赞比亚班韦乌卢地块花岗岩地球化学特征、锆石U-Pb年龄及Lu-Hf同位素组成

左立波 ，任军平，王杰，古阿雷，孙宏伟，许康康，Alphet Phaskani Dokowe，Ezekiah Chikambwe

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2.赞比亚地质调查局，赞比亚卢萨卡P.O.Box.50135；3.中国地质调查局华北科技创新中心，天津300170）

班韦乌卢地块（Bangweulu Block）位于赞比亚东北部，其名称源自班韦乌卢湖[1]，也有学者将其称为赞比亚地核[2]、赞比亚克拉通[3]和Luwama克拉通[4]。班韦卢地块是一个克拉通单元，周围被活动带包围，面积约150 000 km2[5]，北部为古元古代乌本迪带和乌萨加兰带，西部为中元古代基巴拉带和新元古代卢弗里安前陆，东南部为中元古代伊鲁米德带[6]。

班韦乌卢地块研究工作开始于上世纪六十年代晚期，Thieme[7]对早期成果进行了总结。Drysdall[1]认为班韦乌卢地块西部存在太古代基底。Brewer[8]报道了班韦乌卢地块西部靠近曼萨地区花岗岩类和火山岩全岩Rb-Sr年龄为1 833±18和1 812±22 Ma。Schandelmeier[9]报道了班韦乌卢地块东部花岗岩类全岩Rb-Sr年龄变化范围为1 869±40到1 824±126 Ma。Kabengele[10]报道了班韦乌卢地块北部一个全岩Rb-Sr年龄为1 861±28 Ma。Key[11]认为班韦乌卢地块年龄大于1.85 Ga，可能属于古元古代。班韦乌卢地块最年轻的岩石是Lusenga正长岩，全岩Rb-Sr年龄为1145±20Ma[8]，各种基性岩脉K-Ar或40Ar/39Ar年龄介于1 040 Ma和700 Ma之间[9,12]，但是这些特殊年龄并不能给予太多的权重，除非得到更多可信的年龄数据[13]。任军平[14]报道了班韦乌卢地块卡萨马北部1件正长花岗岩样品的锆石U-Pb年龄为2 011±20 Ma，认为班韦乌卢地块基底中正长花岗岩主要形成于古元古代且可能与古元古代乌本迪带有关；通过Lu-Hf同位素研究认为正长花岗岩的原始岩浆是不均一的，可能为新太古代-古元古代壳幔混染物质。任军平[15]获得班韦乌卢地块卡萨马西部2件石英闪长岩样品的锆石U-Pb年龄1 964±8 Ma和1 913±10 Ma，Lu-Hf同位素研究显示石英闪长岩的原始岩浆具有壳幔混合的特点，另外还对卡萨马群碎屑锆石年龄进行了研究[16]。

通过商务部技术援外项目，本次工作在班韦乌卢地块卡萨马到陇都地区采集了大量岩石样品，进行了锆石U-Pb测年。本文选择在卡萨马地区所采集的3件花岗岩样品进行锆石U-Pb定年和Lu-Hf同位素组成及地球化学分析，可以对班韦乌卢地块的形成时代及构造演化提供重要证据支撑。

1 区域地质背景

班韦乌卢地块是一个二元结构，由结晶基底和弱变形沉积盖层组成。基底主要分为四个单元，分别为片岩带、变质火山岩和侵入体[5]。沉积盖层主要分为5个地质单元，分别为姆波洛科索群、卡萨马群、加丹加超群中的Luitikila地层和卢阿普拉地层、新生代河湖沉积物。

研究区出露地层为古元古代姆波洛科索群姆巴拉组和中元古代卡萨马群卡萨马组。姆巴拉组分为一段和二段，不整合覆盖于基底杂岩之上，并被后期的卡萨马群不整合覆盖。姆巴拉组一段岩性以紫红色-紫灰色砾岩为主，姆巴拉组二段底部为浅肉红色石英砂岩，上部为灰白色含砾砂岩。沉积相分析结果表明，姆巴拉组为一套冲积扇-辫状河-三角洲沉积体系，其是在快速沉积、快速埋藏条件下形成的，具有近源性特点。根据基底杂岩锆石数据和区域地质资料，姆巴拉组经历了晚期乌本迪造山活动的强烈影响，形成一系列NNWNW向褶皱、断层。研究区出露的卡萨马群划分为上卡萨马组和下卡萨马组，覆盖于姆巴拉组之上，并被古近系地层不整合覆盖。下卡萨马组可以划分为下卡萨马组一段和二段，一段为紫红色页岩，二段为紫红色粉砂岩；上卡萨马组为灰白色石英砂岩。沉积相分析结果表明，卡萨马群主要为一套泻湖-潮坪-障壁岛沉积体系，是在缓慢沉积和慢速埋藏条件下形成的，具有远源性特点。卡萨马群变形较弱，多形成近EW向宽缓褶皱。

