西藏八宿吉利地區新發現寒武紀變質花崗巖鋯石U-Pb年齡、地球化學特征及其地質意義

康朝龍,代克剛,李海波,2,梁 成,陳曉深,扎 西,王天澤,李 靜

(1.西藏地質礦產勘查開發局第五地質大隊,西藏 拉薩 850000;2.陜西區域地質礦產研究院,陜西 咸陽 712000;3.山東第七地質礦產勘查院,山東 臨沂 276000)

引言

西南三江地區地處青藏高原東南緣特提斯喜馬拉雅構造域東部,是岡瓦納大陸與歐亞大陸的結合地帶、特提斯造山帶與環太平洋造山帶的匯合部[1-2]。早期學者根據該地區的沉積記錄和巖漿活動,認為其為怒江侵入巖帶中生代侏羅紀時期的中酸性花崗巖[3]。近年來地質調查研究發現,該帶及鄰區存在早古生代巖漿活動記錄,如八宿縣同卡地區507Ma±10Ma的花崗片麻巖[4]、八宿縣同卡鄉北卡窮巖群中549Ma±18Ma的片麻狀二長花崗巖[5],表明班公湖-怒江結合帶在該地區也存在早古生代巖漿活動記錄。

本文對吉利地區寒武紀變質花崗巖的巖石地球化學特征等進行了初步研究,利用鋯石U-Pb測年方法進行了定年,探討其侵位時代、物質來源及大地構造環境,為青藏高原-原特提斯大洋形成、演化提供了重要地質信息。

1 區域地質特征

吉利地區寒武紀變質花崗巖地處藏東“三江”地區,位于印度板塊、藏滇板塊和華南板塊的結合部位,處于板塊的多次開、拼合形成的復雜拼合地帶,是著名的特提斯構造域的重要組成部分,東側為怒江蛇綠混雜巖帶、嘉玉橋增生弧(圖1a)[6-9]。研究區歷經陸殼基底形成階段、原特提斯演化階段、新特提斯俯沖閉合階段、陸內造山階段等漫長而復雜的大地構造演化過程。曲扎湖-提卡寒武紀巖漿弧形成于原特提斯演化階段,屬火山弧構造環境。這一時期泛大陸(超級大陸)解體,特提斯洋萌生,卡窮巖群從岡瓦納大陸群北邊緣裂離出來[10],導致巖漿順位上侵,形成曲扎湖-提卡巖漿弧。研究區內地層總體呈北西向-北北西向展布,與區域構造線方向基本一致。

研究區出露地層有古—中元古代卡窮巖群(Pt1-2K.);早石炭世錯絨溝口巖組(C1c.)、邦達巖組(C1b.);晚三疊世波里拉組(T3b)、阿堵拉組(T3a);古近紀貢覺組(Eg)以及第四紀地層(Q)(圖1b)。寒武紀侵入巖位于班公湖-怒江結合帶的怒江侵入巖帶中,主要出露于研究區西部及北部(圖1b),與卡窮巖群(Pt1-2K.)呈侵入接觸,與邦達巖組(C1b.)、錯絨溝口巖(C1c.)組呈斷層接觸。主要巖石類型有淺肉紅色中細粒花崗巖、肉紅色中細粒二長花崗巖、淺肉紅色弱片理化細粒二長花崗巖、淺肉紅色中細粒黑云母斜長花崗巖和淺肉紅色中細粒花崗閃長巖。

圖1 研究區大地構造位置圖(a)和吉利地區寒武紀變質花崗巖巖體地質圖(b)Fig.1 Tectonic setting(a)and geological map(b)of the Cambrian metamorphic granites in the Jili area,Baxoi,Xizang

2 樣品采集及測試

2.1 巖體地質特征

寒武紀侵入巖主要出露于研究區西北部,由6個巖體組成。其中,北面4個巖體出露面積較大,面積約為21.95 km2,同卡窮巖群呈侵入接觸,與早石炭世邦達巖組呈斷層接觸(圖3);南面兩個巖體呈橢球狀,出露規模較小,面積約0.5 km2。主要巖石類型有淺肉紅色弱片麻狀中細粒花崗巖、肉紅色中細粒變質二長花崗巖、淺肉紅色中細粒蝕變花崗閃長巖。巖石野外地質特征及鏡下特征見圖2。

