甘肅天水地區(qū)紅花巖漿雜巖中輝長(zhǎng)巖的成因

甘肅天水地區(qū)紅花巖漿雜巖中輝長(zhǎng)巖的成因

甘肅天水塘位于青藏高原東北部邊緣。其大地構(gòu)造位置位于中國(guó)造山系中部祁連造山帶和北秦嶺造山帶的構(gòu)造接合部位的西秦嶺北緣。它具有復(fù)雜的材料組成、結(jié)構(gòu)和進(jìn)化歷史，以及豐富的礦產(chǎn)資源。這對(duì)深入研究華北板塊與揚(yáng)子板塊的多階段復(fù)合造山過程具有重要的科學(xué)意義。大陸架及其構(gòu)造、地形、發(fā)育和造山機(jī)化的變化，以及造山過程和動(dòng)力學(xué)的作用，是中國(guó)大陸架及其發(fā)展、大陸造山帶和大陸動(dòng)力學(xué)的主要基礎(chǔ)地質(zhì)問題。前人曾從不同角度對(duì)西秦嶺北緣天水地區(qū)進(jìn)行了有關(guān)地層、構(gòu)造、巖石和成礦等方面的研究,為本次研究奠定了良好基礎(chǔ)。天水地區(qū)關(guān)子鎮(zhèn)一帶以及百花—利橋一帶分布有較多的加里東期中基性雜巖體、花崗巖類和印支期花崗巖類以及古元古代秦嶺巖群、中元古界寬坪巖群中深變質(zhì)巖系、新元古界木其灘巖組變質(zhì)基性火山巖系以及早古生代關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖、李子園群弧前盆地火山—沉積巖系、草灘溝群島弧火山—沉積巖系[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。近年在進(jìn)行天水市幅1∶250000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查過程中,在百花林場(chǎng)一帶原劃分為中元古界寬坪巖群變質(zhì)地層中,新發(fā)現(xiàn)并識(shí)別出一套發(fā)育強(qiáng)烈定向組構(gòu)的變質(zhì)輝石巖—輝長(zhǎng)巖—輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖單元,并與分布于百花—利橋一帶原稱為“百花巖體”的閃長(zhǎng)巖—石英閃長(zhǎng)巖等單元共同組成了“百花巖漿雜巖體”(圖1)。由于這些變質(zhì)巖漿雜巖體普遍經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的韌性構(gòu)造變形和變質(zhì)作用改造,致使人們長(zhǎng)期以來按照變質(zhì)地層劃歸為不同的構(gòu)造巖石地層單位,加之缺少詳細(xì)的巖石地球化學(xué)研究和精確的同位素年代學(xué)研究,影響了對(duì)西秦嶺北部造山帶組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和形成演化的正確認(rèn)識(shí)。為了精確限定百花巖漿雜巖體的形成時(shí)代,在對(duì)雜巖體巖相學(xué)和地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上,本文對(duì)百花巖漿雜巖體中的輝長(zhǎng)巖利用陰極發(fā)光(CL)和激光剝蝕等離子質(zhì)譜(LA-ICP-MS)單顆粒鋯石原位分析方法進(jìn)行U-Pb年代學(xué)研究,以確定以百花巖漿雜巖體為代表的古島弧的形成時(shí)代,為深入研究西秦嶺造山帶早古生代構(gòu)造格架和形成演化以及秦嶺造山帶與祁連造山帶構(gòu)造銜接關(guān)系等重要地質(zhì)問題提供精確的年代學(xué)制約。1巖漿雜巖類型甘肅天水地區(qū)百花—利橋一帶的百花巖漿雜巖體主要分布于天水北道區(qū)利橋鄉(xiāng)以北的百花林場(chǎng)—散岔一帶(圖1),巖體形態(tài)為不規(guī)則狀,受后期花崗巖體的上侵?jǐn)D位和吞蝕,形態(tài)更為復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)百花巖漿雜巖體總體呈NW走向,東北側(cè)與中元古界寬坪巖群黑云母斜長(zhǎng)片麻巖和大理巖組合呈侵入接觸關(guān)系,并被泥盆紀(jì)仙坪二長(zhǎng)花崗巖體(Rb-Sr全巖等時(shí)年齡396Ma)侵入,西北側(cè)與奧陶紀(jì)草灘溝群淺變質(zhì)島弧型火山巖—沉積巖系呈侵入接觸關(guān)系,西南側(cè)被泥盆紀(jì)熊山溝中粗粒似斑狀二長(zhǎng)花崗巖體侵入并呈斷層接觸關(guān)系。