岩浆岩中的原位锆石U-Pb和Lu-Hf同位素系统研究

1、岩浆岩中的原位锆石U-Pb和Lu-Hf同位素系统：研究Gois弧（位于巴西中部的巴西利亚地区）的新元古代的地壳岩浆演化关键词：Gois岩浆弧 Hf同位素 新元古代 锆石地质年代学 激光探针等离子质谱（LA-ICP-MS）摘要Mara Rosa弧，一个Braslia构造带的重要的组成部分，构成了Gois岩浆弧北部的部分，它显示了900至600Ma内亚马逊和旧金山克拉通地区碰撞后的样子。新原位锆石U-Pb和通过LA-MC-ICP-MS法从代表性岩浆岩取得的Lu-Hf同位素数据证实了三个在Mara Rosa弧内发生的新元古代岩浆事件。从变质岩中提取的锆石产生的9165Ma结晶年龄的U-Pb具有Hf值

2、阳性显示（+8到+12），从而表明主体岩浆来源于亏损地幔。两个片麻岩的锆石呈现不同的类型：两个样本中地质年代最新的的锆石分别呈现出7928Ma和8117Ma两个不同的U-Pb结晶年龄。大量继承锆石（具有中元古代到古元古代的U-Pb年龄）显示：两个样本，负Hf和旧的TDM值，显示了一种对太古代至古元古代地壳中的主要岩浆岩具有重要贡献的成因。后造山期石英闪长岩中具有6384Ma的结晶年龄，Hf变化值（+1到+8）的锆石显示大量岩浆包含新生的和循环较老的地壳组件。1.前言 在过去的十年中，Lu-Hf同位素分析能够通过电感耦合等离子体质谱法（MC-ICP-MS）应用于全部岩石并且通过MC-ICP-MS

3、法激光烧蚀锆石已成为研究地质年代学和同位素的重要工具。（Vervoort和Blichert-Toft，1999；Blichert-Toft和Albarede，1997；Grifn等，2002；Hawkesworth和Kemp，2006；Cocherie和Robert，2008）。锆石由于在其晶体结构中微量元素和稀土元素的含量相当之高而且有强大的抗侵蚀，风化和改造能力，从而广泛使用的同位素和矿物地球化学研究。铪元素，由于其与Zr元素密切的化学亲和力，直接在与浓度在0.5到2wt.锆石晶体的晶格中取代后者。这种能力使得铪元素比一般的稀土元素更能与锆石兼容，特别是镥元素，从而导致非常低的镥/铪比率（

4、通常小于0.001）。出于这个原因，的放射性衰变不会随着时间显着改变锆石的Hf同位素组成。此外，非常低的铪元素在锆石晶内的扩散速度和Lu-Hf同位素体系的高封闭温度（Cherniak等，1997；Cherniak和Watson，2000）。证明Hf同位素基本上不受后期结晶热力作用的影响，甚至高级变质作用也无所影响。因此，通过从锆石获取的Hf值和铪的TDM年代模型可能有助于推测出岩浆岩的来源和沉积物源（Kinny和Maas，2003；Hawkesworth和Kemp，2006；Wangetal.，2008）。特别是当加上原位U-Pb同位素年代学的数据，通过铪的同位素组成就有可能定位出一个岩浆活动

5、事件，即使被后来的高级变质作用遮盖，依旧可能会提供有关新生地壳增生的相对作用或较老大陆地壳的重新活动的详细信息（Hawkesworth和Kemp，2006；Gerdes和Zeh，2006；Zeh等，2007）。 本次的研究探讨了关于新元古代巴西中部巴西利亚地区Gois岩浆弧带的演化问题，主要利用激光多接收等离子体质谱（LA-（MC）ICP-MS）获得锆石的原位U-Pb和Lu-Hf分析，同时结合了全岩的Sm-Nd同位素分析的实验方法。一些人（Pimentel和Fuck，1992；Pimentel等，1997；Junges等，2002） 在进行了地质年代学和同位素的研究中，在Mara Rosa弧发

