秦岭群混合岩中花岗质脉体成因及锆石结晶机理

2022-08-19秦江锋周旭晨郑国顺

西安科技大学学报 2022年4期

李晓，秦江锋，周旭晨，郑国顺

(1.西北大学地质学系，大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069;2.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871)

0 引言

秦岭造山带位于中国大陆中央造带中段[1]，沿商丹缝合带发育大量高压(HP)-超高压(UHP)变质岩和早古生代花岗岩[2-3]，代表商丹洋板块俯冲及碰撞造山。商丹缝合带北侧秦岭群混合岩发育大量的淡色花岗质脉体，代表商丹洋闭合过程中秦岭群物质发生深熔作用[2，4-5]。目前对花岗质脉体成因机制和年龄还缺少深入研究。选择喂子坪地区秦岭群混合岩中的淡色花岗质脉体进行矿物学、岩石地球化学研究，探讨花岗质脉体的成因机制、锆石的结晶机理。

1 岩相学特征

秦岭造山带是扬子板块与华北板块长期汇聚形成的复合造山带，主要由2个主缝合带(商丹缝合带和勉略缝合带)和3个块体(华北地块南缘及北秦岭、南秦岭、扬子地块北缘)组成(图1)。

图1 秦岭造山带地质简图(据文献[1]修改)Fig.1 Simplified tectonic map of the Qinling orogenic belt(modified by[1])

秦岭群是Rodinia超大陆裂解过程中从华南陆块分离并向北漂移的微陆块，在500～480 Ma与华北克拉通碰撞、深俯冲形成的高压-超高压变质岩系，在440～430 Ma随着商丹洋北向俯冲到秦岭群之下发生中压高温麻粒岩相变质和深熔作用[3]。秦岭群混合岩是一套中深变质杂岩系，主体是各种片麻岩、石英片岩、石英岩、大理岩-钙硅酸粒岩和变粒岩，岩石变形复杂，并且发育深熔作用[3]。

喂子坪地区出露大量的秦岭群混合岩，淡色花岗质脉体基本平行于秦岭群混合岩中片麻理方向，淡色花岗质脉体呈囊状，切穿秦岭群混合岩的片麻理，代表混合岩化过程中花岗质熔体开始聚集。淡色花岗质脉体样品(QL-19-5)采自喂子坪铁桥下(图2)的囊状花岗质脉体中，岩石呈浅灰白色块状构造，粒径0.1～2 mm。主要矿物为：碱性长石(35%～40%)、石英(30%～35%)、奥长石(20%～30%)，次要矿物黑云母(～5%)，副矿物有锆石、榍石、磁铁矿等。

Qz-石英；Afs-碱性长石；Pl-斜长石；Bi-黑云母图2 淡色花岗质脉体镜下及野外照片Fig.2 Microscopic and field photos of the leucogranite veins

2 分析方法

文中分析化验等主要在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。矿物电子探针分析采用JXA-8230型电子探针仪，标准样品由SPI公司提供。主量元素分析采用XRF法完成，分析精度一般优于5%。微量元素分析用ICP-MS完成，分析精度和准确度一般优于10%[6]。

锆石阴极发光(CL)图像分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室扫描电子显微镜上完成，锆石U-Pb同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室激光剥蚀电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)仪上完成。同位素组成用锆石91500进行外标校正。LA-ICP-MS分析的详细方法和流程见文献[7]。锆石Lu-Hf同位素分析在中国地质调查局西安地质调查中心完成，采用Neptune型多接收等离子体质谱仪完成。

图3 黑云母岩相学特征及电子探针分析Fig.3 Petrography and electron microprobe analysis position of biotite

3 分析结果

3.1 矿物地球化学特征

3.1.1 黑云母地球化学特征

淡色花岗质脉体(QL-19-5)的黑云母电子探针分析结果见表1，SiO2含量为34.33%～35.24%，TiO2含量为2.37%～3.39%，Al2O3含量为15.53%～16.64%，K2O含量为9.39%～10.18%，MgO含量为7.24%～8.06%，FeO*含量为21.59%～23.47%。在黑云母Mg-(Fe3++AlⅥ+Ti)-(Fe2++Mn)图解和MgO-FeO/(FeO+MgO)图解上，黑云母分别落在铁质、壳源型范围内(图4)。

