青藏高原北部风火山花岗斑岩包体锆石u-pb年代学研究

青藏高原北部风火山花岗斑岩包体锆石u-pb年代学研究

青藏高原的冲突史和构造高度变化是国际地质科学家的研究重点。青藏高原北部渐新世晚期—中新世早期经历了自挤压缩短向伸展走滑的构造转换,古环境发生了巨大变化,是青藏高原隆升的重要地质历史时期。但迄今为止,对青藏高原北部渐新世晚期—中新世早期地质构造事件的年代学约束主要依据磁性地层学资料,其他可参考的精确测年资料还比较缺乏,亟待加强相关的研究工作。兹选择风火山北麓花岗斑岩,应用离子探针方法,进行锆石U-Pb同位素测年,力求为青藏高原北部地壳缩短和构造隆升提供高精度的年代学约束。1逆冲推覆动力学风火山是青藏高原北部重要的构造地貌单元,南侧为沱沱河高平原,北侧为北麓河高平原,出露的主要地层单元包括中—上三叠统砂岩和灰岩夹玄武岩、风火山群紫红色砂砾岩(图1)、雅西错群砖红色碎屑岩夹膏盐层(图2(a))、五道梁群泥灰岩(图2(c))和白云质灰岩(图2(b))。风火山群与上覆地层、下伏地层之间均呈角度不整合接触关系,五道梁群与雅西错群呈微角度不整合或平行不整合接触关系。根据磁性地层分析资料,风火山群沉积时代为古近世—始新世,雅西错群沉积时代为渐新世,五道梁群沉积时代为中新世早期。风火山及邻区新生代发生了多期强烈的构造变形,形成新生代早中期逆冲断层、褶皱构造和新生代晚期走滑断层,构造线走向以近东西向—北西西向为主;二道沟盆地第四纪发育北东向和近南北向边界正断层(图1)。新生代早中期风火山地区发育较大规模的逆冲推覆构造,称为风火山逆冲推覆构造,由不同规模的逆冲断层和褶皱构造组成,东西延长超过100km,南北宽超过50km(图1),导致风火山群和雅西错群发生区域性褶皱变形。风火山逆冲推覆构造大部分逆冲断层都向北倾斜,倾角约为30°～45°,向深部会聚于缓向北倾斜的低角度主逆冲断层(图1);主逆冲断层在苟鲁错盆地北侧广泛出露,断层倾角变化于15°～26°;在苟鲁错东侧沿主逆冲断层,古近统—始新统风火山群(E1+2)逆冲推覆于渐新统雅西错群(E3)之上(图2(d)、(e)),指示自北向南的逆冲推覆运动方向。在风火山北麓和乌丽北侧,发育少量向北倾斜的逆断层,可能属风火山逆冲推覆构造的反向冲断层(图1)。在风火山及邻区,发育侵入于风火山群和雅西错群的花岗斑岩脉和小岩基。风火山逆冲推覆构造对这些小型花岗斑岩侵入体具有比较明显的控制作用。岩体主要发育于主逆冲断层和反向冲断层的复合部位(图1),推断新生代早中期风火山岩浆侵位与逆冲推覆构造运动存在成因联系。渐新世晚期,青藏高原经历了区域性剥蚀夷平过程,使风火山花岗斑岩遭受风化剥蚀并出露于地表,之后于中新世早中期发育古大湖,形成五道梁期湖相沉积地层,呈角度不整合覆盖新生代早中期岩石地层。据青藏公路及两侧地层产状的统计资料,五道梁群湖相沉积地层产状平缓(图2(b)、(c)),地层倾角绝大部分小于20°,大部分倾角变化于10°～20°之间,出现频率最高的露头岩层倾角为10°～15°,说明自中新世早中期开始,区域构造环境发生了显著变化,地壳挤压缩短变形微弱,伸展走滑渐居主导地位(图1)。2岩石学和年龄在风火山北麓、青藏公路西侧、秀水河源头,出露由近南北向岩脉斜列组成的花岗斑岩侵入体(图1),侵位于雅西错群砂砾岩层内(图2(f)),岩体与围岩的侵入接触关系清晰(图2(g)),接触带发育冷凝边和烘烤边(图2(h))。岩体岩石发育斑状结构(图2(h)),斑晶主要为板状钾长石晶体,大部分钾长石斑晶粒径为0.5～2mm,部分钾长石斑晶长达3～4cm。岩体内部分布大小不等的暗色包体,以角闪岩包体、辉长岩包体和闪长岩包体为主;辉长岩和闪长岩包体的边缘明显被花岗岩同化,部分包体内部发生程度不同的花岗岩化,指示暗色包体在花岗质岩浆内部的部分熔融现象。在该花岗斑岩西南部S5露头取花岗斑岩样品D2141和暗色包体样品D2154,取样位置为北纬34°58′25″,东经92°36′21″,海拔高度为4870m。