黄梅县婆婆寨岩体锆石U-Pb年代学及岩石地球化学特征研究

钟石玉，徐 浩*，汤 旋，胡太平，杨 成，王小敏，阮业东，黄 丽

(1.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质局 第一地质大队，湖北 大冶 435100)

1 区域地质与岩体地质特征

婆婆寨岩体所在区域属于秦岭褶皱系桐柏—大别中间隆起带大别山复背斜东段浠水褶皱束东端，郯庐断裂带与襄樊—广济断裂带交汇的北部(图1)[5-7]。

图1 区域地质图[5-7]

区域上出露的地层主要是前寒武系变质岩系，有新元古界武当群、红安岩群，古元古界大别岩群及白垩系—古近系湖盆沉积。区内脆性断裂发育，规模较大，按走向可分为NW、NE向，属襄樊—广济断裂带与郯庐断裂带的次生构造。区内岩浆岩分布广泛，岩性从超基性到酸性均有出露，其中超基性—基性岩体受断裂控制明显。岩浆侵入活动大致可分为扬子期和燕山期，其中以燕山期最为发育，一般岩体规模较大，在平面上呈圆形或不规则状，受NE、NW向两组断裂带的联合控制。

婆婆寨岩体呈NE—SW向展布，受NW、NE向两组断裂构造影响，普遍具一定程度的碎裂岩化，岩石中裂隙较发育部位可见绢云母化、高岭土化、黄铁矿化、绿泥石化、钾化、钠化、硅化等蚀变。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

用于锆石U-Pb年代学测试与全岩分析的两件样品PPZ01、PPZ02均取自于X234公路边，具体采样位置见图1。手标本呈浅肉红色，具细粒结构，碎裂状构造，主要由钾长石、斜长石、石英及少量黑云母组成，局部见有白云母，粒径0.5～1.5 mm(图2)。

图2 婆婆寨正长花岗岩手标本照片

经镜下鉴定，岩性为碎裂岩化正长花岗岩，具半自形细粒状结构、显微碎裂构造(图3)。岩石由碱性长石(55%±)、斜长石(15%±)和石英(25%±)、黑云母(<1%)、绢云母(3%±)、黄铁矿(<1%)组成。碱性长石基本为条纹长石，其次为零星的微斜长石。条纹长石碎裂纹发育，呈半自形碎板状，部分晶粒破碎位移，板长一般为0.6～1.0 mm。斜长石呈半自形板柱状、碎粒状，粒径为0.2～0.5 mm，有的晶粒产生错动位移。石英呈他形粒状彼此镶嵌，粒径一般为0.1～0.3 mm，经历了重结晶作用。被压碎细粒化的长石和石英粒径为0.02～0.06 mm，分布于长石和石英边缘。鳞片状的绢(白)云母分布于矿物晶粒裂隙及岩石显微裂隙中。他形粒状的黄铁矿稀疏散布于长石粒间。副矿物有锆石、钍石、褐铁矿、钛铁矿等。岩石中黑云母可见绿泥石化。

Per.条纹长石；Pl.斜长石；Qz.石英

2.2 样品测定方法

2.2.1全岩地球化学分析

两件样品的全岩地球化学分析由湖北省地质实验测试中心完成。主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)测定，微量元素由电感耦合等离子体全谱直读光谱法与电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)结合测定，稀土元素则由电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定。

2.2.2锆石靶制备

样品经逐级粉碎后，由人工淘洗分选，并在镜下选出晶形完好的锆石颗粒。选出的锆石颗粒置于环氧树脂中，被研磨抛光至一半，使其内部暴露。在自然资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室的电子探针实验室进行锆石的阴极发光和背散射电子图像分析，分析时电压20 kV、电流50 mA[8-9]。

