西大別大悟地區(qū)閃長玢巖巖石地球化學(xué)特征及其構(gòu)造意義

曹正琦 ，蔡逸濤 ，周向輝 ，戚文龍 ，丁文秀

（1.湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430030；3.金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 211169；4.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034；5.武漢民政職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430062；6.湖北地震局，湖北 武漢 430071）

大別造山帶是中國研究程度較高的高壓—超高壓變質(zhì)帶之一，也是2 個陸—陸碰撞造山后，中生代的巖漿活動之最強烈地區(qū)（Ma et al.，1998）。前人的研究表明，大別造山帶在早白堊世發(fā)生了大規(guī)模巖漿活動（120～138 Ma） （李曙光等，1999；Jahn et al.，1999；Xu et al.，2007；穆可斌等，2019；張凱等，2020） , 侵入的巖體主體為中酸性巖，鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖次之，大量與其年代相近的中酸性、基性脈巖穿切巖體（王世明等，2010）。中基性巖脈的研究對于了解區(qū)域的殼幔相互作用及構(gòu)造環(huán)境具有十分重要的意義。

基性巖漿能反映地幔源區(qū)性質(zhì)，成因環(huán)境和形成演化過程，能為底侵以及殼幔巖漿相互作用提供可靠信息，對大別地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖石為碰撞后侵入巖的認識已逐漸統(tǒng)一（Hacker et al.，1995；Hacker et al.，1998 ；葛寧潔等，1999；趙子福等，2003），但對于大別基性巖巖漿來源存在較大分歧： ①認為地幔和地殼混合形成（戚學(xué)祥等，2002）。②由俯沖的揚子巖石圈地幔部分熔融產(chǎn)生（趙子福等，2003； Zhao et al.，2005 ）。上述巖漿來源的地質(zhì)構(gòu)造背景，前人將之歸納成3 種觀點：①觀點認為陸—陸碰撞造山后環(huán)境形成于三疊紀(jì)時期（Chen et al.，2002；Xu et al.，2007）。②認為不是三疊紀(jì)時期的陸—陸碰撞，可能與中國東部的巖石圈發(fā)生減薄構(gòu)造事件有關(guān)，是由太平洋板塊在晚中生代時期西向俯沖導(dǎo)致的（任志等，2014；劉清泉等，2015）。③認為可能與巖石的部分熔融有關(guān)，該部分熔融是由地幔柱在早白堊世時期對巖石圈熱擾動所引起的 （趙子福等，2004）。針對大別基性巖的巖漿源區(qū)性質(zhì)及大地構(gòu)造背景的認識還存在的差異，筆者以翔實的野外觀察為基礎(chǔ)，通過研究大悟地區(qū)出露的閃長玢巖脈地球化學(xué)特征，結(jié)合野外閃長玢巖脈穿切花崗斑巖脈的地質(zhì)事實，分析閃長玢巖的巖漿源區(qū)性質(zhì)及所處大地構(gòu)造環(huán)境，探討大別造山帶的殼—幔相互作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

秦嶺-大別造山帶是揚子地塊在三疊紀(jì)時期與華北地塊發(fā)生俯沖-碰撞，而產(chǎn)生的高壓-超高壓變質(zhì)帶，東被郯城-廬江斷裂所截，北連華北克拉通，南為揚子地塊（圖1）。在大悟地區(qū)早白堊世時期基性脈巖侵位分布廣泛，種類較多，包括輝綠（玢）巖、煌斑巖、輝長巖、閃長玢巖等，有的基性脈巖切割或穿插晚中生代時期的中酸性巖體，基性巖脈的走向分布主要為北東東，北西向脈巖占據(jù)部分，巖脈傾角均較陡，與其圍巖的接觸界線清晰（王世明等，2010）。

圖1 大別山地區(qū)構(gòu)造簡圖（據(jù)索書田等，1993 修改）Fig.1 Structural sketch of Dabie Mountain area

閃長玢巖脈分布規(guī)模小，出露寬度為10～25 cm，延伸長度一般為1～3 m，圍巖巖性主要為馬吼嶺群白云鈉長石英變粒巖（圖2a），個別閃長玢巖脈交截花崗斑巖脈（圖2b）。

