北大别岳西岩体和飞旗寨岩体的LA-ICPMS锆石U-Pb定年及其地质意义

刘晓强, 闫 峻*, 王爱国, 李全忠, 姚洪忠

(1. 合肥工业大学 资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009; 2. 中国地质调查局 南京地质矿产研究所, 江苏 南京 210016)

0 引 言

大别-苏鲁造山带不仅是世界上最大的高压-超高压变质岩区, 而且也是陆-陆碰撞之后, 超高压和高压岩石剥露过程中岩浆活动最为强烈的地区之一[1]。晚中生代的强烈岩浆活动, 造就了现今出露面积超过造山带面积三分之一以上的花岗岩类侵入体的格局。这些花岗岩的研究, 对探讨大别造山带碰撞后深部地壳的地球化学性质和中国东部燕山期大规模的构造热事件的成因机制具有重要意义。研究这些科学问题, 开展相应的年代学研究显得十分重要。大别地区 20多年的研究, 积累了大量的年龄数据(表1)。这些年龄数据显示, 大别造山带中生代岩浆活动的时限为 110～143 Ma, 峰值为126～134 Ma。现有的研究多集中在几个大的岩体, 总体火成岩年代学的研究程度依然较为薄弱。在 1∶20万地质填图中, 岳西岩体由于其具有弱定向的“似片麻状构造”,被划分为前震旦纪大别岩群, 而飞旗寨岩体被认定为古元古代五台-吕梁期的混合花岗岩(1∶20万岳西幅, 安徽省区域地质调查队, 1975)。在1∶5万地质填图中, 岳西岩体又被定性为新元古代汤池片麻岩, 飞旗寨岩体则被认为是中生代二长花岗岩(1∶5万岳西县幅, 安徽省地质调查院, 2000)。Xueet al.[6]报道了岳西岩体中两个“正片麻岩”样品的年代学数据, 但是由于分析方法为单颗粒锆石溶液法且没有配套的锆石内部结构特征, 加之测试数据偏少(每个样品测试4组数据), 因而数据质量不高。虽然如此, 还是给出了早白垩世的热事件信息((133.7±2.3) Ma和(134.0±2.8) Ma)。本文在野外调查的基础上, 选取认识存有争议的岳西和飞旗寨岩体, 利用 LA-ICPMS法对其进行锆石U-Pb定年, 并与大别造山带同期火成岩对比, 以期建立大别造山带晚中生代岩浆活动年代学格架。

表1 大别地区中生代火成岩同位素年龄Table 1 Isotope ages of the Mesozoic magmatic rocks from Dabie orogen

1 地质背景和样品

秦岭-大别-苏鲁造山带是三叠纪华南板块和华北板块经过陆-陆碰撞形成的碰撞造山带。大别造山带西起河南桐柏山, 东为郯(郯城)-庐(庐江)断裂带所切割, 北以六安-明港断裂为界同华北板块相邻,南以襄樊-广济断裂为界同华南板块接壤, 形成“西窄东宽”的喇叭口状。造山带以近南北向的商城-麻城断裂为界, 分为西大别(即传统上的桐柏造山带)和东部的大别造山带。

大别造山带被三条近东西向的断裂(自北向南依次为磨子潭-晓天断裂、五河-水吼断裂、马庙-太湖断裂)划分成四个次级构造单元, 依次是: 北淮阳浅变质带、北大别高温超高压变质带、中大别超高压变质带和南大别高压低温变质带[22]。北大别构造带北以晓天-磨子潭断裂与北淮阳带相隔, 南以五河-水吼断裂同中大别带为界(图1)。区内变质岩广布, 主要是新元古代强变形片麻岩[23–24], 内部发育大量早白垩世侵入体及少量高压-超高压变质岩。早白垩世侵入体包括中酸性岩[2–21,25–27]、基性-超基性岩[4,28–33]。另外在岳西西北扁担撬地区出露北大别唯一的火山岩[11,34–35]。

本次研究的岳西岩体样品(12YX008)采自北大别岳西县西北约4 km公路边。该处露头显示岳西岩体岩体内部含有大量大小不等的细粒闪长质包体,具有弱的流动构造, 表层强烈球状风化而显片麻状假像。岩石呈灰白色到浅肉红色, 具巨斑状结构, 块状构造, 斑晶主要是碱性长石和斜长石, 颗粒大小可超过1 cm。镜下特征显示(图2a), 矿物组成如下:碱性长石(35%); 斜长石(40%); 石英(8%); 暗色矿物(15%), 主要是黑云母, 少量为角闪石。碱性长石呈半自形到自形, 主要为条纹长石, 粒径2～7 mm为主; 斜长石自形为主, 聚片双晶及环带常见, An =38～40, 为中长石, 粒径 2～5 mm; 黑云母为自形为主; 石英他形。副矿物主要为榍石和锆石。矿物分布有弱定向性, 定名为似斑状石英二长闪长岩。

