南秦岭陡岭地块甘沟岩体年代学、地球化学特征及地质意义

2020-07-09李承东赵利刚许雅雯孙烜烨

资源环境与工程 2020年2期

李承东，赵利刚，许雅雯，孙烜烨,2

(1.天津地质调查中心,天津 300170; 2.中钢集团天津地质研究院有限公司,天津 300179)

秦岭造山带是华北陆块与扬子陆块对接碰撞而成的造山带。秦岭造山带基本框架是“三个板块两个缝合带”,即华北板块、秦岭微板块和扬子板块,并沿商丹及勉略缝合带向北俯冲消减,于晚海西—印支期最终陆—陆斜向穿时碰撞造山,最后又经陆内造山改造和急剧隆升形成今日秦岭[1-4]。秦岭微板块以商丹缝合带为界又可分为南、北秦岭造山带,北秦岭指商丹缝合带与洛南—栾川—方城之间区域,南秦岭指商丹缝合带与勉略带之间的区域。秦岭造山带及扬子陆块在晋宁期发生了强烈的构造岩浆热事件,南、北秦岭、扬子陆块皆有大量岩浆作用的记录。然而,对新元古代岩浆作用的构造背景一直存在争论。一部分学者认为其与Rodinia超大陆的聚合和裂解相关[5-6],形成于陆内裂谷环境[7-9]；另外的学者则认为形成于与俯冲作用相关的构造环境,在新元古代早期俯冲作用(>800 Ma)就已经存在[10-17],在汉南及米仓山地区可以延续到706 Ma[18]；还有部分学者提出,在新元古代早期存在俯冲作用,之后转变成裂谷环境[11,13,19-21]。侵入商丹俯冲带南侧陡岭杂岩的花岗岩体记录了新元古代造山作用和构造演化的重要信息,也是南秦岭新元古代岩浆作用的重要代表之一,前人对其做过不同程度的研究[16-17,22],其成因及构造背景的形成仍然存在争论。本文对其中的甘沟杂岩体进行了岩石学、年代学、岩石地球化学及锆石原位Lu-Hf同位素的综合研究,以期揭示其成因及南秦岭新元古代岩浆作用的构造属性,为探讨南秦岭造山带构造演化过程提供新的证据和制约。

1 地质背景与样品

研究区位于陡岭地块,其北界为木家垭断裂,南界为小陡岭—田关断裂。木家垭断裂与商丹断裂之间,分布有泥盆系(南湾组)、早古生代周进沟组,它们被晚期白垩系—第四系覆盖。陡岭地块由陡岭岩群和侵入其中的新元古代侵入体构成,前者往往呈残留体产于新元古代变质侵入体中。

陡岭地块最老的地层为陡岭岩群,主要为一套黑云斜长片麻岩、石墨片岩及斜长角闪片(麻)岩、透辉变粒岩和含石墨大理岩组合,经历角闪岩相的变质作用,其变质时代为840～780 Ma[23]。传统认为陡岭岩群形成于古元古代,新的研究成果表明其可能形成于中—新元古代[23-25]；其中正片麻岩,为新太古代TTG岩类[23,25]。

小陡岭—田关断裂之南,北西向分布新元古代姚营寨组、耀岭河组,震旦系—石炭系。姚营寨组为一套变质沉积—中酸性火山岩组合,糜棱岩化流纹岩为(745.8±1.5) Ma[26],有学者认为它属于耀岭河群的酸性火山岩的一部分[27]。耀岭河组以中—基性火山岩—火山碎屑岩系为主,局部具高压变质特征(蓝片岩),西峡—淅川一带的基性火山岩TIMS法锆石U-Pb同位素测年结果为(808±6) Ma。震旦系主要为一套变质碳酸盐岩及碎屑岩沉积,与周围为断层接触。在其南侧分布有寒武系—石炭系,为一套稳定的盖层沉积(图1)。

图1 南秦岭陡岭地区区域地质简图[28]
Fig.1 Geological sketch map of Douling area in the south Qingling

1.白垩系—第四系；2.南湾组；3.周进沟组；4.龟山岩组；5.姚营寨组；6.耀岭河组；7.秦岭岩群；8.陡岭岩群；9.震旦纪；10.寒武系—石炭系；11.钠长斑岩；12.二长花岗岩；13.花岗闪长岩；14.石英闪长岩；15.闪长玢岩；16.辉长岩；17.超镁铁质岩；18.断裂带；19.取样位置。

陡岭地块的新元古代侵入岩呈北西向分布,侵入陡岭岩群、耀岭河组等地层中。岩体受后期变形作用改造,发育不均匀片麻状构造。主要岩体有甘沟岩体、封子山岩体和三坪沟岩体等。