6、现了两大构造岩浆活动，主要位于Gois岩浆弧北部部分：年代较远的地质事件在约900Ma以前而年代较近的地质事件发生在630Ma以前。通过基础地质，地球化学和同位素数据进行分析，前者已涉及到一个沿旧金山西缘克拉通的海洋火山岛弧结构，后者的主要地质事件则对应由旧金山和亚马逊大陆碰撞引起的巴西利亚造山运动。在这种情境下，630Ma前的Mara Rosa岩浆活动被解释为由900Ma前岛弧新生地壳的再循环致使（Pimentel等，2000a）。新测得的U-Pb和Lu-Hf数据同样可以证实这两个岩浆活动的存在，得到的结果与之前的假设是一致的。新测得的数据也证实了一个新的地质事件，它是约800Ma前的以旧地

7、壳物质循环为特征的岩浆活动。 新测得的锆石Hf同位素数据表明，即使在一个单一的岩石样本中，TDM值差异很大，这表明了太古代至古元古代地壳主体岩浆的形成，而它并没有被全岩的钕同位素数据确定。 这项研究同时还能让人更好地理解旧金山克拉通西缘的演化和西Gondwana融合的时间。2.地质背景 研究区位于Tocantins省的中部，是由亚马逊，刚果，旧金山和Paran克拉通相互作用形成的巴西利亚/泛非造山带。Tocantins省地区主要由由三个褶皱冲断带构成，他们是Araguaia，Brasilia和Paraguay.Tocantins省东部部分主要受巴西利亚构造带的影响，同时占据了旧金山克拉通的西缘

8、（Silva等，2008a）。Gois岩浆弧带是巴西利亚构造带的重要的组成部分（图一所示），在南北向伸延了约800公里并主要由火山沉积层序和侵入岩构成。它代表了在900到600Ma年前亚马逊和旧金山克拉通地区碰撞时的岩浆反应（Pimentel和Fuck，1992；Pimentel等，1997；Junges等，2002；Silva等，2008b；Laux等，2005；Matteini等，2008；Cordani等，2009）。 Gois岩浆弧带被划分为两部分，南边的部分称作Arenpolis带而北边的部分称作Mara Rosa弧。而后者被显著西倾的里奥杜斯博伊斯冲断层限制在东部，Mara Ros

9、a弧由三个构造地貌单元组成：（i）三个狭窄的北北东向上的上地壳带（东部，中部和西部地带）主要由变质玄武岩，碎屑变质沉积物（石英岩，石榴石钾长石和云母片岩），以及一些小燧石和滑石片岩。（ii）石英花岗闪长片麻岩是由绿片岩至角闪岩相变质而来（iii）后期造山岩体是由辉长岩，闪长岩和花岗岩岩体所组成。图1研究区地质示意图Tocantins省东部（巴西利亚带）图2MaraRosa弧的简化地质图（Arantes等，1991；Junges等，2002）（研究的样本采集位置已示意） 工区上地壳带多由角闪石组成。他们的地球化学特征各不相同，比如弧/弧后德拉斑玄武岩从钙碱性（Palermo，1996；Junge

10、s，1998；Kuyumjian，1994a，b）。 本区域单元的变质沉积岩为大量的含层间长石的变质杂砂岩Junges等（2002）分辨出了五种不同岩相类型的变质沉积物，其中包括具蓝晶石的角闪石-黑云母片岩，具蓝晶石的石榴石-黑云母片岩，石榴石-十字石-黑云母-白云母片岩，白云母-蓝晶石片岩和石榴石-黑云母片岩。这种火山沉积性的序列通过其地球化学和同位素特征可能反映了一种幼年岛弧环境，比如其正的Nd值，Nd 年代模型平均值基本在0.8到1.1Ga，具显著的拉斑玄武岩到钙碱性岩地球化学特征（Pimentel等，1996，1997，2000a；Pimentel和Fuck，1992）。石英-花岗闪长

