西秦岭天水地区志留纪利桥花岗岩的岩石成因——来自地球化学和锆石U-Pb年代学与Hf同位素的约束.pdf
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1、第43卷第2 期2024年3月岩石矿物学杂志ACTAPETROLOGICA ETMINERALOGICAVol.43,No.2:330343Mar.,2024Doi:10.20086/ki.yskw.2024.0207西秦岭天水地区志留纪利桥花岗岩的岩石成因来自地球化学和锆石U-Pb年代学与Hf同位素的约束李国倩,周周开,李云帅1,张建新,武亚威,郭(1天津大学地球系统科学学院,表层地球系统科学研究院,天津30 0 0 7 2;2 自然资源部大陆动力学重点实验室,中国地质科学院地质研究所,北京10 0 0 37)摘要:花岗岩在探讨大陆地壳生长与演化、造山带的形成及地球动力学演化等方面具有重要的
2、意义。西秦岭天水地区利桥花岗岩主要由斜长石、石英、钾长石和黑云母等矿物组成,锆石U-Pb年代学表明岩体结晶年龄为4393Ma。利桥花岗岩具有高硅、富碱的特征,其铝饱和指数A/CNK值介于1.0 1 1.16 之间,属于弱过铝质高钾钙碱性-钙碱性花岗岩。利桥花岗岩富集K、Ba 等大离子亲石元素和La、Ce 等轻稀土元素,亏损Nb、T a 和Ti等高场强元素,显示具有俯冲带岛弧岩浆岩的地球化学特征。利桥花岗岩具有较低的Mg值(2 5 41),且La/Yb-La、La/Sm-La图解显示该花岗岩在形成明显与部分熔融作用相关,此外岩体中的镁铁质微粒包体和正的锆石Hf(t)值,表明这些花岗岩在形成过程中
3、有慢源物质的贡献。结合区域地质背景,我们认为利桥花岗岩是弧-陆碰撞前俯冲洋壳中先存的基性岩或新生地壳发生部分熔融所致,当然也不排除其为大陆边缘弧增厚下地壳部分熔融的产物。关键词:锆石U-Pb年代学;Hf同位素;全岩地球化学;花岗岩;西秦岭中图分类号:P588.12*1;P597Petrogenesis of the Silurian Liqiao granites in the Tianshui area,WestQinling:Constraints from geochemistry,zircon U-Pb geochronologyLI Guo-qian,ZHOU Kai,LI Yun-
4、shuai*2,ZHANG Jian-xin,WU Ya-wei,CUO Q and MAO Xiao-hong”(1.School of Earth System Science,Institute of Surface-Earth System Science,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Key Laboratory of Deep-Earth Dynamics of Ministry of Natural Resources,Institute of Geology,Chinese Academy ofAbstract:Granit
5、e plays an important role in exploring the growth and evolution of continental crust as well as thegeodynamics of orogenic belts.The Liqiao granite in the Tianshui area,West Qinling Orogen,is mainly composedof plagioclase,quartz,K-feldspar,and biotite.Zircon U-Pb dating shows that the crystallizatio
6、n age of the graniteis 439 3 Ma.Geochemistry suggests that the granite contains high silicon and alkali,and it belongs to the peralu-minous to high potassium calc-alkaline series.The granite is rich in large ion lithophilic elements(e.g.K andBa),light rare earth elements(e.g.La and Ce),and depleted
