西藏冈底斯中段桑桑花岗质岩体锆石U-Pb年龄与Hf同位素组成及其对岩石成因和构造演化的制约

王睿强，邱检生，喻思斌，赵姣龙内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学地球科学与工程学院，南京210023



西藏冈底斯中段桑桑花岗质岩体锆石U-Pb年龄与Hf同位素组成及其对岩石成因和构造演化的制约

王睿强，邱检生*，喻思斌，赵姣龙
内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学地球科学与工程学院，南京210023

摘要：以西藏冈底斯中段西侧桑桑花岗质岩体为对象，进行了系统的年代学、元素地球化学和锆石Hf同位素组成研究，据此阐明了岩体成因，并探讨了其构造意义。锆石LA-ICP-MS U-Pb定年表明，桑桑花岗质岩体的成岩年龄为49～54 Ma。化学组成上，岩体具有亚碱、准铝、贫磷的特征（A/NKC＜1.10，P2O5＜0.20%），属钙碱性I型花岗岩类。岩体富Cs、Rb、Ba、Th、U、K、Pb和轻稀土，贫Nb、Ta、P与Ti，表现出弧岩浆岩的地球化学特征。岩体的锆石ε(Hf)(t)值变化较大，散布于正值与负值之间（=-4.24～+5.49），指示其形成存在不同来源物质的贡献。综合分析表明，桑桑花岗质岩体起源于初生地壳的部分熔融，但在成岩过程中有古老地壳组分的参与。结合区域地质背景，笔者认为这一古老地壳组分最可能来自印亚碰撞过程中俯冲下插的印度地壳，由此说明印度-欧亚大陆碰撞的起始时间应早于54 Ma。

关键词：花岗质岩体；Hf同位素组成；岩石成因；印度-欧亚大陆碰撞；日喀则桑桑

西藏冈底斯南缘发育一条巨型花岗岩带，大致夹持于洛巴堆-米拉山断裂以南、印度河-雅鲁藏布缝合带以北（朱弟成等，2008），是冈底斯带岩浆岩最集中的地区。这一巨型花岗岩带的形成与新特提斯洋板片的俯冲消减、印度-欧亚大陆的碰撞和后碰撞事件密切相关，其研究对于揭示冈底斯弧自身的发展演化、阐明青藏高原造山带的形成、探讨花岗岩的形成与地壳增生关系以及了解壳幔相互作用深部动力学过程均具有重要意义，因而为全球地质学界所瞩目，成为构造-岩浆作用研究最热门的地区之一。

前人对冈底斯花岗岩相继开展了一系列卓有成效的研究，取得了许多重要进展。例如，目前已认识到该花岗岩带是由多期岩浆活动形成的复式岩基，形成时间自晚三叠世（～205 Ma）一直延续到中新世（～13 Ma），并可区分为205～152 Ma、109～80 Ma、65～41 Ma和33～13 Ma四个阶段（Ji et al.,2009a），其中古新世—始新世（65～41 Ma）是冈底斯岩浆活动最为剧烈的时期。该带花岗岩普遍表现出弧岩浆岩的地球化学特征，大部分地区的花岗岩均具有正的εNd(t)值、正的εHf(t)值和年轻的Nd-Hf模式年龄，显示出亏损地幔或初生地壳来源的特点（莫宣学等，2005；Chung et al.,2005; Chu et al.,2006; Ji et al.,2009a; Zhu et al.,2011）。但在古新世—始新世时期，部分花岗岩出现负的锆石εHf(t)值，指示其形成应有古老地壳组分的参与。目前对于这一古老地壳组分的来源存在不同认识，部分学者认为是来自俯冲的印度地壳（Ji et al.,2009a; Chu et al.,2011），但也有学者认为可能是来自中部拉萨地体的古老基底（朱弟成等，2012）。因此，对这些出现锆石εHf(t)负值的花岗岩开展研究，有助于进一步丰富冈底斯花岗岩基成因的认识，也可为确定印度-欧亚大陆碰撞的起始时间提供进一步的岩石学依据。

