新太古代花岗片麻岩中麻粒岩包体磷灰石U-Pb定年对燕辽裂陷槽中元古代长城群底界年龄的制约

周红英 ，李怀坤 ，张健 ，崔玉荣 ，李惠民

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津，300170；2.自然资源部中国地质调查局海岸带地质环境重点实验室，天津，300170；3.中国地质调查局铀矿地质重点实验室，天津，300170；4.中国地质调查局华北科技创新中心，天津300170）

目前U-Pb定年最常用的方法主要有同位素稀释-热电离质谱法（ID-TIMS）、二次离子质谱法（SIMS）、激光烧蚀（多接收）电感耦合等离子体质谱法（LA-（MC）-ICPMS）。众所周知，U-Pb同位素定年最常用的矿物是锆石，过去的30多年来，在国内已经对斜锆石、锡石、磷灰石、金红石、独居石、榍石和氟碳铈矿等含铀矿物进行了U-Pb同位素测年研究，并取得了显著而重要的研究成果[1-39]。尤其近20年来，国内利用SIMS和LA-（MC）-ICPMS微区原位U-Pb测年，相比ID-TIMS的测定过程更加简便快速并且可直接测定，获得了大批重要的同位素地质年代学成果，对地质演化历史研究作出了重大贡献。而在微区原位测年研究越来越普及应用中，尤其在非锆石类含铀矿物测年研究中，没有很理想的、与测年矿物对应的标样是微区原位测年方法的很致命的问题，所以经典的高精度的、但相对更费时费力的IDTIMS方法仍然是重要的、不可替代的测年方法。

ID-TIMS法目前仍是最精确可靠的定年方法，尽管此方法需要样品溶解及其中的U、Pb分别要纯化分离等前处理程序较繁杂，费时费力，而且要求实验条件很苛刻，需要很低的全流程实验本底，但是其单次测定的精度较高，同时不需要相应的标准矿物作校正，避免了微区原位测定中需要寻找和制备标准矿物的困难，因此ID-TIMS法被称为矿物U-Pb年龄测定的“标准方法”，而每个测定方法都有优缺点，应根据含铀矿物的种类和数量、粒度大小、年龄范围、U和Pb含量、测年精度要求等因素，同时结合测年的目的，灵活地选择测年的矿物和测年技术方法，这对于获得比较理想的测年结果是非常重要的[37，38]。

磷灰石[Ca5（PO4）3（F,Cl,OH）]，是一种分布广泛的副矿物，磷灰石微区原位U-Pb定年研究已有报道[18，21-22，37，40-47]，本文报道的是利用 ID-TIMS 进行磷灰石U-Pb定年的研究结果，对燕山地区长城群底界年龄提供制约。

1 测年样品地质特征

对遵化杂岩中的2件麻粒岩样品—含石榴二长紫苏麻粒岩（06JX03-3）和石榴二辉斜长麻粒岩（06JX04-1）中的磷灰石进行了ID-TIMSU-Pb年龄测定。

位于蓟县下营镇常州沟村附近，长城群常州沟组不整合面之下的遵化杂岩中采集上述两件样品，岩相学显微鉴定二者皆为麻粒岩相变质，矿物组合分别为：06JX03-3样品，石英（Qtz）+斜方辉石（Opx）+磁铁矿（Mag）+钾长石（Kfs）+斜长石（Pl）+石榴石（Grt）+透辉石（Di）+磷灰石（Ap）+锆石（Zr）（图1）；06JX04-1样品，斜长石（Pl）+石英（Qtz）+石榴石（Grt）+透辉石（Di）+斜方辉石（Opx）+角闪石Am+黑云母（Bi）+磷灰石（Ap）+磁铁矿（Mag）+普通辉石（Py）+锆石（Zr）（图2）。从这两件麻粒岩样品分选出的磷灰石均为无色透明浑圆状晶体。

图1 长城系之下片麻岩中石榴二长紫苏麻粒岩（06JX03-3）显微照片Fig.1 Photomicrographs of garnet-hypersthene granulite（06JX03）in the gneiss underlying unonformabaly the Changchengian Group

图2 遵化杂岩中石榴二辉斜长麻粒岩（06JX04-1）显微照片Fig.2 Photomicrographsofgarnet-websterite-plagioclase granulite（06JX04-1）inthe Zunhua Complex

