隨棗北部桐柏雜巖表殼巖特征、成因及時代探討

向祥輝, 陳 婕, 陳以春, 吳康生, 但家軍, 張 聰

(湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊,湖北 襄陽 441002)

圖1 隨棗北部桐柏雜巖分布圖Fig.1 Distribution map of Tongbai complex in the north of Suizhou-Zaoyang1.中生代白堊紀早世斑狀鉀長花崗巖;2.中生代白堊紀早世鉀長花崗巖;3.中生代白堊紀早世斑狀二長花崗巖;4.中生代白堊紀早世二長花崗巖;5.中生代侏羅紀早世二長花崗巖;6.中生代侏羅紀中世斑狀二長花崗巖;7.中生代侏羅紀中世二長花崗巖;8.中生代侏羅紀晚世斑狀二長花崗巖;9.中生代侏羅紀晚世二長花崗巖;10.桐柏山雜巖;11.低角閃巖相帶;12.綠片巖相帶。

桐柏雜巖地處揚子地塊北緣,是連接東秦嶺、蘇魯—大別造山帶的重要地質(zhì)單元,隨棗北部桐柏雜巖位于新城—黃陂斷裂帶與桐柏—磨子潭斷裂帶之間,被韌性剪切帶所夾持,為變形強烈的花崗巖地質(zhì)體(圖1),主要由片麻狀花崗質(zhì)巖體、變質(zhì)巖包體(表殼巖)和未變形花崗巖三部分組成,長期以來被認為是一個前寒武紀的變質(zhì)雜巖體,變質(zhì)巖包體(表殼巖)屬太古代—中元古代地層。近年來,隨著高精度同位素年齡值的獲取,認為桐柏雜巖不再是古老的變質(zhì)核雜巖,而屬燕山期的花崗巖,對其變質(zhì)巖包體(表殼巖)的時代成因的認識也不斷更新,本文通過對隨棗北部桐柏雜巖表殼巖地質(zhì)特征、巖石化學特征的分析及古生物證據(jù)的收集,與同區(qū)域變質(zhì)地層進行類比,對桐柏雜巖表殼巖的形成環(huán)境、成因時代進行探討。

1 巖石地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)特征

桐柏雜巖表殼巖巖性主要為斜長片麻巖、斜長角閃(片)巖、大理巖、石英巖—云英片巖類等,呈包裹體形式分布于桐柏雜巖花崗質(zhì)片麻巖中,總體呈北西向展布,包裹體規(guī)模大小不一,形態(tài)各異,多呈似層狀、透鏡體狀、橢圓狀、串珠狀和不規(guī)則狀,最大者超過1 km,小者僅幾厘米(野外露頭尺寸),包裹體成分可以是一種巖性,也可以由多種巖性共同組成。在桐柏山山脊一帶以斜長片麻巖為主,偶見有石英巖,常穿插有花崗巖脈、石英脈、花崗偉晶巖脈等,包裹體規(guī)模較大,長寬一般幾百米至1 km余,呈帶狀延伸;桐柏山南西坡以斜長角閃巖為主,大理巖次之,大理巖常呈透鏡體狀、條帶狀夾于斜長角閃巖中,局部互層,偶見有斜長片麻巖、石英巖—云英片巖,規(guī)模較小,長寬一般幾十—幾百米;桐柏山北東坡以斜長片麻巖、斜長角閃巖為主,二者相伴而生,規(guī)模最小,長寬一般僅幾米。

桐柏雜巖表殼巖包裹體與圍巖一般有較清晰的接觸界線(少數(shù)因同化混染界線模糊),見有花崗質(zhì)巖石呈脈狀、楔狀穿插于包裹體中;常發(fā)育有不同程度的混合巖化、糜棱巖化作用,斜長角閃巖、大理巖包裹體見有矽卡巖化或似矽卡巖化作用;大都具有強烈的柔性變形和多期次的褶皺疊加,見有構(gòu)造混雜巖、鞘褶皺;地表常呈凹坑或空洞。

1.2 巖石特征

桐柏雜巖表殼巖主要劃分為斜長片麻巖、斜長角閃巖、大理巖、石英巖—云英片巖等四大類,同時按礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造進行進一步劃分,見表1。

表1 桐柏雜巖表殼巖巖石特征表Table 1 Table of rock characteristics of supracrustal rock of Tongbai complex

