岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (2): 551-563   PDF    
沂水青龙峪超镁铁质岩石和基性麻粒岩的锆石SHRIMP U-Pb定年
赵子然1, 宋会侠1, 沈其韩1, 宋彪1,2     
1. 中国地质科学院地质研究所,北京 100037;
2. 北京离子探针中心,北京 100037
摘要: 本文主要对沂水青龙峪出露的超镁铁质岩石和基性麻粒岩进行了锆石SHRIMP U-Pb定年研究。超镁铁质岩石以捕掳体形式存在于沂水杂岩中,不发育鬣刺结构,氧化物组成具有超镁铁质科马提岩的高MgO、富CaO、低SiO2、TiO2、K2O和Na2O含量特征;矿物组合以单斜辉石+橄榄石±斜方辉石+铬铁矿为主;变质矿物以角闪石+蛇纹石化为特征;该岩石以稀土元素总含量(∑REE)低、LREE/HREE=3.35~4.40及Ce和Eu负异常为特征。微量元素组成以Ba、Nb、Zr负异常和Nd、Sm正异常为特征。根据锆石SHRIMP U-Pb定年法对该超镁铁质岩石中捕获的早期岩浆结晶锆石和新生的变质锆石进行的研究,年龄值分别为2657~2702Ma和2551~2585Ma,表明该超镁铁质岩石形成年龄为2585~2657Ma。基性麻粒岩的氧化物组成特征表明其属高Mg的洋岛拉斑玄武岩,麻粒岩相-高角闪岩相变质作用与新太古代的深熔和岩浆侵入作用有关,矿物组合以紫苏辉石+单斜辉石±角闪石+斜长石±石榴子石为特征;晚期蚀变作用与辉长岩墙、辉绿岩脉及石英闪长岩买的侵入有关,矿物组合以滑石化+绢云母化+绿泥石化为特征;稀土元素组成以轻重稀土元素无分异和无Eu异常为特征;微量元素组成以Nb、Zr、P、Ti负异常和Sr、K正异常为特征;锆石SHRIMP U-Pb定年结果表明麻粒岩相-角闪岩相变质作用年龄为2498.4±7.6Ma,导致麻粒岩相-角闪岩相变质的深熔和岩浆结晶年龄为2551±24Ma,晚期蚀变作用的年龄分别为2231~2235Ma和1850±19Ma。
关键词: 锆石SHRIMP U-Pb定年     超镁铁质岩石     基性麻粒岩     沂水杂岩    
Zircon SHRIMP U-Pb dating of ultramafic rock and mafic granulite from Qinglongyu in Yishui County, Shandong Province
ZHAO ZiRan1, SONG HuiXia1, SHEN QiHan1, SONG Biao1,2     
1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. Beijing SHRIMP Center, Beijing 100037, China
Abstract: This study is focus on zircon SHRIMP U-Pb dating of ultramafic rock and mafic granulite from Qinglonyu, Yishui County, Shandong Province. Ultramafic rocks occur in the form of xenoliths in Yishui complex, without developed spinifex structure. Its oxides with high MgO ultramafic komatiites rich CaO, low SiO2, TiO2, K2O and Na2O content is characterized. Its major mineral assemblage to clinopyroxene+olivine±orthopyroxene+chromite, and metamorphic mineral to hornblende+serpentine is characterized. The ultramafic rock have fairly low REE contents with high LREE/HREE ratios (3.35~4.40) and negative Ce and Eu anomalies. The trace element to Ba, Nb, Zr negative anomalies and Nd, Sm positive anomalies is characterized. Zircon SHRIMP U-Pb dating results indicate that the magmatic crystal zircon age of 2657~2702Ma and the metamorphic zircon ages of 2551~2585Ma. The ultramafic rock formed ages between 2585~2657Ma. The mafic granulites oxide compositions indicate its original rock is high Mg oceanic island tholeiite. The granulite facies-high amphibolite facies metamorphism related to the anatectic magma intrusion role of Neoarchean. The mineral assemblages with hypersthene+clinopyroxene±hornblende+plagioclase±garnet are characterized. The late alteration related to the intrusion of gabbro, diabase and quartz diorite. The late altered mineral assemblages include talc+sericite+chlorite etc. REE composition of light and heavy rare earth elements is no different and no Eu anomaly is characterized. Trace element compositions of Nb, Zr, P, Ti negative anomalies and Sr, K is abnormal for the characteristics. SHRIMP U-Pb zircon dating results show that the granulite facies-amphibolite facies metamorphism age of 2498.4±7.6Ma, leading to granulite facies-amphibolite facies metamorphic anatectic magma crystallization age of 2551±24Ma, and the late alteration age of 2231~2235Ma and 1850±19Ma.
Key words: SHRIMP U-Pb ages of zircon     Ultramafic rock     Mafic Granulites     Yishui complex    