7、in high field strength elements such as Nb,Ta,and Ti,which shows the geochemical characteristics of island arc magmatic rocks.Furthermore,the granite in theLiqiao area shows low Mg values(2541),and the La/Yb-La and La/Sm-La diagrams show that the formation of收稿日期:2 0 2 3-12-17;接受日期:2 0 2 4-0 1-30;编辑
8、:郝艳丽基金项目:中国地质调查局地质调查项目(DD20221649);国家自然科学基金项目(42 0 7 2 2 37)作者简介:李国倩(2 0 0 3),本科生,地理科学专业;通讯作者:李云帅(198 6),副教授,主要从事地理科学与地质学相关的教学与科研,E-mail;liyunshuai 。祺毛小红?文献标识码:A文章编号:10 0 0-6 52 4(2 0 2 4)0 2-0 330-14and Hf isotopeGeological Sciences,Beijing 100037,China)第2 期the granite is related to partial melting
9、.In addition,the existence of microgranular enclaves in the host rock massand the positive sHf(t)values of zircons indicate that the formation of these granites is influenced by mantle-derived materials.Combined with the regional geological background and the results in this study,we believe that th
10、eLiqiao granite was formed by partial melting of the juvenile basaltic lower crust before the arc-continental collision.Certainly,it cannot be ruled out that it was the product of partial melting of the thickened of the continental marginal arc.Key words:zircon U-Pb geochronology;Hf isotope;geochemi
11、stry;granite;West QinlingFund support:China Geological Survey Project(DD20221649);National Natural Science Foundation of China(42072237)作为大陆地壳的重要组成部分,花岗岩是探讨大陆地壳生长与演化的重要探针。大量研究表明,花岗岩的成因分类、岩浆物质来源及其形成的构造环境研究,可为深入解译造山带的形成及地球动力学演化过程提供重要信息(Harris et al.,198 6;Schermaier et al.,1997;张旗等,2 0 0 7)。秦岭造山带是华北板块
12、、扬子板块及夹于两者之间的微板块经历了多期的碰撞拼合而形成的复合型造山带(张国伟等,1995,2 0 0 1,2 0 0 4;Dongetal.,2 0 11)。以宝成铁路为界,将秦岭造山带划分为东秦岭和西秦岭。近年来的区域地质调查和研究工作显示,西秦岭弧变质-岩浆杂岩带中发育志留纪不同类型的侵人岩,但是它们的岩石成因仍存在一定的争议,如:党川花岗岩(岩浆结晶年龄为438 3Ma)的地球化学特征表明其可能产生于增厚下地壳的部分熔融(C型埃达克岩,王婧等,2 0 0 8),而百花基性岩浆杂岩(辉长岩的年龄为4352 Ma)的地球化学特征则显示其形成于弧构造环境(裴先治等,2007a)。因而,这些
