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西藏多巴地区片麻岩变质演化过程及其地质意义

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 摘 要:拉萨地体普遍出露一套角闪岩相、局部达麻粒岩相的变质岩系, 以往的区域地质研究普遍认为这套变质岩为拉萨地体的前寒武纪变质基底, 称之为念青唐古拉岩群。尽管现有的研究认为念青唐古拉岩群经历了前寒武纪变质作用,但部分地区仍缺少令人信服的岩石学及地质年代学证据。通过对拉萨地体北部多巴地区出露的片麻岩进行岩石学及矿物学研究,认为其为一套经历角闪岩相变质作用的中级变质岩系,主要岩石类型有云母片岩和含石榴石黑云母斜长片麻岩。矿物电子探针分析表明,组成岩石的石榴石、长石、黑云母等矿物均为变质成因矿物。石榴石无明显核边分带结构,成分相对均一。利用传统矿物对温压计进行了温压条件估算,得到640 ℃~660 ℃和0.60~0.67 GPa的角闪岩相变质温压条件。首次利用LA-ICP-MS方法对该区花岗质片麻岩中的锆石进行年代学研究,得到(847.0±5.7)Ma的新元古代变质年龄,可与该区域念青唐古拉岩群的变质时代对比,为该片麻岩归入念青唐古拉岩群提供了切实可靠的年代学证据。
  关键词:变质作用;花岗质片麻岩;温压条件;新元古代;锆石年代学;念青唐古拉岩群;拉萨地体;西藏
  中图分类号:P588.34 文献标志码:A
  文章编号:1672-6561(2016)05-0601-11
  Abstract: A suit of metamorphic rocks, which experience amphibolite and partly granulite facies metamorphism exposes on Lhasa block, are recognized as the basement of Lhasa block and named as Nyainqentanglha Group in the former literatures. Although the rocks are thought to be part of Nyainqentanglha Group, however, it is still lack of reliable geochronological data in some area. By means of the petrological and mineralogical investigations on the gneisses exposed in Duoba area of the north part of Lhasa block, it shows that the gneiss suit is composed of mica schist and garnet-bearing plagioclase gneiss, which has experienced amphibolite facies metamorphism. The garnet in the gneiss with homogeneous composition does not have core-rim structure. The traditional mineral-pair geothermobarometer shows that the metamorphic pressure-temperature conditions are 640 ℃-660 ℃ and 0.60-0.67 GPa, which belong to amphibolite facies metamorphism. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating technique is used for the first time to date the metamorphic age of the gneiss in Duoba area and yield the Proterozoic metamorphic age of (847.0±5.7)Ma, which can be compared with Nyainqentanglha Group in the area, exhibiting strong evidence that the gneiss in Duoba area is also part of Nyainqentanglha Group.
