劉曉宇 韓 旭 梁 濤 李龍明 任升蓮 李加好
(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 合肥 230009;2.安徽省地質(zhì)博物館科學(xué)研究與藏品管理部 合肥 230031;3.河南省地質(zhì)研究院 鄭州 450016)
北秦嶺地體位于洛南—欒川—方城斷裂帶和商丹斷裂帶之間,東西長(zhǎng)約1 000 km,南北寬大致為80 km,它是秦嶺造山帶內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造帶中最復(fù)雜的地質(zhì)單元,記錄了秦嶺造山帶內(nèi)新元古代、古生代和中生代構(gòu)造—巖漿熱事件和造山過程(張國(guó)偉等,2001)。北秦嶺古生代巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,形成規(guī)模宏大的巖漿巖帶(盧欣祥,2000),其中豫西南地區(qū)以灰池子、漂池、張家大莊、湯河、西莊河、滿子營(yíng)、板山坪、五垛山等巖基和飯鋪、堂坪—長(zhǎng)探河、郭家漫、茶庵等巖株為典型代表。北秦嶺豫西南段古生代侵入巖的形成時(shí)代集中于490 Ma、450 Ma 和410 Ma 等3 期(王濤等,2009;郭彩蓮等,2010,2011;李勝利等,2012;張成立等,2013;李名則等,2014;秦拯緯,2016;李開文等,2019;李振強(qiáng)等,2019,2021;楊挺宇等,2019;周澍等,2019),它們?yōu)榉囱荼鼻貛X古生代構(gòu)造演化提供了參考,如490 Ma 板山坪閃長(zhǎng)巖形成于早古生代揚(yáng)子板塊向華北板塊之下俯沖的初期階段(李名則等,2014),460 Ma 滿子營(yíng)和西莊河花崗巖代表了板塊俯沖所導(dǎo)致的活動(dòng)陸緣背景(郭彩蓮等,2010,2011),五垛山巖基代表了早志留世由俯沖環(huán)境轉(zhuǎn)換為陸陸碰撞環(huán)境及后碰撞環(huán)境下加厚地殼的垮塌過程(李開文等,2019;周澍等,2019)。這些認(rèn)識(shí)大多來源于對(duì)花崗巖巖基的研究結(jié)果,北秦嶺豫西南段還出露飯鋪等一系列閃長(zhǎng)巖巖株,它們的巖石成因模型也能為區(qū)域深部構(gòu)造演化提供約束。因此,本文對(duì)飯鋪閃長(zhǎng)巖進(jìn)行了激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)鋯石U-Pb 定年和Hf 同位素測(cè)試,結(jié)合巖石地球化學(xué)特征探討了其巖石成因及深部構(gòu)造背景。
飯鋪巖株出露于北秦嶺豫西南段中部,如圖1a所示,區(qū)域出露地層主要為古元古界秦嶺群、下古生界二郎坪群、上古生界和中生界(圖1b)。秦嶺巖群自下而上依次為石槽溝組和雁嶺溝組,石槽溝組主要巖性為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖夾、斜長(zhǎng)角閃巖;雁嶺溝組主要巖性為厚層狀(石墨)大理巖、含石英條帶(團(tuán)塊)大理巖。
圖1 北秦嶺飯鋪巖體地質(zhì)簡(jiǎn)圖(底圖據(jù)河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989 和豫西南地區(qū)地質(zhì)圖1∶250 000 簡(jiǎn)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組成,二郎坪群包括火神廟組、大廟組和二進(jìn)溝組,上古生界由小寨組、抱樹坪組和子母溝組構(gòu)成(王志宏等,2000)。火神廟組主要為巨厚層的細(xì)碧巖、細(xì)碧玢巖、角斑巖,大廟組巖性以硅質(zhì)板巖、長(zhǎng)石石英砂巖、大理巖為主,二進(jìn)溝組主要為細(xì)碧巖—石英角斑巖系。上古生界小寨組、抱樹坪組和子母溝組呈近北西向自北向南依次展布,小寨組主要巖性為黑云石英片巖、黑云(或絹云)斜長(zhǎng)片巖、絹云片巖及二云片巖夾炭硅質(zhì)層、變質(zhì)粉砂巖、砂礫巖及透鏡狀斜長(zhǎng)角閃片巖,抱樹坪組主要巖性為黑云石英片巖、黑云斜長(zhǎng)片巖等,子母溝組主要為含礫大理巖、含礫結(jié)晶灰?guī)r。中生界主要為上三疊統(tǒng)五里川組和上白堊統(tǒng)周莊組,五里川組主要巖性為黑色炭質(zhì)板巖、長(zhǎng)石石英砂巖夾細(xì)砂巖,底部為紫紅色復(fù)成分礫巖,周莊組主要巖性為棕紅色含礫泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)粘土巖、礫巖。
