劉金科,張道涵, 魏俊浩,付樂兵, 譚俊, 王大釗,施海鵬,王藝龍(.中國地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院,湖北 武漢,430074;2.寧夏地質(zhì)工程院,寧夏 銀川,75002)
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賀蘭山北段古元古代 S 型花崗巖巖石地球化學(xué)、鋯石 U-Pb年代學(xué)及其地質(zhì)意義
劉金科1,2,張道涵1, 魏俊浩1,付樂兵1, 譚俊1, 王大釗1,施海鵬1,王藝龍1
(1.中國地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院,湖北 武漢,430074;2.寧夏地質(zhì)工程院,寧夏 銀川,750021)
摘要:對(duì)賀蘭山北段似斑狀花崗巖進(jìn)行巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)及鋯石 U-Pb 年代學(xué)進(jìn)行研究,探討其成因機(jī)制及其源巖性質(zhì)。研究結(jié)果表明:似斑狀花崗巖具有高物質(zhì)的量比即n(Al2O3)/n(Na2O+K2O)(記為A/CNK,為1.18~1.29)、低 FeOt和 MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比即 w(FeO t)/w(MgO)(小于10)、低 P2O5(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.15%~0.22%)和高 K2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.09%~5.86%)的地球化學(xué)特征,屬于典型的強(qiáng)過鋁質(zhì) S 型花崗巖。巖石輕稀土富集,輕重稀土分異明顯([w(La)/w(Yb)]N=10.4~153.6),具有明顯的Eu負(fù)異常(δ(Eu)=0.19~0.49);同時(shí),巖體富集大離子親石元素(LILE)K 和Rb,虧損高場強(qiáng)元素(HFSE)Nb,Ta,Zr,Hf和Ti等。似斑狀花崗巖與孔茲巖具有相似的微量和稀土元素地球化學(xué)特征,推斷其應(yīng)為孔茲巖部分熔融的產(chǎn)物。較低的w(CaO)/w(Na2O)、較高的w(Rb)/w(Sr)和w(Rb)/w(Ba)暗示孔茲巖的原巖應(yīng)為泥質(zhì)巖或是以泥質(zhì)巖為主的、成熟度較高的沉積巖,反映其當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境應(yīng)為被動(dòng)大陸邊緣,而非活動(dòng)大陸邊緣。似斑狀花崗巖 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 年齡為(1922±31)Ma,與孔茲巖帶內(nèi)所記錄的1.92~1.90 Ga期間的巖漿?變質(zhì)事件相吻合,可能反映了構(gòu)造體制由碰撞擠壓到伸展的轉(zhuǎn)變。
關(guān)鍵詞:S型花崗巖;孔茲巖帶;賀蘭山北段;古元古代;地球化學(xué);華北克拉通
華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,有38.5 億年的演化史[1]。ZHAO 等[2]將華北克拉通分為東部陸塊、中央碰撞帶及西部陸塊,西部陸塊又可細(xì)分為陰山地塊、鄂爾多斯地塊及其間的孔茲巖帶。近東西走向的孔茲巖帶,沿集寧—大青山—烏拉山—千里山—賀蘭山一線分布,主要由古元古代孔茲巖系、TTG片麻巖和不同性質(zhì)花崗巖組成,被認(rèn)為是其南部鄂爾多斯地塊與北部陰山地塊于2.0~1.9 Ga期間碰撞拼合的產(chǎn)物[2?5]??灼潕r系主要由一套富鋁片麻巖、麻粒巖,石榴子石石英巖、長英質(zhì)副片麻巖、鈣鎂硅酸鹽巖及大理巖等組成,其原巖通常被認(rèn)為形成于穩(wěn)定的大陸邊緣[6],而 BARBEY 等[7?8]則認(rèn)為其原巖同樣可以沉積于活動(dòng)大陸邊緣。以陰山地塊與鄂爾多斯地塊之間的孔茲巖帶為例,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其原巖形成于克拉通或被動(dòng)大陸邊緣型盆地[2,9],而 WAN 等[10?11]則認(rèn)為其原巖應(yīng)形成于活動(dòng)大陸邊緣??灼潕r原巖的沉積環(huán)境爭議主要是對(duì)其原巖性質(zhì)不確定導(dǎo)致。