新疆天山造山帶偉晶巖鋯石u-pb年代學(xué)研究

新疆天山造山帶偉晶巖鋯石u-pb年代學(xué)研究

中亞造山帶是世界上最大的造山帶之一，其中泰克山帶是中亞造山帶的重要組成部分。阿爾泰地區(qū)分布有大約10萬(wàn)多條偉晶巖脈,90%以上的偉晶巖脈集中分布于38個(gè)偉晶巖田內(nèi),是我國(guó)稀有金屬Li、Rb、Cs、Be、Nb、Ta等以及寶石、白云母礦產(chǎn)的重要產(chǎn)地。前人根據(jù)偉晶巖脈的時(shí)空分布、造巖礦物組合、礦化特征、副礦物類型以及與圍巖的接觸關(guān)系等,將區(qū)內(nèi)的偉晶巖分為變質(zhì)分異偉晶巖、混合交代偉晶巖以及重熔巖漿分異偉晶巖等3種不同類型。但截止目前,有關(guān)阿爾泰造山帶偉晶巖的形成時(shí)代以及形成的大地構(gòu)造背景的研究還相當(dāng)缺乏,盡管少數(shù)稀有金屬偉晶巖的形成時(shí)代已有研究報(bào)道,如對(duì)于世界著名的阿爾泰3號(hào)偉晶巖脈形成時(shí)代,Wang等利用SHRIMP鋯石U-Pb定年獲得I、V和VII帶的形成年齡分別為(220±9)Ma、(198±7)Ma和(213±6)Ma;Zhu等報(bào)道了邊緣帶形成的Rb-Sr等時(shí)線年齡為(218±5.8)Ma;陳富文等獲得文象變文象偉晶巖帶中白云母的40Ar-39Ar等時(shí)線年齡為(178±1.8)Ma,葉鈉長(zhǎng)石-鋰輝石帶中白云母的40Ar-39Ar等時(shí)線年齡為(169±3.0)Ma,而核部帶微斜長(zhǎng)石40Ar-39Ar坪年齡為(148±1.0)Ma。對(duì)于大、小喀拉蘇偉晶巖形成時(shí)代,王登紅等分別獲得白云母Ar-Ar坪年齡為(248.4±2.1)Ma、(233.8±0.4)Ma。此外,王登紅等報(bào)道了阿祖拜偉晶巖中白云母Ar-Ar坪年齡為(154.1±0.1)Ma,等時(shí)線年齡為(151.4±2.0)Ma。由于偉晶巖作為一種獨(dú)立的礦床類型,不但在礦床學(xué)上占有不可忽視的地位,而且在示蹤大地構(gòu)造演化的過(guò)程中同樣具有重要意義。因此,本文利用LA-ICPMS技術(shù),較系統(tǒng)的開(kāi)展對(duì)阿爾泰造山帶偉晶巖的年代學(xué)研究,旨在厘定阿爾泰造山帶偉晶巖形成時(shí)代和期次,探討其形成的大地構(gòu)造背景及其對(duì)中亞造山帶演化的制約。1阿斯塔納山塊中國(guó)阿爾泰造山帶位于中亞造山帶的西南部,北鄰西薩彥嶺古島弧帶,南側(cè)以額爾齊斯斷裂與準(zhǔn)噶爾地塊接壤,向南東可連至蒙古的戈壁阿爾泰,向西北可延至哈薩克斯坦的礦區(qū)阿爾泰和俄羅斯的山區(qū)阿爾泰,總面積大約6萬(wàn)km2。關(guān)于阿爾泰的大地構(gòu)造格局,目前主要認(rèn)為是西伯利亞板塊與哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾板塊碰撞形成的。以紅山嘴—諾爾特?cái)嗔?、康布鐵堡-庫(kù)爾特?cái)嗔?、額爾齊斯斷裂帶為界,可將阿爾泰造山帶劃分為北、中、南3個(gè)次級(jí)構(gòu)造帶。北阿爾泰主要由泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)火山沉積巖組成,花崗巖主要形成于早-中古生代;中部塊體主要為震旦紀(jì)-泥盆紀(jì)深變質(zhì)巖系,可能存在前寒武紀(jì)基底,具有微陸塊的特點(diǎn),花崗巖在該區(qū)最為發(fā)育;南部塊體主要由早泥盆統(tǒng)康鐵堡組和中泥盆統(tǒng)阿勒泰組的變質(zhì)火山-沉積巖系組成,古生代花崗巖在該區(qū)廣泛分布。