西藏班公湖-怒江缝合带中段碰撞后A型花岗岩的时代及其对洋盆闭合时间的约束

曲晓明, 辛洪波, 杜德道, 陈 华



西藏班公湖-怒江缝合带中段碰撞后A型花岗岩的时代及其对洋盆闭合时间的约束

曲晓明*, 辛洪波, 杜德道, 陈 华

(中国地质科学院 矿产资源研究所, 国土资源部 成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037)

近年来地质调查在班公湖-怒江缝合带中段发现了一批A型花岗岩, 岩体呈面积不大(＜1 km2)的岩株产出, 岩性上分为钾长花岗岩和花岗闪长斑岩两种, 侵入白垩系地层中。岩石化学上这些A型花岗岩相对富硅, SiO2含量在68.62%～75.36%之间, 全碱含量(K2O+Na2O=8.03%～9.37%)和全铁含量(FeOT= 0.86%～5.39%)偏高, Al2O3含量(12.76%～15.54%)偏低, 显示弱过铝质和亚铝质特征。微量元素明显富集大离子亲石元素(LILE)Rb、Th、U、K和Pb, 但Ba和Sr相对亏损; 同样在高场强元素(HFSE)中, Nb、Ta和Ti亏损明显, Zr和Hf 相对富集。这些岩石化学特征与岛弧型花岗岩是明显不同的, 显示出A型花岗岩的特征。岩体稀土元素含量总体较高(∑REE = 122.37~291.19 μg/g, 平均201.31 μg/g), 相对富集轻稀土元素(LREE/HREE=4.89~ 9.58,平均为5.93), Eu负异常明显(Eu= 0.14~0.54, 平均0.34), 球粒陨石标准化分布模式呈向右缓倾的V型。

三个岩体的锆石U-Pb LA-ICP-MS加权平均年龄分别为(109.6±1.4) Ma (MSWD=3.7)、(112.2±0.9) Ma (MSWD=0.06)和(113.7±0.5) Ma (MSWD=0.21), 表明这些A型花岗岩形成时代为早白垩世晚期。从岩石的碰撞后A2型花岗岩特征推测班公湖-怒江中特提斯洋盆的闭合时间至少应该在白垩纪初。

A型花岗岩; 锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄; 岩石地球化学; 洋盆闭合; 班公湖-怒江缝合带; 青藏高原

0 引 言

Loiselle.[1]1979年最初提出A型花岗岩, 其A涵盖了“anhydrous”(干的)、alkali-rich”(富碱的)以及“anorogenic(非造山)多层含义, 由此决定了它们与常见的I型、S型及M型花岗岩的差异[2]。Eby[3]通过研究, 对A型花岗岩的定义做了进一步的完善, 指出A型花岗岩地球化学上以FeOT/MgO比值、K2O+Na2O含量及Zr、Y、Nb和稀土元素(Eu除外)含量高, CaO、MgO和Al2O3含量及LILE/HFSE比值(大离子不相容元素/高场强元素)低为特征, 使得它们与岛弧型花岗岩形了鲜明对照(特别是后者高的LIFE/HFSE比值)[4]。更重要的是A型花岗岩往往代表特定的构造环境, 即多数形成于板内伸展阶段(A1型, 大陆裂谷或洋岛), 部分形成于大陆碰撞之后的造山带中(A2型)[5]。因此, 在地球动力学上A型花岗岩具有某种标定意义。

