南天山榆树沟蛇绿岩地体中高压麻粒岩SHRIMP.pdf

论 文 第 49 卷 第 14 期 2004 年 7 月 1411 南天山榆树沟蛇绿岩地体中高压麻粒岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄及构造意义 周鼎武 ① 苏 犁①* 简 平② 王润三① 柳小明① 陆关祥① 王居里① ①西北大学大陆动力学教育部重点实验室和西北大学地质学系, 西安 710069; ②北京离子探针中心, 北京 100037. * 联系人, E-mail su-li 摘要 利用阴极发光、LA-ICPMS 和 SHRIMP 定年技术, 对南天山北缘缝合带东段的榆树沟蛇绿岩地 体中两个麻粒岩相变质基性火山岩样品中锆石进行了内部结构、 微量元素组成分析和原位定年. 所获得 的变质锆石年龄分别为 3927 和 39011 Ma, 代表了该蛇绿岩块体经历麻粒岩相变质改造的年龄, 揭 示南天山洋在泥盆纪早期即开始向北俯冲. 关键词 榆树沟蛇绿岩 SHRIMP 定年 麻粒岩相变质 南天山东段 榆树沟蛇绿岩地体出露于南天山东段的榆树沟- 铜花山-硫磺山蛇绿混杂岩带之中. 地体组成的岩石 学、地球化学和矿物温压测算研究揭示, 它是一俯冲 至 4050 km, 经深地壳高压麻粒岩相变质改造、 岩石 组合基本齐全的蛇绿岩残片[13]. 单颗粒锆石U-Pb定 年[4]、Sm-Nd和Rb-Sr内部等时线、角闪石 40Ar/39Ar 定年[5]等同位素地质年代学研究, 获得了多组年龄结 果, 显示有明显的多阶段地质作用热事件叠加. 考虑 该地质体经历俯冲深变质和构造折返过程所造成岩 石同位素体系的多次开放和锆石的多期次变质生长, 本次研究采用SHRIMP锆石U-Pb微区定年、 LA- ICPMS 微区化学成分分析和阴极发光CL图像分析, 对原岩 恢复为基性熔岩的两个样品中锆石进行了系统研究. 这一结果对了解榆树沟蛇绿岩地体经历高压麻粒岩 相变质的地质作用过程和南天山的演化历史具有重 要意义. 1 地质背景及样品描述 榆树沟高压麻粒岩相变质蛇绿岩地体长 10 余公 里、宽 1～3 km, 为一呈北西～南东向展布的透镜状 冲断构造岩片图 1. 野外产状、岩石组合和系统的 岩相学、地球化学研究揭示包含 4 个基本岩石单元 [1,2,6] Ⅰ 变质橄榄岩单元, 原岩为残留地幔橄榄岩; Ⅱ 二辉麻粒岩单元, 原岩为镁铁质堆晶岩; Ⅲ 石榴二辉麻粒岩单元, 原岩为拉斑玄武岩; Ⅳ 中、 基性麻粒岩互层单元, 原岩为基性火山岩夹沉积岩, 研究表明是一整体经历了高压麻粒岩相变质改造的 古洋残片, 并遭受中压麻粒岩相退变质及相应的深 地壳固态流变强变形改造和抬升剥露过程中角闪岩 相、绿片岩相退变质作用的叠加, 具多期变质变形的 特征[1,3,5]. 本次研究的两个样品均采自Ⅲ单元图 1, 分别为中基性麻粒岩01-25, 采样点地理坐标 N4215 ′ 52.3″ ; E8754′ 54.8″ ; 海拨高度 1172 m和基性麻粒 岩01-26, 采于 01-25 点北约 25 m. 两个样品均具糜 棱斑状结构和变质分异条带状构造, 矿物组合 石榴 石 透辉石 紫苏辉石 拉长石An 5163, 01-26 基本不含石英, 而 01-25 中有约 8的石英. 它 们的全岩化学成分见表1, 稀土分布形式见图2 分析 数据列于表 2 中. 01-26 具有与MORB类似的LREE略 亏损的近平坦型稀土分配模式, 与以往报道的榆树 沟地体Ⅲ单元岩石原岩恢复为洋脊玄武岩的认识[6] 一致. 而 01-25 表现为SmLu与 01-26 一致的平坦趋 势, 但LaNd富集, 显示有后期变质过程中LREE组 分的叠加. 2 分析方法 锆石采用常规的浮选电磁选重矿物分离后, 在 双目显微镜下人工挑选获得. 将锆石与标准锆石 TEM 一同粘于环氧树脂靶上, 凝固后磨至近一半并 抛光, 使锆石颗粒的内部暴露, 用于锆石形态、阴极 发光图像内部结构研究和微量元素组成分析、 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄测定. 锆石的阴极发光图像利用北京大学电子学系 FEI PHILIPS XL30 型扫描电子显微镜获得 实验条 件 15 kV/120 A. 锆石的原位微量元素分析在西北 大学大陆动力学重点实验室完成, 使用仪器 ICP-MS Elan 6100DRC, 激光剥蚀系统为 ComPex102 Exci- mer 准分子激光器工作物质 ArF, 波长 193 nm. 测 第 49 卷 第 14 期 2004 年 7 月 论 文 图 1 榆树沟高压麻粒岩相变质蛇绿岩地体地质略图 表 1 全岩主量元素组成a 样品号 SiO2 TiO2 Al2O3 TFeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 总和 01-25 58.61 1.2 17.78 10.28 0.2 5.9 2.47 1.87 0.98 0.06 100.32 01-26 44.73 2.4 12.86 14.14 0.17 7.78 13.17 3.06 0.14 0.05 100.47 a 由西北大学大陆动力学重点实验室 X 荧光光谱XRF分析获得 图 2 全岩稀土元素分布形式图 试用激光束能量 170 mJ, 频率 10 Hz. 