豫西崤山白石崖岩株的深部过程<br/>——锆石年龄谱和稀土元素证据

豫西崤山白石崖岩株的深部过程
——锆石年龄谱和稀土元素证据

2023-10-07梁涛卢仁

地质论评 2023年5期

梁涛,卢仁

1) 河南省地质研究院,郑州,450016;2) 河南省有色金属深部找矿工程技术研究中心,郑州,450016;3) 河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室,郑州,450016;4) 河南省有色金属深部找矿勘查技术研究重点实验室,郑州,450016

内容提要:崤山北部早白垩世侵入岩的简单年龄结果中包含了复杂地质信息,6个岩株的侵位年龄集中于～130 Ma和～145 Ma两期,复杂的单颗粒锆石年龄谱为反演区域构造背景提供了新途径。白石崖岩株锆石的U-Pb年龄和微量元素特征不仅对探讨其岩石成因和深部过程具有重要作用,而且为建立崤山北部燕山期侵入岩的精细的年代学框架和整合的成因模型提供新限定。白石崖岩株定年样品BSY03为斑状黑云母二长花岗岩,3次LA-ICP-MS锆石U-Pb测试中分析了77个测点,其中73个有效测点的年龄值分成～132 Ma(15个)、～145 Ma(49个)和～158 Ma(9个)3个年龄组,形成了锆石年龄谱,最晚一组加权平均年龄132.1±1.0 Ma为白石崖岩株的形成时代。3组年龄锆石均显示了轻稀土亏损和重稀土富集的特征,整体为Ce正异常及Pr、Nd负异常,～145 Ma和～158 Ma两组锆石的稀土总量分别为694×10-6 ～ 2213×10-6(平均值1309×10-6)和950×10-6 ～ 1849×10-6(平均值1360×10-6),～132 Ma组锆石的稀土总量变化范围介于429×10-6 ～ 2210×10-6,平均值为1495×10-6。3组锆石总体的形成温度为539 ～ 748 ℃;～158 Ma组锆石的温度较高,为601 ～ 748℃(平均值662℃); ～145 Ma组和～132 Ma组锆石的温度分别介于539 ～ 717℃(平均值629℃)和553 ～ 701℃(平均值633℃)。锆石测点的Er、Yb、Lu和Y含量随年龄由早及晚的整体变化趋势均为升高,～132 Ma和～145 Ma组锆石的Ce4+/Ce3+值分别介于13.2 ～ 121(平均值69.7)和27.6 ～ 107(平均值70.3),～158 Ma组锆石的Ce4+/Ce3+值介于3.53 ～ 81.4,其由早及晚的整体趋势均为先升高后降低。白石崖岩株的形成受控于崤山北部岩石圈拆沉作用,深部岩浆/流体因此得以释放,促成上部处于未完全固结晶粥状态的岩浆/流体库发生混合再活化作用,重获上侵能力的岩浆/流体卷携多期锆石(如～158 Ma和～145 Ma的锆石)在浅部构造有利部位固结成岩,并晶出～132 Ma锆石。

确定形成时代是花岗岩地质研究中的基本任务之一,它在岩石成因、构造背景、成矿作用、找矿预测等研究和应用中是不可或缺的参数。作为常见副矿物之一,锆石广泛赋存于花岗岩内,它富含U和Th及低普通Pb,并具优良的矿物稳定性,锆石U-Pb体系也是目前已知矿物同位素体系中封闭温度最高的,这些特性使得锆石U-Pb定年在花岗岩同位素年代学研究中被广泛应用,尤其是原位微区锆石U-Pb定年方法。越来越多的花岗岩锆石原位U-Pb定年结果表明,同一件样品中有效锆石的年龄值也显示出分散特性,这些在U-Pb谐和线上呈串珠状的年龄数据形成单颗粒锆石年龄谱,它对应于区域岩浆/热事件。锆石的微量元素含量受控于锆石/熔体体系的温度、压力、氧逸度及物质成分等因素,结合锆石U-Pb年龄能够刻画它们的整体演化趋势,进而提取寄主花岗岩的岩石成因及深部构造演化信息。

