河南登封地區(qū)古元古代燕山石英巖碎屑鋯石u-pb年代學和hf同位素研究

河南登封地區(qū)古元古代燕山石英巖碎屑鋯石u-pb年代學和hf同位素研究

鋯具有較強的抗候性和抗干擾性，不僅能獲得單帶鋯的形成年齡，還能提供主巖石源區(qū)hf指數(shù)的相關(guān)信息。因此，利用u-pb-hf碎屑性勘探技術(shù)在研究沉積相法、沉積物時代和區(qū)域巖漿事件方面具有無法比較的優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外研究的熱點之一[1.8]。由于上述技術(shù)路線需要大量測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計研究,因此需求一種快速、低成本,高精度,可提供多種原位信息的分析方法.激光剝蝕等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)和多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)分析技術(shù)有機地結(jié)合解決了這一難題,這一分析方法對于研究不同成因的碎屑鋯石或同一鋯石中不同成分域的成因提供了有力的方法支持.石英巖是元古宙沉積巖中重要的巖石類型,其碎屑物質(zhì)來源及成因是其研究的關(guān)鍵.本文報道了華北克拉通南緣登封地區(qū)古元古代嵩山石英巖中碎屑鋯石的定年結(jié)果及Hf同位素組成,并探討碎屑沉積物的形成及華北克拉通太古宙地殼演化歷史.1巖石學特征張伯聲根據(jù)在登封縣東北發(fā)現(xiàn)太古宙登封群與元古宙嵩山群,元古宙五指嶺片巖與震旦系之間呈角度不整合(圖1),分別將兩個不整合命名為“嵩陽運動(五臺運動)”和“中條運動”.嵩山群西起鞍坡山,東至密縣助泉寺,構(gòu)成嵩山主體群峰.嵩山群主要由下部的嵩山石英巖和上部的五指嶺片巖組成,為一套淺海-濱海相的陸源碎屑-碳酸鹽巖沉積巖系.變沉積巖中廣泛地保留原始的沉積構(gòu)造,如交錯層和斜層理等.巖石經(jīng)歷了較強的褶皺變形,形成一系列倒轉(zhuǎn)褶皺,變質(zhì)程度較低,屬綠片巖相.馬杏垣等人認為嵩山群是在一個動蕩的環(huán)境中沉積的,其特征是沉積旋和沉積韻律極為發(fā)育,反映在沉積過程中地殼相對活動與相對穩(wěn)定不斷地交替.后期經(jīng)歷了多期的變質(zhì)變形,且多次構(gòu)造形變迭加.樣品DF07-06采自登封市君召縣擋陽山地區(qū),GPS位置為:N34°27′05.9″,E112°53′34.5″.擋陽山山體由石英巖組成,山峰巍峨高聳.嵩山石英巖不整合地覆蓋在登封群片麻巖之上(圖1).石英巖呈灰白色,細粒,致密厚層狀,常為次生石英脈貫穿.有些層位含有鐵質(zhì)斑點,風化后呈褐黃色.從6kg的石英巖樣品中分離出約500粒鋯石,鋯石大小不等,多呈渾圓狀,說明遭受強烈的磨蝕;但也有少量晶形較好的碎屑鋯石存在,表明部分碎屑物質(zhì)源區(qū)較近.大部分鋯石顆粒以無色,淡棕色為主,粒徑可達200μm.陰極發(fā)光(CL)圖像顯示(圖2),大部分鋯石具有明顯的密集振蕩環(huán)帶,表明鋯石為巖漿成因;少部分鋯石沒有明顯的振蕩環(huán)帶,極少數(shù)鋯石具有核幔邊結(jié)構(gòu),可見窄的變質(zhì)增生邊,但是由于寬度太窄,難以進行分析.2la-icp-ms數(shù)據(jù)采集和分析方法本文涉及的所有測試分析均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成.將人工重砂分離出的鋯石顆粒用環(huán)氧樹脂固定并拋光,使顆粒露出核部.樣品在測定之前用體積百分比為3%的HNO3清洗樣品表面,以除去樣品表面的污染.然后進行透射光和反射光照相,并在英國Gatan公司生產(chǎn)的MonoCL3+陰極發(fā)光裝置系統(tǒng)上進行陰極發(fā)光(CL)照相.鋯石定年工作所用的ICP-MS為Agilient公司最新一代帶有ShieldTorch的Agilient7500a.鋯石原位Lu-Hf同位素測定采用NuPlasmaHR(Wrexham,UK)多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀完成(MC-ICP-MS).