样品分析以 SiO2作内部标准, NIST612 和 agv 作为外部标准. 测 试点束斑直径 40 m. 锆石U-Th-Pb年龄分析在北京离子探针中心 SHRIMP Ⅱ型离子探针质谱仪上完成. 分析流程和 原理同文献[7, 8]的阐述. 北京离子探针中心SHRIMP Ⅱ的工作条件、分析方法详见文献[9, 10]. 标准锆石为 TEM 417 Ma, Pb/U校正公式采用Pb/U A UO/ U[11], 应用RSES参考样SL13 572 Ma 标定所测锆 石的U, Th和Pb含量. 数据处理采用澳大利亚国立大 学PRAWN程序[12], 普通铅根据实测 204Pb校正, 年龄 值选用 206Pb/238U年龄, 单个数据点误差均为 1σ, 加 权平均值误差为 2σ. 3 结果 3.1 锆石晶体特征 薄片观察显示, 锆石多呈包裹体产于石榴石、斜 长石等矿物中, 也见有呈单晶分布于矿物粒间. 从两 个样品中分选出的锆石粒径多介于 100150 m, 主 要呈卵圆形, 并具有变质成因锆石特有的多晶面特 征[13]. 阴极发光图像显示两个样品中锆石特征相近, 大多数锆石都具有核-幔-壳多层结构图 3. 内核通 常为铀含量高、 保留直线型岩浆结晶振荡环结构痕迹 的细小锆石通常小于 20 m; 幔部为锆石的主体, 多具有变质生长锆石常见的杉树叶fir-tree结构和扇 1412 论 文 第 49 卷 第 14 期 2004 年 7 月 表 2 锆石及全岩微量元素分析结果mg/g 锆石 全 岩 25-11.1 25-11.2 25-13.1 25-13.2 26-6.1 26-6.2 26-2.1 26-2.2 核 幔 幔 壳 核 幔 幔 核 01-25 01-26 Y 164.17 63.08 46.78 272.75 245.56 47.38 45.44 231.9 47.69 29.70 Zr 78175 76632 85925 76376 76343 80439 86372 76245 148 73 Nb 37.86 39.84 43.28 35.92 38.34 39.99 41.42 34.01 8.59 6.51 La 0.39 0.03 0.019 187.11 1.07 0.02 0.43 0.11 32.02 3.68 Ce 8.29 1.38 1.81 148.7 11.36 1.67 2.26 10.26 56.89 12.95 Pr 0.66 0.57 1.08 103.3 1.34 0.63 2.15 1.81 5.47 2.12 Nd 2.84 3.55 3.23 71.36 2.36 1.87 5.04 4.69 22.76 13.44 Sm 18.84 19.08 16.91 24.98 10.61 16.9 17.82 13.74 4.66 4.37 Eu 5.79 3.16 2.52 4.21 2.18 2.86 2.93 7.52 2.05 1.54 Gd 51.08 37.95 26.02 41.76 40.61 23.64 28.82 49.54 6.33 4.86 Tb 65.51 43.76 30.51 71.9 76.67 30.46 29.87 84.27 1.27 0.97 Dy 90.92 46.71 31.54 126.91 129.86 31.54 32.1 124.04 7.96 5.67 Ho 130.42 48.38 30.24 223.58 198.29 34.17 32.22 190.94 1.78 1.22 Er 187.1 38.94 26.85 368.15 304.67 29.85 28.68 290.42 4.59 2.96 Tm 284.96 51.55 30.79 584.97 529.92 31.43 28.92 452.73 0.76 0.47 Yb 436.49 46.9 28.27 919.66 864.81 36.08 29.13 668.65 4.91 2.92 Lu 522.51 44.87 26.31 1035.12 1055.13 36.35 23.78 840.65 0.75 0.42 Hf 46171.39 48025.21 56592.69 44329.09 53025.38 49750.61 57485.74 48282.49 3.76 2.53 Ta 12.55 4.34 7.65 25.31 102.26 3.92 7.17 34.52 0.52 0.41 形结构[14]; 外壳通常仅为几微米的亮边, 偶见大于 20 m. 