图1 西秦岭花岗岩体分布简图及采样点位置(据文献[15‒16]修改)
Fig. 1 Distribution of granitoid intrusions in Western Qinling and sampling locations (modified from Ref. [15‒16])
摘要 对西秦岭地区中川岩体、柏家庄岩体和教场坝花岗岩体进行 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 同位素年代学分析, 获得其岩浆侵位年龄分别为 220±1, 216±6 和 222±3Ma, 表明 3 个岩体均形成于中‒晚三叠世。样品的全岩地球化学分析结果表明, 3 个岩体具有相似的稀土及微量元素特征, 均表现为显著亏损高场强元素 Nb, Ti 和P等, 具有明显的右倾式球粒陨石标准化稀土元素配分模式。锆石 Lu-Hf 同位素分析结果表明, 3 个岩体锆石测年样品的 εHf(t)值介于−3.31~+1.68 之间, 二阶段模式年龄介于 1151~1456Ma 之间。岩石成因分析表明, 这些印支期花岗岩体的母岩浆主要来源于新元古代地壳物质的部分熔融。结合岩体形成时代、岩石成因和区域岩浆作用, 认为这些岩体形成于南秦岭与华南板块沿勉略缝合带相碰撞的造山动力学背景, 可能与华南板块的俯冲板片断离有关。
关键词 西秦岭; 花岗岩体; 锆石U-Pb-Lu-Hf同位素; 全岩地球化学; 岩石成因
秦岭造山带位于中国中央造山带的中段, 是华南与华北两大板块的结合带, 自新元古代以来经历多期次的造山运动, 保存了新元古代、古生代和中生代丰富的岩浆作用记录[1]。
西秦岭造山带早中生代柏家庄、中川、闾井、碌础坝和教场坝 5 个花岗岩体统称为西秦岭二长花岗岩岩体群, 其周边分布众多金矿和多金属矿床, 使得该岩体群受到众多学者的关注。对于该二长花岗岩群所处的南秦岭构造带在早中生代所处的构造背景, 一直存在较大的争议。学者们常以某些侵入体作为研究对象来探讨其动力学背景, 导致对华南板块与南秦岭构造带之间碰撞作用的起止时间也存在较大的分歧[2‒3]。
前人对该岩体群的成因机制及其与成矿作用的关系开展了一些研究工作[4‒15], 但关于岩体的形成时代和岩石成因仍有较大分歧。用不同方法测定的成岩年龄跨度很大, 中川岩体为 182~264Ma[4‒10], 柏家庄岩体为 196~216Ma[8,11], 教场坝岩体为 201~ 208Ma[8,12], 闾井岩体为 179~218Ma[8,11], 碌础坝岩体为 185~209Ma[8]。岩石成因方面, 李永军等[13]通过对柏家庄、中川和碌础坝岩体的化学成分和稀土配分特征的研究, 认为这 3 个岩体的花岗质岩浆起源于不同源区, 但并未对岩浆源区给予明确的说明。许亚玲等[14]通过分析稀土元素配分模式、区域构造控制和岩体群侵位的方式, 认为 5 个岩体为印支运动导致深部地壳部分熔融, 中酸性岩浆多次侵入形成的同源岩体群。彭璇[15]对 5 个岩体进行多个成岩期次的划分, 对比各期次的成岩时间, 结合岩相学和岩石学特征, 推断西秦岭二长花岗岩群可能为泥质岩部分熔融形成的同源岩体群。
本文针对柏家庄岩体、中川岩体和教场坝岩体, 进行锆石 LA-ICP-MS U-Pb 年代学、锆石 Lu-Hf同位素和全岩地球化学分析, 旨在限定这些岩体的形成时代、岩浆来源和动力学背景, 并探讨各岩体之间的成因联系。
秦岭造山带位于华北板块与华南板块之间, 绵延 1500km。该地区在古生代和中生代分别经历商丹洋和勉略洋的大洋俯冲过程, 在商丹洋和勉略洋分别闭合之后, 相邻区域的板块沿着缝合带发生块体之间的相互碰撞。多数研究者认为可以将秦岭造山带划分为以洛南‒栾川断裂、商丹缝合带和勉略缝合带为界的华北板块南缘、北秦岭构造带、南秦岭构造带和华南板块北缘 4 个区域块体[1,16‒17]。本文研究区位于南秦岭构造带的西部(图 1), 是秦岭早中生代岩浆作用非常强烈的区域, 所研究的 3 个岩体是西秦岭二长花岗岩岩体群的一部分。
3 个花岗岩体基本情况如下: 中川岩体以黑云母二长花岗岩为主, 侵入于泥盆系大草滩组和下石炭统巴都组, 出露面积约为 210km2; 柏家庄岩体位于西秦岭二长花岗岩岩群中央, 以二长花岗岩为主,侵入地层为下石炭统巴都组, 出露面积约为 150km2; 教场坝岩体以黑云母二长花岗岩为主, 边部为花岗闪长岩, 侵入于二叠纪下统十里墩组和中统大关山组, 出露面积约为 120km2[15]。围绕中川岩体分布着金山、鹿儿坝、李坝、锁龙、马泉、马坞和寨上等大中型金矿床, 成矿时代为 162~197Ma, 中川岩体的侵入为成矿提供巨大而持久的热场[5], 李坝‒锁龙口断裂和礼县‒洮坪深断裂为成矿热液从地壳深部向上运移提供主要通道[15]。
图1 西秦岭花岗岩体分布简图及采样点位置(据文献[15‒16]修改)
Fig. 1 Distribution of granitoid intrusions in Western Qinling and sampling locations (modified from Ref. [15‒16])
本研究对中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体分别进行采样分析。
中川岩体样品 M10 采集于甘肃礼县苗河水库西北约 10 km 处(34°20′18″N, 105°1′10″E), 为黑云母二长花岗岩, 主要矿物为钾长石(20%)、斜长石(35%)、石英(35%)和黑云母(≈10%), 副矿物有磁铁矿、磷灰石和锆石等(图 2(a)和(b))。
柏家庄岩体样品 M09 采集于甘肃礼县老赵沟(34°10′38″N, 104°54′52″E), 为黑云母二长花岗岩, 主要矿物为钾长石(30%)、斜长石(25%)、石英(35%)和黑云母(≈10%), 副矿物有磁铁矿和锆石等。
柏家庄岩体样品 M11 采集于甘肃岷县陈氏家安子(34°24′19″N, 104°49′39″E), 为细粒黑云母二长花岗岩, 主要矿物为钾长石(30%)、斜长石(30%)、石英(30%)和黑云母(≈10%), 副矿物有磁铁矿和锆石等(图 2(c)和(d))。
教场坝岩体样品 PM35 采集于甘肃武山县新庄里(34°33′49″N, 104°44′11″E), 为闪长岩, 主要矿物为斜长石(65%)、石英(5%)、角闪石(20%)和黑云母(≈10%), 副矿物有磁铁矿和锆石等。