百花巖漿雜巖體南側(cè)由北向南依次分布有古元古界秦嶺巖群長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖和富鋁片麻巖及大理巖組合、關(guān)子鎮(zhèn)—木其灘蛇綠巖殘片(蛇紋巖、變質(zhì)基性火山巖)、早古生代李子園群云母石英片巖夾大理巖、綠片巖組合以及晚泥盆世大草灘群含礫碎屑巖系,其間均為構(gòu)造接觸關(guān)系。通過野外調(diào)研和綜合分析研究,百花巖漿雜巖體可劃分為5種巖石類型:(1)變輝石巖:大部分呈大小不等的塊體包裹在輝長(zhǎng)巖中,變形較弱,主要由角閃石(90%～94%)和斜長(zhǎng)石組成,中—中細(xì)粒自形—半自形粒狀結(jié)構(gòu),塊狀—弱片麻狀構(gòu)造,角閃石大部分保留有輝石的短柱狀晶形。(2)變輝長(zhǎng)巖—輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖:與變輝石巖共同分布于百花林場(chǎng)東—棗兒坪一帶。巖石發(fā)育定向組構(gòu),主要由角閃石(48%～74%)、斜長(zhǎng)石(25%～48%,An=48～64)及少量黑云母組成,中粗?！屑?xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)、變余輝長(zhǎng)結(jié)構(gòu),局部變形弱域角閃石尚保留有輝石假象。(3)變閃長(zhǎng)巖:分布于陰崖東—百花—利橋一帶,主要由角閃石(20%～35%)、斜長(zhǎng)石(55%～60%,An=33～43)、黑云母(2%～12%)及少量石英組成,半自形中粗粒粒狀結(jié)構(gòu),內(nèi)部常見有輝長(zhǎng)巖包體,形態(tài)呈扁豆體、透鏡體狀,大小不等,并呈定向排列,長(zhǎng)軸方向與礦物定向排列方向一致。(4)石英閃長(zhǎng)巖:主要分布于利橋南—楊河—下仙坪一帶。主要由角閃石(15%～25%)、斜長(zhǎng)石(40%～67%,An=27～35)、石英(5%～15%)及少量黑云母、鉀長(zhǎng)石組成,半自形一他形中細(xì)?！写至Ａ罱Y(jié)構(gòu),內(nèi)部也常見輝長(zhǎng)巖等包體。(5)黑云母斜長(zhǎng)花崗巖:主要分布于利橋以南的龍門—周家溝一帶,中粒似斑狀花崗結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造—弱片麻狀構(gòu)造,斑晶含量小于5%,以板狀斜長(zhǎng)石為主,少量渾圓狀石英;基質(zhì)主要由斜長(zhǎng)石(45%～65%,An=10～20)、石英(20%～35%)和少量黑云母(±5%)組成。這一系列巖漿巖組合具有島弧型巖漿活動(dòng)特點(diǎn)。由于巖石也已經(jīng)歷較強(qiáng)的韌性剪切變形和變質(zhì)作用改造,普遍發(fā)育強(qiáng)烈的定向組構(gòu),原生礦物組合基本已被綠片巖相變質(zhì)礦物組合所取代,發(fā)生強(qiáng)烈的綠泥石化、綠簾石化,但在變形較弱地帶仍能看到巖石具有變余輝長(zhǎng)結(jié)構(gòu)等巖漿組構(gòu),表現(xiàn)為暗色礦物角閃石集合體具有輝石形態(tài)特征,在閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖中還有中細(xì)粒輝石巖、輝長(zhǎng)巖等暗色包體。各巖性單位之間界線截然。副礦物主要有榍石、鋯石、磁鐵礦、磷灰石等。2樣品的地質(zhì)特征2.1角閃石組構(gòu)本文用于同位素年代學(xué)研究的樣品采集于百花林場(chǎng)東側(cè)的輝長(zhǎng)巖。輝長(zhǎng)巖呈黑灰色,中粗?！屑?xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)、變余輝長(zhǎng)結(jié)構(gòu),主要由角閃石(48%～70%)、斜長(zhǎng)石(25%～45%,An=48～64)及少量黑云母(5%～10%)組成,普遍發(fā)育定向組構(gòu),局部變形弱域角閃石尚保留有輝石假象,并發(fā)生綠泥石化、綠簾石化。雖然輝長(zhǎng)巖與區(qū)域內(nèi)的早古生代地層一樣,經(jīng)受了綠片巖相區(qū)域變質(zhì)作用,但由于鋯石穩(wěn)定性很強(qiáng),綠片巖相區(qū)域變質(zhì)作用不會(huì)對(duì)鋯石中的源區(qū)信息產(chǎn)生丟失。2.2稀土元素分布型式對(duì)輝長(zhǎng)巖3個(gè)樣品進(jìn)行了主元素、微量元素和稀土元素分析表明,輝長(zhǎng)巖屬于拉斑玄武巖系列巖石,SiO2含量為46.10%～52.48%,TiO2含量較低,為0.25%～0.84%,低于MORB和OIB,與島弧玄武巖接近,反映其源區(qū)可能與俯沖到深部的洋殼有關(guān)。