太行山南段矿山杂岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学、地球化学及其地质意义

息朝庄，杜高峰，戴雪灵，戴塔根，夏浩东

(1.湖南城市学院土木工程学院，湖南 益阳 413000；2.东华理工大学，数字国土江西省重点实验室，南昌 330013；3.湖南黄金集团有限责任公司，长沙 410083；4.有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083；5.中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083；6.国土资源实物地质资料中心，河北 燕郊 065201)

0 引言

华北克拉通在中生代发生大规模构造-岩浆作用，其成因和地质意义一直是众多科学家关注的重点[1-5]。其中，针对燕山期岩浆岩的分析是解释华北克拉通岩石圈地幔性质改变和破坏过程的一个重要方面[6]。但是对具有高w(Sr)/w(Y)值、低w(Y)值地球化学特征的燕山期岩浆岩成因的认识，仍存在分歧。概括起来有如下6种认识：①认为是板块俯冲的部分熔融交代上覆地幔的产物[7]；②认为是大规模拆沉基性下地壳部分熔融的产物[8-9]；③认为形成于加厚基性下地壳或拆沉下地壳的部分熔融作用[10]；④认为是基性下地壳部分熔融壳源岩浆交代早先进入下地壳的亏损地幔形成[6]；⑤认为是起源于地幔或基性下地壳岩浆经复杂的AFC过程的产物[11]；⑥认为埃达克质岩石可形成于“非加厚”地壳环境，其“埃达克岩”的地球化学特征继承于母岩[12]。究其原因是缺少对中生代岩石圈地幔性质的解释[2]，及高w(Sr)/w(Y)岩石成因的多解性[11,13]。有鉴于此，笔者通过对太行山南段矿山杂岩体岩石学、年代学、地球化学研究，结合太行山地区中生代前人已研究的成果，探讨矿山杂岩体成因和地质意义，为揭示华北克拉通破坏过程和机制提供依据。

1 地质背景

1.1 岩体地质特征

区内杂岩体由一系列超基性-基性、中基性、中偏碱性及碱性岩组成(图1)。除了叩天井一带的基性-超基性岩小岩体外，区内主要杂岩体的岩性构成具有相对明显分带性。西部岩带以符山岩体为代表，岩性以偏基性的角闪闪长岩-闪长岩类为主；中部岩带以矿山岩体为代表，岩性以闪长岩-二长岩类为主；东部岩带以洪山岩体为代表，岩性以碱性-钙碱性的辉石正长岩-正长岩类为主。邯邢式铁矿成矿多与西部岩带和中部岩带存在密切关系。

图1 太行山南段矿山杂岩体地质简图[5]Fig.1 Geological sketch of Kuangshan Complex in South Taihangshan mountainWB.西部陆块；CB.中央造山带；EB.东部陆块；DTGL.大兴安岭-太行山造山带；TLFZ.郯庐断裂

1.2 岩相学特征

本区杂岩体岩石多为闪长岩、石英闪长岩和二长闪长岩(图2a—图2b)。

闪长岩(图2c—图2d)。岩石中主要的矿物成分为角闪石、斜长石、方解石、石英、不透明矿物及少量榍石。角闪石主要呈自形—半自形晶，粒状或柱状，粒径0.5～2.5 mm，粒状晶体多见两组菱形解理，部分晶体可见简单双晶，与斜长石紧密共生，含量45%。斜长石主要呈半自形晶，粒状或板状，粒径0.4～1.75 mm，可见聚片双晶，部分晶体可见环带状构造，大部分晶体发生不同程度的绢云母化、碳酸盐化，含量53%。石英主要呈它形晶，粒状，粒径0.07～0.12 mm，多分布于斜长石与角闪石颗粒之间，部分被包裹于斜长石颗粒之中，含量1%。不透明矿物主要呈半自形-它形晶，粒状或粒状集合体，粒径0.05～0.25 mm，呈浸染状分布于岩石中，多与角闪石共生，含量1%。

图2 矿山杂岩体岩石显微照片Fig.2 Microscopic photo of Kuangshan complexAmp.角闪石；Bi.黑云母；Pl.斜长石；Q.石英；Kfs.钾长石；Ser.绢云母化；Ep.绿帘石；Pyr.辉石

