòu)造域, 由一系列性質(zhì)不同的塊體南北向拼貼而成, 以雅魯藏布縫合帶、 班公湖—怒江縫合帶和金沙江縫合帶為界, 由南向北分成印度大陸、 拉薩地塊、羌塘地塊和松潘—甘孜地塊, 其中拉薩地塊又稱為岡底斯帶, 是一條近東西向延伸的構(gòu)造—巖漿巖帶, 常被看作是新特提斯洋盆向北俯沖消減以及印度—歐亞板塊碰撞的產(chǎn)物, 保存有大量地質(zhì)演化記錄, 是研究大陸動力學的理想場所, 長期以來備受地學界的關(guān)注[1-10]。 以班公湖—怒江縫合帶、 獅泉河—納木錯混雜巖、 洛巴堆—米拉山斷裂帶以及雅魯藏布江縫合帶為界, 可將岡底斯帶大致分為3 個亞帶(圖1a): 北岡底斯、 中岡底斯和南岡底斯。 其中, 南岡底斯即為傳統(tǒng)的“岡底斯”, 發(fā)育大面積的復式巖基, 并伴生同期大規(guī)模的中酸性火山巖帶, 莫宣學等[4]認為該帶主要由4 類巖石構(gòu)成: 俯沖型花崗巖類 (127 ～70 Ma)、 同碰撞花崗巖類(65～45 Ma)、 同碰撞—后碰撞強過鋁質(zhì)花崗巖(56～8 Ma, 主要在該帶北側(cè)及東、 西段)、 含銅斑巖帶(約18 ～12 Ma), 以前2 類出露最為廣泛。

始新世作為印度板塊與歐亞板塊相互作用的重要階段, 一直是廣大學者研究的焦點, 關(guān)于這一時期花崗巖類的成因(部分學者認為其源于新生地殼的部分熔融[9,11,12], 也有人認為其主要為加厚下地殼部分熔融的產(chǎn)物[13]) 以及印—亞陸陸碰撞的時限[多數(shù)學者認為這一事件發(fā)生于始新世早期(～55 Ma)[8,14-18],少數(shù)學者認為這一事件發(fā)生在±45 Ma[19]或±34 Ma 左右[20]] 等問題更是大家討論的熱點。

始新世花崗巖作為岡底斯巖漿巖帶的重要組成部分, 對研究新特提斯洋演化過程、 限定印—亞陸陸碰撞的時限等問題均具有重要的科學意義。 本文在前人工作的基礎(chǔ)之上, 選取岡底斯南緣中段班則一帶始新世石英二長閃長巖為研究對象, 通過對其鋯石U-Pb年代學、 Lu-Hf 同位素及全巖地球化學的研究, 推斷其形成的大地構(gòu)造背景及相關(guān)的殼—幔作用過程, 為岡底斯南緣始新世構(gòu)造演化提供依據(jù)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于岡底斯南緣中段(圖1b), 區(qū)內(nèi)始新世巖漿活動較為強烈, 是南岡底斯巖漿弧的重要組成部分, 受控于特提斯洋盆演化, 區(qū)內(nèi)主構(gòu)造線方向呈近東西向, 主要的構(gòu)造行跡為北東向走滑斷層及近東西向逆斷層。 班則石英二長閃長巖體出露于夏弄卓—班則—日阿一帶, 由大小不等的3 個侵入體組成, 平面形態(tài)不規(guī)則, 局部被第四紀松散堆積物覆蓋, 呈巖株狀產(chǎn)出, 被始新世花崗閃長巖及二長花崗巖侵入,并侵入中三疊世昌果組及早侏羅世葉巴組(圖1c)。

圖1 岡底斯帶分區(qū)圖、 岡底斯帶巖漿巖分布圖及研究區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[21] 修改)Fig.1 Division map of the Gangdise belt, distribution map of magmatic rocks in Gangdise belt and geological map of the study area

