青藏高原北部風火山花崗斑巖包體鋯石u-pb年代學研究

青藏高原的沖突史和構造高度變化是國際地質科學家的研究重點。青藏高原北部漸新世晚期—中新世早期經歷了自擠壓縮短向伸展走滑的構造轉換,古環境發生了巨大變化,是青藏高原隆升的重要地質歷史時期。但迄今為止,對青藏高原北部漸新世晚期—中新世早期地質構造事件的年代學約束主要依據磁性地層學資料,其他可參考的精確測年資料還比較缺乏,亟待加強相關的研究工作。茲選擇風火山北麓花崗斑巖,應用離子探針方法,進行鋯石U-Pb同位素測年,力求為青藏高原北部地殼縮短和構造隆升提供高精度的年代學約束。1逆沖推覆動力學風火山是青藏高原北部重要的構造地貌單元,南側為沱沱河高平原,北側為北麓河高平原,出露的主要地層單元包括中—上三疊統砂巖和灰巖夾玄武巖、風火山群紫紅色砂礫巖(圖1)、雅西錯群磚紅色碎屑巖夾膏鹽層(圖2(a))、五道梁群泥灰巖(圖2(c))和白云質灰巖(圖2(b))。風火山群與上覆地層、下伏地層之間均呈角度不整合接觸關系,五道梁群與雅西錯群呈微角度不整合或平行不整合接觸關系。根據磁性地層分析資料,風火山群沉積時代為古近世—始新世,雅西錯群沉積時代為漸新世,五道梁群沉積時代為中新世早期。風火山及鄰區新生代發生了多期強烈的構造變形,形成新生代早中期逆沖斷層、褶皺構造和新生代晚期走滑斷層,構造線走向以近東西向—北西西向為主;二道溝盆地第四紀發育北東向和近南北向邊界正斷層(圖1)。新生代早中期風火山地區發育較大規模的逆沖推覆構造,稱為風火山逆沖推覆構造,由不同規模的逆沖斷層和褶皺構造組成,東西延長超過100km,南北寬超過50km(圖1),導致風火山群和雅西錯群發生區域性褶皺變形。風火山逆沖推覆構造大部分逆沖斷層都向北傾斜,傾角約為30°～45°,向深部會聚于緩向北傾斜的低角度主逆沖斷層(圖1);主逆沖斷層在茍魯錯盆地北側廣泛出露,斷層傾角變化于15°～26°;在茍魯錯東側沿主逆沖斷層,古近統—始新統風火山群(E1+2)逆沖推覆于漸新統雅西錯群(E3)之上(圖2(d)、(e)),指示自北向南的逆沖推覆運動方向。在風火山北麓和烏麗北側,發育少量向北傾斜的逆斷層,可能屬風火山逆沖推覆構造的反向沖斷層(圖1)。在風火山及鄰區,發育侵入于風火山群和雅西錯群的花崗斑巖脈和小巖基。風火山逆沖推覆構造對這些小型花崗斑巖侵入體具有比較明顯的控制作用。巖體主要發育于主逆沖斷層和反向沖斷層的復合部位(圖1),推斷新生代早中期風火山巖漿侵位與逆沖推覆構造運動存在成因聯系。漸新世晚期,青藏高原經歷了區域性剝蝕夷平過程,使風火山花崗斑巖遭受風化剝蝕并出露于地表,之后于中新世早中期發育古大湖,形成五道梁期湖相沉積地層,呈角度不整合覆蓋新生代早中期巖石地層。據青藏公路及兩側地層產狀的統計資料,五道梁群湖相沉積地層產狀平緩(圖2(b)、(c)),地層傾角絕大部分小于20°,大部分傾角變化于10°～20°之間,出現頻率最高的露頭巖層傾角為10°～15°,說明自中新世早中期開始,區域構造環境發生了顯著變化,地殼擠壓縮短變形微弱,伸展走滑漸居主導地位(圖1)。2巖石學和年齡在風火山北麓、青藏公路西側、秀水河源頭,出露由近南北向巖脈斜列組成的花崗斑巖侵入體(圖1),侵位于雅西錯群砂礫巖層內(圖2(f)),巖體與圍巖的侵入接觸關系清晰(圖2(g)),接觸帶發育冷凝邊和烘烤邊(圖2(h))。巖體巖石發育斑狀結構(圖2(h)),斑晶主要為板狀鉀長石晶體,大部分鉀長石斑晶粒徑為0.5～2mm,部分鉀長石斑晶長達3～4cm。巖體內部分布大小不等的暗色包體,以角閃巖包體、輝長巖包體和閃長巖包體為主;輝長巖和閃長巖包體的邊緣明顯被花崗巖同化,部分包體內部發生程度不同的花崗巖化,指示暗色包體在花崗質巖漿內部的部分熔融現象。在該花崗斑巖西南部S5露頭取花崗斑巖樣品D2141和暗色包體樣品D2154,取樣位置為北緯34°58′25″,東經92°36′21″,海拔高度為4870m。