华北陆块南缘小秦岭地区早白垩世埃达克质花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、Hf同位素和元素地球化学特征

高昕宇, 赵太平, 高剑峰, 薛良伟, 原振雷

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所 矿物学与成矿学重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院 研究生院, 北京100049; 3. 香港大学 地球科学系, 香港 999077; 4. 河南省 国土资源科学研究院, 河南 郑州 450053)

0 引 言

华北陆块南缘是华北克拉通结晶基底的重要组成部分, 自中生代开始, 该区卷入秦岭造山带的地质演化过程[1–4], 随着三叠纪华北与扬子大陆板块对接后的地壳缩短, 以及其后白垩纪岩石圈伸展拉张减薄[5–8], 发育了晚中生代以中酸性岩浆为主的大规模岩浆侵位事件[9–10]。华北陆块南缘的小秦岭、熊耳山、外方山地区发育全球最大的栾川-洛南斑岩-夕卡岩型钼矿带和规模仅次于胶东金矿集区的小秦岭大型金矿集区[11], 以及众多中小型Pb-Zn-Ag矿床[12]。以往对华北陆块南缘地质演化的研究主要围绕金属矿床的成矿时代、物质和流体来源等问题[13–16],从成矿响应的角度探讨构造演化规律, 而对华北陆块南缘岩浆作用、岩石圈增厚、减薄以及壳-幔相互作用规律等问题的研究相对较少。岩浆作用, 尤其是对岩浆岩侵位时代、岩石成因、物质来源的研究是认识克拉通岩石圈增厚、减薄时空分布、壳幔作用及浅部地质响应的重要途径。因此, 对华北陆块南缘的中酸性岩体的形成机制的研究, 对于认识这个地区中生代岩石圈演化有非常重要的意义。

位于华北陆块南缘的小秦岭地区是我国重要的黄金产地, 燕山期花岗岩浆活动频繁, 是研究中生代岩浆作用和岩石圈构造演化的重要地区之一。小秦岭地区发育的中生代花岗岩岩体自西向东依次主要有老牛山岩体、华山岩体、文峪岩体和娘娘山岩体, 主要岩石类型均为二长花岗岩。过去对小秦岭地区中生代花岗岩的研究主要是在研究小秦岭金矿过程中做过一些基础的岩石学和年代学工作, 详细的地球化学和岩石成因探讨很有限[17–20]。开展花岗岩的研究不仅可以揭示地壳源区组成、岩石成因,而且有助于恢复区域构造演化历史。本文拟利用最新获得的岩石学和地球化学数据, 讨论小秦岭地区文峪和娘娘山两个岩体的成因和构造背景, 并在此基础上讨论它对整个华北陆块南缘中生代岩浆作用研究的意义。

1 区域地质概况及岩石学特征

小秦岭位于华北陆块南缘, 秦岭造山带北缘,小秦岭-熊耳山地块中西部, 其范围西起陕西省华山,东至河南省灵宝-朱阳盆地西北边缘, 其南北两侧分别被近东西向的太要-故县断裂带和巡马道-小河断裂带所围限[21](图 1)。出露的地层主要为太古宇-古元古界太华群变质岩系。区内花岗岩浆活动频繁,老的花岗岩主要是前寒武纪吕梁期的桂家峪二长花岗岩体和晋宁期的小河二长花岗岩体, 燕山期花岗岩浆活动最为强烈, 地理位置上由西向东分布有老牛山、华山、文峪和娘娘山花岗岩体, 出露面积依次变小, 岩性以黑云二长花岗岩和黑云母花岗岩为主。此外, 小秦岭地区还广泛发育中基性岩墙, 多呈脉状、小岩株、岩枝形态产出, 侵位于太古宇-古元古界太华群或中生代花岗岩体中, 主要岩石类型有辉绿岩、辉长辉绿岩及煌斑岩等[23–25]。

文峪岩体总体形态呈椭圆形, 长轴方向近东西向, 出露面积约 71 km2, 侵入太华群地层中, 接触面平直, 局部呈港湾状, 外倾, 倾角较陡, 为50°～70°, 沿接触带部分区段岩体发育细粒冷凝边。岩体可分为 5期侵入体, 第 1期侵入体为岩脉状产出, 出露面积较小, 位于岩体的南部, 主要岩性为细粒黑云斜长花岗岩。第2～4期侵入体为文峪岩体的3个主要岩相带, 3个期次呈环状分布。其中第2期侵入体为边缘相, 分布在岩体的外围, 岩性主要为粗-中粒含斑黑云母二长花岗岩; 第3期侵入体为过渡相, 岩性主要为中粒似斑状黑云母二长花岗岩。第4期侵入体为顶部相, 分布在岩体的中心, 岩性主要为中-细粒含斑黑云母二长花岗岩。第5期侵入体为岩脉状产出, 出露面积较小, 位于岩体东部,岩性主要为细-中粒二长花岗岩。