2 实验方法

磷灰石ID-TIMSU-Pb分析在中国地质调查局天津地质调查中心同位素实验室完成。磷灰石样品溶样及ID-TIMS的U、Pb化学分离实验流程条件，可参考已发表的文献[22-25]。这里要强调的是：实验中使用的所有酸试剂都是经过至少三次蒸馏纯化的高纯酸试剂，酸试剂及水的Pb本底最佳控制在5 pg/ml之内，全流程Pb、U本底最佳控制在100 pg、50 pg左右。下面是方法原理及基本实验流程。

2.1 方法原理

一般含铀矿物中的铀（238U和235U）经放射性衰变生成稳定同位素206Pb和207Pb。根据对含铀矿物中母体同位素（238U和235U）和子体同位素（206Pb和207Pb）含量及同位素比值的测定，即可根据放射性衰变定律计算试样形成封闭体系以来的时间，即含铀矿物形成以来的年龄。

对于磷灰石矿物，在样品溶解后分离U和Pb。用ID-TIMS法测定U、Pb同位素比值，用同位素稀释方程计算其中的U、Pb含量、并标定同位素比值。根据样品的U、Pb同位素的比值计算其拟合的直线与谐和线的上、下交点年龄或该组样品的谐和年龄的加权平均值；或直接代入年龄方程计算磷灰石矿物样品的表面年龄。

2.2 样品的准备

从岩石中选出磷灰石单矿物，在双目显微镜下挑选尽可能纯净、无裂纹以及无包裹体的磷灰石样品，去除其它杂质矿物或岩屑。把磷灰石样品放入干净的表面皿中，用无水乙醇浸泡24 h后，用高纯水清洗样品至少三遍，待完全干燥后备用。

2.3 样品的溶解和提取

将清洗干净的磷灰石样品称量后放入Teflon闷罐溶样器中，加入约2 ml 7M HNO3，然后将溶样器置于不锈钢套中，在约195℃下放置恒温箱中加热24 h左右，直至样品完全溶解。将溶样器中磷灰石样品溶液分成两份分别转移入Teflon烧杯中，其中一份与208Pb和235U混合稀释剂混合均匀，与另一份样品溶液分别在150～160℃下蒸干，再加入2 M HCl后蒸干，加入2 M HBr，转至试管中，离心，待上柱提取U和Pb。

2.4 离子交换柱的准备

首先要将阴离子交换树脂依次用无水乙醇、高纯水、6 M HCl溶液浸泡、清洗。离子交换柱先用丙酮清洗后，用6M HCl和H2O交替清洗至少3～4次，然后装入2.5 ml体积的AG1×8（100～200目）强碱型阴离子交换树脂，再用6 M HCl和H2O交替清洗至少3～4次其中的树脂，用2.5 ml 2M HBr溶液平衡交换柱。

2.5 U、Pb的分离

在准备好的离子交换柱中加入上述磷灰石样品溶液，5 ml 2 M HBr溶液淋洗树脂，用7 ml 6 M HCl解吸Pb，用7 ml 7 M HNO3解吸U，然后把分离纯化的Pb、U溶液蒸干。

2.6 U-Pb同位素的测定

取适量硅胶和0.2 M H3PO4加入U、Pb盛样杯中，少量多次涂到Re灯丝上，低温烤干，通过TRITON热电离质谱仪分析测定。使用Pb标准物质SRM982、U标准物质U-500对仪器进行优化校准。测定Pb最佳发射温度是1 400～1 600℃，U的最佳发射温度是1 600℃以上。

2.7 测定结果的计算

数据处理使用PBDAT程序[48]，不一致线年龄和加权平均值计算及作图使用Isoplot程序[49]，利用Stacey-Kramers模式[50]进行普通铅校正。

3 年龄结果及地质意义讨论

3.1 年龄结果

利用ID-TIMS法共测定获得了上述遵化杂岩06JX03-3和06JX04-1样品的12个磷灰石U-Pb同位素数据点，扣除一个偏离稍大的数据点（12号点），其它11个点拟合了一条线性很好的不一致线，其上交点年龄为1 667±23 Ma，而这11个点的207Pb/206Pb表面年龄加权平均值为1 666±16 Ma，二者在误差范围内完全一致。因此，1 666±16 Ma作为该磷灰石的形成年龄。遵化杂岩磷灰石U-Pb同位素分析结果见图3、图4和表1。

图3 遵化杂岩麻粒岩磷灰石ID-TIMS U-Pb谐和图Fig.3 ID-TIMS U-Pb concordia diagram of the apatites from the granulite xenoliths in the Zunhua complex

