北淮阳东段九王寨岩体地球化学特征、锆石U－Pb定年及地质意义

邱军强，彭 智，陈 芳，董婷婷，柳丙全

（1.安徽省地质调查院，安徽 合肥 230001；2.安徽省大陆成矿研究中心，安徽 合肥 230001）

北淮阳地区位于大别造山带北部［1］，亦称北淮阳褶皱带［2］，地跨皖豫两省，东起郯庐断裂，西至南阳盆地，绵延500km，桐柏—桐城断裂和明港—六安断裂构成南北边界，宽20～50km。金寨县古碑地区地质图如图1所示（据1/250 000六安市幅地质图改编）。

图1 金寨县古碑地区地质图

北淮阳地区在中生代岩浆活动剧烈［3－4］，形成了大量中酸性岩体和火山岩，前人做过较多研究［5－12］。近期，中生代岩浆岩的研究受到研究人员的关注，因为区内一些重要矿产主要与中生代岩体有关。为了探索岩浆活动、深部地质过程与成矿的关系，详细划分火山－侵入岩的岩石系列组合，建立区域构造—岩浆—成矿事件序列框架，就必须对侵入岩进行详细的地质地球化学研究以及与区域火成岩的对比，明确含矿岩体的地质地球化学标志，以探索该区寻找多金属矿床的找矿前景。

本文研究了九王寨岩体岩相学、岩石地球化学、年代学特征及形成的构造环境等，为进一步研究该区岩浆活动和地质找矿等提供基础资料。

1 地质背景

北淮阳地区在中国成矿区带划分中属于武当—桐柏—大别成矿带，其构造区位特殊，习惯上，以商城—麻城断裂为界把北淮阳构造带分为东段（安徽境内）和西段（河南境内）。区内地层主要为新元古界庐镇关岩群（苏家河群、红安群）、新元古界—下古生界佛子岭岩群（相当地层信阳岩群）、上古生界杨山群、中生界陆相山间盆地和火山盆地堆积［13］。区内构造复杂多样、断层褶皱发育，尤其形成了多期次、多层次、多型式、多级次的构造岩片［14］。燕山期以来，区内岩浆活动比较频繁，形成以中酸性为主的火山－侵入岩，早期为钙碱性系列，晚期以碱性系列、钾玄岩系列为主［15－16］。

九王寨岩体是北淮阳构造东段主要岩体之一，位于金寨断裂和磨子潭断裂之间，分布于金寨县古碑、九王寨、双石等地，由4个大侵入体（岩基、岩株）和6个小侵入体（岩滴等）组成，出露面积近65.5km2，呈岩基、岩株状产出。1/50 000油店等4幅区调把它划为蓑衣尖超单元九王寨单元［17］，1/250 000六安市幅区调把它划为古碑超单元九王寨单元［18］。与佛子岭群及毛坦厂组侵入接触，岩体内常见两者的捕虏体，脉动侵入于槐树湾单元中，多见石英闪长岩的捕虏体。

2 岩相学特征

前人认为九王寨岩体岩性是花岗闪长岩［18］，笔者通过化学分析发现其为中性岩，经岩石薄片鉴定为中细粒石英闪长岩。浅灰—灰色，由斜长石57%～62%（质量分数，其他同此）、钾长石10%～12%、石英12%～15%、普通角闪石8%～10%和黑云母5%～7%组成，副矿物锆石、磷灰石和褐铁矿1%，矿物粒度多为细粒，少数中粒；半自形粒状结构、块状构造。

九王寨石英闪长岩手标本照片及镜下特征如图2所示。

图2 九王寨石英闪长岩手标本照片及镜下特征（正交偏光）

斜长石为半自形板状，具聚片双晶和环带结构，为中长石，表面有少量次生的绢云母和灰色泥状物。钾长石呈半自形板状－它形粒状，均为条纹长石，表面有较多的褐色泥状物，晶形比斜长石差。石英为它形粒状、不规则状和嵌晶状，波状消光。普通角闪石为半自形柱状，部分颗粒可见特征的菱形节理，为绿色角闪石，具明显的多色性，较新鲜，蚀变少量绿泥石。黑云母为片状，新鲜，蚀变有少量绿泥石，具浅黄—暗褐色多色性。

3 岩石地球化学特征

3.1 化学样品数据分析方法

在九王寨岩体内采了2组样品，采样位置见图1，TW7在白佛寺北面，TW8在九王寨峰北东。2组样品均为中细粒石英闪长岩，每组样品均包括1件U－Pb测年、标本、薄片和4件主量、稀土、微量元素。主量、稀土和微量元素分析由安徽省地质实验研究所测试完成。主量元素分析采用原子吸收法、容量法分析，除SiO2采用碱熔法测定外，其他氧化物采用酸熔法测定，分析精度优于2%。稀土元素、微量元素采用美国Thermo X Series 2电感耦合等离子体质谱联用仪（ICP－MS）测定分析，分析精度优于1%～3%。