石英闪长岩(图2e)。岩石中主要的矿物成分为角闪石、斜长石、石英、不透明矿物及少量榍石。角闪石主要呈自形-半自形晶，粒状或柱状，粒径0.4～2.0 mm，粒状晶体多见两组菱形解理，部分晶体可见简单双晶、聚片双晶等特征，与斜长石紧密共生，含量37%。斜长石主要呈自形-半自形晶，粒状或板状，粒径0.25～1.0 mm，可见聚片双晶、环带状构造等特征，种属多为中长石，大部分晶体中心发生不同程度的绢云母化，含量60%。不透明矿物主要呈半自形-他形晶，粒状或粒状集合体，粒径0.05～0.5 mm，呈浸染状分布于岩石中，多与角闪石共生，含量2%。石英主要呈他形晶，粒状，粒径0.12～0.25 mm，主要分布于斜长石、角闪石颗粒之间，含量1%。榍石主要呈他形晶，不规则状，粒径0.12～0.4 mm，是岩石中主要的副矿物，含量1%。

二长闪长岩(图2f—图2h)。岩石中主要的矿物成分为角闪石、斜长石、钾长石、不透明矿物、榍石。岩石具有半自形粒状结构，块状构造。角闪石主要呈半自形-他形晶，粒状或柱状，粒径0.2～1.0 mm，大部分已完全蚀变为碳酸盐矿物、绿泥石等，仅保留角闪石假象，含量30%。斜长石主要呈自形-半自形晶，粒状或板状，粒径0.3～0.9 mm，可见聚片双晶，大部分晶体中心发生不同程度的泥化、绢云母化、绿帘石化，含量50%。钾长石主要呈半自形-他形晶，粒状或板状，粒径0.3～0.5 mm，多为条纹长石，多发生不同程度的泥化、绿帘石化，含量15%。榍石主要呈他形晶，不规则状，粒径0.2 mm±，是岩石中主要的副矿物，含量1%。不透明矿物主要呈半自形-他形晶，粒状或粒状集合体，粒径0.1～0.4 mm，呈浸染状分布于岩石中，多与角闪石共生，含量4%。

2 样品采集和测试方法

分析测试的9件样品均采自于杂岩体闪长岩露头，样品新鲜。主量元素和微量元素分析单位为中南大学地球科学与信息物理学院荧光实验室，稀土元素分析单位为广州奥实实验室ICP-MS分析室。

用于LA-LCP-MS锆石U-Pb测年的闪长岩样品编号为DW-19和DK12，样品取自于矿山杂岩体。锆石单矿物分选工作由廊坊地质服务有限公司完成。锆石的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)原位U-Pb定年和微量元素分析由中国科学技术大学壳幔物质与环境重点实验室分析测试。数据处理运用ICPMSDataCal软件[14]完成，年龄计算使用ISOPLOT(3.00版)软件完成[15]。

3 分析测试结果

3.1 锆石U-Pb同位素测年

矿山杂岩体中两个闪长岩样品DW-19和DK-12中锆石为透明无色或浅黄色，以自行-半自形为主，多数呈柱状、短柱状或不规则状，长80～180 μm，长宽比1∶2～1∶3。CL图像显示锆石的内部结构类型差异较大(图3)，部分锆石振荡环带发育明显、核边结构特征清晰，部分则为核幔边结构。上述两个样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试和年龄计算结果见表1。

表1 矿山杂岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果Table 1 LA-ICP-MS dated zircon U-Pb ages of Kuangshan complex

图3 矿山杂岩体岩石中锆石阴极发光照片Fig.3 CL image of zircon from Kuangshan complex

分析结果显示测点w(Pb)、w(Th)、w(U)值变化范围大，w(Pb)=9.3×10-6～502.3×10-6、w(Th)=7.5×10-6～4763.1×10-6、w(U)=22.0×10-6～3624.4×10-6；w(Th)/w(U)值为0.09～1.50，除1个测点低于0.1，其余均大于0.1，属岩浆成因锆石[16]。样品DW-19中20个测点的206Pb/238U年龄123 Ma±3 Ma—2832 Ma±24 Ma，谐和年龄为126.9 Ma±1.3 Ma(n=12, MSWD=0.60)(图4)。样品DK-12中20个测点的206Pb/238U年龄为121 Ma±2 Ma—2788 Ma±23 Ma，谐和年龄为125.2 Ma±1.4 Ma(n=12, MSWD=0.94)(图5)。

续表1：

图4 研究区DW-19锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 zircon U-Pb age concordia diagram for zircon DW19