图4 遵化杂岩麻粒岩磷灰石207Pb/206Pb表面年龄加权平均值Fig.4 Weighted mean of 207Pb/206Pb apparent age of apatites from the granulite xenoliths in the Zunhua complex

3.2 地质意义讨论

蓟县剖面及燕辽裂陷槽中-新元古界的年代学的研究从50年代末至今有很多报道。学者们利用不同的测年方法都对燕辽裂陷槽中-新元古界的年代学研究做出了贡献[51-87]。

燕辽裂陷槽中-新元古界年代学研究的新资料为确定上述主要岩石地层单位的时限提供了精确可靠的年龄依据。中元古界层位最低的地层是长城群的常州沟组，常州沟组的底界也就是长城群的年龄底界。李怀坤等[79]在北京密云发现被长城系常州沟组含砾砂岩不整合覆盖的花岗斑岩脉，并对其进行了精确定年，获得了其锆石U-Pb同位素年龄1 669±20 Ma（SHRIMP）和1 673±10 Ma（LA-MC-ICPMS），该花岗斑岩脉年龄数据的获得，为燕辽裂陷槽长城群的底界年龄提供了精确的制约：长城群底界年龄一定要小于该岩脉的年龄。这一重大变化得到了普遍关注，但是很多人仍然持有怀疑态度。因此，有必要寻找其它证据来予以佐证。尤其是没有在华北中-新元古界标准剖面——蓟县剖面获得直接的年代学证据。本文介绍的磷灰石U-Pb测年结果提供了有力的支持。结合上覆串岭沟组中岩脉的年龄以及更上部层位大红峪组中火山岩的年龄[57，82]，可以比较精确地将长城群的底界年龄推定为～1 650 Ma。

表1 遵化杂岩麻粒岩磷灰石ID-TIMS U-Pb同位素分析结果Tab.1 ID-TIMS U-Pb isotopic data of apatites from the granulite xenoliths in the Zunhua complex

长城群顶部层位是大红峪组，因此大红峪组的顶界年龄即代表了长城群的顶界年龄。早在上一世纪九十年代，陆松年、李惠民就首先获得了蓟县大红峪组的中部火山熔岩单颗粒锆石U-Pb年龄（1 625±6 Ma），其锆石成因相对单一，已被大家公认为火山喷发年龄，从而将大红峪组的上限年龄较精确地限定在1 600 Ma左右[57]，这一年龄也为同露头的1 622 Ma和1 625 Ma的锆石SHRIMP U-Pb年龄所佐证[69，75，84]，加之在高于庄组发现凝灰岩并获得 1 560 Ma的SHRIMP及LA-MC-ICPMS锆石U-Pb年龄[76]，因此大红峪组顶界，也即新厘定后的长城系与蓟县系分界被限定为1 600 Ma。总之，燕辽裂陷槽的长城群的时限可基本限定在1 650～1 600 Ma之间。

本文介绍的磷灰石U-Pb测年结果1 666±16 Ma所限定的华北北部长城系底界，也非常接近1 650Ma，因为尽管磷灰石的U-Th-Pb同位素体系的封闭温度相对较低，通常为500～600°C[88-89]，该温度条件大概是在地表之下15～20 km深度；也就是说在正常地热梯度下，磷灰石的U-Pb同位素体系是在当磷灰石的载体（麻粒岩）被抬升至离地表约15～20 km时开始计时的。所获得的被常州沟组不整合覆盖的遵化杂岩中麻粒岩的磷灰石的U-Pb年龄1 666±16 Ma，制约了常州沟组的沉积年龄必然要小于此年龄，这和早期研究获得的北京密云地区被常州沟组不整合覆盖的花岗斑岩脉的锆石U-Pb年龄的地质意义是一致的。

4 结论

本研究获得的天津蓟县下营镇常州村遵化杂岩麻粒岩中的磷灰石U-Pb年龄1 666±16 Ma（IDTIMS），是对燕辽裂陷槽长城群常州沟组底界年龄的最新约束，对依据密云花岗斑岩脉锆石U-Pb年龄所得出的有关长城群年代格架的新认识是一个强有力的支持。

致谢：非常感谢耿建珍和毕君辉对本文提出的宝贵意见!谨以此文衷心感谢尊敬的陆松年老师多年来对我们工作的悉心指导和关心!在此祝陆老师80岁生日快乐!身体健康！