太行山南段安林地区侵入岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其构造意义

余智慧，吴园园，王巧玲，王剑锋，陈昊龙，王明明，祝少辉，陈春景，王昊，袁要伟，李玉芹

1) 河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，郑州，450016;2) 河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，郑州，450016

内容提要:太行山南段安林地区中生代侵入岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年表明侵入岩形成于129.1±1.0～129.7±1.1 Ma，属于早白垩世，与太行山其他地区乃至整个华北地区侵入杂岩体具有相近的形成年代，表明在晚中生代太行山地区与华北地区经历了相同的地球动力学背景和构造环境，即南太行山地区处于华北克拉通岩石圈减薄范围之内。安林地区中生代侵入岩轻稀土总量(LREE平均为113.71×10-6)明显高于重稀土总量(HREE平均为11.97×10-6)，具有相对明显的富集轻稀土元素的右倾型配分形式、Eu的弱正异常及大离子亲石元素相对富集的特征，且具有Sr、Ba含量高、Sr/Y、(La/Yb)N比值高的特征，表明壳幔岩浆混合是太行山南段安林地区中生代岩浆作用的主要成因机制。

针对华北克拉通内部的南太行山地区中生代侵入岩，很多学者开展了一定的岩石(相)学、元素地球化学、岩石成因等研究工作(黄福生等，1990；许文良，1991；宋新宇等，1999；罗照华等，1999；陈斌等，2002；董建华等，2003；Zhang Hongfu et al.,2004)，但系统的年代学及岩石地球化学研究仍很薄弱，对太行山中生代岩浆岩岩石成因及其所揭示的构造意义仍有不同的见解(许文良，1991；陈斌等，2002；董建华等，2003；Zhang Hongfu et al.,2004)。区内岩浆岩精细年代学和对其岩石成因机制的不同理解，制约着对南太行山地区乃至华北克拉通内部中生代岩浆作用时空格局、岩石圈地幔演化及其动力学机制的深入理解(彭头平等，2004)。为此，笔者等在进行“任村幅、岳城幅1∶5万区域地质、战略性矿产远景调查”时，重点以中生代侵入岩为研究对象，在南太行安阳—林州一带(安林地区)开展了详细的野外观察和室内岩石学、地球化学研究以及LA-ICP-MS(激光剥蚀等离子体质谱)锆石U-Pb法同位素年龄测定，并研究了其岩石学、地球化学特征，探讨了形成时间和岩浆成因及构造意义等有关问题。

1 区域地质概况和岩石学特征

太行山南段地处太行山背斜隆起带南端，主要包括南太行山的邯郸—邢台地区及安林地区。该地区发育了中基性侵入岩系，该岩系主要分布于邯郸—邢台—平顺和安阳—林州，分布面积较广，空间上呈NNE向带状分布，多呈岩盖、岩床和岩株形式产出。中生代侵入岩主要与奥陶系灰岩、白云质灰岩、白云岩呈侵入接触，在接触位置多形成矽卡岩型铁矿。

图1 安林地区侵入岩地质简图(据任村幅、岳城幅1∶5万区域地质、战略性矿产远景调查报告)Fig.1 Geological Sketch of intrusive rocks in Anlin area(modified from the 1∶50000 regional geological and strategic mineral prospect survey report of Rencun and Yuecheng sheets)

根据1∶5万任村幅、岳城幅区域地质调查可知，在安林地区出露的侵入岩主要由闪长岩类组成，根据岩石结构、构造及矿物成分的含量，将安林地区侵入岩岩性划分为闪长岩、闪长玢岩和二长闪长岩。另外，本文中当闪长岩中角闪石矿物含量大于斜长石，将其命名为角闪闪长岩。岩石中多见基性包体，包体大小通常为几厘米至几十厘米，与寄主岩石的界线变化较大，有的界线清楚分明(图2a)，也可见模糊的逐渐过渡边界(图2b)。岩石学特征分述如下。