MgO含量和Mg#值較高且變化大,分別在5.07%～11.90%和56.41～62.61之間,反映原始巖漿在上升過程中經(jīng)歷了一定程度的結(jié)晶分異作用的演化,Mg#值有1個(gè)樣品的比較高(80.92),說明部分輝長(zhǎng)巖還經(jīng)歷了一定程度的堆晶作用。全鐵FeOT含量變化于7.71%～12.18%之間,全堿ALK(Na2O+K2O)為0.95%～1.95%,且Na2O>K2O含量,顯示出富鈉低鉀。輝長(zhǎng)巖的稀土元素分布型式呈REE近平坦型—LREE輕微富集型,LREE與HREE之間分餾不明顯,稀土元素總量高于變輝長(zhǎng)巖且變化較大,∑REE為18.39×10-6～56.81×10-6,LREE/HREE比值為1.73～2.53,(La/Yb)N=1.19～1.84,(La/Sm)N=0.92～1.38,δEu為0.83～0.90,具有很弱的負(fù)Eu異常,暗示有斜長(zhǎng)石的結(jié)晶分異作用,與島弧型火山巖的稀土元素配分型式相似。輝長(zhǎng)巖的微量元素相對(duì)原始地幔富集大離子親石元素(LILE)Cs,Ba,Sr,Th,U,而相對(duì)虧損Rb和高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)Nb,P,Sm,Ti和Y,顯示同源巖漿演化成因特征。在巖石微量元素MORB標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖上,輝長(zhǎng)巖顯示出不相容元素的富集以及K,Nb,P,Zr,Ti,Y的虧損,略具有Ba,Sr,Sc的正異常,與島弧拉斑玄武巖和鈣堿性玄武巖特征類似。特別是Nb的虧損是板塊俯沖產(chǎn)生島弧環(huán)境巖漿巖的顯著特征。輝長(zhǎng)巖的Zr含量為40.8×10-6～62.3×10-6,與島弧拉斑玄武巖Zr含量接近;Zr/Y比值較低(2.67～4.55),Ti/Y比值為167～230,Ti/V比值為10.20～15.51,Nb/Y比值為0.11～0.12,與島弧玄武巖相近。用于同位素年代學(xué)測(cè)試樣品(BH03)的主量元素含量為:SiO2為48.32%,TiO2為0.25%,Al2O3為15.45%,Fe2O3為3.02%,FeO為5.00%,CaO為11.93%,MgO為11.90%,MnO為0.16%,Na2O為0.83%,K2O為0.12%,P2O5為0.05%,燒失2.12%,總量99.15%。輝長(zhǎng)巖的地球化學(xué)特征表明,天水地區(qū)百花巖漿雜巖是活動(dòng)陸緣島弧巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物,揭示出其總體形成于古島弧構(gòu)造環(huán)境,是相對(duì)原始的島弧環(huán)境巖漿分異結(jié)晶作用的產(chǎn)物。3u-pb同位素本次工作為了獲取百花巖漿雜巖體的形成時(shí)代,采用LA-ICPVMS法對(duì)輝長(zhǎng)巖中的巖漿鋯石進(jìn)行了U-Pb同位素年齡測(cè)試。測(cè)年樣品(BH03)采自百花林場(chǎng)東側(cè),采樣點(diǎn)GPS地理坐標(biāo)為34°18′40.2″N,106°21′41.4″E。3.1la-icp-ms分析對(duì)野外采集的重量大于15kg的巖石樣品采用常規(guī)方法進(jìn)行粉碎,并用浮選和電磁選方法進(jìn)行分選,得到120～150粒鋯石后,再在雙目鏡下挑選出晶形和透明度較好的鋯石顆粒作為測(cè)定對(duì)象。將鋯石顆粒粘在雙面膠上,然后用無色透明的環(huán)氧樹脂固定,待環(huán)氧樹脂充分固化后,對(duì)其表面進(jìn)行拋光至鋯石內(nèi)部暴露。然后進(jìn)行鋯石顯微(反射光和投射光照相)、陰極發(fā)光(CL)顯微圖像研究及LA-ICP-MS分析。鋯石的反射光和透射光顯微照相以及陰極發(fā)光(CL)顯微照相在北京離子探針中心掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室完成。陰極發(fā)光(CL)顯微照相采用日立HITACHIS3000-N型掃描電子顯微鏡和GATAN公司Chroma陰極發(fā)光探頭進(jìn)行。鋯石原位U-Pb同位素年齡分析在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的LA-ICP-MS儀器上用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定程序進(jìn)行。