秦岭岩群早古生代晚期构造热事件及地质意义

兰瑞烜, 李加好, 杨挺宇

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

秦岭-大别造山带经历了长期复杂的构造演化,涉及从大洋俯冲、岛弧增生到最终的陆-陆碰撞过程。大别造山带以经历三叠纪超高压变质作用而闻名,而秦岭造山带则记录了多期高级变质作用[1]。北秦岭在古生代造山作用过程中经历了复杂的构造热演化,文献[2]对伴生的岩浆活动开展了详细的年代学研究,但对变质作用时代及性质的研究相对较少,制约了对秦岭造山带构造演化的认识。

位于北秦岭造山带核部的秦岭岩群代表了造山带深部的物质组成,可能记录造山带构造热演化的重要信息[2]。本文对秦岭岩群中黑云斜长片麻岩及侵入其中的长英质脉体进行了详细的野外观察及锆石U-Pb年代学研究,厘定出1期早古生代晚期构造热事件,并探讨了其地质意义。

1 地质背景

秦岭造山带构造单元划分及研究位置如图1所示。

秦岭-大别造山带是华南和华北两大板块碰撞拼合的产物,经历了长期而复杂的构造演化。其中秦岭造山带夹持在洛南—栾川断裂带及勉县—略阳(简称“勉略”)缝合带之间,又被商南—丹凤(简称“商丹”)缝合带分割为南、北秦岭构造带[3]。

LLWF—灵宝—鲁山—武阳断裂 LLF—洛南—栾川断裂

北秦岭构造带地质简图及采样点位置如图2所示(据文献[4]修改)。北秦岭构造带主要由前寒武纪变质基底和新元古代—早古生代蛇绿岩、火山—沉积岩组合构成,被石炭系及二叠系的碎屑沉积岩不整合覆盖。它们可按照地层单元由北向南划分为宽坪岩群、二郎坪岩群、秦岭岩群及丹凤岩群。

宽坪岩群主要由高绿片岩相-低角闪岩相变质岩系组成,原岩为基性火山岩、碎屑岩及碳酸盐岩,曾被认为是华北板块南缘被动大陆边缘沉积或弧后盆地沉积[3,5-6]。但是有研究认为,其由不同时代、不同性质的岩石构成,包括新元古代残余洋壳及古生代沉积岩系[7]。

二郎坪岩群主体由绿片岩相-低角闪岩相变质的基性火山岩、辉绿岩、碎屑岩及硅质岩组成,被认为形成于商丹洋向北俯冲过程中的弧后盆地[8]。

秦岭岩群为一套中高级变质杂岩系,主要由片麻岩、大理岩及角闪岩组成,其南、北两侧均有少量高压-超高压变质岩石出露。片麻岩锆石U-Pb年龄指示秦岭岩群主要形成于晚中元古代-早新元古代[9],并于早古生代遭受了强烈的变质变形改造及岩浆侵位。

丹凤岩群是一套蛇绿岩及岛弧火山岩的构造混杂体,由镁铁质-超镁铁质岩石、碎屑岩、少量碳酸盐及火山岩组成,后期叠加了绿片岩相-角闪岩相的变质作用[4]。

图2 北秦岭构造带地质简图及采样点位置

2 样品及测试方法

商南县清油河乡涧场村河底出露的秦岭岩群由黑云斜长片麻岩及长英质脉体组成。黑云斜长片麻岩与长英质脉体野外接触关系照片如图3所示，显微镜下照片如图4所示。

图3 长英质脉体与黑云斜长片麻岩野外接触关系照片

Pl—斜长石 Kfs—钾长石 Qtz—石英 Bt—黑云母

长英质脉体宽度不一,多在2～50 cm之间,产状与黑云斜长片麻岩总体一致。黑云斜长片麻岩呈深黑色,具有鳞片粒状变晶结构及片麻状构造,定向明显。黑云斜长片麻岩及长英质脉体之间界线时而清晰,时而渐变,黑云斜长片麻岩内偶尔也发育少量极窄的长英质脉体。本次研究分别采集黑云斜长片麻岩(样品编号XS22-3)和约10 cm宽的长英质脉体(样品编号XS22-4)各1件用于年代学研究。

