張靖怡,張 舒,3,張贊贊,汪 晶

(1.安徽省地質(zhì)調(diào)查院,安徽 合肥 230001; 2. 安徽省地質(zhì)科學研究所,安徽 合肥 230001;3. 自然資源部覆蓋區(qū)深部資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230001)

大別山乃至中國東部早白堊世深部地質(zhì)過程及其引發(fā)的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換時限和機制,一直是國內(nèi)外學者研究的熱點[1-9]。北淮陽構(gòu)造帶是大別造山帶的重要組成部分,在早白堊世發(fā)生了強烈的構(gòu)造-巖漿活動,在特定的構(gòu)造背景下形成了大量中酸性火山巖-侵入巖[2-3,5-11],查明這些巖漿巖的成巖時代及形成機制,對于進一步研究大別山中生代深部地質(zhì)過程、厘定區(qū)域構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變時限具有重要意義。

牛王寨巖體地處北淮陽構(gòu)造帶最東端,緊鄰郯廬斷裂帶,侵位于毛坦廠組火山巖中,是形成于早白堊世的酸性侵入體。本文應用LA-ICP MS鋯石U-Pb測年法,精確測定了牛王寨巖體的形成年齡;通過開展巖漿巖主量元素、微量元素及Sr-Nd同位素特征研究,分析了巖石的類型及成因;結(jié)合區(qū)域巖漿巖研究進展,對大別山早白堊世巖漿作用及深部過程進行了探討,這對理解區(qū)域早白堊世構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換及巖漿作用過程具有重要參考意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

大別山位于華北板塊與揚子板塊之間,是早中生代形成的陸-陸碰撞造山帶。大別造山帶由南向北可劃分為4個構(gòu)造單元,分別是宿松綠片巖/藍片巖帶(SSB)、南大別高壓-超高壓變質(zhì)帶(SDC)、北大別正片麻巖帶(NDC)和北淮陽構(gòu)造帶(NHY),各個構(gòu)造帶之間通過深大斷裂區(qū)分[11](圖1)。北淮陽構(gòu)造帶位于六安—確山斷裂帶與曉天—磨子潭斷裂帶之間,東以郯廬斷裂帶與長江凹陷帶相接,西至南陽盆地,北臨華北陸塊,南與北大別正片麻巖帶毗鄰。北淮陽構(gòu)造帶以EW向斷裂與NE向斷裂為主,形成格子狀構(gòu)造體系。以商城—麻城斷裂為界,北淮陽構(gòu)造帶劃分為東段(安徽省內(nèi))和西段(河南省內(nèi)),其中東段巖石地層由老到新為新元古代廬鎮(zhèn)關(guān)巖群、新元古代—早古生代佛子嶺巖群、石炭紀楊山群、中生代以來的陸相盆地沉積物。

北淮陽構(gòu)造帶早白堊世巖漿活動極為發(fā)育,形成了大量中酸性侵入巖及火山巖。侵入巖主要分布于曉天—柯坦地區(qū)和金寨—商城地區(qū),包括閃長巖、石英閃長巖、石英二長巖、石英正長巖、花崗巖、堿長花崗巖及花崗斑巖,響洪甸地區(qū)零星分布霓輝正長巖與霞石正長巖(圖1)?；鹕綆r主要分布于信陽火山巖盆地、光山—商城火山巖盆地、金剛臺地區(qū)、曉天—磨子潭火山盆地及霍山—舒城火山巖盆地[5,8]。

①.郯廬斷裂帶;②.襄樊—廣濟斷裂帶;③.陽興—常州斷裂帶;④.六安—確山斷裂帶;⑤.曉天—磨子潭斷裂帶;⑥.五河—水吼斷裂帶;⑦.馬廟—太湖斷裂帶;F1.滁河斷裂;F2.郯廬斷裂帶;F3.六安—確山斷裂;F4.舒城—信陽斷裂;F5.龜山—梅山斷裂;F6.曉天—磨子潭斷裂;F7.商城—麻城斷裂;SSB.宿松片巖帶;SDC.南大別高壓—超高壓變質(zhì)帶;NDC.北大別正片麻巖帶;NHY.北淮陽構(gòu)造帶圖1 北淮陽地區(qū)大地構(gòu)造位置(a)及早白堊世侵入巖分布圖(b)[11]Fig. 1 Simplified map of the tectonic location (a) and the distribution of Early Cretaceous intrusive rocks (b) in North Huaiyang[11]