采用的激光剝蝕系統(tǒng)為德國MicroLas公司生產(chǎn)的GeoLas200M,該系統(tǒng)由德國LambdaPhysik公司的ComPex102Excimer激光器(工作物質(zhì)ArF,波長193nm)與MicroLas公司的光學系統(tǒng)組成.鋯石原位Lu-Hf同位素分析與鋯石U-Pb定年及微量元素分析的ICP-MS使用同一臺激光剝蝕系統(tǒng),對樣品進行一次性剝蝕完成,分別由ICP-MS與MC-ICP-MS兩臺儀器同時采集各自的信號,詳見參考文獻.激光剝蝕以氦氣作為剝蝕物質(zhì)的載氣,斑束直徑為44μm,頻率為10Hz,激光能量為90mJ,每個分析點的氣體背景采集時間為30s,信號采集時間為40s.LA-ICP-MS激光剝蝕采樣方式為單點剝蝕.數(shù)據(jù)分析前用美國國家標準技術(shù)研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標準參考物質(zhì)NIST610進行儀器的最佳化,使儀器達到最大的靈敏度、最小的氧化物產(chǎn)率(ThO+/Th+<2%)和最低的背景值.ICP-MS數(shù)據(jù)采集選用一個質(zhì)量峰采集一點的跳峰方式.每測定5個樣品點,測定一個鋯石91500和一個NIST610.數(shù)據(jù)處理采用GLITTER(ver4.0)程序,年齡計算以標準鋯石91500為外標進行同位素比值分餾校正;元素濃度計算采用NIST610作外標,Si作內(nèi)標.鋯石諧和圖用Isoplot程序(ver3.0)獲得.樣品分析過程中,91500標樣的分析結(jié)果為(1064.1±3.2)Ma(n=16,2σ),GJ-1標樣的分析結(jié)果為(603.1±3.0)Ma(n=14,2σ),與對應(yīng)的年齡推薦值((1062.4±0.6)Ma(2σ),(608.53±0.37)Ma(2σ))在誤差范圍內(nèi)完全一致.鋯石原位Lu-Hf同位素測定用176Lu/175Lu=0.02669和176Yb/172Yb=0.5886進行同量異位干擾校正計算測定樣品的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值.在樣品測定期間,對標準參考物質(zhì)91500和GJ-1進行分析,一方面進行儀器狀態(tài)監(jiān)控,另一方面以此來對樣品進行校正.分析獲得標準鋯石91500的176Hf/177Hf=0.282295±0.000027(n=14,2σ),GJ-1的176Hf/177Hf=0.282734±0.000015(n=16,2σ),分別與推薦值0.2823075±58(2σ)和0.282015±0.000019(2σ)吻合的很好.εHf的計算采用176Lu衰變常數(shù)為1.865×10-11a,球粒隕石現(xiàn)今的176Hf/177Hf=0.282772,176Lu/177Hf=0.0332;Hf虧損地幔模式年齡(TDM1)的計算采用現(xiàn)今的虧損地幔176Hf/177Hf=0.28325和176Lu/177Hf=0.0384.Hf同位素單階段模式年齡TDM以虧損地幔為參考計算.被測鋯石的數(shù)量優(yōu)選是利用碎屑鋯石研究地質(zhì)事件的關(guān)鍵[25~27],按照Dodson等人的建議,如果某一類鋯石占鋯石總量的5%,那么隨機地分析60粒鋯石,找到它們的幾率應(yīng)有95%.但是,Vermeesch提出Dodson的計算可能有誤,從而提出至少需要分析117粒鋯石才能滿足統(tǒng)計學的要求.Anderson認為Vermeesch計算的假設(shè)前提可能過于理想化,在實際工作中,可以將碎屑鋯石的分析分為隨機分析和非隨機分析,對于隨機分析需要35~70粒或更多的鋯石,然后選擇性地對感興趣的鋯石進行微量元素以及U-Pb-Hf分析.此次測試研究以Anderson的建議為基本準則.古老鋯石(>1000Ma)多存在著一定程度的鉛丟失.而且207Pb和206Pb在相同的初始條件和共同的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中具有同步變化的特征,兩者保持相對穩(wěn)定的比值.因此采用207Pb/206Pb年齡來代表巖石的成巖年齡更為可靠.