范 川，周曉寧，張昌林，冷雙梁，楊 成

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034；2.湖北省地質(zhì)局 院士專家工作站，湖北 武漢 430034)

大別造山帶是揚子克拉通與華北克拉通的碰撞拼合部位，不少學者先后就此造山帶的地質(zhì)構(gòu)造格局、特征及其形成演化過程做過相關研究[1-4]，認為揚子地塊與華北地塊自晚古生代開始匯聚碰撞，而對于前寒武變質(zhì)基底大別群與變質(zhì)表殼巖系紅安群的巖石組合、形成時代及構(gòu)造環(huán)境等尚有疑問[4-5]。因此，本文對湖北省東大別地區(qū)的大別群與紅安群變質(zhì)巖進行元素地球化學分析與原巖恢復，討論大別群與紅安群形成構(gòu)造背景，以期為本區(qū)前寒武紀地質(zhì)構(gòu)造演化研究提供相應的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于大別造山帶桐柏—大別變質(zhì)雜巖隆起帶內(nèi)，此隆起帶自北向南依次分為岳西(北大別)變質(zhì)雜巖帶、潛山(南大別)超高壓變質(zhì)帶、宿松構(gòu)造帶[6-7]。研究區(qū)跨宿松構(gòu)造帶東北側(cè)與潛山超高壓變質(zhì)帶西南角，區(qū)域大斷裂主要為NWW向山瓏韌性斷裂帶(F5)與獅子口—回龍山韌性斷裂帶(F8)(圖1)。區(qū)內(nèi)以中生代中酸性巖漿活動最為強烈，發(fā)育有綠楊、大同、張榜等巖體，巖性主要為黑云二長花崗巖；其次為新元古代基性—超基性巖漿活動，相關巖漿巖分布于龍井沖、烏石寨及大竹壟等地。區(qū)域出露地層有古元古界大別群、新元古界紅安群、下震旦統(tǒng)陡山沱組、上震旦統(tǒng)燈影組及少量第四系地層(圖2)。

圖1 桐柏—大別地區(qū)地質(zhì)略圖(據(jù)參考文獻[4]修改)

圖2 獅子口地區(qū)大別群與紅安群變質(zhì)巖樣品采樣位置圖

大別群又稱大別山群或大別山(巖)群，其中大別群與大別山群組成復雜，并非一套變質(zhì)表殼巖系，還包括花崗質(zhì)片麻巖系列，甚至是變質(zhì)基性巖組合[5]；而大別山(巖)群僅指“大別山巖變質(zhì)雜巖”中之變質(zhì)表殼巖系[7]。本文所指大別群包括變質(zhì)表殼巖系與花崗質(zhì)片麻巖系兩大類。20世紀70年代原湖北省區(qū)測隊將區(qū)域內(nèi)大別群分為鐵冶組、麻橋組與飛虎山組，巖性以斜長片麻巖為主，次有堿長片麻巖類、斜長角閃巖等[8]，其原巖屬鈣堿性火山巖和少量鐵硅質(zhì)巖、碳酸鹽巖[9]。研究區(qū)內(nèi)大別群因后期構(gòu)造及巖漿活動的改造與破壞，形成了一個無序構(gòu)造地層單位，多呈似層狀產(chǎn)出于花崗巖、片麻狀花崗巖或花崗質(zhì)片麻巖中，為一套角閃巖相區(qū)域變質(zhì)巖組合，巖性以淺色二云斜長片麻巖為主，局部夾斜長角閃巖，多呈互層狀與淺色層同褶皺[10]。

紅安群又稱紅安(巖)群，由片麻巖、片巖及少許千枚巖、灰?guī)r、大理巖、磷錳礦及釔礦層組成[9]，其自下而上可分為黃麥嶺組、天臺山組、七角山組、塔耳崗組。研究區(qū)內(nèi)紅安群主要發(fā)育七角山組，以孫沖—茅山與仙人臺—寨基山一帶發(fā)育較廣，為一套低角閃巖相—高綠片巖相區(qū)域變質(zhì)巖系，可分為上下兩部分：下部以含角閃巖透鏡體出現(xiàn)為標志，巖性以斜長角閃巖、黑云變粒巖、黑云斜長片麻巖為主，可見磁鐵礦；上部巖性以黑云斜長片麻巖、白云鈉長片巖、石英巖、石英片巖、透鏡狀純白色大理巖為特征[10]。

