岩石学报  2012, Vol. 28 Issue (9): 2950-2962   PDF    
柴达木盆地南缘晚奥陶世万宝沟花岗岩:锆石SHRIMP U-Pb年龄、Hf同位素和元素地球化学
王晓霞1, 胡能高2, 王涛3, 孙延贵4, 巨生成4, 卢欣祥5, 李舢3, 齐秋菊6     
1. 中国地质科学院资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037;
2. 长安大学, 西安 710064;
3. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
4. 青海省地调院, 西宁 810012;
5. 河南省地质科学院, 郑州 450053;
6. 中国地质大学, 北京 100083
摘要: 柴达木盆地南缘万宝沟花岗岩体主要由似斑状黑云母石英二长岩、环斑结构黑云母二长花岗岩和中粒黑云母二长花岗岩组成, 岩体中发育岩浆暗色包体。环斑结构黑云母二长花岗的锆石SHRIMP U-Pb定年为441±5Ma, 表明其形成于晚奥陶世。该花岗岩的SiO2含量变化较大(62.20%~75.32%), 高钾(3.58%~5.15%)和碱(K2O+Na2O>7%), A/CNK为0.98~1.09, 属弱过铝质高钾钙碱性系列;K2O/Na2O (>1)、FeOT/MgO (3.4~6.5)和Ga/Al (2.3~3.1)比值较高, 亏损不相容元素Ba、Sr、Nb、P和Ti, 相对富集Ta、Hf和Zr, 具有A-型花岗岩的特征。黑云母二长花岗岩的εHf(t)=-1.1~10.5, tDM2=744~1490Ma, 变化范围较大, 表明其物质来源具有多源性, 但以壳源为主。较高的εHf(t) (达10)值和较年轻的tDM2(仅为744Ma)暗示, 源区中有年轻组分的参与。结合区域地质特征分析, 认为该花岗岩形成于后造山的拉张环境。万宝沟花岗岩在结构和地球化学特征上与典型环斑花岗岩有相似之处也有差异, 与秦岭中生代环斑结构花岗岩基本相似, 表明中央造山带存在古生代和中生代两期环斑结构花岗岩。这将对中央造山带构造演化的进一步研究具有重要的科学意义。
关键词: 环斑结构花岗岩     SHRIMP锆石U-Pb年龄     地球化学     柴达木盆地南缘     中央造山带    
Late Ordovician Wanbaogou granitoid pluton from the southern margin of the Qaidam basin: Zircon SHRIMP U-Pb age, Hf isotope and geochemistry
WANG XiaoXia1, HU NengGao2, WANG Tao3, SUN YanGui4, JU ShengCheng4, LU XinXiang5, LI Shan3, QI QiuJu6     
1. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. Chang' an University, Xi' an 710064, China;
3. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
4. Institute of Qinghai Province Geological Survey, Xining 810012, China;
5. Institute of Geology, Henan Academy of Geological Sciences, Zhengzhou 450054, China;
6. China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: The Wanbaogou pluton, located in the southern margin of the Qaidam basin, contains porphyro-texture quartz monzonite, rapakivi-textured monzogranite and medium grained monzogranite as well as mafic magmatic enclaves. Zircon SHRIMP U-Pb dating for the rapakivi-textured monzogranite yields 441±5Ma. The granitoids are high K calc-alkalic series and metaluminous with large variation in SiO2 (62.20%~75.32%), high in K2O (3.58%~5.15%) and Na2O+K2O (>7%), and A/CNK of 0.98~1.09. They have high ratios in K2O/Na2O (>1), FeOT/MgO (3.4~6.5) and Ga/Al (2.3~3.1), deplete in Ba, Sr, Nb, P and Ti but rich in Ta, Hf and Zr, showing some features of A-type granite. The εHf(t) and tDM2 of the granite change from-1.1 to 10.5 and 744 Ma to 1490Ma, respectively, suggesting mult-sources for the granitoids. The large εHf(t) (ca.10) values and young tDM2 (744Ma) indicate juvenile component involved in the formation of the granitoids. All above features, together with the regional geology, suggest that the granitoids are in an extensional setting of post collision. The granitoids are similar to the Mesozoic rapakivi-textured granitoids of the Qinling orogen in texture and geological setting, showing that there two periods rapakivi-textured granitoids occurring in the central orogen belt in China.
Key words: Rapakivi-textured granitoids     Zircon SHRIMP U-Pb age     Geochemistry     Southern margin of the Qaidam basin     Central orogen belt    

