毛永生, 彭頭平, 范蔚茗, 高劍峰, 方小玉, 劉兵兵

(1. 中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3. 中國(guó)科學(xué)院 青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心, 北京 100101; 4. 中國(guó)科學(xué)院 青藏高原研究所, 北京 100101; 5. 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所 礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

造山帶演化中普遍伴隨地殼的部分熔融事件[1]。這一過(guò)程不但影響著板塊匯聚作用下的陸殼形成及分異[2], 而且也改變著地殼的流變學(xué)與熱力學(xué)行為[3–4]。地殼熔體的演化強(qiáng)烈受控于構(gòu)造作用過(guò)程[1], 以至于人們的研究越來(lái)越關(guān)注于造山帶中部分熔融與構(gòu)造過(guò)程的關(guān)系[3,5], 而地殼發(fā)生熔融的年代學(xué)分析有助于深入理解這一問(wèn)題[1,5]。但是由于伴隨的多期變質(zhì)及流體活動(dòng)的影響, 我們很難直接界定部分熔融的時(shí)間[5]。

鋯石是混合巖中一種常見(jiàn)而重要的副礦物, 具有高于一般變質(zhì)作用的 U-Pb 體系封閉溫度[6], 能夠較可信的記錄部分熔融過(guò)程巖漿結(jié)晶時(shí)間。另外,鋯石具有高的 Hf 和低的 Lu 含量因而極低的176Lu/177Hf 比值[7], 其Hf 同位素組成能夠指示寄主巖體特征, 反映熔體作用過(guò)程中不同組分的影響[5,8,9]。

魯西地區(qū)位于山東省的西南部(圖 1), 其主要的特征是發(fā)育有新太古代早期約 2.7 Ga 的泰山巖群和廣泛分布的花崗質(zhì)片麻巖組成的世界上典型的花崗綠巖組合[11–15]。且區(qū)內(nèi)出露有大面積太古宙變質(zhì)結(jié)晶基底, 是我國(guó)進(jìn)行早前寒武紀(jì)地殼早期生長(zhǎng)演化研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一。不同于東部陸塊的其他地區(qū), 如鞍山地區(qū)3.8～3.4 Ga 奧長(zhǎng)花崗巖、3.31 Ga基性巖脈、3.6～3.3 Ga 長(zhǎng)英質(zhì)脈體和3.1 Ga 二長(zhǎng)花崗巖[16–17]以及鞍山和鐵甲山～3.0 Ga 花崗巖[18–19],魯西地區(qū)僅有泰山雜巖中花崗巖的3.6 Ga 和約2.85 Ga 繼承鋯石年齡[14]以及沂水埃達(dá)克質(zhì)巖石的(2837±10) Ma[20]和蔡峪巖體閃長(zhǎng)質(zhì)巖石的2.82 Ga、2.93 Ga和3.07 Ga[21]繼承鋯石, 目前并未證實(shí)有老于2.8 Ga 的巖漿巖存在。因此, 魯西是否也存在古老基底(＞2.8 Ga)問(wèn)題引起人們的關(guān)注[22–23]。

本研究工作區(qū)沂水地區(qū)位于魯西花崗-綠巖帶東部的郯廬斷裂帶內(nèi)(圖2)。在區(qū)域構(gòu)造演化上中太古代形成了沂水古陸塊[24–29]; 而根據(jù) Wan et al.[11]對(duì)魯西巖漿作用時(shí)空展布推斷, 研究區(qū)南西向北東方向的弧俯沖作用主導(dǎo)背景位于遠(yuǎn)離俯沖帶的后方,因而更可能保留有古老基底巖漿作用信息。本文擬通過(guò)對(duì)沂水九層嶺與大山等地的混合巖樣品的鋯石U-Pb 年齡及Hf 同位素研究, 并結(jié)合前人對(duì)魯西花崗-綠巖區(qū)已取得的成果, 進(jìn)一步探討?hù)斘鞯貐^(qū)巖漿作用時(shí)序與地殼增生演化記錄。

