西藏冈底斯带东段强母错噶石英二长岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及地质意义

苏 鑫, 杨文光*, 朱利东, 张洪亮, 李成志, 卢志友, 刘 宇

(1.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059；2.成都理工大学地球科学学院，成都 610059)

位于青藏高原腹地，拉萨地体南缘的冈底斯岩浆带常常被认为与新特提斯洋盆北向俯冲、印度-亚洲板块发生陆陆碰撞和拉萨地体的形成呈正相关[1]。花岗岩类作为学者们研究冈底斯带构造-岩浆演化的重要对象，也是冈底斯带岩浆岩组合中最为主要岩石的类型[2]。前人对于冈底斯带始新世花岗岩类的岩石成因等关键问题一直争论较大[3]。其中主要有以下观点：①因新特提斯洋板片的持续俯冲产生了这一时期广泛分布的具有岛弧花岗岩特征的花岗岩[4]；②印度-欧亚大陆发生陆陆碰撞时产生出极大阻力，影响了新特提斯洋板片的俯冲，得以充分与盖于上部炽热的岛弧岩石圈发生部分熔融反应[5]；③始新世大规模的岩浆活动与新特提斯洋板片的回转、拆离等关系密切[6]。关于始新世花岗岩类的起源问题上，也存在了两种认识，一种认为来自于新生地壳的部分熔融，另一种认为是下地壳与地幔发生部分熔融所产生的。在新生代冈底斯岩浆带中岩石组合多种多样，有以下几种最为常见，包括闪长岩、英云闪长岩、二长花岗岩和此次工作区研究的石英二长岩等[2]。石英二长岩这类富碱的中酸性岩石，一般出现在伸展的背景下，可以是后碰撞、裂谷或者板内环境，且石英二长岩出露的面积比较小，故此其形成的特殊构造背景受到广泛关注。

印度大陆-亚洲大陆之间碰撞是最具有构造意义地质事件之一，前人通过总结冈底斯带岩浆活动的规律和特征可划分为4个阶段：①212～152 Ma、②109～80 Ma、③65～41 Ma、④33～13 Ma[7]。其中65～41 Ma时期冈底斯带岩浆活动最为剧烈，并在50 Ma左右岩浆活动达到了顶峰[8]。对于新特提斯洋俯冲及印度-亚洲大陆碰撞的关系和开始的时间与始新世花岗岩类的起源都存在很大的争议，多数研究者认为印度-亚洲板块碰撞时间为始新世早期(～55 Ma)[9]，少数学者认为这一事件发生在～45 Ma[10]。此外，冈底斯地区地壳增厚的时间:构造地质学证据显示拉萨地体地壳增厚的时间开始于晚白垩世初期[10]，而来自于冈底斯带火成岩的地球化学和岩石学证据显示地壳增厚开始于古新世末期-始新世初期[11]。冈底斯带始新世岩浆作用的厘定对理解新特提斯洋板片演化的方式、岩石成因和限定印度-欧亚大陆碰撞的时限具有重要的科学意义。前人对冈底斯带始新世岩浆岩进行了大量的研究，主要集中在冈底斯带中段，其次冈底斯带西段[3]。本次研究的强母错噶岩体为出露于冈底斯弧背断隆带东段墨竹工卡地区，对始新世冈底斯弧背断隆带东段岩浆岩研究资料相对较少，依托西藏唐加地区1∶5万区域地质调查项目和结合以往研究成果，通过对强母错噶岩体锆石U-Pb年代学和地球化学特征研究，讨论强母错噶岩体的岩石类型、岩浆源区与演化和构造背景，以期为该地区岩浆形成及印度-亚洲大陆碰撞的关系和开始的时间提供基础地质资料。

