豫西崤山白石崖巖株的深部過程
——鋯石年齡譜和稀土元素證據(jù)

梁濤,盧仁

1) 河南省地質(zhì)研究院,鄭州,450016;2) 河南省有色金屬深部找礦工程技術(shù)研究中心,鄭州,450016;3) 河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州,450016;4) 河南省有色金屬深部找礦勘查技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州,450016

內(nèi)容提要:崤山北部早白堊世侵入巖的簡單年齡結(jié)果中包含了復(fù)雜地質(zhì)信息,6個(gè)巖株的侵位年齡集中于～130 Ma和～145 Ma兩期,復(fù)雜的單顆粒鋯石年齡譜為反演區(qū)域構(gòu)造背景提供了新途徑。白石崖巖株鋯石的U-Pb年齡和微量元素特征不僅對探討其巖石成因和深部過程具有重要作用,而且為建立崤山北部燕山期侵入巖的精細(xì)的年代學(xué)框架和整合的成因模型提供新限定。白石崖巖株定年樣品BSY03為斑狀黑云母二長花崗巖,3次LA-ICP-MS鋯石U-Pb測試中分析了77個(gè)測點(diǎn),其中73個(gè)有效測點(diǎn)的年齡值分成～132 Ma(15個(gè))、～145 Ma(49個(gè))和～158 Ma(9個(gè))3個(gè)年齡組,形成了鋯石年齡譜,最晚一組加權(quán)平均年齡132.1±1.0 Ma為白石崖巖株的形成時(shí)代。3組年齡鋯石均顯示了輕稀土虧損和重稀土富集的特征,整體為Ce正異常及Pr、Nd負(fù)異常,～145 Ma和～158 Ma兩組鋯石的稀土總量分別為694×10-6 ～ 2213×10-6(平均值1309×10-6)和950×10-6 ～ 1849×10-6(平均值1360×10-6),～132 Ma組鋯石的稀土總量變化范圍介于429×10-6 ～ 2210×10-6,平均值為1495×10-6。3組鋯石總體的形成溫度為539 ～ 748 ℃;～158 Ma組鋯石的溫度較高,為601 ～ 748℃(平均值662℃); ～145 Ma組和～132 Ma組鋯石的溫度分別介于539 ～ 717℃(平均值629℃)和553 ～ 701℃(平均值633℃)。鋯石測點(diǎn)的Er、Yb、Lu和Y含量隨年齡由早及晚的整體變化趨勢均為升高,～132 Ma和～145 Ma組鋯石的Ce4+/Ce3+值分別介于13.2 ～ 121(平均值69.7)和27.6 ～ 107(平均值70.3),～158 Ma組鋯石的Ce4+/Ce3+值介于3.53 ～ 81.4,其由早及晚的整體趨勢均為先升高后降低。白石崖巖株的形成受控于崤山北部巖石圈拆沉作用,深部巖漿/流體因此得以釋放,促成上部處于未完全固結(jié)晶粥狀態(tài)的巖漿/流體庫發(fā)生混合再活化作用,重獲上侵能力的巖漿/流體卷攜多期鋯石(如～158 Ma和～145 Ma的鋯石)在淺部構(gòu)造有利部位固結(jié)成巖,并晶出～132 Ma鋯石。

確定形成時(shí)代是花崗巖地質(zhì)研究中的基本任務(wù)之一,它在巖石成因、構(gòu)造背景、成礦作用、找礦預(yù)測等研究和應(yīng)用中是不可或缺的參數(shù)。作為常見副礦物之一,鋯石廣泛賦存于花崗巖內(nèi),它富含U和Th及低普通Pb,并具優(yōu)良的礦物穩(wěn)定性,鋯石U-Pb體系也是目前已知礦物同位素體系中封閉溫度最高的,這些特性使得鋯石U-Pb定年在花崗巖同位素年代學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用,尤其是原位微區(qū)鋯石U-Pb定年方法。越來越多的花崗巖鋯石原位U-Pb定年結(jié)果表明,同一件樣品中有效鋯石的年齡值也顯示出分散特性,這些在U-Pb諧和線上呈串珠狀的年齡數(shù)據(jù)形成單顆粒鋯石年齡譜,它對應(yīng)于區(qū)域巖漿/熱事件。鋯石的微量元素含量受控于鋯石/熔體體系的溫度、壓力、氧逸度及物質(zhì)成分等因素,結(jié)合鋯石U-Pb年齡能夠刻畫它們的整體演化趨勢,進(jìn)而提取寄主花崗巖的巖石成因及深部構(gòu)造演化信息。

