北淮阳东端牛王寨岩体年代学及地球化学研究:对大别造山带早白垩世深部地质过程的制约

张靖怡,张 舒,3,张赞赞,汪 晶

(1.安徽省地质调查院,安徽 合肥 230001; 2. 安徽省地质科学研究所,安徽 合肥 230001;3. 自然资源部覆盖区深部资源勘查工程技术创新中心,安徽 合肥 230001)

大别山乃至中国东部早白垩世深部地质过程及其引发的构造体制转换时限和机制,一直是国内外学者研究的热点[1-9]。北淮阳构造带是大别造山带的重要组成部分,在早白垩世发生了强烈的构造-岩浆活动,在特定的构造背景下形成了大量中酸性火山岩-侵入岩[2-3,5-11],查明这些岩浆岩的成岩时代及形成机制,对于进一步研究大别山中生代深部地质过程、厘定区域构造体制转变时限具有重要意义。

牛王寨岩体地处北淮阳构造带最东端,紧邻郯庐断裂带,侵位于毛坦厂组火山岩中,是形成于早白垩世的酸性侵入体。本文应用LA-ICP MS锆石U-Pb测年法,精确测定了牛王寨岩体的形成年龄;通过开展岩浆岩主量元素、微量元素及Sr-Nd同位素特征研究,分析了岩石的类型及成因;结合区域岩浆岩研究进展,对大别山早白垩世岩浆作用及深部过程进行了探讨,这对理解区域早白垩世构造体制转换及岩浆作用过程具有重要参考意义。

1 区域地质背景

大别山位于华北板块与扬子板块之间,是早中生代形成的陆-陆碰撞造山带。大别造山带由南向北可划分为4个构造单元,分别是宿松绿片岩/蓝片岩带(SSB)、南大别高压-超高压变质带(SDC)、北大别正片麻岩带(NDC)和北淮阳构造带(NHY),各个构造带之间通过深大断裂区分[11](图1)。北淮阳构造带位于六安—确山断裂带与晓天—磨子潭断裂带之间,东以郯庐断裂带与长江凹陷带相接,西至南阳盆地,北临华北陆块,南与北大别正片麻岩带毗邻。北淮阳构造带以EW向断裂与NE向断裂为主,形成格子状构造体系。以商城—麻城断裂为界,北淮阳构造带划分为东段(安徽省内)和西段(河南省内),其中东段岩石地层由老到新为新元古代庐镇关岩群、新元古代—早古生代佛子岭岩群、石炭纪杨山群、中生代以来的陆相盆地沉积物。

北淮阳构造带早白垩世岩浆活动极为发育,形成了大量中酸性侵入岩及火山岩。侵入岩主要分布于晓天—柯坦地区和金寨—商城地区,包括闪长岩、石英闪长岩、石英二长岩、石英正长岩、花岗岩、碱长花岗岩及花岗斑岩,响洪甸地区零星分布霓辉正长岩与霞石正长岩(图1)。火山岩主要分布于信阳火山岩盆地、光山—商城火山岩盆地、金刚台地区、晓天—磨子潭火山盆地及霍山—舒城火山岩盆地[5,8]。

①.郯庐断裂带;②.襄樊—广济断裂带;③.阳兴—常州断裂带;④.六安—确山断裂带;⑤.晓天—磨子潭断裂带;⑥.五河—水吼断裂带;⑦.马庙—太湖断裂带;F1.滁河断裂;F2.郯庐断裂带;F3.六安—确山断裂;F4.舒城—信阳断裂;F5.龟山—梅山断裂;F6.晓天—磨子潭断裂;F7.商城—麻城断裂;SSB.宿松片岩带;SDC.南大别高压—超高压变质带;NDC.北大别正片麻岩带;NHY.北淮阳构造带图1 北淮阳地区大地构造位置(a)及早白垩世侵入岩分布图(b)[11]Fig. 1 Simplified map of the tectonic location (a) and the distribution of Early Cretaceous intrusive rocks (b) in North Huaiyang[11]