崤山北部是华北克拉通南缘燕山期小岩株集中出露区之一,包括龙卧沟、后河、小妹河、白石崖、韩沟、中河和老里湾7个岩株,岩性以石英二长岩、斑状花岗闪长岩、(斑状)黑云母二长花岗岩、二长花岗斑岩和花岗斑岩为主。韩沟岩株的锆石U-Pb年龄为145.1±0.7 Ma,属于钾玄岩—高钾钙碱性系列,为高锶低钇中酸性岩(即Aidakite,有人音译为埃达克岩),是崤山北部燕山期小规模岩石圈拆沉作用的产物(卢仁和梁涛,2018)。龙卧沟和小妹河岩株的锆石U-Pb年龄为128±1 Ma和131.5±0.9 Ma,属于高钾钙碱性系列,具有高锶低钇属性,是崤山北部早白垩世岩石圈拆沉作用的产物(卢仁等,2014;梁涛和卢仁,2015)。后河岩株锆石U-Pb年龄为128±1 Ma(卢仁等,2013)和131.0±1.8 Ma及127.3±1.0 Ma(齐楠等,2019),属于钾玄岩—高钾钙碱性系列,后河高锶低钇中酸性岩由加厚大陆下地壳的部分熔融形成,经历了深部岩浆(流体)混合作用,构造背景存在岩石圈拆沉(卢仁等,2013;梁涛和卢仁,2017)和地壳由挤压加厚向伸展减薄转换(齐楠等,2019)两种认识。老里湾和中河岩株的锆石U-Pb年龄范围分别为129 ～ 135Ma(梁涛和卢仁,2016;王哲等,2018;李晓明等,2019;梁涛等,2023)和129 ～137 Ma(曾威等,2017;王利功,2018;肖建辉等,2018),前者构造背景存在后碰撞伸展构造导致的岩石圈减薄(王利功等,2017;王哲等,2018)和古太平洋板块向西俯冲及回撤导致的华北克拉通东部中生代构造大转折及岩石圈伸展减薄(李晓明等,2019)两种认识;后者构造背景存在岩石圈拆沉(常云真等,2017)和构造体制转换形成的伸展环境(肖建辉等,2018)两种认识。

崤山北部小妹河(梁涛和卢仁,2015)、老里湾(梁涛和卢仁,2016;王哲等,2018;李晓明等,2019;梁涛等,2023)和中河(曾威等,2017;王利功,2018;肖建辉等,2018)及邻区熊耳山蒿坪沟(梁涛等,2015)等早白垩世小岩株的U-Pb定年数据还形成了锆石U-Pb年龄谱,如小妹河锆石U-Pb定年23个有效测点的年龄值形成了与区域岩浆/热事件匹配的2644 ～ 2695 Ma、2490 ～ 2546 Ma、2367 Ma、1844 ～ 1859 Ma、143.6 Ma和129.6 ～ 133.8 Ma等 6个年龄峰值,这是由早白垩世岩石圈拆沉作用所触发的岩浆(流体)混合作用形成的。此外,后河岩株的锆石微量元素含量也被用于反演深部岩浆过程,其锆石/熔体体系中重稀土元素分配系数变化证明了深部岩浆(流体)混合作用的存在(梁涛和卢仁,2017),这在北秦岭骨头崖岩株(卢仁和梁涛,2017)和伏牛山余脉天目山岩株(卢仁和梁涛,2020)也获得应用,认为它是一种岩浆混合作用的识别标志。

鉴于此,笔者等以崤山北部白石崖岩株的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年为例,分析了锆石年龄谱和稀土元素对白石崖岩株的形成时代、源区岩浆/流体作用和深部过程三方面的限定。

1 地质特征

1.1 区域地质特征

崤山地处华北克拉通南缘(图 1a),位于小秦岭和熊耳山之间,它北东向延伸约100 km,朱阳—官道口—下峪一线将崤山分成南、北两部分。崤山北部主要出露新太古界太华群变质岩系、中元古界熊耳群火山岩系及中元古界官道口群碳酸盐岩(图1b),太华群变质岩系以片麻岩、变粒岩和斜长角闪岩为主,熊耳群火山岩系以安山玢岩、玄武安山岩、英安岩、流纹(斑)岩、火山角砾岩和火山碎屑岩为主(河南省地质矿产局,1989)。

图1 豫西崤山北部白石崖岩株地质简图Fig.1 Simplified geologic map of the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province(a)河南省构造分区简图(据河南省地质矿产局,1989简化),I—华北克拉通,II—秦岭造山带,F—卢氏—栾川—确山—固始深大断裂带;(b) 豫西崤山北部区域地质简图(据河南省地质矿产局,1989简化),锆石U-Pb年龄数据来源见表1;(c) 白石崖岩株地质简图(据张为民等,2015简化)(a) Simplified tectonic map of Henan Province showing the major tectonic division and units (Simplified after Bereau of Geology and Mineral Resources of Henan Province (BGMR), 1989). I—North China Craton; II—Qinling Orogen belt; F— Lushi—Luanchuan—Queshan—Gushi faults belt; (b) simplified distribution map of the northern Xiaoshan Mountains (Simplified after BGMR, 1989), the zircon U-Pb ages shown in Table 1; (c) simplified geological map of the Baishiya stock (Simplified after Zhang Weimin et al., 2015&)