2 樣品特征及分析方法

大別群樣品總體可分為三類：淺粒巖類、變粒巖類與斜長角閃巖(表1)。變粒巖類為碎裂黑云二長變粒巖與含角閃二長變粒巖，碎裂黑云二長變粒巖具中細粒鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造、弱片狀構(gòu)造，主要由斜長石(35%)、鉀長石(25%)、石英(30%)組成，含黑云母(5%)較多，見少量榍石、磷灰石、綠簾石、褐鐵礦等；含角閃二長變粒巖具中細粒鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由鉀長石(37%)、斜長石(35%)、石英(20%)組成，含少量角閃石(5%)及黑云母(2%)。淺粒巖類為二長淺粒巖及硅化二長淺粒巖，二長淺粒巖具鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)，巖石主要由鉀長石(37%)、斜長石(30%)、石英(25%)組成，含黑云母(3%)較少；硅化二長淺粒巖主要由鉀長石(32%)、斜長石(30%)、石英(30%)組成，常見石英以集合體狀對原巖礦物進行硅化交代。斜長角閃巖為淺色斜長角閃巖與淺色鉀化含磷灰石斜長角閃巖，淺色斜長角閃巖具柱粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由斜長石(54%)、角閃石(35%)組成，含少量鉀長石(4%)與石英(3%)；淺色鉀化含磷灰石斜長角閃巖主要由斜長石(50%)、角閃石(25%)組成，含較多鉀長石(10%)，角閃石多呈變斑狀，磷灰石(3%)粒徑較粗，黑云母多次變?yōu)榫G泥石，黑云母解理縫中有針狀金紅石。

表1 獅子口地區(qū)大別群與紅安群變質(zhì)巖地球化學組成

紅安群樣品巖性為鈉長片巖、石英片巖、白云巖及角閃石巖(表1)。鈉長片巖類有含榴二云石英鈉長片巖與含磷含黃鐵礦白云微斜鈉長片巖，含榴二云石英鈉長片巖具片狀構(gòu)造，鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)，巖石主要由斜長石(以鈉長石為主，39%)、石英(25%)、黑云母(20%)組成，含白云母(5%)、鉀長石(2%)、石榴石(2%)較多；含磷含黃鐵礦白云微斜鈉長片巖具鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)，由鈉長石(25%)、微斜長石(20%)、石英(20%)、白云母(25%)組成，含黃鐵礦(5%)、磷灰石(3%)較多。石英片巖主要為白云鈉長石英片巖。白云巖為含磷灰石細晶白云巖。角閃石巖具柱狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由角閃石(90%)組成，其間有少量斜長石(4%)分布，此外巖石中有少量石英(3%)和鉀長石(2%)。

樣品主微量元素分析均在國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心(湖北省地質(zhì)實驗測試中心)完成。主量元素測試采用X射線熒光熔片法(XRF)，分析精度優(yōu)于1%，其中H2O+、FeO、CO2及H2O-則采用濕化學法分析。微量元素測試采用電感耦合原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)，分析精度優(yōu)于6%。測試結(jié)果見表1。

3 巖石地球化學特征與原巖恢復

3.1 原巖恢復

大別群變質(zhì)巖類DF均>0，在西蒙圖解中樣品投點全部落入火山巖區(qū)(圖3-a)，在MgO-CaO-∑FeO圖解中落入正角閃巖區(qū)(圖3-b)，兩者具有一致的判別結(jié)果，表明區(qū)內(nèi)大別群為正變質(zhì)巖類。紅安群DF正負值均有出現(xiàn)，在西蒙圖解中樣品投點既有火山巖區(qū)又有泥砂巖區(qū)(圖3-a)，表明區(qū)內(nèi)紅安群由變火山巖與變沉積巖共同組成。紅安群Pm012-GS3在西蒙圖解中落入火山巖區(qū)(圖3-a)，在MgO-CaO-∑FeO判別圖解中位于正角閃巖區(qū)(圖3-b)，顯示其正變質(zhì)巖特點，其DF<0可能為基性巖類高鎂鐵含量引起。