2 岩石学特征

牛王寨岩体位于柯坦以西,紧邻郯庐断裂带,侵位于早白垩世毛坦厂组火山岩内,西侧与华盖山石英正长岩体呈侵入接触关系。岩体岩性主要为花岗岩(图2),新鲜岩石呈肉红色,半自形粒状结构,块状构造;主要的造岩矿物为钾长石(含量约55%)、石英(含量约30%)、斜长石(含量约10%)及少量角闪石(含量3%～5%);副矿物主要为榍石、锆石、磷灰石等(图3)。钾长石呈半自形短柱状,粒度为1～1.5 mm;斜长石呈半自形—自形长柱状,粒度为(0.5×1～1×2)mm;石英呈他形粒状,粒度为0.5～3 mm;角闪石呈自形-半自形长柱状,粒度0.5×1.5 mm。

图2 牛王寨岩体地质简图Fig. 2 Geological sketch of Niuwangzhai pluton

Q.石英;Am.角闪石;Pl.斜长石;Kf.钾长石;Spn.榍石图3 牛王寨花岗岩手标本照片(a)和显微镜下照片(b, c, d)Fig. 3 Hand specimen photo (a) and micrographs (b, c, d) of Niuwangzhai granite

3 样品采集及测试方法

3.1 样品采集

本次共采集了牛王寨岩体3件新鲜岩石样品,用于主量元素、微量元素及Sr-Nd同位素分析,样品编号及采样位置分别为:DG-1(31°13′20″ N,117°5′5″ E)、DG-2(31°13′27″ N,117°3′7″ E)、DG-3(31°14′31″ N,117°2′6″ E),DG-1同时用于锆石U-Pb同位素定年(图2)。

3.2 测试方法

样品经破碎、淘洗、重选、磁选等标准重矿物分离后,于双目镜下挑选出透明、自形程度较高的锆石制成环氧树脂样品靶,磨至锆石颗粒中心部分后抛光,再进行阴极发光及透反射拍照,选择合适的点位进行激光U-Pb年龄测试。锆石的分选工作在河北省廊坊诚信地质服务有限公司完成,制靶、阴极发光及透反射拍照在中科院地质与地球物理研究所电子探针和扫描电镜实验室完成。锆石U-Pb同位素测年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪上完成。相关分析测试流程及实验仪器参数详见文献[12],分析数据的离线处理及作图分别采用ICPMSDataCal程序[13]和Isoplot程序[14]完成。

全岩主量元素分析测试在核工业北京地质研究所分析测试研究中心完成,实验仪器为Philips PW2404 XRF,测试相对误差<5%。全岩微量元素分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成,实验仪器为ICP-MS,具体实验流程、仪器参数和数据准确度详见文献[15]。Sr-Nd同位素在中国科学技术大学放射性成因同位素地球化学实验室完成,实验仪器为MAT-262质谱仪,分析流程及仪器参数详见文献[16],Sr-Nd同位素的质量分馏分别采用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9校正,Sr-Nd同位素分析精度优于0.003%。

4 测试结果

4.1 锆石U-Pb年龄

本次测试选择的锆石均为无色透明或略显淡黄色,粒度为100～150 μm,呈自形柱状,长宽比为2∶1～3∶1。阴极发光照片(图4)中,锆石具有明显的岩浆振荡环带,无明显的流体蚀变及蜕晶质化现象。锆石Th/U值为1.3～4.9,平均值为2.8(表1)。上述特征指示,本次测试的锆石均为岩浆成因,其结晶年龄可以代表岩体的形成时代。11个锆石测试点的206Pb/238U年龄为(117.1±1.7)～(122.6±4.6) Ma(表1),加权平均年龄为 (119.4±1.5) Ma(MSWD=0.51)(图5)。野外地质特征上,牛王寨岩体侵位于毛坦厂组火山岩中,前人对北淮阳地区火山岩年龄测定结果显示其形成于早白垩世[17],证明了本次测年结果具有一定的可靠性。

图4 牛王寨花岗岩典型锆石阴极发光照片Fig. 4 CL images of the typical zircons from Niuwangzhai granite

表1 牛王寨花岗岩锆石U-Pb年龄测试结果Table 1 Zircon U-Pb dating result of Niuwangzhai granite

图5 牛王寨花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图(a)和加权平均年龄图(b)Fig. 5 Concordia diagram (a) and weighted mean age diagram (b) of zircon U-Pb ages of Niuwangzhai granite

