曹匯 叢源 李廣旭 許翠萍 Jeff VERVOORT Andrew KYLANDER-CLARK

CAO Hui1，CONG Yuan2，LI GuangXu1，XU CuiPing1，Jeff VERVOORT3 and Andrew KYLANDER-CLARK4

1. 大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點實驗室，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

2. 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037

3. 美國華盛頓州立大學(xué)，普爾曼WA 99163

4. 美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校，圣巴巴拉CA 93106

1. State Key Laboratory for Continental Tectonics and Dynamics，Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

2. Institute of Mineral Resource，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

3. School of the Environment，Washington State University，Pullman，WA 99163，USA

4. Department of Earth Science，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

2015-08-01 收稿，2015-09-16 改回.

1 引言

變質(zhì)變形事件的精細(xì)定年對深入研究造山過程具有重要意義。隨著分析測試技術(shù)的發(fā)展，年代學(xué)與地球化學(xué)數(shù)據(jù)為確定巖石的形成時間、演化過程及其地球動力學(xué)背景提供了重要的參數(shù)。U-Pb 法、Rb-Sr 法、Sm-Nd 法、K-Ar 法、Re-Os法等定年技術(shù)方法的日益增多和完善，特別是離子探針質(zhì)譜、激光40Ar-39Ar 等原位定年技術(shù)方法的應(yīng)用，對地球動力學(xué)演化過程的研究產(chǎn)生了強有力的推動作用(陳文等，2011)。近來研究發(fā)現(xiàn)，對同一地質(zhì)樣品采用不同測年方法所獲得的年齡不盡一致，由此認(rèn)識到所獲年齡可能代表了地質(zhì)作用的某一過程(如同位素擴散和熱干擾)而不僅僅是巖石形成年齡(韓以貴等，2008)。此外，變質(zhì)變形的精確定年還存在許多難點:如變形礦物形成機制對測年結(jié)果的影響、構(gòu)造變形/變質(zhì)過程中礦物同位素體系的變化機理對測年理論與技術(shù)質(zhì)疑等(閆全人等，2001)。

U-Pb 法是國內(nèi)目前最主要的同位素測年方法之一。鋯石微區(qū)U-Pb 年齡測定技術(shù)的發(fā)展對造山過程研究起到了巨大的推動作用。但由于鋯石封閉溫度較高，難以獲得中低溫條件下生長記錄，并且中低級變質(zhì)變形事件中缺少新生鋯石，難以獲得可靠年齡結(jié)果(劉樹文等，2007)。獨居石是一種富含輕稀土的磷酸鹽礦物，因其含有較高的U、Th 及較低的普通鉛(Overstreet，1976;邱昆峰和楊立強，2011)，經(jīng)常能形成一致的U-Pb 和Th-Pb 年齡。另一方面，獨居石的U-Pb同位素體系封閉溫度相對較高(約530 ～720℃)，不易受到后期熱事件的干擾，是理想的U-Th-Pb 定年對象(Stern and Berman，2000;Rasmussen et al.，2009;Sarma et al.，2011)。中低溫地質(zhì)事件和流體活動事件可以在獨居石礦物中保持良好的生長和改造記錄。與K-Ar 和Ar-Ar 單礦物定年技術(shù)相比，獨居石具有清楚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)合電子探針元素成分分析，可在獨居石單顆粒上做出年齡分布圖，得到獨居石生長的多期年齡記錄，使年齡分析的地質(zhì)意義更為明確。因此，獨居石U-Pb 定年逐漸成為中低級變質(zhì)、變形年代學(xué)約束的有利工具(劉樹文等，2007)。

Ar-Ar 法是同位素地質(zhì)年代學(xué)研究的主要方法之一，但對于相對較老的變質(zhì)巖樣品，由于可能存在K 和Ar 的自然擴散作用或后期變質(zhì)變形等多因素的擾動作用，用Ar-Ar 法很難測出早期變質(zhì)事件年齡(陳文等，2011)。近年來，MCICP-MS 技術(shù)的出現(xiàn)使得Lu-Hf 同位素體系的發(fā)展進一步加快，所獲得的資料為解決與巖石成因有關(guān)的一系列重要地質(zhì)問題提供了新的途徑。石榴石中的Lu/Hf 比值會明顯高于全巖，而由于Hf 與Zr 的類質(zhì)同象，全巖Lu-Hf 比值又高于鋯石。因此，Lu-Hf 同位素定年既可解決隕石的形成時間等太陽系早期年代學(xué)問題，也可以用于研究年輕造山運動的年代學(xué)問題(Blichert-Toft，2001;袁洪林等，2007)。高Lu/Hf 比的石榴石可以用于構(gòu)筑高精度的Lu-Hf 等時線，因而石榴石Lu-Hf 法被廣泛地應(yīng)用于各類巖石的定年研究中，特別是在造山帶研究中，石榴石Lu-Hf 法揭示了許多其他定年體系所不能揭示的信息(程昊和曹達迪，2013)。