2 地球化學特征

2.1 主要元素地球化學特征

桐柏雜巖表殼巖不同巖石類型主要元素地球化學成分數(shù)據(jù)來源于:天和口幅、萬和店幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告和湖北省新城—黃陂—合河段構(gòu)造地質(zhì)特征及其對金礦的控制作用報告。巖石類型不同其化學成分明顯不同,主要巖石類型、巖石化學成分及化學參數(shù)見表2、表3。斜長角閃巖類SiO2堿質(zhì)較低,鐵鎂組分TiO2、CaO較高,其中SiO2為46.94%～51.78%,Al2O3為11.90%～12.57%,CaO+MgO為9.60%～14.28%,TFe為14.20%～17.35%,CaO>MgO,K2OMgO。長英質(zhì)片巖SiO276.75%,Al2O311.87%,CaO+MgO 0.84%,TFe 1.69%,CaO>MgO。大理巖以CaO(40.27%)和CO2(31.88%)為主,含大量的Al2O3(4.15%)、Fe2O3(2.19%)。

正變質(zhì)巖中Al2O3質(zhì)量分數(shù)0.86%～28%,一般低于20%,而一些副變質(zhì)巖中可達17%～40%;正變質(zhì)巖CaO+MgO通常<30%,極少超過47%,而副變質(zhì)巖中CaO則可以高達46%,MgO達47%[1];表明區(qū)內(nèi)斜長片麻巖類、斜長角閃巖類具典型的巖漿巖化學成分特征,斜長角閃巖類、斜長片麻巖類物質(zhì)成分來源于巖漿作用,長英質(zhì)片巖來源于沉積作用(圖2)。研究結(jié)果表明,變質(zhì)火成巖的投影點除分布在正斜長角閃巖區(qū)外,有的也分布在副斜長角閃巖區(qū)[2]。

桐柏雜巖表殼巖尼格里數(shù)值因表殼巖巖類不同而有明顯的差異(表3)。按al-alk分值:al-alk>20屬以粘土質(zhì)巖石為主的沉積巖,al-alk<10一般屬于堿性較高的似細碧斑巖質(zhì)巖石或基性巖,10

表2 桐柏雜巖表殼巖巖石主要化學成分表Table 2 Table of the main chemical contents of supracrustal rock of Tongbai

注:●數(shù)據(jù)來源于天和口幅、萬和店幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告;★數(shù)據(jù)來源于《湖北省新城—黃陂—合河段構(gòu)造地質(zhì)特征及其對金礦的控制作用》報告。下表同。

表3 桐柏雜巖表殼巖巖石化學參數(shù)表Table 3 Table of rock chemical parameters of supracrustal rock of Tongbai complex

圖2 斜長角閃巖類、斜長片麻巖類、長英質(zhì)片巖成分來源圖解Fig.2 Diagrammatic diagram of the origin of amphibolite,plagioclase gneiss and felsic schist1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;7.長英質(zhì)片巖;Ⅰ.正斜長角閃巖;Ⅱ.負斜長角閃巖。

圖3 尼格里四面體圖解(據(jù)尼格里,1954)Fig.3 Negri tetrahedron diagram

1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;6.大理巖;7.長英質(zhì)片巖。

經(jīng)尼格里四面體圖解(圖3)、si-mg圖解(圖4)、(al-alk)-c圖解(圖5)、(al+fm)-(c+alk)-si圖解(圖6)綜合分析判定:斜長角閃巖類、斜長片麻巖類為火山巖類,長英質(zhì)片巖為凝灰質(zhì)沉積巖類,大理巖為鈣質(zhì)沉積巖。

圖4 si-mg圖解(據(jù)范德坎普和比克豪斯,1970)Fig.4 si-mg diagram1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;7.長英質(zhì)片巖。

桐柏雜巖表殼巖同類巖石不同區(qū)段化學成分、尼格里數(shù)值也存在一定差異,尤其是堿質(zhì)的變化更為明顯,其較好地體現(xiàn)了原巖的特點,也反映了后期變化的特點。

2.2 稀土元素地球化學特征

桐柏雜巖表殼巖主要巖類稀土元素分析結(jié)果及特征值見表4、表5,稀土元素采用Masuda等(1973)Leedy的球粒隕石平均值進行標化,桐柏雜巖表殼巖稀土配分曲線見圖7。