  Key words: metamorphism; granitic gneiss; pressure-temperature conditions; Neoproterozoic; zircon geochronology; Nyainqentanglha Group; Lhasa block; Tibet
  0 引 言
  青藏高原自北向南由松潘—甘孜地体、羌塘地体、拉萨地体和喜马拉雅造山带组成[1-2]。位于欧亚大陆南边缘的拉萨地体蕴含着丰富的大陆裂解、漂移、聚合以及碰撞造山作用相关的构造运动、岩浆活动和变质作用的地球动力学信息,吸引了国内外众多研究者的关注[1,3-6]。拉萨地体位于欧亚板块的南端,在新生代与印度大陆的碰撞形成了喜马拉雅造山带[4-5],因此,拉萨地体的演化过程是揭示青藏高原形成和演化历史的关键问题之一。拉萨地体中的中、高级变质岩被前人认为是前寒武纪变质基底,并被称为念青唐古拉岩群[7-12]。但近年来的研究表明,拉萨地体经历了多期次不同类型的变质作用,按照变质程度的不同,自北向南可划分为4个变质带:北部的安多高压变质带,形成于早侏罗世的陆-陆碰撞造山过程中;中部的纳木错高压变质带,形成于晚新元古代洋壳俯冲过程中;南、北拉萨地体之间的松多高压变质带,形成于晚古生代的洋壳俯冲至早中生代陆-陆碰撞造山带过程中;南部的冈底斯高温/中压复合变质带,形成于中、新生代的洋壳俯冲到陆-陆碰撞造山过程中[13]。因此,部分学者将前寒武纪变质基底“念青唐古拉岩群”以不同时代、不同构造为依据划分为“那果岩群”、“松多岩群”以及“林芝岩群”[14]。
  新元古代高压变质带分布于北拉萨地体中部,与古生代变质沉积岩之间呈断层接触关系。高压变质岩主要由基性麻粒岩组成,含少量片麻岩、片岩和大理岩,张泽明等在拉萨地体北部那果地区的变质岩中获得了约720 Ma的变质年龄[14]。另外,朱志勇等利用角闪石Ar-Ar法对班戈节浪垭地区的变质岩进行了定年,获得了845 Ma的年龄,并认为其代表新元古代的变质事件[15]。本文针对拉萨地体北部念青唐古拉岩群含石榴石花岗质片麻岩进行了详细的岩石学及矿物学研究,限定该片麻岩经历了角闪岩相的中高级变质作用;应用LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年方法得到该角闪岩相变质作用发生在新元古代,与拉萨地体基底形成过程相关。
  1 区域地质概况
  西藏拉萨地体位于班公—怒江缝合带和雅鲁藏布江缝合带之间,西起狮泉河、冈仁波齐,向东经念青唐古拉山与伯舒拉岭相连,南北宽约300 km,东西方向延伸约2 000 km,面积达45×104 km2,其内部发育冈底斯中、新生代岛弧及活动陆缘火山带。拉萨地体中变质岩比较发育,呈零星分布的念青唐古拉岩群为古老的变质基底,其岩石组合类型主要有含石榴石黑云斜长片麻岩、黑云二长片麻岩、斜长角闪片岩、大理岩、石英岩及花岗片麻岩等。
  研究区位于拉萨地体中北部的多巴地区,行政区划上靠近申扎县(图1)。该区自然环境恶劣,研究程度较低。区内地层属于滇藏大区的冈底斯—腾冲地层区和班公错—怒江地层区。其中,冈底斯—腾冲地层区根据永珠蛇绿岩带两侧沉积环境和岩石组合类型的差异,可将测区的地层划分为两个小区,即永珠蛇绿岩带以南为申扎小区,以北为多巴—雄梅小区。班公错—怒江地层区属纳卡错—东卡错小区。区内岩石地层单元可划分为:前震旦系念青唐古拉岩群,下奥陶统拉塞组,中—上奥陶统柯尔多组,上奥陶统刚木桑组,上奥陶统—中志留统德悟卡下组,上—顶志留统扎弄俄玛组,下泥盆统达尔东组,下泥盆统—下石炭统查果罗玛组,下—上石炭统永珠组,上石炭统—下二叠统拉嘎组,下二叠统昂杰组,中二叠统下拉组,上二叠统木纠错组,上三叠统多布日组,中—上侏罗统接奴群,上侏罗统—下白垩统日拉组,日拉组索尔碎屑岩,下白垩统则弄群、捷嘎组、多尼组、郎山组、康曲组、余穷组、去申拉组,上白垩统竟柱山组,古—始新统牛堡组,渐新统丁青湖组,上新统乌郁群,第四系松散砂砾层[16]。
