甘肃省永昌地区熊子山岩体锆石U-Pb年龄及其地质意义

陈云杰，杨 昆，王 刚，李 涛

( 核工业二○三研究所，陕西 咸阳 712000 )

北祁连洋在奥陶纪—志留纪时洋盆慢慢开始闭合，同时柴达木和华北两大板块与北祁连洋中的岛弧发生挤压碰撞；在河西走廊及邻区形成了规模较大的一条造山后期的中酸性岩浆岩带，如芨岭岩体、青山堡岩体、北大坂岩体等[1-3]，其中本次研究的熊子山岩体就是其中之一；区内有关于北祁连的早古生代岩浆岩作用及构造演化等方面进行过大量的研究工作[4-7]，但对熊子山花岗岩体报道极少。本文通过对熊子山岩体中的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩开展地球化学、同位素年代学等研究，并对其岩石类型及形成构造背景开展初步的分析，可为北祁连及邻区的构造、岩浆演化特征研究提供一些借鉴。

1 区域地质背景

区内出露的地层主要有寒武系走廊群、石炭系太原组和羊虎沟组、二叠系窑沟组和大黄井组、三叠系五佛寺组、古近系临夏组和白杨河组、新近系全新统(图1)；其中寒武系走廊群是一套浅变质的浅海相碎屑岩建造，岩性主要为千枚岩和变质砂岩；二叠系为一套河湖相碎屑岩建造局部夹含煤建造，岩性主要为砂岩、粉砂岩等；三叠系为一套山麓-河湖相碎屑岩建造，岩性主要为砂岩、砂砾岩等；石炭系为一套浅海相—海陆交互相的碎屑岩及含煤建造，岩性主要为炭质页岩、炭质砂岩夹有薄煤层。

图1 甘肃永昌地区大地构造位置(a)与地质略图(b)Fig.1 The tectonic and geologic sketch map of Yongchan areaⅠ—阿拉善地块 Ⅱ—走廊过渡带 Ⅲ—北祁连造山带 Ⅳ—鄂尔多斯地块 Ⅴ—中祁连地块 Ⅵ—阿尔金断裂 1—全新统2—新近系临夏组 3—古近系白杨河组 4—三叠系五佛寺组 5—二叠系窑沟组 6—二叠系大黄井组 7—石炭系太原组上段 8—石炭系羊虎沟组 9—寒武系走廊群 10—中志留世晚期钾长花岗岩 11—中志留世晚期似斑状黑云钾长花岗岩 12—中志留世中期似斑状黑云二长花岗岩 13—中志留世早期含斑二长花岗岩 14—中志留世中期花岗闪长岩 15—中志留世早期似斑状英云闪长岩 16—中志留世早期细粒闪长岩 17—推测断层 18—实测断层 19—地质界线 20—角度不整合界线 21—取样位置

区内及邻区构造相对复杂，其中褶皱在加里东期呈紧密线状，其它期为开阔平缓型的特征。区内断裂构造主要为NWW向、NNW向和SN向的，其中NWW向组断裂控制了熊子山岩体的展布；区域上侵入岩形成时代主要为志留纪，出露岩性以中酸性岩为主，次为基性—超基性岩，岩性主要有(石英)闪长岩、花岗(闪长)岩等，多以岩株、岩基状产出。区内晚期脉体较为发育，主要为中基性—酸性脉体，岩性主要有花岗岩脉、闪长玢岩脉、辉绿岩脉等。

2 岩石学特征

熊子山岩体呈NWW向展布，南部呈岩基状侵入于寒武系中，出露的岩性主要为中细粒钾长花岗岩、中粗粒似斑状黑云钾长花岗岩、中粗粒花岗闪长岩、细粒闪长岩等。其中浅灰白色中粗粒花岗闪长岩(图2a)为块状构造，中粗粒花岗结构，主要由斜长石(30%～35%)、钾长石(5%～10%)、石英(10%～15%)、黑云母(5%～10%)、角闪石(25%～30%)组成。岩石中的钾长石和斜长石多呈半自形板柱状，粒度为2～10 mm，表面多发生了弱的高岭土化和绢云母化(图2b)，其中斜长石发育聚片双晶，而钾长石多为正长石、条纹长石和少量微斜长石；石英多呈他形粒状分布于长石颗粒之间；黑云母多呈片状分布，局部发生了绿泥石化(图2c)，亦可见少量粒状黄铁矿(图2d)。在QAP和TAS图解(图3、图4)中，大部分样品落入花岗闪长岩区域，少数落入花岗岩区，与岩相学特征一致。

图2 浅灰白色中粗粒花岗闪长岩岩石特征图Fig.2 The petrologic characteristics of the shallow grey and white granodiorite of medium and coarse grain(a)露头特征 (b)长石的高岭土化和绢云母化(+) (c)黑云母的绿泥石化(-) (d)黄铁矿颗粒(-)