图4 黑云母矿物化学成分分析Fig.4 Mineral chemical composition analysis

表1 黑云母电子探针分析(wt%)及晶体化学式计算结果

3.1.2 斜长石

斜长石的SiO2含量为62.18%～64.68%，Al2O3含量为21.76%～23.35%，Na2O含量为8.72%～9.90%，CaO含量为3.23%～5.09%，An值介于15～24，属于奥长石(图5)，斜长石成分总体变化较小，未见明显的环带特征。

图5 斜长石Or-Ab-An图解Fig.5 Diagram of Or-Ab-An for plagioclase

3.1.3 碱性长石

碱性长石的SiO2含量为64.30%～64.92%，Al2O3含量为18.05%～18.27%，K2O含量为15.80%～16.40%，Na2O含量为0.55%～0.90%，CaO含5%。

3.2 主量、微量及稀土元素特征

样品具有高硅(SiO2=72.93%)、高碱(K2O+Na2O=8.40%)、富铝(Al2O3=13.9%；A/CNK=1.07)、低钙(CaO=1.14%)、低钛(TiO2=0.23%)、低镁(MgO=0.42%)的特征；Na2O=3.36%，K2O=5.04%，K2O/Na2O=1.50，属于高钾钙碱性系列(图6(a))；在A/CNK-A/NK图解中，样品落入过铝质系列范围内(图6(b))。喂子坪淡色花岗质脉体的稀土元素总量为197.41×10-6，(La/Yb)N值为10.38，轻、重稀土元素分异较明显，为右倾的曲线(图7(a))，脉体富集轻稀土元素、亏损重稀土元素，具有Eu负异常(δEu=0.40)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图7(b))中表现出富集大离子亲石元素(LILE)Rb，Ba，K，Pb和不相容元素U，Th，亏损高场强元素(HFSE)Nb，Ta，P，Ti。

图6 淡色花岗质脉体的主量元素Fig.6 Major elements of the leucogranite veins

图7 淡色花岗质脉体的微量元素(标准化值据[12])Fig.7 Trace element plots of the the leucogranite veins

3.3 锆石U-Pb定年

锆石多呈半自形柱状，无色透明-半透明，长50～130 μm，宽30～70 μm，长宽比1∶1～7∶2，部分锆石具有岩浆振荡环带(图8)。文中选取30颗锆石进行30个测试点分析(表2，图8)，舍弃9个不谐和点，样品中锆石的年龄可以分为5组。

图8 锆石阴极发光图像Fig.8 Zircon cathodoluminescene(CL)images

表2 淡色花岗质脉体主量(wt%)及微量元素(×10-6)分析结果

第1组3颗锆石(#4，#16，#25)的206Pb/238U年龄为970～770 Ma，Th含量为(45～141)×10-6，U含量为(139～205)×10-6，Th/U值为0.22～0.96，其大于变质锆石Th/U比值(<0.1[13])，为岩浆成因锆石。第2组两颗锆石(#7，#12)的206Pb/238U年龄为627～611 Ma，Th含量为(54～79)×10-6，U含量为(91～102)×10-6，Th/U值为0.53～0.87。第3组4颗锆石(#6，#10，#20，#28)的206Pb/238U年龄为545～394 Ma，Th含量为(55～118)×10-6，U含量为(82～212)×10-6，Th/U值为0.53～0.68，为岩浆成因锆石。第4组3颗锆石(#18，#26，#27)的206Pb/238U年龄为278～206 Ma，Th含量为(182～423)×10-6，U含量为(302～1 077)×10-6，Th/U值为0.39～0.6。第5组9颗锆石(#3，#5，#11，#14，#15，#19，#21，#23，#24)的206Pb/238U年龄为146～108 Ma，Th含量为(17～3124)×10-6，U含量为(90～2608)×10-6，Th/U值为0.53～1.27。