经过显微观测和详细的矿物鉴定,花岗斑岩样品D2141含钾长石70%、石英20%、透辉石5%、黑云母5%及少量锆石与磷灰石,发育斑状结构,斑晶主要为钾长石,约占30%,岩石成分接近石英正长斑岩;暗色包体样品D2154含钾长石65%、石英20%、辉石10%、黑云母5%及少量磁铁矿、锆石、磷灰石,钾长石斑晶含量约占20%;辉石主要为普通辉石,部分发生强烈蚀变,仅残留辉石假象。对样品D2141和D2154,分别按照常规程序进行碎样、磁选和浮选,再在双目镜下人工挑选锆石单矿物。对花岗斑岩样品D2141,选取具有清晰环带的岩浆结晶锆石(如图3(a)),在北京离子探针中心按照标准程序进行单颗粒锆石的U-Pb同位素测年。对暗色包体样品D2154,锆石粒径明显小于花岗斑岩样品D2141,既包括具有清晰环带结构的结晶锆石,也包括内部结构复杂的复合锆石,复合锆石核部为浑圆状碎屑锆石,周边发育晚期岩浆锆石的生长环带(图4(a))。选取不同类型的锆石颗粒,在北京离子探针中心按照标准程序进行单颗粒锆石的U-Pb同位素测年。测试中使用标准锆石SL13和TEM。SL13具有和谐年龄,其年龄为572Ma,U含量为238μg/g,用于标定所测定的未知样品的U含量。TEM年龄为417Ma,具有和谐年龄,用于校正所测定的未知样品的年龄。在样品测定过程中,TEM和未知样品交替测定,其比例为1∶3。测定的TEM重现性为2%。测定的数据处理采用LudwigSquid1.0及Isoplot程序。普通铅根据实测204Pb校正。花岗斑岩样品D2141的U-Pb同位素测试数据列于表1,暗色包体的U-Pb同位素测试数据列于表2,所列单个数据点的误差均为1σ,加权平均年龄具有95%的置信度。花岗斑岩样品D2141锆石粒径达0.2～0.25mm,晶形完好,环带结构清晰,232Th/238U同位素比值较大,变化于0.29～0.89,属典型的岩浆结晶锆石;共对15颗岩浆锆石进行了离子探针测年,发现岩浆锆石明显分为早、晚2期。样品D2141晚期10颗岩浆锆石的U-Pb同位素年龄比较接近,变化于(26.9±0.7)～(30.5±3.3)Ma之间(表1),平均年龄值为(27.6±0.5)Ma,代表花岗斑岩晚期岩浆锆石的结晶年龄及晚期岩浆侵入雅西错群的时代(图3(b));晚期另外2颗岩浆锆石的年龄分别为(25.1±0.6)Ma和(31.1±1.0)Ma,因偏离平均年龄较多,在U-Pb同位素谐和曲线图中以虚线表示,不参加U-Pb同位素平均年龄的计算(图3(b));如果将早期12颗岩浆锆石的U-Pb同位素年龄一并考虑,则得出平均年龄(27.4±0.8)Ma,MSWD=3.20。样品D2141早期3颗岩浆锆石的U-Pb同位素年龄分别为(34.7±0.9)Ma、(35.1±0.8)Ma、(36.7±0.7)Ma(表2(a)),它们的平均年龄为(35.6±0.9)Ma(图4(b)),明显大于晚期岩浆锆石的平均年龄(27.6±0.5)Ma。暗色包体样品D2154锆石的粒径为0.6～0.1mm,大部分锆石颗粒都由核部和边部组成;核部为浑圆状继承锆石,232Th/238U同位素比值变化于0.43～1.06;边部为具环带结构的新生锆石,232Th/238U同位素比值变化于0.41～1.08;232Th/238U同位素比值指示核部继承锆石和边部新生锆石都属于岩浆锆石。核部浑圆状继承锆石的U-Pb同位素年龄变化较大,4颗继承锆石的年龄分别为(648.6±12.8)Ma、(411.4±8.4)Ma、(201.5±4.1)Ma、(198.6±4.1)Ma(表2(c))。边部具环带结构新生锆石的年龄比较接近,其中1颗锆石的U-Pb同位素年龄为(30.7±1.9)Ma,另外3颗锆石的U-Pb同位素年龄变化于(33.1±2.9)～(33.6±0.7)Ma,4个边部新生锆石的平均年龄为(33.3±1.0)Ma(图4(b)),接近样品D2141早期岩浆锆石的结晶年龄(表2(a)、(b))。