中祁连苏里地区新元古代辉绿岩墙群LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义

张金明，才航加，陈光庭，田成秀，雷晓清

(青海省地质调查院， 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 西宁 810012)

有关地球上超大陆生长、演化和离散的历史，尤其是大陆块汇聚和离散对于地幔动力学、岩浆作用、成矿作用、地表过程和生命演化的影响，是地学界近年来颇受关注的重大科学问题之一(Moores, 1991； Hoffman, 1991； Zheng, 2003)。中国的华南陆块、塔里木陆块等前寒武纪的构造-岩浆事件研究结果表明,其响应了中元古代晚期至新元古代早、中期Rodinia超大陆的汇聚和裂解过程 (Wangetal., 2003； 郝杰等, 2004； Yangetal.， 2004)。秦岭地区已厘定出中元古代晚期陆内裂谷、中元古代末期洋盆打开、新元古代早期俯冲型花岗岩形成以及洋盆闭合的一个完整的洋陆转换过程(陆松年等， 2003)。祁连陆块因蕴含有丰富的古板块构造演化信息长期以来受到国内外众多学者的高度关注，其古构造演化方面也取得了一些成果，其内发育大量新元古代岩浆-变质事件，被认为是响应全球Rodinia超大陆汇聚事件的物质记录：陆块东段侵入到湟源群中的S型花岗岩(917±12 Ma)，北山一带陆陆碰撞阶段形成的花岗岩(880±31 Ma)，托勒、湟源、化隆、马衔山等地识别出的大量的弧岩浆性质花岗岩(943～875 Ma)，乌北地体中解体出的830～810 Ma花岗岩(于海峰等， 2000； 李向民等， 2006； 雍拥等， 2008； 高晓峰等， 2010； 李猛等， 2015； 王珩， 2016； 马建军等， 2018)，这些均记录了祁连陆块响应全球Rodinia超大陆汇聚过程中长时间的后碰撞花岗岩岩浆作用历史。但陆块内缺少可靠的与新元古代裂解有关的构造-岩浆事件记录，截至目前，对祁连陆块是否记录了Rodinia超大陆的裂解过程以及对祁连陆块构造属性仍存在不同看法(董国安等， 2007； 王洪亮等， 2007)。本文对祁连西段苏里地区出露的辉绿岩进行了岩石地球化学、年代学的详细研究,欲对探讨祁连陆块是否响应Rodinia超大陆的裂解和探索祁连陆块元古宙构造演化提供重要的证据。

1 区域地质概况

祁连地区地理位置在中国中央山链的中心区域，大地构造位置位于华北陆块、华南陆块和塔里木陆块这3个主要的陆块之间。祁连地区在构造上是一个早古生代造山系，从北到南可划分为北祁连造山带、祁连陆块和柴北缘造山带这3个构造单元，其北部为阿拉善陆块，东部为华北陆块，南部为柴达木陆块，西部为塔里木陆块(图1)(夏林圻等， 2016)。研究区位于祁连陆块西段。祁连陆块是一个具有古生代沉积岩系盖层和前寒武纪基底的叠瓦状逆冲带(Luetal., 2002； Wuetal., 2005)。陆块在中新元古代处于相对稳定的构造演化环境，研究区内中新元古代出露的地层有长城纪南白水河组、蓟县纪花儿地组和青白口纪龚岔群，主体为碎屑岩、碳酸盐岩组合，为一套绿片岩相为主的变质岩建造，原岩为一套稳定-次稳定型泥砂质-碳酸盐沉积组合，基本属层状有序的地层类型。晚寒武世六道沟组主体为一套由中性火山碎屑岩为主体夹火山熔岩的地层序列；早奥陶世吾力沟组以玄武岩、玄武安山岩、火山碎屑岩为主夹少量碎屑岩。晚古生代-中生代为盖层沉积，下部与中新元古代地层呈角度不整合接触，至下而上由早石炭世臭牛沟组、晚石炭世羊虎沟组、二叠纪巴音河群勒门沟组、草地沟组、哈吉尔组、忠什公组、早中三叠世郡子河群下环仓组、江河组、大加连组、切尔玛沟组、晚三叠世默勒群阿塔寺组组成，总体为一套滨浅海陆棚-海陆交互相碳酸盐岩、碎屑岩和含煤碎屑岩建造。

区内断裂构造发育，以北西向断裂为主构成区内的基本构造格架，控制本区岩浆活动、沉积建造形成。区内除局部有少量加里东期和燕山期的中酸性侵入岩呈岩株状分布外，还发现大量辉绿岩墙。