图1 文峪和娘娘山花岗岩体地质简图(底图据文献[22])Fig.1 Simplified geological map of the Wenyu and Niangniangshan granites (after reference [22])

娘娘山岩体平面形态近圆形, 南北略长, 面积约 33 km2。与围岩呈侵入接触关系, 接触面多外倾,少部分为内倾, 倾角30°～50°。岩体由 3期岩浆侵入形成, 其中第1～2期侵入体为岩体的主要组成部分。第 1期侵入体主要岩性为似斑状中粒黑云母二长花岗岩; 第2期侵入体岩性主要为细中粒含斑黑云母二长花岗岩, 位于岩体中部。第3期侵入体岩性主要为细粒二长花岗岩, 呈条带状侵入于岩体南部。从各个期次的分布特征来看, 岩体的主要岩相带从周边向中心, 从早到晚, 表现出同心环带状产出, 具有规律的时空演化关系, 即从早期侵入体到晚期侵入体, 分别构成了一个较为完整的岩浆演化序列。

两个岩体具有相似的岩石组成, 主要岩性为似斑状(含斑)黑云母二长花岗岩, 主要矿物为钾长石(25%～35%)、斜长石(30%～40%)、石英(25%～30%)、黑云母(3%～5%)。副矿物组合以锆石、磷灰石、磁铁矿和榍石为主。岩石为块状构造, 花岗结构、似斑状结构。斑晶为钾长石, 钾长石主要为条纹长石和微斜长石, 自形-半自形板状, 具卡斯巴双晶及环带结构。斜长石主要为更长石, 自形-半自形板状,聚片双晶和环带结构发育。石英为他形粒状, 具波状消光。黑云母多呈褐色细小片状, 少量黑云母被绿泥石、绿帘石交代置换。

2 样品及分析方法

主元素和微量元素测试在香港大学地球科学系进行。主元素用X射线荧光光谱法(XRF)测试, 测试仪器为Philips PW 2400光谱仪。将约1 g岩石粉末样品与四硼酸锂按1∶7的比例混合后, 在约1300 ℃的温度下, 于铂金坩埚中熔融制成玻璃片, 然后用XRF方法测定氧化物含量。主要氧化物的分析误差一般小于2%。微量元素及稀土元素用ICP-MS测试,所用质谱仪为Thermo Plasma-Quad Excell ICP-MS。将样品粉末(约0.05 g)与HF和HNO3溶液混合后置于高压钢套中放在烘箱中于190 ℃下充分溶解。详细溶样和分析流程见文献[26]。在质谱分析过程中用Rh元素作为内标来校正仪器漂移[26], 实验室标样BHVO-2(玄武岩)、G-1(花岗岩)和 GSR-1(花岗岩)作为参考标准, 分析精度优于5%。

锆石U-Pb及Hf同位素定年分析在中国科学院地质与地球物理研究所完成。U-Pb用 Agilent公司的 7500a型 ICP-MS测试, Lu-Hf同位素测试用Thermo 公司制造的 Neptune型多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)完成, 加载德国 Lamda Physik 公司制造的Geolas193nm准分子激光取样系统。激光束直径为60 μm, 剥蚀频率为8 Hz, 能量密度为15～20 J/cm2, 剥蚀时间约60 s。详细的分析程序见Wu et al.[27]和谢烈文等[28]。锆石U-Pb同位素数据处理使用Glitter 4.0软件[29]、根据文献[30]进行普通铅校正后, U-Pb谐和线图和加权平均年龄的计算及绘图用Isoplot 3.0软件[31]完成。数据标准化根据179Hf/177Hf = 0.7325, 质量歧视校正用指数法则进行,Yb和Lu的干扰校正取176Lu/175Lu = 0.02655和176Yb/172Yb = 0.5887[32], 而Yb分馏校正则根据172Yb/173Yb =1.35272用指数法则进行[27]。

3 形成时代

本文分别对文峪岩体和娘娘山岩体进行LA-ICP-MS锆石 U-Pb定年, 样品分别为粗粒黑云母 二 长 花 岗 岩 (WY-15, 地 理 坐 标 34°29′47.5″N,110°28′14.3″E)、中粗粒黑云母二长花岗岩(NN-18,地理坐标 34°28′43.9″N, 110°45′40.8″E), 两样品分别采自文峪岩体第2期侵入体和娘娘山岩体第2期侵入体。在样品分析过程中尽量选择生长环带明显、无包裹体和裂纹的锆石晶体, 或者避开锆石颗粒中的裂纹和包裹体。对文峪和娘娘山花岗岩体的两件锆石样品分别进行了20和25个测点的LA-ICP-MS锆石 U-Pb定年分析, 数据结果见表1和图2。

