甘肃天水地区红花岩浆杂岩中辉长岩的成因

甘肃天水地区红花岩浆杂岩中辉长岩的成因

甘肃天水塘位于青藏高原东北部边缘。其大地构造位置位于中国造山系中部祁连造山带和北秦岭造山带的构造接合部位的西秦岭北缘。它具有复杂的材料组成、结构和进化历史，以及丰富的矿产资源。这对深入研究华北板块与扬子板块的多阶段复合造山过程具有重要的科学意义。大陆架及其构造、地形、发育和造山机化的变化，以及造山过程和动力学的作用，是中国大陆架及其发展、大陆造山带和大陆动力学的主要基础地质问题。前人曾从不同角度对西秦岭北缘天水地区进行了有关地层、构造、岩石和成矿等方面的研究,为本次研究奠定了良好基础。天水地区关子镇一带以及百花—利桥一带分布有较多的加里东期中基性杂岩体、花岗岩类和印支期花岗岩类以及古元古代秦岭岩群、中元古界宽坪岩群中深变质岩系、新元古界木其滩岩组变质基性火山岩系以及早古生代关子镇蛇绿岩、李子园群弧前盆地火山—沉积岩系、草滩沟群岛弧火山—沉积岩系[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。近年在进行天水市幅1∶250000区域地质调查过程中,在百花林场一带原划分为中元古界宽坪岩群变质地层中,新发现并识别出一套发育强烈定向组构的变质辉石岩—辉长岩—辉长闪长岩单元,并与分布于百花—利桥一带原称为“百花岩体”的闪长岩—石英闪长岩等单元共同组成了“百花岩浆杂岩体”(图1)。由于这些变质岩浆杂岩体普遍经历了较强烈的韧性构造变形和变质作用改造,致使人们长期以来按照变质地层划归为不同的构造岩石地层单位,加之缺少详细的岩石地球化学研究和精确的同位素年代学研究,影响了对西秦岭北部造山带组成、结构构造和形成演化的正确认识。为了精确限定百花岩浆杂岩体的形成时代,在对杂岩体岩相学和地球化学研究基础上,本文对百花岩浆杂岩体中的辉长岩利用阴极发光(CL)和激光剥蚀等离子质谱(LA-ICP-MS)单颗粒锆石原位分析方法进行U-Pb年代学研究,以确定以百花岩浆杂岩体为代表的古岛弧的形成时代,为深入研究西秦岭造山带早古生代构造格架和形成演化以及秦岭造山带与祁连造山带构造衔接关系等重要地质问题提供精确的年代学制约。1岩浆杂岩类型甘肃天水地区百花—利桥一带的百花岩浆杂岩体主要分布于天水北道区利桥乡以北的百花林场—散岔一带(图1),岩体形态为不规则状,受后期花岗岩体的上侵挤位和吞蚀,形态更为复杂。区域内百花岩浆杂岩体总体呈NW走向,东北侧与中元古界宽坪岩群黑云母斜长片麻岩和大理岩组合呈侵入接触关系,并被泥盆纪仙坪二长花岗岩体(Rb-Sr全岩等时年龄396Ma)侵入,西北侧与奥陶纪草滩沟群浅变质岛弧型火山岩—沉积岩系呈侵入接触关系,西南侧被泥盆纪熊山沟中粗粒似斑状二长花岗岩体侵入并呈断层接触关系。百花岩浆杂岩体南侧由北向南依次分布有古元古界秦岭岩群长英质片麻岩和富铝片麻岩及大理岩组合、关子镇—木其滩蛇绿岩残片(蛇纹岩、变质基性火山岩)、早古生代李子园群云母石英片岩夹大理岩、绿片岩组合以及晚泥盆世大草滩群含砾碎屑岩系,其间均为构造接触关系。通过野外调研和综合分析研究,百花岩浆杂岩体可划分为5种岩石类型:(1)变辉石岩:大部分呈大小不等的块体包裹在辉长岩中,变形较弱,主要由角闪石(90%～94%)和斜长石组成,中—中细粒自形—半自形粒状结构,块状—弱片麻状构造,角闪石大部分保留有辉石的短柱状晶形。(2)变辉长岩—辉长闪长岩:与变辉石岩共同分布于百花林场东—枣儿坪一带。岩石发育定向组构,主要由角闪石(48%～74%)、斜长石(25%～48%,An=48～64)及少量黑云母组成,中粗粒—中细粒半自形粒状结构、变余辉长结构,局部变形弱域角闪石尚保留有辉石假象。(3)变闪长岩:分布于阴崖东—百花—利桥一带,主要由角闪石(20%～35%)、斜长石(55%～60%,An=33～43)、黑云母(2%～12%)及少量石英组成,半自形中粗粒粒状结构,内部常见有辉长岩包体,形态呈扁豆体、透镜体状,大小不等,并呈定向排列,长轴方向与矿物定向排列方向一致。(4)石英闪长岩:主要分布于利桥南—杨河—下仙坪一带。