2.2.3LA-ICP-MS分析

锆石U-Pb定年及微量元素含量分析是在湖北省地质实验测试中心岩石矿物研究室完成的。锆石微量元素定量计算时以NIST 610作为外标、Si作为内标。锆石U-Pb定年分析同位素分馏校正时以锆石标准年龄物质91500作为外标，每分析6～8个样品点后分析2次91500。样品测试时，背景信号采集10 s，样品剥蚀时长40 s，管路吹扫时长10 s，信号采集时间总共为60 s。对样品的同位素比值、元素含量的处理分析、加权平均年龄的计算及锆石年龄谐和图的绘制分别采用ICPMSDataCal 9.0、Isoplot 3.0来完成[10-11]。

3 锆石U-Pb定年结果

用于测试的锆石颗粒如图4所示，发育微裂隙，为自形—半自形双锥长柱状，晶体整体长宽比一般约为2∶1，粒径较小且均匀，大小为0.05～0.15 mm。大部分锆石发育较完好清晰的振荡环带，显示岩浆成因锆石特征；少数锆石发育斑杂状分带的内部结构，显示变质重结晶特征；还有少量锆石因微裂隙发育，边部可见海绵状分带现象[12-15]。锆石外形与内部结构特征指示婆婆寨正长花岗岩成岩后因受后期构造影响，锆石中发育有微裂隙，后期热液或流体沿微裂隙与锆石矿物发生了化学反应。

图4 婆婆寨正长花岗岩锆石阴极发光(CL)图像

本文分别对两个样品中锆石振荡环带部位各24个测点进行了U-Pb同位素分析，测试分析结果见表1，结果显示其U、Th含量较高，其中样品PPZ01中锆石的Th/U值为0.92～2.14，样品PPZ02中锆石的Th/U值为0.94～2.00，显示出岩浆锆石典型的Th/U比值特征。

在对两个样品锆石各24个测点U-Pb同位素分析结果进行数据处理时，考虑到可能受变质重结晶作用影响导致放射性成因铅丢失，造成测点年龄不谐和等因素，除去了数据质量较差、可信度较低的测点，经校正后的有效测点见表1。可以看出，样品PPZ01锆石的206Pb/238U年龄在(804.3±17.4)～(766.2±35.6)Ma，获得的锆石加权平均年龄为(792.7±5.9)Ma(MSWD=0.19)(图5)；样品PPZ02锆石的206Pb/238U年龄在(787.7±11.2)～(763.2±14.5)Ma，获得的锆石加权平均年龄为(780.1±5.5)Ma(MSWD=0.15)(图6)。表明婆婆寨正长花岗岩成岩时间为(792.7±5.9)～(780.1±5.5)Ma，为青白口纪侵入岩。

表1 婆婆寨正长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学分析结果

图5 样品PPZ01锆石U-Pb年龄谐和图

图6 样品PPZ02锆石U-Pb年龄谐和图

4 元素地球化学特征

4.1 主量元素

样品主量元素分析结果见表2。在侵入岩全碱—硅(TAS)分类图解(图7)上，两件样品均落入花岗岩范围内，且均位于Irvine分界线以下，利特曼指数δ均<3.3，表明婆婆寨正长花岗岩属于亚碱性系列岩石。

Ir.Irvine分界线，上方为碱性，下方为亚碱性；1.橄榄辉长岩；2a.碱性辉长岩；2b.亚碱性辉长岩；3.辉长闪长岩；4.闪长岩；5.花岗闪长岩；6.花岗岩；7.硅英岩；8.二长辉长岩；9.二长闪长岩；10.二长岩；11.石英二长岩；12.正长岩；13.副长石辉长岩；14.副长石二长闪长岩；15.副长石二长正长岩；16.副长石正长岩；17.副长石深成岩；18.霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩

表2 婆婆寨正长花岗岩主量元素分析表

婆婆寨正长花岗岩SiO2含量为73.87%～74.50%，均值为74.19%；Al2O3含量为14.00%～15.60%，均值为14.80%；CaO含量为0.11%～0.17%，均值为0.14%；MgO含量为0.17%～0.20%，均值为0.19%；K2O含量为5.45%～5.74%，均值为5.60%；Na2O含量为2.83%～3.65%，均值为3.24%；K2O+Na2O=8.57%～9.10%，均值为8.84%；K2O/Na2O=1.49～2.03，均值为1.76，均>1.0。以上数据显示婆婆寨正长花岗岩具有高硅高铝富碱低镁低钙的特征。

