西藏班戈地区后碰撞花岗岩岩石成因及其对班公湖—怒江缝合带演化的约束

鲁洪涛，黄维平，刘振宇，郑 明，李海峰

1. 中国地质科学院矿产资源研究所 成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；2. 吉林省地质调查院，吉林 长春 130102；3. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083

0 引言

班公湖—怒江缝合带(以下简称班怒带)是拉萨地体与羌塘地体的分界线(图 1a)，班怒带两侧分布的大量中生代岩浆岩常被用来研究还原班怒带构造演化过程[1-2]。雪如岩体地理位置位于西藏班戈县以南20 km，大地构造位置位于班怒带中段南侧班戈岩浆弧中部(图 1a)。目前对雪如岩体的研究工作存在两点不足：一是对雪如岩体的岩石成因及构造环境的判别尚存在争议，二是对于雪如岩体的成岩条件(温压、氧逸度)缺乏研究。本文对雪如岩体开展了地质年代学、锆石微量元素及全岩地球化学的研究工作，旨在查明雪如岩体的形成时代、岩石成因、成岩条件及构造背景，进而约束班怒带中段的演化过程。

图1 西藏班戈地区雪如岩体地质简图(图a据[3])Fig.1 Geological sketch map of the Xueru Rocks in Bange area，Tibet

1 地质背景

班公湖—怒江缝合带位于青藏高原中部，是班公湖—怒江洋洋盆闭合过程中北拉萨地体与南羌塘地体碰撞拼合的产物[3]。缝合带中地层主要出露有侏罗系木嘎岗日群(JM)、上侏罗统—下白垩统沙木罗组(J3K1s)、上白垩统竟柱山组(K2j)等。木嘎岗日群岩性主要为玄武岩、硅质岩、灰岩等，沙木罗组岩性主要为灰岩，竟柱山组岩性主要为粗碎屑岩。缝合带内出露的岩浆岩主要有晚二叠世至早三叠世的蛇绿混杂岩、早白垩世OIB型玄武岩和去申拉组火山岩以及白垩纪的花岗质侵入岩。

研究区出露地层主要有上白垩统竟柱山组(K2j)，下白垩统朗山组(K1l)和多尼组(K1d)。竟柱山组岩性主要为砾岩、砂岩，朗山组为碳酸盐岩，多尼组岩性主要为砂岩、砾岩。侵入岩发育有晚白垩世二长花岗岩、早白垩世中晚期二云二长花岗岩及早白垩世中期花岗闪长岩。雪如岩体呈椭圆状近东西向展布，南北两侧与下白垩统朗山组呈侵入接触，北侧与上白垩统竟柱山组呈角度不整合接触(图 1b)。雪如岩体主要由二长花岗岩组成。二长花岗岩呈中细粒—粗粒结构和似斑状结构，块状构造。斑晶主要由碱性长石(约10%)和石英(约5%)等组成，粒径一般5～15 mm。基质中主要矿物为石英、斜长石、碱性长石、黑云母等。

2 样品采集、加工、测试

本文样品采集位置见图1b。测试工作包括锆石U-Pb定年、锆石微量元素分析、全岩地球化学分析。锆石测年及锆石微量元素分析样品为似斑状二长花岗岩(17BGA04-3)。全岩地球化学分析样品为雪如岩体中中细粒二长花岗岩(17BGA18-2)、粗粒二长花岗岩(17BGA18-7)及似斑状二长花岗岩(17BGA04-2、17BGA19-5、17BGA20-2、17BGA28-2)。样品粉碎、锆石挑选、制靶照相工作由北京锆年领航科技有限公司完成，锆石U-Pb测年和锆石原位微量元素测试均在中国地质大学(北京)进行。全岩地球化学分析在澳实分析检测(广州)有限公司完成。

