下扬子地区冶山埃达克质岩的年代学、地球化学特征及其岩石成因

陈 俊 ，张 珣 ，王 辉 ，刘志宏 ，杨颖鹤 ，谢 旭

（1.江苏省地质调查研究院，南京 210018；2.江苏省地质勘查技术院，南京 210049）

下扬子东北部位于秦岭-大别造山带以东，江南造山带以北，紧邻郯庐断裂带，受华北板块、扬子板块、秦岭微板块共同控制[1-6]。 自新元古代以来，经历了特提斯构造域、古太平洋构造域等构造活动[7-9]。 区内岩浆活动强烈，出露大量埃达克质岩，备受国内外学者关注[10-16]。 冶山侵入体具有高钾钙碱性、高Sr／Y 和 （La／Yb）N比值、 较低 Y 和 Yb 含量等特征，表现出与埃达克岩相似的地球化学特征，属于C 型埃达克岩，但其岩石成因仍存争议。 Martin 等提出SiO2＞60%的埃达克岩称为HAS（高硅埃达克岩） ，SiO2＜60%的埃达克岩称为 LAS （低硅埃达克岩）[17]；张旗等将 Mg#＞50 的定义为高镁埃达克岩（HMA）[18]。 高硅埃达克岩、高镁埃达克岩指示着岩体可能为拆沉榴辉岩相下地壳部分熔融熔体与地幔相互作用的产物。资锋等曾做过冶山侵入体单矿物（角闪石、黑云母）40Ar／39Ar 坪年龄研究及岩石地球化学分析， 但样品地球化学特征明显分属两类，例如： 样品 04YS-1、04YS-3 微量元素 Y 含量均大于 20×10-6（埃达克质岩 Y 含量≤18×10-6）， 样品04YS-5、04YS-6、04YS-8 微量元素 Y 含量均小于于 10×10-6（埃达克质岩 Y 含量≤18×10-6），推测样品 04YS-1、04YS-3 属于金牛侵入体， 而样品04YS-5、04YS-6、04YS-8 属于冶山侵入体，导致冶山侵入体岩石成因、岩浆源区分析存在不足[19]；刘盛遨做过中国中东部中生代埃达克岩成因研究，测试了部分冶山侵入体样品，主要分析了Mg 同位素分馏的地球化学特征，对于岩体来源问题研究不够充分[20]。 本次工作选择下扬子东北部冶山岩体作为研究对象， 采集新鲜样品进行锆石U-Pb 定年、岩石地球化学及锆石Lu-Hf 同位素分析，分析冶山侵入岩的成因，讨论冶山地区的地球动力学背景。

1 地质概况及岩相学特征

冶山侵入体位于苏皖交界处的南京市六合区冶山镇，地表出露4.3 km2左右，但据航磁、重力解译，冶山岩体面积可达100 km2，为一大致呈“V”字形的岩株。 大地构造位置上处于下扬子地块北东部， 郯庐断裂带以东， 江浦-天长隆起带中段之六合—冶山隆起带东北端（图1a）。

区内揭露的震旦纪（黄墟组、灯影组）及寒武纪（荷塘组、幕府山组）地层，散布于九头山-冶山-金牛山一带，四周均为燕山晚期侵入体所占据。 冶山侵入体围岩主要为侏罗系西横山组粗碎屑岩、龙王山组火山碎屑岩，白垩系葛村组、浦口组、赤山组砂砾岩等。 岩体内部可见地层捕虏体，主要由震旦系和寒武系碳酸盐岩组成。 南部为金牛山岩体，与冶山侵入体断层接触（图1b）。 冶山岩体和金牛山岩体是区内铁、铜、多金属矿等内生金属矿产的主要成矿母岩，岩体与由震旦系、寒武系碳酸盐岩组成的有利围岩的接触带，是区内矽卡岩型铁矿的有利成矿部位。

冶山侵入体岩性主要为花岗闪长岩，边缘见闪长岩、（石英）二长岩等（图2）。 花岗闪长岩呈灰白-浅肉红色，全晶质半自形不等粒结构、块状构造，矿物组成主要为更-中长石（42%～50%）、钾长石（15%～25%）、石英（15%～20%）、角闪石（4%～9%）和黑云母（1～5%），副矿物有磁铁矿、磷灰石，少量锆石、榍石。边缘（石英）二长岩呈灰白色，二长结构，块状构造，矿物组成主要为石英（5%～10%）、斜长石（60%～65%）、钾长石（10%～15%）、黑云母和角闪石（15%～20%）。

