柴达木北缘大通沟南山岩体锆石U-Pb同位素年代学及其地质意义

王瑞廷, 杨春雷, 李 弦, 秦西社, 袁海潮, 吴少飞, 王 磊

柴达木北缘大通沟南山岩体锆石U-Pb同位素年代学及其地质意义

王瑞廷1, 2, 3, 4*, 杨春雷5, 李 弦3, 4, 秦西社2, 4, 袁海潮5, 吴少飞5, 王 磊5

(1. 陕西省矿产资源综合利用工程技术研究中心, 陕西 西安 710054; 2. 西北有色地质矿业集团有限公司院士专家工作站, 陕西 西安 710054; 3. 陕西西北有色地质调查院有限公司, 陕西 西安 710054; 4. 西北有色地质矿业集团有限公司, 陕西 西安 710054; 5. 咸阳西北有色712总队有限公司, 陕西 咸阳 726000)

大通沟南山岩体出露于柴达木北缘与阿尔金构造带结合部位, 侵入于新元古界青白口系索尔库里群之中。岩石化学特征表明, 大通沟南山岩体中的二长花岗岩属高钾钙碱性过铝质花岗岩类, 稀土表现出较强分异的元素配分模式, 具有弱–中等的Eu负异常, 反映可能存在弱的斜长石分离结晶作用或部分熔融过程中有斜长石的残留; 微量元素结果显示其富集大离子亲石元素Rb、Th、K等和LREE, 相对亏损高场强元素Nb、P、Ti、Y、Yb。石英闪长岩属钙碱性准铝质花岗岩类, 稀土元素球粒陨石标准化配分曲线显示明显的右倾型, 表现出较强分异的元素配分模式; 富集大离子亲石元素Rb、Th、K等和LREE, 相对亏损高场强元素Nb、P、Ti、Y、Yb, 具有明显的Sr、P和Ti负异常。岩体中二长花岗岩的锆石U-Pb同位素年龄为412.4±3.3 Ma, 时代属晚志留世; 石英闪长岩的锆石U-Pb同位素年龄为272±3.2 Ma, 时代属晚二叠世。两岩体可能形成于大洋闭合–陆陆碰撞和碰撞造山晚期到造山后的伸展环境。这一新的成果资料对研究柴北缘与阿尔金结合部位古生代构造演化、造山过程具有重要意义。

大通沟南山; U-Pb同位素测年; 柴北缘阿尔金构造带; 地球化学; 花岗岩类

0 引 言

花岗岩成因类型和时代, 可作为探讨地壳生长、演化, 探索地球动力学、大地构造演化的指示标志(Castro et al., 1991, 1995; Batem et al., 1992; 王涛, 2000; 肖庆辉等, 2003; 吴福元等, 2007, 2017; 陈隽璐等, 2008; 张旗, 2014; 高昕宇和赵太平, 2017)。地处阿尔金构造带、柴达木北缘的大通沟南山地区, 被大量的大通沟南山岩体侵入, 使原始的地层沉积接触关系复杂化。柴北缘–阿尔金构造带结合部位不同花岗岩类的时代、成因及就位机制, 可对阿尔金构造带研究提供帮助。

大通沟南山岩体的岩石类型繁多, 超基性–酸性均可见, 其时代争论不一。本次地质调查研究工作发现, 加里东晚期中酸性侵入岩分布最为广泛, 岩性以二长花岗岩为主, 海西晚期石英闪长岩、花岗闪长岩次之。前人对大通沟南山岩体地质研究也较多(孙成旺和周晓龙, 2016; 钱兵等, 2017; 孙小攀等, 2018; 王春涛等, 2018; 吴少飞等, 2020), 但对该岩体形成时代缺少同位素年代学约束, 影响了对其构造演化的分析。

本次工作选择出露于大通沟南山的二长花岗岩、石英闪长岩体进行地质调查、锆石U-Pb同位素测年及岩石地球化学研究, 以期对柴北缘–阿尔金构造带结合部位早古生代造山作用过程研究提供依据。