文峪和娘娘山花岗岩体均含有大量继承锆石,锆石 U-Pb年龄主要集中于两个年龄范围(图 2), 老的年龄集中在 4个期次, 晚三叠世到早侏罗世(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), 为继承锆石;新的年龄集中在晚侏罗世至早白垩世, 为岩浆锆石,这些岩浆锆石在年龄谐和图(图2b和2d)上有部分数据点偏离谐和线, 所以利用测点的加权平均年龄反映岩体的形成时代。文峪花岗岩锆石有 7个测点的206Pb/238U 年龄数据范围是 125～145 Ma, 得到加权平均年龄为(135±7) Ma (MSWD = 6.6), 代表文峪岩体形成年龄时间为早白垩世早期。娘娘山花岗岩锆石有13个测点的年龄数据范围是129～160 Ma, 除谐和度非常低, 偏离谐和线较大的年龄160 Ma之外, 12个测点的加权平均年龄为(139±4) Ma (MSWD = 5.1), 代表娘娘山岩体的形成时间也为早白垩世早期。文峪和娘娘山两个岩体岩浆锆石和继承锆石年龄接近, 说明为同一期构造-热事件的产物。

表1 小秦岭文峪和娘娘山花岗岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb测试结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data for the Wenyu and Niangniangshan granites in the Xiaoqinling region

图2 文峪和娘娘山花岗岩体锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图Fig.2 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordant diagrams for the Wenyu and Niangniangshan granites

4 岩石地球化学特征

4.1 主元素

本研究用于地球化学分析的样品分别采自文峪岩体的第2期、第3期和第5期侵入体和娘娘山岩体的第2期侵入体, 样品的主元素分析结果列于表2。

两个岩体具有相似的主元素组成特征, 它们都表现为高硅(SiO2= 64.80%～73.30%)、高铝(Al2O3=14.24% ～19.21%)、低镁(MgO = 0.21%～0.73%)的特点。Mg#[Mg2+/( Mg2++FeT)×100, FeOT为 Fe2+]值较低, 介于 27.6～39.0之间。岩体碱含量较高, Na2O和K2O分别为3.89%～5.12%和2.57%～5.13%, Na2O/K2O为 0.82～1.99。在 K2O-SiO2图解中(图 3), 样品大部分落入高钾钙碱性系列, 文峪岩体的个别样品落入钾玄岩系列区域。两个岩体的 ACNK (Al2O3/(CaO+Na2O+K2O), 摩尔比) = 0.93～1.24, 其中娘娘山花岗岩样品的 ACNK值普遍小于 1.1, 较文峪花岗岩样品偏低, 且文峪岩体第2期侵入体到第5期侵入体ACNK值呈上升趋势。在ANK-ACNK图解(图4)中, 娘娘山岩体均为准铝质-弱过铝质花岗岩, 文峪岩体第2期侵入体属于准铝质-弱过铝质花岗岩, 第3期和第5期侵入体属于强过铝质花岗岩, 表明文峪岩体的源岩相对娘娘山岩体有更多成熟度较高的地壳物质加入[35]。两个岩体的主元素与 SiO2均显示出较好的线性关系,Al2O3、P2O5与SiO2呈明显的负相关关系(图3)。

4.2 微量元素

文峪和娘娘山花岗岩体的全岩微量元素和稀土元素分析数据见表2, REE分布模式图及微量元素蛛网图见图5。

表2 文峪和娘娘山花岗岩体主元素(%)、微量元素及稀土元素(μg/g)分析结果Table 2 Major (%), trace and rare earth (μg/g) element concentrations of the Wenyu and Niangniangshan granites

(续表 2)

(续表 2)

图3 文峪和娘娘山花岗岩体的哈克图解Fig.3 Harker diagrams for Wenyu and Niangniangshan granites

图4 文峪和娘娘山花岗岩体ANK-ACNK图解(图例同图3)Fig.4 ANK-ACNK diagram of Wenyu and Niangniangshan granites(symbols are the same as those in Fig.3)