托勒牧場位于北祁連南緣右行韌性走滑剪切帶西段，祁連微地體與北祁連俯沖碰撞雜巖帶兩個構(gòu)造單元邊界。北側(cè)俯沖碰撞雜巖帶的研究相對比較深入，尤其是高壓變質(zhì)帶形成時代的研究較全面。前人對北祁連南緣右行韌性走滑剪切帶的研究主要集中于韌性剪切帶變形和變質(zhì)及40Ar-39Ar年代學(xué)的研究(許志琴等，1997;李海兵等，1997;戚學(xué)祥，2003)，尚未開展對該地區(qū)多期構(gòu)造變形過程的詳細(xì)年代學(xué)研究。本文將嘗試運用基于顯微構(gòu)造分析的面理彎切軸測量技術(shù)對托勒牧場地區(qū)構(gòu)造變形過程進行研究，并開展原位獨居石U-Pb 定年及石榴石Lu-Hf 定年，為多期構(gòu)造變形提供精確年代學(xué)制約。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

北祁連造山帶位于阿拉善地塊與祁連地塊之間(圖1)，經(jīng)歷了晉寧運動、加里東運動、印支運動、燕山運動及喜山運動等多期造山運動，是研究造山帶的古板塊構(gòu)造體制、俯沖動力學(xué)和造山作用過程的理想場所(宋述光，1997;許志琴等，1997;張建新等，1996;Zhang et al.，2012)。

前人對祁連造山帶中位于祁連地塊與阿拉善地塊之間的北祁連俯沖碰撞雜巖帶進行了研究，認(rèn)為北祁連俯沖碰撞雜巖帶是加里東期祁連洋向北俯沖到阿拉善地塊之下形成的(吳漢泉，1980;馮益民和何世平，1996;Shi et al.，2013)。巖石組成、變質(zhì)作用和形成時代等研究表明祁連地塊的變質(zhì)基底形成于前寒武紀(jì)(郭進京等，2000)。張建新等(1996)、許志琴等(1997)、李海兵等(1997)、戚學(xué)祥(2003)對北祁連南緣韌性剪切帶部分地段的變形變質(zhì)作用進行了初步研究，認(rèn)為該剪切帶是一條形成于中高溫環(huán)境的右行韌性走滑剪切帶。韌性剪切帶內(nèi)面理和拉伸線理都很發(fā)育，主要由云母、石英條帶及拉長的長石、石榴石等定向排列構(gòu)成，面理走向120° ～130°，傾向北，傾角近直立。

剪切帶內(nèi)巖石的變形變質(zhì)程度在橫向上都發(fā)生不同程度的變化。變質(zhì)作用亦隨變形強度的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，但對應(yīng)關(guān)系并不是非常吻合(李海兵等，1997)。開展對北祁連托勒牧場地區(qū)變質(zhì)變形過程的系統(tǒng)研究，對正確認(rèn)識祁連造山帶的基本構(gòu)造格架及形成演化歷史具有重要意義。

托勒牧場剪切帶位于北祁連造山帶西段南緣(圖2)，是北祁連與中祁連的界限，主要分布于奧陶系地層中。野外露頭變形強烈，帶內(nèi)巖性主要為含石榴石千糜巖、石英片巖、含藍(lán)晶石榴云母石英片巖、含十字石榴云母石英片巖以及含石榴石片麻巖的殘留體(圖3)。石榴石、斜長石變斑晶在北祁連托勒牧場剪切帶中普遍發(fā)育，變斑晶內(nèi)包裹物跡線明顯，并且獨居石顆粒較大，適于面理彎切軸測量方法及獨居石的原位定年，是進行造山過程及構(gòu)造年代學(xué)研究的理想野外實驗室。

圖1 北祁連南緣右行韌性走滑剪切帶區(qū)域地質(zhì)略圖Fig.1 Simplified geological map of North Qilian ductile shear zone

圖2 北祁連托勒牧場研究區(qū)地質(zhì)圖1-元古代變質(zhì)巖;2-早古生代沉積巖、火山巖;3-中生代沉積巖;4-新生代沉積巖;5-花崗巖;6-輝長巖;7-基性巖;8-韌性剪切帶糜棱面理;9-逆沖斷層;10-采樣點位置Fig. 2 Geological map of Tuolemuchang，North Qilian ductile shear zone1-Proterozoic metamorphic rocks;2-Early Paleozoic sedimentary rocks and volcanic rocks;3-Mesozoic sedimentary rocks;4-Cenozoic sedimentary rocks;5-granite;6-gabbro;7-basic rock;8-mylonitic foliation in the ductile shear zone;9-thrust fault;10-sampling location

3 技術(shù)方法

3.1 面理彎切軸技術(shù)

圖3 北祁連托勒牧場地區(qū)片巖野外露頭及石榴石(Grt)、斜長石(Pl)變斑晶顯微構(gòu)造照片F(xiàn)ig.3 Schist outcrupt and garnet (Grt)and plagioclase(Pl)porphyroblast photos in Tuolemuchang，North Qilian ductile shear zone

變斑晶內(nèi)包裹物跡線研究，是揭示變形變質(zhì)作用之間聯(lián)系及造山演化過程的有效途徑(Zwart，1960;Spry，1963;Bell，1981;Bell et al.，1986，1998;Bell and Bruce，2006，2007;Hayward，1990，1992;Sanislav and Shah，2010;Cao and Fletcher，2012;Cao and Xu，2014)。面 理 彎 切 軸(Foliation Intersection/Inflection Axes，F(xiàn)IAs)是指變斑晶內(nèi)包裹物跡線所記錄的面理彎曲或相交軸線(圖4、圖5，Bruce，2007)，面理彎切軸理論上垂直于巖石變形所受擠壓主應(yīng)力方向。每期面理彎切軸代表了在一段時期內(nèi)相對恒定的水平擠壓主應(yīng)力方向(Yeh and Bell，2004)。多期生長變斑晶核部與邊部記錄了不同期次面理彎切軸，可用于造山運動過程及板塊構(gòu)造運動演化過程研究(Bell et al.，1998;Bell and Mares，1999)。

