長(zhǎng)江中下游地區(qū)懷寧盆地火山巖鋯石LA-ICPMS定年

閆峻，史磊，李全忠，劉建敏，劉曉強(qiáng)，姜子朝

合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥, 230009

內(nèi)容提要：懷寧盆地為長(zhǎng)江中下游地區(qū)眾多中生代火山巖盆地之一，自下而上發(fā)育彭家口組和江鎮(zhèn)組火山巖，巖性分別以粗面質(zhì)凝灰熔巖和粗面安山巖、流紋巖為主。彭家口組樣品的SiO2含量分別為61.56%和70.61%，江鎮(zhèn)組樣品的SiO2含量為61.91%～63.77%，均屬于橄欖安粗巖系列，彭家口組樣品更加富鉀。運(yùn)用LA-ICPMS對(duì)彭家口組和江鎮(zhèn)組火山巖進(jìn)行了鋯石U-Pb定年，獲得了206Pb/204Pb加權(quán)平均諧和年齡分別為130.0±1.7 Ma(MSWD=0.73)和130.5±1.7 Ma(MSWD=0.78)，指示懷寧盆地火山巖為早白堊世的產(chǎn)物，噴發(fā)持續(xù)時(shí)間較短。該年齡與長(zhǎng)江中下游地區(qū)其他盆地火山巖的年齡一致，表明長(zhǎng)江中下游地區(qū)中生代火山巖的噴發(fā)時(shí)代集中在135～127 Ma之間，是在強(qiáng)烈拉張的背景下，巖石圈地幔部分熔融的產(chǎn)物。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)中生代發(fā)育強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，其中包括多個(gè)陸相火山巖盆地，自西向東分別是金牛、懷寧、廬樅、繁昌、寧蕪、溧水和溧陽火山巖盆地。由于與大型鐵礦成因密切相關(guān)，寧蕪和廬樅盆地火山巖的研究程度較高，關(guān)于年代學(xué)和巖石成因取得了大量的研究成果(Zhang Qi et al., 2003；Wang Qiang et al., 2006；謝智等, 2007；Zhou Taofa et al., 2011；Yan Jun et al., 2009；袁峰等, 2010)。寧蕪和廬樅盆地火山巖巖石類型以玄粗巖(shoshoninte)為主，形成時(shí)代集中在135～128 Ma之間(Zhou Taofa et al., 2008，2011)，認(rèn)為巖漿起源于富集的巖石圈地幔(Wang Qiang et al., 2006)。金牛、繁昌、溧陽和溧水盆地火山巖的形成時(shí)代也相對(duì)集中，介于134～127 Ma之間(Xie Guiqing et al., 2006；禹堯和徐夕生, 2009；袁峰等，2010；劉春等，2012)，但金牛和繁昌盆地火山巖具有雙峰式特征，為殼幔分別起源的巖漿同時(shí)期噴發(fā)或巖漿混合的產(chǎn)物(Xie Guiqing et al., 2006；劉春等，2012)。同時(shí)期不同盆地火山巖具有不同的巖石系列、巖石成因以及成礦特征，其成因機(jī)制尚無明確的答案。由于懷寧盆地中火山巖分布面積較小，且保留不完整，目前尚無有關(guān)研究成果的報(bào)道。為此，本次工作在詳細(xì)的野外地質(zhì)的基礎(chǔ)上，采集了懷寧盆地彭家口組和江鎮(zhèn)組火山巖的代表性樣品，對(duì)其進(jìn)行了LA-ICPMS鋯石U-Pb定年，為深入理解長(zhǎng)江中下游地區(qū)中生代火山巖的形成時(shí)代格架和成因提供支持。