在板塊拼合造山的過程中,中—下地殼巖石通常會(huì)經(jīng)歷多期次的高級(jí)變質(zhì)作用和部分熔融事件,形成了各種類型的變質(zhì)巖、花崗巖和混合巖。不同的源巖性質(zhì)會(huì)引起熔體組成的差異[12],反之,熔體的地球化學(xué)特征可以揭示源巖性質(zhì)。孔茲巖帶內(nèi)廣泛分布的S型花崗巖被認(rèn)為是陰山地塊與鄂爾多斯地塊拼合的背景下,孔茲巖部分熔融的產(chǎn)物[3?4,13?15]。因此,深入分析S型花崗巖的地球化學(xué)特征,可以了解孔茲巖原巖的性質(zhì),進(jìn)而揭示其沉積環(huán)境。本文作者選取位于華北克拉通內(nèi)孔茲巖帶最西端賀蘭山北段的S型花崗巖為研究對(duì)象,進(jìn)行巖相學(xué)、地球化學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)研究,分析其成因機(jī)制,探討孔茲巖原巖性質(zhì),以便為研究該區(qū)古元古代構(gòu)造?巖漿演化研究提供參考。
圖1所示為研究區(qū)大地構(gòu)造位置和地質(zhì)圖。孔茲巖帶位于華北克拉通西部陸塊,南北兩側(cè)分別為鄂爾多斯地塊和陰山地塊(圖1(a))。賀蘭山則位于孔茲巖帶最西端,是華北克拉通西北部典型的孔茲巖系出露區(qū)(圖1(b)),以出現(xiàn)大面積富鋁巖系(即賀蘭山群)和S型花崗巖為特征[2]。賀蘭山群主要由富鋁片麻巖、變粒巖組成,夾少量大理巖和鈣鎂硅酸鹽巖夾層,部分地段有基性麻粒巖透鏡體[16]。自下而上包括4個(gè)巖組,即禿魯根變粒巖?大理巖組、阿楞呼都格變粒巖組、柳樹溝片麻巖組和柳條溝組變粒巖組。這套巖石普遍經(jīng)歷了中高級(jí)變質(zhì)改造,黑云母、石榴子石、矽線石等特征變質(zhì)礦物廣泛出現(xiàn),局部地區(qū)可見紫蘇輝石,變質(zhì)程度普遍達(dá)到角閃麻粒巖相,局部達(dá)到麻粒巖相。多數(shù)變質(zhì)巖經(jīng)歷了混合巖化改造,使巖石形成淺色礦物和暗色礦物各自集中的條帶,或出現(xiàn)大量不規(guī)則的淺色脈體[17]。
區(qū)內(nèi)花崗質(zhì)巖石出露廣泛,分布面積占1/3以上。耿元生等[17]將賀蘭山北段地區(qū)出露的花崗巖分為石榴子石花崗巖、斑狀—似斑狀花崗巖、片麻狀黑云母花崗巖、片麻狀變質(zhì)閃長巖和黑云母花崗巖。石榴子石花崗巖是該區(qū)出露最廣的花崗巖,以中粗粒粒狀結(jié)構(gòu)為主,塊狀至弱片麻狀構(gòu)造,主要由斜長石、石英、微斜長石、黑云母和石榴子石組成。該類花崗巖相當(dāng)于前人所稱的扣笨溝單元[16]。片麻狀黑云母花崗巖與變粒巖等變質(zhì)表殼巖間層產(chǎn)出,許多地區(qū)均有出露。斑狀?似斑狀花崗巖主要出露在該地區(qū)的西部和東部,以較多的長石斑晶為特征,主要由斜長石、石英、微斜長石、黑云母和少量角閃石組成,部分地區(qū)含有一定數(shù)量的石榴子石。該類花崗巖相當(dāng)于前人所稱的浩堯爾單元[16]。黑云母花崗巖主要出露在該區(qū)西部,多為片麻狀,主要由斜長石、微斜長石(條紋長石)、石英和黑云母組成,不含石榴子石和長石斑晶。片麻狀變質(zhì)閃長巖主要在蒙果特一帶,曾被劃為蒙果特單元[16]。片麻狀閃長巖經(jīng)過變質(zhì)改造已成為黑云角閃斜長片麻巖,其變形較強(qiáng),片麻理發(fā)育。
此外,該區(qū)還出露大量的輝綠巖脈侵入到孔茲巖和花崗巖中,走向以北西、近東西向?yàn)橹?,少?shù)為近北東走向。具輝綠結(jié)構(gòu),主要有斜長石和普通輝石構(gòu)成。該區(qū)輝綠巖的形成時(shí)代為約1.86 Ga。
圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置和地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[2]修改)Fig.1 Tectonic location and geological map of study area
本文5件花崗巖樣品均為似斑狀花崗巖,采自牛頭溝東4~6 km范圍內(nèi)(圖1(c))。圖2所示為研究區(qū)花崗巖野外地質(zhì)特征及鏡下特征。似斑狀花崗巖與相鄰賀蘭山群(孔茲巖)之間呈漸變過渡關(guān)系(圖2(a)),暗示其屬原地或半原地重熔型花崗巖。似斑狀花崗巖呈灰?灰白色,塊狀—片麻狀構(gòu)造,似斑狀結(jié)構(gòu)。主要由石英、斜長石、鉀長石、黑云母、微斜長石和少量矽線石等組成(圖2(b),2(c)和2(d))。其中斜長石占30%~ 35%(體積分?jǐn)?shù),下同),主要呈大小不等的斑晶產(chǎn)出,多數(shù)斑晶粒度在5~15 mm,個(gè)別粒度可達(dá)3Cm左右。鉀長石為條紋長石,占10%~15%,粒度為0.5~3mm,半自形;石英占40%~45%,多呈粒狀,粒度為1~4 mm,他形結(jié)構(gòu);黑云母占 5%~10%,片狀,在單偏光下為鐵褐色。
