岩石学报  2012, Vol. 28 Issue (9): 2831-2842   PDF    
引用本文
相振群, 李怀坤, 陆松年, 周红英, 李惠民, 王惠初, 陈志宏, 牛健. 2012. 泰山地区古元古代末期基性岩墙形成时代厘定--斜锆石U-Pb精确定年. 岩石学报, 28(9): 2831-2842  
XIANG ZQ, LI HK, LU SN, ZHOU HY, LI HM, WANG HC, CHEN ZH and NIU J. 2012. Emplacement age of the gabbro-diabase dike in the Hongmen scenic region of Mount Tai, Shandong Province, North China: Baddeleyite U-Pb precise dating. Acta Petrologica Sinica, 28(9): 2831-2842(in Chinese with English abstract)   
泰山地区古元古代末期基性岩墙形成时代厘定--斜锆石U-Pb精确定年
相振群1,2, 李怀坤2, 陆松年2, 周红英2, 李惠民2, 王惠初2, 陈志宏2, 牛健3     
1. 中国地质大学, 北京 100083;
2. 天津地质矿产研究所, 天津 300170;
3. 泰山风景名胜区管理委员会, 泰安 271000
2011-12-25 收稿; 2012-04-30 改回.
基金项目: 本文受中国地质调查局国土资源大调查项目(1212011120155、1212011120130) 和国土资源部公益性行业科研专项(200911043-15) 联合资助
通讯作者: 相振群, 男, 1977年生, 助理研究员, 博士生, 从事前寒武纪地质研究, E-mail: tjxzhenqun@hotmail.com
摘要: 华北克拉通经过吕梁运动在~1.85Ga完成克拉通化, 之后从1.80Ga至1.32Ga发育大量标志哥伦比亚超级大陆裂解的地质记录。本文利用高精度热电离质谱法(ID-TIMS) 和离子探针质谱法(SIMS), 对发育于泰山红门景区的辉长辉绿岩墙进行了斜锆石U-Pb同位素年龄测定, 获得了在误差范围内一致的辉长辉绿岩侵位年龄1621.1±8.8Ma (ID-TIMS) 和1632.4±4.2Ma (SIMS)。该研究成果修正了前人对泰山红门景区辉长辉绿岩侵位年龄的模糊认识, 证明了红门景区辉长辉绿岩是与华北克拉通南缘龙王碱性花岗岩、华北克拉通北缘大红峪期碱性火山岩和岩床同期的岩浆事件的产物, 是哥伦比亚超级大陆初始裂解作用在华北克拉通的岩浆作用响应。
关键词: 辉长辉绿岩墙     斜锆石U-Pb测年     泰山     华北克拉通    
Emplacement age of the gabbro-diabase dike in the Hongmen scenic region of Mount Tai, Shandong Province, North China: Baddeleyite U-Pb precise dating
XIANG ZhenQun1,2, LI HuaiKun2, LU SongNian2, ZHOU HongYing2, LI HuiMin2, WANG HuiChu2, CHEN ZhiHong2, NIU Jian3     
1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, Tianjin 300170, China;
3. Mount Taishan Management Committee, Tai'an 271000, China
Abstract: A series of 1.80~1.32Ga geological events marking the break-up of the Columbia Supercontinent took place in the North China Craton after cratonization by ca. 1.85Ga through the Lüliang Orogeny. Among them mafic dike swarms are one type of representative geological records formed during the initial rifting period of the Columbia Supercontinent. The gabbro-diabase dike occurred in the Hongmen Scenic Region of Mount Tai, western Shandong Province, was probably formed during the initial rifting period of Columbia, but with very poor age constraints. By means of two modern dating methods of ID-TIMS and SIMS, the authors of this paper analyzed baddeleyite U-Pb isotopic ages of the gabbro-diabase dike; two consistent ages with error were obtained, 1621.1±8.8Ma (ID-TIMS) and 1632.4±4.2Ma (SIMS). This achievement leads to amendment of the previous imprecise emplacement timing of the Hongmen gabbro-diabase dike. It is demonstrated that the Hongmen gabbro-diabase dike is coeval with the Longwangzhuang alkaline granite in the southern margin of the North China Craton and the Dahongyu Stage alkaline volcanics and sill in the northern margin of the North China Craton; confirmed to be the product during the initial rifting period of the Columbia Supercontinent.
Key words: Gabbro-diabase dike     Baddeleyite U-Pb dating     Mount Tai     North China Craton    

