华北克拉通东南缘蚌埠隆起带荆山—涂山岩体地质地球化学特征再认识

2018-12-27康丛轩杨献忠蔡逸涛黄先觉孔广林李朝维

现代地质 2018年6期

康丛轩，杨献忠，蔡逸涛，宗雯，黄先觉，孔广林，李朝维

(1.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏南京 210016；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 211100；3.江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018；4.安徽省地质矿产勘查局312地质队，安徽蚌埠 233040)

0 引言

蚌埠隆起带位于华北克拉通东南缘。前人对区内花岗质侵入体的研究已积累了大量的年代学和同位素地球化学数据[1-10]。宋利宏等通过对晚中生代岩体的研究证明该区经历了中—晚侏罗世(167～148 Ma)和早白垩世(130～112 Ma)两期岩浆活动，岩体的变形记录指示华北克拉通东部晚中生代由挤压向伸展构造体制转变发生在148～130 Ma期间[10]。华北克拉通东部晚中生代伸展活动的峰期出现在早白垩世，伴随着强烈的岩浆活动与岩石圈减薄，从而导致了克拉通的破坏[11-20]。

本文结合作者的野外与室内工作，通过对蚌埠隆起带荆山—涂山岩体进行系统岩石学、年代学、地球化学分析，在前人研究成果基础上对岩体地质地球化学特征进行讨论，总结并归纳其成因，以期进一步了解华北克拉通东南部岩浆作用及动力学演化。

图1 蚌埠隆起带地质简图(据《安徽省东部1∶20万地质图》和宋利宏等[10]修编)Fig.1 Geological sketch map of Bengbu uplift belt(modified after 1∶200,000 Eastern Anhui Map and Song Lihong et al.[10])

1 地质概况及岩石学特征

蚌埠隆起带东接郯庐断裂，南邻大别造山带后陆盆地。区内花岗质岩体出露广泛，岩浆作用以中生代和新生代最为强烈，侵入岩以中酸性花岗岩类为主。区内侵入体主要出露于怀远、蚌埠、凤阳一带，多呈东西向展布，部分呈北北东向展布，多呈岩瘤状、少为岩株状产出，侵入围岩为五河群杂岩(图1)。荆山—涂山岩体出露于蚌埠隆起带西侧，岩体年龄集中在(160.4±1.3)～(162.8±1.8) Ma之间，岩性为片麻状二长花岗岩。荆山—涂山岩体地表表现为两个侵入体，深部可能连为一体，长轴沿蚌埠复背斜呈东西向延伸，出露面积约17 km2。岩体可分为边缘相和内部相，边缘相为中细粒结构，内部相为中粗粒结构。侵入围岩为五河群西崮堆岩组和庄子里岩组斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩夹大理岩，二者界线清楚，在童郢一带岩体中含有角闪斜长片麻岩捕虏体，呈圆滑状，且岩体的岩石中暗色矿物含量相对较多，具有弱片麻状构造[21]。

荆山岩体岩石具有斑状结构，斑晶为石英(9%～13%)、斜长石(8%～12%)和钾长石(17%～21%)，钾长石主要为条纹长石和微斜长石；基质具有显微晶质结构，含量为50%～55%；另可见少量暗色矿物黑云母(2%～4%)和普通角闪石(1%～4%)。石英斑晶多熔蚀，呈浑圆状和港湾状，粒径变化较大，边部具有基质嵌入现象。斜长石斑晶一部分呈自形板状，另一部分晶界熔蚀明显，粒径变化较大；钾长石斑晶自形程度稍差，主要为条纹长石和微斜长石，部分颗粒具有石英和斜长石嵌晶。黑云母呈片状，边部可见较多暗化现象，角闪石为普通角闪石，呈柱状，可见两组闪石式解理(图2)。

图2 荆山岩体野外露头(a)及镜下显微照片((b)斑状结构，基质为显微晶质结构)Fig.2 Outcrop photo (a) and thin section microphotograph (b) of the Jingshan granites

图3 涂山岩体野外露头(a)及镜下显微照片((b)斑状结构，斑晶强烈泥化和绢云母化)Fig.3 Outcrop photo (a) and thin section microphotograph (b) of the Tushan granites

