青海南祁连晚奥陶世火山岩LA-MC-ICPMS锆石U-Pb年龄及其地球化学特征

白旭东，杨波，赵忠国，欧阳光文，张志青，郝呈禄

(青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室，青海省地质调查院，青海 西宁 810012)

祁连造山带位于青藏高原东北缘，通常被划分为北、中、南3个构造带(冯益民等，2002)，寒武纪—早奥陶世在中—南祁连地区开始进入裂谷体制构造演化阶段，在晋宁期陆壳基底上(夏林圻，1996)，开裂成一系列的火山盆地，形成拉脊山构造带(左国朝，2001)，呈北西—南东向展布。其中东部拉脊山地区开裂最为强烈，为一套形成于大陆板内裂谷拉伸环境的火山岩系(夏林圻，2015)，在西部甘肃境内党河南山等地形成的火山盆地规模有限，为一套具岛弧及活动大陆边缘性质的中基性火山岩组合(赵虹，2004；冯备战，2006)。

在拉脊山构造带中部出露了一套以中酸性火山碎屑岩为主夹火山熔岩及少量沉积岩的地层序列，该套地层呈北西—南东走向展布，向西北可延至甘肃肃北县白石头沟一带，向东南可延至沙柳河一带，以往研究程度较低。20世纪60～80年代开展的1∶20万区域地质调查时进行了有限的研究，其划分和时代归属有不同的见解，有归属前震旦纪的，也有归属早志留世或寒武纪的。孙崇仁(1995)建立“多索曲组”代表该套地层，建组时将其时代归属于晚奥陶世—志留纪；青海省地质局(1997)依其与中奥陶世盐池湾组整合接触关系，暂将其归属晚奥陶世，但都缺少直接时代依据。

由于工作程度相对薄弱，对该套火山-沉积地层至今未见地球化学和成岩时代方面的系统研究，直接影响到对其归属及构造格局的正确厘定，极大地妨碍了对该地区地质发展史的深入了解。笔者报道了在开展1∶5万区域地质调查过程中，首次在南祁连中部火山岩中应用LA-MC-ICPMS方法进行锆石微区测年，并结合对火山岩岩石学、岩石地球化学特征的研究，探讨其成因和形成的大地构造环境，为中南祁连早古生代火山岩的研究提供新的资料。

1 区域地质特征

研究区位于秦祁昆造山系—中南祁连弧盆系，南祁连岩浆弧中部(潘桂堂，2002)。该区域多索曲组火山岩露头较好，出露较完整，呈北西—南东向展布(图1)，出露面积约50km2, 与中奥陶世盐池湾组呈整合接触，与二叠纪巴音河群、三叠纪郡子河群、默勒群呈不整合或断层接触。在其南侧为志留纪巴龙贡噶尔组出露区，其北侧木里一带出露早奥陶世吾力沟组、奥陶纪花岗岩以及少量超镁铁质岩。

2 火山岩特征

2.1 岩石特征

南祁连晚奥陶世火山岩的主要岩石类型为玄武岩、玄武安山岩、安山岩、英安岩等。

玄武岩呈灰绿色-灰紫色，块状构造、杏仁状构造，斑状结构，基质具间粒结构，岩石由斑晶和基质组成。斑晶成分为斜长石、辉石，斜长石切面形态呈板状自形晶、半自形晶，辉石全部被绿泥石、方解石及绿帘石的集合体交代，保留自形柱状晶或自形粒状晶的结晶形态。基质由斜长石、辉石、不透明矿物组成，其中斜长石微晶呈柱状晶，杂乱分布，具较强的黏土化蚀变。辉石呈粒状晶，全部被绿帘石、绿泥石、方解石交代，与不透明矿物一起呈充填状分布在斜长石微晶构成的间隙中，形成间粒结构。

玄武安山岩呈灰色、灰绿色，块状构造，斑状结构、残余交织结构，岩石由斑晶和基质组成，斑晶成分为斜长石，呈板状，斜长石斑晶具弱-中等绢云母化、弱的绿帘石化和方解石化，基质已绢云母化、褐铁矿化，只偶见细板条状斜长石似具交织结构状，原岩可能为玻基交织结构。