婆婆寨正长花岗岩分异指数DI值为92.64～94.62，较高的分异指数表明岩浆演化较彻底；在SiO2-K2O图解(图8)中，婆婆寨正长花岗岩落入钾玄岩系列区域；婆婆寨正长花岗岩A/CNK值为1.15～1.41，具弱过铝质特征；在A/NK-A/CNK图解(图9)上，样品均落在弱过铝质岩石区域。综上认为，婆婆寨正长花岗岩经历了较高的分异演化，属于弱过铝质钾玄岩系列。

图8 婆婆寨正长花岗岩SiO2-K2O图解

图9 婆婆寨正长花岗岩A/NK-A/CNK图解

4.2 微量元素

结合微量元素数据(表3)及原始地幔标准化蛛网图(图10)显示，婆婆寨正长花岗岩具有较高含量的Rb、Zr、Hf、U、Th，贫Ba、Nb、Sr、P、Ti、Cr、Ni等，这与典型的A型花岗岩所具有的微量元素特征相类似[16]。其中Nb亏损和Ti的贫化表明岩浆物质来源和地壳有着紧密联系，暗示岩浆源区岩石主要为陆壳组分或受壳源组分重熔混染[17-19]。

图10 婆婆寨正长花岗岩原始地幔标准化微量元素蛛网图

表3 婆婆寨正长花岗岩微量元素分析表(单位：μg/g)

Taylor等[20]认为，在地球演化过程中Rb不断向上迁移进入硅铝层，上地幔越来越亏损Rb，Sr主要富集在斜长石中。花岗岩的Rb/Sr比值越高，越说明源岩主要来自于上部陆壳。而上部陆壳平均Rb/Sr值大约为0.32，大陆壳平均Rb/Sr值为0.24。婆婆寨正长花岗岩Rb/Sr值为4.37～4.75，远高于上部陆壳平均值，表明其具有壳源成因的特点。

4.3 稀土元素

分析婆婆寨正长花岗岩稀土元素数据(表4)可知，其稀土总量(∑REE)为217.81～293.90 μg/g，均值为255.86 μg/g，显示稀土总量较高；轻稀土总量(∑LREE)为199.21～270.26 μg/g，均值为234.73 μg/g；重稀土总量(∑HREE)为18.60～23.65 μg/g，均值为21.12 μg/g；LREE/HREE为10.71～11.43，LaN/YbN为14.36～14.44，表明轻重稀土分馏明显，轻稀土富集而重稀土亏损。LaN/SmN为6.48～7.98，GdN/YbN为1.16～1.38，表明轻稀土分馏明显，重稀土分馏不显著。

表4 婆婆寨正长花岗岩稀土元素分析表

在稀土元素球粒陨石标准化图解(图11)中，婆婆寨正长花岗岩曲线整体为右倾型，呈“V”形谷状，显示较强烈的铕负异常(δEu为0.19～0.22)，指示岩石中斜长石的缺乏与高含量钾长石的存在，反映出形成它的花岗质熔体经历了高度分离结晶作用。δCe值为0.59～0.80，表明岩浆演化过程中经历了部分副矿物的分离。