1 区域地质背景与样品描述

冈底斯带是由印度河-雅鲁藏布缝合带与班公湖-怒江缝合带之间所夹持的一条巨型构造-岩浆岩带，其东西向延展约2 000 km，南北向宽度东西不等约300 km，与喜马拉雅地块和羌塘地块相邻[12]。其中又可根据由南向北，将冈底斯带划分为4个部分，主要分为南冈底斯、冈底斯弧背断隆带、中冈底斯和北冈底斯，从大地构造的尺度上将沙莫勒-麦拉-洛巴堆-米拉山断裂(SMLMF)、噶尔-隆格尔-扎日南木错-措麦断裂带(GLZCF)以及狮泉河-拉果错-永珠-纳木错-嘉黎蛇绿混杂岩带(SNMZ)作为划分的依据以及分界[13]。冈底斯岩浆岩带主要由广泛分布的花岗岩基和多种火山岩组成。岩石类型有中-酸性岩浆岩、基性-超基性岩，年代跨度大自晚三叠世-中新世之间均有分布，前人在研究区附近林周盆地大面积出露的林子宗组颇具代表性[13]，将林子宗组分为典中组(65～60 Ma)、年波组(60～50 Ma)、帕那组(50～41 Ma)。对于林子宗火山岩的成因，莫宣学等[7]认为是新特提斯洋北向俯冲到印度-亚洲板块碰撞转换的产物。

强母错噶岩体地理位置在林周县东侧，岩体呈南北向不规则岩株状产出，石英二长岩共采5件(D5284-DH1-DH5)地球化学样品与1件年龄样品(D5284-N1)，采样GPS坐标为29°58′14.86″N，91°27′1.60″E，H=4 528±5 m，构造位置上属于冈底斯弧背断隆带东段[图1(a)[14]]，采样位置如图1(b)所示，且构造变形情况强烈，为确保所采样品新鲜及避免受到后期改造影响，已避免采用破碎带与蚀变部位的样品。区内广泛出露中生代地层，主要有麦隆岗组(T3m2)、甲拉浦组(J1j)。其中麦隆岗组地层主要为灰色中层状微晶灰岩、生物碎屑灰岩、偶见石英砂岩，甲拉浦组主要为黄灰色石英砂岩，偶夹细砾岩、凝灰岩。研究区断裂构造较发育，主要为NW向、NNW向。采集的石英二长岩样品所在岩体在野外出露良好，强母错噶岩体呈南北向展布，在本项目图幅内总出露面积约7 km2。岩性以中粗粒灰褐色、浅肉红色、灰白色石英二长岩为主，与麦隆岗组(T3m2)、甲拉浦组(J1j)为侵入接触关系，岩体展布如图1(b)所示。岩石为似斑状结构，块状构造，斑晶主要有斜长石(28%～40%)、钾长石(20%～25%)、石英(15%～19%)、黑云母(5%～8%)、角闪石(5%)，基质主要为钾长石、石英。钾长石具有明显的卡式双晶，而斜长石中可见聚片双晶，偶见环带。副矿物有锆石、透辉石、磁铁矿、磷灰石等。强母错噶石英二长岩体野外露头与显微照片如图2所示。

Qtz为石英；Pl为斜长石；Kfs为钾长石；Bt为黑云母图2 强母错噶石英二长岩体野外露头与显微照片Fig.2 Field photosand typical micrograph photosof Qiangmucuogaquartz-monzonite granite

2 分析结果

2.1 锆石U-Pb年龄

本次采集了1件石英二长岩新鲜样品(D5284-N1)通过LA-ICP-MS方法分析进行锆石U-Pb的测年，强母错噶数据单个测试点的误差均为1σ，测试结果如表1所示。锆石阴极发光图像和年龄协和图如图3所示，D5284-N1的锆石阴极发光(cathodolumiescence,CL)图中锆石颗粒呈尖棱状晶体、自型-半自型菱柱状晶体，呈现出灰色的岩浆振荡环带，Th/U介于0.51～1.97(>0.4)，长130～250 μm，宽70～200 μm，长宽之比约为1∶1～3∶1，表明强母错噶样品为岩浆成因。

D5284-N1样品分别在35颗锆石上进行了测年分析，除去19个低于85%谐和度的测点外，剩余16个测点的206Pb/238U年龄介于(49.98±0.71)～(54.71±0.96) Ma，大多数测点分布在谐和线上或紧邻谐和线，加权平均年龄Mean为(50.84±0.71) Ma[图3(b)]，MSWD=0.51。定年结果表明时代为早始新世，代表了早期岩浆成岩年龄。

