东喜马拉雅构造结墨脱地区晚三叠世深熔作用的锆石 U-Pb 年代限定

董汉文, 许志琴, 李 源, 刘 钊

(1.中国地质科学院 地质研究所, 大陆构造与动力学国家重点实验室, 北京 100037; 2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083)

东喜马拉雅构造结墨脱地区晚三叠世深熔作用的锆石 U-Pb 年代限定

董汉文1, 许志琴1, 李 源1, 刘 钊2

(1.中国地质科学院 地质研究所, 大陆构造与动力学国家重点实验室, 北京 100037; 2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083)

东喜马拉雅构造结是研究青藏高原构造演化的关键地区。本文对东构造结墨脱地区的混合岩化片麻岩中的锆石进行了 LA-ICP-MS 微区微量元素分析及 U-Pb 定年。阴极发光(CL)图像揭示多数锆石具有明显的核-边结构特征, 核部为原岩残留核, 外形表现出晶棱圆化、港湾状等特征; 而边部是混合岩化深熔作用变质过程中形成的新生变质锆石, 并且具有典型岩浆锆石的环带特征。微量元素分析显示, 锆石不同微域的微量元素含量不同, 锆石核部含量明显高于边部(如 :元素 Th、U、Nb、Ta 及 Th/U 比值), 这一结果与深熔熔体和残留相之间的平衡关系有关。锆石 U-Pb 定年结果显示 12个原岩锆石分析点给出的206Pb/238U 年龄为 516～1826 Ma, 其中有 6 个分析点的年龄值相对集中在 911～1330 Ma, 表明该混合 岩 化 片 麻岩的 原 岩 可 能主要 形 成 在 这个年龄 区 间 ; 14 个 变 质 锆 石分析点 给 出 了206Pb/238U 年龄加权平 均 结 果为216.7±3.2 Ma(MSWD=3.9), 这一年龄代表拉萨地体在晚三叠世发生深熔作用, 与区域上拉萨地体东南缘发生变质事件的时间一致。

混合岩化片麻岩; 深熔作用; 锆石; 微量元素; LA-ICP-MS

拉萨地体是青藏高原的重要组成部分之一, 被夹持于班公-怒江蛇绿岩带与雅鲁藏布蛇绿岩带之间(Yin and Harrison, 2000; 常承法和郑锡澜, 1973; Dewey et al., 1988; Pearce and Deng, 1988), 东西长约 2500 km, 南北宽 100～300 km。研究表明, 拉萨地体由一套角闪岩相至麻粒岩相的变质岩系、古生代-中生代沉积岩和大量的中、新生代岩浆岩组成(潘桂棠等, 2006)。在以往的研究中, 人们主要集中于拉萨地体中发育的晚中生代到中新世花岗岩类, 而对早中生代(印支期)花岗岩类涉及较少。最近几年, 在拉萨地体中南部陆续发现了一套形成于三叠纪的花岗质岩石(李才等, 2003; 和钟铧等, 2006; 张宏飞等, 2007), 并且在拉萨地体腹地的松多地区新发现了代表古特 提斯 洋 壳高 压 变质 的 榴辉 岩带(杨 经绥等 , 2007), 被认为是拉萨地体经历印支期碰撞造山事件的证据(李才等, 2003; 杨经绥等, 2006, 2007; Yang et al., 2009; Li et al., 2009; 李化启等, 2011)。尽管印支造山事件在拉萨地体中的记录受到了人们的关注,但是仍然存在许多悬而未决的科学问题。本文对分布于东喜马拉雅构造结墨脱地区的混合岩化片麻岩开展锆石 U-Pb 年代学和微区微量元素测定工作, 并与已有的花岗岩研究结果对比, 探讨这些混合岩化片麻岩形成和演化的地球动力学意义。

1 区域地质背景

东喜马拉雅构造结位于喜马拉雅造山带东端(图 1a), 总体形态呈宽 40 km 的倒“U”形, 外侧被雅鲁藏布江缝合带所围限。根据火山-沉积建造、岩浆岩组合、变质变形作用以及构造地质等资料将构造结分为 3 个主要的地质单元: 南迦巴瓦岩变质体、雅鲁藏布缝合带以及拉萨地体(郑来林等, 2004a, b;孙志明等, 2004a, b; 许志琴等, 2008; 张 泽 明等, 2007; Xu et al., 2012)。