3 分析结果

3.1 锆石LA-ICP-MS测年

二长花岗岩中的锆石阴极发光CL图像见图2a，锆石颗粒晶型比较完整，多为灰黑色，大多呈长柱状，长轴80～150 μm，短轴50～90 μm，大部分发育明显的震荡环带结构，少数发育核幔结构。锆石U-Pb定年结果显示(表1)，锆石中Th质量分数为270×10-6～3 872×10-6，U质量分数351×10-6～2 315×10-6，Th/U平均比值为0.48(小于1)。综上表明锆石为岩浆成因[4]。18个测点中，因测点04、09谐和度较差故排除该两点，有效测点16个，最终206Pb/238U加权平均年龄为(76±1)Ma(MSWD=0.81)(图 2b)，表明其结晶年龄为晚白垩世晚期。

图2 雪如岩体似斑状二长花岗岩17BGA04-3的锆石阴极发光图像(a)及U-Pb年龄谐和图和加权平均年龄(b)Fig.2 Zircon CL photos(a)，zircon U-Pb dating concordia diagram and weighted average ages diagram(b) from 17BGA04-3 of monzonitic granite in Xueru rocks

3.2 锆石稀土、微量元素

锆石稀土元素总量(∑REE)为436×10-6～2 307×10-6，均值为772×10-6。稀土配分模式图(图 3a)表现为亏损LREE、富集HREE的明显左倾型。LREE/HREE=0.05～0.59(均值为0.13)，LaN/YbN=0.000 1～0.156(均值为0.015 4)，轻重稀土元素分馏明显。锆石微量元素分析结果显示见表2。Th、U、Hf元素富集，而Ti、La、Ce亏损，锆石微量元素蛛网图见图3b。

3.3 全岩地球化学

岩石样品全岩地球化学分析结果 (表 3)，SiO2质量分数为72.25%～76.15%，平均为74.05%；全碱(Na2O+K2O)质量分数介于7.70%～8.51%之间，平均为8.11%。TAS图解中，所有样品均落在花岗岩范围内(图 4a)；里特曼指数σ=2.01～2.26(平均2.09)，为钙碱性花岗岩，根据SiO2-K2O图解(图 4b)进一步确认其高钾钙碱性的特征。铝饱和指数A/CNK=0.96～1.04，A/CNK-A/NK图解(图 4c)显示其为准铝质-弱过铝质花岗岩。二长花岗岩稀土元素总量(ΣREE)为198.39×10-6～256.34×10-6，均值为200.39×10-6，稀土配分模式图表现出明显的右倾型(图 5a)，且LREE/HREE=12.28～20.63，LaN/YbN=10.04～30.70，为轻稀土富集型花岗岩，Eu表现出中等负异常(δEu=0.37～0.58)。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 5b)显示，大离子亲石元素(Rb、Ba、Th、U、K)相对富集，高场强元素(Nb、Ta、P、Ti)相对亏损。

图3 二长花岗岩锆石稀土元素球粒陨石标准化配分图解(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)Fig.3 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a) and primitive-mantle-normalized trace elements spider diagrams(b) of zircon from monzonitic granite

表2 西藏班戈县雪如岩体二长花岗岩(17BGA04-3)LA-ICP-MS锆石微量元素分析结果

Table 2 Zircon trace elements (10-6) from the Xueru monzonitic granite (17BGA04-3) in Bange County，Tibet