1 区域地质概况

大通沟南山地区地处柴达木盆地北缘、阿尔金山南麓, 是我国地质矿产研究程度最为薄弱的地区之一。阿尔金山南缘断裂带在该区北侧通过, 该断裂带规模宏伟、活动期长、连续性好, 构成举世闻名的青藏高原北界, 断裂带两侧在地层出露、构造形变、变质特征及发展历史等方面显著不同(徐志琴等, 1999, 2001, 2011; 潘桂堂等, 2002; 任收麦等, 2003; 伍跃中等, 2009; 校培喜等, 2014)。

该区发育的地层为新元古界青白口系索尔库里群, 曾遭受了低压区域变质作用。岩性下部主要为白云质大理岩、透闪石大理岩、碳质大理岩、结晶灰岩偶夹石英岩; 上部主要为二云石英片岩、绿泥石英片岩夹大理岩, 局部出露花岗质片麻岩。

大通沟南山岩体分布于大通沟南山–斑红山一带, 主要侵入于新元古界青白口系小泉达坂组中, 岩体两侧受柴达木北缘断裂、大通沟南山断裂2个大断裂控制, 呈EW向长条状展布, 出露面积较大, 东西长40 km, 南北宽10 km, 面积约为270 km2。岩性由老到新依次为深灰色中细粒闪长岩、灰色中细粒石英闪长岩、灰白色中粗粒二长花岗岩3类岩石(图1)。其中, 以二长花岗岩(样品-1, 采样位置: 38°43′43″N, 91°54′10″E)出露面积最大, 约占岩体出露面积的92%; 石英闪长岩(样品-2, 采样位置: 38°44′56″N, 91°54′33″E)次之, 主要分布在大通沟南山以北、大通沟南山断裂以南; 闪长岩仅在岩体中局部有出露。二长花岗岩与石英闪长岩没有直接接触, 均侵入于元古界青白口系小泉达坂组中, 与闪长岩有明显的界限, 呈突变接触; 花岗闪长岩与闪长岩界限不清, 呈渐变过渡关系。

2 分析方法

本次野外地质调查采集的所有样品分析测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。

在野外挑选、采集新鲜岩石样品, 并进行岩矿鉴定, 在薄片下观察其矿物成分、结构及构造, 保证岩石的新鲜。岩石经过加工研磨至200目后开展主、微量元素分析。主量元素分析是将其制成碱熔玻璃片在日本理学RIX2100 XRF仪上测定。测试时经BCR-2和GBW07105标样监控, 元素分析误差小于5%。微量元素测定是在美国Perkin Elmer公司的ELan 6100DRC ICP-MS上进行, 详细的分析测试方法见Gao et al. (1999)。样品测试过程中经AVG-1、BCR-1和BHVO-1国际标样监控, 并做空白样进行质量监控。Co、Ni、Zn、Ga、Rb、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、REE(除Lu和Hf外)等元素分析精度优于5%, 其他浓度低的元素分析精度为5%～10%。

1. 第四系; 2. 采石岭组; 3. 大煤沟组; 4. 小泉达坂组; 5. 平洼沟组; 6. 闪长岩; 7. 石英闪长岩; 8. 花岗闪长岩; 9. 二长花岗岩; 10. 基性–超基性岩; 11. 断层; 12. 采样位置。

