宁芜盆地火山作用峰期锆石U－Pb定年和Lu－Hf同位素研究

杨颍鹤，王丽娟，张少琴

(江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018)

0 引言

长江中下游成矿带位于中国东部扬子板块东北缘，是一条重要的多金属成矿带。自晋宁期以来，该区受多次构造岩浆事件的影响，形成了断隆区和断陷区的次级构造及丰富的铁、铜、金等多金属矿床组合。自西向东依次分布有鄂东南、九瑞、安庆、庐枞、铜陵、宁芜和宁镇7个大型矿集区(常印佛等，1991;周涛发等，2008a;Mao et al，2006)。同时，沿长江深断裂分布着一系列断陷火山盆地，自北东向西南依次有溧水、溧阳、宁芜、繁昌、庐枞和金牛盆地等，并明显受区域构造控制。

近年来，长江中下游成矿带内主要岩浆岩的形成研究取得了重要进展，获得了一系列高精度同位素年代学数据(张旗等，2003;陈江峰等，2005;范裕等，2008，2010;侯可军等，2010;周涛发等，2010，2011;王丽娟等，2014a，2014b)，使得区内岩浆岩的时空格架逐渐清晰。但对宁芜盆地矿集区内部，尤其是宁芜北段(江苏境内)火山作用峰期形成分布较广的大王山组和姑山组火山岩鲜有报道。因此，选取宁芜盆地北段最新获得的钻孔岩芯样品中2个火山喷发旋回的典型火山岩进行了精确的锆石定年和Hf同位素分析，以进一步明确江苏境内中生代火山作用峰期的时代格架，并与邻区作用对比研究，从而为建立整个长江中下游成矿带的成岩成矿时代格架提供精确的年代学证据。

1 地质概况及样品描述

宁芜盆地南起芜湖北至南京，呈NNE方向展布，属继承式断陷型火山岩盆地。盆地内构造总体以NNE、NW和近EW向3组断裂发育为特征，出露地层主要为晚三叠世黄马青组、早侏罗世象山群和晚侏罗世西横山组。黄马青组岩性主要为紫红色粉砂岩和细砂岩等;象山群岩性主要为灰白色石英砂岩和长石砂岩等;西横山组主要为砂砾岩、中粗粒长石石英砂岩、紫红色粉砂岩等。盆内火山岩分布广泛，由老至新可分为龙王山、大王山、姑山及娘娘山4组火山喷发旋回。各火山作用旋回均以爆发相开始，此后溢流相增多，最后以火山沉积相结束。

龙王山组主要分布在盆地的东部和北部，岩性主要为沉凝灰岩、粉砂质泥岩、火山集块岩、粗面岩、橄榄玄粗岩和角闪石玄粗岩等;大王山组主要分布于盆地的中部和北部，面积最广，岩性主要为辉石玄粗岩、紫红色安山岩、粗面岩及粗面质熔结凝灰岩;姑山组火山岩主要分布于盆地的南部和北部，主要为安山岩、英安岩、火山碎屑岩等;娘娘山组火山岩分布较少，仅见于盆地西南部娘娘山一带，主要为黝方石响岩、假白榴石响岩、集块岩、熔结凝灰岩等。

宁芜盆地内次火山岩－侵入岩分布广泛，大致形成于每期火山作用的晚期，成分与火山岩基本一致，侵入龙王山组和大王山组的次火山岩岩性主要为闪长(玢)岩和安山玢岩，其中闪长玢岩与该区玢岩型铁矿床的成矿关系密切。闪长(玢)岩地表出露面积大小不一，成群出现，呈带状分布，受NNE向和NW向2组深部隐伏断裂的控制。侵入姑山组和娘娘山组的次火山岩岩性主要为英安斑岩、粗安斑岩和粗面斑岩。盆地内另一类侵入岩为花岗质岩体，主要呈隐伏岩体产于盆地深部，并穿切早期形成的闪长玢岩。

本次研究主要对宁芜盆地钻孔内大王山组和姑山组3件火山岩样品进行精确锆石U－Pb定年和Hf同位素分析。钻孔位置如图1，ZK0904孔总进尺901.18 m，其中10.64～513.31 m为姑山组火山岩，主要为安山岩、粗安岩及凝灰质粉砂岩;513.31～901.18 m主要为大王山组灰色、紫灰色安山岩、沉凝灰岩、凝灰质粉砂岩组成。样品特征如下。

WZ0904－1为姑山组上段安山岩，采自ZK0904中168.39～171.51 m，灰色，局部略带棕色、黄绿色，斑状结构，斑晶呈灰绿色，由斜长石和少量钾长石、辉石、角闪石组成。斜长石呈半自形板柱状，质量分数约为25%;钾长石呈灰白色长柱状，约5%;角闪石呈长柱状，约5%;辉石少量。斜长石斑晶大多绿帘石化，基质由长石微晶组成，岩石中不均匀分布少量细粒黄铁矿，质量分数＜3%。