圖4 變斑晶面理彎曲(a)或相互交切(b)軸示意圖(據(jù)Bruce，2007 修改)Fig.4 Foliation inflexion (a)or intersection (b)axes preserved within porphyroblasts (modified after Bruce，2007)

面理彎切軸是通過觀察巖石樣品豎直薄片中變斑晶包裹物跡線形狀(順時針或逆時針旋轉(zhuǎn);圖6)變化判定的。首先，根據(jù)野外標(biāo)記在室內(nèi)將定向標(biāo)本復(fù)位定向，由正北方向(標(biāo)為0°)開始，每隔30°方位角切制豎直薄片。然后在偏光顯微鏡下觀察變斑晶內(nèi)包裹物跡線，當(dāng)相鄰兩薄片內(nèi)包裹物跡線幾何形狀發(fā)生改變時(順時針“S”與逆時針“Z”之間的相互轉(zhuǎn)變)，即可判定為面理彎切軸(FIA)的方向。面理彎切軸期次的先后順序可以根據(jù)多期生長變斑晶核部與翼部包裹物跡線幾何形狀變化及褶劈理來判定(Bell and Bruce，2007)。

野外定向樣品室內(nèi)精確復(fù)位在大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點實驗室利用定向標(biāo)本室內(nèi)精確復(fù)位平臺完成。復(fù)位后樣品沿正北方向切制6 個定向薄片，依次標(biāo)注為:0°，30°，60°，90°，120°及150°。定向薄片磨制在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所磨片室完成。詳細(xì)流程見曹匯和Fletcher(2012)。

3.2 原位獨居石U-Pb 定年

圖5 變斑晶內(nèi)面理3D 剖面及間隔30°切制豎直薄片中包裹物跡線形狀變化示意圖(據(jù)Bell and Bruce，2007 修改)Fig.5 3D profile cut 30°apart for porphyroblasts and the inclusion trail variation preserved within porphyroblasts (modified after Bell and Bruce，2007)

圖6 變斑晶內(nèi)包裹物跡線形狀示意圖Fig.6 Inclusion trail preserved within porphyroblasts

隨著定年技術(shù)方法的日益增多和完善，副礦物微區(qū)原位測年方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于同位素地質(zhì)年代學(xué)研究中，成為探討地球演化歷史和各類地質(zhì)作用過程的重要技術(shù)手段。礦物微區(qū)原位分析技術(shù)能夠揭示同一個礦物顆粒不同部位的成分和同位素地質(zhì)年代信息，可更好的為構(gòu)造變形事件提供年代學(xué)制約(彭松柏等，2004)。目前，鋯石是U-Pb 同位素地質(zhì)年代學(xué)中最常用的定年礦物。但對于變質(zhì)程度相對較低，沒有鋯石的變質(zhì)巖，需要開展對斜鋯石、鈣鈦礦、金紅石、磷灰石、獨居石等其他副礦物的U-Pb 同位素測定，給出時代約束(吳昌華等，1998;李惠民等，2007;周紅英等，2007，2012;周紅英和李惠民，2008;Stern and Berman，2000)。

二十世紀(jì)九十年代以來，國內(nèi)外開展了電子探針U-Th-Pb 化學(xué)定年法的研究和應(yīng)用(Suzuki and Adachi，1991;Montel et al.，1996;Williams et al.，1999;Williams and Jercinovic，2002;Bell and Welch，2002;Cao，2009)，但電子探針測年測試精度不高，無法滿足部分年輕地質(zhì)體定年的測試精度。利用二次離子質(zhì)譜法(SIMS)對獨居石進行U-Pb同位素測定，通常可得到精度較好的結(jié)果(Zhu et al.，1997，1998;Stern and Berman，2000;Rubatto et al.，2001;萬渝生等，2004)，但該方法所用儀器價格昂貴，測定成本較高，使得獨居石SIMS 定年方法難以廣泛推廣。LA-ICPMS 數(shù)據(jù)質(zhì)量高，相對簡單快捷，是目前獨居石原位定年的最常用測試方法(崔玉榮等，2012;周紅英等，2007，2012)。

本研究原位獨居石的標(biāo)定在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點實驗室使用電子探針微量分析儀(JEOL)JXA-8100 完成。獨居石的U、Th、Y、La、Nd 元素成分圖分析在美國加州大學(xué)圣巴巴格拉分校使用Cameca SX100 電子探針完成。獨居石U-Pb 年代分析在美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校使用 Nu AttoM SC-ICPMS (英國Nu Instruments Ltd. ，Wrexham 生產(chǎn))完成，采用的激光剝蝕系統(tǒng)為美國Photon Machines，San Diego 公司生產(chǎn)的Analyte 193 Ar F 準(zhǔn)分子激光器，波長193 nm。儀器設(shè)備情況及樣品分析方法流程詳見Cottle et al. (2012，2013)和Kylander-Clark et al. (2013)。年齡數(shù)據(jù)處理選用軟件Isoplot v. 3.00(Ludwig，2003)，誤差范圍為2σ。

