巖漿巖中原位鋯石U-Pb和Lu-Hf同位素系統(tǒng)研究

1、巖漿巖中的原位鋯石U-Pb和Lu-Hf同位素系統(tǒng)：研究Gois弧（位于巴西中部的巴西利亞地區(qū)）的新元古代的地殼巖漿演化關鍵詞：Gois巖漿弧 Hf同位素 新元古代 鋯石地質年代學 激光探針等離子質譜（LA-ICP-MS）摘要Mara Rosa弧，一個Braslia構造帶的重要的組成部分，構成了Gois巖漿弧北部的部分，它顯示了900至600Ma內亞馬遜和舊金山克拉通地區(qū)碰撞后的樣子。新原位鋯石U-Pb和通過LA-MC-ICP-MS法從代表性巖漿巖取得的Lu-Hf同位素數據證實了三個在Mara Rosa弧內發(fā)生的新元古代巖漿事件。從變質巖中提取的鋯石產生的9165Ma結晶年齡的U-Pb具有Hf值

2、陽性顯示（+8到+12），從而表明主體巖漿來源于虧損地幔。兩個片麻巖的鋯石呈現不同的類型：兩個樣本中地質年代最新的的鋯石分別呈現出7928Ma和8117Ma兩個不同的U-Pb結晶年齡。大量繼承鋯石（具有中元古代到古元古代的U-Pb年齡）顯示：兩個樣本，負Hf和舊的TDM值，顯示了一種對太古代至古元古代地殼中的主要巖漿巖具有重要貢獻的成因。后造山期石英閃長巖中具有6384Ma的結晶年齡，Hf變化值（+1到+8）的鋯石顯示大量巖漿包含新生的和循環(huán)較老的地殼組件。1.前言 在過去的十年中，Lu-Hf同位素分析能夠通過電感耦合等離子體質譜法（MC-ICP-MS）應用于全部巖石并且通過MC-ICP-MS

3、法激光燒蝕鋯石已成為研究地質年代學和同位素的重要工具。（Vervoort和Blichert-Toft，1999；Blichert-Toft和Albarede，1997；Grifn等，2002；Hawkesworth和Kemp，2006；Cocherie和Robert，2008）。鋯石由于在其晶體結構中微量元素和稀土元素的含量相當之高而且有強大的抗侵蝕，風化和改造能力，從而廣泛使用的同位素和礦物地球化學研究。鉿元素，由于其與Zr元素密切的化學親和力，直接在與濃度在0.5到2wt.鋯石晶體的晶格中取代后者。這種能力使得鉿元素比一般的稀土元素更能與鋯石兼容，特別是镥元素，從而導致非常低的镥/鉿比率（

4、通常小于0.001）。出于這個原因，的放射性衰變不會隨著時間顯著改變鋯石的Hf同位素組成。此外，非常低的鉿元素在鋯石晶內的擴散速度和Lu-Hf同位素體系的高封閉溫度（Cherniak等，1997；Cherniak和Watson，2000）。證明Hf同位素基本上不受后期結晶熱力作用的影響，甚至高級變質作用也無所影響。因此，通過從鋯石獲取的Hf值和鉿的TDM年代模型可能有助于推測出巖漿巖的來源和沉積物源（Kinny和Maas，2003；Hawkesworth和Kemp，2006；Wangetal.，2008）。特別是當加上原位U-Pb同位素年代學的數據，通過鉿的同位素組成就有可能定位出一個巖漿活動

5、事件，即使被后來的高級變質作用遮蓋，依舊可能會提供有關新生地殼增生的相對作用或較老大陸地殼的重新活動的詳細信息（Hawkesworth和Kemp，2006；Gerdes和Zeh，2006；Zeh等，2007）。 本次的研究探討了關于新元古代巴西中部巴西利亞地區(qū)Gois巖漿弧帶的演化問題，主要利用激光多接收等離子體質譜（LA-（MC）ICP-MS）獲得鋯石的原位U-Pb和Lu-Hf分析，同時結合了全巖的Sm-Nd同位素分析的實驗方法。一些人（Pimentel和Fuck，1992；Pimentel等，1997；Junges等，2002） 在進行了地質年代學和同位素的研究中，在Mara Rosa弧發(fā)