沂水杂岩中超镁铁质岩石对于探讨其古老地壳的组成、形成环境、成矿作用及演化具有重要的意义。笔者近年来对华北克拉通东南部汞丹山地块中的沂水杂岩进行了详细的研究,发现其中含有一些以捕掳体形式出露的含尖晶石角闪辉石岩、滑石化二辉石岩及强烈蛇纹石化的橄榄辉石岩等超镁铁质岩石。这些岩石在化学组成上,属富含MgO的超镁铁质岩石,但不具有典型科马提岩的鬣刺结构,与世界典型地区绿岩带及邻区鲁西绿岩带中的科马提岩相比,存在一定的相似性和可比性,但也存在一定的差异,最为突出的特点是本区的超镁铁质岩石与变质较深(麻粒岩相-高角闪岩相)岩石共存,这一点与我国冀东地区迁西群麻粒岩相深变质地层中以透镜体和残块分布的超镁铁质岩石类似(赵子然等,2011)。本文主要用锆石SHRIMP U-Pb定年法对本区青龙峪附近出露的超镁铁质岩石及基性麻粒岩进行详细的年代学研究,探讨其形成演化历史;为进一步的探讨我国太古宙麻粒岩相高级变质区的早期演化提供一定的年代学佐证。

1 地质背景及研究现状

沂水杂岩出露于沂水-汤头断裂以东的贡丹山凸起上,处于深大断裂旁侧长期上升部位。近年的研究表明,该杂岩主要由一系列的新太古代岩浆杂岩(约占70%~75%)(马山、大山、雪山、蔡峪、林家官庄、牛心官庄、英灵山等岩体)和变质杂岩(约占25%~30%)组成。其中沂水变质杂岩包括基性麻粒岩、石榴夕线钾长片麻岩、少量变粒岩、铁英岩等。基性麻粒岩与紫苏花岗岩紧密伴生,多呈透镜状,以包裹体形式产出,局部可见成层分布(宋金礼和程志忠,1990)。

①宋金礼,程志忠. 1990.中华人民共和国1:5万沂水幅地质图和说明书.山东省地质矿产局

前人曾对变质杂岩做了较为详细的岩石地球化学和全岩Sm-Nd、U-Pb单颗粒锆石蒸发法、Rb-Sr等时年龄等定年研究,并讨论了其成因机制及地质演化(沈其韩等, 1993, 1994, 1997, 2000沈昆等,1998;顾德林等,1997)。变基性-二辉斜长角闪岩全岩Sm-Nd模式年龄为2997±78Ma (沈其韩等,1993)和2986±136Ma (顾德林等,1997);黑云二辉斜长片麻岩单颗粒锆石Pb-Pb蒸发法定年结果为2761±9Ma~2572±4Ma (沈其韩等,2000);由于技术方法等诸多因素的影响,难以真正确定沂水杂岩的形成演化时序。

②顾德林等. 1997.中华人民共和国1:5万高桥、马站、圈里区域地质报告.中国地质大学(北京)和山东省地质矿产局

近年来,利用锆石SHRIMP U-Pb法对本区的岩浆杂岩进行了新的定年研究,结果显示:蔡峪岩体、大山岩体、马山岩体、雪山岩体形成结晶年龄分别为2562Ma、2545Ma、2538Ma、2532Ma (沈其韩等, 2004, 2007);英灵山岩体的形成结晶年龄为2530Ma (赵子然等,2008)。笔者对变质杂岩中含紫苏辉石斜长角闪岩、含石榴角闪二辉麻粒岩和含尖晶石角闪二辉石岩等的岩石地球化学特征和锆石SHRIMP U-Pb定年研究,结果表明,该岩石形成于火山岛弧环境,早期经历了不同程度的部分熔融;先后经历了两期变质作用,第一期麻粒岩相变质作用年龄为2719~2607Ma,第二期与岩浆杂岩侵入有关的角闪岩相-麻粒岩相变质作用年龄为2522~2509Ma,与变质期后产生的流体相关的变质改造作用年龄为2497~2485Ma (赵子然等,2009a)。

宋会侠等(2009)对本区的英灵山花岗岩及尖晶石角闪二辉石岩进行了Hf同位素的组成特征研究,结果显示英灵山奥长花岗岩的εHf(t)值亦为正值,在1.9~2.7之间,指示了这类岩石的源区为亏损地幔而非古老陆壳重熔的产物,其对应的亏损地幔模式年龄为2712~2740Ma,大于该样品的岩浆锆石年龄2530~2531Ma;尖晶石角闪二辉石岩属超镁铁质岩石,其εHf(t)值为3.4,亏损地幔模式年龄为2680Ma。