此外還發(fā)育有泥盆紀(jì)的蛇綠混雜巖,可能形成于弧后盆地。阿爾泰偉晶巖分布在中、南阿爾泰構(gòu)造單元內(nèi)。在區(qū)內(nèi)呈北西-南東向展布,在大約2萬(wàn)km2的范圍內(nèi),已發(fā)現(xiàn)的偉晶巖脈有近10萬(wàn)余條,分屬于38個(gè)偉晶巖田(偉晶巖田即指?jìng)ゾr脈集中區(qū))(圖1)。受構(gòu)造-巖漿-變質(zhì)等因素的影響,每一個(gè)偉晶巖田內(nèi)偉晶巖脈的類型、礦化種類及礦化程度、形成時(shí)間都不盡相同。2樣品采集與分析的分析方法2.1偉晶巖的組成、演化野外地質(zhì)工作發(fā)現(xiàn),以阿勒泰縣—富蘊(yùn)縣為界,阿爾泰造山帶偉晶巖可分出NW段(包括布爾津縣、哈巴河縣)和SE段(阿勒泰縣、福海縣、富蘊(yùn)縣和青河縣),2段具有顯著不同的演化特征。NW段出露的偉晶巖為簡(jiǎn)單的長(zhǎng)英質(zhì)脈,寬僅為數(shù)米,主要結(jié)構(gòu)帶為文象帶、塊體微斜長(zhǎng)石帶和微斜長(zhǎng)石-石英-白云母巢體帶。偉晶巖分異演化簡(jiǎn)單,僅見(jiàn)稀有元素Be的礦化。SE段出露的偉晶巖有簡(jiǎn)單長(zhǎng)英質(zhì)脈和復(fù)雜的LCT型(如鋰輝石型)偉晶巖,偉晶巖規(guī)?？蓮臄?shù)米寬的脈體到長(zhǎng)、寬、高為數(shù)十米至數(shù)百米的巖鐘體(如3號(hào)脈),除發(fā)育文象帶、塊體微斜長(zhǎng)石帶和石英-白云母巢體帶外,還發(fā)育糖粒狀鈉長(zhǎng)石帶、石英-葉鈉長(zhǎng)石-鋰輝石帶以及可能發(fā)育鋰云母-薄片狀鈉長(zhǎng)石帶。偉晶巖分異較完善,以存在鈉長(zhǎng)石、鋰輝石、鋰云母等礦物為特征。本次研究采集了阿爾泰造山帶中可可托海偉晶巖田、大喀拉蘇偉晶巖田、柯魯木特吉得克偉晶巖田、切別林偉晶巖田、沖乎爾偉晶巖田以及加曼哈巴等偉晶巖田中19件偉晶巖樣品。所研究偉晶巖脈的地理位置、結(jié)構(gòu)分帶、礦化類型以及圍巖特征列于表1。2.2鋯石的分離純化首先對(duì)野外采集的偉晶巖大樣進(jìn)行清洗-粗碎,所有樣品利用不銹鋼搗缽碎樣,過(guò)篩60～80目,然后進(jìn)行浮選、重力分選、磁選,之后將分離的鋯石置于雙目鏡下挑純。將鋯石顆粒制靶后,先后進(jìn)行反射光、透射光、陰極發(fā)光照相。2.3儀器和實(shí)驗(yàn)方法鋯石LA-ICPMS年齡分析在中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光剝蝕系統(tǒng)為德國(guó)LamdaPhysik公司制造的GeoLasPro,激光束斑直徑為32μm,剝蝕深度20～40μm,背景信號(hào)采集時(shí)間20s,剝蝕信號(hào)采集40s,激光工作頻率為5Hz;電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)系統(tǒng)為加拿大PerkinElmer公司制造的型號(hào)為ELANDRC-e的四級(jí)桿等離子體質(zhì)譜儀。采用He作為剝蝕物質(zhì)的載氣。測(cè)試過(guò)程中以鋯石GJ-1為外標(biāo),校正元素分餾,并以鋯石Ple?ovice監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量。