用于 U-Pb 年龄测试的锆石分选由廊坊市诚信地质服务有限公司完成。样品经机械粉碎后, 采用常规的重液分离和磁选方法将锆石分离。将显微镜下人工挑选出的锆石用环氧树脂制成样品靶。阴极发光(CL)图像在北京大学电子显微镜室的 Quanta 200FEG 扫描电子显微镜下拍摄。
LA-ICP-MS 锆石微区 U-Pb 同位素分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室 COMP WX Pro102 型准分子激光器(波长 193 nm)和 Agilent 7500 型 ICP-MS 的联机上进行。采用 He 为剥蚀物质的载气, 采用标准参考物质 NIST610 作为元素含量的外标, 用 91500 标准锆石外部校正法进行锆石原位 U-Pb 分析。采用的激光束斑直径为 32μm, 激光剥蚀深度为 20~40μm。普通铅校正采用 Ander-sen[18]的方法, 年龄计算及谐和图的绘制由程序 Iso-plot[19]完成。锆石 U-Pb 同位素分析结果列于表 1。
(a)和(b)黑云母花岗闪长岩样品M10; (c)和(d)细粒黑云母二长花岗岩样品M11。Q:石英; Pl:斜长石; Bi:黑云母; Kfs:钾长石
图2 代表性岩石样品的岩相学和矿物组合特征
Fig. 2 Photomicrographs of petrographic features and mineral assemblages of representative samples
1)中川岩体。二长花岗岩样品 M10 的锆石晶体呈自形‒半自形, 多数为长柱状, 少数为短柱状, 粒径在 40~150μm 之间, 长宽比介于 2:1~3:1 之间, 具有清晰的环带结构(图 3)。对 20 颗锆石进行 20 个点位的分析, 获得 20 个有效数据测点。所有测点的数据均分布在谐和线附近(图 4(a)), 计算得出的206Pb/238U 加权平均年龄为 220±1Ma, MSWD=1.2, 代表该岩体的侵位年龄。
2)柏家庄岩体。采自柏家庄岩体的细粒黑云母二长花岗岩样品 M11 中, 锆石晶体呈自形‒半自形, 多数为长柱状, 粒径在 60~100μm 之间, 长宽比约为 3:1, 具有清晰的环带结构(图 3)。对 20 颗锆石进行 20 个点位的分析, 获得 9 个有效数据测点。测点 M11-08 的 206Pb/238U 表观年龄(228Ma)偏高, 测点 M11-01 和 M11-02 偏离谐和线较远, 计算平均年龄时将这 3 个点剔除。其余 6 个点都位于谐和线上或谐和线附近(图 4(b)), 计算得出的 206Pb/238U 加权平均年龄为 216±6Ma, MSWD=1.1, 代表柏家庄岩体的侵位年龄。
3)教场坝岩体。闪长岩样品 PM35 的锆石晶体呈自形‒半自形, 多数为短柱状, 粒径在 20~60μm之间, 少数可达 100μm, 长宽比接近 1:1, 具有清晰的环带结构(图 3)。对 33 颗锆石进行 35 个点位的分析。测点 PM35-34 和 PM35-35 的 206Pb/238U 表观年龄值(分别为 262 和 158Ma)明显偏离其他数据点, 测点 PM35-03, PM35-18, PM35-22, PM35-23, PM35-26, PM35-27, PM35-30, PM35-32 和 PM35-34 偏离谐和线较远, 计算平均年龄值时将这 9 个点剔除。其余 24 个点都位于谐和线上或谐和线附近(图 4(c)), 计算得出的 206Pb/238U 加权平均年龄为 222±3Ma, MSWD=2.0, 代表教场坝岩体的侵位年龄。
完成锆石 LA-ICP-MS 定年之后, 挑选年龄和谐的锆石点位, 在年龄测点的相同位置进行 Lu-Hf 同位素测定。锆石原位 Lu-Hf 同位素测定在西北大学大陆动力学国家重点实验室型号为 Nu Plasma HR的 MC-ICP-MS 和型号为 Geo-Las 2005 的激光剥蚀系统中进行。用 176Lu/175Lu=0.02669 和 176Yb/172Yb= 0.5886 进行同量异位干扰校正, 计算样品的 176Lu/ 177Hf 和 176Hf/177Hf 值。在样品测定期间, 对标准参考物质 GJ-1 和 91500 进行分析, 一方面据此对样品进行校正, 另一方面进行仪器状态监控。所测锆石的 176Lu/177Hf 值均小于 0.002, 显示锆石在形成后具有较低的放射性 Hf 积累, 岩体的 fLu/Hf 平均值为−0.96。计算 εHf(t)值和模式年龄时, 现今球粒陨石以及亏损地幔的 176Lu/177Hf 值分别采用 0.0332 和0.282772, 176Hf/177Hf 值分别采用 0.0384 和 0.28325, 计算二阶段模式年龄时, 地壳的 fLu/Hf 值采用平均值0.55[20]。锆石 Lu-Hf 同位素测定结果见表 2。
1)中川岩体。选取样品 M10 中年龄和谐的 10个测点进行 Hf 同位素测定, 其 176Hf/177Hf 值介于0.282573~0.282649 之间, 平均值为 0.282612, 均一性较好。εHf(t)在−2.44~0.28 之间, 平均值为−0.97, 落在 1440 Ma与 1100 Ma 之间平均地壳演化线范围内(图 5)。一阶段 Hf 模式年龄(tDM1)的变化范围为866~979Ma, 平均 911Ma; 二阶段 Hf 模式年龄(tDM2)的变化范围为 1235~1408Ma, 平均 1315Ma。
2)柏家庄岩体。样品 M11 共计分析 9 个测点, 其中参与加权平均年龄计算的 6 个测点(M11-03, M11-04, M11-05, M11-06, M11-07 和 M11-09)的176Hf/177Hf 值介于 0.282548~0.282667 之间, 平均值为 0.282606, 均一性较好。εHf(t)值在−3.24~0.92 之间, 平均值为−1.30, 主体落在 1440Ma 与 1100Ma之间平均地壳演化线范围内(图 5)。tDM1 的变化范围为 828~986Ma, 平均值为 923Ma; tDM2 的变化范围为 1192~1456Ma, 平均值为 1333Ma。