安山岩呈灰绿色、灰紫色，块状构造、杏仁状构造，斑状结构，基质具玻晶交织结构，岩石由斑晶、基质和杏仁组成。斑晶成分为斜长石、普通角闪石，斜长石呈板状自形晶、半自形晶，具强黏土化蚀变，伴绢云母化或帘石化蚀变，普通角闪石色泽呈黄褐色，纵切面呈柱状，断面呈六边形或菱形状。基质由斜长石微晶、普通角闪石、玻璃质组成，斜长石微晶呈柱状，具黏土化、绢云母化蚀变，在玻璃质间呈半定向排列，形成玻晶交织结构。

英安岩呈灰色、灰紫色，块状构造，板状结构、微晶-隐晶结构，岩石由斑晶和基质组成。斑晶主要为石英、斜长石、黑云母,石英呈他形粒状-半自形晶粒状，半自形者呈多边形断面有的有被基质溶蚀成港湾状外形者。斜长石呈细形-半自形板状，受强烈绢云母化伴有隐晶帘石化，黑云母呈片状，沿解理受绿泥石化，白云母化。基质为长英质微晶、黑云母、磁铁矿，有较强烈的绢云母化，伴有隐晶帘石化，黑云母呈片状，已绿泥石化、白云母化。

1.地质界线；2.平行不整合界线；3.角度不整合界线；4.断层；5.采样位置及编号Q；第四系；TM.默勒群；TJZ.郡子河群；PB.巴音河群；Sb.巴龙贡噶尔组；O2y.盐池湾组；O3d.多索曲组；Ⅱ-6.阿拉善陆块；Ⅳ-1.北祁连弧盆系；Ⅳ-2.中-南祁连弧盆系；Ⅳ-2-1.中祁连岩浆弧；Ⅳ-2-2.党河南山-拉鸡山蛇绿岩混杂带；Ⅳ-2-3.南祁连岩浆弧；Ⅳ-2-4.宗务隆山-沟里-冈察陆缘裂谷；Ⅳ-3.全吉地块；Ⅳ-5.柴北缘结合带；Ⅳ-6.柴达木陆块；Ⅳ-8.东昆仑弧盆系；Ⅳ-10.秦岭弧盆系图1 多索曲地区区域地质略图Fig.1 Geological sketch map of the regional geology of the Duosuoqu area

2.2 剖面及火山-沉积韵律特征

在多索曲南部测制了地质剖面(图2)，剖面全长3.96km，其南部与下伏中奥陶世盐池湾组整合接触，北侧与上覆早三叠世江河组呈断层接触，控制厚度大于2 640m。

1.复成分砾岩；2.长石石英砂岩；3.长石砂岩；4.岩屑长石砂岩；5.粉砂岩；6.泥岩；7.硅质岩；8.白云岩；9.泥晶灰岩；10.板岩；11.集块岩；12.晶屑角砾凝灰岩；13.凝灰角砾岩；14.晶屑凝灰岩；15.岩屑凝灰岩；16.玄武岩；17.安山岩；18.英安岩；19.盐池湾组；20.多索曲组；21.江河组；22.逆冲断层图2 天峻县多索曲南一带多索曲组地质剖面图Fig.2 Geological section sketch of Duosuoqu Group in the south of Duosuoqu area，Tianjun County

多索曲组以火山碎屑岩为主，伴有少量熔岩和沉积岩，在剖面上可划分出15个韵律，岩相变化一般为沉积相—爆发相—溢流相—沉积相，具有喷出期次多、规模小的特点。火山活动具有弱—强—弱的特征，整体特征显示多索曲组为一套岩浆弧火山岩系(刘肇昌，1985)。

3 火山岩LA-MC-ICPMS锆石U-Pb年代学

为了获得多索曲组火山岩的形成时代，分别在多索曲北以及错尕尔当湖南2个不同层位采集了ⅡPM304U-Pb28-1和ⅡU-Pb4397两件同位素样品，采样点经纬度为37°58′55″N，99°09′56″E ；38°03′20″N，98°57′20″E，样品岩性为安山岩和英安岩。