圖3 獅子口地區(qū)大別群與紅安群變質(zhì)巖(al+fm-c-alk)-si圖解(a)和MgO-CaO-∑FeO圖解(b)(底圖分別據(jù)參考文獻[13-14])

3.2 大別群巖石地球化學特征

大別群淺粒巖類(D3073-GS2、D3240-GS1)與變粒巖類(Pm012-GS1、Pm012-GS2)SiO2含量為69.54%～73.90%，Na2O含量為3.02%～5.12%，K2O含量為1.44%～5.64%，CaO含量為0.91%～1.92%，Al2O3含量為13.15%～16.88%，Alk含量為6.56%～8.68%，在TAS圖解中樣品均投點于英安巖—流紋巖區(qū)域(圖4-a)，為中酸性火山巖系列；在K2O-SiO2圖解中位于鈣堿性—高鉀鈣堿性系列(圖4-b)。A/CNK范圍為1.07～1.28，A/NK范圍為1.24～1.57，樣品落入過鋁質(zhì)巖石區(qū)域(圖5)。綜上所述，大別群淺粒巖類與變粒巖類主量元素地球化學特征顯示其原巖整體為一套過鋁質(zhì)中高鉀鈣堿性系列的中酸性火山巖。ΣREE變化范圍為141.65×10-6～276.48×10-6，LREE/HREE變化范圍為11.58～38.67，LaN/YbN變化范圍為15.04～83.43，δEu值為0.58～0.96，表現(xiàn)出輕稀土富集與中弱Eu負異常特征(圖6-a)。微量元素較原始地幔選擇性富集K、Rb、Ba、Th等大離子親石元素，虧損高場強元素Ta、Nb、P、Ti、HREE等，使其微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖具右傾特征(圖6-b)。

圖4 獅子口地區(qū)火山巖類SiO2-(Na2O+K2O)圖解(a)與SiO2-K2O圖解(b)(底圖分別據(jù)參考文獻[15-16])

圖5 獅子口地區(qū)大別群與紅安群變火山巖類A/CNK-A/NK圖解(底圖據(jù)參考文獻[17])

大別群斜長角閃巖樣品D2711-GS1具明顯鉀化，對于巖石地球化學指數(shù)計算及成因判別存在較大影響，所以K2O-SiO2圖解不采用該樣品數(shù)據(jù)。本文以樣品D3073-GS1為例介紹大別群斜長角閃巖元素地球化學特征。D3073-GS1樣品SiO2含量為49.23%，Alk含量為4.96%，在TAS圖解中落入玄武巖與粗面玄武巖交界處(圖4-a)，為基性火山巖。K2O含量為1.85%，CaO含量為9.17%,里特曼組合指數(shù)δ=3.63，具堿性巖系特征。綜上所述，大別群斜長角閃巖應為堿性玄武質(zhì)巖石。ΣREE=112.41×10-6，LREE/HREE=4.44，LaN/YbN=4.01，δEu=0.93，表現(xiàn)出弱輕稀土富集與極弱Eu負異常的特征(圖6-a)。微量元素較原始地幔選擇性富集大離子親石元素K、Rb、Ba，虧損高場強元素Ta、Nb、Ti、HREE,微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖具弱的右傾趨勢(圖6-b)。

圖6 獅子口地區(qū)大別群與紅安群變火山巖類稀土元素及微量元素配分曲線圖(標準值據(jù)參考文獻[18])

3.3 紅安群巖石地球化學特征

區(qū)內(nèi)紅安群由變火山巖與變沉積巖共同組成，其中變沉積巖樣品在A-C-FM圖解與ΣREE-La/Yb圖解中投點于富鋁泥質(zhì)巖區(qū)域(圖7-a)和砂質(zhì)巖雜砂巖與碳酸鹽巖區(qū)域(圖7-b)，表明樣品原巖為碎屑沉積巖與自生碳酸鹽巖兩類；兩變火山巖樣品在TAS圖解中分別落入玄武巖與粗面巖/粗面英安巖區(qū)域(圖4-a)，顯示出雙峰式火山巖特征。

