第 49 卷 第 18 期 2004 年 9 月科学通报

北秦岭松树沟高压基性麻粒岩锆石的 LA-ICP-MS

U-Pb 定年及其地质意义

陈丹玲 刘 良 孙 勇 张安达 柳小明 罗金海

(西北大学大陆动力学教育部重点实验室，西北大学地质学系，西安 710069。 E-mail: dlchen@nwu。edu。cn)

摘要 对北秦岭松树沟高压基性麻粒岩中的锆石进行了阴极发光图像、微区原位 LA-ICP-MS 微量元素分析和 U-Pb 定年。 结果表明，这些锆石具有明显的双层结构，核部主体由扇形或面形分带区域组成，局部显弱分带或云雾状结构，具低的 Th，U，REE，HREE含量和低的 Th/U与较高的(Nd/Yb)N比值，显示了与石榴石平衡生长的锆石的稀土配分型式，应属变质成因; 核部的外围存在一窄的亮色环边，与核部界线呈浑圆状或港湾状，为后期退变质影响的结果。 对 11 粒锆石核部区域的 24 次 U-Pb 同位素分析获得 Pb/238U 年龄加权平均值为 485±3。3 Ma，代表松树沟高压基性麻粒岩的峰期变质年龄。 该年龄值与206秦岭岩群北侧的超高压榴辉岩及其围岩片麻岩的变质年龄值(507±37 Ma)在误差范围内一致，表明在北秦岭秦岭岩群南北两侧存在同时代的两条早古生代高压-超高压变质岩带。 初步认为这两条高压-超高压变质岩带的形成，可能分别对应于早古生代时期秦岭古洋盆和二郎坪洋盆俯冲消减引发的微陆块之间或微陆块与岛弧地体之间陆壳双向深俯冲碰撞作用。

关键词 北秦岭松树沟 高压基性麻粒岩 锆石 U-Pb 年龄 早古生代碰撞作用　微量元素

   近年来，在北秦岭秦岭岩群的南、北两侧相继发现了高压-超高压变质岩，引起人们的普遍关注和高度重视。 北侧高压岩石分布在河南卢氏县狮子坪以北的官坡-双槐树一线，由出露在近邻朱阳关-夏馆断裂带南侧秦岭群片麻岩中呈透镜体状的榴辉岩[1，2]组成，杨经绥等人[3]在该榴辉岩及其围岩片麻岩的锆石中发现了指示超高压变质的特征矿物金刚石和柯石英，并利用锆石 SHRIMP 方法确定北带高压-超高压变质岩带的形成时代为507±37 Ma的早古生代。 南侧高压岩石呈透镜体状断续出露在陕西商南县松树沟-河南西峡县寨根一带，主要由高压基性麻粒岩[4，5]、长英质高压麻粒岩[6]和高压不纯大理岩[7]构成。 Liu等人[8]进一步在长英质高压麻粒岩的石榴石中又发现指示超高压变质的各种显微出溶结构，指示南带超高压变质作用的存在，但南带的这些高压-超高压变质岩石至今均缺乏准确可靠的同位素年代学研究。显然，对比秦岭岩群南、北两侧高压-超高压变质岩石在形成时代方面的异同，对深入探讨北秦岭造山带的形成与演化以及探讨它们与中国东部大别-苏鲁和西部阿尔金-柴北缘高压-超高压变质岩带的构造关系至关重要。 基于此，本文拟通过对松树沟高压基性麻粒岩中的锆石进行阴极发光(CL)显微结构分析，在此基础上利用激光探针等离子体质谱(LA-ICP-MS) 对锆石进行了微区原位微量元素分析和 U-Pb 定年，为探讨北秦岭南北两侧高压－超高压岩石的形成时代及其构造关系提供精确的年代学约束。

1 地质背景和岩石学特征概况

北秦岭造山带是指秦岭商丹断裂带与洛南-栾川-方城断裂带之间的秦岭北部区域(图 1)，主要构造岩石地层单元自北而南依次为宽坪岩群、二郎坪岩群:秦岭岩群和丹凤岩群，它们之间均以大型剪切带和断裂构造带为界，相互逆冲叠置，并沿北西西方向平行展布，构成了北秦岭造山带的主体。   