飞旗寨岩体样品(12YX007)采自岳西县连云乡硃屋村。岩体呈灰白色到浅肉红色, 具块状构造、粗粒结构。主要组成矿物(图2b)有: 碱性长石(45%);斜长石(25%); 石英(25%); 少量黑云母(3%)。其中,碱性长石为自形到半自形为主, 主要是条纹长石和微斜长石, 板状, 大小 1.5～5 mm; 斜长石呈自形,短柱状, 低正突起, 双晶发育, 表面轻微绢云母化,大小1～4 mm; 石英含量约25%, 他形, 一级灰白干涉色; 黑云母解理清晰, 沿解理有不透明矿物, 部分有绿泥石化现象。副矿物中锆石、榍石较多。定名为含黑云母二长花岗岩。

2 分析方法

岩石样品粉碎在河北省诚信地质服务有限公司进行。主元素的测定采用X荧光光谱法(XRF), 样品分析测试在澳实分析检测(广州)有限公司进行。将按要求制备的样品(0.2 g)加入到0.90 g LiBO2溶剂中混合均匀, 在 1000 ℃的熔炉中熔化。溶液冷却后,溶解于100 mL 4%的HNO3中, 然后用质谱仪分析。分析精度分别为: SiO2(1.0%); Al2O3% (0.5%); Fe2O3(0.4%); MgO (0.4%); CaO (0.6%); Na2O (0.3%); K2O(0.4%); MnO (0.7%); TiO2(0.9%); P2O5(0.8%)。

锆石单矿物分离在河北省诚信地质服务有限公司进行, 样品4～5 kg经人工破碎后, 按常规的重力和磁选方法分选出锆石。锆石制靶在合肥工业大学LA-ICPMS实验室进行, 在双目镜下将待测样品锆石用双面胶粘于载玻片上, 放置 PVC环, 注入经充分混合的环氧树脂和固化剂, 待充分固化后, 对样

品进行剖光处理, 用于阴极发光照相和 LA-ICPMS U-Pb同位素分析。

图1 北大别岳西地区地质简图(据1∶5 万区调资料改绘)Fig.1 Geological sketch map of the Yuexi area in North Dabie orogen (modified from the 1∶50000 regional survey data)

图2 岳西岩体(a)和飞旗寨岩体(b)样品镜下照片(正交偏光)Fig.2 Microscopic photographs of the Yuexi (a) and Feiqizhai (b) pluton rocks Kfs–钾长石; Bt–黑云母; Pl–斜长石; Q–石英。

阴极发光照相(CL)在桂林理工大学进行, 锆石LA-ICPMS U-Pb同位素分析在合肥工业大学LA-ICPMS实验室进行。ICPMS为美国Agilent公司生产的Agilent 7500a ICPMS, 激光剥蚀系统为美国Coherent Inc.公司生产的GeoLasPro。在分析过程中,激光剥蚀的斑束直径选为 32 μm, 频率为 6 Hz, 采样方式为单点剥蚀。ICP-MS数据采集选用一个质量峰采集一个点的跳峰方式, 单点停留时间分别设定为 6 ms (Si、Ti、Nb、Ta和 REE), 15 ms (204Pb、206Pb、207Pb和208Pb)和10 ms (232Th和238U)。采用标准锆石 91500作外标进行同位素分馏校正, 每测定 5个样品点测定2次标准锆石91500, 每测10个样品点测1次NIST610和两次年龄监控样Mud Tank。每个分析点的气体背景采集时间为 25 s, 信号采集时间为50 s。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度, 两者在进入 ICP之前通过一个T型接头混合。

数据处理采用由中国地质大学(武汉)刘勇胜教授编写的 ICPMSDataCal软件[36–37], 选取谐和度 ＞90%的样品点进行数据分析, 采用 Isoplot软件绘制谐和图并计算加权平均年龄。

3 分析结果

3.1 主元素特征

岳西岩体的主元素分析结果见表 2。由表 2可见, 岳西岩体SiO2含量中等(64.12%), K2O含量较高(4.17%), TFe2O3和MgO含量较高(4.25%和1.83%);在TAS图解中位于石英二长岩区域, 在SiO2-K2O图解中位于高钾钙碱性向碱性岩过渡的区域。其A/NK =1.37, A/CNK = 0.97, 属亚铝质。