3.4 锆石微量元素特征

喂子坪淡色花岗质脉体中锆石具有Eu负异常和Ce正异常，轻稀土亏损、重稀土富集(图9)，富集U，Th，Hf，Pb元素，亏损Ti元素(图9)。第1组锆石(970～770 Ma)的稀元素总量为680.03×10-6～1 886.28×10-6，σEu值为0.04～0.15，σCe值为3.34～5.27。第2组锆石(627～611 Ma)的稀土元素总量为295.16×10-6～689.00×10-6，σEu值为0.32～0.51，σCe值为20.82～30.84。第3组锆石(545～394 Ma)的稀土元素总量为540.25×10-6～1 194.79×10-6，σEu值为0.07～0.21，σCe值为1.20～33.96。第4组锆石(278～206 Ma)的稀土元素总量为530.89×10-6～788.31×10-6，σEu值为0.11～0.45，σCe值为2.62～30.81。第5组锆石(146～108 Ma)的稀土元素总量为1 054.74×10-6～4 715.83×10-6，σEu值为0.13～0.35，σCe值为2.69～30.26。

3.5 锆石Lu-Hf同位素特征

对5组锆石进行原位Lu-Hf同位素分析，结果见表5，如图9所示。第1组锆石(970～770 Ma)的176Lu/177Hf值为0.000 650～0.003 774，具有正εHf(t)值(+3.2～+13.3)，对应的二阶段模式年龄TDM2为1617～818 Ma。第2组锆石(627～611 Ma)的176Lu/177Hf值为0.000 819～0.001 004，εHf(t)值介于-0.30～+7.3之间，对应的二阶段模式年龄为1 717～1 079 Ma。第3组锆石(545～394 Ma)具有正的εHf(t)值(+8.0～+12.3)。第4组锆石(278～206 Ma)具有正的εHf(t)值(+0.8～+2.6)，对应的二阶段模式年龄为1 163～1 090 Ma。第5组锆石(146～108 Ma)εHf(t)值介于-0.1～+5.1之间，对应的二阶段模式年龄是1 154～834 Ma。

表3 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定结果

图9 锆石Hf同位素特征εHf(t)-t图解(据文献[14]修改)Fig.9 εHf(t)-t diagram of zircon(modified by[14])

4 锆石结晶条件

4.1 锆石饱和温度

采用WATSON等从高温试验(700～1 300 ℃)中得出的锆石饱和温度计算公式来计算中锆石的结晶温度因为锆石是以副矿物的形式出现于淡色花岗质脉体中的，全岩锆含量大概能代表熔体中锆的含量[15]，表明喂子坪淡色花岗质脉体中锆石的饱和温度为810 ℃。

4.2 锆石Ti温度计

采用WASTON等提出、FERRY等修正的根据锆石Ti温度计算锆石结晶温度的公式来计算锆石的结晶温度，喂子坪淡色花岗质脉体中的锆石Ti温度介于623～913 ℃[16-17]。第1组锆石(970～770 Ma)的锆石Ti温度介于668～704 ℃。第2组锆石(627～611 Ma)的锆石Ti温度介于640～682 ℃。第3组锆石(545～394 Ma)的锆石Ti温度介于697～774 ℃。第4组锆石(278～206 Ma)的锆石Ti温度介于623～738 ℃。第5组锆石(146～108 Ma)的锆石Ti温度介于670～913 ℃。

表4 锆石Ti温度

4.3 液相线温度

液相线温度为岩石全部熔融的温度条件，可以用来表示原始岩浆温度。黑云母为捕获而来的，这说明岩浆中水的含量较低。在低水条件下(w(H2O)=2%～3%)模拟计算淡色花岗质脉体的液相线温度，得到其介于899～949 ℃，平均值为908 ℃。

4.4 黑云母结晶压力

黑云母的全铝含量与花岗岩的固结压力具有良好的相关性，喂子坪淡色花岗质脉体中黑云母的结晶压力介于1.95×108～3.23×108Pa，平均值为2.47×108Pa，侵位深度介于8.62～10.97 km，平均值为9.32 km[18]。

4.5 氧逸度

4.5.1 锆石氧逸度计

SMYTHE等提出的岩体氧逸度的计算方法是目前准确性最高的氧气压力计[19]。

第1组锆石(970～770 Ma)的氧逸度值为ΔQFM-3.25～ΔQFM+1.25，平均值为ΔQFM-1.41。第2组锆石(627～611 Ma)的氧逸度值为ΔQFM-1.75～ΔQFM+0.57，平均值为ΔQFM-1.16。第3组锆石(545～394 Ma)的氧逸度值为ΔQFM-0.76～ΔQFM+1.68，平均值为ΔQFM+0.09。第4组锆石(278～206 Ma)的氧逸度值为ΔQFM-2.39～ΔQFM-1.08，平均值为ΔQFM-1.73。第5组锆石(146～108 Ma)的氧逸度值为ΔQFM-1.63～ΔQFM+0.82，平均值为ΔQFM-0.62。