环斑花岗岩(rapakivi granite)是指具有环斑结构的花岗岩类岩石(Vorma, 1976Bates and Jackson, 1987), 经典的环斑花岗岩大都发育在元古宙稳定的古老克拉通内部, 以北半球克拉通内部近东西向的巨型元古宙环斑花岗岩带为代表。近年来的研究显示, 具有这种结构的花岗岩可以出现在不同的地质历史时期, 而且还可以出现在显生宙的造山带中(Wernick et al., 1997Konopelko et al., 2007)。这些环斑花岗岩的研究将进一步丰富环斑花岗岩的认识, 并为探讨环斑花岗岩的成因和构造环境提供新的依据。

在中国中央造山带已经鉴别出元古代(Xiao et al., 2004)、古生代(卢欣祥等, 2007)和中生代环斑花岗岩(卢欣祥等, 1999)或者环斑结构花岗岩(王晓霞等, 2003), 成为世界上少有的发育三期环斑花岗岩的造山带, 其中, 元古代和古生代环斑花岗岩发育于中央造山带西段, 即柴达木盆地的南缘和北缘, 中生代环斑结构花岗岩发育于西秦岭地区。目前, 对元古代环斑花岗岩和中生代环斑结构花岗岩做了较详细的研究(如Xiao et al., 2004卢欣祥等, 1999, 2007王晓霞等, 2003Wang et al., 2008, 2011), 而古生代环斑花岗岩的研究较弱, 特别是柴达木盆地南缘。这些环斑(结构)花岗岩与秦岭中生代环斑结构花岗岩和典型的非造山环斑花岗岩有何异同?具有什么地质意义?这些都是人们比较关注的问题。

在东昆仑造山带即柴达木盆地南缘, 目前初步确定的环斑(结构)花岗岩有万宝沟岩体和拉达乌岩体(肖庆辉等, 2009), 其中万宝沟岩体曾报道过U-Pb年龄为413±5Ma (许荣华等, 1990), K-Ar年龄是431±7Ma (潘裕生等, 1996), 角闪石Ar-Ar年龄为450Ma (莫宣学等, 2007), 可见, 其年龄还存在不一致性;另外, 该岩体的地球化学特征、岩石成因类型也不很清楚。本文对该岩体进行岩石学和地球化学, 以及锆石年代学和Hf同位素的研究, 并与秦岭造山带中生代环斑结构花岗岩及典型环斑花岗岩进行对比, 探讨其成因, 为柴达木盆地南缘区域构造岩浆演化及中央造山带演化的进一步研究提供新的信息。

1 地质背景

柴达木盆地南缘属于东昆仑造山带, 是中央造山带主体西去撒开的南支。东昆仑造山带南邻巴颜喀喇, 北邻柴达木盆地, 其西端被阿尔金大型走滑断裂所截。在柴达木盆地南缘, 东昆仑造山带以昆中断裂带(缝合带)为界, 分为昆北和昆南两个构造带(潘裕生等, 1996李荣社等, 2007陆松年等, 2006)或两个地体(许志琴等, 2006)。

昆中断裂带即昆中缝合带, 西起新疆境内的阿牙克库木湖北岸, 向东经喀雅喀登格塔格北、开木棋陡里格南、大干沟脑及乌妥等地, 直至清水泉及其以东吉日迈地区, 是一条至少经历了早古生代(寒武纪)和晚古生代(石炭纪)向北俯冲(姜春发等, 2000潘桂棠和丁俊, 2004莫宣学等, 2007)的缝合带。沿缝合带断续出露有超基性岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩和斜长花岗岩, 前人普遍将其厘定为蛇绿岩(陆松年等, 2006)。该断裂带至今仍在活动(于学政等, 1999)。

昆北构造带, 也称东昆仑北地体, 其北部边界为祁曼塔克早古生代俯冲杂岩带/火山岛弧岩浆带, 南部为早古生代俯冲杂岩带/火山岛弧岩浆带(许志琴等, 2006)。基底为高角闪岩相-麻粒岩相的变质岩系, 即金水口群, 其上不整合覆盖浅变质的震旦纪-奥陶纪浅海、滨海相碎屑岩和碳酸盐岩建造。金水口群深变质岩系原岩的同位素年龄为1196~1990Ma (姜春发, 1992)。该带分布有早古生代花岗岩, 并叠置了具有岛弧性质的三叠纪花岗岩(许志琴等, 2006莫宣学等, 2007李荣社等, 2007赵振明等, 2008王岳军等, 1999)。