本文樣品的測試分析均在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(GPMR)完成。主微量、U-Pb年齡分析結(jié)果分別如表1[18]和表2所示。
圖2研究區(qū)花崗巖野外地質(zhì)特征及鏡下特征Fig.2Geological feature and photomicrographs of porphyritic granite from study area
表1 賀蘭山北段似斑狀花崗巖主量元素和微量元素分析結(jié)果Table1 Major and trace elementsCompositions of the porphyroid granite in Helanshan region
表2樣品B2127 LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)Table1 LA-ICP-MS zircon U–Pb dating data for the sample B2127
本研究所用常量和微量元素分析樣品均經(jīng)表面去皮清洗粉碎至粒徑為0.075 mm。全巖主量元素的分析根據(jù)國標(biāo)GZB/T 4506—2010,采用濕化學(xué)方法進(jìn)行分析。微量元素采用Agilent 7500a ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜)分析,樣品處理如下:先稱取粒徑為0.075 mm 巖石粉末 50 mg 于 Teflon 溶樣器中,然后采用Teflon 溶樣彈將樣品用 HF+HNO3在195 ℃條件下消解48 h,最后將120 ℃條件下蒸干除Si后的樣品用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的HNO3稀釋2 000倍定容于干凈的聚酯瓶。詳細(xì)的樣品消解處理過程分析精密度和準(zhǔn)確度見文獻(xiàn)[19]。
鋯石樣品在廊坊區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室利用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行分選。鋯石制靶后磨蝕至鋯石核部出露然后進(jìn)行鋯石陰極發(fā)光(CL)照相以觀察鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。鋯石U-Pb同位素定年利用LA-ICP-MS(激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜)同時(shí)分析完成。激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas 2005,ICP-MS為Agilent 7500a。具體儀器靈敏度、檢出限和分析精密度見文獻(xiàn)[20]。每個(gè)時(shí)間分辨分析數(shù)據(jù)包括20~30 s的空白信號(hào)和50 s的樣品信號(hào)。對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對(duì)樣品和空白信號(hào)的選擇、儀器靈敏度漂移校正及U-Th-Pb同位素比值和年齡計(jì)算)采用軟件 ICPMSDataCal[19]完成。詳細(xì)的儀器操作條件和數(shù)據(jù)處理方法見文獻(xiàn)[19]。
4.1主、微量元素地球化學(xué)
賀蘭山北段似斑狀花崗巖具有高 SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.28%~75.97%)、 富Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.26%~14.43%)的特征(表1)。圖3所示為研究區(qū)似斑狀花崗巖TAS,n(Al2O3)/n(Na2O+K2O)?n(Al2O3)/n(CaO+Na2O+K2O)(記為 A/CNK?A/NK)和 w(K2O)?w(SiO2)圖解[21?22],n為物質(zhì)的量。K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(5.09%~5.86%),Na2O,CaO和P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低,屬于亞堿性過鋁質(zhì)系列花崗巖(圖3(a)和3(b))。