涂山岩体岩石具有斑状结构，基质为显微晶质结构至隐晶质结构，斑晶主要为石英(9%～14%)、斜长石(12%～15%)和钾长石(14%～19%)。石英斑晶自形程度较高，为四边形或六边形，边部可见熔蚀，呈港湾状，并见机械破碎，碎裂带中充填有次生石英，粒径变化较大；斜长石呈自形板状或长柱状，发育典型的聚片双晶，部分颗粒可见机械破碎和熔蚀，多具有强烈的高岭土化和绢云母化，粒径变化较大；钾长石主要为正长石和条纹长石，呈自形板状，多可见钾长石中包含小颗粒的斜长石，部分钾长石斑晶也见边部环绕有斜长石集合体，构成二长结构，钾长石整体较新鲜(图3)。

2 样品采集及分析方法

本次研究所采样品尽量保证采集新鲜未蚀变或蚀变较弱的岩石。岩石全岩主量、微量元素的测试分析在国土资源部华东矿产资源监督检测中心完成，主量分析仪器为波长色散X射线荧光光谱仪。微量及稀土元素分析仪器为电感耦合等离子体质谱仪，型号为美国Thermo Fisher公司的ICAPQ。

单矿物挑选在河北省廊坊市诚信地质服务有限公司完成。将挑选出的锆石颗粒置于环氧树脂制靶，固化之后抛光，用于CL阴极发光照相、锆石U-Pb定年及Lu-Hf同位素分析。本次锆石制靶

及CL阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成。

锆石U-Pb定年及Lu-Hf同位素测试在中国地质调查局天津地质调查中心完成，所用仪器为多接收等离子体质谱仪。采样过程以氦气作为载气，束斑直径为40 μm。采样方式为单点剥蚀、跳峰采集。普通铅校正采用Anderson(2002)提出的ComPbCorr#3.17校正程序，U-Pb谐和图、年龄分布频率图绘制和年龄权重平均计算采用Isoplot/Ex_ver 3[22]程序完成；Lu-Hf同位素测试所用仪器为Neptune II MC-ICP-MS，对锆石测试点进行原位分析。测定时使用锆石国际标样 GJ1 作为参考物质。全岩Sm-Nd同位素测定在核工业北京地质研究院完成，所用仪器为 IsoProbe热电离质谱仪，仪器型号为ISOPROBE-T。

3 分析结果

3.1 岩石地球化学特征

图4 荆山—涂山岩体全碱-硅分类 ((a)底图据Middlemost[23])及SiO2-AR关系图((b)底图据Wright[24]) Fig.4 Total alkali vs. silica classification diagram ((a)Base map after Middlemost[23]) and SiO2 vs. AR diagram ((b) Base mapafter Wright[24]) of the Jingshan-Tushan granitesIr.Irvine 分界线，上方为碱性，下方为亚碱性

蚌埠隆起带荆山—涂山岩体全岩主量元素分析结果列于表1。结合前人研究成果，由测试数据分析显示，SiO2含量介于72.34%～74.92%之间，平均为73.23%；分异指数(DI)为88.94%～93.56%，反映了岩体经过高程度的分异演化作用；岩石全碱(K2O+Na2O)含量介于7.63%～8.88%之间，平均值8.37%，表明岩浆碱硅质分异演化较为彻底，属亚碱性花岗质岩石(图4)。TAS图解显示样品投点基本为高钾钙碱性系列(图5(a))；岩石钠钾比变化于0.87～1.54之间；铝饱和指数(A/CNK)为0.98～1.38；铝碱比为1.19～1.41，总体上铝碱比偏高，钙碱比偏低；A/CNK-A/NK图解显示样品投点属准铝—过铝质类型(图5(b))。

表1荆山—涂山岩体主量元素组成(wB/%)

Table1MajorelementcompositionsoftheJingshan-Tushangranites(%)