4.2 主量元素

牛王寨岩体主量元素分析结果见表2。岩石SiO2含量为71.98%～77.96%,其他主量元素含量较均一,总体具有低钛(平均含量0.15%)、贫钙(平均含量0.44%)、贫镁(平均含量0.16%)、富碱(平均含量8.79%)的特点,显示出岩浆具有较高的分异演化程度。在TAS图解(图6(a))中,样品投影点落在花岗岩区;在A/NK-A/CNK图解(图6(b))中,样品主要投影点落在准铝质—弱过铝质区。

表2 牛王寨岩体主量元素、微量元素及稀土元素含量及特征参数Table 2 Contents and characteristic parameters of major, trace, and rare earth elements in Niuwangzhai granite

图6 牛王寨花岗岩TAS图解(a)[18]和A/CNK图解(b)[19]Fig. 6 Diagrams of TAS (a)[18] and A/CNK (b)[19] of Niuwangzhai granite

4.3 稀土元素

牛王寨岩体稀土元素分析结果见表2。岩石稀土元素总量∑REE平均为 205×10-6;(La/Yb)N值为10.94～22.30,LREE/HREE值为13.36～17.78,(La/Sm)N值为5.80～11.81,(Gd/Yb)N值为0.63～2.05,显示出岩石相对富集轻稀土元素。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图7(a))上,表现为右倾的轻稀土元素配分曲线和平直的重稀土元素配分曲线,说明轻稀土元素分馏较强,重稀土元素分馏不明显。δEu值为0.24～0.69,平均值为0.43,说明Eu负异常较强。

4.4 微量元素

牛王寨岩体微量元素分析结果见表2。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图7(b))上,岩体富集Rb、Th、K等大离子亲石元素,Ba、Sr显示负异常特征。岩石富集高场强元素Th、U,Zr、Hf显示轻微正异常,Nb、Ta显示轻微亏损。

图7 牛王寨花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)[20]Fig. 7 Chondrite-normalized REE distribution pattern (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of Niuwangzhai granite [20]

4.5 Sr-Nd同位素

牛王寨岩体Sr-Nd同位素组成分析结果见表3。岩体初始87Sr/86Sr值为0.708 28～0.708 41,平均值为0.708 35;εNd(t)值为-18.77～-19.15,平均值为-18.96。牛王寨花岗岩Sr-Nd同位素组成与大别造山带燕山期不具备埃达克岩性质的花岗岩一致[3,8-9, 21-22],显示出其具有相似的源区性质。牛王寨花岗岩Nd同位素模式年龄为1.9～2.0 Ga,两阶段模式年龄为2.4～2.5 Ga,暗示岩浆源区物质具有古老的形成年龄。

表3 牛王寨岩体Sr-Nd同位素组成分析结果Table 3 Sr-Nd isotopic compositions of Niuwangzhai granite

5 讨论

5.1 岩石类型

I-S-A-M型花岗岩分类方案是目前使用最广泛、最有效的花岗岩成因分类体系,可准确区分花岗质岩石的成因类型,有助于识别岩浆源区、重建岩浆演化过程、理解区域大地构造背景及岩石圈的演化特征。在主量元素特征上,A型花岗岩普遍富集Na、K,亏损Mg、Ca、P、Ti,具有较高的Fe/Mg值和A/NK值[23]。牛王寨花岗岩总体贫钙镁,富碱(Na2O+K2O含量为7.66%～9.30%),A/NK值为0.76～0.97,FeOT/MgO值为4.04～39.04(平均值为12.83)。在微量元素特征上,牛王寨花岗岩富集高场强元素,(Zr+Nb+Ce+Y)含量主要为(305～341)×10-6;富集大离子亲石元素Rb,亏损Ba、Sr;10 000×Ga/Al值为2.63～2.82。牛王寨花岗岩稀土元素含量较高,稀土元素配分曲线呈典型的右倾“V”型,上述特征符合A型花岗岩的判别标准。在岩石成因类型判别图解(图8)上,牛王寨花岗岩投影点均位于A型花岗岩区。

(a).FeOT/(FeOT+MgO)-SiO2图;(b).(K2O+Na2O-CaO)-SiO2图;(c).Zr-10 000 Ga/A1图;(d).Nb-10 000 Ga/A1图图8 牛王寨花岗岩成因类型判别图解[23-24]Fig. 8 Petrogenesis discrimination diagrams of Niuwangzhai granite[23-24]

