南秦岭板板山二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义

杨志军，魏 丽，蔡文春，杨文博，周 斌

(1. 陕西省地质调查规划研究中心， 陕西 西安 710068； 2. 陕西省地质调查院， 陕西 西安 710054； 3. 陕西省矿产地质调查中心， 陕西 西安 710068)

秦岭造山带经历了前寒武纪基底形成、新元古代末到中三叠世板块构造演化，于三叠纪中期整体成山，其后为中新生代陆内造山演化阶段(张国伟等， 1997； 弓虎军等， 2009； Thomas Baderetal.， 2013； 王晓霞等， 2015)。Rodinia超大陆在新元古代经历了一次俯冲碰撞-拉张裂解过程普遍受到认可(郭进京等， 1999； 陆松年等， 2005； 王涛等， 2005)。不同学者对南秦岭广泛出露的新元古代岩浆岩做了大量研究，将Rodinia超大陆聚合前的俯冲碰撞、超大陆聚合后的拉张裂解过程笼统地限制在1 000～680 Ma之间： 多数学者(卢新祥等， 1999； 牛宝贵等， 2006； 杨钊等， 2008； 王涛等， 2009； 吴发富等， 2012)通过对南秦岭沿凤镇-山阳断裂带出露的小磨岭中基性杂岩、磨沟峡闪长岩、冷水沟辉长岩、黑沟花岗岩、色河二长花岗岩、板板山钾长花岗岩、吐雾山花岗岩等的研究，对Rodinia超大陆拉张裂解时限进行了有效的约束，将其限定在730～680 Ma之间，且认识基本一致； 另部分学者(张成立等， 1999； 张国伟等， 2001； 凌文黎等， 2002a， 2002b； 彭海练等， 2004； 苏春乾等， 2006； 陕西省地质调查院， 2017)也对Rodinia超大陆聚合前的俯冲碰撞过程,并进行了有益探讨，在对新元古代耀岭河群火山岩的研究基础上，皆认识到Rodinia超大陆聚合前1 000～800 Ma之间经历了俯冲过程。以上研究结果表明，因新元古代的地质记录残留较少，Rodinia超大陆在聚合前由俯冲到碰撞的转化过程尚不能准确界定。

本文在板板山一带详实的野外调查基础上，依据岩石类型、粒度、接触关系等，将板板山复式岩体划分为3期侵入体，即早期阶段的二长花岗岩、中期阶段的钾长花岗岩及晚期阶段的辉绿岩。目前，吴发富等(2012)已对中期阶段侵位的钾长花岗岩进行了锆石U-Pb定年工作，获得了锆石206Pb/207Pb加权平均年龄为730.0±8.2 Ma。本文选取早期侵位的二长花岗岩为研究对象，对其开展了系统的岩石化学、岩石地球化学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学等研究，以期确定板板山早期侵位的二长花岗岩形成时代，并探讨岩石成因、构造背景以及地球动力学过程，为进一步精细刻画Rodinia超大陆俯冲碰撞过程提供数据和资料。

1 区域地质背景及侵入体特征

1.1 区域地质背景

板板山岩体位于南秦岭北缘(图1a)，区域上凤镇-山阳断裂横贯东西，控制了南北两套不同的构造岩石地层组合(图1b)，北部为商丹地壳对接带，南部为扬子板块北缘秦岭-大别新元古代-中生代造山带(陕西省地质调查院， 2017)。断裂北部主要分布泥盆系刘岭群地层，为一套类复理式建造为主的陆源碎屑岩建造，岩性为石英片岩、长石石英砂岩、石英岩等，其次为白垩系山阳组砂质泥岩、砂砾岩及第四系砂砾石。断裂南部主体为泥盆系古道岭组、星红铺组、九里坪组等，为一套稳定的碳酸盐岩地层，含少量碎屑岩建造，岩性为泥晶灰岩、粉砂质板岩、石英砂岩等。另在板板山岩体东部出露少量上元古界耀岭河群中基性火山岩和灯影组、陡山陀组白云岩及中寒武统-中奥陶统石瓮子组白云岩。

