天水地区陇山群斜长角闪岩的年代学及其地质意义

贾明辉，曹花花，李三忠，王学斌

1.深海圈层与地球系统前沿科学中心和海底科学与探测技术教育部重点实验室，中国海洋大学海洋高等研究院 和海洋地球科学学院，山东 青岛 266100; 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266100; 3.日照市应急管理局，山东 日照 276800

0 引言

北祁连构造带作为中央造山带西段的最北部，其与北秦岭构造带的演化关系最先受到广泛关注。大多数观点认为北祁连构造带与北秦岭构造带具有相似的构造格架，二者是早古生代期间在相同构造背景下形成的统一构造单元[1--10]，但是二者是否具有相似的古老基底组成，这一问题前人研究关注较少。

天水地区位于中国西部的甘肃省东南部，是新构造运动较活跃的黄土高原与东西向褶皱带发育的陇南山地之间的交接转换地区，构造位置处于北祁连构造带东段和北秦岭构造带北部的交接部位，是研究中央造山带东西段过渡转换的理想区域(图1)。天水地区陇山群往往被认为是北祁连构造带东段最古老的岩石地层单元，主要由斜长角闪岩、片麻岩、石英片岩和大理岩等组成，该岩群变质程度较高，总体达到角闪岩相中--深变质，后期被早古生代地质体侵入。

图1 大地构造位置图[11]Fig.1 Geotectonic location map of study area

一直以来，对于陇山群的形成时代有多种认识，如：①古元古代：何艳红等[12]对出露于陇山岩群中的长英质片麻岩锆石U--Pb同位素年代学结果显示，片麻岩表现出有3组年龄峰值，分别是：2.5 Ga、2.35 Ga、1.9 Ga，认为陇山岩群开始形成于古元古代；王银川等[13]对陇山群中花岗质片麻岩进行锆石U--Pb定年，结果显示其形成于1 765 Ma; ②中元古代：陇山群中片麻岩的Sm--Nd同位素等时线年龄为1 450 Ma[14]; ③新元古代：宋志高[15]基于锆石单颗粒数据，认为陇山群中片麻岩的年龄为813～811 Ma；吴茂炳等[16]利用Sm--Nd 同位素测年方法，在陇山群获得了983 Ma和756 Ma的斜长角闪岩年龄; ④晚奥陶世—早志留世：何世平等[17]在陇山群中获得了晚奥陶世(452 Ma)的斜长角闪岩锆石U--Pb年龄。

同时对于陇山群的构造属性也存在不同的观点，主要有3种：①为北祁连构造带的基底。陇山群与北秦岭构造带前寒武纪基底—秦岭群具有相似的岩石组成和岩石地球化学特征[18--19]，因此陇山群代表了北祁连构造带的前寒武纪基底[15, 20--21]；②为华北陆块基底的一部分[12, 22]。何艳红等[12]认为陇山群中的火山--侵入岩具有太古代TTG岩系的地球化学特征，并具有2.5～2.35 Ga的形成时代，从而陇山群杂岩与登封杂岩、涑水杂岩和太华杂岩均为华北陆块南部边缘的基底岩系;③陇山群的不同地质单元形成于不同时代的不同构造环境下，应予以解体[17, 22]，何世平等[17]基于甘肃张家川—陕西陇县斜长角闪岩锆石U--Pb年代学和岩石地球化学研究，从陇山群中解体出一套晚奥陶世的绿片岩相变质火山岩系，并认为其原岩形成于奥陶纪大陆扩张环境中；徐可心[22]则认为陇山群可以解体为太古代—古元古代(～2.5 Ga和1.75 Ga)的亲华北结晶基底岩系和晚寒武纪—早古生代(539～454 Ma)的变沉积岩系两套地质体。除此之外，还有少数学者认为北祁连南北的微陆块具有显著的亲缘性，应当是统一的“西域板块”的一部分[23]。

由此可见，陇山群作为北祁连构造带东段最古老的地层之一，其形成时代和构造属性的不确定性导致其无法与北秦岭构造带中的相应地层进行对比，制约了对北祁连构造带早期构造演化历史的认识。因此，本论文在对北祁连构造带东段天水地区陇山群进行系统的野外地质调查和室内岩相学研究的基础上，对陇山群斜长角闪岩进行了详细的年代学研究，为陇山群构造属性的判定提供了新的年龄证据。