以NISTSRM610為外標(biāo),91Zr為內(nèi)標(biāo),對(duì)鋯石的微量元素含量進(jìn)行定量計(jì)算。測(cè)試數(shù)據(jù)的離線處理采用ICPMSDataCal軟件完成。年齡計(jì)算和諧和圖采用Isoplot(ver3.27)得出。大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光剝蝕系統(tǒng)為德國(guó)MicroLas公司生產(chǎn)的GeoLas200M,測(cè)試時(shí)激光束斑直徑為30μm,剝蝕深度20～40μm,剝蝕信號(hào)采集40s,激光脈沖10Hz;電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)系統(tǒng)為Agilent7500a,采用He作為剝蝕物質(zhì)的載氣,由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NISTSRM610進(jìn)行儀器最佳化,采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),外標(biāo)校正方法為每隔4～5個(gè)樣品分析點(diǎn)測(cè)一次標(biāo)準(zhǔn)樣品,保證標(biāo)準(zhǔn)和樣品的儀器條件一致。鋯石U-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)處理采用ICPMSDataCal(V4.6)程序,U-Pb年齡計(jì)算及作圖使用Isoplot(3.00版)完成。測(cè)試中的誤差標(biāo)準(zhǔn)為1σ,實(shí)驗(yàn)詳細(xì)的流程參見(jiàn)文獻(xiàn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和表3。3結(jié)果3.1鋯石礦物特性BRJ08-13:鋯石顆粒粗大(150～400μm),棕褐色,不透明,為自形或半自形的四方柱狀和自形四方雙錐。鋯石陰極發(fā)光特征為:幾乎不顯示韻律環(huán)帶,大部分鋯石內(nèi)部呈斑雜狀(圖2a中測(cè)點(diǎn)2)。鋯石CL圖中呈星點(diǎn)狀分布的微斑表明鋯石中含有數(shù)量不等的礦物包裹體。鋯石邊部成分相對(duì)比較均一、干凈(圖2a中測(cè)點(diǎn)1、5、10)。鋯石的U、Th含量分析表明,鋯石內(nèi)部斑雜狀區(qū)域,U含量比較高,w(U)=6772×10-6～46971×10-6;而邊部相對(duì)均一的部位U含量相對(duì)較低,w(U)=5685×10-6～21018×10-6。除5號(hào)點(diǎn)的Th/U為1.11外,其余點(diǎn)的Th/U比值均小于0.24。QH10-1:鋯石粒徑約100～300μm,淡褐色,不透明至半透明,自形四方雙錐。陰極發(fā)光圖像顯示,大部分鋯石邊部可見(jiàn)韻律環(huán)帶(圖2b中測(cè)點(diǎn)7、9、12、13),內(nèi)部則幾乎不發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu)。其中左下方鋯石顯示出由核→?！?CL由強(qiáng)至弱變化,而且顯示核部(測(cè)點(diǎn)6)與邊部(測(cè)點(diǎn)9)的韻律帶不一致,可能指示有繼承核的存在。右下方鋯石保留了清晰的鋯石環(huán)帶結(jié)構(gòu),但內(nèi)部退化顯著,裂隙較發(fā)育,表明鋯石發(fā)生了一定程度的蛻晶化。該鋯石也含有較多的包裹體礦物。