3.1 测试方法

野外采集了岩石蚀变较弱、相对较新鲜的火山岩样品，重量约15kg，锆石的挑选由河北省廊坊区域地质调查所实验室完成。采用常规方法进行粉碎，并用浮选和电磁选方法进行分选，然后在双目镜下挑选晶形和透明度较好的锆石颗粒，并对其打磨和抛光。锆石U-Pb测年工作在天津地质矿产研究所同位素实验室利用激光烧蚀多接收器等离子体质谱法(LA-MC-ICPMS)完成(李怀坤，2009)。

3.2 测试结果

测试的锆石形态多呈半自形-自形柱状，有少量的浑圆状锆石，长度多变化于80～220μm，宽度一般为50～100μm，长宽比一般为1.5∶1～4∶1。在锆石的阴极发光照片中(图3)，锆石具有清晰的振荡环带结构和规则的条带状结构，且Th/U值在0.06～1.28(表1、表2)，大多数在0.4以上，主体具有岩浆锆石的特征。

样品ⅡPM304U-Pb28-1中共25个分析点，206Pb/238U年龄中15和22两个点明显偏高，偏离了主锆石群，考虑剔除，其余23个分析点位于U-Pb谐和线上或其附近，年龄在444～451Ma(图4),其加权平均值为(449.5±1.8)Ma(MSWD=0.114)，代表安山岩形成的时代。

样品ⅡU-Pb4397中共25个分析点，206Pb/238U年龄变化范围小，成群分布，年龄在444～452Ma(图4)，其加权平均值为(449.9±1.5)Ma(MSWD=0.33),代表英安岩形成的时代。

由此可见，来自两个不同层位的样品都显示了近似的年龄(449.9～449.5Ma)，该年龄代表了多索曲组火山岩的岩浆结晶时间，其为南祁连岩浆弧火山活动提供了重要的年代学依据。

4 岩石地球化学特征

在多索曲组火山岩中采集不含角砾和岩屑、未蚀变或弱蚀变的新鲜火山岩9件样品进行主量元素、微量元素和稀土元素分析。由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心分析测试(表3)。

4.1 常量元素特征

岩石的SiO2含量变化较大(51.41%～64.24%)，在硅碱分类图(TAS)图解上(图5a)投到玄武岩、玄武安山岩、安山岩和英安岩区域内；Al2O3含量较高，为15.2%～18.41%,平均为16.8%；TiO2含量为0.54%～1.01%，平均为0.77%，明显区别于MORB和OIB，而与岛弧火山岩接近。MgO含量为1.63%～6.47%，平均为3.6%；Na2O+K2O为3.97%～6.09%，平均为5.26%；K2O/Na2O为0.08～0.49，平均为0.31，低钾富钠。里特曼指数为0.92～2.73，平均为1.91。在AFM图解中(图5b)样品显示为钙碱性系列。整体显示出岛弧钙碱性火山岩的特点。

4.2 稀土元素特征

多索曲组火山岩稀土总量较高，ΣREE为69.49×10-6～161.61×10-6，平均为119.20×10-6；轻、重稀土比值LREE/HREE为5.13～12.65，平均为9.56；(La/Yb)n为5.06～15.5，平均为11.0；(La/Sm)n为2.53～4.52，平均为3.83；(Gd/Yb)n为1.54～2.05，平均为1.8。轻重稀土元素分异程度较高,在岩石对原始地幔标准化配分模式图(图6)中,均表现为右倾的轻稀土元素(LREE)富集型，Eu弱正异常至弱负异常，δEu为0.83～1.12，平均为0.92，说明斜长石分离结晶不明显。

4.3 微量元素特征

在岩石对微量元素原始地幔标准化蛛网图上(图7)，多索曲组火山岩的大离子亲石元素Sr、Rb、Ba和不相容的高场强元素Th、U变化范围较大，相对富集，亏损Ta、Nb、P、Ti，强相容元素Ni、Cr丰度更低，指示其具有岛弧环境下形成的特征，并可能有古大洋板片俯冲作用的存在,而Ti和P的负异常还可能与钛铁矿和磷灰石的分离结晶作用有关(李昌年，1991)。

图3 多索曲组火山岩锆石阴极发光图像和分析点的位置图Fig.3 CL images and analytical spots of zircons from volcanic rocks in Duosuoqu Group

