秦嶺巖群早古生代晚期構(gòu)造熱事件及地質(zhì)意義

蘭瑞烜, 李加好, 楊挺宇

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

秦嶺-大別造山帶經(jīng)歷了長期復(fù)雜的構(gòu)造演化,涉及從大洋俯沖、島弧增生到最終的陸-陸碰撞過程。大別造山帶以經(jīng)歷三疊紀(jì)超高壓變質(zhì)作用而聞名,而秦嶺造山帶則記錄了多期高級變質(zhì)作用[1]。北秦嶺在古生代造山作用過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造熱演化,文獻(xiàn)[2]對伴生的巖漿活動開展了詳細(xì)的年代學(xué)研究,但對變質(zhì)作用時代及性質(zhì)的研究相對較少,制約了對秦嶺造山帶構(gòu)造演化的認(rèn)識。

位于北秦嶺造山帶核部的秦嶺巖群代表了造山帶深部的物質(zhì)組成,可能記錄造山帶構(gòu)造熱演化的重要信息[2]。本文對秦嶺巖群中黑云斜長片麻巖及侵入其中的長英質(zhì)脈體進(jìn)行了詳細(xì)的野外觀察及鋯石U-Pb年代學(xué)研究,厘定出1期早古生代晚期構(gòu)造熱事件,并探討了其地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景

秦嶺造山帶構(gòu)造單元劃分及研究位置如圖1所示。

秦嶺-大別造山帶是華南和華北兩大板塊碰撞拼合的產(chǎn)物,經(jīng)歷了長期而復(fù)雜的構(gòu)造演化。其中秦嶺造山帶夾持在洛南—欒川斷裂帶及勉縣—略陽(簡稱“勉略”)縫合帶之間,又被商南—丹鳳(簡稱“商丹”)縫合帶分割為南、北秦嶺構(gòu)造帶[3]。

LLWF—靈寶—魯山—武陽斷裂 LLF—洛南—欒川斷裂

北秦嶺構(gòu)造帶地質(zhì)簡圖及采樣點(diǎn)位置如圖2所示(據(jù)文獻(xiàn)[4]修改)。北秦嶺構(gòu)造帶主要由前寒武紀(jì)變質(zhì)基底和新元古代—早古生代蛇綠巖、火山—沉積巖組合構(gòu)成,被石炭系及二疊系的碎屑沉積巖不整合覆蓋。它們可按照地層單元由北向南劃分為寬坪巖群、二郎坪巖群、秦嶺巖群及丹鳳巖群。

寬坪巖群主要由高綠片巖相-低角閃巖相變質(zhì)巖系組成,原巖為基性火山巖、碎屑巖及碳酸鹽巖,曾被認(rèn)為是華北板塊南緣被動大陸邊緣沉積或弧后盆地沉積[3,5-6]。但是有研究認(rèn)為,其由不同時代、不同性質(zhì)的巖石構(gòu)成,包括新元古代殘余洋殼及古生代沉積巖系[7]。

二郎坪巖群主體由綠片巖相-低角閃巖相變質(zhì)的基性火山巖、輝綠巖、碎屑巖及硅質(zhì)巖組成,被認(rèn)為形成于商丹洋向北俯沖過程中的弧后盆地[8]。

秦嶺巖群為一套中高級變質(zhì)雜巖系,主要由片麻巖、大理巖及角閃巖組成,其南、北兩側(cè)均有少量高壓-超高壓變質(zhì)巖石出露。片麻巖鋯石U-Pb年齡指示秦嶺巖群主要形成于晚中元古代-早新元古代[9],并于早古生代遭受了強(qiáng)烈的變質(zhì)變形改造及巖漿侵位。

丹鳳巖群是一套蛇綠巖及島弧火山巖的構(gòu)造混雜體,由鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石、碎屑巖、少量碳酸鹽及火山巖組成,后期疊加了綠片巖相-角閃巖相的變質(zhì)作用[4]。

圖2 北秦嶺構(gòu)造帶地質(zhì)簡圖及采樣點(diǎn)位置

2 樣品及測試方法

商南縣清油河鄉(xiāng)澗場村河底出露的秦嶺巖群由黑云斜長片麻巖及長英質(zhì)脈體組成。黑云斜長片麻巖與長英質(zhì)脈體野外接觸關(guān)系照片如圖3所示，顯微鏡下照片如圖4所示。

圖3 長英質(zhì)脈體與黑云斜長片麻巖野外接觸關(guān)系照片

Pl—斜長石 Kfs—鉀長石 Qtz—石英 Bt—黑云母

長英質(zhì)脈體寬度不一,多在2～50 cm之間,產(chǎn)狀與黑云斜長片麻巖總體一致。黑云斜長片麻巖呈深黑色,具有鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)及片麻狀構(gòu)造,定向明顯。黑云斜長片麻巖及長英質(zhì)脈體之間界線時而清晰,時而漸變,黑云斜長片麻巖內(nèi)偶爾也發(fā)育少量極窄的長英質(zhì)脈體。本次研究分別采集黑云斜長片麻巖(樣品編號XS22-3)和約10 cm寬的長英質(zhì)脈體(樣品編號XS22-4)各1件用于年代學(xué)研究。