秦岭岩群是北秦岭造山带的一个重要的组成部分，它西起陕西太白、眉户，向东沿经商丹、河南西峡和内乡及南阳盆地至桐柏一带断续出露(图 1)，为一套中深变质杂岩系，主体由片麻岩、角闪岩和大理岩组成，变质程度普遍为角闪岩相，局部达麻粒岩相，形成时代为早元古代(2000~2200 Ma)，经历新元古代(1000~800 Ma)和早古生代的变质变形[10]。 二郎坪群分布在秦岭岩群以北、宽坪群以南，其下部由弧后盆地型火山岩和蛇绿岩类岩石组成，化石时代为奥陶纪-志留纪[10]。 丹凤群分布在秦岭岩群南侧，构成分割南、北秦岭的缝合构造带，是秦岭古生代洋盆闭合的产物[11]，主体具有以岛弧型火成岩为特点的镁铁质、超镁铁质岩石组合，包含岛弧陆缘浊积岩系，化石时代为奥陶纪~志留纪。 宽坪群主要由一套变质变形的基性火山岩、碎屑岩和碳酸盐组成，形成时代为中新元古代(986~1142 Ma)[10]。

图 1 东秦岭区域地质略图(据文献[9]修编)

北秦岭高压基性麻粒岩主体呈透镜状分布在陕西商南县松树沟超镁铁质岩体(主岩体)南侧的秦岭岩群斜长角闪片岩中，距离超镁铁质岩体约有 200 m，且与超基性岩体之间夹有一套不纯大理岩，向东可断续追索到河南寨根与西峡蛇尾以南的秦岭岩群片麻岩之中(图1)。 该岩石是由刘良等人[4，5]于1994年发现并进行研究的，在剖面上可见高压基性麻粒岩与石榴单斜辉石岩和石榴角闪岩以及含榴斜长角闪岩共存于同一透镜体中，各岩石之间无明显界限，但石榴单斜辉石岩和高压基性麻粒岩主要残存于透镜体的核部，外侧为石榴角闪岩或含榴斜长角闪岩。 本文研究的样品呈深灰褐色，不等粒粒状变晶结构，块状构造，主要由石榴石(30%~45%)、单斜辉石(35%~50%)、角闪石(15%~20%)和少量石英或斜长石组成，副矿物有金红石、磷灰石和锆石等。 已有研究表明[5]，该岩石经历了从高压麻粒岩相到中压麻粒岩相再到角闪岩相的顺时针的 PT 演化轨迹。 其中早期麻粒岩相矿物组合为石榴石+单斜辉石+石英+金红石±斜长石，中压麻粒岩相和角闪岩相阶段的矿物组合分别以出现在石榴子石后成合晶中的紫苏辉石＋斜长石＋褐色角闪石＋透辉石＋磁铁矿和中长石＋角闪石＋石英＋磁铁矿为代表。 对应的温压条件分别为:828~887℃与1。40~1。58GPa，765~825℃与 1。03~1。14 GPa，约 700℃与 0。9 GPa。 地球化学研究表明该高压基性麻粒岩的原岩总体具有 E-MORB 的性质[12]。

2 样品与分析方法

用作微量元素和 U-Pb 定年的锆石样品是从大约50 kg 岩石样品中经人工重砂、重液、电磁仪等多种方法分离，并在双目显微镜下挑出无色透明、无裂痕、无包体的锆石十余颗。 首先将其镶嵌在环氧树脂中并抛光至锆石颗粒的一半，然后进行锆石的光学、CL 显微图像及 LA-ICP-MS 分析。 锆石的 CL 图像分析在中国地质科学院电子探针仪上完成; 微量元素分析和 U-Pb 年龄测定在西北大学大陆动力学教育部重点实验室的 Elan6100DRC 型 ICP-MS 和德国Lambda Physik 公司的 ComPex102 ArF准分子激光器(工作物质 ArF，波长 193 nm)以及 MicroLas 公司的GeoLas 200M 光学系统的联机上进行。 激光束斑直径为 30 μm，激光剥蚀样品的深度为 20~40 μm。 实验中采用 He 作为剥蚀物质的载气，用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM610 进行仪器最佳化，采样方式为单点剥蚀，数据采集选用一个质量峰一点的跳峰方式，每完成 4~5 个测点的样品测定，加测标样一次。 在所测锆石样品分析点前后各测 2 次 NIST SRM610。 锆石年龄采用国际标准锆石 91500作为外标标准物质，元素含量采用 NIST SRM610 作为外标，29Si 作为内标。 单点分析的相对标准偏差(RSD)除 Be(4。4%)、P(3。9%)、Zn(4。5%)和 Sb(7。2%)较高外，对于大多数元素 RSD介于 1%~2。6%之间[13]。 同位素测定时，普通铅根据Andersen Tom 的 3D 坐标法进行校正[14]，样品的同位素比值及元素含量计算采用 GLITTER(ver4。0，Mac-quarie University)程序，年龄计算及谐和图的绘制用Isoplot(ver2。49)完成。 详细分析步骤和数据处理方法参见文献[15]。

