北淮阳地区中生代火山岩成岩年代学及构造动力学背景

郭兆清，张德贤

(1.合肥工业大学设计院(集团)有限公司，安徽合肥，230009；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙，410083；3.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙，410083)

扬子板块和华北板块的碰撞始自三叠纪，形成了秦岭—大别造山带。北淮阳构造带位于该造山带之北缘，呈东西向长条状展布，以磨子潭—晓天断裂与北大别杂岩带相邻，北缘以金寨断裂与合肥盆地为界，对应于华北板块南缘和南北陆块会聚的地带[1−4]。北淮阳构造带构造于加里东期形成，中生代以后，被陆相火山—沉积盆地覆盖，自东向西发育了5个北西向的火山岩盆地。燕山期是北淮阳地区主要的成岩成矿期，受太平洋板块运动之影响，该区构造发育，岩浆作用强烈。近年来，在该带的找矿成果丰富，如河南南泥湖大型钼矿、安徽沙坪沟斑岩型钼矿、汞洞冲铅锌矿、南关岭金矿等[5−7]，但其成因和构造属性仍值得商榷[8−9]。本文拟对北淮阳地区的火山岩岩石学及年代学进行研究[10−15]，探讨其成因和构造属性，并与区域火山岩进行对比，探讨其喷发时序及构造动力学背景。

1 地质背景及火山岩特征

1.1 地质背景

北淮阳构造带的褶皱构造主要形成于加里东期，其次为海西—印支期[16]。北淮阳构造带主要由北西西向断裂(带)和北东向断裂带围合而成，边界断裂由北西西向的信阳商城断裂、晓天—磨子潭、金寨—舒城断裂、六安断裂和北东向的罗大断裂、商麻断裂、郯庐断裂组成，火山岩主要沿深大断裂(图1)分布。此外，构造带内尚存在有控岩控矿的北西西向断裂，如金寨断裂，北东向断裂如银沙—泗河、青山—熬药尖、沈桥—龙河口、黑石渡—团墩断裂等。

根据北淮阳地区构造环境演化特征，该区地层自下而上可分为4层：

1)新太古界—古元古界大别山岩群，为一套古老的中深变质火山—沉积岩系，构成北淮阳东段的下构造层。

2)新元古界卢镇关岩群和新元古界—下古生界佛子岭岩群，其中，卢镇关岩群主要岩石类型有黑云变粒岩、浅粒岩、斜长角闪岩、大理岩、云母片岩、石墨片岩等，佛子岭岩群为一套中浅变质岩系，原岩为类复理石建造。

3)上古生界石炭纪杨山群，包含有4个组，即花园墙组、杨山组、胡油坊组和杨小庄组，属一套残海或湖泊相沉积，以砂岩为主。

4)中生界及其上的地层，是一套未经历塑性变形和变质的陆相盆地堆积以及火山—沉积地层、一套陆相盆地堆积和火山—沉积地层。

研究区地处大别构造—岩浆岩带，由于受早期特提斯构造域的控制和晚期环太平洋构造域的叠加改造，从形成时代看，主要有新元古代(晋宁期)和侏罗—白垩纪(燕山期)，产出状态包括中深—浅成侵入岩、次火山岩和喷出岩；岩石类型主要是中酸性岩，其次是碱性岩。这些岩浆岩石是华北陆块和扬子陆块从元古代—中生代碰撞造山作用不同阶段的岩石圈构造—热事件产物。

1.2 区域中生代火山岩特征

北淮阳岩浆岩带的火山岩主要受区域断裂控制，自西至东主要集中于5个火山岩盆地中，分别为信阳火山岩盆地、商城火山岩盆地、金刚台火山岩盆地、霍山—舒城火山岩盆地及晓天火山岩盆地，北西向展布长330 km[17]。区内中生代火山岩和火山—沉积岩归纳为毛坦厂组、金刚台组、响洪甸组、晓天组。根据岩石组合及演化特征，分为毛坦厂旋回(属高钾钙碱性—钾玄岩系列)、晓天旋回(橄榄安粗岩系)和响洪甸旋回(属碱性玄武岩系列)。毛坦厂旋回为安山岩(石英安山岩)—粗安岩—英安岩—流纹岩—石英粗面岩组合。响洪甸旋回在响洪甸为碱性玄武岩—碱性粗面岩—响岩组合；在霍舒盆地为碱性玄武岩—碱性粗面岩组合，未见响岩类岩石。晓天旋回为碱性玄武岩—安山岩—粗安岩—粗面岩组合。