崤山北部出露新太古代和燕山期两期褶皱构造(常云真等,2019),前者是以太华群为核部、熊耳群及官道口群等盖层为两翼的短轴穹窿背斜,如兰家洼背形、仁头沟向形等;后者主要为中—新生代盆地内的开阔褶皱,如高家寨背斜、王家崖向斜等。崤山北部断裂构造发育,近南北向、东西向、北西向和北东向断裂均有出露,分别如川口—宫前断裂、赵家岭—黑山沟断裂、杨家河—柳林断裂和坡根—张家河断裂。此外,崤山北部变质岩系内发育十八盘、刘家河、天爷庙和冯家沟等四条韧性剪切带,前三者走向北西向,冯家沟韧性剪切带走向近东西(常云真等,2019)。

崤山北部火山岩广泛分布,以中元古界熊耳群火山岩系为主,出露面积约1300 km2。侵入岩主要为新太古代、中—新元古代和早白垩世三期,新太古代侵入岩主要为 TTG岩系、钾长花岗岩系及辉绿岩,中—新元古代侵入岩主要为辉绿岩、闪长岩及花岗闪长岩等形成的小岩株、岩墙和岩脉,早白垩世侵入岩主要为二长花岗(斑)岩、花岗(斑)岩岩株及正长斑岩岩脉等侵入岩(河南省地质矿产局,1989;常云真等,2019),如龙卧沟、白石崖、韩沟、中河、老里湾等岩株(图1b和表1)。

1.2 白石崖岩株地质特征

白石崖岩株位于崤山北部中段,东部出露龙卧沟和后河岩株,西部出露中河和老里湾岩株,西南和南部分别为小妹河和韩沟岩株(图1b)。它出露面积约0.5 km2,平面上呈南、北两部分,中部和东侧为第四系覆盖,围岩为熊耳群许山组,其岩性以灰绿色—灰紫色含斑安山岩、(气孔)杏仁安山岩为主,岩层倾向和倾角分别介于60° ～ 130°和15° ～ 25°。在白石崖岩株的北、西、南三侧发育爆破角砾岩带,宽度介于约50 ～ 200 m,沿北西向延伸千米以上,受北西向隐伏断裂的控制(图1c)。白石崖岩株外围发育北西及北北西、北东、近南北和近东西向等4组断裂构造,且均为高角度断层,它就位于北西、北北西和近南北向断裂的交汇处,在许山组内发育缓倾斜的层间构造破碎带(张为民等,2015)。

白石崖岩株岩性复杂,斑状黑云母二长花岗岩(图2a)、黑云母石英二长斑岩(图2b)和黑云母花岗闪长斑岩均有出露,岩性差异在于石英含量和岩石结构,各岩性间呈渐变接触关系,可见次棱角状暗色微粒包体(图2c),在黑云母花岗闪长斑岩内出露黄铁矿(褐铁矿)—石英细脉(图2d)。

斑状黑云母二长花岗岩的新鲜面以浅肉红—灰红色为主,块状构造,似斑状结构,基质为半自形粒状结构,钾长石巨斑晶呈浅肉红色,含量介于10% ～ 15%之间,局部可达20%左右,颗粒长轴长度以3 ～ 7 cm者居多,最大可达约10 cm,发育卡氏双晶,钾长石内部常见到石英、斜长石、黑云母等矿物颗粒;基质含量约85% ～ 90%,主要由斜长石(20% ～ 30%)、石英(20% ～ 35%)、钾长石(25% ～ 35%)和黑云母(～5%)组成,斜长石发育聚片双晶和环带构造(图2e),副矿物以榍石、磁铁矿、磷灰石、锆石、黄铁矿等为主,可见斜长石与钾长石的绢云母化和黑云母的绿泥石化。

黑云母石英二长斑岩新鲜面以灰白—灰红色为主,块状构造,斑状结构(图2f),斑晶含量约15% ～ 20%,个别可达约25%,以钾长石和斜长石为主,长轴粒径介于0.5 ～ 1.5 mm,基质约80% ～ 85%,细晶质结构为主,黑云母含量5% ～ 10%,显示一定程度的定向排列(图2b)。

黑云母二长花岗斑岩以浅肉红色为主,块状构造,斑状结构,斑晶含量约10% ～ 15%,以钾长石、斜长石和石英为主,斜长石呈板条状,发育聚片双晶,轻微的绢云母化,钾长石以他形柱状及板状为主,可见卡尔斯巴双晶及其泥化,石英他形粒状为主,充填在长石颗粒之间。暗色矿物以黑云母(5% ～ 10%)和角闪石为主(～5%),副矿物以榍石、磷灰石、锆石等组成。基质含量约85% ～ 90%,由斜长石、钾长石和石英等组成。

2 锆石LA-ICP-MS测试

2.1 分析方法

白石崖岩株定年样品BSY03的锆石单矿物分选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,锆石制靶由北京锆年领航科技有限公司完成。锆石靶制作完成后,对靶上所有锆石颗粒进行反射光、透射光和阴极发光照相,在综合分析影像特征的基础上,初步判别其成因并设计最恰当的测点。

