北山造山带南部奥陶纪—志留纪变质地层LA-ICP-MS锆石U-Pb定年

王浩，任留东，王彦斌 ，李天福，李淼

1)中国地质科学院地质研究所，北京，100037；2)中国地质科学院地质力学研究所，北京，100081

内容提要:北山造山带东南部梧桐井地区广泛出露一套奥陶纪—志留纪地层,有关其形成时代和区域地层对比仍存在较大分歧，极大的限制了对区域地质演化的认识。为进一步确定其形成时代，本文对该地区奥陶系—志留系c岩组中的角闪绿帘黑云斜长片麻岩、白云母石英片岩及侵入其中的长英质岩脉进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年。获得n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄分别为419.8±2.7 Ma、421.5±0.8 Ma和417.0±3.4 Ma，前两者年龄在误差范围内一致，侵入其中的脉体的年龄限定了该岩组年龄的下限；由此将前人划分的奥陶系—志留系c岩组确切的形成时代确定为约420 Ma，属晚志留世。结合原定为奥陶系—志留系b岩组获得2个锆石U-Pb单峰年龄分别为427 Ma和428 Ma,属中志留世(Song Dongfang et al.,2016)，由此，将原奥陶纪—志留纪地层确定为志留纪地层，结合前人研究认为可能形成于早古生代古亚洲洋向敦煌地块俯冲相关的弧前盆地。

北山造山带位于中亚造山带南缘关键的构造部位(图1a)，与天山造山带、蒙古造山带、敦煌地块等多个构造单元相接壤(Xiao Wenjiao et al.,2010；Ao Songjia et al.,2016；吕洪波等，2018；袁禹，2019)，被认为是由一系列的古生代增生杂岩、岩浆弧(Xiao Wenjiao et al.,2010；Song Dongfang et al.,2013,2016)及可能的微陆块形成的增生型造山带(贺振宇等，2015；Liu Qian et al.,2015；Yuan Yu et al.,2015)。

区内出露的地层以古生界为主，其中奥陶系—志留系为一套复杂的变质地层，由甘肃省地质局第二区测队(1965～1966)创建。1966～1982年，甘肃区调队及甘肃省第二区测队先后在花牛山和公婆泉一带的浅变质岩中发现头足类、腕足类、腹足类和珊瑚化石(甘肃省地质局第二区测队❸；甘肃省区域地质矿产局，1989)，于是将有化石佐证的地层从原奥陶系—志留系中解体出来；尚未取得化石依据的笼统的划归为奥陶系—志留系(甘肃区域地质矿产局，1989)，目前仅出露于北山造山带南部的石板墩—旧井一带(图1b)。奥陶系—志留系作为北山地区金多金属矿床的赋矿层位，而引起广大地质工作者的关注；前人对该地层的研究主要集中在矿产方面，而对这套地层的年代学、构造背景及地球化学方面研究显得单薄(范国琳，1990；方维萱，1998；Song Dongfang et al.,2013，2016;Zheng Rongguo et al.,2018，2021；Yuan Yu et al.,2019)。

图1北山造山带地质简图(据贺振宇等，2015修改)Fig.1 Simplified geological map of the Beishan Orogenic Belt (modified from He Zhenyu et al.,2015&)

一些学者认为奥陶纪—志留纪地层属于北山造山带的前寒武纪基底(左国朝等，1990，1995；李志琛，1994；李景春等，1996；桑海清等，1997；梅华林等，1998；魏学平等，2000；聂凤军等，2004；孙新春，2005；刘雪敏等，2010)，也有学者将其认为是古生代地槽沉积或增生杂岩(甘肃省地质局第二区测队❸；Song Dongfang et al.,2013,2016)。由于缺乏古生物化石的标定，也没有精确的同位素年龄数据，“奥陶系—志留系”的确切形成时代一直存有争议。早期前人将其归为前震旦系(甘肃省地质局第二区测队❸)；甘肃省地质局第二区测队❸则将这套岩石与1∶20万牛圈子幅志留纪地层进行对比，认为应属于奥陶系—志留系；甘肃省地局区域地质调查队❹《甘肃的奥陶系》一书中论述了其可能的地层时代为奥陶纪；黄德征❺在编制《甘肃省变质地质图》时，又将这套地层归为奥陶系—志留系；1∶5万梧桐井幅(甘肃省地矿局酒泉地矿调查队❶)依据全岩Rb-Sr等时线年龄及区域地层对比，认为这套岩石形成于前长城纪；1989年《甘肃省区域地质志》中赞同这套地层可能形成于前长城纪；20世纪90年代，众多学者依据少量的同位素年龄及地层对比，认为其形成于元古宙至太古宙，可与前寒武系敦煌群对比(李志琛，1994；桑海清等，1997；梅华林等，1998；刘雪敏等，2010)；Song Dongfang等(2016)在奥陶系—志留系b岩组中获得的白云母石英片岩的锆石U-Pb年龄为427 Ma左右，限定其形成时代为中志留世。

由于奥陶系—志留系形成时代及构造属性的不确定性，对北山造山带构造演化历史和区域大地构造的理解以及区域之间的地层对比带来了一定的困难。鉴于此，笔者在梧桐井地区在原奥陶系—志留系c岩组中采集了原岩分别为安山质火山岩和火山碎屑岩的角闪绿帘黑云斜长片麻岩和白云母石英片岩及侵入其中的长英质脉体，并对这些样品展开了LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定，旨在对该地层的形成时代进行限定；并结合前人研究成果，对奥陶系—志留系的构造属性进行初步的探讨，以期为北山造山带的构造演化研究提供新信息。