区域侵入岩发育较少，主要为板板山岩体，主体位于山阳县十里铺乡南部，其次在石头梁、台子沟等地有小规模侵入体出露。

图 1 南秦岭区域大地构造位置(a)和板板山岩体地质简图(b, 据陕西省地质调查院， 2013(1)陕西省地质调查院. 2013. 陕西省矿产资源潜力评价. )Fig. 1 Regional geotectonic location of South Qinling (a) and geological sketch map of Banbanshan rock mass (b, after Shaanxi Geological Survey Institute, 2013(2)陕西省地质调查院. 2013. 陕西省矿产资源潜力评价. )

1.2 侵入体特征

板板山岩体主体出露于山阳县板板山一带，出露面积约12 km2，其次在石头梁、台子沟等地零星分布，岩体规模不大，多呈岩株、岩枝产出。板板山岩体北侧受凤镇-山阳断裂切割或被白垩系山阳组覆盖，西、南侧均被泥盆系古道岭组以角度不整合覆盖(图2a)，东侧与上元古界耀岭河群、中寒武统-中奥陶统石瓮子组呈断层接触。板板山岩体为一复式岩体，由二长花岗岩侵入体、钾长花岗岩侵入体和少量辉绿岩脉组成。其中，辉绿岩呈脉状穿插于二长花岗岩及钾长花岗岩内，接触带烘烤边发育(图2b)。由于构造及蚀变作用，野外调查过程中没有发现明确的二长花岗岩与钾长花岗岩接触关系，吴发富等(2012)认为板板山岩体为一杂岩体，有3期岩浆活动，依次为二长花岗岩岩浆、钾长花岗岩岩浆、基性岩浆(辉绿岩)。

二长花岗岩呈浅灰白色，花岗结构(图2c)，块状构造。主要由斜长石(质量分数，37%，下同)、石英(40%)、碱性长石(20%)组成。斜长石呈他形粒状，粒径为0.50 mm×0.92 mm～1.40 mm×2.85 mm，发生绢云母化、泥化，聚片双晶清晰可见。碱性长石呈他形粒状，粒径为0.54 mm×0.80 mm～1.20 mm×1.20 mm，发育格子双晶和条纹结构。石英呈他形填隙状分布于斜长石和碱性长石粒间，粒径小于1.60 mm×1.65 mm。

钾长花岗岩呈花岗结构，块状构造，主要由石英(26%)、钾长石(50%)、斜长石(20%)组成，见少量绢云母-白云母、蚀变黑云母。斜长石呈半自形板柱状，最大粒径1.70 mm×2.57 mm。钾长石约占长石总量的71%，呈板柱状、他形粒状，最大粒径超过4.3 mm，部分可见包裹斜长石的现象。石英粒径略小于长石。绢云母-白云母呈集合体状分布于长石粒间，少数尚保留了黑云母的形态特征，且内部多有铁质分解物。

图 2 板板山岩体与古道岭组灰岩及辉绿岩接触野外露头(a、b)和二长花岗岩正交偏光显微照片(c)Fig. 2 Outcrop of Banbanshan intrusion in contact with limestone of Gudaoling Formation and diabase (a, b)； microphotograph of monzonitic granite (crossed nicols)(c)Af—碱性长石； Pl—斜长石； Q—石英Af—alkali feldspar； Pl—plagioclase； Q—quartz

2 采样及测试方法

样品取自板板山岩体，采集5件岩石地球化学分析样、2件锆石U-Pb测年样，岩性均为二长花岗岩，具体采样位置见图1。

2.1 主量、微量元素分析

主量及微量元素分析在自然资源部东北矿产资源监督检测中心完成，主量元素的测定采用X射线荧光光谱法(XRF)，在飞利浦PW2404X射线荧光光谱仪上测定(其中FeO采用重铬酸钾容量法测定)，分析误差小于5%。经烧失量校正后计算了主要岩石地球化学指数。微量元素的测定采用电感耦合与等离子体质谱(ICP-MS)法，在Thermo Fisher IRIS Intrepid ⅡXSP电感耦合等离子体发射光谱仪上测定，分析误差一般小于5%。