编号12345.06789101112131415Ti5.425.752.515.3211.90.322.0313.03.003.911.519.151.671.322.15Sr0.270.590.101.150.10.090.100.20.240.200.266.267.740.600.03Y975631592890325 2697542113 5791521921126 5461893573Nb5.665.084.046.8210.34.264.042.45.822.595.055.413.117.954.07La0.274.100.044.870.10.480.630.01.590.680.661.2241.904.190.00Ce55.453.640.768.4153.639.631.226.241.736.368.762.5115.351.043.4Pr0.180.800.051.441.00.190.210.10.510.150.270.4311.960.980.03Nd2.393.521.077.9314.51.241.793.12.832.222.394.7451.035.251.28Sm3.362.251.703.8625.42.631.606.02.922.583.995.529.982.451.54Eu0.900.550.421.156.50.490.451.60.530.791.401.751.130.610.46Gd19.310.029.1815.88103.212.478.0824.513.169.7420.629.213.7214.198.82Tb6.633.383.315.4229.34.193.108.54.783.316.819.123.164.583.23Dy78.541.942.167.0322.354.536.6100.757.340.478.810635.761.341.0Ho31.018.1717.8226.61111.522.1915.6037.123.9816.530.541.512.9326.3916.73Er1459590137471.210781166.5120801391897013585Tm32.223.7821.8932.6993.024.2020.6035.228.3017.830.440.717.0833.2120.86Yb317265.8236.1352.5823.1249.0226.2329.8303.9183301.9390192.8356.0230.2Lu65.465.2055.2679.75152.954.9155.9066.170.7842.371.383.446.1684.0654.89Hf9 76110 19010 42510 2317 25710 26110 3197 944.110 6849 0739 6377 73610 18310 83310 016Ta2.551.841.842.482.72.001.520.82.021.102.011.871.342.851.39Pb9.3211.6712.0112.2112.59.1410.513.214.143.5713.3015.308.6315.8511.31Th453446504478106360341178.65191335871044294599465U560723769772594.7559667184.19102138126165451052712ΣREE757588519805230 8573483805672436756965623779508LREE62654488201453637504377762316447HREE695523475717210 6528447768622394679889392715461LREE/HREE0.090.120.090.120.100.090.080.050.080.110.110.090.590.090.10(La/Yb)N0.000.010.000.010.000.000.00∗0.000.000.000.000.160.01∗

注：*表示无法取值(La含量为0),微量元素为×10-6

表3 西藏班戈县雪如岩体二长花岗岩主量元素(%)、稀土元素(×10-6)和微量元素(×10-6)分析结果

Table 3 Analysis results of major elements(%)，REE(×10-6) and trace elements(×10-6) of the Xueru monzonitic granite in Bange County,Tibet

样品17BGA042 17BGA19517BGA20217BGA28217BGA18217BGA187样品17BGA04217BGA19517BGA20217BGA28217BGA18217BGA187SiO273.6172.2573.4774.1676.1574.68Lu0.300.360.260.210.300.36TiO20.330.390.310.260.170.28Y17.1021.4016.4012.7017.1021.40Al2O313.1813.2813.3013.2612.5113.09ΣREE256.34243.43231.30198.39131.34210.62FeO1.291.361.051.140.780.74LREE244.49229.42220.02189.45121.45197.49Fe2O30.871.010.990.880.450.44HREE11.8514.0111.288.949.8913.13MnO0.030.060.050.050.040.04LREE/HREE20.6316.3819.5121.1912.2815.04MgO0.630.810.600.440.270.43LaN/YbN25.7719.0426.1030.7010.0416.52CaO1.441.711.421.240.971.43YbN10.5312.769.126.9412.3512.82Na2O3.233.193.143.113.553.20δEu0.580.590.600.620.380.49K2O4.634.514.715.174.965.26Y/Yb9.609.9010.6010.807.809.90P2O50.120.140.110.100.040.08Li104.5075.3087.4081.7027.3036.70LOl0.840.530.650.470.460.41P523.75611.04480.11436.46174.58349.17Total100.2099.2099.80100.30100.40100.10Sc5.807.305.505.405.906.40N/K0.700.710.670.600.720.61Ti1 978.352 338.051 858.451 558.701 019.151 678.60A/CNK1.021.001.041.020.960.97V28.0033.0024.0018.009.0018.00Mg#35.1938.9235.5228.8628.8540.35Cr13.0013.0013.0010.008.0013.00R12 6072 5512 6152 5652 6142 569Co2.003.502.902.101.301.70R2444484443415363431Ni3.003.202.902.401.601.80σ2.022.032.022.202.182.26Cu1.501.700.8019.201.305.20DI87.2185.0587.3389.0893.7291.04Zn23.0031.0030.0020.0022.0017.00La64.3057.6056.4050.5064.3057.60Ga18.5517.7017.7017.2016.6017.80Ce121.50112.00109.5092.10121.50112.00Rb368.00309.00343.00360.00402.00347.00Pr12.4512.0011.059.5812.4512.00Sr197.00221.00226.00180.0070.40166.00Nd39.4040.6036.5031.6039.4040.60Zr182.00219.00150.00147.00123.00180.00Sm5.936.215.654.875.936.21Y17.1021.4016.4012.7016.3021.50Eu0.911.010.920.800.911.01Nb17.7020.0015.6018.1021.7022.20Gd3.874.443.903.173.874.44Cs15.9016.9512.8511.8516.106.18Tb0.550.620.520.420.550.62Ba252.00328.00259.00262.0067.00243.00Dy2.883.442.742.132.883.44Hf5.406.004.304.504.405.30Ho0.560.690.520.400.560.69Ta1.802.502.001.602.602.40Er1.651.971.561.261.651.97Pb35.0027.4032.6037.2034.2027.60Tm0.250.320.230.170.250.32Th42.7038.3038.8035.6041.9037.20Yb1.792.171.551.181.792.17U8.095.037.219.423.785.28