在w(K2O)?w(SiO2)圖解中(圖3(c)),樣品落入鉀玄巖系列與高鉀鈣堿性系列分界線附近,反 映出明顯富K(w(K2O)=5.09%~5.86%)的特征。此外,巖 石TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.12%~0.24%之間,F(xiàn) e2O3t質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.22%~2.63%之間,MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.38%~0.58%之間。
圖4所示為賀蘭山北段似斑狀花崗巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖和微量元素地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖[23]。賀 蘭山似斑狀花崗巖具有較高的稀土含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(∑w(REE)=99.6×10?6~ 136.4×10?6),輕 重稀土分異明顯([w(La)/w(Yb)]N=10.4~153.6),具有明顯的 Eu負(fù)異常(δ(Eu)=0.19~0.49)(圖4(a))。在 微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解中(圖 4(b)),表現(xiàn)出富集大離子親石元素(LILE)K和Rb,虧損高場強(qiáng)元素(HFSE)Nb,Ta,Zr,Hf和Ti的特征。
圖3 研究區(qū)似斑狀花崗巖TAS,A/CNK?A/NK和w(K2O)?w(SiO2)圖解Fig.3 TAS,A/CNK-A/NK and w(K2O)?w(SiO2)diagrams for porphyritic granite in study area
圖4賀蘭山北段似斑狀花崗巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖和微量元素地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.4Chondrite-normalized REE distribution and primitive mantle-nonroalized trace element patterns for the porphyritic granite in Helanshan region
4.2鋯石U-Pb年齡
圖5所示為賀蘭山似斑狀花崗巖鋯石陰極發(fā)光圖像及U-Pb年齡諧和圖。鋯石分選自樣品B2127,多為自形長柱狀,長度為100~250 μm,長寬比為3:1~1.5:1,少量鋯石為半自形結(jié)構(gòu)。陰極發(fā)光圖像表明鋯石具有較明顯的巖漿型震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖5(a)),表明鋯石為巖漿結(jié)晶成因。所有分析點(diǎn)的 w(Th)/w(U)(0.18~0.67)均大于0.10,也支持其巖漿成因。
利用 LA-ICP-MS 對(duì)鋯石核部分析獲得 20 個(gè)點(diǎn)的年齡(表2)。除點(diǎn)14 外,其余鋯石的同位素年齡均落在諧和線上及其附近(圖 5(b)),獲得上交點(diǎn)年齡為(1957±38)Ma,下交點(diǎn)年齡為(355±230)Ma(平均標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重偏差 MSWD=1.4)。除 03、06、14 和17 這4個(gè)點(diǎn)外,其余16 個(gè)較諧和分析點(diǎn)的 w(206 Pb)/w(207 Pb)加權(quán)平均年齡為(1922±31)Ma(MSWD=1.6),與上交點(diǎn)年齡在誤差范圍內(nèi)一致,代表了賀蘭山北段地區(qū)似斑狀花崗巖的侵位年齡。
圖5 賀蘭山似斑狀花崗巖鋯石陰極發(fā)光圖像及U-Pb年齡諧和圖Fig.5 Cathodoluminescence images and U-PbConcordia diagrams for zircons of sample B2127 from the porphyritic granite in Helanshan region
5.1似斑狀花崗巖源區(qū)性質(zhì)及形成機(jī)制