1 地質(zhì)概況與樣品特征

魯西花崗-綠巖區(qū)位于華北克拉通東部陸塊的南緣(圖1), 總出露面積大于10000 km2, 整體呈北東-南西向構(gòu)造展布, 東部至沂水地區(qū)被郯廬斷裂帶所截切?；讕r石多為新太古代至古元古代的花崗巖和片麻巖類(lèi), 大部為古生代至新生代沉積蓋層所覆。地表分布主要有新太古代早期至晚期(2.7～2.5 Ga)的 TTG 片麻巖和片麻質(zhì)二長(zhǎng)花崗巖, 占該區(qū)前寒武基底的大約 80%[11,15,30]。少量呈透鏡狀或條帶狀發(fā)育在TTG片麻巖中的2.7～2.6 Ga 超基性-酸性火山巖和變質(zhì)沉積巖, 組成泰山綠巖系[12,15,31,32]。部分新太古代輝石巖、輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖及花崗巖巖體侵入于片麻巖中, 野外觀察顯示發(fā)生了低于圍巖變質(zhì)作用[12,15]。該區(qū)除記錄一個(gè)強(qiáng)烈的約2.5 Ga事件外, 還保留有大量的約2.7 Ga事件的記錄[12–15,22,28,33]而區(qū)別于世界其他克拉通約 2.7 Ga的構(gòu)造-巖漿事件[28]。Wan et al.[11]對(duì)泰山巖系及侵入巖鋯石 Hf 同位素研究, 也提出魯西地區(qū)經(jīng)歷了2.75～2.70 Ga 的地殼增生及新生地殼改造事件。

沂水地塊出露于緊鄰魯西花崗-綠巖區(qū)東部的郯廬斷裂帶內(nèi)(圖2), 主要由面積大于70%的新太古代花崗巖類(lèi)侵入巖體和中太古代表殼巖系組成。前者包括蔡峪、牛心官莊、馬山、雪山、大山、林家官莊、英靈山等地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖及紫蘇花崗巖等雜巖體; 后者主要有麻粒巖相的變基性巖及少量長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖與變泥質(zhì)巖等, 呈大小不等的包體散布于變質(zhì)變形的雜巖體中, 稱(chēng)沂水巖群。眾多對(duì)表殼巖中變質(zhì)鋯石的SHRIMP及LA-ICP-MS測(cè)定給出約2.50 Ga的變質(zhì)年齡, 認(rèn)為該區(qū)在新太古代晚期及古元古代早期遭受了區(qū)域變質(zhì)作用的改造[34–36]。

本研究選取08YS-50(采自九層嶺地區(qū)35°49.646′N(xiāo),118°42.653′E)與 08YS-14、08YS-21(采自大山地區(qū)35°46.619′N(xiāo), 118°42.728′E)等兩套(3 件)混合巖樣品進(jìn)行鋯石U-Pb年齡和Hf同位素測(cè)定。其中九層嶺混合巖(08YS-50)為淺灰色-灰色, 呈片麻狀-弱條帶狀, 主要由斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、黑云母及少量角閃石組成。大山混合巖(08YS-14和08YS-21)呈灰白色-灰色弱條帶狀, 礦物組成與九層嶺樣品相似而長(zhǎng)英質(zhì)較多。

圖1 華北克拉通構(gòu)造劃分(a) (據(jù)Zhao et al.[10])和魯西地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b) (據(jù)Wan et al.[11])Fig.1 Geologic map showing tectonic subdivision of the North China Craton (a, after Zhao et al.[10]) and simplified geological map of the Luxi area (b, after Wan et al.[11]) (SHMB = siliceous high-Mg basalt)SHMB–硅質(zhì)高鎂玄武巖。

2 分析方法

巖石樣品在人工碎樣至 80～100目后通過(guò)常規(guī)重力和電磁方法進(jìn)行鋯石的初步分選, 然后在雙目鏡下挑選出晶型和透明度較好的鋯石顆粒。將挑選出的鋯石顆粒置于無(wú)色透明的環(huán)氧樹(shù)脂上, 經(jīng)打磨、拋光使鋯石完全暴露, 制成鋯石靶用于U-Pb 定年和Lu-Hf同位素分析。對(duì)待分析的鋯石靶分別進(jìn)行顯微鏡下透、反射光照相和陰極發(fā)光(CL)成相,選擇測(cè)點(diǎn)時(shí)對(duì)比 CL圖與鏡下鋯石照片盡量減少由鋯石顆粒裂隙及包裹體等帶來(lái)的分析誤差。陰極發(fā)光(CL)在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過(guò) EMPA-JXA-8100電子探針完成。

圖2 山東沂水地區(qū)地質(zhì)略圖(據(jù)沈其韓等[24])Fig.2 Geological sketch map of the Yishui area (revised after Shen et al.[24])

樣品 08YS-50的鋯石 U-Pb定年及 Lu-Hf同位素測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成。U-Pb同位素分析使用Agilent公司7500a型ICP-MS進(jìn)行測(cè)試, Lu-Hf同位素測(cè)試使用德國(guó)Finnigan公司制造的 Neptune型多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS), 加載德國(guó)Lamda Physik公司制造的Geolas193nm準(zhǔn)分子激光取樣系統(tǒng)。Lu-Hf同位素分析所用儀器為配有193 nm激光取樣系統(tǒng)的Neptune多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-MC-ICPMS),激光束斑直徑為63 μm, 激光剝蝕時(shí)間為26 s, 所用的激光脈沖速率為 8～10 Hz, 激光脈沖能量為 100 mJ, 測(cè)定時(shí)用鋯石國(guó)際標(biāo)樣 91500作外標(biāo), 實(shí)驗(yàn)中采用He氣作為剝蝕物質(zhì)載氣。詳細(xì)測(cè)試流程以及儀器運(yùn)行條件等參見(jiàn)Wu et al.[37]。