样品SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMnOMgOCaONa2ODJS-173.040.0714.650.320.280.031.570.133.73DJS-272.630.1014.550.440.460.031.260.173.92DJS-372.420.1014.920.520.560.041.840.183.20DJS-474.920.0913.940.200.680.060.141.413.71DTS-172.340.0715.110.420.470.041.910.133.33DTS-273.490.0714.170.300.290.021.260.064.22DTS-373.670.0713.900.560.680.080.221.374.49DTS-473.350.0813.940.480.830.030.431.524.25样品K2OP2O5烧失量总量Na2O+K2OK2O/Na2OσA/CNKA/NKDJS-14.740.020.8099.388.471.272.391.271.30DJS-24.960.020.8099.348.881.272.661.201.23DJS-34.920.020.6299.348.121.542.241.371.41DJS-43.920.020.5599.647.631.061.821.081.35DTS-14.870.020.7199.428.201.462.291.381.41DTS-24.600.010.9399.428.821.092.551.181.19DTS-33.900.030.4799.448.390.872.300.991.20DTS-44.200.050.3799.538.450.992.350.981.21

注:DJS-4、DTS-3、DTS-4样品数据来源于《1∶25万蚌埠市幅区域地质调查报告》；其余数据为本文实测，测试单位为国土资源部华东矿产资源监督检测中心。

图5 荆山—涂山岩体K2O-SiO2图解((a)实线据 Peccerillo等[25]；虚线据 Middlemost[26])和A/CNK-A/NK图解((b)底图据Middlemost[23])Fig.5 K2O vs. SiO2 diagram ((a)solid line after Peccerillo[25]; dotted line after Middlemost [26] ) and A/CNK vs. A/NK diagram ((b)base map after Middlemost[23]) of the Jingshan-Tushan granites

样品PbCrNiCoRbSrBaVScNbTaZrHfDJS-139.6012.3017.10410.00107.00457.001 700.00 13.001.205.101.4050.70<1DJS-222.4012.5014.60243.00103.00479.002 090.00 16.301.807.001.1051.10<1DJS-340.7012.9015.00344.0097.10545.001 960.00 12.002.4012.301.5071.701.10DJS-4-4.702.100.20109.00443.001 947.00 -1.307.900.4091.602.90DTS-125.1013.8016.30289.0080.20527.001 480.00 13.801.605.001.1042.50<1DTS-226.0012.3019.20466.00116.00331.001 700.00 12.401.707.901.4063.401.20DTS-3-9.201.602.6080.00508.001851.30508.00-6.20-94.00-样品UThLaCePrNdSmEuGdTbDyHoErDJS-10.671.806.2010.701.304.800.940.650.870.140.870.190.65DJS-21.201.606.3010.801.304.600.970.730.950.181.100.230.67DJS-32.402.106.7011.601.405.101.000.700.880.110.500.080.21DJS-40.502.507.5911.671.925.711.220.331.090.211.530.371.23DTS-10.711.605.409.501.204.100.830.550.820.140.950.200.61DTS-20.902.005.6010.001.204.300.920.620.940.181.200.290.94DTS-3-1.108.4615.601.706.171.220.460.960.171.240.330.94样品TmYbLuYΣREELREE/HREE(La/Yb)NLREEHREEδEuδCeDJS-10.120.930.166.1028.526.264.7824.593.932.160.88DJS-20.110.720.117.2028.776.076.2824.704.072.300.88DJS-30.030.240.042.6028.5912.6920.0226.502.092.230.88DJS-40.231.630.289.6135.014.333.3428.446.570.860.73DTS-10.100.680.116.2025.195.985.7021.583.612.010.88DTS-20.181.300.2210.0027.894.313.0922.645.252.020.90DTS-30.130.740.107.6638.227.298.2033.614.611.250.95