分析儀器為Elan6100DRC型四極桿質(zhì)譜儀和Geolas200M型激光剝蝕系統(tǒng),激光器為193nmArF準(zhǔn)分子激光器。激光剝蝕斑束直徑為30μm,激光剝蝕樣品的深度為20～40μm。鋯石年齡計(jì)算采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo),元素含量采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局人工合成硅酸鹽玻璃NISTSRM610作為外標(biāo),29Si作為內(nèi)標(biāo)元素進(jìn)行校正。樣品的同位素比值和元素含量數(shù)據(jù)處理采用GLITTER(ver4.0,MacquarieUniversity)程序,并采用Andersen軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行普通鉛校正,年齡計(jì)算及諧和圖繪制采用ISOPLOT(2.49版)軟件完成。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)原理和流程及儀器參見參考文獻(xiàn);所有數(shù)據(jù)點(diǎn)和年齡值的誤差均為1σ,采用206Pb/238U年齡,其加權(quán)平均值具95%的置信度。3.2鋯石u-pb年齡從測(cè)年樣品(BH03)中選取的鋯石為淺黃色—無色透明短柱狀、半截錐狀、等粒狀和不規(guī)則狀晶體,自形程度較好,粒度多80～200μm之間。陰極發(fā)光圖象(CL)表現(xiàn)為大多數(shù)鋯石具有典型的巖漿韻律環(huán)帶和條帶結(jié)構(gòu),屬于巖漿結(jié)晶產(chǎn)物(圖2);個(gè)別鋯石具有窄的淺色增生邊(如BH03.02、BH03.7、BH03.19、BH03.21),應(yīng)為后期變質(zhì)作用所致;還有少數(shù)鋯石顆粒內(nèi)部存在小的不規(guī)則晶核(如BH03.06、BH03.14、BH03.19),可能為捕獲的殘留鋯石。鋯石U-Pb分析測(cè)試數(shù)據(jù)見表1,共分析測(cè)試了25個(gè)點(diǎn)。所測(cè)鋯石的232Th和238U含量分別介于79.48×10-6～439.28×10-6之間(多數(shù)在105.08×10-6～223.70×10-6之間)和156.24×10-6～606.02×10-6之間(多數(shù)在192.73×10-6～334.78×10-6之間),具有很好的正相關(guān)性,只有2個(gè)測(cè)點(diǎn)(BH03.06、BH03.07)鋯石的232Th和238U含量比較高(圖3)。鋯石顆粒的Th/U比值具有穩(wěn)定的范圍,介于0.31～0.77之間,且均大于0.1,除有1個(gè)測(cè)點(diǎn)(BH03.19)的鋯石Th/U比值較低(為0.31)和2個(gè)測(cè)點(diǎn)(BH03.07、BH03.14)的鋯石Th/U比值略高(分別為0.77和0.68)外,其他測(cè)點(diǎn)鋯石Th/U比值變化范圍很小,介于0.45～0.60之間,表明了巖漿成因鋯石的特征,顯示所有測(cè)年鋯石顆粒應(yīng)是從同一巖漿中結(jié)晶形成的。3.3巖石學(xué)和年代學(xué)所有測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U—207Pb/235U諧和年齡圖(圖4a),均分布在諧和線上和諧和線附近,其下交點(diǎn)年齡為(447.7±7.9)Ma(MSWD=2.0),有2個(gè)測(cè)點(diǎn)(BH03.01和BH03.03)雖然位于諧和線上,但其206Pb/238U年齡值明顯偏離主鋯石群,分別為(477±5)Ma和(478±5)Ma,明顯老于其他測(cè)點(diǎn),可能是巖漿捕獲鋯石年齡,而且很可能是捕獲的俯沖洋殼的年齡,因?yàn)槠淠挲g值與最新獲得的關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖中變輝長(zhǎng)巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡(497±1.7)Ma(MSWD=0.76)(裴先治等,待刊資料)和(471.1±1.4)Ma(MSWD=1.03)比較接近;剔除這2個(gè)測(cè)點(diǎn),其余23個(gè)測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U-207Pb/235U諧和年齡圖見圖4b,并構(gòu)成非常集中的主鋯石群(圖4b),其206Pb/238U和207Pb/235U諧和性較好,下交點(diǎn)年齡為(449.0±3.9)Ma(MSWD=1.5),206Pb/238U年齡介于434～458Ma之間,其206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(449.7±3.1)Ma(MSWD=1.9)(圖4c),代表了百花巖漿雜巖體中的輝長(zhǎng)巖的結(jié)晶年齡。