3)教场坝岩体。样品 PM35 共计分析 10 个测点, 其中参与加权平均年龄计算的 8 个测点(PM35-11, PM35-12, PM35-14, PM35-15, PM35-17, PM35-19, PM35-20 以及 PM35-25)的 176Hf/177Hf 值介于0.282604~0.282686 之间, 平均值为 0.282637, 均一性较好。εHf(t)值在−1.20~1.63 之间, 平均值为−0.05, 落在 1440Ma 与 1100Ma 间平均地壳演化线范围内(图 5)。tDM1 的变化范围为 812~918Ma, 平均值为 874Ma; tDM2 的变化范围为 1151~1331 Ma, 平均值为 1258 Ma。
表1 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体锆石LA-ICP-MS U-Th-Pb同位素测定结果
Table 1 LA-ICP-MS analyzed zircon U-Th-Pb isotopic data and calculated apparent ages for samples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions
测点号含量/(μg·g–1)同位素比值年龄/Ma Pb232Th238U232Th/238U207Pb/235U (±1σ)206Pb/238U (±1σ)208Pb/232Th (±1σ)207Pb/206Pb (±1σ)207Pb/235U (±1σ)206Pb/238U (±1σ) 中川岩体 M10-0145.60179.641277.080.140.2386±0.00420.0342±0.00030.0110±0.0002220±23217±3217±2 M10-0242.70358.791129.680.320.2464±0.00480.0344±0.00030.0108±0.0002285±27224±4218±2 M10-0346.68373.641272.440.290.2414±0.00470.0341±0.00030.0099±0.0001258±26220±4216±2 M10-0429.66213.85 811.660.260.2465±0.00660.0343±0.00040.0108±0.0002291±41224±5217±2 M10-0535.01246.92 910.630.270.2516±0.00530.0349±0.00040.0120±0.0002296±30228±4221±2 M10-0647.01208.301295.770.360.2416±0.00410.0346±0.00030.0109±0.0002224±22220±3219±2 M10-0750.62321.241369.720.230.2432±0.00430.0346±0.00030.0106±0.0002243±23221±4219±2 M10-0836.41133.401008.970.130.2423±0.00450.0347±0.00030.0116±0.0002228±25220±4220±2 M10-0952.36226.221437.280.160.2463±0.00410.0349±0.00030.0105±0.0002253±21224±3221±2 M10-1048.50524.661240.050.420.2411±0.00420.0347±0.00030.0107±0.0001213±23219±3220±2 M10-1183.27389.912228.020.360.2517±0.00400.0351±0.00030.0099±0.0001288±19228±3222±2 M10-1231.77258.94 832.460.310.2433±0.00490.0348±0.00040.0112±0.0002227±28221±4221±2 M10-1352.97319.841417.590.230.2467±0.00430.0352±0.00030.0101±0.0001233±23224±3223±2 M10-1447.39210.101258.770.170.2519±0.00460.0355±0.00040.0101±0.0002263±24228±4225±2 M10-1520.13156.52 542.030.290.2392±0.00620.0345±0.00040.0117±0.0002207±40218±5219±2 M10-1644.64212.491203.810.360.2444±0.00420.0347±0.00030.0121±0.0002243±22222±3220±2 M10-1755.09352.971475.990.240.2505±0.00410.0349±0.00030.0107±0.0001291±21227±3221±2 M10-1869.37275.841864.580.150.2492±0.00410.0351±0.00030.0101±0.0002262±21226±3222±2 M10-1922.23226.19 574.660.390.2419±0.00650.0344±0.00040.0113±0.0002244±41220±5218±2 M10-2060.81261.201672.850.160.2490±0.00410.0347±0.00030.0112±0.0002287±21226±3220±2 柏家庄岩体 M11-0117.02362.19 412.460.880.2482±0.00620.0319±0.00040.0104±0.0001471±35225±5202±2 M11-0254.44202.921638.240.120.2351±0.00430.0322±0.00030.0092±0.0002324±24214±4205±2 M11-0314.92178.48 390.770.460.2417±0.00690.0336±0.00040.0102±0.0002293±44220±6213±2 M11-0410.92 66.50 304.580.220.2340±0.00660.0337±0.00040.0111±0.0002214±45213±5213±2 M11-0515.00166.95 