根据本次区域地质填图成果，研究区出露岩浆岩主要包括闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、黑云母花岗岩和正长花岗岩等中酸性岩基、岩株和岩枝，且岩浆活动主要集中于古元古代。

2 花岗岩岩相学特征

卡萨马地区花岗岩的露头较少，主要沿着河谷分布，或者为孤立的小山丘。从卡萨马地区采集了3件花岗岩样品（D3016，D6099和 D6106），采样位置见图1，岩相学特征见表1。

黑云母花岗岩（D3016，图2a）镜下鉴定结果为黑云母花岗岩，中细粒花岗结构，块状构造（图2b）。岩石主要由石英（35%～40%），斜长石（40%），钾长石（10%）和黑云母（10%）组成，副矿物可见少量白云母、磷灰石和黑色金属矿物。石英呈无色粒状，干涉色一级灰白，正低突起，粒径在0.5～2 mm之间；斜长石呈无色，表面混浊，柱状，干涉色一级灰白，多高岭土化，绢云母化，多在粒径0.8～2 mm，粗粒达3 mm，聚片双晶发育；钾长石呈无色，格子双晶发育，为微斜长石，干涉色一级灰白，粒径在0.5～2 mm之间；黑云母呈褐色-棕褐色，多色性显著，片状，一组解理发育，干涉色三级，黑云母多发育溶蚀现象，粒径0.5～1.5 mm之间。

图1 班韦乌卢地块卡萨马地区构造图（a，据参考文献[13]修改）和地质图（b）Fig.1 Tectonic map（a）and geologicalmap(b)of Kasama area in Bangweulu block

图2 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩手标本(a.D3016;c.D6099;e.D6106）和镜下照片（b.D3016;d.D6099;f.D6106;正交偏光）Fig.2 Hand samples(a.D3016;c.D6099;e.D6106）and micrographs（b.D3016;d.D6099;f.D6106;cross-polarized light）of the granites in the Kasama area of Bangweulu block Pl.斜长石；Kfs.钾长石；Q.石英；Bt.黑云母；Ms.白云母；Mc.微斜长石

表1 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩岩石矿物学特征Tab.1 Lithology and mineralogy of granites in the Kasama area of Bangweulu Block

二长花岗岩（D6099，图2c）镜下鉴定结果为二云母二长花岗岩，中粒花岗结构，块状构造（图2d）。岩石主要由石英（40%～45%），斜长石（20%～25%），钾长石（25%～30%）、黑云母（3%～5%）和白云母（3%～5%）组成。石英呈他形粒状，波状消光，干涉色一级灰白，粒径一般在1～3 mm之间，部分在4 mm左右；斜长石呈半自形板状，表面混浊，聚片双晶发育，干涉色一级灰白，粒径一般在1～3 mm之间，个别4 mm，多高岭土化，轻微绢云母化；钾长石呈半自形-他形板状，不规则状，格子双晶发育，部分条纹结构，干涉色一级灰白，粒径一般在1～3 mm之间，个别5 mm，个别颗粒被白云母交代；黑云母呈片状，褐色，多色性显著，半自形，粒径一般在0.5～1 mm之间，少量绿泥石化；白云母呈半自形片状，无色，粒径一般在0.5～1.5 mm之间，个别在4 mm左右。

正长花岗岩（D6106，图2e）镜下鉴定结果为二云母正长花岗岩，中粗粒花岗结构，块状构造（图2f）。岩石主要由石英（30%～35%），钾长石（35%～40%）、斜长石（25%），黑云母（2%～3%）和白云母（2%～3%）组成。石英呈他形粒状，无色，波状消光，粒径在0.5～2 mm之间，部分动态重结晶；钾长石，无色，干涉色一级灰白，格子双晶发育，少具条纹结构，粒径在1～5 mm之间，颗粒较为粗大；斜长石，无色，表面混浊，柱状，发育少量高岭土化和绢云母化，粒径多为1～2 mm；黑云母，褐色-棕褐色，多色性显著，片状，一组解理发育，干涉色三级，粒径0.5～1 mm之间，部分绿泥石化；白云母，无色，片状，干涉色二级到三级，粒径在0.2～1 mm之间。

