随枣北部桐柏杂岩表壳岩特征、成因及时代探讨

向祥辉, 陈 婕, 陈以春, 吴康生, 但家军, 张 聪

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

图1 随枣北部桐柏杂岩分布图Fig.1 Distribution map of Tongbai complex in the north of Suizhou-Zaoyang1.中生代白垩纪早世斑状钾长花岗岩;2.中生代白垩纪早世钾长花岗岩;3.中生代白垩纪早世斑状二长花岗岩;4.中生代白垩纪早世二长花岗岩;5.中生代侏罗纪早世二长花岗岩;6.中生代侏罗纪中世斑状二长花岗岩;7.中生代侏罗纪中世二长花岗岩;8.中生代侏罗纪晚世斑状二长花岗岩;9.中生代侏罗纪晚世二长花岗岩;10.桐柏山杂岩;11.低角闪岩相带;12.绿片岩相带。

桐柏杂岩地处扬子地块北缘,是连接东秦岭、苏鲁—大别造山带的重要地质单元,随枣北部桐柏杂岩位于新城—黄陂断裂带与桐柏—磨子潭断裂带之间,被韧性剪切带所夹持,为变形强烈的花岗岩地质体(图1),主要由片麻状花岗质岩体、变质岩包体(表壳岩)和未变形花岗岩三部分组成,长期以来被认为是一个前寒武纪的变质杂岩体,变质岩包体(表壳岩)属太古代—中元古代地层。近年来,随着高精度同位素年龄值的获取,认为桐柏杂岩不再是古老的变质核杂岩,而属燕山期的花岗岩,对其变质岩包体(表壳岩)的时代成因的认识也不断更新,本文通过对随枣北部桐柏杂岩表壳岩地质特征、岩石化学特征的分析及古生物证据的收集,与同区域变质地层进行类比,对桐柏杂岩表壳岩的形成环境、成因时代进行探讨。

1 岩石地质特征

1.1 地质特征

桐柏杂岩表壳岩岩性主要为斜长片麻岩、斜长角闪(片)岩、大理岩、石英岩—云英片岩类等,呈包裹体形式分布于桐柏杂岩花岗质片麻岩中,总体呈北西向展布,包裹体规模大小不一,形态各异,多呈似层状、透镜体状、椭圆状、串珠状和不规则状,最大者超过1 km,小者仅几厘米(野外露头尺寸),包裹体成分可以是一种岩性,也可以由多种岩性共同组成。在桐柏山山脊一带以斜长片麻岩为主,偶见有石英岩,常穿插有花岗岩脉、石英脉、花岗伟晶岩脉等,包裹体规模较大,长宽一般几百米至1 km余,呈带状延伸;桐柏山南西坡以斜长角闪岩为主,大理岩次之,大理岩常呈透镜体状、条带状夹于斜长角闪岩中,局部互层,偶见有斜长片麻岩、石英岩—云英片岩,规模较小,长宽一般几十—几百米;桐柏山北东坡以斜长片麻岩、斜长角闪岩为主,二者相伴而生,规模最小,长宽一般仅几米。

桐柏杂岩表壳岩包裹体与围岩一般有较清晰的接触界线(少数因同化混染界线模糊),见有花岗质岩石呈脉状、楔状穿插于包裹体中;常发育有不同程度的混合岩化、糜棱岩化作用,斜长角闪岩、大理岩包裹体见有矽卡岩化或似矽卡岩化作用;大都具有强烈的柔性变形和多期次的褶皱叠加,见有构造混杂岩、鞘褶皱;地表常呈凹坑或空洞。

1.2 岩石特征

桐柏杂岩表壳岩主要划分为斜长片麻岩、斜长角闪岩、大理岩、石英岩—云英片岩等四大类,同时按矿物成分、结构构造进行进一步划分,见表1。

表1 桐柏杂岩表壳岩岩石特征表Table 1 Table of rock characteristics of supracrustal rock of Tongbai complex

