高昕宇, 趙太平, 高劍峰, 薛良偉, 原振雷

(1. 中國科學院 廣州地球化學研究所 礦物學與成礦學重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學院 研究生院, 北京100049; 3. 香港大學 地球科學系, 香港 999077; 4. 河南省 國土資源科學研究院, 河南 鄭州 450053)

0 引 言

華北陸塊南緣是華北克拉通結晶基底的重要組成部分, 自中生代開始, 該區(qū)卷入秦嶺造山帶的地質演化過程[1–4], 隨著三疊紀華北與揚子大陸板塊對接后的地殼縮短, 以及其后白堊紀巖石圈伸展拉張減薄[5–8], 發(fā)育了晚中生代以中酸性巖漿為主的大規(guī)模巖漿侵位事件[9–10]。華北陸塊南緣的小秦嶺、熊耳山、外方山地區(qū)發(fā)育全球最大的欒川-洛南斑巖-夕卡巖型鉬礦帶和規(guī)模僅次于膠東金礦集區(qū)的小秦嶺大型金礦集區(qū)[11], 以及眾多中小型Pb-Zn-Ag礦床[12]。以往對華北陸塊南緣地質演化的研究主要圍繞金屬礦床的成礦時代、物質和流體來源等問題[13–16],從成礦響應的角度探討構造演化規(guī)律, 而對華北陸塊南緣巖漿作用、巖石圈增厚、減薄以及殼-幔相互作用規(guī)律等問題的研究相對較少。巖漿作用, 尤其是對巖漿巖侵位時代、巖石成因、物質來源的研究是認識克拉通巖石圈增厚、減薄時空分布、殼幔作用及淺部地質響應的重要途徑。因此, 對華北陸塊南緣的中酸性巖體的形成機制的研究, 對于認識這個地區(qū)中生代巖石圈演化有非常重要的意義。

位于華北陸塊南緣的小秦嶺地區(qū)是我國重要的黃金產地, 燕山期花崗巖漿活動頻繁, 是研究中生代巖漿作用和巖石圈構造演化的重要地區(qū)之一。小秦嶺地區(qū)發(fā)育的中生代花崗巖巖體自西向東依次主要有老牛山巖體、華山巖體、文峪巖體和娘娘山巖體, 主要巖石類型均為二長花崗巖。過去對小秦嶺地區(qū)中生代花崗巖的研究主要是在研究小秦嶺金礦過程中做過一些基礎的巖石學和年代學工作, 詳細的地球化學和巖石成因探討很有限[17–20]。開展花崗巖的研究不僅可以揭示地殼源區(qū)組成、巖石成因,而且有助于恢復區(qū)域構造演化歷史。本文擬利用最新獲得的巖石學和地球化學數據, 討論小秦嶺地區(qū)文峪和娘娘山兩個巖體的成因和構造背景, 并在此基礎上討論它對整個華北陸塊南緣中生代巖漿作用研究的意義。

1 區(qū)域地質概況及巖石學特征

小秦嶺位于華北陸塊南緣, 秦嶺造山帶北緣,小秦嶺-熊耳山地塊中西部, 其范圍西起陜西省華山,東至河南省靈寶-朱陽盆地西北邊緣, 其南北兩側分別被近東西向的太要-故縣斷裂帶和巡馬道-小河斷裂帶所圍限[21](圖 1)。出露的地層主要為太古宇-古元古界太華群變質巖系。區(qū)內花崗巖漿活動頻繁,老的花崗巖主要是前寒武紀呂梁期的桂家峪二長花崗巖體和晉寧期的小河二長花崗巖體, 燕山期花崗巖漿活動最為強烈, 地理位置上由西向東分布有老牛山、華山、文峪和娘娘山花崗巖體, 出露面積依次變小, 巖性以黑云二長花崗巖和黑云母花崗巖為主。此外, 小秦嶺地區(qū)還廣泛發(fā)育中基性巖墻, 多呈脈狀、小巖株、巖枝形態(tài)產出, 侵位于太古宇-古元古界太華群或中生代花崗巖體中, 主要巖石類型有輝綠巖、輝長輝綠巖及煌斑巖等[23–25]。

文峪巖體總體形態(tài)呈橢圓形, 長軸方向近東西向, 出露面積約 71 km2, 侵入太華群地層中, 接觸面平直, 局部呈港灣狀, 外傾, 傾角較陡, 為50°～70°, 沿接觸帶部分區(qū)段巖體發(fā)育細粒冷凝邊。巖體可分為 5期侵入體, 第 1期侵入體為巖脈狀產出, 出露面積較小, 位于巖體的南部, 主要巖性為細粒黑云斜長花崗巖。第2～4期侵入體為文峪巖體的3個主要巖相帶, 3個期次呈環(huán)狀分布。其中第2期侵入體為邊緣相, 分布在巖體的外圍, 巖性主要為粗-中粒含斑黑云母二長花崗巖; 第3期侵入體為過渡相, 巖性主要為中粒似斑狀黑云母二長花崗巖。第4期侵入體為頂部相, 分布在巖體的中心, 巖性主要為中-細粒含斑黑云母二長花崗巖。第5期侵入體為巖脈狀產出, 出露面積較小, 位于巖體東部,巖性主要為細-中粒二長花崗巖。