1 区域地质背景

北山造山带西接天山造山带，向东与索伦缝合带相邻，向南与敦煌地块毗邻，向北可以延伸至蒙古造山带，是探讨中亚造山带最终形成及古亚洲洋闭合的关键地区(贺振宇等，2015；Ao Songjia et al.,2016；牛亚卓等，2018；Zheng Rongguo et al.,2018，2021；袁禹，2019)。北山造山带从北向南被划分为多个构造单元(Xiao Wenjiao et al.,2010)：雀儿山单元、黑鹰山—旱山单元、马鬃山单元、双鹰山—花牛山单元和石板山单元，其间以蛇绿混杂岩带相隔(图1)。

图2北山造山带南部地质图(据1∶20万后红泉幅❸地质图修改)Fig.2 Geological map of the Southern Beishan Orogenic Belt (modified after the 1∶200000 geological map of Houhongquan sheet❸)

此次研究区位于北山造山带南部的石板山地块中(图1)。区内地层出露简单，仅出露奥陶系—志留系及少量第四系(图2)。奥陶系—志留系分布于梧桐井—旧井一带，呈北西—南东向延伸，是一套变质程度不同的复杂变质岩系。前人根据岩石组合、变质程度及原岩建造等特征将这套地层自下而上划分为a岩组(O—S)a，b岩组(O—S)b和c岩组(O—S)c(甘肃省地质局第二区测队❸)。a岩组(O—S)a分布于研究区的中部及北部，岩石类型复杂，主要由片岩、片麻岩、斜长角闪岩、混合岩等组成；原岩可能为以泥、砂质为主，夹基性火山岩和碳酸岩层；岩层被花岗岩侵入体破坏，上部层位在区内未见，下部层位与b岩组(O—S)b整合接触。b岩组仅在研究区西南角出露，岩石类型简单，主要包括石英片岩和大理岩，推测下部原岩为以砂岩为主夹泥砂质及含砾砂岩，上部为碳酸岩层夹少量基性火山岩；变质较浅，岩层普遍受动力变质，组内岩石糜棱岩化普遍，强者形成糜棱岩。c岩组(O—S)c分布于梧桐井岩体以北，呈北西—南东向展布；该组岩石普遍发生混合岩化，越靠近岩体，混合程度越深，底部为渗透状混合岩，下部为黑云石英片岩，上部为均质混合岩(图3)，原岩为泥质岩及火山岩。

图3 北山造山带南部梧桐井奥陶纪—志留纪地层剖面图(据1∶20万后红泉幅地质调查报告❸修改)Fig.3 Geological cross section of the O—S strata in Wutongjing area,southern Beishan Orogenic belt (modified after the 1∶200000 geological survey report of Houhongquan sheet❸)

区内海西期岩浆岩发育(甘肃省地质局第二区测队❸；甘肃省地矿局酒泉地矿调查队❶；王驹等，2004；范洪海等，2006；贺振宇等，2015；袁禹，2019)，少量加里东期岩浆岩出露，如梧桐井黑云二长花岗岩中获得的锆石U-Pb年龄为415±2 Ma(Song Dongfang et al.,2016)。区内岩浆岩类型包括石英闪长岩(δo3b)、片麻状黑云母花岗岩(γo3b)，及黑云母花岗岩(γo42b)(图2)。石英闪长岩出露于研究区西南角，呈北西南东向展布，局部被第四系覆盖；片麻状黑云母花岗岩广泛分布于旧井以西、板滩以北，近东西向展布，与奥陶纪—志留纪地层呈侵入接触关系，岩体内地层捕虏体发育，岩相变化较大；黑云母花岗岩分布在梧桐井、板滩及旧井等地，侵入到片麻状黑云母花岗岩和奥陶纪—志留纪地层中，可见围岩捕虏体。

2 样品特征及分析方法

2.1 样品特征

本次研究的样品位于梧桐井东北方向4 km处的c岩组变质火山岩层位中(甘肃省地质局第二区测队❸)。样品BS66-1、BS66-2及BS67-2分别取自梧桐井东北方向沿路野外露头中，地理坐标分别为40°43′07″ N，97°13′23″ E和40°43′08″ N，97°14′04″ E；其中前二者采自奥陶系—志留系c岩组层位中(图2点A、图3)，BS67-2样品采自c岩组与b岩组边界附近(图2点B、图3)。

样品BS66-1定名为绿帘角闪黑云斜长片麻岩，新鲜面呈暗绿色、风化面为灰黑色，岩石呈中细粒粒状变晶结构、片麻状构造(图4a)；主要由石英(35%)、斜长石(25%)、钾长石(5%)、黑云母(25%)、角闪石(5%)、绿帘石(5%)及副矿物榍石、锆石等组成。石英呈他形粒状，可见颗粒被定向拉长，矿物颗粒边界可见石英亚颗粒；斜长石呈他形至半自形板状，聚片双晶，表面混浊；钾长石呈半自形板柱状，卡式双晶发育(图4b)；黑云母局部蚀变为绿泥石；角闪石呈深绿色，半自形柱状；绿帘石单偏光镜下呈浅黄色、颜色分布不均匀，分布于黑云母粒间，呈自形半自形柱状；暗色矿物黑云母、角闪石和绿帘石等集中呈条带状分布，定向明显(图4b)。

样品BS67-2为白云母石英片岩，新鲜面为灰黑色、风化面为灰白色，细粒鳞片粒状变晶结构、片状构造(图4e)；主要由白云母(40%)和石英(55%)组成，含少量斜长石(5%)。白云母定向连续分布；石英呈他形粒状，波状消光，颗粒边界呈锯齿状和棱角状(图4f)；斜长石普遍发生绢云母化，仍可见聚片双晶(图4f)。