从大约10 kg的新鲜岩石样品中通过破碎、淘洗、重液、电磁法等方法初步分离出数百粒岩石颗粒, 之后经双目镜挑选出晶形完整、无裂隙、透明的颗粒制成胶饼, 抛光后进行锆石的光学和阴极荧光(CL)观察, 并将照片记录下来, 最后利用LA-ICP- MS进行U-Th-Pb同位素分析。其中CL发光仪为加载于扫描电镜上的英国Gatan公司的Mono CL3+阴极荧光探头, LA-ICP-MS分析在Hewlett Packard公司的Agilient 7500a ICP-MS和德国Lambda Physik公司的ComPex102 Excimer激光器(工作物质ArF, 波长193 nm)、MicroLas公司的GeoLas 200M光学系统的联机上进行。激光束斑直径为30 μm, 激光剥蚀样品的适度为20～40 μm。实验中采用He作为剥蚀物质的载气, 用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质 NIST SRM610进行一起最佳化。锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质, 元素含量采用NIST SRM610作为外标,29Si作为内标。详细分析步骤和数据处理方法见Yuan et al. (2004)。

3 岩体地质特征

3.1 岩石学特征

二长花岗岩(图2a): 灰–肉红色, 中细粒似斑状结构, 块状构造。主要矿物成分为钾长石、斜长石、石英及少量的黑云母(图2b), 其中钾长石含量40%以上, 成分主要是微斜长石; 斜长石占30%～35%, 呈板状, 它形粒状, 粒径大小在0.5～5 mm, 发生了较强的绢云母化; 石英占20%～25%, 呈它形粒状, 粒径大小在0.5～3 mm; 黑云母少量, 占5%以下, 呈细片状, 片径小于1 mm, 发生了绿泥石化。副矿物主要有褐帘石、磁铁矿等。

石英闪长岩(图2c): 灰色, 中细粒半自形粒状结构, 块状构造。斜长石含量75%～80%, 成分是An为30～40的中长石, 少数具环带构造, 呈半自形板状, 粒径大小为0.5～3 mm的中细粒级, 有轻度绢云母化, 聚片双晶清楚, 杂乱分布; 石英占5%～10%, 呈它形粒状, 粒径大小在0.1～0.5 mm, 杂乱散布于斜长石晶体之间。暗色矿物总含量10%～15%, 成分以角闪石为主, 其次有黑云母。角闪石呈柱粒状, 粒径大小在0.5～2 mm, 少数发生了绿泥石化和黑云母化, 杂乱分布; 黑云母呈板状, 片径大小在0.5～2 mm,杂乱分布, 少数黑云母呈细小片状分布于角闪石颗粒的边部, 系角闪石次变质形成(图2d)。

3.2 岩石地球化学特征

本次工作通过野外调查, 综合考虑岩体宏观地质特征和镜下岩相、岩矿鉴定, 把所采样品分别定名为二长花岗岩和石英闪长岩。

岩石化学成分分析(表1)表明, 二长花岗岩中SiO2含量为68.29%～72.28%, 平均值为70.14%; Al2O3含量为13.50%～14.59%, 平均值为14.10%; K2O+Na2O平均值为7.60%, K2O/Na2O平均值为1.52, K2O>Na2O, 属正常的花岗岩类。

大通沟南山岩体二长花岗岩中K含量较高, K2O/Na2O值为0.89～2.20。里特曼指数()介于1.62～2.50, 反映其为钙碱性系列; K2O-SiO2图解(图3a)也指示样品多为高钾钙碱系列, 其中有2个样品落入了钾玄岩系列。A/CNK介于1.01～1.18, 在A/NK- A/CNK图解(图3b)中属过铝质花岗岩。MgO含量较低, 镁指数(Mg#)较小。

(a) 二长花岗岩; (b) 二长花岗岩(正交偏光×50); (c) 石英闪长岩; (d) 石英闪长岩(单偏光×50)。1. 钾长石; 2. 斜长石; 3. 石英; 4. 黑云母; 5. 磷灰石; 6. 金属矿物; 7. 角闪石。

表1 大通沟南山岩体二长花岗岩和石英闪长岩主量元素(%)、微量元素(×10−6)含量

续表1:

图3 大通沟南山地区岩体K2O-SiO2图解(a,底图据Morrison, 1980)和A/NK-A/CNK图解(b,底图据Peccerillo and Taylor, 1976)