11、片麻岩是主要显示是铝质，并呈现钙质到钙碱性地球化学特征。Pimentel等（1997）从石英闪长岩样本提取的锆石样品856+13/-7的U-Pb TIMS年龄。它们的Nd 年代模型平均值基本在0.81到1.3Ga（Junges等，2002），这表明原始岩浆的显著新生性。晚期碰撞后为辉长岩，闪长岩和花岗岩体侵入变质沉积物和变质火成岩。Pimentel等（1997）从一同时期构造闪长岩墙得到6306Ma的U-PbTIMS锆石年龄。花岗套房由于其轻微过铝质的特性形成较大规模。它们的NdTDM年代模型平均值基本在1到1.3Ga，这表明它们是由较老的弧内物质部分融熔重新整合而成的（Junges等，200

12、2）。为了准确描绘Mara Rosa弧这个地区的演变，通过使用LA-（MC）ICP-MS的方法结合原位U-Pb和Lu-Hf模型对四个来自不同构造单元有代表性的样本进行了深入的研究：一个后造山期经变质闪长岩侵入上网中央表壳带的角闪岩，两个从研究区西部采得的变质花岗岩以及一个东端表壳带得变质岩样本（图二）。 表一 使用条件方法及设置要求表二研究样本的全部岩石SmNd数据3. 样本描述 样本MR157由石英（4），斜长石（48），单斜辉石（3），角闪石（25），黑云母（10）和绿帘石（7）组成，具少量绿泥石和铁钛氧化物。样本MR164是具香肠构造英长质脉石带状糜棱纹花岗岩，平均组成为石英（30），斜

13、长石（占30），钾长石（25），黑云母（10）和白云母（5），具小绿帘石和铁钛氧化物。通过薄片的毫米尺度的镜下观测为细粒糜棱带石英，钾长石和斜长石以及部分云母化的晶体。斜长石颗粒磨圆一般，具石英显示波状消光特性，亚晶粒形成及锯齿形劈理的白云母。样品PM III GN（95）在是在镜下显示重褶褶皱特征的二长辉长片麻岩。主要组成为石英（24），钾长石（30）和斜长石（20），白云母（15），黑云母（10），具少量磷灰石和绿帘石。样本MR 214是由斜长石（60），白云母（20），黑云母（15）和石英（10）组成的变质岩石。原岩被解释为砂屑的亚长石砂岩质沉积物，来源可能为火山碎屑。4.分析方法 在巴

14、西利亚大学地质年代学实验室我们对全岩的Sm-Nd同位素进行了分析，溶样是通过Savillex公司的特氟隆烧杯和帕尔型聚四氟乙烯炸弹制备而成的。钐和钕从全岩粉末中提取并且石榴石德精矿主要遵循了Richard等（1976）的技术。该技术的原理是：以稀有地质元素为分离组，用阳离子交换序列在反相色谱之前分离钐，而钕从聚四氟乙烯粉末上使用HDEHP（二-2-乙基己基磷酸）提取。我们还使用了稀土规格和LN-规格的树脂用以稀土和Sm-Nd分离。一种混合的149Sm-150Nd穗序同样被应用于此项技术。钐，钕样本被装上了双丝纤维重新装配。Sm和Nd同位素通过使用MAT-262质谱仪进行了分析。Sm/Nd和14

15、3Nd/144Nd比值被认为是优于0.05（1）和0.003（1），当然它们是分别基于重复分析国际BCR-1和BHVO-1标准的岩石。 143Nd/144Nd比例应该是0.7219的146Nd/144Nd比这样的规格。钕的程序空白均小于100PG.而对原地的U-Pb和Lu-Hf分析，锆石集中起来的从一到十公斤的岩石通过破碎，重砂分析和使用弗朗茨同工酶纯化分离技术等方法将其变为至500微米规格大小。最终在双目显微镜下手工挑选以实现纯化。选定的晶粒放置在环氧树脂底座上，在分析前先进行抛光和使用3硝酸清洗。BSE（背散射电子）的图像被用于定位点。在巴西的OuroPreto联邦大学地质学系通过JEOL