2 地球化学特征

2.1 主要元素地球化学特征

桐柏杂岩表壳岩不同岩石类型主要元素地球化学成分数据来源于:天和口幅、万和店幅1∶5万区域地质调查报告和湖北省新城—黄陂—合河段构造地质特征及其对金矿的控制作用报告。岩石类型不同其化学成分明显不同,主要岩石类型、岩石化学成分及化学参数见表2、表3。斜长角闪岩类SiO2碱质较低,铁镁组分TiO2、CaO较高,其中SiO2为46.94%～51.78%,Al2O3为11.90%～12.57%,CaO+MgO为9.60%～14.28%,TFe为14.20%～17.35%,CaO>MgO,K2OMgO。长英质片岩SiO276.75%,Al2O311.87%,CaO+MgO 0.84%,TFe 1.69%,CaO>MgO。大理岩以CaO(40.27%)和CO2(31.88%)为主,含大量的Al2O3(4.15%)、Fe2O3(2.19%)。

正变质岩中Al2O3质量分数0.86%～28%,一般低于20%,而一些副变质岩中可达17%～40%;正变质岩CaO+MgO通常<30%,极少超过47%,而副变质岩中CaO则可以高达46%,MgO达47%[1];表明区内斜长片麻岩类、斜长角闪岩类具典型的岩浆岩化学成分特征,斜长角闪岩类、斜长片麻岩类物质成分来源于岩浆作用,长英质片岩来源于沉积作用(图2)。研究结果表明,变质火成岩的投影点除分布在正斜长角闪岩区外,有的也分布在副斜长角闪岩区[2]。

桐柏杂岩表壳岩尼格里数值因表壳岩岩类不同而有明显的差异(表3)。按al-alk分值:al-alk>20属以粘土质岩石为主的沉积岩,al-alk<10一般属于碱性较高的似细碧斑岩质岩石或基性岩,10

表2 桐柏杂岩表壳岩岩石主要化学成分表Table 2 Table of the main chemical contents of supracrustal rock of Tongbai

注:●数据来源于天和口幅、万和店幅1∶5万区域地质调查报告;★数据来源于《湖北省新城—黄陂—合河段构造地质特征及其对金矿的控制作用》报告。下表同。

表3 桐柏杂岩表壳岩岩石化学参数表Table 3 Table of rock chemical parameters of supracrustal rock of Tongbai complex

图2 斜长角闪岩类、斜长片麻岩类、长英质片岩成分来源图解Fig.2 Diagrammatic diagram of the origin of amphibolite,plagioclase gneiss and felsic schist1、2.斜长角闪岩;3.斜长角闪片岩;4、5.斜长片麻岩;7.长英质片岩;Ⅰ.正斜长角闪岩;Ⅱ.负斜长角闪岩。

图3 尼格里四面体图解(据尼格里,1954)Fig.3 Negri tetrahedron diagram

1、2.斜长角闪岩;3.斜长角闪片岩;4、5.斜长片麻岩;6.大理岩;7.长英质片岩。

经尼格里四面体图解(图3)、si-mg图解(图4)、(al-alk)-c图解(图5)、(al+fm)-(c+alk)-si图解(图6)综合分析判定:斜长角闪岩类、斜长片麻岩类为火山岩类,长英质片岩为凝灰质沉积岩类,大理岩为钙质沉积岩。

图4 si-mg图解(据范德坎普和比克豪斯,1970)Fig.4 si-mg diagram1、2.斜长角闪岩;3.斜长角闪片岩;4、5.斜长片麻岩;7.长英质片岩。

桐柏杂岩表壳岩同类岩石不同区段化学成分、尼格里数值也存在一定差异,尤其是碱质的变化更为明显,其较好地体现了原岩的特点,也反映了后期变化的特点。

2.2 稀土元素地球化学特征

桐柏杂岩表壳岩主要岩类稀土元素分析结果及特征值见表4、表5,稀土元素采用Masuda等(1973)Leedy的球粒陨石平均值进行标化,桐柏杂岩表壳岩稀土配分曲线见图7。