二长花岗岩中稀土总量变化较大, ∑REE=82.3× 10−6～244×10−6, LREE/HREE=4.25～11.2。δEu小于1(0.32～0.84), 呈现负异常。(La/Sm)N值为2.29～5.26, (La/Yb)N值变化于3.65～15.28之间, 反映了岩石具有较强的轻、重稀土分馏及轻稀土富集的特征。重稀土相对亏损可能是残留体中含量较高的富重稀土的石榴子石和角闪石引起的(Sunand McDonough, 1989)。在岩石的稀土元素球粒陨石标准化配分模式图中, 6个二长花岗岩样品具有一致的稀土配分曲线, 呈明显的右倾型, 表现出较强分异的元素配分模式(图4a), 各样品中Eu均具有弱–中等的负异常, 反映可能存在弱的斜长石分离结晶作用或部分熔融过程中有斜长石的残留(张旗等, 2006)。

微量元素分析结果表明, 二长花岗岩的微量元素含量变化较大, Rb=39.1×10−6～213×10−6, Sr=89.8× 10−6～166×10−6, Ba=388×10−6～1072×10−6, Y=6.89×10−6～ 35.6×10−6, Nb=7.87×10−6～18.6×10−6, Ta=0.730×10−6～ 1.78×10−6。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图4b)中, 表现出不同程度地富集大离子亲石元素Rb、Th、K等和LREE, 相对亏损高场强元素Nb、P、Ti、Y、Yb。具有明显的Sr、P和Ti负异常, Ta异常不明显。

大通沟南山岩体的石英闪长岩中K含量较低, K2O/Na2O值为0.13～0.44。介于1.28～1.67, 反映其为钙碱性系列; K2O-SiO2图解(图3a)显示样品大部分位于钙碱系列与低钾系列的边界处, 其中有1个样品落入了低钾系列。A/CNK介于0.89～0.98之间, 在A/NK-A/CNK图解(图3b)中属准铝质花岗岩。

石英闪长岩中稀土总量变化较大, ∑REE=48.2× 10−6～83.3×10−6, LREE/HREE=5.27～5.95。δEu变化于0.74～1.10, 大部分小于1, 仅1个样品的δEu大于1, 总体呈现负异常。(La/Sm)N值为1.92～2.62, (La/Yb)N值变化于4.79～5.69之间, 反映了岩石具有轻、重稀土分馏, 轻稀土富集的特征。在岩石的稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图4c)中, 5个石英闪长岩样品具有一致的稀土配分曲线, 呈明显的右倾型, 表现出较强分异的元素配分模式, 各样品中Eu均具有弱–中等的负异常, 也可能存在弱的斜长石分离结晶作用或部分熔融过程中有斜长石的残留(张旗等, 2006)。

图4 大通沟南山岩体二长花岗岩和石英闪长岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式(a、c)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b、d)(球粒陨石和原始地幔标准化数据来自Sun and McDonough, 1989)

微量元素分析结果表明, 石英闪长岩的微量元素含量变化较大, Rb=2.77×10−6～35.9×10−6, Sr=267× 10−6～355×10−6, Ba=98.8×10−6～366×10−6, Y=3.88×10−6～ 15.2×10−6, Nb=2.49×10−6～7.59×10−6, Ta=0.180×10−6～ 0.570×10−6。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图4d)中, 表现出不同程度地富集大离子亲石元素Rb、Th、K等和LREE, 相对亏损高场强元素Nb、P、Ti、Y、Yb, 具有明显的Sr、P和Ti负异常。

