北秦岭饭铺闪长岩的岩石成因及其构造意义*

2024-03-08刘晓宇李龙明任升莲李加好

地质科学 2024年1期

刘晓宇韩旭梁涛李龙明任升莲李加好

（1.合肥工业大学资源与环境工程学院合肥 230009；2.安徽省地质博物馆科学研究与藏品管理部合肥 230031；3.河南省地质研究院郑州 450016）

北秦岭地体位于洛南—栾川—方城断裂带和商丹断裂带之间，东西长约1 000 km，南北宽大致为80 km，它是秦岭造山带内地质构造带中最复杂的地质单元，记录了秦岭造山带内新元古代、古生代和中生代构造—岩浆热事件和造山过程（张国伟等，2001）。北秦岭古生代岩浆活动强烈，形成规模宏大的岩浆岩带（卢欣祥，2000），其中豫西南地区以灰池子、漂池、张家大庄、汤河、西庄河、满子营、板山坪、五垛山等岩基和饭铺、堂坪—长探河、郭家漫、茶庵等岩株为典型代表。北秦岭豫西南段古生代侵入岩的形成时代集中于490 Ma、450 Ma 和410 Ma 等3 期（王涛等，2009；郭彩莲等，2010，2011；李胜利等，2012；张成立等，2013；李名则等，2014；秦拯纬，2016；李开文等，2019；李振强等，2019，2021；杨挺宇等，2019；周澍等，2019），它们为反演北秦岭古生代构造演化提供了参考，如490 Ma 板山坪闪长岩形成于早古生代扬子板块向华北板块之下俯冲的初期阶段（李名则等，2014），460 Ma 满子营和西庄河花岗岩代表了板块俯冲所导致的活动陆缘背景（郭彩莲等，2010，2011），五垛山岩基代表了早志留世由俯冲环境转换为陆陆碰撞环境及后碰撞环境下加厚地壳的垮塌过程（李开文等，2019；周澍等，2019）。这些认识大多来源于对花岗岩岩基的研究结果，北秦岭豫西南段还出露饭铺等一系列闪长岩岩株，它们的岩石成因模型也能为区域深部构造演化提供约束。因此，本文对饭铺闪长岩进行了激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）锆石U-Pb 定年和Hf 同位素测试，结合岩石地球化学特征探讨了其岩石成因及深部构造背景。

1 区域地质背景和岩相学特征

饭铺岩株出露于北秦岭豫西南段中部，如图1a所示，区域出露地层主要为古元古界秦岭群、下古生界二郎坪群、上古生界和中生界（图1b）。秦岭岩群自下而上依次为石槽沟组和雁岭沟组，石槽沟组主要岩性为黑云斜长片麻岩、斜长角闪片麻岩夹、斜长角闪岩；雁岭沟组主要岩性为厚层状（石墨）大理岩、含石英条带（团块）大理岩。

图1 北秦岭饭铺岩体地质简图（底图据河南省地质矿产局，1989 和豫西南地区地质图1∶250 000 简化）Fig.1 Geological sketch of the Fanpu pluton in the North Qinling orogenic belt（base map modified from Bureau of Geology and Mineral Resources of Henan Province，1989 and 1∶250 000 Geological Map of Southwestern Henan Province）

古生界由下古生界二郎坪群和上古生界组成，二郎坪群包括火神庙组、大庙组和二进沟组，上古生界由小寨组、抱树坪组和子母沟组构成（王志宏等，2000）。火神庙组主要为巨厚层的细碧岩、细碧玢岩、角斑岩，大庙组岩性以硅质板岩、长石石英砂岩、大理岩为主，二进沟组主要为细碧岩—石英角斑岩系。上古生界小寨组、抱树坪组和子母沟组呈近北西向自北向南依次展布，小寨组主要岩性为黑云石英片岩、黑云（或绢云）斜长片岩、绢云片岩及二云片岩夹炭硅质层、变质粉砂岩、砂砾岩及透镜状斜长角闪片岩，抱树坪组主要岩性为黑云石英片岩、黑云斜长片岩等，子母沟组主要为含砾大理岩、含砾结晶灰岩。中生界主要为上三叠统五里川组和上白垩统周庄组，五里川组主要岩性为黑色炭质板岩、长石石英砂岩夹细砂岩，底部为紫红色复成分砾岩，周庄组主要岩性为棕红色含砾泥质砂岩、砂质粘土岩、砾岩。