4.5.2 黑云母氧逸度

在黑云母Fe3+-Fe2+-Mg图(图10)中，喂子坪淡色花岗质脉体中的黑云母均落在HM缓冲线与NNO缓冲线之间，并且更靠近NNO缓冲线，说明黑云母是在中等的氧逸度环境中结晶的。

图10 黑云母Fe3+-Fe2+-Mg图解(据文献[20]修改)Fig.10 Diagrams of Fe3+-Fe2+-Mg for biotite(modified by[20])

5 讨论

5.1 淡色花岗质脉体成因

喂子坪淡色花岗质脉体的主要矿物为石英、碱性长石、奥长石，其暗色矿物含量十分低，地球化学上具有高硅、富碱、过铝质、低镁、低钙、低钛的特征，与典型的淡色花岗岩十分类似[21-22]。

样品轻、重稀土分馏，Eu负异常，富集大离子亲石元素(LILE)Rb，Ba，K，Pb，U，Th，亏损高场强元素(HFSE)Nb，Ta，P，Ti等地球化学特征表明淡色花岗质脉体为地壳物质部分熔融形成的。Eu负异常说明源区残留有大量斜长石，脉体在斜长石稳定区(<1 Ga)形成。黑云母的结晶压力(1.95×108～3.23×108Pa)和侵位深度(8.62～10.97 km)说明喂子坪淡色花岗质脉体是在低压条件下、中地壳深度形成的。过去认为淡色花岗岩的主要熔融机理是变沉积岩发生脱水熔融作用或者水致熔融作用[23]，然而近些年有学者认为准铝质岩石的分离结晶也可以形成淡色花岗岩[24]，也有学者认为岩浆高度分异等后期演化是淡色花岗岩的主要形成原因，其源岩不一定是变沉积岩[25]。在摩尔比CaO/(MgO+FeOt)-摩尔比K2O/Na2O图解(图11)上，样品落在安山质与杂砂质岩石的过渡区域，指示其源岩可能有安山质和杂砂质岩石。

图11 淡色花岗质脉体molCaO/(MgO+FeOt)-molK2O/Na2O图解(据文献[27]修改)Fig.11 Diagrams of molCaO/(MgO+FeOt)-molK2O/Na2O for the leucogranite(modified by[27])

饱和水致熔融形成的熔体大多为钠质[26]，样品是富钾的，且在大陆俯冲与高压变质岩折返过程中很难有大量水加入，因此认为水致熔融并非喂子坪淡色花岗质脉体的主要熔融方式，其主要熔融方式应该为含水矿物的脱水熔融。综上所述，喂子坪淡色花岗质脉体的源岩有长英质和杂砂岩岩石，是在低压条件下，中地壳物质脱水部分熔融形成的。

5.2 淡色花岗质脉体锆石来源与结晶机理

喂子坪淡色花岗质脉体中锆石的206Pb/238U年龄并不统一、年龄分布范围较大，然而脉体形成于某一阶段，只有结晶于脉体形成时代的锆石可能是脉体自身结晶出来的，其余的锆石或者脉体中所有的锆石可能是捕获而来的，锆石的来源非常复杂。如果结晶于脉体形成时代的锆石是脉体自身结晶出来的，淡色花岗质脉体可以代表原始的花岗质熔浆；如果脉体中没有自身结晶的锆石，那么淡色花岗质脉体不可以代表原始的花岗质熔浆。

理论上，如果体系封闭、没有外来组分，脉体的液相线温度可以反映原始岩浆温度。锆石饱和温度是锆石开始结晶的温度。喂子坪淡色花岗质脉体中含有大量的捕获锆石，即具有额外的Zr含量，因此所计算的锆石饱和温度偏高，岩浆中锆石开始结晶的温度低于810 ℃。液相线温度高于锆石饱和温度和锆石Ti温度，如果液相线温度反映原始岩浆温度，说明在岩浆的初始阶段没有锆石结晶或者没有锆石被捕获，锆石在较晚的低温阶段才结晶或者被捕获。