研究區(qū)花崗巖 A/CNK>1.1,為強(qiáng)過鋁質(zhì)巖石(圖3(b)),且具有低w(FeO t)/w(MgO)(小于10)、 低P2O5(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.15%~0.22%)和高 K2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.09%~5.86%)等地球化學(xué)特征,顯示出典型S型花崗巖的特點(diǎn)。圖6所示為A(即Al-Na-K)+C(即Ca)+F(即Fe 2++Mg)的物質(zhì)的量(n)圖解。在n(A)?n(C)?n(F)圖解中(圖6),似斑狀花崗巖樣品均投在S型花崗巖區(qū)域,且其主微量特征與賀蘭山地區(qū)S型花崗巖的特征相似(圖 3(b),3(c),圖 4和圖 6),進(jìn)一步指示其為 S 型花崗巖。BARBARIN[24?25]將過鋁質(zhì)花崗巖(S 型花崗巖)細(xì)分為含白云母花崗巖(MPG)和含堇青石富黑云母花崗巖(CPG)2種類型。MPG富含大量的原生白云母,貧黑云母;而CPG可含有堇青石,富含黑云母。研究區(qū)似斑狀花崗巖富含黑云母而無白云母(圖 2(b),2(c)和 2(d)),且具有較高的鋯飽和溫度(高達(dá) 804°C,表1),顯示出典型CPG的特征。巖石中未發(fā)現(xiàn)堇青石,這可能與巖體的形成深度有關(guān)(≥25 km,GREEN[26])。
圖6 n(A):n(C):n(F)圖解Fig.6 n(A):n(C):n(F)diagram
CHAPPELL[27]認(rèn)為S型花崗巖是源自于經(jīng)歷一定程度風(fēng)化的表殼巖石的部分熔融,因此,S 型花崗巖的物源主要來自沉積巖。據(jù)野外觀察,似斑狀花崗巖與孔茲巖(變沉積巖)呈漸變過渡接觸(圖2(a)),暗示其可能為孔茲巖部分熔融的產(chǎn)物。S 型花崗巖物質(zhì)來源判別圖解表明,研究區(qū)似斑狀花崗巖源區(qū)可能為變泥質(zhì)巖(圖 7),而孔茲巖的原巖正是泥質(zhì)巖和泥質(zhì)粉砂巖[28]。似斑狀花崗巖與孔茲巖一致的微量和稀土元素地球化學(xué)特征也指示孔茲巖可能為似斑狀花崗巖的源巖(圖4(a)和4(b))。此外,鋯石的Hf模式年齡(主要集中在2.2~2.4 Ga之間)與Nd模式年齡(2.2~2.6 Ga)與研究區(qū)出露的孔茲巖中碎屑鋯石的 Hf 模式年齡(2.1~2.5 Ga,YIN等[3?4,11])相吻合,進(jìn)一步證實(shí)研究區(qū)S型花崗巖應(yīng)為廣泛出露的孔茲巖系部分熔融的產(chǎn)物。
然而,人們對(duì)變質(zhì)沉積巖的部分熔融機(jī)制還有一定的爭議。BARBARIN[24?25]曾提出CPG 可以由來自地幔的巖漿涌入或底侵引起變質(zhì)沉積巖熔融而成。PENG 等[14?15]也提出類似觀點(diǎn),認(rèn)為孔茲巖帶東部涼城地區(qū)同時(shí)代(約1.9 Ga)的 S 型花崗巖應(yīng)是幔源巖漿底侵背景下的產(chǎn)物,即深部巖漿底侵時(shí)的高溫導(dǎo)致孔茲巖部分熔融而形成 S 型花崗巖。DOUCE 等[12,29]認(rèn)為,底侵的鎂鐵質(zhì)巖漿與陸殼的相互作用不僅會(huì)導(dǎo)致熱量的傳遞,同樣也會(huì)促進(jìn)化學(xué)成分的交換。但泥質(zhì)巖熔體與玄武巖的混合模擬結(jié)果表明,研究區(qū)花崗巖雖投在混合線之間,但主體上應(yīng)以泥質(zhì)巖熔體端元為主(圖7(c)和7(d)),而涼城地區(qū)S型花崗巖更靠近玄武巖組分端元。這些特征表明在似斑狀花崗巖的形成過程中可能沒有幔源物質(zhì)的加入。此外,似斑狀花崗巖極低的地質(zhì)樣品與球粒隕石均一庫(CHUR)在t時(shí)刻的143Nd/144 Nd 同位素的相對(duì)大小 εNd(t)(?15.5~?19.7)也不支持幔源物質(zhì)加入的觀點(diǎn)。因此,賀蘭山地區(qū) S型花崗巖的形成可能與深部巖漿底侵作用關(guān)系不大。
相反,在板塊匯聚碰撞過程中,地殼通常會(huì)增厚,當(dāng)增厚到大于50 km,由于K,U和Th 等元素衰變釋放大量的熱,會(huì)引起增厚的地殼部分熔融,所形成的花崗巖溫度通常小于875 ℃[30]。賀蘭山地區(qū)孔茲巖在變質(zhì)峰期階段,以出現(xiàn)“藍(lán)晶石+條紋長石+石榴石”組合為特征,變質(zhì)溫度為 850~870 ℃,壓力達(dá)到1.4~1.5 GPa,地殼深度相當(dāng)于50~60 km[5],具有增厚熔融的基本條件。同時(shí),區(qū)內(nèi)S型花崗巖相對(duì)低的鋯飽和溫度(小于810 ℃,表1)也進(jìn)一步印證了這一結(jié)論。