两个岩体均含有较低的稀土元素含量(56.8～201 μg/g)。其中文峪岩体第2期和第3期侵入体稀土含量相对较高, 介于 68.2～201 μg/g之间, 平均 150 μg/g。而第5期侵入体稀土含量最低, 介于56.8～93.8 μg/g之间, 平均 76.8 μg/g, 在文峪岩体的稀土元素分布模式图(图5a)上, 与第2期和第3期侵入体有明显的区分。娘娘山岩体稀土总量介于98.9～143 μg/g之间, 平均126 μg/g。在球粒陨石标准化稀土分布模式图(图5a和5b)上, 两个岩体各期次样品曲线平滑右倾, 均为轻稀土富集、重稀土亏损, 轻重稀土强烈分异(∑LREE/∑HREE = 13.7～21.8, (La/Yb)N= 16.9 ～31.2)。其中文峪岩体第 2期和第 3期侵入体的∑LREE/∑HREE比值与娘娘山岩体相似, 介于13.7～18.9之间, 平均 16.2; 文峪岩体第 5期侵入体∑LREE/∑HREE = 15.5～21.8, 平均 18.3, 较其他期次高。两个岩体δEu = 0.63～1.27, 平均0.79, 总体表现为弱负Eu至Eu正异常。其中文峪岩体第2期和第 3期侵入体的 δEu值与娘娘山岩体接近, 介于0.65～1.27之间, 平均 0.82; 文峪岩体第 5期侵入体有更低的 δEu 值(0.63～0.70)。

两个岩体的微量元素组成基本一致, 都富集Ba、Sr、Rb、U等大离子亲石元素, 相对亏损Nb、Ta、P、Ti, 具有较高的 Nb/Ta比值(13.9～23.6)。Sr含量变化于 236～1029 μg/g 之间, 平均 636 μg/g, 且文峪岩体由第2期侵入体到第5期侵入体Sr含量明显呈降低趋势(图6)。两岩体Y和Yb含量分别变化于 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)较高。在Sr-Yb图(图6)中, 文峪岩体第2期和第3期侵入体及娘娘山岩体样品点均投影于张旗等[36]归纳出的高Sr低Yb花岗岩区域, 而文峪第5期侵入体样品均落于低 Sr低 Yb花岗岩区域。文峪岩体 Rb含量较娘娘山岩体明显偏高(图5), 尤其第5期侵入体Rb含量明显高于其他期次。除文峪岩体第5期侵入体外, 两岩体 Rb/Sr比值为 0.05～0.36, 平均 0.17,文峪岩体第 5期侵入体 Rb/Sr比值为 0.50～0.87, 平均 0.64, 明显高于其他各期次, 且高于中国东部上地壳平均值(0.31[37])和全球上地壳平均值(0.32[38]),反映其源区为成熟度较高的地壳物质, 与娘娘山岩体及文峪其他期次源区组成有差异, Rb/Sr比值的显著较高, 进一步支持了分异作用的存在。从Ba和Sr的富集、Eu弱负异常、Nb、Ta和重稀土元素的亏损分析, 除文峪岩体演化晚期的第 5期侵入体外,文峪和娘娘山花岗岩岩浆演化过程中基本无斜长石结晶分异作用, 源区残留石榴子石[39]。

图5 文峪和娘娘山花岗岩体球粒陨石标准化REE配分模式图及原始地幔标准化微量元素蛛网图Fig.5 Chondrite-normalized REE and PM-normalized incompatible element patterns of Wenyu and Niangniangshan granites

图6 花岗岩Sr-Yb分类图(底图据文献[36], 样品符号同图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同位素地球化学特征

笔者选取已测年的WY-15和NN-18样品进行了锆石原位 Hf同位素分析(表 3)。分析结果显示, 大部分锆石的176Lu/177Hf比值小于0.002, 说明锆石在形成后具有较小的放射性成因Hf的积累。不同时期的继承锆石和新生锆石具有明显不同的 Hf同位素组成, 继承锆石的176Hf/177Hf比值分布于0.281288～0.282053 之间, 对应的 εHf(t)值较高, 变化于–28.56～7.62之间(表3, 图7); Hf模式年龄(tDM2)集中在2157～3124 Ma之间。

岩浆锆石176Hf/177Hf比值分布于 0.281850～0.282463之间, 对应的 εHf(t)值均为负值, 变化范围为–29.74～ –8.08(表 3, 图 7)。其中文峪花岗岩 εHf(t)值为–19.92～ –12.25; 娘娘山花岗岩除一个点的 εHf(t)值较高为–8.08外, 其他点介于–29.74～ –20.18之间,较文峪花岗岩低; Hf模式年龄(tDM2)集中在 1699～3057 Ma之间(图7), 其中文峪花岗岩tDM2变化范围为1961～2442 Ma, 娘娘山花岗岩的tDM2除一个点为1699 Ma外, 其他点的变化于 2460～3057 Ma之间,较文峪花岗岩的模式年龄老。

