豫北嶺頭雜巖體地球化學(xué)特征、鋯石U-Pb年齡及地質(zhì)意義

王艷慧， 白國典， 王 璽， 陳泳霖， 劉 坤， 姚 帥

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，河南 鄭州 450001)

0 引言

華北克拉通在中生代發(fā)生了大規(guī)模的克拉通破壞和減薄，發(fā)育廣泛的巖漿活動[1-2]。太行山位于華北克拉通中部，南段發(fā)育一套中生代的中基性侵入巖，這套巖石的成因與演化是近幾十年來的研究熱點之一，對反演太行山南段的中生代巖石圈深部過程具有重要意義[3-7]。位于太行山南段的豫北安林地區(qū)，分布有大小不等的中性侵入巖，巖性以閃長巖為主，次為石英閃長巖和閃長玢巖，巖體侵入于古生界中，獲得的同位素 K-Ar 年齡為89 Ma～170 Ma[8]。上述 K-Ar 年齡變化范圍較大，與太行山其他地區(qū)中生代侵入巖的年齡 (115 Ma～125 Ma)[9-10]不太一致，因此有必要開展進一步的年代學(xué)研究。另外，安林地區(qū)分布有矽卡巖型鐵礦，為我國重要的鐵礦產(chǎn)地，安林式鐵礦的產(chǎn)出受馬家溝組灰?guī)r和燕山期閃長巖控制[11]。筆者在安林地區(qū)東姚一帶開展1∶5萬區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的同時，對區(qū)內(nèi)出露的中生代侵入巖進行了系統(tǒng)野外觀測和采樣測試，本文著重介紹具有代表性的嶺頭雜巖體的地球化學(xué)特征及獲得的鋯石 U-Pb 年齡數(shù)據(jù)，旨在為豫北地區(qū)中生代的巖漿演化及成礦規(guī)律研究提供線索和依據(jù)，為研究華北克拉通中部太行山地區(qū)的巖石圈演變提供一些啟示。

1 地質(zhì)概況

豫北安林地區(qū)位于華北地臺(Ⅰ級構(gòu)造單元)中南部[8]，跨兩個Ⅱ級構(gòu)造單元，以太行山東側(cè)的青羊口斷裂帶為界，西側(cè)區(qū)屬山西臺隆，東側(cè)為華北坳陷，嶺頭一帶位于山西臺隆內(nèi)。區(qū)內(nèi)地層屬華北地層大區(qū)的太行山地層小區(qū)[12]，出露地層主要為古生界和新生界 (圖1)。古生界出露有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，寒武系—奧陶系為一套碳酸鹽巖組合，中奧陶統(tǒng)馬家溝組分布比較廣泛；石炭系—二疊系為含煤碎屑巖夾碳酸鹽巖組合；新生界主要為新近系、第四系，新近系以碎屑巖組合為主、少量火山巖；第四系為巨厚的沖洪積松散堆積物。區(qū)內(nèi)巖漿活動較弱，火山巖不發(fā)育，侵入巖不太發(fā)育(出露面積約4 km2)；巖漿活動時期主要為中生代，集中在早白堊世；侵入體以巖床產(chǎn)出為主，零散分布在研究區(qū)中、北部，一般呈NNE向帶狀展布；巖石類型以中、酸性巖類為主，少量基性巖。區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造主要有NNE向和NW向兩組。

嶺頭雜巖體，也稱作“馬鞍山巖體”[8]，分布在安陽縣馬家鄉(xiāng)嶺頭村一帶，出露面積約5.5 km2，位于太行山東麓中性巖帶內(nèi)[8]。該雜巖體展布于NE向斷裂兩側(cè)，呈巖席狀順層侵入于馬家溝組一段土黃色角礫狀白云巖與馬家溝組三段灰白色中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r之間，傾角5°～40°，局部可見馬家溝組三段灰?guī)r形成的殘留頂蓋近水平蓋在雜巖體之上。在雜巖體頂部接觸的灰?guī)r受到擠壓和烘烤作用，巖石被烘烤成黃色粉末狀物質(zhì)，擠壓和烘烤帶一般寬0.5～2 m。