樣品08YS-14和08YS-21的鋯石U-Pb定年和微量元素分析在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成, 儀器采用由美國(guó)Resonetics公司生產(chǎn)的RESOlution M-50激光剝蝕系統(tǒng)(LA)和Agilent 7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)聯(lián)機(jī)結(jié)合的方法。用He作為剝蝕物質(zhì)的載氣, 剝蝕激光束斑直徑31 μm, 頻率為8 Hz, 剝蝕時(shí)間40 s。采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST610進(jìn)行儀器最佳化,使儀器達(dá)到最佳的靈敏度、最小的氧化物產(chǎn)率(CeO/Ce＜3%)和最低的背景值。實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)鋯石TEMORA[38]作為測(cè)年外標(biāo)。相關(guān)分析方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[39]。Lu-Hf同位素分析同樣在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用儀器為 Neptune Plus多吸收 ICP-MS和RESOlution M-50激光剝蝕系統(tǒng), 剝蝕位置為先前進(jìn)行過(guò)U-Pb年齡測(cè)試過(guò)的點(diǎn)位, 個(gè)別點(diǎn)位由于鋯石顆粒大小等問(wèn)題導(dǎo)致剝蝕量不夠的則選擇在附近的但鋯石結(jié)構(gòu)相同的部位進(jìn)行以保證接近原位分析結(jié)果。激光參數(shù)斑束45 μm, 重復(fù)率8 Hz, 能量80 mJ,以He作為載氣并加入少量氮?dú)狻悠氛Ｐ盘?hào)分析包括30 s的空白氣體收集和30 s的激光剝蝕。積分時(shí)間為0.131 s, 約有200個(gè)周期數(shù)據(jù)被收集。利用173Yb和175Lu進(jìn)行糾正176Yb和176Lu對(duì)176Hf干擾。176Hf/177Hf用質(zhì)量偏差校正指數(shù)定律標(biāo)準(zhǔn)化為179Hf/177Hf = 0.7325[37]。Penglai鋯石作為標(biāo)樣用于測(cè)試中。

鋯石U-Pb數(shù)據(jù)處理通過(guò)ICPMSDataCal軟件完成。U-Pb年齡計(jì)算中U的衰變常數(shù)引自Steiger et al.[40], 一致曲線圖繪制和加權(quán)平均年齡計(jì)算采用Isoplot/Ex_ver3[41]軟件。單個(gè)測(cè)點(diǎn)誤差為1 σ, 加權(quán)平均年齡數(shù)據(jù)置信度達(dá)95%。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年齡

九層嶺混合巖(08YS-50)樣品的鋯石多呈灰色自形的柱狀-短柱狀, 粒徑 100～300 μm, CL圖上多可見(jiàn)明顯的震蕩環(huán)帶。所挑選進(jìn)行測(cè)定的20顆鋯石Th、U 含量分別為 55～45 μg/g 和 187～847 μg/g, Th/U比值均大于0.1 (0.10～0.55) (表1), 具有巖漿成因鋯石特征。所有20個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)都位于諧和線上, 且有寬的207Pb/206Pb年齡變化范圍(2556～2695 Ma), 4個(gè)較為集中的年輕點(diǎn)給出平均年齡為(2558±9) Ma(MSWD = 0.09), 代表混合巖化作用的時(shí)間。同時(shí), 3個(gè)年老的點(diǎn)也相對(duì)集中, 給出了(2693±11) Ma(MSWD = 0.15)的平均年齡結(jié)果, 指示先前早期的熔融事件; 而中間連續(xù)的年齡序列(2577～2668 Ma)可能為多次部分熔融的記錄。另外兩個(gè)明顯老的2817 Ma和2868 Ma年齡可能為繼承年齡(圖3a和3b)。