注:DJS-4、DTS-3样品数据来源于《1∶25万蚌埠市幅区域地质调查报告》；其余数据为本文实测，测试单位为国土资源部华东矿产资源监督检测中心。

荆山—涂山岩体稀土、微量元素分析结果见表2。稀土元素总量25.19×10-6～38.22×10-6，轻稀土元素总量为21.58×10-6～33.61×10-6，重稀土元素总量为2.09×10-6～6.57×10-6，轻重稀土元素比值(LREE/HREE)为4.31～12.69，轻稀土元素相对富集；(La/Yb)N=3.09～20.02，稀土元素配分模式图显示了明显的正Eu异常，结合Sr的富集表明，源区无稳定的斜长石残留相，且岩浆源区的斜长石熔融进入了原始岩浆；δEu=0.86～2.30，平均为1.83；δCe=0.73～0.95，显示铈异常不明显或无异常。荆山—涂山岩体稀土元素异常的样品可能是由于后期受风化及热动力改造作用影响，导致元素活性改变，尤其重稀土元素活性改变，在此不单独讨论。原始地幔标准化微量元素蛛网图显示K、P和Ti有较明显的亏损，Rb、Ba、U、La、Sr、Zr和Sm元素相对富集(图6)。

3.2 锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄

荆山—涂山岩体样品中的锆石颗粒在CL阴极发光照片下显示具典型的振荡环带结构，半自形—自形，结构简单，绝大多数晶形较完整，部分碎裂，粒径60～200 μm，部分锆石内部见小晶核或有熔蚀现象，可能为捕获或继承锆石[28-29]。

图6 荆山—涂山岩体球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)及原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化数值据Sun等[27]) Fig.6 Chondrite-normalized REE pattern(a) and primitive mantle-normalized spider diagram(b) of the Jingshan-Tushan granites (normalizing values after Sun et al.[27])

本次研究测年样品中荆山岩体(DJS-1)选取17个测点进行微区定年，获得年龄值变化于(158.7±1.6)～(228.6±2.4) Ma之间，1个测点未参与年龄计算；其中14个测点年龄集中在(158.7±1.6)～(168.1±2.6) Ma之间，其206Pb/238U加权平均年龄为(162.8±1.8) Ma，MSWD=1.6；涂山岩体(DTS-1)选取23个测点进行定年，获得年龄(158.4±2.3)～(246.9±3.7) Ma，其中19个测年年龄集中于(158.4±2.3)～(168.1±2.8) Ma之间，206Pb/238U加权平均年龄为(162.6±2.3) Ma，MSWD=1.5(表3)。以上年龄在谐和图上均投影在谐和线上或附近，代表了岩体的结晶年龄(图7)。

3.3 Lu-Hf同位素组成

锆石原位Hf同位素示踪研究越来越受到人们的重视[30-33]，前人对蚌埠隆起带中生代花岗质侵入体的同位素研究做过大量的工作，认为荆山—涂山岩体深部连为一体；结合相似的地球化学特征，本次Lu-Hf同位素测试选择荆山岩体锆石。结果(表4)显示荆山岩体176Hf/177Hf比值介于0.282 084～0.282 358之间，平均值为0.282 216；计算所得εHf(t)值介于-21.14～17.51之间，大多数集中于-19～-12之间；二阶段模式年龄TDM2变化范围为1.31～2.54 Ga之间，平均为2.20 Ga。fLu-Hf值介于-0.99～-0.88之间，小于镁铁质地壳的fLu-Hf(-0.34[31])和硅铝质地壳的fLu-Hf(-0.72[30])，二阶段模式年龄反映了其源区物质从亏损地幔被抽取的时间。Hf同位素相关计算公式中采用陆壳的176Hf/177Hf平均比值为0.015[33]。

3.4 全岩Sm-Nd同位素

由全岩Sm-Nd同位素数据(表5)可知，荆山岩体2个样品(DJS-1,DJS-2)εNd(t)值分别为-18.02、-17.91，147Sm/144Nd比值为0.113 20、0.123 90，143Nd/144Nd比值为0.511 71、0.511 72，二阶段模式年龄(TDM2)为2.26 Ga、2.29 Ga；涂山岩体(样品DJS-1)εNd(t)=-16.73，147Sm/144Nd=0.120 30，143Nd/144Nd=0.511 70，二阶段模式年龄(TDM2)为2.31 Ga。fSm/Nd总体变化于-0.42～-0.37之间。

图7 荆山—涂山岩体锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图Fig.7 LA-ICP-MS zircon U-Pb age concordia diagrams for the Jingshan-Tushan granites