3.2 主量元素特征

主量元素分析结果及特征参数见表1所列，九王寨石英闪长岩w（Na2O＋K2O）－w（SiO2）图解如图3所示［19］，w（SiO2）－w（K2O）图解如图4所示［20］。

表1 九王寨岩体主量元素质量分数分析结果及特征参数 %

图3 九王寨石英闪长岩w（Na2O＋K2O）－w（SiO2）图解

图4 九王寨石英闪长岩w（SiO2）－w（K2O）图解

从表1可以看出，九王寨岩体w（SiO2）为62.35%～67.09%（平均63.94%），属中性岩；铝含量较高，w（Al2O3）平均为 15.63%，因为A/CNK平均为1.05＞1，故岩石为过铝质；Fe2O3、FeO、MgO、CaO 正常；低钛，w（TiO2）平均为0.66%；贫锰，w（MnO）平均为0.08%；总碱含量较高，w（ALK）平均为6.97%；w（K2O）/w（Na2O）＜1.0，里特曼指数σ＜3，属钙碱性岩；Di值在72.25，反映岩浆分异程度较高。

在花岗岩类全碱－w（SiO2）（TAS）分类图上（图3），样品主要落入闪长岩区和花岗闪长岩区相邻部位，个别落入石英二长岩区内；在岩石系列w（SiO2）－w（K2O）图解（图4）中，样品均落在高钾钙碱性岩区。

由此可见，岩石具有过铝质高钾钙碱性系列岩石化学特点，岩石总体富硅、富铝、富碱质、低钛等。图3、图4均采用路远发软件［21］做图，后同。

3.3 稀土元素和微量元素特征

稀土元素、微量元素丰度及特征参数见表2所列。

表2 九王寨岩体稀土元素、微量元素质量分数分析结果及特征参数 10－6

从表2可以看出，九王寨岩体稀土元素含量较低，∑REE为126.40×10－6～290.20×10－6，平均199.17×10－6，LREE/HREE为12.13×10－6～15.64×10－6，均值12.30×10－6，HREE相对于LREE明显亏损，轻重稀土明显分异（LaN/YbN为17.36×10－6～26.14×10－6），Eu弱负异常（δEu为0.71×10－6～0.76×10－6），表明石英闪长岩经历了有斜长石的分离结晶作用，且源区可能有一定量的斜长石残留。稀土元素配分曲线如图5所示（标准化值据参考文献［22］），曲线右倾，Eu谷不明显，轻稀土分馏较明显，重稀土较平坦（分馏不明显），属轻稀土富集型；且各稀土元素配分曲线一致性很好，显示岩浆分异过程的一致性。

微量元素原始地幔蛛网图如图6所示（标准化值据参考文献［22］）。从表2和图6可以看出，总体大离子亲石元素（LILE）Rb、Ba、Sr富集，而K亏损，高场强元素（HFSE）Y、Th、U、Zr、Hf富集，而Nb、Ta、P、Ti呈现低谷负异常，明显亏损，具有“岛弧”地球化学特点［23］，也表现出造山带花岗岩的特征［24］。曲线整体右倾，岩体整体亏损HFSE，富集LILE，高场强元素亏损可能是地壳物质的混染造成的［25－26］。P、Ti的亏损暗示其可能受到磷灰石和钛铁矿的分离结晶作用的影响。

图5 九王寨石英闪长岩稀土元素配分模式图

图6 九王寨石英闪长岩微量元素蛛网图

4 锆石U－Pb年代学特征

4.1 锆石样品处理

九王寨岩体2组锆石测年样品TW7和TW8均在河北省廊坊市地科勘探技术服务有限公司分选，原块状岩石样品破碎到自然粒度，经摇床、淘洗、电磁分选及重液分选等步骤后分离出锆石单矿物，在双目镜下挑纯。然后把锆石单矿物样品寄送到北京锆年领航科技有限公司制靶、照相，在双目镜下选择透明、无裂隙且有代表性的锆石颗粒制成环氧树脂样品座，磨至锆石颗粒中心部位后抛光，抛光后的样品进行CL显微结构观察和照相。样品TW7和TW8锆石阴极发光（CL）图像及测点如图7所示。

