华北克拉通中部带中条山和吕梁山前寒武纪变质杂岩的地质意义

华北克拉通中部带中条山和吕梁山前寒武纪变质杂岩的地质意义

从古代到古元古代中部的构造带，华北克拉通形成了东部陆块和西部陆块的碰撞效应（图1）。这种碰撞效应导致中国北方克拉通的最终硬化。阜平杂岩-恒山杂岩的大量变质锆石和岩浆锆石变质生长边的SHRIMP定年结果表明变质作用发生在1888～1802Ma,变质峰期为1860～1850Ma,独居石电子探针Th-U-Pb定年获得的五台山和吕梁山变质年龄为1882～1822Ma。这一变质作用事件是东部陆块和西部陆块碰撞作用的地质记录。西部和东部陆块的变质作用表现了逆时针p-T-t轨迹,然而中部带为顺时针轨迹,并且保存了高压麻粒岩,支持了中部带为碰撞造山带的认识。然而,绝大部分研究工作集中在恒山—五台山—太行山以及怀安杂岩[6,13,14,15,16,17,18,19]。吕梁山和中条山变质杂岩的地质年代学研究主要集中在成岩时代的研究,由于这两个中低级变质地区受年代学方法的限制而变质作用的时代讨论甚少。近年来独居石电子探针Th-U-Pb化学法定年技术已经广泛地应用于构造-热事件的定年研究,特别是在中低级变质区的变质作用、韧性剪切带的定年,独居石电子探针化学法定年表现出明显优越性。众所周知,尽管锆石等副矿物U-Pb同位素定年(包括SHRIMP方法、LC-ICPMS方法、TIMS方法和蒸发法)在分析精度上比独居石电子探针定年要高一些,但是由于锆石高的封闭温度难以获得中低温度条件下生长记录,中低级变质变形和流体活动事件中缺少新生锆石[23,24,25,26,27,28,29,30,31],加之SHRIMP分析技术和LC-ICPMS方法的空间分辨率通常在25μm以上对太薄的生长边难以获得可靠的年龄结果,其他的单颗粒锆石等分析技术更是很难区分中低级变质条件下不同年龄段微弱的矿物生长。而独居石在矿物生长特性和电子探针Th-U-Pb化学法定年分析技术恰恰弥补了上述不足:(1)独居石具有较发育的解理;(2)具有较容易溶解和沉淀的物理化学性质;(3)容易保持复杂的矿物内部结构和多阶段生长(多期生长)的记录;(4)具有很高的空间分辨率(可以高达1μm)。这样通过多世代独居石颗粒分析、单颗粒年龄图技术显示出明显的优越性,尤其是中低温地质事件和流体活动事件可以在独居石矿物中保持良好的生长和改造记录。与K-Ar和Ar-Ar单矿物定年技术相比,独居石具有清楚的内部结构,电子探针很高的空间分辨率和真正意义上的原位定年(可以在岩石薄片下进行分析),可以使我们在很小的独居石单颗粒上做出年龄分布图,即可以得到多阶段(多期)的年龄记录,又使年龄分析的地质意义更为明确[10,32,33,34,35,36]。因此,目前独居石电子探针Th-U-Pb化学法定年技术已经逐渐成为中、低级变质,变形和流体活动地质事件定年的有力工具。尤其是Williams等独居石定年与年龄图在《Geology》上发表以来,引起了强烈反响和广大地质学家的高度重视。本文在前人地质学和地质年代学研究的基础上,报道中条山和吕梁山前寒武纪变质杂岩新获得的电子探针独居石Th-U-Pb定年结果,并讨论它们的地质意义。1中条山和吕梁山变质岩石的地质勘探1.1沉积相与中条群中条山变质杂岩是华北克拉通中部带南段主要的前寒武纪变质杂岩体,主要由太古宙到古元古代的涑水杂岩,太古宙—古元古代绛县群、中条群、担石山群以及中元古代的西洋河群组成(图1,2)。其中太古宙—古元古代涑水杂岩分布于中条山杂岩的西北侧,主要由寨子TTG片麻岩和西姚TTG片麻岩、横岭关变质钙碱性二长花岗岩和奥长花岗岩、冷口变质火山岩和西南段古元古代永济二长花岗岩体组成。