因此,本文將百花巖漿雜巖體的主體巖漿結(jié)晶時(shí)代確定為(449.7±3.1)Ma,為晚奧陶世。4島弧巖漿雜巖在天水地區(qū)的利橋—李子園—關(guān)子鎮(zhèn)一線,通過近年來的詳細(xì)調(diào)查與研究,已經(jīng)對(duì)介于古元古界秦嶺巖群和中新元古界寬坪巖群與南側(cè)上古生界泥盆—石炭系之間的古生界構(gòu)造巖石地層單位和變形變質(zhì)巖漿巖體進(jìn)行了重新厘定和確認(rèn),而這一呈反S型分布的條帶狀區(qū)域也是東秦嶺商丹構(gòu)造帶的西部延伸(圖1),是南北秦嶺之間于早古生代末期發(fā)生強(qiáng)烈俯沖—碰撞造山以及印支期最終完成全面碰撞造山的構(gòu)造帶。在這一構(gòu)造帶中,除了前寒武紀(jì)變質(zhì)基底巖系(秦嶺巖群、寬坪巖群)以及最近新確認(rèn)的新元古代早期花崗質(zhì)片麻巖以外,主要包括有早古生代關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖片、李子園群火山—沉積巖系、奧陶系草灘溝群火山—沉積巖系、早古生代太陽寺巖組淺變質(zhì)沉積巖系以及百花基性—中基性巖漿雜巖體、流水溝基性—中基性巖漿雜巖體[10,11,12,13,14,15],同時(shí)還有晚泥盆世大草灘群陸相粗碎屑巖沉積和印支期花崗巖類等;其間多為斷裂或韌性剪切帶所分隔。天水地區(qū)百花巖漿雜巖的地球化學(xué)特征研究表明其主體形成于島弧構(gòu)造環(huán)境,是島弧環(huán)境下形成的輝石巖—輝長(zhǎng)巖—輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖—閃長(zhǎng)巖—石英閃長(zhǎng)巖巖漿組合,具有明顯的鈣堿性巖漿演化特征。本文的研究表明,其中變輝長(zhǎng)巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為(449.7±3.1)Ma(MSWD=1.9),顯示其形成時(shí)代主體為晚奧陶世。在該島弧巖漿雜巖帶南側(cè),近來作者確定了關(guān)子鎮(zhèn)早古生代蛇綠巖的存在,關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖主要分布在天水市以西的關(guān)子鎮(zhèn)—武家河地區(qū)以及天水市東南的李子園—木其灘—夏家坪一帶。其中關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖主要由具有N-MORB特征的變質(zhì)玄武巖以及呈構(gòu)造塊體產(chǎn)出的蛇紋巖(變質(zhì)橄欖巖)、變輝石巖、變輝長(zhǎng)巖等組成,其最新獲得的蛇綠巖中不同部位的變輝長(zhǎng)巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分別為(497±1.7)Ma(MSWD=0.76)(裴先治等,待刊資料)和(471.1±1.4)Ma(MSWD=1.03),前者是蛇綠巖片南側(cè)與蛇紋巖、變輝石巖等共生的輝長(zhǎng)巖的結(jié)晶年齡,而后者則是蛇綠巖片北側(cè)流水溝變質(zhì)輝長(zhǎng)巖體的結(jié)晶年齡。對(duì)于后者,近年來已經(jīng)取得了一些巖石地球化學(xué)和同位素年代學(xué)研究成果,流水溝變質(zhì)基性雜巖體主要由輝長(zhǎng)巖以及輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖等組成,其中靠近蛇綠巖的一部分主體為輝長(zhǎng)巖,其TIMS法鋯石U-Pb年齡為(507.5±3.0)Ma,這表明以關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖為代表的西秦嶺北緣地區(qū)古洋盆的擴(kuò)張時(shí)代主要在晚寒武世—早奧陶世期間。同時(shí),該蛇綠巖帶西延至武山北—鴛鴦鎮(zhèn)—樺林溝一線,那里同樣發(fā)育有N-MORB和E-MPRB型變質(zhì)玄武巖以及蛇紋巖(變質(zhì)橄欖巖)和變輝石巖、變輝長(zhǎng)巖。在蛇綠構(gòu)造混雜巖帶中還存在以奧陶紀(jì)李子園群(狹義)島弧—弧前盆地沉積—火山巖組合以及天水黨川—