图3 花岗闪长岩QAP图解Fig.3 QAP diagram for granodiorite1a—硅英岩 1b—富石英花岗岩类 2—碱性长石花岗岩 3a—钾长花岗岩 3b—二长花岗岩 4—花岗闪长岩 5—英云闪长岩6*—碱性长石石英正长岩 7*—石英正长岩 8*—石英二长岩 9*—石英二长闪长岩、石英二长辉长岩 10*—石英闪长岩、石英辉长岩、石英斜长岩 6—碱性长石正才岩 7—正长岩 8—二长岩 9—二长闪长岩、二长辉长岩 10—闪长岩、辉长岩、斜长岩

图4 花岗闪长岩TAS图解 Fig.4 TAS diagram for granodiorite1—辉长闪长岩 2—闪长岩 3—花岗闪长岩 4—亚碱性辉长岩5—辉长岩 6—二长辉长岩 7—二长闪长岩 8—二长岩 9—正长岩 10—花岗岩 11—似长正长岩 12—似长二长正长岩 13—似长二长闪长岩 14—似长辉长岩 15—似长岩

3 锆石U-Pb年龄

3.1 样品采集及分析测试

用于LA-ICP-MS锆石U-Pb测年的样品(样品编号XZS-001)采集于熊子山岩体西南部的水泉子沟，样品岩性为浅灰白色中粗粒花岗闪长岩。采样时挑新鲜、无蚀变及无其他脉体的岩石的露头。样品锆石挑选、制靶及CL照相是由河北省廊坊拓轩岩矿检测服务有限公司完成，锆石U-Pb测年是在中国地质科学院矿产资源研究所的国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。

3.2 锆石特征及分析结果

本次研究的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩中的锆石以柱状双锥为主，次为短锥状，长100～320 μm，宽70～130 μm，长宽比为1.3～2.5，在CL图像中样品锆石的震荡环带清晰而宽大，内部结构较为均一。本次测年的锆石测点共20个，其中有效点16个(表1、图5)，锆石测点的w(Th)为55.60×10-6～789.40×10-6，平均值为310.99×10-6；w(U)为105.60×10-6～1749.30×10-6，平均值为441.61×10-6；Th/U比值绝大部分在0.83～1.09之间，平均比值为0.92，具有典型的岩浆锆石特征[8]。所有测点在206Pb/238U -207Pb/235U谐和图(图6a)上分布比较集中，加权平均年龄为(428.7±3.8)Ma，MSWD=0.056，95%置信度(图6b)，表明其侵位时代为中志留世。

图5 花岗闪长岩典型锆石CL图像和年龄Fig.5 CL image and age of representative zircon in the granodiorite

图6 花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图(a)和直方图(b)Fig.6 LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram and histogram of weighted average age of zircon in the granodiorite

表1 花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析数据Table 1 Analytical result of LA-ICP-MS U-Pb isotopes of zircon in the granodiorite

4 地球化学特征

4.1 样品采集及分析测试

样品采集于熊子山岩体西南部的水泉子沟及东部地区，样品岩性为新鲜的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩。样品的主量元素、微量元素和稀土元素测试分析均在核工业二○三研究所分析测试中心完成，使用的仪器分别为荷兰帕纳科公司制造的Axios型X射线光谱仪和美国Thermo Fisher制造的XSERIESⅡ型ICP-MS，各项分析精度均能达到国家标准。

4.2 地球化学特征

本次样品的主量元素分析结果见表2。由表2可见，熊子山岩体的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩的SiO2含量较高(67.35%～72.82%)、Al2O3的含量较高(12.81%～15.36%)、Na2O含量偏高(3.21%～3.94%)、K2O含量偏高(3.64%～3.82%)。Na2O+K2O含量为7.02%～7.69%，K2O/Na2O比值为0.93～1.13，铝饱和指数A/CNK比值为0.86～1.12，A/NK比值为1.23～1.54，在A/NK - A/CNK图上样品落入到准铝—弱过铝质花岗岩区域(图7a)，这些特征和I型花岗岩特征较为一致[9]。碱度率(AR)值为2.44～2.99，在AR - SiO2图解上落入钙碱性—碱性花岗岩区(图7c)。在K2O - SiO2图解上主要落入高钾钙碱性系列中(图7d)，在K2O - Na2O图解上主要落入I型花岗岩区域(图7b)。综上，熊子山岩体的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩属于钙碱性I型花岗岩。一般认为高钾钙碱性花岗岩是碰撞后岩浆活动的重要特征之一，其形成的构造环境为碰撞后环境[10]。