393.380.420.2383±0.00640.0338±0.00040.0107±0.0002250±42217±5214±2 M11-0615.98209.51 396.240.530.2413±0.00730.0345±0.00040.0112±0.0002225±48219±6219±3 M11-0724.31262.58 640.890.410.2417±0.00500.0337±0.00040.0107±0.0001286±29220±4214±2 M11-0839.79448.03 960.560.470.2618±0.00580.0360±0.00040.0118±0.0002317±31236±5228±2 M11-0910.82141.63 282.080.500.2319±0.00930.0333±0.00040.0103±0.0002217±69212±8211±3 教场坝岩体 PM35-0156.20491.031538.120.320.2310±0.00510.0332±0.00060.0102±0.0003216±23211±4211±4 PM35-0226.87288.92 622.570.460.2477±0.01450.0349±0.00070.0110±0.0002263±143225±12221±4 PM35-0318.82260.57 473.900.550.2317±0.00700.0333±0.00060.0112±0.0004215±37212±6211±4
续表
测点号含量/(μg·g–1)同位素比值年龄/Ma Pb232Th238U232Th/238U207Pb/235U (±1σ)206Pb/238U (±1σ)208Pb/232Th (±1σ)207Pb/206Pb (±1σ)207Pb/235U (±1σ)206Pb/238U (±1σ) PM35-0439.80484.28 916.380.530.2532±0.01390.0362±0.00070.0114±0.0002230±135229±11229±4 PM35-0543.01674.65 946.500.710.2684±0.00620.0366±0.00070.0118±0.0003337±24241±5232±4 PM35-0645.75469.641132.420.410.2622±0.00600.0354±0.00070.0115±0.0003360±23236±5224±4 PM35-0726.78337.77 633.810.530.2381±0.01470.0342±0.00070.0108±0.0002221±149217±12216±4 PM35-0822.34213.31 593.760.360.2377±0.00650.0338±0.00060.0104±0.0004242±31217±5214±4 PM35-0925.28334.79 604.810.550.2524±0.00640.0358±0.00070.0105±0.0003250±28229±5226±4 PM35-1037.41444.40 921.030.480.2476±0.00580.0352±0.00070.0108±0.0003240±25225±5223±4 PM35-1125.26383.76 566.400.680.2501±0.00640.0367±0.00070.0113±0.0004171±29227±5232±4 PM35-1230.23244.37 780.440.310.2456±0.01090.0346±0.00070.0109±0.0002260±114223±9220±4 PM35-1328.17309.45 707.110.440.2458±0.00600.0350±0.00070.0107±0.0003239±27223±5222±4 PM35-1429.95335.74 770.890.440.2418±0.00610.0341±0.00060.0104±0.0004257±28220±5216±4 PM35-1521.57175.90 537.160.330.2532±0.00650.0364±0.00070.0113±0.0004219±28229±5230±4 PM35-1645.56947.62 989.180.960.2642±0.00620.0349±0.00060.0110±0.0003411±24238±5221±4 PM35-1722.51256.56 556.550.460.2404±0.00630.0350±0.00070.0114±0.0004184±30219±5222±4 PM35-1818.30200.73 447.080.450.2482±0.00670.0358±0.00070.0111±0.0004210±31225±5227±4 PM35-1954.79493.061308.820.380.2514±0.01230.0355±0.00070.0112±0.0002260±123228±10225±4 PM35-2044.48566.001097.440.520.2677±0.00620.0343±0.00060.0112±0.0003478±24241±5217±4 PM35-2126.65291.32 666.340.440.2492±0.00620.0352±0.00070.0105±0.0004258±27226±5223±4 PM35-2232.89289.64 818.370.350.2535±0.00610.0361±0.00070.0112±0.0004239±26229±5229±4 PM35-2312.31204.51 279.150.730.2508±0.00830.0353±0.00070.0114±0.0004264±42227±7224±4 PM35-2425.04362.30 625.760.580.2327±0.00640.0335±0.00060.0108±0.0004213±31212±5212±4 PM35-2521.31222.48 580.630.380.2425±0.00690.0324±0.00060.0106±0.0004386±32220±6205±4 PM35-2619.46204.46 502.550.410.2429±0.00640.0341±0.00060.0108±0.0004269±30221±5216±4 