3 分析方法

3.1 全岩分析

花岗岩样品主、微量和稀土元素分析由中国地质调查局天津地质调查中心实验室测试完成，主要采用ICP-MS和XRF等配套方法分析测试。

3.2 锆石U-Pb测年

锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所进行，采用磁选、重液分选和人工挑选，获得单颗粒锆石。将挑选出的纯净锆石浇铸在环氧树脂靶上。根据CL图像确定锆石颗粒的位置、显微结构和要分析的靶区位置，避开裂纹与包裹体。在中国地质调查局天津地质调查中心实验室使用激光烧蚀多接收器等离子体质谱仪完成锆石U-Pb同位素分析，激光束斑直径为25μm，剥蚀深度约为20μm。使用ICPMSDataCal程序[17]和 Isoplot[18]程序进行数据处理，使用208Pb校正法对普通铅进行校正[19]。使用SRM610玻璃标样作为外标计算锆石样品的U、Th和Pb含量。

3.3 锆石Lu-Hf同位素

花岗岩样品锆石Lu-Hf同位素测试使用激光烧蚀多接收器等离子体质谱仪在中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成。激光束斑直径为35μm，剥蚀深度为20μm。

4 岩石地球化学特征

花岗岩样品的地球化学分析结果见表2。

4.1 主量元素特征

花岗岩样品中SiO2变化范围为69.4%～72.22%，K2O含量为4.52%～5.08%，Na2O含量为2.94%～3.11%，K2O+Na2O含量为7.46%～8.19%，K2O/Na2O为1.54%～1.63%，表现为富钾低钠特征。在岩石分类图解中2个样品点落入花岗岩内，1个样品点落在花岗岩和花岗闪长岩边界附近（图3a）；在SiO2-K2O图解中，3个样品均落入高钾钙碱性系列区（图3b），表明班韦乌卢地块花岗岩样品为一套高钾钙碱性岩石；Al2O3含量为14.12%～14.65%，A/CNK为1.12～1.15，A/NK为1.35～1.50，属过铝质岩石（图4）。在Zr-SiO2图中，D6099和D6106样品投点落入I型花岗岩范围内（图5a）；在Y-SiO2图中，样品投点全部落入I型花岗岩范围内（图5b）。

表2 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩主量、微量元素和稀土元素数据表Tab.2 Major,trace and rare earth elements compositions of the granites in the Kasama area of Bangweulu block

图3 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩TAS图解（A图Ir界限据参考文献[20]）和SiO 2-K2O图解（B图底图据参考文献[21]）Fig.3 TAS diagram and SiO 2-K2O diagram of the granites in the Kasama area of Bangweulu block

4.2 稀土及微量元素特征

班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩稀土的总量∑REE=169.01×10-6～312.40×10-6，LREE=140.66×10-6～283.95×10-6，HREE=25.68×10-6～28.45×10-6，LREE/HREE=4.96～9.98，(La/Yb)N=4.81～13.05。稀土配分模式明显呈右倾型（图6a），轻稀土富集、重稀土亏损；轻稀土分异显著（(La/Sm)N=3.13～3.79）；重稀土分异程度低（(Gd/Lu)N=1.13～2.14）；铕呈明显的负异常（δEu=0.36～0.59）。在微量元素标准化蛛网图上（图6b），花岗岩中大离子亲石元素Rb和K相对富集、而Sr相对亏损；高场强元素Zr、Hf、Th和U相对富集，而P、Ti、Nb和Ta相对亏损。

图4 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩A/CNK-A/NK图解（底图据参考文献[22]）Fig.4 A/CNK vs.A/NK diagram of the granites in the Kasama area of Bangweulu block

图5 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩Zr-SiO 2判别图（a）和Y-SiO 2判别图（b）（据参考文献[23]）Fig.5 Zr vs.SiO 2 diagram(a)and Y vs.SiO 2 diagram(b)of the granites in the Kasama area of Bangweulu block