闪长岩：岩石为灰白色，似斑状结构或基质半自形粒状结构，块状构造。主要成分为斜长石和普通角闪石。斜长石为板状，板粒状晶体，粒度多在0.2～0.7 mm，含量40%～50%，最多达60%。普通角闪石为柱状纤柱状晶体，粒度多在0.2～4.5 mm，含量25%～28%，多者达35%，少者仅15%(图2c)。

闪长玢岩：岩石为斑状结构，基质为细粒结构，块状构造。斑晶为角闪石和斜长石，斜长石斑晶呈自形板状，大小为(0.28～2.6)×(0.48～3.2)mm2，部分斜长石隐约具聚片双晶，含量30%～35%，多者达55%。角闪石斑晶呈柱状，大小为(0.2～0.4)×0.4 mm2，绿色，具多色性，颜色不均匀，闪石式解理发育，角闪石具绿泥石化、黑云母现象，含量10%～15%。基质成分为斜长石和角闪石等，斜长石呈粒状，大小为(0.12～0.2)×0.4 mm2，含量15%～44%，具绢云母化现象，部分颗粒隐约可见聚片双晶。角闪石呈粒状、柱状，大小为(0.08～0.2)×0.4 mm2，部分颗粒可见闪石式解理，切面上较混浊，绿色，颜色不均匀，部分褪色，具绿泥石化现象，颗粒晶形不完整，颗粒边界不清，局部角闪石与斜长石混杂不清，含量10%～15%。石英呈他形粒状，大小为0.04～0.08 mm，不均匀分布于斜长石、角闪石粒间(图2d)。

角闪闪长岩：岩石为灰绿色，半自形粒状结构，块状构造。主要成分为斜长石和角闪石。斜长石呈半自形板状，大小为(0.2～0.6)×1.4 mm2，具绢云母化和绿帘石化现象，少量绿帘石呈粒状与绢云母混杂分布，部分斜长石隐约可见聚片双晶，含量约25%～30%。角闪石呈粒状、柱状，大小为(0.12～0.6)×(0.2～3.4)mm2，含量55%～64%，最高达71%(图2e)。

图2 安林地区闪长岩类岩石野外照片及镜下照片：(a、b)野外照片；(c)闪长岩；(d)闪长玢岩；(e)角闪闪长岩；(f)二长闪长岩Fig.2 Field photos and microscopic photos of diorite rocks in Anlin area：(a)，(b)field photos；(c) diorite;(d) diorite porphyrite;(e) hornblende;(f) monzodiorite

二长闪长岩：半自形粒状结构，块状构造。主要成分为斜长石、角闪石和钾长石。斜长石呈半自形板状，大小为(0.2～1.28)×(0.4～4.0)mm2，含量45%～55%，绢云母呈显微鳞片状集合体叠加于斜长石切面上，绿帘石混浊不清，呈粒状集合体分布于斜长石切面上。部分斜长石隐约具聚片双晶，部分斜长石具环带构造，为中性斜长石。斜长石与角闪石混杂分布。角闪石呈柱状、粒状外形，大小为(0.2～0.4)×2 mm2，含量30%～40%，部分颗粒可见闪石式解理，切面上较混浊，绿色，颜色不均匀，部分褪色，具纤闪石化、绿泥石化现象，部分颗粒晶形不完整，颗粒边界不清，局部角闪石与斜长石混杂不清。钾长石呈粒状，大小为0.4～1.4 mm，含量10%～15%，切面上较混浊，具泥化现象，具条纹构造。部分钾长石颗粒较大呈基底状，斜长石呈嵌晶状分布其中(图2f)。

2 测试方法

2.1 全岩化学分析

选取较新鲜样品并磨制薄片，在显微镜下对所选岩石样品薄片进行观察，挑选出新鲜的样品。将样品研磨至200目以下，用于全岩、主量及微量元素分析，岩石样品的全岩化学分析在河南省岩石矿物测试中心完成。主量元素采用iCAP6300 Radial等离子体发射光谱仪及UV1902PC 紫外可见分光光度计分析，稀土元素和微量元素采用XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪、ZSX100e X射线荧光光谱仪、JP-2示波极谱仪及WP1光栅摄谱仪测定，检查环境温度为20℃，湿度为 66%。元素分析相对误差小于5%。