黑云斜长片麻岩矿物组成主要为黑云母(35%)、斜长石(45%)、石英(20%)及少量钾长石。黑云母呈片状,定向排列,大小为0.05～0.20 mm;斜长石他形粒状,粒径为0.10～0.15 mm;石英呈他形粒状,定向拉长,大小为0.05～0.20 mm。

长英质脉体的矿物组成主要为石英(45%)、斜长石(35%)、钾长石(20%)及少量绿帘石。其中斜长石及钾长石颗粒较大,可达1 mm,较自形,斜长石稍有蚀变;石英多呈他形,粒径为0.02～0.10 mm。

锆石分离挑选在河北省廊坊市诚信地质服务有限公司完成,将4～5 kg样品粉碎,经重磁法及电磁法分选后,在双目镜下进行遴选,每个样品挑选200颗以上锆石。锆石颗粒制靶、透反射光及阴极发光(cathodo-luminescence, CL)照相均在重庆宇劲科技有限公司完成。

锆石U-Pb定年在合肥工业大学资源与环境工程学院质谱实验室Agilent 7500a型ICP-MS上进行,采用的激光剥蚀系统为GeoLas 193,剥蚀束斑直径约32 μm,选用标准锆石91500作为外标,每测定5个样品点就测定1次标准锆石91500,每测定10个样品点测1次NIST610玻璃样及年龄监控样PLE。数据分析软件采用ICPMSDataCal9.6[10],单点测试标准差为1σ,加权平均年龄标准差采用2σ。选取谐和度大于90%的数据进行分析。U-Pb谐和图的绘制及加权平均年龄的计算利用Isopolt3软件[11]。对于年龄大于1 000 Ma数据点,采用207Pb/206Pb年龄,小于1 000 Ma的数据点采用206Pb/238U年龄进行分析。

3 测试结果

黑云斜长片麻岩与长英质脉体中代表性锆石CL图像及年龄如图5所示。

图5a～图5g为黑云斜长片麻岩(XS22-3)中的锆石。

图5h～图5j为长英质脉体(XS22-4)中的锆石。黑云斜长片麻岩与长英质脉体锆石谐和年龄如图6所示,加权平均年龄如图7所示。

图7中,MSWD表示平均标准权重偏差(mean standard weighted deviation)。

黑云斜长片麻岩中锆石呈次浑圆状、短柱状或长柱状,锆石宽度为30～60 μm,长度为80～140 μm。CL图像显示锆石具有较为复杂的内部结构,大致可分为3类:

第1类，具有核-边结构,锆石核部振荡环带清晰,具有明亮狭窄的增生边(图5a、图5b),应该是岩浆锆石受变质作用改造所致。

第2类，锆石自形程度较好,具有核-边结构,但锆石核部及边部均发育振荡环带,显示岩浆锆石特征(图5c、图5d)。

第3类，锆石呈他形、面状分带或无分带,呈现出变质流体结晶锆石的特征[12](图5e～图5g)。

图5 黑云斜长片麻岩与长英质脉体中代表性锆石CL图像及年龄

图6 黑云斜长片麻岩与长英质脉体锆石U-Pb年龄谐和图

图7 黑云斜长片麻岩与长英质脉体锆石加权平均成岩年龄

对上述3种锆石共47粒进行了50个测点分析,其中35个点谐和度大于90%。第1类锆石核部锆石及第2类锆石的w(Th)/w(U)在0.11～1.83之间,大部分大于0.4,年龄变化于476～2 181 Ma之间,主要年龄峰值为897 Ma,指示其原沉积岩中有大量新元古代锆石。第3类锆石共获得3个谐和数据年龄,它们的w(Th)/w(U)分别为0.11、0.07、0.09,年龄分别为(435±12)、(433±12)、(418±11) Ma,加权平均年龄为(427±14) Ma,代表变质事件的时间。