除特定的地球化学指标外,相对I型花岗岩和S型花岗岩,A型花岗岩具有更高的结晶温度[23-24]。本文采用WASTON E B[25]提出的锆石溶解度—饱和温度模拟公式,计算锆石饱和晶出温度集中于782～834 ℃,近似代表牛王寨花岗岩结晶时的温度,该温度与A型花岗岩形成温度较接近[26]。综上所述,认为牛王寨花岗岩属于A型花岗岩。

5.2 岩石成因

A型花岗岩的成因主要有以下类型:幔源玄武质岩浆的分异结晶[27-28];花岗质岩浆抽取后,下地壳岩石的低度部分熔融[23,26];壳幔混合[29];中基性结晶基底或是变沉积岩的部分熔融[24,30]。

牛王寨花岗岩具有较高的(87Sr/86Sr)i值和较低的εNd(t)值,而扬子板块岩石圈地幔具有相对较高的εNd(t)值(图9),因此,牛王寨花岗岩不太可能直接通过幔源玄武质岩浆的分异结晶作用而形成。幔源岩浆在地壳上升过程中,同化混染壳源物质,可以明显降低原始岩浆的εNd(t)值,但壳幔混合的岩浆普遍发育暗色微粒包体和继承锆石。牛王寨花岗岩不发育暗色微粒包体和继承锆石,说明其不是由岩石圈地幔来源的铁镁质岩浆与壳源物质的混合作用形成。

大别造山带低镁及高镁埃达克质岩石数据引自文献[2-3,5-7];北大别片麻岩数据引自文献[9,21];所有数据均回算至牛王寨花岗岩形成时(t=119.4 Ma)的同位素组成图9 牛王寨花岗岩εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解[33]Fig. 9 εNd(t)-(87Sr/86Sr)i diagram of Niuwangzhai granite[33]

牛王寨岩体Sr-Nd同位素组成与中下地壳熔融形成的大别造山带早白垩世低镁埃达克岩相似[3,9,22]。结合牛王寨岩体古元古代亏损地幔Nd模式年龄,推测其可能来源于古老的中下地壳部分熔融。地球化学及变质岩岩石学研究[31-33]表明,大别山中下地壳岩石主要出露于北大别山,岩石类型以条带状片麻岩为主,含少量麻粒岩相岩石。岩石ISr值为0.707 59～0.712 62,εNd(t)值和亏损地幔Nd模式年龄分别为-15.8～-21.9和1.9～2.5 Ga[9,21]。在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解(图9)中,牛王寨花岗岩全部落入北大别片麻岩区,暗示牛王寨花岗岩可能来源于大别山中下地壳的部分熔融。

微量元素特征方面,牛王寨花岗岩具有较低的Sr/Y值和(La/Yb)N值、较高的重稀土元素含量,说明岩浆源区残留相缺少石榴子石;亏损Ba和Sr,具有较强的Eu负异常,反映源区可能残留有斜长石[34]。在中酸性源区熔融时,石榴子石稳定压力低于1.2 GPa,而斜长石稳定压力为1.5 GPa[35],因此,牛王寨花岗岩的形成压力应<1.2 GPa,对应岩浆源区深度应<40 km,这与早白垩世大别山地壳减薄后的厚度(<35 km)一致[4]。实验岩石学研究[36]表明,与北大别片麻岩相似的英云闪长质-花岗质组分作为初始物质,在压力≤1.0 GPa、温度≤950 ℃时,产生熔体的地球化学组分与牛王寨花岗岩吻合。通常,中低压条件下地壳熔融产生的A型花岗岩具有准铝质特征,而高压条件下地壳熔融产生的A型花岗岩具有过铝质特征[37],牛王寨花岗岩准铝质—弱过铝质特征也暗示其源区可能为中下地壳。综上所述,认为牛王寨花岗岩可能是大别造山带中下地壳片麻岩部分熔融的产物。