6、現了兩大構造巖漿活動，主要位于Gois巖漿弧北部部分：年代較遠的地質事件在約900Ma以前而年代較近的地質事件發(fā)生在630Ma以前。通過基礎地質，地球化學和同位素數據進行分析，前者已涉及到一個沿舊金山西緣克拉通的海洋火山島弧結構，后者的主要地質事件則對應由舊金山和亞馬遜大陸碰撞引起的巴西利亞造山運動。在這種情境下，630Ma前的Mara Rosa巖漿活動被解釋為由900Ma前島弧新生地殼的再循環(huán)致使（Pimentel等，2000a）。新測得的U-Pb和Lu-Hf數據同樣可以證實這兩個巖漿活動的存在，得到的結果與之前的假設是一致的。新測得的數據也證實了一個新的地質事件，它是約800Ma前的以舊地

7、殼物質循環(huán)為特征的巖漿活動。 新測得的鋯石Hf同位素數據表明，即使在一個單一的巖石樣本中，TDM值差異很大，這表明了太古代至古元古代地殼主體巖漿的形成，而它并沒有被全巖的釹同位素數據確定。 這項研究同時還能讓人更好地理解舊金山克拉通西緣的演化和西Gondwana融合的時間。2.地質背景 研究區(qū)位于Tocantins省的中部，是由亞馬遜，剛果，舊金山和Paran克拉通相互作用形成的巴西利亞/泛非造山帶。Tocantins省地區(qū)主要由由三個褶皺沖斷帶構成，他們是Araguaia，Brasilia和Paraguay.Tocantins省東部部分主要受巴西利亞構造帶的影響，同時占據了舊金山克拉通的西緣

8、（Silva等，2008a）。Gois巖漿弧帶是巴西利亞構造帶的重要的組成部分（圖一所示），在南北向伸延了約800公里并主要由火山沉積層序和侵入巖構成。它代表了在900到600Ma年前亞馬遜和舊金山克拉通地區(qū)碰撞時的巖漿反應（Pimentel和Fuck，1992；Pimentel等，1997；Junges等，2002；Silva等，2008b；Laux等，2005；Matteini等，2008；Cordani等，2009）。 Gois巖漿弧帶被劃分為兩部分，南邊的部分稱作Arenpolis帶而北邊的部分稱作Mara Rosa弧。而后者被顯著西傾的里奧杜斯博伊斯沖斷層限制在東部，Mara Ros

9、a弧由三個構造地貌單元組成：（i）三個狹窄的北北東向上的上地殼帶（東部，中部和西部地帶）主要由變質玄武巖，碎屑變質沉積物（石英巖，石榴石鉀長石和云母片巖），以及一些小燧石和滑石片巖。（ii）石英花崗閃長片麻巖是由綠片巖至角閃巖相變質而來（iii）后期造山巖體是由輝長巖，閃長巖和花崗巖巖體所組成。圖1研究區(qū)地質示意圖Tocantins省東部（巴西利亞帶）圖2MaraRosa弧的簡化地質圖（Arantes等，1991；Junges等，2002）（研究的樣本采集位置已示意） 工區(qū)上地殼帶多由角閃石組成。他們的地球化學特征各不相同，比如弧/弧后德拉斑玄武巖從鈣堿性（Palermo，1996；Junge

10、s，1998；Kuyumjian，1994a，b）。 本區(qū)域單元的變質沉積巖為大量的含層間長石的變質雜砂巖Junges等（2002）分辨出了五種不同巖相類型的變質沉積物，其中包括具藍晶石的角閃石-黑云母片巖，具藍晶石的石榴石-黑云母片巖，石榴石-十字石-黑云母-白云母片巖，白云母-藍晶石片巖和石榴石-黑云母片巖。這種火山沉積性的序列通過其地球化學和同位素特征可能反映了一種幼年島弧環(huán)境，比如其正的Nd值，Nd 年代模型平均值基本在0.8到1.1Ga，具顯著的拉斑玄武巖到鈣堿性巖地球化學特征（Pimentel等，1996，1997，2000a；Pimentel和Fuck，1992）。石英-花崗閃長