1 地质背景

天水地区主要出露有古元古代陇山群中--深变质基底岩系、早古生代红土堡组变质基性火山岩系、陈家河群中酸性火山岩--弧前盆地沉积岩系以及葫芦河群变质岩系。各构造岩石地层单位大致呈北西向展布，呈条块状相间排列展布，它们普遍经历了加里东期构造运动的叠加改造，是主期造山运动构造演化的结果。根据研究区内岩石地层单位的组合和分布特征，研究区内地层由北向南划分为以下构造单元：陇山群、陈家河群、葫芦河群和红土堡组。其中陇山群经历了多期次的构造运动，主要为一套角闪岩相中--深变质岩系。面理倾向NE方向，主要构造方向沿构造运动方向呈NW--NWW向，发育片麻理构造，岩体主要呈大型构造岩块状出露，在区域上呈条带状展布。主要分布于恭门—阎家店—马鹿以南地区，在王家岔周缘及凤阁岭以南地区有部分出露，大部分被印支期花岗岩侵入。

研究区内岩浆活动频繁，侵入活动非常强烈，早古生代岩浆岩广泛分布，主要包括王家岔石英闪长岩体、陈家河变质中酸性火山岩、黄门川花岗闪长岩体、阎家店闪长岩体和草川铺花岗岩体。它们与该区域内中元古代—早中生代3大造山阶段(晋宁期构造运动阶段、加里东期俯冲碰撞造山阶段以及印支期陆内碰撞造山阶段)息息相关。

研究区内发育的主要构造带自北向南发育有毛家磨逆冲断层、王家窑逆冲断层、潘河庄逆冲推覆断裂带以及金柳滩韧性逆冲剪切带等。红土堡组与陈家河群之间仅在清水县西局部地区可以观察到两者之间的断层接触关系，而其余大部分被印支期花岗岩体侵入或被新生代沉积黄土覆盖导致观测不到。

2 样品特征描述

本文所研究的样品采自于天水地区阎家店附近陇山群大面积发育地区(图2)，斜长角闪岩(样品编号：HN177)的原岩为陇山群中的变质基性岩浆岩。

图2 天水地区地质略图[24]Fig.2 Simplified geological map of Tianshui area

斜长角闪岩(HN177)，采集自张家川县东约10 km处S305公路旁(GPS点位：N34°55.358′，E106°20.577′，h=2 022.9 m)，花岗结构，块状构造，面理产状为235°∠51°，走向为135°(图3a、b)。主要矿物成份为普通角闪石(约为55%)、斜长石(约为25%)、石英(约为15%)以及少量碱性长石(约为3%)，副矿物主要有磷灰石、榍石、磁铁矿和绿帘石等。普通角闪石为暗绿或黄褐色，具有明显的多色性，呈自形--半自形柱状，横截面呈菱形，可见两组斜交解理，二级黄干涉色，粒度介于0.5～2 mm之间；斜长石呈半自形板片状，后期高岭土化强烈，粒度介于0.3～0.8 mm之间；石英无色透明，呈他形--半自形粒状，一级灰白干涉色，可见明显的波状消光，粒度介于0.2～2 mm之间。

3 分析方法

LA--ICP--MS锆石 U--Pb同位素定年在西北大学大陆动力学国家重点实验室使用Agilent 7500a型质谱仪和GeoLas 200M激光剥蚀系统完成。

首先将岩石样品碎裂至80～100目，经淘洗以去除岩石颗粒和杂质，再经过电磁法挑选出重矿物颗粒。将挑选出大小形态较好的锆石置于干净的双面胶上，并用环氧树脂进行固定。等待环氧树脂彻底固化之后，对其进行抛光直至抛光面打磨至镜面，可观察到锆石内部形态，然后对锆石进行反射光和透射光拍照、阴极发光显微图像照相以及定年测试等。

Hb：普通角闪石；Pl：斜长石；Q：石英。图3 天水地区斜长角闪岩显微照片Fig.3 Photomicrographs of amphibolite from Tianshui area

本文测试所采用的激光束斑直径为30 μm，频率为10 Hz。每测定5个样品点测定一次标准锆石91500，以保证数据的准确性。以高纯He作为剥蚀物质的载气，进行测试前首先使用标准参考物质NIST 610校正仪器，使仪器达到测试所要求的状态。使用国际标准锆石91500作为外标，同时使用29Si作为内标。详细的实验过程见文献[25--26]。同位素比值数据处理采用GLITTER(4.0版)完成，并用91500标准锆石按照Andersen[27]的方法进行同位素数据的校正。最后应用ISOPLOT软件进行年龄谐和图的绘制[28]。

4 定年结果

对天水地区陇山群中采集的斜长角闪岩进行LA--ICP--MS锆石U--Pb定年测试，岩石样品部分锆石阴极发光图像(CL图像)如图4所示，锆石U--Pb同位素定年测试结果见表1，U--Pb年龄谐和图如图5所示。