斜長片麻巖類、斜長角閃巖類ΣREE值為147.13×10-6～987.17×10-6,LREE/HREE值為1.40～13.72,稀土元素配分曲線呈右傾,屬輕稀土富集型,中間略有起伏;Eu/Sm=0.16～0.33,相當于花崗巖、玄武巖類巖石。斜長角閃巖δEu=0.97,Eu異常不明顯,斜長片麻巖類、斜長角閃片巖δEu=0.52～0.69,Eu負異常;δCe=0.92～1.03,Ce異常不明顯;除斜長角閃片巖(La/Yb)N值較大(64.36)外,斜長角閃巖(La/Yb)N=2.25～4.23、斜長片麻巖(La/Yb)N=7.95～8.72。

圖5 (al-alk)-c圖解(據(jù)利克,1960)Fig.5 (al-alk)-c diagram1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;6.大理巖;7.長英質(zhì)片巖。

圖6 (al+fm)-(c+alk)-si圖解(據(jù)西蒙南,1953)Fig.6 (al+fm)-(c+alk)-si diagram1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;6.大理巖;7.長英質(zhì)片巖。

表4 桐柏雜巖表殼巖稀土元素成分表(10-6)Table 4 Table of rare earth elements of supracrustal rock of Tongbai complex

巖石類型LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuY斜長角閃巖●28.2769.828.6645.0811.853.9413.182.2013.762.767.841.197.281.0970.86斜長角閃巖●21.4043.725.6724.055.441.785.800.915.721.093.110.472.930.4424.61斜長角閃片巖●213.28444.3045.15183.8428.275.2916.921.868.011.473.010.451.920.2633.15黑云斜長片麻巖●36.3679.708.5331.957.671.526.450.975.301.042.800.442.650.4026.82黑云二長片麻巖●45.9094.9911.7942.198.361.316.831.095.731.103.110.493.050.4829.83大理巖★6.6212.771.625.651.180.341.030.170.960.200.580.090.520.076.01

表5 桐柏雜巖表殼巖稀土元素地球化學特征Table 5 Geochemical characteristics of rare earth elements of supracrustal rock of Tongbai complex

圖7 桐柏雜巖表殼巖稀土元素配分圖解Fig.7 Rare earth element partition diagram of supracrustal rock of Tongbai complex1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4.黑云斜長片麻巖;5.黑云二長片麻巖;6.大理巖。

大理巖ΣREE值為37.81×10-6,LREE/HREE值為2.93,稀土元素配分曲線向右緩傾,屬輕稀土富集型;Eu/Sm=0.29。δEu=0.93,Eu負異常;δCe=0.89,Ce負異常,具海相沉積物(生物灰?guī)r)的特征;(La/Yb)N=7.38。

La/Yb-REE圖解(圖8)顯示:斜長角閃巖投點在玄武巖區(qū)域,斜長角閃片巖投點在金伯利巖區(qū)域,斜長片麻巖投點在花崗巖區(qū)域,大理巖投點在鈣質(zhì)泥質(zhì)沉積巖區(qū)域。

3 表殼巖成因時代分析

3.1 巖石原巖恢復

桐柏雜巖表殼巖均為經(jīng)歷了多期次、不同類型變質(zhì)作用的變質(zhì)巖,片理發(fā)育,變余結(jié)構(gòu)保留較少,而區(qū)域變質(zhì)作用是主要的,混合巖化、動力變質(zhì)作用等是疊加的、局部的或不徹底的改造;除伴有強烈交代作用的變質(zhì)巖外,假定變質(zhì)巖是特定原巖在相對封閉條件下經(jīng)變質(zhì)作用的產(chǎn)物,其成分變化基本上是等化學的,因而其巖石化學和地球化學特征基本反映原巖的特征,并主要受原巖形成作用和成巖構(gòu)造環(huán)境所制約。故而采用巖石的共生組合、巖石化學和微量元素的特征研究桐柏雜巖表殼巖的成因。

主要元素地球化學特征及圖解表明:桐柏雜巖表殼巖斜長片麻巖類、斜長角閃巖類具典型的巖漿巖化學成分特征,斜長角閃巖類、斜長片麻巖類物質(zhì)成分來源于巖漿作用,屬火山巖類,斜長片麻巖類SiO276.17%～76.78%,屬酸性火山巖類,斜長角閃巖類SiO246.94%～51.78%,屬基性火山巖類;長英質(zhì)片巖來源于沉積作用,屬凝灰質(zhì)沉積巖類;大理巖為鈣質(zhì)沉積巖。