圖2 變質二長花崗巖手標本(a)、鏡下特征(b)和變質花崗閃長巖手標本(c)、鏡下特征(d)Fig.2 Hand specimens of metamorphic monzogranites(a)and metamorphic granodiorites(c)and photomicrographs of metamorphic monzogranites(b)and metamorphic granodiorites(d)in the Jili area

2.1.1 肉紅色中細粒變質二長花崗巖

巖石風化面呈灰黃色,新鮮面呈肉紅色,中細粒花崗結構,弱片麻狀構造、塊狀構造。巖石由細粒斜長石、石英、鉀長石和少數黑云母組成,礦物均勻分布,顯花崗結構。斜長石含量約40%,呈半自形板粒狀,粒徑0.74~2.6mm,顯聚片雙晶,內部普遍泥化、絹云母化強烈。鉀長石含量約25%,粒徑1~3.8mm,半自形粒狀,可見卡氏雙晶,條紋構造發育,高嶺土化中度,均勻分布。長石間分布30%石英,粒徑0.6~2.4mm,它形粒狀,部分常富集成條帶狀,分布不均勻。黑云母(5%)呈褐-黃色,局部蝕變為綠泥石,片徑約為(0.1~2)×0.9mm,呈片狀,斷續定向分布。微量粒狀磁鐵礦零星分布,粒徑為0.32~0.06mm。微量粒狀褐簾石、鋯石、磷灰石,粒徑為0.4~0.02mm。偶見鋯石、褐鐵礦,粒狀粒徑為0.17mm。

2.1.2 灰白-淺肉紅色變質花崗閃長巖

巖石呈灰白-淺肉紅色,中細粒-中粗粒花崗結構、塊狀構造。由斜長石(58%)、石英(25%)、鉀長石(15%)等組成,輕度變質重結晶。礦物平行定向,多數重結晶為中細粒-中粗粒變晶集合體,粒徑為0.15~0.7mm。部分長石還殘留不完整的原粒徑輪廓,較粗,粒徑為1~2.8mm。長石以斜長石為主,普遍泥化、綠簾石化蝕變強烈。少數鉀長石,雙晶不發育,黑云母含量約2%,已綠泥石化蝕變,稀疏平行分布,片徑為0.8~0.1mm。微量磁鐵礦呈粒狀、浸染狀分布,粒徑為0.27~0.06mm。

2.2 分析方法

用于研究的3件樣品均采集于吉利地區曲扎湖-提卡巖漿弧內,采樣位置見圖1b。巖性分別為片理化二長花崗巖、變質花崗閃長巖,采集的巖石風化程度弱。用于主量元素和微量元素測定的樣品,新鮮無污染并粉碎至200目以下。常量、微量、稀土元素分析測試在山東省第四地質礦產勘查院實驗測試中心完成。常量元素分析采用Axios熒光光譜儀測定,分析誤差小于3%。微量、稀土元素采用Thermo iCAP Q電感耦合等離子體質譜儀完成,分析精度優于5%。

圖3 吉利地區變質花崗巖巖體與卡窮巖群(Pt1-2K.)呈斷層接觸關系Fig.3 Fault contact between the metamorphic granites and the Kaqiong Group Complex(Pt1-2 K.)in the Jili area

微量元素含量、鋯石U-Pb同位素定年和顯微照相在西安兆年礦物測試技術有限公司兆年測試LA-ICP-MS實驗室完成。原巖樣品經人工粉碎,淘選后去除輕礦物部分,將得到的重砂部分經電磁選后得到含有少量雜質的鋯石樣品,最后在雙目鏡下挑選出鋯石晶體。選擇晶形較好、無裂隙的鋯石顆粒黏貼在環氧樹脂表面制成鋯石樣品靶。對鋯石進行反射光、透射光和陰極發光(CL)圖像分析,選擇代表性的鋯石顆粒和區域進行U-Pb測年。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節靈敏度,二者在進入ICP[11-12]之前通過一個T型接頭混合。每個時間分辨分析數據包括大約10s的空白信號和40s的樣品信號。對分析數據的離線處理采用軟件Glitter 4.4完成。U-Pb同位素定年中采用鋯石標準91500作外標進行同位素分餾校正。對于與分析時間有關的U-Th-Pb同位素比值漂移,利用91500的變化采用線性內插的方式進行了校正。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡權重平均計算均采用Isoplot/Ex_ver3[13]完成。采用年齡為206Pb/238U年齡的加權平均值。

