东秦岭镇平地区花岗岩岩石地球化学特征及地质意义

赖 亚,赵国春*,李文兰,赖群生,樊中玲,易志强,文 景

LAI Ya1,ZHAO Guo-Chun1,LI Wen-Lan2,LAI Qun-Sheng3,FAN Zhong-Ling3,YI Zhi-Qiang3,WEN Jing3

(1.中国地质大学（北京），北京100083；2.中国科学院大学地球科学学院，北京100049；3.河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，郑州450000）

(1.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.College of Earth Science,University of Chinese Academy of Science,Beijing 100049,China;3.No.1 geological exploration institute,Henan provincial bureau of geo-exploration and mineral development,Zhengzhou 450000,China)

秦岭造山带是华北板块和扬子板块长期汇聚形成的复合造山带，西接昆仑和祁连造山带，东连桐柏-大别造山带，是我国中央造山系的重要组成部分[1-8]。秦岭造山带至少经历了新元古代、古生代和中生代构造岩浆热事件和造山作用[9-10]；区内发育大量花岗岩，研究这些花岗岩的时空分布和地球化学属性对完整了解秦岭造山带的形成和演化有着重要帮助。古生代花岗岩在秦岭岩浆岩中占据了重要地位，且主要分布于北秦岭，南秦岭仅有零星出露。对于北秦岭的花岗岩，前人已做了详细大量的研究[9-12]，其中王涛等[9]、王晓霞等[10]将北秦岭古生代花岗岩的演化过程分为三个阶段，并对各个阶段花岗岩时空演变及对造山作用的响应做了较为详细的探讨。石门岩体和五垛山岩体是北秦岭东部早古生代的两个侵入体。《河南省地质矿产志》[13]报道黄龙庙-四棵树岩体（石门岩体）黑云母K-Ar年龄为287 Ma，卢欣祥[14]获得四棵树岩体（石门岩体）黑云母K-Ar年龄为287～335 Ma；1∶5万马山口幅区域地质调查[15]报道尖顶岩体、黄石洞岩体（五垛山岩体）黑云母K-Ar年龄为312.5 Ma、332.4 Ma、299.1 Ma，卢欣祥[16]获得五垛山岩体40Ar-39Ar年龄为448 Ma、Rb-Sr年龄为480 Ma。以往获得的年龄值受当时测试技术限制年龄值差别较大，为此本文以石门岩体和五垛山岩体为研究对象，对其形成时代、岩浆来源和构造环境等方面进行了讨论。

图1 东秦岭大地构造略图Fig.1 The tectonics map ofeast Qinlingbelt

1 地质背景

秦岭造山带北以三门峡-鲁山断裂，南以勉略-襄广断裂为界分别与华北板块和扬子板块相邻；其东部镇平地区以栾川-维摩寺断裂、商丹断裂、淅川断裂为界，自北向南可分为华北板块南缘、北秦岭、南秦岭、扬子板块北缘[17-18]（图1）；北秦岭以瓦穴子断裂、朱夏断裂为界，自北向南依次分布有宽坪岩群、二郎坪群、秦岭岩群[19]，石门岩体和五垛山岩体侵入于二郎坪群中。宽坪岩群为一套强烈变形、变质程度以高绿片岩相为主的中低级变质岩系，原岩主要为（中）基性火山岩、碎屑岩及碳酸盐岩，总体显示为一套类复理石建造[20-25]。二郎坪群是由两个大的沉积-火山喷发旋回组成，变质程度自西向东由轻微变质至高绿片岩相，形成于大陆边缘弧后裂谷盆地环境[20,26-28]，形成时代为早古生代。早古生代早期，华北板块南缘发生弧后扩张，形成了陆缘裂谷型的二郎坪群弧后盆地[29]。晚寒武世-早奥陶世，可能存在着以秦岭岩群为核部的双向俯冲，即秦岭洋（商丹洋）沿商丹带向北俯冲、二郎坪群弧后盆地沿朱夏带向南俯冲[9-10]；受俯冲作用影响，弧后盆地向北迁移，在其北侧形成了晚古生代柿树园组的裂陷槽沉积，原二郎坪群弧后盆地闭合，俯冲型岩体相继侵位，秦岭岩群向北推覆到二郎坪群之上。秦岭岩群为一套中深变质的长英质（部分为富铝质）陆源碎屑岩-碳酸盐岩夹基性火山岩建造，构造变形强烈，变质程度可达高角闪岩相-麻粒岩相。