表1 斜长角闪岩锆石U--Pb同位素定年测试结果

图4 斜长角闪岩部分锆石CL图像Fig.4 CL images of zircons from amphibolite

斜长角闪岩(HN177)中的锆石呈半自形粒状，多为无色透明，部分锆石颗粒较大，长宽比为1∶1～3∶1，粒度在100～300 μm之间，内部结构清晰，大多数锆石具有岩浆成因韵律环带特征(图4)。该样品的16个测点中Th的含量变化为22×10-6～298×10-6、 U含量变化为89×10-6～738×10-6，Th/U比值介于0.25～1.16，表明为岩浆成因的锆石。在该样品的年龄谐和图和锆石U--Pb加权平均年龄分布图(图5a、b)上，16个测点的206Pb/238U年龄值在(440±6)～(450±5) Ma之间，206Pb/238U加权平均年龄为(444±2)Ma(MSWD=0.22，n=16)，代表了斜长角闪岩的形成时代，即为早志留世。这与北秦岭构造带陕西陇县七桥地区出露的陇山群中斜长角闪岩(452±1.7)Ma[17]和陕西丹凤区域出露的秦岭岩群中含柯石英角闪岩(451.7±4)Ma[29]的形成年龄一致。这表明，北祁连构造带东段陇山群中发育早志留世的岩浆事件。

图5 斜长角闪岩年龄谐和图(a)和锆石U--Pb加权平均年龄分布图(b)Fig.5 Concordia diagram(a)and zircon U--Pb weighted average age distribution(b)for amphibolite

5 地质意义

陇山群一度被认为是北祁连构造带东段最古老的岩石地层单元，对其形成时代一直存在以下不同认识：①古元古代[12--13]；②中元古代[14]；③新元古代[15--16]；④晚奥陶世[17]。同时对于陇山群的构造属性也存在不同的观点：①为北祁连构造带的基底[15, 18--21]；②为华北陆块基底的一部分[12, 22]；③陇山群的不同地质单元形成于不同时代的不同构造环境下，应予以解体[17, 22]。由此可见，陇山群作为北祁连构造带东段最古老的地层之一，其形成时代和构造属性的不确定性导致其无法与北秦岭构造带中的相应地层进行对比，即是否可以和北秦岭构造带前寒武纪基底—秦岭群对比？

北祁连构造带陇山群主要由斜长角闪岩、片麻岩、石英片岩和大理岩等组成，总体达到角闪岩相变质[12, 14, 17, 22]。北秦岭的秦岭群主要由麻粒岩、片麻岩、角闪岩、大理岩和变泥质岩等组成[21, 30--33]，总体达到角闪岩相变质，局部为麻粒岩相。从岩石组合和岩性特征上来看，二者之间似乎是可以对比的。然而，本文斜长角闪岩采自陇山群的变质火山岩层位，其年龄为(444±2) Ma，是陇山群中首次获得的早志留世火山岩的年龄，进一步表明陇山群中至少存在晚奥陶世—早志留世的MORB型大洋玄武岩[17]，而这么年轻的早古生代年龄在北秦岭的秦岭群中尚未有过相关报道，反而是在北秦岭的二郎坪群中普遍存在，如二郎坪群中的超基性岩、基性--中酸性变质火山岩主体上形成于早古生代(490～436 Ma[34--37])。

天水地区陇山群中前人报道的古元古代—新元古代年龄在秦岭群中广泛存在[21, 32, 38--42]，这表明陇山群中至少存在古元古代—新元古代和奥陶纪—志留纪两组明显不同的地层层序，分别可以与北秦岭构造带的秦岭群及相邻的二郎坪群进行对比，这是否表明北祁连构造带的陇山群应该予以解体？何世平等[17]基于甘肃张家川—陕西陇县斜长角闪岩锆石U--Pb年代学和岩石地球化学研究，从陇山群中解体出一套晚奥陶世的绿片岩相变质火山岩系，并认为其原岩形成于奥陶纪大陆边缘的扩张环境中，这与本文陇山群中早志留世斜长角闪岩原岩具有弧后盆地MORB的地球化学性质反映出来的构造环境一致。

综合上述对比分析，笔者认为北祁连构造带陇山群应解体为古元古代—新元古代古老结晶基底岩系和早古生代变质火山--沉积岩系两套地质体，其中古元古代—新元古代的古老结晶基底岩系应该被称之为真正意义上的“陇山群”。

6 结论

(1)天水地区陇山群中发育有早志留世(444±2) Ma的斜长角闪岩，表明陇山群的形成时代并非前人认为的前寒武纪。

(2)北祁连构造带陇山群应解体为古元古代—新元古代古老结晶基底岩系和早古生代变质火山--沉积岩系两套地质体，其中古元古代—新元古代的古老结晶基底岩系应该被称之为真正意义上的“陇山群”。