采自大山的混合巖(08YS-14和08YS-21)鋯石樣品呈暗色的自形-半自形短柱狀-柱狀, 晶棱渾圓,粒徑100～200 μm。部分顆粒發(fā)育很窄的增生邊, 內(nèi)部大多發(fā)育密集-寬緩的環(huán)帶結(jié)構(gòu)。2個(gè)樣品的鋯石均具有較大變化的Th和U含量, 其中08YS-14 Th為 123～8816 μg/g, U 為 283～5735 μg/g, Th/U 比值0.12～2.36; 08YS-21 Th 為 73～64610 μg/g, U 為361～2398 μg/g, Th/U 比值 0.07～33 (表 1)。兩者的內(nèi)部震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)及高的 Th/U (絕大部分高于 0.1)說(shuō)明鋯石為深熔巖漿成因。剔除不諧和測(cè)點(diǎn)(諧和度小于90%), 兩個(gè)樣品分別選取了23和22個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行U-Pb年齡分析。他們都顯示不同程度的Pb丟失或獲得而偏離一致曲線, 但都形成很好的不一致曲線。其中樣品 08YS-14除 3個(gè)繼承鋯石顯示207Pb/206Pb年齡2528 Ma、2562 Ma和2687 Ma外, 其余20個(gè)得到(2475±14) Ma (MSWD = 0.65)的上交點(diǎn)年齡(圖 3c); 08YS-21只有 1個(gè)較大年齡 2589 Ma,剩余21個(gè)則有與08YS-14極為一致的(2474±14) Ma(MSWD = 0.85) 的上交點(diǎn)年齡(圖3e), 代表了混合巖化作用的時(shí)間。

3.2 鋯石Hf同位素

對(duì)九層嶺混合巖(08YS-50)進(jìn)行了 U-Pb年齡測(cè)定的鋯石做Lu-Hf同位素的原位分析(表2)。所得結(jié)果, 除 2個(gè)測(cè)點(diǎn)(08YS-50-05和 08YS-50-15)可能由于獲取了不同時(shí)代的樣本(部分鋯石內(nèi)部有不同結(jié)構(gòu), 且數(shù)據(jù)結(jié)果的176Hf/177Hf比值及誤差并未明顯偏大)導(dǎo)致出現(xiàn)的異常值(明顯大于同時(shí)期虧損地幔演化值即位于DM以上區(qū)域)外,176Hf/177Hf初始值為0.281172～0.281260, εHf(t) = +2.42～+5.46 (t為207Pb/206Pb年齡); 在圖4中, 它們都大致落于同一平均地殼演化線(176Lu/177Hf = 0.015)趨勢(shì)上, 且具有相同的同時(shí)較窄范圍的二階段模式年齡 tDM2(Hf) = 2.80～2.93 Ga。

對(duì)大山的樣品, 我們對(duì)已完成 U-Pb測(cè)年中的23個(gè)(08YS-14)和 21個(gè)(08YS-21)鋯石進(jìn)行了 Hf同位素測(cè)定。除個(gè)別點(diǎn)(08YS-14-02、06、07)明顯存在偏差(其原因可能同九層嶺樣品)外, 2個(gè)樣品176Hf/177Hf初始值整體地都有較大的范圍(0.281125～0.281427),

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εHf(t)總體為–2.7～ +8.0 (表 2), 對(duì)應(yīng)的二階段模式年齡 tDM2= 2.49～3.15 Ga。2個(gè)具 εHf(t)值與同時(shí)期 DM演化值接近的點(diǎn), 單階段模式年齡 tDM1=2.48 Ga和2.50 Ga, 這與它們的U-Pb年齡結(jié)果極為接近。

圖3 鋯石U-Pb諧和圖Fig.3 U-Pb concordia diagrams for zircons

3.3 鋯石微量元素(大山混合巖)

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由圖 5a和5b及表3可見(jiàn), 它們均顯示HREE的中度富集和LREE的不同程度的虧損, (La/Yb)N分別為 0.0001～0.2109 和 0.0003～0.7127; 以及中等-強(qiáng)的 Ce正異常(δCe 變化于 1.0～109之間)與強(qiáng)烈的 Eu負(fù)異常(δEu變化于0.07～0.43之間, 遠(yuǎn)小于1), 顯示巖漿鋯石與熱液鋯石過(guò)渡的特征。并且在(Sm/La)N-La與δCe-(Sm/La)N等圖解(圖6a和6b)中, 2個(gè)樣品的分析結(jié)果也同樣分布于巖漿鋯石與熱液鋯石的過(guò)渡區(qū)域, 暗示巖漿和熱液過(guò)渡性質(zhì)。然而, 近年來(lái)的研究顯示, 巖漿和熱液鋯石的稀土特征主要取決于巖漿源區(qū)和熱液的性質(zhì)[44–45], 而且進(jìn)一步的鋯石Ti含量溫度計(jì)算顯示(絕大部分大于600 ℃; 表3), 所有鋯石都顯示出巖漿結(jié)晶的溫度, 明顯高于熱液作用的特征(＜ 500 ℃)[44]。事實(shí)上, 部分顯示巖漿型稀土特征的鋯石與熱液型的鋯石都具有一致的上交點(diǎn)年齡(圖3c和3e), 也暗示其鋯石的年齡代表的是深熔作用的信息, 其微量元素和同位素體系并未受到熱液作用的明顯改造。