3 分析结果

3.1 锆石的 CL 图像特征

秦岭松树沟高压基性麻粒岩石中锆石的 CL图像如图 2 所示。 所有锆石均呈圆形多晶面的形态，粒径介于 100~200 μm 之间，显示明显的双层内部结构。其中，核部主体由扇形或面形分带区域组成(图 2(a)，(c)，(e) ，(f))，个别显示弱分带或云雾状分带结构(图2(b)，(d))，不含继承性的晶核和岩浆型锆石的韵律环带。 在所有锆石颗粒核部外围都有一个窄的(< 20 μm)亮色边缘层，与核部的分界线呈浑圆状，局部呈港湾状(图 2(c)，(d) ，(e))，可能是锆石在后期退变质过程中遭受溶蚀和重结晶的结果。

图 2 锆石的阴极发光图像

(f)中的圆斑为激光剥蚀斑

3.2 锆石的微区微量元素特征

表 1 列出了松树沟高压基性麻粒岩中锆石核部微区微量元素的测试结果，锆石的边部因其宽度小于激光束斑直径(30 μm)未进行测试。 从表 1 可看出，该锆石Th 含量为 42。94~84。75 μg/g，U含量为 186。37~355。28 μg/g，Th/U比值为 0。20~0。29; 稀土元素总量较低，介于 20。59~55。80 μg/g 之间，重稀土(HREE)含量变化于 17。06~51。17 μg/g，重稀土的富集程度较低(重稀土富集程度指标[16] (Nd/Yb)N = 0。01~0。07)，总体上表现为轻稀土亏损、重稀土轻度富集的稀土配分模式(图 3)，具有明显的 Ce正异常(δ Ce = 2。79~17。83)和弱的 Eu 负异常(δEu = 0。52~0。98)，另有两个测点显示Eu的正异常(δ Eu = 1。49~1。74)。

图 3 秦岭高压麻粒岩锆石的球粒陨石标准化稀土配分模式

3.3 锆石 U-Pb 定年

对 11 粒锆石核部的 24 次分析结果见表 2 和图4。 所得206Pb/238U 年龄比较集中，介于 467~499 Ma之间，在 206Pb/238U-207Pb/235U谐和图上(图 4)，除一个点稍偏离一致曲线外(q01-3。1)，其余分析点聚集在一致线上及其附近的一个很小的区域，得其206Pb/238U加权平均年龄为 485±3。3 Ma(MSWD = 3。9，2σ)。 因测点几乎覆盖了锆石核部的所有区域，所得结果又非常集中，应指示同一期地质事件。

图 4 东秦岭高压基性麻粒岩锆石的 U-Pb 谐和图

4 讨论

4.1 锆石的成因及峰期变质年龄

锆石成因的确定是锆石定年的基础。 近年来，越来越多的研究表明，深变质岩石中锆石的成因常常是非常复杂的，必须根据锆石的 CL 图像、微区微量元素甚至其包体种类等特征综合分析判断。 Vavra 等人[17，18]对南阿尔卑斯 Ivrea 变质带麻粒岩相变质岩中锆石内部结构的 CL 图像研究发现，变质锆石内部结构的基本特点是由各个生长部分组成，发育众多的生长区，构成特征的冷杉叶状、扇状和面状结构，区别于岩浆型或深熔型锆石的同心韵律环带结构。 另一方面，由于不同微量元素进入锆石晶格的能力以及与锆石同时结晶的特征矿物(如石榴石、长石)和副矿物(磷铱矿、独居石和榍石)的种类不同，使得不同成因的锆石具有不同的微量元素组成特征。 例如，在变质重结晶作用过程中 Th 相对于 U 优先丢失，以及在高级变质作用中其他富 Th 矿物(如帘石类矿物和独居石等)的形成，必将导致变质重结晶或变质增生锆石具有较低的 Th/U 比值(<0。1)[17，19，20]; 石榴子石大量富集重稀土，因此在高压-超高压变质岩中与石榴石平衡生长的变质锆石具有低的稀土总量和较小的甚至是右倾的重稀土富集模式[17，18，21~23]; 而长石由于富集 Eu，导致与长石平衡共生的锆石出现明显的 Eu负异常[21~23]，等等。