黑云斜長片麻巖礦物組成主要為黑云母(35%)、斜長石(45%)、石英(20%)及少量鉀長石。黑云母呈片狀,定向排列,大小為0.05～0.20 mm;斜長石他形粒狀,粒徑為0.10～0.15 mm;石英呈他形粒狀,定向拉長,大小為0.05～0.20 mm。

長英質(zhì)脈體的礦物組成主要為石英(45%)、斜長石(35%)、鉀長石(20%)及少量綠簾石。其中斜長石及鉀長石顆粒較大,可達(dá)1 mm,較自形,斜長石稍有蝕變;石英多呈他形,粒徑為0.02～0.10 mm。

鋯石分離挑選在河北省廊坊市誠信地質(zhì)服務(wù)有限公司完成,將4～5 kg樣品粉碎,經(jīng)重磁法及電磁法分選后,在雙目鏡下進(jìn)行遴選,每個樣品挑選200顆以上鋯石。鋯石顆粒制靶、透反射光及陰極發(fā)光(cathodo-luminescence, CL)照相均在重慶宇勁科技有限公司完成。

鋯石U-Pb定年在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室Agilent 7500a型ICP-MS上進(jìn)行,采用的激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas 193,剝蝕束斑直徑約32 μm,選用標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo),每測定5個樣品點(diǎn)就測定1次標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500,每測定10個樣品點(diǎn)測1次NIST610玻璃樣及年齡監(jiān)控樣PLE。數(shù)據(jù)分析軟件采用ICPMSDataCal9.6[10],單點(diǎn)測試標(biāo)準(zhǔn)差為1σ,加權(quán)平均年齡標(biāo)準(zhǔn)差采用2σ。選取諧和度大于90%的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。U-Pb諧和圖的繪制及加權(quán)平均年齡的計(jì)算利用Isopolt3軟件[11]。對于年齡大于1 000 Ma數(shù)據(jù)點(diǎn),采用207Pb/206Pb年齡,小于1 000 Ma的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用206Pb/238U年齡進(jìn)行分析。

3 測試結(jié)果

黑云斜長片麻巖與長英質(zhì)脈體中代表性鋯石CL圖像及年齡如圖5所示。

圖5a～圖5g為黑云斜長片麻巖(XS22-3)中的鋯石。

圖5h～圖5j為長英質(zhì)脈體(XS22-4)中的鋯石。黑云斜長片麻巖與長英質(zhì)脈體鋯石諧和年齡如圖6所示,加權(quán)平均年齡如圖7所示。

圖7中,MSWD表示平均標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重偏差(mean standard weighted deviation)。

黑云斜長片麻巖中鋯石呈次渾圓狀、短柱狀或長柱狀,鋯石寬度為30～60 μm,長度為80～140 μm。CL圖像顯示鋯石具有較為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),大致可分為3類:

第1類，具有核-邊結(jié)構(gòu),鋯石核部振蕩環(huán)帶清晰,具有明亮狹窄的增生邊(圖5a、圖5b),應(yīng)該是巖漿鋯石受變質(zhì)作用改造所致。

第2類，鋯石自形程度較好,具有核-邊結(jié)構(gòu),但鋯石核部及邊部均發(fā)育振蕩環(huán)帶,顯示巖漿鋯石特征(圖5c、圖5d)。

第3類，鋯石呈他形、面狀分帶或無分帶,呈現(xiàn)出變質(zhì)流體結(jié)晶鋯石的特征[12](圖5e～圖5g)。

圖5 黑云斜長片麻巖與長英質(zhì)脈體中代表性鋯石CL圖像及年齡

圖6 黑云斜長片麻巖與長英質(zhì)脈體鋯石U-Pb年齡諧和圖

圖7 黑云斜長片麻巖與長英質(zhì)脈體鋯石加權(quán)平均成巖年齡

對上述3種鋯石共47粒進(jìn)行了50個測點(diǎn)分析,其中35個點(diǎn)諧和度大于90%。第1類鋯石核部鋯石及第2類鋯石的w(Th)/w(U)在0.11～1.83之間,大部分大于0.4,年齡變化于476～2 181 Ma之間,主要年齡峰值為897 Ma,指示其原沉積巖中有大量新元古代鋯石。第3類鋯石共獲得3個諧和數(shù)據(jù)年齡,它們的w(Th)/w(U)分別為0.11、0.07、0.09,年齡分別為(435±12)、(433±12)、(418±11) Ma,加權(quán)平均年齡為(427±14) Ma,代表變質(zhì)事件的時間。