为精确限定白石崖岩株的形成时代和完善其锆石年龄谱,对样品BSY03先后在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室、中国地质科学院矿产资源研究所和武汉上谱分析科技有限责任公司等3家LA-ICP-MS实验室进行了锆石U-Pb定年,累计分析77个锆石测点。

北京大学LA-ICP-MS实验室的剥蚀系统的激光发射器使用COMPex Prol02型准分子激光器,质谱仪型号ICP-MS 7500ce,测试中标样91500、Plesovice、Qinghu、NIST610、NIST612及NIST614和样品锆石有序穿插进行测试。中国地质科学院矿产资源研究所LA-ICP-MS实验室剥蚀系统的激光发射器是UP213型激光器,质谱仪为Neptune 型多接收等离子体质谱仪,样品测试中插入的标准样品为GJ-1和Plesovice。武汉上谱分析科技有限责任公司LA-ICP-MS的激光剥蚀系统为GeoLasPro,离子体质谱仪为Agilent 7700,定年测试中标样91500、GJ-1、NIST610、PLE和样品锆石有序并穿插进行。

北京大学LA-ICP-MS的分析结果使用Glitter软件进行处理,中国地质科学院矿产资源研究所和武汉上谱分析科技有限责任公司的测试结果使用ICPMSDataCal程序(Liu Yongsheng et al.,2010)处理,它们的U-Pb谐和图绘制和加权平均年龄计算均使用Isoplot程序(Ludwig, 2001)。

2.2 样品特征

锆石定年样品BSY03为新鲜的斑状黑云母二长花岗岩,从中分选获得的锆石数量大于1000粒,大部分无色透明,个别锆石呈浅淡黄色,部分锆石可见裂纹和暗色包裹体。大多数锆石晶型完整,多呈长柱状,锆石长轴粒径以150 ～ 250 μm为主,短轴粒径以50 ～ 100 μm为主,锆石长宽比以2∶1 ～ 3∶1之间为主,大多数锆石发育清晰、致密、均匀的韵律振荡环带(图3),并且其Th/U值均大于0.1(表2),表明它们属于岩浆锆石。

图3 豫西崤山北部白石崖岩株定年样品BSY03的锆石阴极发光图像Fig.3 Zircon cathodoluminescence images of sample BSY03 from the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province

3 测试结果

3.1 锆石U-Pb定年结果

白石崖岩株定年样品BSY03的U-Pb锆石LA-ICP-MS定年结果见表2和图4。

图4 豫西崤山北部白石崖岩株样品BSY03锆石U-Pb定年结果: (a) 30颗(BSY03-01 ～ BSY03-30)锆石测试结果的U-Pb谐和曲线;(b) 17颗(BSY03-201 ～ BSY03-217)锆石测试结果的U-Pb谐和曲线;(c) 30颗(BSY03-301 ～ BSY03-330)锆石测试结果的U-Pb谐和曲线;(d) 73颗(不含测点BSY03-217、-307、-308和-327)锆石测试结果的U-Pb谐和曲线;(e) 样品BSY03中的三组锆石的加权平均年龄Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams of the sample BSY03 from the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province: (a) concordia diagrams for 30 spots from BSY03-01 to BSY03-30; (b) concordia diagrams for 17 spots from BSY03-201 to BSY03-217; (c) concordia diagrams for 30 spots from BSY03-301 to BSY03-330; (d) concordia diagrams for 73 spots (without BSY03-217, -307, -308 and -327); (e) n(206Pb)/ n(238U) weighted average ages of 3 groups for 73 spots

在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室的LA-ICP-MS实验室,对样品BSY03累计进行了30个锆石测点的U-Pb同位素分析,测点编号为BSY03-01 ～ BSY03-30,它们的测定值均位于n(207Pb)/n(235U)—n(206Pb)/n(238U)谐和线上(图4a),其n(206Pb)/n(238U)年龄集中于134 ～ 137 Ma(4个测点)和141 ～ 151 Ma(26个测点)两个范围内,相应的加权平均年龄分别为135±3 Ma和145±2 Ma,Th/U比值范围依次为0.12 ～ 0.17和0.11 ～ 0.41。此次测试结果135±3 Ma被视为白石崖岩株的形成时代(Liang Tao et al., 2013)。

在中国地质科学院矿产资源研究所LA-ICP-MS实验室对样品BSY03进行了17个测点的U-Pb同位素分析,测点编号为BSY03-201 ～ BSY03 -217,除测点BSY03-217偏离n(207Pb)/n(235U)—n(206Pb)/n(238U)谐和线外,其余16个测点的U-Pb同位素测定值均在谐和线上(图4b),它们的n(206Pb)/n(238U)年龄集中于143 ～ 147 Ma(7个测点)和157 ～ 160 Ma(9个测点)两个范围内,Th/U值范围依次为0.18 ～ 0.29和0.18 ～ 0.61。