崤山北部是華北克拉通南緣燕山期小巖株集中出露區(qū)之一,包括龍臥溝、后河、小妹河、白石崖、韓溝、中河和老里灣7個(gè)巖株,巖性以石英二長巖、斑狀花崗閃長巖、(斑狀)黑云母二長花崗巖、二長花崗斑巖和花崗斑巖為主。韓溝巖株的鋯石U-Pb年齡為145.1±0.7 Ma,屬于鉀玄巖—高鉀鈣堿性系列,為高鍶低釔中酸性巖(即Aidakite,有人音譯為埃達(dá)克巖),是崤山北部燕山期小規(guī)模巖石圈拆沉作用的產(chǎn)物(盧仁和梁濤,2018)。龍臥溝和小妹河巖株的鋯石U-Pb年齡為128±1 Ma和131.5±0.9 Ma,屬于高鉀鈣堿性系列,具有高鍶低釔屬性,是崤山北部早白堊世巖石圈拆沉作用的產(chǎn)物(盧仁等,2014;梁濤和盧仁,2015)。后河巖株鋯石U-Pb年齡為128±1 Ma(盧仁等,2013)和131.0±1.8 Ma及127.3±1.0 Ma(齊楠等,2019),屬于鉀玄巖—高鉀鈣堿性系列,后河高鍶低釔中酸性巖由加厚大陸下地殼的部分熔融形成,經(jīng)歷了深部巖漿(流體)混合作用,構(gòu)造背景存在巖石圈拆沉(盧仁等,2013;梁濤和盧仁,2017)和地殼由擠壓加厚向伸展減薄轉(zhuǎn)換(齊楠等,2019)兩種認(rèn)識(shí)。老里灣和中河巖株的鋯石U-Pb年齡范圍分別為129 ～ 135Ma(梁濤和盧仁,2016;王哲等,2018;李曉明等,2019;梁濤等,2023)和129 ～137 Ma(曾威等,2017;王利功,2018;肖建輝等,2018),前者構(gòu)造背景存在后碰撞伸展構(gòu)造導(dǎo)致的巖石圈減薄(王利功等,2017;王哲等,2018)和古太平洋板塊向西俯沖及回撤導(dǎo)致的華北克拉通東部中生代構(gòu)造大轉(zhuǎn)折及巖石圈伸展減薄(李曉明等,2019)兩種認(rèn)識(shí);后者構(gòu)造背景存在巖石圈拆沉(常云真等,2017)和構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換形成的伸展環(huán)境(肖建輝等,2018)兩種認(rèn)識(shí)。

崤山北部小妹河(梁濤和盧仁,2015)、老里灣(梁濤和盧仁,2016;王哲等,2018;李曉明等,2019;梁濤等,2023)和中河(曾威等,2017;王利功,2018;肖建輝等,2018)及鄰區(qū)熊耳山蒿坪溝(梁濤等,2015)等早白堊世小巖株的U-Pb定年數(shù)據(jù)還形成了鋯石U-Pb年齡譜,如小妹河鋯石U-Pb定年23個(gè)有效測點(diǎn)的年齡值形成了與區(qū)域巖漿/熱事件匹配的2644 ～ 2695 Ma、2490 ～ 2546 Ma、2367 Ma、1844 ～ 1859 Ma、143.6 Ma和129.6 ～ 133.8 Ma等 6個(gè)年齡峰值,這是由早白堊世巖石圈拆沉作用所觸發(fā)的巖漿(流體)混合作用形成的。此外,后河巖株的鋯石微量元素含量也被用于反演深部巖漿過程,其鋯石/熔體體系中重稀土元素分配系數(shù)變化證明了深部巖漿(流體)混合作用的存在(梁濤和盧仁,2017),這在北秦嶺骨頭崖巖株(盧仁和梁濤,2017)和伏牛山余脈天目山巖株(盧仁和梁濤,2020)也獲得應(yīng)用,認(rèn)為它是一種巖漿混合作用的識(shí)別標(biāo)志。

鑒于此,筆者等以崤山北部白石崖巖株的LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年為例,分析了鋯石年齡譜和稀土元素對白石崖巖株的形成時(shí)代、源區(qū)巖漿/流體作用和深部過程三方面的限定。

1 地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

崤山地處華北克拉通南緣(圖 1a),位于小秦嶺和熊耳山之間,它北東向延伸約100 km,朱陽—官道口—下峪一線將崤山分成南、北兩部分。崤山北部主要出露新太古界太華群變質(zhì)巖系、中元古界熊耳群火山巖系及中元古界官道口群碳酸鹽巖(圖1b),太華群變質(zhì)巖系以片麻巖、變粒巖和斜長角閃巖為主,熊耳群火山巖系以安山玢巖、玄武安山巖、英安巖、流紋(斑)巖、火山角礫巖和火山碎屑巖為主(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989)。

圖1 豫西崤山北部白石崖巖株地質(zhì)簡圖Fig.1 Simplified geologic map of the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province(a)河南省構(gòu)造分區(qū)簡圖(據(jù)河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989簡化),I—華北克拉通,II—秦嶺造山帶,F—盧氏—欒川—確山—固始深大斷裂帶;(b) 豫西崤山北部區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989簡化),鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)來源見表1;(c) 白石崖巖株地質(zhì)簡圖(據(jù)張為民等,2015簡化)(a) Simplified tectonic map of Henan Province showing the major tectonic division and units (Simplified after Bereau of Geology and Mineral Resources of Henan Province (BGMR), 1989). I—North China Craton; II—Qinling Orogen belt; F— Lushi—Luanchuan—Queshan—Gushi faults belt; (b) simplified distribution map of the northern Xiaoshan Mountains (Simplified after BGMR, 1989), the zircon U-Pb ages shown in Table 1; (c) simplified geological map of the Baishiya stock (Simplified after Zhang Weimin et al., 2015&)

崤山北部出露新太古代和燕山期兩期褶皺構(gòu)造(常云真等,2019),前者是以太華群為核部、熊耳群及官道口群等蓋層為兩翼的短軸穹窿背斜,如蘭家洼背形、仁頭溝向形等;后者主要為中—新生代盆地內(nèi)的開闊褶皺,如高家寨背斜、王家崖向斜等。崤山北部斷裂構(gòu)造發(fā)育,近南北向、東西向、北西向和北東向斷裂均有出露,分別如川口—宮前斷裂、趙家?guī)X—黑山溝斷裂、楊家河—柳林?jǐn)嗔押推赂獜埣液訑嗔?。此?崤山北部變質(zhì)巖系內(nèi)發(fā)育十八盤、劉家河、天爺廟和馮家溝等四條韌性剪切帶,前三者走向北西向,馮家溝韌性剪切帶走向近東西(常云真等,2019)。