2 巖石學特征

牛王寨巖體位于柯坦以西,緊鄰郯廬斷裂帶,侵位于早白堊世毛坦廠組火山巖內(nèi),西側(cè)與華蓋山石英正長巖體呈侵入接觸關(guān)系。巖體巖性主要為花崗巖(圖2),新鮮巖石呈肉紅色,半自形粒狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造;主要的造巖礦物為鉀長石(含量約55%)、石英(含量約30%)、斜長石(含量約10%)及少量角閃石(含量3%～5%);副礦物主要為榍石、鋯石、磷灰石等(圖3)。鉀長石呈半自形短柱狀,粒度為1～1.5 mm;斜長石呈半自形—自形長柱狀,粒度為(0.5×1～1×2)mm;石英呈他形粒狀,粒度為0.5～3 mm;角閃石呈自形-半自形長柱狀,粒度0.5×1.5 mm。

圖2 牛王寨巖體地質(zhì)簡圖Fig. 2 Geological sketch of Niuwangzhai pluton

Q.石英;Am.角閃石;Pl.斜長石;Kf.鉀長石;Spn.榍石圖3 牛王寨花崗巖手標本照片(a)和顯微鏡下照片(b, c, d)Fig. 3 Hand specimen photo (a) and micrographs (b, c, d) of Niuwangzhai granite

3 樣品采集及測試方法

3.1 樣品采集

本次共采集了牛王寨巖體3件新鮮巖石樣品,用于主量元素、微量元素及Sr-Nd同位素分析,樣品編號及采樣位置分別為:DG-1(31°13′20″ N,117°5′5″ E)、DG-2(31°13′27″ N,117°3′7″ E)、DG-3(31°14′31″ N,117°2′6″ E),DG-1同時用于鋯石U-Pb同位素定年(圖2)。

3.2 測試方法

樣品經(jīng)破碎、淘洗、重選、磁選等標準重礦物分離后,于雙目鏡下挑選出透明、自形程度較高的鋯石制成環(huán)氧樹脂樣品靶,磨至鋯石顆粒中心部分后拋光,再進行陰極發(fā)光及透反射拍照,選擇合適的點位進行激光U-Pb年齡測試。鋯石的分選工作在河北省廊坊誠信地質(zhì)服務有限公司完成,制靶、陰極發(fā)光及透反射拍照在中科院地質(zhì)與地球物理研究所電子探針和掃描電鏡實驗室完成。鋯石U-Pb同位素測年在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀上完成。相關(guān)分析測試流程及實驗儀器參數(shù)詳見文獻[12],分析數(shù)據(jù)的離線處理及作圖分別采用ICPMSDataCal程序[13]和Isoplot程序[14]完成。

全巖主量元素分析測試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究所分析測試研究中心完成,實驗儀器為Philips PW2404 XRF,測試相對誤差<5%。全巖微量元素分析在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成,實驗儀器為ICP-MS,具體實驗流程、儀器參數(shù)和數(shù)據(jù)準確度詳見文獻[15]。Sr-Nd同位素在中國科學技術(shù)大學放射性成因同位素地球化學實驗室完成,實驗儀器為MAT-262質(zhì)譜儀,分析流程及儀器參數(shù)詳見文獻[16],Sr-Nd同位素的質(zhì)量分餾分別采用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9校正,Sr-Nd同位素分析精度優(yōu)于0.003%。