昆南构造带, 也称东昆仑南地体(许志琴等, 2006)。基底是由浅变质碎屑岩、火山岩和碳酸盐岩组成的万宝沟群, 其上为奥陶纪纳赤台群, 由浅变质碎屑岩和碳酸盐岩组成。该构造带中的震旦纪-奥陶纪地层强烈褶皱, 伴随绿片岩相的变质作用, 并为早古生代花岗岩(453Ma, 许荣华等, 1990)所侵入。晚泥盆世陆相砂砾岩及火山岩盆地不整合复盖, 标志着早古生代造山运动的结束。之后, 还叠加了三叠纪构造岩浆事件。

昆南构造带之南为相当于阿尼玛卿构造带的西延, 该带经历了古特提斯洋盆俯冲及强大的三叠纪造山作用, 两侧发育三叠纪碰撞型花岗岩(许志琴等, 2006李荣社等, 2007)。

东昆仑是一条多旋回的复杂造山带, 经历了前寒武纪(元古宙)、早古生代、晚古生代-早中生代和晚中生代-新生代造山作用, 造山带基底主要形成于古元古代晚期。早古生代的造山作用属祁连-东昆仑加里东造山系统的一部分, 形成了昆中缝合带。晚古生代之后卷入古特提斯构造体制, 南侧沿阿尼玛卿构造带发生三叠纪俯冲闭合。整个东昆仑造山带发育元古代、早古生代(∈-D3)、晚古生代-早中生代(D3-T3)、晚中生代-新生代(J1-C)花岗岩, 其中晚古生代-早中生代花岗岩最发育, 其次为早古生代花岗岩(莫宣学和潘桂棠, 2006)。

2 岩体地质及环斑结构特征

万宝沟花岗岩体发育于柴达木盆地南缘东昆仑造山带的昆南构造带中, 侵入于元古界万宝沟群, 其围岩为千枚岩、灰岩、玄武岩和石英砂岩(图 1)。岩体东端的围岩具有角岩化, 南侧被近东西向的断裂截切。岩体呈长方形, 出露面积约122km2(图 1)。

图 1 万宝沟岩体地质简图(据青海省地质局第一区域地质调查队, 1982) Q-第四系;T-三叠系;D-泥盆系;Pt2-3W-元古界万宝沟群;γR-环斑结构花岗岩;ηγ-二长花岗岩;γδ-花岗闪长岩;δ-闪长岩脉;βμ-辉绿岩脉;1-断层;2-不整合;3-昆中断裂带 Fig. 1 Geological sketch map of the Wanbaogou pluton

①青海省地质局第一区域地质调查队.1982. 1/20万格尔木幅和纳赤台幅地质图

该岩体的主要岩石类型为中粗粒黑云母石英二长岩、中粗粒黑云母二长花岗岩和中细粒二长花岗岩。其中以前两种岩石为主, 各岩石之间基本为过渡关系。中粗粒黑云母石英二长岩为块状构造, 似斑状结构, 环斑结构, 主要矿物组成为斜长石(35%~40%)、碱性长石(40%~45%)、石英(15%左右)和黑云母(5%~8%), 可见角閃石, 副矿物为磷灰石、锆石、褐帘石和铁钛氧化物。斜长石以半自形-自形的板状晶形为主, 发育卡钠复合双晶和聚片双晶, 以细密的聚片双晶多见, An=20~30, 可见环带结构, 具有明显的绢云母化;碱性长石半自形-他形晶, 具卡式双晶和纺锤状格子双晶, 发育钠长石条纹, 可见高岭土化;石英他形晶, 具有波状消光;黑云母半自形片状, Ng=深褐绿色, Np=浅黄色, 具有明显的绿泥石化;角闪石半自形柱状, 为普通角闪石, Ng=深绿色, Np=浅黄绿色, 具有绿泥石化。中粗粒黑云母二长花岗岩为块状构造, 似斑状结构, 环斑结构, 主要矿物组成为斜长石(30%~35%)、碱性长石(35%~40%)、石英(20%~25%)和黑云母(5%~8%), 可见少量的角閃石, 副矿物为磷灰石、锆石、褐帘石和铁钛氧化物, 主要矿物特征与中粗粒黑云母二长花岗岩相似。中细粒二长花岗岩块状构造, 中-细粒结构, 主要矿物为碱性长石(35%~40%)、石英(30%~35%)、斜长石(20%~25%)和黑云母(3%±)。副矿物种类和含量较少, 仅为磷灰石和铁钛氧化物。碱性长石半自形-他形晶, 具卡式双晶和纺锤状格子双晶, 可见条纹结构;斜长石为半自形, 发育聚片双晶, 可见环带结构, An=19~30, 有的边缘具有钠长石镶边;石英他形-半自形, 具有波状消光。

