蚌埠隆起东缘花岗片麻岩岩石地球化学特征及地质意义

陈 俊, 刘国生, 李梦婵, 李穆奇, 程亚飞, 赵光宝

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.山东正元建设工程有限责任公司,山东 济南 250100)



蚌埠隆起东缘花岗片麻岩岩石地球化学特征及地质意义

陈 俊1, 刘国生1, 李梦婵1, 李穆奇1, 程亚飞1, 赵光宝2

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.山东正元建设工程有限责任公司,山东 济南 250100)

文章对华北克拉通东南缘蚌埠隆起区花岗片麻岩进行岩石学和地球化学研究;结果表明，花岗片麻岩的原岩为岩浆岩,属正变质岩系列,岩石具有富钠、富钾的特点,为准铝质-弱过铝质岩,属钙碱性系列。该套花岗片麻岩明显富集Rb、Ba、K等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素,具有壳源岩浆的特征。锆石U-Pb定年显示该套花岗片麻岩形成时代为(2 611±31) Ma。通过岩石构造环境判别图解得出,片麻岩为火山弧花岗岩,形成于岛弧构造环境。研究结果表明，华北克拉通东南缘蚌埠隆起区花岗片麻岩可能主要形成于晚太古代岛弧环境,代表了该期板块俯冲-增生事件。

蚌埠隆起;花岗片麻岩;岩石地球化学;岩石成因

蚌埠隆起位于华北克拉通东南缘,隆起区东侧与郯庐断裂带相邻,出露的岩石主要为华北克拉通东南缘的前寒武纪变质基底,地层为太古宇五河群西堌堆组[1]。由于其所处的大地构造部位的特殊性,长期以来一直备受地质学家们的关注。前人研究显示五河群岩性复杂,关于它的形成和演化一直存在争议。文献[2]认为其是太古代变质成因；文献[3]对蚌埠隆起东端大巩山地区出露的灰色片麻岩进行主、微量元素分析,认为灰色片麻岩属于晚太古宙末期的英云闪长岩、奥长花岗岩、花岗闪长岩(tonalite-trondhjemite-granodiorite,TTG)岩系,为华北陆台南东大陆边缘挤压的构造环境下形成；文献[4]对五河群变质基底中含石榴斜长角闪岩进行研究,认为其五河群变质基底岩石可能形成于2.5 Ga的晚太古代岛弧岩浆构造背景；文献[5-9]从隆起区出露的大量中生代岩体入手,试图对变质基底的形成时代、成因、源区性质和构造环境进行解析,认为变质岩的形成时代为古元古代,且多为岩浆结晶的产物,源区内有幔源岩浆的成分；文献[10]对蚌埠隆起区庄子里和磨盘山正长花岗岩进行锆石年代学、地球化学和锆石Hf同位素研究,认为蚌埠隆起区正长花岗岩为古元古代岩浆成因,属于A型花岗岩,原始岩浆来源于新生下地壳的部分熔融,并有少量古老地壳物质的加入,反映非造山的板内伸展构造背景。上述研究多是基于研究区出露的中生代岩体来反演变质基底的演化,或是对五河群内某种具体岩性的研究,显然对于蚌埠隆起区五河群变质基底的形成时代、源区性质、构造成因背景的研究仍然较为薄弱,这对于认识华北克拉通东南缘蚌埠隆起区早前寒武纪变质演化形成制约。本文对近期从该区获得的五河群西堌堆组花岗片麻岩进行岩石学和地球化学分析,借此对华北克拉通东南缘蚌埠隆起区变质基底的形成时代、源区性质、构造环境等进行讨论,以期对研究该区变质基底的形成与演化提供新的参考。

1 研究区地质概况和岩石学特征

1.1 区域地质概况

研究区大地构造位置处于华北克拉通东南缘、东西向的蚌埠隆起东端,构造简图据文献[11]修改后如图1所示。

图1 蚌埠隆起区东缘构造地质简图

出露地层为晚太古代或古元古代的五河群西堌堆组角闪岩相变质岩,其岩性主要为花岗片麻岩、黑云斜长片麻岩、混合岩化斜长片麻岩及二云石英片岩等,还包括变质镁铁质岩系、变质表壳岩系和变质变形花岗质侵入体,它们统称为五河杂岩[12]。此外,区内还有侵入在五河群中的大量中生代侵入岩体,如女山岩体等。