表3 文峪和娘娘山花岗岩体LA-MC-ICP-MS锆石Hf同位素原位分析测试结果Table 3 LA-MC-ICP-MS zircon Hf isotopic compositions of the Wenyu and Niangniangshan granites

图7 文峪和娘娘山花岗岩体锆石Hf同位素组成及εHf(t)-t图解Fig.7 Zircon Hf isotopic compositions and plots of εHf(t) vs. age for the Wenyu and Niangniangshan granites

两个岩体的岩浆锆石均显示了很大的εHf(t)变化范围, 文峪岩体 εHf(t)值变化于–19.92～ –12.25 之间,变化幅度达8个εHf单位, 娘娘山岩体εHf(t)值主要变化于–29.74～ –20.18 之间, 变化幅度达 9 个 εHf单位,如此大的变化, 表明岩浆形成过程应为一个开放的系统[44–45], 岩浆源区组成较为复杂。

6 讨 论

6.1 岩石成因

文峪和娘娘山花岗岩体的岩性都为黑云母二长花岗岩, 其暗色矿物为黑云母, 不含白云母, 出现磁铁矿、榍石等副矿物。两岩体均属于具有高硅(SiO2= 64.80%～73.30%)、高铝(Al2O3= 14.24% ～19.21%)、富碱(K2O + Na2O = 7.66%～9.37%)、低镁(MgO = 0.21%～0.73%)特征的高钾钙碱性、准铝至过铝质花岗岩(ACNK = 0.93～1.24)。两者主微量元素地球化学特征相似, 在 P2O5随 SiO2变化的图解(图 4)上, 两个岩体的 P2O5与 SiO2含量均呈负相关关系,总体沿I型演化趋势分布[46]。

如前所述, 文峪和娘娘山岩体表现出亏损 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), 在原始地幔蛛网图上表现出 Sr 的正异常, 岩石的(La/Yb)N比值介于 16.9 ～ 31.2之间,Sr/Y比值介于23.2～161之间, 其中文峪第5期侵入体介于 23.2～37.5之间, 两岩体其他期次介于38.5～161之间。除文峪第 5期侵入体 Eu负异常值(0.63～0.70)较大外, 两岩体其他期次具有微弱的负的或正的Eu异常值(0.64～1.27, 平均0.82)。上述特征类似于埃达克岩[47–48]的地球化学特征, 在 Sr/Y-Y的熔融曲线图(图 8a)中, 样品投点大多数落在榴辉岩和石榴子石角闪岩演化线附近, 说明两个花岗岩体与石榴子石处于平衡, 且大部分样品点均落入加厚下地壳熔融形成的埃达克岩范围内, 具有深源的特点。在(La/Yb)N-YbN图(图8b)中, 文峪和娘娘山花岗岩体的数据也大体位于 10%石榴子石角闪岩部分熔融演化线附近, 处于加厚下地壳熔融形成的埃达克质岩分布区内。文峪和娘娘山岩体的地球化学特征显示, 它们富 SiO2、贫 MgO, 与高场强元素相比富集大离子亲石元素(如 Rb、Ba、Sr), 重稀土元素亏损。石榴子石是导致花岗岩轻重稀土元素强烈分异的最重要的矿物相[50], 文峪和娘娘山花岗岩体具有低的 HREE、Y、Yb的含量, 表明源区有石榴子石存在。岩石低的 Yb/Lu (5.63～7.13)和 Dy/Yb (1.16～2.54)比值也表明其源区残留大量角闪石[51]。两岩体除文峪岩体第5期侵入体外均富Al和Sr, 有微弱的负的或正的Eu异常, 说明岩浆部分熔融时斜长石大量分解因而在源区残留体中少有斜长石存在, 源岩为榴辉岩或麻粒岩; 而文峪岩体第5期侵入体Al含量更高, Sr含量相对较低, 有弱负Eu异常, 说明残留相中有斜长石存在。结合熔融曲线和岩体地球化学特征推测残留相主要以石榴子石、角闪石、辉石为主, 文峪岩体第 5期侵入体残留相还包括少量斜长石。石榴子石稳定出现的压力至少大于 0.8～1.0 GPa, 通常大于 1.5 GPa[39], 因此文峪和娘娘山岩体主要侵入体的岩浆部分熔融压力大于1.5 GPa, 相应的深度至少大于40 km, 而文峪岩体晚期的第5期侵入体形成压力较低, 为中等压力下形成, 形成深度相对较浅, 说明此时地壳厚度较早期侵入体形成时期明显减薄。