3 巖石地球化學特征

3.1 主量元素

本次選擇8件代表性樣品,其中6件變質二長花崗巖,2件變質花崗閃長巖。其主量元素和微量元素分析結果及相關參數列于表1。在Middlemost(1994)提出的花崗巖TAS圖解[14]中,樣品均落入花崗巖、花崗閃長巖區域(圖4),與室內鑒定結果基本一致。

變質二長花崗巖SiO2含量介于69.87~79.89%之間,為中酸性侵入巖;Al2O3含量變化于12.36~14.82%,鋁飽和指數A/CNK整體變化不大,介于1.47~1.87間,為過鋁質花崗巖;Na2O含量為2.54~7.16%,K2O含量為0.15~5.95%,K2O/Na2O=0.02~2.34,里特曼指數σ=1.16~2.34<3.3;說明巖石具鈣堿性系列巖石特征。

圖4 吉利地區中酸性侵入巖(Na2 O+K2 O)-SiO2圖解(底圖據文獻[14])Ir-Irvine分界線,上方為堿性,下方為亞堿性。【深成巖】:1.橄欖輝長巖;2a.堿性輝長巖;2b.亞堿性輝長巖;3.輝長閃長巖;4.閃長巖;5.花崗閃長巖;6.花崗巖;7.硅英巖;8.二長輝長巖;9.二長閃長巖;10.二長巖;11.石英二長巖;12.正長巖;13.副長石輝長巖;14.副長石二長閃長巖;15.副長石二長正長巖;16.副長正長巖;17.副長深成巖;18.霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖Fig.4 (Na2 O+K2 O)vs.SiO2 diagram of the intermediate to acidic intrusive rocks in the Jili area(after Middlemost et al.,1994)

圖5 吉利地區變質花崗巖巖體SiO2-AR圖解(a)和A/NK-A/CNK圖解(b)(SiO2-AR,A/NK-A/CNK底圖據文獻[15])Fig.5 SiO2 vs.AR diagram(a)and A/NK vs.A/CNK diagram(b)of the metamorphic granites in the Jili area(after Maniar et al.,1989)

3.2 稀土和微量元素特征

變質花崗閃長巖SiO2含量介于66.63%~70.15%之間,為中酸性侵入巖。Al2O3含量變化于14.66%~15.41%,鋁飽和指數A/CNK介于1.70~2.26間,為過鋁質花崗巖;Na2O含量為3.60%~5.63%,K2O含量為0.77%~2.78%,K2O/Na2O=0.14~0.77,里特曼指數σ=1.50~1.73(<3.3),表明研究區變質二長花崗巖同樣具鈣堿性系列巖石特征。

SiO2-AR圖解[15]上,4件樣品落入鈣堿性系列區域內,另外4件樣品落入堿性系列區域(圖5a)。A/NK-A/NCK圖解[15]中,8件樣品落在過鋁質區域內(圖5b)。

寒武紀中酸性侵入巖的稀土元素含量、微量元素含量見表1,通過數據和稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖(圖6a)可見,稀土元素總量總體變化較大,∑REE=(55.80~298.09)×10-6,LREE=(45.80~277.80)×10-6,HREE=(10.00~22.16)×10-6,δEu=0.26~1.03,總體上顯示為較強負異常[16],顯示了斜長石在分餾結晶作用中從長英質巖石中分離出來或者在部分熔融作用中殘留在源區。僅1件樣品LaN/YbN大于10,其余樣品LaN/YbN<10,具有較明顯右傾。輕稀土元素相對重稀土元素富集,輕稀土分餾較強,重稀土分餾較差。研究表明,吉利花崗巖巖體稀土元素配分曲線具有與典型島弧環境下的鈣堿性中酸性火成巖相似的特征。