图7 锆石阴极发光（CL）图像及测点

4.2 锆石U－Pb年龄测定

锆石U－Pb定年测试在中国地质科学院矿产资源研究所 MC－ICP－MS实验室完成，依次在靶上选择合适的锆石颗粒进行U－Pb年龄测定。锆石定年分析所用仪器为狮子山Finnigan Neptune型MC－ICP－MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为25μm，频率为10Hz，能量密度约2.5J/cm2，以He为载气。信号较小的207Pb、206Pb、204Pb（204Hg）、202Hg 用离子计数器（multi－ion－counters）接收，208Pb、232Th、238U信号用法拉第杯接收，实现了所有目标同位素信号的同时接收并且不同质量数的峰基本上都比较平坦，进而可以获得高精度的数据，均匀锆石颗粒207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235U 的测试精度（2σ）均为2% 左右，对锆石标准的定年精度和准确度在1%（2σ）左右。LA－MC－ICPMS激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，数据分析前用锆石GJ－1调试仪器，使之达到最优状态，锆石U－Pb定年以锆石GJ－1为外标，U、Th含量以锆石 M127为外标进行校正。测试过程中在每测定5～7个样品前后重复测定2个锆石标准GJ－1对样品进行校正，并测量1个Pleovice锆石标准，观察仪器的状态以保证测试的精确度。数据处理采用ICPMS DataCal4.3程序［27］，测量过程中绝大多数分析点206Pb/204Pb大于1 000，未进行普通铅校正，204Pb由离子计数器检测，204Pb含量异常高的分析点可能受包体等普通Pb的影响，计算时剔除此类分析点，锆石年龄谐和图用Isoplot 3.2程序获得。详细实验测试过程可参见文献［28］。样品分析过程中，Plesovice锆石标准作为未知样品的分析结果为（336.5±1.5）Ma（n＝3，2σ），对应的年龄推荐值为（337.13±0.37）Ma（2σ）［29］，两者在误差范围内完全一致。样品TW7和TW8锆石U－Pb分析数据见表3所列。

表3 九王寨石英闪长岩LA－ICP－MS锆石U－Pb同位素分析结果

4.3 U－Pb年龄测定结果

所测锆石样品为无色透明，自形短柱状为主，少量长柱状，长宽比变化不大，从近等轴状到3∶1不等；粒径50～100μm。阴极发光图像（图7）显示，绝大多数锆石结晶良好，锆石具有明显的韵律环带，表明其为岩浆锆石［30］。锆石的w（Th）/w（U）比值可以指示锆石的成因，岩浆锆石的w（Th）/w（U）比值一般大于0.1，而变质锆石的w（Th）/w（U）比值一般小于0.1［31］，九王寨岩体的锆石w（Th）/w（U）比值均远大于0.1，故为典型的岩浆成因的锆石，说明锆石的结晶年龄可以代表石英闪长岩的成岩年龄。

本次实验对样品TW7和TW8各测试20颗锆石，每粒锆石1个LA－ICP－MS分析点。TW7有13个测点的有效数据，7个测点数据异常；TW8有12个测点的有效数据，8个测点数据异常。测年结果见表4所列，异常数据未使用。

表4 2组样品U－Pb同位素年龄 Ma

续表

样品 TW7、TW8锆 石 U－Pb谐和图与206Pb/238U年龄图如图8所示。样品TW7测得13个石英闪长岩锆石的206Pb/238U表面年龄在128.3～142.3Ma之间（表4），加权平均年龄为（135.3±1.4）Ma（MSWD＝3.3，图8a、图8c），（135.3±1.4）Ma应代表石英闪长岩的侵位年龄，时代为晚侏罗世末期。样品TW8测得12个石英闪长岩锆石的206Pb/238U表面年龄在（139.4～157.2）Ma之间（表3），加权平均年龄为（151.7±1.8）Ma（MSWD＝8.8，图8c、图8d），（151.7±1.8）Ma也代表石英闪长岩的侵位年龄，时代为中侏罗世末期。图8表明样品的U－Pb年龄比较集中，且谐和度较高。

图8 九王寨石英闪长岩锆石U－Pb谐和图与206Pb/238U年龄图

5 讨论

5.1 九王寨岩体的形成时代

本次测年采集了2组锆石，TW7参与有效年龄计算的13颗锆石的206Pb/238U年龄值比较集中，位于128.3～142.3Ma之间，跨度为14Ma，误差为2.4～14.7Ma，由此得到九王寨岩体的成岩年龄为（135.3±1.4）Ma，表明该岩体形成于燕山中期，是晚侏罗世末期岩浆活动的产物。

TW8参与有效年龄计算的12颗锆石的206Pb/238U年龄值也比较集中，位于139.4～157.2Ma之间，跨度为17.8Ma，误差为4.9～13.7Ma，由此得到九王寨岩体的成岩年龄为（151.7±1.8）Ma，表明该岩体形成于燕山中期，是中侏罗世末期岩浆活动的产物。