2 岩体地质及岩石学特征

2.1 石门岩体

该岩体分布于四棵树-石门-安皋一带（图2）；北侧侵入早古生代二郎坪群及板山坪岩体，东侧为南阳盆地；西侧被五垛山岩体侵入，二者具有清楚的分界线。石门岩体岩性主要为中细粒黑云母二长花岗岩，少部分为似斑状中粒黑云母二长花岗岩，岩石呈灰白色，中细粒-中粒花岗结构、似斑状结构，块状构造（图3a）。主要矿物组成为：斜长石（30%～40%），自形-半自形板状；钾长石（20%～35%），半自形-它形板状；石英（25%～30%），它形粒状，多呈集合体形状；片状黑云母（5%～10%）；白云母1%±（图3b）。似斑状中粒黑云母二长花岗岩中斑晶为钾长石，呈自形-半自形板状，局部卡氏双晶发育，粒度一般为（1～1.5）×（1.5～2.5）cm2，少量可达 1.5×（2～3）cm2，含量 3%～20%。

图2 石门岩体和五垛山岩体地质简图Fig.2 Schematic geological map ofShimen and Wuduoshan plutons

2.2 五垛山岩体

该岩体分布于朱夏断裂北侧云磨垛-五垛山一带，南侧侵入推覆到二郎坪群之上的秦岭岩群，西侧和北侧侵入二郎坪群，东侧侵入石门岩体。五垛山岩体岩性主要为中粗粒黑云母二长花岗岩，少部分为中粒黑云母二长花岗岩、似斑状中粒黑云母二长花岗岩，岩石呈灰白色，中粗粒-中粒花岗结构、似斑状结构，块状构造（图3 c）。主要矿物组成为：斜长石（25%～40%），自形-半自形粒状；钾长石（20%～35%），半自形-它形粒状；石英（25%±），它形粒状；黑云母（3%～7%），片状（图3 d）。似斑状中粒黑云母二长花岗岩中斑晶为钾长石，自形—半自形板状，局部卡氏双晶发育；粒度一般为（0.8～1.5）×（1.5～2.5）cm2，少量可达（1～2.5）×（4～5）cm2，含量 10%～30%。

图3 石门岩体和五垛山岩体野外及镜下照片Fig.3 Field photographs and microphotographs ofthe Shimen and Wuduoshan granitoid

3 分析方法

3.1 锆石U-Pb定年

石门岩体的样品（ZHS1-2）采集于该岩体的中北部，岩性为中细粒黑云母二长花岗岩，五垛山岩体的样品（ZHW1-2）采集于该岩体的东南部，岩性为中粗粒黑云母二长花岗岩；样品重量约3 kg。样品的锆石单矿物分选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。将锆石和标样一起粘在玻璃板上，用环氧树脂浇铸，制成样靶、抛光，并拍摄透射、反射光照片和阴极发光照片，对锆石颗粒的影像特征进行综合分析以初步判断其成因。

锆石LA-ICP-MS测试由天津地质矿产研究所完成，测试仪器为激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪。实验选择的标样为91500，206Pb/238U年龄的加权平均值误差为±2σ。U/Pb比值数据处理使用软件LaDating@Zrn，校正Pb同位素处理使用软件ComPbcorr#3-18（Anderson etal[30]），校正后的数据使用美国Berkeley地质年代学中心Ludwig[31]编制的ISOPLOT和SQUID程序计算年龄。

3.2 岩石化学全分析

6件样品的制样及分析由河南省（地矿局）岩石矿物测试中心完成。主量元素和微量元素Rb、Nb、Zr、Ba采用 X 荧光光谱仪 3080E 测试，按GB/T14506.28-1993标准执行，烧失量采用UV1902PC紫外分光光度计测试，按LY/T1253-1999标准执行；分析的相对标准偏差小于2%～8%。稀土元素和微量元素 Th、U、Ta、Pb、Hf、Sr采用热电XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪测试，按DZ/T0223-2001标准执行；大多数元素检出限可达到10-8，少数元素为10-6（Ba、Zr）和10-7（Nb、Hf），相对标准偏差小于10%。

4 结果

4.1 锆石U-Pb定年

两个样品的定年结果见表1，谐和曲线及加权平均年龄见图4，定年样品锆石特征分述如下：

图4 石门岩体（左）、五垛山岩体（右）锆石207Pb/235U—206Pb/238U谐和曲线及加权平均年龄Fig.4 U-Pb concordia and weighted average diagrams ofthe Shimen（left）and Wuduoshan（right）granitoid