桑桑花岗质岩体位于冈底斯岩浆岩带中段西侧，以往对这一岩体缺乏系统的研究，本次工作发现，该区花岗质岩体锆石Hf同位素组成变化范围较大，εHf(t)值散布于正值与负值之间。为此，本文以该岩体为对象，在锆石U-Pb定年和Hf同位素组成测定的基础上，结合全岩元素地球化学组成，探讨岩体成因及其对印度-欧亚大陆碰撞起始时间的启示。

1　地质概况及岩石学特征

青藏高原形成于自早古生代以来不同大陆块体之间的碰撞和拼贴，自北向南可分为松潘-甘孜地块、羌塘地块、拉萨地块和喜马拉雅地块四部分，它们依次被金沙江缝合带、班公湖-怒江缝合带和印度河-雅鲁藏布缝合带所分隔（图1a；Yin and Harrison,2000）。拉萨地块即传统意义上的冈底斯带，它以发育巨大的花岗岩基和广泛出露中、新生代火山岩为特征，是青藏高原最重要的岩浆岩带（图1b；莫宣学等，2009）。

桑桑花岗质岩体是冈底斯岩基的一部分，地理位置上位于日喀则市桑桑镇北侧。岩体规模较大，出露面积约1800 km2，空间上自西向东出露为三个独立的岩基（图1c）。它们与古近纪典中组（E1-2d）、年波组（E2n）、帕那组（E2p）及大竹卡组（E3N1d）呈不整合或断层接触关系。

桑桑花岗质岩体岩性主要为黑云母二长花岗岩，在其东部边缘有少量石英二长斑岩。黑云母二长花岗岩岩性均一（图2a），呈中粒或中粗粒花岗结构（图2b-d），组成矿物主要为石英（20%～25%）、碱性长石（40%～45%）、斜长石（30%～35%）、黑云母（5%～8%）和少量角闪石（＜5%），副矿物有锆石、榍石、磷灰石和钛铁氧化物等。石英多呈他形粒状充填在其他矿物之间，部分颗粒可见波状消光，反映受到后期应力的影响。碱性长石主要为微斜长石（图2b）和条纹长石，斜长石呈自形—半自形板条状，发育聚片双晶和环带结构（图2c）。

2　年代学

本次定年选取桑桑花岗质岩体主体岩性——黑云母二长花岗岩3件典型样品（TB-47、TB-49和TB-53）为对象。被测样品的采样位置示于图1，详细经纬度坐标及LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果列于表1，图3为年龄谐和图。

图1　青藏高原构造格架（a，据Zhu et al.,2011）、冈底斯带岩浆岩分布（b，据Chung et al.,2003修改）及桑桑花岗质岩体地质略图（c，据桑桑区幅1:25万地质图修改）Fig.1 Schematic geological map showing the tectonic framework of the Tibetan Plateau(a),distribution of the magmatic rocks in Gangdese Belt(b),and the Sangsang granitic pluton (c,modified after the Geological Map of Sangsang Sheet 1:250000)

3件样品被测锆石均无色透明，晶体呈良好的棱柱状自形晶，其中TB-47样品被测锆石颗粒较小，长径多为100～200 μm，宽50～80 μm，长宽比为1.5:1～3:1。TB-49和TB-53样品被测锆石颗粒较大，长径多为150～300 μm，宽100～150 μm，长宽比为1.5:1～3.5:1。样品的阴极发光图像均显示出清晰的振荡环带结构，且所测锆石的Th/U比值均较高，变化于0.70～1.83之间（表1），表明它们均为典型的岩浆结晶锆石（Corfu et al.,2003; Wu and Zheng,2004），且没有发生显著的铅丢失（Connelly,2001）。对TB-47样品本次共获得20个有效测试点数据，在206Pb/238U-207Pb/235U谐和图上，这些数据点均投影在谐和线上（图3a），表明被测锆石未遭受明显的后期热事件的影响。它们的206Pb/238U年龄介于53～56 Ma之间，经计算获得的206Pb/238U年龄统计权重平均值为54.1±0.5 Ma（MSWD=0.5,2σ）。对TB-49和TB-53样品分别获得17个和19个有效测试点数据，它们的谐和度均较高（图3b,c），206Pb/238U年龄分别变化于47～53 Ma和47～52 Ma，经计算获得的206Pb/238U年龄统计权重平均值分别为50.7±0.6 Ma（MSWD=1.1,2σ）和49.3±0.7 Ma （MSWD=0.5,2σ）。从上述定年结果可以看出，3件样品的年龄相近，变化于49～54 Ma，表明桑桑花岗质岩体形成于始新世。