圖4 沂水混合巖鋯石U-Pb年齡與εHf(t)關(guān)系圖Fig.4 Age versus εHf(t) diagram for zircons from the Yishui migmatites

圖6 沂水地區(qū)大山混合巖鋯石(Sm/La)N-La(μg/g) (a)與δCe-(Sm/La)N相關(guān)圖(b) (底圖據(jù)文獻(xiàn)[42])Fig.6 (Sm/La)N versus La (a) and δCe versus (Sm/La)N (b) plots for zircons from the Dashan migmatites in the Yishui area(underdrawings after citation [42])

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4 討 論

4.1 U-Pb年代學(xué)意義

4.1.1 九層嶺混合巖

樣品 08YS-50的鋯石 2556～2695 Ma序列中較老的 3個(gè)和最年輕的 4個(gè)測(cè)點(diǎn)分布相對(duì)集中, 加權(quán)平均年齡計(jì)算得到 2個(gè)年齡結(jié)果(2693±11) Ma(MSWD = 0.15)和(2558±9) Ma (MSWD = 0.09), 結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景, 我們認(rèn)為能夠反映該區(qū)巖漿作用演化信息[46]。

(2693±11) Ma (MSWD = 0.15) 代表早期一次部分熔融事件的時(shí)間, 理由是: (1) 約2.7 Ga是在全球范圍內(nèi)可對(duì)比的重要構(gòu)造熱事件, 而Wan et al.[22]也揭示了魯西地區(qū)2.75～2.70 Ga的地殼增生及新生地殼改造事件, 考慮誤差范圍(2693±11) Ma與這一年齡相一致; (2) 趙子然等[47]在沂水雜巖變質(zhì)碎屑鋯石中得到了(2695±32) Ma的上交點(diǎn)年齡; (3) 最老的 3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)較集中, 并且所測(cè)鋯石中有的具有規(guī)則的晶型、十分發(fā)育的震蕩環(huán)帶以及高Th/U比值(0.26～0.54)等明顯是巖漿鋯石的特征(區(qū)別于2558 Ma的深熔鋯石), 代表了區(qū)域上一次重要巖漿事件的記錄。

(2558±9) Ma (MSWD = 0.09) 約 2.5 Ga代表的是魯西地區(qū)一次強(qiáng)烈的巖漿作用活動(dòng)。這與沂水地區(qū)巖漿熱作用事件記錄相一致(如: (2545±10) Ma、(2562±14) Ma[21]; (2532±9) Ma、(2538±6) Ma[48];(2543±8) Ma[20]), 說(shuō)明九層嶺混合巖是同一時(shí)期的產(chǎn)物。4顆最年輕鋯石數(shù)據(jù)相對(duì)集中, Th/U比值稍大于 0.1 (0.10～0.26)且具有較規(guī)則外形和可見(jiàn)的巖漿環(huán)帶表明其深熔鋯石成因[6,49]。因此, (2558±9) Ma代表最近的混合巖化作用的時(shí)間。

對(duì)于中間高度諧和且連續(xù)的年齡(2577～2668 Ma),可能記錄了 2693～2558 Ma兩期重熔事件也遭受復(fù)雜的變質(zhì)深熔作用的影響。由于混合巖化作用發(fā)生于深部地殼, 因而具有較長(zhǎng)可達(dá)30 Ma的持續(xù)時(shí)間[50], 九層嶺混合巖鋯石 140 Ma時(shí)間延續(xù)記錄表明曾經(jīng)歷了多期次的熱事件影響。沂水地區(qū)同樣的記錄也有見(jiàn)報(bào)道[36], 說(shuō)明多期次巖漿作用事件在該區(qū)域發(fā)生的普遍性。

關(guān)于沂水地區(qū)最老的巖漿作用, 沈其韓等[24]曾認(rèn)為以馬山巖體為代表時(shí)代在 2706 Ma; 近年新的鋯石U-Pb定年結(jié)果為新太古代晚期2562 Ma[51]。然而最近, 趙子然等[52]在沂水青龍峪的基性(超基性)巖捕獲鋯石中獲得了 2657～2702 Ma的巖漿結(jié)晶年齡和2551～2585 Ma的新生變質(zhì)年齡, 九層嶺混合巖鋯石中2693 Ma和2558 Ma的年齡記錄與這兩次事件可對(duì)比, 表明沂水地區(qū)也存在2.7 Ga的巖漿作用事件并遭受了2.5 Ga熱事件的影響改造。