本区少见的含夕线石十字石榴二云斜长片麻岩,包裹于牛心官庄岩浆杂岩体中,为残留的变质表壳岩透镜体,它经历了两期变质作用的改造;早期高角闪岩相变质与区域麻粒岩相变质有关,峰期矿物共生组合主要为:石榴子石(中心域)+黑云母±白云母+斜长石+石英,峰期变质温压条件为:660℃±10℃,5.7±0.3kb;晚期角闪岩相变质与埋深和上地壳的部分熔融(岩浆作用-接触变质)有关,矿物共生组合为:十字石+石榴子石(边部域)+黑云母±白云母+斜长石±夕线石+石英,以形成大量自形-半自形十字石和具有明显的成分环带的石榴子石为特征,形成的温压条件分别为,峰期(石榴子石核部)650±10℃,7.7±0.5kb,(石榴子石)边部578±10℃,4.7±0.1kb。锆石SHRIMP U-Pb定年结果表明:该岩石中锆石为岩浆锆石,上交点年龄为2695±32Ma,应代表变泥砂质岩石源区岩浆岩的形成年龄,变泥砂质岩石的沉积和变质年龄晚于此年龄,晚期变质作用与牛心官庄奥长花岗岩形成有关,年龄为2537±5Ma (赵子然等,2009b)。

笔者还对沂水杂岩中出露的超镁铁质岩石的岩石学及地球化学特征进行了详细研究(赵子然等,2011)。本文对青龙峪附近发现的超镁铁质岩石及基性麻粒岩(图 1)重点进行了锆石SHRIMP U-Pb定年和地球化学特征研究,为进一步探讨和确定沂水杂岩的形成及地质演化提供证据。

图 1 研究区地质略图(据沈其韩等, 2000简化) Fig. 1 Sketch geological map of study area, Shandong Province (simplified after Shen et al., 2000)
2 采样位置

本文的研究样品采自青龙峪西南一带(图 1)。本区出露的岩石主要包括雪山中粗粒片麻状含紫苏花岗闪长岩、大山中粒二长花岗岩、马山片麻状中粗粒二辉花岗闪长岩-花岗岩、英灵山中粗粒奥长花岗岩;其次是以包体残留体形式存在的超镁铁质岩--蛇纹石化橄榄辉石岩和基性麻粒岩--(石榴)角闪二辉麻粒岩,以及呈岩墙岩脉分布的辉长辉绿岩和石英闪长岩。所研究样品的具体产出状态和采集位置见图 2

图 2 样品采集位置及产出状态 样品YS0808-3, YS0901-2为蛇纹石化橄榄辉石岩;样品YS0901-1,YS0902-1,YD0902-2为角闪二辉麻粒岩;YS0808-2为粗粒辉长岩;YS0808-4为细粒辉绿岩 Fig. 2 Outcrop photographs of samples in Yishui complex
3 岩石学及地球化学特征 3.1 岩石学特征

超镁铁质岩石在本区出露很少,而且范围小,呈残留体形式存在(YS0901-2和YS0808-3;见图 2),为强烈蛇纹石化的橄榄辉石岩,主要由单斜辉石、橄榄石、蛇纹石、铬尖晶石(铬铁矿)及少量紫苏辉石和透闪石为特征,具有强烈的蛇纹石化蚀变(图 3f)。单斜辉石由Ca和Mg及很低的Fe组成,属(次)透辉石,角闪岩相变质发育滑石化、角闪石化;橄榄石属富Mg的贵橄榄石;蛇纹石属橄榄石的蚀变产物,沿橄榄石的边部和裂隙生成,从而使橄榄石呈残晶存在。尖晶石为富Cr低Al、富Fe低Mg的铬尖晶石(铬铁矿)。铬铁矿的透明度很低,薄片中呈黄褐色,晶粒边部显褐红色(赵子然等,2011)。

图 3 沂水杂岩中超镁铁质岩石和基性麻粒岩的矿物组成结构特征 Hy-紫苏辉石; Hb-角闪石;Pl-斜长石; Ga-石榴子石; Di-透辉石; Ser-蛇纹石.(a-c)-单偏光下;(d-f)-正交偏光下 Fig. 3 Micro-textures and mineral-assemblages in utralmafic rocks and mafic-granulites from Yinshui complex