地处青藏高原腹地的班公湖-怒江缝合带是粘结欧亚大陆与印度大陆的主缝合带, 横贯青藏高原东西延伸长达2000余km。然而, 该缝合带的最大特点还在于横向展布范围大, 一般宽达几十至上百km, 在西段狮泉河-改则和东段安多一带南北展布范围达200余km, 因此人们多数接受该缝合带包含了多条洋内俯冲带的观点[6–7]。缝合带本身异常复杂的构造演化历史和藏北高原困难的交通条件使得许多重要地质问题至今仍然争论不一, 其中班公湖-怒江中特提斯洋盆的闭合时间是目前人们争论的焦点问题之一。Kapp.[8]根据沉积地层的掩盖关系, 把班公湖-怒江洋盆的闭合时间限定在侏罗纪末-白垩纪初, 即145 Ma前后。王忠恒等[9]根据古生物时代把班公湖-怒江缝合带中段的OIB型玄武岩年龄确定为晚侏罗世, 并认为这一时期班公湖-怒江中特提斯洋正在闭合。陈玉禄等[10]用Rb-Sr等时线法测定了缝合带中段去申拉组火山岩的年龄为早白垩世(126 Ma), 认为是碰撞造山的产物。陈国荣等[11]通过对缝合带中段沙木罗组沉积相的研究也认为洋盆的闭合时间发生在晚侏罗世。鲍佩声等[12]和朱弟成 等[13]则根据缝合带中段蛇绿岩的定年结果, 认为班公湖-怒江洋盆的闭合时间为早白垩世(132~110 Ma)。这些问题不仅关系着班公湖-怒江缝合带本身的演化, 更重要的是这一时期是班公湖-怒江缝合带的重要成矿期, 对洋盆闭合时间的确定直接关系到矿床的成矿环境和找矿方向。

笔者近年来在对班公湖-怒江缝合带开展路线剖面调查过程中, 在缝合带中段申扎-班戈一带发现了一批A型花岗岩。本研究拟通过锆石U-Pb LA-ICP-MS定年和岩石地球化学分析, 确定这些A型花岗岩的形成时代, 分析它们的形成构造环境, 对班公湖-怒江中特提斯洋盆的闭合时间提出新的约束。

1 区域地质背景

班公湖-怒江缝合带是青藏高原上的一条主缝合带, 夹持于羌塘地块与拉萨地块之间, 横贯青藏高原东西延伸长达2000多km, A型花岗岩产于缝合带中段申扎-班戈一带(图1)。根据近年来完成的 1∶25万区域地质调查最新成果[14], 班戈一带蛇绿岩自北向南划分为3个亚带, 南北向展布宽度接近200 km。区域构造演化从古生代古陆开始, 中生代三叠纪为洋盆的扩张高峰, 形成木嘎岗日群深海沉积和希湖群边缘海沉积; 中侏罗世缝合带进入挤压汇聚阶段, 伴随着洋壳俯冲火山活动加剧; 晚侏罗世末到早白垩世完成“洋陆转换”, 伴随着燕山期大规模的花岗岩浆侵入和火山剧烈喷发; 晚白垩世区内以逆掩断层活动为特征, 在冲断层前缘形成盆地, 沉积了以竟柱山组为主的磨拉石沉积组合。

图1 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩位置图

2 岩体地质及岩相学

产于班公湖-怒江缝合带中段的A型花岗岩共见到5个岩体, 均呈面积不大(<1 km2)的岩株状产出,围岩以上侏罗统沙木罗组砂板岩和白垩系碎屑岩为主, 接触带上可见夕卡岩化。岩体在岩性上分为钾长花岗岩和花岗闪长斑岩两种。钾长花岗岩为中粒花岗结构, 块状构造。主要组成矿物为钾长石(35%～40%)、斜长石(15%～20%)和石英(30%); 次要矿物有黑云母(5%～10%)、白云母(1%)和角闪石(2%); 含少量磷灰石、锆石、褐帘石和磁铁矿等副矿物。钾长石呈不规则板状, 具条纹构造和卡氏双晶, 表面粘土化明显; 斜长石呈板状, 表面有少量绢云母交代分布, 聚片双晶发育; 石英呈他形粒状集合体分布于长石之间, 有时与长石构成文象结构, 无波状消光; 黑云母呈宽大片状, 棕褐色, 有时被绿泥石交代; 部分岩体中绿泥石化比较强烈(如BD08-22), 绿泥石除了交代黑云母外更多的呈鳞片状集合体充填岩石孔隙, 含量可达10%。

