宿州八山花崗巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

吳燦燦，曹 靜，趙景宇

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州,234000；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州,221000

花崗巖是一種酸性侵入巖，在地殼中較為廣泛分布[1]?；◢弾r的形成常受到大地構(gòu)造背景和區(qū)域構(gòu)造演化的影響和控制。通過對花崗巖的研究能夠了解區(qū)域地殼的演化及殼-幔相互作用，具有重要意義[2-3]。

宿州地區(qū)位于華北板塊的東南緣，在中生代發(fā)生了強烈的巖漿侵入活動，形成多期次侵入的巖體[4-7]，但總體出露情況較少。前人對研究區(qū)的巖漿活動進行了一些相關(guān)研究，主要集中于中生代侵入雜巖體及其中包體的地球化學(xué)和年代學(xué)工作[8-11]，其他巖漿活動研究基本停留在地質(zhì)調(diào)查研究階段，對于研究區(qū)花崗巖體，目前沒有開展系統(tǒng)的研究工作?；诖?，本文以宿州八山花崗巖體為研究對象，通過對巖石樣品鏡下分析及元素地球化學(xué)特征分析，從而揭示宿州花崗巖的成因，并探討其構(gòu)造背景，以期為華北板塊東南緣中生代構(gòu)造演化提供約束。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及巖石學(xué)特征

皖北八山地理位置位于安徽省宿州市夾溝鎮(zhèn)，構(gòu)造位置上屬于華北板塊東南緣[12]。區(qū)內(nèi)出露地層以寒武系和震旦系為主。八山花崗巖體出露于夾溝鎮(zhèn)東南的八山、火山一帶，發(fā)育于寒武系饅頭組內(nèi)部，成脈體分布，與圍巖接觸面清楚(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置及地質(zhì)簡圖

八山花崗巖巖石學(xué)特征如下：花崗巖為淺紅灰色，細晶結(jié)構(gòu)，粒度0.2 mm左右，均一塊狀構(gòu)造，主要成分為長石，其次為石英。顯微鏡下呈斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為斜長石和石英，斜長石含量3%，為自形短柱狀，長0.3 mm左右，內(nèi)部具熔融孔洞，見聚片雙晶；石英含量1%，長0.1～0.2 mm，被熔融成圓形?；|(zhì)具微粒等粒結(jié)構(gòu)，主要為長石和石英，偶見黑云母，長石含量80%，正長石為主，呈自形的柱狀，橫截面正方形，長0.1～0.2 mm，少量為斜長石(10%)，具聚片雙晶；石英含量16%，它形粒狀，充填于長石之間的孔隙中，無色透明，粒度0.1 mm左右；黑云母為黃綠-暗綠色，多色性明顯，一組極完全解理，0.12 mm(圖2)。

圖2 八山花崗巖巖石學(xué)特征

2 樣品采集與測試

花崗巖巖體樣品采自安徽宿州市夾溝鎮(zhèn)八山，具體位置見圖1。將采集的樣品拿到實驗室進行初步處理，清洗干凈、自然風(fēng)干、切除表層、超純水清洗、烘箱烘干，機器粉碎并用瑪瑙研缽研磨至200目，樣品送至武漢上譜分析測試中心測定主量元素和微量元素含量。主量元素采用X射線熒光光譜儀(Axios MAX)分析完成，微量元素利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7700e ICP-MS)分析完成，詳細測試方法均參照《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》(GB/T14506-2010)。測試精度均優(yōu)于5%，全巖主微量元素分析結(jié)果見表1，其中燒失量(LOI)是一定質(zhì)量樣品烘干后于950 ℃反復(fù)灼燒直至恒重，通過計算所得。

3 地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

八山花崗巖主量元素分析結(jié)果具體見表1。從測試結(jié)果中可以看出，宿州八山花崗巖樣品中SiO2含量為74.58%～76.01%，含量較高；MgO含量為0.06%～0.1%；P2O5含量為0.01%～0.11%；TiO2含量為0.07%～0.08%，在巖石樣品中含量較低，但分布較均勻。八山花崗巖全堿(Na2O+K2O)含量為8.29%～8.62%，平均為8.44%，含量較高。在TAS圖解中(圖3)，樣品被分類為花崗巖。樣品ω(K2O)>ω(Na2O)含量高，K2O/Na2O值為1.06～1.29，均大于1，為富鉀巖石，里特曼組合指數(shù)為2.18～2.25。通過SiO2-K2O圖解[13-14](圖4)，可知樣品屬于高鉀鈣堿系列?；◢弾r樣品Al2O3含量平均為13.3%～13.93%，鋁飽和指數(shù)A/CNK為1.49～1.59，屬過鋁質(zhì)巖石[15](圖5)。