样品BS66-2为侵入到BS66-1中的长英质岩脉(图4a、c)，新鲜面呈肉红色，中细粒粒状结构、块状构造，脉体横切上述片麻岩的片麻理(图4a)，岩石未见变形。矿物组成包括斜长石(40%)、钾长石(30%)、石英(25%)、绿泥石(5%)和少量绿帘石。斜长石呈他形至半自形板状，聚片双晶，绢云母化蚀变严重；钾长石呈他形板柱状，种类有条纹长石和微斜长石；石英呈他形粒状，波状消光；绿泥石呈片状、灰绿色，具有靛蓝色异常干涉色(图4d)，定名为二长花岗岩。

图4 样品野外和显微镜下照片:(a)二长花岗岩(BS66-2)侵入角闪绿帘黑云斜长片麻岩(BS66-1)；(b)角闪绿帘黑云斜长片麻岩显微照片；(c)二长花岗岩脉(BS66-2)地表露头；(d)二长花岗岩显微照片；(e)白云母石英片岩(BS67-2)地表露头；(f)白云母石英片岩显微照片Fig.4 Field and microstructure photographs of the samples：(a)the Hbl—Ep—Bt—Pl gneiss intruded by the monzonitic granite;(b)photomicrograph of the Hbl—Ep—Bt—Pl gneiss;(c)outcrop of monzonitic granite vein (BS66-2);(d)photomicrograph of the monzonitic granite;(e)outcrop of Ms—Qtz schist;(f)photomicrograph of the Ms—Qtz schist (BS67-2)Hbl—角闪石；Bt—黑云母；Ep—绿帘石；Kfs—钾长石；Pl—斜长石；Qtz—石英；Ms—白云母Hbl—hornblende;Bt—biotite;Ep—epidote;Kfs—K-feldspar;Pl—plagioclase;Qtz—quartz;Ms—muscovite

2.2岩石地球化学特征及原岩恢复

本次工作还对上述三件样品的主量元素和微量元素进行了测试分析，全岩粉末(200目)测试分析由北京科荟测试技术有限公司完成。主量元素测试所用仪器为岛津XRF-1800，测试方法为熔片X荧光光谱法(XRF)，执行GB/T 14506.28-2010标准；检测项目包括SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O、MnO、P2O5等11项；微量元素则利用Agilgent 7500ce ICP-MS进行溶样法测定；主量和微量元素的分析结果相对误差小于5%，测试结果见表1。

绿帘角闪黑云斜长片麻岩(BS66-1)SiO2和Al2O3含量分别为61.34%和17.11%；K2O+Na2O含量为5.01%，Na2O/K2O值为2.17，Na2O 略高于K2O，显示富Na贫K的特点；MgO为2.26%,TFe2O3为5.44%，而TiO2、MnO含量较低，总体呈现富硅、铝贫铁镁的特征，与中酸性火成岩特征一致。该片麻岩野外呈条带状产出(图2)，矿物组成主要包括石英、斜长石、钾长石、黑云母、少量角闪石和绿帘石及副矿物榍石、锆石；在详细的野外和薄片观察的基础上，利用地球化学特征对该样品开展原岩恢复工作，在DF指数(表1)、TiO2—SiO2图解(图5a)、K—A图解(图5b)、西蒙南图解(图5c)和A—C—FM图解(图5d)中样品点落入火山岩区，在火山岩TAS图解中(图5e)样品点落在安山岩范围内。考虑到岩石存在变形变质，因此选择惰性微量元素(Ti、Zr、Y、Nb、Ce、Ga)(见表1)，结合在变质过程中含量几乎不发生变化的过剩组分SiO2(白春东等，2019)，对样品进行惰性组分图解分析。Zr/TiO2—Ce图解(图6a)、SiO2—Zr/TiO2图解(图6b)和 Zr/TiO2—Ga图解(图6c)中样品点均落入安山岩范围内，而在Zr/TiO2—Nb/Y图解(图6d)，样品点落入粗面岩并靠近玄武岩区域。综合野外产状和主量、微量元素原岩恢复结果认为绿帘角闪黑云斜长片麻岩原岩可能为安山质火山岩。

表1北山造山带南部梧桐井片麻岩、片岩和二长花岗岩脉主量元素(%)和微量元素(×10-6)分析结果Table 1 Major (%)and trace compositions (×10-6)of representative gneiss,schist and monzogranite vein in Wutongjing area,southern Beishan orogenic belt

白云母石英片岩(BS67-2)SiO2含量为82.12%，Al2O3含量为9.50%；K2O+Na2O含量为3.23%，K2O/Na2O值为29.70，K2O明显高于Na2O，显示富K贫Na的特点，与典型的沉积岩的特征符合；Mg、Fe、Ca、Ti和Mn含量较低。岩石矿物组成包括石英、白云母和少量斜长石，依据地球化学特征对其开展的原岩恢复工作，TiO2—SiO2图解(图5a)、K—A图解(图5b)、西蒙南图解(图5c)、A—C—FM图解(图5d)中样品点均落入沉积岩区，DF指数(表1)也为负值；而在微量元素图解中，样品点多投在英安岩或粗面岩区(图6a—d)；结合样品的锆石呈自形的棱柱状(见下文图7a)、在谐和图上年龄集中分布(见下文图7b)，与典型的碎屑岩多种物源年龄分布不均一的性质相区别，因而白云母石英片岩原岩可能为火山碎屑沉积岩。