因此,區(qū)內(nèi)巖體屬典型的強(qiáng)過鋁質(zhì) S 型花崗巖,可能為板塊匯聚碰撞背景下孔茲巖系部分熔融的產(chǎn)物。
圖7 研究區(qū)似斑狀花崗巖物源判別圖Fig.7 Source discrimination diagrams for porphyritic granite in study area
5.2孔茲巖原巖性質(zhì)及其形成背景
對(duì)于華北克拉通西北部的孔茲巖系的原巖,通常被認(rèn)為沉積于穩(wěn)定大陸邊緣環(huán)境[2?6,9,31]。然而,近年來所獲得大量孔茲巖碎屑鋯石年齡顯示,其原巖主要來自古元古代(2.2~2.0 Ga,YIN 等[3?4,11])物源區(qū),應(yīng)沉積于2.0~1.95 Ga之間[3?4,9,11],經(jīng) 過短暫的沉積,便經(jīng)歷了約1.95 Ga陰山地塊與鄂爾多斯地塊碰撞拼合,大規(guī)模的區(qū)域變質(zhì)作用,局部達(dá)到麻粒巖相。由于其較短的沉積時(shí)間(小于50 Ma),WAN等[10?11]認(rèn)為孔茲巖的原巖應(yīng)形成于活動(dòng)大陸邊緣背景。很明顯,2 種不同構(gòu)造背景下形成的孔茲巖系原巖會(huì)具有明顯的差異,即成熟度高的泥質(zhì)巖或成熟度低的雜砂巖。
泥質(zhì)巖和雜砂巖在變質(zhì)熔融的過程中所產(chǎn)生的熔體有較大的差別[29?30]。 由于雜砂巖富長石貧黏土,其產(chǎn)生的熔體往往具有較高的 w(CaO)/w(Na2O)(大于0.3),與之相反,泥質(zhì)巖貧長石富黏土,其產(chǎn)生的熔體具有較低的 w(CaO)/w(Na2O)(小于 0.3)[30]。同理,Sr和Ba是斜長石的相容元素,而 Rb則為不相容元素,因此,雜砂巖產(chǎn)生的熔體常具有較低的 w(Rb)/w(Sr)和 w(Rb)/w(Ba),而由泥質(zhì)巖產(chǎn)生的熔體2個(gè)比值較高[30]。
研究區(qū)似斑狀花崗巖樣品具有較低的 w(CaO)/w(Na2O)(0.18~0.24)(圖7(c)),較高的w(Rb)/w(Sr)(2.2~ 4.1)和 w(Rb)/w(Ba)(0.52~1.18)(圖 7(d)),靠近泥質(zhì)巖熔體單元,暗示孔茲巖的原巖應(yīng)為泥質(zhì)巖。而且賀蘭山地區(qū)孔茲巖以長石、石英等礦物為主,富含富鋁礦物石榴子石、堇青石、矽線石等特征礦物組合,反映其原巖為泥質(zhì)巖和泥質(zhì)粉砂巖[28],也支持這一觀點(diǎn)。此外,李江海等[31]通過分析華北克拉通中部孔茲巖系的地球化學(xué)特征,發(fā)現(xiàn)孔茲巖具有 w(Th)/w(U)較高,相對(duì)富集Rb,Th,U,Pb和K,相對(duì)虧損Sr,Ca和Na的特征,認(rèn)為孔茲巖原巖以泥質(zhì)巖、頁巖為主??灼潕r系中大多數(shù)碎屑鋯石都顯示出較好的磨圓度[3?4,32],也反映了其原巖經(jīng)歷較長距離搬運(yùn)的特點(diǎn)。
綜上所述,孔茲巖原巖應(yīng)是泥質(zhì)巖或是以泥質(zhì)巖為主的、成熟度較高的沉積巖,而該套巖性反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境應(yīng)為被動(dòng)大陸邊緣,而非活動(dòng)大陸邊緣?;鹕綆r活動(dòng)通常被認(rèn)為是活動(dòng)大陸邊緣的重要標(biāo)志,而在孔茲巖帶,至今未有關(guān)于古元古代(2.2~2.0 Ga)火山巖的文獻(xiàn)報(bào)道,也進(jìn)一步排除了活動(dòng)大陸邊緣的可能??紤]到鄂爾多斯地塊是孔茲巖的物源區(qū)[32],因此,可以認(rèn)為鄂爾多斯地塊北緣具有被動(dòng)大陸邊緣的特征[3]。而與之對(duì)應(yīng)的是,在陰山地塊南緣大青山和烏拉山地區(qū)出露晚太古代至古元古代的 TTG 片麻巖和鎂鐵質(zhì)麻粒巖[33],反映其南緣島弧、陸弧發(fā)育,具有活動(dòng)大陸邊緣的特點(diǎn)。
5.3花崗巖構(gòu)造意義