11、片麻巖是主要顯示是鋁質，并呈現鈣質到鈣堿性地球化學特征。Pimentel等（1997）從石英閃長巖樣本提取的鋯石樣品856+13/-7的U-Pb TIMS年齡。它們的Nd 年代模型平均值基本在0.81到1.3Ga（Junges等，2002），這表明原始巖漿的顯著新生性。晚期碰撞后為輝長巖，閃長巖和花崗巖體侵入變質沉積物和變質火成巖。Pimentel等（1997）從一同時期構造閃長巖墻得到6306Ma的U-PbTIMS鋯石年齡?；◢徧追坑捎谄漭p微過鋁質的特性形成較大規(guī)模。它們的NdTDM年代模型平均值基本在1到1.3Ga，這表明它們是由較老的弧內物質部分融熔重新整合而成的（Junges等，200

12、2）。為了準確描繪Mara Rosa弧這個地區(qū)的演變，通過使用LA-（MC）ICP-MS的方法結合原位U-Pb和Lu-Hf模型對四個來自不同構造單元有代表性的樣本進行了深入的研究：一個后造山期經變質閃長巖侵入上網中央表殼帶的角閃巖，兩個從研究區(qū)西部采得的變質花崗巖以及一個東端表殼帶得變質巖樣本（圖二）。 表一 使用條件方法及設置要求表二研究樣本的全部巖石SmNd數據3. 樣本描述 樣本MR157由石英（4），斜長石（48），單斜輝石（3），角閃石（25），黑云母（10）和綠簾石（7）組成，具少量綠泥石和鐵鈦氧化物。樣本MR164是具香腸構造英長質脈石帶狀糜棱紋花崗巖，平均組成為石英（30），斜

13、長石（占30），鉀長石（25），黑云母（10）和白云母（5），具小綠簾石和鐵鈦氧化物。通過薄片的毫米尺度的鏡下觀測為細粒糜棱帶石英，鉀長石和斜長石以及部分云母化的晶體。斜長石顆粒磨圓一般，具石英顯示波狀消光特性，亞晶粒形成及鋸齒形劈理的白云母。樣品PM III GN（95）在是在鏡下顯示重褶褶皺特征的二長輝長片麻巖。主要組成為石英（24），鉀長石（30）和斜長石（20），白云母（15），黑云母（10），具少量磷灰石和綠簾石。樣本MR 214是由斜長石（60），白云母（20），黑云母（15）和石英（10）組成的變質巖石。原巖被解釋為砂屑的亞長石砂巖質沉積物，來源可能為火山碎屑。4.分析方法 在巴

14、西利亞大學地質年代學實驗室我們對全巖的Sm-Nd同位素進行了分析，溶樣是通過Savillex公司的特氟隆燒杯和帕爾型聚四氟乙烯炸彈制備而成的。釤和釹從全巖粉末中提取并且石榴石德精礦主要遵循了Richard等（1976）的技術。該技術的原理是：以稀有地質元素為分離組，用陽離子交換序列在反相色譜之前分離釤，而釹從聚四氟乙烯粉末上使用HDEHP（二-2-乙基己基磷酸）提取。我們還使用了稀土規(guī)格和LN-規(guī)格的樹脂用以稀土和Sm-Nd分離。一種混合的149Sm-150Nd穗序同樣被應用于此項技術。釤，釹樣本被裝上了雙絲纖維重新裝配。Sm和Nd同位素通過使用MAT-262質譜儀進行了分析。Sm/Nd和14

15、3Nd/144Nd比值被認為是優(yōu)于0.05（1）和0.003（1），當然它們是分別基于重復分析國際BCR-1和BHVO-1標準的巖石。 143Nd/144Nd比例應該是0.7219的146Nd/144Nd比這樣的規(guī)格。釹的程序空白均小于100PG.而對原地的U-Pb和Lu-Hf分析，鋯石集中起來的從一到十公斤的巖石通過破碎，重砂分析和使用弗朗茨同工酶純化分離技術等方法將其變?yōu)橹?00微米規(guī)格大小。最終在雙目顯微鏡下手工挑選以實現純化。選定的晶粒放置在環(huán)氧樹脂底座上，在分析前先進行拋光和使用3硝酸清洗。BSE（背散射電子）的圖像被用于定位點。在巴西的OuroPreto聯邦大學地質學系通過JEOL