南迦巴瓦变质体北窄(10 km)南宽(60 km), 主要由花岗质片麻岩和泥质片岩组成, 并以出现高压麻粒岩和石榴辉石岩为特征, 经历了高压麻粒岩相、榴辉岩相峰期变质作用和低压麻粒岩相、角闪岩相退变 质作 用(钟 大赉 和丁 林 , 1995; Liu and Zhong, 1997; 丁林和钟大赉, 1999; Ding et al., 2001; 张进江等, 2003; 郑来林等, 2004b; 孙志明等, 2004b, 张泽明等, 2007), 从南迦巴瓦变质体的中心到边部岩石混合岩化作用普遍存在。根据南迦巴瓦岩变质体的原岩建造、变质程度以及变形样式的差异将其自NW 到 SE 解体为三套变质岩组合: 派乡组角闪岩相变质岩、直白组麻粒岩相变质岩和多雄拉组强烈混合岩化的角闪岩相变质岩(孙志明等, 2004a, b; 郑来林等, 2004a, b)(图 1b)。

以蛇绿混杂岩为代表的雅鲁藏布江缝合带呈向NE凸的马蹄状连续分布于北部的拉萨地体和南部的南迦巴瓦变质体(印度陆块)之间。雅鲁藏布构造单元是雅鲁藏布江缝合带的东延部分(Geng et al., 2006),主要由低角闪岩相变质的超镁铁岩、镁铁岩、石英岩和白云母石英片岩组成, 夹有少量大理岩, 局部地段也有来自两侧的南迦巴瓦岩群和念青唐古拉岩群的外来岩块卷入(郑来林等, 2004a; Geng et al., 2006)。

图 1 东喜马拉雅构造结地质简图(据许志琴等, 2008; Xu et al., 2012 修改)Fig.1 Geological sketch map of the eastern Himalayan Syntaxis

在东喜马拉雅构造结, 拉萨地体的念青唐古拉岩群普遍经历了绿片岩相到角闪岩相变质作用。该岩群主要分布于雅鲁藏布江缝合带外侧, 为一套条带状混合岩、黑云斜长片麻岩为主的岩石组合, 局部地段可见大理岩、片岩、变粒岩及斜长角闪岩等岩石类型。本文所报道的混合岩化片麻岩分布于墨脱县南背崩乡附近的念青唐古拉岩群中(图 1b)。取样点地理坐标为: E95°19′18.7″, N29°19′25.75″。该样品呈条带状, 局部可见长英质脉, 最宽达 15 cm(图 2a); 矿物成分主要有石英(35%～40%)、斜长石(30%～35%)、钾长石(20%±)、黑云母(8%～10%)和少量白云母(1%～2%) (图 2b), 副矿物为磷灰石(＜1%)、锆石(＜1%)等。石英为它形粒状, 粒度不均, 粒径 0.5～2 mm; 斜长石发育聚片双晶, 边部发育大量蠕英结构(图 2c); 钾长石发育格子双晶, 含量较斜长石明显减少; 黑云母主要充填于石英和长石颗粒的间隙。

图 2 混合岩化片麻岩野外及镜下照片Fig.2 Field and microscope photos of the migmatitic gneiss

2 样品描述及测试方法

用于测试的样品(约 5 kg)首先经过破碎, 经浮选和电磁选等方法挑选出单颗粒锆石, 然后在双目镜下挑纯, 选样工作在河北省廊坊市大山地质矿业有限公司完成。手工挑出晶形完好、透明度和色泽度好的锆石, 粘于环氧树脂表面, 经抛光后进行透射光和反射光照相, 在原位分析之前, 通过双目镜和阴极发光(CL)图像详细研究锆石的晶体形貌和内部结构特征, 以选择微量元素分析的最佳点。锆石CL 照相在北京锆年领航科技有限公司电子探针实验室采用扫描电镜完成, 加速电压为 15 kV。最后根据阴极发光照射结果选择典型的锆石进行 LA-ICPMS测年分析。

本次锆石 LA-ICP-MS 微区微量元素和 U-Pb 定年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成, 分析仪器为 Geolas2005 激光剥蚀系 统 和 Agilent7500a 电 感 耦 合 等 离 子 质 谱 仪(ICP-MS), 激光束斑直径为 32 μm, 实验中采用 He气作为剥蚀物质的载气, 气流速度为 270 mL/min,工作电压为 27.1 kV, 激光能量为 29 J/am2。实验过程中应用标准锆石 91500 进行同位素分馏校正, 每隔 5 个测点用两个 91500 标样校正; 用29Si 和NIST 610 分别作为内外标来校正元素含量。样品测定点的 U-Pb 年龄数据和微量元素含量数据处理利用软件 ICPMSDataCal8.3, 具体分析条件及流程详见文献(Liu et al., 2008, 2010)。锆石 U-Pb 年龄计算及谐和图均采用 ISOPLOT 3.0 (Ludwig, 2003) 程序完成。