2.2 LA-ICP-MS测年

锆石分选在西安瑞石地质科技公司完成，全岩颚式破碎机粗碎至1～2 cm，然后细碎至40～60目，经过淘洗，留下重副矿物，经过磁选、电选，在双目镜下选出晶形完整、未破碎、无裂隙、无包裹体的锆石颗粒进行制样，用环氧树脂固定并抛光至颗粒一半露出。锆石样品在测定之前用浓度为3%的稀HNO3清洗表面，以除去样品表面污染物，然后进行反射光、透射光和阴极发光(CL)内部结构照相。锆石LA-ICP-MS年代学分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，阴极发光照相(CL)采用美国Gatan公司的Mono CL3+X型阴极荧光探头。锆石测试点的选择通过反复对比透射光照片和阴极发光照片，避开内部裂隙和包体，以期获得较为准确的年龄数据。锆石U-Pb同位素分析在四极杆ICP-MS Elan6100DRC上进行。激光剥蚀系统是德国MicroLas公司生产的GeoLas200M。激光束斑直径为30 μm，激光脉冲10 Hz，能量32～36 MJ。同位素组成采用美国哈佛大学矿物博物馆的标准锆石91500进行外标校正。采用Glitter和Isoplot进行数据处理和作图(Ludwig， 2003)。在进行年龄数据分析时，对于<1 000 Ma的测点，采用206Pb/238U年龄值。同时，结合206Pb/238U来计算锆石各测点数据的谐和性，剔除206Pb/238U年龄相对于207Pb/206Pb年龄偏差大于±10%的测点数据。

3 分析结果

3.1 岩石地球化学

岩石地球化学分析结果见表1，板板山二长花岗岩SiO2含量为73.35%～77.49%，平均为75.59%，全碱(K2O+Na2O)含量为3.15%～7.19%，平均为4.60%，K2O/Na2O值为4.51～37.57，平均为21.8，显示贫钠富钾特征。里特曼指数σ=0.30～1.66，在K2O-SiO2图解中2个样品投入钙碱性系列，另3个样品较分散，整体判断板板山二长花岗岩应为中高钾钙碱性系列(图3a)。Al2O3含量为11.89%～14.46%，平均为12.86%，A/CNK=1.18～2.48，平均为2.12，在A/NK-A/CNK图解中投入过铝质岩石区域(图3b)。CIPW标准矿物计算出刚玉分子1.94～9.44，平均6.65。

表 1 板板山二长花岗岩主量元素(wB/%)和微量元素(wB/10-6)分析结果Table 1 Major element (wB/%) and trace element (wB/10-6) compositions of Banbanshan rock mass

图 3 板板山二长花岗岩K2O-SiO2图解(a， 据Rickwood， 1989)和A/NK-A/CNK图解(b， 据Maniar and Piccolli， 1989)Fig. 3 K2O versus SiO2 diagram (a， after Rickwood， 1989)and A/NK versus A/CNK diagram(b， after Maniar and Piccolli， 1989)of granite in the Banbanshan area

3.2 稀土与微量元素

稀土元素分析结果见表1。稀土元素总量变化较大，ΣREE在74.84×10-6～169.10×10-6之间，稀土元素球粒陨石标准化配分曲线呈右倾型(图4a)，LREE/HREE值在6.12～15.10之间，平均为10.41，(La/Yb)N值为4.67～15.54，平均为10.07，表明轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损，说明该岩浆经过一定程度的分异。δEu为0.70～0.89，具弱的负铕异常，暗示岩浆源区有斜长石的残留。

微量元素分析结果见表1。原始地幔标准化微量元素蛛网图(图4b)显示，比值蛛网图呈W型，大离子亲石元素Rb、K、Th、Ba相对富集，高场强元素Nb、Ta、Ti、P相对亏损，显示弧岩浆岩特征(Green， 1995； Barthetal.， 2000)。

图 4 板板山二长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分型式图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(球粒陨石、原始地幔标准化值据Sun and McDonough， 1989)Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of monzogranite in the Banbanshan area(chondrite and primitive mantle standardized data after Sun and McDonough，1989)

3.3 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

在板板山二长花岗岩采集锆石样品2件(BBS-1、TZG-1)。所挑选出的锆石颗粒为浅黄色-无色透明，呈半自形-自形柱状，长宽比为2∶1～3∶1，粒径为100～200 μm，CL图像显示典型的振荡环带结构，对应的锆石Th/U值(>0.40)介于2.01～2.44之间，为典型的岩浆型锆石(图5a、5b)。

