安徽黄梅尖地区基性岩脉K-Ar年代学、地球化学特征及地质意义

杨 彪,王正其,肖金根,曹达旺

(1.安徽省核工业勘查技术总院,芜湖 241000;2.东华理工大学,南昌 330013)

代表大陆拉张裂解的基性岩脉包含丰富的幔源信息,可作为衡量重要构造转换时间的标尺[1],对于研究深部地幔性质和大陆动力学演化具有重要意义,是国内外学者研究的热点[2],众多学者对基性岩脉的年代学、地球化学特征及其与铀成矿的关系进行了研究[3-8]。安徽黄梅尖地区中生代岩浆活动频繁,基性岩脉出露较少,前人主要对黄梅尖岩体及邻区火山岩的地质背景、岩石成因、时代和铀成矿规律进行了研究[9-19]。辉长岩和玄武岩地球化学特征及同位素年代学研究表明,其原始岩浆来源于富集的岩石圈地幔,成岩年龄为115～125 Ma[20-22]。目前,对该区辉绿玢岩的研究相对较少。

本文以黄梅尖岩体内的辉绿玢岩为研究对象,在野外地质调查和室内综合研究的基础上,对辉绿玢岩进行K-Ar年代学、地球化学及Sr-Nd同位素特征研究,探讨黄梅尖地区辉绿玢岩的形成时代、岩石成因和构造演化特征,为进一步探讨该区铀矿成矿作用提供参考。

1 地质背景

黄梅尖地区位于庐枞盆地东南缘,扬子板块北缘,西临郯庐深大断裂,东临长江断裂。区内出露的地层主要有早侏罗世磨山组(J1m)、中侏罗世罗岭组(J2l)陆相碎屑沉积岩和早白垩世龙门院组(K1l)、砖桥组(K1z)火山岩(图1)。黄梅尖碱性岩体是庐枞盆地出露面积最大的岩体,形成于火山岩之后,岩体与火山岩系及沉积地层呈侵入接触关系,是由2个阶段4次侵入活动形成的复式岩体。第一阶段为主侵入阶段,形成了黑云母正长岩和石英正长岩,石英正长岩是第二次侵入活动的产物,为黄梅尖岩体的主体岩性;第二阶段为补充侵入阶段,形成细粒似斑状石英正长岩和花岗岩。区内脉岩发育,主要有花岗岩脉、正长岩脉、正长斑岩脉、闪长斑岩脉和辉绿玢岩脉。区内以NW向断裂为主,其次有EW向、SN向和NE向断裂(图1),这些断裂为晚期岩浆和成矿热液活动提供了有利通道,与黄梅尖地区铀成矿密切相关。

1.第四系;2.砖桥组;3.龙门院组;4.罗岭组;5.磨山组;6.燕山晚期第二阶段第二次侵入花岗岩;7. 燕山晚期第二阶段第二次侵入正长斑岩;8. 燕山晚期第二阶段第一次侵入细粒似斑状石英正长岩;9. 燕山晚期第一阶段第二次侵入石英正长岩;10. 燕山晚期第一阶段第一次侵入黑云母正长岩;11.辉石粗安玢岩;12.隐爆角砾岩;13.花岗岩脉;14.正长岩脉;15.石英正长岩脉;16.正长斑岩脉;17.闪长玢岩脉;18.辉绿玢岩脉;19.断裂;20.铀矿床;21.铀矿点;22.采样位置图1 安徽黄梅尖地区地质略图[13]Fig. 1 Geological sketch map of the Huangmeijian area, Anhui Province[13]

2 岩石学特征

本次研究的辉绿玢岩主要分布在黄梅尖岩体西岭庵一带(图1),脉岩走向呈NE向、NW向或NWW向。脉岩最长达1 200 m,宽50 m,走向呈北东25°方向,与NW向或NWW向脉岩在西南端不相交,单独分布。岩石新鲜面呈灰黑色,斑状结构、辉绿结构,块状构造。斑晶含量占30%～40%,主要由辉石和少量斜长石组成,偶见黑云母,晶形较完好,辉石包括单斜辉石和斜方辉石;基质为全晶质结构,含量占60%～70%,以斜长石、辉石为主,偶见黑云母,此外含有黄铁矿等不透明矿物。岩脉蚀变较弱,偶见弱碳酸盐岩化、绿泥石化。