2 地质及岩石学特征

2.1 地质特征

苏里地区辉绿岩墙广泛分布，岩石类型为辉绿岩、辉长岩，以岩墙、岩脉形式产出，一般宽约在2～50 m之间，长20～3 000 m，其走向主要以北东向和近东西向为主，近南北向次之。该套基性岩穿插侵入于长城纪南白水河组、蓟县纪花儿地组及青白口纪其它大坂组、五个山组中(图1)。基性岩与围岩接触界线弯曲，围岩中多见基性岩脉(枝)的穿插(图2a)，局部在基性岩中发育板岩捕虏体，接触部位捕虏体较为发育且向岩体内部数量有减少趋势。岩石受变质变形作用影响，局部呈板状碎石出露，层理面可见柱状矿物的定向排列，岩石普遍具褐铁矿化、绿帘石化蚀变现象。

2.2 岩石学特征

苏里地区基性岩岩石类型较单一，主要由辉绿岩组成，局部出露少量辉长岩，岩石蚀变较强，后期构造叠加作用明显。其岩石学特征如下(图2b)：

图2 苏里地区辉绿岩野外露头及辉绿岩、辉长岩镜下特征Fig. 2 Field and microscopic features of the Suli gabbro

蚀变辉绿岩： 变余(残余)辉绿结构，块状构造。岩石后期蚀变作用较强，原结构有所破坏而不太清晰。辉石含量50%～55%，还含有斜长石(40%～45%)和少量角闪石、白钛石(次生)，微量磷灰石、石英、不透明矿物，次生蚀变产物有次闪石、钠黝帘石、绿泥石、黑云母等。辉石分布较为均匀，以单斜辉石为主，见少量斜方辉石，多呈他形晶，少部分以半自形晶存在，蚀变作用较强，见次闪石化、绿泥石化、黑云母化(少)蚀变，取代原矿物形成次生蚀变矿物集合体。磷灰石多呈自形晶，零星可见。

蚀变辉长岩： 细-中粒辉长结构，块状构造，斜长石含量62%，辉石为单斜辉石(30%)，另有部分钾长石(2%)、石英(1%～2%)、白钛石(1%～2%)和其他金属矿物(2%～3%)，部分矿物蚀变强烈。斜长石主要为基性斜长石，多呈半自形板、柱状，粒径多为0.5～5 mm，多发生强烈钠黝帘石化蚀变，分布广泛。其他金属矿物多呈他形粒状及其集合体，分布不均匀。

3 样品及其测试方法

在苏里地区辉绿岩脉、辉长岩脉中分别采集主量、微量元素分析样品，包括辉绿岩10件、辉长岩2件，重3 kg左右。在苏里地区南侧出露规模较大的辉绿岩岩株中选择岩体出露较好、远离接触带边部、蚀变较弱的岩石采集同位素测年样1件(U-Pb32-1)，重约50 kg。

主量、微量元素测试由自然资源部武汉矿产资源监督检测中心完成。制样过程中利用切乔特公式计算粗碎、中碎、细碎3个过程中用四分法缩分至需要的质量并保留相应的副样。主量元素使用Phillips 4400X荧光光谱仪测试，FeO用容量滴定法测定，烧失量(LOI)通过对样品加热至1 000℃后1 h称量其质量变化获得,分析误差小于0.9%；微量分析采用质谱法，使用热电公司X7等离子质谱仪，分析误差小于7.8%；稀土元素采用等离子直读光谱仪(JY38S)分析，分析误差小于4.8%。

同位素测年样碎样、锆石分选、制靶和阴极发光(CL)显微照相由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成，采用常规方法进行粉碎，锆石利用常规单矿物分选技术完成，使用环氧树脂凝固成靶后对锆石进行阴极发光(CL)显微照相。LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定在天津地质矿产研究所同位素实验室完成，仪器为ThermoFisher公司Neptune型质谱仪和美国ESI公司UP193-FXArF准分子激光器，激光剥蚀系统为New Wave UP213，剥蚀光斑直径25 μm，ICP-MS为布鲁克M90，锆石标准以91500和Plesovice 作为外标进行校正，普通铅以Andersen(2002)的3D 坐标法进行校正计算，锆石样品的Pb、U含量计算采用Skits 和ICPMSDataCal 软件处理，采用Isoplot3.2 等程序进行锆石的谐和曲线和加权平均年龄的计算。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb定年

测年锆石的CL图见图3，所测样点经校正后的有效数据共15个(表1)。CL图显示大部分锆石晶形完整具有浅色核部和暗色的边部，且振荡环带并不明显，有少量破片状或是磨圆的锆石的CL 图特征多样，其中6和9号锆石形态与其它锆石明显不同，呈浑圆状不显示环带构造，206Pb/238U表面年龄分别为1 734±19 Ma、2 152±27 Ma，比其它锆石年龄老很多，可能为捕获锆石。其余13颗锆石多呈次棱角状-次圆状，锆石颗粒较大，一般锆石晶体长轴在75～150 μm之间，长宽比值介于1.5～3之间，大部分锆石内部震荡环带较清晰，显示岩浆锆石的特点，锆石U-Pb年龄比较集中，其206Pb/238U表面年龄为835～806 Ma，加权平均年龄为819.5±5.2 Ma(MSWD=0.35，N=13)(图4)，因此该年龄应为岩浆侵位年龄，表明辉绿岩岩墙的侵入时代为新元古代早期。