圖1 文峪和娘娘山花崗巖體地質簡圖(底圖據文獻[22])Fig.1 Simplified geological map of the Wenyu and Niangniangshan granites (after reference [22])

娘娘山巖體平面形態(tài)近圓形, 南北略長, 面積約 33 km2。與圍巖呈侵入接觸關系, 接觸面多外傾,少部分為內傾, 傾角30°～50°。巖體由 3期巖漿侵入形成, 其中第1～2期侵入體為巖體的主要組成部分。第 1期侵入體主要巖性為似斑狀中粒黑云母二長花崗巖; 第2期侵入體巖性主要為細中粒含斑黑云母二長花崗巖, 位于巖體中部。第3期侵入體巖性主要為細粒二長花崗巖, 呈條帶狀侵入于巖體南部。從各個期次的分布特征來看, 巖體的主要巖相帶從周邊向中心, 從早到晚, 表現出同心環(huán)帶狀產出, 具有規(guī)律的時空演化關系, 即從早期侵入體到晚期侵入體, 分別構成了一個較為完整的巖漿演化序列。

兩個巖體具有相似的巖石組成, 主要巖性為似斑狀(含斑)黑云母二長花崗巖, 主要礦物為鉀長石(25%～35%)、斜長石(30%～40%)、石英(25%～30%)、黑云母(3%～5%)。副礦物組合以鋯石、磷灰石、磁鐵礦和榍石為主。巖石為塊狀構造, 花崗結構、似斑狀結構。斑晶為鉀長石, 鉀長石主要為條紋長石和微斜長石, 自形-半自形板狀, 具卡斯巴雙晶及環(huán)帶結構。斜長石主要為更長石, 自形-半自形板狀,聚片雙晶和環(huán)帶結構發(fā)育。石英為他形粒狀, 具波狀消光。黑云母多呈褐色細小片狀, 少量黑云母被綠泥石、綠簾石交代置換。

2 樣品及分析方法

主元素和微量元素測試在香港大學地球科學系進行。主元素用X射線熒光光譜法(XRF)測試, 測試儀器為Philips PW 2400光譜儀。將約1 g巖石粉末樣品與四硼酸鋰按1∶7的比例混合后, 在約1300 ℃的溫度下, 于鉑金坩堝中熔融制成玻璃片, 然后用XRF方法測定氧化物含量。主要氧化物的分析誤差一般小于2%。微量元素及稀土元素用ICP-MS測試,所用質譜儀為Thermo Plasma-Quad Excell ICP-MS。將樣品粉末(約0.05 g)與HF和HNO3溶液混合后置于高壓鋼套中放在烘箱中于190 ℃下充分溶解。詳細溶樣和分析流程見文獻[26]。在質譜分析過程中用Rh元素作為內標來校正儀器漂移[26], 實驗室標樣BHVO-2(玄武巖)、G-1(花崗巖)和 GSR-1(花崗巖)作為參考標準, 分析精度優(yōu)于5%。

鋯石U-Pb及Hf同位素定年分析在中國科學院地質與地球物理研究所完成。U-Pb用 Agilent公司的 7500a型 ICP-MS測試, Lu-Hf同位素測試用Thermo 公司制造的 Neptune型多接收電感耦合等離子體質譜(MC-ICP-MS)完成, 加載德國 Lamda Physik 公司制造的Geolas193nm準分子激光取樣系統(tǒng)。激光束直徑為60 μm, 剝蝕頻率為8 Hz, 能量密度為15～20 J/cm2, 剝蝕時間約60 s。詳細的分析程序見Wu et al.[27]和謝烈文等[28]。鋯石U-Pb同位素數據處理使用Glitter 4.0軟件[29]、根據文獻[30]進行普通鉛校正后, U-Pb諧和線圖和加權平均年齡的計算及繪圖用Isoplot 3.0軟件[31]完成。數據標準化根據179Hf/177Hf = 0.7325, 質量歧視校正用指數法則進行,Yb和Lu的干擾校正取176Lu/175Lu = 0.02655和176Yb/172Yb = 0.5887[32], 而Yb分餾校正則根據172Yb/173Yb =1.35272用指數法則進行[27]。

3 形成時代

本文分別對文峪巖體和娘娘山巖體進行LA-ICP-MS鋯石 U-Pb定年, 樣品分別為粗粒黑云母 二 長 花 崗 巖 (WY-15, 地 理 坐 標 34°29′47.5″N,110°28′14.3″E)、中粗粒黑云母二長花崗巖(NN-18,地理坐標 34°28′43.9″N, 110°45′40.8″E), 兩樣品分別采自文峪巖體第2期侵入體和娘娘山巖體第2期侵入體。在樣品分析過程中盡量選擇生長環(huán)帶明顯、無包裹體和裂紋的鋯石晶體, 或者避開鋯石顆粒中的裂紋和包裹體。對文峪和娘娘山花崗巖體的兩件鋯石樣品分別進行了20和25個測點的LA-ICP-MS鋯石 U-Pb定年分析, 數據結果見表1和圖2。

