岩浆岩中的原位锆石U-Pb和Lu-Hf同位素系统研究

岩浆岩中的原位锆石U-Pb和Lu-Hf同位素系统：研究Goiás弧（位于巴西中部的巴西利亚地区）的新元古代的地壳岩浆演化关键词：Goiás岩浆弧Hf同位素新元古代锆石地质年代学激光探针等离子质谱（LA-ICP-MS）摘要MaraRosa弧，一个Brasília构造带的重要的组成部分，构成了Goiás岩浆弧北部的部分，它显示了900至600Ma内亚马逊和旧金山克拉通地区碰撞后的样子。新原位锆石U-Pb和通过LA-MC-ICP-MS法从代表性岩浆岩取得的Lu-Hf同位素数据证实了三个在MaraRosa弧内发生的新元古代岩浆事件。从变质岩中提取的锆石产生的916±5Ma结晶年龄的U-Pb具有εHf值阳性显示（+8到+12），从而表明主体岩浆来源于亏损地幔。两个片麻岩的锆石呈现不同的类型：两个样本中地质年代最新的的锆石分别呈现出792±8Ma和811±7Ma两个不同的U-Pb结晶年龄。大量继承锆石（具有中元古代到古元古代的U-Pb年龄）显示：两个样本，负εHf和旧的TDM值，显示了一种对太古代至古元古代地壳中的主要岩浆岩具有重要贡献的成因。后造山期石英闪长岩中具有638±4Ma的结晶年龄，εHf变化值（+1到+8）的锆石显示大量岩浆包含新生的和循环较老的地壳组件。1.前言在过去的十年中，Lu-Hf同位素分析能够通过电感耦合等离子体质谱法（MC-ICP-MS）应用于全部岩石并且通过MC-ICP-MS法激光烧蚀锆石已成为研究地质年代学和同位素的重要工具。（Vervoort和Blichert-Toft，1999；Blichert-Toft和Albarede，1997；Grifn等，2002；Hawkesworth和Kemp，2006；Cocherie和Robert，2008）。锆石由于在其晶体结构中微量元素和稀土元素的含量相当之高而且有强大的抗侵蚀，风化和改造能力，从而广泛使用的同位素和矿物地球化学研究。铪元素，由于其与Zr元素密切的化学亲和力，直接在与浓度在0.5到2wt.％锆石晶体的晶格中取代后者。这种能力使得铪元素比一般的稀土元素更能与锆石兼容，特别是镥元素，从而导致非常低的镥/铪比率（通常小于0.001）。出于这个原因，lu176的放射性衰变不会随着时间显着改变锆石的Hf同位素组成。此外，非常低的铪元素在锆石晶内的扩散速度和Lu-Hf同位素体系的高封闭温度（Cherniak等，1997；Cherniak和Watson，2000）。证明Hf同位素基本上不受后期结晶热力作用的影响，甚至高级变质作用也无所影响。因此，通过从锆石获取的εHf值和铪的TDM年代模型可能有助于推测出岩浆岩的来源和沉积物源（Kinny和Maas，2003；Hawkesworth和Kemp，2006；Wangetal.，2008）。特别是当加上原位U-Pb同位素年代学的数据，通过铪的同位素组成就有可能定位出一个岩浆活动事件，即使被后来的高级变质作用遮盖，依旧可能会提供有关新生地壳增生的相对作用或较老大陆地壳的重新活动的详细信息（Hawkesworth和Kemp，2006；Gerdes和Zeh，2006；Zeh等，2007）。本次的研究探讨了关于新元古代巴西中部巴西利亚地区Goiás岩浆弧带的演化问题，主要利用激光多接收等离子体质谱（LA-（MC）ICP-MS）获得锆石的原位U-Pb和Lu-Hf分析，同时结合了全岩的Sm-Nd同位素分析的实验方法。一些人（Pimentel和Fuck，1992；Pimentel等，1997；Junges等，2002）在进行了地质年代学和同位素的研究中，在MaraRosa弧发现了两大构造岩浆活动，主要位于Goiás岩浆弧北部部分：年代较远的地质事件在约900Ma以前而年代较近的地质事件发生在630Ma以前。通过基础地质，地球化学和同位素数据进行分析，前者已涉及到一个沿旧金山西缘克拉通的海洋火山岛弧结构，后者的主要地质事件则对应由旧金山和亚马逊大陆碰撞引起的巴西利亚造山运动。