环斑结构主要出现在似斑状黑云母石英二长岩和黑云母二长花岗岩中, 以发育卵球状碱性长石巨晶(图 2)和环斑长石为特点, 也可见较自形的碱性长石巨晶。碱性长石巨晶发育程度不很均匀, 含量一般10%~15%, 局部达20%~25%, 粒径一般为2cm±。碱性长石巨晶均为单晶, 具卡氏双晶, 发育条纹结构。有的具有斜长石外壳, 构成环斑长石, 斜长石外壳较薄, 一般为1mm±。碱性长石巨晶中具有斜长石、石英、角闪石和黑云母等矿物的包裹体, 其分布不具同心圆状特征。斜长石包裹体为自形, 多数发育一个干净的钠长石镶边。石英包裹体为不规则状, 可见水滴状。黑云母和角闪石包裹体呈自形-半自形, 粒度一般小于0.1mm。环斑结构的基质为粗-中粒半自形粒状结构, 主要由碱性长石、石英、斜长石和黑云母组成。

图 2 万宝沟岩体中的卵球状钾长石巨晶(a)和暗色包体(b) (a)-黑云母二长花岗岩具有环斑结构;(b)-黑云母二长花岗岩中的暗色岩浆包体呈浑圆状, 与寄主岩石的界线明显, 其中具有碱性长石巨晶 Fig. 2 Ovoidal alkali feldspar megacrysts (a) and magmatic mafic enclaves (b) in the Wanbaogou pluton

该岩体中发育岩浆暗色包体, 其与寄主岩石的界线明显, 一般呈浑圆状, 在包体中有时可见碱性长石巨晶(图 2)。包体为块状构造, 细粒结构, 主要岩石类型为角闪闪长岩。矿物组成为斜长石(45%~50%)、碱性长石(10%±)、角閃石(10%~15%)和石英(小于5%), 副矿物为磷灰石、锆石、榍石和铁钛氧化物等, 有时可见磷灰石呈针状。

所测样品主要采自岩体的西南部(图 1)。定年样品(WBG1-2)的GPS位置为35°58.764′;94°25.464′;岩性为黑云母二长花岗岩。

3 分析方法

锆石的分选是在河北廊坊地调院完成的。先按常规方法从待测的样品中分离出纯净锆石, 然后在双目镜下手选晶形完好、具有代表性的锆石, 与标准锆石(TEM)一起粘贴在环氧树脂靶上, 并对靶上的标准和待测锆石进行透射光、反射光和阴极发光图像研究。锆石反射光、阴极发光和U-Pb定年均在中国地质科学院SHRIMP中心完成。应用标准锆石TEM (417Ma)进行年龄校正, 用另一标准锆石SL13标定测定锆石的U、Th和Pb含量。锆石SHRIMP U-Pb定年法、实验分析、数据处理流程参见相关文献(宋彪等, 2002刘敦一等, 2003)。

主量元素在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行。采用样品碱熔玻璃片在日本理学RIX2100X荧光光谱仪(XRF)上分析, 经BCR-2和GBW07105标样监控, 分析精度优于1%~5%。微量元素在同一实验室用PE Elan 6100 ICP-MS测定, 分析方法同Gao等(1999)。所有样品经BHVO-1、GSR-1和AGV-1国际标样监控, 多数微量元素的分析精度优于5%。

锆石Hf同位素测试是在中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室的Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)上进行的, 实验过程中采用He作为剥蚀物质载气, 剥蚀直径采用55μm, 测定时使用锆石国际标样GJ1作为参考物质, 分析点位于与U-Pb定年分析点的附近。相关仪器运行条件及详细分析流程参见侯可军等(2007)。分析过程中锆石标准GJ1的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282015±31 (2SD, n=10), 与文献报道值(侯可军等, 2007Elhlou et al., 2006)在误差范围内完全一致。

4 测试结果 4.1 锆石SHRIMP U-Pb测年

万宝沟岩体的黑云母二长花岗岩中挑选出的锆石粒级较大, 一般为150~250μm, 为无色、浅褐色、玫瑰色、淡黄色的透明自形晶, 大多为板状或长板状, 长宽比一般为3:1左右。发育多层同心环带, 显示了岩浆结晶成因的特点(图 3a), 个别锆石显示核、幔结构, 核部浑圆状, 无明显结晶环带, 显示残留核或继承核的特征。

图 3 万宝沟花岗岩中锆石阴极发光图像(a)和U-Pb年龄协和图(b) Fig. 3 Zircon CL images (a) and concordia diagram showing zircon analyses (b) for the Wanbaogou granite