多数地质学家倾向于华北克拉通在古太古代已开始形成初始陆核(Wang and Mo, 1995；白瑾等, 1996；伍家善等, 1998；邓晋福等, 1999；翟明国, 2004), 而后陆核在不同的时代有不同规模的增生和拼贴形成较大的陆块, 到新太古代末期华北克拉通已具雏形。古元古代时期原始克拉通发生破裂, 并通过吕梁运动再一次焊接起来(白瑾等, 1996；程裕祺等, 1994；沈其韩和钱祥麟, 1995；翟明国, 2010, 2011)。但Zhao et al.(1998, 1999, 2001, 2003, 2005) 认为华北在太古宙末期仍是两个独立的块体, 由大洋所隔, 在古元古代时期经中部造山带拼合到一起。尽管大家对华北克拉通在早前寒武纪时期的拼合方式存在争议, 但是都认为在~1.85Ga前后最终形成统一的克拉通(Zhao et al., 2001；Wilde et al., 2002；Kusky and Li, 2003；Zhai and Liu, 2003)。华北克拉通也从~1.80Ga以后开始进入大规模的伸展时期, 产生大量标志全球超级大陆--哥伦比亚超大陆初始裂解作用在华北克拉通的响应的地质事件记录, 在克拉通南缘发育以熊耳群火山岩系为代表的熊耳中条坳拉槽(赵太平等, 2004a), 在克拉通北缘发育以碎屑岩-碳酸盐岩组合占统治地位的燕辽坳拉槽(陈晋镳等, 1980), 在五台山、恒山地区发育大规模~1.78Ga的基性岩墙群(如李江海等, 2001；彭澎等, 2004), 在华北克拉通北缘中部发育~1.7Ga的以大庙斜长岩和密云环斑花岗岩为代表的AMCG火成岩组合(郁建华等, 1996；赵太平等, 2004b；杨进辉等, 2005)。

与华北克拉通其他地区一样, 鲁西地区也发育大量标志哥伦比亚超大陆裂解的基性岩墙群, 前人对这些岩墙群开展了大量研究工作, 获得了一系列重要研究成果(王世进, 1991；庄育勋等, 1995, 1997；侯贵廷等, 2005a, b, c；Hou et al., 2006)。就其形成时代而言, 前人也做了大量有益的探索, 山东省区域地质调查系统获得了中元古代基性岩墙群(霞峰岩体) 的K-Ar年龄1149Ma和1503Ma (山东地矿局地质一队, 1960①)、Sm-Nd年龄1328Ma和1718Ma (东地矿局地质八队, 1989②)；莱芜辉绿岩墙锆石SHRIMP U-Pb年龄1139±25Ma和1157±18Ma (侯贵廷等, 2005b) 泰山地区红门期辉长辉绿岩K-Ar全岩年龄2181Ma (山东地矿局地质一队, 1995③) 和1760Ma (庄育勋等, 1995)、SHRIMP锆石U-Pb年龄1830±17Ma (Hou et al., 2006)。由于K-Ar和Sm-Nd测年技术的局限性, 上述相关岩墙年龄的可靠性是有限的；由于基性岩中的锆石的成因通常非常复杂, 多数为捕获或继承锆石, 因此基性岩的锆石U-Pb年龄的地质意义也应该谨慎对待。而斜锆石具有极强的成因专属性--是在硅不饱和的基性-超基性岩浆中形成的, 斜锆石通常含有适当的U和极低的初始普通铅, 且该矿物的U-Pb同位素体系的封闭性很好, 是解决基性-超基性岩形成年龄的理想的测年对象(李惠民等, 2007；李怀坤等, 2009)。为了解决泰山地区红门期基性岩墙群的侵位时代问题, 我们对该期岩墙群进行了野外样品采集和室内斜锆石分选, 精确测定了斜锆石U-Pb同位素年龄。