2.2 锆石U-Pb测年

定年测试所采岩石样品均比较新鲜，选取了2个样品用于锆石U-Pb 定年测试，锆石分选、样品制耙及LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析方法：在河北省地质测绘院进行碎样，按常规的重力和磁选方法对锆石单矿物进行分离，然后选出晶形完好，具有代表性的锆石粘贴在环氧树脂靶表面，打磨抛光露出锆石的表面。其后通过扫描电镜进行阴极发光照相(CL)，以了解锆石内部生长及后期变化结构(宋彪等，2002)。锆石的阴极发光(CL)显微照相由北京奥金顿科技有限公司完成。锆石LA-ICP-MS U-Pb测年由中国地质科学院矿产资源研究所完成，采用激光探针等离子体质谱法(LA-ICP-MS)，由ICP-MS和激光剥蚀系统联机完成。

3 分析结果

3.1 地球化学特征

3.1.1主量元素

岩石中SiO2含量为49.32% ～72.96%，平均为59.27%(表1)，属于基性—中酸性岩系列。Al2O3含量较高，为11.79%～17.78%，K2O含量为0.2%～5.05%，Na2O含量为2.31%～7.73%，K2O+Na2O含量为3.86%～8.91%，平均7.02%，除XT10样品的K2O/Na2O大于1，其余样品均小于1，显示出富钠而贫钾的特点。岩石里特曼指数σ为2.19～4.56(3.3左右)，在火山岩全碱—二氧化硅(TAS)图解分类中(图3a)，样品在碱性系列与亚碱性系列均有分布，全部样品均落在碱性和亚碱性系列分界线附近，从图解中可以看出，岩石中的硅碱组分具有明显的正相关性，随着岩浆演化，分异熔体中的SiO2和(K2O+Na2O)含量逐渐增高，硅碱组分间的良好线性关系表明，岩浆演化过程中的成分变异主要受矿物分离结晶作用控制，同时也说明和矿物分离结晶作用相比，同化混染作用极其微弱(许文良等，1990)。岩石A/CNK=0.54～1.03，A/NK=1.27～2.22，显示出偏铝质岩浆的特征，在A/NK—A/CNK图解中(图3b)，大部分样品均投影到偏铝质系列中。因此，安林地区侵入岩属亚碱性偏铝质花岗岩类。

图3 安林地区侵入岩岩石化学分类判别图解(a，据 Rickwood,1989；b,据 Maniar,1989)Fig.3 Petrochemical classification and discrimination diagram of intrusive rocks in Anlin area (a,after Rickwood,1989;b，after Maniar,1989)

表1 安林地区闪长岩类的主量、微量和稀土元素分析结果Table 1 Analysis results of major elements,trace elements and rare earth elements of diorite in Anlin area

样号XT05XT07XT08XT10XT13XT16XT18TW05TW06XT27XT29XT34XT42XT44XT47岩性角闪二长闪长岩闪长岩角闪二长闪长岩角闪石英闪长岩角闪闪长岩闪长玢岩二长闪长岩二长闪长岩角闪二长闪长岩闪长玢岩石英二长闪长玢岩闪长玢岩角闪闪长岩闪长岩角闪闪长岩Hf5.02 6.77 4.76 4.35 5.07 2.83 6.16 6.23 6.10 4.34 5.22 4.57 3.78 3.26 3.10 Ta0.23 0.26 0.25 0.92 0.16 0.25 0.26 0.29 0.23 0.20 0.29 0.21 0.29 0.30 0.27 Th2.33 2.19 1.97 11.6 1.80 3.43 8.03 8.26 3.29 1.56 4.53 1.87 1.74 1.41 2.05 U0.58 0.77 0.67 2.36 0.43 1.00 1.85 2.14 1.01 0.52 1.22 0.54 0.24 0.64 0.32 Ba281112272847011053521142174711448491338518494277360V89.813612479.315910111712311710658.768.618067.7153Mo0.28 0.54 0.43 0.23 0.12 0.11 0.16 0.32 0.31 0.13 0.16 0.24 0.18 0.26 0.14 W0.13 0.14 0.20 0.49 0.11 0.59 0.12 0.25 0.15 0.12 0.12 0.19 0.14 0.18 0.21 Sn1.08 1.18 1.09 1.16 1.12 1.16 1.16 1.02 1.08 1.08 1.12 1.08 1.19 1.08 1.24