1 地質(zhì)背景

長(zhǎng)江中下游地區(qū)位于揚(yáng)子地塊北緣，揚(yáng)子地塊北以襄樊—廣濟(jì)斷裂和郯城—廬江斷裂與大別造山帶分開，其東南以江山—紹興斷裂與華夏地塊接壤。揚(yáng)子克拉通建立在穩(wěn)定的中、新元古界基底之上，區(qū)內(nèi)最老的變質(zhì)基底是崆嶺群，出露在長(zhǎng)江三峽段，其片麻巖鋯石U-Pb SHRIMP 年齡為3.3 Ga (Qiu Yuming et al., 2000)。該區(qū)構(gòu)造演化大致經(jīng)歷了三個(gè)主要階段，分別為前南華紀(jì)基底形成階段、南華紀(jì)—早三疊世沉積蓋層階段和中三疊世以來的碰撞造山和造山后板內(nèi)變形階段(常印佛等，1991；邢鳳鳴和徐祥，1999)，其中最后階段以形成大量晚中生代巖漿巖和大規(guī)模成礦作用為特征。

圖1 長(zhǎng)江中下游地區(qū)中生代火山巖盆地分布圖Fig. 1 Distribution of the volcanic basins in the Middle—Lower Yangtze River

圖2 懷寧盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)1∶25萬地質(zhì)圖改繪)Fig. 2 Geological map of the Huaining volcanic basin (modified after 1∶ 250000 geological map)Q—第四系；K—白堊系；J—侏羅系；P—二疊系；C—石炭系；D—泥盆系；S—志留系；O—奧陶系；∈—寒武系；K1z—江鎮(zhèn)組火山巖； K1p—彭家口組火山巖Q—Quaternary；K—Cretaceous strata；J—Jurassic strata；P—Permian strata；C— Carboniferous strata；D— Devonian strata；S—Silurian strata；O—Ordovician strata； ∈—Cambrian strata；K1z— volcanic rocks of Jiangzhen Formation; K1p—volcanic rocks of Pengjiakou Formation

長(zhǎng)江中下游地區(qū)火山巖盆地主要沿長(zhǎng)江兩岸分布。自西向東，分布有金牛、懷寧、廬樅、繁昌、寧蕪和溧水火山巖盆地(圖1)。懷寧盆地位于長(zhǎng)江北岸，安慶以西約30 km處，總體呈北東向條帶狀分布，面積約25 km2。盆地內(nèi)火山巖系厚度187～1445 m，劃分為彭家口和江鎮(zhèn)兩個(gè)噴發(fā)旋回，其中彭家口組出露面積較大，而江鎮(zhèn)組主要在其東北端，靠近洪鎮(zhèn)巖體附近出露，另外在盆地西段也有少量出露(圖2)。彭家口旋回早期以爆發(fā)作用為主，形成角礫凝灰?guī)r；中期以爆發(fā)、噴溢混合作用為主，形成粗面質(zhì)凝灰熔巖；晚期為正常沉積作用，形成厚度較大的鈣質(zhì)砂泥質(zhì)巖石(圖3)。江鎮(zhèn)旋回發(fā)育爆發(fā)相和噴溢相，以噴溢相熔巖為主，巖石組合為粗面玄武巖—玄武粗安巖—粗面巖(圖3)，旋回末期出現(xiàn)鉀長(zhǎng)流紋巖，整個(gè)江鎮(zhèn)組火山巖表現(xiàn)為雙峰式特征。

2 樣品描述和分析方法

2.1 樣品描述

樣品分別采自懷寧盆地彭家口組(10JZ001-1，坐標(biāo)：30°28′9.7″，116°45′19.2″)和江鎮(zhèn)組(10JZ011，坐標(biāo)：30°28′6.5″，116°44′58.4″)。樣品10JZ001-1紫紅色，晶屑凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。晶屑含量約30%，主要為條紋長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和黑云母，粒度0.1～2.0 mm，三角形、不規(guī)則多邊形。另外可見少量火焰狀，雞骨狀玻屑。凝灰物質(zhì)主要為長(zhǎng)石和少量石英(10%)，有微弱的碳酸鹽化，鏡下定名為粗面質(zhì)晶屑凝灰熔巖。樣品10JZ011為灰黑色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶含量約為30%，主要為斜長(zhǎng)石和角閃石和少量的輝石?；|(zhì)為隱晶質(zhì)，主要為長(zhǎng)石和角閃石組成，有微弱的碳酸鹽化，鏡下定名為粗面巖。