图11 婆婆寨正长花岗岩稀土元素配分模式图

婆婆寨正长花岗岩Sm/Nd比值为0.16～0.17，均<0.3，表明其可能为壳源花岗岩[21]。

5 讨论

5.1 岩石成因

婆婆寨正长花岗岩富铝，Al2O3含量普遍>12%，A/CNK值>1，为典型的铝质花岗岩。其地球化学特征为具有较高含量的SiO2、Na2O+K2O、REE、Rb、Th、U等，较低含量的CaO、MgO、Ba、Sr等，较高的FeO*/MgO、K2O+Na2O/CaO等元素比值，与A型花岗岩类主要地球化学特征相吻合。其稀土元素特征和“海鸥式”配分模式曲线型式以及REE配分曲线具有显著的负Eu异常等特征，这都符合A型花岗岩的特征。张旗等[16]总结了A型花岗岩的实质是在低压条件下部分熔融的花岗岩类，其最突出的特征是富钾(K2O=4%～6%或更高)，具有雁式分布的REE型式，贫Ba、Sr、Ti、P和Eu。婆婆寨正长花岗岩10 000×Ga/Al平均值为2.62，高于Whalen et al.[22]提出的划分A型花岗岩的标准值2.6。上述地球化学特征均明显不同于I型和S型花岗岩，这也从侧面证明其为A型花岗岩。

在Whalen et al.的地球化学判别图解(图12)与A/CNK-ZNCY(Zr+Nb+Ce+Y)图解(图13)上，所有样品均落在A型花岗岩区域。

A.A型花岗岩；I&S.I型和S型花岗岩

S.S型花岗岩；I.I型花岗岩；A.A型花岗岩

张旗等[23]研究表明，中酸性岩浆岩的Sr和Yb值是两个很重要的地球化学指标。婆婆寨正长花岗岩Sr含量为29.1～33.6 μg/g(远<100 μg/g)，Yb含量为3.49～3.86 μg/g(>2 μg/g)，属于低Sr高Yb类型的花岗岩，形成的压力可能很低(<0.5 GPa)，形成的深度也可能很低(<5 km)，推测岩浆源区可能较浅。婆婆寨正长花岗岩具有较明显的Eu负异常，并呈现“V”形稀土元素配分特征，暗示岩浆源区有斜长石残留，也表明岩浆起源的压力较低[24]。从岩石矿物学和地球化学的角度来看，婆婆寨正长花岗岩属于铝质A型花岗岩，暗示其起源于下地壳的长英质岩石。因此，推测婆婆寨正长花岗岩源区应该是中下地壳岩石的部分熔融产物。

5.2 成岩构造环境

在Ta-Yb和Rb-(Y+Nb)构造背景判别图解(图14)上，婆婆寨正长花岗岩投影点落在火山弧花岗岩与板内花岗岩区域分界线上及附近，位于碰撞后花岗岩区域。

VAG.火山弧花岗岩；WPG.板内花岗岩；ORG.洋脊花岗岩；syn-COLG.同碰撞花岗岩；Post-COLG.碰撞后花岗岩

在R1-R2图解(图15)上，婆婆寨正长花岗岩投影点较为集中分布于同碰撞(S型)花岗岩区域与造山期后A型花岗岩区域分界线及其附近，但偏于造山期后A型花岗岩区域一侧。

①.地幔分异期花岗岩；②.破坏性活动板块边缘(板块碰撞前)花岗岩；③.板块碰撞后隆起期花岗岩；④.晚造山期花岗岩；⑤.非造山期A型花岗岩；⑥.同碰撞(S型)花岗岩；⑦.造山期后A型花岗岩

结合区域构造演化特征，对比同时代太阳脑岩体，笔者认为，婆婆寨正长花岗岩形成于碰撞后的伸展环境，具体为桐柏—大别微陆块和扬子板块碰撞造山运动结束之后初始的拉张伸展阶段[27-29]。

6 结论

(1)婆婆寨正长花岗岩侵入时间为(792.7±5.9)～(780.1±5.5)Ma，为青白口纪侵入岩。

(2)婆婆寨正长花岗岩属于弱过铝质钾玄岩系列岩石，为铝质A型花岗岩。

(3)婆婆寨正长花岗岩形成于碰撞后的伸展环境，标志着在青白口纪桐柏—大别微陆块和扬子板块之间晋宁造山运动结束，桐柏—大别造山带进入碰撞后的构造演化阶段。