北淮陽曉天火山巖盆地片麻狀花崗巖成巖年代學(xué)及地球化學(xué)特征

萬秋， 李延河， 王利民， 段超， 施珂， 譚德興

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所， 自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 100037；2.安徽省地質(zhì)調(diào)查院， 安徽 合肥 230001；3.自然資源部覆蓋區(qū)深部資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心， 安徽 合肥 230001)

曉天火山巖盆地位于大別山北麓(即北淮陽地區(qū))、霍山縣磨子潭—舒城縣曉天一帶(圖1)。白堊世早期產(chǎn)出鈣堿性的安山質(zhì)集塊熔巖、安山巖等，晚期出現(xiàn)偏堿性的粗面質(zhì)火山角礫巖、粗安巖、粗面巖等?；鹕綆r基底地層為新元古代盧鎮(zhèn)關(guān)群及佛子嶺群?；鹕綆r系與下伏基底地層呈明顯不整合關(guān)系，為上疊式火山巖盆地[1-3]。

圖1 曉天盆地地質(zhì)略圖Fig.1 Geological map of Xiaotian Basin

長期以來，該地區(qū)的研究多集中在中生代巖漿巖的成巖成礦上，對新元古代的基底研究較少。成礦研究認為該地區(qū)成礦與火山巖關(guān)系較大，為火山熱液型礦床[4-7]。成巖研究認為該地區(qū)火山巖形成于早白堊世127～137Ma之間，噴發(fā)分為2個階段，巖性多為中酸性，為伸展背景下產(chǎn)物[8-12]。研究區(qū)新元古代基底的研究多集中在基底構(gòu)造帶上，認為其與廬鎮(zhèn)關(guān)群和佛子嶺群形成的環(huán)境有關(guān)，對研究大別山構(gòu)造的形成演化意義較大，同時在金礦形成過程中提供部分成礦物質(zhì)為金礦的重要礦源層之一[13-15]。由于在火山巖盆地中之前未見新元古代基底出露，研究工作比較欠缺，迫切需要對該巖體進行研究以厘清其成巖時代及地球化學(xué)特征，研究方法以成巖年代學(xué)為主，輔以主量、微量地球化學(xué)分析。巖漿巖成巖年代學(xué)研究目前多采用鋯石U-Pb測年的方法，是最重要的同位素測年方法，此方法引入我國后對地質(zhì)科學(xué)研究起到很大的推動作用，前人對此方法進行了大量的研究，應(yīng)用領(lǐng)域仍在進一步擴展[16-20]。成巖年代學(xué)研究表明在盆地中心發(fā)現(xiàn)了新元古代變質(zhì)花崗巖基底，對該盆地的形態(tài)有了新的認識，同時對該地區(qū)找礦有一定的指導(dǎo)意義。

1 巖體地質(zhì)特征

楊三寨片麻狀花崗巖體位于安徽省霍山縣東西溪鄉(xiāng)楊三寨景區(qū)，出露范圍約0.1km2，呈巖株產(chǎn)出，與白堊紀(jì)毛坦廠組紫紅色凝灰質(zhì)粉砂巖呈不整合接觸。主要巖石類型為鉀長片麻巖，原巖相當(dāng)于鉀長花崗巖。巖石呈肉紅色，柱粒狀變晶結(jié)構(gòu)、疊加碎裂結(jié)構(gòu)，弱片麻狀-片麻狀構(gòu)造。主要礦物成分為鉀長石(40%～60%)、石英(20%～40%)、斜長石(5%～25%)以及黑云母(角閃石、白云母)5%～10%。副礦物主要有磷灰石、榍石、鋯石、綠簾石、褐簾石、金屬礦物約占5%。鉀長石呈肉紅色，多為條紋、微斜長石、自形-半自形晶，在糜棱巖化程度較高處，呈不規(guī)則他形粒狀，眼球狀等，粒徑0.5～2mm，內(nèi)部具交代結(jié)構(gòu)。斜長石呈灰白色，半自形晶-他形粒狀，粒徑為0.1～0.25mm，見雙晶彎曲，常見內(nèi)部有包體，表面絹云母化。石英呈他形粒狀，多見重結(jié)晶，粒徑0.15～1.0mm，常見波狀消光。角閃石為柱狀及粒狀，粒徑0.1～0.2mm，常見綠泥石化。黑云母為不規(guī)則片狀、長片狀及條紋狀集合體，粒徑在0.15～0.3mm之間，多見綠泥石化。聚片狀或鱗片狀白云母呈不規(guī)則狀集合體或條紋條帶狀，粒徑在0.1～0.8mm，多見絹云母化。磷灰石粒徑0.01～0.10mm，分布零星。鋯石粒徑0.01～0.08mm，多以淺棕色。