2 巖石學(xué)特征

嶺頭雜巖體包括兩期侵入體，主體巖性為二長閃長巖(K1δη)，接近頂部馬家溝組灰?guī)r圍巖的巖性為石英二長巖(K1ηο)，從兩者接觸處石英二長巖粒度較細推測其形成時間要比二長閃長巖晚。在二長閃長巖中局部還發(fā)育巖球構(gòu)造，巖球呈橢圓形，它是以異源捕擄體為核形成的有明顯殼層結(jié)構(gòu)的橢圓形球體，直徑為5～10 cm，巖球由球核與球皮兩部分組成，球核為顏色較暗(多呈灰綠色)的較基性的物質(zhì)組成，球皮厚3～5 mm，成分與主體巖性一致。研究表明，巖球構(gòu)造是通過巖漿同化捕擄體和巖漿結(jié)晶綜合作用形成的。調(diào)查發(fā)現(xiàn)二長閃長巖中普遍發(fā)育鏡鐵礦化，二長閃長巖與馬家溝組四段角礫狀白云巖接觸部位往往形成矽卡巖型磁鐵礦床。而偏酸性的石英二長巖則不宜形成矽卡巖型礦產(chǎn)。

二長閃長巖：巖石呈淺灰綠色，中細粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要為鉀長石(35%)、斜長石(25%～30%)、暗色礦物(30%～35%) (圖2a)。鉀長石呈半自形板狀，雜亂分布，大小一般為0.2～2.0 mm，部分為2.0～2.5 mm，具高嶺土化、黝簾石化，局部硅化，粒內(nèi)嵌布板條狀斜長石等顆粒。斜長石呈半自形板狀，雜亂分布，大小一般為0.1～1.5 mm，具絹云母化、黝簾石化、高嶺土化，隱約可見環(huán)帶構(gòu)造。暗色礦物由角閃石、輝石、少量黑云母組成，雜亂分布，大小0.05～4.1 mm。角閃石呈半自形柱狀、他形粒狀，局部綠泥石化、綠簾石化、褐鐵礦化、次閃石化，局部交代輝石。輝石呈柱狀，綠簾石化，被角閃石交代。黑云母鱗片狀，綠泥石化、綠簾石化，呈假象。

石英二長巖：巖石呈灰紅色，中細粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由斜長石(60%～65%)、鉀長石(15%～20%)、石英(1%～5%)、角閃石(10%)組成 (圖2b)。斜長石呈半自形板狀，雜亂分布，大小以0.1～2.0 mm的細粒為主，2.0～3.5 mm的中粒次之，具絹云母化、高嶺土化、黝簾石化，局部綠泥石化，隱約可見環(huán)帶構(gòu)造，多具正邊結(jié)構(gòu)。鉀長石多為半自形板狀—他形粒狀，局部呈纖狀、束狀，填隙狀分布，大小0.15～1.6 mm，具高嶺土化、黝簾石化。石英呈他形粒狀，填隙狀分布，大小為0.02～0.3 mm，具輕微波狀消光。角閃石為自形—半自形柱狀、他形粒狀，雜亂分布，大小一般為0.03～2.0 mm，部分為2.0～4.4 mm，局部綠泥石化、綠簾石、次閃石化。

3 巖石地球化學(xué)特征

在嶺頭雜巖體中采集了5件樣品，其中二長閃長巖3件 (G136/5-1，G136/9-1，G607/1)，石英二長巖2件(G608/1，G137/11-1)。樣品的全巖化學(xué)成分測試由國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心(武漢綜合巖礦測試中心)完成，使用的主要檢測儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X7)、X熒光光譜儀(XRF-1800)、等離子直讀光譜儀(ICAP6300)，檢測依據(jù)為 DZG 20.01-91，檢測溫度為24℃，檢測濕度為50%RH。