样号t/Ma176Yb/177Hf176Lu/177Hf176Hf/177Hf2σεHf(0)εHf(t)TDMTDM2fLu-HfDJS-1-11590.071 140 0.002 629 0.282 084 0.000 016 -24.34-21.141 7182 542-0.92DJS-1-21 724 0.079 330 0.003 112 0.282 281 0.000 022 -17.3617.511 4511 312-0.91DJS-1-31630.065 974 0.002 473 0.282 260 0.000 019 -18.12-14.811 4572 150-0.93DJS-1-41630.023 143 0.000 917 0.282 358 0.000 020 -14.64-11.181 2601 920-0.97DJS-1-51630.077 667 0.002 859 0.282 204 0.000 024 -20.10-16.831 5542 276-0.91DJS-1-61610.086 668 0.003 337 0.282 257 0.000 023 -18.22-15.051 4962 162-0.9DJS-1-71640.049 394 0.001 493 0.282 154 0.000 022 -21.86-18.441 5682 378-0.96DJS-1-81660.066 884 0.002 472 0.282 221 0.000 023 -19.48-16.131 5122 233-0.93DJS-1-91660.083 528 0.002 965 0.282 166 0.000 022 -21.43-18.111 6142 359-0.91DJS-1-101640.010 036 0.000 358 0.282 139 0.000 015 -22.38-18.821 5422 404-0.99DJS-1-111660.055 563 0.002 150 0.282 162 0.000 016 -21.57-18.181 5842 363-0.94DJS-1-121630.066 689 0.002 496 0.282 269 0.000 019 -17.78-14.451 4442 128-0.92DJS-1-131640.111 115 0.003 713 0.282 189 0.000 024 -20.61-17.421 6132 312-0.89DJS-1-142290.096 219 0.003 130 0.282 276 0.000 027 -17.54-12.991 4592 083-0.91DJS-1-151680.035 265 0.001 136 0.282 138 0.000 021 -22.42-18.881 5752 409-0.97DJS-1-161650.029 932 0.000 930 0.282 179 0.000 018 -20.98-17.471 5102 319-0.97DJS-1-171620.120 376 0.004 043 0.282 335 0.000 028 -15.47-12.361 4081 991-0.88

注:岩体数据为本文实测，测试单位为中国地质调查局天津地质调查中心。

表5 荆山—涂山岩体Sm-Nd同位素组成

注:测试单位为核工业北京地质研究院。

4 讨论

4.1 岩体成因

图8 荆山岩体t-εHf(t)相关图解Fig.8 Temperature vs. εHf(t) diagram of the Jingshan granites

荆山—涂山岩体分布于蚌埠隆起带西部，是区内燕山期形成最早的地质单元。野外地质调查显示区域内花岗质侵入体总体侵入于五河群西崮堆组和庄子里组斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩夹大理岩，二者界线清楚。前人根据野外构造及矿物特征揭示，岩体为主动侵位，且原岩物质可能有富锰(铁)沉积岩的参与[1]；继承锆石上交年龄为(850±85) Ma，暗示该花岗岩可能起源于华南地块地壳物质的熔融；大部分继承锆石核部年龄平均值为(217.1±6.6) Ma，意味着岩浆源区物质在220 Ma左右经历了一次重要的Pb丢失，因此岩浆源区可能既有扬子陆块基底物质又有华北陆块基底物质的参与[8]。

岩体总体富硅，SiO2含量平均73.23%，富碱，岩石全碱(K2O+Na2O)含量平均为8.37%，铝饱和指数(A/CNK)=0.98～1.38，属钙碱性准铝—过铝质类型。LREE相对富集，具明显的正铕异常，铈异常不明显。K、P和Ti有较明显的亏损，Rb、Ba、U、La、Sr、Zr和Sm元素相对富集，反映了陆壳为主的源岩深熔作用特征，暗示其母岩岩浆可能来自于火成岩部分熔融。分异指数(DI)为88.94～93.56，固结指数(SI)变化范围为1.62～16.67，显示其可能是表壳岩系部分熔融的产物。