绛县群由变质泥质岩-半泥质岩、变质火山岩和变质凝灰质沉积岩组成,与涑水杂岩呈不整合接触;中条群为一套陆源-碳酸盐沉积变质岩系,含有少量的变质火山岩和变钠质、钾质内源沉积物,与涑水杂岩、绛县群均呈角度不整合接触;担石山群主要是一套粗碎屑沉积岩、石英岩和变质粉砂岩组成,与下伏的绛县群和中条群以角度不整合接触,局部可见断层接触关系,一般认为中条群与担山石群同属于中条构造层;西洋河群是一套以未变质的双峰式火山岩为主体的沉积-火山岩系,并与上覆汝阳群红色粉砂岩呈低角度不整合接触。孙大中等根据对其不同岩性单元的锆石U-Pb年代学的研究,认为涑水杂岩中虽然有部分太古宙岩石存在,但其主体形成于古元古代(晚于2400Ma),并且主体为花岗质侵入岩,不具备地层意义;而白瑾等根据区域地质分析认为涑水杂岩应为太古宙大陆岩浆弧的产物,为本区的太古宙结晶基底。1.2梁-山-野-山群杂岩的组成及沉积相吕梁变质杂岩位于山西省西部和陕西省交界处,中部造山带中段恒山—五台—阜平杂岩的西南(图1)。吕梁变质杂岩包括界河口群、野鸡山群和吕梁群等变质地层系统以及大量的侵入岩,规模较大的有关帝山花岗岩、赤坚岭花岗片麻岩和芦芽山紫苏花岗岩(图3)。前人的研究确定了界河口群为吕梁变质杂岩的下部层序,吕梁群为中部层序,而野鸡山群为上部层序。界河口群位于吕梁变质杂岩西部,呈北北东-南南西分布,主体岩性包括变质粉砂岩、变质半泥质岩、变质泥质岩和一些大理岩,以及作为夹层的少量斜长角闪岩,显示了中级变质的特征。最近的研究表明原界河口群中存在很多火成基性岩块、角闪岩夹层和钙碱性正片麻岩,说明原界河口群可能不是被动大陆边缘,而是活动大陆边缘。吕梁群下部层序中的变质碎屑岩和上部层序中的变质玄武岩和流纹岩被认为是双峰变质火山岩建造,表现了角闪岩相变质作用。但是,上部层序中的“流纹岩”显示很强的糜棱岩化特征:动态重结晶、“σ”和“δ”型长石眼球。因此,这些所谓的流纹岩也许不是变质火山岩而是糜棱岩化的花岗岩。吕梁群中的Sm-Nd等时线年龄(2360±95)Ma、锆石U-Pb年龄2100Ma和(2080±11)Ma。野鸡山群呈长条状沿北北东-南西西方向分布在吕梁变质杂岩的中西部(图2),主体岩性包括下部层序中的低绿片岩相变质玄武岩、安山岩和少量流纹岩以及上部层序中的复理岩。野鸡山群具有很强的等斜褶皱,轴面向北西西倾斜,与界河口群和吕梁群呈断层接触。野鸡山群中的岩石经历了绿片岩相变质,变质矿物包含绿泥石、钠长石、石英和局部地区的阳起石和绿帘石,保留了原岩的主体结构和构造。耿元生等得到野鸡山群(2124±38)Ma的U-Pb锆石年龄。结合先前的一些年代学数据,如界河口群中的2.03Ga碎屑锆石年龄和吕梁群的2100Ma和2080MaU-Pb锆石年龄,表明原界河口群、吕梁群和野鸡山群不是传统的下部、中部和上部地层序列而是具有相似年龄从北西西向南东东逆冲的岩片。吕梁变质杂岩中的花岗岩类(图3)主要有赤坚岭花岗片麻岩、关帝山花岗岩、芦芽山紫苏花岗岩和广泛分布的花岗岩株。赤坚岭花岗片麻岩包括钙碱性石英闪长质、花岗闪长质和二长花岗质片麻岩,它们重熔形成的花岗岩脉呈不规则状分布在钙碱性花岗质片麻岩中。这些花岗质片麻岩被二长花岗岩株和碱性长石花岗岩株侵入。SHRIMP和TIMS锆石定年表明赤坚岭花岗质片麻岩形成于大约～2.15Ga(我们未发表的SHRIMP锆石U-Pb定年数据)。关帝山花岗岩类具有复杂的岩石组合,包括早期的钙碱性花岗片麻岩,SHRIMP锆石年龄2.18Ga和2.05Ga;惠家庄弱片麻状花岗闪长岩到二长花岗岩、含石榴石花岗岩,锆石U-Pb年龄2.0Ga到1.9Ga;市庄块状石榴石二长花岗岩,锆石U-Pb年龄大约1.85Ga(图2)。早期的花岗片麻岩显示与赤坚岭花岗岩类相似的钙碱性组分和年龄,并且很清楚地被惠家庄花岗岩、市庄花岗岩和大草坪碱长花岗岩侵入。芦芽山紫苏花岗岩侵位于吕梁变质杂岩的最南部,主要由弱片麻状紫苏花岗闪长岩、紫苏花岗岩和块状石英二长岩组成。紫苏花岗岩TIMSU-Pb锆石年龄(1800±7)Ma,石英二长岩SHRIMPU-Pb锆石年龄为(1794±14)Ma。