3.1 主量元素特征

嶺頭雜巖體5件樣品的主量元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)特征詳見表1。顯示w(SiO2)為50.49%～66.74%，其中二長閃長巖占比為50.49%～57.10%，石英二長巖占比為65.47%～66.74%，前者偏基性，后者偏酸性。w(Al2O3)為14.33%～17.44%，w(TiO2)為0.35%～0.89%，w(MgO)及w(CaO)分別為1.17%～3.94%、1.81%～6.95%，Mg#值為31.07～44.22、平均值為37.82。Na2O/K2O比值為1.19～1.31，均大于1，為富鈉型?？倝A含量 Alk 值為6.73%～9.35%，堿度率AR值為1.80～3.62，山德指數(shù) (A/CNK) 為1.21～1.48。里特曼指數(shù)(σ)為3.68～6.05，其中二長閃長巖樣品的σ值均大于4、屬于堿性系列，石英二長巖樣品的σ值小于4、為鈣堿性系列[13]。分異指數(shù)(DI)為55.60～85.68，二長閃長巖樣品的DI值低于石英二長巖，表明前者巖漿的分異程度較低、基性程度較高。固結(jié)指數(shù)(SI)為8.08～19.42，石英二長巖樣品的SI值較低，說明分異程度較高、酸性較強。鎂鐵指數(shù)(MF)為70.58～81.38，反映巖漿的分離結(jié)晶作用程度較高。

表1 嶺頭雜巖體的主量元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)

從哈克圖解 (圖3) 可以看出，嶺頭巖體的 Al2O3、Fe2O3、NaO、Mg#與 SiO2的相關(guān)性不明顯，TiO2、MgO 與 SiO2呈一定程度的負相關(guān)，P2O5、CaO 與 SiO2呈明顯的負相關(guān)，Al2O3與 Mg#、TiO2與 MgO、P2O5與 CaO、Fe2O3與 Na2O 分別跟 SiO2的相關(guān)性類似，呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。在 TAS 圖解 (圖4) 中，二長閃長巖樣品有2件落入二長閃長巖區(qū)、1件 (G136/5-1) 落入二長巖區(qū)，石英二長巖樣品均落入石英二長巖區(qū)，二長閃長巖樣品位于堿性系列一側(cè)，石英二長巖樣品位于亞堿性系列一側(cè)。在 SiO2- K2O 圖解 (圖5) 中，3個樣品 (G136/9-1，G607/1，G608/1) 落入中鉀鈣堿性系列，2個樣品 (G136/5-1，G137/11-1) 落入高鉀鈣堿性系列。在 CNK-NK 圖解 (圖6) 中，5個樣品均落入過鋁質(zhì)區(qū)。

3.2 稀土元素特征

嶺頭雜巖體5件樣品的稀土元素分析結(jié)果及有關(guān)參數(shù)見表2。嶺頭雜巖體的稀土元素總量為(114.34～161.09)×10-6，輕稀土總量為(85.47～137.82)×10-6(平均值為105.37×10-6)，重稀土總量為(23.57～29.85)×10-6，輕、重稀土比值為2.96～5.92，(La/Yb)N為7.73～20.80，(La/Sm)N為2.32～5.25。二長閃長巖樣品的δEu值為1.00～1.10，反映了無異常或較弱的Eu正異常；石英二長巖樣品的δEu值為0.94～0.99，反映了較弱的Eu負異常。δCe為0.77～0.96，顯示較弱的Ce負異常。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分型式圖 (圖7) 顯示，嶺頭雜巖體的5個樣品的稀土配分曲線變化趨勢較一致、均呈右傾型，輕稀土明顯富集、分餾程度較高，重稀土虧損、分餾程度較低，Eu異常不明顯，為同源巖漿演化的產(chǎn)物。

表2 嶺頭雜巖體稀土元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)