花岗闪长斑岩具斑状结构, 块状构造。基质以半自形粒状结构为主, 局部发育显微文象结构。斑晶大小一般在0.5～2 mm之间, 含量在20%～40%之间, 矿物组成以斜长石为主, 另外有部分钾长石和石英。斜长石斑晶呈半自形板状, 具清晰的聚片双晶; 钾长石呈板状, 具卡氏双晶; 石英呈浑圆粒状, 可被基质熔蚀。基质矿物组成除了斑晶中的矿物外, 还有少量的黑云母及副矿物锆石、磷灰石、磁铁矿等, 黑云母常具绿泥石化, 有明显的析铁析钛现象。

3 锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄

为了确定班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩的形成时代, 笔者对BD08-18、BD08-21、BD08-24三个岩体用LA-ICP-MS(激光磨蚀等离子体质谱)做了锆石U-Pb年龄测定。锆石的阴极发光(CL)研究工作在国土资源部同位素地质重点实验室完成。LA-ICP-MS法单颗粒锆石微区U-Pb年龄测定工作在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成, 采用Agilent 7500型ICP-MS和ComPex 102 ArF准分子激光器, 工作物质ArF波长193 nm, 与GeoLas 200M光学系统联机进行。锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质, 元素含量采用NIST SRM 610作为外标,29Si作为内标。数据用Ludwig SQUID 1.0和ISOPLOT程序处理, U-Pb分析结果列于表1。锆石阴极发光影像和一致线年龄见图2。从阴极发光影像图看, 锆石形态较好, 大多数呈自形-半自形柱状, 反映岩浆结晶过程的振荡环带发育, 颗粒也比较粗大, 一般在60～250 μm之间, 满足LA-ICP-MS的测试要求。从形态上看, BD08-18岩体锆石的长宽比较大, 大多在2∶1～4∶1之间, 最大可达10∶1, 颗粒核部常见浑圆状残留锆石。相比之下, BD08-21和BD08-24两个岩体锆石多呈板状或短柱状, 长宽比一般在1.2∶1～2.5∶1之间, 反映了不同岩体之间冷却速度存在一些差异。BD08-18岩体9个分析结果给出的206Pb/238U-207Pb/235U加权平均年龄为(109.6±1.4) Ma, MSWD=3.7; BD08-21岩体19个分析结果给出的206Pb/238U-207Pb/235U加权平均年龄是(112.2±0.9) Ma, MSWD=0.06; BD08-24岩15个分析结果给出的206Pb/238U-207Pb/235U加权平均年龄是(113.7±0.5) Ma, MSWD=0.21(图2)。这些结果表明, 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩的形成时代应为早白垩世晚期。

表1 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩锆石U-Pb LA-ICP-MS分析结果

图2 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩锆石阴激发光和U-Pb一致线年龄图

4 岩石地球化学

班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩样品的岩石地球化学分析工作是在北京核工业地质分析研究中心完成的。主元素是用PHILLIPS PW-2404型X荧光光谱仪分析完成的, 精度优于1%; 微量元素和稀土元素是用ICP-MS测定的, 仪器型号是ELEMENT-2质谱仪, 分析精度优于2%, 分析结果列于表2。

表2 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩主元素(%)、微量元素(μg/g)和稀土元素分析(μg/g)结果

(续表2)

4.1 主元素

从表2可以看出, 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩相对富 SiO2, SiO2含量除1个岩体(BD08-22)稍低外(68.62%～69.02%), 其他岩体含量都在72.44%～75.36%之间; K2O含量(3.57%～5.05%)与Na2O含量(3.26%～4.66%)相当, 全碱含量在8.03%～9.37%之间; 在K2O-SiO2图上都落于高钾钙碱性岩区(图3a)。岩石中CaO、MgO和TiO2含量低, 分别为0.40%～0.94%、0.02%～0.59%和0.14%～0.59%; 全铁(FeOT)含量(0.86%～5.39%)较高, Al2O3含量(12.76%～154.54%)偏低, 在ANK-ACNK图上显示弱过铝质和亚铝质特征(图3b)。