朱阳关—夏馆深大断裂带是北秦岭豫西南段重要的断裂构造之一，它呈近北西西向展布于朱阳关、桑坪、石界河、米坪、军马河、小水、夏馆一线（图1），延伸约350 km，在南阳盆地以西走向约为310°，倾向多变，倾角为60°～80°，两侧次级断裂构造发育。此外，出露大坪—瓦房院、西庄河、大磨石沟—军马河、二郎坪等地环弧形构造。在饭铺岩体区域内，主要出露古生代和燕山期花岗岩，前者以汤池和张家大庄岩基为代表，其中张家大庄岩基的锆石U-Pb 年龄为462 Ma（李振强等，2021），后者以烟镇、骨头崖和二郎坪岩体为代表，记录131 Ma 和114 Ma 两期岩浆作用（卢仁和梁涛，2017；梁涛等，2018，2019）。

饭铺岩体呈近北西向椭圆状出露，长轴和短轴长度分别约3.8 km 和1.2 km，面积约3.7 km2，图1b 可见岩株侵入到汤河和张家大庄岩基内。如图2a 所见，新鲜饭铺闪长岩呈灰绿—暗绿色，块状构造，粒状结构，主要矿物为角闪石（20%～30%）、黑云母（5%～10%）、斜长石（45%～55%）和少量石英。图2b 所示角闪石颗粒粗大，斜长石呈灰白色，它形为主，发育聚片双晶。岩体局部地段可见后期的石英脉穿插和暗色微粒包体。

图2 北秦岭饭铺岩体的野外照片（a）、显微照片（b）Amp.角闪石；Pl.长石；Q.石英；Bi.黑云母Fig.2 Field photo（a）and micrograph（b）of the Fanpu pluton in the North Qinling orogenic belt

2 测试方法

2.1 主量和微量元素测试

全岩主量和微量元素含量测定在南京聚谱检测科技有限公司完成，主量元素使用帕纳科Axios MAX XRF 分析完成，分析的精度和准确度遵行国标GB/T 14506.28-2010。微量元素使用ICP-MS 测试，仪器型号为Agilent7700x，使用国际标样AGV-2 和BHVO-2 监控测试质量，测试结果的总体偏差不高于10%。

2.2 锆石U-Pb 定年

锆石定年分析在合肥工业大学资源与环境工程学院LA-ICP-MS 实验室完成，ICP-MS 为美国Agilent 公司生产的Agilent 7500a，激光剥蚀系统为美国Coherent Inc.公司生产的GeoLasPro，该系统为工作波长193 nm 的ComPex102 ArF 准分子激光器。在定年测试中，标准样品91500、Plesovice、NIST SRM610 和锆石样品有序穿插进行。数据处理均使用ICPMS DataCal 软件（Liu et al.，2010），U-Pb 谐和图绘制和加权平均年龄计算都使用ISOPLOT 程序（Ludwig，2003）。

2.3 锆石Hf 同位素测试

锆石原位Hf 同位素测试在合肥工业大学资源与环境工程学院同位素实验室利用LA-MC-ICP-MS方法分析完成。该系统由Cetac Analyte HE 激光剥蚀系统与ThermoFisher Neptune Plus MC-ICP-MS 联合组成。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气，每分析10 个样品点，使用Penglai、Qinghu、91500、GJ-1h 和Plesovice 作为监控样品，对分析数据的离线处理（包括对样品和空白信号的选择、同位素比值计算）采用 LAZrnHf-Calculator@HFUT，同质异位素干扰扣除以及仪器分馏校正据Ludwig（2001）的方法完成。