2.2 分析方法

用于鋯石年代學(xué)測(cè)試的樣品首先經(jīng)過破碎、浮選和電磁選等方法挑選出單顆粒鋯石，然后在雙目顯微鏡下挑純。手工挑出晶形完好、透明度和色澤度好的鋯石，粘于環(huán)氧樹脂表面制靶，拋磨至一半以后進(jìn)行透射光和反射光照相，據(jù)此選擇晶體特征良好的樣品(避開鋯石包裹體以及鋯石內(nèi)部裂隙)，進(jìn)行陰極發(fā)光(CL)拍照(圖4)。最后根據(jù)陰極發(fā)光圖像，選擇典型的巖漿鋯石進(jìn)行LA-ICP MS U-Pb測(cè)年分析。

圖3 懷寧盆地彭家口組和江鎮(zhèn)組火山巖野外相片F(xiàn)ig. 3 Field photos of the volcanic rocks from Pengjiakou and Jiangzhen Formations in the Huaining basin

陰極發(fā)光照相在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。鋯石激光原位U-Pb同位素分析在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室開展，使用激光—電感耦合等離子質(zhì)譜儀(LA-ICPMS)完成，采用激光器為GEOLAS, 激光剝蝕系統(tǒng)波長(zhǎng)193 nm，工作參數(shù)為：剝蝕物質(zhì)載He為0.6 L/min，激光脈沖頻率5 Hz，剝蝕孔徑32 μm，剝蝕時(shí)間90 s，背景測(cè)量時(shí)間25 s，脈沖能量密度為 10 mJ/cm2；測(cè)試質(zhì)譜儀為Agilent 7500a，工作參數(shù)為：Rf功率1300 W，進(jìn)樣深度5.5 mm，等離子氣體Ar 15 L/min,輔助氣體Ar 1 L/min，補(bǔ)償氣體Ar 0.8～0.9L/min。應(yīng)用nist610玻璃作為元素外標(biāo)，鋯石標(biāo)樣91500進(jìn)行同位素分餾校正，鋯石標(biāo)樣Mud Tank作為同位素監(jiān)控樣，本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的鋯石標(biāo)樣的結(jié)果和誤差與推薦值一致。數(shù)據(jù)處理采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)開發(fā)的ICPMSDataCal 8.0軟件完成，選取諧和度>90%的樣品點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Isoplot軟件繪制諧和圖并計(jì)算加權(quán)平均年齡。

主量元素的測(cè)定采用X熒光光譜方法(XRF)，在廣州地球化學(xué)研究所中國(guó)科學(xué)院同位素年代學(xué)和地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，詳細(xì)分析方法見Li et al.(2005)

3 結(jié)果和討論

3.1 主量元素和巖石類型

主量元素分析結(jié)果列于表1。彭家口組火山巖兩個(gè)樣品的SiO2含量分別為61.56%和70.61%，江鎮(zhèn)組火山巖兩個(gè)樣品的SiO2含量分別為61.91%和63.77%。兩組樣品顯著的差別在于，彭家口組樣品高度富鉀，其K2O/Na2O比值為12.3～19.5，而江鎮(zhèn)組樣品雖然富鉀，但K2O/Na2O比值介于1.3～3.3之間。鏡下觀察顯示，彭家口組樣品高鉀含量并非鉀化蝕變?cè)斐傻模鴥山M樣品的中性巖SiO2含量接近，因此，兩組火山巖的巖漿起源具有一定的差別。在TAS圖上(圖5a)，彭家口組的兩個(gè)樣品分別為粗面巖(10JZ001-1)和流紋巖(10JZ009-1)，江鎮(zhèn)組兩個(gè)樣品分別投在粗面巖(10JZ011)和粗面英安巖(10JZ010)區(qū)域。所以樣品均在堿性巖的范圍，這與其高鉀的特征是一致的。在Si—K相關(guān)圖上(圖5b)，所有樣品均投在玄粗巖(shoshonite)系列范圍，其中，彭家口組樣品更為富鉀。懷寧盆地火山巖屬于橄欖安粗巖系列的特征和廬樅盆地火山巖一致，而和繁昌盆地火山巖具有一定的差別(劉春等，2012)，后者為高鉀鈣堿性系列。