对分布于锆石幔部的矿物包裹体进行了初步 的Raman探针分析, 见有石榴石、磷灰石、金红石和 辉石等同变质矿物. 3.2 锆石的微量元素 对 4 粒SHRIMP定年用锆石进行了与SHRIMP测 点位置相同点的原位微量元素组成分析, 结果见表 2测点编号同图3 SHRIMP分析号. 由球粒陨石[15]标 准化REE分配形式图 4可见, 3 个内核都具有典型岩 浆锆石的稀土分布形式, 呈现HREE富集、陡的左倾 REE模式和强Ce正异常, 反映这些细小内核多是残 留或继承原岩的岩浆锆石. 4 个锆石幔部的分析结果 显示其Lu-Tb丰度和Ce正异常程度的显著降低, 与有 石榴石结晶阶段生长锆石的微量元素组成特征一致 [16], 反映其生长于高压麻粒岩相变质作用阶段. 而一 个可供分析的锆石边部25-13.2出现REE总量和 LREE丰度的明显增高, 且表现为非常特殊的V型 REE分配形式图 4, 结合该样品01-25全岩稀土分 布形式也具有LREE富集的特征, 推测该样品经历了 高压麻粒岩相变质之后与剪切作用有关的退化变质 过程中流体的改造. 3.3 锆石 SHRIMP U-Pb 年龄 SHRIMP锆石U-Pb年龄分析结果见表3. 内核具 图 3 锆石阴极发光像 ad 为样品 01-25 中分选出锆石, e, f 为 01-26 中分选出锆石 有较高的 Th 75351 g/g、U 227567 g/g、Pb 2465 g/g含量, 变质生长的亮壳和幔部除测点 25-12.1 图 3d外, Th, U, Pb 含量显著降低, 分别介 于 3683, 4792 和 37 g/g. 所有被分析样品点, 无 论核、 幔、 边, 都具有较高的Th/U比值0.200.95, 这 1413 第 49 卷 第 14 期 2004 年 7 月 论 文 图 4 锆石稀土元素分布形式图 一现象可能与其原岩中Th含量较高有关[17]. 锆石内 核通常小于 30 m, 有效测点数据少, 年龄结果仅具 参考意义, 测试结果为 51116, 45219, 64019 Ma, 造成年龄变化的可能原因是 1 继承核与变质幔的 混合, 2 麻粒岩相变质事件对继承核的强烈改造. 锆石幔部的 206Pb/238U年龄相近, 两个样品的加权平 均值2σ 分别为 3927 和 39011 Ma 图 5. 鉴于该 部位的结构特征和微量元素组成反映其生长于有石 榴石结晶的变质阶段, 该年龄应代表俯冲洋片经历 高压麻粒岩相变质的年龄. 所获得的一个外壳年龄 为 32812 Ma, 结合该测点的REE分配形式, 该年龄 指示了榆树沟麻粒岩块体折返发生退变质的时限. 图 5 锆石 SHRIMP U-Pb 一致图 表 3 锆石 SHRIMP 分析结果 a 点号 点位 U /gg−1 Th /gg−1 Th/ U Pb* /gg−1 普通 206Pb/ 206Pb/238U 207Pb/235U 207Pb/206Pb 206Pb/238U 年龄/Ma 207Pb/235U 年龄/Ma 25-1.1 M 78 55 0.71 5 0.020.0633 0.00220.447 0.0610.0512 0.0066 396 13 375 44 25-2.1 M 71 58 0.81 5 0.010.0629 0.00220.498 0.0470.0575 0.0049 393 13 410 33 25-3.1 M 59 56 0.95 4 0.010.0625 0.00220.505 0.0520.0586 0.0054 391 13 415 36 25-4.1 M 80 59 0.74 6 0.010.0631 0.00210.478 0.0510.0550 0.0054 394 13 397 36 25-5.1 M 66 49 0.75 5 0.020.0641 0.00220.427 0.0400.0483 0.0041 400 13 361 29 25-6.1 M 92 83 0.90 7 0.030.0669 0.00230.556 0.0630.0603 0.0063 417 14 449 42 25-7.1 M 66 49 0.74 5 0.010.0656 0.00220.549 0.0300.0607 0.0024 410 13 444 20 25-8.1 M 84 55 0.66 6 0.020.0628 0.00220.439 0.0540.0507 0.0058 393 14 370 39 25-9.1 M 59 46 0.78 4 0.030.0630 0.00220.358 0.0700.0412 0.0077 394 14 311 53 25-10.1 M 57 48 0.84 4 0.020.0608 0.00220.474 0.0470.0566 0.0050 381 13 394 33 *25-11.1 C 277 117 0.42 24 0.010.0824 0.00270.716 0.0490.0630 0.0035 511 16 548 29 25-11.2 