在武汉上谱分析科技有限责任公司LA-ICP-MS实验室对样品BSY03进行了30个测点的分析,测点编号为BSY03-301 ～ BSY03-330,因测点BSY03-307、-308和-327的测试值偏离谐和线或者n(207Pb)/n(235U)年龄误差较大,在年龄数据处理中不予考虑,其余27个测点的U-Pb同位素测定值均在谐和线上(图4c),它们的n(206Pb)/n(238U)年龄集中于130 ～ 133 Ma(11个测点)和141 ～ 148 Ma(16个测点)两个范围内,Th/U比值范围依次为0.12 ～ 0.31和0.14 ～ 0.26。

综合样品BSY03的3次LA-ICP-MS锆石定年结果发现,73个有效测点的年龄形成了～132 Ma、～145 Ma和～158 Ma 3个年龄组(图4d和图4e),第一个年龄组由15颗锆石组成,它们的加权平均年龄为132.1±1.0 Ma(95%置信度,MSWD=0.8),第二个年龄组的锆石颗粒数高达49个,其加权平均年龄为145.3±0.7 Ma(95%置信度,MSWD=1.5),第三个年龄组由9颗锆石组成,它们的加权平均年龄为158.3±1.5 Ma(95%置信度,MSWD=0.3)。

3.2 锆石稀土元素结果

对样品BSY03进行锆石U-Pb定年的同时,也获得了相应77个锆石测点的微量元素含量,其中测点BSY03-217、-307、-308和-327等4个测点未获得有效锆石U-Pb年龄,在分析微量元素数据中也不考虑它们,其余73个测点的微量元素含量分析结果见表3。样品BSY03锆石测点的Ce和Eu含量范围分别是6.20×10-6～ 51.2×10-6和0.43×10-6～ 2.50×10-6,Ho含量的最小值和最大值分别为12.3×10-6和61.7×10-6,Yb和Lu的含量范围分别为234×10-6～ 1268×10-6和52.6×10-6～ 276×10-6,Y含量范围为432×10-6～ 2240×10-6,稀土元素总量介于429×10-6～ 2213×10-6。

在锆石稀土元素配分模式图中(图5a),3组年龄的锆石均显示了轻稀土亏损和重稀土富集的特征,测点BSY03-16、-202和-215的Ce、Pr、Nd和Sm含量较高,显示近水平分布趋势,其余锆石测点显示了Ce正异常及Pr、Nd负异常。比较而言,～145 Ma和～158 Ma两组锆石的稀土总量范围大致相当,平均值分别为1309×10-6和1360×10-6,但～132Ma组锆石的稀土总量变化范围最宽,介于429×10-6～ 2210×10-6,平均值高于前二者,为1495×10-6(表4)。

图5 豫西崤山北部白石崖岩株样品BSY03的锆石稀土元素图解: (a)锆石稀土元素配分模式图,球粒陨石标准化数据据Boynton(1984);(b)年龄—锆石形成温度图解;(c)年龄—锆石Er和Lu含量图解;(d)年龄—锆石Yb和Y含量图解;(e)年龄—锆石Ce4+/Ce3+值图解;(f)锆石形成温度—Ce4+/Ce3+值图解Fig.5 Diagrams of zircon rare earth elements of sample BSY03 from the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province: (a) chondrite-normalized REE patterns of zircon in sample BSY03, the chondrite values are from Boynton (1984);(b) diagram of age vs. temperature of zircons; (c) diagram of age vs. the Er and Lu contents of zircons; (d) diagram of age vs. the Yb and Y contents of zircons; (e) diagram of age vs. the ratio of Ce4+/Ce3+ of zircons; (f) diagram of temperature of zircons vs. the ratio of Ce4+/Ce3+粗圆和方形分别代表相应的平均值,数据见表4The bold circle and square are the average values shown in Table 4

锆石测点BSY03-202和-215的Ti含量异常高,分别为584×10-6和913×10-6,其余测点的Ti含量介于0.64×10-6～ 10.3×10-6。应用Ferry和Watson(2007)的锆石Ti温度计计算了它们的形成温度(表3),计算中αSiO2取值为1,测点BSY03-202和-215对应的温度值为1357℃和1472℃,其余测点的形成温度介于539 ～ 748 ℃。对比而言,～158 Ma组锆石的温度较高,集中于600 ～ 750℃之间(不含测点BSY03-202和-215),平均温度为662℃,～145 Ma组和～132 Ma组锆石的温度大致相当, 分别介于553 ～ 701℃和539 ～ 717℃,平均值为633℃和629℃(表4)。