2 测试方法

图 1 冶山地区构造分区图（a）和冶山地区基岩地质图（b）Fig.1 Tectonic division of Yeshan area（a）and bed rock geological map of Yeshan area（b）

在探硐中选择新鲜的岩石挑选锆石，由河北省区域地质矿产调查研究所完成， 进行锆石LAICPMS U-Pb 年代学及原位Lu-Hf 同位素分析的样品为YSB-1。 然后在双目镜下挑选颗粒完整、透明度高、无裂隙、长宽比较大、环带清晰的锆石，置于环氧树脂中，进行抛光。制靶后进行反射光、透射光显微照相，以及阴极发光（CL）图像分析。 在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成锆石 U－Pb 定年， 测试仪器为带激光熔蚀装置的 Agilent HP 7500 ICP－MS 分析仪。样品同位素比 值 及 元 素 含 量 计 算 采 用 GLITTER （Ver4.0，Mac－quarie University） 程序， 普通 Pb 校正采用Andersen 的方法[21]，校正后年龄计算及谐和图的绘制用 Isoplot 程序完成[22]。 在带有 Merchantek／New Wave Research213 nm 激光熔蚀探针的 Nu Plasma MC－ICP－MS 机上进行了锆石 Lu－Hf 同位素原位分析， 实验以 He 作为载气， 激光束斑直径为 60 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 0.282530±30。 εHf（t）计算采用的176Lu 的衰变常 数 为 1.865 ×10-11[23]， 球 粒 陨 石176Hf／177Hf ＝0.282772，176Lu／177Hf ＝ 0.0332[24]。 亏损地幔 Hf 模式年龄（t（DM）1）采用176Hf／177Hf＝0.283251，176Lu ／177Hf＝0.0384 计算[25]，二阶段 Hf 模式年龄（t（DM）2）采用平均大陆壳176Lu／177Hf＝0.015 计算[26]。

图2 金牛岩体、冶山岩体手标本和显微照片Fig.2 Representative samples and microscope photos of Jinniu rock mass、Yeshan intrusion

主量、微量元素分析在自然资源部南京矿产资源监督检测中心完成。主量元素采用荷兰帕纳科公司 （PANalytical B.V.）Axios， Magix 波长色散 XRF测定，分析项目13 种；全岩微量元素（含稀土元素）采用WSP-1 型二米平面光棚摄谱仪、Axios Advanced 型 X 射线荧光光谱仪，检测限优于 0.5×10-9，相对标准偏差优于5 %。 分析项目43 种。

3 分析结果

3.1 锆石 U－Pb 年龄

冶山岩体花岗闪长岩（YSB-1）挑选出来的锆石，透明度较高，呈无色、淡黄色、淡褐色，多为半自形、自形颗粒，宽度 20～150 μm，长度 60～250 μm，振荡环带明显，部分呈扇形，说明锆石结晶环境较稳定（图3）。 国内外大量学者认为：岩浆岩锆石Th／U 比值较大（＞0.4），变质锆石的比值较小（＜0.1）[27-29]，其中吴元保等认为通常岩浆锆石的 Th／U 比值接近 1[29]。 YSB-1 （花岗闪长岩） 锆石 Th／U 比值为0.75～1.24，平均值为 0.91，明显大于 0.4 接近 1，具有典型的岩浆岩锆石特征。

图 3 冶山岩体（YSB-1）锆石阴极发光图像及U-Pb年龄谐和图Fig.3 Zircon CL images and U-Pb dating results of Yeshan intrusion

表1 冶山岩体（YSB－1）锆石U－Pb定年结果Table 1 Zircon U－Pb dating results of Yeshan intrusion

共选定21 颗锆石进行测试分析（表1），其中测点ysb-1-04 可能存在Pb 丢失，谐和度较低，未参加计算谐和年龄。 剩余20 个测点锆石的206Pb／238U表面年龄介于 119±2～141±3 Ma 之间， 其中 18 个测点206Pb／238U 年龄集中在 124±2～133±2 Ma 之间，年龄范围比较集中，且数据点在谐和图中集中分布在一致曲线上及附近。 测点206Pb／238U 加权平均年龄为 128.0±1.5 Ma（MSWD＝2.3）（图 3），代表了花岗闪长岩的结晶年龄。