主要由角闪石(15%～25%)、斜长石(40%～67%,An=27～35)、石英(5%～15%)及少量黑云母、钾长石组成,半自形一他形中细粒—中粗粒粒状结构,内部也常见辉长岩等包体。(5)黑云母斜长花岗岩:主要分布于利桥以南的龙门—周家沟一带,中粒似斑状花岗结构,块状构造—弱片麻状构造,斑晶含量小于5%,以板状斜长石为主,少量浑圆状石英;基质主要由斜长石(45%～65%,An=10～20)、石英(20%～35%)和少量黑云母(±5%)组成。这一系列岩浆岩组合具有岛弧型岩浆活动特点。由于岩石也已经历较强的韧性剪切变形和变质作用改造,普遍发育强烈的定向组构,原生矿物组合基本已被绿片岩相变质矿物组合所取代,发生强烈的绿泥石化、绿帘石化,但在变形较弱地带仍能看到岩石具有变余辉长结构等岩浆组构,表现为暗色矿物角闪石集合体具有辉石形态特征,在闪长岩、石英闪长岩中还有中细粒辉石岩、辉长岩等暗色包体。各岩性单位之间界线截然。副矿物主要有榍石、锆石、磁铁矿、磷灰石等。2样品的地质特征2.1角闪石组构本文用于同位素年代学研究的样品采集于百花林场东侧的辉长岩。辉长岩呈黑灰色,中粗粒—中细粒半自形粒状结构、变余辉长结构,主要由角闪石(48%～70%)、斜长石(25%～45%,An=48～64)及少量黑云母(5%～10%)组成,普遍发育定向组构,局部变形弱域角闪石尚保留有辉石假象,并发生绿泥石化、绿帘石化。虽然辉长岩与区域内的早古生代地层一样,经受了绿片岩相区域变质作用,但由于锆石稳定性很强,绿片岩相区域变质作用不会对锆石中的源区信息产生丢失。2.2稀土元素分布型式对辉长岩3个样品进行了主元素、微量元素和稀土元素分析表明,辉长岩属于拉斑玄武岩系列岩石,SiO2含量为46.10%～52.48%,TiO2含量较低,为0.25%～0.84%,低于MORB和OIB,与岛弧玄武岩接近,反映其源区可能与俯冲到深部的洋壳有关。MgO含量和Mg#值较高且变化大,分别在5.07%～11.90%和56.41～62.61之间,反映原始岩浆在上升过程中经历了一定程度的结晶分异作用的演化,Mg#值有1个样品的比较高(80.92),说明部分辉长岩还经历了一定程度的堆晶作用。全铁FeOT含量变化于7.71%～12.18%之间,全碱ALK(Na2O+K2O)为0.95%～1.95%,且Na2O>K2O含量,显示出富钠低钾。辉长岩的稀土元素分布型式呈REE近平坦型—LREE轻微富集型,LREE与HREE之间分馏不明显,稀土元素总量高于变辉长岩且变化较大,∑REE为18.39×10-6～56.81×10-6,LREE/HREE比值为1.73～2.53,(La/Yb)N=1.19～1.84,(La/Sm)N=0.92～1.38,δEu为0.83～0.90,具有很弱的负Eu异常,暗示有斜长石的结晶分异作用,与岛弧型火山岩的稀土元素配分型式相似。辉长岩的微量元素相对原始地幔富集大离子亲石元素(LILE)Cs,Ba,Sr,Th,U,而相对亏损Rb和高场强元素(HFSE)Nb,P,Sm,Ti和Y,显示同源岩浆演化成因特征。在岩石微量元素MORB标准化蛛网图上,辉长岩显示出不相容元素的富集以及K,Nb,P,Zr,Ti,Y的亏损,略具有Ba,Sr,Sc的正异常,与岛弧拉斑玄武岩和钙碱性玄武岩特征类似。特别是Nb的亏损是板块俯冲产生岛弧环境岩浆岩的显著特征。辉长岩的Zr含量为40.8×10-6～62.3×10-6,与岛弧拉斑玄武岩Zr含量接近;Zr/Y比值较低(2.67～4.55),Ti/Y比值为167～230,Ti/V比值为10.20～15.51,Nb/Y比值为0.11～0.12,与岛弧玄武岩相近。用于同位素年代学测试样品(BH03)的主量元素含量为:SiO2为48.32%,TiO2为0.25%,Al2O3为15.45%,Fe2O3为3.02%,FeO为5.00%,CaO为11.93%,MgO为11.90%,MnO为0.16%,Na2O为0.83%,K2O为0.12%,P2O5为0.05%,烧失2.12%,总量99.15%。