本次研究的甘沟岩体为一个杂岩体,主要由闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩及二长花岗岩组成,主体为石英闪长岩和花岗闪长岩。岩体中含有一定量的闪长质和辉长质暗色包体,包体大小不一,多呈球状或椭球状,具典型的岩浆结构。

11YX154—11YX159样品取自甘沟岩体,均为石英闪长岩,具有中粒花岗结构,块状,局部弱片麻状构造。由蚀变斜长石(50%～55%)、石英(15%±)、角闪石(25%～30%)和黑云母(<5%)组成。矿物粒径0.2～2 mm，以细粒居多,2～3.25 mm中粒次之。斜长石为奥长石,呈半自形板状,具较强绢云母和帘石化；石英呈他形、齿形粒状,粒内具波状消光和亚颗粒；角闪石呈绿色柱状,有的被绿泥石和绿帘石交代；黑云母已全部被绿泥石、绿帘石取代,仅呈其假象(图2)。

11YX160—11YX162地球化学样品取自甘沟岩体南部,岩性为中细粒花岗闪长岩,具有中细粒花岗结构,块状构造。主要矿物为蚀变斜长石(45%)、石英(20%±)、钾长石(15%±)、角闪石(10%±)和黑云母(10%±)组成。矿物粒径2～4 mm为主。斜长石主要为中长石,呈半自形板状,少量具有环带,具绢云母化；石英呈他形粒状；角闪石呈绿色柱状,有的被绿泥石交代；黑云母已经全部绿泥石化。

2 分析方法

锆石样品在河北省地质矿产调查研究所实验室挑选,将样品粉碎到80目,经过分选之后在显微镜下挑选出锆石,然后制靶。锆石U-Pb分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成,激光剥蚀系统是Geolas2005,ICP-MS为7 500a。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度,二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合。在等离子体中心气流(Ar+He)中加入少量氮气,以提高仪器灵敏度、降低检出限和改善分析精密度[29]。每个时间分辨分析数据包括大约20～30 s的空白信号和50 s的样品信号。激光束斑直径为32 μm,以标准锆石91500作为外标。U-Th-Pb同位素比值和年龄计算采用软件ICPMSDataCal[30-31]完成,详细的仪器操作条件和数据处理方法同参考文献[30-32]。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3[33]完成。

图2 甘沟岩体侵入岩野外及镜下特征
Fig.2 Petrology features of Gangou intrusive body from Douling block in the south Qingling

a、b.11YX154石英闪长岩宏观及镜下特征；c、d.11YX157石英闪长岩宏观及镜下特征;Hb.角闪石;Q.石英;Bi.黑云母;Pl.斜长石。

锆石原位微区Hf同位素分析在天津地质矿产研究所同位素实验室利用激光剥蚀多接收器电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS)完成,在锆石LA-ICP-MS U-Pb定年的基础上,根据锆石阴极发光(CL)图像,在原年龄测定点附近进行。激光剥蚀束斑直径为50 μm,剥蚀时间为30 s,采用GJ-1作为外标计算Hf同位素比值,具体仪器配置和实验流程参见耿建珍等[34]。Hf同位素数据处理采用ICPMSDataCal 9.2程序[31]。

全岩地球化学元素测试在天津地质矿产研究所实验室完成。主量元素在样品制成熔片后通过X射线荧光光谱法(XRF)测试,X射线工作电压为50 kV,电流为50 mA,相对于标准样品的测定值,相对误差在元素丰度>1.0%时为±1%,元素丰度<1.0%时为±10%,FeO采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法,分析精度优于2%,微量元素使用ICP-MS测试,样品测定值和推荐值的相对误差<10%,且绝大多数值在5%以内。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年代学

通过对锆石透反射光、阴极发光图像研究[35],对11YX154和11YX157样品选择较好的锆石进行了ICP-MS U-Pb同位素测年[36],其分析结果见表1,样品代表性锆石阴极发光特征见图3,锆石分析的U-Pb谐和图见图4。

11YX154样品的锆石为长柱状,长宽比大约为3∶1,均具有较好的晶形,发育较好的环形振荡环带,232Th/238U为0.63～1.26,均>0.1,为岩浆锆石(图3)。对11YX154样品25个锆石进行测年,年龄在733～829 Ma之间,其中13个测点(1～5,7～9,16～17,19～20,25)的206Pb/238U加权平均年龄为(736.2±4.5) Ma,代表其形成时代(图4)；其余12个锆石年龄在755～829 Ma之间,为继承锆石。