4.1.2 大山混合巖

大山混合巖鋯石具較高的 Th/U比值(大部分大于 0.5, 整體大于 0.1) (表 1), HREE的強(qiáng)烈富集和LREE的中度-強(qiáng)烈虧損, 以及中等-強(qiáng)的 Ce正異常與強(qiáng)烈的Eu負(fù)異常的巖漿-熱液鋯石的REE分布特征[6,53]及相對(duì)集中的U-Pb年齡測(cè)定結(jié)果(圖3d和3f),表明原巖遭受混合巖化作用較強(qiáng), 變質(zhì)深熔熔體中有新生巖漿鋯石的生成。從而兩個(gè)樣品所測(cè)得的一致的結(jié)果(2475±14) Ma (MSWD = 0.65)應(yīng)記錄的是深熔熔體的結(jié)晶年齡, 也即混合巖化作用的年齡。事實(shí)上, 區(qū)域上該時(shí)期的巖漿活動(dòng)最近已經(jīng)被陸續(xù)揭露出來(lái), 如: Wan et al.[11]根據(jù)巖漿基底出露的構(gòu)造時(shí)空展布對(duì)該區(qū)的劃分總結(jié), 有少量((2480±7) Ma和(2481±17) Ma[14])分布于北東部 A帶; 最近 Peng et al.[23]也報(bào)道了魯西地區(qū)夏家莊高 Ba-Sr花崗巖侵入時(shí)間為(2469±12) Ma。因此, 約2.48 Ga的巖漿事件在魯西花崗綠巖區(qū)是一次重要構(gòu)造熱事件。實(shí)際上,Wang et al.[54]在對(duì)東部地塊膠北地區(qū)研究中得到TTG片麻巖中(2488±9) Ma的變質(zhì)深熔時(shí)間及基性巖中(2484±7) Ma的巖漿結(jié)晶時(shí)間, 并提出新太古代晚期東部地塊作為統(tǒng)一單元經(jīng)歷了2.49～2.48 Ga普遍的地殼新生與再造的巖漿構(gòu)造作用。我們的分析結(jié)果也從魯西地區(qū)進(jìn)一步提供了支持。

4.2 巖漿源區(qū)示蹤

4.2.1 九層嶺混合巖

由于鋯石在結(jié)晶時(shí)繼承寄主巖漿 Hf同位素組成[7,55–57], 并且具有很高的甚至大于 U-Pb體系的對(duì)Lu-Hf體系封閉溫度[7,58], 因而即使經(jīng)歷高級(jí)變質(zhì)作用如麻粒巖相仍能反映巖漿源區(qū)的Hf同位素特征[7](根據(jù)衰變?cè)碛?jì)算的初始組成εHf(t)值)。同時(shí)鋯石又具有很高的U-Pb體系封閉溫度[59–60](≥850 )℃而在巖漿作用早期就結(jié)晶出來(lái), 因而鋯石的Hf同位素組成是其原巖的同位素組成特征的反應(yīng)[7–8]。

九層嶺混合巖(08YS-50)鋯石 εHf(t)較高的正值(+2.42～ +5.46)指示來(lái)自新生基性地殼的重熔[61]。如圖4所示, 2556～2695 Ma鋯石的初始Hf同位素組成呈線性分布且遵從平均地殼組成(176Lu/177Hf =0.015)的演化趨勢(shì), 反映在二階段模式年齡上則分布于較集中范圍(2.80～2.93 Ga)內(nèi), 說(shuō)明供應(yīng)源區(qū)地殼物質(zhì)組成的單一性。對(duì)于兩個(gè)2817 Ma和2868 Ma的鋯石, 雖然它們確切的Hf同位素信息可能由于實(shí)驗(yàn)誤差未能獲得, 但207Pb/206Pb年齡與地殼增生時(shí)間 2.8～2.9 Ga吻合, 并且考慮九層嶺混合巖鋯石所指示 Lu-Hf體系未受明顯外來(lái)物質(zhì)的貢獻(xiàn), 它們很可能是形成于2.80～2.93 Ga新生地殼經(jīng)過(guò)極短停留時(shí)間即發(fā)生的重熔, 因?yàn)橹苯觼?lái)自地幔的熔體由于Zr不飽和很難形成鋯石[57]。另外, 目前發(fā)表的大量花崗質(zhì)巖石的鋯石 εHf(t)值變化較大, 絕大部分大于2個(gè)ε單位, 暗示花崗巖類(lèi)形成與侵位過(guò)程中就同位素體系而言受混合或混染作用影響的普遍性(巖漿在上升過(guò)程中與圍巖發(fā)生混染, 能使得圍巖組分進(jìn)入巖漿而導(dǎo)致巖漿演化期間的 Hf同位素變化[62]);而若大致以0.06 Ga模式年齡對(duì)應(yīng)1個(gè)ε單位, 則每一時(shí)間片段(0.13 Ga)內(nèi)即變化為約2個(gè)ε單位。由此我們認(rèn)為九層嶺混合巖從原巖的形成到其后2556～2695 Ma間發(fā)生的多期次部分熔融可能未做長(zhǎng)距離上侵, 僅就位于中深地殼部位而形成封閉環(huán)境[63]。由以上鋯石年齡與Hf同位素記錄, 九層嶺混合巖自起源的新生地殼形成與隨即的重熔(2.8～2.9 Ga),經(jīng)歷2.7 Ga ((2693±11) Ma)與2.5 Ga ((2558±9) Ma)兩期區(qū)域性的強(qiáng)烈?guī)r漿事件(及其間的多次重熔)在達(dá)300 Ma的地質(zhì)歷史保持了體系的封閉性而整體遵從單一系統(tǒng)的演化分異[8]。