U、Th含量分析顯示,位于巖漿環(huán)帶部位的測(cè)點(diǎn)U含量比較低,w(U)=2078×10-6～6148×10-6,w(Th)=3×10-6～42×10-6;位于鋯石核部的測(cè)點(diǎn)U含量相對(duì)比較高,w(U)=2504×10-6～13502×10-6,w(Th)=2×10-6～16×10-6。所有分析點(diǎn)的Th/U比值非常低,介于0.001～0.008之間。KP1-08-3:鋯石顆粒較大(150～450μm),淺褐色至棕褐色,半透明至不透明,呈自形-半自形四方雙錐或四方柱狀。在陰極發(fā)光圖像中,大部分鋯石外部顯示了清晰明亮的巖漿振蕩環(huán)帶(圖2c中測(cè)點(diǎn)7、12、13、19),弱化了的環(huán)帶結(jié)構(gòu)表明發(fā)生了部分重結(jié)晶作用(圖2c中右上方鋯石);內(nèi)部陰極發(fā)光較弱,呈明暗相間的斑雜狀結(jié)構(gòu)。其中位于巖漿環(huán)帶發(fā)育部位的測(cè)點(diǎn)以高U低Th,w(U)=483×10-6～30465×10-6,w(Th)=10×10-6～548×10-6;而內(nèi)部無(wú)環(huán)帶區(qū)域以低U高Th為特征,w(U)=490×10-6～13539×10-6,w(Th)=8×10-6～1332×10-6。樣品所有測(cè)點(diǎn)的Th/U比值介于0.003～0.19。JMK10-A:鋯石顆粒粗大(200～350μm),棕褐色,不透明,呈自形或半自形的四方雙錐或四方柱狀。陰極發(fā)光圖像顯示,大部分鋯石陰極發(fā)光較弱,內(nèi)部呈斑雜狀結(jié)構(gòu),外部則保留了不同程度蛻化的巖漿環(huán)帶(圖2d中測(cè)點(diǎn)3、4、11、15)。有些鋯石可見(jiàn)明顯的巖漿振蕩環(huán)帶,為典型的巖漿鋯石(圖2d中測(cè)點(diǎn)12)。高的U、Th含量造成了鋯石內(nèi)部顯著的蛻晶化和不同程度的重結(jié)晶作用,w(U)和w(Th)分別為3807×10-6～209779×10-6,149×10-6～33494×10-6,Th/U比值變化于0.03～0.23之間。3.2測(cè)點(diǎn)結(jié)果及年齡關(guān)系分析代表性偉晶巖鋯石U-Pb年齡分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。BRJ08-13:樣品共分析測(cè)點(diǎn)14個(gè),其中7個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)4、6、7、8、11、13、14)在U-Pb年齡諧和圖上偏離諧和曲線,諧和度較差,206Pb/238U年齡分散變化于363～673Ma。其中6個(gè)測(cè)點(diǎn)年齡≤450Ma,表明選擇的鋯石微區(qū)可能發(fā)生了不同程度的蛻晶質(zhì)化作用,并由此導(dǎo)致了子體Pb丟失;剩余的1個(gè)測(cè)點(diǎn)的年齡高達(dá)673Ma,可能是鋯石中包體或因放射性晶格損傷后普通Pb加入所致。因此,這些點(diǎn)的206Pb/238U年齡不具有任何地質(zhì)意義,故不參與加權(quán)平均年齡計(jì)算。其余7個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)自鋯石邊部均勻、干凈的區(qū)域,U(5685×10-6～21018×10-6)含量相對(duì)較低,206Pb/238U年齡相對(duì)比較集中(455～486Ma),加權(quán)平均年齡為476±12Ma(MSWD=0.45)(圖3a),代表了鋯石的結(jié)晶年齡,指示形成于加里東期。