甘肃北山双峰山花岗闪长岩锆石LA-ICP-MS定年及其构造意义

孙新春，王怀涛，李通国，魏海峰，徐 磊，王晓伟

(甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000)

位于中亚造山带南段的北山地区岩浆岩分布广泛且期次多，记录了古亚洲洋构造域形成演化的重要信息。从目前获得的同位素年龄来看，主要有前寒武纪、早古生代、晚古生代、早中生代4期的构造岩浆事件(梅华林等，1999；李伍平等，2001；刘明强等，2005；江思宏等，2006；赵泽辉等，2006，2007；李舢等，2009；毛启贵等，2010；张文等，2011；Wanetal.，2013)。前寒武纪花岗岩类在北山地区出露不多，且遭受了后期构造热事件的改造，发生一定程度的变形和变质作用。早古生代花岗岩类以I型花岗岩为主，其形成主要与早古生代古亚洲大洋岩石圈俯冲作用有关，对洋盆俯冲、俯冲方向及陆缘弧演化过程的研究具有重要的科学意义(毛启贵等，2010；冯继承等，2012；Songetal.,2015)。晚古生代花岗岩类在北山地区广泛分布，在不同地区分布有I、S、A型岩石类型，因而北山地区晚古生代岩浆岩成因及其形成的构造动力学背景存在很大的争议，有人认为北山花岗岩类的形成主要与板块俯冲作用有关(左国朝等，1990；龚全胜等，2003；何世平等，2005；Xiaoetal.,2010；郭谦谦等，2013)，有人则认为其形成于板内环境(李伍平等，2001；赵泽辉等，2007；李舢等，2011；杨建国等，2012；王磊等，2017)。纵观前人研究成果，北山地区泥盆纪花岗岩类的研究程度较高，而石炭纪花岗岩类的研究比较薄弱，从而对北山地区晚古生代构造岩浆演化缺乏完整的认识。本文选择北山南带具有代表性的双峰山花岗闪长岩，通过岩石LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年和岩石地球化学分析，揭示了该岩体的形成年代、成因及形成的构造背景，探讨北山地区晚古生代构造岩浆演化过程，以期对中亚造山带中段南带的构造演化研究提供资料。

1 区域地质背景

北山地区位于中亚造山带中段南带，经历了新元古代-早古生代大陆裂解、古亚洲大洋俯冲、增生拼贴造山及后造山的演化过程，大地构造位置十分重要。由于其复杂的构造岩浆演化历史，前人基于不同的研究对象、研究方法及测试技术，使得该地区的大地构造属性及演化过程一直存在诸多不同的认识(左国朝等，1990，2003；何世平等，2002，2005；龚全胜等，2003；李锦轶等，2006；杨合群等，2009)，特别是区内蛇绿岩的类型、性质、形成时代、古亚洲大洋闭合时限以及板块汇聚过程形成相应的增生杂岩体、火山弧及残留陆块的属性等。北山造山带发育前寒武系结晶基底，被古生代地层不整合覆盖，地层主要出露寒武系-志留系浅海碎屑岩和火山岩、泥盆系-石炭系海相碎屑岩-碳酸盐岩和岛弧火山岩(安山岩、流纹岩和少量玄武岩)、二叠系浅海相碎屑岩和枕状玄武岩(颉炜等，2013)。北山地区构造岩浆活动十分强烈，侵入岩以花岗岩类最为发育，早古生代中酸性侵入岩多呈近东西向长条状岩基、岩株分布，岩性主要为石英闪长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩等，代表性岩体有五峰山花岗岩、尖泉子西花岗闪长岩等。晚古生代中酸性侵入岩岩石类型较多，多以岩基产出，岩性主要有花岗闪长斑岩、石英闪长岩、花岗闪长岩、英云闪长岩、二长花岗岩和正长花岗岩等，在马鬃山地区以西呈北东向展布，以东呈北西向展布，代表性的岩体有双峰山钾长花岗岩-花岗闪长岩岩体、大山头石英闪长岩岩体、黑石山二长花岗岩岩体、双峰山花岗岩体、拾金坡似斑状花岗岩岩体、小泉东花岗闪长斑岩岩体、黄草滩英云闪长岩岩体等，这一时期的花岗岩类多为I型和A型花岗岩(李伍平等，2001；赵泽辉等，2007；李舳等，2009，2011；王磊等，2017)。基性-超基性岩次之，不同规模和走向的断裂构造极为发育，主干断裂带呈近EW向和NEE展布。