长英质岩脉(BS66-2)SiO2和Al2O3含量较高，分别为74.29%和13.69%；K2O+Na2O为7.92%，K2O /Na2O值为0.70，K2O略高于Na2O，显示富Na贫K的特点；而Mg、Fe、Ca、Ti和Mn含量普遍偏低，呈现富硅、铝贫铁镁的特征，符合中酸性火成岩特征。野外呈明显的脉状侵入到片麻岩中，表明侵入岩特征；在花岗岩R1—R2图解中投影点落入二长花岗岩中(图5f)，与显微镜下观察一致；在Zr/TiO2—Ce图解(图6a)、SiO2—Zr/TiO2图解(图6b)、Zr/TiO2—Ga图解(图6c)和Zr/TiO2—Nb/Y图解(图6d)中样品点显示具有花岗闪长质成分组成；结合镜下矿物组合和主微量元素图解的结果，该岩脉定名为二长花岗岩。

图5 原岩类型判别图解：(a)TiO2—SiO2图解(底图据Tarney,1976)；(b)K—A图解(周世泰，1984)；(c)(al+fm)—(c+alk)—Si西蒙南图解(Simonen,1953)；(d)A—C—FM图解(王仁民等，1987)；(e)TAS图解(底图据Le Maitre,1984)；(f)R1—R2花岗岩图解(De la Roche et al.，1980)Fig.5 Discrimination diagram for the BS66-1,BS66-2,BS67-2:(a)TiO2—SiO2 diagram(after Tarney,1976);(b)K—A diagram(Zhou Shitai,1984&);(c)(al+fm)—(c+alk)—Si Simone diagram(after Simonen,1953);(d)A—C—FM diagram(after Wang Renmin et al.,1987#);(e)TAS diagram(after LeMaitre,1984);(f)Granite R1—R2 diagram(De la Roche et al.,1980)

图6 原岩类型微量元素判别图解(据Floyd et al.，1978)：(a)Zr/TiO2—Ce图解；(b)SiO2—Zr/TiO2图解；(c)Zr/TiO2—Ga图解；(d)Zr/TiO2—Nb/Y图解Fig.6 Discrimination diagram of trace elements for the BS66-1,BS66-2,BS67-2(after Floyd et al.,1978)：(a)Zr/TiO2—Ce diagram;(b)SiO2—Zr/TiO2 diagram;(c)Zr/TiO2—Ga diagram;(d)Zr/TiO2—Nb/Y diagram

2.3 锆石U-Pb定年

采用了LA-ICP-MS分析方法对锆石U-Pb年龄进行测定，测试分析在北京科荟测试技术有限公司完成。样品采用常规方法粉碎，采用浮选和电磁选方法选出锆石，并在双目镜下挑选出具有代表性的锆石进行制靶、抛光和镀金，随后在透射、反射光和阴极发光(CL)下对锆石颗粒进行照相，筛选出代表性的锆石圈选测试区域，所选区域尽量避开包裹体和裂隙。

锆石U-Pb测年所用仪器为AnalytikJena PQMS Elite型 ICP-MS、RESOlution 193 nm 准分子激光剥蚀系统。激光剥蚀采用单点剥蚀的方式，所用束斑为24 μm，频率为6 Hz，能量密度约为6 J/cm2，以He为载气；测试前先用标样GJ-1进行仪器调试，使其状态达到最佳。锆石U-Pb定年以标样GJ-1为外标，微量元素含量以NIST 610做为外标、Si做内标的方法进行定量计算(Liu Yongsheng et al.,2010)。为保证测试精度，每10个样品测试前后重复测定两个锆石标样GJ-1对样品进行校正，并测量一个锆石Plesovice，观察仪器状态。采用ICPMS Data Cal程序(Liu Yongsheng et al.,2010)进行数据处理，测量过程中绝大多数分析点n(206Pb)/n(204Pb)>1000，未进行普通铅校正，对204Pb含量异常高的分析点在计算时剔除，年龄谐和图通过Isoplot 3.0程序获得。详细实验过程可参考侯可军等(2009)。样品分析过程中，Plesovice标样作为未知样品的测试结果为337.12±0.48 Ma(n=176，2σ)，年龄推荐值为337.13±0.37 Ma(2σ)(Sláma et al.,2008)，二者在误差范围内完全一致。样品年龄小于1.0 Ga，采用n(206Pb)/n(238U)年龄(宋彪，2015)。年龄数据见表2，同时对锆石进行了微量元素的原位分析，分析结果见表3。

表3 北山造山带南部梧桐井片麻岩、片岩和二长花岗岩脉锆石微量元素分析结果(×10-6)Table 3 Trace element compositions of zircons from representative gneiss,schist and monzogranite vein in Wutongjing area,southern Beishan orogenic belt (×10-6)