4.2 微量元素

班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩的微量元素MORB标准化蛛网图见图4a。在图中这些A型花岗岩的微量元素显示出较好的规律性, 大离子亲石元素(LILE)中Rb、Th、U、K、Pb明显富集, Ba、Sr明显亏损, 与岛弧型花岗岩存在显著差别。同样在高场强元素(HFSE)中, Nb、Ta、Ti亏损明显, 但Zr、Hf 相对富集, 这与岛弧型花岗岩也是明显不同的, 显示出了A型花岗岩的特征。

4.3 稀土元素

班公湖-怒江缝合带A型花岗岩的稀土元素球粒陨石标准化分布模式见图4b。从图中可以清楚看出这些岩体稀土元素含量总体较高(∑REE= 122.37～291.19 μg/g, 平均为201.31 μg/g), 相对富集轻稀土元素(LREE/HREE=4.89～9.58, 平均5.93), Eu负异常明显(Eu=0.14～0.54, 平均0.34), 分布模式为向右缓倾的V型。

图3 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩K2O-SiO2 (a)和ANK-ACNK (b) 图解

图4 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩微量元素蛛网图(a)和稀土元素球粒陨石标准化分布模式(b)

4.4 岩体的锆石饱和温度

为了进一步确认A型花岗岩的高温属性, 采用Watson.[15]的方法估算了班公湖-怒江缝合带中段这些A型花岗岩的形成温度。Watson.[15]通过实验研究发现锆石中Zr的分配系数对温度极为敏感,而其他因素对其影响不明显, 因而认为锆石的饱和温度可以近似地代表花岗质岩石的近液相线温度, 其计算公式为:

lnZr(496000/熔体) =(－3.80－0.85(－1))+12900/(1)

式中为绝对温度,为分配系数, 将(1)式整理并换算成摄氏温度(℃):

Zr(℃)=12900/(lnZr(496000/熔体)+0.85+2.95)

－273.15 (2)

令Si+Al+Fe+Mg+Ca+Na+K+P=1(原子分数), 则= (2Ca+K+Na)/(Si×Al)。由表2中的岩石化学分析结果可得出班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩的形成温度在750～907 ℃之间, 平均为833 ℃(表3)。

上面的主元素、微量元素及稀土元素特征决定了班公湖-怒江缝合带中段的这些岩体具有A型花岗岩的亲合性, 在A型花岗岩的系列判别图中(图5)它们都落在A型花岗岩区, 岩浆的形成温度高, 部分接近900 ℃, 平均为833 ℃, 这些都说明它们属A型花岗岩无疑。

表3 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩的全岩主元素组成及Zr温度计算结果

图5 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩(K2O+Na2O) (a)、Y (b)、Nb (c)和Zr (d)与Ga/Al相关图解

5 讨 论

5.1 形成构造环境

A型花岗岩虽然可以产于大陆、海洋以及造山带各种环境中, 但从构造演化阶段看它们大多数还是产于板内伸展阶段(如大陆裂谷和洋岛), 部分产于大陆碰撞之后的造山带[5]。根据Eby[3,16]对世界上许多A型花岗岩的统计分析, 发现产于板内环境的A1型和产于碰撞后环境的A2型花岗位岩并不是截然分离的, 它们之间实际上存在一个连续的谱系, 这就是介于两者之间的造山后花岗岩。

但无论怎样, 从A2型碰撞后到介于A1-A2之间的造山后再到A1型板内阶段, 这些A型花岗岩都是反映了造山带陆-陆碰撞之后的事件, 因此都标志着造山带演化进入一个非挤压阶段[17]。

产于班公湖-怒江缝合带中段的A型花岗岩在Pearce.[18]的构造环境判别图上位于板内和同碰撞的交点附近(图6a和图6b), 反映了碰撞后的岩浆生成环境。在Batchelor.[19]反映造山带演化旋回的2-1图上(图6c)它们则位于同碰撞、非造山及造山后三者之间, 显示出造山作用晚期的一种松驰环境。在Eby[3]的A型花岗岩判别图中它们集中分布在A2型花岗岩区内(图6d), 反映了一种清晰的碰撞后环境。近年来对世界各地A型花岗岩的研究发现, 在许多造山带中A型花岗岩都是形成于陆-陆碰撞后岩石圈伸展阶段[20–22]。Zhu.[23–24]通过对拉萨地块北缘岩浆岩的研究, 认为110 Ma左右班公湖-怒江特提斯洋壳可能发生过板片断离, 在此之后班公湖-怒江缝合带处于陆内背景, 与本研究的这些A型花岗岩反映的情况是一致的。