剔除3个(4、9、22号)不谐和年龄分析点之后(表2)，BBS-1样品中22个有效点的206Pb /238U年龄加权平均值为743.2±6.1 Ma， MSWD=0.065(表2、图6a)，TZG-1样品剔除了7、13号不谐和年龄分析点，23个有效点的206Pb /238U年龄加权平均值为743.7±5.9 Ma，MSWD=0.022(表2、图6b)。这两组年龄在误差范围内一致，表明研究区二长花岗岩的形成时代属新元古代。

图 5 板板山二长花岗岩BBS-1(a)、TZG-1(b)锆石阴极发光CL图像Fig. 5 Cathodoluminescence images of zircon from BBS-1(a)and TZG-1(b)of Banbanshan monzogranite

图 6 板板山二长花岗岩样品BBS-1(a)、TZG-1(b)的LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 年龄谐和图与加权年龄直方图Fig. 6 LA-ICP-MS zircon U-Pb ages concordia diagram and weighted histogram from BBS-1(a) and TZG-1(b) of Banbanshan monzogranite

4 讨论

4.1 形成时代

陕西省地质局区域地质测量队(1966)(3)陕西省地质局区域地质测量队. 1966. 1∶20万商县幅区域地质调查.将板板山岩体时代定为印支期，吴发富等(2012)通过锆石U-Pb测年确定板板山钾长花岗岩的年龄为730.0±8.2 Ma，陕西省地质调查院(2017)将板板山岩体划分为早古生代。本次研究采集的2件样品加权平均年龄为743.2±6.1 Ma(MSWD=0.065)、743.7±5.9 Ma (MSWD=0.022)，获得的年龄数据可靠，与野外关系一致，表明板板山二长花岗岩形成于新元古代。

4.2 岩石成因及构造环境

研究区样品整体显示出高硅(平均75.59%)、钙碱性(σ=0.30～1.66)、过铝质(A/CNK平均2.12)特征，CIPW标准矿物计算显示刚玉分子介于1.94～9.44，远大于1，岩相学上没有发现普通角闪石和磁铁矿，也未见含普通角闪石的基性包体。利用全岩锆石饱和温度计算公式(Watson and Harrison， 2005)得到板板山二长花岗岩锆石饱和温度为770～818℃，平均787℃，接近S型花岗岩形成的平均温度(764℃， Chappell， 1999)，小于A型花岗岩平均成岩温度(833℃， Whalenetal.， 1987； 张旗等， 2007)和Ⅰ型花岗岩的平均成岩温度(>900℃， 张旗等， 2007)。这均反映了板板山二长花岗岩属S型花岗岩。

花岗质岩石只要有足够的热源，可由地壳中不同的源岩经过部分熔融而形成，因此对花岗质岩石源岩的判别为了解岩石成因奠定了基础(徐夕生等，2010)。利用相容性较差的几个强不活动元素比值可以判断岩浆的源区，所有样品的Ba/La平均值25.44、Ba/Nb平均值40.30、Rb/Nb平均值5.97、Th/Nb平均值0.60、La/Nb平均值1.70、Th/La平均值0.40均接近于大陆壳特征(Weaver， 1991)。在A/MF-C/MF图解上，3个样品落入变质砂岩部分熔融区域内，2个样品落入变质泥岩部分熔融区域(图7)。综上，这些都表明板板山二长花岗岩岩浆起源于上地壳岩石的部分熔融。

图 7 板板山二长花岗岩A/MF-C/MF图解(底图据Alther et al., 2000)Fig. 7 A/FM-C/FM diagram of the Banbanshan monzogranite (after Alther et al., 2000)