注：N/K=Na2O/K2O(wt%)；A/CNK=Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)(mol)；Mg#=100×Mg/(Mg+Fe)(mol)；

σ=(Na2O+K2O)2/(SiO2-43)(wt%)；DI=Qz+Or+Ab+Ne+Lc+Kp。

图4 二长花岗岩TAS图解(a)、SiO2-K2O解(b)、A/CNK-A/NK图解(c)、YbN-(La/Yb)N图解(d)(据[5])Fig.4 TAS diagram(a),SiO2- K2O diagram(b), A/CNK-A/NK diagram(c), YbN-(La/Yb)N diagram(d) of monzonitic granite

图5 二长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分图解(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a) and primitive-mantle-normalized trace elements spider diagrams(b) of monzonitic granite

4 讨论

4.1 岩石形成年龄、成因及成岩过程

雪如岩体根据岩性可分为三种花岗岩：中细粒二长花岗岩、中粗粒斑状二长花岗岩和似斑状二长花岗岩。前两者岩石分别成岩于(79.25±1)Ma和(79.72±0.51)Ma[6]，而本文通过锆石U-Pb定年，结果为(76±1)Ma，其结晶年龄较之稍晚。

本文二长花岗岩A/CNK=0.96～1.04(小于1.1)，说明二长花岗岩为I型花岗岩[7]。而ACF图解(图 6a)和Th-Rb图解(图 6b)，进一步确认其为I型花岗岩类型。综上，二长花岗岩为I型花岗岩。

岩石微量元素比值显示，二长花岗岩Zr/Hf比值为27.95～36.50(平均33.28)，接近于中地壳比值(33.9)[8]，Rb/Cs比值为18.23～56.15(平均29.93)，接近于中地壳比值(30)[8]，Th/U比值为3.78～11.05(平均6.70)，高于下地壳的Th/U比值(6.00)[8]。以上微量元素比值表明雪如岩体来源于中地壳。La /Ta 值大于25代表存在地幔物质的混染[9]，本文La /Ta为23～35. 7(均值27.9)，说明源区受到少量的幔源物质混染。