3.1.2稀土元素和微量元素

从稀土元素分析结果表(表1)看出，稀土总量变化于78.66×10-6～223.47×10-6，平均为125.68×10-6，轻稀土总量(LREE平均 为113.71×10-6)明显高于重稀土总量(HREE平均为11.97×10-6)，在球粒陨石标准化稀配分图中(图4a)，具有相对明显的富集轻稀土元素的右倾型配分形式(LREE/HREE变化于6.49～12.30，平均为9.35)，轻重稀土分馏较为明显，(La /Yb)N变化于7.32～19.31，平均为10.86，轻稀土分馏程度大于重稀土，(La/Sm)N变化于2.17～4.81，平均为3.39，(Gd /Yb)N变化于1.67～2.93，平均为2.03。Eu具有较为微弱的正异常 (δEu为0.68～1.31，平均为1.10)。

图4 安林地区侵入岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式 (a,据 Boynton,1984)和 微量元素原始地幔标准化蛛网图 (b,据 Sun and McDonough,1989)Fig.4 Standardized REE chondrite distribution pattern of intrusive rocks in Anlin area (a)(after Boynton,1984) and standardized spider web diagram of trace element primitive mantle (b) (after sun and McDonough,1989)

从微量元素分析结果表(表1)结合原始地幔标准化的蛛网图(图4b)可以看出岩石相对富集大离子亲石元素，相对亏损高场强元素Zr、Hf，而强烈亏损高场强元素Nb、Ta、Ti。

3.2 LA-ICP-MS锆石U-Pb测年

选取用于锆石U-Pb 定年测试的2个样品采自东冶岩体。TW05及TW06样品分别选取17颗锆石作为测点。所测锆石呈透明柱状，晶型较好，长宽比多为2∶1～3∶1，锆石具典型的明暗相间的振荡环带结构，表明其属于岩浆结晶的产物(吴元保等，2004)；锆石的Th、U含量分别为244×10-6～5928×10-6、211×10-6～1858×10-6，Th/U值1.0～3.3，均大于0.5(表2)，进一步说明了锆石属于典型岩浆成因范围(李志昌等，2004)。在锆石U-Pb年龄n(206Pb)/n(238U)—n(207Pb)/n(235U)谐和图中(图5)，大部分数据点均分布在谐和线上，n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄分别为129.1±1.0 Ma、129.7±1.1 Ma 而在南太行符山岩体和东冶岩体获得的SHRIMP锆石U-Pb年龄分别为126.7±1.1 Ma、125.9±0.9 Ma(彭头平等，2004)，在邯邢杂岩获得的SHRIMP锆石U-Pb年龄为135.0±2.7 Ma(周凌等，2005)，在太行山北段大河南岩体和涞源杂岩体获得的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为136.3±2.5 Ma～147.4 Ma(王霞，2012)。可以看出，本文所得的年龄与太行山一带同时期的岩浆活动时期基本一致，所测年龄值数据可信，代表了岩浆结晶侵位年龄，岩体形成时代属于早白垩世。

图5 安林地区侵入岩锆石U-Pb年龄谐和图(TW05、TW06)Fig.5 The U-Pb concordia diagram of zircon from intrusive rocks in Anlin area (TW05,TW06)

