北秦岭地体秦岭岩群(杂岩)中伟晶岩脉内蜕晶质化锆石的成因

裴小利,时 毓, 2,梁 斌,刘希军, 2,丁海红,朱昱桦

(1.桂林理工大学 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541004;2.南京大学 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室,南京 210093;3.江苏省有色金属华东地质勘查局,南京 210007)

北秦岭地体秦岭岩群(杂岩)中伟晶岩脉内蜕晶质化锆石的成因

裴小利1,时 毓1, 2,梁 斌1,刘希军1, 2,丁海红3,朱昱桦1

(1.桂林理工大学 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541004;2.南京大学 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室,南京 210093;3.江苏省有色金属华东地质勘查局,南京 210007)

对北秦岭地体秦岭岩群(杂岩)中的伟晶岩脉内的锆石进行了阴极发光和U-Pb年代学研究。结果表明： 由于伟晶岩中的(蛤质)锆石发生蜕晶化作用或重结晶作用, U-Th体系发生了改变, 其锆石阴极发光图像呈黑色, 无明显环带; 对4条伟晶岩脉中的蜕晶质化锆石进行的LA-ICP-MS定年显示, 由于受蜕晶质化(蛤质)锆石内部Pb元素丢失的影响, 其年龄多较为分散, 可信度不高。 只有1个样品(QL1434-1)显示了较好的谐和性,指示该伟晶岩脉的形成年龄约为380 Ma,归于晚古生代早期。

蜕晶质化;伟晶岩;锆石U-Pb年代学;秦岭岩群(杂岩);秦岭造山带

0 引 言

秦岭造山带呈东西向横亘于中国大陆中部,是华北克拉通与扬子克拉通之间的碰撞汇聚带,在整个东亚中部构造格局中占有重要地位。根据其地质特征及关系,秦岭造山带可分为北秦岭和南秦岭。通常,北秦岭被认为是华北南缘或独立微陆块的一部分,而南秦岭被认为是扬子北缘的组成部分。南、北秦岭被商南-丹凤缝合带所隔开,该缝合带也是华北克拉通与扬子克拉通的主缝合带,以丹凤蛇绿岩为标志[1-5]。

秦岭造山带经历了复杂的多阶段构造演化, 从新元古代到中生代, 经历了晋宁运动、 加里东运动、 印支运动和燕山运动, 由于板块的多次俯冲和碰撞, 发生了广泛的岩浆活动和区域变质作用[5-7]。 其中, 加里东期的构造运动和区域变质作用对秦岭的面貌起重要作用, 因此, 加里东期花岗岩和花岗伟晶岩在该地区尤为发育, 形成了秦岭加里东期岩浆岩带,主要有灰池子、 桃坪、 骡子坪、 黄龙庙和漂池岩体以及部分伟晶岩脉[6-9]。 在北秦岭地区广泛发育的伟晶岩脉群多分布于秦岭岩群(杂岩)变质岩中, 由于伟晶岩中富含稀有金属矿物原料, 与矿产关系密切, 特别是伟晶岩型铀矿尤为典型[6-14]，引起了众多研究者的关注。 而本文研究的伟晶岩脉规模极小, 分带发育不明显, 内部仅见少量黄铁矿化, 为不含矿伟晶岩。

近几十年来,前人对秦岭地区进行了大量的地质年代学和地球化学的研究分析工作，主要研究对象包括扬子克拉通和华北克拉通的碰撞关系及秦岭造山带形成的构造背景[15]、岩浆活动[16]和成矿作用[17],以及秦岭岩群(杂岩)与其他各组成单元的地质特征等[18-21]；但是对秦岭造山带中侵入的伟晶岩脉的研究较少。本文对北秦岭地体秦岭岩群(杂岩)中的伟晶岩脉内的蜕晶质化锆石进行了锆石U-Pb年代学研究,以探究锆石发生蜕晶质化之后对其定年结果的影响程度,并探讨锆石发生蜕晶质化的原因。

1 地质概况和样品特征

北秦岭位于洛南-栾川-方城断裂和商南-丹凤断裂之间,东西向展布近千米,造山带内地质体多呈透镜状,具强烈的挤压-走滑变形构造,并受南部的商南-丹凤缝合带和北部的洛南-栾川断裂所限制。从北到南的构造单元包括:宽坪岩群、二郎坪岩群、秦岭岩群(杂岩)和丹凤岩群[5],各岩群间以大型的剪切带和断裂带为界,相互呈逆冲叠置[4, 22-24]。