松树沟高压基性麻粒岩中锆石的 Th/U 比值为0。20~0。29，该值稍高于常见变质锆石的 Th/U 比值(<0。1)，但明显不同于一般岩浆锆石的 Th/U 比值(>0。4)[17，19，20]。 从目前的研究来看，变质新生锆石的Th/U 比值也存在较大的变化范围，在含柯石英包体的锆石超高压变质微区也得到了>0。60~0。77 的 Th/U比值[24，25]。 同时，区内高压基性麻粒岩锆石较低的? REE 和 HREE 含量(表 1)以及较为平坦的重稀土配分型式(图 3)，也显示了与石榴石平衡共生的变质锆石的稀土组成特征[17，18，21~23]; 其中的正 Eu 异常应是继承了原岩的稀土组成特征[12]，弱的负 Eu 异常则可能与高压麻粒岩相峰期变质阶段少量斜长石的出现有关[21~23]; 另外，锆石的(Yb/Dy)N比值介于 1。27~2。35之间，Zr/Hf 比值为 45。07~50。63，也落于高压-超高压变质增生锆石的范围内1) 。

依据上述锆石具有扇形、面形和云雾状的内部结构特征以及其与石榴石平衡共生的稀土组成特征和较低的 Th/U 比值，可以认为该锆石的核部形成于与石榴子石平衡共生的峰期变质阶段，亦即锆石核部所获得的 485±3。3 Ma 的 206Pb/238U年龄值应代表松树沟高压基性麻粒岩的峰期变质时代。

4.2 构造地质意义

    北秦岭官坡榴辉岩及其围岩片麻岩锆石中金刚石和柯石英的发现[3]以及用不同方法获得的几乎一致的变质年龄(SHRIMP，507±38 Ma[3]; LA-ICP-MS，509±12 Ma[26])，表明北秦岭秦岭岩群的北侧在早古生代时期发生过地质体的深俯冲作用。 虽然该榴辉岩的原岩显示出兼具 N-BORB 和 OIB 两个端元混合的洋壳性质[27]，但考虑到该榴辉岩的锆石存在明显的岩浆残核，而且初步获得的这些残核的年龄值(1381±82 Ma[25])远大于榴辉岩的峰期变质年龄(500Ma 左右)，说明秦岭岩群北侧超高压岩石的形成可能是先已就位于陆壳的古洋壳在早古生代发生陆壳深俯冲作用的产物。

本次研究获得位于秦岭岩群南侧的松树沟高压基性麻粒岩的峰期变质时代为 485±3。3 Ma，已有研究显示该岩石经历了与板块的俯冲、碰撞有关的早期近等温减压(ITD)及后期降压降温顺时针的 PT 演化轨迹[5]。 最近，刘良等人[8]在与该岩石位于同一剖面上的原长英质高压麻粒岩的石榴石中发现了大量Ru+Qtz+Ap 的矿物出溶片晶，并根据实验岩石学资料和矿物晶体化学分析，指出该岩石的形成压力应在 7 GPa 以上，并利用 SHRIMP 方法初步获得该超高压长英质岩石的变质年龄在 518±12 Ma，原岩年龄为1400~1800 Ma[26]。 显然，秦岭岩群南侧不同原岩类型的岩石也经历了与北侧岩石近乎同期的高压超高压变质作用，它们的形成也是早古生代陆壳深俯冲的产物。