基性麻粒岩(YS0901-1和YS0902)呈夹层残留体出露于雪山岩体中(图 2)。该岩石经历了多期变质作用的改造,不同样品出现不同的矿物组合特征(图 3a-c)。根据矿物生长关系大致可以划分为三期变质作用:早期麻粒岩相矿物组合为斜长石+紫苏辉石+单斜辉石;角闪岩相矿物组合为角闪石+斜长石±石榴子石;麻粒岩相-角闪岩相变质作用与本区多期多阶段的深熔和岩浆作用有关。晚期为绿片岩相变质与晚期基性岩墙岩脉(辉长岩、辉绿岩及石英闪长岩)的侵入有关,以蚀变作用为特征,受后期蚀变作用的影响发育辉石的滑石化、斜长石的绢云母化和角闪石的绿泥石化。角闪石和石榴子石为角闪岩相变质作用产物,角闪石沿辉石边部生长或呈辉石假象出现(图 3b), 石榴子石只出现在样品YS0902-2中,呈似环状生长于紫苏辉石和长石的周围(图 3c)。

辉长岩(YS0808-2)和辉绿岩(YS0808-4)呈脉状产出。辉长岩呈中粗粒结构(图 3e),块状构造。辉绿岩呈细粒结构(图 3d),块状构造。矿物组合为:辉石+斜长石±角闪石+磁铁矿等±绿泥石等。变质作用与流体有关,以绿泥石等蚀变矿物的出现为特征(图 3d, e)。

3.2 氧化物组成特征

本文研究样品的氧化物组成见表 1

表 1 沂水杂岩中超镁铁质岩石和基性麻粒岩的常量(wt%)、稀土和微量元素(×10-6)分析结果 Table 1 Major element (wt%), REE and trace element (×10-6) contents of ultramafic rocks and mafic-granulites in Yishui complex

超镁铁质岩石--蛇纹石化橄榄辉石岩(YS0808-3和YS0901-2)的岩石化学成分(表 1)显示:具有富MgO和CaO,低TiO2和Al2O3特点。MgO的含量为25.03%~25.61%(>20%);CaO的含量为12.59%~12.86%;Al2O3的含量为1.56%~1.67%;TiO2的含量较低0.11%~0.14% ( < 1%);MnO的含量较低,变化范围较小为0.13%~0.17%;Na2O的含量为0.12%~0.25%;K2O的含量较低为0.02%~0.39%( < 0.5%);全铁(FeOTot)的含量为7.68%~8.50%;CaO/Al2O3比值为7.70~8.20(≥1),两者呈一定的负相关关系-随CaO的增加Al2O3降低;MgO/FeOTot比值为2.95~3.33。在(FeOTot+TiO2)-Al2O3-MgO图解中,样品皆投入科马提岩区(图 4)。

图 4 (FeOTot+TiO2)-Al2O3-MgO图解(据Jensen, 1976) Fig. 4 (FeOTot+TiO2)-Al2O3-MgO diagram (after Jensen, 1976)

基性麻粒岩--(石榴)角闪二辉麻粒岩(YS0901-1,YS0902-1、-2)的氧化物组成特征(表 1)显示:SiO2的含量在47.07%~50.84%之间;全铁(FeOTot)的含量为11.50%~11.98%;MgO的含量为7.20%~8.62%;CaO的含量为9.51%~11.20%;Al2O3的含量为14.15%~14.81%;TiO2的含量较低,为0.64%~0.72%;MnO的含量较低(0.22%);Na2O的含量为0.78%~2.43%;K2O的含量为0.60%~1.24%;Na2O和K2O的含量具有一定的负相关性;CaO/Al2O3比值为0.64~0.79( < 1),两者呈一定的负相关关系-随CaO的增加Al2O3降低;MgO/FeOTot比值变化不大,为0.60~0.73。在(FeOTot+TiO2)-Al2O3-MgO图解中,样品投入高Mg的拉斑玄武岩区(图 4)。

辉长岩(YS0808-2)和辉绿岩(YS0808-4)的氧化物组成与上述基性麻粒岩相比具有类似的SiO2、Al2O3、CaO、MnO和K2O含量;但显示相对较高的TiO2、FeOTot、Na2O和P2O5含量,以及明显低的MgO含量(5.89%和5.79%)。在(FeOTot+TiO2)-Al2O3-MgO图解中,样品投入高Fe的拉斑玄武岩区(图 4)。

本区超镁铁质岩石中微量及稀土元素含量的原始地幔标准化蛛网图(图 5b)显示:该超镁铁质岩石中不相容元素Ba、Nb、Zr和P、Ti呈现负异常,而Th、Nd、Sm呈现正异常,Sr、U无异常。在MgO的协变图解中显示,SiO2、FeOTot、CaO、Sr、Ni含量与MgO含量线性协和关系不明显,TiO2、Na2O、Zr、Ce、Rb含量与MgO含量存在一定的负相关性,Cr含量与MgO含量存在正相关性(赵子然等,2011)。