通过岩石地球化学研究发现，研究区二长花岗岩具有轻稀土元素相对富集、重稀土元素亏损特征，同时富集Rb、K、Th、Ba等大离子亲石元素，而亏损Nb、Ta等高场强元素；在Rb-(Yb+Nb)和Rb-Hf-Ta图解上，样品均投入火山弧花岗岩构造环境(图8a、8b)，表现出俯冲带弧型构造环境的地球化学特征。然而板板山二长花岗岩为S型花岗岩，起源于上地壳岩石的部分熔融，一般不会形成于岛弧构造环境，通过研究发现，类似的现象在年轻的造山带也有报道，莫宣学等(2007)发现，冈底斯古新世-始新世S型中酸性侵入岩为同碰撞成因，但具有火山弧环境的地球化学特征，原因为印度与亚洲大陆发生碰撞，连接在印度大陆前端的残留新特提斯洋壳俯冲速度减慢，滞留在亚洲大陆之下，随着洋壳的脱水，形成的流体上升交代地壳，发生部分熔融，形成具同碰撞和火山弧构造环境的特征的钙碱性岩浆岩系列。由此认为，板板山二长花岗岩是陆-陆碰撞阶段上地壳岩石部分熔融的产物，且受残留的俯冲洋壳脱水形成的流体交代作用。

4.3 地球动力学背景

Rodinia超大陆在新元古代的聚合及裂解一直受地质学家关注，基本的认识为聚合造山发生在1 000～800 Ma， 表现为早期弧-陆碰撞和晚期陆-陆碰撞。Rodinia超大陆的裂解发生于830～710 Ma之间，但其过程具有明显的时空分布不均一性(郭进京等， 1999； 徐备， 2001； 李怀坤等， 2003； 陆松年等，2005； 张拴厚等， 2010； 徐通等， 2016； 田辉等， 2017)，这符合Rodinia超大陆聚合过程中复杂的构造背景和地球动力学过程。南秦岭广泛出露新元古代耀岭河群，主体为一套中基性火山岩，在板板山一带岩性为安山岩，获得有效年龄介于为1 058～745 Ma，形成于岛弧环境(李靠社， 1990； 凌文黎等， 2002b； 李怀坤等， 2003； 陕西省地质调查院， 2017)，代表了Rodinia超大陆聚合过程中的火山事件。形成于同碰撞环境下的板板山二长花岗岩侵位时代(743 Ma)整体晚于形成于弧环境下的耀岭河群火山岩喷发时代，这样看来，板板山二长花岗岩的侵位时间(743 Ma)应该是该区俯冲作用的结束时间。基于前人成果，初步建立了新元古代时期板板山一带Rodinia超大陆聚合的地球动力学模型： ～743 Ma之前为古洋壳俯冲阶段，形成以耀岭河群安山岩为主体的弧火山岩；743 Ma之后，古洋盆闭合，Rodinia超大陆开始聚合，发生陆陆碰撞，形成以板板山二长花岗岩为代表的同碰撞侵入岩。

图 8 板板山二长花岗岩构造判别图解(a据Harris et al., 1986； b据Pearce et al., 1984)Fig. 8 Structure discriminant diagram of the Banbanshan monzogranite (a after Harris et al., 1986; b after Pearce et al., 1984)Syn-COLG—同碰撞花岗岩； VAG—火山弧花岗岩； ORG—洋脊花岗岩； WPG—板内花岗岩; Post-COLG—后碰撞花岗岩Syn-COLG—syn-collision granites； VAG—volcanic arc granites； ORG—ocean ridge granites； WPG—intraplate granites； Post-COLG—post-collision granites

5 结论

(1) 获得2件板板山二长花岗岩样品LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为743.2±6.1 Ma(MSWD=0.065)、743.7±5.9 Ma(MSWD=0.022)，表明板板山二长花岗岩形成于新元古代，而非前人所认为的印支期或早古生代。

(2) 板板山二长花岗岩具有高硅、富碱和过铝的特征，属中高钾钙碱性系列S型花岗岩，形成于同碰撞环境，岩浆起源于上地壳岩石的部分熔融，其携带火山弧构造环境的地球化学特征(具有轻稀土元素富集型配分模式，富集大离子亲石元素Rb、K、Th、Ba和亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、P)与残留的俯冲洋壳脱水形成的流体交代作用有关。

(3) 板板山二长花岗岩的侵位时间(743 Ma)代表了该区俯冲作用的结束时间，结合区域资料，初步建立了新元古代时期板板山一带Rodinia超大陆聚合的地球动力学模型：～743 Ma之前为古洋壳俯冲阶段，743 Ma之后，古洋盆闭合，Rodinia超大陆开始聚合，发生陆陆碰撞。

致谢项目组成员李景晨参与了野外样品采集，匿名审稿专家提出了宝贵意见，在此一并表示衷心的感谢。