16、5510掃描電子顯微鏡對BSE圖像進行了獲取。 對四個鋯石顆粒樣品分別進行U-Pb和Lu-Hf同位素分析，使用熱學的費舍爾尼普頓的MC-ICP-MS法和Nd：YAGUP213新式波激光燒蝕系統(tǒng)（在巴西利亞大學的地質年代學實驗室進行了這項實驗）。使用條件方法及設置要求列于表1。 圖三釹同位素演化圖，展示了Mara Rosa弧地區(qū)巖石的同位素組成（Piment等，1996a）。鋯石顆粒的U-Pb在分析上為了控制ICP-MS分餾而使用了GJ-1標準鋯石樣本（Albarede等，2004）。 二到四個樣品通過JG-1標準進行了分析，并且206Pb/207Pb和206Pb/238U的比值被及時糾正。激光

17、誘導通過使用帶有30微米大小的點光柵的激光燒蝕的方法使U和Pb分餾到最低限度。 原始數據通過使用Excel工作表進行離線處理和縮小工作量（Buhn等，2009）。在必要時，通過使用線性回歸方法以糾正因雷射分餾導致206Pb/238U比減小這一問題（KoLer等，2002）。通過研究分析，Temora-2鋯石標準已被作為未知樣品進行分析。 普通鉛（204Pb）干擾通過在分析期間對202Hg和（204Hg+204Pb）堆進行監(jiān)控和使用鉛組成模型來解決（Stacey和Kramers，1975）。在所有分析中沒有必要因為和高206Pb/204Pb比和普通204Pb（b30cps）對鋯石的鉛進行糾正。有

18、一種常見的錯誤是通過重復運行（2SD2+2SE2）1/2提高運行精度。應該是是由反復分析（n=20，1.1%的207Pb/206Pb和高達2%的206Pb/238U）得出GJ-1標準鋯石的標準偏差（SD），在分析期間并在運行精度標準誤差（SE）允許下計算出各項結果。 從4個不同的選定的鋯石顆粒樣本進行了Lu-Hf同位素分析，此前已分析完畢U-Pb系統(tǒng)。Lu-Hf同位素數據是使用40微米直徑的光斑大小在40s的消融時間進行收集的。在無同位素171Yb，173Yb和175Lu干擾的情況下對這些信號進行了監(jiān)測分析，以便在176Lu和176Yb的等壓干擾能準確確定176Hf信號。176Yb和176Lu

19、通過采用Chu等（2002）推薦的Lu和Hf同位素豐度而被準確計算。當時的171Yb，173Yb的測量，由于使用了1.132685的173Yb/171Yb正常值而避免了Yb的數據偏移（Chu等，2002）。Hf同位素比值則趨于正常的0.7325的179Hf/177Hf值（Patchett，1983）。圖四片麻巖樣品中的鋯石的代表性的BSE圖像，U-Pb年齡和Hf值都如圖所示。 該Hf（t）值的計算使用Scherer等（2006）衰變常數=1.865？10？11（Scherer等（2006）。176Lu/177Hf和176Hf/177Hf的CHUR值為0.0332和0.282772（Bliche

20、rt-Toft和Albarede（1997）。由最初鋯石的Hf同位素組成通過一平均的地殼Lu/Hf比（Gerdes和Zeh，2006，2009；Nebel等，2007）來進行兩階段TDM計算。最初鋯石的Hf同位素組成代表在鋯石結晶時間（我們稱之為U-Pb年齡）176Hf/177Hf的比值，兩個虧損地幔階段TDMHf是通過平均0.0113的地殼176Lu/177Hf值（TaylorandMcLennan，1985與Wedepohl，1995）和虧損地幔的176Lu/177Hf=0.0384和176Hf/177Hf=0.28325比（Chauvel和Blichert-Toft，2001）來計算得出

21、的。在鋯石Hf同位素測量之前，先對200ppbHfJMC475的具Yb（Yb/Hf=0.02）標準溶液進行了分析（176Hf/177Hf=0.282162132s，n=4）。在分析期間GJ-1標準鋯石分析出176Hf/177Hf比為0.282006162（n=25）的結果。與Morel等（2008）修訂的標準的GJ-1標準鋯石的參考值一致。每個顆粒計算的Hf值通過之前在同一鋯石顆粒使用LA-MC-ICP-MS法的獲得的U-Pb年齡來進行計算。通過不同分析，206Pb/238U和207Pb/206Pb年齡被用以分別新的（b1Ga）或舊的（N1Ga）顆粒。表三，鋯石的U-Pb的LA-MC-ICP-