斜长片麻岩类、斜长角闪岩类ΣREE值为147.13×10-6～987.17×10-6,LREE/HREE值为1.40～13.72,稀土元素配分曲线呈右倾,属轻稀土富集型,中间略有起伏;Eu/Sm=0.16～0.33,相当于花岗岩、玄武岩类岩石。斜长角闪岩δEu=0.97,Eu异常不明显,斜长片麻岩类、斜长角闪片岩δEu=0.52～0.69,Eu负异常;δCe=0.92～1.03,Ce异常不明显;除斜长角闪片岩(La/Yb)N值较大(64.36)外,斜长角闪岩(La/Yb)N=2.25～4.23、斜长片麻岩(La/Yb)N=7.95～8.72。

图5 (al-alk)-c图解(据利克,1960)Fig.5 (al-alk)-c diagram1、2.斜长角闪岩;3.斜长角闪片岩;4、5.斜长片麻岩;6.大理岩;7.长英质片岩。

图6 (al+fm)-(c+alk)-si图解(据西蒙南,1953)Fig.6 (al+fm)-(c+alk)-si diagram1、2.斜长角闪岩;3.斜长角闪片岩;4、5.斜长片麻岩;6.大理岩;7.长英质片岩。

表4 桐柏杂岩表壳岩稀土元素成分表(10-6)Table 4 Table of rare earth elements of supracrustal rock of Tongbai complex

岩石类型LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuY斜长角闪岩●28.2769.828.6645.0811.853.9413.182.2013.762.767.841.197.281.0970.86斜长角闪岩●21.4043.725.6724.055.441.785.800.915.721.093.110.472.930.4424.61斜长角闪片岩●213.28444.3045.15183.8428.275.2916.921.868.011.473.010.451.920.2633.15黑云斜长片麻岩●36.3679.708.5331.957.671.526.450.975.301.042.800.442.650.4026.82黑云二长片麻岩●45.9094.9911.7942.198.361.316.831.095.731.103.110.493.050.4829.83大理岩★6.6212.771.625.651.180.341.030.170.960.200.580.090.520.076.01

表5 桐柏杂岩表壳岩稀土元素地球化学特征Table 5 Geochemical characteristics of rare earth elements of supracrustal rock of Tongbai complex

图7 桐柏杂岩表壳岩稀土元素配分图解Fig.7 Rare earth element partition diagram of supracrustal rock of Tongbai complex1、2.斜长角闪岩;3.斜长角闪片岩;4.黑云斜长片麻岩;5.黑云二长片麻岩;6.大理岩。

大理岩ΣREE值为37.81×10-6,LREE/HREE值为2.93,稀土元素配分曲线向右缓倾,属轻稀土富集型;Eu/Sm=0.29。δEu=0.93,Eu负异常;δCe=0.89,Ce负异常,具海相沉积物(生物灰岩)的特征;(La/Yb)N=7.38。

La/Yb-REE图解(图8)显示:斜长角闪岩投点在玄武岩区域,斜长角闪片岩投点在金伯利岩区域,斜长片麻岩投点在花岗岩区域,大理岩投点在钙质泥质沉积岩区域。

3 表壳岩成因时代分析

3.1 岩石原岩恢复

桐柏杂岩表壳岩均为经历了多期次、不同类型变质作用的变质岩,片理发育,变余结构保留较少,而区域变质作用是主要的,混合岩化、动力变质作用等是叠加的、局部的或不彻底的改造;除伴有强烈交代作用的变质岩外,假定变质岩是特定原岩在相对封闭条件下经变质作用的产物,其成分变化基本上是等化学的,因而其岩石化学和地球化学特征基本反映原岩的特征,并主要受原岩形成作用和成岩构造环境所制约。故而采用岩石的共生组合、岩石化学和微量元素的特征研究桐柏杂岩表壳岩的成因。