由此可见，九王寨岩体至少有2次岩浆侵位，形成于（151.7±1.8）～（135.3±1.4）Ma，相当于燕山中期，是中侏罗世末期—晚侏罗世末期岩浆活动的产物，代表九王寨岩体的成岩年龄，与文献［17］所测161Ma（K－Ar法）有一定差距。本次采用LA－ICP－MS同位素定年方法，获得其锆石UPb年龄为最新数据，再次表明北淮阳地区的中生代侵入岩部分形成于中晚侏罗世［18］，对于深入研究该地区的区域岩浆活动提供了新的依据。

5.2 岩石成因

九王寨侵入岩岩石成因判别图如图9所示（底图据文献［32］）。在 A/MF（Al2O3/（TfeO＋MgO）摩尔比）对C/MF（CaO/（TFeO＋MgO）摩尔比）相关图上，九王寨岩体多数样品点均落在基性岩的部分熔融区，表明其源区以玄武岩为主。文献［33］认为由下地壳岩石部分熔融形成的熔体，其Mg＃小于50，而地幔橄榄岩部分熔融的熔体具有较高的Mg＃。九王寨岩体的Mg＃在15～35之间，平均值30，也指示岩浆以壳源为主。稀土元素配分模型为轻稀土富集的右倾配分模型，LREE/HREE比值、LaN/YbN均较大，铕异常不明显，铈异常也较弱。这些均与典型的壳源岩浆明显不同，显示了原始岩浆中有幔源岩浆混入。

图9 九王寨侵入岩C/MF－A/MF岩石成因判别图

从微量元素分布特征看，九王寨岩体富集Ba、Th，表明石英闪长岩的形成与地壳有着密切联系，不相容元素特征表明有地壳成分的加入，说明岩浆侵位过程中发生了壳幔混熔作用。

以上主、微量地球化学特点均表明九王寨岩体源于地壳物质部分熔融，同时受到地幔物质的混染。

5.3 构造环境

20世纪80年代中期以来，秦岭—大别造山带作为一个典型的大陆造山带引起国内外地学界广泛瞩目，普遍认为它是华北和扬子两大板块碰撞作用的产物，在约230.9～243.9Ma发生华北板块与扬子板块碰撞拼合，形成了大别造山带，是一个典型的大陆造山带［34－35］。在晚三叠世末—早中侏罗世，强烈的挤压和陆内俯冲作用导致造山带地壳和岩石圈缩短增厚［36－37］。晚侏罗世仍然是造山挤压的构造环境，据文献［38］的研究，大别山地区中生代构造格局转变的时间大约是在135Ma，为早白垩世，随着高钾质的岩石尤其是钾玄岩系列花岗岩的侵位，本区实现了从挤压缩短到整体伸展的构造转换。中生代的岩浆活动开始于中侏罗世末期，如九王寨岩体，即在燕山中期受到环太平洋构造域的活动的影响，使已经对接的华北和扬子古陆块及其之间的北淮阳褶皱带活化，引起岩浆的侵入和喷发。岩浆岩构造环境的里特曼－戈蒂里指数（logτ－logσ）判别图解如图10所示（底图据文献［39］），可见样品均落在B区，即造山带及岛弧区，说明九王寨岩体属于造山带花岗岩，处于挤压的构造环境。文献［40］根据北淮阳侵入岩锆石（U－Th）/He热年代学研究，提出大别山中生代时期强烈的伸展和岩石剥露发生在130～105Ma期间，认为这一过程引起了大别基底的广泛熔融、北淮阳地区白垩纪岩浆活动等。

图10 岩浆岩构造环境的logτ－logσ判别图解

6 结论

（1）九王寨岩体为过铝质高钾钙碱性系列岩石，岩性为石英闪长岩，具有较高的SiO2和Al2O3含量，富碱质、低钛、Mg＃小等特征。LaN/YbN与 LREE/HREE 比值均较大，HREE相对于LREE明显亏损，具较弱的δCe负异常，轻稀土分馏较明显，重稀土较平坦，属轻稀土富集型。大离子亲石元素（LILE）Rb、Ba、Sr富集，而K亏损，高场强元素（HFSE）Y、Th、U、Zr、Hf富集，而Nb、Ta、P、Ti呈现低谷负异常，明显亏损，岩体整体亏损HFSE，富集LILE。

（2）通过LA－ICP－MS锆石U－Pb定年，获得九王寨岩体206Pb/238U 年龄为（151.7±1.8）～（135.3±1.4）Ma，相当于燕山中期，是中侏罗世末期—晚侏罗世末期岩浆活动的产物，代表九王寨岩体的成岩年龄，说明九王寨岩体至少有2次岩浆侵位。岩浆来源于地壳，受到地幔物质的混染；形成于燕山中期造山挤压的构造环境。

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