甘肃北山红岩井西南似斑状二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年及其地质意义

刘明强，朱永新

(甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000)

在漫长的地质演化历史进程中，发生了大规模的构造-岩浆活动，形成了壮观的构造-岩浆岩带。花岗岩是研究地球动力学、大陆动力学的一种特殊对象，通过对花岗岩浆生成、演化、上升、定位的研究，可为探讨大陆的生长、结构演化、壳幔相互作用、地质事件的定时、定位、大陆内部物质再分配、动力学演化、成矿等方面的研究提供重要信息。北山西邻东天山，东接阿拉善，以阿尔金和星星峡两大走滑断裂为界，位于一个巨大的构造楔形区，构造形迹极其复杂，其大地构造的归属一直有争议(刘雪亚，1984；左国朝等，1990；龚全胜等，2002，2003；何世平等，2002；江思宏等，2003；李锦轶等，2006)。由于北山造山带所处的特殊大地构造位置，地质构造十分复杂，在漫长的地质演化历史进程中，发育大规模的构造-岩浆活动，并形成壮观的构造-岩浆岩带(杨合群等，2009)。红岩井西南中酸性侵入岩体位于马鬃山早古生代岩浆弧带上，通过对1∶20万牛圈子幅分析研究认为其时代为加里东晚期，通过对1∶25万马鬃山幅研究认为其形成于石炭纪(329±3.0Ma)。笔者在北山马鬃山地区勒巴泉一带开展的1∶5万红泉等5幅区域地质调查过程中，对红岩井西南的似斑状二长花岗岩体进行了岩石地球化学和锆石U-Pb测年研究，并在该岩体中获得了LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄，笔者主要探讨岩体形成的时代及其构造属性。

1 区域地质特征

研究区大地构造位置处于牛圈子早古生代蛇绿构造混杂岩带北侧，马鬃山早古生代岩浆弧带上(图1B)。出露地层主要有前长城纪北山杂岩、长城纪古硐井群、蓟县平头山组残块；震旦—寒武纪马鬃山混杂岩、奥陶纪窑洞努如岩片(代文军等，2000；刘明强等，2003)、志留纪公婆泉群；二叠纪红岩井组、新近纪苦泉组、第四系等。红岩井组在研究区内大面积分布(图1A)。

研究区构造十分复杂，主要构造格架呈近东西向或北西西向。形成勒巴泉变质核杂岩构造，具有多期次、多体制变形的特点。在上盘脆性域和变质结晶基底之间存在一个强烈变形的中间韧性层，以发育褶叠层构造群落为特征。但遭受后期构造的强烈改造和破坏，以华力西末—印支期逆冲构造尤甚，使变质核杂岩构造的早期构造形迹、位态更加复杂化(刘明强等，2003)。

分布于红岩井西南的中酸性侵入岩体，侵入于长城纪古硐井群中(图2)，部分被第四系覆盖；北侧与二叠纪红岩井组呈断层接触(图1A)。主体岩性为一套似斑状二长花岗岩。岩石呈似斑状结构，块状构造，略显定向构造。斑晶为单一的钾长石，含量为15%～25%，大小为5.0～12.0mm，属微斜条纹长石，包裹细粒斜长石或与斜长石穿插生长，偶构成蠕英结构，无平直连续的棱边，具似斑状结构的典型特征。基质矿物的粒径大小为0.5～3.5 mm，含量为75%～85%，主要由斜长石(30%～33%)、钾长石(15%～21%)、石英(26%～28%)、黑云母(5%±)和微量副矿物金属矿物、磷灰石、帘石等组成。基质钾长石与斑晶钾长石的光性特征相同；斜长石具卡式和聚片双晶，具不同程度的绢云母-白云母化；石英具波状、带状消光，并见脆性裂纹。黑云母呈深褐色，具不同程度的绿泥石化和白云母化。受应力作用各类组分的长轴略显定向。

似斑状二长花岗岩内部存在一些不均匀的韧性剪切构造，岩石变形强烈，石英、钾长石等粒状矿物定向排列且强烈细粒化。钾长石斑晶发生旋转，形成碎斑，粒状矿物被普遍压扁、拉长，形成条带。黑云母等暗色矿物围绕粒状矿物碎斑展布，形成糜棱面理。发育不清晰的多米诺骨牌、“δ”旋转碎斑(图3)、S-C组构等构造行迹。指向性构造判断，该韧性构造变形性质属右行剪切特征。