13、志留纪岩浆岩的岩石成因及形成构造背景仍需进一步探究。本文通过对天水地区利桥花岗岩的锆石U-Pb年代学、锆石Hf同位素以及全岩主微量地球化学,探讨利桥花岗岩的岩浆结晶时代与岩石成因,并结合秦岭造山带的构造演化历史,探讨该岩体形成的构造环境和动力学演化过程,从而为西秦岭的构造岩浆作用提供重要的约束信息。1区域地质背景秦岭造山带被认为是一个典型的复合型造山带,它东接桐柏-大别-苏鲁造山带,西接祁连-昆仑造山带,是中国中央造山带的重要组成部分(张建新等,2 0 11;毛小红等,2 0 17;Wangetal.,2 0 19)。秦岭造山带内分布多条大的断裂和2 条主要缝合带。李国倩等:西秦岭天水地区志留
14、纪利桥花岗岩的岩石成因331两条主要缝合带分别为早古生代商丹缝合带和中生代勉略缝合带。以主要断裂带和缝合带为界,总体上将秦岭造山带划分为4个地质单元(张国伟等,1995;Meng and Zhang,2000;Dong et al.,2011),从北到南分别是华北克拉通南缘、北秦岭、南秦岭和扬子克拉通北缘。华北克拉通南缘主要指灵宝-鲁山-舞阳断裂和洛南-栾川断裂所围限的区域;北秦岭构造带位于商丹缝合带和洛南-栾川断裂带之间,由北向南包括宽坪群、二郎坪群和秦岭群(秦岭杂岩);南秦岭构造带主要指商丹缝合带和勉略缝合带之间的区域;扬子克拉通北缘主要指勉略-巴山-襄樊-广济断裂以南与南秦岭构造带相邻的
15、区域。以宝成铁路为界,将秦岭造山带划分为东秦岭和西秦岭。西秦岭造山带北部出露有前寒武系基底(原“秦岭岩群”,我们称之为秦岭杂岩)、早古生代蛇绿岩(关子镇-武山蛇绿岩)、早古生代火山沉积岩(李子园群、草滩沟群)以及大量早古生代(加里东期)和三叠纪(印支期)花岗岩体。根据前人资料,结合我们的研究,把西秦岭北部划分为以下3个构造单元:李子园俯冲杂岩带(商丹缝合带)、秦岭弧变质-岩浆杂岩带和清水-张家川弧后杂岩带(毛小红等,2 0 17,2018)(图 1)。(1)李子园俯冲杂岩带(商丹缝合带),主要出露于党川以南花庙河-姚家坝一带,主要为一套变沉积-火山岩系,主要由绿色片岩、粉砂质板岩、绢云石英片岩
16、夹斜长角闪片岩、长石砂岩、安山扮岩和少量透镜状磁铁石英片岩。丁仁平等(2 0 0 4)从早古生代李子园群中解体出一套变质基性火山岩,其地球化学特征表明其属N-MORB型玄武岩,是洋脊蛇绿岩的重要组成部分。这套岩石向东与东秦岭的丹凤群相当,为商丹缝合带的标志,与北部深变质的秦岭杂岩呈韧性剪切带接触,剪切带的运动学显示具左旋特征(Mao et al.,2 0 2 0)(图1)。(2)秦岭弧变质-岩浆杂岩带以深变质的“秦岭33270ENOSDS水宝鸡西LLWF灵宝N.00.ts风具南坪略阳MLS宝成铁路勉县巴山MBXF-房县NO0.ILLWF一灵宝-鲁山一舞阳断裂LLF一洛南一来川断裂MBXF一勉县
17、-巴山一襄樊断裂SDS一商丹缝合带MLS勉略缝合带Fig.1 Simplied Geological map of the Qinling Orogen(modified after Mao Xiaohong et al.,2017)群”(秦岭杂岩)为特征,主要出露在天水以北的新阳-北道-元龙及及天水以南的花庙地区,以深变质的花岗质片麻岩(正片麻岩)和副变质表壳岩为特征。副变质岩包括含石榴子石夕线黑云母斜长片麻岩、石榴黑云变粒岩(片岩),并夹有大理岩、钙硅酸盐岩、石英岩及少量斜长角闪岩(局部含角闪二辉麻粒岩),部分发生强烈的混合岩化。锆石和独居石U-Pb定年显示秦岭杂岩经历了早泥盆世-晚志留世
18、(433 411M a)高角闪岩相-麻粒岩相变质作用和深熔作用(毛小红等,2 0 17,2 0 18;郭祺等,2 0 2 2;Guoetl.,2 0 2 3),正片麻岩以花岗质成分为特征,发育明显的片麻理,原岩年龄为新元古代(主要集中于950850Ma)(陆松年等,2 0 0 5;裴先治等,2 0 0 7 b;毛小红等,2 0 18),但与副变质岩的关系仍不清楚。秦岭杂岩与南侧的李子园俯冲杂岩带和其北侧的草滩沟群以及党川岩体均呈韧性剪切带接触关系(图1)(M a o e t a l.,2 0 2 0)。草滩沟群主要以火山碎屑岩和火山熔岩为主,其中两当张家庄地区的草滩沟群火山岩的形成被认为与俯冲
19、作用有关,且形成于岛弧环境(闫全人等,2 0 0 7)。前人对该群中的变质中基性火山岩进行了锆石U-Pb定年,得出其形成于晚岩石矿物学杂志90E110E北山造山带兴安岭造山道塔里木盆地七仑造山路南-LLF川鲁山丹风SDS舞阳LLWF-南杂岭寿具桐柏MLS200 km11000E图1秦岭造山带地质简图 改自毛小红等(2 0 17)第43卷10600E10645EaC天华北地块新阳一元龙韧性剪切带开443410Mab北道2202Ma党435+Ma+438:3Ma宿松11600E1440Ma4414Ma奥陶世(王洪亮等,2 0 0 7)。后期侵入的花岗岩和闪长岩主要包括438 3Ma的党川岩体(王婧