①山东地矿局地质一队.1960.1：5万伹徕山、东王庄幅区调报告

②山东地矿局地质八队.1989.1：5万夏蔚、沂水县幅区调报告

③山东地矿局地质一队.1995.1：5万仲宫等四幅区调报告

1 地质背景和测年样品岩石学特征

位于鲁西山区西北隅的泰山是太古宙花岗岩-绿岩带出露的经典地区, 雁翎关岩群内有我国最早发现的科马提岩, 泰山景区内出露有鲁西三期古老侵入体, 并多处保存有太古宙末期深成岩之间的侵入和被侵入关系, 这些罕见的地质现象极大地提升了泰山在地质科学研究中的地位。早期研究认为, 泰山景区三期古老侵入体自老到新为：(1)2700~2600Ma的新甫山期英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩类(TTG), (2)2600~2500Ma的中天门期闪长岩类, (3)2450~2400Ma的傲徕山期花岗岩类(如王世进, 1991)。但是, 对上述侵入岩类的时间序列及精细年代格架一直存有争议, 例如庄育勋等(1995, 1997) 认为中天门期闪长岩类侵入时间晚于傲徕山期花岗岩类。陆松年等(2008)对泰山古老侵入岩系年代格架进行了系统地厘定, 获得了大量宝贵的、精确可靠的SHRIMP和LA-MC-ICPMS锆石U-Pb同位素年龄数据, 揭示了泰山地区存在：(1) 新太古代末期-古元古代初期(2.40~2.55Ga) 的花岗岩类；(2) 新太古代中期TTG组合(2.60~2.65Ga)；(3) 新太古代中期辉长岩(~2.68Ga), 侵入于斜长角闪岩中；(4) 新太古代早期(2.70~2.75Ga) 泰山岩群及侵入体。

泰山风景名胜区发育两条规模较大的辉长辉绿岩墙，一条走向近NNW，出露长度10km以上；另一条走向NE，出露长度15km以上(图 1)。本文研究对象为出露于风景区红门景区的辉长辉绿岩墙，NNW走向。在古元古代晚期(以国际地质年代表为参照系，以1600Ma作为古-中元古代的界线年龄) 发育的该辉长辉绿岩墙宽20~40m，直立，走向上平直，切穿了中天门期英云闪长岩、石英闪长岩和二长花岗岩等。采样点位于红门景区醉心石附近，采样点地理坐标：N36°13.3′E117°06.9′。

图 1 泰山地区地质简图(据山东地矿局地质一队, 1995修改) 1-泰山岩群；2-角闪岩；3-闪长岩；4-英云闪长岩；5-石英闪长岩；6-二长花岗岩；7-辉长辉绿岩；8-第四系；9-采样位置 Fig. 1 Geological sketch map of Mount Tai

测年样品为新鲜的辉长辉绿岩(图 2), 在相距不远的岩石露头的不同部位采集了三件样品(SD0607、SD0801-1和SD0801-2)。岩石由蚀变斜长石(55%~60%)、辉石(40%) 和少量石英(＜5%) 组成, 副矿物主要为磁铁矿和磷灰石。矿物粒径0.2~4mm。斜长石呈半自形-自形板状、长板状, 具较强帘石、绢云母化。辉石呈浅褐色柱状, 有的被阳起石交代, 分布于斜长石格架间。石英呈他形粒状充填斜长石和辉石粒间。岩石具有辉长辉绿结构、块状构造。

图 2 泰山红门景区辉长辉绿岩显微照片 Fig. 2 Photomicrograph of gabbro-diabase in the Hongmen scenic region of Mount Tai