主要元素地球化学特征及图解表明:桐柏杂岩表壳岩斜长片麻岩类、斜长角闪岩类具典型的岩浆岩化学成分特征,斜长角闪岩类、斜长片麻岩类物质成分来源于岩浆作用,属火山岩类,斜长片麻岩类SiO276.17%～76.78%,属酸性火山岩类,斜长角闪岩类SiO246.94%～51.78%,属基性火山岩类;长英质片岩来源于沉积作用,属凝灰质沉积岩类;大理岩为钙质沉积岩。

图8 La/Yb-REE图解(据C.J阿利格里等,1974)Fig.8 La/Yb-REE diagram1、2.斜长角闪岩;3.斜长角闪片岩;4、5.斜长片麻岩;6.大理岩。

稀土元素地球化学特征及图解表明:桐柏杂岩表壳岩斜长片麻岩类、斜长角闪岩类相当于花岗岩、玄武岩类岩石。斜长角闪岩投点在玄武岩区域,斜长角闪片岩投点在金伯利岩区域,斜长片麻岩投点在花岗岩区域;大理岩具海相沉积物(生物灰岩)的特征,大理岩投点在钙质泥质沉积岩区域。

综上所述:桐柏杂岩表壳岩斜长角闪岩原岩属玄武岩,斜长角闪片岩原岩可能为金伯利岩,斜长片麻岩原岩属酸性火山岩,长英质片岩原岩属凝灰质沉积岩,大理岩原岩为钙质沉积岩。

3.2 岩石形成环境

桐柏杂岩表壳岩中斜长角闪岩常与大理岩共生,斜长片麻岩局部夹大理岩,局部斜长角闪岩与斜长片麻岩共存,可以认为其大体上相当于火山—沉积岩系;其中长英质片岩类、大理岩属凝灰质—钙泥质沉积岩,斜长角闪岩类、斜长片麻岩类属火山岩。

斜长角闪岩ΣREE=147.13×10-6～287.57×10-6,LREE/HREE=1.40～12.27,Eu/Sm=0.16～0.33,δEu=0.97,Eu异常不明显,具轻稀土富集,在大陆拉斑玄武岩稀土元素值(ΣREE=15.2×10-6～322×10-6、LREE/HREE=0.5～7.6,Eu/Sm=0.16～0.55,大部分无Eu异常)范围内(图9)。

斜长片麻岩、斜长角闪岩与大陆裂谷双峰式火山岩特征相似:基性岩主要是富碱质,中酸性岩偏碱质;玄武岩富Th,LREE/HREE为明显分离的型式,LREE丰度值高;酸性岩明显富LREE和Th,含量较高;双峰式火山岩中玄武岩出露面积小[3]。

图9 大陆拉斑玄武岩的稀土范围(据L.R.Cullers及J.K.Graf,1984)Fig.9 The rare earth range of continental tholeiite

桐柏杂岩表壳岩组合特征及主要元素、稀土元素地球化学特征说明:斜长片麻岩、斜长角闪岩形成环境具大陆裂谷双峰式火山岩的特征,其整体形成构造环境为大陆裂谷双峰式火山—沉积岩建造。

3.3 岩石形成时代

桐柏杂岩基础地质研究程度较低,缺乏必要的年代学资料,以往一直被认为是一个前寒武纪的变质杂岩体,桐柏杂岩表壳岩被视为太古代—中元古代地层。同位素年代学研究表明,桐柏杂岩中多数变质包体的原岩生成于新元古代,变质时代为印支期,少量副片麻岩的继承锆石形成于太古代,并在古—中元古代发生过变质作用;变质岩原岩侵位时间约为810～770 Ma[4]。桐柏杂岩中少量副片麻岩包体起源于太古代华南陆块上(2 960±9)Ma发生的岩浆活动,这些早期的岩浆岩在古元古代(1 966±22)Ma发生过变质作用;其它多数变质岩包体的原岩是罗迪尼亚超大陆聚合、解体过程中生成的岩浆岩,聚合岩浆作用发生在(933±22)Ma,裂解岩浆作用主要年龄为(863±11)～(742±30)Ma[5]。桐柏变质带桐柏杂岩中混合岩的原岩形成时代为中—新元古代约828 Ma,并在早白垩纪135～131 Ma经历深溶作用[6]。