毛坦厂组分布在金寨、霍山—舒城及晓天火山岩盆地，依据岩性分为上、下两段。下段为灰色、灰绿色、灰紫色安山岩(图2(a)和图2(b))，角砾集块岩，集块岩夹少量薄层紫红色凝灰质砂岩，沉凝灰岩；上部为灰色、灰紫色、浅紫红色粗安质熔岩角砾岩，角闪粗安岩(图2(c))。金刚台组主要分布于商城及金寨西部，主要由一套火山碎屑岩、酸性熔岩组成。在喷发中心的锥形火山口处，出现潜火山岩和熔岩，沿着喷发中心往外推移，熔岩减少，而出现大量火山碎屑岩。响洪甸组分布在响洪甸水库一带的响洪甸火山岩盆地，下部为灰紫色、紫红色碱性玄武岩、碱玄质响岩夹碱性粗面岩(图2(c)和图2(d))及凝灰质砂砾岩，底部以凝灰质砂砾岩与下伏不整合接触；上部为灰紫色、肉红色假白榴石响岩质集块岩、响岩质熔结角砾岩、假白榴石碱性粗面岩夹凝灰质砂岩。晓天组仅分布在晓天盆地内，下部为黄绿色凝灰质砾岩、集块岩(图2(e)和图2(f))、含砾凝灰质砂岩与粉砂岩、粉砂质页岩互层，夹中粗粒砂岩；上部为灰黄、棕黄色中—厚层凝砂质砾岩、砂岩与青灰色、黄绿色泥质粉砂岩、钙质页岩互层，间夹泥灰岩透镜体。

图1 北淮阳地区火山岩地质简图(据李鑫浩等[27]修改)Fig.1 Volcanic geological sketch map of North Huaiyang(modified by LI et al[27])

2 样品分析测试与结果

2.1 样品采集与分析方法

在充分收集前人资料的基础上，采集来自舒城舒茶、舒城晓天、商城金刚台等标准剖面或剖面附近采场6件样品。在河北省廊坊市科大岩石矿物分选技术有限公司用常规矿物分选流程进行分选。分选后，选择颗粒粒径较大、自形程度较好的锆石用于制靶。锆石靶制作完成后，在中国地质科学院激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICPMS)实验室进行分析测试，进行锆石的透反射和阴极发光照相。利用LA-ICP-MS 分析锆石U 和Pb 的质量分数w(U)和w(Pb)。激光剥蚀系统为Resolution S-155 193 nm，ICP-MS 为Bruker M 90。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，二者在进入等离子体质谱(ICP)之前通过1个Y 型接头混合。每次分辨分析数据包括15～20 s的背景和45 s锆石样品w(U)和w(Pb)。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素质量分数及w(U)和w(Pb)同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal 完成。锆石微量元素质量分数利用美国联邦标准局玻璃标样NIST SRM610 作为外标、Si 作内标元素进行定量计算。U−Pb定年中，采用锆石标样GJ-1作外标进行同位素分馏校正，每分析5～10 个样品点便分析2 次锆石标样GJ-1 中的同位素质量分数w(U)和w(Pb)。对于与分析时间有关的同位素漂移，利用标样GJ-1中的质量分数变化采用线性内插的方式进行校正。锆石样品的U−Pb年龄谐和图绘制及年龄权重平均计算均采用Isoplot 完成，处理方法见文献[18]。

锆石Hf 同位素分析同样在中国地质科学院矿产资源研究所完成，使用仪器为Neptune多接收等离子质谱和New wave UP213 紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)。根据锆石粒径，剥蚀束斑直径为40 μm或50 μm。在测定过程中，使用国际锆石标样GJ-1 作为标准参考物质。分析测试的各项标准及计算方法见文献[19]。

图2 研究区主要岩性的野外产出特征Fig.2 Major rock-types in the study area

2.2 分析结果

实验样品中锆石多为无色透明或浅黄色，呈长柱状、正方双锥状自形晶体，长70～150 μm，宽约50 μm，长宽比为3:1～1.5:1.0。锆石阴极发光图像表现为清晰的明暗相间的条带结构和典型的岩浆震荡环带，表明为岩浆锆石。分析结果见表1。

样品BHY-1 采自晓天镇黄石滩，采自晓天组粗安岩。w(Th)/w(U)=1.29～2.95，为典型的岩浆锆石。9个锆石206Pb/238U年龄加权值分布于125～128 Ma，加权平均年龄为(126.29±0.8)Ma，加权平均方值0.78，所有点均位于协和线上或者附近，表明该年龄可靠，代表了其结晶年龄(图3(a))。