表1 懷寧盆地火山巖主量元素(%)分析結(jié)果Table 1 Analytical results of major elements ( % ) for the volcanic rocks in Huaining basin

圖5 懷寧盆地火山巖TAS圖解(a)和SiO2—K2O相關(guān)圖(b)Fig. 5 Total alkali vs. silica (TAS) plot(a) and SiO2—K2O plot (b) for the volcanic rocks in the Huaining basin

彭家口組和江鎮(zhèn)組同樣為粗面巖的兩個(gè)樣品被用來進(jìn)行鋯石定年分析。

3.2 鋯石U-Pb定年

測(cè)試分析結(jié)果見表2，U—Pb諧和圖見圖6。彭家口組樣品(10JZ001-1)的鋯石均透明，呈微黃色，短柱狀，半自形到自形晶體，長(zhǎng)120～220 μm，寬100～200 μm，在陰極發(fā)光圖像中顯示清晰的震蕩環(huán)帶。Th/U比為0.9～2.0，為典型的巖漿鋯石。206Pb/238U—207Pb/235U諧和度>90%的樣品點(diǎn)有17個(gè)，在諧和圖上年齡點(diǎn)較為集中，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為130.0±1.7 Ma(圖6)。江鎮(zhèn)組樣品(10JZ011)的鋯石均透明，呈微黃色，短柱狀，半自形到自形晶體，長(zhǎng)100～210 μm，寬80～200 μm，在陰極發(fā)光圖像中大多數(shù)顯示清晰的震蕩環(huán)帶。除了一個(gè)測(cè)點(diǎn)的Th/U比為0.5外，其他測(cè)點(diǎn)的Th/U比值為1.1～2.3，為典型的巖漿鋯石。206Pb/238U—207Pb/235U諧和度>90%的樣品點(diǎn)有17個(gè)，在諧和圖上年齡點(diǎn)較為集中，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為130.5±1.7 Ma(圖6)。兩組火山巖的鋯石U-Pb年齡在誤差范圍內(nèi)一致，均為早白堊世噴發(fā)的產(chǎn)物。由于用于測(cè)試的兩組火山巖樣品均為粗面巖，江鎮(zhèn)組樣品中的鋯石不太可能為捕獲的彭家口組火山巖的鋯石。雖然兩組火山巖在野外有清晰的上下層位關(guān)系，且之間有噴發(fā)間斷，但由于該間斷持續(xù)時(shí)間可能小于鋯石U-Pb定年的精度(3%)，以至于測(cè)試結(jié)果上無法區(qū)別兩者的新老關(guān)系。