  本次研究工作的主要对象为念青唐古拉岩群地层单元。早期的研究者根据野外产状、岩石组合及变质变形程度将该处的念青唐古拉岩群划分为上、下岩组变质岩。其中以下岩组为主,岩石组合主要为:黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、角闪片岩、石榴石白云母片岩、含石榴石白云母石英片岩、黑云变粒岩、大理岩、磁铁石英岩等。部分地段由于后期动力变质作用的改造发生退变质形成低绿片岩相的绢云千枚岩、绢云绿泥石英片岩等,多分布在下岩组的边部。该套岩石变质变形作用相对较强,形成了揉皱、膝折、眼球、石香肠等变形构造且变质程度较深,原岩结构已面目全非。上岩组为一套变质程度较低的浅变质岩石。岩石组合为变质石英粉砂岩、变质钙质粉砂岩、细晶大理岩、板岩等。其变质变形作用较弱,原岩结构仍清晰可辨,以发育劈理、板理及韧性程度不高的揉皱等构造形迹为特征。研究者认为上、下变质岩组分别代表早、晚两期变质事件:早期变质事件发生在前震旦纪,使一套具有类复理石特征的碎屑岩夹部分基性火山岩、硅(铁)质岩沉积建造发生变质,变质级别为高绿片岩相-低角闪岩相,变质相系为低压—中压相系;晚期变质事件发生在前震旦纪—寒武纪,使一套碎屑岩-碳酸岩盐沉积组合发生变质,变质程度为低绿片岩相,变质温度(T)和压力(P)条件大致为T=350 ℃~500 ℃,P=0.2~0.6 GPa[16]。
  2 岩石学特征
  2.1 岩相学特征
  采集的样品以念青唐古拉岩群下岩组为主,主要为一套高绿片岩相-低角闪岩相的中(低)级变质岩石。岩石组合主要为:黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、角闪片岩、石榴石白云母片岩、含石榴石白云母石英片岩、黑云变粒岩、大理岩、磁铁石英岩等。岩石类型有灰色黑云母石英片岩和灰色含石榴石黑云斜长片麻岩。
  灰色黑云母石英片岩具细粒片状—粒状变晶结构和片状构造。主要矿物为石英、斜长石、黑云母。石英呈他形粒状,粒度为0.05~0.10 mm,体积分数约为70%。斜长石呈灰白色粒状,表面泥化、绢云母化,粒度为0.1~0.3 mm,少数见聚片双晶,体积分数约为20%。黑云母呈片状集合体,粒度为0.01~0.05 mm,个别达0.1 mm,体积分数约为10%。
  灰色含石榴石黑云斜长片麻岩(图2)具粒状变晶结构和片麻状构造,主要矿物为斜长石、石英、黑云母、石榴石。斜长石呈粒状,少数可见聚片双晶,表面泥化、绢云母化,粒度为1~2 mm,体积分数约为55%。石英呈无色透明粒状,粒度为1.0~1.5 mm,体积分数约为40%。黑云母呈片状,粒度为0.02~0.05 mm,定向排列,部分发生绿泥石化,体积分数约为5%。石榴石呈他形粒状,粒度为1.0~1.5 mm,体积分数约为2%。 石榴石呈半自形—他形粒状结构,部分含有石英包体,在单偏光镜下呈淡褐色或淡红色,个别为浓的褐色或红褐色,正高—正极高突起,糙面明显,晶体中有不规则裂纹,无解理,正交偏光镜下全消光,显示均质性[17]。
  2.2 矿物化学特征
  多巴地区含石榴石花岗质片麻岩主要含有石榴石、黑云母、钾长石、斜长石、石英等矿物,部分片麻岩还含有少量白云母、蚀变方解石以及其他变质矿物。利用北京大学地球与空间科学学院电子探针实验室JEOL JAX-8100探针对矿物的化学成分进行分析。定量分析工作条件为:加速电压20 kV,探针电流20 nA,电子束斑直径1 μm,采用ZAF数据校正。
  2.2.1 石榴石
  含石榴石黑云斜长片麻岩中的石榴石由镁铝榴石(Prp)、铁铝榴石(Alm)、钙铝榴石(Grs)和锰铝榴石(Sps)4个端元组分组成。具有代表性石榴石成分换算为摩尔分数,钙铁榴石(Ca3Fe3+2Si3O12)为9.11%,铁铝榴石(Fe3Al2Si3O12)为64.5%,锰铝榴石(Mn3Al2Si3O12)为1.08%,镁铝榴石(Mg3Al2Si3O12)为6.02%,钙铝榴石(Ca3Al2Si3O12)为19.31%。电子探针数据显示石榴石成分在核部和边部并没有显著变化(图3、4,表1),说明岩石在变质反应过程中变质条件未发生较大变化[18]。利用矿物对所计算得到的温度、压力反映的是岩石变质反应过程平均温压值,而非其峰期温度、压力值。 2.2.2 黑云母