4.2.2 大山混合巖

明顯不同于前者, 大山混合巖(08YS-14和08YS-21)鋯石εHf(t)值變化很大, 從–2.7到+8.0 (t = 2474 Ma和2475 Ma, 剔除3個(gè)異常高值), 二階段模式年齡tDM2= 2.49～3.15 Ga, 可能指示巖漿源區(qū)組成的復(fù)雜性, 涉及新生地殼及古老地殼物質(zhì)[9,53]。最近, Tang et al.[64]提出地殼重熔中熔體與原巖(鋯石)的同位素不平衡(鋯石的低溶解度及熔體快速分離)造成深熔花崗巖中Hf同位素分異較大的機(jī)制。而大山混合巖樣品中3個(gè)繼承鋯石具有不同的U-Pb年齡(2528 Ma、2589 Ma和2687 Ma)與較大差異的 εHf(t)值(對(duì)應(yīng)于二階段模式年齡2.68 Ga、2.81 Ga和2.99 Ga), 表明深熔源區(qū)的物質(zhì)組成并非單一。在混合巖化作用過(guò)程中, 深熔鋯石的Hf同位素更多受控于鄰近原巖中鋯石, 因新生鋯石的結(jié)晶與繼承鋯石的(部分)溶解作用間隔較短以及Zr在熔體中的低擴(kuò)散率從而阻止了同位素的均一化過(guò)程, 進(jìn)而同位素信息得以在老的與新的鋯石間傳遞[65]。因此, 大山混合巖的深熔鋯石 Hf同位素組成的較大變化性是其原巖富含的鋯石復(fù)雜組成(保存不同的 U-Pb結(jié)晶年齡、顯示不同tDM2信息的εHf(t)值)的反映。

由圖4, 鋯石εHf(t)絕大部分位于虧損地幔(DM)和球粒隕石(CHUR)演化線之間, 說(shuō)明大山混合巖形成中巖漿源區(qū)新生地殼物質(zhì)或者未受明顯再造的深部地殼物質(zhì)占很大比例。2個(gè)具高εHf(t)值的點(diǎn)位于和靠近 DM 演化線, 相應(yīng)的單階段模式年齡 tDM1=2.48 Ga和2.50 Ga, 與U-Pb年齡2475 Ma的結(jié)果極為接近, 說(shuō)明有來(lái)源于虧損地幔物質(zhì)的參與[9]。同時(shí),由于地幔部分熔融只能產(chǎn)生玄武質(zhì)至多到安山質(zhì)熔體[57], 而基性玄武質(zhì)巖漿混合(混染)地殼熔體只能生成中間組分的(花崗)閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿[66], 所以混合巖(08YS-14和08YS-21)的花崗質(zhì)原巖應(yīng)是虧損地幔熔體底侵于下地殼經(jīng)過(guò)極短的停留時(shí)間發(fā)生重熔的產(chǎn)物[67], 重熔中形成的熔體與圍巖古老地殼物質(zhì)混染或者熔融源區(qū)中有古老地殼物質(zhì)的參與?？紤]深熔鋯石記錄的tDM2= 2.49～3.15 Ga, 而繼承鋯石tDM2=2.68～2.99 Ga均具有較大變化, 我們認(rèn)為大山混合巖鋯石記錄的 Hf同位素組成變化不只是初始熔融源區(qū)中新生地幔物質(zhì)(約2.5 Ga)與古老地殼物質(zhì)(約3.1 Ga)兩端元混合均一化過(guò)程的結(jié)果, 其源區(qū)組成中可能也有約2.6 Ga至約2.9 Ga的地殼物質(zhì)的參與(如九層嶺混合巖所揭示2.80～2.93 Ga增生地殼的循環(huán))。總之, 大山混合巖是約2.48 Ga的基性地幔物質(zhì)底侵作用下促使涉及有不同的新生及古老物質(zhì)復(fù)合的源區(qū)重熔而形成。