3 巖體地質(zhì)及巖相學特征

巖體中發(fā)育閃長巖及石英閃長巖脈體, 局部可見變質(zhì)火山巖捕虜體, 巖體無明顯定向特征(圖2a)。

巖石呈灰白色, 細中粒半自形粒狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造, 主由斜長石(55%±)、 鉀長石(15%～20%)、 石英(5%～10%)、 角閃石(10%±) 及黑云母(10%±)組成。 斜長石主呈半自形板狀, 大部分2 ～5 mm, 雜亂狀排列, 不均勻絹云母化、 黝簾石化、 綠簾石化等, 根據(jù)垂直{010} 晶帶最大消光角法測得An=35,為中長石, 多見環(huán)帶構(gòu)造, 次生礦物多沿斜長石核部及環(huán)帶分布。 被鉀長石蠶蝕狀交代可見蠕蟲結(jié)構(gòu)、 交代凈邊結(jié)構(gòu)。 鉀長石呈它形粒狀, 直徑多＜5 mm, 個別5～9 mm, 零散分布, 為微斜長石, 粒內(nèi)較多見斜長石、 角閃石、 黑云母嵌布, 交代斜長石。 石英呈它形粒狀, 粒徑＜2.0 mm, 填隙于斜長石粒間, 粒內(nèi)具波狀、 帶狀消光。 角閃石主呈半自形—近半自形柱狀、粒狀, 部分2～3.5 mm, 部分＜2 mm, 雜亂狀排列, 有的與黑云母混雜略顯堆狀聚集, 顯綠色, 多色性明顯。黑云母呈葉片狀, 片徑＜2 mm, 分布狀況基本同角閃石, 顯棕褐色, 多色性明顯(圖2b)。

圖2 石英二長閃長巖露頭特征及顯微照片F(xiàn)ig.2 Outcrop characteristics of the quartz monzodiorite and micrograph

4 測試方法及測試結(jié)果

4.1 測試方法

巖石地球化學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)微量元素使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS) (X Serise2) 完成測試, Zr、 Ti、 K 等元素在X 射線熒光光譜儀(Axiosmax X) 上完成測試, 分析精度高于5%～10%, 測試方法見文獻 [22]。

鋯石單礦物分選在河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院實驗室進行, 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。 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, 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準鋯石95100 作為外標, 元素含量采用美國國家標準物質(zhì)局人工合成硅酸鹽玻璃NIST610 作為外標,29Si 作為內(nèi)標元素進行校正。 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 (2012) 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[23]。

鋯石Lu-Hf 同位素分析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樣Mud tank 作為外標。Mud tank 的176Hf/177Hf 值為0.282 537±15 (n=515)。儀器分析條件和數(shù)據(jù)獲取方法見文獻 [24, 25]。

4.2 測試結(jié)果

4.2.1 地球化學

班則始新世石英二長閃長巖的全巖主量、 微量元素分析結(jié)果及特征參數(shù)列于表1。

表1 石英二長閃長巖主量元素和微量元素含量分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)Table 1 Analysis results of major elements and trace elements and related parameters of the quartz monzodiorite

續(xù)表1

續(xù)表1

4 件樣品SiO2含量介于60.64%～65.36%, 平均為62.62%, 屬中酸性巖類。 Al2O3含量平均為16.22%, ALK 平均為6.53%, K2O/Na2O 平均值為0.78, 里特曼指數(shù)σ 介于2.04 ～2.29, 屬鈣堿性巖。固結(jié)指數(shù)SI 變化于15.36 ～19.28, 分異指數(shù)DI 介于61.77～69.94, 指示巖漿分異程度較高; 鎂鐵指數(shù)MF值平均為68.40; 長英指數(shù)FL 值平均為58.51, 二者均處于中位數(shù)附近, 說明巖漿分離結(jié)晶作用程度中等。 圖3 中, 樣品落入Irvine 線下方的二長巖、 石英二長巖、 英云閃長巖及花崗閃長巖交匯處附近, 為亞堿性巖系, 這顯然不能給出樣品恰當?shù)亩? 需進一步結(jié)合巖石鏡下特征(圖2b) 進行綜合定名; 圖4中, 樣品均落于高鉀鈣堿性系列區(qū); A/NK=1.66 ～1.83, A/CNK=0.90 ～0.94, 巖石屬準鋁質(zhì)(圖5);堿度率(A.R.) 值介于1.85～2.06, 在A.R. 圖解中樣品均落于鈣堿性巖石區(qū)(圖6)。 上述特點顯示,巖石屬準鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列。