图 5 沂水杂岩中超镁铁质岩石、基性麻粒岩、辉长岩和辉绿岩的稀土元素配分图解(a, 据Boynton, 1984)和微量蛛网图(b, 据Sun and McDonough, 1989) Fig. 5 REE and trace-element spider diagrams of ultramafic rocks, mafic-granulites, gabbro and diabase in Yishui complex (normalization values after Boynton, 1984; Sun and McDonough, 1989)

本区3个基性麻粒岩样品的稀土元素总含量(∑REE)为30.75×10-6~34.75×10-6;轻稀土含量与重稀土含量比值(LREE/HREE)为1.54~1.69,不具有轻重稀土分异特点。对稀土元素含量用球粒陨石进行标准化结果如图 5a所示,3个样品的稀土模式特征几乎相同,所有元素均无明显的异常,属平坦型;该基性麻粒岩中微量及稀土元素含量的原始地幔标准化蛛网图(图 5b)显示:该岩石中不相容元素Nb、Zr和P、Ti呈现负异常,而Sr和K呈现正异常。

辉长岩和辉绿岩的稀土元素总含量(∑REE)明显高于上述两类岩石的稀土总含量,分别为:97.13×10-6和154.3×10-6;轻稀土含量与重稀土含量比值(LREE/HREE)分别为6.04和6.75,具轻重稀土分异特点。辉长岩显示明显的Eu正异常,而辉绿岩稍显Eu负异常(图 5a)。辉长岩和辉绿岩中微量及稀土元素含量的原始地幔标准化蛛网图(图 5b)显示:辉长岩和辉绿岩均具Ba、Nd、Sr和Ti的正异常。

4 锆石特征及SHRIMP U-Pb定年 4.1 样品采集和定年法

为确定沂水杂岩中超镁铁质岩-蛇纹石化橄榄辉石岩和基性麻粒岩的原岩及变质年龄,从上述三个岩石样品中(YS0901-1,YS0901-2和YS0902-2)分别挑选出锆石以备SHRIMP U-Pb年龄测试。U-Pb年龄测试工作在北京离子探针中心SHRIMP II上完成,锆石样品靶制作、测试流程和数据处理参考宋彪等(2002, 2006)。数据处理及U-Pb谐和图绘制采用K. Ludwig编写的SQUID1.03d版本和ISOPLOT 2.49版程序进行。测试使用的标准锆石为SL13(铀含量238×10-6,年龄572Ma)和TEMORA (年龄为417Ma),前者用于标定U的含量,后者用于校正年龄。标样TEMORA和未知样品的分析按照15进行。采用的238U和235U的衰变常数分别为1.55125×10-10y-1和9.9485×10-10y-1238U/235U=137.88。测试及数据结果见表 2,其中同位素比值的误差为1σ相对误差,单个点的年龄误差为1σ绝对误差,年龄平均值误差为95%置信度。

表 2 沂水杂岩中超镁铁质岩石及基性麻粒岩锆石SHRIMP U-Th-Pb结果 Table 2 SHRIMP U-Th-Pb isotopic compositions for zircon standards TEMORA from ultramafic rocks and mafic granulite in Yishui complex
4.2 锆石特征和定年结果

本研究样品的锆石SHRIMP II U-Pb定年结果见表 2,锆石U-Pb年龄谐和图及锆石阴极发光影像见图 6

图 6 样品YS0901-1, YS0901-2和YS0902-2锆石U-Pb谐和图和阴极发光图像 Fig. 6 U-Pb concordia diagrams and CL images of zircons from YS0901-1, YS0901-2 and YS0902-2 in Yishui complex
4.2.1 样品YS0901-2超镁铁质岩石

该样品为强烈蛇纹石化的橄榄辉石岩-属超镁铁质岩石,其锆石含量极少,大量的样品仅挑选出了20几个颗粒,形态各异,比较复杂。本次共测定了19个颗粒(21个点),定年数据结果见表 2。锆石阴极发光影像特征及U-Pb谐和图解见图 6b

1)其中2粒锆石的阴极发光影像显示:其核部具有典型的酸性岩浆结晶锆石的环带特征,并发育有很窄的变质增生边;其中3.1锆石颗粒的Th/U=0.49,其核部207Pb/206Pb年龄值为2695Ma,由于受后期改造影响强烈,导致Pb严重丢失,以致在谐和图解中远远落入谐和线下方;来自14锆石颗粒的3个数据点(14.1-核、14.2和14.3-边)的Th/U比值分别为0.73、0.65和0.51,207Pb/206Pb年龄值分别为2611Ma、2702Ma和2657Ma,均在谐和线附近;其中核部14.1点数据显示一定的Pb丢失,而落在谐和线靠近2560Ma附近;另2个边部数据点的年龄为2657Ma和2702Ma;该值可能代表早期岩浆的侵入结晶年龄,表明该超镁铁质岩石的形成时代晚于此年龄。