4 測試結(jié)果

4.1 鋯石U-Pb年齡

本次測試選擇的鋯石均為無色透明或略顯淡黃色,粒度為100～150 μm,呈自形柱狀,長寬比為2∶1～3∶1。陰極發(fā)光照片(圖4)中,鋯石具有明顯的巖漿振蕩環(huán)帶,無明顯的流體蝕變及蛻晶質(zhì)化現(xiàn)象。鋯石Th/U值為1.3～4.9,平均值為2.8(表1)。上述特征指示,本次測試的鋯石均為巖漿成因,其結(jié)晶年齡可以代表巖體的形成時代。11個鋯石測試點的206Pb/238U年齡為(117.1±1.7)～(122.6±4.6) Ma(表1),加權(quán)平均年齡為 (119.4±1.5) Ma(MSWD=0.51)(圖5)。野外地質(zhì)特征上,牛王寨巖體侵位于毛坦廠組火山巖中,前人對北淮陽地區(qū)火山巖年齡測定結(jié)果顯示其形成于早白堊世[17],證明了本次測年結(jié)果具有一定的可靠性。

圖4 牛王寨花崗巖典型鋯石陰極發(fā)光照片F(xiàn)ig. 4 CL images of the typical zircons from Niuwangzhai granite

表1 牛王寨花崗巖鋯石U-Pb年齡測試結(jié)果Table 1 Zircon U-Pb dating result of Niuwangzhai granite

圖5 牛王寨花崗巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和加權(quán)平均年齡圖(b)Fig. 5 Concordia diagram (a) and weighted mean age diagram (b) of zircon U-Pb ages of Niuwangzhai granite

4.2 主量元素

牛王寨巖體主量元素分析結(jié)果見表2。巖石SiO2含量為71.98%～77.96%,其他主量元素含量較均一,總體具有低鈦(平均含量0.15%)、貧鈣(平均含量0.44%)、貧鎂(平均含量0.16%)、富堿(平均含量8.79%)的特點,顯示出巖漿具有較高的分異演化程度。在TAS圖解(圖6(a))中,樣品投影點落在花崗巖區(qū);在A/NK-A/CNK圖解(圖6(b))中,樣品主要投影點落在準鋁質(zhì)—弱過鋁質(zhì)區(qū)。

表2 牛王寨巖體主量元素、微量元素及稀土元素含量及特征參數(shù)Table 2 Contents and characteristic parameters of major, trace, and rare earth elements in Niuwangzhai granite

圖6 牛王寨花崗巖TAS圖解(a)[18]和A/CNK圖解(b)[19]Fig. 6 Diagrams of TAS (a)[18] and A/CNK (b)[19] of Niuwangzhai granite

4.3 稀土元素

牛王寨巖體稀土元素分析結(jié)果見表2。巖石稀土元素總量∑REE平均為 205×10-6;(La/Yb)N值為10.94～22.30,LREE/HREE值為13.36～17.78,(La/Sm)N值為5.80～11.81,(Gd/Yb)N值為0.63～2.05,顯示出巖石相對富集輕稀土元素。在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(圖7(a))上,表現(xiàn)為右傾的輕稀土元素配分曲線和平直的重稀土元素配分曲線,說明輕稀土元素分餾較強,重稀土元素分餾不明顯。δEu值為0.24～0.69,平均值為0.43,說明Eu負異常較強。

4.4 微量元素

牛王寨巖體微量元素分析結(jié)果見表2。在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖7(b))上,巖體富集Rb、Th、K等大離子親石元素,Ba、Sr顯示負異常特征。巖石富集高場強元素Th、U,Zr、Hf顯示輕微正異常,Nb、Ta顯示輕微虧損。

圖7 牛王寨花崗巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)[20]Fig. 7 Chondrite-normalized REE distribution pattern (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of Niuwangzhai granite [20]

4.5 Sr-Nd同位素

牛王寨巖體Sr-Nd同位素組成分析結(jié)果見表3。巖體初始87Sr/86Sr值為0.708 28～0.708 41,平均值為0.708 35;εNd(t)值為-18.77～-19.15,平均值為-18.96。牛王寨花崗巖Sr-Nd同位素組成與大別造山帶燕山期不具備埃達克巖性質(zhì)的花崗巖一致[3,8-9, 21-22],顯示出其具有相似的源區(qū)性質(zhì)。牛王寨花崗巖Nd同位素模式年齡為1.9～2.0 Ga,兩階段模式年齡為2.4～2.5 Ga,暗示巖漿源區(qū)物質(zhì)具有古老的形成年齡。

