长江中下游地区怀宁盆地火山岩锆石LA-ICPMS定年

2013-04-15闫峻史磊李全忠刘建敏刘晓强姜子朝

地质论评 2013年6期

闫峻，史磊，李全忠，刘建敏，刘晓强，姜子朝

合肥工业大学资源与环境学院，合肥, 230009

内容提要：怀宁盆地为长江中下游地区众多中生代火山岩盆地之一，自下而上发育彭家口组和江镇组火山岩，岩性分别以粗面质凝灰熔岩和粗面安山岩、流纹岩为主。彭家口组样品的SiO2含量分别为61.56%和70.61%，江镇组样品的SiO2含量为61.91%～63.77%，均属于橄榄安粗岩系列，彭家口组样品更加富钾。运用LA-ICPMS对彭家口组和江镇组火山岩进行了锆石U-Pb定年，获得了206Pb/204Pb加权平均谐和年龄分别为130.0±1.7 Ma(MSWD=0.73)和130.5±1.7 Ma(MSWD=0.78)，指示怀宁盆地火山岩为早白垩世的产物，喷发持续时间较短。该年龄与长江中下游地区其他盆地火山岩的年龄一致，表明长江中下游地区中生代火山岩的喷发时代集中在135～127 Ma之间，是在强烈拉张的背景下，岩石圈地幔部分熔融的产物。

长江中下游地区中生代发育强烈的岩浆活动，其中包括多个陆相火山岩盆地，自西向东分别是金牛、怀宁、庐枞、繁昌、宁芜、溧水和溧阳火山岩盆地。由于与大型铁矿成因密切相关，宁芜和庐枞盆地火山岩的研究程度较高，关于年代学和岩石成因取得了大量的研究成果(Zhang Qi et al., 2003；Wang Qiang et al., 2006；谢智等, 2007；Zhou Taofa et al., 2011；Yan Jun et al., 2009；袁峰等, 2010)。宁芜和庐枞盆地火山岩岩石类型以玄粗岩(shoshoninte)为主，形成时代集中在135～128 Ma之间(Zhou Taofa et al., 2008，2011)，认为岩浆起源于富集的岩石圈地幔(Wang Qiang et al., 2006)。金牛、繁昌、溧阳和溧水盆地火山岩的形成时代也相对集中，介于134～127 Ma之间(Xie Guiqing et al., 2006；禹尧和徐夕生, 2009；袁峰等，2010；刘春等，2012)，但金牛和繁昌盆地火山岩具有双峰式特征，为壳幔分别起源的岩浆同时期喷发或岩浆混合的产物(Xie Guiqing et al., 2006；刘春等，2012)。同时期不同盆地火山岩具有不同的岩石系列、岩石成因以及成矿特征，其成因机制尚无明确的答案。由于怀宁盆地中火山岩分布面积较小，且保留不完整，目前尚无有关研究成果的报道。为此，本次工作在详细的野外地质的基础上，采集了怀宁盆地彭家口组和江镇组火山岩的代表性样品，对其进行了LA-ICPMS锆石U-Pb定年，为深入理解长江中下游地区中生代火山岩的形成时代格架和成因提供支持。

1 地质背景

长江中下游地区位于扬子地块北缘，扬子地块北以襄樊—广济断裂和郯城—庐江断裂与大别造山带分开，其东南以江山—绍兴断裂与华夏地块接壤。扬子克拉通建立在稳定的中、新元古界基底之上，区内最老的变质基底是崆岭群，出露在长江三峡段，其片麻岩锆石U-Pb SHRIMP 年龄为3.3 Ga (Qiu Yuming et al., 2000)。该区构造演化大致经历了三个主要阶段，分别为前南华纪基底形成阶段、南华纪—早三叠世沉积盖层阶段和中三叠世以来的碰撞造山和造山后板内变形阶段(常印佛等，1991；邢凤鸣和徐祥，1999)，其中最后阶段以形成大量晚中生代岩浆岩和大规模成矿作用为特征。

图1 长江中下游地区中生代火山岩盆地分布图Fig. 1 Distribution of the volcanic basins in the Middle—Lower Yangtze River

图2 怀宁盆地地质简图(据1∶25万地质图改绘)Fig. 2 Geological map of the Huaining volcanic basin (modified after 1∶ 250000 geological map)Q—第四系；K—白垩系；J—侏罗系；P—二叠系；C—石炭系；D—泥盆系；S—志留系；O—奥陶系；∈—寒武系；K1z—江镇组火山岩； K1p—彭家口组火山岩Q—Quaternary；K—Cretaceous strata；J—Jurassic strata；P—Permian strata；C— Carboniferous strata；D— Devonian strata；S—Silurian strata；O—Ordovician strata； ∈—Cambrian strata；K1z— volcanic rocks of Jiangzhen Formation; K1p—volcanic rocks of Pengjiakou Formation