PM35-2719.32102.23 526.810.190.2380±0.00700.0347±0.00070.0104±0.0005186±35217±6220±4 PM35-2825.12295.68 661.840.450.2470±0.00630.0329±0.00060.0106±0.0004390±27224±5209±4 PM35-2950.07269.271323.980.200.2489±0.00930.0351±0.00070.0110±0.0002263±98226±8222±4 PM35-3019.90284.00 470.660.600.2613±0.00830.0350±0.00070.0113±0.0004375±38236±7222±4 PM35-3140.48221.421116.030.200.2471±0.00600.0339±0.00060.0111±0.0004322±26224±5215±4 PM35-3215.12153.83 376.240.410.2536±0.00720.0354±0.00070.0112±0.0004285±33230±6224±4 PM35-3334.29389.37 874.240.450.2416±0.00630.0341±0.00060.0110±0.0004259±29220±5216±4 PM35-34 6.94106.84 129.330.830.2983±0.01170.0414±0.00080.0142±0.0005265±9262±5262±5 PM35-3529.59425.58 846.000.500.2565±0.15060.0249±0.00290.0181±0.0066232±122158±18158±18
图3 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体样品锆石CL图像
Fig. 3 CL images of zircons for samples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions
图4 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体锆石U-Pb谐和图
Fig. 4 Concordia diagrams of zircon U-Pb isotopes for sam-ples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochang-ba instrusions
主量元素分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。去除岩石样品的风化表面后, 将新鲜的部分粉碎至 200 目。取 0.4g 岩石粉末与3gLi2B4O7 和 1gLiBO2 混合均匀, 加入 2 滴饱和LiBr, 在铂金坩埚内 1100℃下融化成玻璃薄片。样品烧失量用称重法测定, 主量元素用X荧光光谱法(XRF)测定, 分析精度为0.5%。
中川岩体、柏家庄岩体和教场坝 3 个岩体的主量元素分析结果见表 3。可以看出, 3 个岩体的 SiO2含量范围为 59.66%~75.81%, 属于石英闪长质‒花岗质岩石。Al2O3 含量为 15.02~17.10%, CaO 含量为 0.37%~9.86%, MgO 含量为 0.18%~1.66%, K2O含量为 2.26%~4.76%, Na2O 含量为 0.01%~3.80%, K2O/Na2O 值均大于 1, TiO2 含量为 0.12%~0.55%。结合前人研究成果[4,15], 在 K2O-SiO2 图解(图 6(a))中, 3 个岩体的样品主体落入高钾钙碱性系列范围内, 属于高钾钙碱性系列岩石。3 个岩体的 A/CNK 值为0.77~1.39, 在 A/NK-A/CNK 图解(图 6(b))中主要位于准铝质到过铝质的区域。
微量元素和稀土元素的分析在北京大学造山带和地壳演化教育部重点实验室完成。精确地称量25mg 岩石粉末至 Teflon 罐中, 加入 1.5mLHNO3和1.5mL HF, 加盖后于 80℃加热 24 小时, 开盖蒸发至湿盐状。向罐中加入 1.5mLHF, 1.5mLHNO3和 0.5mL HClO4, 置于密闭钢瓶中, 在 180℃加热48 小时至岩石粉末完全溶解, 用 1%的 HNO3 稀释到 50mL。使用 GSR-1, GSR-9 和 GSR-14 标样, 微量元素和稀土元素用 ELEMENT-I 型等离子质谱仪测定, 结果见表 4 和 5。
表2 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体锆石Lu-Hf同位素分析结果
Table 2 Lu-Hf isotope data of zircons for samples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions
样品号年龄/Ma176Hf/177Hf (±1σ)176Yb/177Hf176Lu/177HfεHf(0)εHf(t)176Hf/177Hf(t)fLu/HftDM1/MatDM2/Ma M10-012170.282603±0.0000140.010.000407 −5.97−1.170.282602−0.99 9041328 M10-062190.282619±0.0000160.030.000698 −5.41−0.660.282616−0.98 8891295 M10-072210.282638±0.0000220.040.001210 −4.73−0.050.282633−0.96 8741257 M10-082200.282607±0.0000150.040.001180 −5.82−1.140.282603−0.96 9171326 M10-102200.282630±0.0000170.070.001841 −5.04−0.450.282622−0.94 9011282 M10-122200.282603±0.0000140.050.001240 −5.97−1.290.282598−0.96 9241335 M10-132230.282606±0.0000150.040.001083 −5.86−1.160.282602−0.97 9161327 M10-152190.282573±0.0000170.070.001701 −7.04−2.440.282566−0.95 9791408 M10-162200.282593±0.0000170.040.001092 −6.34−1.650.282588−0.97 9351358 M10-192180.282649±0.0000150.060.001546 −4.35 0.280.282643−0.95 8661235 M11-012020.282603±0.0000200.050.001319 −5.97−1.390.282598−0.96 9261338 M11-022050.282325±0.0000300.050.001545−15.80−11.260.282319−0.9513281962 M11-032130.282580±0.0000330.040.001121 −6.80−2.190.282575−0.97 9541389 M11-042130.282548±0.0000280.020.000626 −7.92−3.240.282546−0.98 9861456 M11-052140.282582±0.0000240.050.001409 −6.73−2.170.282576−0.96 9591388 M11-062190.282630±0.0000220.080.002212 −5.03−0.580.282621−0.93 9101287 M11-072140.282630±0.0000240.070.001907 −5.03−0.530.282622−0.94 9031284 M11-082280.282622±0.0000130.040.001024 −5.32−0.690.282617−0.97 8931295 M11-092110.282667±0.0000230.040.000995 −3.71 0.920.282663−0.97 8281192 PM35-032210.282607±0.0000120.040.000917 −5.85−1.090.282603−0.97 9111324 PM35-112260.282612±0.0000790.050.001438 −5.65−0.970.282606−0.96 9161316 PM35-122230.282656±0.0000120.030.000829 −4.10 0.670.282653−0.98 8401212 PM35-142200.282647±0.0000140.040.001155 −4.41 0.320.282643−0.97 8601235 PM35-152220.282604±0.0000140.040.000975 −5.93−1.180.282600−0.97 9161330 PM35-172300.282637±0.0000130.030.000830 −4.78−0.010.282633−0.97 8671256 PM35-192220.282649±0.0000140.050.001319 −4.36 0.340.282643−0.96 8611233 PM35-202270.282604±0.0000140.040.001044 −5.94−1.200.282599−0.97 9181331 PM35-232230.282637±0.0000140.040.000961 −4.77−0.020.282633−0.97 8701256 PM35-252240.282686±0.0000260.050.001454 −3.05 1.630.282680−0.96 8121151
球粒陨石和亏损地幔演化参考线分别引自文献[21]和[22], 南秦岭新元古代基底参考线引自文献[23]
图5 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体锆石年龄εHf(t)-t图解
Fig. 5 εHf(t) vs. t diagram for samples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions
在稀土元素球粒陨石标准化分布图(图 7(a))中, 稀土元素配分模式呈现较明显的右倾趋势。3 个岩体的 LREE/HREE 值为 7.13~16.46, (La/Yb)N 值为9.38~33.55, 除柏家庄岩体(M09)具有较强的 Eu 负异常(δEu=0.44)外, 其余样品具有微弱的 Eu 负异常(δEu=0.81~0.89)。岩体的稀土元素总含量(∑REE)变化范围为 124.63~189.14μg/g。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图 7(b))中, 各岩体微量元素配分曲线较为相似, 高场强元素 Nb, Ti 和 P 等显著负异常, 样品 M09 具有显著的Sr负异常。
前人通过对五龙岩体群(五龙岩体和华阳岩体) 和东江口岩体群(东江口岩体、柞水岩体、曹坪岩体和沙河湾岩体)的锆石 U-Pb 年代学研究, 确认晚三叠世的岩浆活动在该地区是持续的, 但在不同的位置有不同期次的岩浆作用记录[3,23,27‒29]。
表3 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体岩体主量元素分析结果(%)
Table 3 Analyzed major elements data of granites for samples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions (%)
分析项目M10M09M11PM35 SiO265.14 75.8169.5159.66 TiO2 0.55 0.12 0.41 0.45 Al2O317.10 15.0215.5015.68 Fe2O3 3.77 0.60 2.25 7.76 MnO 0.08 0.02 0.06 0.13 MgO 1.66 0.18 0.87 0.45 CaO 3.16 0.37 1.61 9.86 Na2O 3.69 3.05 3.80 0.01 K2O 3.94 4.73 4.76 2.26 P2O5 0.24 0.10 0.16 0.44 LOI 0.54 0.00 0.88 2.78 总和99.87100.0099.8199.48 K2O/N2O 1.07 1.55 1.25226 Mg#27.34 20.39 24.8 4.74 A/CNK 1.06 1.39 1.08 0.77