3 分析结果

3.1 锆石的阴极发光(CL)特征

样品中的锆石多为短柱状, 半自形到它形晶形,个别为长柱状或近椭圆状, 长宽比为 1∶1～2∶1。CL 图像揭示大多数锆石颗粒均具有明显的核-边结构, 核部多数为椭圆状和溶蚀柱状, 部分核见有环带, 阴极发光较强呈灰白-白色; 而边部具有环带特征, 阴极发光相对较暗(图 3)。

图 3 墨脱地区混合岩化片麻岩中典型锆石的 CL 图像Fig.3 Cathodoluminescence images of typical zircons from the migmatitic gneiss at Motuo

这种阴极发光图像的差异可能反映了它们之间元素含量的不同, 主要是微量元素特别是稀土元素和 Th、U 含量的不同(Hanchar and Miller, 1993)。简平等(2001)认为深熔锆石是在深熔片麻岩形成过程中晶出的锆石, 通常呈规则的长柱状或短柱状自形晶, 大部 分具 有 晶核 和 增生 边, 晶 核可 能 是继 承性的、原岩的锆石, 增生边则是深熔作用的结果, 也叫深熔增生。此类锆石与岩浆型锆石有较多的相似性,其增生部分在阴极发光下常见同心韵律环带结构,不同于从固态-亚固态介质中晶出的变质锆石(Liati et al., 2002; Zeh et al., 2010)。由此可以得出, 墨脱地区混合岩化片麻岩中锆石的核部和边部区域应为原岩锆石和深熔锆石。

3.2 锆石 U-Pb 定年结果

对混合岩化片麻岩(X2-15-1)中的 19 颗锆石进行了 26 个点的 U-Pb 年龄测定(表 1)。14 个锆石边部(变质锆石)的分析点, 得到206Pb/238U 年龄的加权平均结果为 216.7±3.2 Ma(MSWD=3.9)(图 4), 12 个锆石核部(原岩锆石)分析点给出了206Pb/238U 年龄516～1826 Ma。

3.3 锆石的微量元素特征

3.3.1 锆石的 Th、U 含量及 Th/U 比值特征

从表 1 可知, 锆石核部的 Th、U 含量分别为 152～5931 μg/g 和 95.2～9340 μg/g, 平均值分别为 977 μg/g 和1761 μg/g, 相对应的 Th/U 比值为 0.05～1.67, 平均值为 0.89; 而锆石边部的 Th、U 含量分别为 31.4～266 μg/g和 793～2138 μg/g, 平均值分别为 93.7 μg/g 和 1427 μg/g, Th/U 比值为 0.02～0.15, 平均值为 0.06。

图 4 墨脱地区混合岩化片麻岩中锆石 U-Pb 谐和图Fig.4 U-Pb concordia diagram of zircons from the migmatitic gneiss at Motuo

3.3.2 锆石稀土元素含量特征

锆石微区微量元素含量显示(表 2, 图 5), 锆石核部和边部的稀土元素特征具有一定的相似性, 但是就局部来看, 二者还是存在明显差异: ①轻稀土富集程度: 核部的 LREE 总量为 55.15～1231.92 μg/g (个别小于 20 μg/g, 如点 1-2 和 2-2); 相比较而言,边部的 LREE 总量较少, 仅为 6.65～25.19 μg/g(图 5a, b)。②Ce 和 Eu 异常: 核部的 Ce 正异常和 Eu 负异常变化较大, 分别为 0～0.50 和 1.68～5.63; 相反, 边部的 Ce 正异常和 Eu 负异常变化较小, 分别为0～0.01 和 0.95～3.51。③Nb, Ta 含量: 核部的 Nb、Ta含量分别为 3.97～35.4 μg/g 和 1.38～17.0 μg/g, 平均值分别为 13.24 和 6.4 μg/g; 边部的 Nb、Ta 含量分别为 2.12～6.43 μg/g 和 1.4～6.12 μg/g, 平均值分别为3.38 和 2.92 μg/g。由此可见, 核部的 Nb、Ta 含量比边部的高。