3 测试方法

对黄梅尖岩体西岭庵地表最长的辉绿玢岩露头进行采样,具体位置如图1所示。共采集同位素年代学样品2个、岩石地球化学样品5个、Sr-Nd同位素样品3个。K-Ar法年龄测试工作在中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心完成,采用MM 5 400静态真空质谱计测定。样品在1 500 ℃左右熔化的同时,加入准确定量的38Ar稀释剂,测定混合稀释剂后的同位素比值(40Ar/38Ar)m和(38Ar/36Ar)m,求出样品的放射性成因40Ar,再根据样品的K含量计算年龄,分析结果见表1。主量元素、微量元素和Sr-Nd同位素分析在核工业北京地质研究院分析测试中心完成,其中主量元素采用X射线荧光光谱法测定,仪器型号为飞利浦PW2404 X射线荧光光谱仪;微量元素分析采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定,电感耦合等离子体质谱仪为Finnigan-MAT公司产Element XR型;Sr-Nd同位素测试仪器型号为PHOENIX,仪器编号为9444,Sr、Nd比值误差以2σ计。

4 测试结果

4.1 K-Ar年代学特征

黄梅尖地区辉绿玢岩K-Ar法年龄测试结果见表1。2个样品获得的成岩年龄值分别为107.2±1.6 Ma和106.1±1.6 Ma,二者在误差范围内完全一致。黄梅尖岩体主体岩石(石英正长岩)的形成年龄为125.4±1.7 Ma[16],补体岩石的形成年龄为～115 Ma[9],火山岩形成年龄为135～127 Ma,均形成于早白垩世[19]。据此推断,辉绿玢岩可能是黄梅尖地区最晚一次岩浆作用的产物。

表1 黄梅尖地区辉绿玢岩K-Ar法年龄测试结果

测试单位:中国石油勘探开发研究院石油地质研究中心

4.2 地球化学特征

4.2.1 主量元素

黄梅尖岩体辉绿玢岩主量元素含量及特征参数见表2。辉绿玢岩SiO2含量为55.20%～67.57%;Na2O+K2O为6.41%～11.24%,K2O/Na2O为1.01～2.75;Al2O3含量为10.78%～18.26%,平均值为15.13%;TiO2含量为0.43%～1.36%,MgO含量为0.16%～2.59%,具有富K、低Ti的特征。固结指数(SI)为1.11～11.03,铝饱和指数(A/CNK)为0.647～1.031,属于准铝质-弱过铝质岩石。

在K2O-SiO2图解(图2(a))上,所有样品投影点均落在钾玄岩系列范围内;在Harker图解(图2(b))上,辉绿玢岩SiO2含量与MgO、TiO2、P2O5含量呈负相关,与K2O含量呈正相关,反映了在岩浆演化过程中可能发生一定程度的单斜辉石、钛铁氧化物和磷灰石分离结晶作用。

表2 黄梅尖地区辉绿玢岩主量元素含量及特征参数

测试单位:核工业北京地质研究院分析测试中心

图2 辉绿玢岩K2O-SiO2(a)和Harker(b)图解[23]Fig. 2 K2O-SiO2 (a) and Harker (b) diagrams of the diabase porphyrites[23]

4.2.2 微量元素

黄梅尖岩体辉绿玢岩微量元素含量及特征参数见表3。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图3)上,各样品具有相似的曲线特征。曲线“峰谷”明显,总体呈左侧“M型”,经明显Pb峰值后,右侧具有右倾趋势,尾端渐趋平缓,总体表现为大离子亲石元素K、Rb、U、Pb富集,Ba、Th弱亏损。Pb、U强烈富集,可能与黄梅尖地区普遍存在铀矿化和铅锌矿化有关[13]。高强场元素Nb、P、Ta、Ti亏损,其中P、Ti亏损明显,Zr、Hf弱亏损。P亏损反映源区可能缺少磷灰石或熔融程度较低,Ti亏损可能与金红石、钛铁矿分离结晶有关,Ta、Nb呈明显“U”型槽,暗示岩浆演化过程中可能存在地壳物质的参与或地幔源区可能是受俯冲流体交代的富集型地幔。

表3 黄梅尖地区辉绿玢岩微量元素、稀土元素含量及特征参数

测试单位:核工业北京地质研究院分析测试中心

图3 辉绿玢岩原始地幔标准化微量元素蛛网图[24]Fig. 3 Primitive mantle-normalized trace elements spidergram of the diabase porphyrites[24]

4.2.3 稀土元素

图4 辉绿玢岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图[24]Fig. 4 Chondrite-normalized REE distribution patterns of the diabase porphyrites[24]

黄梅尖岩体辉绿玢岩稀土元素含量及特征参数见表3。辉绿玢岩稀土元素总量ΣREE为(309.81～337.72)×10-6,平均值为325.78×10-6。轻稀土元素含量为(283.19～308.55)×10-6,平均值为297.77×10-6;重稀土元素含量为(26.62～29.17)×10-6,平均值为28.02×10-6。LREE/HREE为10.54～10.71,平均值为10.63,LaN/YbN平均值为14.01,说明轻、重稀土元素分离较明显,属轻稀土富集型。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(图4)上,各样品曲线一致并重叠,为轻稀土富集型,反映岩浆形成过程中部分熔融程度较低或岩浆分离结晶程度较高。δEu为0.91～0.98,平均值为0.94,未见明显Eu异常,反映岩浆演化作用过程中斜长石的分离结晶作用不明显。