图6 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图和原始地幔标准化微量元素蛛网图（标准化值据参考文献[24]）Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace elements distribution patterns of the granite in the Kasama area of Bangweulu block

5 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄和Lu-Hf同位素

5.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

D3016、D6099和D6106样品的CL图像见图7，锆石U-Pb同位素分析数据见表3和图8。

D3016样品选取了33个锆石点进行了U-Pb年龄测定，样品的同位素数据大部分落在谐和线上，6个锆石数据偏离谐和线，分别为1、2、3、5、6和24号点。通过CL图像，可以看出大部分锆石发育振荡环带，部分锆石具有继承核，具有典型岩浆锆石特征。D3016-2和D3016-6年龄明显代表了继承锆石的年龄。锆石多为长柱状，长宽比为2/1到3/1。27个有效点的Th/U为0.23～1.33，计算获得207Pb/206Pb加权平均年龄为1 965±8 Ma（MSWD=0.99，N=27）。

图7 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩锆石CL图像Fig.7 CL images of zircons from the granites in the Kasama area of Bangweulu block

表3 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析结果Tab.3 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the granites in the Kasama area of Bangweulu block

续表3

D6099样品选取了28个锆石点进行了U-Pb年龄测定，样品的同位素数据大部分落在谐和线上，11个锆石数据偏离谐和线，分别为3、6、7、14、20、26、30、31、32、44和54号点。通过CL图像，可以看出大部分锆石发育振荡环带，部分锆石具有继承核，具有典型岩浆锆石特征。锆石多为长柱状，长宽比为2/1到3/1。17个有效点的Th/U为0.01～0.97，计算获得207Pb/206Pb加权平均年龄为1 934±27 Ma（MSWD=5.2，N=17）。

D6106样品选取了33颗锆石进行了U-Pb年龄测定，样品的同位素数据大部分落在谐和线上，9个锆石数据偏离谐和线，分别为2、7、8、9、10、22、24、25和31号点。通过CL图像，可以看出大部分锆石发育振荡环带，部分锆石具有继承核，具有典型岩浆锆石特征。锆石多为长柱状，长宽比为2/1到3/1。24个有效点的Th/U为0.32～0.93，计算获得207Pb/206Pb加权平均年龄为1 974±9 Ma（MSWD=1.04，N=24）。

5.2 锆石Lu-Hf同位素

在锆石U-Pb同位素测试基础上，对花岗岩样品进行了锆石Lu-Hf同位素测试，测试结果见表4、图9和图10。锆石Lu-Hf同位素测点编号采用U-Pb编号。

D6099样品中6颗锆石的176Lu/177Hf值为0.001～0.001 5，176Hf/177Hf值为0.281 43～0.281 679。εHf(t)值为-2.7～3.9，平均值为0.77。其中，3个负值对应的TDM2年龄变化范围为2.58～2.83 Ga；3个正值对应的TDM1年龄变化范围为2.24～2.38 Ga。TDM1年龄变化范围为2.24～2.55 Ga，平均值为2.35 Ga。TDM2年龄变化范围为2.37～2.83 Ga，平均值为2.56 Ga。

D6106样品中15颗锆石176Lu/177Hf值为0.000 8～0.001 9，176Hf/177Hf值为0.281 234～0.281 599。εHf(t)值为-12.8～1.5，平均值为4.75。其中，14个负值对应的TDM2年龄变化范围为2.61～3.37 Ga；1个正值对应的TDM1年龄为2.33 Ga。TDM1年龄变化范围为2.33 Ga～2.86 Ga，平均值为2.55 Ga。TDM2年龄变化范围为2.52～3.37 Ga，平均值为2.88 Ga。

图8 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和图Fig.8 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams for the granites in the Kasama area of Bangweulu block

表4 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩锆石Lu-Hf同位素组成Tab.4 In situ zircon Lu-Hf isotopic composition of the granites in the Kasama area of Bangweulu block

图9 锆石εHf(t)频率直方图(a)和TDM2(Ga)年龄直方图(b)Fig.9 Histograms and frequency ofεHf(t)values(a)and histograms of corresponding TDM2(Ga)of zircons(b)