表3 牛王寨巖體Sr-Nd同位素組成分析結(jié)果Table 3 Sr-Nd isotopic compositions of Niuwangzhai granite

5 討論

5.1 巖石類型

I-S-A-M型花崗巖分類方案是目前使用最廣泛、最有效的花崗巖成因分類體系,可準確區(qū)分花崗質(zhì)巖石的成因類型,有助于識別巖漿源區(qū)、重建巖漿演化過程、理解區(qū)域大地構(gòu)造背景及巖石圈的演化特征。在主量元素特征上,A型花崗巖普遍富集Na、K,虧損Mg、Ca、P、Ti,具有較高的Fe/Mg值和A/NK值[23]。牛王寨花崗巖總體貧鈣鎂,富堿(Na2O+K2O含量為7.66%～9.30%),A/NK值為0.76～0.97,FeOT/MgO值為4.04～39.04(平均值為12.83)。在微量元素特征上,牛王寨花崗巖富集高場強元素,(Zr+Nb+Ce+Y)含量主要為(305～341)×10-6;富集大離子親石元素Rb,虧損Ba、Sr;10 000×Ga/Al值為2.63～2.82。牛王寨花崗巖稀土元素含量較高,稀土元素配分曲線呈典型的右傾“V”型,上述特征符合A型花崗巖的判別標準。在巖石成因類型判別圖解(圖8)上,牛王寨花崗巖投影點均位于A型花崗巖區(qū)。

(a).FeOT/(FeOT+MgO)-SiO2圖;(b).(K2O+Na2O-CaO)-SiO2圖;(c).Zr-10 000 Ga/A1圖;(d).Nb-10 000 Ga/A1圖圖8 牛王寨花崗巖成因類型判別圖解[23-24]Fig. 8 Petrogenesis discrimination diagrams of Niuwangzhai granite[23-24]

除特定的地球化學指標外,相對I型花崗巖和S型花崗巖,A型花崗巖具有更高的結(jié)晶溫度[23-24]。本文采用WASTON E B[25]提出的鋯石溶解度—飽和溫度模擬公式,計算鋯石飽和晶出溫度集中于782～834 ℃,近似代表牛王寨花崗巖結(jié)晶時的溫度,該溫度與A型花崗巖形成溫度較接近[26]。綜上所述,認為牛王寨花崗巖屬于A型花崗巖。

5.2 巖石成因

A型花崗巖的成因主要有以下類型:幔源玄武質(zhì)巖漿的分異結(jié)晶[27-28];花崗質(zhì)巖漿抽取后,下地殼巖石的低度部分熔融[23,26];殼?；旌蟍29];中基性結(jié)晶基底或是變沉積巖的部分熔融[24,30]。

牛王寨花崗巖具有較高的(87Sr/86Sr)i值和較低的εNd(t)值,而揚子板塊巖石圈地幔具有相對較高的εNd(t)值(圖9),因此,牛王寨花崗巖不太可能直接通過幔源玄武質(zhì)巖漿的分異結(jié)晶作用而形成。幔源巖漿在地殼上升過程中,同化混染殼源物質(zhì),可以明顯降低原始巖漿的εNd(t)值,但殼?；旌系膸r漿普遍發(fā)育暗色微粒包體和繼承鋯石。牛王寨花崗巖不發(fā)育暗色微粒包體和繼承鋯石,說明其不是由巖石圈地幔來源的鐵鎂質(zhì)巖漿與殼源物質(zhì)的混合作用形成。