圖7 獅子口地區(qū)紅安群變質(zhì)巖A-C-FM圖解(a)與ΣREE-La/Yb圖解(b)(底圖據(jù)參考文獻[19])

3.3.1紅安群變火山巖地球化學特征

紅安群變酸性火山巖(D1495-GS2)SiO2含量為62.19%，K2O含量為10.94%，Na2O含量為0.44%，CaO含量為0.93%，Alk含量為11.38%，在K2O-SiO2圖解中位于鉀玄巖系列(圖4-b)。Al2O3含量為15.82%，A/CNK=1.11，A/NK=1.26，為過鋁質(zhì)巖石(圖5)。綜上所述，紅安群變酸性火山巖為過鋁超鉀質(zhì)火山巖。ΣREE=223.19×10-6，LREE/HREE=10.72，LaN/YbN=9.60，δEu=0.48，表現(xiàn)出弱輕稀土富集與中等Eu負異常的特征，稀土元素球粒隕石標準化曲線具右傾特征(圖6-a)。微量元素較原始地幔選擇性富集大離子親石元素K、Rb、Ba、Th、U，虧損高場強元素Ta、Nb、Ti、HREE,微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖具弱的右傾趨勢,具明顯的Ta、Nb、Ti、Sr負異常(圖6-b)。

紅安群變基性火山巖(Pm012-GS3)SiO2含量為46.94%，K2O含量為1.15%，Na2O含量為2.33%，CaO含量為9.28%，Alk含量為3.48%，里特曼組合指數(shù)δ=2.45，為鈣堿性系列巖石(圖4-b)。ΣREE=175.55×10-6，LREE/HREE=3.98，球粒隕石標準化LaN/YbN=3.61，δEu=0.82，表現(xiàn)出弱輕稀土富集與弱Eu負異常的特征(圖6-a)。微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖具明顯K、Th、Sr的富集與Ta、Nb、Ti的虧損(圖6-b)。

3.3.2紅安群變沉積巖地球化學特征

含榴二云石英鈉長片巖(Pm010-10-GS1)較后太古代澳大利亞頁巖(PAAS)具有近似的SiO2、TiO2、TFe2O3、MnO、MgO含量，略低的K2O、Al2O3及偏高的CaO、Na2O含量，其原巖恢復為砂質(zhì)巖雜砂巖(圖7)。而白云鈉長石英片巖(D0426-GS1)較PAAS具偏低的SiO2、TFe2O3、MnO、MgO、CaO、Na2O含量及偏高的K2O、Al2O3含量，其原巖恢復為(富鋁)粘土巖(圖7)。ΣREE=173.81×10-6～291.02×10-6，LREE/HREE=9.08～20.35，LaN/YbN=11.66～40.91，δEu=0.71～0.84，表現(xiàn)出弱輕稀土富集與弱Eu負異常的特征，北美頁巖標準化分布模式曲線近平坦型(圖8-a)。微量元素含量與大陸上地殼幾乎一致，標準化曲線較平坦，具明顯的Nb、Ta虧損(圖8-b)。

含磷灰石細晶白云巖(D1495-GS1)以含Ca、C、Mg為主(CaO含量33.18%、CO2含量30.50%、MgO含量10.48%)，含較高的Fe、Mn、P(TFe2O3含量3.72%、MnO含量6.84%、P2O5含量7.11%)，具一定的磷錳礦化。ΣREE=77.81×10-6，LREE/HREE=7.24，LaN/YbN=4.61，δEu=0.52，表現(xiàn)出弱輕稀土富集與中等Eu負異常的特征，北美頁巖標準化分布模式曲線近平坦型，具明顯的Ce正異常與弱Eu負異常(圖8-a)。微量元素含量與大陸上地殼相比，Sr、Y含量幾乎一致，明顯富集Ba、P，其它元素則明顯虧損(圖8-b)。

圖8 獅子口地區(qū)紅安群變沉積巖類稀土元素及微量元素配分曲線圖(標準值據(jù)參考文獻[20-21])