说明: LOI 为烧失量, Mg#为 100×Mg/(Mg+Fetotal)原子数之比, A/CNK 为 Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)分子数之比。
与南秦岭中‒东部地区相比, 对西秦岭二长花岗岩群的研究相对薄弱。前人通过 K-Ar 法[6‒8]、全岩 Rb-Sr 等时线法[7‒8,12]和锆石 U-Pb 法[4‒5,9‒11], 给出中川岩体、柏家庄岩体和教场坝 3 个岩体的形成时代为 264~185Ma。本文通过 LA-ICP-MS 锆石微区原位 U-Th-Pb 定年方法, 获得中川岩体的年龄为220±1 Ma, 柏家庄岩体的年龄为 216±6 Ma, 教场坝岩体的年龄为 222±3 Ma, 与前人的测年结果在误差范围内基本上一致。因此, 西秦岭二长花岗岩的岩浆活动时代与南秦岭其他地区基本上一致, 反映中‒晚三叠世岩浆活动在南秦岭构造带是呈东‒西向连续分布的。
前人认为西秦岭二长花岗岩岩体群普遍具有多期次特征, 岩性呈现从偏基性向偏酸性演化的特征[15]。南秦岭构造带内出露 3 个大型中生代花岗岩群, 从西到东分别为光头山岩体群、五龙岩体群和东江口岩体群, 岩浆活动同样具有从偏基性向酸性演化的多期次活动特征[3,23,28‒30]。Deng 等[30]对光头山岩体群中光头山、新院、张家坝、姜家坪和火烧店岩体做了深入的研究, 认为该岩体群的岩浆主要来自新元古代变质基性岩和变质杂砂岩的部分熔融, 少量岩石形成于被沉积物交代的岩石圈地幔部分熔融。Hu 等[23]对五龙岩体群中华阳侵入杂岩开展岩石地球化学, 特别是锆石 Hf-O 同位素研究, 确认华阳侵入杂岩体中的花岗质岩石具有准铝质‒强过铝质的特征, 早期(218~213Ma)发育少量镁铁质捕掳体, 岩浆主要来源于岩石圈地幔; 中期(214~ 207Ma)的英云闪长岩和花岗闪长岩来源于新元古代玄武质地壳的部分熔融, 并有少量镁铁质岩浆注入, 岩浆上升过程中发生分离结晶和部分地壳混染作用; 晚期(207~202Ma)的中‒细粒花岗岩形成于新元古代变质杂砂岩的部分熔融。Hu 等[28‒29]通过对东江口岩体群中东江口、柞水、曹坪和沙湾岩体的研究, 认为这些岩体的主体岩浆来自新元古代基性下地壳物质部分熔融产生的熔体与交代岩石圈地幔部分熔融产生的熔体的混合, 少量岩浆形成于新元古代变质杂砂岩的部分熔融。由此可以判断, 中‒晚三叠世南秦岭构造带的岩浆活动主要来源于中‒新元古代的地壳源区(玄武质地壳和变质杂砂岩)。
(a)底图引自文献[24]; (b)底图引自文献[25], A/NK为Al2O3/(Na2O+K2O)分子数之比
图6 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体K2O-SiO2和A/NK-A/CNK图解
Fig.6 K2O vs. SiO2 and A/NK vs. A/CNK diagrams for samples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions
表4 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体岩体微量元素分析结果(μg/g)
Table 4 Analyzed trace element data of granites for samples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions (μg/g)
分析项目M10M09M11PM35 Rb201.80356.00176.44 89.12 Sr439.40 96.36415.40401.40 Ba804.8416.81436.01246.4 Th 15.04 22.58 16.74 14.83 U 7.45 4.33 6.94 4.31 Nb 18.99 13.82 22.20 13.14 Ta 2.09 1.95 2.17 0.84 Zr239.00 93.88207.60161.40 Hf 6.23 3.09 5.59 4.34 Co 6.49 0.94 2.74 35.10 Ni 5.91 45.66 7.33148.08 Cr 18.43 14.44 15.24329.00 V 46.52 5.23 36.86123.96 Sc 6.95 1.63 3.99 8.15 Li 85.82119.68 43.66 33.62 Cs 12.87 31.90 4.16― Ga 23.98 22.74 22.30 20.10 Cu 6.81 6.42 3.46 21.54 Pb 27.98 29.46 21.08 15.92 Zn 65.58 50.58 14.74 42.34 Bi 0.85― 0.45 0.01 Mo 3.66― 2.40 0.18
表5 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体岩体稀土元素分析结果(μg/g)
Table 5 Analyzed REE data of granites for samples from Zhong chuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions (μg/g)
分析项目M10M09M11PM35 La 28.68 29.2843.98 40.46 Ce 55.02 58.7082.8 75.28 Pr 6.28 5.748.80 8.01 Nd 25.08 19.7032.16 30.24 Sm 5.71 3.575.75 5.46 Eu 1.60 0.501.54 1.61 Gd 5.90 3.305.71 5.49 Tb 0.79 0.370.67 0.64 Dy 4.48 1.693.43 3.48 Ho 0.80 0.250.59 0.62 Er 2.34 0.721.72 1.88 Tm 0.33 0.090.23 0.24 Yb 2.19 0.631.54 1.69 Lu 0.32 0.090.22 0.24 Y 22.56 7.2916.57 16.1 ΣREE139.52124.63189.14175.35 LREE122.37117.49175.03161.06 HREE 17.15 7.1414.11 14.29 L/H 7.13 16.4612.40 11.27 (La/Yb)N 9.38 33.5520.46 17.13 δEu 0.84 0.440.81 0.89 δCe 0.96 1.040.97 0.96
