武汉长江新城北部埃达克质花岗岩地球化学特征及其地质意义

2024-02-26何仁亮孔令耀杨青雄

资源环境与工程 2024年1期

何仁亮, 陶良, 张雅, 孔令耀, 李朋,周峰, 杨青雄, 吴波, 刘力

(1.湖北省地质调查院,湖北武汉 430034; 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室,湖北武汉 430034;3.湖北省地质勘查工程技术研究中心,湖北武汉 430034; 4.武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022;5.湖北省地质局第三地质大队,湖北黄冈 438000)

埃达克岩是根据岩石地球化学特征命名的岩石类型,最早由Kay[1]发现于Aleutian群岛的Adak岛,这套新生代镁质安山岩具有富含大离子亲石元素(LILE),低*FeO/MgO比值,高Sr、Sr/Y及La/Yb比值的特征。Defant et al.[2]对埃达克岩进行了定义,认为该类岩石具有SiO2含量≥56%、Al2O3含量≥15%、MgO含量常<3%;亏损重稀土元素(HREE)(如Yb含量≤1.9×10-6)和Y(含量≤18×10-6),高Sr(含量>400×10-6)、La/Yb比值(>7.6～15.0)、Sr/Y比值(>20.0～40.0);正Eu异常(少数为极弱负Eu异常)等特征。早期研究发现的埃达克岩都产于汇聚板块边缘,与俯冲洋壳的部分熔融有关;后来在远离俯冲带的内陆板内环境中也发现了具有相似地球化学特征的岩石,这些岩石可能来源于下地壳加厚[3]、下地壳拆沉[4]、岛弧岩浆分离结晶[5-6]、岩浆混染[7]、洋壳沉积物部分熔融[8-9]等。

在开展武汉市多要素城市地质调查过程中,于长江新城北部钻孔中发现了隐伏的浅肉红色中细粒黑云二长花岗岩侵入到南华系双台组变质岩中,其岩石地球化学分析结果显示出埃达克质岩特征。本文试图通过详细的全岩主微量元素和锆石U-Pb年代学研究,探讨其岩石成因及构造背景,以期对大别造山带南缘的早白垩世动力学背景及岩浆演化提供更多约束,同时也为长江新城地下空间规划与开发利用提供一些基础数据。

1 地质背景

长江新城位于大别造山带南侧的武汉市中北部,其西北角出露南华系双台组变质岩,其他地区多被第四系所覆盖,浅部基岩主要为白垩系—古近系公安寨组和新近系广华寺组(图1)。大别造山带是扬子陆块和华北陆块在中—晚三叠世碰撞之后受到晚中生代构造岩浆作用改造的复合造山带,同时也是世界上最大的超高压变质带。本次研究的样品采集于长江新城北部钻孔JK215和FK205中(图2-a),这两个钻孔相距约300 m,揭露的黑云二长花岗岩分别厚5 m和2 m,判断它们揭露的为同一岩体。

图1 武汉长江新城基岩地质图Fig.1 Bedrock geological map of Changjiang New Town in Wuhan

a.岩心;b.镜下特征(正交偏光);Bi.黑云母;Kf.钾长石;Pl.斜长石;Q.石英图2 黑云二长花岗岩岩心及镜下特征Fig.2 Rock core and microscopic characteristics of biotite monzogranite

岩体岩性为浅肉红色中细粒黑云二长花岗岩,具中细粒花岗结构(图2-b)、块状构造,主要由斜长石(50%)、钾长石(20%)、石英(20%)、暗色矿物(5%)和副矿物(5%)组成。斜长石呈自形板柱状,多数发育细密平直的聚片双晶,少数具环带状内部结构,成分为中更长石,晶体表面普遍布满显微鳞片状的绢云母集合体(即绢云母化)。钾长石呈半自形板状,成分为正长石,较粗大的钾长石晶体内含多个细小的斜长石、石英等矿物包体。石英呈他形粒状分布于长石之间。暗色矿物主要为黑云母,少量为角闪石,黑云母多呈片状,少数具绿泥石伴析铁现象;角闪石多呈柱状。副矿物沿主要矿物粒内或粒间零星分布,有磷灰石、磁铁矿、锆石、榍石等。

2 方法与结果

2.1 分析方法

在钻孔JK215和FK205中分别采集了2件黑云二长花岗岩样品,手工除去样品表面风化层,碾碎至1～5 mm,然后使用超声波清洗仪清洁样品表面,烘干后使用不锈钢钵粉碎至200目送检。样品主、微量元素测试在湖北省地质实验测试中心完成,主量元素测试采用X射线荧光光谱法(XRF),仪器为Shimadzu XRF-1800型X荧光光谱仪;微量元素测试采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS),仪器为ThermoFisher X2型电感耦合等离子体质谱仪。主量和微量元素的测试精度均优于5%。