文峪和娘娘山花崗巖體均含有大量繼承鋯石,鋯石 U-Pb年齡主要集中于兩個年齡范圍(圖 2), 老的年齡集中在 4個期次, 晚三疊世到早侏羅世(201～222 Ma)、早石炭世(326 Ma)、新元古代(637 Ma、783 Ma)、古元古代晚期(1732～1865 Ma)、古元古代早期到新太古代晚期(2045～2508 Ma), 為繼承鋯石;新的年齡集中在晚侏羅世至早白堊世, 為巖漿鋯石,這些巖漿鋯石在年齡諧和圖(圖2b和2d)上有部分數據點偏離諧和線, 所以利用測點的加權平均年齡反映巖體的形成時代。文峪花崗巖鋯石有 7個測點的206Pb/238U 年齡數據范圍是 125～145 Ma, 得到加權平均年齡為(135±7) Ma (MSWD = 6.6), 代表文峪巖體形成年齡時間為早白堊世早期。娘娘山花崗巖鋯石有13個測點的年齡數據范圍是129～160 Ma, 除諧和度非常低, 偏離諧和線較大的年齡160 Ma之外, 12個測點的加權平均年齡為(139±4) Ma (MSWD = 5.1), 代表娘娘山巖體的形成時間也為早白堊世早期。文峪和娘娘山兩個巖體巖漿鋯石和繼承鋯石年齡接近, 說明為同一期構造-熱事件的產物。

表1 小秦嶺文峪和娘娘山花崗巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb測試結果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data for the Wenyu and Niangniangshan granites in the Xiaoqinling region

圖2 文峪和娘娘山花崗巖體鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡諧和圖Fig.2 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordant diagrams for the Wenyu and Niangniangshan granites

4 巖石地球化學特征

4.1 主元素

本研究用于地球化學分析的樣品分別采自文峪巖體的第2期、第3期和第5期侵入體和娘娘山巖體的第2期侵入體, 樣品的主元素分析結果列于表2。

兩個巖體具有相似的主元素組成特征, 它們都表現為高硅(SiO2= 64.80%～73.30%)、高鋁(Al2O3=14.24% ～19.21%)、低鎂(MgO = 0.21%～0.73%)的特點。Mg#[Mg2+/( Mg2++FeT)×100, FeOT為 Fe2+]值較低, 介于 27.6～39.0之間。巖體堿含量較高, Na2O和K2O分別為3.89%～5.12%和2.57%～5.13%, Na2O/K2O為 0.82～1.99。在 K2O-SiO2圖解中(圖 3), 樣品大部分落入高鉀鈣堿性系列, 文峪巖體的個別樣品落入鉀玄巖系列區(qū)域。兩個巖體的 ACNK (Al2O3/(CaO+Na2O+K2O), 摩爾比) = 0.93～1.24, 其中娘娘山花崗巖樣品的 ACNK值普遍小于 1.1, 較文峪花崗巖樣品偏低, 且文峪巖體第2期侵入體到第5期侵入體ACNK值呈上升趨勢。在ANK-ACNK圖解(圖4)中, 娘娘山巖體均為準鋁質-弱過鋁質花崗巖, 文峪巖體第2期侵入體屬于準鋁質-弱過鋁質花崗巖, 第3期和第5期侵入體屬于強過鋁質花崗巖, 表明文峪巖體的源巖相對娘娘山巖體有更多成熟度較高的地殼物質加入[35]。兩個巖體的主元素與 SiO2均顯示出較好的線性關系,Al2O3、P2O5與SiO2呈明顯的負相關關系(圖3)。

4.2 微量元素

文峪和娘娘山花崗巖體的全巖微量元素和稀土元素分析數據見表2, REE分布模式圖及微量元素蛛網圖見圖5。

表2 文峪和娘娘山花崗巖體主元素(%)、微量元素及稀土元素(μg/g)分析結果Table 2 Major (%), trace and rare earth (μg/g) element concentrations of the Wenyu and Niangniangshan granites

(續(xù)表 2)

(續(xù)表 2)

圖3 文峪和娘娘山花崗巖體的哈克圖解Fig.3 Harker diagrams for Wenyu and Niangniangshan granites

圖4 文峪和娘娘山花崗巖體ANK-ACNK圖解(圖例同圖3)Fig.4 ANK-ACNK diagram of Wenyu and Niangniangshan granites(symbols are the same as those in Fig.3)