4.3 構(gòu)造意義

圖7和表2結(jié)果顯示, 研究區(qū)鋯石Hf二階段模式年齡峰值為2.8～2.9 Ga, 這與東部陸塊2.8 Ga顯著的地殼增生事件年齡相一致(由全巖Nd同位素二階段模式年齡揭示, 另一幕為約3.4 Ga[68]), 表示沂水地區(qū)曾發(fā)生2.8～2.9 Ga的重要的殼-幔分異事件。而Wu et al.[36]針對(duì)沂水地區(qū)表殼巖及變質(zhì)侵入巖中的鋯石 Hf分析獲得二階段模式年齡峰值為 2.7～2.8 Ga, 然而缺乏2.84～2.90 Ga間的數(shù)據(jù)。前人研究如Wan et al.[22]據(jù)魯西泰山地區(qū)3.51～2.92 Ga鋯石Hf模式年齡的記錄及3.6 Ga的繼承鋯石年齡推測(cè)可能有大于3.0 Ga的深藏于地殼下部的古老基底巖石。因此, 針對(duì)以上不同的結(jié)果, 我們認(rèn)為是沂水地區(qū)可能存在位于深部地殼孤立體系的2.8 Ga基底及演化地體的反映。首先九層嶺混合巖鋯石記錄了寄主巖漿巖體Lu-Hf體系均一且單一性演化代表的封閉系統(tǒng); 其次, 以上鋯石Hf揭示的明顯不同的殼幔分離時(shí)間(2.8～2.9 Ga 和 2.7～2.8 Ga)同樣暗示 2.8～2.9 Ga的新生及其演化地殼物質(zhì)主要賦存于地殼深部而并未明顯出露淺部地表剝蝕; 而且沂水是魯西麻粒巖相變質(zhì)發(fā)育的主要地區(qū)而不同于該花崗綠巖區(qū)的其他地區(qū)[51,69], 而麻粒巖相變質(zhì)作用的廣泛發(fā)育指示存在穩(wěn)定的下地殼[70]。穩(wěn)定的獨(dú)立封閉環(huán)境使得地質(zhì)體(九層嶺混合巖)經(jīng)歷并且保存了沂水及至魯西地區(qū)3期重要的地質(zhì)事件: 2.8～2.9 Ga的虧損地幔熔體底侵事件(模式年齡, 新生地殼意義[7]); 約 2.7 Ga在華北克拉通“被抹去了的”具全球意義的重要巖漿作用[11,22]; 及約2.5 Ga華北克拉通有別于其他各大典型太古宙地區(qū)的強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)[11,20,22,23,71,72]。相比于2.5 Ga熱事件對(duì)魯西其他地區(qū)的強(qiáng)烈改造, 如果這一結(jié)果對(duì)應(yīng)的是沂水地區(qū)影響有限的話(對(duì)九層嶺混合巖(2693±11) Ma熔融事件的不徹底改造),則加之2個(gè)2817 Ma和2868 Ma鋯石的存在, 更進(jìn)一步暗示了古老基底(約2.8 Ga)殘存的可能性。同時(shí),可能位于板片俯沖方向(南西-北東向[11])后方較穩(wěn)定的背景環(huán)境, 不同時(shí)間(2.48～2.99 Ga, 大山混合巖Hf模式年齡)從虧損地幔分離出的地殼物質(zhì)囤積于下地殼(較正的 εHf(t)值暗示較少的循環(huán)再造); 由于約2.54 Ga俯沖作用由低角度(平緩)轉(zhuǎn)為高角度[20,71]地幔物質(zhì)上涌對(duì)該地區(qū)的影響作用加大, 約2.48 Ga的構(gòu)造熱事件促使這一多個(gè)時(shí)代形成的地殼物質(zhì)復(fù)合源區(qū)發(fā)生的深熔導(dǎo)致大山混合巖的形成, 其中并有對(duì)古老地殼(3.15 Ga, 08YS-21)的再造。

圖7 沂水混合巖鋯石Hf二階段模式年齡分布圖Fig.7 Distribution of tDM2(Hf) model ages of the zircons from the migmatites in the Yishui area

感謝張德圣博士在野外考察和樣品收集方面的幫助。本研究也得到了中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所高劍峰百人計(jì)劃項(xiàng)目的資助, 在此表示感謝。此外,也要感謝審稿老師和編輯部老師的建設(shè)性意見(jiàn)對(duì)文章的改進(jìn)。

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