2.2 主量元素

强母错嘎石英二长岩主量元素分析结果如表2所示，其中SiO2含量为64.34%～64.87%，平均64.73%，为中酸性岩体。K2O(4.66%～4.76%)和Na2O(3.38%～3.42%)，全碱(K2O+Na2O)含量偏高，为8.04%～8.15%，K2O/Na2O比值为1.38～1.41，5件样品比值均大于1，显示出富钾特征。TAS、SiO2-K2O、A/CNK-A/NK如图4[15]、图5[16]所示。在SiO2-K2O图解之中，5个样品均投在钾玄岩系列区域。在w(Na2O+K2O)-w(SiO2)图解中，5件样品全部落入石英二长岩区域。Mg#=43.78～44.66，平均为44.32。A/CNK=0.91～0.93，A/NK=1.49～1.50，显示出准铝质岩浆的特征，在A/CNK-A/NK图解中样品也均投影到准铝质系列中。Ca含量为2.65%～2.82%，Ti的含量较低，为0.27%～0.29%，TFeO含量为3.64%～3.77%，MgO含量为1.38%～1.42%，TFeO/MgO介于2.60～2.69，具有富铁贫镁的特征。CIPW标准矿物中均未见刚玉(C)。样品的LOI(烧失量)介于0.65%～0.76%，含量较低且变化范围小，表明岩石化学组分受后期风化作用影响小。

表1 强母错嘎石英二长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据

图3 强母错噶石英二长岩部分锆石阴极发光图像及锆石U-Pb谐和年龄图解Fig.3 CL image of zircon grains and U-Pb age concordia plotsof part of Qiangmucuogaquartz-monzonites

表2 强母错噶石英二长岩主量元素(%)、稀土元素(10-6)和微量元素(10-6)分析结果

续表2

图4 强母错噶石英二长岩w(Na2O+K2O)-w(SiO2)图解[15]Fig.4 w(Na2O+K2O)-w(SiO2) of the Qiangmucuoga quartz-monzonites[15]

2.3 稀土和微量元素

强母错噶石英二长岩的稀土元素和微量元素组成如表2所示，稀土元素总量(∑REE)为(260.98～462.15)×10-6，平均347.38×10-6，含量较高；轻稀土元素(LREE)含量为(241.62～441.75)×10-6，重稀土元素(HREE)含量为(18.58～20.60)×10-6，LREE/HREE为12.48～21.65，(La/Yb)N介于15.38～33.79，平均24.14，显示轻稀土元素相对于重稀土元素富集。在球粒陨石标准化图解[图6(a)]，δEu为0.60～0.67(平均0.63)配分曲线呈现出中等负异常的特征，表现出与下地壳非常一致的分布形式，可能表明强母错噶岩体与下地壳存在某些关系。并且配分曲线沟谷明显，具有向右缓倾的特征，表明源区可能存有斜长石残余。

图5 强母错噶石英二长岩A/CNK-A/NK图解及ω(SiO2)-ω(K2O)图解[16]Fig.5 ω(SiO2)-ω(K2O)and A/CNK-A/NK diagrams of the Qiangmucuogaquartz-monzonite[16]

通过原始地幔标准化，可在蛛网图[图6(b)]图解中看出，强母错嘎岩体的全部5件样品均出现了对于大离子亲石元素(Rb、Th、K、Pb、U等)的富集现象，(Nb、Ta、P、Ti等)高场强元素相对亏损，对比Rb和Th元素图中的峰值，明显亏损Ba，整体显示出岛弧性质花岗岩的特征。样品具有较高的Sr含量(593×10-6～618×10-6，平均为605×10-6)，而Y[(24.9～26.5)×10-6]、Yb[(2.53～2.78)×10-6]含量相对较低，Sr/Y比值(22.87～24.10)较高，与两类岩石的地球化学相类似：①埃达克岩；②岛弧系列岩石(具有明显亏损高场强元素特征)[17]。强母错噶石英二长岩中能有效反映岩石演化特征与规律的几组元素比值为：La/Nb=2.8～6.35，Th/Nb=2.34～2.46，Nb/Ta=15.27～15.67，Th/La=0.37～0.84，Rb/Sr=0.27～0.28，Rb/Nb=7.93～8.34。