2误差的测定和分析关于独居石和锆石电子探针化学法Th-U-Pb定年的原理最早由Suzuki和Adachi提出,Montel系统地总结了独居石电子探针定年的化学方法,国内已经有很多文章介绍[9,44,45,46,47,9,44,45,46,47]。我们在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室JEOL公司生产的新型JXA-8100电子探针仪上进行了独居石Th-U-Pb定年技术的条件试验,详细的分析测试方法、步骤和年龄计算方法已经在相关文章中发表。如前所述,对独居石来说Th和U的含量已经足以被高精度的JXA-8100型电子探针仪准确探测,具体的工作条件为15kV加速电压,工作电流为1.004×10-7A。设定电子束斑1μm,在此基础上进行标样成分分布均匀性和系统误差测定。参照前人的实验研究,我们使用的X-射线为YLα、ThMα、PbMα和UMβ谱线。关于YLγ对PbMα峰干扰的校正,我们使用已知Y含量的国际标样YAG确定被测矿物的YLγ计数。也就是首先确定国际标样YAG的Y的Lα/Lγ计数比,使其等于被测矿物的YLα/Lγ计数比,计算出被测定矿物被叠加在PbMα峰上的YLγ计数,然后从PbMα峰计数中扣除PbMα峰位置上纯的Pb计数。另外我们使用Geisler提供的校正因子进行了ThMξ对Umβ的校正,背景校正使用ZAF模式进行。分析中使用的国际标样分别是ThO2晶体、U金属和PbCr2O4(由加拿大萨斯盖彻温大学潘元明教授提供)作为Th、U和Pb标样。试验前对金属U表面进行去氧化处理。测定结果表明,Th、U金属和Pb标准偏差分别为Th1.73%,U0.34%,Pb0.27%;优于国外同类实验室的工作条件。Th、U和Pb测定时间(峰计数+背景计数)分别为120s、180s和270s;Pb的探测限度低于100×10-6,最后设定标准样品的参考成分,并进行反复检验,使其稳定在设定的参考值范围内,然后进行未知独居石TH-U-Pb成分测定。稳定性和准确度检验使用独居石SPI国际标样进行,分析大量的Th、U和Pb数据,每隔1个月左右的时间进行一次重复实验,共进行了7次,分析误差稳定在参考值的误差范围内。使用Montel的方法进行各元素的分析误差计算(2σ),并用Williams误差传播公式计算分析误差导致的年龄误差(2σ)。最后使用SHRIMP国际标样WB3219(年龄参考值为1766Ma)进行了分析年龄的准确度检验,得到年龄平均值1754Ma,在误差范围内。然后对未知样品独居石的Th-U-Pb成分分析。单个分析点表观年龄计算使用了Geisler的Chemage计算程序进行,表观年龄相对概率曲线峰年龄计算使用ISOPLOT(2003)进行。3岩浆锆石的年龄对中条山前寒武纪变质杂岩我们共取了两个样品进行独居石定年,一个样品取自中条山西南段永济花岗岩,为二长花岗岩(ZT4003-1),另一个样品取自横岭关花岗岩中二云母细粒二长花岗质片麻岩(ZT4031-1)。二长花岗岩(ZT4003-1)取自五老峰山麓带,粉红色,中粗粒粒状变晶结构,弱的片麻状构造。主要矿物组成为斜长石、微斜长石、石英和很少量的黑云母和白云母。片状矿物定向排列,构成弱的片麻状构造。对13个颗粒岩浆锆石进行SHRIMP定年分析,没有得到良好的年龄结果。其中一颗锆石的值落在谐和线附近,207Pb/206Pb年龄为(2064±8)Ma。8个颗粒独居石40个点的Th-U-Pb电子探针定年分析,得到表观年龄分为3个年龄段,分别为(1884.7±1)Ma的主峰值年龄,同时记录了(1743.5±0.2)Ma和(1568.8±0.2)Ma后期改造年龄。我们解释(1884.7±1)Ma年龄为变质年龄,后两个年龄为后期流体相活动的年龄(图4A)。细粒二长花岗质片麻岩(ZT4031-1)采自横岭关花岗岩体,粉红色,细粒粒状变晶结构,片麻状构造,主要矿物组成为斜长石、微斜长石、石英、白云母和黑云母。细粒粒状变晶结构,片麻状构造。17个岩浆锆石的SHRIMP定年结果得出其岩浆结晶年龄为(2475±36)Ma。