2 巖相學(xué)和礦物學(xué)特征

閃長玢巖表現(xiàn)為黑色或黑褐色，具斑狀結(jié)構(gòu)，呈塊狀構(gòu)造。斑晶成份幾乎為暗色礦物，少量基性斜長石，斑晶總量約為20%，暗色礦物絕大多數(shù)被碳酸鹽礦物、綠泥石交代為殘余柱狀、六邊形假象（屬角閃石），極少數(shù)被綠泥石、白云母交代為殘余片狀假象（屬黑云母）。基性斜長石發(fā)生交代作用被碳酸鹽礦物所取代，呈現(xiàn)出殘余柱狀構(gòu)造的型式。

基質(zhì)總量約為80%，成分主要由具碳酸鹽化、鈉黝簾化殘余自形小板條狀的基性斜長石組成，許多玻璃質(zhì)充填三角形空隙格架內(nèi)，無序分布（在單偏光下顯淺褐色，外形呈隱晶集合體，在正交偏光下顯黑色并具均質(zhì)性全消光）、暗色礦物及少量的鐵質(zhì)礦物（種類有磁鐵礦和鈦鐵礦）、微量的石英而組成變余間隱間粒結(jié)構(gòu)的特征（圖2c）。巖石中還可見一顆外形呈不規(guī)則狀的杏仁體，沿其內(nèi)充填著粗大粒狀的石英晶體（圖2d）。

3 樣品采集及分析測試方法

野外采集新鮮的閃長玢巖樣品，在自然資源部武漢礦產(chǎn)資源檢測中心完成樣品的主量元素、微量元素及稀土元素的測試，利用X 射線熒光光譜分析熔鑄玻璃片法分析主量元素，分析儀器的型號為XRF-1500，對于分析精度要求精于1%，F(xiàn)inningMAT 公司生產(chǎn)的等離子質(zhì)譜儀（ICP—MS）測定樣品中的微量元素、稀土元素，分析精度要求高于5%。

4 巖石地球化學(xué)特征

4.1 主量元素特征

閃 長 玢 巖 （樣 品D2073/1、D2073/2、D2073/3、D2073/4、D2073/5 和D4078/4）的主量元素和微量元素分析結(jié)果顯示，SiO2含量為49.97%～55.01%，屬于基性—中基性成分，樣品號為D2073/2、D2073/3 的SiO2含量較高，可能與脈巖侵位過程中與花崗斑巖發(fā)生交代作用有關(guān)。MgO 含量為4.63%～5.49%，Al2O3含量為14.01%～14.65%，P2O5含量為0.52%～0.80%，CaO含量為 4.70%～6.17%，K2O 含量為3.41%～4.39%，Na2O含量為1.82%～3.86%，巖石富堿，K2O/Na2O 值為 0.41～1.11（表1）。樣品中MgO 含量與SiO2含量相反，隨之增高而降低，Al2O3、P2O5含量隨SiO2含量增高而升高，表現(xiàn)出巖漿分異演化的一般規(guī)律。

表1 閃長玢巖主量元素、微量元素、稀土元素分析結(jié)果表Tab.1 Analysis results of major elements, trace elements and rare earth elements of diorite porphyrite

4.2 稀土元素特征

閃長玢巖稀土總量為219.04×10—6～338.08×10—6。其中，輕重稀土比為13.29～20.74，平均值為17.05。Zr 含量為218.8×10—6～262.66×10—6，Y 含量為17.3×10—6～20.79×10—6（表1），Nb 異常值0.16～0.25，（La/Yb）N值為21.21～43.34，表明閃長玢巖輕稀土富集，輕、重稀土分異程度較大，整體表現(xiàn)為右傾型，較陡（圖3a）。其中，樣品的δEu 值為0.84～0.93，負異常不明顯，說明斜長石結(jié)晶分異作用較弱（劉軍等，2022）。大悟地區(qū)的閃長玢巖樣品脈稀土配分模式總體同安徽廬樅地區(qū)的閃長玢巖類似，顯示為右傾型特征，稀土模式表明LREE 富集、HREE 虧損，但廬樅盆地的樣品稀土配分更平緩。