在钻孔JK215中采集了1件样品,送至河北省区域地质矿产调查研究所完成锆石U-Pb年龄测定。将样品粉碎到80～100目,利用常规的浮选和电磁法分离出锆石,在双目镜下挑选出晶型较好的锆石。将分选出的锆石颗粒粘在双面胶上,套上靶环,灌入环氧树脂后冷却,对样靶进行抛光,然后进行反射光、透射光和阴极发光的照相。锆石U-Pb同位素和微量元素微区分析采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS),激光束斑直径为32 μm,用He作为剥蚀物质的载气,标准锆石91500作为外标,GJ-1或Plesovic为监控标样,详细实验过程及仪器参数见袁洪林等[10]。采用ICPMSDataCal软件对测试结果进行处理[11],处理后的数据用Isoplot 3.0程序进行谐和图绘制和加权平均年龄计算[12]。

2.2 测试结果

2.2.1 主量元素

黑云二长花岗岩主量元素测试结果(表1)显示,其SiO2含量较高,为65.99%～67.01%;Al2O3含量为15.58%～15.89%,铝饱和指数(A/CNK)为0.91～0.97,属偏铝质系列;Na2O含量为5.00%～5.12%,K2O含量为3.49%～3.99%,Na2O/K2O比值为1.27～1.44,全碱(Na2O+K2O)含量为8.51%～9.07%,具有富碱、富Na特征;里特曼指数为3.02～3.57,属于钙碱性系列;MgO含量为1.06%～1.20%,Fe2O3含量为0.91%～1.17%,具有低Fe、贫Mg特征;CaO、TiO2、P2O5含量都较低,分别为2.17%～2.55%、0.39%～0.42%和0.22%～0.32%。在TAS图解(图3)中,样品均落入石英二长岩区域。在K2O-SiO2图解(图4)中,样品全部落入高钾钙碱性系列区域。在A/NK-A/CNK图解(图5)中,样品均落入准铝质区域。总体而言,长江新城北部的黑云二长花岗岩具有高Si、富碱、富Na,低CaO、MgO、Fe2O3的特征。

表1 黑云二长花岗岩主、微量元素测试结果Table 1 Main and trace element test results of biotite monzogranite

(1).橄榄辉长岩;(2a).碱性辉长岩;(2b).亚碱性辉长岩;(3).辉长闪长岩;(4).闪长岩;(5).花岗闪长岩;(6).花岗岩;(7).石英岩;(8).二长辉长岩;(9).二长闪长岩;(10).二长岩;(11).石英二长岩;(12).正长岩;(13).副长石辉长岩;(14).副长石二长辉长岩;(15).副长石二长正长岩;(16).副长石正长岩;(17).副长石深成岩;(18).霓方钠岩/粗白榴岩图3 黑云二长花岗岩TAS图解(底图据Middlemost[13])Fig.3 TAS diagram of biotite monzogranite

图4 黑云二长花岗岩K2O-SiO2图解(底图据Peccerillo et al.[14])Fig.4 K2O-SiO2 diagram of biotite monzogranite

图5 黑云二长花岗岩A/NK-A/CNK图解(底图据Maniar et al.[15])Fig.5 A/NK-A/CNK diagram of biotite monzogranite

2.2.2 微量元素

黑云二长花岗岩微量元素组成特征见表1,其原始地幔标准化蛛网图(图6)呈右倾型式,显示出Rb、Ba、K、Pb、Sr等大离子亲石元素(LILE)相对富集,Nb、Ta、P、Ti等高场强元素(HFSE)相对亏损的特征。

图6 黑云二长花岗岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(原始地幔数据据Taylor et al.[16])Fig.6 Spider diagram of trace elements in biotite monzogranite standardized by primary mantle

黑云二长花岗岩稀土元素总量(∑REE)为175.16×10-6～196.19×10-6,平均为187.10×10-6,含量较低;轻稀土元素(LREE)含量为167.64×10-6～188.49×10-6,重稀土元素(HREE)含量为7.52×10-6～8.31×10-6,LREE/HREE比值为22.15～24.44,显示轻稀土元素相对于重稀土元素富集的特征;(La/Yb)N介于33.73～43.45,显示了轻、重稀土元素之间具有明显地分异,反映源区地壳具有较高的成熟度[17];δEu介于1.01～1.03,显示极弱的正Eu异常特征。由图7可以看出,稀土元素球粒陨石标准化配分曲线属于明显右倾的轻稀土富集型。

图7 黑云二长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(球粒陨石数据据Taylor et al.[16])Fig.7 Distribution diagram of REE in biotite monzogranite standardized by chondrite

2.2.3 锆石U-Pb年龄

长江新城黑云二长花岗岩的锆石呈无色—浅褐色,透明程度好,自形程度高,多呈长柱状或短柱状,颗粒大小中等,长60～150 μm,宽40～80 μm。阴极发光(CL)图像显示大部分锆石具有清晰的单期生长同心环带特征(图8-a)。锆石Th/U比值为0.18～1.45,显示了岩浆锆石的特征(表2)。