图3 苏里地区辉绿岩锆石阴极发光图像Fig. 3 CL images of the diabase sample from Suli area

图4 苏里辉绿岩锆石U-Pb年龄谐和图(a)和加权平均年龄图(b)Fig. 4 U-Pb concordia diagram (a) and weighted graph (b) of the diabase sample from Suli area

表1 苏里地区辉绿岩(U-Pb32-1)U-Pb同位素测年数据Table 1 U-Pb isotope age determined results of the diabase sample (U-Pb32-1) from Suli area

4.2 岩石地球化学特征

4.2.1 主量元素

新元古代基性侵入岩岩石化学特征见表2。由表2可见，岩石中SiO2含量变化不大，在46.77%～52.37%之间，平均值为48.73%；Al2O3含量较低，变化在12.82%～15.86%之间，平均值为13.73%；Na2O含量在1.48%～3.33%，平均为2.37%；TiO2分为两组，大部分含量在1.16%～1.87%,少数含量较高介于2.02%～3.14%；MgO含量为3.84%～7.98%，FeOT含量为10.42%～15.53%，贫K(0.10%～1.60%)，Na2O>K2O，岩石里特曼指数σ=0.67～2.96。在SiO2-Nb/Y图解(图5)中，样品投点多落在亚碱性玄武岩区域内；在FeOT/MgO-SiO2图解(图6)中样品投点均落在拉斑系列区域内。综上所述，该期基性岩整体具有拉斑玄武岩的特征。

表2 苏里基性岩主量元素(wB/%)、微量元素(wB/10-6)分析结果表Table 2 Major element (wB/%) and trace element (wB/10-6) compositions of the diabase sample from Suli area

图5 SiO2-Nb/Y图解(据Winchester和Floyd, 1977)Fig.5 SiO2-Nb/Y diagram (after Winchester and Floyd, 1977)

4.2.2 微量元素

稀土元素含量见表1。岩石中稀土元素总量偏低，在51.28×10-6～165.11×10-6之间，轻稀土元素含量在39.37×10-6～129.60.26×10-6之间，重稀土元素含量在11.91×10-6～35.51×10-6之间，轻重稀土元素之比为3.05～4.90，(La/Yb)N值为2.62～5.03，均大于1，δEu=0.93～1.12,显示Eu亏损不明显，稀土元素配分曲线呈轻稀土元素相对富集型,曲线右缓倾斜, Eu具较弱的负异常,表明岩浆在上升过程中受到了陆壳物质的轻度混染(图7a)。

在原始地幔标准化的微量元素配分图解(图7b)上，富集Rb、Ba、Th、U，亏损Nb、Ta和K，大离子亲石元素丰度变化范围相对较宽，高场强元素富集程度不强，微量元素比值蛛网图上具有左侧隆起、右侧相对平坦的分布型式。基性岩中Nb、Ta含量分别在6.51×10-6～13.04×10-6(平均值为10.6×10-6)和0.60×10-6～1.36×10-6(平均值为0.93×10-6)，比典型岛弧玄武岩的亏损程度要弱，可能与地壳的混染或幔源区残留体中富Nb、Ta有关(高俊等， 1995)；岩石的Th/Ta值为1.5～3.98之间，与大陆拉张带或裂谷初期的玄武岩Th/Ta值(1.6～4)相一致(汪云亮等， 2001)，表明苏里地区基性岩形成于大陆裂谷环境。

图7 苏里地区基性岩的稀土元素配分模式(a)和原始地幔标准化图解(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace elements patterns (b) of the basic rock samples from Suli area (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

在Meschede(1986)的Nb-Zr-Y三角图解 (图8a) 中，样点全部落入板内拉斑玄武岩区；汪云亮等(2001)的Th/Hf-Ta/Hf (图8b)可以判别出基性岩的构造环境，苏里辉绿岩样品点全部落入陆内裂谷玄武岩区域。从以上参数及图解等的分析可以初步判断，本区新元古代基性岩形成于陆内裂谷环境。

图8 苏里地区基性岩Nb-Zr-Y(a)和Th/Hf-Ta/Hf(b)构造环境判别图Fig. 8 Nb-Zr-Y(a) and Th/Hf-Ta/Hf(b) diagrams for discrimination of tectonic settings of the samples from Suli area