（1）样品ZHS1-2，锆石呈深粉色，部分锆石铁染而呈黄色，透明，金刚光泽。形态为长柱状、短柱状和粒状，粒径0.03～0.32 mm；晶形为半自形双锥柱状及断柱状，个别为自形双锥柱状；部分锆石内可见黑色、红色固相、气液包体；长宽比1.3～3.0，少数3.0～4.9，个别可到6.0。一些锆石显示核、幔、边结构，核部浑圆状，无明显结晶环带，显示残留核或继承核特征；幔部结晶环带发育的锆石显示岩浆结晶成因特点。位于核部的测点给出1302 Ma的不谐和207Pb/206Pb年龄，可解释为残留核或继承核年龄。几个较老的年龄数据（451～461 Ma）与全部年龄值的加权平均值相差较大，可解释为捕获锆石年龄，不排除是混合年龄的可能，不参与年龄值的计算。Th/U值为0.13-0.47（表1中省略），获得的锆石206Pb/238U加权平均年龄为428.3±2.1Ma。

（2）样品ZHW1-2，锆石呈深粉色，透明，金刚光泽。形态为长柱状、短柱状和粒状，粒径0.02～0.46 mm；晶形为半自形双锥柱状及断柱状，少数为自形双锥柱状，偶尔可见连晶；部分锆石内可见黑色固相包体和裂纹；长宽比1.3～3，少数3～4。一些锆石显示核、幔、边结构，核部浑圆状，无明显结晶环带，显示残留核或继承核特征；发育多层同心环带的锆石显示岩浆结晶成因特点。一些不谐和207Pb/206Pb年龄（598～653 Ma）可能是Pb丢失的结果。Th/U值为0.28-1.34（表1中省略），获得的锆石206Pb/238U加权平均年龄为414.5±2.3Ma。

4.2 岩石地球化学特征

石门岩体和五垛山岩体样品主量、微量和稀土元素分析结果见表2及表3；在TAS分类图解（图5）中，样品均落入花岗岩区。

4.2.1 石门岩体

SiO2含量为72.72%～74.02%，全碱含量7.83%～8.15%，K2O/Na2O 比值为 0.90～1.57，Al2O3含量14.31%～15.17%，MgO含量0.25%～0.45%，CaO含量1.20%～1.47%，具有高硅、碱，低镁的特征。A/CNK值为1.09～1.13，CIPW标准矿物计算中出现刚玉，在A/NK-A/CNK图解落入过铝质区域（图6），属于过铝质岩石。里特曼指数σ（43）=1.92～2.13，在SiO2-K2O图解上落入高钾钙碱性系列区域（图 7）。

表1 石门岩体和五垛山岩体锆石LA-ICP-MS定年结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Shimen and Wuduoshan granitoid

续表1

稀土元素总量为 77.24×10-6～191.70×10-6，总量较低且变化较大；轻重稀土元素比值LREE/HREE 为 11.45～16.75，(La/Yb)N为 19.47-35.35，反映了较强的轻重稀土元素分馏，轻稀土元素富集。稀土元素配分模式图为右倾型（图8），Dy-Lu段曲线大致近水平，反映了重稀土元素分异不明显；重稀土元素亏损显著且大致呈平坦型分布，可能说明了岩浆源区残留体可能聚集了较多的富集重稀土元素的矿物（如石榴子石和角闪石）。δEu为0.47～0.68，具明显的Eu负异常。该岩体富集大离子亲石元素，在微量元素蛛网图中，出现明显的Nb、P、Ti负异常（图 9），显示出火山弧花岗岩的特征。ZHS1-1、ZHS1-2两样品具高Sr低Y的特点，Sr/Y＞45（50.4、64.0）。

4.2.2 五垛山岩体

SiO2含量为70.66%～76.70%，全碱含量为8.16%～8.47%，K2O/Na2O比值为 1.46～1.72，Al2O3含量为 12.53%～14.34%，MgO含量为 0.14%～0.56%，CaO含量0.89%～2.01%，具有高硅、钾，低镁的特征。A/CNK值为1.01～1.05，CIPW标准矿物计算中出现刚玉，在A/NK-A/CNK图解中，落入过铝质区域及边界（图6），属于过铝质岩石。里特曼指数 σ（43）=2.10～2.30。在 SiO2-K2O图解中，落入高钾钙碱性系列区域（图7）。