22、MS分析結果圖五 諧和曲線圖顯示的研究與分析一致和接近一致的整個數據集的樣本分布（進一步解釋見文本）5結果5.1全巖Sm-Nd同位素數據表2列出的是Sm-Nd數據，在圖3繪制出釹同位素的演化。 在此圖中對所研究的樣品進行了Mara Rosa沉積物和其他Gois巖漿弧的變質火成巖的同位素組成的比較。Tocantins省其他地區(qū)的太古代片麻巖的同位素組成也參與了比較（Pimentel等，1996）。樣本MR214顯示了研究樣本中的最高Nd（5.4）值和最年輕的NdTDM年代模型值（0.97Ga），如表二所示，非常接近虧損地幔演化曲線。樣本MR 157的特點是輕微陽性（0.8）的Nd并且其TDMNd

23、年代模型為ca.1Ga（如表二所示）。樣本MR 164顯示為負的（-9.3）Nd值并且有顯示相當年老的Nd TDM年代模型值（2.53Ga）。同樣，樣品PMIII95有負的（？7.2）Nd值并且NdTDM年代模型值為1.9Ga（如表二所示）。5.2 LA-MC-ICP-MS鋯石的U-Pb分析 鋯石的U-Pb分析的研究結果通過使用表三所列的BSE圖片（圖四）和圖五所繪制的諧和曲線圖。樣本MR 214，代表較年輕的變質巖石（負的Nd值和TDM年代模型值約為0.9Ga，Junges等，2002），顯示了一個非常均勻的鋯石分布未顯示任何內部結構和繼承核心。一對對齊的分析數據表明可能是由于研究區(qū)的Bra

24、siliano事件所導致的約為0.6Ga的損失（Pimentel等，1997）。而一組14粒鋯石則定義了一個平均年齡為9165MA解釋為變質巖石的結晶年齡。樣本PM III-95和MR 164，1.9Ga和2.5Ga的TDM年代模型值造山同期片麻巖，是一群非常龐雜的鋯石組，具復雜的諧和數據分布曲線。鋯石未顯示任何內部結構和繼承核心。表四原位Lu-Hf LA-MC-ICP-MS鋯石的分析結果圖六。比較Hf值的進化圖顯示研究樣本單個鋯石的LA-MC-ICP-MS分析結果 樣本PM III 95（如圖五所示）展示了五個一致和不一致的在2.0到2.2Ga之間鋯石顆粒組。其中兩組產生了202829Ma的

25、一致年齡而其他組界定一上攔截年齡216310Ma的一致曲線。其他8個的分析幾乎是一致，分散在123141.7和1.2Ga之間。一組7粒鋯石花崗巖一致被確定為7928Ma結晶年齡。 樣本MR164在諧和曲線中顯示了復雜的數據分布圖（如圖五），具一致或不一致的鋯石顆粒的幾個群體確定至少有三個路線（虛線），而他提出了三個古元古代巖漿事件的存在。第一組的兩種顆粒定義一個諧和曲線，固定在0點，具一上攔截年齡25968Ma的一致曲線。第二組的四個分析點具一上攔截年齡205710Ma的一致曲線。第三組的四個分析點具一上攔截年齡190732Ma的一致曲線（如圖五所示）。幾乎一致的數據顯示可能的損失均解釋發(fā)生在

26、巴西利亞巖漿/變質事件期間。最后，5組一致的鋯石顆粒顯示了原巖巖漿結晶年齡為8117Ma的諧和曲線。樣本MR157，代表碰撞后期的具TDM年代模型值為1.1Ga石英閃長巖，是一群非常龐雜的具6384Ma的諧和曲線鋯石組，代表鋯石顆粒未繼承核心。圖七Hf TDM年代模型值的直方圖圖八鋯石中的Hf與全巖Nd的關系示意圖圖九Hf隨時間的變化至晚新元古代的時間圖5.3鋯石的LA-MC-ICP-MSLuHf分析結果 表四所列的Lu-Hf的同位素數據，已繪制在如圖六的Hf時間變化圖。每個鋯石的Hf值通過先前同樣顆粒獲得的U-Pb年齡來計算。圖中的陰影部分代表從大約0.9Ga，1.82.0Ga和3.5Ga虧