兩個巖體均含有較低的稀土元素含量(56.8～201 μg/g)。其中文峪巖體第2期和第3期侵入體稀土含量相對較高, 介于 68.2～201 μg/g之間, 平均 150 μg/g。而第5期侵入體稀土含量最低, 介于56.8～93.8 μg/g之間, 平均 76.8 μg/g, 在文峪巖體的稀土元素分布模式圖(圖5a)上, 與第2期和第3期侵入體有明顯的區(qū)分。娘娘山巖體稀土總量介于98.9～143 μg/g之間, 平均126 μg/g。在球粒隕石標準化稀土分布模式圖(圖5a和5b)上, 兩個巖體各期次樣品曲線平滑右傾, 均為輕稀土富集、重稀土虧損, 輕重稀土強烈分異(∑LREE/∑HREE = 13.7～21.8, (La/Yb)N= 16.9 ～31.2)。其中文峪巖體第 2期和第 3期侵入體的∑LREE/∑HREE比值與娘娘山巖體相似, 介于13.7～18.9之間, 平均 16.2; 文峪巖體第 5期侵入體∑LREE/∑HREE = 15.5～21.8, 平均 18.3, 較其他期次高。兩個巖體δEu = 0.63～1.27, 平均0.79, 總體表現為弱負Eu至Eu正異常。其中文峪巖體第2期和第 3期侵入體的 δEu值與娘娘山巖體接近, 介于0.65～1.27之間, 平均 0.82; 文峪巖體第 5期侵入體有更低的 δEu 值(0.63～0.70)。

兩個巖體的微量元素組成基本一致, 都富集Ba、Sr、Rb、U等大離子親石元素, 相對虧損Nb、Ta、P、Ti, 具有較高的 Nb/Ta比值(13.9～23.6)。Sr含量變化于 236～1029 μg/g 之間, 平均 636 μg/g, 且文峪巖體由第2期侵入體到第5期侵入體Sr含量明顯呈降低趨勢(圖6)。兩巖體Y和Yb含量分別變化于 4.25～17.2 μg/g(平均 10.5 μg/g)和 0.50～1.46 μg/g(平均 0.97 μg/g), Sr/Y 比值(23.2～161, 平均 66.2)較高。在Sr-Yb圖(圖6)中, 文峪巖體第2期和第3期侵入體及娘娘山巖體樣品點均投影于張旗等[36]歸納出的高Sr低Yb花崗巖區(qū)域, 而文峪第5期侵入體樣品均落于低 Sr低 Yb花崗巖區(qū)域。文峪巖體 Rb含量較娘娘山巖體明顯偏高(圖5), 尤其第5期侵入體Rb含量明顯高于其他期次。除文峪巖體第5期侵入體外, 兩巖體 Rb/Sr比值為 0.05～0.36, 平均 0.17,文峪巖體第 5期侵入體 Rb/Sr比值為 0.50～0.87, 平均 0.64, 明顯高于其他各期次, 且高于中國東部上地殼平均值(0.31[37])和全球上地殼平均值(0.32[38]),反映其源區(qū)為成熟度較高的地殼物質, 與娘娘山巖體及文峪其他期次源區(qū)組成有差異, Rb/Sr比值的顯著較高, 進一步支持了分異作用的存在。從Ba和Sr的富集、Eu弱負異常、Nb、Ta和重稀土元素的虧損分析, 除文峪巖體演化晚期的第 5期侵入體外,文峪和娘娘山花崗巖巖漿演化過程中基本無斜長石結晶分異作用, 源區(qū)殘留石榴子石[39]。

圖5 文峪和娘娘山花崗巖體球粒隕石標準化REE配分模式圖及原始地幔標準化微量元素蛛網圖Fig.5 Chondrite-normalized REE and PM-normalized incompatible element patterns of Wenyu and Niangniangshan granites

圖6 花崗巖Sr-Yb分類圖(底圖據文獻[36], 樣品符號同圖3)Fig.6 The classification of granitoids on the basis of Sr and Yb contents(after reference [36]. Symbols are the same as Fig.3)

5 Hf同位素地球化學特征

筆者選取已測年的WY-15和NN-18樣品進行了鋯石原位 Hf同位素分析(表 3)。分析結果顯示, 大部分鋯石的176Lu/177Hf比值小于0.002, 說明鋯石在形成后具有較小的放射性成因Hf的積累。不同時期的繼承鋯石和新生鋯石具有明顯不同的 Hf同位素組成, 繼承鋯石的176Hf/177Hf比值分布于0.281288～0.282053 之間, 對應的 εHf(t)值較高, 變化于–28.56～7.62之間(表3, 圖7); Hf模式年齡(tDM2)集中在2157～3124 Ma之間。

巖漿鋯石176Hf/177Hf比值分布于 0.281850～0.282463之間, 對應的 εHf(t)值均為負值, 變化范圍為–29.74～ –8.08(表 3, 圖 7)。其中文峪花崗巖 εHf(t)值為–19.92～ –12.25; 娘娘山花崗巖除一個點的 εHf(t)值較高為–8.08外, 其他點介于–29.74～ –20.18之間,較文峪花崗巖低; Hf模式年齡(tDM2)集中在 1699～3057 Ma之間(圖7), 其中文峪花崗巖tDM2變化范圍為1961～2442 Ma, 娘娘山花崗巖的tDM2除一個點為1699 Ma外, 其他點的變化于 2460～3057 Ma之間,較文峪花崗巖的模式年齡老。