崤山北部火山巖廣泛分布,以中元古界熊耳群火山巖系為主,出露面積約1300 km2。侵入巖主要為新太古代、中—新元古代和早白堊世三期,新太古代侵入巖主要為 TTG巖系、鉀長花崗巖系及輝綠巖,中—新元古代侵入巖主要為輝綠巖、閃長巖及花崗閃長巖等形成的小巖株、巖墻和巖脈,早白堊世侵入巖主要為二長花崗(斑)巖、花崗(斑)巖巖株及正長斑巖巖脈等侵入巖(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989;常云真等,2019),如龍臥溝、白石崖、韓溝、中河、老里灣等巖株(圖1b和表1)。

1.2 白石崖巖株地質(zhì)特征

白石崖巖株位于崤山北部中段,東部出露龍臥溝和后河巖株,西部出露中河和老里灣巖株,西南和南部分別為小妹河和韓溝巖株(圖1b)。它出露面積約0.5 km2,平面上呈南、北兩部分,中部和東側(cè)為第四系覆蓋,圍巖為熊耳群許山組,其巖性以灰綠色—灰紫色含斑安山巖、(氣孔)杏仁安山巖為主,巖層傾向和傾角分別介于60° ～ 130°和15° ～ 25°。在白石崖巖株的北、西、南三側(cè)發(fā)育爆破角礫巖帶,寬度介于約50 ～ 200 m,沿北西向延伸千米以上,受北西向隱伏斷裂的控制(圖1c)。白石崖巖株外圍發(fā)育北西及北北西、北東、近南北和近東西向等4組斷裂構(gòu)造,且均為高角度斷層,它就位于北西、北北西和近南北向斷裂的交匯處,在許山組內(nèi)發(fā)育緩傾斜的層間構(gòu)造破碎帶(張為民等,2015)。

白石崖巖株巖性復(fù)雜,斑狀黑云母二長花崗巖(圖2a)、黑云母石英二長斑巖(圖2b)和黑云母花崗閃長斑巖均有出露,巖性差異在于石英含量和巖石結(jié)構(gòu),各巖性間呈漸變接觸關(guān)系,可見次棱角狀暗色微粒包體(圖2c),在黑云母花崗閃長斑巖內(nèi)出露黃鐵礦(褐鐵礦)—石英細(xì)脈(圖2d)。

斑狀黑云母二長花崗巖的新鮮面以淺肉紅—灰紅色為主,塊狀構(gòu)造,似斑狀結(jié)構(gòu),基質(zhì)為半自形粒狀結(jié)構(gòu),鉀長石巨斑晶呈淺肉紅色,含量介于10% ～ 15%之間,局部可達(dá)20%左右,顆粒長軸長度以3 ～ 7 cm者居多,最大可達(dá)約10 cm,發(fā)育卡氏雙晶,鉀長石內(nèi)部常見到石英、斜長石、黑云母等礦物顆粒;基質(zhì)含量約85% ～ 90%,主要由斜長石(20% ～ 30%)、石英(20% ～ 35%)、鉀長石(25% ～ 35%)和黑云母(～5%)組成,斜長石發(fā)育聚片雙晶和環(huán)帶構(gòu)造(圖2e),副礦物以榍石、磁鐵礦、磷灰石、鋯石、黃鐵礦等為主,可見斜長石與鉀長石的絹云母化和黑云母的綠泥石化。

黑云母石英二長斑巖新鮮面以灰白—灰紅色為主,塊狀構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu)(圖2f),斑晶含量約15% ～ 20%,個(gè)別可達(dá)約25%,以鉀長石和斜長石為主,長軸粒徑介于0.5 ～ 1.5 mm,基質(zhì)約80% ～ 85%,細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu)為主,黑云母含量5% ～ 10%,顯示一定程度的定向排列(圖2b)。

黑云母二長花崗斑巖以淺肉紅色為主,塊狀構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu),斑晶含量約10% ～ 15%,以鉀長石、斜長石和石英為主,斜長石呈板條狀,發(fā)育聚片雙晶,輕微的絹云母化,鉀長石以他形柱狀及板狀為主,可見卡爾斯巴雙晶及其泥化,石英他形粒狀為主,充填在長石顆粒之間。暗色礦物以黑云母(5% ～ 10%)和角閃石為主(～5%),副礦物以榍石、磷灰石、鋯石等組成。基質(zhì)含量約85% ～ 90%,由斜長石、鉀長石和石英等組成。

2 鋯石LA-ICP-MS測試

2.1 分析方法

白石崖巖株定年樣品BSY03的鋯石單礦物分選由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成,鋯石制靶由北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。鋯石靶制作完成后,對靶上所有鋯石顆粒進(jìn)行反射光、透射光和陰極發(fā)光照相,在綜合分析影像特征的基礎(chǔ)上,初步判別其成因并設(shè)計(jì)最恰當(dāng)?shù)臏y點(diǎn)。

為精確限定白石崖巖株的形成時(shí)代和完善其鋯石年齡譜,對樣品BSY03先后在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所和武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司等3家LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了鋯石U-Pb定年,累計(jì)分析77個(gè)鋯石測點(diǎn)。