在这种情境下，630Ma前的MaraRosa岩浆活动被解释为由900Ma前岛弧新生地壳的再循环致使（Pimentel等，2000a）。新测得的U-Pb和Lu-Hf数据同样可以证实这两个岩浆活动的存在，得到的结果与之前的假设是一致的。新测得的数据也证实了一个新的地质事件，它是约800Ma前的以旧地壳物质循环为特征的岩浆活动。新测得的锆石Hf同位素数据表明，即使在一个单一的岩石样本中，TDM值差异很大，这表明了太古代至古元古代地壳主体岩浆的形成，而它并没有被全岩的钕同位素数据确定。这项研究同时还能让人更好地理解旧金山克拉通西缘的演化和西Gondwana融合的时间。2.地质背景研究区位于Tocantins省的中部，是由亚马逊，刚果，旧金山和Paraná克拉通相互作用形成的巴西利亚/泛非造山带。Tocantins省地区主要由由三个褶皱冲断带构成，他们是Araguaia，Brasilia和Paraguay.Tocantins省东部部分主要受巴西利亚构造带的影响，同时占据了旧金山克拉通的西缘（Silva等，2008a）。Goiás岩浆弧带是巴西利亚构造带的重要的组成部分（图一所示），在南北向伸延了约800公里并主要由火山沉积层序和侵入岩构成。它代表了在900到600Ma年前亚马逊和旧金山克拉通地区碰撞时的岩浆反应（Pimentel和Fuck，1992；Pimentel等，1997；Junges等，2002；Silva等，2008b；Laux等，2005；Matteini等，2008；Cordani等，2009）。Goiás岩浆弧带被划分为两部分，南边的部分称作Arenópolis带而北边的部分称作MaraRosa弧。而后者被显著西倾的里奥杜斯博伊斯冲断层限制在东部，MaraRosa弧由三个构造地貌单元组成：（i）三个狭窄的北北东向上的上地壳带（东部，中部和西部地带）主要由变质玄武岩，碎屑变质沉积物（石英岩，石榴石钾长石和云母片岩），以及一些小燧石和滑石片岩。（ii）石英花岗闪长片麻岩是由绿片岩至角闪岩相变质而来（iii）后期造山岩体是由辉长岩，闪长岩和花岗岩岩体所组成。图1研究区地质示意图Tocantins省东部（巴西利亚带）图2MaraRosa弧的简化地质图（Arantes等，1991；Junges等，2002）（研究的样本采集位置已示意）工区上地壳带多由角闪石组成。他们的地球化学特征各不相同，比如弧/弧后德拉斑玄武岩从钙碱性（Palermo，1996；Junges，1998；Kuyumjian，1994a，b）。本区域单元的变质沉积岩为大量的含层间长石的变质杂砂岩Junges等（2002）分辨出了五种不同岩相类型的变质沉积物，其中包括具蓝晶石的角闪石-黑云母片岩，具蓝晶石的石榴石-黑云母片岩，石榴石-十字石-黑云母-白云母片岩，白云母-蓝晶石片岩和石榴石-黑云母片岩。这种火山沉积性的序列通过其地球化学和同位素特征可能反映了一种幼年岛弧环境，比如其正的εNd值，NdDMT年代模型平均值基本在0.8到1.1Ga，具显著的拉斑玄武岩到钙碱性岩地球化学特征（Pimentel等，1996，1997，2000a；Pimentel和Fuck，1992）。石英-花岗闪长片麻岩是主要显示是铝质，并呈现钙质到钙碱性地球化学特征。Pimentel等（1997）从石英闪长岩样本提取的锆石样品856+13/-7的U-PbTIMS年龄。它们的NdDMT年代模型平均值基本在0.81到1.3Ga（Junges等，2002），这表明原始岩浆的显著新生性。晚期碰撞后为辉长岩，闪长岩和花岗岩体侵入变质沉积物和变质火成岩。Pimentel等（1997）从一同时期构造闪长岩墙得到630±6Ma的U-PbTIMS锆石年龄。花岗套房由于其轻微过铝质的特性形成较大规模。它们的NdTDM年代模型平均值基本在1到1.3Ga，这表明它们是由较老的弧内物质部分融熔重新整合而成的（Junges等，2002）。