根据岩石化学分析结果(表 1), 泰山红门景区辉长辉绿岩化学组成特征如下：SiO2为50.14%~50.34%, MgO为5.2%~7.44%, FeOT为10.1%~13.2%, K2O+Na2O为2.8%~4.25%, Al2O3为12.11%~15.21%, 具有较低的TiO2含量, 1%~1.56%。具有低的烧失量(三件样品的LOI分别为0.84%, 0.96%和1.19%), 表明蚀变不是很强烈。样品的Mg#为47.8~54.3, 显示演化的玄武岩的特征。从原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图 3a) 可以看出, 三个样品具有较高的大离子亲石元素含量, 显示Nb的负异常, 表明有地壳物质的混染；另外有两个样品具有Sr负异常, 一个具有Sr正异常, 可能是由于不同程度的地壳混染所致。在球粒陨石标准化的稀土配分模式图上(图 3b), 样品显示轻稀土富集右倾, 表明岩浆可能源于富集的地幔源区, 有轻微的Eu正异常, δEu分别为1.03, 1.17, 1.08, 表明未发生斜长石明显的分离结晶作用。Nb/U比值可以灵敏的指示是否经历了明显的地壳混染(在OIB和MORB中Nb/U比值为47, 球粒陨石和原始地幔为34, 大陆地壳为9.7), 样品的Nb/U比值范围为16.46~17.63, 表明来自深部的基性岩浆经历了显著的地壳混染作用。

表 1 泰山红门景区辉长辉绿岩地球化学成分分析结果(主量元素：wt%；稀土和微量元素：×10-6) Table 1 Geochemical analysis results of the gabbro-diabase in the Hongmen scenic region of Mount Tai (Major elements: wt%; Trace elements: ×10-6)

图 3 辉长辉绿岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(a, 标准化值据McDonough et al., 1992) 和球粒陨石标准化稀土配分模式图(b, 标准化数值据Boynton, 1984) Fig. 3 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram (a, normalization values after McDonough et al., 1992) and chondrite-normalized rare-earth element distribution pattern (b, normalization values after Boynton, 1984) of the gabbro-diabase

从该辉绿岩中分选出了适合进行U-Pb同位素测年的矿物斜锆石。斜锆石为紫红色透明片状小晶体, 晶体粒度变化很大, 晶体短轴10~70μm, 长轴方向可达20~150μm；阴极荧光照片显示, 测年样品斜锆石阴极发光很弱：很多颗粒或者很多颗粒的大部分晶域的发光比环氧树脂靶还弱。斜锆石内部具有不规则的条带状分带特征(图 4)。

图 4 泰山红门景区辉长辉绿岩斜锆石阴极发光图像 比例尺线段长度为30μm Fig. 4 Cathodeluminescence images of baddeleyite from the gabbro-diabase in the Hongmen scenic region of Mount Tai
2 实验方法和测年结果

野外采集新鲜的辉长辉绿岩样品约30kg, 首先用水将样品表面清洗并晾干、粉碎至80目, 然后经过用水粗淘、强磁分选、电磁分选和用酒精细淘之后, 在实体显微镜下手工挑选出斜锆石。斜锆石分选工作在河北省廊坊区域地质调查所实验室完成。斜锆石U-Pb同位素测年采用同位素稀释热电离质谱(ID-TIMS) 法和二次离子探针质谱(SIMS) U-Pb法两种方法。

斜锆石的ID-TIMS测年采用与Krogh (1973)类似的方法, 其要点如下：用化学方法(采用硝酸和氢氟酸混合溶剂) 将斜锆石置于高压溶样灌中加热至200℃左右进行溶解, 加入208Pb-235U混合稀释剂。U和Pb经过离子交换树脂分离和纯化后, 在VG 354型质谱仪上进行U和Pb同位素测定, 最后计算得到斜锆石的U-Pb同位素年龄。斜锆石的U-Pb同位素ID-TIMS测年工作在天津地质矿产研究所同位素实验室完成。