北京大學(xué)LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室的剝蝕系統(tǒng)的激光發(fā)射器使用COMPex Prol02型準(zhǔn)分子激光器,質(zhì)譜儀型號(hào)ICP-MS 7500ce,測試中標(biāo)樣91500、Plesovice、Qinghu、NIST610、NIST612及NIST614和樣品鋯石有序穿插進(jìn)行測試。中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室剝蝕系統(tǒng)的激光發(fā)射器是UP213型激光器,質(zhì)譜儀為Neptune 型多接收等離子體質(zhì)譜儀,樣品測試中插入的標(biāo)準(zhǔn)樣品為GJ-1和Plesovice。武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司LA-ICP-MS的激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLasPro,離子體質(zhì)譜儀為Agilent 7700,定年測試中標(biāo)樣91500、GJ-1、NIST610、PLE和樣品鋯石有序并穿插進(jìn)行。

北京大學(xué)LA-ICP-MS的分析結(jié)果使用Glitter軟件進(jìn)行處理,中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所和武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司的測試結(jié)果使用ICPMSDataCal程序(Liu Yongsheng et al.,2010)處理,它們的U-Pb諧和圖繪制和加權(quán)平均年齡計(jì)算均使用Isoplot程序(Ludwig, 2001)。

2.2 樣品特征

鋯石定年樣品BSY03為新鮮的斑狀黑云母二長花崗巖,從中分選獲得的鋯石數(shù)量大于1000粒,大部分無色透明,個(gè)別鋯石呈淺淡黃色,部分鋯石可見裂紋和暗色包裹體。大多數(shù)鋯石晶型完整,多呈長柱狀,鋯石長軸粒徑以150 ～ 250 μm為主,短軸粒徑以50 ～ 100 μm為主,鋯石長寬比以2∶1 ～ 3∶1之間為主,大多數(shù)鋯石發(fā)育清晰、致密、均勻的韻律振蕩環(huán)帶(圖3),并且其Th/U值均大于0.1(表2),表明它們屬于巖漿鋯石。

圖3 豫西崤山北部白石崖巖株定年樣品BSY03的鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 Zircon cathodoluminescence images of sample BSY03 from the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province

3 測試結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb定年結(jié)果

白石崖巖株定年樣品BSY03的U-Pb鋯石LA-ICP-MS定年結(jié)果見表2和圖4。

圖4 豫西崤山北部白石崖巖株樣品BSY03鋯石U-Pb定年結(jié)果: (a) 30顆(BSY03-01 ～ BSY03-30)鋯石測試結(jié)果的U-Pb諧和曲線;(b) 17顆(BSY03-201 ～ BSY03-217)鋯石測試結(jié)果的U-Pb諧和曲線;(c) 30顆(BSY03-301 ～ BSY03-330)鋯石測試結(jié)果的U-Pb諧和曲線;(d) 73顆(不含測點(diǎn)BSY03-217、-307、-308和-327)鋯石測試結(jié)果的U-Pb諧和曲線;(e) 樣品BSY03中的三組鋯石的加權(quán)平均年齡Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams of the sample BSY03 from the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province: (a) concordia diagrams for 30 spots from BSY03-01 to BSY03-30; (b) concordia diagrams for 17 spots from BSY03-201 to BSY03-217; (c) concordia diagrams for 30 spots from BSY03-301 to BSY03-330; (d) concordia diagrams for 73 spots (without BSY03-217, -307, -308 and -327); (e) n(206Pb)/ n(238U) weighted average ages of 3 groups for 73 spots

在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室,對樣品BSY03累計(jì)進(jìn)行了30個(gè)鋯石測點(diǎn)的U-Pb同位素分析,測點(diǎn)編號(hào)為BSY03-01 ～ BSY03-30,它們的測定值均位于n(207Pb)/n(235U)—n(206Pb)/n(238U)諧和線上(圖4a),其n(206Pb)/n(238U)年齡集中于134 ～ 137 Ma(4個(gè)測點(diǎn))和141 ～ 151 Ma(26個(gè)測點(diǎn))兩個(gè)范圍內(nèi),相應(yīng)的加權(quán)平均年齡分別為135±3 Ma和145±2 Ma,Th/U比值范圍依次為0.12 ～ 0.17和0.11 ～ 0.41。此次測試結(jié)果135±3 Ma被視為白石崖巖株的形成時(shí)代(Liang Tao et al., 2013)。

在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室對樣品BSY03進(jìn)行了17個(gè)測點(diǎn)的U-Pb同位素分析,測點(diǎn)編號(hào)為BSY03-201 ～ BSY03 -217,除測點(diǎn)BSY03-217偏離n(207Pb)/n(235U)—n(206Pb)/n(238U)諧和線外,其余16個(gè)測點(diǎn)的U-Pb同位素測定值均在諧和線上(圖4b),它們的n(206Pb)/n(238U)年齡集中于143 ～ 147 Ma(7個(gè)測點(diǎn))和157 ～ 160 Ma(9個(gè)測點(diǎn))兩個(gè)范圍內(nèi),Th/U值范圍依次為0.18 ～ 0.29和0.18 ～ 0.61。

在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室對樣品BSY03進(jìn)行了30個(gè)測點(diǎn)的分析,測點(diǎn)編號(hào)為BSY03-301 ～ BSY03-330,因測點(diǎn)BSY03-307、-308和-327的測試值偏離諧和線或者n(207Pb)/n(235U)年齡誤差較大,在年齡數(shù)據(jù)處理中不予考慮,其余27個(gè)測點(diǎn)的U-Pb同位素測定值均在諧和線上(圖4c),它們的n(206Pb)/n(238U)年齡集中于130 ～ 133 Ma(11個(gè)測點(diǎn))和141 ～ 148 Ma(16個(gè)測點(diǎn))兩個(gè)范圍內(nèi),Th/U比值范圍依次為0.12 ～ 0.31和0.14 ～ 0.26。