大別造山帶低鎂及高鎂埃達克質(zhì)巖石數(shù)據(jù)引自文獻[2-3,5-7];北大別片麻巖數(shù)據(jù)引自文獻[9,21];所有數(shù)據(jù)均回算至牛王寨花崗巖形成時(t=119.4 Ma)的同位素組成圖9 牛王寨花崗巖εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖解[33]Fig. 9 εNd(t)-(87Sr/86Sr)i diagram of Niuwangzhai granite[33]

牛王寨巖體Sr-Nd同位素組成與中下地殼熔融形成的大別造山帶早白堊世低鎂埃達克巖相似[3,9,22]。結(jié)合牛王寨巖體古元古代虧損地幔Nd模式年齡,推測其可能來源于古老的中下地殼部分熔融。地球化學及變質(zhì)巖巖石學研究[31-33]表明,大別山中下地殼巖石主要出露于北大別山,巖石類型以條帶狀片麻巖為主,含少量麻粒巖相巖石。巖石ISr值為0.707 59～0.712 62,εNd(t)值和虧損地幔Nd模式年齡分別為-15.8～-21.9和1.9～2.5 Ga[9,21]。在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖解(圖9)中,牛王寨花崗巖全部落入北大別片麻巖區(qū),暗示牛王寨花崗巖可能來源于大別山中下地殼的部分熔融。

微量元素特征方面,牛王寨花崗巖具有較低的Sr/Y值和(La/Yb)N值、較高的重稀土元素含量,說明巖漿源區(qū)殘留相缺少石榴子石;虧損Ba和Sr,具有較強的Eu負異常,反映源區(qū)可能殘留有斜長石[34]。在中酸性源區(qū)熔融時,石榴子石穩(wěn)定壓力低于1.2 GPa,而斜長石穩(wěn)定壓力為1.5 GPa[35],因此,牛王寨花崗巖的形成壓力應<1.2 GPa,對應巖漿源區(qū)深度應<40 km,這與早白堊世大別山地殼減薄后的厚度(<35 km)一致[4]。實驗巖石學研究[36]表明,與北大別片麻巖相似的英云閃長質(zhì)-花崗質(zhì)組分作為初始物質(zhì),在壓力≤1.0 GPa、溫度≤950 ℃時,產(chǎn)生熔體的地球化學組分與牛王寨花崗巖吻合。通常,中低壓條件下地殼熔融產(chǎn)生的A型花崗巖具有準鋁質(zhì)特征,而高壓條件下地殼熔融產(chǎn)生的A型花崗巖具有過鋁質(zhì)特征[37],牛王寨花崗巖準鋁質(zhì)—弱過鋁質(zhì)特征也暗示其源區(qū)可能為中下地殼。綜上所述,認為牛王寨花崗巖可能是大別造山帶中下地殼片麻巖部分熔融的產(chǎn)物。

5.3 早白堊世大別造山帶深部過程

大別造山帶的形成始于早中三疊世華北板塊和揚子板塊陸陸碰撞拼合,強烈的擠壓及陸內(nèi)俯沖造成了大別造山帶地殼和巖石圈地幔的增厚[1]。研究[5-7]表明,大別造山帶內(nèi)不存在三疊紀及侏羅紀巖漿巖,大別山山前盆地花崗質(zhì)礫石、碎屑鋯石中也未發(fā)現(xiàn)三疊紀—侏羅紀結(jié)晶年齡,這否定了大別山白堊紀之前的巖漿巖在碰撞造山隆升過程中被強烈剝蝕的假設(shè)[8,38]。碰撞造山帶的去 “山根”過程普遍伴隨強烈的巖漿-成礦活動,白堊紀以前巖漿巖缺失,說明大別造山帶的“山根”在早白堊世之前得到保存[1,3]。大別山碰撞后巖漿活動始于約145 Ma,根據(jù)大別山早白堊世侵入巖Sr/Y、(La/Yb)N與形成年齡演化曲線圖(圖10),可以劃分為145～130 Ma與130～114 Ma兩個階段[1,3,5-7,12,50-54]。兩階段的巖漿活動很好的記錄了大別造山帶深部的去 “山根”過程。