4.3 Sr-Nd同位素地球化学

黄梅尖地区辉绿玢岩Rb-Sr、Sm-Nd同位素测试结果及基于辉绿玢岩成岩年龄(～107 Ma)的Isr、ΔSr、(143Nd/144Nd)i和εNd(t)计算结果见表4。3个辉绿玢岩的Isr值为0.705 75～0.705 88,平均值为0.705 79,大于亏损地幔(DM)值(Isr值一般为0.702 0～0.702 4)和高μ值地幔端元(HIMU)(Isr值一般为0.702 6～0.703 0),小于富集地幔(EMII)的Isr值(通常>0.710),与富集地幔(EMI)的Isr值(一般为0.704 5～0.706 0)接近[25],暗示与辉绿玢岩对应的岩石圈地幔源区具有富集地幔(EMI)特征。Dupal同位素异常是判断地幔端元及富集地幔的主要特征之一,ΔSr>50是判别Dupal同位素异常的重要边界条件之一[25-26]。辉绿玢岩ΔSr为57.46～58.80(表4),均>50, 进一步证明辉绿玢岩来自富集地幔源区。

辉绿玢岩(143Nd/144Nd)i为0.512 124～0.512 188,平均值为0.512 157,小于亏损地幔(DM)值((143Nd/144Nd)i为0.513 1～0.513 3)和高μ地幔(HIMU)值((143Nd/144Nd)i为0.512 8),具有与富集地幔(EMI或EMII)((143Nd/144Nd)i为0.512 4～0.511 0)相似的Nd同位素特征[25],说明辉绿玢岩源区及其成因可能与富集地幔相关。辉绿玢岩εNd(t)值为-6.1～-7.3,平均值为-6.7,与洋中脊玄武岩的εNd(t)值(10±1.5)存在显著差别,说明辉绿玢岩源自富集地幔源区。

表4 黄梅尖地区辉绿玢岩Rb-Sr、Sm-Nd同位素测试结果

测试单位:核工业北京地质研究院分析测试中心。分析误差以2σ计，ΔSr=[(87Sr/86Sr)样品-0.7]×104。

4 讨 论

4.1 岩石成因

黄梅尖地区辉绿玢岩富集大离子亲石元素K、Rb、U、Pb和LREE,亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti,与俯冲带相关的高K/Ti、低Ti钾质岩石类似,明显不同于板内低K/Ti、高Ti钾质岩石[27]。辉绿玢岩Nb/La值为0.30～0.32,低于大陆地壳平均值(0.5～0.8)[28],且Nb/Ta与La/Yb线性相关性不显著(图5)或不具有负相关性,结晶分异作用不会导致Nb/La值的降低(Nb的不相容性大于La的不相容性)。由La-La/Sm图解(图6)可知,辉绿玢岩主要由部分熔融形成。据此推测,黄梅尖地区辉绿玢岩可能为与“岛弧型”有关的钾玄岩,来源于富集地幔的部分熔融。

图5 辉绿玢岩Nb/Ta-La/Yb图解Fig. 5 Nb/Ta-La/Yb diagram of the diabase porphyrites

图6 辉绿玢岩La-La/Sm图解Fig. 6 La-La/Sm diagram of the diabase porphyrites

A1+A2.板内碱性玄武岩；A2+C.板内拉斑玄武岩；B.E型MORB；D.N型MORB；C+D.火山岩弧玄武岩；Ⅰ.板块发散边缘；Ⅱ.板块汇聚边缘；Ⅲ.大洋板块内洋岛；Ⅵ1.陆内裂谷、陆缘裂谷拉斑玄武岩；Ⅵ2.陆内裂谷碱性玄武岩；Ⅵ3.大陆拉张带玄武岩；Ⅴ.地幔热柱玄武岩图7 辉绿玢岩2Nb-Zr/4-Y构造环境判别图(a)及 Ta/Hf-Th/Hf构造环境判别图(b)[34-35]Fig. 7 Tectonic discrimination diagrams of 2Nb-Zr/4-Y(a) and Ta/Hf-Th/Hf(b) for the diabase porphyrites[34-35]