綜合樣品BSY03的3次LA-ICP-MS鋯石定年結(jié)果發(fā)現(xiàn),73個(gè)有效測點(diǎn)的年齡形成了～132 Ma、～145 Ma和～158 Ma 3個(gè)年齡組(圖4d和圖4e),第一個(gè)年齡組由15顆鋯石組成,它們的加權(quán)平均年齡為132.1±1.0 Ma(95%置信度,MSWD=0.8),第二個(gè)年齡組的鋯石顆粒數(shù)高達(dá)49個(gè),其加權(quán)平均年齡為145.3±0.7 Ma(95%置信度,MSWD=1.5),第三個(gè)年齡組由9顆鋯石組成,它們的加權(quán)平均年齡為158.3±1.5 Ma(95%置信度,MSWD=0.3)。

3.2 鋯石稀土元素結(jié)果

對樣品BSY03進(jìn)行鋯石U-Pb定年的同時(shí),也獲得了相應(yīng)77個(gè)鋯石測點(diǎn)的微量元素含量,其中測點(diǎn)BSY03-217、-307、-308和-327等4個(gè)測點(diǎn)未獲得有效鋯石U-Pb年齡,在分析微量元素?cái)?shù)據(jù)中也不考慮它們,其余73個(gè)測點(diǎn)的微量元素含量分析結(jié)果見表3。樣品BSY03鋯石測點(diǎn)的Ce和Eu含量范圍分別是6.20×10-6～ 51.2×10-6和0.43×10-6～ 2.50×10-6,Ho含量的最小值和最大值分別為12.3×10-6和61.7×10-6,Yb和Lu的含量范圍分別為234×10-6～ 1268×10-6和52.6×10-6～ 276×10-6,Y含量范圍為432×10-6～ 2240×10-6,稀土元素總量介于429×10-6～ 2213×10-6。

在鋯石稀土元素配分模式圖中(圖5a),3組年齡的鋯石均顯示了輕稀土虧損和重稀土富集的特征,測點(diǎn)BSY03-16、-202和-215的Ce、Pr、Nd和Sm含量較高,顯示近水平分布趨勢,其余鋯石測點(diǎn)顯示了Ce正異常及Pr、Nd負(fù)異常。比較而言,～145 Ma和～158 Ma兩組鋯石的稀土總量范圍大致相當(dāng),平均值分別為1309×10-6和1360×10-6,但～132Ma組鋯石的稀土總量變化范圍最寬,介于429×10-6～ 2210×10-6,平均值高于前二者,為1495×10-6(表4)。

圖5 豫西崤山北部白石崖巖株樣品BSY03的鋯石稀土元素圖解: (a)鋯石稀土元素配分模式圖,球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)Boynton(1984);(b)年齡—鋯石形成溫度圖解;(c)年齡—鋯石Er和Lu含量圖解;(d)年齡—鋯石Yb和Y含量圖解;(e)年齡—鋯石Ce4+/Ce3+值圖解;(f)鋯石形成溫度—Ce4+/Ce3+值圖解Fig.5 Diagrams of zircon rare earth elements of sample BSY03 from the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province: (a) chondrite-normalized REE patterns of zircon in sample BSY03, the chondrite values are from Boynton (1984);(b) diagram of age vs. temperature of zircons; (c) diagram of age vs. the Er and Lu contents of zircons; (d) diagram of age vs. the Yb and Y contents of zircons; (e) diagram of age vs. the ratio of Ce4+/Ce3+ of zircons; (f) diagram of temperature of zircons vs. the ratio of Ce4+/Ce3+粗圓和方形分別代表相應(yīng)的平均值,數(shù)據(jù)見表4The bold circle and square are the average values shown in Table 4

鋯石測點(diǎn)BSY03-202和-215的Ti含量異常高,分別為584×10-6和913×10-6,其余測點(diǎn)的Ti含量介于0.64×10-6～ 10.3×10-6。應(yīng)用Ferry和Watson(2007)的鋯石Ti溫度計(jì)計(jì)算了它們的形成溫度(表3),計(jì)算中αSiO2取值為1,測點(diǎn)BSY03-202和-215對應(yīng)的溫度值為1357℃和1472℃,其余測點(diǎn)的形成溫度介于539 ～ 748 ℃。對比而言,～158 Ma組鋯石的溫度較高,集中于600 ～ 750℃之間(不含測點(diǎn)BSY03-202和-215),平均溫度為662℃,～145 Ma組和～132 Ma組鋯石的溫度大致相當(dāng), 分別介于553 ～ 701℃和539 ～ 717℃,平均值為633℃和629℃(表4)。

在鋯石Er、Yb、Lu和Y含量—年齡圖解中(圖5c和d),數(shù)據(jù)點(diǎn)由早及晚的整體趨勢均為升高,這也在含量平均值中也得以體現(xiàn),如Y平均含量依次為1182×10-6、1275×10-6和1526×10-6(表4)。另外一方面,僅對～132 Ma組15顆鋯石而言,年齡偏老(134 ～ 137 Ma)的4鋯石(BSY03-7、-8、-13和-17)具有低Er、Yb、Lu和Y含量,含量范圍依次為72×10-6～ 194×10-6、234×10-6～ 655×10-6、52.6×10-6～ 149×10-6和432×10-6～ 1135×10-6,年齡偏新(130 ～ 133 Ma)的11顆鋯石具有高Er、Lu、Yb和Y含量,依次為193×10-6～ 350×10-6、792×10-6～ 1286×10-6、139×10-6～ 276×10-6和1252×10-6～ 2240×10-6。