同時,結(jié)合206Pb/238U來計算碎屑鋯石的諧和性,剔除206Pb/238U相對于207Pb/206Pb偏差大于(小于)10%的鋯石顆粒.另外,研究表明,如果普通鉛的含量占鋯石鉛含量的1%,會帶來很大的誤差,導致207Pb/206Pb年齡與真實年齡值相差數(shù)百個Ma.即使進行普通Pb的校正,校正又往往具有很大的不確定性和條件限制,因此也剔除了普通鉛較高的鋯石年齡數(shù)據(jù).3分析的結(jié)果3.1測年率和檢出限實驗前測得Ar氣中202Hg的計數(shù)很低(<50cps),與背景相當,所以Ar氣中204Hg對204Pb沒有干擾實驗所測得的204Pb代表了鋯石中普通鉛的含量.在樣品DF07-06中,去除204Pb過高以及206Pb/238U與207Pb/206Pb年齡諧和性大于10%的鋯石顆粒外,共在99粒鋯石上進行了測定,分析數(shù)據(jù)見表1.分析結(jié)果顯示:鋯石中普通鉛的含量除了個別占一定量的比例(0.1%)外,其他鋯石普通鉛含量均小于儀器的檢出限(<0.039μg/g).大多數(shù)鋯石位于207Pb/235U-206Pb/238U諧和圖的諧和線上,或在其附近分布,少數(shù)點沿不一致線分布(圖3).鋯石的207Pb/206Pb年齡介于2.34~3.40Ga之間,對所有碎屑鋯石的207Pb/206Pb測定年齡作頻率分布圖(圖4).從圖中可以看出,有4個年齡峰值,其中2.46~2.70Ga的數(shù)據(jù)構(gòu)成主體,約占所測數(shù)據(jù)的85%左右,2.50Ga年齡構(gòu)成峰值;~3.40Ga(n=9),2.77~2.80Ga(n=3),2.34Ga(n=1)所占的份額較小.大多數(shù)碎屑鋯石的CL圖像大都顯示巖漿結(jié)構(gòu)(圖2),U和Th含量分別為24~575,18~647μg/g,Th/U比值變化范圍為0.2~2.0,上述特征表明,這些鋯石主要來自巖漿巖物源區(qū).而個別碎屑鋯石(如DF-06-54,DF-06-107)無明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu),并具有較低的U(12~22μg/g),Th(9~11μg/g)含量,由于石英巖為流體沉淀后的變質(zhì)產(chǎn)物,其較低的Th,U含量與變質(zhì)流體有關(guān),這可能是由于在堿性環(huán)境,羥基出溶,增強了U,Th的活動性,雖然其具有較大的Th/U值(0.4~0.9),這可能與鋯石結(jié)晶介質(zhì)含量低有關(guān),因此,這些Th,U含量較低的碎屑鋯石可能為變質(zhì)成因的.3.2c組的tdm值85粒鋯石Hf同位素分析結(jié)果見表2.顯示所有鋯石的176Lu/177Hf比值均小于0.002,其值平均為0.0007,表明鋯石在形成后具有極低量的放射成因Hf積累.碎屑鋯石的176Hf/177Hf比值明顯分為兩組,對于3.40Ga的鋯石,其176Hf/177Hf值較低,變化范圍為0.28050~0.28078,反映其可能形成較為古老的物質(zhì)源區(qū),其對應(yīng)的εHf(t)值變化較大,最高可達3.8±1.9,與3400Ma時的虧損地幔的同位素值相近,其單階段模式年齡為3441Ma;最小值至-4.6±1.9,其TDM值相對略高一些(3765Ma);除了這3粒鋯石具有變化較大的εHf(t)外,其余的五粒鋯石的Hf同位素組成與球粒隕石相似,其對應(yīng)的模式年齡基本一致在3.60Ga左右.而對于較年輕的鋯石而言,其176Hf/177Hf比值相對較高,變化范圍為0.28103~0.28144,其εHf(t)值除了個別點為負值外,大多數(shù)都為正值,最高的可達8.3±2.0(圖5),對應(yīng)的TDM值變化范圍為2559~3091Ma,與相對應(yīng)的碎屑鋯石形成年齡相近.4討論和結(jié)論4.1鋯石u-hf同位素組成(ⅰ)3.40Ga的碎屑鋯石.有關(guān)華北克拉通的劃分一直存在很大的爭議,目前存在幾種不同的劃分方案[33~37].近年來,Zhao等人提出一種新的劃分方案受到廣泛關(guān)注.其依據(jù)之一就是華北克拉通Nd同位素的差異性.Nd模式年齡分析表明,東部克拉通Nd模式年齡有兩個明顯的峰值,分別為3.6~3.2和3.0~2.6Ga,而西部陸塊和中部帶的Nd模式年齡峰值分別為3.2~2.4和2.8~2.4Ga.