样品BHY-2 采集自舒城舒茶镇，采自毛坦厂组粗面岩。w(Th)/w(U)为1.07～4.02，为典型的岩浆锆石。24 个锆石206Pb/238U 的年龄加权值分布于123～127 Ma，加权平均年龄为(124.90±0.50)Ma，加权平均方值为0.49，所有点均位于协和线上或者附近，表明该年龄可靠，代表了其结晶年龄(图3(b))。

样品BHY-3 采集自金寨响洪甸水库旁的响洪甸组碱性粗面质熔结角砾凝灰岩。w(Th)/w(U)为0.74～1.34，为典型的岩浆锆石。17 个锆石点的206Pb/238U 的年龄分布于125.6～135.5 Ma，加权平均年龄为(131.17±0.83)Ma(加权平均方值为0.79)，所有点均位于协和线上或者附近，表明该年龄可靠，代表了其结晶年龄(图3(c))。

样品BHY-4 同样采自金寨麻埠镇响洪甸盆地西部，因挑选不出所需的岩浆锆石矿物，无法得出年龄结果。

样品BHY-5 采自金寨金刚台地区金刚台组安山岩。w(Th)/w(U)为0.77～3.33，为典型的岩浆锆石。18 个锆石点的206Pb/238U 的年龄分布于120～147 Ma，加权平均年龄为(129.10±3.20)Ma(加权平均方值为1.4)，所有点均位于协和线上或者附近，表明该年龄可靠，代表了其结晶年龄(图3(d))。

样品BHY-6 采自信阳刘家冲陈棚组安山岩。w(Th)/w(U)为1.25～3.12，为典型的岩浆锆石。27个锆石点的206Pb/238U的年龄分布于122～142 Ma，加权平均年龄为(130.20±2.10)Ma(加权平均方值为0.85)，所有点均位于协和线上或者附近，表明该年龄可靠，代表了其结晶年龄(图3(e))。

金寨金刚台安山岩BHY-5的Lu-Hf同位素结果见表2。从表2可见：176Hf/177Hf分布在0.281 7～0.282 1，平均值为0.281 972。按照锆石U−Pb加权平均年龄129.1 Ma 计算，初始Hf 同位素标准化值εHf(t)为−20.62～31.72，平均为−25.59，由此计算得到的两阶段模式年龄=2.49～3.18 Ga，平均值为2.80 Ga。

表1 北淮阳地区典型火山岩锆石U-Pb同位素分析结果Table.1 U-Pb isotopic compositions of typical North Huaiyang volcanic rocks

图3 北淮阳地区火山岩锆石年龄协和图Fig.3 Zircon age of volcanic rocks in North Huaiyang area

3 讨论

3.1 区域火山岩年龄

前人对于本地区的火山岩和侵入岩同位素年龄的研究较多(见表3[9,20−27])，基本构建了本区岩浆岩的时空格架。根据表3，本区岩浆岩均属于早白垩世(124～135 Ma之间)，火山喷发的时限相当于长江中下游岩浆岩的第二期，后期的次火山岩及脉岩年龄在124 Ma左右。

3.2 火山岩喷发时序与机制

前人认为北淮阳地区火山岩喷发分为3 个旋回，分别为毛坦厂旋回、晓天旋回和响洪甸旋回。这3个火山喷发阶段(旋回)的火山岩属同源岩浆演化产物，它们的先后喷发顺序为毛坦厂旋回→晓天旋回→响洪甸旋回。从早到晚较连续地由高钾钙碱性岩系→橄榄安粗岩系→碱性岩系演化，未见有较大的火山喷发—沉积间断，表现为前者被后两者火山岩覆盖，表明基本上是连续喷发产物。根据本次及前人的火山岩年龄成果(见表3)特别是近些年锆石U−Pb年龄可知，毛坦厂旋回、响洪甸旋回、晓天旋回先后关系不明显，其原因可能是毛坦厂旋回先喷发，但是响洪甸、晓天和望母山旋回应在毛坦厂旋回未结束前即开始，且几乎同时开始。根据王岳军等[28−30]的研究，本地区与响岩对应的侵入岩体霞石正长岩年龄为135 Ma 左右，与粗面岩对应的碱性正长岩年龄为124 Ma 左右，显示响洪甸地区火山岩喷发有2 期，且岩性不同。而火山岩的喷发几乎是同期的，且均应为北淮阳地区早期的火山活动。因此，北淮阳地区火山岩受北西向晓天断裂、金寨断裂及北东向郯庐断裂控制，喷发时限应为126～135 Ma，各喷发旋回几乎与同期的高钾钙碱性—钾玄岩组合的特征一致。