2 實驗部分

2.1 儀器及工作條件

巖石主量、稀土及微量元素含量分析在安徽省地質(zhì)實驗研究所完成，其中三氧化二鐵、氧化亞鐵、水和燒失量由化學(xué)法檢測。主量元素分析采用XRF-1500順序式X射線熒光光譜儀(日本理學(xué)公司)測定，分析精度優(yōu)于1%；以及采用日本理學(xué)電機株式會社Rigaku ZSX PrimusⅡ型波長色散X射線熒光光譜儀測定，端窗銠靶X射線管，30μm 超薄鈹窗，額定功率4kV，工作電壓55kV，工作電流60mA。微量元素分析儀器為ICAP-6300型全譜電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國ThermoFisher公司)，工作條件為：射頻功率1.25kW，等離子氣流速1.5L/min，霧化氣流速0.5L/min，蠕動泵轉(zhuǎn)速100r/min。稀土元素分析采用儀器X-Series Ⅱ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國ThermoFisher公司)，工作條件為：射頻功率1.25kW，霧化氣流速0.78L/min，采樣深度130μm、蠕動泵轉(zhuǎn)速30r/min。

鋯石年代學(xué)測試在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)LA-ICP-MS實驗室采用Agilent 7700e電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進行分析。鋯石U-Pb同位素組成分析采用91500國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石作為外標(biāo)，元素含量測定采用NIST SRM610作外標(biāo)，29Si作內(nèi)標(biāo)，剝蝕激光束直徑32～44μm，具體儀器參數(shù)及實驗條件見Hou等[21]。

2.2 主量微量和稀土元素及鋯石U-Pb分析

稱取0.7000g樣品于30mL瓷坩堝中，加7.0g四硼酸鋰、0.50g氟化鋰、0.10g硝酸鋰充分攪拌均勻，轉(zhuǎn)入鉑金坩堝中，加飽和溴化鋰溶液2滴后烘干，放在熔樣機托架上于1050℃熔融15min，坩堝中成型，X射線熒光光譜法測定主量元素。新鮮未風(fēng)化的巖石樣品在Ti100型盤式振動破碎機上破碎至約為200目。將質(zhì)量為5g的200目粉末樣品熔制成玻璃餅，將粉末樣品在聚四氟乙烯溶樣罐中加酸至完全溶解后轉(zhuǎn)移至50mL塑料瓶中并加入1mL 500×10-9In內(nèi)標(biāo)待測，然后用ICP-MS進行稀土和微量元素測試，分析精度優(yōu)于5%。稱取0.5000g試料于聚四氟乙烯坩堝中，用少許水潤濕，加入已預(yù)熱至近沸的10mL 50%的硫酸、5mL氫氟酸，將坩堝放在已預(yù)熱的高溫電熱板上，將蓋蓋好，煮15min，取下，放入預(yù)先盛有150mL水、25mL飽和硼酸溶液及5mL磷酸的400mL燒杯中，加入3滴二苯胺磺酸鈉指示劑，立即用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至穩(wěn)定的紫色，根據(jù)消耗的體積計算FeO的含量。

通過插到管底的細頸漏斗將0.5g樣品送入平菲爾特管的末端的玻璃球內(nèi)，抽出細頸漏斗(不要將樣品沾到管壁上)，通過塑料管與細口瓶玻璃管相連(以防加熱時水分的損失)，用浸過冷水的布條纏住平菲爾特管中間的玻璃球，管子平放，管口稍微向下傾斜(以便樣品中碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2能夠逸出)。開始時用噴燈的微弱的火焰灼燒盛有試料的玻璃球，等到中間玻璃球有水滴凝聚時，用強烈火焰灼燒5min(不停轉(zhuǎn)動)，將盛有樣品的玻璃球前端燒熔、去除。冷卻到室溫，移去細口玻璃管，用干凈的布擦干，稱重。在105～110℃烘干(待所有水分全部排出)，取出、冷卻、稱重，計算正水的含量。

稱取1.00g樣品于已經(jīng)在1000℃高溫下灼燒至恒重的瓷坩堝中，送入馬弗爐中，從低溫逐漸升溫至1000℃，保持1h，取出放入干燥器中冷卻，稱重，反復(fù)此過程直至恒重，計算燒失量。