朱陽(yáng)關(guān)—夏館深大斷裂帶是北秦嶺豫西南段重要的斷裂構(gòu)造之一,它呈近北西西向展布于朱陽(yáng)關(guān)、桑坪、石界河、米坪、軍馬河、小水、夏館一線(圖1),延伸約350 km,在南陽(yáng)盆地以西走向約為310°,傾向多變,傾角為60°~80°,兩側(cè)次級(jí)斷裂構(gòu)造發(fā)育。此外,出露大坪—瓦房院、西莊河、大磨石溝—軍馬河、二郎坪等地環(huán)弧形構(gòu)造。在飯鋪巖體區(qū)域內(nèi),主要出露古生代和燕山期花崗巖,前者以湯池和張家大莊巖基為代表,其中張家大莊巖基的鋯石U-Pb 年齡為462 Ma(李振強(qiáng)等,2021),后者以煙鎮(zhèn)、骨頭崖和二郎坪巖體為代表,記錄131 Ma 和114 Ma 兩期巖漿作用(盧仁和梁濤,2017;梁濤等,2018,2019)。
飯鋪巖體呈近北西向橢圓狀出露,長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度分別約3.8 km 和1.2 km,面積約3.7 km2,圖1b 可見巖株侵入到湯河和張家大莊巖基內(nèi)。如圖2a 所見,新鮮飯鋪閃長(zhǎng)巖呈灰綠—暗綠色,塊狀構(gòu)造,粒狀結(jié)構(gòu),主要礦物為角閃石(20%~30%)、黑云母(5%~10%)、斜長(zhǎng)石(45%~55%)和少量石英。圖2b 所示角閃石顆粒粗大,斜長(zhǎng)石呈灰白色,它形為主,發(fā)育聚片雙晶。巖體局部地段可見后期的石英脈穿插和暗色微粒包體。
圖2 北秦嶺飯鋪巖體的野外照片(a)、顯微照片(b)Amp.角閃石;Pl.長(zhǎng)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
全巖主量和微量元素含量測(cè)定在南京聚譜檢測(cè)科技有限公司完成,主量元素使用帕納科Axios MAX XRF 分析完成,分析的精度和準(zhǔn)確度遵行國(guó)標(biāo)GB/T 14506.28-2010。微量元素使用ICP-MS 測(cè)試,儀器型號(hào)為Agilent7700x,使用國(guó)際標(biāo)樣AGV-2 和BHVO-2 監(jiān)控測(cè)試質(zhì)量,測(cè)試結(jié)果的總體偏差不高于10%。
鋯石定年分析在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院LA-ICP-MS 實(shí)驗(yàn)室完成,ICP-MS 為美國(guó)Agilent 公司生產(chǎn)的Agilent 7500a,激光剝蝕系統(tǒng)為美國(guó)Coherent Inc.公司生產(chǎn)的GeoLasPro,該系統(tǒng)為工作波長(zhǎng)193 nm 的ComPex102 ArF 準(zhǔn)分子激光器。 在定年測(cè)試中, 標(biāo)準(zhǔn)樣品91500、Plesovice、NIST SRM610 和鋯石樣品有序穿插進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理均使用ICPMS DataCal 軟件(Liu et al.,2010),U-Pb 諧和圖繪制和加權(quán)平均年齡計(jì)算都使用ISOPLOT 程序(Ludwig,2003)。
鋯石原位Hf 同位素測(cè)試在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院同位素實(shí)驗(yàn)室利用LA-MC-ICP-MS方法分析完成。該系統(tǒng)由Cetac Analyte HE 激光剝蝕系統(tǒng)與ThermoFisher Neptune Plus MC-ICP-MS 聯(lián)合組成。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補(bǔ)償氣,每分析10 個(gè)樣品點(diǎn),使用Penglai、Qinghu、91500、GJ-1h 和Plesovice 作為監(jiān)控樣品,對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對(duì)樣品和空白信號(hào)的選擇、 同位素比值計(jì)算)采用 LAZrnHf-Calculator@HFUT,同質(zhì)異位素干擾扣除以及儀器分餾校正據(jù)Ludwig(2001)的方法完成。
飯鋪巖體5 件樣品(1 件花崗閃長(zhǎng)巖和4 件閃長(zhǎng)巖)的主量和微量元素分析結(jié)果見表1。