表3 文峪和娘娘山花崗巖體LA-MC-ICP-MS鋯石Hf同位素原位分析測試結果Table 3 LA-MC-ICP-MS zircon Hf isotopic compositions of the Wenyu and Niangniangshan granites

圖7 文峪和娘娘山花崗巖體鋯石Hf同位素組成及εHf(t)-t圖解Fig.7 Zircon Hf isotopic compositions and plots of εHf(t) vs. age for the Wenyu and Niangniangshan granites

兩個巖體的巖漿鋯石均顯示了很大的εHf(t)變化范圍, 文峪巖體 εHf(t)值變化于–19.92～ –12.25 之間,變化幅度達8個εHf單位, 娘娘山巖體εHf(t)值主要變化于–29.74～ –20.18 之間, 變化幅度達 9 個 εHf單位,如此大的變化, 表明巖漿形成過程應為一個開放的系統(tǒng)[44–45], 巖漿源區(qū)組成較為復雜。

6 討 論

6.1 巖石成因

文峪和娘娘山花崗巖體的巖性都為黑云母二長花崗巖, 其暗色礦物為黑云母, 不含白云母, 出現磁鐵礦、榍石等副礦物。兩巖體均屬于具有高硅(SiO2= 64.80%～73.30%)、高鋁(Al2O3= 14.24% ～19.21%)、富堿(K2O + Na2O = 7.66%～9.37%)、低鎂(MgO = 0.21%～0.73%)特征的高鉀鈣堿性、準鋁至過鋁質花崗巖(ACNK = 0.93～1.24)。兩者主微量元素地球化學特征相似, 在 P2O5隨 SiO2變化的圖解(圖 4)上, 兩個巖體的 P2O5與 SiO2含量均呈負相關關系,總體沿I型演化趨勢分布[46]。

如前所述, 文峪和娘娘山巖體表現出虧損 Y(4.25～17.2 μg/g, 平均 10.5 μg/g)和 Yb (0.50～1.46 μg/g, 平均 0.97 μg/g), 中-高 Sr (236～1029 μg/g, 平均 636 μg/g), 在原始地幔蛛網圖上表現出 Sr 的正異常, 巖石的(La/Yb)N比值介于 16.9 ～ 31.2之間,Sr/Y比值介于23.2～161之間, 其中文峪第5期侵入體介于 23.2～37.5之間, 兩巖體其他期次介于38.5～161之間。除文峪第 5期侵入體 Eu負異常值(0.63～0.70)較大外, 兩巖體其他期次具有微弱的負的或正的Eu異常值(0.64～1.27, 平均0.82)。上述特征類似于埃達克巖[47–48]的地球化學特征, 在 Sr/Y-Y的熔融曲線圖(圖 8a)中, 樣品投點大多數落在榴輝巖和石榴子石角閃巖演化線附近, 說明兩個花崗巖體與石榴子石處于平衡, 且大部分樣品點均落入加厚下地殼熔融形成的埃達克巖范圍內, 具有深源的特點。在(La/Yb)N-YbN圖(圖8b)中, 文峪和娘娘山花崗巖體的數據也大體位于 10%石榴子石角閃巖部分熔融演化線附近, 處于加厚下地殼熔融形成的埃達克質巖分布區(qū)內。文峪和娘娘山巖體的地球化學特征顯示, 它們富 SiO2、貧 MgO, 與高場強元素相比富集大離子親石元素(如 Rb、Ba、Sr), 重稀土元素虧損。石榴子石是導致花崗巖輕重稀土元素強烈分異的最重要的礦物相[50], 文峪和娘娘山花崗巖體具有低的 HREE、Y、Yb的含量, 表明源區(qū)有石榴子石存在。巖石低的 Yb/Lu (5.63～7.13)和 Dy/Yb (1.16～2.54)比值也表明其源區(qū)殘留大量角閃石[51]。兩巖體除文峪巖體第5期侵入體外均富Al和Sr, 有微弱的負的或正的Eu異常, 說明巖漿部分熔融時斜長石大量分解因而在源區(qū)殘留體中少有斜長石存在, 源巖為榴輝巖或麻粒巖; 而文峪巖體第5期侵入體Al含量更高, Sr含量相對較低, 有弱負Eu異常, 說明殘留相中有斜長石存在。結合熔融曲線和巖體地球化學特征推測殘留相主要以石榴子石、角閃石、輝石為主, 文峪巖體第 5期侵入體殘留相還包括少量斜長石。石榴子石穩(wěn)定出現的壓力至少大于 0.8～1.0 GPa, 通常大于 1.5 GPa[39], 因此文峪和娘娘山巖體主要侵入體的巖漿部分熔融壓力大于1.5 GPa, 相應的深度至少大于40 km, 而文峪巖體晚期的第5期侵入體形成壓力較低, 為中等壓力下形成, 形成深度相對較淺, 說明此時地殼厚度較早期侵入體形成時期明顯減薄。