4.3 微量元素特征

微量元素蛛網(wǎng)圖顯示閃長玢巖的微量元素分配型式整體變化趨勢相近（圖3b），虧損高場強元素Nb、Ta、Hf、Ti，富集元素Gd、Nd、Sr、Th，可能與俯沖板片形成的熔體有關(guān)。廬樅盆地閃長玢巖的蛛網(wǎng)圖也表現(xiàn)出虧損高場強元素Nb、Ta、Hf、Ti，大離子親石元素Th 等富集，Sr 元素不同程度虧損，可能受到了地幔交代作用和斜長石的分離結(jié)晶作用的影響（汪晶等，2014）。

5 討論

5.1 成巖時代

野外出露特征顯示閃長玢巖脈晚期侵入至花崗斑巖體中，因此其形成時代應(yīng)該略晚于或晚于該花崗斑巖結(jié)晶年代。曹正琦（2016）通過鋯石U-Pb 定年測試獲得研究區(qū)花崗斑巖的侵位年齡為（130.8±1.8）Ma，本研究中的閃長玢巖巖漿結(jié)晶年齡應(yīng)晚于花崗斑巖侵位年齡。范裕等（2010）在寧蕪盆地中利用LA-ICPMS 同位素定年方法獲得閃長玢巖中同位素鋯石U-Pb 年齡為（130.2±2.0）Ma。黃丹峰等（2010）在大別山北緣利用SHRIMP 同位素定年方法得到閃長玢巖中同位素鋯石U-Pb 年齡為（129.1±2.2）Ma。綜上所述，西大別大悟地區(qū)閃長玢巖的形成很可能約為130 Ma。

5.2 脈巖成因

閃長玢巖的巖石地球化學(xué)燒失量為3.62%～7.83%，表明樣品遭受一定程度蝕變。Nb、Ti、Zr 等不相容元素具有活動性小，對巖石風(fēng)化、交代和蝕變等作用過程反應(yīng)不靈敏，利用與其他元素的圖解，討論相關(guān)元素的活動特點（Gibson et al.，1982），可以為巖石源區(qū)地幔性質(zhì)和成分提供信息。

脈巖是母巖漿的代表，能有效反映源區(qū)物質(zhì)組成（Westerman et al.，2003），閃長玢巖脈具有較低SiO2含量（49.97%～55.01%）、MgO 含量（4.63%～5.49%），較高Al2O3含 量 （14.01%～14.65%）、 FeO*含 量（1.63%～7.45%），殼源混染會使巖漿中SiO2含量明顯增高、降低MgO 值，但脈巖的SiO2—MgO 不相關(guān)，說明殼源混染對脈巖影響不大。其次脈巖中微量元素、稀土元素含量變化不大，表明脈巖的巖漿在上升時沒有受到殼源混染作用的干擾。輕稀土富集，輕、重稀土分異的程度較大，整體表現(xiàn)為較陡右傾型，（La/Yb）N值為21.21～43.34，δEu 值為0.84～0.93，負異常不明顯，表明在巖漿源區(qū)沒有殘留斜長石，而存在石榴子石和金紅石殘留，說明脈巖的巖漿來自深度較大（俞勝等，2022）。 Mg#值為60.17～90.19，大于下地殼的熔融 產(chǎn)物Mg#值＜40（Rapp et al.，1995）； Nb/T a 值 為13.06～18.47，大 于 地 殼 平 均 值（11.4）（Rudnik et al.，2003），接近于地幔值(17.5±2) （Hofmann，1988；Green，1995）；Zr/Hf 值為40.09～44.05，接近于地幔值（36.7），樣品投點均接近于Zr-Y 圖解的富集地幔區(qū)域（圖4），表明脈巖的巖漿源區(qū)可能來自于富集地幔，與安徽廬樅盆地閃長玢巖的Sr-Nd-Pb 同位素特征反映富集地幔巖漿源區(qū)的認識較為一致（汪晶等，2014）。

圖4 閃長玢巖Zr-Y 判別圖解（據(jù)Maitre et al.，1989）Fig.4 Zr—Y discrimination diagram of diorite porphyrite

從三疊紀(jì)開始，揚子板塊俯沖碰撞華北板塊后，區(qū)域巖石圈地幔成分變化較大，早白堊世時期，中國東部巖石圈拉張構(gòu)造事件對大別造山帶產(chǎn)生影響，大量鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體侵位至西大別地區(qū)，其同位素顯示出富集特征（εNd（t）＜—12），Zr—Y 判別圖解顯示閃長玢巖樣品均靠近富集地幔(圖4)。以上特征表明區(qū)域巖漿源區(qū)為富集地幔（王世明等，2010）。