11YX157样品的锆石,多数为细长柱状,少数为柱状,锆石多发育带状的震荡环带,232Th/238U为0.32～2.64,均>0.1,显示岩浆锆石的特征(图3)。对11YX157样品22个锆石进行测年,除去一个锆石年龄为640 Ma不具有代表性外(未采用),21个锆石的年龄在743～843 Ma之间,其中15个测点(1,3～5,8,10,13,15～22)的206Pb/238U加权平均年龄为(766.2±5.2) Ma,代表其形成时代(图4)，其余6个锆石年龄在839～842 Ma之间,为继承锆石，所以甘沟岩体形成时代为新元古代。

图3 甘沟岩体代表性锆石CL图像及测点位置
Fig.3 CL images and dating spots of representative zircon of Gangou intrusive body from Douling block

实线圆为锆石U-Pb测点；虚线圈为锆石Hf同位素测点。

表1 甘沟岩体LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果Table 1 LA-ICP-MS U-Th-Pb isotope analytical results of zircon from Gangou intrusive body

图4 甘沟岩体锆石U-Pb谐和图
Fig.4 U-Pb concordia diagram of the zircon of Gangou intrusive body from Douling block

3.2 地球化学特征

甘沟石英闪长岩、花岗闪长岩岩石化学分析数据列于表2。岩石SiO2在54.39%～66.61%之间,Al2O3为15.89%～17.95%,K2O+Na2O含量高,在4.98%～6.78%之间,平均5.76%,富钠,K2O

图5 甘沟岩体石英闪长岩和花岗闪长岩SiO2-K2O图解[37]
Fig.5 Diagram of SiO2-K2O of Gangou intrusive body from Douling block

图6 甘沟岩体石英闪长岩和花岗闪长岩山德指数图解[38]
Fig.6 Shande index diagram of quartz diorite and granodiorite in Gangou intrusive body from Douling block

甘沟石英闪长岩、花岗闪长岩稀土及微量元素分析见表2。石英闪长岩类与花岗闪长岩类的稀土总量ΣREE变化范围在275.90×10-6～470.97×10-6之间,Eu异常不明显,Eu*在0.86～1.15之间；各类岩石稀土模式基本相同,均表现出曲线右倾,为轻稀土富集、重稀土明显亏损的配分模式(图7)。微量元素蛛网图上,明显富集Rb、Ba、Th、U、K、Sr、Hf,亏损Nb、Ta、P、Ti等元素。

图7 甘沟岩体石英闪长岩和花岗闪长岩稀土配分及微量元素蛛网图 (球粒陨石及原始地幔数据[39])
Fig.7 The REE pattern and trace element cobweb map of quartz diorite and granodiorite in Gangou intrusive body from Douling block

表2 甘沟岩体石英闪长岩和花岗闪长岩主元素(%)、微量元素和稀土元素(μg/g)含量Table 2 Contents of major(%),REE and trace(μg/g) elements of granitoids from Gangou intrusive body

3.3 锆石Hf同位素

在U-Pb定年的基础上对石英闪长岩锆石样品进行原位Hf同位素组成测定,表3列出了测试结果及根据年龄计算的有关参数。由表中数据可看出11YX154样品,t=733～782 Ma,锆石的(176Hf/177Hf)i变化于0.280 000～0.282 557之间,相应的εHf(t)值为+1.1～+8.6；单阶段模式年龄变化范围为971～1 313 Ma,二阶段Hf模式年龄TDM2(Hf)=1 102～1 617 Ma。整体来看样品εHf(t)值均为正值,且变化范围较小,二阶段模式年龄远远大于其结晶年龄。而t=801～829 Ma(继承锆石),锆石的(176Hf/177Hf)i变化于0.280 000～0.282 488之间,相应的εHf(t)值为+3.8～+7.7；二阶段Hf模式年龄TDM2(Hf)=1 203～1 452 Ma,与t=733～782 Ma的二阶段年龄相近。

11YX157样品,t=743～774 Ma,锆石的(176Hf/177Hf)i变化于0.282 591～0.282 281之间,相应的εHf(t)值为-0.3～+10.6；单阶段模式年龄变化范围为926～1 446 Ma,二阶段Hf模式年龄TDM2(Hf)=1 003～1 692 Ma。整体来看样品εHf(t)值均为正值,且变化范围较小,二阶段模式年龄远远大于其结晶年龄。而t=839～843 Ma(继承锆石),锆石的(176Hf/177Hf)i变化于0.282 276～0.282 323之间,相应的εHf(t)值为+1.0～+2.7；二阶段Hf模式年龄TDM2(Hf)=1 558～1 660 Ma,与t=743～774 Ma的二阶段年龄相近。