M 88 70 0.79 6 0.020.0575 0.00190.349 0.0330.0440 0.0038 360 12 304 26 25-12.1 M 306 153 0.50 22 0.040.0649 0.00250.634 0.0560.0708 0.0053 406 15 499 36 25-13.1 M 47 36 0.76 3 0.030.0587 0.00210.450 0.0700.0556 0.0082 368 13 378 50 *25-13.2 R 55 42 0.76 3 0.030.0523 0.00200.315 0.0890.0438 0.0121 328 12 278 71 26-1.1 M 62 44 0.71 4 0.020.0626 0.00230.473 0.0530.0548 0.0056 391 14 393 37 26-2.1 M 69 52 0.75 5 0.010.0618 0.00230.485 0.0410.0570 0.0041 386 14 402 28 *26-2.2 C 567 351 0.62 65 0.010.1044 0.00330.896 0.0320.0623 0.0008 640 19 650 17 26-3.1 M 65 49 0.75 4 0.020.0630 0.00220.416 0.0570.0479 0.0062 394 13 353 42 26-4.1 M 68 52 0.76 5 0.020.0654 0.00230.515 0.0600.0571 0.0061 408 14 422 41 26-5.1 M 66 50 0.76 5 0.010.0622 0.00240.523 0.0560.0610 0.0058 389 15 427 38 *26-6.1 C 376 75 0.20 26 0.010.0727 0.00310.619 0.0310.0618 0.0014 452 19 489 20 26-6.2 M 83 67 0.81 5 0.020.0589 0.00230.465 0.0950.0573 0.0113 369 14 388 68 a 普通 206Pb 指普通铅中的206Pb 占全铅206Pb 的百分数; 表中所有误差为 1σ . C 内核, M 幔部, R 亮壳 1414 论 文 第 49 卷 第 14 期 2004 年 7 月 1415 4 构造意义 天山造山带是全球重要的古生代造山带之一, 经历了复杂的俯冲、 拼合和陆-陆碰撞造山过程. 榆树 沟-铜花山-硫磺山蛇绿混杂岩带是南天山北缘古生 代板块缝合带图 1的重要组成部分[1,2,6,18]. 该带中 的榆树沟高压麻粒岩相变质蛇绿岩地体已被证实为 大洋岩石圈俯冲至 4050 km的深地壳经受变质后抬 升剥露于现今地表的特殊地体[1,2,3,6], 其SHRIMP锆 石U-Pb年龄 3927 Ma不仅记录了该地体经历高压麻 粒岩相变质改造的峰期变质年龄, 而且提供了南天 山洋盆在泥盆纪早期已开始俯冲的信息. 该过程也 同样得到出露于榆树沟地体东侧铜花山一带蓝片岩 形成年龄3602 Ma, 蓝闪石 40Ar/39Ar[19]的佐证. 这 一年龄的获得为深入讨论南天山造山带的动力学过 程具有重要意义. 致谢 研究工作得到国土资源部西安地质矿产研究所周庆 华、北京大学电子学系扫描电子显微镜室、北京离子探针 中心刘敦一研究员和张玉海、陶华的帮助. 另外, 感谢北 京大学地球与空间科学学院提供的诸多研究便利和匿名评 审人对本文修改提出的宝贵建议. 本工作受国家重点基础 研究发展规划项目 编号 2001CB409801、国家自然科学 基金批准号 49972075和西北大学大陆动力学教育部重 点实验室开放基金资助. 参 考 文 献 1 王润山, 周鼎武, 王居里, 等. 南天山榆树沟华力西期深地壳麻 粒岩地体研究. 中国科学, D 辑, 1999, 29 306313 2 王润山, 王居里, 周鼎武, 等. 南天山榆树沟遭受麻粒岩相变质 改造蛇绿岩套研究. 地质科学, 1999, 43 166176 3 王居里, 王润山, 周鼎武, 等. 南天山榆树沟麻粒岩相构造岩研 究. 岩石学报, 1999, 15 539547 4 王润山, 王焰, 李惠民, 等. 南天山榆树沟高压麻粒岩地体锆石 U-Pb 定年及其地质意义. 地球化学, 1998, 27 517521 5 王润山, 周鼎武, 王焰, 等. 南天山榆树沟高压麻粒岩地体多期 变质定年研究. 岩石学报, 2003, 19 452460 6 董云鹏, 王润山, 周鼎武. 南天山北缘榆树沟-超基性岩的地球 化学及其成因机制. 地球化学, 2001, 30 559568 7 Composton W, Williams I S, Kirschvink J L, et al. 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