辉长岩的地球化学特征表明,天水地区百花岩浆杂岩是活动陆缘岛弧岩浆活动的产物,揭示出其总体形成于古岛弧构造环境,是相对原始的岛弧环境岩浆分异结晶作用的产物。3u-pb同位素本次工作为了获取百花岩浆杂岩体的形成时代,采用LA-ICPVMS法对辉长岩中的岩浆锆石进行了U-Pb同位素年龄测试。测年样品(BH03)采自百花林场东侧,采样点GPS地理坐标为34°18′40.2″N,106°21′41.4″E。3.1la-icp-ms分析对野外采集的重量大于15kg的岩石样品采用常规方法进行粉碎,并用浮选和电磁选方法进行分选,得到120～150粒锆石后,再在双目镜下挑选出晶形和透明度较好的锆石颗粒作为测定对象。将锆石颗粒粘在双面胶上,然后用无色透明的环氧树脂固定,待环氧树脂充分固化后,对其表面进行抛光至锆石内部暴露。然后进行锆石显微(反射光和投射光照相)、阴极发光(CL)显微图像研究及LA-ICP-MS分析。锆石的反射光和透射光显微照相以及阴极发光(CL)显微照相在北京离子探针中心扫描电镜实验室完成。阴极发光(CL)显微照相采用日立HITACHIS3000-N型扫描电子显微镜和GATAN公司Chroma阴极发光探头进行。锆石原位U-Pb同位素年龄分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室的LA-ICP-MS仪器上用标准测定程序进行。分析仪器为Elan6100DRC型四极杆质谱仪和Geolas200M型激光剥蚀系统,激光器为193nmArF准分子激光器。激光剥蚀斑束直径为30μm,激光剥蚀样品的深度为20～40μm。锆石年龄计算采用国际标准锆石91500作为外标,元素含量采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NISTSRM610作为外标,29Si作为内标元素进行校正。样品的同位素比值和元素含量数据处理采用GLITTER(ver4.0,MacquarieUniversity)程序,并采用Andersen软件对测试数据进行普通铅校正,年龄计算及谐和图绘制采用ISOPLOT(2.49版)软件完成。详细的实验原理和流程及仪器参见参考文献;所有数据点和年龄值的误差均为1σ,采用206Pb/238U年龄,其加权平均值具95%的置信度。3.2锆石u-pb年龄从测年样品(BH03)中选取的锆石为浅黄色—无色透明短柱状、半截锥状、等粒状和不规则状晶体,自形程度较好,粒度多80～200μm之间。阴极发光图象(CL)表现为大多数锆石具有典型的岩浆韵律环带和条带结构,属于岩浆结晶产物(图2);个别锆石具有窄的浅色增生边(如BH03.02、BH03.7、BH03.19、BH03.21),应为后期变质作用所致;还有少数锆石颗粒内部存在小的不规则晶核(如BH03.06、BH03.14、BH03.19),可能为捕获的残留锆石。锆石U-Pb分析测试数据见表1,共分析测试了25个点。所测锆石的232Th和238U含量分别介于79.48×10-6～439.28×10-6之间(多数在105.08×10-6～223.70×10-6之间)和156.24×10-6～606.02×10-6之间(多数在192.73×10-6～334.78×10-6之间),具有很好的正相关性,只有2个测点(BH03.06、BH03.07)锆石的232Th和238U含量比较高(图3)。锆石颗粒的Th/U比值具有稳定的范围,介于0.31～0.77之间,且均大于0.1,除有1个测点(BH03.19)的锆石Th/U比值较低(为0.31)和2个测点(BH03.07、BH03.14)的锆石Th/U比值略高(分别为0.77和0.68)外,其他测点锆石Th/U比值变化范围很小,介于0.45～0.60之间,表明了岩浆成因锆石的特征,显示所有测年锆石颗粒应是从同一岩浆中结晶形成的。