双峰山花岗闪长岩位于红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带南侧，出露面积约300 km2，东西长约40 km，南北宽5～10 km。岩体主要侵入于蓟县纪平头山组、南华-震旦纪洗肠井群及早泥盆世正长花岗岩中，侵入界线呈港湾状、不规则状，局部接触带附近的地层具角岩化、矽卡岩化等。双峰山花岗闪长岩被印支期的钾长花岗岩、花岗斑岩等侵入破坏，同时花岗闪长岩中分布有呈近东西向展布的花岗岩脉和近南北向的辉绿岩脉，花岗岩脉切穿辉绿岩脉(图1)。

图1 研究区大地构造位置图(a，据聂凤军等，2002修改)及双峰山花岗闪长岩地质简图(b)Fig.1 Tectonic setting of granodiorites (a,modified after Nie Fengjun et al.,2002) from Shuangfengshan and its geologic sketch map (b)

2 岩石学特征

花岗闪长岩具细粒花岗结构，块状构造，岩石主要由角闪石、斜长石、条纹长石、黑云母和石英等组成。斜长石(50%，体积分数)呈宽板状，个别呈板状，见残缺聚片双晶，成分以更长石为主，粒度大多为(0.3～0.6)mm×1.8 mm；条纹长石(12%)呈它形局部具直边，具高岭土化，隐约可见滴状条纹结构，粒度大多为0.5～1.6 mm；石英(23%)呈它形粒状，透明洁净，分布不均匀，大多数不规则镶嵌聚集状分布，粒度多为0.3～1.0 mm；角闪石(10%)呈短柱状、柱状假像，个别残留见灰绿色-淡黄绿色弱多色性，具绿泥石化、绿帘石化、阳起石化、透闪石化，粒度约为0.5～1.4 mm，均匀分布；黑云母(5%)呈近片状，已变形，呈半透明蚀变物混杂集合体状，粒度大多为0.4～1.0 mm(图2)。

图2 双峰山花岗闪长岩野外照片(a)及正交偏光显微照片(b)Fig.2 Outcrop (a) and microphotographs under crossed nicols (b) of granodiorites from ShuangfengshanHbl—普通角闪石；Pl—斜长石；Qtz—石英Hbl—hornblende；Pl—plagioclase；Qtz—quartz

3 分析方法

样品取自双峰山花岗闪长岩岩体，采集1件锆石U-Pb 测年样和8 件岩石地球化学分析样，岩性均为花岗闪长岩，具体采样位置见图1。

3.1 LA-ICP-MS 测年

锆石的分选由河北省廊坊地质调查研究所实验室完成。样品经常规粉碎至100目左右，采用重液法和电磁法进行分选，再通过双目镜手工精选无包裹体、无裂纹和透明度高的晶形完好的单颗粒锆石作为测定对象。锆石CL(阴极发光)研究及LA-ICP-MS锆石U-Pb测定在西北大学大陆动力学重点实验室完成。实验采用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent7500a)和激光剥蚀系统(GeoLas 2005)联机进行，激光束斑直径为32 μm，剥蚀深度为20～40 μm，采用He作为剥蚀物质的载气。锆石年龄测定采用国际标准锆石91500(206Pb/238U年龄为1 065.4±0.6 Ma)作为校正外标，元素含量采用NIST SRM 612作为外标、29Si作为内标进行校正。采样方式为单点剥蚀，每完成5个测点的样品测定，加测标样一次。对分析数据的离线处理运用ICPMS-DataCal(V8.0)软件计算得出，采用Anderson(2002)的方法进行普通铅校正，并利用Isoplot-ver3进行锆石年龄谐和图绘制和年龄权重计算。

3.2 主量、微量元素分析

样品的主量元素分析测试在广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成。主量元素采用帕拉科生产的Axios型X荧光光谱仪，分析精度0.1%～1%(RSD%)，准确度优于1%，元素检出下限为0.01%。微量元素和稀土元素分析测试在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室采用ICP-MS(Agilent 7700x)完成，元素测试精度下限为0.01×10-6。

3.3 Sr-Nd同位素分析

Sr-Nd同位素在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成。采用仪器为Micromass IsoProbeTM型MC-ICP-MS，所有样品的143Nd/144Nd值和87Sr/86Sr值统一采用146Nd/144Nd=0.721 9和86Sr/88Sr=0.119 4分别进行标准化，具体的实验流程参见韦刚健等(2002)和梁细荣等(2003)。