文峪和娘娘山都具有多阶段多期次侵入的特点,且各期次侵入体的岩石学和地球化学特征有所差别,即晚期侵入体比早期侵入体含有更高的 ACNK值,低的稀土元素总量、Sr含量和Sr/Y比值, 高的负Eu异常值和Rb/Sr比值。这些地球化学特征的演变, 反映了第 5期侵入体形成压力较低, 形成深度相对变浅, 且源岩含有更多成熟度较高的地壳物质。传统观点认为这种大型花岗岩体是由单一的花岗质岩浆房经过缓慢冷却、岩浆结晶分异作用形成的[52]。但是地球物理研究表明, 即使在活动型大陆边缘的岛弧地壳之下也不存在大规模的熔融区域[53–54], 同时热力学研究表明, 一个大的花岗质岩浆房在数十万年内, 其温度就可以降至锆石 U-Pb体系和角闪石K-Ar体系的封闭温度之下[55], 因此一般的花岗质岩浆房在数十万年内其温度就可以降至其液相线温度以下[56]。前人大量的研究表明, 一些大的花岗岩体并不是由单一的岩浆房经过缓慢的冷却和结晶分异作用形成的, 而是由不同批次、不同来源的花岗质岩浆在一定地质阶段内经过复杂的汇聚作用形成的,岩体各期次侵入体的岩石学及地球化学演变趋势是由于岩石的源区物质和熔融程度、温度压力等部分熔融条件不同所导致的[56–62]。因此, 笔者认为文峪岩体侵入期次从早到晚的地球化学特征变化并不是由岩浆结晶分异作用形成的, 而是部分熔融程度不同, 及各期次形成的源区环境由石榴子石相平衡向斜长石相平衡的转变, 即地壳由厚变薄, 岩浆房逐渐向浅部迁移, 源区物质发生变化, 后期有更多成熟度高的地壳物质熔融导致的。

6.2 物质来源

近年来, 对华北克拉通基底岩石高质量的锆石U-Pb定年结果证明, 其最重要的年龄组是 2.4～2.5 Ga, 其比例大大高于其他年龄组, 同时还有 1.7～1.9 Ga 和 2.0～2.2 Ga 的年龄存在[63–65]。继承锆石是示踪岩浆源区性质的有效指示剂[66]。文峪和娘娘山花岗岩中的继承锆石主要由古元古代年龄组成(图9, 表3):1732～1828 Ma、2045 Ma、2253 Ma、2370～2508 Ma(文峪岩体); 1760～1865 Ma、2480 Ma(娘娘山岩体), 这与华北克拉通基底的形成时代相吻合, 反映了岩浆源区为华北克拉通结晶基底。

图8 文峪和娘娘山花岗岩体Sr/Y-Y (a)和(La/Yb)N-YbN (b)图(据文献[49], 样品符号同图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)

图9 文峪和娘娘山花岗岩体中继承锆石年龄组成Fig.9 Ages of inherit zircon in Wenyu and Niangniangshan granites

文峪和娘娘山岩体低的 εHf(t)值和古老的 Hf模式年龄, 以及岩体中古元古代继承锆石的存在, 表明其岩浆源区应为古老的下地壳物质。不同的锆石组分, 记录了不同的岩浆源区性质。文峪岩体中637 Ma继承锆石显示了较低的 Hf同位素比值(εHf(t) =–22.68; 图7, 表3), 结合其古老的两阶段Hf模式年龄 (2986 Ma), 表明形成它们的初始物质主要来源于新元古代陆壳; 1732～1828 Ma的继承锆石的εHf(t)值为–11.64～ –1.92, 其两阶段模式年龄为2600～3124 Ma, 表明形成它们的初始物质主要来源于新太古代陆壳; 2045～2508 Ma的继承锆石的 εHf(t)值为–4.87～7.62, 具有正的 εHf(t)值, 两阶段模式年龄为2455～2958 Ma, 在图7中部分投影点位于球粒陨石演化线之上, 表明它们的源区存在有相当比例的来自亏损地幔的物质, 同时新太古代陆壳物质的贡献也很明显。娘娘山岩体中201～783 Ma的继承锆石具有较低的 εHf(t)值(–28.56～ –16.66)及新太古代的两阶段Hf模式年龄(2721～3073 Ma), 反映这些继承锆石主要来源于新太古代陆壳物质; 1760～1865 Ma的继承锆石的 εHf(t)值为–8.53～4.85, 两阶段模式年龄为2157～2964 Ma, 表明它们来源于古元古代和新太古代陆壳物质, 且陆壳形成时有幔源物质的参与; 样品 NN-18-08点(2480 Ma)的 εHf(t)值为 3.44, tDM2为2773 Ma, 也反映新太古代陆壳形成时有幔源物质的参与。文峪岩体的中生代新生岩浆锆石的εHf(t)值为–19.86～ –12.25, 两阶段 Hf模式年龄为 1961～2442 Ma, 也反映初始物质来源于古元古代陆壳物质。而娘娘山岩体的中生代新生岩浆锆石的εHf(t)值比文峪岩体低, 除一个点为–8.08外, 其余点介于–29.74～–20.18之间, 两阶段 Hf模式年龄除一个点为 1699 Ma外, 其余点主要集中于 2460～3057 Ma, 表明岩体源区与文峪岩体有差别, 主要来源于新太古代陆壳物质。以上表明, 两个岩体中新生锆石和继承锆石的初始物质主要来源于古元古代和新太古代陆壳,这与华北克拉通主体形成于太古宙, 并以 2.40～2.50 Ga为主, 部分地区经历了古元古代的高级变质作用相一致[63–65]。