20、等,2008)、4352 M a(裴先治等,2 0 0 7 a)的百花基性岩浆杂岩和2 2 0 2 Ma的石门花岗岩(王婧等,2 0 0 8)。(3)清水-张家川弧后杂岩带主要由葫芦河群和陈家河群组成(图1)。陈家河群为低绿片岩相变质的基性火山岩、中酸性火山岩和陆源碎屑岩组合。基性火山岩分布在天水东北部的秦安县北杨家寺一清水县红土堡一南头河一带,因其在清水红土堡一带出露面积较多,在1:2 5万天水市幅区域地质图中将其称为红土堡变基性岩。主要为一套低绿片岩相变质岩系,岩石学和地球化学研究红土堡基性火山岩为拉斑系列和钙碱性系列,既有岛弧火山岩的特征,又有洋脊玄武岩的特征,解释其形成于弧后盆地环境,
21、其时代为晚奥陶世(徐学义等,2 0 0 8)。酸性火山岩以变质流纹岩、英安岩、斑状流纹岩为主,夹英安质、流纹质熔结角砾岩、集块岩及凝灰岩,局部夹灰绿色变质玄武岩、玄武安山岩。酸性火山岩的地球化学特征表明其形成于岛弧环境。葫芦河群主要由浅变质碎屑岩(砂岩、杂砂岩、泥质砂岩等)组成,碎屑锆石定年确定其沉积时代为志留纪(裴先治等,2 0 12)。0张家川新生代7-441+10Ma石炭纪碎屑岩泥盆纪碎屑岩辉长岩+花岗岩N.OSote超铁镁质岩闪长岩弧后杂岩带葫芦河群:碎屑岩陈家河群:火山一沉积岩陇山杂岩弧变质一岩浆杂岩带三叠纪火山岩奥陶纪草滩沟群:火山碎屑岩秦岭杂岩?俯冲杂岩带丹凤杂岩(李子园群)断层
22、推断的断层构造单元边界断裂25km白垩纪韧性剪切带采样位置第2 期2岩相学特征利桥花岗岩岩体分布在李子园俯冲杂岩带北侧,并与后者为剪切带(断层)接触,采样位置(经纬度)为10 6 2 4 49.7 7 ,3411 41.7 5。a李国倩等:西秦岭天水地区志留纪利桥花岗岩的岩石成因333利桥花岗岩呈块状构造,中粒似斑状花岗结构,并具有弱的片麻状构造(图2 a),同时可见少量的闪长岩暗色微粒包体(图2 b)。岩石主要由斜长石、石英、钾长石和黑云母等矿物组成(图2 c、2 d),暗色微粒包体则主要由斜长石、角闪石和黑云母等矿物组成(图 2 e,2f)。QtzPIdKfsQtzFig.2 Field
23、photos(a and b)and microphotographs(ce:crossed polars;f:plane polarized)of the Liqiao granite,3测试方法3.1锆石U-Pb定年锆石U-Pb同位素定年分析在北京锆年领航科技有限公司运用LA-ICP-MS完成。锆石U-Pb定年分析所用仪器为Agilent7900型ICP-MS及NWR193UC型激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为30 m,频率为6 Hz,能量密度约为5 J/cm。激光剥蚀过程采用氮气为载体,氩气作为补偿气,二者在进人 ICP前通过 T 型接头混合。U-Pb 同位素定年分析采用锆石GJ-1
24、作为校正标样,9 150 0 作为监测标样,同时采用NIST610作为外标进行微量元素分馏校正。每个时间分辨分析数据包括大约2 0 30s空白信号和50 s样品信号。数据分析处理采用Iolite程序(Patonetal.,2 0 10)完成,锆石的U-Pb年KfsQtzPI500umPIB1QtzHblPIHbIB500um图2 西秦岭利桥花岗岩野外(a、b)及显微照片(ce为正交偏光照片,f为单偏光照片)Qtz石英;Pl一斜长石;Hbl一角闪石;Bt一黑云母;Kfs钾长石Qtzquartz;Plplagioclase;Hblhornblende;Btbiotite;KfsK-feldspar
25、ver3(Ludwig,2003)完成。3.2锆石Lu-Hf同位素锆石Lu-Hf同位素测试在北京锆年领航科技有限公司使用LA-MC-ICP-MS分析完成。Lu-Hf同位素分析测试使用的仪器为NEPTUNEplus型MC-ICP-MS和Resolution SE激光剥蚀系统,同时配备了信号平滑装置以提高信号稳定性和同位素比值测试精密度。实验过程中采用纯He作为剥蚀物质载气,采用单点剥蚀模式,剥蚀所用斑束直径为45 m,频率为 10 Hz,能量输出密度约为 7 8 J/em。测试时采用Plesovice、9150 0 和GJ-1国际锆石标准作为参考,测试值与推荐值在误差范围内一致。3.3全岩主、微
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