16、5510扫描电子显微镜对BSE图像进行了获取。 对四个锆石颗粒样品分别进行U-Pb和Lu-Hf同位素分析，使用热学的费舍尔尼普顿的MC-ICP-MS法和Nd：YAGUP213新式波激光烧蚀系统（在巴西利亚大学的地质年代学实验室进行了这项实验）。使用条件方法及设置要求列于表1。 图三钕同位素演化图，展示了Mara Rosa弧地区岩石的同位素组成（Piment等，1996a）。锆石颗粒的U-Pb在分析上为了控制ICP-MS分馏而使用了GJ-1标准锆石样本（Albarede等，2004）。 二到四个样品通过JG-1标准进行了分析，并且206Pb/207Pb和206Pb/238U的比值被及时纠正。激光

17、诱导通过使用带有30微米大小的点光栅的激光烧蚀的方法使U和Pb分馏到最低限度。 原始数据通过使用Excel工作表进行离线处理和缩小工作量（Buhn等，2009）。在必要时，通过使用线性回归方法以纠正因雷射分馏导致206Pb/238U比减小这一问题（KoLer等，2002）。通过研究分析，Temora-2锆石标准已被作为未知样品进行分析。 普通铅（204Pb）干扰通过在分析期间对202Hg和（204Hg+204Pb）堆进行监控和使用铅组成模型来解决（Stacey和Kramers，1975）。在所有分析中没有必要因为和高206Pb/204Pb比和普通204Pb（b30cps）对锆石的铅进行纠正。有

18、一种常见的错误是通过重复运行（2SD2+2SE2）1/2提高运行精度。应该是是由反复分析（n=20，1.1%的207Pb/206Pb和高达2%的206Pb/238U）得出GJ-1标准锆石的标准偏差（SD），在分析期间并在运行精度标准误差（SE）允许下计算出各项结果。 从4个不同的选定的锆石颗粒样本进行了Lu-Hf同位素分析，此前已分析完毕U-Pb系统。Lu-Hf同位素数据是使用40微米直径的光斑大小在40s的消融时间进行收集的。在无同位素171Yb，173Yb和175Lu干扰的情况下对这些信号进行了监测分析，以便在176Lu和176Yb的等压干扰能准确确定176Hf信号。176Yb和176Lu

19、通过采用Chu等（2002）推荐的Lu和Hf同位素丰度而被准确计算。当时的171Yb，173Yb的测量，由于使用了1.132685的173Yb/171Yb正常值而避免了Yb的数据偏移（Chu等，2002）。Hf同位素比值则趋于正常的0.7325的179Hf/177Hf值（Patchett，1983）。图四片麻岩样品中的锆石的代表性的BSE图像，U-Pb年龄和Hf值都如图所示。 该Hf（t）值的计算使用Scherer等（2006）衰变常数=1.865？10？11（Scherer等（2006）。176Lu/177Hf和176Hf/177Hf的CHUR值为0.0332和0.282772（Bliche

20、rt-Toft和Albarede（1997）。由最初锆石的Hf同位素组成通过一平均的地壳Lu/Hf比（Gerdes和Zeh，2006，2009；Nebel等，2007）来进行两阶段TDM计算。最初锆石的Hf同位素组成代表在锆石结晶时间（我们称之为U-Pb年龄）176Hf/177Hf的比值，两个亏损地幔阶段TDMHf是通过平均0.0113的地壳176Lu/177Hf值（TaylorandMcLennan，1985与Wedepohl，1995）和亏损地幔的176Lu/177Hf=0.0384和176Hf/177Hf=0.28325比（Chauvel和Blichert-Toft，2001）来计算得出

21、的。在锆石Hf同位素测量之前，先对200ppbHfJMC475的具Yb（Yb/Hf=0.02）标准溶液进行了分析（176Hf/177Hf=0.282162132s，n=4）。在分析期间GJ-1标准锆石分析出176Hf/177Hf比为0.282006162（n=25）的结果。与Morel等（2008）修订的标准的GJ-1标准锆石的参考值一致。每个颗粒计算的Hf值通过之前在同一锆石颗粒使用LA-MC-ICP-MS法的获得的U-Pb年龄来进行计算。通过不同分析，206Pb/238U和207Pb/206Pb年龄被用以分别新的（b1Ga）或旧的（N1Ga）颗粒。表三，锆石的U-Pb的LA-MC-ICP-