桐柏山南麓殷店镇枣林岗桐柏杂岩表壳的白色大理岩中发现了大量有壳无脊椎动物化石碎屑以及保存完整的有孔虫个体,可鉴定出四个属,时代为古生代[7]。

综上所述:桐柏杂岩表壳岩形成时代为新元古代南华纪—早古生代。

4 与随枣北部新元古代—古生代变质地层的对比

桐柏杂岩表壳为桐柏杂岩主体花岗质片麻岩中呈构造岩片分布的变质包裹体,地层层序、结构基本已被破坏,为花岗岩侵位过程中捕获的围岩;其岩石组合、形成环境及时代、主要元素、稀土元素特征等方面与随枣北部新元古代—古生代变质地层具有相似性(表6、图10),说明其为同一套地层。

桐柏杂岩表壳与随枣北部新元古代—古生代变质地层具有相同的岩石组合:双峰式火山—沉积岩建造;相同构造环境:大陆裂谷双峰式火山—沉积岩环境;相同的形成时代:新元古代—古生代。

表6 桐柏杂岩表壳岩与随枣北部变质地层化学元素特征对比Table 6 The characteristics of chemical elements of metamorphic stratum in the north of Suizhou-Zaoyang compared with those of Tongbai complex

注:●数据来源于天和口幅、万和店幅1∶5万区域地质调查报告;▲数据来源于鹿头镇幅、枣阳县幅1∶5万区域地质调查报告;(3)括号内数字为统计个数。

图10 桐柏杂岩表壳与随枣北部火山变质岩稀土特征对比图Fig.10 Comparison of rare earth characteristics between Tongbai complex and the volcanic metamorphic rocks in the north of Suizhou-Zaoyang2.表壳岩斜长角闪岩;8.随枣北部基性火山变质岩;4.表壳岩黑云斜长片麻岩;9.随枣北部酸性火山变质岩。

5 结论

桐柏杂岩表壳岩主要划分为斜长片麻岩、斜长角闪(片)岩、大理岩、石英岩—云英片岩等四大类,其呈规模大小不一、形态各异的包裹体形式分布于桐柏杂岩花岗质片麻岩中,包裹体成分可以是一种岩性,也可以由多种岩性共同组成。表壳岩包体与围岩一般有较清晰的接触界线(少数因同化混染界线模糊),见有花岗质岩石呈脉状、楔状穿插于包体中;常发育有不同程度的混合岩化、糜棱岩化作用,斜长角闪岩、大理岩包体见有矽卡岩化或似矽卡岩化作用;大都具有强烈的柔性变形和多期次的褶皱叠加,见有构造混杂岩、鞘褶皱;地表常呈凹坑或空洞。

桐柏杂岩表壳岩斜长片麻岩类、斜长角闪岩类具典型的岩浆岩化学成分特征,斜长角闪岩类、斜长片麻岩类物质成分来源于岩浆作用,属火山岩类,斜长片麻岩类属酸性火山岩类,斜长角闪岩类属基性火山岩类大陆拉斑玄武岩,局部可能发育有金伯利岩;长英质片岩来源于沉积作用,属凝灰质沉积岩类;大理岩为钙质沉积岩。

桐柏杂岩表壳岩斜长片麻岩、斜长角闪岩具大陆裂谷双峰式火山岩的特征,其整体形成的构造环境为:大陆裂谷双峰式火山—沉积岩建造。

桐柏杂岩表壳岩形成时代为新元古代南华纪—早古生代,与随枣北部新元古代南华纪武当群—早古生代地层时代一致,形成环境相似,其应为同一套地层,只是后期经历了不同的地质发展过程,具有各自不同的变形变质特征。