3.2 锆石 Lu－Hf 同位素

锆石Hf 同位素分析结果显示， 冶山岩体花岗闪长岩（YSB-1）Hf 同位素组成相对比较均一（表2和图 4）。 冶山岩体花岗闪长岩 （YSB-1） 锆石的176Hf／177Hf 变化为 0.28217～0.28225，对应的 εHf（t）值范围是-15.76～-18.54，平均值为-17.23，地壳模式年龄 t（DM）C为 2170 ～2340 Ma。 显示源区可能主要为古老的下地壳。

3.3 地球化学特征

冶山侵入体花岗闪长岩的SiO2含量介于63.34～66.44 wt%、Al2O3含量为 15.11～16.23 wt%、MgO 含量介于 1.46～2.83 wt%、CaO 含量 3.10～4.09 wt%、Na2O＋K2O 含量 7.24～7.99 wt%、Na2O 含量高于 K2O（Na2O／K2O＝1.15～1.70）， 显示该花岗岩体相对富钠。Mg#变化范围为 50.63-57.67；里特曼指数（σ）介于2.54～2.69，均小于3.3，为钙碱性岩石，铝饱和指数（ASI）A ／CNK 为 0.867～0.946，在 A／NK-A／CNK图中显示为准铝质特点 （图5）。 在SiO2-K2O 图解中，落入高钾钙碱性系列（图6）。

冶山花岗闪长岩的稀土元素总量 （∑REE）为120.85～159.34 μg／g， 表现为较低的稀土总量；LREE／HREE 为 12.14～13.91，（La／Yb）N为 16.26～21.42， 表现为较强的轻重稀土分异；δEu 变化于0.96～1.04，无明显-弱正 Eu 异常，说明岩石形成过程中没有明显的斜长石分离结晶；δCe 为0.98 （表3）， 一般认为Ce 亏损是古俯冲带及古洋壳残骸标志之一。 REE 配分曲线（图7）为右倾，显示出这些岩石具有轻稀土分馏明显（（La／Sm）N＝5.72～6.61）而重稀土分馏较弱（（Gd／Yb）N＝1.83～2.16）的特征。

表2 冶山岩体（YSB－1）锆石Hf同位素组成Table 2 Zircon Hf isotopic data of Yeshan intrusion

表3 冶山侵入体主、微量分析结果（主量元素：wt％；微量元素：10－6）Table 3 Major（wt％）and trace element（10－6）concentrations of Yeshan intrusion

图7 稀土元素球粒陨石标准化配分图[30]Fig.7 Chondrite-normalized REE pattern diagrams of Yeshan intrusion

在微量元素原始地幔标准化蛛网图中，冶山花岗闪长岩总体表现为陡右倾形式，相对富集Ba、K、Sr 等大离子亲石元素， 明显亏损 Ta、Nb、Ti 等高强场元素（图8）。 Sr 在斜长石、磷灰石中分配系数最大，Ba 在黑云母、钾长石中分配系数最大[31]，因此可以推测，Sr、Ba 的显著富集说明源区斜长石、磷灰石和黑云母在部分熔融过程早期进入熔体中；Ti 则主要向角闪石、黑云母中富集[31]，Ti 的亏损说明角闪石、黑云母更多发生了大量结晶分离。

图8 微量元素原始地幔标准化蛛网图[30]Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element diagrams of Yeshan intrusion

4 讨论

4.1 岩石成因

1990 年，Defant 和 Drummond[32]将“adakite”定义为由俯冲洋壳部分熔融产生的一套中酸性火成岩，其典型的地球化学特征为：重稀土（HREE）与Y亏损（如 Yb≤1.9×10-6、Y≤18×10-6）、Sr 含量高（Sr≥400×10-6）、无 Eu 异常（或微弱的负 Eu 异常）等。

图 9 LaN／YbN-YbN图解和Sr／Y-Y图解[32]Fig.9 LaN／YbNvs.YbN and Sr／Yvs.Y diagrams of Yeshan intrusion