大別山早階段巖漿巖(145～130 Ma)以石英閃長巖-二長閃長巖、二長花崗巖、花崗閃長巖為主,巖石具有低Mg、高Sr低Y、虧損HREE、高Sr/Y值和(La/Yb)N值(圖10)、缺少Eu負異常的特點,呈現(xiàn)類似埃達克巖的特征[2,8,22,43]。早階段巖漿巖地球化學屬性指示其源區(qū)部分熔融時存在石榴子石、金紅石的殘留相,不存在斜長石的殘留[1,3,44]。大別造山帶加厚(>50 km)的榴輝巖相鐵鎂質(zhì)下地殼是早階段類埃達克質(zhì)巖石的主要源區(qū)[1,3,22];加厚的巖石圈地幔突出部位的去除及巖石圈底界的抬升,導致巖石圈地熱率升高,為加厚下地殼的部分熔融提供了熱源[1]。此時,雖然大別山還存在較厚的地殼,但軟流圈的上升造成巖石圈的松弛和伸展作用的開始,因此,約145 Ma埃達克質(zhì)巖漿侵位活動的爆發(fā)即代表大別山構(gòu)造體制已由造山擠壓匯聚向伸展轉(zhuǎn)換[8,10]。

大別山晚階段巖漿巖(130～114 Ma)以鐵鎂質(zhì)-超鐵鎂質(zhì)巖、堿性巖、花崗質(zhì)侵入巖及安山質(zhì)火山巖為主[5-7]。與早階段巖石相比,包括牛王寨花崗巖在內(nèi)的晚階段中酸性侵入巖,具有更高的Si和K含量,Sr/Y和(La/Yb)N值顯著降低(圖10),Eu、Sr、Ti呈明顯的負異常,HREE含量相對升高[1,5-6,39,41]。結(jié)合Sr-Nd同位素特征分析,晚階段中酸性侵入巖是大別造山帶地殼減薄到<35 km時,中下地殼中酸性片麻巖部分熔融的產(chǎn)物[1,9,21-22]。此時(130～114 Ma),大別造山帶已不發(fā)育埃達克質(zhì)巖漿活動,暗示加厚的下地殼已發(fā)生拆沉[1-2,44]。拆沉引發(fā)的軟流圈上涌,為晚階段殼源巖漿的活動提供了熱源。同時,上涌的富集地幔部分熔融,形成了大別造山帶130～114 Ma廣泛分布的幔源鐵鎂質(zhì)-超鐵鎂質(zhì)巖、堿性巖以及安山質(zhì)火山巖[17,41-42,45,47]。不僅在大別山地區(qū),大別山東南側(cè)的廬樅地區(qū)、沿江地區(qū)、江南古陸及華南板塊均存在130～120 Ma伸展體制下形成的A型花崗巖、堿性巖[48-49],暗示大別山在130 Ma之后可能已脫離了碰撞造山構(gòu)造旋回,而受控于中國東部統(tǒng)一的伸展構(gòu)造事件[8]。

圖10 大別山早白堊世侵入巖Sr/Y (a)和(La/Yb)N(b)與形成年齡演化曲線圖[5,8,10,22,39-49,51-54]Fig. 10 Evolution of Sr/Y (a) and (La/Yb)N(b) ratios of Early Cretaceous intrusive rocks in Dabie Orogen with crystallization ages[5,8,10,22,39-49,51-54]

6 結(jié)論

(1)LA-ICP MS鋯石U-Pb定年結(jié)果顯示,北淮陽東端牛王寨花崗巖形成于(119.4±1.5) Ma,屬于大別造山帶早白堊世晚階段巖漿活動的產(chǎn)物。

(2)牛王寨花崗巖高硅、富堿,富集高場強元素,富Rb、貧Ba和Sr,具有顯著的Eu負異常,10 000×Ga/Al值為2.63～2.82,表明其屬于A型花崗巖。

(3)牛王寨花崗巖起源于中下地殼中酸性片麻巖的部分熔融。約130 Ma時大別造山帶加厚下地殼拆沉引發(fā)的軟流圈上涌,為中下地殼的部分熔融提供了熱源。