文峪和娘娘山都具有多階段多期次侵入的特點,且各期次侵入體的巖石學和地球化學特征有所差別,即晚期侵入體比早期侵入體含有更高的 ACNK值,低的稀土元素總量、Sr含量和Sr/Y比值, 高的負Eu異常值和Rb/Sr比值。這些地球化學特征的演變, 反映了第 5期侵入體形成壓力較低, 形成深度相對變淺, 且源巖含有更多成熟度較高的地殼物質。傳統(tǒng)觀點認為這種大型花崗巖體是由單一的花崗質巖漿房經過緩慢冷卻、巖漿結晶分異作用形成的[52]。但是地球物理研究表明, 即使在活動型大陸邊緣的島弧地殼之下也不存在大規(guī)模的熔融區(qū)域[53–54], 同時熱力學研究表明, 一個大的花崗質巖漿房在數十萬年內, 其溫度就可以降至鋯石 U-Pb體系和角閃石K-Ar體系的封閉溫度之下[55], 因此一般的花崗質巖漿房在數十萬年內其溫度就可以降至其液相線溫度以下[56]。前人大量的研究表明, 一些大的花崗巖體并不是由單一的巖漿房經過緩慢的冷卻和結晶分異作用形成的, 而是由不同批次、不同來源的花崗質巖漿在一定地質階段內經過復雜的匯聚作用形成的,巖體各期次侵入體的巖石學及地球化學演變趨勢是由于巖石的源區(qū)物質和熔融程度、溫度壓力等部分熔融條件不同所導致的[56–62]。因此, 筆者認為文峪巖體侵入期次從早到晚的地球化學特征變化并不是由巖漿結晶分異作用形成的, 而是部分熔融程度不同, 及各期次形成的源區(qū)環(huán)境由石榴子石相平衡向斜長石相平衡的轉變, 即地殼由厚變薄, 巖漿房逐漸向淺部遷移, 源區(qū)物質發(fā)生變化, 后期有更多成熟度高的地殼物質熔融導致的。

6.2 物質來源

近年來, 對華北克拉通基底巖石高質量的鋯石U-Pb定年結果證明, 其最重要的年齡組是 2.4～2.5 Ga, 其比例大大高于其他年齡組, 同時還有 1.7～1.9 Ga 和 2.0～2.2 Ga 的年齡存在[63–65]。繼承鋯石是示蹤巖漿源區(qū)性質的有效指示劑[66]。文峪和娘娘山花崗巖中的繼承鋯石主要由古元古代年齡組成(圖9, 表3):1732～1828 Ma、2045 Ma、2253 Ma、2370～2508 Ma(文峪巖體); 1760～1865 Ma、2480 Ma(娘娘山巖體), 這與華北克拉通基底的形成時代相吻合, 反映了巖漿源區(qū)為華北克拉通結晶基底。

圖8 文峪和娘娘山花崗巖體Sr/Y-Y (a)和(La/Yb)N-YbN (b)圖(據文獻[49], 樣品符號同圖3)Fig.8 Sr/Y-Y diagram (a) and (La/Yb)N-YbN diagram (b) for the Heyu and Niangniangshan granites(after reference [49]. Symbols are the same as Fig.3)

圖9 文峪和娘娘山花崗巖體中繼承鋯石年齡組成Fig.9 Ages of inherit zircon in Wenyu and Niangniangshan granites

文峪和娘娘山巖體低的 εHf(t)值和古老的 Hf模式年齡, 以及巖體中古元古代繼承鋯石的存在, 表明其巖漿源區(qū)應為古老的下地殼物質。不同的鋯石組分, 記錄了不同的巖漿源區(qū)性質。文峪巖體中637 Ma繼承鋯石顯示了較低的 Hf同位素比值(εHf(t) =–22.68; 圖7, 表3), 結合其古老的兩階段Hf模式年齡 (2986 Ma), 表明形成它們的初始物質主要來源于新元古代陸殼; 1732～1828 Ma的繼承鋯石的εHf(t)值為–11.64～ –1.92, 其兩階段模式年齡為2600～3124 Ma, 表明形成它們的初始物質主要來源于新太古代陸殼; 2045～2508 Ma的繼承鋯石的 εHf(t)值為–4.87～7.62, 具有正的 εHf(t)值, 兩階段模式年齡為2455～2958 Ma, 在圖7中部分投影點位于球粒隕石演化線之上, 表明它們的源區(qū)存在有相當比例的來自虧損地幔的物質, 同時新太古代陸殼物質的貢獻也很明顯。娘娘山巖體中201～783 Ma的繼承鋯石具有較低的 εHf(t)值(–28.56～ –16.66)及新太古代的兩階段Hf模式年齡(2721～3073 Ma), 反映這些繼承鋯石主要來源于新太古代陸殼物質; 1760～1865 Ma的繼承鋯石的 εHf(t)值為–8.53～4.85, 兩階段模式年齡為2157～2964 Ma, 表明它們來源于古元古代和新太古代陸殼物質, 且陸殼形成時有幔源物質的參與; 樣品 NN-18-08點(2480 Ma)的 εHf(t)值為 3.44, tDM2為2773 Ma, 也反映新太古代陸殼形成時有幔源物質的參與。文峪巖體的中生代新生巖漿鋯石的εHf(t)值為–19.86～ –12.25, 兩階段 Hf模式年齡為 1961～2442 Ma, 也反映初始物質來源于古元古代陸殼物質。而娘娘山巖體的中生代新生巖漿鋯石的εHf(t)值比文峪巖體低, 除一個點為–8.08外, 其余點介于–29.74～–20.18之間, 兩階段 Hf模式年齡除一個點為 1699 Ma外, 其余點主要集中于 2460～3057 Ma, 表明巖體源區(qū)與文峪巖體有差別, 主要來源于新太古代陸殼物質。以上表明, 兩個巖體中新生鋯石和繼承鋯石的初始物質主要來源于古元古代和新太古代陸殼,這與華北克拉通主體形成于太古宙, 并以 2.40～2.50 Ga為主, 部分地區(qū)經歷了古元古代的高級變質作用相一致[63–65]。