2)3个锆石颗粒(13.1、9.1、12.1)具有明显的变质锆石结构特点,3个锆石颗粒点的Th/U比值分别为0.26、0.44和0.18,核部207Pb/206Pb年龄值分别为2501Ma、2562Ma、和2585Ma,皆落在谐和线附近,该值代表与区内的岩浆活动有关的变质年龄。

3)有2个锆石颗粒(5.1和15.1)核部具岩浆锆石结晶环带特征,边部较窄并显示变质锆石结构特点,Th/U比值分别为0.25和0.68;其中5.1颗粒的核部207Pb/206Pb年龄值为2436Ma,由于Pb丢失而落入谐和线下方;15.1颗粒的核部207Pb/206Pb年龄值为2257Ma,数据点落在谐和线上,该年龄与辉长岩的侵入有关。

4)还有一组锆石颗粒的Th/U比值变化较大,为0.08~2.76,207Pb/206Pb年龄值为1801~1845Ma,数据点都位于谐和线附近,7个点207Pb/206Pb年龄加权平均值=1825±19Ma,该年龄与区内石英闪长岩的侵入有关;其中2个颗粒(6.1和19.1)具变质锆石的结构特征,207Pb/206Pb年龄值分别为1803±10Ma和1806±14Ma,该值应代表该超镁铁质岩石绿片岩相蚀变变质的年龄。

5)此外,还有1个数据点年龄为1328Ma,并且位于谐和线上,可能与辉绿岩的侵入有关;其它锆石颗粒都有不同程度的Pb丢失,从而不具任何意义。

4.2.2 样品YS0901-1基性麻粒岩

样品YS0901-1为二辉斜长麻粒岩。共测定了25个颗粒,其锆石阴极发光影像特征及U-Pb谐和图解见图 6a,定年数据结果见表 2。所测定的25个锆石颗粒点的Th/U比值均 < 1。阴极发光影像显示锆石颗粒的结构特征有两种:一种锆石颗粒具典型的酸性岩浆锆石结晶环带结构特征(6.1、14.1、25.1),Th/U比值分别为0.26、0.52和0.90,锆石6.1颗粒点的核部207Pb/206Pb年龄为2668Ma,位于谐和线上方;14.1和25.1两个颗粒点的核部207Pb/206Pb年龄分别为2552Ma和2550Ma,且无明显的Pb丢失,位于谐和线上(图 6a),该值为与之相关的岩浆侵入年龄;另一种锆石颗粒则显示典型的变质锆石结构特点,22个颗粒点的Th/U比值为0.10~0.44,核部207Pb/206Pb年龄在2461~2512Ma之间,20个数据点给出的207Pb/206Pb年龄加权平均值为2498.4±7.6Ma,此值应为该岩石麻粒岩相变质年龄,即基性麻粒岩的形成年龄,与岩体的侵入有关。

4.2.3 YS0902-2基性麻粒岩

样品YS0902-2为含石榴子石角闪二辉麻粒岩。共测定27个颗粒(30个点),定年数据结果见表 2。锆石的阴极发光影像特征及U-Pb谐和图解见图 6c。从锆石阴极发光影像图可以分为三组:

1)锆石具典型的岩浆锆石结晶环带特征,并有很窄的变质增生边(无法测年),其中10个颗粒Th/U比值为0.34~0.68,核部207Pb/206Pb年龄值在2466~2582Ma之间,但由于受到后期变质作用改造,从而导致不同程度的Pb丢失,拟合的上交点年龄值为2551±24Ma。其中4个数据点靠近谐和线,核部207Pb/206Pb年龄值分别为2553Ma、2557Ma、2564Ma和2582Ma,4个点的拟合上交点年龄值为2560±6.6Ma,该年龄值代表岩浆的侵入结晶年龄。

2)一组锆石部分显示变质锆石结构特点,11颗锆石14个数据点(核部11,边部3)的Th/U比值在0.51~1.37之间;核部207Pb/206Pb年龄值为2231~2355Ma之间,皆位于谐和线上或附近。在2个分别进行中心和边部锆石测年的颗粒定年数据显示:其中2个颗粒核部(1.1, 2.1)和边部(1.2, 2.2)的定年结果相似,年龄值分别为2291Ma、2283Ma和2306Ma、2231Ma;另一个颗粒核部(23.1)和边部(23.2)的定年结果则不同,年龄值分别为2307Ma和1849Ma;前者可能代表辉长岩的形成侵入年龄,后者代表与石英闪长岩脉侵入有关的绿片岩相蚀变年龄。