鋯石由河北省廊坊市科大巖石礦物分選技術(shù)有限公司用常規(guī)礦物分選流程進行分選。分選后的鋯石經(jīng)過過篩處理，最終挑選較自形、顆粒較大、沒有可見礦物包裹體的鋯石用于制靶待測[22]。制靶流程如下：在雙目鏡下操作，將鋯石顆粒粘貼在雙面膠上，排列成長約10mm寬約2mm的陣列；用尺寸合適的塑料管罩住鋯石陣列，灌入環(huán)氧樹脂并烘干；用2500目砂紙對鋯石靶進行拋光，使鋯石內(nèi)部出露，再用3000目砂紙進一步拋光，最后用絨布拋光。LA-ICP-MS激光剝蝕采樣采用單點剝蝕的方式，數(shù)據(jù)分析前用鋯石GJ-1進行調(diào)試儀器，使之達到最優(yōu)狀態(tài)，鋯石U-Pb定年以鋯石GJ-1為外標(biāo)，U、Th含量以鋯石M127(U含量923×10-6,Th含量439×10-6,Th/U比值為0.475)為外標(biāo)進行校正[23]，詳細測試過程見侯可軍等[24]。鋯石年代學(xué)測試后，同位素信號的提取輸出用LaDating@Zrn.xls軟件完成，數(shù)據(jù)再經(jīng)過ComPbCorr軟件進行普通鉛校正，最后的年齡計算及成圖采用Isoplot程序完成[25]。

3 結(jié)果與討論

3.1 主量微量和稀土元素分析結(jié)果

本次調(diào)查在楊三寨采取了片麻狀花崗巖巖體，以高硅、鉀和鈉，低鐵鎂鈣磷為特征(KJIV-1～KJIV-7)，其中SiO2含量為65.86%～78.29%，Al2O3含量為10.89%～16.02%，F(xiàn)e2O3含量為1.10%～2.99%，CaO含量為0.05%～5.22%，MgO含量為0.17%～1.17%，K2O含量為1.37%～6.44%，Na2O含量為0.53%～6.50%，TiO2含量為0.13%～0.96%(表1)。在TAS圖解中，絕大部分樣品均落入花崗巖的區(qū)域內(nèi)(圖2a)，多呈亞堿性特征，大多屬于高鉀鈣堿性系列(圖2b)。微量元素上，樣品以虧損Nb、Sr、P和Ti，富集La、Ce、Nd和Zr為特征(表2，圖3a)。稀土元素上，樣品具有較高含量的稀土元素(ΣREE=152.7010-6～650.8810-6)，輕稀土富集重稀土虧損(LREE/HREE=6.77～20.64)；銪異常(δEu=0.29～1.15)變化大，多數(shù)具有較弱的負銪異常；鈰異常不明顯。稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化曲線以右傾為特征(表3，圖3b)。

3.2 鋯石U-Pb年代學(xué)分析結(jié)果

實驗獲得樣品中鋯石多為無色透明或淺黃色，多呈長柱狀、正方雙錐狀自形晶體，晶形發(fā)育較好，長70～150μm，寬約50μm，長寬比3∶1～1∶1。鋯石陰極發(fā)光圖像表現(xiàn)為清晰的明暗相間的條帶結(jié)構(gòu)和典型的巖漿震蕩環(huán)帶(圖4)，表明為巖漿鋯石。Th含量為45.75×10-6～336.72×10-6，U含量為54.47×10-6～200.51×10-6，Th/U比值為0.41～2.84，為典型的巖漿鋯石比值。30顆鋯石U-Pb分析結(jié)果(表4)表明，206Pb/238U的年齡分布于720～828Ma之間，加權(quán)平均年齡為776±11Ma(MSWD = 2.1)，所有點均位于諧和線上或者附近，表明該年齡值可靠，代表其結(jié)晶年齡，表示巖體形成于新元古代(圖5)。

表1 主量元素組成

1—橄欖輝長巖；2a—堿性輝長巖；2b—亞堿性輝長巖；3—輝長閃長巖；4—閃長巖；5—花崗閃長巖；6—花崗巖；7—硅英巖；8—二長輝長巖；9—二長閃長巖；10—二長巖；11—石英二長巖；12—正長巖；13—副長石輝長巖；14—副長石二長閃長巖；15—副長石二長正長巖；16—副長正長巖；17—副長深成巖；18—霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖。圖2 (a)巖漿巖TAS分類圖; (b)K2O-SiO2圖解Fig.2 (a) TAS classification map of magmatic rocks; (b) K2O-SiO2 diagram

圖3 (a)微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖; (b)稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布型式Fig.3 (a) Original mantle standardization arachnid map of trace elements; (b) Standardized distribution of rare earth elements chondrite

表2 微量元素組成

表3 稀土元素組成

圖4 鋯石測定的陰極發(fā)光圖像Fig.4 Images of cathode luminescence for determination of zircon