圖8 La/Yb-REE圖解(據(jù)C.J阿利格里等,1974)Fig.8 La/Yb-REE diagram1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;6.大理巖。

稀土元素地球化學特征及圖解表明:桐柏雜巖表殼巖斜長片麻巖類、斜長角閃巖類相當于花崗巖、玄武巖類巖石。斜長角閃巖投點在玄武巖區(qū)域,斜長角閃片巖投點在金伯利巖區(qū)域,斜長片麻巖投點在花崗巖區(qū)域;大理巖具海相沉積物(生物灰?guī)r)的特征,大理巖投點在鈣質(zhì)泥質(zhì)沉積巖區(qū)域。

綜上所述:桐柏雜巖表殼巖斜長角閃巖原巖屬玄武巖,斜長角閃片巖原巖可能為金伯利巖,斜長片麻巖原巖屬酸性火山巖,長英質(zhì)片巖原巖屬凝灰質(zhì)沉積巖,大理巖原巖為鈣質(zhì)沉積巖。

3.2 巖石形成環(huán)境

桐柏雜巖表殼巖中斜長角閃巖常與大理巖共生,斜長片麻巖局部夾大理巖,局部斜長角閃巖與斜長片麻巖共存,可以認為其大體上相當于火山—沉積巖系;其中長英質(zhì)片巖類、大理巖屬凝灰質(zhì)—鈣泥質(zhì)沉積巖,斜長角閃巖類、斜長片麻巖類屬火山巖。

斜長角閃巖ΣREE=147.13×10-6～287.57×10-6,LREE/HREE=1.40～12.27,Eu/Sm=0.16～0.33,δEu=0.97,Eu異常不明顯,具輕稀土富集,在大陸拉斑玄武巖稀土元素值(ΣREE=15.2×10-6～322×10-6、LREE/HREE=0.5～7.6,Eu/Sm=0.16～0.55,大部分無Eu異常)范圍內(nèi)(圖9)。

斜長片麻巖、斜長角閃巖與大陸裂谷雙峰式火山巖特征相似:基性巖主要是富堿質(zhì),中酸性巖偏堿質(zhì);玄武巖富Th,LREE/HREE為明顯分離的型式,LREE豐度值高;酸性巖明顯富LREE和Th,含量較高;雙峰式火山巖中玄武巖出露面積小[3]。

圖9 大陸拉斑玄武巖的稀土范圍(據(jù)L.R.Cullers及J.K.Graf,1984)Fig.9 The rare earth range of continental tholeiite

桐柏雜巖表殼巖組合特征及主要元素、稀土元素地球化學特征說明:斜長片麻巖、斜長角閃巖形成環(huán)境具大陸裂谷雙峰式火山巖的特征,其整體形成構(gòu)造環(huán)境為大陸裂谷雙峰式火山—沉積巖建造。

3.3 巖石形成時代

桐柏雜巖基礎地質(zhì)研究程度較低,缺乏必要的年代學資料,以往一直被認為是一個前寒武紀的變質(zhì)雜巖體,桐柏雜巖表殼巖被視為太古代—中元古代地層。同位素年代學研究表明,桐柏雜巖中多數(shù)變質(zhì)包體的原巖生成于新元古代,變質(zhì)時代為印支期,少量副片麻巖的繼承鋯石形成于太古代,并在古—中元古代發(fā)生過變質(zhì)作用;變質(zhì)巖原巖侵位時間約為810～770 Ma[4]。桐柏雜巖中少量副片麻巖包體起源于太古代華南陸塊上(2 960±9)Ma發(fā)生的巖漿活動,這些早期的巖漿巖在古元古代(1 966±22)Ma發(fā)生過變質(zhì)作用;其它多數(shù)變質(zhì)巖包體的原巖是羅迪尼亞超大陸聚合、解體過程中生成的巖漿巖,聚合巖漿作用發(fā)生在(933±22)Ma,裂解巖漿作用主要年齡為(863±11)～(742±30)Ma[5]。桐柏變質(zhì)帶桐柏雜巖中混合巖的原巖形成時代為中—新元古代約828 Ma,并在早白堊紀135～131 Ma經(jīng)歷深溶作用[6]。