3.3 石榴石Lu-Hf 定年

石榴石是變質(zhì)巖中的常見礦物，可為巖石形成的溫度壓力條件計算提供重要參數(shù)，是同位素定年的重要研究對象之一。石榴石中礦物包裹體的存在對Lu-Hf 同位素體系并無太大影響，因為這些礦物包裹體的Lu-Hf 比值大多遠(yuǎn)較石榴石小(鋯石除外)(吳福元等，2007)。近來，MC-ICP-MS 技術(shù)的出現(xiàn)使得Lu-Hf 同位素體系的發(fā)展進一步加快，所獲得的數(shù)據(jù)資料為解決與巖石成因有關(guān)的一系列重大地質(zhì)問題提供了新的途徑。目前，Lu-Hf 定年已經(jīng)被應(yīng)用于各大類巖石的年代學(xué)研究中(程昊和曹達迪，2013)。石榴石中往往包含有不同的包裹體礦物組合，可以用來指示石榴石的生長期次。將多期生長石榴石不同期次的年齡信息與石榴石中記錄的寄主巖石溫壓及構(gòu)造變形信息結(jié)合，可有效反演造山帶演化的P-T-t-D 軌跡，確定不同變質(zhì)變形事件的年代和持續(xù)時間(曹達迪和程昊，2014)。

石榴石Lu-Hf 同位素分析在美國華盛頓州立大學(xué)GeoAnalytical Laboratory 使 用 Thermo Electron NeptuneTMmulti-collector (MC-)ICP-MS 完成。樣品溶解及化學(xué)分析流程詳見Cheng et al. (2008)，數(shù)據(jù)處理流程參照Vervoort et al. (2004)。

4 數(shù)據(jù)采集與測試分析

4.1 面理彎切軸測定

本研究定向樣品CTL4-8-6 為含十字石石榴石云母石英片巖，采自北祁連南緣右行韌性走滑剪切帶西段托勒牧場地區(qū)(圖2)。定向薄片鏡下觀察，不對稱旋轉(zhuǎn)構(gòu)造普遍存在，主要體現(xiàn)在長英質(zhì)條帶被拉長旋轉(zhuǎn)形成的不對稱旋轉(zhuǎn)布丁、石榴石壓力影、斜長石和十字石變斑晶等旋轉(zhuǎn)碎斑及微觀尺度下石榴石內(nèi)部定向排列的石英、云母等礦物組成的“S”或“Z”型包裹體跡線。主要礦物共生組合為:石榴石+十字石+黑云母+石英+斜長石(圖3c，d)。據(jù)礦物共生組合推斷變質(zhì)作用相當(dāng)于中壓角閃巖相(許志琴等，1997;李海兵等，1997)。

方向為0°、30°、60°、90°、120°和150°的6 個定向巖石薄片中均包含有斜長石和石榴石斑晶，斜長石斑晶內(nèi)包裹物跡線明顯，部分呈順時針旋轉(zhuǎn)的“S”形或逆時針旋轉(zhuǎn)的“Z”形。在鏡下對定向薄片中斜長石變斑晶內(nèi)包裹物跡線形狀進行分析鑒定，其中0°、30°、60°、90°、120°定向薄片內(nèi)斜長石斑晶包裹物跡線為明顯的順時針旋轉(zhuǎn)，150°為逆時針旋轉(zhuǎn)(圖6a-f)，由此可以判定，該樣品斜長石斑晶內(nèi)包含的面理彎切軸位于120°與150°之間。部分石榴石斑晶內(nèi)包裹物跡線呈明顯的“S”或“Z”形(圖6g 的Grt1)，但大多數(shù)石榴石斑晶內(nèi)包裹物跡線形狀不規(guī)則，無法用于面理彎切軸的測定(圖6g的Grt2)。

4.2 原位獨居石U-Pb 年齡數(shù)據(jù)

開展獨居石原位分析之前，用5% HNO3擦拭薄片表面，并用超聲波進行清洗后干燥，以保證樣品的清潔。使用偏光顯微鏡對薄片進行詳細(xì)觀察，初步了解樣品的礦物組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系。運用掃描電子顯微鏡觀察和能譜分析(SEM-EDS)，進一步了解獨居石組成、純度、結(jié)構(gòu)及與其他礦物之間的關(guān)系(圖7)。選取同構(gòu)造生長的獨居石顆粒進行Y、U、Th、Nd和La 元素成分圖分析(圖8)。樣品中獨居石顆粒未呈現(xiàn)明顯的多期生長環(huán)帶。結(jié)合Y 元素成分圖分析、反射光照相和背散射圖像，選取不含包裹物或微裂隙不發(fā)育的區(qū)域進行原位U-Th-Pb 同位素分析。

利用LA-ICPMS 對5 顆原位獨居石顆粒進行了45 個點的測試分析(分析點位置見圖9)，其U-Th-Pb 同位素比值及年齡結(jié)果列于表1 中，分析點的206Pb/238U 年齡介于459.0 ±9.1Ma 和504.5 ± 10.0Ma 之間。年齡集中分布在470 ～490Ma，只有2 個測點低于470Ma，1 個測點高于500Ma (圖10)。206Pb/238U 年齡加權(quán)平均值為481.0 ±2.3Ma (n =45，MSWD=2.3)。

圖7 位于十字石(St)變斑晶內(nèi)(a)及外部基質(zhì)(b)中的獨居石(Mnz)顆粒Fig.7 Monazite (Mnz)grain preserved within staurolite(St)porphyroblasts (a)and matrix (b)