4 锆石U-Pb年代学

挑选出的锆石颗粒大小约为90～250 μm，自形程度较好，呈灰白色-灰色，阴极发光影像图显示良好的岩浆振荡环带结构(图3)，绝大多数锆石的Th/U值大于0.4(表1)，是典型的岩浆锆石(吴元保等，2004)。

图3 双峰山花岗闪长岩体锆石特征和LA-ICP-MS 测点位置Fig.3 Characteristics and dating spots of zircons from granodiorites in Shuangfengshan

共选取24颗锆石，共有24个测点，所测得年龄数据见表1。所有锆石颗粒样品均投影在谐和曲线上或谐和曲线附近(图4)，表明这些颗粒形成后 U-Pb同位素体系是封闭的，基本没有 U 或Pb同位素的丢失或加入。24个花岗闪长岩的206Pb/238U年龄都集中在344±6～326±4 Ma之间，207Pb/235U -206Pb/238U谐和年龄为334.8±2.1 Ma(MSWD=1.2)，可信度高，可解释为岩体结晶的年龄，属早石炭世。

图4 双峰山花岗闪长岩锆石U-Pb年龄图Fig.4 Zircon LA-ICP-MS U-Pb isotopic concordia diagrams for zircons of granodiorites from Shuangfengshan

表1 双峰山花岗闪长岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb分析结果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb data of granodiorites from Shuangfengshan

5 岩石地球化学特征

5.1 主量元素

双峰山花岗闪长岩主量元素分析结果见表2。岩石SiO2含量为55.42%～65.53%，平均值为61.29%；Na2O含量为6.33%～6.58%，K2O含量为1.05%～1.87%，Na2O+K2O含量变化范围为7.42%～8.32%，平均值为7.88%，K2O/Na2O比值为0.16～0.29，具富钠贫钾特征；Al2O3含量较高，为14.84%～17.53%，A/CNK介于0.85～0.91之间，具准铝质花岗岩特征；MgO(1.51%～3.13%)、TiO2(0.51%～0.87%，平均值为0.66%)、CaO(3.91%～6.96%，平均值为5.22%)和Fe2O3T(4.15%～6.43%)含量低。

样品K/Na值为0.18～0.32，平均值为0.25，小于1，在A/NK-A/CNK图解中落入准铝质区域(图5a)，在K2O-SiO2图解中落入钙碱性系列区域(图5b)。

图5 A/NK-A/CNK图解(a,据Shand，1944)和K2O-SiO2判别图解(b,据Peccerillo and Taylor,1976)Fig.5 A/NK-A/CNK diagram (a,after Shand,1944) and K2O-SiO2 diagram (b,after Peccerillo and Taylor,1976)

5.2 微量元素

双峰山花岗闪长岩微量元素分析结果见表2。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6a)显示，双峰山花岗闪长岩强烈富集Pb，富集Rb、K、Nd、Zr、Hf，亏损Nb、Ta、P、Sm、Ti元素。岩石Th、U含量变化较大，较为富集；Sr(232.00×10-6～370.00×10-6)、Y(18.30×10-6～20.50×10-6)和Yb(1.87×10-6～2.19×10-6)含量较低，具低Sr/Y(11.61～18.32)和La/Yb(5.66～9.33)值，Rb/Sr值为0.10～0.31，La/Ce值为0.42～0.53，Nb/U值为7.00～18.48。

表2 双峰山花岗闪长岩主量(wB/%)、微量和稀土元素(wB/10-6)地球化学分析结果Table 2 Analytical result of major elements (wB/%) and trace elements (wB/10-6) data of granodiorites from Shuangfengshan

双峰山花岗闪长岩ΣREE含量为74.30×10-6～114.58×10-6。在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图上(图6b)，中等富集轻稀土元素(LREE)，(La/Yb)N介于4.06～8.76之间，重稀土元素(HREE)相对亏损且分馏不明显，(Gd/Yb)N介于1.27～1.63之间，无Eu异常，δEu介于1.01～1.07之间。

图6 微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)和稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(b)(标准化值据Sun and McDonough，1989)Fig.6 Trace element spider diagram (a) and chondrite-normalized REE patterns(b) (normalized values after Sun and McDonough，1989)

5.3 Sr-Nd同位素

双峰山花岗闪长岩的Sr-Nd同位素数据见表3。样品的87Sr/86Sr在0.708 2～0.710 7之间，具相对较高的初始锶(87Sr/86Sr)i值(0.706 0～0.706 7)；147Sm/144Nd值介于0.121 6～0.138 8之间，143Nd/144Nd 值为0.512 5，εNd(t)值为 -0.22～+0.52，二阶段法计算获得Nd模式年龄tDM2为1 334～1 091 Ma，平均为1 197 Ma。