3.3 微量元素特征

嶺頭雜巖體各樣品的微量元素含量見表3。顯示Ba、Sr、Zr、V的含量較高，w(Ba)為(361～925)×10-6(平均值為485.6×10-6)，w(Sr)為(202～799)×10-6(平均值為436.8×10-6)，w(Zr)為(91.10～155.00)×10-6，w(V)為(48.33～245.00)×10-6；Cs、Ta、U的含量較低，w(Cs)為(0.07～2.63)×10-6，w(Ta)為(0.25～0.71)×10-6，w(U)為(0.20～0.60)×10-6。二長閃長巖樣品的 Sc、Co、Cr、Ni、V 含量明顯高于石英二長巖，而 Zr、Nb、Hf、Ba 含量低于石英二長巖。

表3 嶺頭雜巖體微量元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)

在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖 (圖8) 上，嶺頭雜巖體各樣品的曲線形狀基本一致，Ba、K、La、Sm、Y 等大離子親石元素相對富集、表現(xiàn)為異常峰，而 U、Nb、Ti 等高場強元素則呈不同程度地虧損、表現(xiàn)為異常谷。

4 鋯石U-Pb定年

鋯石 U-Pb 同位素體系具有較高的封閉溫度，一般不會受各種地質(zhì)作用影響發(fā)生擾動[10]，LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 年齡可反映較真實的巖漿巖形成時代。本次工作在嶺頭雜巖體中的二長閃長巖、石英二長巖中分別采集了U-Pb測年樣品，編號分別為 U-Pb607/1、U-Pb608/1，與全巖分析樣品 G607/1、G608/1 對應(yīng)。鋯石制靶及 LA-ICP-MS 鋯石定年工作均在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實驗室完成。

二長閃長巖樣品 (U-Pb607/1) 的鋯石個體較小，長軸不超過150 μm，多數(shù)不太完整、多呈他形柱狀、棱角較分明 (圖9)，多具振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)、色調(diào)較深，為巖漿鋯石。選取25顆鋯石進行了U-Pb同位素年齡測定，測試結(jié)果見表4，共24個有效數(shù)據(jù)點。19測點的232Th/238U 值為0.06，小于0.4，對應(yīng)的鋯石可能為繼承鋯石。其他測點的232Th/238U 值為1.20～2.48，均大于0.4，顯示出典型巖漿鋯石的特征[21-22]。測點的206Pb/238U 表面年齡加權(quán)平均值為 (134.20 ± 0.64) Ma (圖10)，解釋為嶺頭雜巖體的二長閃長巖的成巖年齡。

表4 嶺頭二長閃長巖(U-Pb607/1)鋯石U-Pb同位素分析結(jié)果

石英二長巖樣品 (U-Pb608/1) 的鋯石較完整，長軸多小于100 μm，絕大多數(shù)鋯石具環(huán)帶結(jié)構(gòu)，色調(diào)較深，為巖漿鋯石 (圖11)。采用 LA-ICP-MS 測年方法對25個測點進行了U-Pb同位素測定，測試結(jié)果見表5，有效數(shù)據(jù)點為20個。測點13及測點19的年齡值相對較小，與其他測點差別較大，可能代表導(dǎo)致放射性鉛丟失的后期地質(zhì)事件發(fā)生的時間[23]。其余測點的232Th/238U 值介于0.46～2.34，均大于0.4，為典型的巖漿鋯石特征。測點的206Pb/238U表面年齡加權(quán)平均值為 (128.8±1.4) Ma (圖12)，解釋為嶺頭雜巖體的石英二長巖的成巖年齡。