QH10-1:共選擇分析測(cè)點(diǎn)13個(gè),其中有4個(gè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)2、6、10、11)位于鋯石核部,206Pb/238U年齡集中在369～382Ma之間,加權(quán)平均年齡為(377±3.6)Ma(MSWD=2.2),代表繼承鋯石年齡,與CL特征所揭示的鋯石組成一致。另外9個(gè)測(cè)點(diǎn)均位于巖漿環(huán)帶發(fā)育部位,206Pb/238U年齡比較集中(273～281Ma),加權(quán)平均年齡為(275.5±4.2)Ma(MSWD=0.14)(圖3b),代表該偉晶巖鋯石形成年齡,為海西晚期。KP1-08-3:共分析測(cè)點(diǎn)20個(gè),其中有8個(gè)測(cè)點(diǎn)位于鋯石內(nèi)部陰極發(fā)光微弱,無(wú)環(huán)帶或環(huán)帶蛻化的部位,在鋯石年齡諧和圖上明顯偏離諧和曲線,其206Pb/238U年齡分散且跨度較大,變化于132～213Ma之間。年齡顯著小于200Ma的微區(qū)指示鋯石可能發(fā)生了不同程度的放射性成因Pb的丟失或者因?yàn)椴煌耆牟糠种亟Y(jié)晶作用影響了年齡諧和度。明亮且韻律環(huán)帶幾乎退化的重結(jié)晶區(qū)域未給出與韻律環(huán)帶可區(qū)別的年齡(如圖2c中測(cè)點(diǎn)12與19)。而來(lái)自鋯石外部陰極發(fā)光明亮,巖漿環(huán)帶清晰的12個(gè)測(cè)點(diǎn),其206Pb/238U的年齡諧和度高且比較集中,分布在207～210Ma之間,加權(quán)平均年齡為(208.1±0.8)Ma(MSWD=0.35)(圖3c),代表了偉晶巖鋯石的形成年齡,為印支晚期。JMK10-A:共分析測(cè)點(diǎn)15個(gè),所有測(cè)點(diǎn)選自鋯石外部殘余環(huán)帶或CL弱的均一原生微區(qū),206Pb/238U年齡比較集中,分布在193～201Ma之間,其w(U)和w(Th)分別為3807×10-6～209779×10-6,149×10-6～33494×10-6,Th/U比值變化于0.03～0.23之間。w(U)最高的測(cè)點(diǎn)5(207960×10-6)和測(cè)點(diǎn)9(209779×10-6)給出了諧和度≥97%的年齡,分別為196.5和200Ma,表明極高的U含量雖然會(huì)因放射性衰變破壞鋯石晶格而影響年齡,但是高的子體Pb含量有利于準(zhǔn)確測(cè)量U-Pb年齡。4個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)3、6、7、8)不同程度偏離了諧和線,加之較高的U、Th含量,表明可能受到了不同程度蛻晶化作用影響。但這些測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U年齡(194～199Ma)與來(lái)自典型巖漿鋯石測(cè)點(diǎn)12所獲得206Pb/238U年齡(196Ma)在誤差范圍內(nèi)一致,表明蛻晶化作用導(dǎo)致的Pb丟失只對(duì)207Pb/235U年齡產(chǎn)生顯著影響。因此15個(gè)點(diǎn)的206Pb/238U的加權(quán)平均年齡(196.1±1)Ma(MSWD=0.67)(圖3d),代表該偉晶巖鋯石的形成年齡,指示為燕山期。