长江中下游地区火山岩盆地主要沿长江两岸分布。自西向东，分布有金牛、怀宁、庐枞、繁昌、宁芜和溧水火山岩盆地(图1)。怀宁盆地位于长江北岸，安庆以西约30 km处，总体呈北东向条带状分布，面积约25 km2。盆地内火山岩系厚度187～1445 m，划分为彭家口和江镇两个喷发旋回，其中彭家口组出露面积较大，而江镇组主要在其东北端，靠近洪镇岩体附近出露，另外在盆地西段也有少量出露(图2)。彭家口旋回早期以爆发作用为主，形成角砾凝灰岩；中期以爆发、喷溢混合作用为主，形成粗面质凝灰熔岩；晚期为正常沉积作用，形成厚度较大的钙质砂泥质岩石(图3)。江镇旋回发育爆发相和喷溢相，以喷溢相熔岩为主，岩石组合为粗面玄武岩—玄武粗安岩—粗面岩(图3)，旋回末期出现钾长流纹岩，整个江镇组火山岩表现为双峰式特征。

2 样品描述和分析方法

2.1 样品描述

样品分别采自怀宁盆地彭家口组(10JZ001-1，坐标：30°28′9.7″，116°45′19.2″)和江镇组(10JZ011，坐标：30°28′6.5″，116°44′58.4″)。样品10JZ001-1紫红色，晶屑凝灰结构，块状构造。晶屑含量约30%，主要为条纹长石、斜长石和黑云母，粒度0.1～2.0 mm，三角形、不规则多边形。另外可见少量火焰状，鸡骨状玻屑。凝灰物质主要为长石和少量石英(10%)，有微弱的碳酸盐化，镜下定名为粗面质晶屑凝灰熔岩。样品10JZ011为灰黑色，斑状结构，块状构造。斑晶含量约为30%，主要为斜长石和角闪石和少量的辉石。基质为隐晶质，主要为长石和角闪石组成，有微弱的碳酸盐化，镜下定名为粗面岩。

2.2 分析方法

用于锆石年代学测试的样品首先经过破碎、浮选和电磁选等方法挑选出单颗粒锆石，然后在双目显微镜下挑纯。手工挑出晶形完好、透明度和色泽度好的锆石，粘于环氧树脂表面制靶，抛磨至一半以后进行透射光和反射光照相，据此选择晶体特征良好的样品(避开锆石包裹体以及锆石内部裂隙)，进行阴极发光(CL)拍照(图4)。最后根据阴极发光图像，选择典型的岩浆锆石进行LA-ICP MS U-Pb测年分析。

图3 怀宁盆地彭家口组和江镇组火山岩野外相片Fig. 3 Field photos of the volcanic rocks from Pengjiakou and Jiangzhen Formations in the Huaining basin

阴极发光照相在中国科学院地质与地球物理研究所扫描电镜实验室进行。锆石激光原位U-Pb同位素分析在合肥工业大学资源与环境工程学院质谱实验室开展，使用激光—电感耦合等离子质谱仪(LA-ICPMS)完成，采用激光器为GEOLAS, 激光剥蚀系统波长193 nm，工作参数为：剥蚀物质载He为0.6 L/min，激光脉冲频率5 Hz，剥蚀孔径32 μm，剥蚀时间90 s，背景测量时间25 s，脉冲能量密度为 10 mJ/cm2；测试质谱仪为Agilent 7500a，工作参数为：Rf功率1300 W，进样深度5.5 mm，等离子气体Ar 15 L/min,辅助气体Ar 1 L/min，补偿气体Ar 0.8～0.9L/min。应用nist610玻璃作为元素外标，锆石标样91500进行同位素分馏校正，锆石标样Mud Tank作为同位素监控样，本实验测定的锆石标样的结果和误差与推荐值一致。数据处理采用中国地质大学(武汉)开发的ICPMSDataCal 8.0软件完成，选取谐和度>90%的样品点进行数据分析，采用Isoplot软件绘制谐和图并计算加权平均年龄。

主量元素的测定采用X荧光光谱方法(XRF)，在广州地球化学研究所中国科学院同位素年代学和地球化学重点实验室完成，详细分析方法见Li et al.(2005)