氧逸度是巖漿演化過程中重要的物理化學(xué)參數(shù)之一,鋯石Ce4+/Ce3+值可以有效反映巖漿的氧化狀態(tài)(Ballard et al., 2002)?！?32 Ma和～145 Ma組鋯石的Ce4+/Ce3+值分別介于13.2 ～ 121和27.6 ～ 107,平均值為69.7和70.3,～158 Ma組鋯石的Ce4+/Ce3+值介于3.53 ～ 81.4,由早及晚的整體趨勢均為先升高后微降(圖5e)。僅就～132 Ma組15顆鋯石而言,Ce4+/Ce3+值小于30的兩個(gè)鋯石(BSY03-319和-326)的年齡為133 Ma,同年齡的鋯石BSY03-323的Ce4+/Ce3+值高達(dá)121。相比于較早一組鋯石,后期總是存在低Ce4+/Ce3+值、高溫的鋯石(圖5f),如～145 Ma組鋯石測點(diǎn)BSY03-301的Ce4+/Ce3+值為27.6,測點(diǎn)BSY03-204的溫度高達(dá)717℃,～132 Ma組鋯石測點(diǎn)BSY03-311的溫度為697℃,測點(diǎn)BSY03-319的Ce4+/Ce3+值和溫度分別為701℃和13.2。

4 討論

4.1 形成時(shí)代

在對白石崖巖株定年樣品BSY03的年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),認(rèn)為第一次測試30顆鋯石(BSY03-01 ～ BSY03-30)的n(206Pb)/n(238U)加權(quán)平均年齡值145±2 Ma不具有地質(zhì)意義,因出露面積不足1 km2的小巖株在地殼淺部是快速固結(jié),而非耗時(shí)17 Ma(最小134 Ma,最老151 Ma),年齡處理過程中分成134 ～ 137 Ma和141 ～ 151 Ma兩段,將較晚一組4顆鋯石的加權(quán)平均年齡135±3 Ma視為白石崖巖株的形成時(shí)代(Liang Tao et al., 2013)。

樣品BSY03的第二和第三次定年在不同LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室完成,測試結(jié)果不僅重現(xiàn)第一次分析測試的兩段年齡,而且獲得新的～158 Ma年齡段數(shù)據(jù)(表2和圖4),三次測試結(jié)果相互印證,白石崖巖株的鋯石年齡譜是真實(shí)存在的。最晚年齡組由15顆鋯石組成,均具典型巖漿鋯石的陰極發(fā)光圖像特征(圖3),定年樣品BSY03為新鮮的斑狀黑云母二長花崗巖,致密塊狀構(gòu)造,未見后期細(xì)脈穿插和熱液蝕變,其加權(quán)平均年齡132.1±1.0 Ma(95%置信度,MSWD=0.8)即為白石崖巖株的形成時(shí)代。

白石崖巖株的形成年齡132.1±1.0 Ma不僅與崤山北部龍臥溝、后河、小妹河、中河和老里灣巖株的形成時(shí)代接近,而且與熊耳山北麓蒿坪溝和金山廟巖株及花山巖基(圖1b和表1)的鋯石U-Pb年齡相近。這表明使用最晚一組鋯石來限定白石崖巖株的形成時(shí)代是可信的,它是區(qū)域上早白堊世～130 Ma酸性巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物之一。

4.2 鋯石年齡譜

定年樣品BSY03中73顆有效鋯石的U-Pb定年結(jié)果集中于130 ～ 137 Ma、140 ～ 151 Ma和157 ～ 160 Ma三段,最晚一組15顆鋯石的加權(quán)平均年齡代表了白石崖巖株的形成時(shí)代,其余58顆鋯石的U-Pb年齡落入晚侏羅世和早白堊世,加權(quán)平均年齡分別為145.3±0.7 Ma和158.3±1.5 Ma。它們形成了白石崖鋯石U-Pb年齡譜(圖4)。

在華北克拉通南緣小秦嶺—崤山—熊耳山地區(qū)出露～145 Ma和～158 Ma的巖漿/熱事件產(chǎn)物。崤山北部韓溝花崗斑巖的鋯石U-Pb年齡為145.1±0.1 Ma(盧仁和梁濤,2018),崤山南部蒲陣溝、銀家溝、圪老灣和八寶山等巖株的鋯石U-Pb年齡介于142 ～ 149 Ma之間(胡浩等,2011;李鐵剛等,2013;曾令君等,2013),欒川南泥湖—三道莊地區(qū)花崗巖的鋯石U-Pb年齡介于145.2 ～ 146.7 Ma之間(向君峰等,2012)。石寶溝和五丈山花崗巖是豫西晚侏羅世侵入巖的代表,鋯石U-Pb年齡分別為～157 Ma(楊陽等,2012)和～160 Ma(梁濤等,2019)。另外,崤山南部夜長坪巖株的鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)(胡浩等,2011)形成具有～145 Ma和～158 Ma兩個(gè)峰值的鋯石年齡譜,前者代表其形成時(shí)代(盧仁和梁濤,2018),后者對應(yīng)于白石崖鋯石年齡譜中的最大年齡組。