图6 强母错噶石英二长岩稀土元素配分图和微量元素蛛网图[18]Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element patters for the Qiangmucuogaquartz-monzonites[18]

3 讨论

3.1 岩石类型

图7 强母错噶石英二长岩成因分类判别图Fig.7 Discrimination diagrams for the genetic types of the Qiangmucuogaquartz-monzonites

前人通过从多种切入点的研究将花岗岩提出了20余种分类方法，目前MISA，即M(M type granite)、I(igneous type granite)、S(sediment type granite)和A(A type granite)型成因分类方案为大多数学者所接受[19]。强母错噶石英二长岩岩体位于冈底斯弧背断隆带东段，冈底斯带主要由一条Ⅰ型花岗岩组成的侵入杂岩带[20]，根据岩石地球化学分析显示，其A/CNK=0.91～0.93，均小于1.1，岩石显示出准铝质特征，而S型花岗岩通常为过铝质系列，并通常出现白云母、堇青石、石榴子石、电气石等富铝特征矿物，且通过标准矿物计算所有样品均未出现刚玉分子，在岩相学观察中未发现上述特征矿物，虽然有些分异的S型花岗岩A/CNK的比值也存在偏低的可能性，但也均大于1[21]。同时Rb/Sr比值也是提供源区性质的重要信息，Rb/Sr<0.9为I型花岗岩，Rb/Sr>0.9为S型花岗岩[22]。强母错噶石英二长岩的Rb/Sr比值介于0.26～0.28，明显小于0.9，故此本文的强母错噶石英二长岩明显不同于强富铝的S型花岗岩[23]。强母错噶石英二长岩岩体也具有明显不同于A型花岗岩的一系列岩石地球化学特征，这表现在SiO2含量为64.34%～64.87%，明显较A型花岗岩低，且岩体具有高的Al含量，一般认为A型花岗岩以104×Ga/Al>2.6区别于其他类型花岗岩，强母错噶石英二长岩104×Ga/Al为2.08～2.44，在10 000Ga/Al-FeOT/MgO、10 000Ga/Al-ω(Na2O+K2O)图解判别图解上，强母错噶石英二长岩均投影在非A型花岗岩区[图7(a)、图7(b)[23]]，且贫Nb和Ta的特征也不同于A型花岗岩。虽然强母错噶石英二长岩碱含量较高，但强母错噶岩体的FeOT/MgO较低，为2.60～2.69，完全有别于A型花岗岩显著富铁的特征(FeOT/MgO>10)[24]，亦可通过FeOT/MgO为基础的SiO2-FeOT/(FeOT+MgO)判别图进一步证实，强母错噶石英二长岩均投影在富镁区域[图7(c)]，与A型花岗岩性质相悖。通过锆石地质温度计算，得出岩体形成温度为789～808 ℃，平均为800 ℃。一般来说A型花岗岩形成温度比较高，通常大于800 ℃，普遍形成温度为850～900 ℃，强母错噶石英二长岩不符合A型花岗岩这种较高的岩石形成温度。且强母错噶石英二长岩通过ω(SiO2)-ω(Zr)图解[图7(d)[25]]可见,所有样品均落入I型花岗岩中。强母错噶岩体的特征与S型、A型花岗岩产生明显区别，与I型花岗岩的特征非常相似。强母错噶样品高硅富碱和Ba、Sr、P、Ti、Eu等元素的相对亏损特征说明强母错噶石英二长岩经历了一定程度的分异演化，δEu为0.60～0.67配分曲线呈现出中等负异常的特征，斜长石的分离结晶会使岩浆中Sr、Eu元素产生亏损，而钾长石的分离结晶则会使岩浆中Ba、Eu元素产生负异常出现明显的沟谷[26]。岩石中P亏损的特征应为磷灰石的分离结晶作用所引起。强母错噶石英二长所表现出的Ti、Nb、Ta的负异常应与钛铁矿等矿物的分离结晶作用有关[27]。综上，强母错噶石英二长岩经历了一定程度的分异演化所形成。