4 讨 论

4.1 混合岩化片麻岩原岩形成时代

样品中锆石核部给出了相对分散的谐和年龄,有 6 个分析点的年龄值相对集中在 911～1330 Ma,其他年龄值包括: 516～624 Ma、1666～1826 Ma(图 4和表 1)。图 6 表示了所有分析锆石年龄与 Th/U 比值的相关性, 从中可见, 锆石核部分析点除了个别点的 Th/U 比值＜0.1, 绝大多数给出了较高的 Th/U 比值(0.13～1.67), 而且所分析的锆石微域多数具有清楚 的 岩浆 结 晶环 带, 因 此, 这些 年 龄值 所 指示 的很可能是多期岩浆热液事件。由于大多数分析点集中在 911～1330 Ma, 我们认为该混合岩化片麻岩的原岩可能主要形成在这个年龄区间, 而较大的年龄是继承的岩浆锆石年龄, 较小的年龄可能是后期构造热事件改造的结果。董昕等(2009)对分布于东喜马拉雅构造结西侧的林芝岩群进行了研究, 结果显示林芝岩群中的锆石年龄主要分布在 900～1200 Ma 和500～600 Ma 区间, 具有冈瓦纳大陆格林威尔运动(～1100 Ma)和泛非期造山作用(～550 Ma)的记录, 与特提斯喜马拉雅带中的碎屑锆石年龄十分吻合。因此, 在冈瓦纳大陆中拉萨地体和特提斯喜马拉雅很可能是彼此相邻的。

表 1 墨脱地区混合岩化片麻岩(X2-15-1)中锆石 LA-ICP-MS 分析点 U-Pb 定年结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb analytical results for the migmatitic gneiss at Motuo (sample X2-15-1)

图 5 墨脱地区混合岩化片麻岩中锆石稀土元素球粒陨石标准化图(a, 锆石核部; b, 锆石边部)(球粒陨石标准化值据 Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns for different domains of zircons from the migmatitic gneiss at Motuo (a, cores of zircon; b, rims of zircon)

图 6 所有分析锆石年龄与 Th/U 比值的相关性图Fig.6 Zircon U-Pb age vs. Th/U ratio diagram

4.2 三叠纪深熔作用及构造意义

阴极发光图像显示大部分锆石边部具有明显的振荡环带, 表 1 所示锆石边部的 Th/U 比值非常低(＜0.1), 是因为在混合岩化过程中部分熔融熔体中的成分通常贫 Th 且富 U(Keay et al., 2001; Rubarro, 2002)。前人(Watt et al., 1996; Villaseca et al., 2001)将混合岩化地区的深熔熔体分为两类: ①稀土元素含量较低; ②稀土元素含量较高。在深熔过程中, 当熔体与残留相之间达到了平衡, 则熔体中的稀土元素含量较高, 那么从这类熔体中结晶的锆石也具有与原岩锆石相似的稀土元素特征(Rubarro, 2002; 吴元保等, 2004); 相反, 当熔体与残留相之间未达到平 衡 , 则 熔 体 中 的 稀 土 元 素 含 量 较 低, 那 么 从 这 类熔体中结晶的锆石具有比原岩锆石低稀土元素含量的 特 征 (Watt et al., 1996; Chavagnac et al., 1999; Mengel et al., 2001; Villaseca et al., 2001; Whitehouse, 2000)。本文中的锆石大部分为深熔作用过程中形成的锆石, 具有面状分带或者弱的振荡环带以及低Th/U 比值的特点(Liati and Gebauer, 1999; Wu et al., 2007)。该混合岩化片麻岩获得的锆石加权平均年龄为 216.7±3.2 Ma(MSWD=3.9)。Lin et al. (2013)得到拉萨地体东缘巴松错变质带经历角闪岩相变质, 其变质年龄为 192～204 Ma。本文对东喜马拉雅构造结墨脱地区混合岩化片麻岩的年代学研究表明, 拉萨地体东南缘发生变质事件在时间上具有一致性。