在锆石Er、Yb、Lu和Y含量—年龄图解中(图5c和d),数据点由早及晚的整体趋势均为升高,这也在含量平均值中也得以体现,如Y平均含量依次为1182×10-6、1275×10-6和1526×10-6(表4)。另外一方面,仅对～132 Ma组15颗锆石而言,年龄偏老(134 ～ 137 Ma)的4锆石(BSY03-7、-8、-13和-17)具有低Er、Yb、Lu和Y含量,含量范围依次为72×10-6～ 194×10-6、234×10-6～ 655×10-6、52.6×10-6～ 149×10-6和432×10-6～ 1135×10-6,年龄偏新(130 ～ 133 Ma)的11颗锆石具有高Er、Lu、Yb和Y含量,依次为193×10-6～ 350×10-6、792×10-6～ 1286×10-6、139×10-6～ 276×10-6和1252×10-6～ 2240×10-6。

氧逸度是岩浆演化过程中重要的物理化学参数之一,锆石Ce4+/Ce3+值可以有效反映岩浆的氧化状态(Ballard et al., 2002)。～132 Ma和～145 Ma组锆石的Ce4+/Ce3+值分别介于13.2 ～ 121和27.6 ～ 107,平均值为69.7和70.3,～158 Ma组锆石的Ce4+/Ce3+值介于3.53 ～ 81.4,由早及晚的整体趋势均为先升高后微降(图5e)。仅就～132 Ma组15颗锆石而言,Ce4+/Ce3+值小于30的两个锆石(BSY03-319和-326)的年龄为133 Ma,同年龄的锆石BSY03-323的Ce4+/Ce3+值高达121。相比于较早一组锆石,后期总是存在低Ce4+/Ce3+值、高温的锆石(图5f),如～145 Ma组锆石测点BSY03-301的Ce4+/Ce3+值为27.6,测点BSY03-204的温度高达717℃,～132 Ma组锆石测点BSY03-311的温度为697℃,测点BSY03-319的Ce4+/Ce3+值和温度分别为701℃和13.2。

4 讨论

4.1 形成时代

在对白石崖岩株定年样品BSY03的年龄数据进行分析时,认为第一次测试30颗锆石(BSY03-01 ～ BSY03-30)的n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄值145±2 Ma不具有地质意义,因出露面积不足1 km2的小岩株在地壳浅部是快速固结,而非耗时17 Ma(最小134 Ma,最老151 Ma),年龄处理过程中分成134 ～ 137 Ma和141 ～ 151 Ma两段,将较晚一组4颗锆石的加权平均年龄135±3 Ma视为白石崖岩株的形成时代(Liang Tao et al., 2013)。

样品BSY03的第二和第三次定年在不同LA-ICP-MS实验室完成,测试结果不仅重现第一次分析测试的两段年龄,而且获得新的～158 Ma年龄段数据(表2和图4),三次测试结果相互印证,白石崖岩株的锆石年龄谱是真实存在的。最晚年龄组由15颗锆石组成,均具典型岩浆锆石的阴极发光图像特征(图3),定年样品BSY03为新鲜的斑状黑云母二长花岗岩,致密块状构造,未见后期细脉穿插和热液蚀变,其加权平均年龄132.1±1.0 Ma(95%置信度,MSWD=0.8)即为白石崖岩株的形成时代。

白石崖岩株的形成年龄132.1±1.0 Ma不仅与崤山北部龙卧沟、后河、小妹河、中河和老里湾岩株的形成时代接近,而且与熊耳山北麓蒿坪沟和金山庙岩株及花山岩基(图1b和表1)的锆石U-Pb年龄相近。这表明使用最晚一组锆石来限定白石崖岩株的形成时代是可信的,它是区域上早白垩世～130 Ma酸性岩浆活动的产物之一。

4.2 锆石年龄谱

定年样品BSY03中73颗有效锆石的U-Pb定年结果集中于130 ～ 137 Ma、140 ～ 151 Ma和157 ～ 160 Ma三段,最晚一组15颗锆石的加权平均年龄代表了白石崖岩株的形成时代,其余58颗锆石的U-Pb年龄落入晚侏罗世和早白垩世,加权平均年龄分别为145.3±0.7 Ma和158.3±1.5 Ma。它们形成了白石崖锆石U-Pb年龄谱(图4)。