表1 北秦嶺飯鋪巖體的主量元素/%和微量元素/×10-6分析結(jié)果Table 1 Analysis results of major elements /% and trace element/×10-6 for the Fanpu diorites from the North Qinling orogenic belt
它們的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別為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 含量分別介于3.25%~4.14%和1.40%~2.33%。它們的Mg#介于41.7~57.4,Na2O+K2O 含量和Na2O/K2O值分別為4.97%~5.92%和1.54~2.96。
在哈克圖解中(圖3),飯鋪巖體樣品顯示較好的線性相關(guān)趨勢(shì):1)MgO、TiO2、TFe2O3、CaO 和P2O5投點(diǎn)趨勢(shì)整體上為負(fù)相關(guān)趨勢(shì);2) Al2O3、Na2O 和K2O 投點(diǎn)為發(fā)散趨勢(shì)。在SiO2-(Na2O+K2O)和SiO2-K2O 圖解中(圖4),飯鋪巖體樣品點(diǎn)均落入輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖—閃長(zhǎng)巖—花崗閃長(zhǎng)巖分類區(qū)內(nèi),整體上接近于堿性—亞堿性系列的分界線,屬于鈣堿性系列巖石。
圖3 北秦嶺飯鋪閃長(zhǎng)巖主量元素的哈克圖解Fig.3 Hacker diagrams of the major elements for the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt
圖4 北秦嶺飯鋪巖體的SiO2-(Na2O+K2O)和SiO2-K2O 圖解(底圖據(jù)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)
飯鋪巖體5 件樣品Ba 含量的最低值、最高值分別為632×10-6、1 291×10-6,Rb 和Th 含量分別介于57.3×10-6~77.6×10-6、3.96×10-6~13.9×10-6,Zr含量的最低值、最高值分別為100×10-6、159×10-6,Hf 含量介于2.81×10-6~3.82×10-6,Zr/Hf 值為35.5~41.5。飯鋪巖體樣品的Sr 和Y 含量分別為467×10-6~1 107×10-6和13.8×10-6~22.3×10-6, Nb和Ta 的含量分別為5.40×10-6~11.3×10-6、0.37×10-6~0.69×10-6,Nb/Ta、Y/Nb 值分別介于11.2~16.4、1.98~3.36。在微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖5a),飯鋪巖體樣品顯示了Nb、Ta、Ti 的負(fù)異常,由于本次研究的閃長(zhǎng)巖的源區(qū)為下地殼,其虧損可能是繼承了其源區(qū)基性巖石的特征,即有可能是其源區(qū)巖石在成巖過程中經(jīng)歷了含Ti 礦物金紅石的結(jié)晶分離作用。
圖5 北秦嶺飯鋪巖體的微量元素蛛網(wǎng)圖(a)和稀土元素配分模式圖(b)(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)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)
飯鋪巖體樣品的稀土元素含量總量介于117×10-6~171×10-6之間,(La/Yb)N比值范圍是6.71~18.1,δEu 值介于0.82~0.95,稀土元素配分模式具輕稀土富集、重稀土虧損的特征,未顯示明顯的負(fù)Eu 異常(圖5b)。
飯鋪閃長(zhǎng)巖定年樣品17QL-3-1和17QL-5-2的巖性均為細(xì)粒閃長(zhǎng)巖,采樣位置分別為(33°43′15″N,111°03′20″E)和(33°42′40″N, 111°02′49″E)。從兩件樣品中分選獲得的鋯石數(shù)量均大于300 粒,大部分的鋯石呈無色透明,少量呈淡黃色,部分鋯石晶體發(fā)育裂紋和礦物包裹體。鋯石晶形大部分完好,部分破碎,呈顆粒狀—短柱狀,長(zhǎng)寬比介于1∶1~2∶1,并發(fā)育特征的扇形分帶結(jié)構(gòu)和巖漿振蕩生長(zhǎng)環(huán)帶(圖6),具有明顯的巖漿鋯石特點(diǎn)。