图2　桑桑花岗质岩体黑云母二长花岗岩的宏观与显微照片Fig.2 Macroscopic image (a) and microphotographs (b-d) of biotite monzogranites from the Sangsang granitic pluton

3　元素地球化学

3.1主量元素

表2列出了桑桑花岗质岩体代表性样品的主量元素测定结果及经计算得到的有关参数。由表中数据可看出其主量元素组成具有以下特征：（1）Al2O3含量为14.83%～16.69%，铝饱和指数（A/ NKC值）变化于0.87～0.97，属准铝质，CIPW标准矿物中不出现刚玉分子，与S型花岗岩强烈富铝（A/NKC＞1.10,CIPW标准矿物中刚玉分子含量＞1%,Chappell and White,2001）的特点明显有别。在A/NKC-A/NK关系图上，样品点均投影于亚碱准铝质区域（图4）。（2）碱铝指数（AKI值）介于0.60～0.81之间，低于Whalen等（1987）厘定的A型花岗岩的平均值（AKI=0.95）。（3）TiO2、MgO、Fe2O3T和CaO的含量中等，分别为0.37%～0.71%、1.04%～2.50%、2.68%～5.75%和1.93%～4.90%，FeOT/MgO值变化于2.07～2.54，较之A型花岗岩的平均值（=13.4,Whalen et al.,1987）显著偏低。（4）贫磷，所有样品P2O5含量均低于0.20%，与典型S型花岗岩常具有较高P2O5含量（＞0.20%，Chappell,1999）的特点也明显有别。（5）分异指数（D.I.值）均低于85，暗示岩浆分异演化程度不高。结合矿物组成上普遍出现角闪石，表明桑桑花岗质岩体应属于典型的钙碱性I型花岗岩。

3.2微量元素及稀土元素

表3列出了桑桑花岗质岩体代表性样品的微量元素和稀土元素测定结果及相关参数，图5a为其稀土元素球粒陨石标准化配分曲线，图5b为其微量元素原始地幔标准化蛛网图。由图表资料可看出，桑桑花岗质岩体富集大离子亲石元素（Cs、Rb、Ba、Th、U、K和Pb）和轻稀土，亏损高场强元素（Nb、Ta、P与Ti），表现出弧岩浆岩的地球化学特征（Pearce et al.,1995）。其Rb/Sr、Rb/Ba值较低（分别为0.16～0.37和0.11～0.17），说明岩浆分异演化程度不高，这与主量元素分异指数（D.I.值）较低的特点相吻合。运用Watson和Harrison（1983）提出的锆石饱和温度计，经计算得到的成岩温度为735～813℃（平均770℃），接近I型花岗岩锆石饱和温度的平均值（=781℃，King et al.,1997）。岩体具有中等程度的稀土总量，ΣREE值变化于129×10-6～219×10-6。富集轻稀土，LREE/HREE=8.65～11.1，(La/Yb)N=9.31～13.4，其中轻稀土的分馏程度高于重稀土，(La/Sm)N、(Gd/Yb)N比值分别为3.81～4.52和1.71～2.05，相对

于球粒陨石标准化的稀土配分型式呈明显的右倾斜型（图5a）。岩体铕负异常不明显或呈弱的负异常，Eu/Eu*=0.81～0.97，指示成岩过程中缺乏显著的斜长石分离结晶作用。

表1　冈底斯中段桑桑花岗质岩体锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating results of the Sangsang granitic pluton in the middle segment of the Gangdese belt

图3　桑桑花岗质岩体的锆石U-Pb谐和图Fig.3 U-Pb concordia diagrams of zircons from the Sangsang granitic pluton

表2　冈底斯中段桑桑花岗质岩体主量元素含量(wt.%)Table 2 Major element contents (wt.%) of the Sangsang granitic pluton in the middle segment of the Gangdese belt