图10 冶山侵入岩MgO、Mg#vs.SiO2图解[38]Fig.10 MgO、Mg#vs.SiO2 diagrams of Yeshan intrusion

冶山侵入岩SiO2含量为63.34～66.44 wt%，≥56 wt%；Al2O3含量为 15.11～16.23 wt%，≥15 wt%；MgO 含量为 1.46～2.83 wt%，＜3 wt%；Mg#为 50.6-57.6；Sr 含量为 770 ～ 929 μg／g，远大于 400 μg／g；Y含量为 10.1～12.6 μg／g，远小于 18 μg／g；Yb 含量为1.21～1.38 μg／g，＜1.9 μg／g， 具有埃达克岩相似的地球化学特征， 应为典型的高硅高镁埃达克质岩体，属于中国东部C 型埃达克质岩[33]。在Sr／Y-Y 图解和（La／Yb）N-YbN判别图解中，样品落入埃达克岩区内（图 9）。

SiO2vsMgO、Mg#图解（图 10）显示冶山侵入岩基本上呈负相关特点， 具有比实验熔体高的MgO和Mg#，而且具有比俯冲带埃达克岩在相同SiO2含量下更高的MgO 含量。 说明熔体可能经历了与地幔楔的反应，指示可能地幔成分的加入，而区别于单纯加厚下地壳部分熔融形成的低镁埃达克岩。而高镁埃达克岩为拆沉榴辉岩相下地壳部分熔融熔体与地幔相互作用的产物得到多数学者、专家认可[34-36]。

图11 冶山侵入岩Na2O／K2Ovs.SiO2图解[38]Fig.11 Na2O／K2Ovs.SiO2 diagrams of Yeshan intrusion

图12 冶山侵入岩初始Sr-Nd同位素组成[38]Fig.12 Initial Sr and Nd isotopic compositions for Yeshan intrusion

图 13 冶山侵入岩初始Pb同位素组成[20]Fig.13 Initial Pb isotopic compositions for Yeshan intrasion

冶山岩体 SiO2为 63.34～67.47 wt%，MgO 为1.46～2.83 wt%，Mg#为 50.6-58.0。 Cr 含量为 38～66.10 μg／g， 平 均 值 为 48.90 μg／g，Ni 含 量 为19.70～45.20 μg／g，平均值为 28.03 μg／g，更接近岛弧玄武岩的含量（Cr 50 μg／g、Ni 25 μg／g）[37]，指示可能地幔成分的参与。 其中K2O／Na2O 比值较高，Al2O3含量较低，在 K2O／Na2O-Al2O3图解中（图 11）样品基本上落入大别山加厚下地壳熔融的埃达克质岩区域内， 暗示冶山侵入体岩浆源区可能为经历了地壳加厚的熔融而成，区别于板块熔融埃达克质岩。

冶山侵入岩的 Ce／Pb 比值为 1.47～3.46， 均值2.64，明显低于洋壳 Ce／Pb 比值（14.38）[39]，接近大别山加厚下地壳来源的埃达克质岩（3.4）[40-41]，与大陆地壳 Ce／Pb 比值相似（3.33）[42]。 暗示冶山侵入岩的岩浆源区可能为扬子下地壳，不可能为洋壳。

因本次工作未进行Sr-Nd-Pb 同位素测试，收集前人数据进行总结分析[19-20]。 冶山侵入岩Pb同 位 素 （206Pb ／204Pb）t ＜16.3、 （207Pb ／204Pb）t ＜15.4、（208Pb ／204Pb）t＜36.5 较低，与古老下地壳相似，在 Pb同位素图解中落入“地球等时线”的左侧和靠近下地壳组分的位置（图13），更接近扬子地块。 大陆下地壳具有比MORB、上地壳、沉积物更低的放射成因Pb 同位素成分，故岩浆来源不可能为洋壳，而来源自扬子下地壳。指示了下地壳成分在岩浆形成过程中具有重要的作用。

冶山侵入岩显示集中较低的（87Sr／86Sr）i初始值（0.70590 ～0.70607） 和 较 低 的 εNd（t） 值 （-11.4 ～-12.49）， 在冶山侵入岩 Sr-Nd 同位素图解中 （图12）与扬子地块东部拆沉下地壳熔融的埃达克质岩相似，明显区别于单纯加厚下地壳熔融产生的洪镇低镁埃达克质岩。