1.2 岩石学特征

本次样品采自蚌埠隆起东缘五河大巩山地区,具体采样位置见图1。共采集6件样品,分别为DHⅠ-1、 DHⅠ-2、DHⅠ-3、DHⅡ-1、DHⅡ-2、DHⅡ-3,岩性为花岗片麻岩。DHⅠ-2、DHⅡ-1野外产状及显微照片如图2所示,该套花岗片麻岩主要成分为正长石、斜长石、石英、黑云母等,具有中粒结构,块状构造。显微镜下观察矿物,正长石约占25%,半自形粒状,粒径在0.2～0.4 mm;斜长石15%左右,半自形粒状,粒径在0.2～0.5 mm;石英45%左右,呈不规则状充填,粒径0.2～0.4 mm;黑云母小于10%,为半自形-自形,粒径在0.3～0.5 mm;角闪石小于3%,为它形-半自形。

该套花岗片麻岩样品在镜下观察没有交代结构,显示原岩在变质过程中处于封闭系统,系统中没有化学组分的带入带出,仍保持总组分不变。

(a) 样品DHⅠ-2野外产状 (b) 样品DHⅠ-2显微照片

(c) 样品DHⅡ-1野外产状 (d) 样品DHⅡ-1显微照片

2 分析测试结果

对野外采集的样品经过薄片鉴定后,挑选较为新鲜的样品进行主、微量元素以及稀土元素分析。主量、微量元素分析和稀土元素分析均在广州澳实矿物实验室完成。其中主量元素分析采用的是Axios型X荧光光谱仪分析,分析时运用偏硼酸锂熔融玻璃片法[13]。微量、稀土元素分析运用Elan9000型ICP-MS等离子质谱仪,分析时分别运用高温高压四酸消解[14]和硼酸锂熔融法[15],样品分析精度在5%～10%之间。主量、微量及稀土元素分析结果见表1～表3所列。

表1 蚌埠隆起区东缘花岗片麻岩样品年龄与主量元素分析结果

注:σ为里特曼指数;A/CNK为铝指数,其中A代表Al2O3,C代表CaO,N代表Na2O,K代表K2O。

表2 蚌埠隆起区东缘花岗片麻岩微量及稀土元素质量分数 10-6

表3 蚌埠隆起区东缘花岗片麻岩微量及稀土元素特征值 10-6

注:∑LREE为轻稀土元素(light rare earth element)质量分数总计,∑HREE为重稀土元素(heavy rare earth element)质量分数总计,∑REE为稀土元素(rare earth element)质量分数总计,LREE/HREE为轻、重稀土元素质量分数之比。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素特征

因为岩石变质程度微弱,所以本文讨论基于变质作用是等化学过程,花岗片麻岩的地球化学属性较好地保留了原岩的性质。由表1可知,w(SiO2)在63.80%～69.60%之间,w(TiO2)为0.15%～0.50%,w(Al2O3)为14.15%～16.00%,w(Fe2O3)为3.03%～4.40%,w(MnO)为0.03%～0.10%,w(MgO)为1.42%～3.10%,w(CaO)为1.84%～5.10%,w(Na2O)为1.09%～4.40%,w(K2O)为0.99%～3.30%,w(P2O5)为0.08%～0.20%。w(K2O)/w(Na2O)为0.24～3.05,碱度为4.45～5.69,铝指数(A/CNK)为0.88～1.82。蚌埠隆起区东缘花岗片麻岩岩石地球化学图解如图3所示。在A/CNK-A/NK图解(图3a,原图据文献[16])中,除DHⅠ-1(A/CNK=0.88)落入准铝质区域内以外,其余样品均落入过铝质范围内,总体为准铝质-弱过铝质岩。里特曼指数σ为0.88～1.54,σ小于3.3。在SiO2-K2O图解(图3b,原图据文献[17])中,多数样品显示为钙碱性系列。

图3 蚌埠隆起区东缘花岗片麻岩岩石地球化学图解

将岩石样品投影在标准矿物An-Ab-Or分类图解(图3e)中,样品投入花岗闪长岩区,在阳离子标准矿物成分Q/(Q+Or+Ab+An)-An/(Or+An)分类图解(图3f)中,样品主要落入花岗闪长岩区域内,上述图解暗示其原岩可能为花岗闪长岩。