小秦嶺地區(qū)的基底巖石為太華群(雜巖)。由于本區(qū)太華群形成后遭受了多次構造-熱事件的疊加改造, 巖石變形強烈、變質程度較高、混合巖化強烈、地層對比較為困難, 多數學者將其作為新太古代的深變質巖系[20,67,68], 且一些學者得到太華群(雜巖)的同位素年齡大于2.5 Ga[69–72]?，F有的研究資料表明[73–76], 太華群(雜巖)主要由兩部分組成: 下部(太華下亞群)為基性火山巖建造, 以 TTG長英質片麻巖為主, 形成時代為新太古代; 上部(太華上亞群)為高級變質巖系, 形成時代為古元古代, 兩者在原巖建造、巖石組合、巖漿活動、變質變形及地球化學特征上存在著較大差異。丁蓮芳[77]也在太華群表殼巖系中發(fā)現藻類化石, 將太華群上部劃歸古元古界, 下部為新太古界。兩部分的時限與本次測試得到的娘娘山和文峪花崗巖分別為古元古代和新太古代的兩階段模式年齡一致。

6.3 構造環(huán)境

圖10 文峪和娘娘山花崗巖主微量元素與SiO2圖解(據文獻[51,100,101], 樣品符號同圖3)Fig.10 Oxide, trace element and ratios vs.SiO2 plots of Wenyu and Niangniangshan granites(after references [51,100,101]. Symbols are the same as Fig.3)

秦嶺造山帶是華北和揚子兩大板塊于中生代初期(245～235 Ma)全面碰撞而最終閉合的, 并成為中國大陸統(tǒng)一拼合的主要結合帶[78]。碰撞階段早期發(fā)生陸內俯沖, 巖石圈強烈擠壓縮短增厚, 在華北陸塊南緣形成自北而南逆沖推覆的洛南-欒川逆沖推覆構造系[79], 小秦嶺地區(qū)在區(qū)域擠壓構造體制下形成太華推覆體[79–80]。直至中侏羅世晚期, 兩者的全面拼合過程完成[78]。至中侏羅世-早白堊世(約 163～136 Ma), 區(qū)域構造體制發(fā)生轉換[81–83], 碰撞后強烈增厚的地殼開始趨于伸展減薄。巖石圈減薄可能開始于145 Ma[15,84,85]。文峪和娘娘山巖體的形成年齡正對應于中侏羅世至早白堊世由擠壓增厚向伸展減薄轉換的階段。巖石圈減薄可以使地殼巖石因減壓而熔融[86–87], 此外還需要深部地幔物質或熱源的供給, 才能形成大規(guī)模的巖漿活動[87–88]。關于深部熱源促使加厚的下地殼物質熔融的機制, 近年來的研究表明主要有以下兩種: 底侵的玄武巖或加厚下地殼(大于 40 km)基性巖石的部分熔融[89–95]和拆沉作用引起的下地殼玄武質巖石的部分熔融[96–98]。由于幔源巖漿底侵作用是巖漿從地殼底部直接向上運移的, 不與地幔橄欖巖發(fā)生交代, 不會引起MgO含量和 Mg#值的升高[99]。而拆沉的榴輝巖板片進入軟流圈地幔后被加熱, 經部分熔融作用形成花崗質巖漿,由于巖漿在上升途中必然要經過因上涌而覆蓋在拆沉榴輝巖板片之上的地幔軟流圈并與地幔橄欖巖發(fā)生混合, 會導致其MgO含量和Mg#值的增高[99]。文峪和娘娘山兩個巖體具有較低的MgO含量(0.21%～0.73%)和 Mg#值(27.6～39.0), 在主要氧化物和微量元素與 SiO2圖解(圖 10)中, 花崗巖體的成分點主要落入增厚下地殼熔融形成的埃達克質巖區(qū)域內, 與拆沉下地殼熔融形成的埃達克質巖差別較大。因此,小秦嶺地區(qū)的花崗巖體主要是幔源巖漿底侵促使下地殼部分熔融而形成的。