锆石阴极发光图像没有发现明显的继承锆石核， 指示着岩浆在上升过程中没有经历显著的中、上地壳的混染，同时说明岩浆形成温度较高，导致源区继承锆石完全溶解。锆石 Hf 同位素 εHf（t）值范围是-15.76～-18.54，相对均一、变化范围小；地壳模式年龄 t（DM）C为 2170 ～2340 Ma，集中在～2.25 Ga，与扬子陆壳克拉通化主体时间相一致，都指示着岩浆来源于古老的扬子下地壳。 锆石原位18O 同位素组成为 5.88～6.59， 均值为 6.34[20]， 略高于地幔值（5.32±0.17）， 组成均一、变化范围小，说明壳幔相互作用的方式是源区混合而不是地壳混染。

综上所述，冶山侵入体属于典型的中国东部埃达克质岩，其岩浆源区可能为扬子地块下地壳拆沉部分熔融，并经历了地幔源区混合，上升近地表形成的花岗（闪长）岩。

4.2 地球动力学背景

冶山埃达克质岩的锆石U-Pb 年龄为128.0±1.5 Ma，属早白垩世早期。 区域资料显示，早白垩世是中国东部及邻区强烈的伸展裂陷和岩石圈减薄时期[43-51]。如，朱光等通过郯庐断裂带走滑糜棱岩类白云母的40Ar／39Ar 测年（127.62± 0.19 Ma），提出太平洋板块的高角度正向俯冲使中国东部出现软流圈上涌、岩石圈拆沉，导致郯庐断裂带在早白垩世发生了左旋走滑运动，诱发了大规模的岩浆活动[43]；张岳桥等分析和对比不同类型裂陷盆地沉积序列和构造演化历史，提出中国东部早白垩世早期为引张裂陷阶段（140～120 Ma），太平洋古板块向东亚大陆边缘俯冲以及来自西部块体碰撞共同制约郯庐断裂带右旋走滑活动[44]；王丽娟等提出早白垩世（～135 Ma）太平洋板块俯冲后撤（rollback）控制着长江中下游总体拉张环境[45]。 Rapp 和Watson 认为起源于下地壳的埃达克质岩的岩浆源区＞40 km[51]；张旗等认为C 型埃达克质岩的岩浆来源深度＞50 km[33]。薛怀民等认为区内在印支-早燕山期受南、北陆块相向挤压发生岩石圈显著加厚[50]；李松林等据人工源深地震测深和宽频带地震台阵的接收函数结果显示郯庐断裂带附近的岩石圈厚度约为 60～80 km，地壳厚度约为 32～35 km，且壳内地震波速度在郯庐断裂带的东、西两侧也出现有明显的变化[48]；黄耘等开展多震相地震走时成像法反演地壳速度结构， 得出下扬子断块平均深度为34.14 km；指示下扬子地区郯庐断裂带附近经历了地壳加厚、岩石圈减薄、软流圈上涌事件[49]。 而冶山侵入岩距离郯庐断裂带只有100 km。 因此认为冶山侵入岩可能为扬子地块与华北地块碰撞导致扬子地壳加厚，在郯庐断裂带活化的诱发下发生下地壳拆沉熔融，并在源区混入了地幔组分的产物。

5 结论

（1）锆石 LA-ICPMS U-Pb 定年结果显示，冶山侵入岩形成时代为128.0±1.5 Ma， 属早白垩世早期。锆石 Lu-Hf 同位素数据显示，具有较低的 εHf（t）值（-15.76～-18.54）和较古老的地壳模式年龄 t（DM）C（2170 ～2340 Ma）。

（2）冶山侵入岩具有（高硅高镁）埃达克质岩石相似的地球化学特征：高硅（SiO2＝63.34～66.44 wt%）、高镁（Mg#＝50.6-57.6）、钙碱性（σ＝2.54～2.69）、准铝质（A／CNK＝0.867～0.946）岩石；具较强的轻重稀土分异、无明显-弱正 Eu 异常、富集 Ba、K、Sr 等大离子亲石元素、亏损 Ta、Nb、Ti 等高强场元素，高 Sr／Y和 （La／Yb）N比值特点。

（3）冶山埃达克质岩可能来源于扬子地块拆沉下地壳的部分熔融， 并在源区经历了地幔混合，形成于郯庐断裂带早白垩世活化阶段。

野外工作得到了南京钢铁集团冶山矿业有限公司王科宁、赵博工程师的大力支持和帮助，室内工作得到了江苏省地质调查研究院张少琴、张利亚工程师及南京大学武斌研究生的热心帮助，特别感谢审稿专家的宝贵意见。