4討論4.1偉晶巖的形成時(shí)代利用LA-ICP-MS技術(shù)對(duì)阿爾泰地區(qū)19條偉晶巖脈中單顆粒鋯石進(jìn)行了精確定年,其結(jié)果列于表3。分析結(jié)果表明,阿爾泰西北部也留曼偉晶巖田中的1條偉晶巖脈,206Pb/238U加權(quán)平均年齡為476±12Ma,形成時(shí)代為加里東期;其余位于阿爾泰中部地區(qū)的可可托海、柯魯木特以及大喀拉蘇等偉晶巖田的18條偉晶巖脈的形成時(shí)代在晚二疊世之后,其年齡分布于在180～280Ma的范圍內(nèi)。由此,可將阿爾泰造山帶偉晶巖劃分為4主要形成時(shí)期:加里東期,形成年齡約476Ma;海西晚期,形成時(shí)代為260～280Ma;印支期,形成時(shí)代主要分布在205～250Ma;燕山期,形成時(shí)代主要分布在180～200Ma范圍。4.2中亞造山帶的主要稀有金屬礦本文研究表明,群庫(kù)爾稀有金屬偉晶巖(Be-Nb-Ta礦床)形成時(shí)代為(206.8±1.6)Ma,佳木開(kāi)稀有金屬偉晶巖(Li-Be-Nb-Ta-Cs礦床)形成于(212.2±1.7Ma),阿巴宮-塔拉特稀有金屬偉晶巖(Nb-Ta礦床)形成于(246.8±1.2)Ma,均指示形成于印支期。此外,已有的研究表明,可可托海3號(hào)偉晶巖脈這一中亞造山帶中超大型稀有金屬礦床(Li-Be-Nb-Ta-Cs-Rb-Hf礦床),其冷凝邊Rb-Sr等時(shí)線年齡為(218.4±5.8)Ma,內(nèi)部帶IV帶、V帶的鋯石U-Pb年齡(220±9)Ma和(198±7)Ma。表明世界最著名的可可托海3號(hào)偉晶巖脈形成于印支期。柯魯木特112號(hào)偉晶巖脈(Li-Be-Nb-Ta礦床)是中亞造山帶中僅次于可可托海3號(hào)偉晶巖脈的一重要的稀有金屬礦床,鋯石U-Pb定年結(jié)果顯示,柯魯木特112號(hào)偉晶巖脈Li-Be-Nb-Ta礦床形成時(shí)代為238～216Ma(據(jù)呂正航未發(fā)表數(shù)據(jù))。大喀拉蘇偉晶巖(Li-Be-Nb-Ta礦床),其鈉長(zhǎng)石-石英-白云母帶的白云母Ar-Ar坪年齡為(248±0.1)Ma;小喀拉蘇偉晶巖(Nb-Ta礦床)中白云母Ar-Ar坪年齡為(233.8±0.5)Ma。由此,我們認(rèn)為阿爾泰造山帶中與偉晶巖有關(guān)的稀有金屬礦床主要形成于印支期。4.3造山帶的成因以前關(guān)于阿爾泰的大地構(gòu)造演化模式主要有:①奧陶紀(jì)-志留紀(jì)古亞洲洋向西伯利亞板塊俯沖,形成阿爾泰加里東島弧;②早-中泥盆紀(jì)出現(xiàn)陸弧或陸緣邊緣裂解;③晚泥盆世島弧地殼變厚,形成巖漿混雜地殼;④早石炭世板塊停止俯沖,出現(xiàn)弧后拉張;⑤早石炭世晚期-晚石炭世早期,西伯利亞和準(zhǔn)噶爾板塊發(fā)生碰撞,形成北準(zhǔn)噶爾和南阿爾泰兩個(gè)碰撞造山帶;⑥早二疊世北準(zhǔn)噶爾造山帶處于碰撞后期拉張環(huán)境下,地殼變薄,軟流圈地幔上涌,形成一套偏堿性的巖石組合。因此,對(duì)于阿爾泰偉晶巖的成因,許多學(xué)者傾向性認(rèn)為其形成于非造山背景。Cěrny將這種富含Li、Rb、Cs、Be、Ga、Sn、Nb<Ta、B、P、F等元素的偉晶巖稱為L(zhǎng)CT型偉晶巖,認(rèn)為這種LCT型偉晶巖通常與同造山、造山晚期過(guò)鋁質(zhì)S型花崗巖密切相關(guān)。與Li-Be-Nb-Ta-Cs礦床相關(guān)的偉晶巖,以過(guò)鋁質(zhì),富含B、Be、Li、P、堿質(zhì)(Na、K),貧Fe、Mg、Ca以及礦物(如磷灰石)顯示強(qiáng)烈