經過顯微觀測和詳細的礦物鑒定,花崗斑巖樣品D2141含鉀長石70%、石英20%、透輝石5%、黑云母5%及少量鋯石與磷灰石,發育斑狀結構,斑晶主要為鉀長石,約占30%,巖石成分接近石英正長斑巖;暗色包體樣品D2154含鉀長石65%、石英20%、輝石10%、黑云母5%及少量磁鐵礦、鋯石、磷灰石,鉀長石斑晶含量約占20%;輝石主要為普通輝石,部分發生強烈蝕變,僅殘留輝石假象。對樣品D2141和D2154,分別按照常規程序進行碎樣、磁選和浮選,再在雙目鏡下人工挑選鋯石單礦物。對花崗斑巖樣品D2141,選取具有清晰環帶的巖漿結晶鋯石(如圖3(a)),在北京離子探針中心按照標準程序進行單顆粒鋯石的U-Pb同位素測年。對暗色包體樣品D2154,鋯石粒徑明顯小于花崗斑巖樣品D2141,既包括具有清晰環帶結構的結晶鋯石,也包括內部結構復雜的復合鋯石,復合鋯石核部為渾圓狀碎屑鋯石,周邊發育晚期巖漿鋯石的生長環帶(圖4(a))。選取不同類型的鋯石顆粒,在北京離子探針中心按照標準程序進行單顆粒鋯石的U-Pb同位素測年。測試中使用標準鋯石SL13和TEM。SL13具有和諧年齡,其年齡為572Ma,U含量為238μg/g,用于標定所測定的未知樣品的U含量。TEM年齡為417Ma,具有和諧年齡,用于校正所測定的未知樣品的年齡。在樣品測定過程中,TEM和未知樣品交替測定,其比例為1∶3。測定的TEM重現性為2%。測定的數據處理采用LudwigSquid1.0及Isoplot程序。普通鉛根據實測204Pb校正。花崗斑巖樣品D2141的U-Pb同位素測試數據列于表1,暗色包體的U-Pb同位素測試數據列于表2,所列單個數據點的誤差均為1σ,加權平均年齡具有95%的置信度。花崗斑巖樣品D2141鋯石粒徑達0.2～0.25mm,晶形完好,環帶結構清晰,232Th/238U同位素比值較大,變化于0.29～0.89,屬典型的巖漿結晶鋯石;共對15顆巖漿鋯石進行了離子探針測年,發現巖漿鋯石明顯分為早、晚2期。樣品D2141晚期10顆巖漿鋯石的U-Pb同位素年齡比較接近,變化于(26.9±0.7)～(30.5±3.3)Ma之間(表1),平均年齡值為(27.6±0.5)Ma,代表花崗斑巖晚期巖漿鋯石的結晶年齡及晚期巖漿侵入雅西錯群的時代(圖3(b));晚期另外2顆巖漿鋯石的年齡分別為(25.1±0.6)Ma和(31.1±1.0)Ma,因偏離平均年齡較多,在U-Pb同位素諧和曲線圖中以虛線表示,不參加U-Pb同位素平均年齡的計算(圖3(b));如果將早期12顆巖漿鋯石的U-Pb同位素年齡一并考慮,則得出平均年齡(27.4±0.8)Ma,MSWD=3.20。樣品D2141早期3顆巖漿鋯石的U-Pb同位素年齡分別為(34.7±0.9)Ma、(35.1±0.8)Ma、(36.7±0.7)Ma(表2(a)),它們的平均年齡為(35.6±0.9)Ma(圖4(b)),明顯大于晚期巖漿鋯石的平均年齡(27.6±0.5)Ma。暗色包體樣品D2154鋯石的粒徑為0.6～0.1mm,大部分鋯石顆粒都由核部和邊部組成;核部為渾圓狀繼承鋯石,232Th/238U同位素比值變化于0.43～1.06;邊部為具環帶結構的新生鋯石,232Th/238U同位素比值變化于0.41～1.08;232Th/238U同位素比值指示核部繼承鋯石和邊部新生鋯石都屬于巖漿鋯石。核部渾圓狀繼承鋯石的U-Pb同位素年齡變化較大,4顆繼承鋯石的年齡分別為(648.6±12.8)Ma、(411.4±8.4)Ma、(201.5±4.1)Ma、(198.6±4.1)Ma(表2(c))。邊部具環帶結構新生鋯石的年齡比較接近,其中1顆鋯石的U-Pb同位素年齡為(30.7±1.9)Ma,另外3顆鋯石的U-Pb同位素年齡變化于(33.1±2.9)～(33.6±0.7)Ma,4個邊部新生鋯石的平均年齡為(33.3±1.0)Ma(圖4(b)),接近樣品D2141早期巖漿鋯石的結晶年齡(表2(a)、(b))。