对该样品中的15颗锆石测定了17个点, 分析结果见表 1。两个位于锆石核部的测点(WBG-8.1和WBG-16.1)获得的206Pb/238U年龄为471Ma和443Ma, 一个不谐和年龄467Ma, 可能是由于附近包裹体的存在造成, 除了471Ma和467Ma两个年龄外, 其余15个位于幔部的测点和一个核部测点给出的206Pb/238U年龄为423~456Ma (表 1图 3b)。它们的206Pb/238U平均年龄为441±5Ma, 代表了岩石的结晶年龄, 表明该岩石形成于晚奥陶世。

表 1 万宝沟花岗岩锆石SHRIMP U-Pb测年结果 Table 1 SHRIMP zircon U-Pb dating data for the Wanbaogou granite
4.2 地球化学

万宝沟花岗岩的总体化学成分变化较大, 偏基性(表 2)。从黑云母石英二长岩-黑云母二长花岗岩-二长花岗岩, 其SiO2和K2O的含量明显增加, Al2O3、CaO和MgO的含量明显减小。这些花岗岩总体上高碱、富钾, 属于高钾钙碱性系列-钾玄质系列, 主体为高钾钙碱性系列(图 4a)。所有样品的A/CNK变化于0.98~1.07之间, 绝大多数样品在1.0左右, 为准铝质-弱过铝质岩石(图 4b)。

表 2 万宝沟花岗岩元素地球化学分析结果(主量元素:wt%;稀土和微量元素:×10-6) Table 2 Whole-rock chemical compositions for the Wanbaogou granitoids (Major elements: wt%; Trace elements: ×10-6)

图 4 SiO2-K2O (a)和A/NK-A/CNK (b)图解 Fig. 4 SiO2-K2O (a) and A/NK-A/CNK (b) diagrams

在稀土元素组成上, 黑云母石英二长岩和黑云母二长花岗岩的REE含量较高, 为220×10-6~299×10-6, 二长花岗岩的REE含量变化较大。不同岩性的岩石具有相似的球粒陨石标准化稀土元素配分模式(图 5a), 均表现为轻稀土富集和重稀土弱亏损, (La/Yb)N=4.28~20.76, 配分曲线为右倾型, 具有弱-中等程度的负Eu异常, Eu*/Eu=0.24~0.68, 反映岩浆源区可能存在残留的斜长石或在岩浆结晶过程中有斜长石的分离作用。

图 5 稀土元素配分图(a)和微量元素蛛网图(b) Fig. 5 Chondrite-normalized REE abundances (a) and primitive mantle-normalized trace element (b) diagrams

该花岗岩的微量元素含量变化较大: Rb=130×10-6~295×10-6、Sr=74×10-6~268×10-6、Ba=157×10-6~1061×10-6、Y=19.3×10-6~44.8×10-6、Zr=66.7×10-6~389×10-6、Hf=1.94×10-6~8.42×10-6、Nb=6.77×10-6~21.6 ×10-6, 但不同岩性的岩石具有相似的微量元素原始地幔标准化曲线特征(图 5b), 它们均具有Ba、Nb、P和Ti的明显负异常, 但Zr和Hf无明显的异常。

4.3 锆石Hf同位素组成

锆石原位Lu-Hf同位素分析结果见表 3。对万宝沟花岗岩(样品WBG)中锆石分析了15个点, 这15个点的U-Pb年龄与岩体的成岩年龄基本一致。锆石的176Hf/177Hf比值较一致, 为0.282483~0.282819。εHf(441Ma)有2个点为10左右, 二阶段Hf模式年龄(tDM2)为742~774Ma, 其余14个点为-1.1~5.6, 二阶段Hf模式年龄(tDM2)为1070~1490Ma (图 6)。

表 3 万宝沟花岗岩的锆石Hf同位素分析结果 Table 3 Lu-Hf isotope data of zircons from the Wanbaogou granitoid

图 6 Hf同位素图解(a)、εHf(t)直方图(b)和tDM2直方图(c) Fig. 6 εHf(t)-t(a) and probabilities of εHf(t) (b) and tDM2 (c) diagrams
5 讨论 5.1 万宝沟花岗岩的形成年龄