5 地质意义

对于苏里地区新元古代基性岩墙的源区性质、组成和岩浆熔融深度等问题的认识，往往与岩浆源区、地幔动力学机制等问题密切相关。本文根据样品的元素地球化学特征，就相关问题做进一步的探讨。苏里基性岩墙侵位于中新元古代不同层位地层；地球化学总体上表现为低SiO2含量(46.77%～52.37%)，属基性岩浆岩系列；TiO2含量大部分为1.16%～1.87%，其中4件样品TiO2含量介于2.02%～3.14%之间 ,平均含量为2.86%，较低的MgO含量(平均值为5.21%)和Mg#(平均值为49.4)；碱含量(Na2O+K2O=2.41%～4.29%)，其常量元素组成与夏威夷碱性玄武岩(TiO2含量平均为3.22%)相似，结合野外观察及岩相学推测辉绿岩在形成过程中应经历了明显的橄榄石、单斜辉石、斜长石等矿物的分离结晶。轻、重稀土元素微弱分异，轻稀土元素略为富集，富集Rb、Ba、Th、U，亏损Nb、Ta和K，大离子亲石元素含量变化范围相对较宽，高场强元素富集程度不强，因此推断岩浆应起源于亏损地幔源区。Nb、Zr和Y等不活泼元素不因地幔岩部分熔融程度和玄武质岩浆的分离结晶程度而发生变化，通常同来划分岩石源区地幔类型。研究区岩石Zr/Nb值为10.32～16.75，平均值为12.39，低于原始地幔Zr/Nb值(Zr/Nb=18)，说明苏里地区基性岩地幔源区是过渡型或者富集型(李昌年， 1992)。在Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb图解(图9)中，样品全部投在了过渡型地幔区域附近。因此，研究区基性岩脉源区为过渡型地幔。通过La/Sm-Sm/Yb图解(图10)对源区组成加以判定，考虑到地壳混染、结晶分异的影响，样品表现出尖晶石地幔橄榄岩部分熔融趋势，认为岩浆应来源于尖晶石稳定域地幔，是尖晶石地幔橄榄岩部分熔融的产物。

图9 苏里地区基性岩Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb图解(Pearce， 1996)Fig. 9 Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb diagram of the basic rocks from Suli area(after Pearce，1996)

Rodinia超大陆是继Columbia超大陆后形成的又一超级联合古大陆，被认为是由Columbia超大陆裂解之后的陆块碎块在新的构造背景下的拼合产物。Rodinia超大陆主体形成在1.3～1.0 Ga期间，稳定存在约300 Ma之后开始发生裂解( McMenamin and McMenamin， 1990； Hoffman, 1991； Dalziel， 1991； Moores, 1991)。近年来，Rodinia超大陆的构型和演化以及中国不同陆块在其中位置的研究，受到地学界广泛的关注。

祁连陆块元古宙主要的区域性构造热事件产物有陆块西南部大柴旦地区古元古代花岗片麻岩(2.47～2.2 Ga)、淡色花岗岩(1.96～1.91 Ga)和环斑花岗岩(1.77～1.76 Ga)(陆松年， 2002； Chenetal.， 2009； Wangetal., 2009)，西宁地区北部的片麻岩中花岗质侵入体(940～880 Ma)(郭进京等， 1999； Tungetal.， 2007)，陆块东段发育的兴龙山群裂谷火山岩(824～713 Ma)、朱龙关群大陆溢流火山岩(738～604 Ma)等新元古代中晚期裂谷火山岩系(Maoetal.， 1997； 徐学义等， 2008)。苏里地区新元古代基性岩墙岩石类型为辉绿岩、辉长岩，岩浆起源于亏损地幔源区，是尖晶石地幔橄榄岩部分熔融的产物，岩浆形成于陆内裂谷环境，辉绿岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素获得819.5±5.2 Ma(MSWD=0.35)的加权平均年龄值，说明苏里地区新元古代基性岩墙可能与导致Rodinia超级大陆裂解的新元古代地幔柱事件有关。

6 结论

(1) 祁连陆块西段苏里地区基性岩墙LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果为819.5 ±5.2 Ma，表明辉绿岩形成于新元古代早期，形成时代与陆块东段兴龙山群裂谷火山岩(824～713 Ma)形成时代一致。

(2) 苏里基性岩墙岩石地球化学分析结果显示岩浆起源于亏损地幔源区，是尖晶石地幔橄榄岩部分熔融的产物，岩浆形成于陆内裂谷环境。

(3) 根据苏里基性岩墙形成时代、成因及构造环境，结合近年来对祁连陆块研究进展，表明其可能与导致Rodinia超级大陆裂解的新元古代地幔柱事件有关。