近年來,大量的高精度年代學(xué)研究發(fā)現(xiàn)孔茲巖普遍記錄了兩期區(qū)域變質(zhì)事件,分別為1.97~1.94 Ga和1.87~1.82 Ga[2?4,10]。前者被認(rèn)為是陰山地塊與鄂爾多斯地塊碰撞拼合的時(shí)代[2?4,10],而后者反映了板塊折返或伸展作用所引起的巖漿熱事件[3?4]。然而,關(guān)于構(gòu)造體制由碰撞轉(zhuǎn)入到伸展環(huán)境的時(shí)限討論較少。SANTOSH 等[34]在孔茲巖帶東部獲得了含假藍(lán)寶石麻粒巖超高溫(UHT)變質(zhì)事件的年齡為1.92 Ga。GUO 等[35]則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這些麻粒巖常與未變質(zhì)或弱變質(zhì)的輝長巖脈接觸,且輝長巖的w(207 Pb)/w(206 Pb)加權(quán)平均年齡為1.92 Ga,與含假藍(lán)寶石麻粒巖的變質(zhì)年齡一致,暗示孔茲巖帶東部的 UHT 變質(zhì)事件與軟流圈地幔上涌、鎂鐵質(zhì)巖漿底侵有關(guān),暗示伸展體制已開始。在孔茲巖帶東部地區(qū),由于軟流圈上涌或玄武質(zhì)巖漿的底侵,勢必引起部分地殼發(fā)生深熔作用,形成大量1904~1921Ma 的 S 型花崗巖[15]。且大青山地區(qū)孔茲巖中部分碎屑鋯石記錄了該期變質(zhì)事件,變質(zhì)年齡為1.90~1.92 Ga[10]。而在孔茲巖帶西部,除本文所報(bào)道的該期巖漿事件外,耿元生等[17]也曾報(bào)道賀蘭山地區(qū)片麻狀閃長巖的侵位年齡為1.92 Ga,亦為該期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。此外,千里山地區(qū)孔茲巖碎屑鋯石(變質(zhì)年齡為(1921±16)Ma,YIN等[3])、巴彥烏拉山地區(qū)片麻狀花崗巖(變質(zhì)年齡為(1923±28)Ma;董春艷等[36])也同樣記錄了該期變質(zhì)事件。因此,結(jié)合前人研究成果,構(gòu)造體制由碰撞擠壓到伸展作用的轉(zhuǎn)換可能發(fā)生在1.92~1.90 Ga 之間,并引發(fā)一定規(guī)模的構(gòu)造熱事件,而本文所報(bào)道的似斑狀花崗巖應(yīng)是該期事件的產(chǎn)物。
1)賀蘭山地區(qū)似斑狀花崗巖具有高 A/CNK 值、低 w(FeO t)/w(MgO)、低 P2O5(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.15%~ 0.22%)和高 K2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.09%~5.86%)的地球化學(xué)特征,屬于典型的強(qiáng)過鋁質(zhì)S型花崗巖,為廣泛出露的孔茲巖部分熔融的產(chǎn)物。
2)似斑狀花崗巖具有較低的 w(CaO)/w(Na2O),較高的 w(Rb)/w(Sr)和 w(Rb)/w(Ba),表明孔茲巖的原巖應(yīng)為泥質(zhì)巖或是以泥質(zhì)巖為主的、成熟度較高的沉積巖,反映其當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境應(yīng)為被動(dòng)大陸邊緣,而非活動(dòng)大陸邊緣。
3)似斑狀花崗巖 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 年齡為(1922±31)Ma,與孔茲巖帶內(nèi)所記錄的1.92~1.9 Ga期間的巖漿?變質(zhì)事件相吻合,可能反映了構(gòu)造體制由碰撞擠壓到伸展的轉(zhuǎn)變。
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(編輯 羅金花)
Zircon U-Pb age and geochemicalCharacteristics of the Paleoproterozoic S-type granite in the northern part of Helanshan and its geological significance
LIU Jinke1,2,ZHANG Daohan1, WEI Junhao1,FU Lebing1,TAN Jun1,WANG Dazhao1,SHI Haipeng1,WANG Yilong1
(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China 2.Ningxia Institute of Geological Engineering,Yinchuan 750021,China)