秦岭岩群(杂岩)是北秦岭的最重要组成单元,主要呈数个巨大的透镜状岩片断续分布,是一套经历了多期变质变形和多期岩浆作用的中-深变质基底杂岩系,其岩性主要为:下部为黑云斜长片麻岩、含石榴子石黑云斜长片麻岩、矽线石榴黑云斜长片麻岩夹斜长角闪岩、黑云斜长变粒岩夹大理岩;中部为矽线黑云斜长片麻岩、变粒岩、斜长角闪岩、斜长角闪片岩夹大理岩;上部为厚层石墨大理岩夹黑云斜长角闪岩、变粒岩和片麻岩[11, 22]。可分为泥质-长英质变质岩、基性变质岩和钙质变质岩3种岩石类型,其中泥质-长英质变质岩是秦岭岩群(杂岩)的主体[11, 22](图1)。

本文样品采自北秦岭的秦岭岩群(杂岩)及侵入其中的伟晶岩脉, 位于漂池岩体与灰池子岩体之间。 样品QL1426-1为秦岭岩群(杂岩)斜长角闪岩(图2a、 图2b)(E111°04′11.4″, N33°41′27.4″), 该样品由角闪石(70%)、 石英(15%)、 斜长石(10%)和黑云母(5%)组成, 石英有明显的波状消光,颗粒细小(图3a、图3b)。QL1426-2为细粒花岗伟晶岩(图2a、图2b),该伟晶岩脉规模较小,宽度为50～100 cm, 在伟晶岩脉与围岩的接触带上, 在

图1 北秦岭造山带地质简图

图2 秦岭岩群(杂岩)岩石及伟晶岩脉野外照片

图3 秦岭岩群(杂岩)及伟晶岩脉样品的显微图像

围岩侧有明显的烘烤边, 在岩脉侧有明显的冷凝边。该伟晶岩脉的主要组成矿物为斜长石(55%)和石英(40%), 石英受应力作用呈波状消光; 斜长石具有明显的聚片双晶, 双晶纹发生弯曲(受到应力作用使双晶发生滑移而产生的塑性变形); 白云母呈细小的鳞片状集合体出现, 含量较少; 该样品中出现了颗粒细小的石榴子石, 含量小于1%(图3c、 图3d), 其围岩为秦岭岩群(杂岩)斜长角闪岩。样品QL1426-3也为花岗伟晶岩, 主要矿物为斜长石(55%)、 石英(45%)和黑云母(5%), 斜长石发生了弱绢云母化(图3e)。

样品QL1434-1(E110°59′30.5″, N33°39′46.3″)为细粒花岗伟晶岩, 呈脉状产出(图2c),可见黑云母的集合体(图2d)。石英具波状消光, 颗粒之间呈锯齿状凹凸接触,大小不一, 含量约65%;斜长石粒度为1.5～4 mm,具聚片双晶,弱绢云母化,含量约18%;钾长石具格子双晶(微斜长石),部分微斜长石中具有磨圆状的石英包裹体,局部见少量条带状斜长石,含量约15%;由于固溶体的出溶作用,钾长石与斜长石(钠长石)有规律地交生,呈条纹长石出现(钾长石为主晶,钠长石为辅晶),含量小于1%;石榴子石呈自形粒状,颗粒极小,含量小于1%。岩石受应力作用,石英呈弱定向排列,颗粒间发育细小白云母细脉,岩浆后期发育的细小微裂隙切穿矿物,被绿泥石所填充(图3f)。

样品QL1439-1(E111°02′29.6″, N33°37′43.6″)为花岗伟晶岩(图2e), 主要矿物为斜长石、 石英和少量白云母, 斜长石呈聚片双晶, 细而密(可能为钠长石),局部有聚晶产出,斜长石晶体有明显的皱弯现象,该岩石受外力作用表面发生揉弯;在斜长石与钾长石接触带附近的斜长石中,石英呈蠕虫状嵌晶出现,呈蠕英结构,斜长石粒径较大,含量约55%～60%,斜长石受定向压力而发生弯曲,晶间有绢云母化,斜长石晶体内有少量石英包裹体;石英具波状消光,大小不一,小颗粒约0.5～1 mm,大颗粒约2～3 mm,含量为35%～40%;白云母呈鳞片状,含量为2%～3%;黑云母为1%～2%,微斜长石含量极少(小于1%，图3g)。