图5 研究区DK-12 锆石U-Pb年龄谐和图Fig.5 Zircon U-Pb age Concordia diagram for zircon DK12

上述2件样品中锆石U-Pb年龄暗示本区岩体形成时期约在早白垩世，谐和年龄值为125.2 Ma±1.4 Ma—126.9 Ma±1.3 Ma。另外，由于2件样品中的孤立锆石年龄均可在彼此年龄范围内找到相近年龄的锆石，因此可对该样品中的继承锆石年龄进行分析；合并后，样品中继承年龄可划分为4组，1766 Ma±20 Ma—1818 Ma±25 Ma、2098 Ma±17 Ma—2116 Ma±20 Ma、2305 Ma±27 Ma—2483 Ma±19 Ma及2658 Ma±21 Ma—2832 Ma±24 Ma。

3.2 主微量元素和稀土元素分析

9件样品的主量、微量元素和稀土元素分析结果如表2所述。

表2 矿山杂岩体地球化学数据Table 2 Geochemical data of Kuangshan complex

矿山杂岩体岩样化学组分变化较大，w(SiO2)=52.53%～60.76%，w(Na2O)=3.37%～7.53%、w(K2O)=0.51%～3.49%、w(Na2O+K2O)=3.88%～11.02%，w(Na2O)/w(K2O)=1.40～13.61，大部分岩石样品属于为富钠型系列；将主量元素样品投影在TAS分类图(图6)上(其中部分引用了前人成果[17-20])，结果显示区内杂岩体样品数据多投影在辉长岩、辉长闪长岩、二长闪长岩、闪长岩、二长岩及花岗闪长岩等范围内。w(Al2O3)=14.35%～17.32%，铝饱和指数A/CNK=0.61～1.38，在A/CNK—A/NK图解上样品均落入准铝质区域内(图7)。岩样w(Ca2O)=3.50%～8.32%，w(MgO)=2.42%～6.56%，Mg#值=0.44～0.59，有学者提出当闪长岩中SiO2含量范围为53%～60%时，若其MgO含量大于4%并且Mg#大于0.45，可将其划归高Mg闪长岩范畴，有鉴于此，矿山杂岩体为高Mg闪长岩。

图6 矿山杂岩体TAS图解[21]Fig.6 TAS plot of Kuangshan complex1.橄榄辉长岩；2.辉长岩；3.辉长闪长岩；4.闪长岩；5.花岗闪长岩；6.花岗岩；7.副长石辉长岩；8.二长辉长岩；9.二长闪长岩；10.二长岩；11.石英二长岩；12.副长石岩；13.副长石二长闪长岩；14.副长石二长正长岩；15.正长岩；16.副长石正长岩

图7 矿山杂岩体A/CNK—A/NK图解[22]Fig.7 A/CNK-A/NJ diagram of Kuangshan complexⅠ.过碱性质；Ⅱ.准铝质；Ⅲ.过铝质

微量元素显示其具有高w(Sr)值(557×10-6～985×10-6)，低w(Y)值(11.52×10-6～22.10×10-6)和低w(Yb)值(1.30×10-6～2.00×10-6)，高w(Sr)/w(Y)值(30.9～61.8)的特征，这与埃达克岩地球化学指标相似。在原始地幔标准化蛛网图(图8)上，杂岩体标准化曲线较为相似，Th、U和大离子亲石元素(Rb、Ba、K)富集，且w(Th)/w(U)=2.78～4.79，高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf)亏损。

图8 矿山杂岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图(原始地幔数据据文献[23])Fig.8 primitive mantle-normalized trace element spider diagram of the complex

稀土元素总量w(ΣREE)=91.58×10-6～158.26×10-6；w(LREE)/w(HREE)=8.99～10.94，w(La)N/w(Yb)N=13.80～18.51，比值较高。δEu=0.92～1.19，无铕异常或微弱正铕异常。各样品稀土元素配分曲线近乎一致，均显示为轻稀土富集、弱正铕异常的右倾型的特点(表2，图9)。

图9 矿山杂岩体稀土元素标准化配分图Fig.9 Chondrite-normalized REE pattern of Kuangshan complex岩样XS-3、XS-8、XS-11、XS-12、XS-20、XS-24引自文献[17]

4 讨论

(1)矿山杂岩体成岩时代

有关矿山杂岩体年代学研究报道较少。太行山南段近年来已有一些精确的年龄值，其中符山杂岩体和东冶角闪闪长岩体的SHRIMP锆石U-Pb年龄值为126.7 Ma±1.1 Ma、125.9 Ma±0.9 Ma[18]；洪山岩体锆石年龄值为135 Ma±2.7 Ma—128.6 Ma±1.0 Ma[24]；西安里岩体角闪辉长岩锆石U-Pb年龄值为131 Ma±1Ma[25]；平顺杂岩体橄榄角闪辉长岩SHRIMP锆石U-Pb年龄值为123.4 Ma±1.7 Ma—125.3 Ma±2.3 Ma[5]。本次获得矿山杂岩体闪长岩锆石U-Pb年龄为125.2 Ma±1.4 Ma—126.9 Ma±1.3 Ma，这与前人获得的高精度年龄值在同一范围内，表明闪长岩与辉长岩形成时代接近，晚于正长岩体。