3)还有一组5个锆石颗粒的形状和结构明显不同于该样品中上述两种锆石的结构特征,TH/U比值变化较大,为0.06~1.49,其207Pb/206Pb年龄在1787~1993Ma之间,多数位于谐和线上。其中2个颗粒的Pb丢失明显,另外3个颗粒给出的定年结果(1820Ma、1879Ma和1891Ma)与上述1个颗粒边部的定年结果(1849Ma)相当,年龄值近似1850Ma,可能与晚期石英闪长岩脉的侵入有关,即绿片岩相蚀变年龄。

5 讨论

对于沂水杂岩中是否存在超镁铁质的科马提岩一直没能得到很好的结论,为此,笔者曾将本文涉及的超镁铁质岩石与蒙阴科马提岩、南非Barberon绿岩带中的科马提岩(3.5Ga)以及加拿大Alexo地区科马提岩(2.7Ga)进行了岩石地球化学特征等方面的对比研究(赵子然等,2011),结果表明:在氧化物组成上,该岩石不仅具有高的MgO含量(>20%)和相对低的SiO2、TiO2( < 1%)、K2O ( < 0.5%)含量,而且具有高的Cao含量和低的Al2O3含量,CaO/Al2O3比值为7.70~8.20(>1);在稀土元素组成上,不仅稀土元素总含量低,而且具有明显的Ce和Eu负异常和轻重稀土分异(LREE/HREE=3.35~4.40),不同于典型太古代橄榄质科马提岩常有的轻稀土相对于重稀土亏损的特点,重稀土含量与蒙阴地区苏家沟和雁翎关的科马提岩相当,但重稀土有明显分异而不同于蒙阴雁翎关科马提岩,轻稀土、轻重稀土的分异特征与蒙阴苏家沟科马提岩较为相似。对于这一重稀土的分异和高的CaO/Al2O3比值通常认为与超镁铁质组分的熔融岩浆中石榴子石残留相有关,由此推断这种明显的分异现象可能与本区新太古早期的深熔及岩浆作用有关。微量元素组成则显示该超镁铁质岩石中不相容元素Ba和Nb的负异常和Nb较初始地幔的明显亏损,而不同于上述其它地区的科马提岩;Zr和Ti的负异常及Nd和Sm的正异常与南非Barberon地区的类似,Zr明显亏损特征又与蒙阴苏家沟科马提岩类似;Rb显示的异常与Alexo、蒙阴雁翎关科马提岩相当。由此推断,在地质演化过程中,该岩石经历了多期多阶段深熔及岩浆作用的不同程度改造,可能来源于上地幔。

受本区多期多阶段岩浆侵入的影响,基性麻粒岩经历了多期多阶段深熔及变质作用的改造,早期以麻粒岩相-角闪岩相变质作用为主,晚期以绿片岩相蚀变作用为特征。早期麻粒岩相-角闪岩相矿物组合为斜长石+斜方辉石+单斜辉石±角闪石±石榴子石,晚期绿片岩相矿物组合包括滑石±绢云母±绿泥石等;氧化物组成显示该岩石的原岩属相对高Mg的拉斑玄武岩。稀土元素组成的球粒陨石进行标准化模式呈平坦型,不具有轻重稀土分异特点,轻稀土含量与重稀土含量比值(LREE/HREE)为1.54~1.69。微量组成的蛛网图显示,该基性麻粒岩石中不相容元素Nb、Zr和P、Ti呈现负异常,而Rb、Sr和K呈现正异常。上述岩石地球化学组成特征表明,该岩石属洋岛拉斑玄武岩,受后期岩浆作用和晚期岩脉侵入的影响,经历了不同程度的变质作用改造。

辉长岩和辉绿岩的矿物组成以辉石+斜长石±角闪石±绿泥石±磁铁矿等,与基性麻粒岩相比氧化物组成具相对较高的TiO2、FeOTot、Na2O和P2O5含量,以及明显低的MgO含量(5.89%和5.79%)为特征。属相对高Fe的拉斑玄武岩。稀土元素组成模式显示轻重稀土分异特点。辉长岩显示Eu正异常,而辉绿岩稍显Eu负异常。微量元素组成的蛛网图显示:辉长岩和辉绿岩均具有Ba、Nd、Sr和Ti的正异常。该岩石的形成与演化及定年有待进一步的研究,以更好地确定该区的地质演化历史。

锆石SHRIMP U-Pb定年结果表明:由于该地区岩石经受了复杂的多期多阶段深熔岩浆作用和岩脉侵入的影响,以及变质作用改造,使得锆石定年结果也出现了多组年龄。本区锆石SHRIMP U-Pb定年结果分区特征如图 7所示。