4 討論

4.1 大別群與紅安群變火山巖構(gòu)造背景分析

4.1.1大別群變火山巖構(gòu)造背景

前述大別群淺粒巖類、變粒巖類稀土元素具富集LREE、虧損HREE及中—弱Eu負異常的特征，其微量元素具富集大離子親石元素K、Rb、Ba、Th等，虧損高場強元素Ta、Nb、P、Ti的特征，顯示較明顯的殼源特征。主量元素特征顯示原巖為鈣堿性系列的中酸性火成巖，一般認為鈣堿性巖漿起源于板塊俯沖過程[22]。在(Y+Nb)-Rb與(Yb+Ta)-Rb判別圖解中，樣品落入火山弧花崗巖范圍內(nèi)(圖9)，指示大別群變中酸性火山巖構(gòu)造背景應為與俯沖帶相關的火山弧背景。

大別群變基性巖主量元素特征顯示其為堿性玄武質(zhì)巖，此系列巖石主要為巖石圈伸展背景下板內(nèi)裂谷環(huán)境的巖石類型，然而此構(gòu)造背景下堿性玄武質(zhì)巖類常與堿性酸性巖類共同組成雙峰式火山巖套。前述大別群變酸性巖類為鈣堿性系列而非堿性系列，推斷大別群變基性巖為非板內(nèi)裂谷環(huán)境下的堿性巖系列。其微量元素選擇性富集大離子親石元素K、Rb、Ba，虧損高場強元素Ta、Nb、Ti、HREE，其明顯的“TNT”負異常則顯示出俯沖帶幔源巖石的成分特點[24]。在2Nb-Zr/4-Y與Ti/100-Zr-3Y構(gòu)造環(huán)境判別圖解中主要落入島弧—火山弧區(qū)域內(nèi)(圖10)。匯聚板塊邊緣的島弧—陸緣弧背景下巖石系列以鈣堿性為主，但堿性系列與拉斑系列也均有出現(xiàn)[27]，因此大別群變基性巖為非板內(nèi)裂谷環(huán)境的堿性玄武質(zhì)巖，其與大別群變中酸性巖類的構(gòu)造背景一致，為匯聚板塊邊緣俯沖帶火山弧背景下的堿性巖石系列。

4.1.2紅安群變火山巖構(gòu)造背景

紅安群變酸性火山巖主量元素特征顯示其為過鋁質(zhì)的超鉀質(zhì)火山巖系列，變基性火山巖則為鈣堿性系列，兩者微量元素特征顯示相同的高場強元素(Ta、Nb、Ti、HREE)虧損與不同的大離子親石元素富集，其中變酸性火山巖較變基性巖明顯富集Rb、Ba、U、K等大離子親石元素，顯示出變酸性火山巖較明顯的殼源特征。在(Y+Nb)-Rb與(Yb+Ta)-Rb判別圖解中，變酸性火山巖落入火山弧花崗巖范圍內(nèi)(圖9)，在2Nb-Zr/4-Y與Ti/100-Zr-3Y構(gòu)造環(huán)境判別圖解中變基性火山巖則落入島弧—火山弧區(qū)域內(nèi)(圖10)，表明紅安群變火山巖產(chǎn)出背景應為火山弧構(gòu)造環(huán)境。

圖9 獅子口地區(qū)大別群與紅安群變中酸性火山巖類(Y+Nb)-Rb圖解(a)與(Yb+Ta)-Rb圖解(b)(底圖據(jù)參考文獻[23])

圖10 獅子口地區(qū)大別群與紅安群變基性巖類2Nb-Zr/4-Y圖解(a)與Ti/100-Zr-3Y圖解(b)(底圖分別據(jù)參考文獻[25-26])