小秦岭地区的基底岩石为太华群(杂岩)。由于本区太华群形成后遭受了多次构造-热事件的叠加改造, 岩石变形强烈、变质程度较高、混合岩化强烈、地层对比较为困难, 多数学者将其作为新太古代的深变质岩系[20,67,68], 且一些学者得到太华群(杂岩)的同位素年龄大于2.5 Ga[69–72]。现有的研究资料表明[73–76], 太华群(杂岩)主要由两部分组成: 下部(太华下亚群)为基性火山岩建造, 以 TTG长英质片麻岩为主, 形成时代为新太古代; 上部(太华上亚群)为高级变质岩系, 形成时代为古元古代, 两者在原岩建造、岩石组合、岩浆活动、变质变形及地球化学特征上存在着较大差异。丁莲芳[77]也在太华群表壳岩系中发现藻类化石, 将太华群上部划归古元古界, 下部为新太古界。两部分的时限与本次测试得到的娘娘山和文峪花岗岩分别为古元古代和新太古代的两阶段模式年龄一致。

6.3 构造环境

图10 文峪和娘娘山花岗岩主微量元素与SiO2图解(据文献[51,100,101], 样品符号同图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)

秦岭造山带是华北和扬子两大板块于中生代初期(245～235 Ma)全面碰撞而最终闭合的, 并成为中国大陆统一拼合的主要结合带[78]。碰撞阶段早期发生陆内俯冲, 岩石圈强烈挤压缩短增厚, 在华北陆块南缘形成自北而南逆冲推覆的洛南-栾川逆冲推覆构造系[79], 小秦岭地区在区域挤压构造体制下形成太华推覆体[79–80]。直至中侏罗世晚期, 两者的全面拼合过程完成[78]。至中侏罗世-早白垩世(约 163～136 Ma), 区域构造体制发生转换[81–83], 碰撞后强烈增厚的地壳开始趋于伸展减薄。岩石圈减薄可能开始于145 Ma[15,84,85]。文峪和娘娘山岩体的形成年龄正对应于中侏罗世至早白垩世由挤压增厚向伸展减薄转换的阶段。岩石圈减薄可以使地壳岩石因减压而熔融[86–87], 此外还需要深部地幔物质或热源的供给, 才能形成大规模的岩浆活动[87–88]。关于深部热源促使加厚的下地壳物质熔融的机制, 近年来的研究表明主要有以下两种: 底侵的玄武岩或加厚下地壳(大于 40 km)基性岩石的部分熔融[89–95]和拆沉作用引起的下地壳玄武质岩石的部分熔融[96–98]。由于幔源岩浆底侵作用是岩浆从地壳底部直接向上运移的, 不与地幔橄榄岩发生交代, 不会引起MgO含量和 Mg#值的升高[99]。而拆沉的榴辉岩板片进入软流圈地幔后被加热, 经部分熔融作用形成花岗质岩浆,由于岩浆在上升途中必然要经过因上涌而覆盖在拆沉榴辉岩板片之上的地幔软流圈并与地幔橄榄岩发生混合, 会导致其MgO含量和Mg#值的增高[99]。文峪和娘娘山两个岩体具有较低的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与 SiO2图解(图 10)中, 花岗岩体的成分点主要落入增厚下地壳熔融形成的埃达克质岩区域内, 与拆沉下地壳熔融形成的埃达克质岩差别较大。因此,小秦岭地区的花岗岩体主要是幔源岩浆底侵促使下地壳部分熔融而形成的。