3 测试结果

3.1 主量和微量元素组成

饭铺岩体5 件样品（1 件花岗闪长岩和4 件闪长岩）的主量和微量元素分析结果见表1。

表1 北秦岭饭铺岩体的主量元素/%和微量元素/×10-6分析结果Table 1 Analysis results of major elements /% and trace element/×10-6 for the Fanpu diorites from the North Qinling orogenic belt

它们的SiO2含量介于55.82%～64.78%，Al2O3含量介于15.45%～17.65%，TFe2O3含量的最低值和最高值分别为4.73%和6.92%，MgO 含量介于1.69%～4.25%， CaO 含量介于4.53%～6.76%，Na2O 和K2O 含量分别介于3.25%～4.14%和1.40%～2.33%。它们的Mg#介于41.7～57.4，Na2O+K2O 含量和Na2O/K2O值分别为4.97%～5.92%和1.54～2.96。

在哈克图解中（图3），饭铺岩体样品显示较好的线性相关趋势：1）MgO、TiO2、TFe2O3、CaO 和P2O5投点趋势整体上为负相关趋势；2） Al2O3、Na2O 和K2O 投点为发散趋势。在SiO2-（Na2O+K2O）和SiO2-K2O 图解中（图4），饭铺岩体样品点均落入辉长闪长岩—闪长岩—花岗闪长岩分类区内，整体上接近于碱性—亚碱性系列的分界线，属于钙碱性系列岩石。

图3 北秦岭饭铺闪长岩主量元素的哈克图解Fig.3 Hacker diagrams of the major elements for the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt

图4 北秦岭饭铺岩体的SiO2-（Na2O+K2O）和SiO2-K2O 图解（底图据Middlemost，1989；Rollinson，2003）Fig.4 SiO2-（Na2O+K2O）and SiO2-K2O diagrams for the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt（base map from Middlemost，1989；Rollinson，2003）

饭铺岩体5 件样品Ba 含量的最低值、最高值分别为632×10-6、1 291×10-6，Rb 和Th 含量分别介于57.3×10-6～77.6×10-6、3.96×10-6～13.9×10-6，Zr含量的最低值、最高值分别为100×10-6、159×10-6，Hf 含量介于2.81×10-6～3.82×10-6，Zr/Hf 值为35.5～41.5。饭铺岩体样品的Sr 和Y 含量分别为467×10-6～1 107×10-6和13.8×10-6～22.3×10-6， Nb和Ta 的含量分别为5.40×10-6～11.3×10-6、0.37×10-6～0.69×10-6，Nb/Ta、Y/Nb 值分别介于11.2～16.4、1.98～3.36。在微量元素蛛网图中（图5a），饭铺岩体样品显示了Nb、Ta、Ti 的负异常，由于本次研究的闪长岩的源区为下地壳，其亏损可能是继承了其源区基性岩石的特征，即有可能是其源区岩石在成岩过程中经历了含Ti 矿物金红石的结晶分离作用。

图5 北秦岭饭铺岩体的微量元素蛛网图（a）和稀土元素配分模式图（b）（标准化数据据Sun and McDonough，1989）Fig.5 Primitive mantle-normalized spider diagram（a）and chondrite-normalized REE distributions（b）for the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt（normalized data from Sun and McDonough，1989）

饭铺岩体样品的稀土元素含量总量介于117×10-6～171×10-6之间，（La/Yb）N比值范围是6.71～18.1，δEu 值介于0.82～0.95，稀土元素配分模式具轻稀土富集、重稀土亏损的特征，未显示明显的负Eu 异常（图5b）。

3.2 锆石U-Pb 定年结果

饭铺闪长岩定年样品17QL-3-1和17QL-5-2的岩性均为细粒闪长岩，采样位置分别为（33°43′15″N，111°03′20″E）和（33°42′40″N， 111°02′49″E）。从两件样品中分选获得的锆石数量均大于300 粒，大部分的锆石呈无色透明，少量呈淡黄色，部分锆石晶体发育裂纹和矿物包裹体。锆石晶形大部分完好，部分破碎，呈颗粒状—短柱状，长宽比介于1∶1～2∶1，并发育特征的扇形分带结构和岩浆振荡生长环带（图6），具有明显的岩浆锆石特点。