样品QL1440-1(E111°03′31.6″, N33°33′53.4″)为秦岭岩群(杂岩)斜长角闪岩, QL1440-2、 QL1440-3和QL1440-7为侵入其中的伟晶岩脉, 这几条小的伟晶岩脉宽度为2～5 m, 相间侵入于秦岭岩群(杂岩)斜长角闪岩中。 样品QL1440-5为秦岭岩群(杂岩)斜长角闪岩。这些斜长角闪岩与伟晶岩脉的采样距离相距500 m以内。其中, QL1440-7为浅色细粒花岗伟晶岩, 可见黑云母聚集体(图2f),该样品的主要组成矿物为石英、斜长石和白云母,石英具波状消光,接触界面平直光滑,含量为55%～60%;斜长石含量为35%～40%,聚片双晶细而密(酸性斜长石), 局部有聚晶产出, 部分含石英包裹体, 个别单体由于SiO2在斜长石中析出呈蠕英结构, 有较弱的绢云母化; 白云母含量为2%～3%, 黑云母为1%～2%, 微斜长石小于1%(图3h)。

2 分析和测试方法

本文的分析测试包括电子探针和LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析。

锆石分离主要采用传统的淘选方法,用磁选和过重液的方法分离。首先将2～5 kg岩石样品破碎至0.18～0.15 mm(80～100目)；再经手工重砂淘选及磁选,分选出无磁性重矿物样品,对少量样品还要进行重液分离；然后在双目显微镜下随机挑选出不同颜色、大小和形态的锆石颗粒100～200颗,将它们固定在双面胶上,并沿直线排列整齐,用混有固化剂的环氧树脂胶结；待环氧树脂固化后,制成样品树脂靶,磨制和抛光至锆石厚度的一半(反射光和透射光下锆石面积基本相同),使锆石颗粒中心露出,则锆石靶制备完成。

对制成样品靶后的锆石进行显微镜下观察和反射光及透射光照相,分析锆石晶形、包裹体、裂缝等外观特征。CL图像分析在南京大学成矿作用国家重点实验室进行,采用的是JEOL JXA-8100电子探针仪,工作电压为15 kV,光束电流为2×10-8A,束斑直径约为1 μm。

锆石U-Pb定年在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。定年在7500a型ICP-MS与Merchantek/New Wave Research 213 nm激光溶蚀探针联机上进行。采用氦气作为剥蚀锆石物质的载气,通过直径为3 mm的PVC管将剥蚀物质传送到ICP-MS, 并在进入ICP-MS之前与Ar气混合, 形成混合气, 增加了运送物质的效率, 并提供比较稳定的信号以及增加U-Pb分异的重现性。 仪器工作参数为: 波长213 nm, 激光脉冲重复频率5 Hz, 脉冲能量为10～20 J/cm2, 激光光束大小为32 μm,剥蚀时间为50 s,背景时间为20 s。质量分馏校正采用标样GEMOC/GJ-1(609 Ma)[25]。ICP-MS的分析数据通过即时分析软件GLITTER[26]计算获得同位素比值、年龄和误差。每轮测试分析前后都进行两次标样GJ分析,对分析结果进行校正,未知样品分析前进行已知年龄样品Mud Tank(TIMS年龄:732±5 Ma[27])分析来检查分析结果的可靠性,然后分析未知样品10～12次。普通铅校正后的结果[28]用Isoplot 2.49[29]完成年龄计算及谐和图的绘制。

3 锆石CL特征和U-Pb年龄

样品QL1426-2(花岗伟晶岩)中, 锆石为长柱状或圆形-次圆形, 锆石CL图像显示(图4), 锆石表面均为黑色, 内部结构不清晰; 其238U和232Th均值分别为7 463×10-6(最大值为11 452×10-6)和2 734×10-6,大都为高U含量锆石,Th/U值变化很大,在0.05～1.27。Th/U值极小的锆石很可能为深融成因锆石。10颗锆石的定年结果显示,其谐和性均较差, 10个U-Pb分析点均偏移了谐和曲线,年龄值分散,显示了强烈的Pb丢失(图5a,表1)。

图4 秦岭岩群(杂岩)伟晶岩脉中代表性锆石的CL图像(图中短线代表50 μm)

样品QL1434-1(花岗伟晶岩)中, 锆石以自形-半自形粒状为主, CL图像亦均呈黑色, 其238U和232Th均值分别为7 054×10-6(最大值为26 433