在华北克拉通南缘小秦岭—崤山—熊耳山地区出露～145 Ma和～158 Ma的岩浆/热事件产物。崤山北部韩沟花岗斑岩的锆石U-Pb年龄为145.1±0.1 Ma(卢仁和梁涛,2018),崤山南部蒲阵沟、银家沟、圪老湾和八宝山等岩株的锆石U-Pb年龄介于142 ～ 149 Ma之间(胡浩等,2011;李铁刚等,2013;曾令君等,2013),栾川南泥湖—三道庄地区花岗岩的锆石U-Pb年龄介于145.2 ～ 146.7 Ma之间(向君峰等,2012)。石宝沟和五丈山花岗岩是豫西晚侏罗世侵入岩的代表,锆石U-Pb年龄分别为～157 Ma(杨阳等,2012)和～160 Ma(梁涛等,2019)。另外,崤山南部夜长坪岩株的锆石U-Pb定年数据(胡浩等,2011)形成具有～145 Ma和～158 Ma两个峰值的锆石年龄谱,前者代表其形成时代(卢仁和梁涛,2018),后者对应于白石崖锆石年龄谱中的最大年龄组。

另外一方面,崤山北部及邻区不同岩株的单锆石年龄谱存在相互匹配的峰值年龄(图6)。首先,白石崖岩株和老里湾、中河、小妹河及蒿坪沟等岩株的最晚一组锆石年龄相接近,表明它们近同时形成;其次,～145 Ma的锆石在白石崖、老里湾、中河、小妹河及蒿坪沟等岩株均有出现,并且它们在平面上环绕于～145 Ma韩沟岩株(图1b);第三,～158 Ma的锆石颗粒在蒿坪沟和白石崖岩株都有显示;最后,锆石年龄谱中古老锆石颗粒(> 1000 Ma)的峰值年龄也是匹配的,如2.3 ～ 2.4 Ga年龄出现在中河、小妹河和蒿坪沟岩株的锆石年龄中。

图6 崤山北部及邻区～130 Ma酸性侵入岩的锆石U-Pb年龄谱: (a)介于124 ～ 168 Ma的锆石年龄谱;(b) 介于1500 ～ 3300 Ma的锆石年龄谱Fig.6 Zircon U-Pb age spectrum of the ～130 Ma acid intrusive in the northern Xiaoshan Mountains and its adjacent area: (a) age spectrum from 124 Ma to 168 Ma; (b) age spectrum from 1500 Ma to 3300 Ma年龄数据来源见表1 The age references see in Table 1

白石崖锆石年龄谱中～130 Ma和～144 Ma组合不仅在北秦岭磨口基性脉岩(Liang Tao et al., 2020)和烟镇岩株(梁涛和卢仁,2018)中出现,而且在华北克拉通南缘的合峪(高昕宇等,2010)和郭庄、吴沟、铜山和天目山等花岗岩(卢仁和梁涛,2020;卢仁等,2021;梁涛等,2021;梁涛和卢仁,2021)的锆石U-Pb定年均得以显现。除此以外,锆石年龄谱中～158 Ma锆石年龄在区域上也存在对应的岩浆活动,表明崤山北部存在～158 Ma的岩浆活动。

这些表明白石崖岩株的锆石年龄谱是真实可靠的,它不仅限定了白石崖岩株的形成时代,而且框定了崤山北部燕山期岩浆活动至少存在～132 Ma、～145 Ma和～158 Ma三期,前二者对应有出露的小岩株。

4.3 岩浆混合活化作用

在锆石/花岗岩熔体体系内,稀土元素(特别是中、重稀土元素)属于相容元素,即随着早期T1年龄序列锆石的晶出,残余熔浆中稀土元素的含量降低,以此继续晶出晚期T2年龄序列的锆石,其稀土元素含量要低于T1序列锆石。即在理想线性演化过程中,锆石稀土元素含量随时间演化的趋势理论上是降低的。

另外一方面,花岗岩岩浆演化整体上是一个温度和压力都为降低趋势的过程,基于矿物和/或岩石成分计算的温度和压力结果也应符合这一趋势,即锆石的形成温度随时间演化的理论趋势是降低。随着侵位深度的减少和温度压力的降低,花岗岩岩浆的氧逸度随时间演化的趋势是升高,即锆石氧逸度(Ce4+/Ce3+值)随时间演化的理论趋势是升高。

白石崖岩株定年样品BSY03锆石的稀土元素含量、形成温度和氧逸度(Ce4+/Ce3+值)均与前述理论趋势明显不符(图5),如锆石Er、Yb、Lu和Y含量的演化趋势为升高,温度自～158 Ma到～145 Ma为降低,在～145 Ma到～132 Ma微小变动,温度最低的锆石反而出现在～145 Ma组,Ce4+/Ce3+值由早及晚的整体趋势均为先升高后微降。仅就～132 Ma组15颗锆石而言,高温峰值锆石的年龄位于年龄区间130 ～ 137 Ma的中间,锆石Er、Yb、Lu和Y含量由早及晚的总体演化为升高趋势,Ce4+/Ce3+值为发散趋势,低(< 30)、中(50 ～ 100)和高(> 110)在133 Ma同时出现。