  基质以黑云母为主,含有少量的白云母,二者总量构成片麻岩40%左右的基质成分,其限定了片麻岩的线理方向。黑云母在基质及变斑晶石榴石中均有分布。相比基质中的黑云母,变斑晶石榴石包体中的黑云母具有低Ti含量(表2)。这种成分上的差异可能是不同的变质过程造成的。
  2.2.3 长 石
  基质中多数斜长石为钠长石(An牌号为0~10),钾长石与之的含量相当,二者与石英共生,构成50%左右的基质成分(表2)。
  3 变质作用的温压条件
  石榴石-黑云母(GB)温度计已经过多次经验标定及试验标定[19-21],目前至少已有32个版本问世[22]。标定该温度计的试验温度范围(575 ℃~950 ℃)较宽,因此,理论上该温度计适用于高绿片岩相至麻粒岩相乃至超高温变质岩。由于标定该温度计的试验中采用的石榴石、黑云母基本为近于Fe-Mg二元系的矿物,所以该温度计并不适用于Ti、Al“杂质”含量(质量分数,下同)高的黑云母,或Ca、Mn“杂质”含量高的石榴石[23-24]。
  石榴石-蓝晶石(矽线石、红柱石)-斜长石-石英(GASP)压力计是角闪岩相至麻粒岩相岩石中应用最广的压力计,其优点在于石榴石-蓝晶石(矽线石、红柱石)-斜长石-石英组合是变泥质岩中广泛出现的组合。但考虑到贫Al的泥质变质岩石往往并不含有蓝晶石、矽线石、红柱石,这种情况下GASP 压力计并不适用,因此,需要采用不含这3种矿物的压力计,例如石榴石-黑云母-斜长石-石英(GBPQ)压力计。GBPQ压力计的优点在于无论岩石中是否有蓝晶石、矽线石、红柱石等富铝矿物,GB温度计与GBPQ 压力计都构成内洽的温度计-压力计组合,可用来同时求得变质作用温度和压力。标定GBPQ 压力计的温压条件是515 ℃~880 ℃、0.10~1.14 GPa,同GBPQ 压力计与GASP 压力计计算值差别在0.1 GPa以内。考虑到研究区的地质背景、样品的矿物组合,结合GB温度计和GBPQ压力计的适用范围,选取Holdaway等标定的GB温度计[25]、Dale等标定的GBPQ压力计[26]。利用片麻岩中的石榴石斑晶和基质中的黑云母、斜长石成分计算得到其温压条件为640 ℃~660 ℃、0.60~0.67 GPa,代表了该片麻岩发生变质作用的平均温压条件。
  4 锆石U-Pb定年结果
  在多巴含石榴石黑云斜长片麻岩样品中,选取显微镜下石榴石晶形比较完整的样品13-DB-57用来挑选锆石进行U-Pb定年。锆石挑选工作在廊坊市地岩矿物分选有限公司进行,岩石标本清洗后被粉碎;先用重液和磁选方法将锆石分离出来,然后在双目镜下进行手工挑选。将挑选出的锆石颗粒连同锆石标样一同粘到环氧树脂做成25 mm靶并抛光。采用扫描电镜对锆石内部结构特征进行阴极发光(CL)图像检查。锆石中的包体检测采用北京大学地球与空间科学学院Renishaw激光拉曼光谱仪进行。锆石微量元素测定在中国科学技术大学LA-ICP-MS实验室利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法见文献[27]、[28]。
  锆石形态呈椭圆状、圆状,粒径约为100 μm。从阴极发光图像可看出,锆石不具有核-边结构,表现为斑块状或冷杉状结构特征(图5),与典型变质锆石阴极发光图像特征类似。40个LA-ICP-MS定年结果的n(206Pb)/n(238U)年龄介于624~933 Ma之间。其中26个位于锆石核幔部分析点谐和年龄为(847.0±5.7)Ma(平均标准权重偏差(MSWD)为5.1),加权平均年龄为(849±13)Ma(MSWD值为1.3),与谐和年龄在误差范围内一致,解释为片麻岩的形成年龄[图6(a)、表3]。