实验熔融曲线(La/Yb)N-YbN图解(图 4d)所示，源区残留相为斜长角闪岩相。微量元素蛛网图(图5b)显示Ti元素亏损，指示岩浆源区可能富含流体，流体可能是早期俯冲到深部的洋壳板片释放的流体[10]。在Rb/Sr-Sr图解(图6c)和Ba-Sr图解(图6d)中，二长花岗岩分别沿着角闪石、斜长石的分离结晶趋势分布，说明岩浆结晶过程中发生过角闪石、斜长石的分离结晶作用。综上，中地壳物质在早期俯冲洋壳释放的流体作用下，发生部分熔融，源区残留相为斜长角闪岩相，岩浆结晶过程中发生斜长石、角闪石的分离结晶作用，最终形成雪如二长花岗岩。

图6 二长花岗岩ACF图解(a)和Th-Rb图解(b)(据[11])、Ba-Sr图解(c)和Rb/Sr-Sr图解(d)(据[12])Fig.6 ACF diagram(a) and Th-Rb diagram(b), Ba-Sr diagram(c) and Rb/Sr-Sr diagram(d)

4.2 成岩环境分析

岩浆岩成岩压强利用CIPW标准矿物Ab-Or-Q图解投图判定。结果显示(图7)，样品落入1 GPa左右，表明雪如岩体形成压强为1 GPa。压力梯度取地壳平均值0.03 GPa/km计算[13]，岩浆形成深度为33.3 km左右，介于雪如地区上地壳厚度(22.5 km)和中上地壳总厚度(49.3 km)之间[14]，表明雪如岩体形成于中地壳。

图7 标准矿物Ab-Or-Q图解(据[15])Fig.7 Ab-Or-Q diagram for standard mineral

岩浆岩温度的计算有两种：锆石饱和温度计、锆石Ti温度计。锆石饱和温度计公式为：TZr(℃)= 12 900/(2.95+0.85M+lnDZr)-273.15[16]，其中，Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、P进行原子数归一化计算，M=(2Ca+K+Na)/(Si×Al)(均为原子百分比)。DZr为纯锆石中的Zr含量(496 000×10-6)与全岩中Zr含量的比值。计算结果显示(表4)，二长花岗岩温度为760～810 ℃(均值786 ℃)。锆石 Ti 温度计公式：TTi(℃) =(5 080 ± 30)/(6.01±0.03-lg(Ti)) - 273.15[17]，Ti 为锆石中 Ti 的质量分数(×10-6)。因为15个 测点中有9个测点的Ti含量低于检测限，故只有6个测点的数据有效。Ti温度计计算结果显示(表4)：二长花岗岩温度为688～764 ℃(均值721 ℃)。锆石Ti温度计结果主要受到Ti含量和压力的影响[18]。上文所求得二长花岗岩形成压力为1 GPa，属于低压情况，压力效应为50 ℃ /GPa[18]。Ti 温度计结果校正后应为738～814 ℃，均值为771 ℃，与锆石饱和温度计接近，属于中高温花岗岩。

表4 二长花岗岩锆石饱和温度计和锆石Ti 温度计计算结果

Table 4 Calculated zircon saturation temperature and zircon Ti temperature of monzonitic granite

样品TZr/℃锆石测点TTi/℃17BGA042 797 17BGA0430169017BGA19581017BGA0430269417BGA202781 17BGA0430468817BGA282779 17BGA0430575717BGA182760 17BGA0430876417BGA187791 17BGA04312733

研究表明，与俯冲带相关的岩浆岩的锆石氧逸度比值非常高[19]，而锆石Ce4+/Ce3+及δEu 能够反映锆石氧逸度。锆石Ce4+/Ce3+计算公式：Ce4+/Ce3+=(Ce熔体-Ce锆石/DCe3+)/(Ce锆石/DCe4+-Ce熔体)，其中，Ce锆石、Ce熔体分别为锆石中和全岩中的 Ce 含量；DCe3+、DCe4+分别为Ce3+、Ce4+在锆石矿物相和熔体相的分配系数，计算方式参考文献[20]。Ce4+/Ce3+及δEu的结算结果如表5所示，二长花岗岩锆石Ce4+/Ce3+=1.38～939.5，均值为170.15；锆石δEu=0.26～0.48，均值为0.37，其较低的氧逸度暗示该岩体的形成可能与洋壳的俯冲无关。