长英质脉体锆石的形态较为一致,多呈半自形-自形、短柱状。锆石粒径普遍较小,长轴长度变化于50～100 μm,长宽比为1.2∶1.0～2.0∶1.0。锆石大多具有振荡环带(图5h、图5i),少数锆石无明显分带或呈面形分带(图5j),类似于变质深熔作用过程中释放熔体内的结晶锆石[12]。锆石w(Th)、w(U)变化较小,分别为(15.0～111.0)×10-6、(45.0～144.0)×10-6,并具有较高的w(Th)/w(U)比值(0.33～0.77),应属于岩浆成因锆石。50个分析点中获得45组谐和年龄数据,206Pb/238U年龄集中在(420±12)～(465±16) Ma,加权平均年龄为(442±9) Ma,代表了长英质脉体的结晶时代。

4 讨 论

秦岭岩群记录了多期古生代变质作用,其中高压-超高压变质作用的进变质、峰期变质及角闪岩相退变质阶段分别发生于515、490 Ma及480～470 Ma[13],后期叠加了440～410 Ma中压-高温变质和深熔作用[14]。

本次研究获得的秦岭岩群变质时间为(427±14) Ma,岩浆侵位时间为(442±9) Ma,与文献[14]获得的秦岭岩群中压-高温变质及深熔作用时代440～410 Ma相一致。同时,北秦岭还广泛出露同时期的岩浆岩(420～460 Ma),如灰池子岩体、商南岩体、板山坪岩体等[15]。上述地质事实共同指示秦岭岩群在早古生代晚期曾经历1次强烈的构造热事件。

目前,对于该期构造热事件的发生机制还存在不同认识,主要有以下3种观点:① 超高压岩石的折返[16];② 南、北秦岭陆-陆碰撞[15];③ 商丹洋的北向俯冲[2-3]。文献[16]提出秦岭岩群早泥盆世(400～415 Ma)混合岩化作用,是由华南与华北板块陆-陆碰撞形成的高压-超高压变质岩折返引起的。然而,秦岭岩群高压-超高压变质岩的角闪岩相退变质作用时间明显早于此次变质-深熔作用(约440～430 Ma),因此本期构造热事件与超高压变质岩折返无关。虽然文献[12]的研究指示北秦岭(460～420 Ma)岩浆岩是南北秦岭碰撞过程中加厚地壳部分熔融的产物,但是文献[17]对弧前沉积岩碎屑锆石的年代学研究,将商丹洋的闭合时代限定在晚古生代,即460～420 Ma期间,商丹洋仍在俯冲,南、北秦岭碰撞尚未发生。秦岭岩群出露440～410 Ma高温麻粒岩、混合岩以及岛弧岩浆岩,显示出大陆岩浆弧根部的构造特征[18]。因此,本文支持观点③,即该期构造热事件是商丹洋向北俯冲所导致。变质岩石学方面的研究也认为该期构造热事件是大洋俯冲伴生的“巴罗式”区域变质作用[2]。文献[18]对北秦岭混合岩开展了详细的锆石形貌学、微量元素以及U-Pb年代学研究,提出北秦岭混合岩化发生于455～420 Ma,峰期时间约为435 Ma,也认为该期混合岩化是商丹洋向北俯冲导致的。

5 结 论

(1) 黑云斜长片麻岩的变质时代为(427±14) Ma。

(2) 长英质脉体的形成年龄为(442±9) Ma。

(3) 本次研究认为华南与华北板块之间的商丹洋向北俯冲,导致秦岭岩群在早古生代晚期经历1期强烈的构造热事件,表现中压-高温变质、深熔以及岩浆作用。