3 结果和讨论

3.1 主量元素和岩石类型

主量元素分析结果列于表1。彭家口组火山岩两个样品的SiO2含量分别为61.56%和70.61%，江镇组火山岩两个样品的SiO2含量分别为61.91%和63.77%。两组样品显著的差别在于，彭家口组样品高度富钾，其K2O/Na2O比值为12.3～19.5，而江镇组样品虽然富钾，但K2O/Na2O比值介于1.3～3.3之间。镜下观察显示，彭家口组样品高钾含量并非钾化蚀变造成的，而两组样品的中性岩SiO2含量接近，因此，两组火山岩的岩浆起源具有一定的差别。在TAS图上(图5a)，彭家口组的两个样品分别为粗面岩(10JZ001-1)和流纹岩(10JZ009-1)，江镇组两个样品分别投在粗面岩(10JZ011)和粗面英安岩(10JZ010)区域。所以样品均在碱性岩的范围，这与其高钾的特征是一致的。在Si—K相关图上(图5b)，所有样品均投在玄粗岩(shoshonite)系列范围，其中，彭家口组样品更为富钾。怀宁盆地火山岩属于橄榄安粗岩系列的特征和庐枞盆地火山岩一致，而和繁昌盆地火山岩具有一定的差别(刘春等，2012)，后者为高钾钙碱性系列。

表1 怀宁盆地火山岩主量元素(%)分析结果Table 1 Analytical results of major elements ( % ) for the volcanic rocks in Huaining basin

图5 怀宁盆地火山岩TAS图解(a)和SiO2—K2O相关图(b)Fig. 5 Total alkali vs. silica (TAS) plot(a) and SiO2—K2O plot (b) for the volcanic rocks in the Huaining basin

彭家口组和江镇组同样为粗面岩的两个样品被用来进行锆石定年分析。

3.2 锆石U-Pb定年

测试分析结果见表2，U—Pb谐和图见图6。彭家口组样品(10JZ001-1)的锆石均透明，呈微黄色，短柱状，半自形到自形晶体，长120～220 μm，宽100～200 μm，在阴极发光图像中显示清晰的震荡环带。Th/U比为0.9～2.0，为典型的岩浆锆石。206Pb/238U—207Pb/235U谐和度>90%的样品点有17个，在谐和图上年龄点较为集中，206Pb/238U加权平均年龄为130.0±1.7 Ma(图6)。江镇组样品(10JZ011)的锆石均透明，呈微黄色，短柱状，半自形到自形晶体，长100～210 μm，宽80～200 μm，在阴极发光图像中大多数显示清晰的震荡环带。除了一个测点的Th/U比为0.5外，其他测点的Th/U比值为1.1～2.3，为典型的岩浆锆石。206Pb/238U—207Pb/235U谐和度>90%的样品点有17个，在谐和图上年龄点较为集中，206Pb/238U加权平均年龄为130.5±1.7 Ma(图6)。两组火山岩的锆石U-Pb年龄在误差范围内一致，均为早白垩世喷发的产物。由于用于测试的两组火山岩样品均为粗面岩，江镇组样品中的锆石不太可能为捕获的彭家口组火山岩的锆石。虽然两组火山岩在野外有清晰的上下层位关系，且之间有喷发间断，但由于该间断持续时间可能小于锆石U-Pb定年的精度(3%)，以至于测试结果上无法区别两者的新老关系。

3.3 长江中下游地区中生代火山岩年代学格架

30多年的研究积累了许多长江中下游地区火山岩的年龄数据，其中多为早期K-Ar法测得。这些数据指示庐枞盆地火山岩的年龄跨度为113～140 Ma，繁昌盆地火山岩为115～125 Ma，而宁芜盆地火山岩为91～136 Ma。由于样品多遭受蚀变易造成Ar的丢失，因此早期K-Ar法测定的年龄往往比实际年龄年轻，而产生了较大的年龄范围。近年来发表了许多火山岩的高精度年代学数据(表3)，结果表明，金牛盆地火山岩的喷发时代为132～128 Ma(Xie Guiqing et al., 2006, 2011; 本课题组未发表数据)，庐枞盆地火山岩的喷发时代为135～127 Ma(Zhou Taofa et al., 2008)，繁昌盆地火山岩的喷发时代为134～129 Ma(Yan Jun et al., 2009; 袁峰等，2010；刘春等，2012)，宁芜盆地火山岩的喷发时代为135～127 Ma(Zhang Qi et al., 2003; Yan Jun et al., 2009; Zhou Taofa et al., 2011)，溧水盆地龙王山组火山岩的喷发时代为129 Ma(禹尧和徐夕生，2009)。总体上，长江中下游地区中生代火山岩的喷发时代集中在135～127 Ma之间，持续时间小于8 Ma，相比于中国东部其他地区中生代火山岩，本地区中生代火山活动时间上相对集中。本次测得的怀宁盆地火山岩喷发时代为130 Ma，与长江中下游地区其他盆地火山岩的形成时代一致。