由于样品D2154的边部新生锆石与样品D2141早期岩浆锆石取样地点相同,内部结构相似,都具清晰的环带结构,在U-Pb同位素谐和曲线图上分布范围相近,属同期花岗质岩浆结晶产物,因此拟组合在一起进行分析,求出7颗锆石的平均年龄为(34.5±1.4)Ma(MSWD=2.9),代表风火山北麓花岗斑岩早期岩浆锆石的结晶时代,略高于S6点石英正长斑岩钾长石的K-Ar法同位素年龄(32.13±0.58)Ma。3逆冲推覆动力学与构造意义由于风火山北麓花岗斑岩侵位发生于区域构造环境自挤压缩短向伸展走滑转换的关键时期,岩浆侵位与风火山逆冲推覆构造存在密切关系,因此风火山北麓花岗斑岩的U-Pb同位素测年具有特别重要的地质意义。3.1晚于东南角岩石期岩相沉积的时代风火山北麓花岗斑岩侵入于雅西错群沉积地层,被五道梁群湖相沉积地层角度不整合,因此晚期岩浆锆石的结晶年龄(27.6±0.5)Ma早于五道梁群湖相沉积时代、晚于雅西错群地层沉积时代,与磁性地层年龄基本符合,指示中新世早期古大湖与五道梁群湖相沉积形成时代晚于(27.6±0.5)Ma。3.2湖相沉积后地壳和带风青藏高原北部在渐新世晚期发生了自挤压缩短向伸展走滑的构造转换,地壳挤压缩短主要发生在渐新世晚期花岗斑岩侵位以前,之后发生区域性剥蚀夷平过程;自中新世早中期五道梁群湖相沉积以来,地壳挤压缩短变形微弱,伸展走滑渐居主导地位,伴有玄武岩浆喷发。根据孢粉资料,自渐新世早中期(雅西错群)—中新世早中期(五道梁群),青藏高原南部、青藏高原北部、青藏高原东北部热带亚热带植被急剧减少直至消亡,暗针叶林植被急剧增加,指示青藏高原不同地区在渐新世晚期—中新世早期都发生了快速隆升。风火山北麓花岗斑岩侵位发生在区域构造转换和青藏高原隆升的关键时期,渐新世晚期风火山及邻区快速构造隆升时代晚于花岗斑岩侵位年龄(27.6±0.5)Ma、早于五道梁群初始沉积年龄23.5Ma。3.3岩浆源区构造背景风火山新生代早中期花岗斑岩侵位与风火山逆冲推覆构造存在密切关系,逆冲推覆构造运动与岩浆源区地壳局部熔融存在动力学成因联系(图1中A-B剖面)。暗色包体锆石边部的新生结晶环带与花岗斑岩早期结晶锆石的U-Pb同位素平均年龄为(34.5±1.4)Ma(图4(b)),指示岩浆源区地壳局部熔融及逆冲推覆构造运动的发生时代早于(34.5±1.4)Ma。花岗斑岩侵位于主逆冲断层上盘发生了比较强烈褶皱变形的新生代早期沉积地层(图2(g)、(h)),花岗斑岩晚期岩浆锆石的结晶年龄(27.6±0.5)Ma对风火山逆冲推覆构造晚期活动时代具有指示意义。综合花岗斑岩及暗色包体的锆石离子探针U-Pb同位素年龄,推断风火山逆冲推覆构造运动开始时代早于34.5Ma、结束时代晚于27.6Ma。4锆石u-pb同位素年龄及岩浆源区地壳局部熔融通过单颗粒锆石离子探针U-Pb同位素测年,精确测定了风火山北麓花岗斑岩2期岩浆锆石的结晶时代。早期岩浆锆石结晶平均年龄为(34.5±1.4)Ma,对应于岩浆源区地壳局部熔融时代;晚期岩浆锆石平均结晶年龄为(27.6±0.5)Ma,对应于岩浆向上侵入雅西错群的岩浆侵位时代。虽然风火山北麓花岗斑岩的侵位时代(27.6±0.5)Ma早于念青唐古拉花岗岩的结晶年龄(18.3～11.1)Ma和北喜马拉雅花岗岩的结晶年龄(17.6～9.5)Ma,但仍属青藏高原北部发现的出露于地表的最年轻花岗岩,具有重要的地质构造意义。风火山北麓花岗斑岩及暗色包体的锆石U-Pb同位素测年为区域地层、逆冲推覆构造和高原隆升的研究提供了重要的年代学约束。风火山北麓花岗斑岩暗色包体的继承锆石232Th/238U同位素比值变化于0.43～1.06,表明锆石来源于岩浆岩;继承锆石呈浑圆状,具有明显的碎屑锆石形态;继承锆石U-Pb同位素年龄各不相同,非常分散,也符合水系搬运和再沉积锆石的年