3.3 長(zhǎng)江中下游地區(qū)中生代火山巖年代學(xué)格架

30多年的研究積累了許多長(zhǎng)江中下游地區(qū)火山巖的年齡數(shù)據(jù)，其中多為早期K-Ar法測(cè)得。這些數(shù)據(jù)指示廬樅盆地火山巖的年齡跨度為113～140 Ma，繁昌盆地火山巖為115～125 Ma，而寧蕪盆地火山巖為91～136 Ma。由于樣品多遭受蝕變易造成Ar的丟失，因此早期K-Ar法測(cè)定的年齡往往比實(shí)際年齡年輕，而產(chǎn)生了較大的年齡范圍。近年來發(fā)表了許多火山巖的高精度年代學(xué)數(shù)據(jù)(表3)，結(jié)果表明，金牛盆地火山巖的噴發(fā)時(shí)代為132～128 Ma(Xie Guiqing et al., 2006, 2011; 本課題組未發(fā)表數(shù)據(jù))，廬樅盆地火山巖的噴發(fā)時(shí)代為135～127 Ma(Zhou Taofa et al., 2008)，繁昌盆地火山巖的噴發(fā)時(shí)代為134～129 Ma(Yan Jun et al., 2009; 袁峰等，2010；劉春等，2012)，寧蕪盆地火山巖的噴發(fā)時(shí)代為135～127 Ma(Zhang Qi et al., 2003; Yan Jun et al., 2009; Zhou Taofa et al., 2011)，溧水盆地龍王山組火山巖的噴發(fā)時(shí)代 為129 Ma(禹堯和徐夕生，2009)。總體上，長(zhǎng)江中下游地區(qū)中生代火山巖的噴發(fā)時(shí)代集中在135～127 Ma之間，持續(xù)時(shí)間小于8 Ma，相比于中國(guó)東部其他地區(qū)中生代火山巖，本地區(qū)中生代火山活動(dòng)時(shí)間上相對(duì)集中。本次測(cè)得的懷寧盆地火山巖噴發(fā)時(shí)代為130 Ma，與長(zhǎng)江中下游地區(qū)其他盆地火山巖的形成時(shí)代一致。

表2 懷寧盆地彭家口組(10JZ001-1)和江鎮(zhèn)組(10JZ011)火山巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb年代學(xué)分析結(jié)果Table 2 Data of zircon LA-ICP-MS U-Pb dating for samples of Pengjiakou formation (10JZ001-1) and Jiangzhen formation (10JZ011) in Huaining basin

圖6 懷寧盆地彭家口組(10JZ001-1)和江鎮(zhèn)組(10JZ011)火山巖鋯石U—Pb 諧和年齡圖Fig. 6 U—Pb isotopic concordant plots for zircons from the volcanic rocks of the Pengjiakou Formation (10JZ001-1) and the Jiangzhen Formation (10JZ011) in the Huaining basin

表3 長(zhǎng)江中下游地區(qū)中生代火山巖鋯石U-Pb年齡Table 3 Zircon U-Pb ages of the Mesozoic volcanic rocks from the Middle and Lower Yangtze valley

3.4 地質(zhì)意義

長(zhǎng)江中下游地區(qū)晚中生代巖漿巖有夾心餅干式的分帶(邢鳳鳴和徐祥，1999)。 其中沿長(zhǎng)江分布的內(nèi)帶包含4個(gè)巖漿巖組合：高鉀鈣堿性中酸性侵入巖組合，以銅陵地區(qū)侵入巖為代表；高鈉堿鈣性中基性侵入巖組合，以寧蕪地區(qū)的蔣廟輝長(zhǎng)巖、陽湖塘輝長(zhǎng)巖和姑山輝長(zhǎng)巖等為代表；橄欖安粗巖系火山巖，以寧蕪和廬樅盆地的火山巖為代表；堿性火山巖組合，以寧蕪地區(qū)的娘娘山組和廬樅盆地的浮山組火山巖為代表。于內(nèi)帶的南北兩側(cè)，為堿鈣性系列侵入巖，北外帶以滁州巖體和沙溪巖體等為代表，南外帶則多數(shù)是一些出露面積很小的斑巖體，在內(nèi)帶和外帶之間是A型花崗巖帶，包括大龍山、城山、黃梅尖和花園鞏等巖體。高鉀鈣堿性中酸性侵入巖形成時(shí)代較早，主要集中在148～135 Ma期間(陳江峰等，2005；Wang Qiang et al., 2006; 樓亞兒和杜楊松，2006；杜楊松等，2007)。其中具有高鍶低釔特征(Adakitic)的巖體被認(rèn)為形成于加厚下地殼的部分熔融(Wang Qiang et al., 2006; Yan Jun et al., 2008)，其他巖體在形成中經(jīng)歷了復(fù)雜的殼—幔相互作用過程，其中有富集巖石圈地幔的貢獻(xiàn)(邢鳳鳴和徐祥，1999；Chen Jiangfeng et al., 2001; 杜楊松等，2007；Xie Guiqing et al., 2008)?；鹕綆r的形成時(shí)代集中在135～127 Ma之間。金牛盆地大寺組火山巖和繁昌盆地蝌蚪山組火山巖具有雙峰式特征(邢鳳鳴和徐祥，1999；閆峻等，2005；Xie Guiqing et al., 2006)，而板內(nèi)的雙峰式火山巖主要出現(xiàn)在伸展的構(gòu)造環(huán)境中(Coward et al., 1987)。廬樅盆地浮山組火山巖和寧蕪娘娘山組火山巖為堿性巖(邢鳳鳴和徐祥，1999)，也指示了其產(chǎn)生的構(gòu)造背景為伸展拉張(Li Xianhua, 2000)。這些火山活動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，具有較為一致的噴發(fā)時(shí)代，暗示了130 Ma前后為拉張的峰期，且可能在深部動(dòng)力學(xué)演化過程中處于承上啟下的特殊時(shí)期。