3.2 花岗岩岩浆源区与演化

强母错噶石英二长岩在La-La/Yb[图8(a)]和Zr-Zr/Sm[图8(b)]图解中样品均表现出部分熔融的正相关性，显示强母错噶石英二长岩成岩过程中以部分熔融为主。前人研究认为具有较高的La/Ta值(>25)通常作为判断岩浆是否起源于岩石圈地幔的重要指标[28]。而强母错嘎石英二长岩5件样品的La/Ta值均大于25，平均为57.75，表明强母错噶的岩浆起源有岩石圈地幔的参与。此外，微量元素Th和Nb的含量也常用来反映陆壳混染的指标[29]，可以看到，强母错嘎岩体Th和Nb质量分数分别为46.6～49.1和19.9～20.8，大于地壳中赋存Th和Nb的平均值[30]，说明强母错噶岩体在成岩过程中可能出现了陆壳物质混入的现象。一般来说，受陆壳混染的岩石都具有一个相同的特征：低的Sm/Nd值(<0.30)[31]，而强母错噶岩体Sm/Nd值较小(0.15～0.18)，暗示岩浆中存在地壳物质的混入[32]，且具有低的Y/Nb值<1.2为地幔成因的岩石，而壳源成因岩石的Y/Nb值>1.2，研究区样品的Y/Nb值恰为1.24～1.27，处于幔源与壳源成因的临界值附近。同时，通过δEu-(La/Yb)N图解[图9(a)]可知，强母错噶4个地球化学关键点落在壳幔混合花岗岩区域。在原岩类型判别图解[图9(b)、图9(c)[38-39]]中，通常泥岩质成分源区的成熟度较高，与之相反的是砂岩质成分代表源区成熟度低，研究区所有样品均投在杂砂岩与变质杂砂岩部分熔融的区域，也说明强母错噶岩体其源区成分成熟度较低。前人研究表明有幔源物质加入形成的岩石，具有较高的Mg#值(>40)，而强母错噶5件样品Mg#均大于40，平均为44.32，指示了强母错噶石英二长岩的形成可能与幔源岩浆的底侵有关[33]。前人研究认为，Nb、Ta两种元素不相容性极强，无论在发生侵蚀作用亦或是变质作用时，两种元素均未发生明显变化，所以两元素之比可揭示原始岩浆源区的特征[34]。本文的强母错噶石英二长岩Nb/Ta比值(15.27～15.67)介于幔源与壳源之间，低于常规的幔源岩浆比值17±1[35]，并且高于常规地壳比值12～13[36]，暗示研究区石英二长岩的形成可能和幔源岩浆的底侵有关。底侵的岩浆携带大量的热能，导致了研究区下地壳的部分熔融，最终形成了的壳幔混合的早始新世岩浆。

综上，强母错噶石英二长岩岩石地球化学属性及比值特征反映了岩体具有幔源特征，同时有可能受到陆壳物质混染作用的影响，这与研究区附近的藏来拉岩体认识结果一致[37]。因此，强母错噶石英二长岩的岩浆岩源区为壳幔混合源区。

图8 强母错噶石英二长岩La-La/Yb图解及Zr-Zr/Sm图解Fig.8 La-La/Yb and Zr-Zr/Sm diagrams of the Qiangmucuogaquartz-monzonite

图9 强母错噶石英二长岩原岩类型判别图Fig.9 Distinguishing diagrams of the original rock type of the Qiangmucuogaquartz-monzonites

3.3 构造背景与意义

图10 强母错噶石英二长岩构造背景判别图Fig.10 Construction background discriminant diagrams of the Qiangmucuogaquartz-monzonites