图 7 207Pb/206Pb年龄-Th/U和207Pb/206Pb年龄-206Pb/238U年龄关系图解 Fig. 7 Relationship of 207Pb/206Pb age-Th/U and 207Pb/206Pb-206Pb/238U age

207Pb/206Pb年龄-Th/U关系图解(图 7a)可以看出,锆石207Pb/206Pb年龄和Th/U比值关系呈现明显不同的分区特点:(1) Th/U比值相对较低( < 1),而207Pb/206Pb年龄值(2450~2700Ma)较大;(2) Th/U比值中等集中,而207Pb/206Pb年龄值(2300Ma)变化不大;(3) Th/U比值变化较大,而207Pb/206Pb年龄值(1850Ma)变化不大。

207Pb/206Pb年龄-206Pb/238U年龄关系(图 7b)来看,除部分颗粒锆石定年结果有明显的Pb丢失外,大部分集中分布在3个年龄区内:(1) 207Pb/206Pb年龄分布在2450~2700Ma区,严格讲该区包括两部分,一部分零散分布在2550~2700Ma之间,而另一部分集中分布在2450~2500Ma之间;(2) 207Pb/206Pb年龄集中分布在2275Ma附近;(3) 207Pb/206Pb年龄集中分布在1850Ma附近。

6 结论

综上所述,结合野外地质产状、锆石的结构特征和本区的年代学研究资料,从而获得如下推断:

(1)超镁铁质岩石的确切形成年龄尚无法确定,但根据其捕获的岩浆锆石所获得的207Pb/206Pb年龄值近为2657~2702Ma,与尖晶石二辉石岩结晶锆石测定的207Pb/206Pb年龄值2719Ma (赵子然等,2009a)及该样品Hf同位素(εHf(t)值为8.2)确定的亏损地幔模式年龄2680Ma (宋会侠等,2009)相当,该值为新太古代早期岩浆的侵入结晶年龄,也是该岩石形成的下限年龄;典型变质锆石给出的核部207Pb/206Pb年龄值分别为2501Ma、2562Ma和2585Ma,该值与尖晶石二辉石岩中变质锆石测定的年龄2560~2602Ma相当,也是该岩石形成的上限年龄;另1锆石颗粒给出的207Pb/206Pb年龄值位于谐和线上,年龄值为2257Ma,可能代表辉长岩的侵入年龄;另一组数据点位于谐和线附近,207Pb/206Pb年龄加权平均值=1825±19Ma,该值与尖晶石二辉石岩一组锆石获得的1848Ma相近,可能与区内晚期岩脉的侵入有关。

(2)基性麻粒岩两个样品的锆石定年数据大致给出了四组年龄结果:(a)样品YS0901-1的2粒明显具有结晶环带特征的岩浆锆石,核部207Pb/206Pb年龄分别为2552Ma和2550Ma;样品YS0902-2中的岩浆结晶锆石由于受到后期变质作用的改造,导致不同程度的Pb丢失,10颗粒和4颗粒核部207Pb/206Pb年龄拟合的上交点年龄分别为2551±24Ma和2561±7Ma,其代表新太古代晚期岩浆侵入结晶年龄,该年龄与上述超镁铁质岩石中变质锆石给出的207Pb/206Pb年龄2562Ma和2585Ma相当。(b)无明显的结晶环带特征的变质锆石(YS0901-1)207Pb/206Pb年龄在2461~2512Ma之间;20个数据给出的207Pb/206Pb年龄加权平均值为2498±8Ma,此值应为该岩石的麻粒岩相变质年龄。(c)样品YS0902-2的锆石给出的另外两组年龄分别为:2300Ma和1850Ma,前者与辉长岩墙(脉)的侵入有关,后者不仅与前者两颗粒边部给出的年龄一致,而且与超镁铁质岩石中的一组锆石207Pb/206Pb加权年龄值1825Ma一致,同样可能与区内石英闪长岩脉的侵入有关,基性麻粒岩后期蚀变作用应与这两期岩墙岩脉的侵入相关。

(3)本区的超镁铁质岩石和基性麻粒岩的锆石SHRIMP U-Pb定年结果如下:超镁铁质岩石的形成时限为2585~2702Ma,角闪岩相变质年龄为2562~2585Ma,蚀变年龄分别为2257Ma和1825±19Ma;基性麻粒岩的麻粒岩相-高角闪岩相变质年龄为2498±8Ma;绿片岩相变质年龄分别为2300Ma和1850Ma。

致谢 感谢国家地质实验测试中心和北京离子探针中心在本文样品测试过程中给予的大力支持;感谢杨崇辉研究员在本文撰写过程中给予的宝贵建议。
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