WZ0904－12为大王山组中段辉石安山岩，采自ZK0904中622.90～626.62 m，岩石呈浅灰色，斑状结构，斑晶由斜长石、辉石和少量角闪石组成。斜长石呈半自形柱状，质量分数约30%;辉石短柱状，有时见暗化边，质量分数5% ～10%。基质由长石微晶组成。

图1 宁芜盆地地质简图(a)及长江中下游火山岩盆地分布图(b)(图b据范裕等，2010)Fig.1 Simplified geological map of the Nanjing-Wuhu Basin(a)and distribution of volcanic basins in the middle and lower reaches of the Yangtze River(b)(Fig.b after Fan et al，2010)

ZK0901孔总进尺651.61 m，主要为大王山组安山岩、安山质角砾岩、沉凝灰岩、凝灰岩及侵入大王山组的闪长玢岩等，并在241.73～242.15 m见黄铁矿集合体呈团块状分布于火山角砾岩胶结物中和脉状分布于裂隙中。样品特征如下。

DJS0901－10为大王山组安山岩，采自 ZK0901孔458.18～463.78 m段，岩石呈灰－灰白色，细斑结构。斑晶占25% ～35%，主要为斜长石，其表面星散状分布有绢云母、碳酸盐细小颗粒和黏土物质，少量暗色矿物变为绿泥石和铁质物。基质主要为斜长石微晶。岩石不规则裂隙发育，由黄铁矿、碳酸盐细脉充填。岩石轻微高岭土化、绿泥石化、绢云母化。

2 分析测试方法

锆石分选用重砂方法，首先将约2 kg岩石样品破碎到0.150～0.180 mm，再经浮选和电磁选，分选出无磁性重矿物样品，在双目镜(Nikon)下仔细挑选表面平整光洁且具不同柱锥面特征和不同颜色的锆石颗粒。然后将分选出的锆石颗粒排列在双面胶上，用混合有固化剂的环氧树脂胶结。待环氧树脂固化后，磨蚀抛光至锆石颗粒中心露出，制成样品靶。对样品靶的锆石进行显微镜下透射光和反射光的观察和照相以及阴极发光(CL)图像分析(JEOLJXA－8100 电子探针仪)。

锆石U－Pb定年(南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，Agilent HP 7500 ICPMS)采用氦气作为剥蚀物质的载气，通过φ3 mm的PVC管将剥蚀物质传送到ICP－MS，并在进入 ICP－MS之前与氩气混合，形成混合气。激光仪器工作参数为：波长213 nm，激光脉冲重复频率5 Hz，脉冲能量为 10～20 J/cm2，熔蚀直径为32 μm，剥蚀时间60 s，背景测量时间40 s。

样品同位素比值及元素含量计算采用Glitter V4.0程序，普通Pb校正采用Andersen(2002)的方法进行，校正后年龄计算及谐和图的绘制用Isoplot V2.49程序完成。

锆石Lu－Hf同位素原位分析(Nu Plasma MCICP－MS)以氦作为载气，激光束斑φ60 μm，溶蚀时间为60 s，溶蚀深度约为40 μm，剥蚀频率为5 Hz。实验采用MT作为外部标样，MT的176Hf/177Hf比值为0.282 530±30。εHf(t)计算采用的176Lu的衰变常数为1.865 ×10－11(Scherer et al，2001)，球粒陨石176Hf/177Hf比值0.282 772，176Lu/177Hf比值0.033 2(Blichert－Toft et al，1997)。亏损地幔 Hf模式年龄(tDM1)采用176Hf/177Hf比值0.283 251，176Lu/177Hf比值0.038 4计算，二阶段Hf模式年龄(tDM2)采用平均大陆壳176Lu/177Hf比值0.015计算(Griffin et al，2002)。

3 分析结果

3.1 锆石U－Pb年龄

样品中大多锆石呈浅黄色－无色，晶型较完整，颗粒多呈长柱状或板柱状，见少量不规则状或磨圆状，可能为继承锆石或捕获锆石。锆石CL图片显示，大多数锆石均具有清晰的韵律环带(图2)，指示岩浆稳定结晶的环境，极个别锆石未显示明显的韵律环带。

图2 宁芜盆地火山岩锆石CL图像Fig.2 Zircon CL images of volcanic rocks from the Nanjing-Wuhu Basin

锆石U－Pb定年分析结果列于表1，年龄谐和图见图3。部分岩浆岩中的锆石给出较老的结晶年龄，可能是继承锆石或在火山喷发、岩浆侵入过程中的捕获锆石。部分锆石由于U含量太高或普通Pb丢失，其不谐和年龄将在计算中被剔除。