由于樣品D2154的邊部新生鋯石與樣品D2141早期巖漿鋯石取樣地點相同,內部結構相似,都具清晰的環帶結構,在U-Pb同位素諧和曲線圖上分布范圍相近,屬同期花崗質巖漿結晶產物,因此擬組合在一起進行分析,求出7顆鋯石的平均年齡為(34.5±1.4)Ma(MSWD=2.9),代表風火山北麓花崗斑巖早期巖漿鋯石的結晶時代,略高于S6點石英正長斑巖鉀長石的K-Ar法同位素年齡(32.13±0.58)Ma。3逆沖推覆動力學與構造意義由于風火山北麓花崗斑巖侵位發生于區域構造環境自擠壓縮短向伸展走滑轉換的關鍵時期,巖漿侵位與風火山逆沖推覆構造存在密切關系,因此風火山北麓花崗斑巖的U-Pb同位素測年具有特別重要的地質意義。3.1晚于東南角巖石期巖相沉積的時代風火山北麓花崗斑巖侵入于雅西錯群沉積地層,被五道梁群湖相沉積地層角度不整合,因此晚期巖漿鋯石的結晶年齡(27.6±0.5)Ma早于五道梁群湖相沉積時代、晚于雅西錯群地層沉積時代,與磁性地層年齡基本符合,指示中新世早期古大湖與五道梁群湖相沉積形成時代晚于(27.6±0.5)Ma。3.2湖相沉積后地殼和帶風青藏高原北部在漸新世晚期發生了自擠壓縮短向伸展走滑的構造轉換,地殼擠壓縮短主要發生在漸新世晚期花崗斑巖侵位以前,之后發生區域性剝蝕夷平過程;自中新世早中期五道梁群湖相沉積以來,地殼擠壓縮短變形微弱,伸展走滑漸居主導地位,伴有玄武巖漿噴發。根據孢粉資料,自漸新世早中期(雅西錯群)—中新世早中期(五道梁群),青藏高原南部、青藏高原北部、青藏高原東北部熱帶亞熱帶植被急劇減少直至消亡,暗針葉林植被急劇增加,指示青藏高原不同地區在漸新世晚期—中新世早期都發生了快速隆升。風火山北麓花崗斑巖侵位發生在區域構造轉換和青藏高原隆升的關鍵時期,漸新世晚期風火山及鄰區快速構造隆升時代晚于花崗斑巖侵位年齡(27.6±0.5)Ma、早于五道梁群初始沉積年齡23.5Ma。3.3巖漿源區構造背景風火山新生代早中期花崗斑巖侵位與風火山逆沖推覆構造存在密切關系,逆沖推覆構造運動與巖漿源區地殼局部熔融存在動力學成因聯系(圖1中A-B剖面)。暗色包體鋯石邊部的新生結晶環帶與花崗斑巖早期結晶鋯石的U-Pb同位素平均年齡為(34.5±1.4)Ma(圖4(b)),指示巖漿源區地殼局部熔融及逆沖推覆構造運動的發生時代早于(34.5±1.4)Ma。花崗斑巖侵位于主逆沖斷層上盤發生了比較強烈褶皺變形的新生代早期沉積地層(圖2(g)、(h)),花崗斑巖晚期巖漿鋯石的結晶年齡(27.6±0.5)Ma對風火山逆沖推覆構造晚期活動時代具有指示意義。綜合花崗斑巖及暗色包體的鋯石離子探針U-Pb同位素年齡,推斷風火山逆沖推覆構造運動開始時代早于34.5Ma、結束時代晚于27.6Ma。4鋯石u-pb同位素年齡及巖漿源區地殼局部熔融通過單顆粒鋯石離子探針U-Pb同位素測年,精確測定了風火山北麓花崗斑巖2期巖漿鋯石的結晶時代。早期巖漿鋯石結晶平均年齡為(34.5±1.4)Ma,對應于巖漿源區地殼局部熔融時代;晚期巖漿鋯石平均結晶年齡為(27.6±0.5)Ma,對應于巖漿向上侵入雅西錯群的巖漿侵位時代。雖然風火山北麓花崗斑巖的侵位時代(27.6±0.5)Ma早于念青唐古拉花崗巖的結晶年齡(18.3～11.1)Ma和北喜馬拉雅花崗巖的結晶年齡(17.6～9.5)Ma,但仍屬青藏高原北部發現的出露于地表的最年輕花崗巖,具有重要的地質構造意義。風火山北麓花崗斑巖及暗色包體的鋯石U-Pb同位素測年為區域地層、逆沖推覆構造和高原隆升的研究提供了重要的年代學約束。風火山北麓花崗斑巖暗色包體的繼承鋯石232Th/238U同位素比值變化于0.43～1.06,表明鋯石來源于巖漿巖;繼承鋯石呈渾圓狀,具有明顯的碎屑鋯石形態;繼承鋯石U-Pb同位素年齡各不相同,非常分散,也符合水系搬運和再沉積鋯石的年