然而,对4个颗粒独居石20点的电子探针Th-U-Pb分析得到5个年龄峰,众数最多的表观年龄值集中到(1849.9±0.63)Ma,此外还表现了(1969.4±0.2)Ma、(2028.2±0.2)Ma和(1738.8±0.1)Ma等次要峰值年龄。我们解释(1849.9±0.63)Ma为主变质峰期年龄,老于该年龄的三个峰值年龄地质意义不清楚,可能为岩浆独居石变质改造的结果,不具有真实的地质意义。年轻的次峰年龄(1738.8±0.1)Ma代表了晚期的流体相活动的年龄(图4B)。4含石榴石的单峰表观和年龄演化在吕梁山前寒武纪变质杂岩我们共采集了5个岩石样品进行独居石定年分析。其中IL003-2采自关帝山东侧原界河口群的变质泥质岩,L002-4是与变质泥质岩互层产出的长英质片麻岩中的未变质细粒花岗岩脉,IL401-1是侵入于灰色片麻岩中的片麻状中细粒二长花岗岩,IL004-2是惠家庄片麻状花岗岩,IL005-1为市庄片麻状石榴石二长花岗岩。其中,样品IL003-2是石榴石二云母片岩,斑状鳞片粒状变晶结构,片状构造。变斑晶为石榴石,基质为二云母、斜长石、钾长石石英等(图5A)。副矿物组合包括独居石、锆石、磷钇矿、钛铁矿和磷灰石等。其中独居石具有明显的补片状内部结构。两个颗粒108的点电子探针Th-U-Pb分析表明,颗粒IL003-2-1记录了4个年龄峰值,它们分别为(1937±23)Ma、(1857±5)Ma、(1778±14)Ma和(1697±9)Ma。颗粒IL003-2-2记录了4个年龄峰值,它们分别为(1943±8)Ma、(1887±6)Ma、(1789±7)Ma和(1716±5)Ma。两个颗粒表观年龄相对概率曲线得到明显分开的两个主峰值,其年龄值分别为(1865.6±2.2)Ma和(1731.3±2.0)Ma(图5B)。我们解释1887～1857Ma为主期变质作用年龄,1731～1716Ma为后期流体活动改造事件。样品IL401-1为灰色片麻岩中二长花岗岩深熔脉体(图6A),细粒粒状变晶结构,片麻状构造,可见微斜长石斑晶,主要矿物组合为斜长石、微斜长石、石英、少量的黑云母、白云母等矿物。副矿物组合包括锆石、独居石、磷灰石和钛铁矿等。6个独居石颗粒30点的Th-U-Pb分析得到5个年龄峰值,分别为(2179±5)Ma、(2080±0.8)Ma、(2005.9±0.8)Ma、(1951.1±0.8)Ma和(1883.3±0.5)Ma(图7A)。其中(2179±5)Ma年龄与围岩灰色片麻岩的成岩时代一致,代表了捕获围岩年龄,即围岩形成年龄。(2080±0.8)Ma、(2005.9±0.8)Ma、(1951.1±0.8)Ma三个年龄可能代表了深熔混合岩化过程的三个演化阶段。最年轻的(1883.3±0.5)Ma与区域变质作用年龄一致,代表了区域变质事件。样品IL004-1是含石榴石花岗岩,细粒花岗结构,弱的片麻状构造。主要矿物组成为斜长石、微斜长石、石英、白云母、黑云母等。副矿物组合为锆石、独居石、钛铁矿、磷钇矿、钍石和磷灰石等(图6B)。7颗粒独居石的35点的Th-U-Pb成分分析得到了一个单峰表观年龄概率曲线,其年龄值为(1882.8±1.8)Ma。我们将其解释为S-型花岗岩的结晶年龄(图7B)。样品IL005-1是取自市庄岩体中含石榴石二长花岗岩,细粒花岗结构,弱的片麻状构造。主要矿物组成为斜长石、微斜长石、石英、石榴石、白云母和少量的黑云母(6C)。副矿物组合为独居石、锆石、钛铁矿和钍石等。4颗粒独居石的20个Th-U-Pb成分分析得到一个单峰年龄为(1850.9±1.1)Ma(7C)。我们解释该年龄为S-型花岗岩的结晶年龄。样品L002-4是未变质细粒花岗岩脉,细粒粒状结构,块状构造,主要的矿物组成为斜长石、微斜长石、白云母和石英(图6D)。一个独居石颗粒43个分析点的电子探针Th-U-Pb成分分析得到三个年龄峰,它们分别是(1877±9)Ma、(