5.3 早白垩世大别造山带深部过程

大别造山带的形成始于早中三叠世华北板块和扬子板块陆陆碰撞拼合,强烈的挤压及陆内俯冲造成了大别造山带地壳和岩石圈地幔的增厚[1]。研究[5-7]表明,大别造山带内不存在三叠纪及侏罗纪岩浆岩,大别山山前盆地花岗质砾石、碎屑锆石中也未发现三叠纪—侏罗纪结晶年龄,这否定了大别山白垩纪之前的岩浆岩在碰撞造山隆升过程中被强烈剥蚀的假设[8,38]。碰撞造山带的去 “山根”过程普遍伴随强烈的岩浆-成矿活动,白垩纪以前岩浆岩缺失,说明大别造山带的“山根”在早白垩世之前得到保存[1,3]。大别山碰撞后岩浆活动始于约145 Ma,根据大别山早白垩世侵入岩Sr/Y、(La/Yb)N与形成年龄演化曲线图(图10),可以划分为145～130 Ma与130～114 Ma两个阶段[1,3,5-7,12,50-54]。两阶段的岩浆活动很好的记录了大别造山带深部的去 “山根”过程。

大别山早阶段岩浆岩(145～130 Ma)以石英闪长岩-二长闪长岩、二长花岗岩、花岗闪长岩为主,岩石具有低Mg、高Sr低Y、亏损HREE、高Sr/Y值和(La/Yb)N值(图10)、缺少Eu负异常的特点,呈现类似埃达克岩的特征[2,8,22,43]。早阶段岩浆岩地球化学属性指示其源区部分熔融时存在石榴子石、金红石的残留相,不存在斜长石的残留[1,3,44]。大别造山带加厚(>50 km)的榴辉岩相铁镁质下地壳是早阶段类埃达克质岩石的主要源区[1,3,22];加厚的岩石圈地幔突出部位的去除及岩石圈底界的抬升,导致岩石圈地热率升高,为加厚下地壳的部分熔融提供了热源[1]。此时,虽然大别山还存在较厚的地壳,但软流圈的上升造成岩石圈的松弛和伸展作用的开始,因此,约145 Ma埃达克质岩浆侵位活动的爆发即代表大别山构造体制已由造山挤压汇聚向伸展转换[8,10]。

大别山晚阶段岩浆岩(130～114 Ma)以铁镁质-超铁镁质岩、碱性岩、花岗质侵入岩及安山质火山岩为主[5-7]。与早阶段岩石相比,包括牛王寨花岗岩在内的晚阶段中酸性侵入岩,具有更高的Si和K含量,Sr/Y和(La/Yb)N值显著降低(图10),Eu、Sr、Ti呈明显的负异常,HREE含量相对升高[1,5-6,39,41]。结合Sr-Nd同位素特征分析,晚阶段中酸性侵入岩是大别造山带地壳减薄到<35 km时,中下地壳中酸性片麻岩部分熔融的产物[1,9,21-22]。此时(130～114 Ma),大别造山带已不发育埃达克质岩浆活动,暗示加厚的下地壳已发生拆沉[1-2,44]。拆沉引发的软流圈上涌,为晚阶段壳源岩浆的活动提供了热源。同时,上涌的富集地幔部分熔融,形成了大别造山带130～114 Ma广泛分布的幔源铁镁质-超铁镁质岩、碱性岩以及安山质火山岩[17,41-42,45,47]。不仅在大别山地区,大别山东南侧的庐枞地区、沿江地区、江南古陆及华南板块均存在130～120 Ma伸展体制下形成的A型花岗岩、碱性岩[48-49],暗示大别山在130 Ma之后可能已脱离了碰撞造山构造旋回,而受控于中国东部统一的伸展构造事件[8]。

图10 大别山早白垩世侵入岩Sr/Y (a)和(La/Yb)N(b)与形成年龄演化曲线图[5,8,10,22,39-49,51-54]Fig. 10 Evolution of Sr/Y (a) and (La/Yb)N(b) ratios of Early Cretaceous intrusive rocks in Dabie Orogen with crystallization ages[5,8,10,22,39-49,51-54]

6 结论

(1)LA-ICP MS锆石U-Pb定年结果显示,北淮阳东端牛王寨花岗岩形成于(119.4±1.5) Ma,属于大别造山带早白垩世晚阶段岩浆活动的产物。

(2)牛王寨花岗岩高硅、富碱,富集高场强元素,富Rb、贫Ba和Sr,具有显著的Eu负异常,10 000×Ga/Al值为2.63～2.82,表明其属于A型花岗岩。

(3)牛王寨花岗岩起源于中下地壳中酸性片麻岩的部分熔融。约130 Ma时大别造山带加厚下地壳拆沉引发的软流圈上涌,为中下地壳的部分熔融提供了热源。