2 测年结果及数据处理

2.1 样品采集和制备

样品采自远离脉体和裂隙的新鲜似斑状中细粒黑云母二长花岗岩，采样位置为北纬41°42′14″，东经96°03′28″。似斑状中细粒黑云母二长花岗岩，似斑状结构，块状构造。岩石由斜长石、钾长石、石英、黑云母和副矿物金属矿物、磷灰石、帘石等组成。形成粒径悬殊的似斑状结构。斑晶含量25%，成分为单一的钾长石，大小为5.0～12.0mm，卡式双晶和形态复杂的条纹构造发育(图4)，属微斜条纹长石，包裹细粒斜长石或与斜长石穿插生长，偶构成蠕英结构，无平直连续的棱边，具似斑状结构的典型特征(图5)。基质矿物的粒径大小在0.5～3.5mm，含量75%，其中斜长石30%±，石英28%±，钾长石13%±，黑云母4%±，含微量磷灰石+金属矿物+帘石。岩石新鲜，蚀变很微弱。

1.第四系;2.第三纪苦泉组;3.二叠纪红岩井组;4.志留纪公婆泉群;5.奥陶纪窑洞努如岩片;6.奥陶纪牛圈子混杂岩.7;震旦—寒武纪马鬃山混杂岩;8.长城纪古硐井群;9.早元古代北山杂岩;10.钾长花岗岩;11.似斑状二长花岗岩;12.二长花岗岩;13.花岗闪长岩;14.英云闪长岩;15.石英闪长岩;16.闪长岩;17.辉长岩;18.地质界线;19.角度不整合界线;20.断层;21.韧性剪切带;22.平移断层;23.剥离断层;24.同位素采样位置;25.蛇绿混杂岩；Ⅰ.雀儿山古生代岩浆弧;Ⅱ.红石山晚古生代蛇绿构造混杂岩带;Ⅲ.白山晚古生代岩浆弧;Ⅳ.马鬃山早古生代岩浆弧;Ⅴ.牛圈子早古生代蛇绿构造混杂岩带;Ⅵ.双鹰山早古生代被动陆缘;Ⅶ.红柳园古生代裂谷;Ⅷ.石板墩前陆基底图1 北山红岩井西南似斑状二长花岗岩体地质构造简图Fig.1 Geological and structural sketch map of the granite from the southwest of HongyanJing，Gansu Beishan

图2 似斑状二长花岗岩侵入长城纪古硐井群图Fig.2 The porphyritic monzonitic granite intruded into the Gudongjing Group of Changchengianperiod

图3 似斑状二长花岗岩中发育的旋转碎斑图Fig.3 The rotated porphyroclast in the porphyritic monzonitic granite

图4 钾长石(Kp)斑晶的卡式双晶和条纹构造图(正交镜10×2.5)Fig.4 The phenocrystof K-feldspar(Kp)with cassette twin and striped structure, is microcline perthite.(+)10×2.5

图5 钾长石斑晶(Kp)与基质矿物斜长石(Pl)、石英(Qz)构成的典型似斑状结构(正交镜10×2.5)Fig.5 The phenocrysts of K-feldspar(Kp)in the porphyritic monzonitic granite are interspersed with matrix minerals such as plagioclase (Pl)and quartz (Qz), which form a typical porphyric structure.(+)10×2.5

所采样品用常规方法粉碎至80—100目，并用常规浮选和电磁方法进行分选，得到大于500粒锆石后，再在双目镜下挑出晶形和透明度较好的锆石颗粒作为测定对象。将锆石粘在双面胶上，然后用无色透明环氧树脂固定，然后进行锆石显微(反射光和投射光照相)、阴极发光(CL)显微图像研究及LA-ICP-MS分析。

2.2 锆石特征

锆石的阴极发光(CL)图像在西北大学动力学国家重点实验室完成，采用FEI公司XL30型SFEG电子束进行锆石显微照相。所选锆石晶体呈无色、淡黄色，柱状，形态完整，晶体棱角亦较分明；锆石晶体一般长轴在80～200μm，单颗粒柱状锆石长宽比介于1.25～2.25。锆石的内部结构清楚，阴极发光图像表现出典型的岩浆生长振荡环带和韵律环带结构，属于岩浆结晶锆石(吴元保等，2004)(图6)。

2.3 测试方法及精度分析

激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)锆石微区原点定年在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行，在Agilent7500型ICP-MS、德国LambdaPhysik公司的ComPex102ArF准分子激光器(工作物质ArF，波长193nm)和MicroLas公司的GeoLas 200M光学系统的联机上完成。激光束斑直径为30μm，激光剥蚀样品的深度为20～40μm。实验中采用He作为剥蚀物质载气，用美国国家标准技术