Wang Qiang et al.(2006)通過年齡為136±3 Ma的具有高鍶低釔性質(zhì)的沙溪石英閃長(zhǎng)斑巖的地球化學(xué)研究，認(rèn)為其成因與下地殼拆沉密切相關(guān)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)可能經(jīng)歷了地殼加厚、拉張、下地殼拆沉、巖石圈減薄、軟流圈上涌和殼幔相互作用的動(dòng)力學(xué)演化過程。在148 Ma之前，本地區(qū)的構(gòu)造格局由擠壓轉(zhuǎn)為伸展，伴隨著軟流圈上涌而產(chǎn)生的熱擾動(dòng)，加熱和減壓使下地殼和上地幔發(fā)生部分熔融，產(chǎn)成了148～135 Ma的高鉀鈣堿性中酸性侵入巖，包括高鍶低釔巖漿巖。130 Ma左右時(shí)期，下地殼由于高鍶低釔巖漿的抽取而導(dǎo)致密度增加發(fā)生重力拆沉，軟流圈物質(zhì)快速上涌，地殼和巖石圈地幔由于加熱和減壓進(jìn)一步發(fā)生部分熔融，同時(shí)伴隨著來自軟流圈部分熔融的熔體，產(chǎn)生了雙峰式火山巖、堿性火山巖和橄欖安粗巖系火山巖。長(zhǎng)江中下游地區(qū)中生代巖漿巖的形成受中國(guó)東部中生代燕山期地球動(dòng)力學(xué)背景的制約。在早白堊世時(shí)期，太平洋板塊開始向歐亞大陸俯沖，大致向西的俯沖導(dǎo)致大體南北向的拉張，揚(yáng)子—華北巖石圈邊界這一薄弱地帶的拉張達(dá)到了較大的深度，導(dǎo)致了地幔上涌、巖石圈地幔熔融以及地殼部分熔融，形成了種類豐富的巖漿巖(Li and Yang, 2003)。

4 結(jié)論

(1)懷寧火山巖盆地彭家口組和江鎮(zhèn)組火山巖的巖性分別為粗面巖、流紋巖和粗面巖和粗面英安巖，均屬于橄欖安粗巖系列，其中，彭家口組火山巖更加富鉀。

(2)懷寧火山巖盆地中彭家口組和江鎮(zhèn)組火山巖的鋯石LA-ICPMS U-Pb年齡分別為130.0±1.7 Ma和130.5±1.7 Ma，盆地內(nèi)火山巖巖漿活動(dòng)的時(shí)限約在132～128 Ma之間，火山巖均為早白堊世巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

(3)懷寧火山巖盆地中生代火山巖與長(zhǎng)江中下游地區(qū)其它斷陷盆地火山巖的噴發(fā)時(shí)代基本一致。