4.2 紅安群變沉積巖構(gòu)造背景

紅安群含榴二云石英鈉長片巖原巖恢復為砂質(zhì)巖雜砂巖，其TiO2含量為0.85%，(TFe2O3+MgO)含量為9.84%，Al2O3/SiO2比值為0.23，K2O/Na2O比值為0.84，與Bhatia M R[28]提出的洋島弧及陸島弧背景下砂巖主量元素特征相近，在(TFe2O3+MgO)-TiO2砂巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解中投點于洋島弧區(qū)域內(nèi)(圖11-a)。其微量元素La/Th比值為3.6，介于洋島弧La/Th比值(4.26)與陸島弧La/Th比值(2.4)之間[29]，在Hf-La/Th判別圖解中則落入酸性島弧源區(qū)與被動陸源的過渡區(qū)域(圖11-b)。結(jié)合其稀土元素和微量元素組成特點，推測紅安群變碎屑沉積巖構(gòu)造背景應為近大陸島弧的沉積盆地，此盆地周緣島弧形成于成熟陸殼或減薄陸殼邊緣。

圖11 獅子口地區(qū)紅安群二云石英鈉長片巖(Fe2O3+MgO)-TiO2圖解(a)與Hf-La/Th圖解(b)(底圖分別據(jù)參考文獻[28，30])

紅安群含磷灰石細晶白云巖弱的Eu負異常、較低的ΣREE及較高的Y/Ho比值顯示其海相碳酸鹽巖地化特征，與湖相碳酸鹽巖明顯不同；同時其低Zr、低ΣREE顯示較小的陸源碎屑物質(zhì)影響，較明顯的Ce正異常主要受到巖石內(nèi)錳礦化的影響。由于MnO2的形成促使Ce3+向Ce4+轉(zhuǎn)化，因Ce4+最易沉淀，導致巖石呈現(xiàn)Ce正異常[31]。磷質(zhì)巖類沉積環(huán)境大多是構(gòu)造背景相對穩(wěn)定的局限淺海及邊緣斜坡一帶[32]，結(jié)合膠體化學沉積礦床一般分布在穩(wěn)定臺地內(nèi)的陸表海盆地或其邊緣的陸緣海盆地背景[33]，推斷紅安群含磷灰石細晶白云巖產(chǎn)出構(gòu)造背景應與其變碎屑沉積巖構(gòu)造背景相近，為陸緣海沉積盆地。

4.3 構(gòu)造演化淺析

研究區(qū)內(nèi)大別群變火山巖地球化學分析指示其構(gòu)造背景為匯聚板塊邊緣俯沖帶火山弧，結(jié)合其變質(zhì)表殼巖系內(nèi)含大理巖、磁鐵石英巖、云母片巖、云英片巖等負變質(zhì)巖，推斷大別群構(gòu)造背景為弧盆體系。紅安群變火山巖與變沉積巖地球化學分析表明其構(gòu)造背景分別為火山弧與陸緣海盆環(huán)境，同樣顯示為弧盆體系。

5 結(jié)論

(1)東大別蘄春獅子口地區(qū)大別群淺粒巖類、變粒巖類巖石主量元素特征顯示，其原巖為一套過鋁質(zhì)中高鉀鈣堿性系列的中酸性火山巖，暗色斜長角閃巖主量元素特征則顯示其原巖為堿性玄武質(zhì)火山巖，兩者微量元素特征均具匯聚板塊邊緣俯沖帶弧火山巖地球化學特征。

(2)東大別蘄春獅子口地區(qū)紅安群石英片巖、白云巖及部分鈉長片巖原巖具負變質(zhì)巖地球化學特征，而角閃石巖及部分鈉長片巖為正變質(zhì)巖，表明區(qū)內(nèi)紅安群由變沉積巖與變火山巖共同組成，其中變沉積巖可分為碎屑沉積巖與自生碳酸鹽巖兩類。紅安群白云巖具明顯海相碳酸鹽巖的地球化學特征，據(jù)其變碎屑沉積巖類微量元素特征推斷紅安群變沉積巖沉積背景應為陸緣海盆。紅安群變火山巖類主量元素特征顯示變酸性火山巖為過鋁質(zhì)超鉀質(zhì)火山巖系列，變基性火山巖則為鈣堿性系列，兩巖石系列微量元素特征均顯示為火山弧構(gòu)造背景。紅安群變沉積巖的陸緣海盆背景與變火山巖的火山弧背景共同指示其構(gòu)造背景為弧盆體系。