岩体锆石大多自形程度较好，内部结构清晰，部分有重结晶现象。CL图像显示锆石具细微振荡生长环带，表明其典型岩浆锆石特征并暗示锆石结晶时可能为中低温环境。荆山岩体Th/U比值介于0.07～0.23之间；涂山岩体Th/U比值为0.07～0.27，均反映了岩浆锆石特征。锆石Th/U比值总体较低，这与蚌埠隆起带中生代花岗岩基本一致(多数0.1～0.3)[2]。本文将荆山—涂山岩体的年龄限定在(160.4±1.3)～(162.8±1.8) Ma之间，与前人研究大体一致，为晚侏罗世岩浆活动的产物。

荆山—涂山岩体P2O5平均含量为0.02%，低于高分异S型花岗岩；Na2O平均含量为3.86%，高于高分异S型花岗岩[34]，Na2O/K2O值平均为1.19，A/CNK值平均为1.18，SiO2含量总体小于76%，(La/Yb)N值多数小于5。从岩体野外特征和矿物组合特征，结合K2O-Na2O成因类型判别图上投影点分布情况，认为荆山—涂山岩体具备I型花岗岩特征(图9)。

岩体除1个异常点外，εHf(t)全部为负值，说明其主要为壳源成因，岩浆源区应为古老的下地壳物质。εHf(t)与年龄相关图解(图8)中，古老的二阶段Hf模式年龄(2.20 Ga)，说明其物质起源主要为新太古代陆壳物质。参与成岩作用的岩浆来源于地壳火成岩的部分熔融，后期可能有少量地幔物质参与改造和再循环，这与华北克拉通主体形成于太古宙，并以2.40～2.50 Ga为主，部分地区经历了古元古代的高级变质作用相一致[35-36]，说明其岩浆源区主要为华北克拉通下地壳物质。

岩体样品εNd(t)值总体介于-16.73～-16.18之间，147Sm/144Nd值小于0.13，说明成岩时Sm/Nd分馏不明显，Nd单阶段年龄2.16～2.43，Nd二阶段年龄2.26～2.31 Ga，古老的模式年龄代表了样品从地幔分离的时间，较新的模式年龄暗示物质分离时间较短。

图9 荆山—涂山岩体成因类型判别图(底图据Collin等[37]) Fig.9 Petrogenetic discrimination diagrams of Jingshan-Tushan granites (base map after Collins et al.[37])

4.2 动力学背景

图10 荆山—涂山岩体(Y+Nb)-Rb及(Yb+Ta)-Rb构造环境判别图解(底图据Pearce等[43])Fig.10 Tectonic discrimination diagrams of (Y+Nb) vs. Rb (a) and (Yb+Ta) vs.Rb (b) for the Jingshan-Tushan granites(base map after Pearce et al.[43])WPG.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

自三叠纪末期扬子陆块与华北陆块碰撞、拼接以来,以发育大型逆冲、推覆构造和郯庐断裂带大规模走滑平移为标志,该区经历了复杂的构造变形,并产生一系列岩浆作用[38-39]。晚侏罗世期间，华北克拉通出现局部伸展与岩浆活动及区域性隆升[40-42]。荆山—涂山岩体构造环境判别图解(图10)投影点均落入火山弧花岗岩范畴，暗示扬子克拉通沿郯庐断裂带俯冲于华北克拉通之下的构造背景，这与华北克拉通晚侏罗世期间的动力学背景相一致。

随着扬子克拉通沿北西方向俯冲于华北克拉通之下，华北克拉通发生了陆壳的加厚，晚三叠世(205～225 Ma)碱性岩浆作用阶段，华北克拉通东部相继出现的板片断离以及超高压岩石的快速折返是华北克拉通东部岩石圈减薄的开始，而拆沉作用则是引起中生代早期岩石圈减薄的主要机制；中晚侏罗世(155～160 Ma)花岗质岩浆作用阶段，形成于造山期后的伸展环境,代表中生代岩石圈减薄的继续和发展[8]。

蚌埠隆起初始陆壳的形成时限为中太古代晚期(2 886±28) Ma，基底岩石可能经历较为复杂的演化过程[39]。本文对荆山—涂山岩体锆石原位测试结果获得的较古老的两阶段Hf模式年龄(2.20 Ga)也证明了其物质起源与蚌埠隆起初始陆壳形成时间上的一致性。