一般认为, 碰撞造山带将经历从挤压缩短向伸展减薄的构造体制转换的演化过程(Gordon et al., 2008), 在 此 过 程 中 , 可 以 发 生 部 分 熔 融 (Brown, 2001), 并形成大量的同折返和碰撞后岩浆岩(Keay et al., 2001; Foster et al., 2001)。因此, 在碰撞造山带中区域规模的混合岩与花岗侵入体之间往往有一定的时空联系(Barbey et al., 1996; Brown, 2001), 并且相互作用(Brown, 2001; 吴元保等, 2004)。南木林县罗扎乡南巨斑花岗闪长岩锆石 U-Pb 年龄为 217.1± 3.4 Ma(李才等, 2003), 而罗扎乡-仁堆乡一带的二云母花岗岩和巨斑花岗闪长岩锆石 U-Pb 年龄为205±1 Ma 和 202±1 Ma, 二者被解释为由于印支晚期增厚的冈底斯地壳发生折返导致中、下地壳物质发生构造减压熔融作用所形成(张宏飞等, 2007)。拉萨地区中部门巴获得花岗闪长岩的锆石 U-Pb 年龄为 208±5 Ma, 被认为形成于岛弧环境, 与新特提斯洋的早期俯冲作用有关(和钟铧等, 2006)。除此, 同期岩浆作用在拉萨地体的乌郁、尼木、曲水、工布江达、宁中、松多及加查等地也有报道(Chu et al., 2006; 刘琦胜等, 2006; Li et al., 2009; 董昕和张泽明, 2013)。由于花岗岩的侵位一般会稍晚于部分熔融作用发生的时间, 所以一般把加厚地壳开始发生熔融的时间看作为构造体制转换发生的最晚时间(Vandehaeghe, 2009)。因此, 我们认为墨脱地区混合岩化片麻岩 216.7±3.2 Ma 的深熔作用时间应代表印支造山后的构造转换的最晚时间。

5 结 论

(1) 锆石阴极发光图像结果显示, 墨脱地区混合岩化片麻岩的锆石存在明显的核-边结构, 核部为原岩锆石, 边部为深熔锆石。

(2) 样品中锆石核部给出了相对分散的谐和年龄, 有 6 个分析点的年龄值相对集中在 911～1330 Ma,其他年龄值包括: 516～624 Ma、1666～1826 Ma, 因此,该混合岩化片麻岩的原岩可能主要形成在 911～1330 Ma 这个年龄区间, 而较大的年龄是继承的岩浆锆石年龄, 较小的年龄可能是后期构造热事件改造的结果。

(3) 深熔锆石206Pb/238U 年龄加权平均结果为216.7±3.2 Ma(MSWD=3.9), 这一年龄代表拉萨地体晚三叠世发生深熔作用的时间, 区域上与拉萨地体东南缘发生变质事件在时间上具有一致性。

致谢: 中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室胡兆初教授在锆石 U-Pb 微区微量元素和年代学测试中提供了帮助; 承蒙李才教授及另外一名匿名审稿人对本文细致审阅并提出富有建设性的修改意见和建议, 使本文的质量有很大的提高,作者在此一并表示衷心的感谢。

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Zircon LA-ICP-MS U-Pb Dating of the Triassic Anatexis at Mutuo, the Eastern Himalayan Syntaxis

DONG Hanwen1, XU Zhiqin1, LI Yuan1and LIU Zhao2
(1. State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. Department of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083)

The eastern Himalayan Syntaxis is a key region to investigate the tectonic evolution of the Qinghai-Tibet Plateau. The internal structures, trace elements characteristics and ages of zircons from migmatitic gneiss at Motuo area in the eastern Himalayan Syntaxis were studied using cathodoluminescence (CL) images and LA-ICP-MS methods, respectively. The CL images show that many of the zircons have core-rim structure, including an inherited magmatic core and a crystallized rim with oscillatory zoning. The trace elements analyses show that there are notable differences between the cores and the rims. The core domains are distinguishable from the rim domains because of their higher Th, U, Nb, Ta concentrations and high Th/U ratios. Although having similar chondrite-normalized REE patterns, the core and rim domains have significantly different REE contents. The differences in REE contents between the cores and rims maybe relate to the chemical equilibrium between the melt and the restite. The LA-ICP-MS U-Pb zircon analyses indicate that: (1) the zircon cores give multi-stage magmatic event ages ranging from 516 Ma to 1826 Ma, of which six ages are converged on the range of 1330 Ma to 911 Ma, it is considered that the migmatitic gneiss has been formed in this time, while (2) the zircon rims yield206Pb/238U weighted mean ages of 216.7±3.2 Ma (MSWD=3.9), which was interpreted to register the ages of the Triassic anatexis. The anatexis in Motuo is coeval with the regional metamorphism in the Lhasa terrane.

migmatitic gneiss; anatexis; zircon; trace elements; LA-ICP-MS

P595; P597

A

1001-1552(2014)02-0398-010

2013-05-28; 改回日期: 2013-08-15

项目资助:本文受中国地质调查局地质调查项目(编号: 1212010818035)、国家自然科学基金创新研究群体项目(批准号: 40921001)和中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(编号: J1304)联合资助。

董汉文(1988-), 男, 博士研究生, 构造地质学专业。Email: donghanwen123@126.com

许志琴, 女, 研究员, 中国科学院院士, 构造地质学专业, 长期从事大陆动力学研究工作。