斜锆石SIMS测年方法：将斜锆石样品颗粒和斜锆石标样Phalaborwa (Heaman and LeCheminant, 1993；Heaman, 2009) 浇铸在环氧树脂靶上, 然后抛光至斜锆石的核部。对斜锆石进行透射光和反射光显微照相以及阴极发光图象分析, 以检查斜锆石的内部结构、帮助选择适宜的测试点位。样品靶在真空下镀金以备分析。斜锆石U、Th、Pb同位素测定在中国科学院地质与地球物理研究所CAMECA IMS-1280二次离子质谱仪(SIMS) 上进行, 详细分析方法见Li et al.(2010)。斜锆石标样与斜锆石样品以1：3比例交替测定。U-Th-Pb同位素比值用标准斜锆石Phalaborwa (2059.6Ma, Heaman and LeCheminant, 1993；Heaman, 2009) 校正获得, U、Pb含量采用标准斜锆石Phalaborwa (U：370±33×10-6, 1SD；Pb：140±12×10-6, 1SD) 校正获得(Li et al., 2010), 普通Pb校正采用实测204Pb值。由于测得的普通Pb含量非常低, 假定普通Pb主要来源于制样过程中带入的表面Pb污染, 以现代地壳的平均Pb同位素组成(Stacey and Kramers, 1975) 作为普通Pb组成进行校正。同位素比值及年龄误差均为1σ。数据结果处理采用ISOPLOT/Ex v. 2.49软件(Ludwig, 2001)。

ID-TIMS法斜锆石U-Pb测年结果见表 2和图 5。共测定获得了5个U-Pb同位素数据点, 1-3号点为样品SD0607的测点, 4-5号点为样品SD0608-2的测点。全部5个点都是谐和的数据点(谐和度均接近100%), 全部5个点的206Pb/238U表面年龄加权平均值为1621.1±8.8Ma。

表 2 辉长辉绿岩中斜锆石ID-TIMS U-Pb同位素分析结果 Table 2 ID-TIMS U-Pb isotopic data of the baddeleyite from the gabbro-diabase

图 5 泰山红门景区辉长辉绿岩斜锆石TIMS U-Pb同位素年龄谐和图(据陆松年等, 2008) Fig. 5 TIMS U-Pb concordia of baddeleyite from the gabbro-diabase in the Hongmen scenic region of Mount Tai (after Lu et al., 2008)

SIMS法斜锆石U-Pb测年结果见表 3和图 6。共测定了28个U-Th-Pb同位素数据点, 其中样品SD0607的测点19个、样品SD0608-1的测点9个。U-Pb年龄谐和度均比较好, 其中25个点的谐和度在90至110之间, 另有一个点的谐和度为111, 只有两个点的谐和度较差分别为114(SD0607@11) 和115(SD0608-1@8)。全部数据点具有在误差范围内基本一致的年龄, 全部28个点的207Pb/206Pb表面年龄加权平均值为1632.4±4.2Ma (95%置信度, MSWD=1.02, 2σ)；而谐和度相对较好的26个点(不包括谐和度分别为114和115的两个点) 的谐和年龄为1632.7±8.6Ma (95%置信度, MSWD=0.061, 2σ)。二者在误差范围内完全一致。SIMS法结果与前述ID-TIMS法结果在误差范围内是一致的, 我们选取SIMS法207Pb/206Pb表面年龄加权平均值1632.4±4.2Ma作为所测定辉长辉绿岩的侵位年龄。

表 3 辉长辉绿岩中斜锆石SIMS U-Pb同位素分析结果 Table 3 SIMS U-Pb isotopic data of the baddeleyite from the gabbro-diabase

图 6 泰山红门景区辉长辉绿岩斜锆石SIMS U-Pb同位素年龄谐和图 Fig. 6 SIMS U-Pb concordia of baddeleyite from the gabbro-diabase in the Hongmen scenic region of Mount Tai
3 讨论和结论