图6 北秦岭饭铺岩体17QL-3-1 和17QL-5-2 的锆石阴极发光图像和年龄谐和图Fig.6 Cathodoluminescence（CL）images and concordia diagrams of zircon grains from the Fanpu diorite samples

对样品17QL-3-1 进行了20 个测点分析，测试结果见表2。其中测点-02 和测点-04 的测试结果明显偏离谐和曲线，可能是由于铅丢失，故在年龄处理时舍弃。剩余18 个锆石测点的206Pb/238U 年龄介于437.2～403.4 Ma，Th/U 比值为0.83～1.25，加权平均年龄为422.1±5.5 Ma（MSWD = 0.6）（图6）。

表2 北秦岭饭铺岩体的锆石LA-ICP-MS 定年结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt

对样品17QL-5-2 进行了20 个测点分析（表2），其中测点-19 的测试结果明显偏离谐和曲线，在年龄处理舍弃。剩余19 个锆石测点的206Pb/238U 年龄介于444.4～407.4 Ma，Th/U 比值为0.74～1.29，加权平均年龄为424.2±5.2 Ma（MSWD = 1.1）（图6）。

3.3 锆石Hf 同位素组成

饭铺岩体两件样品的锆石Lu-Hf 同位素测试结果见表3 和图7。

表3 北秦岭饭铺岩体的锆石Lu-Hf 同位素分析结果Table 3 Lu-Hf isotope analytical results of zircon grains from the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt

图7 秦岭饭铺岩体锆石的年龄-εHf（t）图解（a）、εHf（t）统计直方图（b）和TDM2统计直方图（c）Fig.7 Age-εHf（t）diagram（a），statistical histogram of εHf（t）（b）and TDM2（c）of the zircons from the Fanpu diorites

样品17QL-3-1 和17QL-5-2 中37 颗的176Lu/177Hf比值均小于0.002，表明样品中锆石在形成以后具有较低的放射性成因Hf 积累。样品17QL-3-1 中锆石的176Hf/177Hf比值介于0.282 272～0.282 718，εHf（t）值介于-8.48～7.00，形成了-8.48～-7.17 和2.92～7.00 两个集中区。样品17QL-5-2 中锆石的176Hf/177Hf比值介于0.282 430～0.282 918，εHf（t）值介于-2.96～14.45，形成了-2.96～-0.03、0.94～5.38 和12.94～14.45 等3 个集中区。

样品17QL-3-1中锆石的TDM2介于1 938～961 Ma，在1 200～1 000 Ma 之间形成峰值区间，样品17QL-5-2 中锆石的TDM2范围较宽，介于1 593～488 Ma，形成600～400 Ma、1 400～1 000 Ma和1 600～1 400 Ma 等3 个峰值区间。

4 讨论

4.1 形成时代

饭铺岩体QL17-3-1 和QL17-5-2 的岩性为闪长岩，均具有块状构造和粒状结构，锆石阴极发光图像发育岩浆振荡环带，Th/U 比值分别为0.83～1.25 和0.74～1.29，加权平均年龄分别为422.1±5.5 Ma、424.2±5.2 Ma。这两个几乎一致的年龄代表了岩浆的结晶年龄，表明饭铺岩体形成于晚志留世。

饭铺岩体侵入到张家大庄岩基内，后者的锆石U-Pb 年龄为461.5±5.4 Ma（李振强等，2021），这说明饭铺岩体的锆石U-Pb 结果是可靠的。此外，北秦岭侵入岩中存在和饭铺岩体形成时代相近的岩体，如商南花岗岩侵入年龄为435±7 Ma（Dong et al.，2011），灰池子花岗岩侵入年龄425±1 Ma（王涛等，2009），枣园花岗岩侵入年龄423±10 Ma（秦拯纬，2016），土桥岗花岗岩侵入年龄425±6 Ma（刘丙祥，2014），丹凤花岗岩侵入年龄409±4 Ma（陆松年等，2003）。