图4　桑桑花岗质岩体的A/NKC-A/NK关系图Fig.4 A/NKC vs.A/NK plot of the Sangsang granitic pluton(the base map is after Maniar and Piccoli,1989)

表3　冈底斯中段桑桑花岗质岩体微量及稀土元素含量(×10-6)Table 3 Trace and rare earth element contents (×10-6) of the Sangsang granitic pluton in the middle segment of the Gangdese belt

图5　桑桑花岗质岩体的稀土元素球粒陨石标准化配分曲线和微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution pattern (a,the normalized values after Boynton,1984) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b,normalized values after McDonough and Sun,1995) of the Sangsang granitic pluton

4　锆石Hf同位素

本次对前面3件已做锆石U-Pb定年的样品进行了系统的锆石Hf同位素组成测定，表4列出了测试结果及根据年龄计算的有关参数。由表中数据可看出，桑桑花岗质岩体εHf(t)值散布于正值与负值之间（=-4.24～+5.49），且变化范围较大，总体变化幅度近10个ε单位（表4）。对于锆石年龄均一，而εHf(t)值变化范围较大这一现象，目前绝大多数学者认为是成岩过程中有不同来源组分参与所致（Griffin et al.,2002; Kemp et al.,2007; Yang et al.,2007；Shaw and Flood,2009）。TB-47、TB-49和TB-53三件样品的二阶段Hf模式年龄分别变化于777～1262 Ma、990～1396 Ma和820～1104 Ma（表4），较之冈底斯岩基花岗岩的二阶段Hf模式年龄（=1000～300 Ma,Ji et al.,2009b）总体偏高。在t-εHf(t)关系图上，样品点均落在印度地壳演化域（Chu et al.,2011）之上，且位于球粒陨石均一储库（CHUR）附近（图6），上述锆石Hf同位素组成特征说明桑桑花岗质岩体的形成存在不同来源物质的贡献。

表4　冈底斯中段桑桑花岗质岩体锆石Hf同位素组成Table 4 Zircon Hf isotopic compositions of the Sangsang granitic pluton in the middle segment of the Gangdese belt

图6　桑桑花岗质岩体和冈底斯岩基的t-εHf(t)关系图Fig.6　t-εHf(t) diagram of the Sangsang granitic pluton and the Gangdese batholith

5　讨论

5.1岩石成因

花岗岩的成因与大陆地壳的演化存在密切的联系（Wyllie,1977; Rudnick,1995）。由于地幔岩浆分异不能直接形成长英质花岗岩，因此，具有正εHf(t)值的花岗岩基本上都是初生地壳再造的产物（Taylor and McLenna,1985；吴福元等，2007）。前人对冈底斯岩基的研究表明，其中、新生代花岗岩岩浆源区总体具有亏损特征，并将这一岩浆源区归结于自古生代以来形成的初生地壳（莫宣学等，2005；Chung et al.,2005; Chu et al.,2006; Ji et al.,2009a; Zhu et al.,2011）。

在t-εHf(t)关系图上，冈底斯岩基从晚三叠世到中新世花岗岩的锆石εHf(t)值总体呈降低分布，符合地壳演化趋势（图6）。但在古新世—始新世时期，部分花岗岩出现负的锆石εHf(t)值，指示其形成应有古老地壳组分参与。桑桑花岗质岩体形成于始新世，其锆石εHf(t)值也出现负值，因此，冈底斯岩基古新世—始新世时期形成的花岗岩普遍具有古老地壳组分参与成岩的印记。对于这种古老地壳组分的来源，朱弟成等（2012）认为可能是来自中部拉萨地块的古老基底，而Chu等（2011）则认为可能来自印度地壳，并选择亏损地幔（Marini et al.,2005）和印度地壳（Chauvel et al.,2008）作为二元混合的端元，对冈底斯岩基古近纪花岗质岩石进行模拟计算，结果表明，在亏损地幔源区内混入≤5%的印度地壳物质就能够很好的拟合该时期花岗质岩石的Nd-Hf同位素组成。本次采集的样品靠近Chu等（2011）所研究的闪长岩T153 （N30°7'48'' E85°24'36''），且该闪长岩的成岩年龄（=49.9 Ma）和锆石Hf同位素组成εHf(t)=-2.4～+4.5与桑桑花岗质岩体基本一致。另一方面，桑桑花岗质岩体位于冈底斯带南缘，考虑到印度-欧亚大陆碰撞以后地壳南北向收缩的影响，在其发生成岩作用的始新世时期距离中部拉萨地块还很远，故从地理位置上讲，中部拉萨地块基底岩石并不具备参与桑桑花岗质岩体成岩的条件。就冈底斯岩基古新世—始新世花岗岩而言，目前普遍认为是新特提斯洋板片俯冲—回转—断离这一连续动力学过程的产物（Wen et al.,2008; Ji et al.,2009a; Zhu et al.,2011; Jiang et al.,2014），基于以上原因，笔者认为，参与桑桑花岗质岩体成岩过程中的古老地壳组分应该来源于新特提斯洋关闭之后、印度-欧亚大陆碰撞开始后继续下插的印度地壳。Ji等（2009a）对冈底斯岩基新生代花岗质岩石的研究也得出这一认识。综上所述，桑桑花岗质岩体起源于初生地壳在后期热事件影响下的部分熔融，在成岩过程中有古老印度地壳物质参与。