據(jù)此,似乎華北克拉通>3.4Ga的古老地殼物質(zhì)僅在東部陸塊發(fā)育.Wu等人根據(jù)對冀東鉻云母石英巖的鋯石U-Pb定年和Lu-Hf同位素研究,推測華北克拉通最早期的地殼可能形成于4.0Ga年左右,在華北地區(qū)找到更古老的地殼可能性很小.由于鋯石具有極強的穩(wěn)定性使其Hf同位素組成較少受到后期地質(zhì)事件的影響,而極低的Lu含量可以獲得形成時準確的Hf同位素組成.因此鋯石的εHf值可以代表鋯石形成時的Hf同位素組成.碎屑鋯石的Hf同位素組成代表沉積巖源區(qū)物質(zhì)形成時Hf同位素的特征,這使得鋯石成為探討地球早期地殼演化的重要工具.此外,由于地幔物質(zhì)虧損Zr和Hf,且為Si不飽和,如果沒有地殼物質(zhì)的加入,幔源巖漿一般難以結(jié)晶出鋯石.因此鋯石出現(xiàn)一般伴隨有地殼物質(zhì)的加入,因此鋯石的Hf模式年齡TDM代表了鋯石寄主巖石源區(qū)從虧損地幔分離進入地殼的事件.樣品測試點DF07-06-71具有最高εHf(t)值,可達3.8±1.9,Hf單階段模式年齡為3441Ma,與其形成年齡一致,與當時虧損地幔的Hf同位素值組成相似表明其物質(zhì)源區(qū)來自于中太古代的虧損地幔.樣品測試點DF07-06-40和DF07-06-112分別具有較低的負εHf(t)值(-4.6±1.9;-3.4±2.2),且位于3.8Ga地殼平均演化線上,說明其母巖漿很可能是古老地殼物質(zhì)的衍生物.其余的碎屑鋯石(DF07-06-39,DF07-06-13DF07-06-111,DF07-06-96)具有與球粒隕石類似的Hf同位素組成,其Hf單階段模式年齡為3.6Ga,推測這些鋯石的母巖漿可能是古太古代殼幔物質(zhì)共同作用的產(chǎn)物.我們注意到嵩山石英巖中碎屑鋯石的Hf同位素與冀東和鞍山地區(qū)古老巖石中的鋯石具有較強的相似性(圖5).但是,鑒于華北克拉通南緣,華南地區(qū)、北秦嶺構(gòu)造帶及其鄰區(qū)均發(fā)現(xiàn)存在3.6Ga,甚至更為古老的地殼物質(zhì)線索,暫時很難推測嵩山石英巖中發(fā)現(xiàn)的3.42Ga碎屑鋯石的物質(zhì)來源但或許可以說明,華北克拉通甚至更大的區(qū)域、可能曾經(jīng)廣泛發(fā)育過大于3.42Ga的地質(zhì)體.(ⅱ)2.75~2.80Ga的碎屑鋯石.由嵩山石英巖鋯石的207Pb/206Pb年齡頻率分布圖(圖4)可以看出2.75~2.80Ga的碎屑鋯石所占分額較小,這與華北克拉通所出露巖石的U-Pb年齡統(tǒng)計結(jié)果一致2.75~2.80Ga地質(zhì)體在華北克拉通出現(xiàn)雖然相對比較有限,但在諸如阜平,五臺,魯西,河南魯山[54~56]等地區(qū)廣泛發(fā)育,主要為TTG質(zhì)片麻巖,基性火山巖以及少量表殼巖石,因此2.75~2.80Ga也是華北克拉通重要的生長時期.樣品中點DF07-06-80和DF07-06-95具有正εHf(t)值,最高εHf(t)值可達6.1±1.6,接近當時虧損地幔的Hf同位素組成其Hf單階段模式年齡為2.83Ga,與形成年齡相近表明來自從虧損地幔分異出來而未經(jīng)演化的物質(zhì).(ⅲ)~2.50Ga的碎屑鋯石.2.50Ga的年齡約占所測數(shù)據(jù)的85%左右,這與整個華北克拉通的年齡數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果一致.~2.50Ga的巖石記錄在華北克拉通廣泛存在,這些巖石占整個太古代出露基底的85%,主要為TTG質(zhì)片麻巖、殼源花崗巖以及少量的表殼巖石.因此可以認為,~2.50Ga是華北克拉通重要的陸殼增生及克拉通化時期或許也是對更為古老的地質(zhì)體的一期強烈的破壞和再循環(huán)事件,而且2.50Ga不僅是華北克拉通,也是全球克拉通的一期重大地質(zhì)事件.鋯石的Hf同位素資料顯示(圖5),嵩山石英巖中~2.50Ga的碎屑鋯石εHf(t)表現(xiàn)出隨時間變化的特征其斜率與鋯石的演化線一致,表明這些鋯石在后期地質(zhì)歷史中基本保持封閉.~2.50Ga鋯石的εHf(t)大都為正值,最高可達8.3±2.0,相似于當時虧損地幔H同位素組成,