從微量元素豐度(表1)來看,吉利地區寒武紀花崗巖巖體的大離子親石元素如Sr和Ba等含量較低,與大陸邊緣火成巖微量特征具有明顯不同。與島弧火成巖相比[17],兩者在Sr、Ba、Nb、Y、Ni、Cr、Th、U等元素含量上相近。在微量元素原始地幔標準化蛛網圖上(圖6b),巖體富集Rb、K、Th、U、La、Ce、Nd、Zr、Hf和Sm等元素,虧損Ba、Nb、Sr、Ce、Sr、P、Ti等,說明可能發生過殼幔混染作用,與義敦島弧稻城微量元素蛛網圖相比[18],兩者在許多方面相近,表明其形成于島弧環境相關的構造環境。

4 討論

4.1 巖石形成時代

本次工作用于U-Pb年齡測試的樣品采集位置見圖1,樣品分析數據見表2。本次工作在寒武紀中酸性侵入巖中采集了多組年齡樣品,進行粉碎并挑選出用于測年的鋯石,并選擇具有代表性的鋯石進行LA-ICP-MS測年分析,樣品年齡集中在494.7±3.4Ma~503.7±4.7 Ma,其時代為寒武紀,應為加里東期巖漿活動產物。

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圖6 吉利地區變質花崗巖巖體稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖(a)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b)(球粒隕石和原始地幔標準化值據文獻[19])Fig.6 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a)and primitive mantle-normalized spidergram(b)of the metamorphic granites in the Jili area(after Sun and McDonough,1989)

圖7 變質二長花崗巖(PM14U-Pb2-2)鋯石陰極發光圖像(a)和鋯石U-Pb年齡諧和圖(b)Fig.7 CL images of the zircons(a)and concordia diagram of the zircon U-Pb age data(b)for the metamorphic monzogranites(the sample PM14U-Pb2-2)in the Jili area

變質花崗閃長巖年齡樣品(PM14U-Pb10-1)陰極發光圖像(圖8a)中可見,鋯石顆粒普遍為自形晶,包裹體及裂隙較少,鋯石大小不均勻,長軸介于100~200μm之間。本次選擇具有代表性的鋯石進行了LA-ICP-MS測年分析,獲得有效測點30個(表2)。其238U/206Pb年齡的加權平均值為約494.7±3.4Ma(圖8b),被解釋為該樣品的巖漿結晶年齡。其中片理化變質二長花崗巖年齡樣品(PM14U-Pb2-2)陰極發光圖像(圖7a)中可見,鋯石顆粒普遍為自形晶,包裹體及裂隙較少,鋯石大小不均勻,長軸介于100~200μm之間。本次選擇具有代表性的鋯石進行了LA-ICP-MS測年分析,獲得有效測點30個(表2)。其206Pb/238U年齡的加權平均值為503.7±4.7Ma(圖7b),為該樣品的巖漿結晶年齡。

圖8 變質花崗閃長巖(PM14U-Pb10-1)鋯石陰極發光圖像(a)和鋯石U-Pb年齡諧和圖(b)Fig.8 CL images of the zircons(a)and concordia diagram of the zircon U-Pb age data(b)for the metamorphic granodiorites(the sample PM14U-Pb10-1)in the Jili area

4.2 成因類型及構造環境探討

研究認為Al2O3可以作為中酸性巖體壓力大小的標志之一。當熔體中的Al2O3含量低于15%時,其成巖壓力小于1600kPa,源區殘留相以角閃石、斜長石和斜方輝石為主;當熔體中的Al2O3含量高于15%時,其成巖壓力大于1600kPa,源區殘留相以單斜輝石、角閃石、斜長石和石榴子石為主[20-21]。研究區寒武紀花崗巖Al2O3含量為12.36%~15.46%,7個樣品均低于15%,1個樣品高于15%,總體指示源區殘留相可能以角閃石、斜長石和斜方輝石為主。