22、MS分析结果图五 谐和曲线图显示的研究与分析一致和接近一致的整个数据集的样本分布（进一步解释见文本）5结果5.1全岩Sm-Nd同位素数据表2列出的是Sm-Nd数据，在图3绘制出钕同位素的演化。 在此图中对所研究的样品进行了Mara Rosa沉积物和其他Gois岩浆弧的变质火成岩的同位素组成的比较。Tocantins省其他地区的太古代片麻岩的同位素组成也参与了比较（Pimentel等，1996）。样本MR214显示了研究样本中的最高Nd（5.4）值和最年轻的NdTDM年代模型值（0.97Ga），如表二所示，非常接近亏损地幔演化曲线。样本MR 157的特点是轻微阳性（0.8）的Nd并且其TDMNd

23、年代模型为ca.1Ga（如表二所示）。样本MR 164显示为负的（-9.3）Nd值并且有显示相当年老的Nd TDM年代模型值（2.53Ga）。同样，样品PMIII95有负的（？7.2）Nd值并且NdTDM年代模型值为1.9Ga（如表二所示）。5.2 LA-MC-ICP-MS锆石的U-Pb分析 锆石的U-Pb分析的研究结果通过使用表三所列的BSE图片（图四）和图五所绘制的谐和曲线图。样本MR 214，代表较年轻的变质岩石（负的Nd值和TDM年代模型值约为0.9Ga，Junges等，2002），显示了一个非常均匀的锆石分布未显示任何内部结构和继承核心。一对对齐的分析数据表明可能是由于研究区的Bra

24、siliano事件所导致的约为0.6Ga的损失（Pimentel等，1997）。而一组14粒锆石则定义了一个平均年龄为9165MA解释为变质岩石的结晶年龄。样本PM III-95和MR 164，1.9Ga和2.5Ga的TDM年代模型值造山同期片麻岩，是一群非常庞杂的锆石组，具复杂的谐和数据分布曲线。锆石未显示任何内部结构和继承核心。表四原位Lu-Hf LA-MC-ICP-MS锆石的分析结果图六。比较Hf值的进化图显示研究样本单个锆石的LA-MC-ICP-MS分析结果 样本PM III 95（如图五所示）展示了五个一致和不一致的在2.0到2.2Ga之间锆石颗粒组。其中两组产生了202829Ma的

25、一致年龄而其他组界定一上拦截年龄216310Ma的一致曲线。其他8个的分析几乎是一致，分散在123141.7和1.2Ga之间。一组7粒锆石花岗岩一致被确定为7928Ma结晶年龄。 样本MR164在谐和曲线中显示了复杂的数据分布图（如图五），具一致或不一致的锆石颗粒的几个群体确定至少有三个路线（虚线），而他提出了三个古元古代岩浆事件的存在。第一组的两种颗粒定义一个谐和曲线，固定在0点，具一上拦截年龄25968Ma的一致曲线。第二组的四个分析点具一上拦截年龄205710Ma的一致曲线。第三组的四个分析点具一上拦截年龄190732Ma的一致曲线（如图五所示）。几乎一致的数据显示可能的损失均解释发生在

26、巴西利亚岩浆/变质事件期间。最后，5组一致的锆石颗粒显示了原岩岩浆结晶年龄为8117Ma的谐和曲线。样本MR157，代表碰撞后期的具TDM年代模型值为1.1Ga石英闪长岩，是一群非常庞杂的具6384Ma的谐和曲线锆石组，代表锆石颗粒未继承核心。图七Hf TDM年代模型值的直方图图八锆石中的Hf与全岩Nd的关系示意图图九Hf随时间的变化至晚新元古代的时间图5.3锆石的LA-MC-ICP-MSLuHf分析结果 表四所列的Lu-Hf的同位素数据，已绘制在如图六的Hf时间变化图。每个锆石的Hf值通过先前同样颗粒获得的U-Pb年龄来计算。图中的阴影部分代表从大约0.9Ga，1.82.0Ga和3.5Ga亏