图10 锆石U-Pb年龄-εHf(t)图解Fig.10 Variations ofεHf(t)values versus U-Pb ages

6 讨论

6.1 花岗岩侵位年龄

班韦乌卢地块中黑云母花岗岩（D3016）、二长花岗岩（D6099）和正长花岗岩（D6106）通过LA-ICPMS测定的锆石U-Pb年龄分别为1 965±8 Ma（MSWD=0.99，N=27）、1 934±27 Ma（MSWD=5.2，N=17）和1 974±9 Ma（MSWD=1.04，N=24），这些年龄表明花岗岩侵位年龄为古元古代。基于花岗岩的年龄数据和区域地质背景我们认为花岗岩的形成和古元古代乌本迪带活动有关。

6.2 花岗岩的成因

Lu-Hf同位素组成作为非常灵敏的地球化学示踪剂，可以示踪地壳和地幔物质的演化历史[25]。在部分熔融过程中，Hf比Lu更容易进入熔体，因此地壳中的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值低于地幔。εHf(t)正值代表花岗岩来源于年轻的地壳物质，而负值表示来源于老的地壳物质。

二长花岗岩（D6099）和正长花岗岩（D6106）的锆石Lu-Hf同位素数据显示εHf(t)值变化范围为-2.7～3.9和-12.8～1.5，TDM2年龄为2.37～2.83 Ga和2.52～3.37 Ga。两件样品的TDM2年龄远远大于锆石的形成年龄。在锆石年龄-εHf(t)图解中，花岗岩样品的数据投点位于球粒陨石演化线两侧，说明原始岩浆是不均一的，锆石的原始岩浆可能为新太古代-古元古代壳幔混染物质。

6.3 成岩构造背景

前人对班韦乌卢地块的研究主要集中在结晶基底的形成时代、是否存在太古宙古老地壳和古老地壳形成时代及其出露范围等进行探讨[13]，任军平[15]对班韦乌卢地块卡萨马地区2件石英闪长岩样品的构造环境进行了研究，认为石英闪长岩形成构造环境为板块碰撞前的俯冲消减环境。本次研究发现，在花岗岩Rb-（Y+Nb）构造环境判别图中（图11a），班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩样品落入后碰撞型花岗岩范围内；在R1-R2图解（图11b）中，样品投点落入同碰撞花岗岩区域。综上，班韦乌卢地块花岗岩可能是在碰撞造山期，地壳发生熔融形成花岗岩质岩浆，大量花岗质岩浆经过多期次重熔作用，与底侵的地幔岩浆混合，上升侵位形成。

7 结论

（1）班韦乌卢地块卡萨马地区黑云母花岗岩、二长花岗岩和正长花岗岩锆石U-Pb年龄为1 934±27 Ma～1 974±9 Ma，形成于古元古代。基于花岗岩的年龄数据和区域地质背景，我们认为花岗岩的形成和古元古代乌本迪带活动有关。

图11 班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩Rb-(Y+Nb)(a，据参考文献[26])和R1-R2(b，据参考文献[27])构造环境判别图Fig.11 Rb-(Y+Nb)and R1-R2 discrimination diagrams of granites in the Kasama area of Bangweulu blockWPG.板内花岗岩；ORG.大洋脊花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；syn-COLG.同碰撞花岗岩；post-COLG.后碰撞花岗岩；①地幔斜长花岗岩；②板块碰撞前消减地区花岗岩；③板块碰撞后隆起期花岗岩；④晚造山期花岗岩；⑤非造山区A型花岗岩；⑥同碰撞（S型）花岗岩；⑦造山期后A型花岗岩；R1=4Si-11(Na+K)-2(Fe+Ti);R2=6Ca+2Mg+Al

（2）班韦乌卢地块卡萨马地区花岗岩属于高钾钙碱性、过铝质I型花岗岩。岩体REE分异明显，铕负异常明显；大离子亲石元素Rb和K相对富集、而Sr相对亏损；高场强元素Zr、Hf、Th和U相对富集，而P、Ti、Nb和Ta相对亏损。

（3）区内花岗岩锆石的εHf(t)值变化范围为-2.7～3.9和-12.8～1.5，Hf同位素二阶段模式年龄（TDM2）为2.37～2.83 Ga和2.52～3.37 Ga，花岗岩样品的数据投点位于球粒陨石演化线两侧，说明原始岩浆是不均一的，花岗岩的原始岩浆可能为新太古代-古元古代壳与幔混染物质。