稀土元素总量为 70.78×10-6～353.10×10-6，总量较高且变化大；轻重稀土元素比值LREE/HREE 为 24.76～28.12，(La/Yb)N为 44.93～46.93，反映了比石门岩体更强的轻重稀土元素分馏，轻稀土元素更富集。稀土元素配分模式图为右倾型（图8），与石门岩体相似。δEu为0.58～0.93，具明显的Eu负异常至微弱负异常，明显负异常可能是岩浆结晶分异期间斜长石结晶将Eu带出引起，表明了岩浆分异演化的不均一。该岩体富集大离子亲石元素，在微量元素蛛网图中，亦出现明显的Nb、P、Ti负异常（图9）。

表2 石门岩体和五垛山岩体主量元素分析结果（%）Table 2 Major elements analysis results(%)of samples from the Shimen and Wuduoshan plutons

表3 石门岩体和五垛山岩体微量元素和稀土元素分析结果（×10-6）Table 3 Trace elements and REE analysis results(×10-6）of samples from the Shimen and Wuduoshan plutons

图5 石门岩体和五垛山岩体TAS分类图解Fig.5 TASclassification ofthe Shimen and Wuduoshan granitoid

图6 石门岩体、五垛山岩体A/NK-A/CNK判别图解Fig.6 A/NK-A/CNKplotoftheShimenandWuduoshangranitoid

图7 石门岩体和五垛山岩体SiO2-K2O图解Fig.7 SiO2-K2Oplot ofthe Shimen and Wuduoshan granitoid

5 岩体侵位时代、成因及构造环境

5.1 岩体侵位时代

镇平地区石门岩体和五垛山岩体两个样品中挑选出的锆石具有晶形完好、晶棱清晰、长宽比较大、幔部结晶环带发育的特征，从而保证了测试结果的可靠性。根据LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果，可以将镇平地区花岗岩侵入时代分为中志留世（428.3±2.1 Ma，石门岩体）和早泥盆世（414.5±2.3 Ma，五垛山岩体）两个阶段。

5.1.1 第一阶段428.3±2.1Ma（石门岩体）

石门岩体岩性主要为中细粒黑云母二长花岗岩，侵入二郎坪群及板山坪岩体。岩石化学具高硅、钠，低镁的特征，属过铝质、钙碱性系列岩石。通常将花岗岩类的A/CNK=1.1值和Fe2O3/FeO比值（0.4）作为区分I型花岗岩和S型花岗岩的标志；I型花岗岩A/CNK小于1.1，Fe2O3/FeO比值大于0.4，S型花岗岩则相反。研究发现，晚奥陶世-中志留世的花岗岩是秦岭古生代花岗岩的主体，遍布整个北秦岭，且以I型花岗岩为主。石门花岗岩体A/CNK的值为1.09-1.13，而Fe2O3/FeO比值为4.5-7.3，在A-C-F图解中样品落入I型花岗岩区（图10）。

5.1.2 第二阶段414.5±2.3Ma（五垛山岩体）

五垛山岩体岩性主要为中粗粒黑云母二长花岗岩，侵入秦岭岩群、二郎坪群和石门岩体。岩石化学具高硅、钾，低镁的特征，属过铝质、钙碱性系列岩石。A/CNK值为 1.01-1.05，Fe2O3/FeO比值为0.4-1.4，在A-C-F图解中样品落入I型花岗岩区（图 10）。

5.2 岩石成因

5.2.1 石门岩体

石门岩体为I型花岗岩，岩石地球化学特征与北秦岭晚奥陶世-中志留世I型花岗岩相似，在微量元素蛛网图中，轻稀土和大离子亲石元素的曲线形态相似，出现Nb、P、Ti负异常。晚奥陶世-中志留世是秦岭古生代花岗岩侵位的主要时代，在该时期形成大量有幔源物质加入下地壳深熔为主的I型花岗岩[9-10]。同时，石门岩体还具有高Sr低Y的特点。一般认为，具有高Sr低Y特征的中酸性侵入岩其源区深度可能超过40 km[32-33]。

图8 石门岩体和五垛山岩体稀土元素配分模式图Fig.8 REE pattern diagrams ofthe Shimen and Wuduoshan granitoids

图9 石门岩体和五垛山岩体微量元素蛛网图Fig.9 PM-normalized trace element spidergrams ofthe Shimen and Wuduoshan granitoids