为了准确描绘MaraRosa弧这个地区的演变，通过使用LA-（MC）ICP-MS的方法结合原位U-Pb和Lu-Hf模型对四个来自不同构造单元有代表性的样本进行了深入的研究：一个后造山期经变质闪长岩侵入上网中央表壳带的角闪岩，两个从研究区西部采得的变质花岗岩以及一个东端表壳带得变质岩样本（图二）。表一使用条件方法及设置要求表二研究样本的全部岩石Sm–Nd数据3.样本描述样本MR157由石英（4％），斜长石（48％），单斜辉石（3％），角闪石（25％），黑云母（10％）和绿帘石（7％）组成，具少量绿泥石和铁钛氧化物。样本MR164是具香肠构造英长质脉石带状糜棱纹花岗岩，平均组成为石英（30％），斜长石（占30％），钾长石（25％），黑云母（10％）和白云母（5％），具小绿帘石和铁钛氧化物。通过薄片的毫米尺度的镜下观测为细粒糜棱带石英，钾长石和斜长石以及部分云母化的晶体。斜长石颗粒磨圆一般，具石英显示波状消光特性，亚晶粒形成及锯齿形劈理的白云母。样品PMIIIGN（95）在是在镜下显示重褶褶皱特征的二长辉长片麻岩。主要组成为石英（24％），钾长石（30％）和斜长石（20％），白云母（15％），黑云母（10％），具少量磷灰石和绿帘石。样本MR214是由斜长石（60％），白云母（20％），黑云母（15％）和石英（10％）组成的变质岩石。原岩被解释为砂屑的亚长石砂岩质沉积物，来源可能为火山碎屑。4.分析方法在巴西利亚大学地质年代学实验室我们对全岩的Sm-Nd同位素进行了分析，溶样是通过Savillex公司的特氟隆烧杯和帕尔型聚四氟乙烯炸弹制备而成的。钐和钕从全岩粉末中提取并且石榴石德精矿主要遵循了Richard等（1976）的技术。该技术的原理是：以稀有地质元素为分离组，用阳离子交换序列在反相色谱之前分离钐，而钕从聚四氟乙烯粉末上使用HDEHP（二-2-乙基己基磷酸）提取。我们还使用了稀土规格和LN-规格的树脂用以稀土和Sm-Nd分离。一种混合的149Sm-150Nd穗序同样被应用于此项技术。钐，钕样本被装上了双丝纤维重新装配。Sm和Nd同位素通过使用MAT-262质谱仪进行了分析。Sm/Nd和143Nd/144Nd比值被认为是优于±0.05％（1σ）和±0.003％（1σ），当然它们是分别基于重复分析国际BCR-1和BHVO-1标准的岩石。143Nd/144Nd比例应该是0.7219的146Nd/144Nd比这样的规格。钕的程序空白均小于100PG.而对原地的U-Pb和Lu-Hf分析，锆石集中起来的从一到十公斤的岩石通过破碎，重砂分析和使用弗朗茨同工酶纯化分离技术等方法将其变为至500微米规格大小。最终在双目显微镜下手工挑选以实现纯化。选定的晶粒放置在环氧树脂底座上，在分析前先进行抛光和使用3％硝酸清洗。BSE（背散射电子）的图像被用于定位点。在巴西的OuroPreto联邦大学地质学系通过JEOL5510扫描电子显微镜对BSE图像进行了获取。对四个锆石颗粒样品分别进行U-Pb和Lu-Hf同位素分析，使用热学的费舍尔尼普顿的MC-ICP-MS法和Nd：YAGUP213新式波激光烧蚀系统（在巴西利亚大学的地质年代学实验室进行了这项实验）。使用条件方法及设置要求列于表1。图三钕同位素演化图，展示了MaraRosa弧地区岩石的同位素组成（Piment等，1996a）。锆石颗粒的U-Pb在分析上为了控制ICP-MS分馏而使用了GJ-1标准锆石样本（Albarede等，2004）。二到四个样品通过JG-1标准进行了分析，并且206Pb/207Pb和206Pb/238U的比值被及时纠正。激光诱导通过使用带有30微米大小的点光栅的激光烧蚀的方法使U和Pb分馏到最低限度。原始数据通过使用Excel工作表进行离线处理和缩小工作量（Buhn等，2009）。在必要时，通过使用线性回归方法以纠正因雷射分馏导致206Pb/238U比减小这一问题（KoLer等，2002）。通过研究分析，Temora-2锆石标准已被作为未知样品进行分析。普通铅（204P