华北陆块南缘有若干同文峪和娘娘山岩体地球化学特征相似, 具有高Sr/Y比值和亏损重稀土元素特征的埃达克质花岗岩岩侵位, 其锆石U-Pb年龄介于 150～130 Ma之间[13,102–104], 这些花岗岩体被认为是增厚的玄武质下地壳部分熔融的产物, 但此时的构造环境已经不是挤压体制。文峪和娘娘山岩体侵位年龄为135～139 Ma, 属于富钾的钙碱性二长花岗岩类, 形成于造山带造山作用结束后大陆板块从挤压向伸展转换的构造环境, 标志着厚的地壳伸展减薄的开始。根据成因分析, 文峪岩体晚期侵入的第5期侵入体为过铝质的高钾钙碱性花岗岩, 部分熔融深度较其他期次侵入体浅, 形成于厚的地壳向正常地壳厚度过渡或转变的环境。虽然没有第5期侵入体岩体的侵位年龄, 无法确定这一过渡或转变时期的具体时间, 但近期研究[104]发现位于华北陆块南缘的外方山地区合峪岩体具有与文峪岩体第 5期侵入体相似的低Sr低Y的地球化学特征, 被认为形成于中等压力下, 其侵位年龄为(148.2±2.5)～(135.3±4.9) Ma, 与文峪岩体年龄((135±7) Ma)相近, 因此认为由产生高Sr低Y的加厚的下地壳到产生低Sr低Y的加厚地壳向正常地壳过渡环境的转变发生在很短的时间内。

此外, 小秦岭地区普遍发育各种中生代岩脉,岩脉主要为辉绿岩类及少量的煌斑岩类, 锆石测年结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], 其中古老的年龄与文峪和娘娘山岩体中继承锆石年龄具有较好的对应。其早白垩世锆石年龄和部分岩脉侵入到文峪和娘娘山岩体中的地质接触关系表明, 岩脉是在早白垩世晚期, 在地壳伸展拉张的构造背景下侵位于古老结晶基底和花岗岩构造薄弱部位而形成的, 代表此时地壳已经强烈伸展减薄[87–88]。

从文峪和娘娘山岩体早期侵入体到晚期侵入体,再到辉绿岩和煌斑岩脉的侵入, 反映了花岗岩浆活动的源区或岩浆房逐渐向浅部迁移, 岩浆源区由壳源向幔源演化, 及地壳从挤压加厚向伸展减薄转换的过程。这一地壳演化过程时限(139～127 Ma)与小秦岭变质核杂岩内糜棱状岩石及拆离伸展活动的时限为(135～123 Ma)[23,105]基本一致。前人通过构造、变形机制和热力学分析, 认为这些岩浆的侵位是伸展构造的起因之一, 即地壳增厚和岩浆上涌导致地壳的拉伸, 进而导致伸展构造的发生[106], 文峪和娘娘山岩体是属于小秦岭变质核杂岩的重要组成部分。

7 结 论

(1) 锆石定年结果显示文峪和娘娘山黑云母二长花岗岩体形成时间分别为(135±7) Ma和(139±4) Ma,两个岩体是同一期构造-热事件的产物。

(2) 文峪和娘娘山花岗岩属于具有高硅、高铝、富碱、低镁特征的高钾钙碱性、准铝至过铝质花岗岩, 富集轻稀土, 亏损重稀土、Y、Yb。除文峪岩体第 5期侵入体外, 两个岩体均具有弱 Eu负异常到Eu正异常, 富集Sr、Ba, 属于高Sr低Yb的埃达克质花岗岩, 源区残留石榴子石而无斜长石残留, 形成于压力较高的加厚下地壳。文峪晚期侵入的第 5期侵入体具明显的Eu负异常, 中等的Sr含量, 表明源区除石榴子石外有斜长石残留, 形成于加厚地壳向正常地壳减薄的环境。

(3) 锆石Hf同位素数据显示两个岩体新生锆石和继承锆石均来源于古元古代和新太古代地壳物质。其中文峪岩体物质来源以古元古代陆壳物质为主, 娘娘山岩体物质来源以新太古代陆壳为主。与太华杂岩解体的古元古代和新太古代两个部分时限相一致, 也与华北克拉通主要的地壳增长历史基本一致。

(4) 结合两岩体地球化学特征和区域地质演化历史, 认为文峪和娘娘山岩体形成于幔源岩浆底侵加热, 促使下地壳部分熔融。从早期侵入体到晚期侵入体, 反映了花岗岩岩浆活动的源区或岩浆房逐渐向浅部迁移, 构造环境挤压加厚向伸展减薄转换的过程。

徐勇航博士和陈伟博士在野外样品采集过程中给予了帮助; 两位审稿专家提出了宝贵的修改意见和建议, 在此谨表谢忱。

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