图10 石门岩体和五垛山岩体A-C-F判别图解Fig.10 A-C-F plot ofthe Shimen and Wuduoshan granitoids

综上，石门岩体为I型花岗岩，其成因可能以下地壳深熔为主，并有幔源物质加入。

5.2.2 五垛山岩体

岩石地球化学特征表明，五垛山岩体的微量元素及稀土元素与石门岩体相似，均表现为富集大离子亲石元素，Ta、Nb、P、Ti负异常，显示出火山弧花岗岩特征。稀土元素Eu负异明显至不明显，配分曲线为右倾型；比石门岩体更强的轻重稀土元素分馏，轻稀土元素更富集。与石门岩体相比，五垛山岩体的高Sr低Y特征不明显，暗示源区深度相对较浅。

综上，五垛山岩体为I型花岗岩，其成因同石门岩体，可能以下地壳深熔为主，并有幔源物质加入，形成深度较石门岩体浅。

5.3 花岗岩形成的构造环境

Maniar[34]等按照构造环境将花岗岩划分为7类，其中与造山作用的有关的花岗岩有岛弧型（IAG）、大陆弧型（CAG）、大陆碰撞型（CCG）和造山期后型（POG）四类。本文样品在CaO-(TFeO+MgO)图解和 MgO-TFeO 图解（Maniar，1989）[34]中的投点均落入IAG+CAG+CCG区域（图11 a-b）；在Yb-Ta和 (Yb+Ta)-Rb构造环境判别图解（图11 c-d，据Pearce[35]）中，分别落入syn-COLG与VAG边界附近、VAG区域。据此推测，石门岩体和五垛山岩体均为岛弧型系列。

镇平地区位于北秦岭构造带东段，经历了复杂的地质演化历史，前人对秦岭构造带做了大量的工作，对其地质演化提出了众多认识，特别是对古秦岭洋的俯冲时限和俯冲方向存在不同认识。近年，王涛等[9]、王晓霞等[10]综合考虑秦岭洋沿商丹构造带、二郎坪弧后盆地沿朱夏构造带俯冲、碰撞的格局，认为在早古生代可能存在着以秦岭岩群为核部的双向俯冲，即秦岭洋（商丹洋）沿商丹带向北俯冲、二郎坪弧后盆地沿朱夏带向南俯冲，并将北秦岭古生代的造山过程分为三个阶段：第一阶段（505～470Ma），以板块俯冲为主；第二阶段（450～422Ma），为块体的聚合碰撞过程；第三阶段（415～400Ma），为全面聚合碰撞的晚期。

晚奥陶世-中志留世的花岗岩在北秦岭构造带大量发育，根据区域构造研究，该时期已经发生块体碰撞，致使秦岭岩群向西挤出抬升，花岗岩侵位中心向东迁移[9,10,36]。石门岩体位于北秦岭构造带东部，锆石U-Pb年龄为428.3±2.1 Ma，属中志留世。碰撞作用致使地壳加厚，在其后的块体抬升过程中，有幔源物质加入的下地壳熔融形成岩浆并上侵，形成I型花岗岩的石门岩体。

早泥盆世（415-400Ma）的花岗岩活动较弱，形成于碰撞晚期阶段。五垛山岩体锆石U-Pb年龄为414.5±2.3 Ma，根据花岗岩强烈分异、富钾的特征推断，岩体是在非挤压伸展环境下陆壳物质熔融岩浆较强分异演化的结果，其形成指示构造活动已明显减弱。

图11 石门岩体和五垛山岩体构造环境判别图Fig.11 Tectonic environmental plots the Shimen and Wuduoshan granitoids

6 结论

（1）石门岩体和五垛山岩体岩性均为黑云母二长花岗岩，地球化学特征为高硅、低镁，富集轻稀土元素和大离子亲石元素，亏损重稀土元素，显示为I型钙碱性花岗岩类。物质来源均以壳源为主，并有幔源物质加入。

（2）LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果：石门岩体为428.3±2.1 Ma，形成于中志留世阶段，五垛山岩体为414.5±2.3 Ma，为早泥盆世阶段。

（3）石门岩体和五垛山岩体均为岛弧型花岗岩，它们的形成与扬子板块和华北板块在早古生代俯冲碰撞作用有关。石门岩体形成于碰撞抬升阶段，五垛山岩体形成于碰撞晚期阶段。

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