测点号LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu∑REEEuEu∗CeCe∗BS67-2白云母石英片岩010.008.850.010.230.620.263.591.3119.29 8.43 46.40 12.82 154.93 37.67 294.41 0.42267.25020.018.020.040.461.180.467.372.5132.20 12.24 58.47 13.99 145.92 31.94 314.81 0.3655.12030.0212.950.020.701.830.3612.84.8263.46 24.51 112.24 24.94 238.63 46.01 543.32 0.17140.31040.018.500.030.621.990.5212.84.7560.50 23.07 104.71 23.21 217.09 43.14 500.91 0.2475.64050.0010.120.081.001.850.5910.33.4041.02 15.70 72.68 16.99 176.21 36.97 386.95 0.3238.20060.008.550.030.621.450.4512.04.1655.02 22.02 99.59 22.33 215.82 42.16 484.15 0.2386.060714.6540.143.9115.733.430.769.893.2139.99 15.51 72.76 16.63 161.54 33.52 431.67 0.371.25080.022.700.091.021.620.6510.202.9431.25 12.00 57.38 13.60 135.97 27.42 296.85 0.378.33090.019.510.020.540.970.284.951.7922.86 9.04 46.29 12.01 135.13 31.55 274.95 0.32119.98100.0012.140.111.593.040.9215.95.3463.47 23.69 114.07 25.79 258.28 54.49 578.80 0.3333.33110.0011.690.010.701.850.3810.603.7443.13 15.83 69.55 15.21 144.94 28.19 345.78 0.21353.01120.023.160.051.243.540.417.64.2133.86 9.78 36.54 7.36 62.04 11.38 191.15 0.1316.49130.002.230.050.962.170.5812.64.1146.99 17.04 70.88 14.85 136.15 26.13 334.75 0.2613.47140.028.260.000.280.740.173.941.3416.71 6.76 35.49 9.14 103.54 23.56 209.95 0.24316.91150.0515.550.182.003.741.1219.506.6083.81 34.66 167.38 38.32 374.71 78.66 826.27 0.3223.52160.009.660.020.330.760.274.521.5018.71 7.14 36.06 9.20 100.53 22.16 210.86 0.34145.86170.379.310.311.931.520.417.022.4228.95 11.65 55.49 13.52 141.81 30.54 305.25 0.326.17180.044.900.061.643.980.4618.45.2047.18 14.56 55.01 10.53 89.06 16.45 267.44 0.1419.54190.009.770.030.841.720.519.243.4642.77 17.03 80.50 19.07 189.68 39.43 414.05 0.3198.34200.0010.250.020.230.660.274.341.4918.33 7.31 35.15 8.72 95.30 20.93 203.00 0.36154.76210.008.890.020.751.380.378.853.3039.64 15.57 71.93 17.13 172.56 35.53 375.92 0.24134.23220.0010.900.040.822.400.414.44.7659.29 22.22 99.25 21.48 203.57 40.98 480.47 0.1682.29230.003.260.020.501.410.178.763.1036.84 14.46 67.99 16.25 162.00 34.04 348.80 0.1149.22240.007.990.010.601.280.428.903.4144.95 18.15 86.18 19.91 200.33 40.84 432.97 0.28241.28252.7418.670.673.201.970.7110.53.2738.83 15.07 72.67 17.55 180.94 38.87 405.65 0.383.22260.047.750.040.851.980.659.543.0337.89 14.77 72.66 18.04 189.69 42.12 399.05 0.3841.99270.0216.650.051.073.300.0021.28.06104.15 40.59 183.02 37.99 330.49 57.38 803.92 0.0086.88280.021.590.091.052.080.637.371.9115.76 4.11 14.70 2.60 22.71 3.81 78.43 0.444.91290.008.050.020.661.410.467.122.7131.69 12.36 60.08 14.44 149.70 32.94 321.64 0.36121.55300.009.980.021.072.290.7215.15.0463.25 23.86 109.20 24.65 228.64 45.14 528.98 0.28150.69310.0011.410.020.532.180.5512.64.6357.96 21.89 97.45 20.73 191.33 36.40 457.68 0.25172.28320.009.170.050.671.510.477.682.6532.63 12.92 61.97 15.04 160.06 34.88 339.70 0.3455.38330.009.430.020.520.960.426.112.1325.81 10.28 48.50 11.44 123.34 26.51 265.47 0.40142.38340.0410.760.050.671.750.5810.13.1137.90 14.30 69.88 16.97 175.56 39.18 380.83 0.3349.43350.154.410.101.001.690.239.593.5443.49 16.30 74.54 17.08 172.04 34.38 378.54 0.148.37360.002.770.030.912.510.2216.65.3757.98 19.42 83.96 17.64 160.50 30.69 398.63 0.0827.88370.0211.580.040.801.090.527.302.3731.46 13.57 71.85 18.53 209.82 49.78 418.73 0.4273.05380.001.280.020.300.770.164.621.5417.45 6.12 25.90 5.60 53.29 10.67 127.72 0.2019.33390.0112.700.050.591.550.488.912.9736.37 13.91 63.23 14.45 147.18 29.93 332.33 0.3171.11400.0214.830.143.026.021.1929.009.34108.49 38.20 164.32 34.53 313.28 59.94 782.29 0.2330.29410.0211.380.030.761.540.4410.603.6646.84 18.35 85.05 19.15 185.93 36.92 420.70 0.2490.74420.017.080.000.220.640.183.631.3417.27 7.24 37.03 9.79 114.05 25.93 224.41 0.28543.27430.0012.280.040.621.470.569.373.4445.89 18.58 92.87 22.88 243.79 51.54 503.33 0.3592.71440.0512.920.030.771.700.5410.103.4944.25 17.83 88.97 21.91 233.33 51.15 487.06 0.3178.54450.018.890.051.392.880.8517.405.5965.70 24.42 107.68 23.28 219.85 42.70 520.68 0.2849.77BS66-2二长花岗岩010.001.610.030.561.570.299.033.0837.30 14.16 65.00 14.38 136.30 29.03 312.34 0.1816.21020.021.780.030.521.460.2110.604.19 53.47 21.86 103.51 24.07 235.79 49.52 507.03 0.1214.19030.288.890.595.477.281.4339.2212.70 144.70 55.29 243.73 51.91 486.23 99.15 1156.9 0.213.83040.014.070.061.594.361.1631.8111.10 131.69 50.08 218.73 45.88 419.53 84.10 1004.2 0.2219.22050.027.310.102.226.651.2649.7917.00 198.47 73.53 309.78 62.39 553.56 107.54 1389.6 0.1520.46063.22362.24.9938.8923.503.1340.718.59 83.98 30.86 137.76 29.92 281.55 58.49 1107.8 0.3117.48