表4 鋯石U-Pb同位素分析結(jié)果

圖5 鋯石(a)U-Pb年齡諧和圖與(b)加權(quán)平均年齡Fig.5 (a) U-Pb age concordance and (b) the weighted mean ages of zircon

3.3 巖體的成巖時代及其意義

前人的研究表明，大別造山帶東段北淮陽花崗質(zhì)片麻巖中獲得的同位素年齡多在630～784Ma之間[26-30]，表明其中的花崗片麻巖、變質(zhì)基性-超基性侵入雜巖絕大多數(shù)都形成于新元古代，北淮陽帶確實存在一條晉寧期巖漿巖帶。而本次測年結(jié)果為776±11Ma，證明楊三寨片麻狀花崗巖隸屬于北淮陽的晉寧期巖漿巖帶，可能為本地區(qū)的鄭沖片麻巖的一部分，為曉天火山巖盆地的基底。銪異常呈逐漸降低的趨勢，這說明存在以斜長石為主要分離相的結(jié)晶分異作用。

新元古代花崗質(zhì)侵入體的研究對大別造山帶的構(gòu)造及演化研究具有重要意義。王果勝等[28]指出大別山是一個晚元古宙華北陸塊南緣的古島弧，北淮陽褶皺帶是在裂陷槽基礎(chǔ)上發(fā)展而成的古弧后盆地。近年，通過對大別造山帶核部超高壓變質(zhì)帶的研究，一些學(xué)者[31-32]也認為超高壓變質(zhì)帶以北的北大別為一古島弧。杜建國等[33]認為晚元古宙火山弧花崗巖的出現(xiàn)則證實中晚元古宙之間華北陸塊與揚子陸塊間的構(gòu)造體制發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)折，其也正是晉寧構(gòu)造運動的結(jié)果。晉寧運動使揚子陸塊作為一個俯沖的殼體，向具有活動陸緣的華北陸塊俯沖、會聚。由此也可斷定，秦嶺一大別造山帶是華北與揚子陸塊多次裂解，閉合的復(fù)合型造山帶，而在顯生宙以來所發(fā)生的構(gòu)造事件應(yīng)是在活動陸殼的基底上產(chǎn)生的[34-37]。

楊三寨新元古代變質(zhì)花崗巖的發(fā)現(xiàn)證明了曉天盆地中心存在隆起，并不是之前認識的“斗”形，即兩邊淺中間厚的盆地形態(tài)，而是在盆地內(nèi)依然有基底出露，盆地構(gòu)造較復(fù)雜，盆地的形狀與前人認識大不一樣，盆地內(nèi)基底起伏較大，且盆地的基底為新元古代片麻狀花崗巖。盆地內(nèi)重要的東溪金礦等礦床就發(fā)育在此巖株的附近，本次發(fā)現(xiàn)證實了新元古代片麻狀花崗巖為盆地基底，可能為成礦提供了一部分成礦物質(zhì)來源[38]，這對該盆地的構(gòu)造形態(tài)認識和進一步找礦具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

在曉天火山巖盆地發(fā)現(xiàn)了年齡為776±11Ma的新元古代片麻狀鉀長花崗巖，以高硅、鉀和鈉，低鐵鎂鈣磷為特征，呈亞堿性特征，屬于高鉀鈣堿性系列，原巖具埃達克巖的特征。微量元素上，樣品以虧損Nb、Sr、P和Ti，富集La、Ce、Nd和Zr為特征。稀土元素上，樣品輕稀土富集重稀土虧損，多數(shù)具有負銪異常，鈰異常不明顯；稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化曲線以右傾為特征。

新元古代片麻狀花崗巖是曉天盆地的基底，區(qū)域上稱為鄭沖片麻巖，大多在盆地邊緣出露，未在盆地中發(fā)現(xiàn)或者在之前的調(diào)查中被作為脈巖處理，在研究上未引起足夠重視。本次楊三寨巖體的發(fā)現(xiàn)說明盆地中心存在基底隆起，盆地形態(tài)不是兩邊淺中間厚而是有很大起伏，同時說明基底在成礦中有重要作用，不僅提供了部分成礦物質(zhì)，也提供了賦礦空間，在區(qū)域找礦上具有指導(dǎo)意義。

致謝：本文研究工作得到了中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源所侯可軍副研究員及安徽省地質(zhì)調(diào)查院杜建國教授級高級工程師的指導(dǎo)和幫助，野外工作中得到了安徽省地質(zhì)調(diào)查院杜森官教授級高級工程師、李明輝工程師的協(xié)助，審稿專家提出了寶貴的意見，在此一并表示衷心的感謝。