3.2 锆石U-Pb年代学

典型锆石的CL图像和分析点位置见图3, 分析结果列于表3。锆石样品的CL图像显示, 岳西似斑状石英二长闪长岩(12YX008-9)的锆石颗粒多呈自形的短柱状, 具有典型的岩浆锆石的韵律环带, 长宽比 2∶1～3∶1。飞旗寨含黑云母二长花岗岩(12YX007)锆石多呈短柱状, 同样具有岩浆锆石的典型环带, 长宽比 1.5∶1～3∶1。

岳西岩体32个测点和飞旗寨岩体21个测点的LA-ICPMS U-Pb同位素定年数据见表3, 表中所列单个数据点的标准误差均为1σ。本次测试中岳西岩体的32个测点数据的Th/U比值介于0.64～1.97之间,飞旗寨岩体的21个测点的Th/U比值介于0.77～3.61之间; 所有样品的 Th和 U之间具有明显的正相关性。这些特点符合岩浆成因锆石Th/U比值大于0.4、Th和U正相关的特点[38], 说明本次测试样品为岩浆锆石。

利用Isoplot软件对同位素比值和年龄数据进行了谐和曲线和加权平均年龄的投影和计算。结果如图 4所示, 几乎所有的锆石样品都投影在谐和线附近, 表明锆石形成后U-Pb同位素体系是封闭的, 没有受到岩浆期后热液活动的影响。岳西岩体1颗锆石给出(788.0±20.1) Ma的新元古代年龄, 5颗锆石数据偏离其他数据较远, 其余 26个测点给出了(123.8±3.5) Ma到(133.2±3.7) Ma的年龄范围, 加权平均年龄为(128.5±1.4) Ma, 代表了岩体形成的年龄。飞旗寨岩体同样有1颗锆石给出了新元古年代年龄((701.9±17.7) Ma), 4颗锆石数据偏离其他数据较远, 其余 15颗锆石给出了(121.6±3.3) Ma到(132.2±3.6) Ma的年龄范围, 加权平均年龄为(127.4±1.7) Ma, 同样代表了岩体的形成年龄。本文中岳西岩体的年龄结果与Xueet al.[6]报道的年龄同属早白垩世, 相比而言本文的数据质量更高。因此,岳西岩体和飞旗寨岩体均形成于早白垩世, 并非在区域地质调查中认定的前震旦纪的产物。

4 讨 论

4.1 中生代火成岩格架

大别造山带中生代火成岩的年代学研究起步较邻区长江中下游地区晚, 且早期由于技术手段的限制, 数据质量不高。近年来, 由于锆石广泛存在于各类岩石中, 富含U和Th, 低普通Pb以及非常高的矿物稳定性, 使得锆石U-Pb定年成为同位素年代学研究中最常用和最有效的方法之一[38]。本文在优先选取锆石U-Pb年龄并兼顾部分Rb-Sr法和Ar-Ar法结果的前提下, 选择地质描述确切、样品选择得当的年代学结果对大别地区的中生代火成岩进行讨论。

表2 岳西岩体主元素测试结果(%)Table 2 The analytical results (%) of the major elements in Yuexi pluton

图3 北大别岳西岩体和飞旗寨岩体代表性锆石样品的阴极发光(CL)图像和分析点位置及测年结果Fig.3 Zircons cathodoluminescence (CL) images for the Yuexi (12YX008-9) and Feiqizhai (12YX007) plutons

高精度年代学数据显示大别造山带中生代岩浆活动发生于110～143 Ma。由于在岩浆活动时代上北淮阳浅变质带和大别造山带其他构造单元有所不同,本文仅对北淮阳浅变质带之外的大别造山带其他构造单元(下称大别腹地)进行讨论。张超等[21]对大别腹地张榜岩体中粒黑云母二长花岗岩进行LA-ICPMS锆石U-Pb定年, 得到(150.3±2.0) Ma的年龄, 是目前整个大别造山带中生代火成岩中已知最老的年龄, 但是由于获得该年龄的锆石样品 CL图像发黑、不具典型岩浆锆石的环带, 因此该年龄不可靠。大别造山带最老的中生代火成岩为天堂寨地区的鹅公包岩体(142±3 Ma)和云峰顶岩体(143±3 Ma)[15], 之后的134～126 Ma是大别腹地岩浆活动的高峰期(图5)。这些岩石大致以130 Ma为界, 表现出不同的地球化学特征。其中, 早期火成岩多具有类似埃达克岩的高 Sr低 Y、高 Sr/Y特征, 亏损HREE, 无明显的 Eu异常, 被解释为加厚下地壳的部分熔融。晚期火成岩富硅、富钾, 岩性主要为花岗岩类、正长岩和基性岩(脉), Sr/Y较早期明显低,被认为是伸展构造背景下的产物[14-15,39–41]。此外120 Ma左右出现少量A型花岗岩[10,20], 标志着岩浆活动的结束。