表1 多索曲组安山岩(IIPM304U.Pb28.1)锆石LA-MC-ICPMS U-Pb同位素测定数据表Tab.1 LA-MC-ICPMS zircon U-Pb isotopic analysis of the andesite(IIPM304U.Pb28.1)in Duosuoqu Group

表2 多索曲组英安岩(IIU.Pb4397)锆石LA-MC-ICPMS U-Pb同位素测定数据表Tab.2 LA-MC-ICPMS zircon U-Pb isotopic analysis of the dacite(IIU.Pb4397)in Duosuoqu Group

图4 多索曲组火山岩锆石U-Pb谐和图Fig.4 U-Pb concordia diagram of zircons from volcanic rocks in Duosuoqu Group

Pc.苦橄玄武岩；B.玄武岩；O1.玄武安山岩；O2.安山岩；O3.英安岩；R.流纹岩；S1.粗面玄武岩；S2.玄武质粗面安山岩；S3.粗面安山岩；T.粗面岩、粗面英安岩；F.副长石岩；U1.碱玄岩、玄岩；U2.响岩质碱玄岩；U3.碱玄质响岩；Ph.响岩；Ir.分界线，上方为碱性，下方为亚碱性图5 (a)多索曲组火山岩的TAS图解和(b)AFM图解Fig.5 (a)TAS and (b)AFM diagrams of the Duosuoqu Group volcanic rocks

图6 多索曲组火山岩球粒陨石标准化稀土元素配分图解Fig.6 Chondrite-normalized rare earth element diagrams of volcanic rocks in Duosuoqu Group

图7 多索曲组火山岩原始地幔标准化蛛网图Fig.7 Primitive mantle-normalized trace element variation diagrams of volcanic rocks in Duosuoqu Group

样品XT4396PM401XT25⁃2PM401XT25⁃1pm602XT12⁃1pm304XT28⁃1XT3435PM401XT10⁃1PM401XT18⁃1XT4397岩石玄武岩玄武安山岩玄武安山岩玄武安山岩安山岩安山岩安山岩安山岩英安岩SiO2514152405358546462455912626760376420TiO2083096101085072054072079073Al2O317161812184116771598170415821753152Fe2O3212549520462434244477487490FeO650203222407155335115105068MnO01801501201301011011012005MgO647501409447235319331268163CaO656666585601439516365358350Na2O342372382394402497310475419K2O055134152052197038115131186P2O5017037038024027021021025023H2O+4023193328156270263222161CO2038032051022006057043020096Total997799769971997699769978997299729974La133310323171278138228330295Ce259668631324537272414619543Pr314810795419608326511722637Nd148332325167225132194270240Sm330566579342406271369458433Eu115159157103106086105118108Gd283492449306355246298357326Tb055074071044048038046053049Dy334395387273267215258275255Ho0670760710539051045049051048Er224214196153147131139138129Tm034036031021022019021022021Yb177210198148142129132148128Lu027029028022021020020022019Y177210192148147125133140128ΣREE735816161157438505125686949103131454512918LREE/HREE5139591001733109472597112641225

续表3

样品XT4396PM401XT25⁃2PM401XT25⁃1pm602XT12⁃1pm304XT28⁃1XT3435PM401XT10⁃1PM401XT18⁃1XT4397岩石玄武岩玄武安山岩玄武安山岩玄武安山岩安山岩安山岩安山岩安山岩英安岩δEu112090090095083100093086084(La/Yb)n50699511007761315723116815021549(La/Sm)n253345350313430321389452428(Gd/Yb)n129189183167201154183195205La/Nb268235296262239248192265251K2O/Na2O016036040013049008037028044δ187272270171184178092211173Sr48578217871506157545671756781875189Rb1142712998940252271299524Ba33455437284615472953578715767227804Th239412371304948285561742901Ta034154074079092048092094092Nb497132010916521164557118612441177Zr7371410143287414031036125320221459Hf232469372291411296334461375Sc342171152217144162121117127Cr536503374588718391987400726Co295233205272176197174161135Cu3841608741983396764536Zn77613011031927580649968730518Pb555142184140256302171167121U060102091102309095143183263Ni209231238356324172245252346V25616116221110812310511988