果結(jié)析LA-ICP-MS U-Pb 分石居CTL4-8-6 獨品樣1 表LA-ICP-MS U-Pb isotopicanalysesofmonazitesampleCTL4-8-6 Table1 2s（abs）208Pb 232 Th（Ma）2s（abs）206Pb 238 U（Ma）2s）（%208Pb 232 Th Rho 2s）（%206Pb 238 U 2s）（%207Pb 235 U 2s）（%207Pb 206 Pb Th/U Th -6）U（ ×10 Pb SpotNo.9.0 473.8 9.9 487.8 1.90 0.02372 0.92 2.03 0.0786 2.20 0.6380 0.86 0.0590 12.4 37700 3027 1235 CTL-4-8-6_001 8.6 471.3 9.2 478.2 1.83 0.02359 0.93 1.93 0.0770 2.07 0.6282 0.76 0.0592 12.6 42570 3388 1394 CTL-4-8-6_002 8.6 467.5 10.5 476.4 1.84 0.02340 0.93 2.19 0.0767 2.36 0.6310 0.87 0.0596 14.9 40700 2735 1328 CTL-4-8-6_003 9.0 470.5 10.5 483.6 1.91 0.02355 0.92 2.17 0.0779 2.35 0.6460 0.90 0.0599 14.5 31400 2184 1037 CTL-4-8-6_004 9.0 465.7 11.1 479.4 1.93 0.02331 0.95 2.31 0.0772 2.43 0.6220 0.73 0.0583 12.2 46330 3796 1523 CTL-4-8-6_005 8.2 482.3 10.0 504.5 1.71 0.02415 0.92 1.97 0.0814 2.14 0.6594 0.83 0.0586 12.6 36240 2896 1232 CTL-4-8-6_006 8.4 466.7 9.9 487.8 1.80 0.02336 0.93 2.03 0.0786 2.17 0.6530 0.78 0.0605 17.4 55490 3168 1821 CTL-4-8-6_007 8.2 475.0 9.9 488.4 1.73 0.02378 0.92 2.02 0.0787 2.20 0.6510 0.86 0.0602 14.0 43540 3121 1451 CTL-4-8-6_008 10.0 464.9 11.7 481.2 2.15 0.02327 0.94 2.44 0.0775 2.59 0.6440 0.88 0.0601 13.6 42470 3114 1411 CTL-4-8-6_009 9.2 470.1 11.1 485.4 1.96 0.02353 0.94 2.29 0.0782 2.43 0.6340 0.81 0.0588 11.6 39900 3415 1335 CTL-4-8-6_010 9.0 476.2 10.5 482.4 1.89 0.02384 0.95 2.17 0.0777 2.28 0.6360 0.70 0.0593 11.2 43410 3837 1467 CTL-4-8-6_011 9.2 468.9 11.7 481.8 1.96 0.02347 0.95 2.43 0.0776 2.57 0.6380 0.82 0.0597 10.7 39250 3616 1300 CTL-4-8-6_012 10.0 477.0 11.1 478.8 2.10 0.02388 0.95 2.32 0.0771 2.44 0.6330 0.76 0.0591 11.4 50250 4369 1683 CTL-4-8-6_013 9.2 483.9 9.9 481.2 1.91 0.02423 0.94 2.05 0.0775 2.18 0.6330 0.74 0.0592 10.9 44910 4060 1529 CTL-4-8-6_014 9.6 479.0 9.9 483.0 2.01 0.02398 0.94 2.04 0.0778 2.18 0.6335 0.76 0.0592 13.8 55400 3978 1858 CTL-4-8-6_015 9.0 476.4 9.9 482.4 1.89 0.02385 0.94 2.04 0.0777 2.17 0.6380 0.74 0.0594 12.5 48700 3851 1607 CTL-4-8-6_016 7.8 469.7 8.6 472.2 1.66 0.02351 0.93 1.82 0.0760 1.96 0.6163 0.74 0.0591 11.2 46820 4132 1521 CTL-4-8-6_017 9.0 479.8 9.9 484.2 1.88 0.02402 0.94 2.04 0.0780 2.17 0.6320 0.76 0.0590 13.5 59600 4369 1968 CTL-4-8-6_018 9.8 479.2 11.1 483.0 2.05 0.02399 0.95 2.30 0.0778 2.41 0.6310 0.72 0.0590 10.7 58500 5343 1930 CTL-4-8-6_019 8.4 484.3 8.6 482.4 1.74 0.02425 0.93 1.79 0.0777 1.93 0.6305 0.72 0.0590 12.3 62140 4975 2072 CTL-4-8-6_020 9.4 480.3 10.5 480.0 1.96 0.02405 0.96 2.18 0.0773 2.28 0.6310 0.67 0.0592 12.2 56200 4522 1850 CTL-4-8-6_021 9.0 481.3 9.9 483.6 1.88 0.02410 0.94 2.04 0.0779 2.17 0.6453 0.73 0.0601 14.5 71600 4854 2354 CTL-4-8-6_022 9.4 468.1 9.9 481.8 2.01 2343 0.0 0.95 2.05 0.0776 2.15 0.6260 0.66 0.0588 11.7 62700 5231 2001 CTL-4-8-6_023