表5 嶺頭石英二長巖(U-Pb 608/1)鋯石U-Pb同位素分析結(jié)果

5 討論

5.1 巖石成因

嶺頭雜巖體的 MgO、CaO、TiO2含量與 SiO2含量呈一定程度的負相關(guān)，而 Fe、Mg、Ca、Ti 主要分別賦存于橄欖石、輝石及鐵鈦氧化物中[10]，這些礦物的分離結(jié)晶作用可引起上述負相關(guān)，薄片結(jié)果顯示嶺頭雜巖體的二長閃長巖中含少量輝石，說明該雜巖體的巖漿演化可能與礦物的結(jié)晶分異作用有關(guān)，表1中較高的鎂鐵指數(shù) (MF為70.6～81.4) 也印證了這一點[13]。嶺頭巖體中 Ba、Sr、LREE 含量的平均值大于大陸地殼的平均豐度 (Ba為456×10-6、Sr為320×10-6、LREE為92.9×10-6)[24]，說明該閃長巖形成過程中應(yīng)該有來自地幔源區(qū)部分熔融巖漿的加入；U、Nb、Ti等高場強元素相對于其他元素有較明顯的虧損，表明巖漿侵位過程中遭受了地殼物質(zhì)的混染[10]。嶺頭雜巖體的w(Th)/w(U) 的比值2.68～8.17，平均值為4.97，介于中國大陸地幔 Th/U 值(3.60)和下地殼 Th/U 值(5.48)之間，反映了巖漿有下地殼物質(zhì)的參與[25]。較弱的Eu異常及重稀土虧損，反映巖漿起源較深(大于60 km)[26]，可能有上地幔物質(zhì)加入。(Sr/Y) - Y 變異圖解 (圖13) 上，嶺頭雜巖體的樣品多數(shù)落入埃達克質(zhì)巖的區(qū)域；許多學(xué)者認為埃達克質(zhì)巖的高Sr/Y值可反映源區(qū)特征，成因為拆沉下地殼或加厚基性下地殼的部分熔融，也可能為部分熔融的殼源巖漿交代虧損地幔[28-31]。表1顯示嶺頭雜巖體具有較高的含鎂指數(shù) (Mg#為31.07～44.22)，說明其不可能全部形成于基性下地殼的部分熔融過程，幔源巖漿的混合可能在巖漿巖形成過程中起重要作用[32]。

從接觸關(guān)系及同位素資料顯示，嶺頭雜巖體中的二長閃長巖、石英二長巖的生成先后順序為二長閃長巖→石英二長巖，石英含量逐漸增多，酸性、堿性程度逐漸增高，稀土總量也逐漸增高，顯示出正向演化特征。在反映同源巖漿演化趨勢的 Ni-Co 圖解上，由二長閃長巖→石英二長巖，Ni與Co的比值呈現(xiàn)由高到低的規(guī)律性演化趨勢 (圖14)。

以往傳統(tǒng)的觀點認為，華北中生代巖漿巖起源于地殼加厚條件下基性下地殼的部分熔融[33-35]，或者是基性下地殼拆沉到地幔環(huán)境下發(fā)生部分熔融[36]。較新的觀點認為華北中生代巖漿巖主要形成于殼?；旌蠋r漿作用以及隨后的分離結(jié)晶作用等復(fù)雜的過程[32-33]：由于古太平洋板塊的持續(xù)俯沖，華北最終發(fā)展為弧后伸展環(huán)境；強烈的巖石圈伸展引起軟流圈地幔物質(zhì)的上涌，并加熱堆積位于過渡帶的俯沖板片，導(dǎo)致俯沖板片中的含水礦物脫水而釋放出大量的流體；這些流體與上涌的軟流圈地幔物質(zhì)帶來的高熱流一起，交代富集巖石圈地幔使其發(fā)生部分熔融，產(chǎn)生了大量的基性巖漿；這些基性巖漿再底侵到下地殼，使下地殼巖石發(fā)生部分熔融而形成花崗質(zhì)巖漿，兩者發(fā)生混合形成混漿；混漿再發(fā)生以鐵鎂礦物為主、長石為輔的分離結(jié)晶作用，最終形成了華北一系列由基性巖到中酸性和酸性巖的復(fù)雜巖石類型[32]。大量基性包體的存在是殼幔巖漿混合過程的重要特征[32]。前已述及，嶺頭雜巖體中局部可見二長閃長巖發(fā)育巖球構(gòu)造，巖球以基性捕擄體為核，這一現(xiàn)象可能是發(fā)生過殼幔巖漿混合的證據(jù)，也可能是部分熔融的地殼物質(zhì)中摻雜有固態(tài)的基性超基性巖。