圈内数字表示U-Pb分析点，其他数字表示206Pb/238U表面年龄图6 红岩井西南似斑状二长花岗岩体中代表性单颗粒锆石阴极发光(CL)图像Fig.6 CL images of the representative analyzed Zircons in the granite from the southwest of HongYanJing

研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NISTSRM610进行仪器最佳化，采样方式为单点剥蚀，数据采集选用一个质量峰一点的跳峰方式，每完成4～5个测点的样品测定插入测标样一次。在所测锆石样品15～20个分析点前后各测2次NISTSRM610。

锆石年龄采用标准锆石91500作为外标标准物质，元素含量采用NISTSRM610作为外标，29Si作为内标。详细分析步骤和数据处理方法参见相关文献(HOM I et al.，2000；BALLARD J R et a.l，2001；KOSLER J et a.l，2002；袁洪林等，2003)。

2.4 测试结果

岩石锆石U-Pb年龄测试结果见表1，单个数据点的误差均为1σ，采用Glitter(ver4.0，Macquarie University)程序对锆石的同位素比值和元素含量进行计算，并按照Andersen Tom的方法，用LA-ICP-MS Common Lead Correction(ver3.15)进行了普通铅校正，所有样品均采用207Pb/206Pb年龄，年龄计算和谐图采用Isoplot(ver3.0)完成(LUDWIG K R，1991)。

由锆石U-Pb不一致曲线图可以看出(图7)，各测点具有较为一致的表面年龄，208Pb/238U年龄较为集中，表明测试结果可靠。所测12个点给出的206Pb/238U年龄加权平均值为(402.2±4.4)Ma，代表岩浆的结晶年龄，相当于早泥盆世。

3 岩石地球化学特征

红岩井西南似斑状二长花岗岩体的岩石化学和微量元素分析数据见表2。

图7 红岩井西南似斑状二长花岗岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄曲线及谐和图Fig.7 LA-ICP-MS zircons U-Pb concordia age diagram from granite in the southwest of HongyanJing

在QAP图中，样品均投入二长花岗岩区。岩石富Si(SiO2=68.12%～75.76%)，Al2O3含量多在13.13%～15.55%，只有一个样品为11.86%，铝饱和指数A/CNK=1.02～1.05，为准铝质花岗岩的特征；Na2O的含量(2.94%～3.49%)较低，K2O含量为4.12%～6.41%，Na2O+K2O含量高(7.69%～9.91%)，平均8.39%，富钾(K2O/Na2O 为1.18～1.90)，里特曼指数σ=1.76～3.77，属钙碱性岩浆系列，在硅碱图解上样品投入亚碱性岩浆系列区；在硅钾图上样品落入高钾钙碱性-钾玄岩系列区。

表1 甘肃北山红岩井西南似斑状二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果Tab.1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotopic analytical results for porphyriticgranites from the southwest of Hongyanjing，Beishan, Gansu province

注：西北大学大陆动力学国家重点实验室等离子质谱测试中心测试。

表2 红岩井西南似斑状二长花岗岩体的主量元素(%)和微量元素(10-6)分析结果Tab.2 Analyses of major (%)and trace elements (10-6)data of porphyriticgranites from the southwest of Hongyanjing

似斑状二长花岗岩类稀土总量较低，∑REE在175.40×10-6～269.76×10-6，(La/Yb)n介于3.30～12.25，(LREE/HREE)为1.84～5.23，属轻稀土富集型，δEu为0.23～0.47，具明显的负Eu异常；稀土配分曲线右倾(图8)，轻稀土富集，样品变化趋势大体一致，负Eu异常明显，具海鸥型特征，与地壳重熔型花岗岩稀土配分型式相似。

图8 红岩井西南岩体稀土配分曲线图(球粒陨石标准化值引自MASUDA等，1973；原始地幔标准化值引自WOOD等，1979)Fig.8 REE distribution of the southwest of HongyanJing pluton

微量元素原始地幔标准化蛛网图(图9)中各样品的曲线基本平行，显示同源岩浆演化的特征，微量元素特征显示，岩石富集Rb、Th、K、Nd、Hf、Y等，而强烈亏损Ba、Nb、Sr、P、Ti。具正常弧花岗岩的特征，反映该花岗岩更具大陆壳的特征，是增生在大陆边缘的新地壳(李昌年，1992)。岩体的Sr/Y值很低(Sr/Y=2.32～6.39)，贫Sr(91.5×10-6～156×10-6)，富Yb(2.18×10-6～6.71×10-6)，这种特征与华南低Sr高Yb型花岗岩相似。张旗等(2006a，2006b，2008)认为这种低Sr高Yb型花岗岩为浙闽型花岗岩，与其平衡的是斜长石和角闪石残留相，说明形成压力较低(<0.8GPa或1.0GPa)，可能是地壳伸展变形减薄达正常地壳厚度(30km左右)或低于正常地壳厚度的造山后阶段形成。