表1 八山花崗巖主量元素(ωt%)及微量元素(×10-6)分析結(jié)果

(續(xù)表)

圖3 TAS圖解 圖4 K2O-SiO2圖解 圖5 A/NK-A/CNK圖解

3.2 微量元素和稀土元素

八山花崗巖微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖6)，所有樣品的微量元素分布模式均為總體右傾斜型。八山花崗巖Rb元素含量為222×10-6～240×10-6，Hf 元素含量為3.96×10-6～4.16×10-6，Th元素含量為28.6×10-6～31.7×10-6，較為富集。Ba元素含量為25.7×10-6～34.5×10-6，Nb元素含量為34.2×10-6～37.6×10-6，相對較為虧損。Sr元素虧損，含量為15.6×10-6～37.3×10-6，可能是巖漿中存在斜長石殘留導(dǎo)致[16]。

圖6 八山花崗巖微量元素蛛網(wǎng)圖

八山花崗巖的稀土總量較低，ΣREE為23.65×10-6～32.82×10-6，平均為26.45×10-6，高于上地幔稀土元素含量(17.7×10-6)，遠低于上地殼稀土元素含量(165.35×10-6)[17]。其中輕稀土元素含量在20.32×10-6～28.55×10-6之間，重稀土元素含量為2.95×10-6～4.27×10-6。ΣLREE/ΣHREE為5.77～7.01，反映出輕稀土富集、重稀土虧損的特征。(La/Yb)N為4.83～5.86，表明輕重稀土元素分餾較為明顯。在八山花崗巖稀土元素分布型式圖上(圖7)，可以看出曲線總體呈右傾海鷗型分布，元素Eu明顯負異常(δEu介于0.44～0.59)。曲線特征及Eu負異?？赡苁情L石從巖漿中分離結(jié)晶引起，或部分熔融作用中長石殘留在源區(qū)所導(dǎo)致[18]。

圖7 八山花崗巖稀土元素分布型式圖

4 討 論

4.1 巖石成因

花崗巖通常被分為I、S、A和M型四類，是以巖漿性質(zhì)劃分的[19]。在分類過程中最常用的手段為元素地球化學(xué)。

一般A型花崗巖TFeO含量較高，大于1%，與高分異I型花崗巖(TFeO小于1%)能夠很好區(qū)分。八山花崗巖樣品TFeO含量為1.04%～1.4%，TFeO/MgO比值為13.7～20.95(平均為15.87)，與世界A型花崗巖平均值(13.4)相近[20-22]，遠高于I型(2.27)、S型(2.38)和M型(2.37)花崗巖。樣品在TFeO/MgO-SiO2圖解中[23-24](見圖8)均落入A型花崗巖區(qū)域。八山花崗巖元素Ga含量為21.3×10-6～22.8×10-6，接近世界典型A型花崗巖數(shù)值(18.54×10-6～24.6×10-6)[24]。10 000×Ga/Al值常用作A型花崗巖的判別依據(jù)，當(dāng)數(shù)值大于2.6，認定為A型花崗巖[19-20]。研究區(qū)花崗巖10 000×Ga/Al值為2.99～3.14，均大于2.6。從八山花崗巖微量元素蛛網(wǎng)圖及稀土元素分布圖中，可以看出稀土元素配分曲線型式呈右傾海鷗型分布，Sr、Eu、Ba等元素負異常和Zr、Hf等元素明顯富集，這均與典型A型花崗巖表現(xiàn)出的元素特征一致。

圖8 TFeO/MgO-SiO2圖解

在Nb-SiO2、Na2O-K2O、(Na2O+K2O)/CaO-10 000Ga/Al、TFeO/MgO-(Ce+Y+Zr+Nb)、Nb-10 000Ga/Al和K2O/MgO-10 000Ga/Al圖解[23，25]中(見圖9、圖10)，八山花崗巖樣品基本落入A型花崗巖區(qū)域內(nèi)，能夠與I、S型花崗巖區(qū)分。從主微量元素及稀土元素地球化學(xué)角度，八山花崗巖屬于鋁質(zhì)A型花崗巖。