所以，上述结果显示饭铺闪长岩形成于晚志留世，是北秦岭古生代中性岩浆活动的产物之一。

4.2 岩石成因和源区特征

通常，玄武质下地壳部分熔融产生的熔体Mg#值一般不高于40（高山等，2003；Rapp et al.，2003；李承东等，2007），由原生幔源岩浆的Mg#值范围是65～75（Taylor and McLennan，1995；邓晋福等，2004）。饭铺闪长岩的Mg#值较高，为41.7～57.4，介于前述二者之间，表明饭铺闪长岩的源区有幔源物质加入，可能经历了幔源物质混合。

闪长岩样品17QL-3-1 和17QL-5-2 中锆石的εHf（t）值分别介于-8.48～7.00 和-2.96～14.45，个别样品接近亏损地幔的Hf 同位素演化线，这说明幔源物质参与形成了饭铺岩体。通常认为：1）锆石的Hf 同位素模式年龄与其结晶年龄相接近，则说明其来自于亏损地幔；2）锆石Hf 同位素模式年龄远远大于其结晶年龄，则表明其岩浆源区来源于地壳，或者亏损地幔源区受到了强烈地壳混染作用的影响（吴福元等，2007）。

由于饭铺岩体形成于晚志留世，样品17QL-3-1 和17QL-5-2 中锆石的TDM2年龄分别介于1 938～961 Ma、1 593～488 Ma，该模式年龄远大于其结晶年龄，说明饭铺闪长岩岩浆起源于地壳。而根据其中最年轻的TDM2为488 Ma，表明存在幔源物质的加入。饭铺闪长岩的Th/Yb 和La/Nb 分别比值介于1.83～8.58 和2.33～5.96，高于平均地壳的Th/Yb 比值0.8 和La/Nb 比值2.2，同样表明闪长岩岩浆经历了幔源物质混合。

4.3 构造背景

饭铺闪长岩属钙碱性岩石系列，其轻稀土富集、重稀土亏损，在微量元素构造判别图解中，样品落入火山弧花岗岩区域，表明它形成于岛弧构造背景（图8）。饭铺岩体的微量元素特征明显区别于板内花岗岩和洋脊型花岗岩，其Nb、Ta 元素的亏损更符合板块俯冲过程中产生火山弧环境岩浆岩的特征（Pearce and Norry，1979）。饭铺闪长岩还具有较高的Al2O3含量，介于15.45%～17.65%，也符合消减俯冲带岩石的高铝特征（邓晋福等，2004）。

图8 秦岭饭铺岩体的Y-Nb（a）、Yb-Ta（b）与（Y+Nb）-Rb（c）图解Fig.8 Y-Nb（a），Yb-Ta（b）and（Y+Nb）-Rb（c）diagrams for the Fanpu diorites from the North Qinling orogenic belt

北秦岭造山带在490～460 Ma 发生过一次弧陆碰撞事件（Wu and Zheng，2013），这期碰撞事件导致商丹洋在早古生代持续地向北俯冲。饭铺闪长岩的MgO 含量和Mg#明显区别于产自俯冲大洋板片的熔体，而与玄武质岩浆底侵导致下地壳部分熔融所产生的熔体成分类似。饭铺闪长岩形成于晚志留世424～422 Ma，与北秦岭造山带南部的混合岩化以及高温麻粒岩相作用同期（高山等，2003；秦拯纬，2016），并可能伴有俯冲板片的回卷（Wu and Zheng，2013），这说明北秦岭造山带在450～420 Ma 期间仍然处于商丹洋向北俯冲的构造背景之下。在上述背景下，地幔楔起源的玄武质岩浆底侵到下地壳底部，使得下地壳岩石发生部分熔融，并在局部范围内这些玄武质岩浆与下地壳部分熔融所产生的花岗质岩浆发生混合作用，形成饭铺闪长岩。因此，结合年代学和地球化学数据，本文认为饭铺闪长岩是商丹洋向北俯冲作用下，受到幔源物质混合的产物。