另外一方面,崤山北部及鄰區(qū)不同巖株的單鋯石年齡譜存在相互匹配的峰值年齡(圖6)。首先,白石崖巖株和老里灣、中河、小妹河及蒿坪溝等巖株的最晚一組鋯石年齡相接近,表明它們近同時(shí)形成;其次,～145 Ma的鋯石在白石崖、老里灣、中河、小妹河及蒿坪溝等巖株均有出現(xiàn),并且它們在平面上環(huán)繞于～145 Ma韓溝巖株(圖1b);第三,～158 Ma的鋯石顆粒在蒿坪溝和白石崖巖株都有顯示;最后,鋯石年齡譜中古老鋯石顆粒(> 1000 Ma)的峰值年齡也是匹配的,如2.3 ～ 2.4 Ga年齡出現(xiàn)在中河、小妹河和蒿坪溝巖株的鋯石年齡中。

圖6 崤山北部及鄰區(qū)～130 Ma酸性侵入巖的鋯石U-Pb年齡譜: (a)介于124 ～ 168 Ma的鋯石年齡譜;(b) 介于1500 ～ 3300 Ma的鋯石年齡譜Fig.6 Zircon U-Pb age spectrum of the ～130 Ma acid intrusive in the northern Xiaoshan Mountains and its adjacent area: (a) age spectrum from 124 Ma to 168 Ma; (b) age spectrum from 1500 Ma to 3300 Ma年齡數(shù)據(jù)來源見表1 The age references see in Table 1

白石崖鋯石年齡譜中～130 Ma和～144 Ma組合不僅在北秦嶺磨口基性脈巖(Liang Tao et al., 2020)和煙鎮(zhèn)巖株(梁濤和盧仁,2018)中出現(xiàn),而且在華北克拉通南緣的合峪(高昕宇等,2010)和郭莊、吳溝、銅山和天目山等花崗巖(盧仁和梁濤,2020;盧仁等,2021;梁濤等,2021;梁濤和盧仁,2021)的鋯石U-Pb定年均得以顯現(xiàn)。除此以外,鋯石年齡譜中～158 Ma鋯石年齡在區(qū)域上也存在對應(yīng)的巖漿活動(dòng),表明崤山北部存在～158 Ma的巖漿活動(dòng)。

這些表明白石崖巖株的鋯石年齡譜是真實(shí)可靠的,它不僅限定了白石崖巖株的形成時(shí)代,而且框定了崤山北部燕山期巖漿活動(dòng)至少存在～132 Ma、～145 Ma和～158 Ma三期,前二者對應(yīng)有出露的小巖株。

4.3 巖漿混合活化作用

在鋯石/花崗巖熔體體系內(nèi),稀土元素(特別是中、重稀土元素)屬于相容元素,即隨著早期T1年齡序列鋯石的晶出,殘余熔漿中稀土元素的含量降低,以此繼續(xù)晶出晚期T2年齡序列的鋯石,其稀土元素含量要低于T1序列鋯石。即在理想線性演化過程中,鋯石稀土元素含量隨時(shí)間演化的趨勢理論上是降低的。

另外一方面,花崗巖巖漿演化整體上是一個(gè)溫度和壓力都為降低趨勢的過程,基于礦物和/或巖石成分計(jì)算的溫度和壓力結(jié)果也應(yīng)符合這一趨勢,即鋯石的形成溫度隨時(shí)間演化的理論趨勢是降低。隨著侵位深度的減少和溫度壓力的降低,花崗巖巖漿的氧逸度隨時(shí)間演化的趨勢是升高,即鋯石氧逸度(Ce4+/Ce3+值)隨時(shí)間演化的理論趨勢是升高。

白石崖巖株定年樣品BSY03鋯石的稀土元素含量、形成溫度和氧逸度(Ce4+/Ce3+值)均與前述理論趨勢明顯不符(圖5),如鋯石Er、Yb、Lu和Y含量的演化趨勢為升高,溫度自～158 Ma到～145 Ma為降低,在～145 Ma到～132 Ma微小變動(dòng),溫度最低的鋯石反而出現(xiàn)在～145 Ma組,Ce4+/Ce3+值由早及晚的整體趨勢均為先升高后微降。僅就～132 Ma組15顆鋯石而言,高溫峰值鋯石的年齡位于年齡區(qū)間130 ～ 137 Ma的中間,鋯石Er、Yb、Lu和Y含量由早及晚的總體演化為升高趨勢,Ce4+/Ce3+值為發(fā)散趨勢,低(< 30)、中(50 ～ 100)和高(> 110)在133 Ma同時(shí)出現(xiàn)。

由此可見,白石崖巖漿/流體體系并非理想的線性降溫減壓演化模式。華北克拉通南緣后河、天目山巖株和北秦嶺骨頭崖巖株的鋯石微量元素演化趨勢也明顯不同于理論趨勢,將其歸因于深部巖漿/流體混合再活化作用所致,這也被視為巖漿混合作用識(shí)別的標(biāo)志(梁濤和盧仁,2017;盧仁和梁濤,2017,2020)。白石崖巖株也應(yīng)經(jīng)歷深部高溫巖漿/流體的混合活化作用,低Ce4+/Ce3+值(< 30)說明注入的巖漿/流體是低SiO2的,如中(基)性巖漿/流體,這與其內(nèi)暗色微粒包體的出現(xiàn)相互印證。