3.2 微量元素与稀土元素特征

蚌埠隆起区东缘花岗片麻岩稀土元素配分图与微量元素蛛网图如图4所示。由图4可知,样品具有一致的曲线配分型式,明显富集Rb、Ba、K等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素。该微量元素特征反映了岩浆可能来源于地壳或者受到地壳物质的混染[18]。尤其微量元素中Nb的负异常是岛弧火山岩的显著标志,反映了板块俯冲环境中岩浆岩的典型特征[19]。

(a) 稀土元素配分图 (b) 微量元素蛛网图

样品稀土元素(REE)分布模式总体相似,稀土元素总量∑REE为43.54～67.37 μg/g,其中∑LREE为39.41～63.35 μg/g,∑HREE为3.29～5.76 μg/g。总体呈轻稀土(LREE)富集的右倾曲线,如图4a所示。(w(La)/w(Yb))N介于11.36～29.21之间。δEu异常值为0.96～1.40,无明显Eu负异常。

4 讨 论

4.1 原岩恢复

蚌埠隆起东缘花岗片麻岩经历了复杂的变质作用,并遭受不同程度的混合岩化及后期岩浆热液活动改造[20]。然而研究发现岩石地球化学方法对区分变质岩类型、恢复区域地层形成和构造热事件的发生具有重要意义[11]。从尼格里图解(图3c,原图据文献[21]) 可以看出样品多数落入火成岩区域,属于正变质岩系列，然而文献[22]研究认为尼格里图解中落入火成岩区域的变质岩原岩并不一定都是岩浆岩,因此还需要运用相关图解进一步验证。A-C-FM图解可以作为确定正变质岩原岩类型的依据,且结果不受后期交代作用的影响[22]。图3d显示花岗片麻岩主要投影在中-酸性火山岩范围内,且各类片麻岩的w(Na2O)/w(K2O)大于1,表明该区片麻岩可能主要为TTG质片麻岩,这也同文献[3,9,23]对五河群变质岩的研究成果相一致。同时在图3e、图3f中,样品主要落入花岗闪长岩区域内,进一步暗示研究区该套花岗片麻岩的原岩为花岗质岩石,可能为花岗闪长岩,属正变质岩系列。

4.2 源区性质

从对花岗片麻岩样品锆石U-Pb定年结果来看,这套变质片麻岩原岩形成时代为(2 611±31) Ma,且多数锆石类型为岩浆锆石,另有少量变质锆石加权平均年龄为(2 634±24) Ma,显示岩浆结晶后不久发生变质作用。花岗片麻岩均以高SiO2、富K2O和富Al2O3为特征,铝指数(A/CNK)为0.88～1.82,为准铝质-弱过铝质岩。同时样品具有明显富集Rb、Ba、K等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素的特点,暗示其壳源的地球化学性质。文献[9]对蚌埠隆起区的庄子里和磨盘山正长花岗岩Sr、Nd同位素组成进行研究,认为正长花岗岩Sr、Nd同位素比值变化较小,显示岩浆源区较为均一,且正长花岗岩所具有的高的εNd(t)值应是基性岩浆底侵形成的新生下地壳岩石部分熔融的产物。同时正长花岗岩锆石Hf同位素模式年龄tDM2为2.52～2.83 Ga,在Hf同位素组成图解上分布于2.5 Ga和3.0 Ga古老地壳的演化线之间,表明原始岩浆来源于新太古代时期新生下地壳的部分熔融。综上所述蚌埠隆起区东缘花岗片麻岩具有壳源岩浆的特征。

4.3 构造环境分析

在微量元素中相容程度接近的元素质量分数比值,如w(La)/w(Yb)、w(Th)/w(Yb)等的相关图解可用于判断岩石形成的构造环境[24-25]。蚌埠隆起区东缘花岗片麻岩岩石构造判别图解如图5所示。