测点号LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu∑REEEuEu∗CeCe∗071.0014.041.6112.7710.091.5528.258.0991.45 34.07 150.79 31.91 301.97 62.08 749.67 0.262.12080.065.770.182.255.200.8935.3812.60 154.65 58.38 256.22 53.42 480.21 97.07 1162.3 0.158.56090.039.920.051.172.590.5214.625.71 73.64 29.92 139.05 30.98 300.11 63.02 671.33 0.2048.47101.6118.091.6814.5115.742.5963.0120.6 240.30 89.65 384.67 80.95 719.20 144.05 1796.6 0.222.36110.004.940.081.644.870.7632.0311.21 135.78 51.82 230.42 48.96 453.06 92.11 1067.7 0.1418.65120.013.700.071.364.050.6525.858.79104.50 38.90 167.82 34.88 316.31 63.23 770.12 0.1515.11130.043.770.121.693.590.6525.629.02108.65 41.16 180.61 38.17 345.01 68.74 826.84 0.158.39140.005.770.091.854.811.1236.4313.36163.29 62.52 274.13 56.85 512.62 102.57 1235.4 0.1819.36150.003.760.081.122.860.6115.424.7854.10 19.89 87.64 18.53 175.04 35.80 419.63 0.2214.19160.375.240.665.675.670.8131.9311.5140.31 51.78 228.88 47.85 426.87 83.89 1041.5 0.141.96170.138.880.203.258.191.7555.5619.3232.23 86.46 379.90 78.37 710.37 142.37 1727.0 0.1910.68180.014.230.081.503.540.8223.628.68110.29 43.24 197.67 42.11 384.19 78.24 898.22 0.2015.22190.013.110.040.933.080.6518.546.1170.51 25.71 113.12 23.58 217.55 44.39 527.33 0.2021.38200.408.640.685.696.060.924.117.3181.28 28.77 119.88 24.75 221.97 44.37 574.81 0.203.12210.013.270.041.23.460.3523.768.64107.49 41.82 192.56 41.75 393.45 80.91 898.71 0.0922.48220.177.480.33.296.540.744.8417.2208.60 79.17 354.50 75.28 684.89 137.11 1620.1 0.096.16230.177.160.33.175.750.7635.2413.0161.61 61.98 280.70 59.50 554.91 112.36 1296.6 0.125.89240.005.510.071.754.680.9832.2110.8128.04 48.04 209.82 43.38 391.82 77.56 954.70 0.1823.77250.014.60.061.233.940.6725.568.64100.74 38.16 171.79 36.57 336.92 68.90 797.79 0.1521.73260.013.740.061.474.001.0027.199.46108.83 40.82 182.05 38.61 353.86 72.17 843.27 0.2217.66270.256.610.434.057.221.3245.1015.1173.66 64.17 284.17 58.90 538.17 108.50 1307.7 0.173.78280.356.560.625.516.431.3527.368.4294.77 34.91 152.15 32.21 294.40 59.63 724.67 0.272.61290.288.320.444.436.181.1731.4810.5 128.38 48.59 215.75 45.08 411.79 82.29 994.64 0.214.57300.024.510.081.804.731.0634.0011.8 137.82 52.59 232.34 49.27 453.50 92.12 1075.6 0.1915.50

3 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果

角闪绿帘黑云斜长片麻岩(BS66-1)中，锆石以自形的四方双锥为主，颗粒长、宽分别介于128 ～ 245 μm,59 ～ 105 μm之间，长宽比为1.7 ～ 3.4。锆石Th、U含量范围分别是15×10-6～ 146×10-6、77×10-6～ 650×10-6，Th/U值在0.02 ～ 0.60之间，在0.40上下浮动(图7d)，平均值为0.38;通常认为Th/U值大于0.4为岩浆锆石，Th/U值小于0.1为变质锆石(Hoskin et al.,2000；Belousova et al.,2002；吴元保等，2004)，但仅凭锆石的Th/U并不能有效的鉴别锆石是岩浆成因还是变质成因(Hoskin et al.,2000；Belousova et al.,2002)，还需结合锆石阴极发光特征和微量元素特征。该样品锆石阴极发光图像具有清晰的岩浆锆石特征的韵律环带(图7a)；锆石稀土元素配分型式图也显示明显的岩浆锆石的特征，如配分图解上呈现明显的左倾(图7e)，LREE亏损，具有正Ce异常和负Eu异常(Hoskin et al.,2000；Belousova et al.,2002)，因此所测锆石为岩浆成因锆石。另外，锆石边部可见弱的变质增生边，边部浑圆，为后期变质作用结果，因增生边较窄，无法进行测试。此次共完成分析点49个，所有点均分布于谐和线及其附近(图7b)，n(206Pb)/n(238U)年龄介于408～465 Ma；其中下方20个分析点n(206Pb)/n(238U)年龄介于411～430 Ma，n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为419.8±2.7 Ma(MSWD=2.1，n=20)，代表片麻岩的原岩形成年龄(宋彪，2015)。根据前文所述该角闪绿帘黑云斜长片麻岩的原岩为安山质火山岩，喷发于晚志留世。

图7角闪绿帘黑云斜长片麻岩(BS66-1)代表性锆石CL图像(a)；锆石U-Pb年龄谐和图:(b)全部数据点、(c)20个数据点；锆石年龄—Th/U比图解(d)；和锆石球粒陨石标准化稀土元素配分图(e)；球粒陨石标准化数据引自Boynton(1984)Fig.7 Representative CL images with U-Pb measuring spots of zircon grains from the Hbl—Ep—Bt—Pl gneiss (BS66-1)(a);U-Pb concordia diagrams:(b,c);zircon ages—Th/U ratio diagram (d);and chondrite-normalized REE pattern of zircons (e);standardized chondrite data from Boynton (1984)