微量元素蛛網(wǎng)圖分配型式的變化趨勢表現(xiàn)為整體相近，虧損不相容元素Nb、Ta、Hf、Ti；富集親石元素Sr，其中不相容元素Nb、Ta 的虧損是由板塊俯沖時巖漿噴發(fā)造成（Gill，1981），脈巖Nb 異常值范圍0.16～0.25，Nb 的負異常特征通常被認為是俯沖帶上火山巖或者陸殼巖石的明顯特征（Jahn et al.，1999），微量元素特征可能是與俯沖板片作用相關(guān)的巖石圈地幔部分熔融有關(guān)（Pearce et al.，1995；彭松柏等，2016），與廬樅盆地中受古板塊俯沖交代作用影響而形成的火 山 巖 類 似（袁 峰 等，2008），巖 石 中Sr 含 量 為625.32×10—6～1 112.55×10—6，明顯高于地幔值（17.8×10—6）（Taylor et al.，1985），暗示脈巖的巖漿源區(qū)受到了俯沖板片流體交代作用的影響，使Sr 含量增高（McCulloch et al.，1991），深俯沖大陸巖石圈可能在上地幔頂部滯留幾十甚至上百個百萬年之后，才形成熔融巖漿（趙子福等，2004）。從閃長玢巖的野外空間分布形態(tài)（圖2a、圖2b），間接反映了地區(qū)斷裂構(gòu)造結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)和斷裂結(jié)構(gòu)特征，大致可以辨別該脈巖充填的裂隙具剪張性，符合鎂鐵質(zhì)巖漿貫入長英質(zhì)巖漿結(jié)晶度及流變學(xué)特征的4 個階段混合模式，第一階段為長英質(zhì)巖漿結(jié)晶；第二階段為花崗質(zhì)巖漿近處于固態(tài)，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生巖石裂隙；第三階段為具流變特征的基性巖漿注入到已經(jīng)形成的花崗巖石裂隙，并在局部與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具兩者特性的復(fù)合巖墻，閃長玢巖呈角礫或鋸齒狀斑塊產(chǎn)出；第四階段為花崗質(zhì)巖石已經(jīng)固結(jié)，同時較為連續(xù)的基性巖墻（Fernandez et al.，1991）。區(qū)域深部的巖漿源區(qū)可能存在鎂鐵質(zhì)和花崗質(zhì)2 種類型巖漿，前者可能稍晚侵位至后者，兩者進一步進行混合作用。

綜上所述，閃長玢巖脈的地球化學(xué)特征綜合顯示其巖漿來源于富集地幔，但俯沖而來的板片流體與其發(fā)生交代作用，使基性脈巖兼具俯沖作用的地球化學(xué)特征，該脈巖的巖漿源區(qū)可能受到了富集地幔與俯沖板片流體交代作用的影響，花崗斑巖、閃長玢巖為造山后伸展—拉張環(huán)境下形成的脈巖組合 。

5.3 構(gòu)造環(huán)境

脈巖是研究深部巖石圈動力演化過程的重要“探針”（Poland et al.，2004），脈巖一般認為是巖漿在區(qū)域性地殼在拉張作用下而形成，對研究區(qū)域構(gòu)造演化具有十分重要的意義（Halls，1982），閃長玢巖脈巖地球化學(xué)特征為中基性巖，TiO2-K2O-P2O5判別圖解顯示樣品均落于大陸玄武巖區(qū)（圖5a），TiO2-Zr（P2O5×10 000）圖解顯示脈巖樣品屬于拉斑玄武巖系列（圖5b），與廬樅盆地的樣品均為板內(nèi)玄武巖（圖5c），Th/Nb 值為0.48～0.60，Nb/Zr 值為0.05～0.08，符合大陸拉張帶玄武巖特征（0.27＜Th/Nb＜0.67，Nb/Zr＞0.04）（孫書勤等，2003）；且脈巖樣品均落于Th/Hf—Ta/Hf 圖解的大陸拉張帶玄武巖區(qū)（圖5d）。