同时，本次获得的锆石年龄范围为2800 Ma—1800 Ma，在此期间，太行山南段发生强烈构造运动，生成裂谷与断陷盆地，并在其中沉积，但变质程度低，1800 Ma左右褶皱封闭，结晶基底初步形成。这表明本区岩浆在上侵过程中，将变质基底物质进行同化或者岩浆自身就是变质基底部分熔融的产物，这些锆石的年龄应为继承原变质岩的锆石年龄。

(2)矿山杂岩体岩石成因

太行山南段闪长质岩体主要有4种岩石成因模式，第1种观点认为岩浆来源于富集地幔，但有部分来源于下地壳部分熔融形成的花岗质岩浆的混合[26]；第2种观点认为下地壳部分熔融模式[17]；第3种观点认为是由两种不同性质的岩浆混合的产物，这2种岩浆分别来源于深部陆壳与地幔部分熔融[27]；第4种观点认为捕掳有亏损地幔包体的中基性岩体是拆沉下地壳部分熔融交代上覆地幔的产物[5]中基性岩体是拆沉。

矿山杂岩体主要为闪长岩、石英闪长岩具有高Mg#值(0.44～0.59)、高w(Sr)值(557×10-6～985×10-6)、高w(Sr)/w(Y)值(30.9～61.8)、富集Th、U和大离子亲石元素(Rb、Ba、K)、亏损高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf)的特征；轻稀土富集、重稀土亏损(w(LREE)/w(HREE)=8.99～10.94)，无铕异常或微弱正铕异常、低w(Y)值(11.52×10-6～22.10×10-6)和低w(Yb)值(1.30×10-6～2.00×10-6)，稀土元素配分曲线为轻稀土富集、弱正铕异常的右倾型的特点，这些地球化学特征与富集地幔起源的岩浆特征相似[24]。高w(Sr)、w(Ba)与无铕异常或微弱正铕异常特征，揭示斜长石没发生明显的结晶分异作用[5]；而低w(Y)与w(HREE)的特征，揭示岩浆部分熔融是在石榴子石稳定域内发生的，这与埃达克岩和TTG岩石相似，这说明下地壳榴辉岩部分熔融并对岩浆形成具有重要的贡献[5]。本次所获得继承锆石年龄为2800 Ma—1800 Ma，表明在矿山杂岩体形成过程中具有来自古老地壳物质的参与，而这一时期恰恰是华北克拉通最为重要的一个地壳增生阶段，经历了大规模的地壳形成与区域变质事件[28]，因此可判断华北克拉通古老地壳物质参与了矿山杂岩体的形成演化过程。另外，张海东等[5]对太行山南段高Mg#值闪长岩年代学、地球化学特征研究表明，在早白垩世，古太平洋板块向西的欧亚板块发生俯冲，太行山南段形成伸展环境[5]，将温度低的、厚的刚性下地壳部分拆沉进入软流圈内；在连续俯冲的影响下，拆沉下来的部分物质进一步诱发软流圈上涌且发生部分熔融，并交代上覆亏损地幔岩体使其发生部分重熔形成高Mg的类似埃达克岩浆及其侵入岩体。

5 结论

矿山杂岩体闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为125.2 Ma±1.4 Ma—126.9 Ma±1.3 Ma，表明该杂岩体形成于早白垩世，与华北克拉通东部大规模构造-岩浆活动时代接近。矿山杂岩体高Mg#值、高w(Sr)、高w(Sr)/w(Y)值(30.9～61.8)，Th、U和大离子亲石元素(Rb、Ba、K)富集、高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf)亏损；轻稀土富集、重稀土亏损，无铕异常或微弱正铕异常、低w(Y)、w(Yb)，这些特征均与埃达克岩和TTG岩石相似。结合太行山南段高Mg#值闪长岩年代学、地球化学特征研究，认为矿山杂岩体是在下地壳大规模拆沉基础上，经过连续俯冲的影响，拆沉下来的部分物质诱发软流圈上涌且部分熔融，并交代上覆亏损地幔岩体使其发生部分重熔为高Mg的类似埃达克岩浆而形成的。