桐柏山南麓殷店鎮(zhèn)棗林崗桐柏雜巖表殼的白色大理巖中發(fā)現(xiàn)了大量有殼無脊椎動物化石碎屑以及保存完整的有孔蟲個體,可鑒定出四個屬,時代為古生代[7]。

綜上所述:桐柏雜巖表殼巖形成時代為新元古代南華紀—早古生代。

4 與隨棗北部新元古代—古生代變質(zhì)地層的對比

桐柏雜巖表殼為桐柏雜巖主體花崗質(zhì)片麻巖中呈構(gòu)造巖片分布的變質(zhì)包裹體,地層層序、結(jié)構(gòu)基本已被破壞,為花崗巖侵位過程中捕獲的圍巖;其巖石組合、形成環(huán)境及時代、主要元素、稀土元素特征等方面與隨棗北部新元古代—古生代變質(zhì)地層具有相似性(表6、圖10),說明其為同一套地層。

桐柏雜巖表殼與隨棗北部新元古代—古生代變質(zhì)地層具有相同的巖石組合:雙峰式火山—沉積巖建造;相同構(gòu)造環(huán)境:大陸裂谷雙峰式火山—沉積巖環(huán)境;相同的形成時代:新元古代—古生代。

表6 桐柏雜巖表殼巖與隨棗北部變質(zhì)地層化學元素特征對比Table 6 The characteristics of chemical elements of metamorphic stratum in the north of Suizhou-Zaoyang compared with those of Tongbai complex

注:●數(shù)據(jù)來源于天和口幅、萬和店幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告;▲數(shù)據(jù)來源于鹿頭鎮(zhèn)幅、棗陽縣幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告;(3)括號內(nèi)數(shù)字為統(tǒng)計個數(shù)。

圖10 桐柏雜巖表殼與隨棗北部火山變質(zhì)巖稀土特征對比圖Fig.10 Comparison of rare earth characteristics between Tongbai complex and the volcanic metamorphic rocks in the north of Suizhou-Zaoyang2.表殼巖斜長角閃巖;8.隨棗北部基性火山變質(zhì)巖;4.表殼巖黑云斜長片麻巖;9.隨棗北部酸性火山變質(zhì)巖。

5 結(jié)論

桐柏雜巖表殼巖主要劃分為斜長片麻巖、斜長角閃(片)巖、大理巖、石英巖—云英片巖等四大類,其呈規(guī)模大小不一、形態(tài)各異的包裹體形式分布于桐柏雜巖花崗質(zhì)片麻巖中,包裹體成分可以是一種巖性,也可以由多種巖性共同組成。表殼巖包體與圍巖一般有較清晰的接觸界線(少數(shù)因同化混染界線模糊),見有花崗質(zhì)巖石呈脈狀、楔狀穿插于包體中;常發(fā)育有不同程度的混合巖化、糜棱巖化作用,斜長角閃巖、大理巖包體見有矽卡巖化或似矽卡巖化作用;大都具有強烈的柔性變形和多期次的褶皺疊加,見有構(gòu)造混雜巖、鞘褶皺;地表常呈凹坑或空洞。

桐柏雜巖表殼巖斜長片麻巖類、斜長角閃巖類具典型的巖漿巖化學成分特征,斜長角閃巖類、斜長片麻巖類物質(zhì)成分來源于巖漿作用,屬火山巖類,斜長片麻巖類屬酸性火山巖類,斜長角閃巖類屬基性火山巖類大陸拉斑玄武巖,局部可能發(fā)育有金伯利巖;長英質(zhì)片巖來源于沉積作用,屬凝灰質(zhì)沉積巖類;大理巖為鈣質(zhì)沉積巖。

桐柏雜巖表殼巖斜長片麻巖、斜長角閃巖具大陸裂谷雙峰式火山巖的特征,其整體形成的構(gòu)造環(huán)境為:大陸裂谷雙峰式火山—沉積巖建造。

桐柏雜巖表殼巖形成時代為新元古代南華紀—早古生代,與隨棗北部新元古代南華紀武當群—早古生代地層時代一致,形成環(huán)境相似,其應為同一套地層,只是后期經(jīng)歷了不同的地質(zhì)發(fā)展過程,具有各自不同的變形變質(zhì)特征。