根據寒武紀中酸性侵入巖巖石學特征以及巖石、地球化學特征,巖石內SiO2含量變化于66.63%~79.89%,平均含量為71.92%,為中酸性巖;里特曼指數σ=1.16~2.34(<3.3),顯示為鈣堿性系列巖石特征。在其K2O-Na2O圖解[22](圖9a)中,6件樣品落入I-型區域內,2件樣品落入A-型區域內;在其Ce-SiO2圖解[23](圖9b)中,8件樣品全部落入I-型區域內。可見,寒武紀中酸性侵入巖應為I-型花崗巖。地殼的La/Nb值2.2,明顯高于原始地幔值0.98~1,常用于判斷地幔物質是否受到陸殼的混染[24],因此可以作為陸殼混染和陸殼物質在地幔循環的標志。文中寒武紀花崗巖巖體的La/Nb均值為1.56,證明了陸殼、地幔物質參與了巖漿的形成。綜上,說明了該巖體為殼源巖漿與幔源巖漿混合作用的產物。

Pearce等[25]提出Rb-(Y+Nb)和Rb-(Yb+Ta)圖解用于區分同碰撞花崗巖、板內花崗巖、火山弧花崗巖、洋中脊花崗巖等構造環境。在寒武紀中酸性侵入巖構造環境Rb-(Y+Nb)判別圖解(圖10a)中,8個樣品均落入火山弧花崗巖區域中;在其構造環境Rb-(Yb+Ta)判別圖解(圖10b)中,8個樣品均落入火山弧花崗巖區域中,但是部分樣品與板內花崗巖區域有重疊,指示寒武紀變質花崗巖大地構造環境為大陸邊緣島弧環境。

與岡瓦納大陸的聶拉木群、拉軌崗日群相比,卡窮巖群同屬于岡瓦納大陸北緣裂離出的微陸塊,這已是被廣泛認可的事實。本次研究在吉利地區獲得變質花崗巖U-Pb鋯石同位素年齡為494.7±3.4Ma~503.7±4.7 Ma,與鄰區同卡獲得的同位素年齡相一致,晚于卡窮巖群形成時間(1082±18Ma),通過對比同卡巖體巖石特征,其應同樣視為構造-巖漿事件的古侵入體。

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圖9 吉利地區變質花崗巖巖體K2 O-Na2 O圖解(底圖據文獻[22])(a)和Ce-SiO2圖解(底圖據文獻[23])(b)Fig.9 K2O vs.Na2O diagram(a)(after Rollinson et al.,1995)and Ce vs.SiO2 diagram(b)(after Collins et al.,1982)of the metamorphic granites in the Jili area

圖10 吉利地區變質花崗巖巖體Rb-(Y+Nb)判別圖解(a)和Rb-(Yb+Ta)判別圖解(b)(底圖據文獻[25])Fig.10 Rb vs.(Y+Nb)diagram(a)and Rb vs.(Yb+Ta)diagram(b)for the tectonic interpretation of the metamorphic granites in the Jili area(after Pearce,1996)

5 結論

(1)西藏吉利地區曲扎湖-提卡巖漿弧屬過鋁質鈣堿性花崗巖巖石系列。巖體富集Th、U、La、Ce、Nd等,虧損K、Ba、Nb、Sr、P、Ti等,而Sr與Ba的虧損反映了分異的分離結晶作用存在。

(2)巖體內鋯石CL圖像顯示其為巖漿成因,LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年值為494.7±3.4Ma-503.7±4.7 Ma,表明其巖石成巖年齡為寒武紀,從側面印證了研究區內存在泛非時期結晶基底。

(3)吉利地區寒武紀中酸性侵入巖巖體為殼源巖漿與幔源巖漿混合作用的產物,其形成于大陸邊緣巖漿弧環境。根據其巖漿巖侵位時代及區域構造背景,認為吉利地區變質花崗巖形成于岡瓦納大陸裂離卡窮微陸塊階段,同時表明原特提斯洋形成最早時限可追溯至寒武紀。

致謝 論文的數據及成果來源于西藏吉利地區1∶5萬兩幅區域地質調查項目,項目實施過程中得到了成都地質調查中心王保弟老師、三江帶王立全首席、西藏地勘局曾慶高總工的指導與幫助,以及項目組成員的傾力相助;論文修改過程中,審稿專家給予了寶貴的意見,在此一并表示感謝!