圖3 石英二長閃長巖TAS 圖解[26]Fig.3 TAS diagram of the quartz monzodiorite

圖4 石英二長閃長巖K2O-SiO2 圖解[27]Fig.4 K2O-SiO2 diagram of the quartz monzodiorite

圖5 石英二長閃長巖A/NK-A/CNK 圖解[28]Fig.5 A/NK-A/CNK diagram of the quartz monzodiorite

圖6 石英二長閃長巖A.R. 圖解Fig.6 A.R. diagram of the quartz monzodiorite

稀土元素總量∑REE (包括Y 元素) 介于96.65×10-6～116.48×10-6之間, 平均值為108.27×10-6, 低于上地殼稀土元素總量(210×10-6), 高于下地殼稀土元素總量(74×10-6)[29]; LREE/HREE 值介于2.44 ～2.83 之間, (La/Yb)N值在4.85～6.55 之間, 輕稀土富集; δEu 值變化于0.88～0.95, 平均值為0.92, 略顯負異常; (La/Sm)N均值為3.07, (Gd/Yb)N均值為1.22, 顯示輕稀土較重稀土分餾強烈。 稀土配分曲線(圖7) 為LREE 富集的右傾型。 在原始地幔標準化的蜘蛛網(wǎng)圖中(圖8), 相對富集大離子親石元素Rb、Th、 U、 K, 虧損高場強元素Ta、 Nb、 P、 Ti。

圖7 石英二長閃長巖稀土配分曲線Fig.7 Rare earth partition curve of the quartz monzodiorite

圖8 石英二長閃長巖微量元素蜘蛛網(wǎng)圖Fig.8 Spider web pattern of trace elements in quartz monzodiorite

4.2.2 鋯石U-Pb 年齡

班則石英二長閃長巖鋯石多數(shù)呈長柱狀, 半自形—自形, 震蕩環(huán)帶發(fā)育(圖9), 為巖漿鋯石。 對晶形較好的15 顆鋯石共分析了15 個測點 (表2)。Th/U 值介于0.55 ～1.27 之間, 顯示巖漿鋯石特征。206Pb/238U 年齡在48～50 Ma 之間, 數(shù)據(jù)和諧性好、集中度高, 15 個數(shù)據(jù)的加權(quán)平均年齡為 (48.75±0.64) Ma (N=15, MSWD=0.40) (圖10), 能夠代表該樣品的結(jié)晶年齡。

表2 石英二長閃長巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 測年結(jié)果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the quartz monzodiorite

圖9 石英二長閃長巖鋯石CL 圖像及206Pb/ 238U 年齡、 測點位置及其編號Fig.9 Zircon CL image of the quartz monzodiorite and its 206Pb/ 238U age, location and serial number

圖10 石英二長閃長巖鋯石U-Pb 諧和圖Fig.10 Zircon U-Pb harmonic map of the quartz monzodiorite

4.2.3 鋯石Hf 同位素

班則始新世石英二長閃長巖鋯石Lu-Hf 同位素分析結(jié) 果 見 表3。 15 顆 鋯 石176Yb/177Hf 的 范 圍 在0.019 883～0.044 851,176Lu/177Hf 的變化范圍在0.000 881～0.001 885,176Lu/177Hf 比值均小于0.002, 表明這些鋯石在形成以后僅有較少的放射性成因Hf 的積累[31]。fLu/Hf變化于-0.94 ～-0.97, 小于鎂鐵質(zhì)地殼的fLu/Hf(-0.34) 和硅鋁質(zhì)地殼的fLu/Hf(-0.72)[32]。εHf(t)均為正值, 變化于10.0 ～13.3。 單階段Hf 模式年齡(tDM1) 變化于189.5 ～324.2 Ma, 平均為276.55 Ma;兩階段Hf 模式年齡(tDM2) 介于272.6 ～483.8 Ma,平均為410.05 Ma。

表3 石英二長閃長巖Lu-Hf 同位素組成Table 3 Lu-Hf isotopic compositions of the quartz monzodiorite

5 討論

5.1 巖石成因及巖漿源區(qū)

班則石英二長閃長巖Mg#值平均為53.74, 而玄武質(zhì)下地殼部分熔融產(chǎn)生的熔體Mg#值不會高于40[33],表明有幔源物質(zhì)加入; Rb/Sr 比值介于0.18 ～0.24,平均0.21, 接近大陸地殼平均值(0.24), 明顯高于上地幔平均值(0.025); Nb/Ta 比值平均為16.10,低于幔源巖石(17.5±2)[34,35], 明顯高于陸殼巖石(11 ±)[29,35]; Zr/Hf 比 值 為29.57 ～59.53, 平 均37.59, 高于殼源巖石(33±)[29,35]。 在FeOT-MgO 圖解中巖漿混合趨勢明顯(圖11a), (La/Yb)N-δEu 圖解(圖11b) 表明巖石屬殼幔混合型。 在Na2O-K2O圖解中(圖12), 樣品均落入I 型花崗巖區(qū)。 綜上所述, 班則石英二長閃長巖巖漿源區(qū)存在幔源成分, 屬I 型花崗巖類。