5.2对构造演化的制约

在青藏高原的形成与演化历史中，最近一次开合事件是新特提斯洋盆的开启、消减和闭合及随后发生的印度-欧亚大陆碰撞（许志琴等，2011）。但是，对于印度-欧亚大陆碰撞的起始时间却一直存在着广泛争议，不同学者从不同学科限定的碰撞起始年龄介于65～34 Ma（Jaeger et al.,1989; Rowley,1998; Yin and Harrison,2000;莫宣学等，2005；Aitchison et al.,2007）。

从岩浆岩角度来看，由于弧型岩浆作用代表了大洋板片的俯冲，因而传统上以冈底斯岩基弧型岩浆作用结束的时间作为大洋板片俯冲停止和大陆碰撞起始的时间（Searle et al.,1987; Dewey et al.,1989）。基于此认识，早期人们将发现于始新世的具有弧型岩浆作用特征的花岗质岩石归于新特提斯大洋板片俯冲的产物，从而得出新特提斯洋俯冲一直持续到始新世（约40 Ma,Schärer et al.,1984）。但近年来研究发现冈底斯岩基中新世（18～10 Ma）花岗斑岩也具有弧型岩浆岩特征（Chung et al.,2003; Hou et al.,2004），如果按照以上说法，则表明新特提斯洋俯冲直到中新世还在继续，这显然不符合地质事实，因为随着大洋板片的消减和大陆板块的碰撞，密度较大且薄的大洋板片受到自身重力及附着于其后密度较小且厚的大陆板块浮力的影响，极易发生板片断离而进入软流圈地幔（Davies and von Blanckenburg,1995），即大洋板片不可能一直持续俯冲，因此，冈底斯中新世花岗斑岩所表现出的弧型岩浆岩特征应非大洋板片的俯冲所致。实际上，岩浆岩的弧型特征可以形成于不同的地质背景，只要在合适条件下源区熔融过程中残留金红石、钛铁矿等富含高场强元素（Nb、Ta、Ti等）的矿物，就会使岩浆亏损这些高场强元素而表现出弧型岩浆岩的特征（Ji et al.,2009b）。因此，弧型岩浆岩的结束并不能作为大洋板片俯冲的结束和大陆碰撞起始的标志。

如前所述，桑桑花岗质岩体具有古老印度地壳物质参与成岩的印记，结合其成岩年龄为54～49 Ma，表明印度-欧亚大陆碰撞的起始时间发生在54 Ma之前。目前已经普遍认识到，新特提斯大洋板片的俯冲经历了复杂的动力学过程，包括稳定的斜向俯冲、板片回转和板片断离等一系列事件（Ji et al.,2009b）。据此我们可以大致勾绘桑桑花岗质岩体的成岩过程：即在＞54 Ma，随着印度-欧亚大陆碰撞的开始，俯冲下插的大洋板片由于重力拖拽作用会与大陆板块脱离，造成软流圈上涌，由此诱发地幔楔熔融产生镁铁质岩浆，并底侵至初生地壳底部。在这一底侵事件带来热量的影响下，导致初生地壳部分熔融形成壳源岩浆。与此同时，碰撞后的印度大陆板块继续俯冲，在一定深度下熔融产生具负锆石εHf(t)值的富集熔体。该富集熔体上升混入初生地壳熔融形成的壳源岩浆中，随后经进一步的分异演化，即形成了桑桑花岗质岩体的母岩浆。