圖9 Nb-SiO2和Na2O-K2O圖解

圖10 花崗巖類型判別圖解

A型花崗巖的成因有幔源巖漿、或與地殼巖漿混染分異以及大陸地殼部分熔融三種觀點。八山花崗巖具有較高的SiO2(74.58%～76.01%)和較低的MgO(0.06%～0.1%)含量，不是來源于地幔巖漿的直接熔融。巖石中Sr、Eu虧損說明形成花崗巖的巖漿可能存在斜長石殘留，且區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)同期次基性-超基性巖，說明不是幔源巖漿直接分離結(jié)晶形成。八山花崗巖SiO2的高含量和Hf、Zr元素富集，顯示出殼源巖石來源。八山花崗巖Rb/Nb值為6.29～6.8，高于全殼均值5.36[16]，Nb/Ta值為13.18～14.22，低于幔源熔體均值22[26-28]，接近大陸地殼均值(11～16)[28]，表明八山花崗巖源自地殼，而非地幔物質(zhì)。在巖石源區(qū)判別圖解[29]中(圖11)，樣品均落入變質(zhì)雜砂巖部分熔融區(qū)。

圖11 花崗巖源區(qū)判別圖解

4.2 構(gòu)造環(huán)境

圖12 Rb/10-Hf-3Ta和Rb/30-Hf-3Ta圖解

地殼能夠部分熔融，表明地下深處存在熱異常，基本由拉張引起，因此，A型花崗巖代表伸展背景的構(gòu)造環(huán)境[19]。在Rb/10-Hf-3Ta構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(見圖12)，研究區(qū)花崗巖樣品落在碰撞大地構(gòu)造背景和板內(nèi)背景的接觸區(qū)域，暗示造山期即將結(jié)束，板內(nèi)期即將來臨。在Rb/30-Hf-3Ta圖解中(見圖12)，落在碰撞后區(qū)域內(nèi)，反映其形成應(yīng)該在俯沖或碰撞作用結(jié)束后。在Nb-Y圖解和Rb-(Y+Nb)圖解[31]中(見圖13)，八山花崗巖樣品投落在碰撞花崗巖區(qū)域內(nèi)。通過R1-R2圖解[32]進一步判別(見圖14)，落在造山期后A型花崗巖區(qū)域。

圖13 Nb-Y和Rb-(Y+Nb)圖解

圖14 R2-R1圖解

三疊紀末期開始，揚子陸塊俯沖碰撞華北陸塊，使華北板塊東南部陸殼增厚，產(chǎn)生高壓-超高壓變質(zhì)巖石。到中侏羅世時期，華北板塊東南部進入構(gòu)造伸展環(huán)境，高壓-超高壓變質(zhì)巖折返到中下部地殼，同時，巖石圈開始減薄，拉張引起中下部地殼的部分熔融，產(chǎn)生一系列巖漿活動[33]。晚侏羅世-早白堊世，古太平洋板塊俯沖中國陸塊東部，郯廬斷裂帶大規(guī)模向北推移，觸發(fā)下地殼拆沉作用，引起軟流圈物質(zhì)上涌，交代侵蝕地幔，上升造成地殼巖石部分熔融，形成早白堊世雙峰式火成巖[7,34-35]。

八山花崗巖侵入于寒武系地層中，其時代確定為寒武系之后，據(jù)報道，華北板塊東南緣的巖漿活動主要發(fā)生在元古代和中生代[36-41]。據(jù)其出露特征，八山花崗巖體侵入時間為中生代。康從軒等在研究華北克拉通東南緣蚌埠隆起早白堊世二長花崗巖發(fā)現(xiàn)，巖石年齡集中于114.6±3.3～121±1.0 Ma，主要來源于地殼的部分熔融，但有地幔物質(zhì)參與[7]。王清海等對華北克拉通東南緣中生代侵入雜巖測年發(fā)現(xiàn)形成時間約為127 Ma，巖體中攜帶豐富幔源捕擄體，暗示巖石形成也有地幔物質(zhì)參與[33]。這也就確定八山花崗巖不可能是在早白堊世時期形成的，早白堊世時期巖漿活動有地幔的參與，可以推斷八山花崗巖體大致形成于中侏羅世-晚侏羅世時期,至于巖體具體形成時間，后期將進一步深入研究。通過以上認識可以得出，八山A型花崗巖形成于造山期后的伸展構(gòu)造環(huán)境。

5 結(jié) 論

(1)從主微量元素及稀土元素地球化學(xué)角度，八山花崗巖屬于鋁質(zhì)A型花崗巖。

(2)Hf、Zr元素富集及Rb/Nb、Nb/Ta值特征表明八山花崗巖主要來源地殼物質(zhì)，可能為變質(zhì)雜砂巖的部分熔融。

(3)八山花崗巖體形成于造山期后的伸展構(gòu)造環(huán)境。