3件样品中年轻锆石大多位于谐和线上(图3)，协和度都在90%以上，选取年龄相对集中的锆石计算加权平均年龄。大王山组DJS0901－10辉石安山岩锆石含有部分继承或捕获锆石的老年龄(＜500、895、1 600 ～1 900、2 238 Ma)，较年轻的谐和年龄206Pb/238U变化于126～137 Ma之间，加权平均年龄为(130.6±1.6)Ma;WZ0904－12安山岩样品锆石较年轻的谐和年龄206Pb/238U变化于128～138 Ma之间，加权平均年龄为(132.6±1.8)Ma。姑山组WZ0904－1安山岩样品锆石较年轻的谐和年龄206Pb/238U变化于126～134 Ma之间，加权平均年龄为(131.7±1.1)Ma。所有年龄表明这些火山岩均形成于早白垩世，而非传统的晚侏罗世。

表1 宁芜盆地火山岩锆石U-Pb定年结果Table 1 Zircon U-Pb dating of volcanic rocks from the Nanjing-Wuhu Basin

续表1

图3 宁芜盆地火山岩锆石U－Pb年龄谐和图Fig.3 Zircon U-Pb concordia of volcanic rocks in the Nanjing-Wuhu Basin

3.2 锆石Lu－Hf同位素

锆石Hf同位素分析结果显示，除了样品中捕获的老锆石，3件样品中白垩纪锆石的Hf同位素组成相对较均一(表2)。大王山组火山岩DJS0901－10样品中135 Ma前锆石的176Hf/177Hf初始比值为0.282 572～0.282 603，εHf(t)值范围 －3.22～ －4.07，平均值为－3.73;WZ0904－12安山岩样品～130 Ma锆石的176Hf/177Hf初始比值范围0.282 540～0.282 602，εHf(t)值范围 －3.29～ －5.43，平均 －4.54。姑山组 WZ0904－1辉石粗安岩锆石的176Hf/177Hf初始比值主要分布于0.282 468～～0.282 607之间，εHf(t)值范围 －3.04～ －7.94，平均 －4.53。3件样品Hf同位素组成基本一致(图4)，εHf(t)=－3～－6)表明可能来源于相似的源区，且岩浆演化过程中没有受到明显的地壳物质的混染。

表2 宁芜盆地火山岩锆石Hf同位素Table 2 Zircon Hf isotopic results of volcanic rocks from the Nanjing-Wuhu Basin

图4 宁芜盆地火山岩锆石U－Pb年龄－εHf(t)图Fig.4 Zircon U-Pb ages-εHf(t)diagram of volcanic rocks from the Nanjing-Wuhu Basin

4 讨论与结论

4.1 成岩时代对比

前人对宁芜盆地内的火山岩进行过较多的同位素测年工作，早期传统的K－Ar法定年结果所得的年龄分散且误差值稍大，可能与K－Ar较低的封闭温度有关。近年来，高精度锆石U－Pb定年结果显示龙王山组火山岩年龄为135～131 Ma，大王山组火山岩年龄为132～127 Ma，姑山组火山岩年龄为132～128 Ma，娘娘山组火山岩年龄为131～119 Ma(表3)。4个组的火山岩在误差范围内几乎一致。周涛发等(2011)通过研究火山岩地质特征和年代学，认为宁芜地区的4个火山岩旋回可以分为2个阶段：早期龙王山旋回和大王山旋回(时限约为135～130 Ma)，晚期姑山旋回和娘娘山旋回(时限约为130～127 Ma)。毛建仁等(1990)认为大王山与姑山旋回之间存在火山作用由强到弱、岩性从中基性到中酸性的转换。本次测得宁芜盆地4个旋回中2个大王山组火山岩的年龄为(130.6±1.6)Ma和(132.6±1.8)Ma，1个姑山组火山岩的年龄为(131.7±1.1)Ma，与前人定年结果在误差范围内一致。龙王山、大王山和姑山3个旋回形成时限约在135～127 Ma之间，娘娘山旋回一期碱性火山岩喷发较晚，最晚可能为119 Ma，说明前3个火山旋回较连续，无明显的岩浆宁静期时限(侯可军等，2010;周涛发等，2011;王丽娟等，2014b)。

宁芜盆地中大量发育玢岩型铁矿，前人对与铁矿成矿关系密切的闪长玢岩也进行过一些定年工作(表3)，其年龄集中于131～128 Ma;而偏酸性的侵入岩年龄集中在128～122 Ma之间。中基性侵入岩与火山岩形成时代相似，岩石地球化学成分也相似，指示可能属于同质异相体，而酸性侵入体应是岩浆演化最晚期的产物(王丽娟等，2014b)。