圖6 北秦嶺飯鋪巖體17QL-3-1 和17QL-5-2 的鋯石陰極發(fā)光圖像和年齡諧和圖Fig.6 Cathodoluminescence(CL)images and concordia diagrams of zircon grains from the Fanpu diorite samples
對(duì)樣品17QL-3-1 進(jìn)行了20 個(gè)測(cè)點(diǎn)分析,測(cè)試結(jié)果見表2。其中測(cè)點(diǎn)-02 和測(cè)點(diǎn)-04 的測(cè)試結(jié)果明顯偏離諧和曲線,可能是由于鉛丟失,故在年齡處理時(shí)舍棄。剩余18 個(gè)鋯石測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U 年齡介于437.2~403.4 Ma,Th/U 比值為0.83~1.25,加權(quán)平均年齡為422.1±5.5 Ma(MSWD = 0.6)(圖6)。
表2 北秦嶺飯鋪巖體的鋯石LA-ICP-MS 定年結(jié)果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt
對(duì)樣品17QL-5-2 進(jìn)行了20 個(gè)測(cè)點(diǎn)分析(表2),其中測(cè)點(diǎn)-19 的測(cè)試結(jié)果明顯偏離諧和曲線,在年齡處理舍棄。剩余19 個(gè)鋯石測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U 年齡介于444.4~407.4 Ma,Th/U 比值為0.74~1.29,加權(quán)平均年齡為424.2±5.2 Ma(MSWD = 1.1)(圖6)。
飯鋪巖體兩件樣品的鋯石Lu-Hf 同位素測(cè)試結(jié)果見表3 和圖7。
表3 北秦嶺飯鋪巖體的鋯石Lu-Hf 同位素分析結(jié)果Table 3 Lu-Hf isotope analytical results of zircon grains from the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt
圖7 秦嶺飯鋪巖體鋯石的年齡-εHf(t)圖解(a)、εHf(t)統(tǒng)計(jì)直方圖(b)和TDM2統(tǒng)計(jì)直方圖(c)Fig.7 Age-εHf(t)diagram(a),statistical histogram of εHf(t)(b)and TDM2(c)of the zircons from the Fanpu diorites
樣品17QL-3-1 和17QL-5-2 中37 顆的176Lu/177Hf比值均小于0.002,表明樣品中鋯石在形成以后具有較低的放射性成因Hf 積累。樣品17QL-3-1 中鋯石的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 兩個(gè)集中區(qū)。樣品17QL-5-2 中鋯石的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 個(gè)集中區(qū)。
樣品17QL-3-1中鋯石的TDM2介于1 938~961 Ma,在1 200~1 000 Ma 之間形成峰值區(qū)間,樣品17QL-5-2 中鋯石的TDM2范圍較寬,介于1 593~488 Ma,形成600~400 Ma、1 400~1 000 Ma和1 600~1 400 Ma 等3 個(gè)峰值區(qū)間。
飯鋪巖體QL17-3-1 和QL17-5-2 的巖性為閃長(zhǎng)巖,均具有塊狀構(gòu)造和粒狀結(jié)構(gòu),鋯石陰極發(fā)光圖像發(fā)育巖漿振蕩環(huán)帶,Th/U 比值分別為0.83~1.25 和0.74~1.29,加權(quán)平均年齡分別為422.1±5.5 Ma、424.2±5.2 Ma。這兩個(gè)幾乎一致的年齡代表了巖漿的結(jié)晶年齡,表明飯鋪巖體形成于晚志留世。
飯鋪巖體侵入到張家大莊巖基內(nèi),后者的鋯石U-Pb 年齡為461.5±5.4 Ma(李振強(qiáng)等,2021),這說明飯鋪巖體的鋯石U-Pb 結(jié)果是可靠的。此外,北秦嶺侵入巖中存在和飯鋪巖體形成時(shí)代相近的巖體,如商南花崗巖侵入年齡為435±7 Ma(Dong et al.,2011),灰池子花崗巖侵入年齡425±1 Ma(王濤等,2009),棗園花崗巖侵入年齡423±10 Ma(秦拯緯,2016),土橋崗花崗巖侵入年齡425±6 Ma(劉丙祥,2014),丹鳳花崗巖侵入年齡409±4 Ma(陸松年等,2003)。
所以,上述結(jié)果顯示飯鋪閃長(zhǎng)巖形成于晚志留世,是北秦嶺古生代中性巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物之一。