4 U-Pb同位素年龄

本次工作在大通沟南山岩体二长花岗岩中采集锆石U-Pb同位素年龄样品, 阴极发光照片(图5)表明, 样品中锆石的形态大多呈柱状, 自形程度较好, 长宽比约为2∶1～3∶1, 粒径在100～300 μm之间不等。大多数锆石具有相对完整的晶形, 只有少数锆石的内部具有裂纹。在锆石的阴极发光图像上, 大多数锆石具有清晰的岩浆锆石成分韵律环带, 少数锆石颜色较深, 可能是含有较高的Th和U所致。样品的Th/U值均大于0.1(表2), 表明锆石为典型的岩浆成因锆石(吴元保和郑永飞, 2004; 钟玉芳等, 2006)。分析结果在U-Pb同位素年龄谐和线上构成了一致的年龄组, 在置信度为95%时, 获得大通沟南山岩体中二长花岗岩锆石U-Pb同位素加权平均年龄为412.4±3.3 Ma (图6), 时代属晚志留世。

在大通沟南山岩体石英闪长岩中采集锆石U-Pb同位素年龄样品, 锆石形态表明其也属于岩浆成因锆石(图7), 分析结果显示(表3), 大通沟南山岩体石英闪长岩锆石U-Pb同位素加权平均年龄为272±3.2 Ma(图8), 时代属晚二叠世。

图5 大通沟南山岩体二长花岗岩锆石CL图像

表2 大通沟南山岩体二长花岗岩锆石U-Pb同位素分析结果

图6 大通沟南山岩体二长花岗岩锆石U-Pb同位素年龄谐和图

5 构造环境

在柴达木造山带北缘分布大量的古生代花岗岩, 前人详细探讨了其构造演化与花岗岩岩浆期次的关系, 建立了洋陆转换过程中的区域构造演化框架, 认为该区洋壳俯冲发生在496～446 Ma(赖绍聪等, 1996; 史仁灯等, 2004; 吴才来等, 2008); 大洋闭合–陆陆碰撞发生在440～420 Ma(宋述光等, 2009; 周宾等, 2013)。碰撞后板块折返阶段发生在410～395 Ma (吴才来等, 2008); 造山后陆内伸展阶段发生在275～260 Ma(吴才来等, 2008)。结合区域构造演化, 笔者初步认为, 大通沟南山岩体二长花岗岩形成于早古生代(412.4±3.3 Ma), 可能是区域大洋闭合–陆陆碰撞的产物; 大通沟南山岩体石英闪长岩形成于晚古生代(272±3.2 Ma), 与该区构造演化过程中碰撞造山晚期到造山后的伸展环境相对应。

图7 大通沟南山岩体石英闪长岩锆石CL图像

表3 大通沟南山岩体石英闪长岩锆石U-Pb同位素测试结果

续表3:

图8 大通沟南山岩体石英闪长岩锆石U-Pb同位素年龄谐和图

在Y-Nb构造判别图解中, 样品分别投入到同碰撞花岗岩及火山弧花岗岩区(图9a), 而在Y+Nb-Rb构造判别图解中, 样品进一步被限定在火山弧花岗岩区(图9b), 个别点落在火山弧及板内花岗岩区的交界处(图9a、b)。结合区域地质构造特征, 笔者认为大通沟南山岩体在早古生代可能形成于大洋闭合–陆陆碰撞环境, 晚古生代可能形成于碰撞造山晚期到造山后的伸展环境, 反映了研究区内大通沟岩体的形成侵位与俯冲–碰撞花岗岩的构造环境有关(孟繁聪等, 2005; 刘永江等, 2012; 董顺利等, 2013; 周宾等, 2013; 朱小辉等, 2016)。

6 结 论

(1) 大通沟南山岩体二长花岗岩为高钾钙碱系列的过铝质花岗岩, 锆石U-Pb同位素年龄为412.4±3.3 Ma, 时代属晚志留世; 石英闪长岩为钙碱性系列准铝质花岗岩, 锆石U-Pb同位素年龄为272±3.2 Ma, 时代为晚二叠世。这2种侵入体的稀土、微量元素均表现出较强分异的元素配分模式, 均具有弱–中等的Eu负异常, 显示富集大离子亲石元素Rb、Th、K等和LREE, 相对亏损高场强元素Nb、P、Ti、Y、Yb等的特征。