5.2 岩石成因

多年来的研究表明, A型花岗岩的成因可以包括以下多种模式: (1)地幔来源的镁铁质岩浆分离结晶[1,3,25,26]; (2)地幔镁铁质岩浆与地壳岩浆混合[27]; (3)下地壳麻粒岩部分熔融[28–29]; (4)底侵的I型英闪质地壳重熔[30–32]; (5)玄武质岩石部分熔融[33–34]; (6)下地壳I型岩浆结晶分异[22]。

前面的构造环境分析表明, 班公湖-怒江缝合带中段的A型花岗岩形成于陆-陆碰撞后地壳伸展阶段。在微量元素相关图解Ce/Pb-Ce图(图7a)和Nb/Th-Nb图(图7b)上它们与岛弧火山岩的源区十分接近, 说明源区物质与岩石圈地幔有关, 可能是由幔源的镁铁质地壳物质的部分熔融或者是幔源的镁铁质岩浆分异形成。至于此时为什么形成的是A型花岗岩而不是岛弧型花岗岩, 原因可能还是在于不同的构造环境。在洋壳俯冲阶段一方面地幔楔处于挤压环境, 源区斜长石由于压力高且不稳定而优先进入熔体; 另一方面地幔楔在板片流体的参与下也有利于斜长石优先熔融。而在碰撞后伸展阶段, 地幔岩石圈压力降低, 斜长石在岩浆源区变成稳定相; 同时, 在干的缺乏流体的情况下斜长石的熔融也受到抑制, 从而造成A型花岗岩浆中明显的Sr、Eu负异常。从Rb/Y-Nb/Y图(图7c)看, 这些A型花岗岩经历过俯冲带富集过程或地壳物质的同化混染。而Sr-1/Sr图(图7d)中样品分布缺少正相关关系则排除了地壳物质混染的可能性, 显示出岩浆源区经历过俯冲组分交代富集。从微量元素蛛网图(图4a)贫Ba富Pb的分布特征来看这些交代组分应该是沉积物熔体而不是板片流体, 因为在来自俯冲板片的交代组分中流体富Ba而沉积物熔体高度富Pb[35]。Goodenough.[20]也研究指出早期受到俯冲组分交代富集的大陆下岩石圈地幔是碰撞后A型花岗岩的有利源区, 这些交代组分是沉积物熔体。

图6 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩构造环境判别图

5.3 中特提斯洋盆的闭合时间

地处青藏高原腹地的班公湖-怒江缝合带不仅其俯冲方向存在争议, 而且围绕着班公湖-怒江中特提斯洋盆的闭合时间, 也一直存在不同的意见。本研究对申扎-班戈一带碰撞后A型花岗岩获得的锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄集中在109.6～113.7 Ma之间, 表明班公湖-怒江缝合带中段早白垩世晚期已经处于碰撞后环境, 据此推断班公湖-怒江中持提斯洋至少应该在白垩纪初闭合, 与前人根据地层和火山岩确定的洋盆闭合时间[8,10,11]是一致的, 即班公湖-怒江中特提斯洋盆的闭合时间应该在晚侏罗世末-早白垩世初。