近年来的研究表明，发育于北秦岭秦岭岩群南北两侧的二郎坪群和丹凤群变质火山岩带主体为岛弧型火山岩[28~30]，其中夹有寒武纪-奥陶纪的放射虫硅质岩[31，32]，侵位于这两条岛弧火山岩带中的斜长花岗岩、奥长花岗岩的锆石 U-Pb 年龄为 470~487Ma[33，34]; 另外，在秦岭岩群南侧还发育一条岛弧型苏长-辉长岩带(拉鸡庙、四方台和富水岩体等[35，36])，其中富水杂岩的锆石 U-Pb 年龄为 514±1。3 Ma; 最近陆松年等人[37]又获得丹凤岛弧火山岩带中罗汉寺火山岩的锆石 U-Pb 年龄为 523±26 Ma。 这些资料表明，北秦岭在寒武纪-奥陶纪已演化成为一个复杂的古岛弧系列，目前至少可区分出南部的丹凤岩浆弧和北部的二郎坪弧[38]。 令人感兴趣的问题是，我们所获得的秦岭岩群南北两侧两条高压-超高压变质岩带的形成时代与北秦岭两条古岛弧火山岩带的形成时代基本一致或略晚，而比秦岭岩群片麻岩重熔形成的同碰撞 S型花岗岩-漂池和安吉坪岩体的形成时代(450~486 Ma)[39，40]接近一致或略早，暗示北秦岭微陆块可能在早古生代时期已分别与其南北两侧的陆块或微陆块之间几乎同时发生了俯冲、及其随后产生的陆-陆或陆-弧碰撞以及陆壳的深俯冲作用，即发生了双俯冲碰撞作用。 同时，考虑到区内出露的与早古生代俯冲碰撞有关的花岗岩(如漂池、枣园、铁峪铺岩体等)主体分布在由商丹断裂带与朱-夏断裂带所围限的秦岭岩群之中(图 1)，可以认为在发生双俯冲碰撞前，秦岭岩群南侧的古洋壳可能是向北俯冲的，而北侧的古洋壳又可能是向南消减的[38]。

    已有研究显示，秦岭造山带是一个经历了从晚太古代-早元古代基底形成、晚元古代-中三叠板块构造和中新生代陆内造山 3 个阶段长期演化的一个复合型造山带，秦岭现今的构造面貌，即各板块、地块、岩块的基本定位与相互关系是其在不同的构造时期以不同的构造体制、不同的造山作用和造山过程复合叠加而成[41]。 在这一长期、复杂的演化过程中造就并残存了大量的构造形迹，赋存了有关造山带形成、演化及其地球动力学的丰富信息。 新的地球化学和 Pb同位素填图研究显示北秦岭具有高放射成因 Pb，与华北和扬子陆块都不相同，因而可能是具有独立发展历史的微陆块[38，42~47]。 构造解析进一步表明，北秦岭洛南-栾川-方城断裂是由一系列断层、韧性剪切带及构造岩块组成的复杂的断裂构造岩带，明显分隔了南北不同构造地层地质体[47]，朱阳关-夏馆和商丹断裂构造带也都发育强烈的逆冲、推覆和韧性剪切走滑[10，48~53]，因而人们开始怀疑现今北秦岭包括宽坪岩群、二郎坪岩群、秦岭岩群和丹凤岩群的相对构造位置是否能够代表它们各自在元古代或早古生代时期的相对位置。 总之，近年来随着研究工作的不断深入和精细年代学资料的不断积累，尤其对于北秦岭地区从元古代到早古生代时期的构造格架、构造体制与演化细节开始出现越来越多的争议[10，47，54]。 基于上述资料综合分析，本文初步认为北秦岭秦岭岩群南北两侧两条早古生代高压-超高压变质岩带的形成，可能分别对应于早古生代时期秦岭古洋盆和二郎坪洋盆俯冲消减引发的微陆块之间或微陆块与岛弧地体之间陆壳双向深俯冲碰撞作用的产物。 诚然，这一认识还有待进一步深化与修正。

5 结论

(ⅰ) 在 CL 图像和微量元素分析基础上进行的LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 定年结果表明，北秦岭秦岭岩群南侧松树沟一带的高压基性麻粒岩的峰期变质时代为 485±3。3 Ma(2σ)。 该年龄值与秦岭岩群北侧的超高压榴辉岩及其围岩片麻岩的变质年龄值(507±37Ma)在误差范围内一致，表明在北秦岭秦岭岩群南北两侧存在同时代的两条早古生代高压-超高压变质岩带。   

(ⅱ) 结合区域地质资料综合分析，初步认为北秦岭秦岭岩群南北两侧两条高压-超高压变质岩带的形成，可能分别对应于早古生代时期秦岭古洋盆和二郎坪洋盆俯冲消减引发的微陆块之间或微陆块与岛弧地体之间陆壳双向深俯冲碰撞作用的产物。

致谢 评审人李曙光教授对本文提出了宝贵的建设性修改意见，参加野外工作的还有王涛、韩建恩、郭丽彬，样品分析得到西北大学大陆动力学实验室袁洪林博士指导和帮助，作者在此一并致谢。 本工作受国家重点基础发展规划项目(G1999075508)、国家自然科学基金(批准号: 140032010-C，49972063，49672141)、陕西省自然科学基金(2002D03)、陕西省教育厅专项基金(01JK108)和西北大学科学基金资助。

参考文献（略）