白云母石英片岩(BS67-2)中的锆石为柱状、自形至半自形，长、宽为136 ～ 207 μm，60 ～ 139 μm，长宽比在 1.1 ～ 2.6之间。Th、U含量范围分别为36×10-6～ 232×10-6、75×10-6～ 738×10-6，Th/U为0.1 ～ 0.6，大多数大于0.4(图8d)，平均值为0.39；锆石阴极发光图像具有清晰的岩浆锆石的韵律环带(图8a)，锆石边部可见微弱的白色边，可能为后期变质形成的；稀土元素配分型式图也呈现明显的岩浆锆石特征(图8e)。该样品共完成分析点45个，27号分析点n(207Pb)/n(206Pb)年龄为2492±16 Ma，应该为继承锆石；其中27个点集中分布于谐和线或其附近(图8c)，n(206Pb)/n(238U)年龄介于415～429 Ma，n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为421.5±0.8 Ma(MSWD=3.4，n=27)。根据前文所述该白云母石英片岩原岩可能为火山碎屑沉积岩，该样品的锆石n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄421.5±0.8 Ma，代表了沉积时代，即形成于晚志留世。

二长花岗岩脉(BS66-2)样品锆石以自形的长柱状为主，长、宽分别为119 ～ 228 μm,43 ～ 86 μm之间，长宽比为1.8 ～ 4.5。Th、U含量范围分别为58×10-6～ 571×10-6、176×10-6～ 1349×10-6，Th/U为0.1 ～ 0.6，大部分位于0.4之上(图9d)，平均值为0.41；锆石阴极发光图像具有清晰的岩浆锆石的韵律环带(图9a)；稀土元素配分型式图解也显示明显的岩浆锆石特征(图9e)。此次共完成分析点30个，其中12个点集中分布于谐和线或其附近(图9c)，n(206Pb)/n(238U)年龄介于411～425 Ma，加权平均年龄为417.0±3.4 Ma(MSWD=1.9，n=12)，该锆石的结晶年龄代表该长英质脉体的侵位年龄，时代为早泥盆世。

图9 二长花岗岩(BS66-2)代表性锆石CL图像(a);锆石U-Pb年龄谐和图：(b)全部数据点、(c)12个数据点;锆石年龄—Th/U比图解(d);和锆石球粒陨石标准化稀土元素配分图(e)；球粒陨石标准化数据引自Boynton(1984)Fig.9 Representative CL images with U-Pb measuring spots of zircon grains from the monzonitic granite (BS66-2)(a);U-Pb concordia diagrams:(b,c);zircon age—Th /U ratio diagram (d);and chondrite-normalized REE pattern of zircons (e)；standardized chondrite data from Boynton (1984)

4 讨论

4.1 时代讨论

奥陶纪—志留纪地层中，古生物化石贫乏，仅在西侧邻幅安北幅相应层位中发现海百合茎化石(甘肃省地质局第二区测队❸)。本研究区内未发现化石。前人对这套地层的时代归属存在较大争议，早期依据岩石变质程度特征和区域地层对比，存在前震旦系(甘肃省地质矿产局，1989)、奥陶系(甘肃省地质局区域地质调查队❹)和奥陶系—志留系(甘肃省地质局第二区测队❸)等不同的划分方案。

20世纪90年代，随着同位素测年方法的兴起，一些学者运用Rb-Sr法、矿物40Ar-39Ar法及Sm-Nd法等手段来确定这套地层的形成时代(甘肃省地矿局酒泉地矿调查队❶；李志琛，1994；桑海清等，1997)；但所获得的年龄结果相去甚远，如大口子和红柳泉斜长角闪岩及金庙沟角闪片岩的全岩 Sm-Nd等时线年龄分别为2956 Ma、2059 Ma和1622 Ma(李志琛，1994)。总之，这一时期的学者普遍将这套岩石认为是形成于元古宙—太古宙的早前寒武纪基底，并可与敦煌地块的敦煌群对比(左国朝等，1990、1995；李志琛，1994；李景春等，1996；桑海清等，1997；梅华林等，1998)。鉴于40Ar-39Ar体系易受后期变质、变形等因素的扰动(陈文等，2011)，而Rb-Sr和Sm-Nd体系在岩石中比值变化很小就会对等时线年龄造成较大影响，不同学者对所获年龄的认识存在不同的看法(章雨旭等，2008；李曙光等，2014)。因而前人获得的元古宙—太古宙的年龄的可靠性还有待锆石U-Pb年龄的进一步验证。

近年来，新的锆石U-Pb同位素年龄数据则支持早古生代的观点，如Song Dongfang等(2016)在梧桐井一带奥陶系—志留系b岩组白云母石英片岩获得的锆石U-Pb单峰年龄分别为427 Ma和428 Ma，表明b岩组形成于中志留世；邻区安北幅东涧泉相应层位中变质碎屑岩的最大沉积年龄为430 Ma(Zheng Rongguo et al.,2021)。

注意到区域内岩浆岩发育，且与奥陶系—志留系呈明显的侵入接触关系(图2)，因而这些岩体的形成时代可作为限定地层时代的证据之一。其中，位于研究区西南角的梧桐井岩体与奥陶系—志留系c岩组呈明显的侵入接触关系(图2)，前人的研究中，在梧桐井岩体中获得的花岗岩锆石U-Pb年龄为415±2 Ma(Song Dongfang et al.,2016)，与我们所测得的 413.6±0.9 Ma(未发表的数据)年龄数据在误差范围内一致，表明梧桐井岩体形成于413 Ma左右，从而说明该地层的时代应早于早泥盆纪。