由此可见,白石崖岩浆/流体体系并非理想的线性降温减压演化模式。华北克拉通南缘后河、天目山岩株和北秦岭骨头崖岩株的锆石微量元素演化趋势也明显不同于理论趋势,将其归因于深部岩浆/流体混合再活化作用所致,这也被视为岩浆混合作用识别的标志(梁涛和卢仁,2017;卢仁和梁涛,2017,2020)。白石崖岩株也应经历深部高温岩浆/流体的混合活化作用,低Ce4+/Ce3+值(< 30)说明注入的岩浆/流体是低SiO2的,如中(基)性岩浆/流体,这与其内暗色微粒包体的出现相互印证。

4.4 深部过程

崤山北部出露一系列与白石崖岩株的形成时代相近的岩株,其中龙卧沟、后河和小妹河岩株具备高锶低钇特性,是加厚大陆下地壳的部分熔融形成的,其源区深度大于50 km,这大于崤山北部现今莫霍面埋深～35 km(周国藩,1992;袁学诚,1996),表明它们形成于崤山北部早白垩世岩石圈拆沉作用(卢仁等,2013,2014;梁涛和卢仁,2015,2016,2017)。老里湾岩株的构造背景存在3种认识:①后碰撞伸展构造导致的岩石圈减薄(王利功等,2017;王哲等,2018),②古太平洋板块向西俯冲及回撤导致的华北克拉通东部中生代构造大转折及岩石圈伸展减薄(李晓明等,2019),③岩石圈拆沉作用的岩浆响应(梁涛等,2023)。中河岩株的构造背景存在岩石圈拆沉(常云真等,2017)和构造体制转换形成的伸展环境(肖建辉等,2018)两种认识。

蒿坪沟和斑竹寺岩株与白石崖岩株近同时形成,是熊耳山岩石圈拆沉作用的产物(梁涛等,2014,2015,2016)。北秦岭烟镇岩株、高庄金矿花岗细晶岩和磨口基性脉岩同为岩石圈拆沉作用的产物(梁涛和卢仁,2018;Liang Tao et al., 2019, 2020),它们与白石崖的形成时代相近。另外一方面,花岗岩锆石年龄谱是岩石圈拆沉作用的产物之一(梁涛等,2015,2019,2022;梁涛和卢仁,2015,2018),崤山北部及邻区同时代的岩株(图6)应受控于同一深部构造过程。白石崖岩株是崤山北部岩石圈拆沉作用的产物,深部物质和能量在岩石圈灾变过程中得以交换和释放,其岩浆演化中经历了深部岩浆/流体的注入、混合和再活化作用。以透岩浆流体成矿理论(罗照华等,2007a,2008a,2009)为基础,构筑了白石崖锆石年龄谱成因和深部构造过程模型(图7)。

图7 豫西崤山北部白石崖岩株的锆石年龄谱成因和深部构造过程模型Fig.7 Models of single zircon U-Pb age spectrum and deep tectonic process for the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province

作为经历成长期复杂构造演化秦岭造山带的组成部分之一,崤山北部岩石圈具有复杂物质状态和岩石学结构等特征,在不同深度形成多层规模不等的岩浆/流体库,其内各式晶体群共存(罗照华等,2013),处于未完全固结的晶粥状态(马昌前等,2020)。以双层岩浆/流体库体系为例,岩浆/流体库II在长期演化中形成年龄值各异的锆石组,在晚侏罗世五丈山岩石圈拆沉作用(梁涛等,2019)对崤山北部岩浆/流体库系统产生了扰动,其内形成～158 Ma的锆石组(图7a)。韩沟岩株表明崤山北部在～145 Ma发生小规模岩石圈拆沉作用(卢仁和梁涛,2018),岩浆/流体库II经历混合和再活化作用,上侵就位形成韩沟岩株,岩浆/流体库II因能量散失而晶出与韩沟岩株时代相近的～145 Ma锆石组,它们与～158 Ma锆石共存(图7b)。

崤山北部在～132 Ma发生规模较大的岩石圈拆沉作用,触发了位于不同深度水平上、不同成分的原岩近同时发生部分熔融(罗照华等,2006,2007b,2008b,2009;梁涛,2010),富含挥发份的深部流注入到未完全固结晶粥状态的岩浆/流体库II后,打断了岩浆/流体库II自～145 Ma之后开始的理想平衡固结进程,发生混合活化作用(透岩浆流体作用)后活化(罗照华等,2009,2010,2014,2017,2018;梁涛,2010;罗照华,2017),重新获取上侵能力的岩浆/流体体系卷携多种成因的锆石晶体群(如～158 Ma和～145 Ma的锆石)上侵,在浅部构造有利部位固结成岩,最终晶出代表白石崖岩株形成时代的～132 Ma锆石(图7c)。在此过程中,含挥发份的深部流为岩浆/流体库II进行了能量补充和物质补给,这在锆石的温度和稀土元素含量获得了体现。