万宝沟岩体已报道的3个年龄中, K-Ar年龄(431Ma, 潘裕生等, 1996)和角闪石Ar-Ar年龄(450Ma, 莫宣学等, 2007)明显老于U-Pb年龄413±5Ma (许荣华等, 1990), 很不合理, 特别是对这样的深成岩体。该岩体确切的年龄是什么?哪些年龄较为可靠?还需要进一步验证。本研究显示, 该岩体中锆石的内部结构和成分较复杂(图 3), 如有的锆石含有包裹体, 有的具有残留核。对此, 一般的TIMS锆石测年方法难于给出准确的结果。本次采用锆石SHRIMP定年获得较好的结果。除了一个锆石核部的年龄471Ma和一个不谐和年龄467Ma外, 15个测点给出的206Pb/238U年龄为423~456Ma, 平均年龄为441±5Ma。这些测点大都选择在具有岩浆结晶环带锆石的幔部和边部, 可以代表锆石的形成年龄, 进而可以代表黑云母二长花岗岩的成岩年龄。该岩体中的中粗粒黑云母石英二长岩、黑云母二长花岗岩和中细粒二长花岗岩之间基本为过渡关系, 形成时间应基本一致, 因此, 可以认为441±5Ma为该岩体的成岩年龄。前人获得的K-Ar和Ar-Ar年龄为何如此接近或者略老于本次获得的锆石SHRIMP年龄还有待于进一步研究。

在该研究区, 同位素年代学特别是锆石年代学测年已经确定有晚寒武世-中奥陶世(500~450Ma)、晚奥陶世-早志留世(440~420Ma)、晚志留世-中泥盆世(415~380Ma)花岗质侵入岩(李荣社等, 2007赵振明等, 2008)。万宝沟岩体应该是晚奥陶世-早志留世侵入岩的一部分。

5.2 环斑结构特征

环斑结构是花岗岩的一种特殊结构, 有狭义和广义两种。狭义的定义限定具有斜长石外壳的碱性长石巨晶应是卵球状的, 碱性长石和石英具两个世代(如Vorma, 1976);广义的定义为碱性长石巨晶具斜长石外壳均为环斑结构(碱性长石以卵球状为主, 也可以见到自形或半自形的)(如Rämö and Haapala, 1995)。从以上描述可以看出, 万宝沟花岗岩具有环斑结构的基本特征, 碱性长石巨晶基本成卵球状, 其中发育石英、斜长石、角闪石和黑云母等包裹体, 有的具有斜长石外壳。但与典型环斑结构相比还有差异。万宝沟岩体中的碱性长石巨晶形态以卵球状为主, 也出现有自形-半自形晶, 典型环斑花岗岩, 如芬兰维堡岩体、北京密云岩体、柴北缘的鹰峰和塔塔楞岩体中的碱性长石巨晶几乎均为卵球状(Rämö and Haapala, 1995郁建华等, 1996胡能高等, 2007胡能高等, 2008);环斑长石的外壳不太发育, 该岩体中环斑长石的含量较少, 为10%~15%, 典型的芬兰维堡岩体和塔塔楞环斑花岗岩岩体中环斑长石的含量可达50%~60%;碱性长石中矿物包裹体的数量较少, 同心圆状分布的特征没有典型环斑花岗岩的明显。鉴于该岩体的结构特征与典型环斑花岗岩的结构还有一定的差异, 而与秦岭中生代环斑结构花岗岩的(王晓霞等, 2002, 2003Wang et al., 2008)一致, 笔者建议将该花岗岩也称为环斑结构花岗岩。值得注意的是环斑结构指的是碱性长石巨晶呈卵球状, 有的具有斜长石外壳, 这是与一般的似斑状和斑状结构的不同之处。

5.3 成因类型

万宝沟岩体中的主要岩性为二长花岗岩, 其中的暗色矿物为黑云母和普通角闪石, 副矿物主要为磷灰石、锆石、褐帘石和铁钛氧化物。在地球化学上, 总体高硅、高钾、高碱、弱过铝质, FeOT/MgO、Ga/Al比值较高, 较富集Ga、Zr和轻稀土元素。在花岗岩判别图(Whalen et al., 1987Eby, 1990, 1992)中, 主要位于A-型花岗岩区以及I-和A-型花岗岩的过渡区(图 7)。但在Frost et al.(2001)的花岗岩分类图中位于A-型花岗岩区域(图 8)。可见, 该花岗岩具有A-型花岗岩的特征。

图 7 Fe2OT-Zr+Nb+Ce+Y (a)和Nb-10000×Ga/A (b)图解 Fig. 7 Fe2OT-Zr+Nb+Ce+Y (a) and Nb-10000×Ga/Al (b) diagrams

图 8 花岗岩的FeOT/(FeOT+MgO)-SiO2(a)和(Na2O+K2O-CaO)-SiO2 (b)图解(图中的A-型花岗岩区域据Frost et al., 2001) Fig. 8 Classification diagrams of FeOT/(FeOT+MgO) vs. SiO2 (a) and (Na2O+K2O-CaO) vs. SiO2 (b) for Wanbaogou granites (the with a field for A-type granites after Frost et al., 2001)