×10-6)和391×10-6, 大都为高U含量锆石, Th/U值为0.004～0.15, 平均值0.039, 明显小于岩浆成因锆石(>0.4)[13, 17], 这些锆石也应为深融成因锆石。27个U-Pb定年分析点, 大部分锆石显示了较好的谐和性(大部分谐和度大于95), 锆石年龄有两组, 其中： 15颗锆石组成第1组,206Pb/238U 年龄分布于361～400 Ma,且谐和度均大于90, 年龄平均值为379 Ma；第2组锆石206Pb/238U年龄分布于325～349 Ma, 谐和度也均大于90, 年龄平均值为334 Ma(图5b, 表1), 表明该样品蜕晶质化作用较弱, Pb丢失不严重。 综合分析认为，第1组年龄较为接近伟晶岩的形成年龄, 可作为参考。

样品QL1439-1(花岗伟晶岩)中, 锆石以柱状为主, 呈黑色, 其238U和232Th均值分别为8 115×10-6(最大值为13 874×10-6)和37×10-6, Th/U值在0.003～0.01, 平均值为0.005, 也应为深融成因。

图5 秦岭岩群(杂岩)伟晶岩脉中锆石的U-Pb谐和图

表1 秦岭岩群(杂岩)伟晶岩脉中锆石U-Pb 定年结果Tablr1 U-Pb dating results for zircons of pegmatites in the Qinling Group (Complex)

续表1

对样品QL1439-1的锆石进行了12次U-Pb定年分析, 分析点组成一条较好的不一致线, 不一致线的上、 下交点的年龄为496±60 Ma和162±62 Ma, 其上、 下交点年龄误差均较大(图5c, 表1)。

样品QL1440-7(花岗伟晶岩)中,锆石以半自形粒状为主,且均呈黑色,其238U和232Th均值分别为11 041×10-6(最大值为18 962×10-6)和4 723×10-6,Th/U值变化较大,为0.05～1.00。对该样品中的锆石进行了6次U-Pb定年分析,在206Pb/238U-207Pb/235U谐和图上,锆石分析点的投影均偏离谐和线,且偏离幅度较大,与样品QL1426-2相似,这一特征说明了被测锆石发生了强烈的蜕晶质化作用,造成U-Th体系变化,发生了不同程度的Pb丢失[22],导致年龄数据没有意义(图5d, 表1)。

综上所述,3个样品年龄数据均不理想,锆石普遍遭受强烈蜕晶质化作用,落在谐和线上的数据点很少,年龄值可信度较差,据现有年龄数据分析,样品QL1434-1(花岗伟晶岩)的侵位时代可能为380 Ma左右。

4 讨 论

4.1 伟晶岩中蛤质锆石成因及特点

锆石是自然界中一种稳定的副矿物,其含有较高的U和Th等放射性元素,由于U和Th发生α粒子衰变时,锆石晶体受到辐射,导致其内部晶格结构破坏,随着时间的推移,锆石逐渐丧失其有序的结晶状态,趋向于玻璃质,形成蜕晶质化(蛤质)锆石[30-33]。这种锆石的晶体结构对其内部原子的束缚力大大减小,极易通过扩散作用和流体作用而使放射性成因Pb丢失,使得其年龄发生偏差[30-33]。含U高的锆石受放射性破坏,会发生蜕晶质化作用而引起强烈的Pb丢失,则投点很少组成较好的不一致线;含U低的锆石蜕晶质化程度则较低,常组成不一致线或接近不一致线下方[34-36]。一般,锆石年龄愈老,其Th和U含量则愈高,其蜕晶质化程度就愈强,测得的年龄数据不一致性愈明显,因而，该年龄数据没有意义[34-36]。

当蛤质锆石发生重结晶作用时,辐射损伤的晶格渐渐愈合,再次有序化,由玻璃质状态重新转化为晶体状态。在这一过程中,由于放射成因Pb的离子半径和电价与Zr都差异很大,只有少量放射成因Pb残留在锆石晶格的缺陷中,大部分被排除在晶格外而导致铅丢失[37]。

此外,引起蛤质锆石U-Pb定年失真的因素还有U的丢失,在岩浆分异演化过程中,同化混染的伟晶岩温度较低,离子的扩散速率降低且逐渐远离围岩,使熔体未同原岩发生大规模的同化混染反应,加上之前结晶出了大量晶质铀,导致岩浆中的U元素大量减少[38-39],从而使U-Pb体系发生变化,定年发生很大误差。在本次研究中,有3个样品的锆石发生较严重的蜕晶质化作用或重结晶作用,得出的年龄数据受锆石中放射成因铅的部分丢失的影响,导致其年龄可信度不高。