  样品中锆石球粒陨石标准化稀土元素配分模式总体上呈现出轻稀土元素亏损,而重稀土元素相对平坦的特征[图6(b)、表4][14,29-30],部分具有明显Eu负异常,其原因可能是与长石共同生长。对锆石微量元素研究最多的是元素U、Th及放射性成因Pb,非放射性成因Pb由于被结晶锆石所排斥而缺少显著意义。八配位的U4+和Th4+离子半径与Zr4+离子半径相近,且电价相同,因此,很容易进入锆石晶格中。而不同成因的锆石具有不同的U、Th含量及w(Th)/w(U)值,锆石w(Th)/w(U)值常常被用作判断其成因的标志。典型变质成因锆石的w(Th)/w(U)值通常小于0.1,但大量数据显示,一些变质锆石的w(Th)/w(U)值大于0.1并有很大的变化,如重结晶锆石w(Th)/w(U)值较高,另外高温变质作用中生长的锆石w(Th)/w(U)值一般大于0.15,最高可达3.2[31]。影响Th、U在锆石中含量的因素包括:整个环境中的Th、U含量以及这两种元素在锆石和共存矿物之间、在熔体和流体之间的分配系数。由于形成独居石会吸收大量Th,如果独居石形成早于锆石,则锆石具有低的Th含量和w(Th)/w(U)值,反之亦然。因此,利用w(Th)/w(U)值来判断锆石的成因非常局限,需要与锆石内部结构特征、包裹体、形成条件及其他化学信息相结合,才能做出合理判断[32-33]。本次样品锆石的w(Th)/w(U)值在0.4左右,但考虑其内部结构特征和稀土元素配分模式,推断其可能形成于高温变质且含有熔体活动情况下,即为深熔锆石。
  5 讨 论
  5.1 拉萨地体的前寒武纪变质基底
  在拉萨地体东部出露一套角闪岩相、局部达麻粒岩相的高级变质岩,以往的研究和区域地质调查普遍认为这套变质岩是拉萨地体的前寒武纪变质基底,并被称之为念青唐古拉岩群[3-8]。尽管现有的研究普遍认为念青唐古拉岩群经历了前寒武纪变质作用,但并没有确切的变质年代学证据。近年来,一些研究者采用锆石U-Pb原位方法获得了一些年龄数据,但它们或者是副变质岩的碎屑锆石年龄或者是正变质岩的原岩年龄,并没有给出可信的前寒武纪变质年龄。张泽明等在纳木错湖西那果地区的高级变质岩中第一次获得了确切的新元古代变质年龄[14]。本文研究区分布在那果以西,位于拉萨地体的中北部多巴地区,获取的片麻岩为一套角闪岩相甚至麻粒岩相的中、高级变质岩。通过对区内片麻岩的锆石U-Pb年龄测试,得到(847±5.7)Ma的谐和年龄,表明这一地区的岩石经历了新元古代变质事件,进一步证明了念青唐古拉岩群前寒武纪变质基底的存在。

 5.2 多巴片麻岩的变质作用
  多巴含石榴石黑云斜长片麻岩的共生矿物组合比较简单,主要为石榴石、黑云母、斜长石、石英。根据矿物结构和成分特征判断其为含石榴石花岗质片麻岩。选择GB温度计和GBPQ压力计进行温压条件的计算得到该片麻岩的变质温压条件为:640 ℃~660 ℃、0.60~0.67 GPa,为角闪岩相变质作用。片麻岩中锆石的形态学及阴极发光图像研究表明其可能为经历部分熔融作用的深熔锆石,表明其可能经历了温度更高的麻粒岩相变质作用。综合岩石组合特征及变质程度,笔者将多巴片麻岩归为念青唐古拉岩群下岩组变质岩,认为其可能代表了一次新元古代区域变质事件。同样地,朱志勇等在西藏班戈节浪垭地区出露的变质岩中得到540 ℃~695 ℃和0.40~0.67 GPa的角闪岩相变质作用温压条件[15],可与本文多巴地区片麻岩记录的温压条件相对比。这也表明此次新元古代变质作用并不是局部的,可进行区域对比,可对念青唐古拉岩群的结晶基底变质作用进行进一步限定。
  6 结 语
  (1)野外采样观察和岩石学研究表明,多巴地区岩石类型有灰色黑云母石英片岩、灰色含石榴石黑云斜长片麻岩。其主要矿物组合为石榴石、斜长石、钾长石、黑云母和石英。
  (2)含石榴石黑云斜长片麻岩记录了640 ℃~660 ℃、0.60~0.67 GPa的角闪岩相变质作用温压条件。
  (3)片麻岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年及稀土元素地球化学研究表明,多巴含石榴石黑云斜长片麻岩的变质年龄为(847±5.7)Ma,记录了新元古代念青唐古拉岩群基底形成的变质事件。
  西藏司机乔多吉、中国地质大学(北京)黄杰等在野外工作中提供了帮助,北京大学地球与空间科学学院舒桂明高级工程师和中国科学技术大学地球和空间科学学院侯振辉副教授在电子探针成分测试及锆石定年方面提供了帮助,在此一并致谢
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出处:地球科学与环境学报作者:李鹏 张聪 刘晓瑜 杨经绥 符义稳 转载请注明来源。原文地址:http://m.lw54.com/20161113/6477937.html