3.3岩石学和年代学所有测点的206Pb/238U—207Pb/235U谐和年龄图(图4a),均分布在谐和线上和谐和线附近,其下交点年龄为(447.7±7.9)Ma(MSWD=2.0),有2个测点(BH03.01和BH03.03)虽然位于谐和线上,但其206Pb/238U年龄值明显偏离主锆石群,分别为(477±5)Ma和(478±5)Ma,明显老于其他测点,可能是岩浆捕获锆石年龄,而且很可能是捕获的俯冲洋壳的年龄,因为其年龄值与最新获得的关子镇蛇绿岩中变辉长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄(497±1.7)Ma(MSWD=0.76)(裴先治等,待刊资料)和(471.1±1.4)Ma(MSWD=1.03)比较接近;剔除这2个测点,其余23个测点的206Pb/238U-207Pb/235U谐和年龄图见图4b,并构成非常集中的主锆石群(图4b),其206Pb/238U和207Pb/235U谐和性较好,下交点年龄为(449.0±3.9)Ma(MSWD=1.5),206Pb/238U年龄介于434～458Ma之间,其206Pb/238U加权平均年龄为(449.7±3.1)Ma(MSWD=1.9)(图4c),代表了百花岩浆杂岩体中的辉长岩的结晶年龄。因此,本文将百花岩浆杂岩体的主体岩浆结晶时代确定为(449.7±3.1)Ma,为晚奥陶世。4岛弧岩浆杂岩在天水地区的利桥—李子园—关子镇一线,通过近年来的详细调查与研究,已经对介于古元古界秦岭岩群和中新元古界宽坪岩群与南侧上古生界泥盆—石炭系之间的古生界构造岩石地层单位和变形变质岩浆岩体进行了重新厘定和确认,而这一呈反S型分布的条带状区域也是东秦岭商丹构造带的西部延伸(图1),是南北秦岭之间于早古生代末期发生强烈俯冲—碰撞造山以及印支期最终完成全面碰撞造山的构造带。在这一构造带中,除了前寒武纪变质基底岩系(秦岭岩群、宽坪岩群)以及最近新确认的新元古代早期花岗质片麻岩以外,主要包括有早古生代关子镇蛇绿岩片、李子园群火山—沉积岩系、奥陶系草滩沟群火山—沉积岩系、早古生代太阳寺岩组浅变质沉积岩系以及百花基性—中基性岩浆杂岩体、流水沟基性—中基性岩浆杂岩体[10,11,12,13,14,15],同时还有晚泥盆世大草滩群陆相粗碎屑岩沉积和印支期花岗岩类等;其间多为断裂或韧性剪切带所分隔。天水地区百花岩浆杂岩的地球化学特征研究表明其主体形成于岛弧构造环境,是岛弧环境下形成的辉石岩—辉长岩—辉长闪长岩—闪长岩—石英闪长岩岩浆组合,具有明显的钙碱性岩浆演化特征。本文的研究表明,其中变辉长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(449.7±3.1)Ma(MSWD=1.9),显示其形成时代主体为晚奥陶世。在该岛弧岩浆杂岩带南侧,近来作者确定了关子镇早古生代蛇绿岩的存在,关子镇蛇绿岩主要分布在天水市以西的关子镇—武家河地区以及天水市东南的李子园—木其滩—夏家坪一带。其中关子镇蛇绿岩主要由具有N-MORB特征的变质玄武岩以及呈构造块体产出的蛇纹岩(变质橄榄岩)、变辉石岩、变辉长岩等组成,其最新获得的蛇绿岩中不同部位的变辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为(497±1.7)Ma(MSWD=0.76)(裴先治等,待刊资料)和(471.1±1.4)Ma(MSWD=1.03),前者是蛇绿岩片南侧与蛇纹岩、变辉石岩等共生的辉长岩的结晶年龄,而后者则是蛇绿岩片北侧流水沟变质辉长岩体的结晶年龄。对于后者,近年来已经取得了一些岩石地球化学和同位素年代学研究成果,流水沟变质基性杂岩体主要由辉长岩以及辉长闪长岩等组成,其中靠近蛇绿岩的一部分主体为辉长岩,其TIMS法锆石U-Pb年龄为(507.5±3.0)Ma,这表明以关子镇蛇绿岩为代表的西秦岭北缘地区古洋盆的扩张时代主要在晚寒武世—早奥陶世期间。同时,该蛇绿岩带西延至武山北—鸳鸯镇—桦林沟一线,那里同样发育有N-MORB和E-MPRB型变质玄武岩以及蛇纹岩(变质橄榄岩)和变辉石岩、变辉长岩。在蛇绿构造混杂岩带中还存在以奥陶纪李子园群(狭义)岛弧—弧前盆地沉积—火山岩组合以及天水党川—