图7 花岗闪长岩Na2O - K2O、A/NK - A/CNK、AR - SiO2和K2O - SiO2图解 (底图据文献[3])Fig.7 Diagram of Na2O - K2O， A/NK - A/CNK， AR - SiO2and K2O - SiO2 of the granodiorite

表2 花岗闪长岩主量元素分析数据Table 2 The major element result of granodiorite

由表3可见，浅灰白色中粗粒花岗闪长岩稀土元素总量(ΣREE)为164.95×10-6～242.86×10-6，LREE值为140.90×10-6～213.94×10-6，HREE的值为24.05×10-6～28.92×10-6，LREE/HREE比值为5.16～7.40，岩石具有轻稀土元素的富集、重稀土元素相对亏损的特征。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图上(图8a)呈δEu(0.26～0.30)负异常右倾配分模式，且轻稀土元素分异较强而重稀土元素不明显。

表3 花岗闪长岩稀土元素分析数据Table 3 The REE result of granodiorite

由表4及原始地幔标准化微量元素蜘网图(图8b)可以看出，与原始地幔相比浅灰白色中粗粒花岗闪长岩对富集Rb、Th、U等大离子亲石元素，Ba、Nb、Ta、Sr、Ti等元素相对亏损，研究表明这些特征反映了岩浆可能受到地壳物质的混染影响[8]。

图8 花岗闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(a)与原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(原始地幔标准化值和球粒陨石标准化据 Sun 和 McDonough，1989)Fig.8 Chondrite-normalized REE distribution curve diagram (a) and spider diagram of primitive mantle-normalized trace elements (b) of the granodiorite

表4 花岗闪长岩微量元素分析数据Table 4 Analysis data of trace elements of the granodiorite samples

5 讨论

5.1 岩石类型

从本次浅灰白色中粗粒花岗闪长岩样品的地球化学成分特征可以看出，样品具有较高Al2O、Na2O、K2O，富集轻稀土元素，微量元素中相对富集Rb、Th、U等大离子亲石元素，Ba、Nb、Ta、Sr、Ti等元素相对亏损，同时具有负铕异常，显示出了一般I型花岗岩的特征[9，11]；在K2O - Na2O中图解上落入I型花岗岩区域中(图7b)，在Y - SiO2图解(图9a)和Ce - SiO2图解(图9b)中，所有样品均落在I型花岗岩区域中。综合分析认为，本次研究的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩属于I型花岗岩。

图9 花岗闪长岩Y - SiO2和Ce - SiO2图解(底图据文献[18])Fig.9 Y - SiO2 diagram (a) and Ce - SiO2 diagram (b) of the granodiorite

5.2 构造环境

前人对区域资料研究表明，北祁连古洋在晚奥陶世开始持续消减，研究区及邻区(阿拉善地块)发生碰撞造山活动，并在445～420 Ma(晚奥陶世—志留纪)开始转入陆—陆碰撞或陆内俯冲阶段[12-13]。本次研究的熊子山花岗岩岩体形成于这种碰撞后构造背景。邻区龙首山地区的青山堡岩体的花岗岩年龄为(444±2)Ma，并通过构造分析后认为晚奥陶世为北祁连洋闭合并发生初始碰撞；同时Xu等[14]通过研究表明北祁连洋闭合发生初始碰撞时间为467～450 Ma；本次熊子山岩体中的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩年龄为(428.7±3.8)Ma，晚于前人认为的北祁连洋闭合并发生初始碰撞时间。熊子山岩体的侵位时代与邻区其他碰撞后类型的花岗岩岩体基本一致，如金佛寺岩体黑云母二长花岗岩(424 Ma)、牛心山岩体石英闪长岩(435 Ma)、莲花山岩体花岗闪长岩(426 Ma)等[15-18]。同时本次研究样品的微量元素Y - Nb(图10a)和Rb - (Y+Nb)环境判别图解(图10b)中，均落入后碰撞花岗岩区域内，表明了其形成构造环境可能为挤压的环境。结合之前的区域资料研究，反映熊子山岩体很有可能形成于阿拉善地块与北祁连岛弧的碰撞之后这种碰撞后区域构造背景。

图10 花岗闪长岩Y - Nb和Rb -(Y+Nb)构造环境判别图(底图据文献[18])Fig10 Tectonic setting discrimination diagram of Y - Nb and Rb - (Y+Nb) for the granodiorite

6 结论

1)熊子山花岗岩体的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩具有富碱、轻稀土元素和大离子亲石元素相对富集、高场强元素亏损的地球化学特征，岩石类型属于高钾钙碱性I型花岗岩，反映了岩浆受到地壳物质的混染。

2)熊子山花岗岩体的浅灰白色中粗粒花岗闪长岩锆石U-Pb加权平均年龄为(428.7±3.8)Ma，其侵位时代为中志留世，反映永昌地区在中志留世已经进入了碰撞造山的碰撞后构造阶段。