此外，在大王山组和姑山组火山岩中还发现少量捕获锆石，年龄变化很大，主要分布于700～2 500 Ma和460～228 Ma之间。而前人的研究在龙王山组也发现类似的捕获锆石(张旗等，2003;王丽娟等，2014b)，说明扬子地块东部可能存在元古代、古生代的基底。

除宁芜盆地外，长江中下游还分布有溧水、庐纵、繁昌和金牛等火山岩盆地，长江中下游盆地岩性自西向东表现出一定的分带性，前人曾认为这些盆地自西向东有逐渐年轻化的趋势(陈江峰等，2005;禹尧等，2009)。结合溧水盆地精确锆石定年数据(王丽娟等，2014a)和本次研究获得的新数据(表3)，各火山盆地的火山喷发时代基本一致，集中发生在135～125 Ma期间(除少量娘娘山组火山岩发生于119 Ma)，中基性侵入岩的年龄集中于132～127 Ma，偏酸性侵入岩的年龄集中于128～122 Ma，均为早白垩世产物。火山活动时限相对较短，峰期作用主要发生在130 Ma前，说明各个火山盆地的形成受到同一地球动力学机制控制。

4.2 岩浆源区

本次研究对3个样品进行了锆石的Hf同位素组成测试，结果显示宁芜火山岩锆石的εHf(t)值均为负值(－3～－7.9)，且Hf模式年龄远大于其形成年龄，说明宁芜盆地火山岩岩浆主要来自于富集地幔，或者岩浆源区受到过地壳物质的混染(吴福元等，2007)。在εHf(t)－年龄图解(图4)中，宁芜盆地2期火山岩分布于球粒陨石演化线之下，而且相对集中，呈弱富集的特点，这表明宁芜盆地火山岩的岩浆并未受到明显的地壳物质混染。侯可军等(2010)报道的宁芜地区岩浆岩锆石εHf(t)值的分布范围为－0.7～－6.9，平均值在－2.3～－5.0之间;胡劲平等(2010)报道的宁芜盆地与玢岩型铁矿成矿关系密切的辉长闪长玢岩锆石εHf(t)值为－6.3～－8.6;王丽娟等(2014b)报道的宁芜盆地龙王山、大王山、姑山旋回火山岩及同期次火山岩－侵入岩的锆石εHf(t)值为－2～－5，表明宁芜盆地火山岩和次火山岩具有相似源区。

表3 各盆地已发表火山岩-侵入岩年龄数据Table 3 Published ages of volcanic intrusive rocks from the basins

续表3

宁芜盆地火山岩普遍富钾，以橄榄玄粗岩系为主，晚期逐渐向高钾钙碱系列演化，通常认为碱性富钾质岩石的岩浆源区是含有角闪石或金云母等富钾矿物相的交代富集地幔。宁芜火山岩富集Rb、Ba、K等大离子亲石元素，亏损Nb－Ta和Ti等高场强元素，而无Zr－Hf异常，可证实富集地幔是由壳源熔体/流体交代形成(王丽娟等，2014b)。结合 Hf同位素组成，认为宁芜盆地火山岩及次火山岩源区可能为一个富集地幔，受过少量壳源物质的混染。

4.3 地球动力学背景

包括宁芜盆地在内的长江中下游火山岩盆地是中国东部火山岩的重要组成部分，其形成受中国东部中生代燕山期地球动力学背景制约，期间区域构造格局发生了重大转变，由近EW向转换为NE—NNE向(陶奎元等，1998;戚建中等，2000;毛景文等，2007)。目前多数学者认为，中国东南部燕山晚期岩浆活动形成于古太平洋板块对华南板块俯冲消减作用的构造背景。俯冲作用大致开始于早—中侏罗世(Jahn，1974;Zhou et al，2000)，侏罗纪中晚期(170～135 Ma)，古太平洋板块大致向SW方向俯冲，使整个研究区处于挤压状态，地层加厚，这与长江中下游地区岩浆岩由胶东地区向鄂东、九瑞和铜陵逐渐年轻(王丽娟等，2014a)，以及高钾钙碱性中酸性侵入岩形成于145～135 Ma(王彦斌等，2004;徐夕生等，2004)吻合。135 Ma之后，大洋板块的俯冲作用减弱，俯冲板片发生后撤，研究区整体转变为拉张背景，开始了包括宁芜盆地在内的一系列断陷盆地和强烈的火山作用(王丽娟等，2014a)。结合本次研究成果，宁芜盆地火山作用峰期发生于131～133 Ma之间，在时空关系上，与王丽娟等(2014a)提出的135 Ma之后太平洋板块后撤、拉张环境下形成一系列火山岩盆地的观点吻合。因此，笔者更倾向于宁芜盆地广泛的岩浆活动是太平洋板块俯冲作用减弱，发生后撤拉张背景下的产物。

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