图7 班公湖-怒江缝合带中段A型花岗岩Ce/Pb-Ce (a)、Nb/Th-Nb (b)、Rb/Y-Nb/Y (c)和ISr-1/Sr (d)图解

6 结 论

(1) 西藏班公湖-怒江缝合带申扎-班戈一带发育一批A型花岗岩, 它们以面积不大(小于1 km2)的岩株产出, 岩性上分为钾长花岗岩和花岗闪长斑岩两种。

(2) 这些A型花岗岩岩石化学上富Si2O (68.62%~75.36%之间), 全碱(K2O+Na2O) 含量(8.03%~9.37%)和全铁(FeOT)含量(0.86%~5.39%)偏高, Al2O3含量(12.76%~15.54%)偏低; 地球化学上富集Rb、Th、U、K、Pb、Zr和Hf, 亏损Ba、Sr、Nb、Ta和Ti; 稀土元素Eu亏损强烈(Eu=0.14~0.54, 平均为0.34), 球粒陨石标准化分布模式呈向右缓倾的V型, 属A2型碰撞后花岗岩。

(3) 3个岩体的锆石U-Pb LA-ICP-MS加权平均年龄分别为(109.6±1.4) Ma (MSWD=3.7)、(112.2±0.9) Ma (MSWD=0.06)和(113.7±0.5) Ma (MSWD=0.21), 表明这些A型花岗岩形成时代为早白垩世晚期。

(4) 这些A型花岗岩的源区与岩石圈地幔有关, 可能是由幔源的镁铁质地壳物质部分熔融或者是由幔源的镁铁质岩浆分异形成的。

(5) 班公湖-怒江缝合带中段的这些A型花岗岩具有碰撞后A2型花岗岩特征, 其早白垩世晚期(110 Ma ±)的形成时间表明前人根据沉积关系推定的中特提斯洋盆于晚侏罗世末-早白垩世初的闭合时间是合理的。

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Ages of post-collisional A-type granite and constraints on the closure of the oceanic basin in the middle segment of the Bangonghu-Nujiang suture, the Tibetan plateau

QU Xiao-ming*, XIN Hong-bo, DU De-dao and CHEN Hua

(Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Resource Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037)

A group of A-type granite has been found in recent years in the middle segment of the Bangonghu-Nujiang suture. These granite bodies occur as stocks with exposed areas of less than 1 km2. Lithologically, these A-type granites include two types of biotite granite and granodiorite porphyry, which intrude into Cretaceous sedimentary rocks. Petrogeochemically the A-type granites have high SiO2contents, varying from 68.62% – 75.36%, relatively high FeOT(0.86% – 5.39%) and low Al2O3(12.76% – 15.54%) contents, displaying weak peraluminous and metaluminous characteristics. Trace element N-MORB-normalized spider diagram displays apparent enrichments of large ion lithophile elements (LILE) Rb, Th, U, K, Pb with Ba and Sr of marked depletions. High field strength elements (HFSE) Nb, Ta and Ti are sharply depleted with relative enrichments of Zr and Hf. All of these are characteristics of A-type granite, which are different from arc granite. These granites have high REE contents (∑REE=122 – 291 μg/g with an average of 201 μg/g). Light REE are rich relative to heavy REE (LREE/HREE = 4.89 – 9.58, with an average of 5.93) and negative Eu anomalies are sharp (Eu=0.14 – 0.54, with a mean value of 0.34), with slightly right-dipping V-type chondrite-normalized rare earth element patterns.

Zircon U-Pb LA-ICP-MS dating for the three granite bodies yielded weighted mean ages of (109.6±1.4) Ma (MSWD=3.7), (112.2±0.9) Ma (MSWD=0.06) and (113.7±0.5) Ma (MSWD = 0.21), respectively, and indicates that they formed in the late stage of the Early Cretaceous. From their zircon U-Pb ages and post-collisional A2-type signatures, the authors infer that the Bangonghu-Nujiang middle Tethys ocean should be closed at least in the beginning of the Early Cretaceous.

A-type granites; zircon U-Pb dating; petrogeochemistry; oceanic basin slosure; Bangonghu-Nujiang suture; Tibetan plateau

2011-06-03;

2011-10-08;

2011-10-26

国家科技支撑计划项目(2006BAB01A05); 中国地质调查局青藏专项(1212010818097)

曲晓明(1960–), 博士、研究员, 地球化学专业, 主要从事造山带成矿学研究。

QU Xiao-ming, E-mail: xiaominqu@163.com; Tel: +86-10-68999051

P597; P581

A

0379-1726(2012)01-0001-14