4.4 深部過程

崤山北部出露一系列與白石崖巖株的形成時(shí)代相近的巖株,其中龍臥溝、后河和小妹河巖株具備高鍶低釔特性,是加厚大陸下地殼的部分熔融形成的,其源區(qū)深度大于50 km,這大于崤山北部現(xiàn)今莫霍面埋深～35 km(周國藩,1992;袁學(xué)誠,1996),表明它們形成于崤山北部早白堊世巖石圈拆沉作用(盧仁等,2013,2014;梁濤和盧仁,2015,2016,2017)。老里灣巖株的構(gòu)造背景存在3種認(rèn)識(shí):①后碰撞伸展構(gòu)造導(dǎo)致的巖石圈減薄(王利功等,2017;王哲等,2018),②古太平洋板塊向西俯沖及回撤導(dǎo)致的華北克拉通東部中生代構(gòu)造大轉(zhuǎn)折及巖石圈伸展減薄(李曉明等,2019),③巖石圈拆沉作用的巖漿響應(yīng)(梁濤等,2023)。中河巖株的構(gòu)造背景存在巖石圈拆沉(常云真等,2017)和構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換形成的伸展環(huán)境(肖建輝等,2018)兩種認(rèn)識(shí)。

蒿坪溝和斑竹寺巖株與白石崖巖株近同時(shí)形成,是熊耳山巖石圈拆沉作用的產(chǎn)物(梁濤等,2014,2015,2016)。北秦嶺煙鎮(zhèn)巖株、高莊金礦花崗細(xì)晶巖和磨口基性脈巖同為巖石圈拆沉作用的產(chǎn)物(梁濤和盧仁,2018;Liang Tao et al., 2019, 2020),它們與白石崖的形成時(shí)代相近。另外一方面,花崗巖鋯石年齡譜是巖石圈拆沉作用的產(chǎn)物之一(梁濤等,2015,2019,2022;梁濤和盧仁,2015,2018),崤山北部及鄰區(qū)同時(shí)代的巖株(圖6)應(yīng)受控于同一深部構(gòu)造過程。白石崖巖株是崤山北部巖石圈拆沉作用的產(chǎn)物,深部物質(zhì)和能量在巖石圈災(zāi)變過程中得以交換和釋放,其巖漿演化中經(jīng)歷了深部巖漿/流體的注入、混合和再活化作用。以透巖漿流體成礦理論(羅照華等,2007a,2008a,2009)為基礎(chǔ),構(gòu)筑了白石崖鋯石年齡譜成因和深部構(gòu)造過程模型(圖7)。

圖7 豫西崤山北部白石崖巖株的鋯石年齡譜成因和深部構(gòu)造過程模型Fig.7 Models of single zircon U-Pb age spectrum and deep tectonic process for the Baishiya stock in the northern Xiaoshan Mountains, western Henan Province

作為經(jīng)歷成長期復(fù)雜構(gòu)造演化秦嶺造山帶的組成部分之一,崤山北部巖石圈具有復(fù)雜物質(zhì)狀態(tài)和巖石學(xué)結(jié)構(gòu)等特征,在不同深度形成多層規(guī)模不等的巖漿/流體庫,其內(nèi)各式晶體群共存(羅照華等,2013),處于未完全固結(jié)的晶粥狀態(tài)(馬昌前等,2020)。以雙層巖漿/流體庫體系為例,巖漿/流體庫II在長期演化中形成年齡值各異的鋯石組,在晚侏羅世五丈山巖石圈拆沉作用(梁濤等,2019)對崤山北部巖漿/流體庫系統(tǒng)產(chǎn)生了擾動(dòng),其內(nèi)形成～158 Ma的鋯石組(圖7a)。韓溝巖株表明崤山北部在～145 Ma發(fā)生小規(guī)模巖石圈拆沉作用(盧仁和梁濤,2018),巖漿/流體庫II經(jīng)歷混合和再活化作用,上侵就位形成韓溝巖株,巖漿/流體庫II因能量散失而晶出與韓溝巖株時(shí)代相近的～145 Ma鋯石組,它們與～158 Ma鋯石共存(圖7b)。

崤山北部在～132 Ma發(fā)生規(guī)模較大的巖石圈拆沉作用,觸發(fā)了位于不同深度水平上、不同成分的原巖近同時(shí)發(fā)生部分熔融(羅照華等,2006,2007b,2008b,2009;梁濤,2010),富含揮發(fā)份的深部流注入到未完全固結(jié)晶粥狀態(tài)的巖漿/流體庫II后,打斷了巖漿/流體庫II自～145 Ma之后開始的理想平衡固結(jié)進(jìn)程,發(fā)生混合活化作用(透巖漿流體作用)后活化(羅照華等,2009,2010,2014,2017,2018;梁濤,2010;羅照華,2017),重新獲取上侵能力的巖漿/流體體系卷攜多種成因的鋯石晶體群(如～158 Ma和～145 Ma的鋯石)上侵,在淺部構(gòu)造有利部位固結(jié)成巖,最終晶出代表白石崖巖株形成時(shí)代的～132 Ma鋯石(圖7c)。在此過程中,含揮發(fā)份的深部流為巖漿/流體庫II進(jìn)行了能量補(bǔ)充和物質(zhì)補(bǔ)給,這在鋯石的溫度和稀土元素含量獲得了體現(xiàn)。

5 結(jié)論

(1)白石崖巖株的鋯石n(206Pb)/n(238U)年齡為132.1±1.0 Ma,它是區(qū)域上早白堊世～130 Ma酸性巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物之一。

(2)白石崖巖株的鋯石U-Pb定年形成了的鋯石年齡譜,記錄了崤山北部燕山期～132 Ma、～145 Ma和～158 Ma三期巖漿活動(dòng)。

(3)白石崖巖株是巖石圈拆沉作用背景下,經(jīng)歷深部巖漿/流體的混合活化作用的產(chǎn)物。