冈底斯带岩浆最为剧烈活动的时期为65～41 Ma，其岩基的主体由该时期花岗岩带构成，并且在50 Ma左右岩浆活动达到了顶峰[40]。前人认为剧烈的岩浆活动源于印度-亚洲板块初始碰撞，对于冈底斯带在古新世-始新世期间岩浆岩的源区与构造背景一直保有争论，对于新特提斯洋俯冲、拉萨地体的形成、印度-亚洲板块碰撞的关系异议较大，主要有以下观点：①新特提斯洋板片持续俯冲形成的[41]；②将印度-亚洲板块发生碰撞的时间约束在65 Ma，该时期的花岗岩类为同碰撞花岗岩[1]；③认为俯冲的新特提斯大洋岩石圈板片拆离作用是导致高峰期岩浆活动产生(～51 Ma)的主要原因，印度-欧亚板块碰撞的开始时间可能比51 Ma更早[4]。通过最新研究表明始新世晚期冈底斯地区地壳已经增厚，并且从始新世早期至始新世中期，冈底斯地区的地壳厚度处于一个持续加厚的过程[4]。强母错噶岩体锆石U-Pb年龄为(50.84±0.71) Ma，形成于始新世早期，正处在冈底斯岩浆活动高峰期，与林子宗火山岩形成的时代相一致，可能和新特提斯洋板片的断离有关。前人研究认为岩浆源区在发生熔融的过程中，发现残余有钛铁矿等高场强元素的矿物，导致岩浆的源区出现亏损高场强元素的现象，代表了具有俯冲带型岩浆岩的特征[42]，强母错噶5件地化样品均显示出地球化学特征与俯冲带型的特征相符合，表现出亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti等)的特征，并发现钛铁矿等残留。强母错噶石英二长岩微量元素特征进一步证明，轻稀土富集，高场强元素亏损，在稀土元素和微量元素图解显示具有典型的火山弧花岗岩特征，在图10中，强母错噶石英二长岩Y+Nb-Rb图解、Yb+Ta-Rb图解、Y-Nb图解、Yb-Ta图解和Hf-3Ta-Rb/30三角图解5件样品均投到火山弧岩浆岩区域，显示出强母错噶石英二长岩产生于火山弧背景下[43]。且弧岩浆的La/Yb比值的升高通常和地壳的加厚有关，若La/Yb比值高，一般来说代表重稀土元素相对亏损，暗示岩浆源区可能存在角闪石、石榴子石的残留[44]。通常石榴子石出现在地壳厚度大于40 km的镁铁质岩浆中，通过La-La/Yb图解[图8(a)]可见，强母错噶石英二长岩样品均落入推测地壳厚度大于40 km的区域，并且强母错噶石英二长岩La/Yb比值较高，与同时期冈底斯中段仁钦则地区与东噶乡地区岩体La/Yb比值比较相符[45]。前人研究表明，晚白垩世冈底斯地区出现过地壳缩短和加厚，但藏南冈底斯地区地壳在晚白垩世末岩石圈地幔发生了拆沉作用，平均厚度恢复到35 km，为正常的地壳厚度水平[46]。因此，强母错噶石英二长岩样品暗示了研究区在始新世早期时地壳厚度大于40 km，已经出现增厚现象[4]。印度-亚洲板块的碰撞，巨大的阻力使得新特提斯洋板片的俯冲角度变陡，结合部位应力不断积累，最终导致板片发生断离(～50 Ma)[47]。同时也得到了地球物理和数值模拟方面的支持。前人通过对冈底斯岩带始新世的花岗质岩石统计结果表明：始新世岩浆主体为拉萨地体新生地壳，而印度陆壳物质的贡献不足5%。综上，强母错噶石英二长岩的形成可能与冈底斯带始新世早期强烈的岩浆作用和新特提斯洋板片断离引发的地壳增厚密切相关，大洋板片断离从而引起软流圈物质上涌，导致下地壳部分熔融并与上涌地幔混合形成壳幔混合岩浆。

4 结论

(1)强母错噶石英二长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(50.84±0.71) Ma，形成于早始新世，代表强母错噶岩体的成岩年龄。

(2)强母错噶石英二长岩具有富硅、富碱、富钾的特征，铝饱和指数A/CNK=0.91～0.93，属于准铝质钾玄岩系列。稀土元素配分模式为轻稀土元素强烈富集的右倾型，其(La/Yb)N为15.38～33.79，具中等负Eu异常(δEu=0.60～0.67)。具有大离子亲石元素富集和高场强元素亏损的特征。强母错噶石英二长岩属于火山弧环境背景下中等分异程度的I型花岗岩。

(3)强母错噶石英二长岩的形成可能与冈底斯带始新世早期强烈的岩浆作用和新特提斯洋板片断离引发的地壳增厚密切相关，大洋板片断离从而引起软流圈物质上涌，导致下地壳部分熔融并与上涌地幔混合形成壳幔混合岩浆。