27、損地幔產生的地殼巖石的Hf同位素演化趨勢。 這些都是計算大陸地殼的平均176Lu/177Hf比（0.0113）（Taylor和McLennan1985，Zeh等，2007）。虛線代表舊的地殼和新生地殼（巖漿）間的混合。 樣本MR214的鋯石中具有較高的Hf（t）值（在+8到+12之間），接近虧損地幔演化曲線顯示巖漿結晶，他們具有典型的新生特征。他們的TDM值限制在一個狹窄的范圍從0.82到1.02Ga.樣本MR157（石英閃長巖）的鋯石的特點是較高的的Hf（t）值，在+8至+1期間并且期TDM值在0.91到1.35Ga之間。 樣本MR164和樣本PMIIIGN的鋯石顆粒表現出更大的U-Pb年齡

28、和Hf（t）值（如圖六所示）。在Lu-Hf數據的解釋中這兩個樣品也有類似的U-Pb結晶年齡和可能被視為一個約800Ma前單一的巖漿事件。 最年輕的鋯石組的結晶年齡約在800Ma前而且兩組樣本都具有較低的Hf（t）值（-5.4到-15.9）。同位素組成表明，這些從地殼巖漿中噴出的年輕鋯石結晶具有再生地殼的部分物質。這些鋯石的兩階段的TDM年代模型（在1.8到2.4Ga之間）顯示，古元古代地殼可能是有涉及約800Ma前的巖漿活動。 樣本MR164和PMIII95也明顯表明繼承古元古代群至少有三個巖漿事件。第一個事件，由兩個202829Ma（圖五所示，樣本PMIII95）和205710Ma（圖五所示

29、，樣本MR164）的UPb年齡具有在+2.94到-6之間浮動的Hf（t）值。由于二期巖漿事件下的鋯石具有上攔截216310MaUPb年齡（圖五所示，樣本PMIII95），同樣具有在+5.37到-2.70之間浮動的Hf（t）值。鋯石的Hf同位素組成變化從巖漿活動表明，它們在地殼巖漿為新生期的結晶物質。第三個事件由圖五所示的樣本MR164通過有上攔截25968MaU-Pb年齡所界定，具有很小的Hf元素分析值。不過，這些鋯石顆粒顯示最老的TDM值在3和3.6Ga，表明主體巖漿通過地殼物質混染值大于3.5Ga. 樣本MR164和PMIII95也有一個一致的與其他樣本不同的鋯石中元古代群，它們界定一個具

30、有上攔截117272Ma年齡的諧和曲線（圖五所示，樣本PMIII95）。這次事件致使鋯石的Hf組成具有平均在+6.52和？10.53的Hf（t）值。 在圖七中，累計模式年齡圖表明具有新元古代（0.9和1.1Ga）和太古宙古元古代（1.85到2.45Ga）主要一些分散的，但重要的種群年齡。圖八表明鋯石Hf同位素和全巖Nd同位素之間的關系。在圖八中全巖的Nd值與巖漿鋯石測得的Hf值進行了比較，與地球的標準值保持了一致。圖八表明繼承鋯石測量的Hf年代比全巖Nd同位素年代模型要老一些。6.討論和結論 新測得的由鋯石獲得U-Pb和Lu-Hf同位素數據承認在Mara Rosa巖漿弧三個新元古代巖漿事件。 由巖漿結晶從一個東部表殼巖石變質帶U-Pb鋯石年齡（9165Ma）鑒定出的巖漿事件被同位素約束，一是全巖樣本的Nd同位素組成（Nd為+5.4），二是鋯石的Hf同位素組成（Hf（t）值+8到+12）。這些數據表明，從原來的幔源巖漿源為基本上沒有混染的舊大陸地殼。這與假設在約900Ma的一段舊金山和亞馬遜克拉通間洋內火山島弧的假設相一致（Pimentel等1997，2000a，b）。而結論是由地球化學基礎和獲得的英云變質侵入巖體同位素年代學數據而推斷出的。樣本MR214的年齡比幼年英云閃長巖（Piment