表2 怀宁盆地彭家口组(10JZ001-1)和江镇组(10JZ011)火山岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学分析结果Table 2 Data of zircon LA-ICP-MS U-Pb dating for samples of Pengjiakou formation (10JZ001-1) and Jiangzhen formation (10JZ011) in Huaining basin

图6 怀宁盆地彭家口组(10JZ001-1)和江镇组(10JZ011)火山岩锆石U—Pb 谐和年龄图Fig. 6 U—Pb isotopic concordant plots for zircons from the volcanic rocks of the Pengjiakou Formation (10JZ001-1) and the Jiangzhen Formation (10JZ011) in the Huaining basin

表3 长江中下游地区中生代火山岩锆石U-Pb年龄Table 3 Zircon U-Pb ages of the Mesozoic volcanic rocks from the Middle and Lower Yangtze valley

3.4 地质意义

长江中下游地区晚中生代岩浆岩有夹心饼干式的分带(邢凤鸣和徐祥，1999)。其中沿长江分布的内带包含4个岩浆岩组合：高钾钙碱性中酸性侵入岩组合，以铜陵地区侵入岩为代表；高钠碱钙性中基性侵入岩组合，以宁芜地区的蒋庙辉长岩、阳湖塘辉长岩和姑山辉长岩等为代表；橄榄安粗岩系火山岩，以宁芜和庐枞盆地的火山岩为代表；碱性火山岩组合，以宁芜地区的娘娘山组和庐枞盆地的浮山组火山岩为代表。于内带的南北两侧，为碱钙性系列侵入岩，北外带以滁州岩体和沙溪岩体等为代表，南外带则多数是一些出露面积很小的斑岩体，在内带和外带之间是A型花岗岩带，包括大龙山、城山、黄梅尖和花园巩等岩体。高钾钙碱性中酸性侵入岩形成时代较早，主要集中在148～135 Ma期间(陈江峰等，2005；Wang Qiang et al., 2006; 楼亚儿和杜杨松，2006；杜杨松等，2007)。其中具有高锶低钇特征(Adakitic)的岩体被认为形成于加厚下地壳的部分熔融(Wang Qiang et al., 2006; Yan Jun et al., 2008)，其他岩体在形成中经历了复杂的壳—幔相互作用过程，其中有富集岩石圈地幔的贡献(邢凤鸣和徐祥，1999；Chen Jiangfeng et al., 2001; 杜杨松等，2007；Xie Guiqing et al., 2008)。火山岩的形成时代集中在135～127 Ma之间。金牛盆地大寺组火山岩和繁昌盆地蝌蚪山组火山岩具有双峰式特征(邢凤鸣和徐祥，1999；闫峻等，2005；Xie Guiqing et al., 2006)，而板内的双峰式火山岩主要出现在伸展的构造环境中(Coward et al., 1987)。庐枞盆地浮山组火山岩和宁芜娘娘山组火山岩为碱性岩(邢凤鸣和徐祥，1999)，也指示了其产生的构造背景为伸展拉张(Li Xianhua, 2000)。这些火山活动持续时间较短，具有较为一致的喷发时代，暗示了130 Ma前后为拉张的峰期，且可能在深部动力学演化过程中处于承上启下的特殊时期。

Wang Qiang et al.(2006)通过年龄为136±3 Ma的具有高锶低钇性质的沙溪石英闪长斑岩的地球化学研究，认为其成因与下地壳拆沉密切相关，长江中下游地区可能经历了地壳加厚、拉张、下地壳拆沉、岩石圈减薄、软流圈上涌和壳幔相互作用的动力学演化过程。在148 Ma之前，本地区的构造格局由挤压转为伸展，伴随着软流圈上涌而产生的热扰动，加热和减压使下地壳和上地幔发生部分熔融，产成了148～135 Ma的高钾钙碱性中酸性侵入岩，包括高锶低钇岩浆岩。130 Ma左右时期，下地壳由于高锶低钇岩浆的抽取而导致密度增加发生重力拆沉，软流圈物质快速上涌，地壳和岩石圈地幔由于加热和减压进一步发生部分熔融，同时伴随着来自软流圈部分熔融的熔体，产生了双峰式火山岩、碱性火山岩和橄榄安粗岩系火山岩。长江中下游地区中生代岩浆岩的形成受中国东部中生代燕山期地球动力学背景的制约。在早白垩世时期，太平洋板块开始向欧亚大陆俯冲，大致向西的俯冲导致大体南北向的拉张，扬子—华北岩石圈边界这一薄弱地带的拉张达到了较大的深度，导致了地幔上涌、岩石圈地幔熔融以及地壳部分熔融，形成了种类丰富的岩浆岩(Li and Yang, 2003)。