華北陸塊南緣有若干同文峪和娘娘山巖體地球化學特征相似, 具有高Sr/Y比值和虧損重稀土元素特征的埃達克質花崗巖巖侵位, 其鋯石U-Pb年齡介于 150～130 Ma之間[13,102–104], 這些花崗巖體被認為是增厚的玄武質下地殼部分熔融的產物, 但此時的構造環(huán)境已經不是擠壓體制。文峪和娘娘山巖體侵位年齡為135～139 Ma, 屬于富鉀的鈣堿性二長花崗巖類, 形成于造山帶造山作用結束后大陸板塊從擠壓向伸展轉換的構造環(huán)境, 標志著厚的地殼伸展減薄的開始。根據成因分析, 文峪巖體晚期侵入的第5期侵入體為過鋁質的高鉀鈣堿性花崗巖, 部分熔融深度較其他期次侵入體淺, 形成于厚的地殼向正常地殼厚度過渡或轉變的環(huán)境。雖然沒有第5期侵入體巖體的侵位年齡, 無法確定這一過渡或轉變時期的具體時間, 但近期研究[104]發(fā)現位于華北陸塊南緣的外方山地區(qū)合峪巖體具有與文峪巖體第 5期侵入體相似的低Sr低Y的地球化學特征, 被認為形成于中等壓力下, 其侵位年齡為(148.2±2.5)～(135.3±4.9) Ma, 與文峪巖體年齡((135±7) Ma)相近, 因此認為由產生高Sr低Y的加厚的下地殼到產生低Sr低Y的加厚地殼向正常地殼過渡環(huán)境的轉變發(fā)生在很短的時間內。

此外, 小秦嶺地區(qū)普遍發(fā)育各種中生代巖脈,巖脈主要為輝綠巖類及少量的煌斑巖類, 鋯石測年結果主要集中在新太古代-古元古代(2658～2098 Ma和 1982～1727 Ma)、新元古代(700～800 Ma)和晚古生代-中生代(274～127 Ma)[23], 其中古老的年齡與文峪和娘娘山巖體中繼承鋯石年齡具有較好的對應。其早白堊世鋯石年齡和部分巖脈侵入到文峪和娘娘山巖體中的地質接觸關系表明, 巖脈是在早白堊世晚期, 在地殼伸展拉張的構造背景下侵位于古老結晶基底和花崗巖構造薄弱部位而形成的, 代表此時地殼已經強烈伸展減薄[87–88]。

從文峪和娘娘山巖體早期侵入體到晚期侵入體,再到輝綠巖和煌斑巖脈的侵入, 反映了花崗巖漿活動的源區(qū)或巖漿房逐漸向淺部遷移, 巖漿源區(qū)由殼源向幔源演化, 及地殼從擠壓加厚向伸展減薄轉換的過程。這一地殼演化過程時限(139～127 Ma)與小秦嶺變質核雜巖內糜棱狀巖石及拆離伸展活動的時限為(135～123 Ma)[23,105]基本一致。前人通過構造、變形機制和熱力學分析, 認為這些巖漿的侵位是伸展構造的起因之一, 即地殼增厚和巖漿上涌導致地殼的拉伸, 進而導致伸展構造的發(fā)生[106], 文峪和娘娘山巖體是屬于小秦嶺變質核雜巖的重要組成部分。

7 結 論

(1) 鋯石定年結果顯示文峪和娘娘山黑云母二長花崗巖體形成時間分別為(135±7) Ma和(139±4) Ma,兩個巖體是同一期構造-熱事件的產物。

(2) 文峪和娘娘山花崗巖屬于具有高硅、高鋁、富堿、低鎂特征的高鉀鈣堿性、準鋁至過鋁質花崗巖, 富集輕稀土, 虧損重稀土、Y、Yb。除文峪巖體第 5期侵入體外, 兩個巖體均具有弱 Eu負異常到Eu正異常, 富集Sr、Ba, 屬于高Sr低Yb的埃達克質花崗巖, 源區(qū)殘留石榴子石而無斜長石殘留, 形成于壓力較高的加厚下地殼。文峪晚期侵入的第 5期侵入體具明顯的Eu負異常, 中等的Sr含量, 表明源區(qū)除石榴子石外有斜長石殘留, 形成于加厚地殼向正常地殼減薄的環(huán)境。

(3) 鋯石Hf同位素數據顯示兩個巖體新生鋯石和繼承鋯石均來源于古元古代和新太古代地殼物質。其中文峪巖體物質來源以古元古代陸殼物質為主, 娘娘山巖體物質來源以新太古代陸殼為主。與太華雜巖解體的古元古代和新太古代兩個部分時限相一致, 也與華北克拉通主要的地殼增長歷史基本一致。

(4) 結合兩巖體地球化學特征和區(qū)域地質演化歷史, 認為文峪和娘娘山巖體形成于幔源巖漿底侵加熱, 促使下地殼部分熔融。從早期侵入體到晚期侵入體, 反映了花崗巖巖漿活動的源區(qū)或巖漿房逐漸向淺部遷移, 構造環(huán)境擠壓加厚向伸展減薄轉換的過程。

徐勇航博士和陳偉博士在野外樣品采集過程中給予了幫助; 兩位審稿專家提出了寶貴的修改意見和建議, 在此謹表謝忱。

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