1表續(xù)C ontinued Table1 2s（abs）208Pb 232 Th（Ma）2s（abs）206Pb 238 U（Ma）2s）（%208Pb 232 Th Rho 2s）（%206Pb 238 U 2s）（%207Pb 235 U 2s）（%207Pb 206 Pb Th/U Th -6）U（ ×10 Pb SpotNo.9.4 466.3 10.5 478.2 2.01 0.02334 0.95 2.19 0.0770 2.29 0.6260 0.69 0.0590 11.9 61700 5070 1968 CTL-4-8-6_024 8.2 469.9 9.3 487.8 1.75 0.02352 0.93 1.90 0.0786 2.04 0.6376 0.74 0.0593 11.8 61000 5001 1971 CTL-4-8-6_025 9.6 474.4 9.9 480.0 2.03 0.02375 0.95 2.05 0.0773 2.17 0.6390 0.70 0.0601 11.7 49000 4082 1624 CTL-4-8-6_026 8.4 473.4 9.9 486.6 1.78 0.02370 0.94 2.03 0.0784 2.16 0.6340 0.74 0.0590 12.4 60860 4791 1981 CTL-4-8-6_027 12.0 526.1 11.1 492.5 2.27 0.02637 0.93 2.26 0.0794 2.43 0.7310 0.90 0.0672 11.5 29800 2520 1083 CTL-4-8-6_028 8.8 472.5 10.5 493.1 1.86 0.02365 0.94 2.14 0.0795 2.26 0.6510 0.75 0.0598 15.1 67500 4360 2205 CTL-4-8-6_029 8.6 470.1 10.5 487.2 1.83 0.02353 0.94 2.16 0.0785 2.30 0.6480 0.80 0.0601 14.9 53740 3522 1752 CTL-4-8-6_030 8.4 457.6 9.8 478.8 1.83 0.02290 0.95 2.06 0.0771 2.17 0.6240 0.69 0.0591 13.6 55640 3984 1773 CTL-4-8-6_031 8.6 457.0 9.9 480.6 1.87 0.02287 0.94 2.05 0.0774 2.18 0.6270 0.74 0.0594 15.3 65200 4184 2094 CTL-4-8-6_032 10.0 465.7 11.1 479.4 2.14 0.02331 0.95 2.31 0.0772 2.43 0.6380 0.75 0.0603 15.3 56700 3670 1858 CTL-4-8-6_033 7.2 458.2 8.2 464.2 1.56 0.02293 0.93 1.77 0.0747 1.90 0.5984 0.67 0.0587 10.0 54400 5350 1747 CTL-4-8-6_034 8.5 451.1 9.1 459.0 1.90 0.02257 0.94 1.99 0.0738 2.13 0.6006 0.75 0.0594 12.4 48100 3856 1533 CTL-4-8-6_035 10.4 480.5 10.5 477.6 2.17 0.02406 0.95 2.19 0.0769 2.31 0.6270 0.74 0.0594 12.9 48800 3740 1635 CTL-4-8-6_036 10.0 480.9 10.6 483.0 2.08 0.02408 0.91 2.19 0.0778 2.40 0.7110 1.00 0.0668 11.0 50900 4575 1736 CTL-4-8-6_037 8.8 478.8 10.5 484.2 1.84 0.02397 0.94 2.17 0.0780 2.31 0.6410 0.80 0.0600 13.4 74800 5580 2500 CTL-4-8-6_038 9.0 476.4 10.5 476.4 1.89 0.02385 0.95 2.19 0.0767 2.32 0.6340 0.75 0.0602 14.2 58780 4113 1967 CTL-4-8-6_039 8.6 483.7 9.8 473.4 1.79 0.02422 0.90 2.07 0.0762 2.30 0.6520 0.99 0.0624 13.2 43030 3230 1460 CTL-4-8-6_040 10.3 497.3 11.1 484.2 2.07 0.02491 0.94 2.29 0.0780 2.44 0.6420 0.82 0.0600 13.6 54600 3970 1878 CTL-4-8-6_041 12.4 509.9 11.8 486.6 2.43 0.02555 0.95 2.42 0.0784 2.54 0.6360 0.76 0.0590 11.4 44400 3866 1573 CTL-4-8-6_042 9.2 484.7 11.1 475.8 1.91 0.02427 0.96 2.33 0.0766 2.41 0.6230 0.64 0.0588 11.7 57700 4858 1935 CTL-4-8-6_043 8.6 484.3 9.8 471.6 1.78 0.02425 0.96 2.08 0.0759 2.18 0.6170 0.64 0.0588 11.5 59200 5067 1981 CTL-4-8-6_044 10.6 483.7 11.7 2.2 47 2.20 0.02422 0.97 2.47 0.0760 2.56 0.6200 0.66 0.0591 11.9 62200 5150 2073 CTL-4-8-6_045

圖8 獨居石顆粒(CTL4-8-6 m20)Y、U、Th、Nd 和La 元素成分分布圖Fig.8 Compositional mapping of monazite grain (CTL4-8-6 m20)

4.3 石榴石Lu-Hf 年齡數(shù)據(jù)