Abstract:Petrographic,geochemical and zircon U-Pb geochronological studies were performed on porphyritic granite in northern part of Helanshan area to discuss its formation mechanism and the nature of its source rocks.The results show that porphyritic granite has high n(Al2O3)/n(Na2O+K2O)(i.e.,A/CNK,1.18?1.29),low w(FeO t)/w(MgO)ratios(less than10),low P2O5(mass fraction ranging from 0.15% to 0.22%)and high K2O(mass fraction varying between 5.09% and 5.86%)Contents,indicating that it belongs to peraluminous S-type granite.It is enriched in light rare earth elements(LREE)with significant differentiation between LREE and heavy rare earth elements(HREE),and shows markedly negative Eu anomalies(δ(Eu)=0.19?0.49).It is also enriched in large ion lithophile elements(LILE),e.g.K and Rb,and depleted in high field strength elements(HFSE),such as Nb,Ta,Zr,Hf and Ti.The porphyritic granite has similar traceand rare earth elementCharacteristics to those of khondalites,suggesting itCould be derived from the partial melting of khondalites.Low w(CaO)/w(Na2O),high w(Rb)/w(Sr)and w(Rb)/w(Ba)suggest that the protolith of khondalitesCould be pelite,or high mature sedimentary rocks with predominant proportion of pelite,indicating they are deposited in a passive rather than an activeContinental margin.LA-ICP-MS zircon U-Pb age of porphyritic granite is(1922±31)Ma,which isContemporaneous with1.92?1.90 Ga magmatic and metamorphic events in Khondalite Belt,and that reflects the tectonic transformation fromCompression to extension.
Key words:S-type granite? Khondalite Belt? northern part of Helanshan? Paleoproterozoic? geochemistry? NorthChinaCraton
中圖分類號(hào):P611.1
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1672?7207(2016)01?0187?11
DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.026
收稿日期:2015?01?06;修回日期:2015?03?01
基金項(xiàng)目(Foundation item):國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41302065,41102047);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CUG120702,CUG120842)(Projects(41302065,41102047)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Projects(CUG120702,CUG120842)supported by the Fundamental Research Founds for National University,China University of Geosciences(Wuhan))
通信作者:張道涵,博士研究生,從事礦產(chǎn)普查與勘探研究;E-mail: zhangdaohan163@163.com