27、损地幔产生的地壳岩石的Hf同位素演化趋势。 这些都是计算大陆地壳的平均176Lu/177Hf比（0.0113）（Taylor和McLennan1985，Zeh等，2007）。虚线代表旧的地壳和新生地壳（岩浆）间的混合。 样本MR214的锆石中具有较高的Hf（t）值（在+8到+12之间），接近亏损地幔演化曲线显示岩浆结晶，他们具有典型的新生特征。他们的TDM值限制在一个狭窄的范围从0.82到1.02Ga.样本MR157（石英闪长岩）的锆石的特点是较高的的Hf（t）值，在+8至+1期间并且期TDM值在0.91到1.35Ga之间。 样本MR164和样本PMIIIGN的锆石颗粒表现出更大的U-Pb年龄

28、和Hf（t）值（如图六所示）。在Lu-Hf数据的解释中这两个样品也有类似的U-Pb结晶年龄和可能被视为一个约800Ma前单一的岩浆事件。 最年轻的锆石组的结晶年龄约在800Ma前而且两组样本都具有较低的Hf（t）值（-5.4到-15.9）。同位素组成表明，这些从地壳岩浆中喷出的年轻锆石结晶具有再生地壳的部分物质。这些锆石的两阶段的TDM年代模型（在1.8到2.4Ga之间）显示，古元古代地壳可能是有涉及约800Ma前的岩浆活动。 样本MR164和PMIII95也明显表明继承古元古代群至少有三个岩浆事件。第一个事件，由两个202829Ma（图五所示，样本PMIII95）和205710Ma（图五所示

29、，样本MR164）的UPb年龄具有在+2.94到-6之间浮动的Hf（t）值。由于二期岩浆事件下的锆石具有上拦截216310MaUPb年龄（图五所示，样本PMIII95），同样具有在+5.37到-2.70之间浮动的Hf（t）值。锆石的Hf同位素组成变化从岩浆活动表明，它们在地壳岩浆为新生期的结晶物质。第三个事件由图五所示的样本MR164通过有上拦截25968MaU-Pb年龄所界定，具有很小的Hf元素分析值。不过，这些锆石颗粒显示最老的TDM值在3和3.6Ga，表明主体岩浆通过地壳物质混染值大于3.5Ga. 样本MR164和PMIII95也有一个一致的与其他样本不同的锆石中元古代群，它们界定一个具

30、有上拦截117272Ma年龄的谐和曲线（图五所示，样本PMIII95）。这次事件致使锆石的Hf组成具有平均在+6.52和？10.53的Hf（t）值。 在图七中，累计模式年龄图表明具有新元古代（0.9和1.1Ga）和太古宙古元古代（1.85到2.45Ga）主要一些分散的，但重要的种群年龄。图八表明锆石Hf同位素和全岩Nd同位素之间的关系。在图八中全岩的Nd值与岩浆锆石测得的Hf值进行了比较，与地球的标准值保持了一致。图八表明继承锆石测量的Hf年代比全岩Nd同位素年代模型要老一些。6.讨论和结论 新测得的由锆石获得U-Pb和Lu-Hf同位素数据承认在Mara Rosa岩浆弧三个新元古代岩浆事件。 由岩浆结晶从一个东部表壳岩石变质带U-Pb锆石年龄（9165Ma）鉴定出的岩浆事件被同位素约束，一是全岩样本的Nd同位素组成（Nd为+5.4），二是锆石的Hf同位素组成（Hf（t）值+8到+12）。这些数据表明，从原来的幔源岩浆源为基本上没有混染的旧大陆地壳。这与假设在约900Ma的一段旧金山和亚马逊克拉通间洋内火山岛弧的假设相一致（Pimentel等1997，2000a，b）。而结论是由地球化学基础和获得的英云变质侵入岩体同位素年代学数据而推断出的。样本MR214的年龄比幼年英云闪长岩（Piment