此次在梧桐井地区获得的原奥陶系—志留系c岩组中的角闪绿帘黑云斜长片麻岩和白云母石英片岩中获得锆石U-Pb年龄分别为419.8±2.7 Ma、421.5±0.8 Ma，二者在误差范围内一致，为420 Ma，表明原奥陶系—志留系c岩组地层的形成时代为晚志留世；另外，与c岩组中的片麻岩呈侵入关系的长英质岩脉中获得的锆石U-Pb年龄417.0±3.4 Ma，限定了地层时代早于此年龄，与上述结论一致。结合前人在b岩组中所获得的427 Ma、428 Ma单峰年龄(Song Dongfang et al.,2016)及东涧泉变质碎屑岩430 Ma的最大沉积年龄(Zheng Rongguo et al.,2021)，笔者等认为梧桐井地区原奥陶系—志留系确切的形成时代应为430～420 Ma，属志留纪。此次在梧桐井奥陶系—志留系c岩组中获得的高精度的测年数据，为这套地层时代归属及区域之间地层对比提供了可靠的年代学证据，有助于完善北山造山带的地层格架。

研究区内奥陶系—志留系是由火山岩、碎屑岩及碳酸盐岩变质形成的复杂变质地层(甘肃省地质局第二区测队❶)，形成于志留纪(430～420 Ma)。邻区牛圈子幅中出露的志留纪地层为一套火山岩和砂页岩建造，且在下部层位中的公婆泉群中发现珊瑚化石Favositessp.、Mesofavositessp.、Halysitescf.、海百合茎等(甘肃省地质局第二区测队❷)，表明该地层形成于中—晚志留世；Song Dongfang等(2013)在勒巴泉一带的公婆泉群片岩获得锆石U-Pb最大沉积年龄为427±7 Ma，侵入的花岗岩脉时代为423±15 Ma，进一步将该地层的时代限定在423～427 Ma。可见这两套地层在岩性组合及时代上具有可对比性(图10)，由此我们将前人笼统划分的奥陶系—志留系限定在更窄的志留系范围内，并与牛圈子幅志留系进行对比。

图10 梧桐井(a)(据1∶20万后红泉幅地质图❸修改)及勒巴泉地区(b)(据1∶20万牛圈子幅地质图❷修改)奥陶纪—志留纪综合柱状图Fig.10 Schematic stratigraphic columns of the Wutongjing area(a,modified after the 1∶200000 geological map of Houhongquan sheet❸)and Lebaquan area(b,modified after the 1∶200000 geological map of Niujuanzi sheet❷)

4.2 构造属性

有关奥陶系—志留系这套变质岩系的构造属性，一直存有分歧。20世纪90年代，众多学者将这套岩石识别成北山造山带的元古宙—太古宙基底(左国朝等，1995；李志琛，1994；李景春等，1996；桑海清等，1997)，本文通过对奥陶系—志留系c岩组中变质火山岩的锆石U-Pb测年，并结合前人研究成果，基本可以断定这套岩石在梧桐井地区并非北山造山带的前寒武纪基底，而是志留纪(430～420 Ma)形成的火山沉积地层。近年来，北山地区陆续发现了一些晚志留世岩浆岩，结合岩石组合及地球化学特征，认为它们系形成于俯冲环境的弧岩浆岩(赵泽辉等，2007；毛启贵等，2009)，与此次研究的变质火山岩在形成时间上吻合，暗示该地区的变火山岩可能形成于俯冲相关的岛弧背景。而奥陶系—志留系原岩主要为砂岩、泥岩、碳酸盐岩和火山岩，沉积类型与弧前盆地沉积相似(闫臻等，2018；Zheng Rongguo et al.,2021)，考虑到晚寒武世古亚洲洋开始向敦煌地块俯冲(Tian Zhonghua et al.,2020)，将奥陶系—志留系的形成环境归属于弧前盆地是合理的(Zheng Rongguo et al.,2021)。

5 结论

基于对北山梧桐井地区奥陶系—志留系c岩组中角闪绿帘黑云斜长片麻岩、白云母石英片岩以及侵入到片麻岩中的长英质岩脉的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析，并结合区域地质特征，我们取得以下认识：

(1)奥陶系—志留系c岩组中的角闪绿帘黑云斜长片麻岩和白云母石英片岩LA-ICP-MS锆石U-Pbn(206Pb)/n(238U)加权平均年龄分别为419.8±2.7 Ma、421.5±0.8 Ma，二者在误差范围内一致；其中侵入片麻岩中的长英质脉体n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄417.0±3.4 Ma限制了该岩组的形成的下限年龄，表明该c岩组确切的形成时代为420 Ma，属晚志留世。

(2)结合前人的研究成果和此次研究所测得的同位素年龄，认为原奥陶系—志留系形成于志留纪430～420 Ma；可能在古亚洲洋向敦煌地块俯冲相关的弧前盆地环境下形成。

致谢：北京科荟测试技术有限公司在LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测试过程中提供的技术支持，以及审稿专家李佐臣教授、张拴宏研究员和编辑热心和认真地对本文做了审阅并提出了宝贵意见和建议，在此表示感谢！

注 释/Notes

❶ 甘肃省地矿局酒泉地矿调查队.1988.中华人民共和国区域地质调查报告—梧桐井幅(1∶5万).甘肃省地矿局.

❷ 甘肃省地质局第二区测队.1968.中华人民共和国区域地质测量报告—牛圈子幅(1∶20万).甘肃省地质局.

❸ 甘肃省地质局第二区测队.1969.中华人民共和国区域地质测量报告—后红泉幅(1∶20万).甘肃省地质局.

❹ 甘肃省地质局区域地质调查队.1979.甘肃的奥陶系.甘肃：甘肃省地质局区域地质调查队：1～148.

❺ 黄德征.1987.甘肃省变质地质图及说明书.甘肃：甘肃省地矿局区域地质调查队：1～37.