研究表明, 华北克拉通经过吕梁运动在~1850Ma完成克拉通化以后, 很快便进入一个全新的构造演化阶段--与全球超级大陆Columbia裂解相呼应的构造阶段, 自~1800Ma至1600Ma期间, 华北克拉通发育了多期标志Columbia超级大陆裂解的岩浆事件记录(表 4)。这些岩浆事件自老到新大致包括三个峰期：峰期Ⅰ发生在1800~1770Ma, 以华北克拉通南缘熊耳群火山岩和五台山、恒山地区的基性岩墙群为代表(注：He et al.(2009)熊耳群火山岩~1445Ma的年龄数据值得进一步研究)；峰期Ⅱ发生于~1700Ma, 以所谓的AMCG组合(Anorthosite, Mangerite, Charnockite, rapakivi Granite) 占统治地位, 包括著名的大庙斜长岩系列和密云环斑花岗岩；峰期Ⅲ发生于~1625Ma, 以富钾火山岩、碱性花岗岩和基性岩墙群为代表。现有资料表明, 华北克拉通在古元古代末期(1800~1600Ma) 发育了十分强烈的与Columbia超级大陆裂解有关的岩浆事件。除上述岩浆事件外, 近年来地质学家又在华北克拉通北缘燕辽裂陷槽内发现了多期中元古代(1600~1000Ma) 时期的火山作用与岩浆侵入事件(表 4), 这些火山作用与岩浆侵入事件主要集中在三个期次：(1) 高于庄-铁岭期(1600~1400Ma), 岩浆作用较弱, 仅发现少量火山作用记录。(2) 下马岭期(1400~1350Ma), 在华北克拉通北缘燕辽裂陷槽中从西到东发现了大量年龄为~1370Ma的火山作用的记录--凝灰岩(或斑脱岩)。(3) 后下马岭期, 下马岭组沉积之后, 发育了大量~1320Ma的基性岩墙(床) 和花岗岩。这些研究进展极大地提高了对燕辽裂陷槽中元古代地质演化的认识水平。Zhang et al.(2009, 2012) 等根据地球化学性质认为后下马岭期的岩浆事件也与大陆裂解作用有关。目前针对古元古代晚期的前两期岩浆作用尚没有开展卓有成效地球化学工作, 对它们的构造属性尚不清楚；但是我们认为它们可能是燕辽裂陷槽始于~1800Ma的持续裂解背景下的产物。

表 4 华北克拉通古元古代晚期-中元古代(1800~1000Ma) 岩浆事件 Table 4 Magmatic events from Late Paleoproterozoic to Mesoproterozoic in the North China Craton

Hou et al.(2006)曾对红门基性岩墙开展了锆石分选和SHRIMP U-Pb年代学的测试工作, 从测试结果看, 基性岩墙中锆石分为两组, 一组锆石不一致线年龄为2544±24Ma, 另一组锆石不一致线年龄为1830±17Ma, Hou et al.(2006)认为第一组锆石为捕获锆石, 另一组锆石年龄为基性岩墙的成岩年龄, 我们此次工作报道的泰山红门期基性岩墙群辉长辉绿岩斜锆石U-Pb年龄1632.4±4.2Ma (SIMS) 和1621.1±8.8Ma (TIMS)(陆松年等, 2008), 一方面精确标定了泰山红门期基性岩墙群的侵位时代为1630Ma左右, 订正了前人的资料：K-Ar全岩年龄2181Ma (山东地矿局地质一队, 1995) 和1760Ma (庄育勋等, 1995)、SHRIMP锆石U-Pb年龄1830±17Ma (Hou et al., 2006)；红门期基性岩墙群属于前述华北克拉通古元古代晚期Columbia超级大陆初始裂解岩浆作用的峰期Ⅲ。另一方面, 再一次证明了对基性岩的锆石U-Pb年龄数据必须慎用, 因为基性岩中的锆石是继承锆石或捕获锆石的可能性很大, 因此必须进行细致的锆石成因矿物学研究。如有可能, 对于基性-超基性岩最好是进行斜锆石分选, 对斜锆石进行U-Pb同位素定年, 以获得准确可靠的基性-超基性岩侵位年龄。

致谢 斜锆石U-Pb同位素测年工作得到中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室李献华研究员和李秋立博士、以及刘宇、唐国强先生和马红霞女士等的大力支持；岩石化学数据的讨论得到天津地质矿产研究所王树庆先生的帮助；在此一并致以诚挚的谢意。特别感谢匿名审稿人仔细审阅本文初稿并提出宝贵的修改意见。
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