表3 双峰山花岗闪长岩Sr-Nd同位素分析结果Table 3 Sr-Nd isotopic compositions of granodiorites from Shuangfengshan

6 岩石成因及形成环境

在I、S、A型花岗岩判别图上(图7)，样品均落入未分异的I和S型花岗岩区域。样品的P2O5含量较低(0.12%～0.22%，仅1个样品值为0.22%)，且与SiO2呈负相关关系(图略)，与S型花岗岩明显不同(P2O5>0.20%；Chappell，1999)，A/CNK为0.72～0.76，结合岩石含I型花岗岩的特征矿物角闪石，因此其应为I型花岗岩。

图7 双峰山花岗闪长岩I、S、A型花岗岩判别图(据Whalen et al.，1987)Fig.7 I-S-A discrimination diagrams of granodiorites from Shuangfengshan (after Whalen et al.，1987)

双峰山花岗闪长岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图显示，轻稀土元素分馏中等，富集LREE、无明显的铕异常；微量元素原始地幔标准化蛛网图显示，LILE相对富集，HFSE (Nb、Ta、P和Ti)亏损，总体显示与活动陆缘有关的I型花岗岩的地球化学特征(Pearceetal.,1984)。花岗闪长岩的 Nb/La值为 0.41～1.01，平均0.65，接近典型岛弧岩浆岩的 Nb/La值(约 0.3)，低于 OIB 的 Nb/La值(1.30)；Hf/Th值为0.80～1.15，平均0.88，与岛弧玄武岩(Hf/Th<8)相类似(Condie，1989)。在Pearce等(1984)花岗岩构造环境判别图上(图8)，全部样品均落入火山弧花岗岩区域，指示花岗闪长岩可能为板块俯冲阶段火山弧岩浆作用的产物。

图8 双峰山花岗闪长岩构造环境判别图解(据Pearce et al.，1984)Fig.8 Discrimination diagrams for tectonic settings of granodiorites from Shuangfengshan (after Pearce et al.,1984)

样品具高SiO2、低 MgO、低Yb和Y以及Th(3.37×10-6～6.02×10-6)、Ba(209×10-6～458×10-6)、Rb(32.7×10-6～73.4×10-6)含量接近大陆地壳平均含量(5.6×10-6、390×10-6、58×10-6，Sun and McDonough，1989)特征。Zr/Nb值为11.88～23.31，平均值16.73，接近大陆地壳(16.2)(Saundersetal.,1988；Weaver,1991)，La/Nb值为0.99～1.88，平均1.67，低于大陆地壳和上地壳(分别为2.2和2.8，Saunderetal.，1988；Weaver，1991)，大于岛弧玄武岩与洋岛玄武岩的界线(>1.4为火山弧型，<1.4为洋岛型，Condie，1989)，以及低的Nb/U值(7～18)和高的Rb/Sr值(0.1～0.31)等地球化学特征排除了源区为地幔楔或俯冲洋壳的可能性，暗示其可能源于新生地壳。在微量元素原始地幔标准化蛛网图上相对亏损Nb、Ta、P、Ti，略富集Zr、Hf，也反映了该花岗岩具有典型的大陆地壳的特点(Davies and Macdonald,1987)，指示该区花岗岩可能是下地壳部分熔融的产物，在底侵玄武岩浆加热过程中可能有一定量的地幔物质混合作用。

花岗闪长岩具有较高且变化范围较大的Mg#值(41.89～51.23)，指示有幔源组分的加入(Rapp and Waston,1995)。在εNd(t)-t图解中(图9a)，花岗闪长岩的投点均位于古-中元古代地壳的上方，在 Sr-Nd 同位素演化图解上(图9b)，样品落入上地幔、上地壳和下地壳组成的三角区域内，表明岩浆作用过程中有一定量的幔源组分的参与，通过二阶段法计算获得的Nd平均模式年龄为1 197 Ma，指示其源岩可能为形成于中元古代晚期的下地壳。岩石εNd(t)为 -0.22～+0.52，亦表明岩浆作用过程中有一定量的幔源组分的参与。强烈的Nb、Ta 负异常及Ta/Yb值(0.30～0.38)小于0.5，指示岩浆源区组分或新生地壳有关。双峰山花岗闪长岩较低的Yb、Y及Y/Nb值，暗示源区有少量的石榴子石残留，部分熔融深度较深。岩石无明显Eu异常，指示斜长石没有经历结晶分离或源区没有残留。岩石具高稀土总量和轻稀土富集的特征，说明花岗岩浆分异程度较低；微量元素原始地幔标准化蛛网图上富集Zr、Hf及亏损P，亦为新生地壳部分熔融的特点。结合区域地质背景研究认为，双峰山花岗闪长岩可能是中元古代晚期受俯冲流体交代的亏损地幔部分熔融形成的新生地壳发生部分熔融的产物，在源区新生地壳部分熔融过程中有一定量的幔源物质加入。