通常,玄武質(zhì)下地殼部分熔融產(chǎn)生的熔體Mg#值一般不高于40(高山等,2003;Rapp et al.,2003;李承東等,2007),由原生幔源巖漿的Mg#值范圍是65~75(Taylor and McLennan,1995;鄧晉福等,2004)。飯鋪閃長(zhǎng)巖的Mg#值較高,為41.7~57.4,介于前述二者之間,表明飯鋪閃長(zhǎng)巖的源區(qū)有幔源物質(zhì)加入,可能經(jīng)歷了幔源物質(zhì)混合。
閃長(zhǎng)巖樣品17QL-3-1 和17QL-5-2 中鋯石的εHf(t)值分別介于-8.48~7.00 和-2.96~14.45,個(gè)別樣品接近虧損地幔的Hf 同位素演化線,這說明幔源物質(zhì)參與形成了飯鋪巖體。通常認(rèn)為:1)鋯石的Hf 同位素模式年齡與其結(jié)晶年齡相接近,則說明其來自于虧損地幔;2) 鋯石Hf 同位素模式年齡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其結(jié)晶年齡,則表明其巖漿源區(qū)來源于地殼,或者虧損地幔源區(qū)受到了強(qiáng)烈地殼混染作用的影響(吳福元等,2007)。
由于飯鋪巖體形成于晚志留世, 樣品17QL-3-1 和17QL-5-2 中鋯石的TDM2年齡分別介于1 938~961 Ma、1 593~488 Ma,該模式年齡遠(yuǎn)大于其結(jié)晶年齡,說明飯鋪閃長(zhǎng)巖巖漿起源于地殼。而根據(jù)其中最年輕的TDM2為488 Ma,表明存在幔源物質(zhì)的加入。飯鋪閃長(zhǎng)巖的Th/Yb 和La/Nb 分別比值介于1.83~8.58 和2.33~5.96,高于平均地殼的Th/Yb 比值0.8 和La/Nb 比值2.2,同樣表明閃長(zhǎng)巖巖漿經(jīng)歷了幔源物質(zhì)混合。
飯鋪閃長(zhǎng)巖屬鈣堿性巖石系列,其輕稀土富集、重稀土虧損,在微量元素構(gòu)造判別圖解中,樣品落入火山弧花崗巖區(qū)域,表明它形成于島弧構(gòu)造背景(圖8)。飯鋪巖體的微量元素特征明顯區(qū)別于板內(nèi)花崗巖和洋脊型花崗巖,其Nb、Ta 元素的虧損更符合板塊俯沖過程中產(chǎn)生火山弧環(huán)境巖漿巖的特征(Pearce and Norry,1979)。飯鋪閃長(zhǎng)巖還具有較高的Al2O3含量, 介于15.45%~17.65%,也符合消減俯沖帶巖石的高鋁特征(鄧晉福等,2004)。
圖8 秦嶺飯鋪巖體的Y-Nb(a)、Yb-Ta(b)與(Y+Nb)-Rb(c)圖解Fig.8 Y-Nb(a),Yb-Ta(b)and(Y+Nb)-Rb(c)diagrams for the Fanpu diorites from the North Qinling orogenic belt
北秦嶺造山帶在490~460 Ma 發(fā)生過一次弧陸碰撞事件(Wu and Zheng,2013),這期碰撞事件導(dǎo)致商丹洋在早古生代持續(xù)地向北俯沖。飯鋪閃長(zhǎng)巖的MgO 含量和Mg#明顯區(qū)別于產(chǎn)自俯沖大洋板片的熔體,而與玄武質(zhì)巖漿底侵導(dǎo)致下地殼部分熔融所產(chǎn)生的熔體成分類似。飯鋪閃長(zhǎng)巖形成于晚志留世424~422 Ma,與北秦嶺造山帶南部的混合巖化以及高溫麻粒巖相作用同期(高山等,2003;秦拯緯,2016),并可能伴有俯沖板片的回卷(Wu and Zheng,2013),這說明北秦嶺造山帶在450~420 Ma 期間仍然處于商丹洋向北俯沖的構(gòu)造背景之下。在上述背景下,地幔楔起源的玄武質(zhì)巖漿底侵到下地殼底部,使得下地殼巖石發(fā)生部分熔融,并在局部范圍內(nèi)這些玄武質(zhì)巖漿與下地殼部分熔融所產(chǎn)生的花崗質(zhì)巖漿發(fā)生混合作用,形成飯鋪閃長(zhǎng)巖。因此,結(jié)合年代學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù),本文認(rèn)為飯鋪閃長(zhǎng)巖是商丹洋向北俯沖作用下,受到幔源物質(zhì)混合的產(chǎn)物。
綜上所述,獲得以下研究結(jié)論:
(1)鋯石U-Pb 同位素定年結(jié)果顯示,飯鋪閃長(zhǎng)巖形成于晚志留世。
(2)飯鋪閃長(zhǎng)巖具有富硅、堿、鈣和鎂地球化學(xué)組成特征,屬于鈣堿性系列。同位素組成特征暗示,巖漿源區(qū)為下地殼物質(zhì),其經(jīng)歷了幔源物質(zhì)混合作用,可能形成于商丹洋向北俯沖的島弧構(gòu)造環(huán)境。