表2 黑云二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测试结果Table 2 Zircon U-Pb test results of biotite monzogranite by LA-ICP-MS

图8 黑云二长花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图(a)和加权平均年龄图(b)Fig.8 Zircon U-Pb age harmonic diagram (a) and weighted average age diagram (b) of biotite monzogranite

黑云二长花岗岩18颗锆石的LA-ICP-MS数据点均分布在U-Pb谐和线上或其附近(图8-b)。数据点206Pb/238U年龄相对集中,分布在123.8～130.4 Ma,加权平均值为(128.3±0.6)Ma(MSWD=0.85),代表了长江新城黑云二长花岗岩的结晶年龄。

3 讨论

3.1 岩石成因

分析长江新城黑云二长花岗岩的岩石地球化学特征,发现其具有埃达克质岩的特征,在Sr/Y-Y图解(图9)和(La/Yb)N-YbN图解(图10)中,样品均落入埃达克岩区域。

图9 黑云二长花岗岩Sr/Y-Y图解(底图据Defant et al. [18])Fig.9 Sr/Y-Y diagram of biotite monzogranite

图10 黑云二长花岗岩(La/Yb)N-YbN图解(底图据Defant et al. [19])Fig.10 (La/Yb)N-YbN diagram of biotite monzogranite

埃达克质岩的成因主要可归纳如下:①低Mg下地壳部分熔融形成;②高Mg的拆沉下地壳部分熔融形成;③基性岩浆高压分异形成;④混合成因[20]。有同时期的基性岩浆岩与其密切共生被认为是幔源与壳源岩浆混合或受到同化混染的必要条件,而本次野外调查和周边钻孔均未见到有同时期基性岩浆岩与其共生,基本可以排除壳幔混合成因[21]。大别山及邻区存在的中生代埃达克质侵入岩的形成可能与中国东部中生代地壳加厚有关[22]。长江新城黑云二长花岗岩相对富K2O,K2O/Na2O比值为0.69～0.78,不同于俯冲板片熔融形成的埃达克岩通常具有相对富Na2O(K2O/Na2O <0.5)的特征,却与下地壳部分熔融成因的埃达克质岩相似[23]。本区黑云二长花岗岩具有高SiO2,低CaO、MgO、Fe2O3,富集轻稀土元素和大离子亲石元素,亏损高场强元素的特征,暗示其来源于古老地壳物质的部分熔融[24],同大别造山带大面积出露的早白垩世花岗岩源自于扬子陆块北缘地壳物质的部分熔融[25]类似。其轻重稀土元素分馏强烈,且低Y和Yb可能显示了源区残留相中有石榴石;显著亏损高场强元素(Nb、Ta、P、Ti),表明源区有富Ti相或角闪石残留相;富集Sr且具有正Eu异常,表明花岗岩岩浆熔出后,源区残留物中有石榴石而无斜长石,斜长石几乎全部进入熔浆[26];Nb的亏损暗示岩体物源可能来自地壳[27]。因此,长江新城黑云二长花岗岩可能由早白垩世加厚下地壳含石榴石角闪岩部分熔融形成。

3.2 构造背景

晚中生代,东亚经历了古太平洋板块俯冲、多向汇聚造山和地壳加厚以及早白垩世巨量伸展垮塌等地质事件,并造成了华北克拉通的破坏[28]。华南南缘及秦岭—大别造山带在早白垩世经历了大规模的伸展作用,总体上沿NWW-SEE方向延伸,桐柏山穹隆发育在高压—超高压造山带之中,穹隆核部为花岗质片麻岩、片麻状混合岩等,白垩纪岩浆岩大规模侵入于穹隆之中[29]。近年来大量的高精度锆石U-Pb年龄数据表明大别造山带岩体主要形成于145～120 Ma[25,30],前人研究表明大别山早白垩世花岗岩是扬子陆块北缘中下地壳部分熔融的产物,其源岩可能是扬子陆壳北缘新元古代TTG型岩浆岩[31]。大别造山带曾于白垩纪发生加厚下地壳的拆沉作用[32],但对拆沉的认识主要基于东大别岩浆岩,早于130 Ma的花岗岩多具有高Sr/Y比值以及低Y含量的特征,可能形成于深度>50 km的加厚下地壳的部分熔融,而晚于130 Ma的花岗岩不再具有上述地球化学特征[33]。长江新城以北地区的夏店岩体(130±1.8 Ma)[34]、新县岩体(126±2 Ma)[31,35]、灵山岩体(130～125 Ma)[33,36]均形成于拆沉后伸展(造山期后)环境,长江新城黑云二长花岗岩的地球化学性质与它们完全不同,而与鄂北七尖峰岩体(140±1 Ma)[24,37]具有相似的地球化学性质,同属埃达克质岩,可能为同期岩浆作用的产物,指示了从碰撞挤压构造体制向碰撞后伸展构造体制转换,伴随着加厚下地壳的垮塌、拆沉及埃达克质岩浆侵位。