石榴石樣品分選在廊坊科大巖石礦物分選公司完成。分選出的石榴石在雙目鏡下仔細(xì)挑純至99% 以上，單礦物顆粒在瑪瑙研缽中研磨至200 目以下。全巖樣品采用剛玉顎式碎樣機粗碎，后用碳化鎢缽體碎樣機細(xì)碎至200 目以下。Lu-Hf 同位素分析的化學(xué)方法采用高溫高壓溶樣彈溶樣法，在美國華盛頓州立大學(xué)完成，具體方法流程見Cheng et al. (2008)。用于分析的3 個石榴石樣品重量分別為:CTL 4-8-6 G1:0.24960g;CTL 4-8-6 G3:0.25575g;CTL 4-8-6 G4:0.25252g;全巖樣品CTL 4-8-6 WRB1 重量為0.25053g。石榴石與全巖的Lu-Hf 同位素分析結(jié)果見表2，等時線圖見圖11。全巖與石榴石的176Hf/177Hf 比值范圍為0.014700 ～0.420850，采用Isoplot 3.00 (Ludwig，2003)計算得到的等時線年齡為512.3 ± 2.7Ma(2σ)，初始176Hf/177Hf 比值為0.282248±0.000015 (2σ)，MSWD=0.25。數(shù)據(jù)處理流程參照Vervoort et al. (2004)。

5 討論

5.1 變斑晶生長與構(gòu)造變形期次

1)斜長石斑晶與石榴石斑晶并非同期生長

圖9 獨居石顆粒45 個分析測試點位置分布圖(底圖為Y 元素成分分布圖)Fig.9 45 analyzed spot showing on Y map of monazite

圖10 45 個獨居石分析測試點加權(quán)平均(206Pb/238U)年齡直方圖Fig.10 Weighted average (206Pb/238U)age of 45 analyzed spot of monazite

表2 樣品CTL 4-8-6 Lu-Hf 同位素結(jié)果Table 2 Lu and Hf isotopic data for sample CTL 4-8-6

如果斜長石斑晶與石榴石斑晶為同期生長，石榴石內(nèi)包裹物跡線與斜長石內(nèi)包裹物跡線應(yīng)具有連貫性。圖6h 斜長石斑晶內(nèi)包裹物跡線明顯圍繞石榴石Grt1 生長?？赏茢?，斜長石斑晶與石榴石斑晶并非同期生長。

2)斜長石斑晶生長晚于石榴石斑晶

如果石榴石Grt1 生長晚于斜長石斑晶，后期生長的石榴石斑晶應(yīng)該將斜長石內(nèi)連續(xù)生長的包裹物跡線截斷;而圖6h圍繞石榴石Grt1 生長的包裹物跡線，說明該斜長石斑晶生長晚于石榴石Grt1。

3)斜長石斑晶記錄的水平擠壓主應(yīng)力方向為北東-南西向的構(gòu)造事件，與石榴石生長經(jīng)歷的構(gòu)造事件為不同期次構(gòu)造變形

圖11 樣品CTL 4-8-6 石榴石-全巖176 Lu/177 Hf-176 Hf/177Hf 等時線圖Fig.11 176Lu/177Hf vs. 176Hf/177Hf isochron of sample CTL 4-8-6

斜長石斑晶內(nèi)包裹物跡線明顯，并且在120°定向薄片內(nèi)包裹物跡線形狀呈順時針旋轉(zhuǎn)的“S”形，而150°定向薄片內(nèi)包裹物跡線則轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r針旋轉(zhuǎn)的“Z”形。由此斷定，斜長石斑晶面理彎切軸位于120°與150°之間。其對應(yīng)水平擠壓主應(yīng)力方向為30° ～60°(北東-南西向)。由于6 個定向薄片內(nèi)石榴石斑晶包裹物跡線多數(shù)形狀不規(guī)則，無法測定其面理彎切軸。石榴石斑晶內(nèi)包裹物跡線與斜長石斑晶內(nèi)包裹物跡線未呈現(xiàn)明顯相關(guān)性，可推斷石榴石斑晶生長經(jīng)歷的早期構(gòu)造變形，不同于斜長石斑晶記錄的構(gòu)造變形事件。

5.2 原位獨居石U-Pb 年齡對構(gòu)造變形的制約

由獨居石顆粒元素成分分布圖(圖8b-e)可見，U、Th、Nd 和La 元素并未呈現(xiàn)明顯分布差異。Y 元素成分分布圖核部與邊部呈現(xiàn)不同的生長環(huán)帶(圖8a、圖9)，但核部與邊部的分析測試年齡結(jié)果主要集中在470 ～490Ma，并未出現(xiàn)較大差異。該樣品獨居石可能只記錄了一期變形事件的年齡。

鏡下觀察結(jié)合掃描電鏡能譜(SEM-EDS)分析，斜長石斑晶內(nèi)未發(fā)現(xiàn)與包裹物跡線同構(gòu)造生長的獨居石顆粒。本研究測試分析的5 顆獨居石顆粒均位于斜長石斑晶外的基質(zhì)中。根據(jù)顯微構(gòu)造分析推斷，基質(zhì)中同構(gòu)造生長的獨居石不早于變斑晶生長過程。所獲得的加權(quán)平均值為481.0 ±2.3Ma 的206Pb/238U 年齡，應(yīng)為斜長石斑晶生長年齡的下限。斜長石斑晶生長記錄的水平擠壓主應(yīng)力方向為北東-南西向的構(gòu)造事件應(yīng)不早于481.0 ±2.3Ma。