表3 北大别岳西岩体和飞旗寨岩体的锆石LA-ICPMS分析数据Table 3 LA-ICPMS zircon U-Pb dating results of the Yuexi (12YX008-9) and Feiqizhai (12YX007) plutons

图4 岳西岩体(12YX008-9)和飞旗寨岩体(12YX007)锆石U-Pb谐和图解Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagram for the Yuexi (12YX008-9) and Feiqizhai (12YX007) plutons

图5 大别腹地中生代中酸性火成岩年龄频谱图(资料来源见表1)Fig.5 Age spectrogram for the Mesozoic intermediate-acidic igneous rocks in the heartland of Dabie orogen

4.2 地质意义

大别造山带晚中生代火成岩岩石系列上主要属钙碱性、高钾钙碱性岩石组合, 少量为具有 A型花岗岩特征的碱性岩。

Huanget al.[19]依据大别造山带高镁埃达克岩沿郯庐断裂带分布及年龄集中在130 Ma的特点, 提出中国东部切穿岩石圈地幔的郯-庐断裂带的大规模走滑移动引发了早期岩石圈的拆沉, 继而引发大别造山带加厚岩石圈地幔的部分熔融。进一步使得岩石圈的重力稳定性减弱, 继而引起大别造山带山根的大规模移除的下地壳拆沉机制。按照此机制, 130 Ma左右的构造突变, 必然会在其后有相关的地质记录。本次测定的岳西岩体的结晶年龄为(128.5±1.4) Ma,正好处于130 Ma的构造事件之后, 其内大量的暗色包体可能反映岩石圈减薄之后, 软流圈物质上涌所造成的壳幔相互作用的信息。虽然目前关于大别造山带中生代火成岩的成因, 赵子福等[42–43]认为属俯冲大陆岩石圈物质的重熔的产物, 但是部分岩体中发现基性暗色包体, 不排除局部地区存在基性和酸性岩浆混合作用的可能性[42]。邻区主簿源岩体主体由中性的彭河单元和酸性的姚河单元组成, Chenet al.[44]依据邻区主簿源岩体彭河单元中性岩中斜长石捕掳晶结构和组成的不均衡及主量元素和部分微量元素的线性关系, 认为彭河单元为岩浆混合成因。岳西岩体和主簿源岩体的年龄在误差范围内完全一致[2–3], 相似的野外地质特征暗示其可能具有相同的成因。

邻区长江中下游地区也发育同期火成岩, 根据近年来发表的高精度年代学数据, 可以将下扬子沿江地区(不包括宁镇地区)晚中生代岩浆活动划分为3个阶段: 第1阶段为147～133 Ma, 主要包括发育在断隆区的高钾钙碱性侵入岩; 第2阶段为132～128 Ma,以发育在断陷区火山岩和次火山岩为主, 属于双峰式火山岩或橄榄安粗岩系; 第3阶段为127～123 Ma,主要为A型花岗岩[45]。与长江中下游相比, 大别地区中生代火成岩表现出相似的特点: 具有埃达克性质的火成岩只出现在早期, 指示130 Ma之前区域上相对较厚的地壳组成; 晚期同样为碱性岩。这些特征表明, 虽然大别地区为造山带, 长江中下游地区为印支期碰撞的前陆带, 这两大构造单元在燕山晚期火成岩产生时处于相似的构造背景和动力学机制下, 应与古太平洋向欧亚大陆之下的俯冲有关。

5 结 论

(1) 北大别岳西地区的岳西岩体和飞旗寨岩体的岩石系列分别为石英二长闪长岩和含黑云母二长花岗岩;

(2) 岳西岩体和飞旗寨岩体的 LA-ICPMS锆石U-Pb年龄分别为(128.5±1.4) Ma和(127.4±1.7) Ma,两者均形成于早白垩世, 并非前人地质调查填图中认为的前震旦纪。

(3) 结合大别造山带高精度火成岩年代学数据,以130 Ma为界将大别造山带腹地火成岩分为两期,130 Ma为本地区深部过程转换的重要时期。

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