6　结论

（1）桑桑花岗质岩体的主体岩性为黑云母二长花岗岩，其锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为49～54 Ma，属始新世岩浆活动的产物。

（2）桑桑花岗质岩体具有亚碱、准铝、贫磷的特征，它们的A/NKC值均在1.10以下，P2O5含量均低于0.20%，属钙碱性I型花岗岩类。岩体均富Cs、Rb、Ba、Th、U、K、Pb和轻稀土，贫Nb、Ta、P与Ti，表现出弧岩浆岩的地球化学特征。

（3）桑桑花岗质岩体的锆石εHf(t)值变化较大，散布于正值和负值之间（=-4.24～+5.49），指示其形成存在不同来源物质的贡献。综合分析表明，桑桑花岗质岩体主要起源于初生地壳的部分熔融，但在成岩过程中有古老印度地壳物质的参与。

（4）桑桑花岗质岩体具有印度地壳物质参与成岩的特点，说明印度-欧亚大陆碰撞的起始时间应早于54 Ma。

致谢：本项研究得到许志琴院士的支持与指导，贺振宇博士和王建刚博士为本文提供了十分有益的修改意见，谨此一并表示衷心的感谢。

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Zircon U-Pb Agesand Hf Isotopic Compositionsofthe Sangsang Granitic Plutoninthe Middle Segmentofthe Gangdese Belt: Constraintsonthe Petrogenesisand Tectonic Evolution

WANG Ruiqiang,QIU Jiansheng*,YU Sibin,ZHAO Jiaolong
State Key Laboratory for Mineral Deposits Research,School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China

Abstract:To better understand the petrogenesis and tectonic implications of the Sangsang granitic pluton located in the western part of the middle segment of the Gangdese belt,we have conducted an integrated study of the geochronology,elemental geochemistry,and zircon Hf isotopic compositions of the granitic pluton.Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating for the Sangsang granitic rocks yields ages of 49～54 Ma,indicating that they were emplaced during Eocene.Chemically,all the rocks are subalkaline,metaluminous and poor in phosphorus (A/NKC＜1.10，P2O5＜0.20%),thus can be grouped into calc-alkaline I-type granites.They are enriched in Cs,Rb,Ba,Th,U,K,Pb and LREE,and depleted in Nb,Ta,P,Ti,showing the geochemical characteristics of arc magmatic rocks.The granitic rocks have variable zircon ε(Hf)(t) values which are scattered from positive to negative values (=-4.24～+ 5.49),implying that different source components have contributed to magma genesis.The integrated petrologic,elemental and isotopic compositions suggest that the Sangsang granitic rocks were mainly originated by partial melting of juvenile crust,with some ancient crustal materials involved in theirbook=82,ebook=85petrogenesis.In combination with the regional tectonic setting,the authors suggest that the ancient crustal components were likely derived fromthesubducted Indiacrust,andherebyinferredthattheinitialtimeofthe India-Eurasiacollisionshouldbeearlierthan54 Ma.

Key words:granitic pluton; Hf isotopic compositions; petrogenesis; India-Eurasia collision; Sangsang,Xi’gaze

Corresponding author:QIU Jiansheng,Professor; E-mail: jsqiu@nju.edu.cn

*通讯作者：邱检生，男，教授，主要从事火成岩岩石学方面的研究；E-mail: jsqiu@nju.edu.cn

作者简介：王睿强，男，博士研究生，岩石学专业；E-mail: vickwrq2008@163.com

基金项目：中国地质调查局工作项目（12120114057401）；国家自然科学基金项目（41572041）联合资助

收稿日期：2015-09-26；修回日期：2015-10-07

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015194

中图分类号：P588.12

文献标识码：A

文章编号：1006-7493（2016）01-0081-11