对A-型花岗岩的概念有着不同的理解(Collins et al., 1982Whalen et al., 1987Eby, 1992刘昌实等, 2003)。Hong et al.(1995)把A-型花岗岩分为AA-型(非造山)和PA-型(后造山)两类。Bonin (2007)提出, A-型花岗岩是指在Frost et al.(2001)花岗岩分类方案中属于铁质, 碱性-碱钙性, 准铝质、弱过铝质或过碱质的一大类岩石。如果考虑到Bonin (2007)的建议, 可以将万宝沟花岗岩归为A-型花岗岩, 应为弱铝质A-花岗岩。因此, 在Eby (1992)提出的A1-和A2-亚类的分类中属于A2-型(图 9)。但值得注意的是, 与典型的A-型花岗岩相比, 该花岗岩的FeOT、Na2O+K2O、Nb和Sr含量比较低, K/Ba、Rb/Sr比值低, 显示出I-A过渡性的特征, 可见, 万宝沟花岗岩具有非典型A-型花岗岩的特征。

图 9 A-型花岗岩的Ce/Nb-Y/Nb (a)和Yb/Ta-Y/Nb (b)图解 Fig. 9 Ce/Nb-Y/Nb (a) and Yb/Ta-Y/Nb (b) diagrams for A-type granites

在东昆仑地区中晚寒武世-中奥陶世(500~450Ma)侵入岩的主要岩性为石英闪长岩和花岗闪长岩;晚奥陶世-早志留世(440~420 Ma)的侵入岩以似斑状二长花岗岩和二长花岗岩为主;晚志留世-中泥盆世(415~380Ma)以二长花岗岩-钾长花岗岩为主(王岳军等, 1999赵振明等, 2008李荣社等, 2007)。这似乎显示东昆仑地区古生代花岗岩浆有向富硅和富钾演化的趋势。目前在东昆仑地区还没有发现具有A-型特征的早古生代花岗岩。万宝沟岩体是目前确定的具非典特征的A-型花岗岩岩体。考虑到早期(500~450Ma)以英云闪长岩、花岗闪长岩为主具有明显的I-型花岗岩特征(王岳军等, 1999赵振明等, 2008李荣社等, 2007), 万宝沟花岗岩的出现可能是该区古生代花岗岩浆作用演化的结果, 至少暗示是演化过程中成分的一个转变。

5.4 源区物质

关于A-型花岗岩的物质来源目前主要有三种认识;(1)来源于下地壳, 是经过熔体析离后的麻粒岩部分熔融的结果(Collins et al., 1982Clemens et al., 1986Whalen et al., 1987), 或是由石英闪长岩、英云闪长岩和花岗闪长岩部分熔融形成(Anderson and Bender, 1989, Creaser et al., 1991King et al., 2001Dall’Agnol et al., 1999);(2)来源于地幔, 为底侵玄武岩浆演化物分离结晶形成(Frost et al., 1999);(3)来源于壳幔岩浆的混合(Wickham et al., 1996Mingram et al., 2000)。

万宝沟花岗岩的Yb/Ta (1.73~3.93), Y/Nb (1.97~2.90)和Ce/Nb (3..93~8.68)比值高于洋岛玄武岩(OIB), 而低于岛弧玄武岩(IAB), 因此, 在Yb/Ta-Y/Nb和Ce/Nb-Y/Nb相关图中, 基本位于平均地壳区域(图 9)。该花岗岩具有明显的Ba、Sr、Nb、P和Ti负异常(图 5b), 也表明其源区主要是壳源物质, 同时, 其Ba相对于Th和Rb亏损, 是许多成熟度高的陆壳岩石的特点(如, Whalen et al., 1987)。

但该花岗岩的εHf(t)变化范围较大, 为-1.1~10.5, 主要集中在-1.1~5.6, 位于球粒陨石和亏损地幔之间;二阶段Hf模式年龄(tDM2)也主要集中在为1070~1490Ma, 最年轻的tDM2为742~774Ma。在εHf(t)和tDM2εHf(t)直方图上(图 6b, c), εHf(t)和tDM2显示了两个区段, 表明该花岗岩至少有两种物源, 一种为相对古老的壳源物源, 另一种为年轻的与幔源有关的物质。古老的地壳物质是其主要的源区, 可能为中元古代(如万宝沟群, 其年龄为1343±30Ma, 王国灿等, 2007)。与幔源有关的物质可能是年轻的地壳物质, 也可能是年轻的幔源物质, 从该岩体中发育有岩浆暗色包体来看, 后一种的可能性大一些, 可能是岩浆混合所致。同时该花岗岩有较大的εHf(t)、Cr (1.53×10-6~21.3×10-6)和Ni (0.82×10-6~21.7×10-6)变化范围也是多源的表征之一。这些均表明形成花岗岩的物质不是单一来源的, 虽以壳源物质为主, 但也有年轻物质的贡献。