图9 双峰山花岗闪长岩εNd(t)-t 图解和Sr-Nd同位素演化图解(据Jahn et al.,2000)Fig.9 εNd(t)-t and Sr-Nd diagrams of granodiorites from Shuangfengshan(after Jahn et al.,2000)DM—亏损地幔；CHUR—球粒陨石均一源区；UM—上地幔；LCC—下地壳；UCC—上地壳DM—depleted mantle；CHUR—chondritic uniform reservoir；UM—upper mantle；LCC—lower crust；UCC—upper crust

综上所述，研究区在早石炭世晚期处于洋壳俯冲阶段，由于俯冲板片的脱水作用使其上覆的地幔楔发生部分熔融形成玄武质岩浆，玄武质岩浆上涌底侵并加热下地壳中的中元古代晚期的玄武质岩石，使其发生部分熔融形成花岗质岩浆，并与幔源玄武质岩浆发生混合，然后侵位到一定深度形成早石炭世双峰山花岗闪长岩。

7 构造意义

北山地区石炭纪构造属性存在有多种不同的观点：一种观点认为北山地区古洋盆在志留纪末至早泥盆世闭合，石炭纪-二叠纪进入陆内裂谷演化阶段(左国朝等，1990，2003；杨合群等，2008)；另一种观点认为古洋盆于石炭纪末期闭合，哈萨克斯坦板块和塔里木板块之间的洋盆最终闭合，形成新的统一大陆(龚全胜等，2003；何世平等，2005)；还有一种观点则认为在早二叠世之前，随着北山南带及南天山古洋盆的封闭，塔里木板块、哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块最终拼接(刘雪亚等，1995)；此外，还有学者认为古北山地区古洋盆的消亡时间为二叠纪，石炭纪-二叠纪为洋陆演化阶段(黄增宝等，2006；Xiaoetal.,2010)。形成于活动大陆边缘弧早石炭世双峰山花岗闪长岩(334.8±2.1 Ma)指示在早石炭世，北山地区南部具有洋盆俯冲作用的动力学过程。但从区域地质研究来看，位于双峰山之北的红柳河-牛圈子蛇绿岩带所代表的古洋盆已于早泥盆世之前闭合(张元元等，2008)，因此其不可能是红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩所代表的洋盆向南俯冲的产物。然而，双峰山南侧的辉铜山和帐房山蛇绿岩获得的年龄为446.1±3.0 Ma、362.1±4.0 Ma，且具SSZ性质，为弧后盆地的残留体(余吉远等，2012)。因此，初步研究认为，早石炭世双峰山花岗闪长岩可能与辉铜山-帐房山蛇绿岩所代表的洋盆向北俯冲有关，即其形成环境为辉铜山-帐房山蛇绿岩所代表的弧后盆地北向俯冲消减过程中形成的活动大陆边缘弧。

区域上的下、中泥盆统与下石炭统均呈角度不整合接触，代表区域性的一次重大事件，推测北山南带在早石炭世末期古洋盆发生了闭合造山事件。晚石炭世北山及邻区，主要洋盆都已闭合，塔里木板块、哈萨克斯坦板块以及西伯利亚板块拼合在一起(Coleman，1989；Dobrestsovetal.,1995；Xiaoetal.,2004；赵泽辉等，2006)，北山地区进入后碰撞构造演化阶段。

8 结论

(1) 双峰山花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为334.8±2.1 Ma，为准铝质、钙碱性I型花岗岩，是中元古代晚期形成的新生地壳在玄武岩浆底侵作用下发生部分熔融的产物，且在源区岩浆作用过程中有一定量的幔源物质的参与，形成于活动大陆边缘。

(2) 形成于活动大陆边缘弧环境的早石炭世双峰山花岗闪长岩，为辉铜山-帐房山蛇绿岩所代表的弧后盆地北向俯冲提供了岩石学和年代学证据。