VAG. 火山弧花岗岩; ORG. 洋脊花岗岩; WPG. 板内花岗岩; syn-COLG. 同碰撞花岗岩。

(2) 大通沟南山岩体二长花岗岩、石英闪长岩不同的同位素年龄表明, 古生代阿尔金断裂带内伴随区域造山运动发生了多期次构造–岩浆活动。

(3) 志留世、二叠世各侵入体形成于不同的构造环境——大洋闭合–陆陆碰撞和碰撞造山晚期到造山后的伸展环境。该区侵入岩时代的厘定, 对该区大地构造演化恢复具有较大的地质意义。

致谢:感谢西北有色地质矿业集团有限公司的各位项目同仁在野外工作过程中给予的帮助！同时感谢中国地质调查局西安地质调查中心校培喜教授级高级工程师和另一位匿名审稿专家提出的宝贵意见！

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Zircon U-Pb isotope chronology dating of Nanshan rock mass in the Datonggou area, northern margin of Qaidam Basin and its geological significance

WANG Ruiting1, 2, 3, 4*, YANG Chunlei5, LI Xian3, 4, QIN Xishe2, 4, YUAN Haichao5, WU Shaofei5, WANG Lei5

(1. Engineering and Technology Research Center for Comprehensive Utilization of Mineral Resources in Shaanxi Province, Xi’an 710054, Shaanxi, China; 2. Academician and Expert Work Station of Northwest Geological and Mining Group Co., Ltd. for Nonferrous Metals, Xi’an 710054, Shaanxi, China; 3. Shaanxi Northwest Geological Survey Institute Co., Ltd. for Nonferrous Metals, Xi’an 710054, Shaanxi, China; 4. Northwest Nonferrous Geology and Mining Group Co., Ltd., Xi’an 710054, Shaanxi, China; 5. Northwest Nonferrous712 Co., Ltd., Xianyang 726000, Shaanxi, China)

The Nanshan rock mass of Datonggou is located at the junction between the northern margin of Qaidam and the Altun tectonic belt, and intrudes into the Suoerkuli Group of Neoproterozoic Qingbaikou system. The petrochemical characteristics show that the monzogranite in the Nanshan rock mass of Datonggou belongs to the high-k calc alkaline peraluminous granite. The REE characteristics show a strong differentiation pattern of element distribution, and have weak to medium negative Eu anomalies, indicating that there may be weak fractional crystallization of plagioclase or residual plagioclase during partial melting. The trace element characteristics show that LILE is enriched in Rb, Th, K and LREE, and relatively depleted in high field strength elements (HFSE) such as Nb, P, Ti, Y and Yb. The quartz diorite belongs to calc alkaline meta-aluminous granite. The normalized REE chondrite distribution curve shows obvious right dipping type, showing a strong differentiation pattern of element distribution. LILE is rich in Rb, Th, K and LREE, and relatively depleted in high field strength elements (HFSE) such as Nb, P, Ti, Y and Yb, with obvious negative Sr, P, and Ti anomalies. The zircon U-Pb isotopic age of monzonitic granite is 412.4±3.3 Ma, indicating a late Silurian origin; the zircon U-Pb isotopic age of quartz diorite is 272±3.2 Ma, indicating a late Permian origin. The two rock bodies may have formed in an extensional environment from ocean closure-continentalcollision and late collisional orogeny to post orogeny. This new data is of great significance to the study of the Paleozoic tectonic evolution and orogenic process at the junction of the northern Qaidam Basin and Altun tectonic belt.

Datonggou Nanshan; zircon U-Pb ages; combination of the Qaidam and Altum; geochemistry; granitoids

P595; P597

A

0379-1726(2022)06-0728-12

10.19700/j.0379-1726.2022.06.010

2021-01-25;

2022-03-07

中国地质调查局地质调查项目(1212011140094)资助。

王瑞廷(1969–), 男, 教授级高级工程师, 主要从事矿产勘查与矿床地球化学研究。E-mail: wrtyf@163.com