VAG—火山弧花岗岩 ORG—大洋脊花岗岩 WPG—板内花岗岩 Syn-COLG—同碰撞花岗岩

在La/Yb-Th/Yb图解(图5e)上,样品均落入岛弧区域。另外在Pearce图解 (图5a～图5d,原图据文献[25]) 上,样品均投点在火山弧花岗岩区域,具有弧岩浆的特征,可以看出w(La)/w(Yb)-w(Th)/w(Yb)图解与Pearce图解反映的构造环境具有一致性。因此本次所采花岗片麻岩样品属于岛弧背景下的火山弧花岗岩,显示出花岗片麻岩形成于岛弧或活动大陆边缘环境。同时花岗片麻岩在微量元素原始地幔标准化图解(图4b)上具有显著的Nb、Ti、Ta负异常,同样表明该套花岗片麻岩形成于岛弧环境。文献[10]运用同位素地球化学方法对五河群变基性岩进行研究表明变基性岩形成于晚太古代岛弧构造环境。文献[3]对五河群灰色片麻岩的研究亦显示片麻岩形成于晚太古代岛弧环境。综上所述蚌埠隆起东缘花岗片麻岩形成于岛弧构造环境。

4.4 地质意义

关于华北克拉通东南缘蚌埠隆起区前寒武纪变质基底形成的构造背景,前人基于同位素和年代学研究主要提出了以下3种观点:第1种认为是晚太古代地幔柱成因[26-29]；第2种认为主要是岩浆弧背景[30-33]；第3种认为在太古代末期,华北克拉通东部陆块可能是地幔柱(垂向)和板块构造(侧向)体制并存的格局[34]。然而本文岩石地球化学特征表明,华北克拉通东南缘蚌埠隆起区花岗片麻岩形成于晚太古代岛弧构造背景,发育了火山弧花岗质岩浆岩,代表该期此处的板块俯冲-增生事件。文献[35]对华北克拉通东南缘蚌埠隆起区五河群变基性岩及前寒武纪包体进行研究,也得出华北克拉通东南缘蚌埠隆起区变质基底的原岩形成于晚太古代的岩浆弧背景,此观点也得到了文献[36]对华北克拉通东南缘徐宿地区榴辉岩包体的研究结果的证实。

综上所述，本文所研究的华北克拉通东南缘蚌埠隆起区花岗片麻岩主要形成于晚太古代岛弧环境,代表了一期板块俯冲-增生事件,晚太古代的板块构造机制已经出现在华北克拉通东南缘。

5 结 论

本文通过对华北克拉通东南缘蚌埠隆起东缘花岗片麻岩详细的岩石学及地球化学研究,得出如下结论:

(1) 该套花岗片麻岩属正变质岩系列,原岩可能为花岗闪长岩,以富钠、富钾为主,总体为准铝质-弱过铝质岩,属钙碱性系列。岩石富集Rb、Ba、K等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素。

(2) 岩石地球化学研究表明,该套花岗片麻岩具有壳源岩浆的特征,形成于晚太古代岛弧构造环境,代表了华北克拉通东南缘该期板块俯冲-增生事件。

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(责任编辑 张淑艳)

Geochemical characteristics and their geological implication of granitic gneisses in eastern margin of Bengbu uplift

CHEN Jun1, LIU Guosheng1, LI Mengchan1, LI Muqi1, CHENG Yafei1, ZHAO Guangbao2

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Shandong Zhengyuan Construction Engineering Co., Ltd., Jinan 250100, China)

A petrological and geochemical study of granitic gneisses of Bengbu uplift area in the southeastern margin of the North China Craton is carried out. The results show that the granitic gneisses are magmatic rocks belonging to the ortho-metamorphic rocks. The results of geochemical analyses indicate that the granitic gneisses are characterized by high content of Na2O and K2O, belonging to metaluminous to weakly peraluminous rocks and calcium-alkali series. These rocks are enriched with Rb, Ba and K and depleted with Nb, Ta and Ti, which is the crustal-melted magma. Zircon U-Pb dating shows that the granitic gneiss formation age is (2 611±31) Ma. The rock tectonic discrimination diagrams indicate that the granitic gneisses are volcanic arc granite, which mainly formed in the island arc related tectonic environment. It is considered that the granitic gneiss of the Bengbu uplift area in the southeastern margin of the North China Craton formed in the Neoarchean oceanic island arc tectonic environment, which represents the period of plate subduction and accretion event.

Bengbu uplift; granitic gneiss; petrochemistry; petrogenesis

2015-08-03；

2016-10-17

国家自然科学基金资助项目(41172187);中国地质调查局资助项目(1212011121096)

陈 俊(1988-),男,安徽合肥人,合肥工业大学硕士生; 刘国生(1957-),男,河北邢台人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.022

P588.345

A

1003-5060(2016)11-1548-08