表3 甘沟岩体锆石Hf同位素分析结果Table 3 Zircon Hf isotopic compositions of the Gangou intrusive body from Douling block

图8 w(MgO)-w(SiO2)和FeO*/MgO-w(SiO2)图解[41] Fig.8 w(MgO)-w(SiO2)and FeO*/MgO- w(SiO2) diagram for Mg diorites[41]

HAM.高镁安山岩/闪长岩;MA.镁安山岩/闪长岩;LF-CA.低铁钙碱性系列;CA.钙碱性系列;TH.拉斑玄武质系列。

4 讨论

4.1 甘沟岩体形成时代

甘沟岩体分布在陡岭地块中,位于南秦岭北缘,它是一个杂岩体,主要由闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩及二长花岗岩组成,主体为石英闪长岩和花岗闪长岩。前人曾对该岩体年代学进行研究。张成立等[17]获得花岗闪长岩(700.6±9.3) Ma的年龄(LA-ICPMS);Zhang等[22]也获得甘沟岩体花岗闪长岩(699±5) Ma、(699±4) Ma,石英闪长岩(697±4) Ma的年龄,相比本文获得的石英闪长岩(736.2±4.5) Ma,(766.2±5.2) Ma年龄偏小。该岩体为一个杂岩体,本文采样的侵入体与前两者并不在一个位置,且相距较远,很可能为不同期次岩浆侵入体,所以其形成时限可能在699～766 Ma之间。此外,与甘沟岩体相伴侵入陡岭岩群的还有封子山岩体、三坪沟岩体,其形成时代在685～760 Ma之间[17,23,40]。这三个岩体形成时代相近,均形成于新元古代。

4.2 岩石成因讨论

甘沟岩体的石英闪长岩和花岗闪长岩,为中钾—高钾钙碱性系列,偏铝质。其SiO2在54.39%～66.61%之间,主要为中性岩类。比较明显的特征是它们的Mg#较高,在44～59范围内(表2,一个样品为44)。根据邓晋福等[41]判别标准,将其成分投在FeO*/MgO 与SiO2图解(图8右),除去两个点外,其他6个点均投在LFe-CA范围内,与镁闪长岩范围一致；在MgO-SiO2图解(图8左)有6个样品点投入在镁安山岩或者镁闪长岩(包括实验)范围,其他2个落入正常玄武岩局部熔融范围。也就是说,甘沟岩体至少有部分岩石为镁闪长岩类。镁安山岩/闪长岩类和普通闪长岩类成因通常认为有5种：①富集地幔部分熔融的产物,富集组分或者来自消减带的流体[42-43],或者来自榴辉岩稳定范围内由含水的玄武岩部分熔融形成的“板片熔体”；②拆沉的下地壳部分熔融产生的熔体与地幔橄榄岩相互作用形成[44],它们形成于板内环境,与俯冲无关[45];③基性岩浆与酸性岩浆的混合[46-47]；④幔源岩浆的结晶分异[48-49]；⑤镁铁质下地壳的部分熔融[50-51]。

本文测定的石英闪长岩中锆石(年龄在736～766 Ma)εHf(t)值为-0.3～+10.6,继承锆石(t=801～843 Ma)的εHf(t)值(+1～+7.7)均为正值,变化范围不大。但前人取自同一个岩体的Hf同位素特征确表现出很大不同,其石英闪长岩和花岗闪长岩的εHf(t)值为-7.1～+12.6,εHf(t)值的范围比较大(图9)。这种大范围变化的Hf同位素特征,说明其锆石并不是单一来自亏损地幔或者地壳,可能存在岩浆混合或者地壳混染,或者来源于不均一富集地幔(被俯冲流体交代的)。由于它们中有一部分属于镁闪长岩类,且其Mg#多在44～59范围内(表2,只有一个样品为44),根据实验岩石学数据,来自变质玄武岩、斜长角闪岩或榴辉岩部分熔融的岩石,其Mg#一般<45[52-54],所以,其岩浆来源不能用下地壳的部分熔融进行解释,也暗示地壳混染的可能性很小,更不可能由基性下地壳部分熔融的岩浆与酸性岩浆混合形成。假设岩石圈拆沉,与地幔发生反应,可以形成镁质安山岩,但是岩石虽然含有较高的Sr(490.3×10-6～639.5×10-6),但是它们并不是埃达克岩(图10),即不是加厚地壳拆沉的产物,这就排除了拆沉的成因。而最有可能的是,它们来自于不均匀的富集地幔,这种富集可能来自于俯冲板片流体或者溶体交代。同时代南秦岭武当基性岩脉也具有相似的εHf(t)值-11～+10，支持不均匀地幔来源的认识[55]。石英闪长岩与花岗闪长岩锆石二阶段年龄及武当基性岩脉Hf同位素特征，暗示与俯冲相关的物质成分可能来自于古—中元古代的地壳。