圖11 石英二長閃長巖FeOT-MgO 圖解和(La/Yb)N-δEu 圖解[36]Fig.11 FeOT-MgO diagram of the quartz monzodiorite and (La/Yb)N-δEu diagram

圖12 石英二長閃長巖Na2O-K2O 圖解Fig.12 Na2O-K2O diagram of the quartz monzodiorite

在εHf(t) -t圖解(圖13) 上, 來自石英二長閃長巖中的鋯石Hf 同位素全部落于球粒隕石和虧損地?；€之間, 說明其形成過程中有虧損幔源物質(zhì)的加入。 花崗巖形成過程中, 幔源物質(zhì)的加入有2 種主要的方式, 一是殼幔作用引起的巖漿混合, 二是幔源巖石的部分熔融。 野外未發(fā)現(xiàn)該巖體中存在鎂鐵質(zhì)包體等指示巖漿混合作用的特征, 區(qū)域上也沒有見到有同期幔源巖石的報道, 說明幔源巖漿直接參與其成巖的可能性較小。 在班則石英二長閃長巖巖體南側(cè)約8 km 的劉瓊一帶, 發(fā)育有中生代早期玄武巖及輝長巖, 說明研究區(qū)周邊中生代早期地殼中存在一定數(shù)量的幔源巖石, 這些源于虧損地幔的巖石作為花崗質(zhì)巖漿源區(qū)的組成部分造成正的εHf(t) 值。

圖13 石英二長閃長巖εHf (t) -t 圖解Fig.13 εHf (t) -t diagram of the quartz monzodiorite

5.2 地質(zhì)時代及大地構(gòu)造意義

前人將岡底斯帶的巖漿活動劃分為212 ～152 Ma、109～80 Ma、 65 ～41 Ma 和33 ～13 Ma 4 個階段[14,37]。其中65～41 Ma 是岡底斯帶巖漿活動最為劇烈的時期,并且在50 Ma 左右?guī)r漿活動達到了頂峰[14,38,39]。 部分學者通過對林子宗火山巖(65 ～41 Ma) 的研究認為該時期為同碰撞環(huán)境, 并認為65 ～45 Ma 期間的岡底斯巖基花崗巖為同碰撞花崗巖[4,40]。 本文測年樣品位于岡底斯帶中段南緣 (圖1), 鋯石U-Pb 年齡為(48.75±0.64) Ma, 屬于岡底斯巖漿活動的第3 階段(65～41 Ma)。 微量元素蜘蛛網(wǎng)圖顯示其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, 具碰撞型花崗巖的特征。 在Nb-Y 圖解中(圖14a) 樣品均落于火山弧花崗巖和同碰撞花崗巖區(qū)域, 在Rb-Y+Nb 圖解中(圖14b), 樣品集中落入后碰撞花崗巖區(qū)。 綜合考慮區(qū)域地質(zhì)背景及巖石地球化學特征, 班則始新世石英二長閃長巖應形成于同碰撞后期階段。 其兩階段模式年齡為272.6 ～483.8 Ma, 平均410.05 Ma, 暗示著古生代中期可能是岡底斯中段南緣地區(qū)重要的地殼增生期。

圖14 石英二長閃長巖Nb-Y 圖解和Rb-Y+Nb 圖解[41Fig. 14 Nb-Y diagram of the quartz monzodiorite and Rb-Y+Nb diagram

6 結(jié)論

(1) 班則石英二長閃長巖體的LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 測年表明其結(jié)晶年齡為(48.75±0.64) Ma, 時代為始新世。

(2) 班則石英二長閃長巖體鋯石εHf(t) 均為正值, 兩階段Hf 模式年齡 (tDM2) 介于272.6 ～483.8 Ma, 說明其形成過程中源區(qū)存在虧損幔源物質(zhì), 古生代中期可能是岡底斯中段南緣地區(qū)重要的地殼增生期。

(3) 班則石英二長閃長巖形成于同碰撞后期, 表明在(48.75±0.64) Ma 之前印—亞大陸已經(jīng)發(fā)生碰撞。