綜上可知，嶺頭雜巖體的巖漿源區(qū)既有地幔物質(zhì)、又有地殼物質(zhì)，其形成過程與華北其他地區(qū)的中生代侵入巖較類似。

5.2 形成時代及意義

嶺頭一帶的早白堊世晚期各個侵入體均侵入馬家溝組一段至四段灰?guī)r、白云巖。區(qū)域上見有該期巖體侵入到石炭系，其形成時代應(yīng)晚于石炭紀(jì)。前人在豫北地區(qū)的中生代侵入體獲得的年齡多為 K-Ar 年齡 (89 Ma～170 Ma)，范圍變化較大。本次工作在嶺頭雜巖體的二長閃長巖中獲得的鋯石 U-Pb 年齡為 (134.20±0.64) Ma，在石英二長巖中獲得的鋯石U-Pb年齡 (128.8±1.4) Ma，說明后者侵入稍晚。綜上可知，(128.8±1.4) Ma可視作嶺頭雜巖體的最終形成年齡，時代為早白堊世。

太行長治地區(qū)平順閃長巖測定的鋯石 U-Pb 年齡 (125.5±2.3) Ma[10]、西安里角閃輝長巖獲得的鋯石 U-Pb 年齡 (131±1) Ma[37]，邯鄲地區(qū)的符山閃長巖獲得的鋯石 U-Pb 年齡為 (125±1) Ma[38]、(126.7±1.1) Ma[39]，林州東冶閃長巖測定的鋯石 U-Pb 年齡為 (125.9±0.9) Ma[40]。本次獲得的豫北嶺頭雜巖體的鋯石 U-Pb 年齡與上述同屬太行山南段的中性侵入巖的年齡有較好的一致性，均為早白堊世，說明太行山南段在早白堊世發(fā)生過較強烈的構(gòu)造-巖漿事件[3]，與中國東部在早白堊世發(fā)生過大規(guī)模巖漿、成礦事件相吻合[9]。華北克拉通巖石圈減薄的峰期發(fā)生在早白堊世，以廣泛發(fā)育的巖漿活動為主要標(biāo)志之一[1-2，35]。本次研究取得的豫北嶺頭雜巖體的鋯石U-Pb年齡結(jié)果，表明華北克拉通巖石圈減薄事件可能波及了包括豫北嶺頭一帶在內(nèi)的太行山南部地區(qū)。

6 結(jié)論

1)豫北嶺頭雜巖體的巖石類型有二長閃長巖、石英二長巖，前者為主體巖性，偏基性、屬堿性巖，后者偏酸性、屬亞堿性巖，兩者均為中—高鉀鈣堿性系列、過鋁質(zhì)巖石。

2)嶺頭雜巖體的輕、重稀土比值為2.96～5.92，屬輕稀土富集型，稀土配分曲線呈右傾型，δEu值為0.94～1.10，Eu異常不明顯；相對富集 Ba、K、La、Sm、Y 等大離子親石元素，而 U、Nb、Ti 等高場強元素則呈不同程度地虧損。

3)嶺頭雜巖體的 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 測年結(jié)果顯示，二長閃長巖的成巖年齡為(134.20±0.64) Ma，接近圍巖頂部的石英二長巖的成巖年齡 (128.8±1.4) Ma，后者的年齡代表了嶺頭巖體的最終形成年齡，時代為早白堊世。與南太行其他地區(qū)獲得的中生代侵入巖年齡較一致。

致謝：本文是1∶5萬東姚集等四幅區(qū)調(diào)項目的成果，衷心感謝所有項目組成員的辛苦努力和付出，感謝單位總工室馬瑞申、王世炎、崔來運等專家的悉心指導(dǎo)，感謝測試單位的大力支持和幫助，感謝各位審稿老師提出的寶貴意見。