5.3 變斑晶生長記錄的構(gòu)造變形與區(qū)域韌性剪切作用的關(guān)系

由斜長石斑晶內(nèi)包裹物跡線測得的面理彎切軸位于120° ～150°之間，與北祁連南緣右行韌性剪切帶(托勒牧場-白銀)走向接近(120° ～130°，許志琴等，1997;李海兵等，1997)。戚學(xué)祥(2003)通過對該剪切帶內(nèi)花崗質(zhì)糜棱巖中的鉀長石和黑云母開展Ar-Ar 同位素測定及區(qū)域構(gòu)造變形分析認(rèn)為，北祁連南緣右行韌性走滑剪切帶西段的時代為410～394Ma;而本研究根據(jù)顯微構(gòu)造分析及獨居石U-Pb 年代學(xué)研究認(rèn)為，斜長石斑晶內(nèi)包裹物跡線記錄的構(gòu)造變形事件不早于481.0 ±2.3Ma，與Ar-Ar 年代并不一致。由于Ar-Ar 與U-Pb 同位素體系的封閉溫度不同，無法確定是否記錄了同一期次構(gòu)造變形事件。

此次研究僅切制了6 個定向薄片，面理彎切軸限定在120° ～150°之間。需要采集更多定向標(biāo)本，開展進一步研究工作，將面理彎切軸方向精度限定在5°，方可進一步明確斜長石斑晶內(nèi)記錄的變形事件，與區(qū)域走向為120° ～130°的韌性剪切帶是否為同一期構(gòu)造變形。

5.4 石榴石Lu-Hf 年代與斑晶生長

本研究獲得的石榴石-全巖Lu-Hf 等時線年齡為512.3±2.7Ma，應(yīng)為石榴石斑晶生長年齡。由原位獨居石U-Pb 年代學(xué)研究可知，斜長石斑晶生長不早于481.0 ±2.3Ma。進一步驗證石榴石斑晶與斜長石斑晶非同期生長，且石榴石斑晶生長早于斜長石斑晶。張建新等(2011)研究認(rèn)為，北祁連-北阿爾金為典型的早古生代增生造山帶，HP/LT 變質(zhì)帶榴輝巖形成時代為510 ～440Ma。祁連-阿爾金造山帶南北兩側(cè)幾乎同時發(fā)生增生造山作用和碰撞造山作用，構(gòu)成由不同造山類型所組成的復(fù)合造山帶。宋述光等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，祁連洋由安第斯型俯沖向西太平洋型俯沖轉(zhuǎn)變的時限大致為520 ～490Ma，高壓變質(zhì)巖變質(zhì)作用的時限大致為490 ～440Ma。目前，國內(nèi)外學(xué)者對祁連山曾經(jīng)存在完整的溝弧盆體系和成熟大洋的認(rèn)識基本一致，但是對祁連造山帶俯沖造山的開始時限、洋盆的消減模式和俯沖極性仍有爭議(馮益民，1997;秦海鵬等，2014)。馮益民和何世平(1996)認(rèn)為俯沖作用最早可追溯至495Ma。秦海鵬等(2014)、吳才來等(2006，2010)報道了北祁連造山帶南緣的下古城花崗巖(504Ma)、柯柯里斜長花崗巖(512Ma)及野馬咀花崗巖(508Ma)的SHRIMP 鋯石U-Pb 年齡，推測其形成可能主要受控于北祁連洋向南俯沖引發(fā)的巖漿作用，進而推測北祁連造山帶南緣中西段俯沖作用可能早于512Ma。結(jié)合前人鋯石U-Pb 定年和Hf 同位素研究結(jié)果，認(rèn)為512.3 ±2.7Ma 的石榴石-全巖Lu-Hf 等時線年齡可能代表了祁連洋俯沖過程中石榴石的生長時間，其后經(jīng)歷的變質(zhì)變形作用沒有對石榴石的Lu-Hf 同位素體系產(chǎn)生明顯影響。

6 結(jié)論

(1)石榴石、斜長石斑晶記錄了兩期構(gòu)造事件，石榴石斑晶生長早于斜長石斑晶。由斜長石斑晶內(nèi)包裹物跡線測得的面理彎切軸推斷，其構(gòu)造變形對應(yīng)水平擠壓主應(yīng)力方向為北東-南西向。該期變形與北祁連南緣右行韌性剪切帶走向基本一致，但是否為同一期構(gòu)造事件，需要開展進一步研究工作進行驗證。

(2)顯微構(gòu)造分析及獨居石U-Pb 年代學(xué)研究認(rèn)為，斜長石斑晶內(nèi)包裹物跡線記錄的構(gòu)造變形事件不早于481.0±2.3Ma。

(3)獲得的石榴石-全巖Lu-Hf 等時線年齡為512.3 ±2.7Ma，進一步驗證該地區(qū)石榴石斑晶與斜長石斑晶非同期生長，石榴石斑晶生長早于斜長石斑晶。結(jié)合前人鋯石UPb 定年和Hf 同位素研究結(jié)果，該Lu-Hf 年齡可能代表了祁連洋俯沖過程中石榴石的生長時間，其后經(jīng)歷的變質(zhì)變形作用沒有對石榴石的Lu-Hf 同位素體系產(chǎn)生明顯影響。石榴石Lu-Hf 定年結(jié)合顯微構(gòu)造分析可為早期構(gòu)造變形事件提供有效年代學(xué)制約。

致謝 美國華盛頓州立大學(xué)Diane Wilford、Da Wang 和路易斯安那州立大學(xué)Shelby Johnson、Kexin Zhang 在石榴石樣品Lu-Hf 分析和原位獨居石U-Pb 定年測試分析過程中給予了大力協(xié)助;兩位審稿人提出了寶貴的修改意見;在此一并感謝。

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