将不同的氧化物与二氧化硅进行相关性投图(图11),笔者可以看出SiO2与TiO2、MgO、CaO、TFe2O3、Al2O3、MnO成很好负相关,而与Na2O、K2O等成正相关,但成分点比较分散，表明岩浆在上升过程中发生了结晶分异。

利用Na2O-K2O投图(未附图)均落入Ⅰ型花岗岩区域,表明为I型花岗岩类。其稀土为右倾的曲线,富集轻稀土,亏损重稀土,微量元素均表现出富集大离子亲石元素,明显亏损高场强元素(Ti、P、Zr、Nb和Ta),均表现出岛弧岩石特征(图7)。这可能是其源区俯冲带的印记。

图9 甘沟岩体石英闪长岩、花岗闪长岩Hf同位素特征Fig.9 Hf isotopic compositions of quartz diorite and granodiorite

图10 甘沟岩体石英闪长岩与花岗闪长岩埃达克岩图解Fig.10 Adakite of quartz diorite and granodiorite from Gangou intrusive

图11 甘沟岩体石英闪长岩和花岗闪长岩哈克图解
Fig.11 Harker diagrams of major elements for the studied samples

综上所述,根据其地球化学、Hf同位素特征,甘沟石英闪长岩和花岗闪长岩的岩浆来源于被俯冲带流体或者溶体交代了的不均匀富集地幔,而后又经历了结晶分异作用,最终演化形成甘沟岩体不同的岩石类型。

4.3 形成构造环境讨论

南秦岭岩浆作用构造背景争论的焦点主要是对<800 Ma这个时期形成的岩浆岩,其形成的构造背景是与俯冲有关,还是与裂谷有关。从区域上看,新元古代岩浆事件在整个南秦岭均有广泛的分布,不同学者对其构造环境有不同的认识。如Zhang等[56]通过对柞水等地侵入岩研究,认为南秦岭造山带,1 000～956 Ma时期发育大洋,950～833 Ma为俯冲与碰撞时期,833～680 Ma为裂解背景。Li等[57]认为830～745 Ma岩浆作用构造背景为与地幔柱有关的裂解环境。Zhu等[58]根据750 Ma耀岭河群碱性玄武岩的出现,将750 Ma视为俯冲背景终结和伸展裂谷的开始时间点。Zhang等在基于南秦岭火山岩与侵入岩可信的年代学研究成果,将南秦岭岩浆演化阶段分为三期：早期800～900 Ma,峰期在860 Ma左右,与俯冲作用相关,已经获得众多学者的认可[10-16]；中期为670～800 Ma,峰期在750 Ma,为俯冲与伸展的过渡时期；晚期在630 Ma左右,为与裂谷有关的构造环境,典型岩石组合是武当岩群及耀岭河群的双峰式火山岩。并根据南秦岭新元古代岩浆岩的εHf(t)值从以负值为主,变化为以正值为主,推测大约750 Ma左右由俯冲为主转变为伸展环境。但是俯冲结束与伸展开始的具体时限仍在争论之中。

前人根据陡岭地块新元古代侵入岩具有岛弧特征,将其归属为俯冲作用的产物[17,59-60],但是并没有与之匹配的蛇绿岩等相关岩石记录。实际上,花岗岩地球化学属性受控于源区,严格说并不能判断形成的构造环境,但根据岩石组合可以推断形成构造背景[61]。在陡岭地块的东南侧40 km处,发育吐雾山碱性(A型)花岗岩,其形成时代为711 Ma[62],属于非造山伸展的产物。在其南侧,分布具有双峰式火山岩组合的耀岭河群和武当群,前者形成时代在847～632 Ma,后者形成时代在782～650 Ma,同样为伸展产物[26,58,63-67]。在陡岭—小茅岭隆起西段发育双峰式侵入岩组合,形成时代743～680 Ma,其中碱性花岗岩形成时代为686 Ma[68]。本文研究的甘沟岩体(699～766 Ma)与这些典型伸展环境的岩石在空间上紧密伴生,形成时代上为同期,所以,本文认为甘沟岩体其形成于伸展的构造环境,是Rodinia超大陆裂解事件在该地区作用的响应。