表2 太行山南段安林地区侵入岩L A-ICP-MS锆石U-Pb测年分析结果表Table 2 LA-ICP-MS U-Pb dating results of zircons from the intrusive rocks in Anlin area，southern part of Taihang Mountains

4 讨论

4.1 岩浆源区及岩石成因

4.1.1岩浆源区

如前所述，安林地区岩体的岩石属亚碱性偏铝质花岗岩类，相对富集大离子亲石元素，相对亏损高场强元素Zr、Hf，而强烈亏损高场强元素Nb、Ta、Ti，轻稀土总量明显高于重稀土总量，具有相对明显的富集轻稀土元素的右倾型配分形式，轻重稀土元素分馏明显，Eu具有较为微弱的正异常，表明岩石具岛弧型花岗岩的特征,说明源岩可能来自岛弧型火山岩的部分熔融或是岛弧型的火山岩同源岩浆演化的产物。在SiO2—Y图解(图6a)及SiO2—Zr图解中(图6b),样品全部落入Ⅰ型花岗岩的岩区。在构造环境Rb—(Y+Nb)判别图解和Ta—Yb判别图解上(图7a、b)，样品全部落入火山弧花岗岩区域，以上岩石学特征表明安林地区岩浆岩的岩石属Ⅰ型花岗岩，岩石的成因与洋壳的俯冲作用存在密切的联系。

图6 安林地区侵入岩A、I型花岗岩Y—SiO2判别图解(a)和Zr—SiO2判别图解(b)(据Collons et al.,1982)Fig.6 Y—SiO2 discrimination diagram (a) and Zr—SiO2 discrimination diagram (b) (from Collons et al.,1982)of intrusive rock A and I-type granite in Anlin area

图7 安林地区侵入岩构造环境Rb—(Y+Nb)判别图解(a)和Ta—Yb判别图解(b)(据Pearce et al.,1984)Fig.7 Rb—(Y+Nb)(a)and Ta—Yb discrimination diagram(b) of intrusive rock tectonic environment in Anlin area (after Pearce et al.,1984)VAG—火山弧；syn-CLOG—同碰撞；WPG—板内；ORG—洋中脊VAG—volcanic arc;syn-CLOG—co collision;WPG—intraplate;ORG—ocean ridge

4.1.2岩石成因

对于太行山中生代侵入岩岩石成因，地质学者一直存在不同的看法，有人认为系幔源基性岩浆和壳源花岗质岩浆混合而成(Chen Bin et al.,2004，2006)，有人认为系年轻的底侵基性下地壳部分熔融而成(蔡剑辉等，2003)。本文根据最新获得的数据对太行山中生代岩浆成因提出新的解释。

根据Hanck图解(图8)，岩体Fe2O3、MgO、CaO、TiO 和MnO随SiO2质量分数增加而逐渐减少，即呈负相关性。考虑到Fe、Mg、Ca、Ti和Mn分别主要赋存在橄榄石、辉石和铁钛氧化物中﹐因此,Fe2O3、MgO、CaO、TiO 和MnO与SiO2质量分数间的相关变化应该是由橄榄石、辉石和铁钛氧化物的分离结晶作用引起,同时也得到了Al2O3与SiO2质量分数成正相关关系的支持(董建华等，2003)，说明岩浆演化以结晶分异为主(张海东等，2014；权瑞等，2015)。同时，根据角闪石矿物学分析，不同岩性中的角闪石的组成变化范围不存在明显的差异，说明这些角闪石的组成变化不是由岩浆的成分差异引起的，而是由于结晶深度的改变引起的(牛利锋等，2005)。

图8 安林地区侵入岩Harck图解(a)—(f)Fig.8 Harck diagram(a)—(f) of intrusive rocks in Anlin area