Valley等[40]研究提出,蜕晶质化作用强烈的锆石具有高磁性,其U含量普遍高于蜕晶质化弱的锆石。Hoskin等[41]也提出,重结晶锆石也具有异常高的U含量,其高U值可能是发生蜕晶质化作用引起的。由此可见,锆石发生蜕晶质化之后,其U含量普遍较高。在锆石发生蜕晶质化作用后,其微量元素会发生明显的改变,富U和轻稀土等微量元素的物质很可能加入。因此,可补充这些蜕晶质化锆石的微量元素测试工作。本次研究的伟晶岩样品中,锆石均具有非常高的U含量,其U含量比普通花岗岩高1～2个数量级,CL图像均呈暗黑色,内部结构均不清晰。

4.2 伟晶岩年龄

侵入于秦岭岩群中的岩浆岩的年龄一直是东秦岭加里东期岩浆活动的重要研究内容。本文伟晶岩脉左侧为灰池子岩体,右侧为漂池岩体,前人对此已进行过较多的定年工作(表2)：对灰池子岩体年龄的测试结果为356～450 Ma[42-54],漂池岩体年龄结果为336～495 Ma[42-54],虽然年龄跨度比较大,但代表了加里东岩浆活动的一个高峰期;而伟晶岩年龄结果为370～426 Ma[42-54],集中于加里东运动到海西运动的过渡阶段,表明在加里东花岗岩活动之后,伟晶岩活动紧接其后,其发育和演化在一定程度上受花岗岩的控制和影响,与花岗岩在成因上有一定联系。总之,这些年龄数据为研究侵入于秦岭岩群(杂岩)中的岩浆岩的成因和地质演化提供了重要信息。

表2 秦岭岩群(杂岩)中花岗岩体及伟晶岩的年龄

5 结 论

对秦岭杂岩中的花岗伟晶岩进行的岩石学和地质年代学研究结果表明:

(1)秦岭岩群(杂岩)中的花岗伟晶岩样品镜下特征显示,该地区遭受过构造应力作用,矿物发生微定向排列,样品中的斜长石晶体的双晶纹也显示出不同程度的皱弯现象,间接证明秦岭岩群(杂岩)处于构造运动频繁的构造背景之下。

(2)花岗伟晶岩中,锆石显示为高U含量、低Th/U值的深熔特征,在阴极发光图像中呈黑色,无分带;3个样品的锆石发生较严重的蜕晶质化作用或重结晶作用,受锆石中放射成因铅丢失的影响,年龄大部分都偏离了谐和曲线,可信度不高,只有1个样品中的锆石呈较好的谐和性,显示伟晶岩脉的形成年龄约为380 Ma,归于晚古生代早期。

致谢:感谢南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室张文兰和武兵老师在锆石成像和锆石定年工作上给予的协助。

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Genesis of the metamict zircons in the pegmatite from the Qinling Group(Complex) in the North Qinling Terrane

PEI Xiao-Li1, SHI Yu1, 2, LIANG Bin1, LIU Xi-jun1, DING Hai-hong3, ZHU Yu-hua1

(1.Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2.State Key Laboratory for Mineral Deposits Research, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 3.East China Mineral Exploration and Development Bureau for Non-Ferrous,Nanjing 210007,China)

This study introduces zircon U-Pb ages for the pegmatite veins from the Qinling Group(Complex) in the Northern Qinling Belt.It presents Cathodoluminescence(CL) images for the metamict zircons in the pegmatites from the North Qinling Terrane,and suggests that the structure of zircons in the pegmatites has changed after metamictization or recrystallization, and the CL images for zircons show black color with no zone belt. The LA-ICP-MS data of the metamict zircons for four pegmatite veins show obvious Pb loss with unconcentrated ages as a result of metamictization. One sample(QL1434-1) shows concordant age of 380 Ma(Late Eopaleozoic), which is considered as the formation age of the pegmatite vein.

metamictization;pegmatite; zircon U-Pb geochronology; the Qinling Group(Complex); the Qinling orogenic belt

1674-9057(2015)04-0675-11

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.004

2015-05-25

国家自然科学基金项目(41302155;41562005);广西自然科学基金项目(2014GXNSFBA118220;2014GXNSFBA 118218); 南京大学开放基金项目(20-15-03);广西“八桂学者”创新团队项目(2013,有色金属成矿理论与勘查技术)

裴小利(1991—),女,硕士研究生,研究方向:岩石学,pxxllp@sina.com。

时 毓,博士，副教授,shiyu_61@163.com。

裴小利,时毓,梁斌,等.北秦岭地体秦岭岩群(杂岩)中伟晶岩脉内蜕晶质化锆石的成因[J].桂林理工大学学报，2015,35(4):675-685.

P597.3；P588.131

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