圖5 TiO2-K2O-P2O5 判別圖解（a）（Pearce，1975）； TiO2-Zr（P2O5×10 000）判別圖解（b）（Winchester et al.，1976）；Ti-Zr 判別圖解（c）（Pearce et al.，1973）；Th/Hf-Ta/Hf 判別圖解（d）（據(jù)汪云亮等，2001）Fig.5 (a) Discriminant diagram of TiO2—K2O—P2O5, (b) Discriminant diagram of TiO2—Zr (P2O5×10 000),(c) Ti-Zr discriminant diagram, and (d) Th/ Hf—Ta/Hf discrimination diagram

大別地區(qū)位于華北板塊與揚子板塊之間，是蘇魯—大別超高壓變質(zhì)帶的重要組成部分，經(jīng)歷了洋—陸碰撞、陸—陸碰撞等構(gòu)造演化過程。前人研究顯示，大別地區(qū)的高壓與超高壓榴輝巖相反映了揚子地塊陸殼向北俯沖至華北陸塊之下， 240～220 Ma 是其變質(zhì)作用發(fā)生的重要時期，即大別造山帶形成時間 （Li et al.，1993； Hacker et al.，1998 ；李曙光等，2005；劉福來等，2006）；碰撞造山導(dǎo)致地殼增厚（Leech et al.，2001），隨后出現(xiàn)應(yīng)力松弛，區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)從擠壓轉(zhuǎn)換到伸展，由伸展作用所引起的花崗巖侵位，通常會稍晚于區(qū)域地殼部分熔融，所以加厚地殼部分熔融作用發(fā)生時間通常被當(dāng)作區(qū)域構(gòu)造體制開始轉(zhuǎn)換時間的最低值（David et al.，2001 ；Whitney et al.，2003）。馬昌前等（2003）通過研究大別地區(qū)鎂鐵質(zhì)巖石侵位年代學(xué)和花崗巖侵位年代學(xué)以及分別分析其巖石地化綜合特征，認為135 Ma 是區(qū)域地殼構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)換時間。吳元保等（2001）以北大別地區(qū)巖石發(fā)生混合巖化時的年代學(xué)證據(jù)為依據(jù)，分析認為（137±4）Ma 是大別地區(qū)從擠壓向伸展發(fā)生轉(zhuǎn)換的時間；并提出早白堊世大別造山帶發(fā)生伸展垮塌，發(fā)生大量中酸性花崗巖侵位。吳開彬等（2013）通過對比西大別石鼓尖巖體、天堂寨巖體、薄刀峰巖體的Sr 同位素比值及結(jié)晶年齡，將其分為三期，第一期石鼓尖巖體具同構(gòu)造侵位變形特征，反映了擠壓環(huán)境；第二期天堂寨巖體，變形發(fā)育在接觸帶和剪切帶內(nèi)，暗示著大別造山帶的伸展垮塌；第三期薄刀尖巖體無變質(zhì)變形，被認為是形成于大別造山帶垮塌之后，反映了伸展環(huán)境。根據(jù)筆者對巖石地球化學(xué)特征研究及野外地質(zhì)特征，認為大悟地區(qū)閃長玢巖為板內(nèi)拉斑玄武巖系列，反映了大陸拉張構(gòu)造環(huán)境，結(jié)合閃長玢巖脈侵位時代為早白堊世。因此，大悟地區(qū)早白堊世閃長玢巖形成于造山后大陸拉張環(huán)境，與前人認為大別造山帶伸展時期較為一致（吳開彬等，2013）。

6 結(jié)論

（1）巖石地球化學(xué)特征顯示，閃長玢巖屬于中基性巖，為大陸拉斑玄武巖系列；稀土元素有較高的總量，稀土配分模式顯示強烈富集輕稀土的右傾型，虧損不相容元素Nb、Ta、Hf、Ti；大離子親石元素Sr 富集。

（2）研究區(qū)閃長玢巖脈的巖漿源區(qū)可能受到了俯沖板片流體交代作用的影響，地球化學(xué)特征綜合顯示其可能來源于富集地幔；

（3）脈巖野外地質(zhì)特征及前人研究資料表明，閃長玢巖侵位于早白堊世，為大別造山后伸展—拉張環(huán)境下形成的脈巖。

致謝：衷心感謝中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心陳雋璐正高級工程師對論文寫作的指導(dǎo)！