图9 红岩井西南岩体微量元素蛛网图(球粒陨石标准化值引自MASUDA等，1973；原始地幔标准化值引自WOOD等，1979)Fig.9 Trace element distribution of the southwest of HongyanJingpluton

4 成因环境判别及形成的构造背景

北山地区在新元古代末经历了晋宁运动，导致各陆块发生汇聚并强烈碰撞，在汇聚碰撞之后，最终形成了统一的古陆(左国朝等，2003；何世平等，2005)。震旦纪晚期，出现了中基性火山活动，为大陆裂解的先兆。寒武纪初期，北山地区古大陆大致沿红柳河—牛圈子—洗肠井一带发生裂解，为裂谷发育的早期。早奥陶纪世古大陆裂解加剧，是裂谷演化的主要时期。中奥陶世初期在裂谷的基础上形成红柳河-牛圈子-洗肠井洋盆，中晚奥陶世大洋继续扩张。志留纪期间红柳河-牛圈子-洗肠井大洋强烈向北俯冲，出现了特征明显的岛弧带、弧后盆地及弧前盆地，表明这一时期已发育成为沟-弧-盆体系齐全的成熟洋盆(龚全胜等，2003；何世平等，2005)。北山地区早古生代末结束了板块构造格局。泥盆纪初，出现碰撞造山作用。晚古生代早期的碰撞造山作用与早古生代晚期的俯冲造山作用先后衔接、相互关联，共同组成俯冲-碰撞造山作用期。红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿构造混杂岩和构造混杂岩带则代表了弧-陆碰撞的缝合线(何世平等，2005；李锦轶等，2009)，并代表着早古生代塔里木板块和哈萨克斯坦-准噶尔板块的缝合带，属于大洋扩张脊型蛇绿岩，形成于中奥陶世—早志留世(何世平等，2005；武鹏等，2012)。

泥盆纪碰撞造山的同时，不断隆升的山系前陆出现局部拉张环境，泥盆纪山前磨拉石拗陷带就是上述构造背景下的产物，成为泥盆纪碰撞造山的地质记录(龚全胜等，2003；何世平等，2005)。

红岩井西南花岗岩的岩石富Si，富碱，铝饱和指数A/CNK=1.02～1.05，岩石富集Rb、Th、K、Nd、Hf、Y等，而强烈亏损Ba、Nb、Sr、P、Ti。贫Sr富Yb。具明显的Eu负异常，与A型花岗岩相似。

在Rb-Yb+Nb图解和Nb-Y图解(图10)中，样品均投在火山弧花岗岩+同碰撞花岗岩区。在Rb-Hf-Ta图解(图11)中反映出该花岗岩体形成于同碰撞-碰撞后，在ACF图解(图12)中反映出侵入岩体属S型花岗岩。结合测区的地质特征及同位素年代特征，说明岩体形成于造山后阶段阶段。

ORG.洋脊花岗岩; WPG.板内花岗岩;VAG.火山弧花岗岩;COLG.同碰撞花岗岩图10 (a)红岩井西南岩体Nb-Y和(b)Rb-Yb+Nb图解(据PEARCE等，1984)Fig.10 (a)Nb-Y and (b)Rb-Yb+Nb diagrams of the southwest of HongyanJing pluton

图11 不同构造环境花岗岩的Rb-Hf-Ta判别图(据HARRIS等，1986)Fig.11 Rb-Hf-Ta diagram for the different tectonic setting of granite

图12 花岗岩的ACF图解Fig.12 ACF Classification diagram for granite

5 小结

(1)甘肃北山红岩井西南似斑状二长花岗岩为准铝质花岗岩，属高钾钙碱性-钾玄岩系列。地球化学特征表明岩石富集Rb、Th、K、Nd、Hf、Y等，而强烈亏损Ba、Nb、Sr、P、Ti，具S型花岗岩的特点。其特征表明岩体形成于造山后阶段。

(2)红岩井西南似斑状二长花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(402.2±4.4)Ma，时代为早泥盆世。为造山后伸展环境下形成的花岗岩，该年龄界定了碰撞造山时间的上限。

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