5.5 构造环境及地质意义

前人的研究显示(莫宣学等, 2007李荣社等, 2007), 东昆仑地区在早寒武世为洋盆形成及扩张阶段, 中寒武世开始进入俯冲阶段, 持续到晚奥陶世, 形成大量的弧花岗岩, 在晚泥盆世已进入造山后崩塌阶段(李荣社等, 2007潘裕生等, 1996)。由此推测, 在这样的区域构造演化框架下, 晚奥陶世万宝沟岩体有可能是岛弧环境下的产物。

但是, 从该岩体自身的特点看, 它属于高钾钙碱性系列, 具有A-型花岗岩的一些特点。大量的研究结果表明, A-型花岗岩多形成于造山后和非造山拉张环境(Pearce et al., 1984Whalen et al., 1996Eby, 1992Pitcher, 1997Whalen et al., 1987), 其中A2-型花岗岩多形成于构造岩浆活动后期阶段(Eby, 1990, 1992)。同时, 该岩体中岩浆暗色包体发育, 以及辉绿岩脉的出现, 辉绿岩脉的年龄(见另文)与花岗岩的在误差范围内一致, 显示了双峰式岩浆作用的特征。另外, 该岩体发育环斑结构, 目前的研究显示, 出现这种特殊结构的花岗岩一般多形成于相对伸展的造山晚期或者后造山甚至非造山环境(王晓霞等, 2003Wang et al., 2011)。还有, 该岩体没有发生强烈变形, 未见强烈的接触变形带, 总体构造形式具有后构造特点, 因此, 万宝沟岩体应为造山晚期即碰撞晚期或者后碰撞产物, 即昆北和昆南地块后碰撞产物。

重要的是, 从区域构造背景分析, 该岩体产于昆中缝合带南侧, 与昆中缝合带向北的俯冲不配套, 不可能是向北俯冲的弧花岗岩。如果该时期, 在昆南构造带发育有弧花岗岩的话, 应该是昆中缝合带向南俯冲的产物或者是阿尼玛卿缝合带向北俯冲的产物, 但是目前还没有发现昆中缝合带向南俯冲的迹象, 而昆南阿尼玛卿带是三叠纪的俯冲带。因此, 从构造空间位置配置来看, 该花岗岩不具有弧花岗岩的地质背景。

综上所述, 如果将万宝沟花岗岩理解为昆仑造山带早古生代花岗岩浆演化的晚期阶段产物, 对应俯冲碰撞造山晚期阶段即(昆北和昆南地块)碰撞晚期(或者后碰撞)阶段, 则暗示晚奥陶世该地区强烈的造山作用接近晚期, 发生构造环境转折, 开始进入后碰撞演化阶段。这为确定昆中缝合带在晚奥陶世闭合提供了证据, 也与前人认为的东昆仑早古生代中泥盆世进入后造山阶段的认识(李荣社等, 2007莫宣学等, 2007赵振明等, 2008)是一致的, 只是将进入后造山阶段的时间提前到晚奥陶世-早泥盆世。

6 结论

(1)万宝沟花岗岩的锆石SHRIMP U-Pb定年为441±5Ma, 即晚奥陶世, 是东昆仑晚奥陶世-早志留世岩浆作用的组成部分。

(2)万宝沟花岗岩属于高钾钙碱性系列, 具有环斑结构和A-型花岗岩的一些特征, 花岗岩体中还发育有同时代的辉绿岩脉, 是碰撞晚期或者后碰撞的产物, 可能形成于昆北和昆南地块碰撞后阶段。

(3)元素地球化学和锆石Hf同位素组成显示, 该花岗岩的源区物质是多源的, 以壳源物质为主, 卷入有年轻组分, 结合岩体中岩浆暗色包体的发育, 其年轻组分可能主要为年轻的幔源组分。

致谢 北京SHRIMP中心在锆石年龄测试、西北大学大陆动力学实验室在元素地球化学分析、中国地质科学院矿产资源所同位素实验室侯可军在Hf同位素测试中给予大力的帮助, 在此一并表示感谢。
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