4.3 构造环境判别

前人对班怒洋的演化过程做过大量的研究。缝合带中MOR型蛇绿岩年龄介于254～217 Ma，表明主洋盆可能在晚二叠世至早三叠世时期发生裂解[21]；班公湖SSZ型蛇绿岩年龄介于177～162 Ma[22]，说明班怒洋盆至少在中侏罗世开始俯冲消减；对于班怒带俯冲极性的认识主要存在三种说法：北向俯冲[23-25]，南向俯冲[26-28]，双向俯冲[27-28]。与蛇绿混杂岩呈角度不整合接触的上白垩统竟柱山组地层年龄测定为96 Ma[29]，说明班怒洋闭合于晚白垩世之前。

本文通过全岩地球化学数据投图所示，R1-R2图解(图 8a)中显示雪如岩体样品主要位于同碰撞花岗岩区域，Rb/10-Hf-Ta×3图解(图 8b)显示为碰撞大地构造背景下的花岗岩。Nb-Y图解(图 8c)显示，雪如岩体二长花岗岩均落在火山弧或同碰撞区域。综上，雪如岩体可能形成于同碰撞阶段。但Rb-(Y+Nb)图解(图 8d)显示，岩石样品均落在同碰撞与后碰撞花岗岩叠加区域，因此在讨论构造环境时还需结合区域构造演化过程。

通过统计班怒带内成岩于80 Ma左右的花岗质岩体的形成年代和构造环境(表 6)，笔者发现这些花岗质岩体多形成于后碰撞伸展阶段，成岩年龄自97.4 Ma至76.1 Ma，故判断雪如岩体可能也形成于后碰撞伸展环境。结合前人和本文研究成果，可总结出班怒带的构造演化过程如下：班怒洋于晚二叠世至早三叠世(254～217 Ma)开始裂解，中侏罗世由扩张转换为俯冲(北向俯冲)，早白垩世晚期至晚白垩世早期(116～96 Ma)班怒洋洋盆闭合，晚白垩世(100～76 Ma)两侧地体发生碰撞并进入后碰撞伸展阶段。

表5 锆石Ce4+/Ce3+和δEu计算结果

图8 二长花岗岩R1-R2图解(a)(据[30])、Rb/10-Hf-3×Ta图解(b)(据[31])、Y-Nb(c)(据[32]) 和Rb-(Y+Nb)(d)(据[33])Fig.8 Digrams of R1-R2 (a), Rb/10-Hf-3×Ta (b), Y-Nb (c), Rb-(Y+Nb) (d)

表6 班公湖—怒江成矿带80 Ma左右花岗质侵入岩体特征对比

5 结论

班戈县雪如岩体二长花岗岩成岩年龄为(76±1)Ma，形成于晚白垩世晚期，形成压强为1 GPa，形成于深度约33.3 km的中地壳。锆石饱和温度计和Ti温度计计算结果显示其为中高温花岗岩，较低的氧逸度说明其形成于还原环境，表明本期岩浆活动与俯冲事件无关。二长花岗岩为I型花岗岩，物质来源为中地壳，受到少量地幔物质的混染。在早期俯冲洋壳释放的流体的作用下，中地壳物质发生部分熔融，源区主要残留斜长角闪岩相，在岩浆结晶过程中发生角闪石和斜长石的分离结晶作用。二长花岗岩形成于后碰撞伸展环境，表明晚白垩世晚期(76 Ma)班怒带中段地区已经进入后碰撞伸展阶段。

致谢感谢中国地质大学(北京)相鹏老师在锆石U-Pb测年实验上的大力协助，感谢李发桥同学在撰写论文过程中提供的帮助。