根据前述岩石特征可知，安林地区侵入岩普遍见有暗色微粒铁镁质基性包体(MME)，包体的锆石U-Pb SHRIMP年代学数据显示包体形成于约126 Ma，大致与寄主岩石同期形成，由于锆石具有明显的岩浆振荡生长环带，因此，测年结果代表了岩浆结晶年龄。这一结果表明基性岩浆和中酸性岩浆几乎是同时活动的，支持该区中生代侵入岩属于壳幔岩浆混合成因(陈智超等，2007)。根据本文最新的岩石地球化学分析成果知，太行山安林地区中生代岩浆岩轻稀土总量(LREE平均为113.71×10-6)明显高于重稀土总量(HREE平均为11.97×10-6)，具有相对明显的富集轻稀土元素的右倾型配分形式和Eu的弱正异常及大离子亲石元素相对富集的特征，且具有Sr、Ba含量高、Sr/Y、(La/Yb)N比值高(图9)的特征。这是因为富集地幔发生熔融通常在深部地幔，在地幔岩部分熔融过程中Sr是不相容元素(斜长石不稳定)，而石榴子石可能是源区的重要残留相。因此，作为富集地幔岩小程度部分熔融的产物，这些基性幔源岩浆不但比较富钾和Sr、Ba等元素﹐而且强烈富集轻稀土而亏损重稀土。这些来自富集地幔的基性岩浆的混合是造成上述太行山中生代岩浆岩特征的主要原因(陈斌等，2005a，b，2006)。这也说明安林地区侵入岩不是与陆壳加厚背景下基性下地壳部分熔融有关，而是与来自富集地幔的基性岩浆的混合有关(陈斌等，2002；董建华等，2003)，应该有大量来自相当富集地幔源区部分熔融岩浆的加入；Nb、Ta、Ti 等高场强元素相对于其他元素发生明显的亏损，说明岩浆在上升侵位过程中受到了地壳物质的混染(刘建朝等，2009)。

图9 安林地区侵入岩Sr/Y—Y图解(a)及(La/Yb)N—(Yb)N图解(b)Fig.9 Sr / Y—Y diagram (a) and (LA / Yb)N — (Yb) N diagram (b) of intrusive rocks in Anlin area

因此，笔者等认为壳幔岩浆混合是太行山安林地区中生代岩浆作用的主要成因机制。

4.2 构造意义

华北克拉通自中生代以来进入强烈的构造活跃阶段，表现为大规模岩浆活动和盆地发育。许多岩石学﹑地球化学和地球物理资料都一致表明，该区岩石圈地幔自中生代以来发生了大规模减薄作用。但对华北克拉通内部岩石圈减薄的动力学机制和岩石圈减薄的范围、时序仍有着不同的见解(吴福元等，2008)。目前比较认可的观点是华北克拉通岩石圈减薄事件主要集中在120～135 Ma，岩石圈减薄的范围主要集中在华北克拉通东部地区，太行山地区岩石圈减薄不明显且岩浆活动较早。笔者等研究表明安林地区岩体形成于129.1±1.0 Ma～129.7±1.1 Ma间，与华北地区其他岩体形成年代一致,说明安林地区在早白垩世与华北地区具有相同的地球动力学背景和构造环境，即南太行山地区处于华北克拉通岩石圈减薄范围之内。

5 结论

(1)LA-ICP-MS锆石 U-Pb年代学表明，安林地区中生代岩浆岩年龄为129.1±1.0 ～129.7±1.1 Ma，代表岩石的成岩年龄，属于早白垩世。

(2)根据地球化学特征可知，安林地区岩浆岩的岩石属Ⅰ型花岗岩，岩石的成因与洋壳的俯冲作用存在密切的联系。笔者等认为壳幔岩浆混合是太行山安林地区中生代岩浆作用的主要成因机制。

(3)安林地区侵入岩形成于早白垩世，与华北地区其他岩体形成年代一致,说明安林地区在早白垩世与华北地区具有相同的构造环境和地球动力学背景﹐即南太行山地区处于华北克拉通岩石圈减薄范围之内。