黄梅尖地区辉绿玢岩Rb/Sr值和Rb/Ba值分别为0.106～0.111和0.133～0.144, 均高于原始地幔相应比值(原始地幔的Rb/Sr值和Rb/Ba值分别为0.029和0.088)[24],Sr平均值为1 215×10-6,Ba平均值为934×10-6,两者较相近,表明在岩浆分异过程中它们的总分配系数KD接近于1,且Sr-Nd同位素组成变化范围较小,说明岩浆分异演化程度较高,源区可能是一种均匀交代的地幔。在辉绿玢岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(图3)上,所有样品Nb、Ta、P、Ti呈负异常,Pb呈正异常,这一特征通常是俯冲带火山岩的特征[29],可能与岩石圈地幔的交代作用有关[30]。此外,辉绿玢岩Nb/U平均值为5.44,Nb/La平均值为0.31,Ce/Pb平均值为7.23,远低于典型未被地壳混染的洋中脊玄武岩(MORB)和洋岛玄武岩(OIB)的相应值(Nb/U=47±10,Nb/La=1.0,Ce/Pb=25±5)[24],且Zr/La平均值(0.31)明显低于大陆地壳平均值(0.7);Ba/La为13.20～13.95,平均值为13.59,远高于原始地幔平均值(9.26),远低于大陆地壳平均值(25),接近于富集地幔(EMI)(11.3～19.1)和(EMII)(7.3～13.5)的平均值,与Sr-Nd同位素分析结果相吻合。综上,黄梅尖地区辉绿玢岩起源于与俯冲交代作用有关的富集地幔。

4.2 地质意义

黄梅尖复式岩体是庐枞盆地A型花岗岩带的重要组成部分,受中国东部中生代燕山期地球动力学背景制约[16]。三叠纪以来,扬子板块与华北板块碰撞,形成了以超高压变质为特征的秦岭—大别造山带[31];晚侏罗世—白垩纪,中国东部完成了由特提斯构造体制向古太平洋构造体制的转换,古太平洋板块俯冲，在庐枞盆地形成了挤压-伸展背景下的火山-侵入岩带,包括庐枞盆地在内的长江中下游地区在135～127 Ma期间进入快速伸展时期[32],并于130～120 Ma岩石圈减薄阶段达到高潮[33]。黄梅尖地区辉绿玢岩成岩年龄为～107 Ma,明显晚于庐枞盆地火山岩和侵入岩的年龄,说明该区辉绿玢岩可能形成于伸展构造环境。在辉绿玢岩2Nb-Zr/4-Y图(图7(a))和 Ta/Hf-Th/Hf(图7(b))上,辉绿玢岩落入板内碱性玄武岩和大陆拉张带玄武岩区,进一步证明辉绿玢岩形成于伸展构造背景。因此,辉绿玢岩是在古太平洋板块俯冲引起的地壳伸展和岩石圈减薄的构造背景下,由俯冲交代作用形成的富集地幔部分熔融形成的。

黄梅尖地区8411铀矿床的主成矿期年龄为108.67 Ma[36],晚于黄梅尖石英正长岩(115～125 Ma)[9,16]和火山岩成岩年龄(127～135 Ma)[19],说明侵入作用发生在火山岩形成后,铀成矿作用是石英正长岩侵位后的地质事件。大量研究表明[13，18，37-38],庐枞盆地包括黄梅尖及邻区在内的火山岩和正长岩类侵入岩主要来源于富集地幔,且二者的Isr、(143Nd/144Nd)i、εNd(t)与辉绿玢岩接近[39],说明辉绿玢岩与黄梅尖石英正长岩和火山岩具有相似的物质来源,可能是一个岩浆体系下不同阶段岩浆演化的产物。本次研究表明,辉绿玢岩成岩年龄晚于上述岩石年龄,与铀成矿年龄基本一致,铀成矿流体具有深源特征[17]。目前,黄梅尖地区已探明的铀矿床均分布在岩体与砂岩接触带附近,岩体内部有大量铀矿点和异常点,部分铀矿化受岩脉控制。在西岭庵辉绿玢岩脉群内及接触带有较多的铀异常点和异常场晕,异常场晕呈“孤岛状”分布,异常点放射性强度为(240～650)×10-6,发育1条NWW向异常带穿切NE向辉绿玢岩脉。此外,有1条辉绿玢岩脉穿插到罗岭组砂岩中,其接触带有铀异常点,且离辉绿玢岩脉群西侧约200 m处分布4340铀矿点。岩脉受早期构造控制,矿化规模受岩脉控制,一般规模较小,强度偏低,有“红化”时矿化较好。

综上所述,推测黄梅尖地区铀成矿作用可能与辉绿玢岩具有成因联系。

5 结 论

(1)安徽黄梅尖地区辉绿玢岩富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti,具有较高的Isr值和负的εNd(t)值,来自富集地幔源区。

(2)安徽黄梅尖地区辉绿玢岩的成岩年龄为～107 Ma,晚于该区火山岩和侵入岩年龄,与铀成矿年龄基本一致,铀成矿作用可能与辉绿玢岩具有成因联系。

(3)安徽黄梅尖地区辉绿玢岩是在地壳伸展和岩石圈减薄的构造背景下,由俯冲交代作用形成的富集地幔楔部分熔融生成的岩浆上侵就位的。