表2 北淮阳地区火山岩锆石Hf同位素分析结果Table 2 Lu-Hf zircon isotopic data of BHY-5 from the North Huaiyang

在地球化学特征上，北淮阳中生代火山岩普遍具有富钾、富集轻稀土元素，轻重稀土分馏强烈，富集大离子亲石元素，贫高场强元素，发育典型的Nb和Ta槽。本次采取的金寨金刚台安山岩的εHf(t)为−18.74～−35.26，两阶段模式年龄变化范围为2.4～3.2 Ga。由于εHf(t)反映了早期未受地幔影响的古老再循环基底地壳物质熔融形成的岩浆成分，表明该地区火山岩主要由太古宙再循环基底地壳熔融而成[31]。Hf 模式年龄为古元古代—新太古代，根据大别山的岩石组分研究[30]，其应来源于当时的下地壳。整体来说，北淮阳带火山岩自东向西表现出同时喷发且间歇的特点，岩浆成岩酸性程度增高、成矿作用增强。同位素研究结果表明，北淮阳火山岩的源区是同碰撞期时已经富集的华北岩石圈地幔，经俯冲的扬子板块下地的壳物质加入改造而成。

3.3 构造动力学背景

自中生代以来，受太平洋伊泽纳畸板块高速斜向俯冲的影响，在构造转换时期，大别造山带及其邻区由特提斯构造域向滨太平洋构造域转换[32]。由于太平洋板块向NW持续俯冲造成中国东部地区强烈的岩石圈伸展和受软流圈上涌的影响，玄武质岩浆底侵于下地壳底部的壳幔过渡部位，持续的幔源岩浆底侵及对下地壳底部加热，使增厚的下地壳底部部分熔融作用加剧[33−34]。始于晚侏罗世的玄武质岩浆底侵作用和水平挤压作用促使造山带及其两侧的陆壳更进一步增厚，同时，下地壳的部分熔融形成中酸性岩浆的大量移出致使下地壳进一步榴辉岩化，使其密度超过下伏的岩石圈地幔，造成下地壳与地幔之间的的重力不稳[35−37]，导致在早白垩世发生广泛的下地壳的拆沉作用(图4)。根据地球物理反射剖面和岩石物理性质的测量结果，现今大别造山带的莫霍面下凹，地壳厚度为32～33 km，比其他地区的地壳厚度(3～4 km)大；苏鲁超高压变质带的地壳厚度为32～33 km，较周围地区(2～3 km)大[38−40]，这与高压/超高压变质岩的形成深度相比已明显减小。大规模的拆沉作用导致热的软流圈上涌，软流圈上涌至上地幔和壳幔过渡带会造成大规模的岩浆作用，同时引发造山带的又一次强烈隆升，造成造山带和北淮阳构造带之间的差异性隆升，从而在北淮阳构造带形成滑覆伸展构造，并在滑覆伸展构造的后缘形成大规模的早白垩世火山岩盆地。

表3 北淮阳地区火山岩同位素年龄Table 3 isotopic age of volcanic rocks from the North Huaiyang

图4 北淮阳地区火山岩动力学模式Fig.4 Geodynamic activities of volcanic rocks from the North Huaiyang area

4 结论

1)北淮阳地区舒城、晓天、响洪甸、金刚台及信阳刘家冲火山岩中锆石U−Pb年龄分别为(126.29±0.80)，(124.90±0.50)，(131.17±0.83)，(129.10±3.20)和(130.20±2.10)Ma，认为该地区火山活动不存在绝对的先后关系，均几乎同时沿着深大断裂间断性喷发，喷发时限为126～135 Ma。

2)北淮阳地区5 个火山岩样品中锆石初始Hf同位素标准化值εHf(t)为−18.74～−35.26，两阶段模式年龄变化范围为2.4～3.2 Ga，表明该地区火山岩主要由太古宙再循环基底地壳熔融而成，其应来源于当时的下地壳。

3)北淮阳构造带处于造山带的北缘，发育一系列由南向北逆冲推覆构造。在中生代火山岩形成之前，这种构造体制始终占据主导地位。自晚侏罗世—早白垩世开始，受太平洋板块向中国东部大陆俯冲作用影响，发生了广泛的下地壳的拆沉作用，导致早期由于碰撞造山、逆冲推覆和地壳加厚所引起的上地幔和下部地壳部分熔融形成的岩浆快速上升，从而发生了强烈的火山喷发作用，形成了火山岩盆地。