注：主量元素含量为10-2，微量元素和稀土元素含量为10-6。

5 构造环境分析

上述研究表明，多索曲组火山碎屑岩与熔岩和沉积岩相伴产出，且以火山碎屑岩为主，这种强烈的爆发作用与弧火山活动的特征相一致。火山岩岩石地球化学特征显示，该套火山岩为一套钙碱性系列组合，化学成分以高Al2O3、低TiO2为特征，具有相对富集大离子亲石元素(Sr、Rb、Ba)和不相容的高场强元素(U、Th)以及轻稀土元素(La、Ce),亏损Ta、Nb、P、Ti以及强相容元素Cr、Ni特征。稀土总量较高，轻重稀土元素分异程度较高，表现为右倾的轻稀土元素(LREE)富集型，Eu弱正异常至弱负异常。

活动大陆边缘区火山岩La/Nb值普遍较高(La/Nb>2),研究区火山岩的La/Nb为1.92～2.96，平均为2.52，明显具有活动大陆边缘/岛弧区火山岩的特征。在Th-Hf/3-Nb/16判别图解中,该组火山岩全部落入岛弧钙碱性玄武岩区域内，这与微量和稀土元素的研究结果相一致。在微量元素Th/Yb- Ta/Yb构造环境判别图解(图8b)中, 投影点大部分落在活动大陆边缘岛弧火山岩区域。

已有研究表明：拉脊山地区在寒武纪至奥陶纪期间，曾经历过从大陆裂谷经陆间裂谷(小洋盆)和火山弧到造山带的构造演化(邱家骧，1995；邓清禄，1995)，其俯冲增生造山作用在晚奥陶世时期依然存在，可能持续到志留纪末期(闫臻，2012)。因此，该套火山岩应为拉脊山构造带向南俯冲，造成的陆缘弧火山活动的产物。

A.N-MORB；B.E-MORB和板内玄武岩；C.板内碱性玄武岩；D.火山弧玄武岩；IAT.岛弧拉斑玄武岩；ICA.岛弧钙碱性玄武岩；SHO.岛弧橄榄玄武岩；TH.拉斑系列；ALK.碱性系列；WPB.板内玄武岩；TR.过渡型玄武岩；MORB.洋中脊玄武岩图8 (a)多索曲组火山岩Th-Hf/3-Nb/16及(b)Th/Yb-Ta/Yb图解Fig.8 (a)Th-Hf/3-Nb/16 and (b)Th/Yb-Ta/Yb diagrams of volcanic rocks in Duosuoqu Group

6 结论

(1)采用LA-MC-ICPMS锆石U-Pb定年方法，在多索曲组火山岩中首次获得206Pb/238U年龄加权平均值为(449.9±1.5)Ma、(449.5±1.8)Ma，确定该套火山岩形成于晚奥陶世。

(2)多索曲组为一套以火山碎屑岩为主夹基性-中酸性火山岩及正常沉积岩的较复杂岩石组合，岩石类型从玄武岩、玄武安山岩、安山岩到英安岩均有出露，其化学成分演化较明显，显示较完整的火山岩浆演化序列。

(3)多索曲组火山岩为典型的钙碱性系列组合，化学成分以高Al2O3、低TiO2为特征，具有相对富集大离子亲石元素(Sr、Rb、Ba)和不相容的高场强元素(U、Th)以及轻稀土元素(La、Ce),亏损Ta、Nb、P、Ti以及强相容元素Cr、Ni。稀土总量较高，轻重稀土元素分异程度较高，表现为右倾的轻稀土元素(LREE)富集型，Eu弱正异常至弱负异常。

(4)综合判断认为，南祁连晚奥陶世火山岩形成于活动大陆边缘/岛弧环境，为残余洋盆闭合阶段的产物，标志着拉脊山小洋盆由俯冲造山向陆陆碰撞造山转化。

致谢：野外工作和研究过程中得到青海省地质调查院王秉璋博士、祁生胜博士、郭通珍高级工程师的指导，中国地质科学院力学研究所胡道功教授对论文初稿提出了宝贵的意见，在此一并表示诚挚的谢意！

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