長英質(zhì)脈體鋯石的形態(tài)較為一致,多呈半自形-自形、短柱狀。鋯石粒徑普遍較小,長軸長度變化于50～100 μm,長寬比為1.2∶1.0～2.0∶1.0。鋯石大多具有振蕩環(huán)帶(圖5h、圖5i),少數(shù)鋯石無明顯分帶或呈面形分帶(圖5j),類似于變質(zhì)深熔作用過程中釋放熔體內(nèi)的結(jié)晶鋯石[12]。鋯石w(Th)、w(U)變化較小,分別為(15.0～111.0)×10-6、(45.0～144.0)×10-6,并具有較高的w(Th)/w(U)比值(0.33～0.77),應(yīng)屬于巖漿成因鋯石。50個分析點(diǎn)中獲得45組諧和年齡數(shù)據(jù),206Pb/238U年齡集中在(420±12)～(465±16) Ma,加權(quán)平均年齡為(442±9) Ma,代表了長英質(zhì)脈體的結(jié)晶時代。

4 討 論

秦嶺巖群記錄了多期古生代變質(zhì)作用,其中高壓-超高壓變質(zhì)作用的進(jìn)變質(zhì)、峰期變質(zhì)及角閃巖相退變質(zhì)階段分別發(fā)生于515、490 Ma及480～470 Ma[13],后期疊加了440～410 Ma中壓-高溫變質(zhì)和深熔作用[14]。

本次研究獲得的秦嶺巖群變質(zhì)時間為(427±14) Ma,巖漿侵位時間為(442±9) Ma,與文獻(xiàn)[14]獲得的秦嶺巖群中壓-高溫變質(zhì)及深熔作用時代440～410 Ma相一致。同時,北秦嶺還廣泛出露同時期的巖漿巖(420～460 Ma),如灰池子巖體、商南巖體、板山坪巖體等[15]。上述地質(zhì)事實(shí)共同指示秦嶺巖群在早古生代晚期曾經(jīng)歷1次強(qiáng)烈的構(gòu)造熱事件。

目前,對于該期構(gòu)造熱事件的發(fā)生機(jī)制還存在不同認(rèn)識,主要有以下3種觀點(diǎn):① 超高壓巖石的折返[16];② 南、北秦嶺陸-陸碰撞[15];③ 商丹洋的北向俯沖[2-3]。文獻(xiàn)[16]提出秦嶺巖群早泥盆世(400～415 Ma)混合巖化作用,是由華南與華北板塊陸-陸碰撞形成的高壓-超高壓變質(zhì)巖折返引起的。然而,秦嶺巖群高壓-超高壓變質(zhì)巖的角閃巖相退變質(zhì)作用時間明顯早于此次變質(zhì)-深熔作用(約440～430 Ma),因此本期構(gòu)造熱事件與超高壓變質(zhì)巖折返無關(guān)。雖然文獻(xiàn)[12]的研究指示北秦嶺(460～420 Ma)巖漿巖是南北秦嶺碰撞過程中加厚地殼部分熔融的產(chǎn)物,但是文獻(xiàn)[17]對弧前沉積巖碎屑鋯石的年代學(xué)研究,將商丹洋的閉合時代限定在晚古生代,即460～420 Ma期間,商丹洋仍在俯沖,南、北秦嶺碰撞尚未發(fā)生。秦嶺巖群出露440～410 Ma高溫麻粒巖、混合巖以及島弧巖漿巖,顯示出大陸巖漿弧根部的構(gòu)造特征[18]。因此,本文支持觀點(diǎn)③,即該期構(gòu)造熱事件是商丹洋向北俯沖所導(dǎo)致。變質(zhì)巖石學(xué)方面的研究也認(rèn)為該期構(gòu)造熱事件是大洋俯沖伴生的“巴羅式”區(qū)域變質(zhì)作用[2]。文獻(xiàn)[18]對北秦嶺混合巖開展了詳細(xì)的鋯石形貌學(xué)、微量元素以及U-Pb年代學(xué)研究,提出北秦嶺混合巖化發(fā)生于455～420 Ma,峰期時間約為435 Ma,也認(rèn)為該期混合巖化是商丹洋向北俯沖導(dǎo)致的。

5 結(jié) 論

(1) 黑云斜長片麻巖的變質(zhì)時代為(427±14) Ma。

(2) 長英質(zhì)脈體的形成年齡為(442±9) Ma。

(3) 本次研究認(rèn)為華南與華北板塊之間的商丹洋向北俯沖,導(dǎo)致秦嶺巖群在早古生代晚期經(jīng)歷1期強(qiáng)烈的構(gòu)造熱事件,表現(xiàn)中壓-高溫變質(zhì)、深熔以及巖漿作用。