说明: ΣREE, LREE和HREE为别为稀土元素总量、轻稀土元素总量和重稀土元素总量, L/H为轻重稀土元素总量比, (La/Yb)N为球粒陨石标准化后两元素比值。
球粒陨石和原始地幔标准化数值引自文献[26]
图7 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)
Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle normalized multi-element spidergrams for samples from Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba instrusions
中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体属于准铝质‒弱过铝质和高钾钙碱性系列岩石, 在球粒陨石标准化稀土元素配分图解中表现为较一致的右倾特征, 轻重稀土元素分异明显((La/Yb)N=7.13~33.55), 其中柏家庄岩体轻重稀土分异最明显, 且显示强烈的 Eu 负异常。在原始地幔标准化后的微量元素蛛网图中表现出高场强元素 Nb, Ti 和 P 等的显著负异常, 柏家庄岩体具有显著的 Sr 负异常。这些特征与光头山岩体群、五龙岩体群和东江口岩体群的基本地球化学特征[3,23,27‒30]相似。实验岩石学研究表明, 由玄武质岩石部分熔融形成的岩浆往往具有低的Mg#值(小于 40), 而在有地幔组分参与的情况下, Mg#值一般大于 40[31]。本文研究的 3 个岩体均具有较低的 Mg#值(小于 30), 在 SiO2-Mg#图解(图 8(a))中显示没有地幔物质的加入, 表明在这些岩浆的形成过程中只是单一的地壳岩石部分熔融。在 AMF-CMF 图解(图 8(b))中, 这些岩体大部分落入变质杂砂岩到变玄武岩的区域, 与华阳岩体和光头山岩体[23,27,30]相似, 表明其岩浆源区主要是变质玄武岩和变质杂砂岩。
本文的锆石 Lu-Hf 同位素研究结果表明, 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体的锆石 176Hf/177Hf值比较均一, 介于 0.282515~0.282686 之间, εHf(t)值的变化范围为−3.2~+1.63, 在 Hf 同位素演化图解中, Hf 同位素分布于球粒陨石均一储库线附近, 介于1100~1440Ma 下地壳演化线之间, 同时落在南秦岭新元古代新生地壳物质的演化区域内(图 5), 并且与光头山岩体群、五龙岩体群和东江口岩体群的Hf 同位素组成特征[3,23,27‒30]相似, 表明岩浆的源区可能为新元古代的地壳物质。
综上所述, 西秦岭和南秦岭构造带在中‒晚三叠世不仅岩浆活动连续分布, 并具有多期次的活动特征, 而且其岩浆源区相近, 主要来源于新元古代下地壳变质玄武质岩石和变质杂砂岩的部分熔融。
前人研究表明, 西秦岭二长花岗岩岩体群普遍具有多期次特征, 且根据不同定年方法获得时间跨度较大的年代学数据, 包括 264~232Ma[4,9], 218~ 210Ma[5,10‒11]和<200Ma[8,12], 这些年代学数据与南秦岭构造带内早中生代岩浆作用的时代[2,16]相近。一般认为, 在约 235Ma 之前, 南秦岭构造带(特别是其西段)处于俯冲构造体制, 发生与俯冲作用相关的岩浆作用, 岩石具有岛弧岩浆的特征, 这也与古地磁学研究获得的证据[33‒35]相符。因此, 中川岩体获得的约 264Ma 的年龄可能代表着早期俯冲作用的岩浆记录。
(a)底图引自文献[23]; (b)底图引自文献[32], A/MF 为 Al2O3/(TFeO+MgO)分子数之比, C/MF 为 CaO/(TFeO+MgO)分子数之比
图8 中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体 AMF-CMF 和 Mg#-SiO2图解
Fig. 8 AMF vs. CMF and Mg# vs. SiO2 diagrams of Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba intrusions
根据本文的研究结果, 西秦岭二长花岗岩岩体群的主体岩浆作用产生于晚三叠世, 这也是南秦岭构造带岩浆作用最强烈的时期, 五龙岩体群、东江口岩体群和光头山岩体群中的大部分岩体均形成于这一时期[3,23,27‒30], 说明该时期南秦岭构造带岩浆活动频繁, 导致地壳岩石发生大规模的部分熔融。由于这一时期华南板块与华北板块已经发生大陆碰撞, 因此产生这些岩石最有可能的构造背景为与俯冲板片断离有关或与后碰撞拆沉作用有关[2‒3,28,30]。已有的研究表明, 这一时期秦岭造山带的地壳厚度达到峰值(即处于加厚地壳的状态), 与拆沉模型[27]不相符, 并且, 拆沉作用通常形成具有高 Mg#值和高 Sr/Y 值特征的花岗质岩浆[36], 因此本文研究的西秦岭中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体更可能形成于俯冲板片断离的过程。在板片断离过程中, 软流圈地幔上涌导致岩石圈地幔发生部分熔融, 进一步导致上覆地壳发生部分熔融, 从而形成花岗质岩浆[23,28‒30]。
本文通过对西秦岭地区中川、柏家庄和教场坝3 个花岗岩体的 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb-Lu-Hf同位素和元素地球化学分析, 得出以下结论。
1)3 个岩体的锆石 U-Pb 年龄数据较为接近, 介于 216~222Ma 之间, 说明其形成时间基本上一致, 属于中晚三叠世。
2)中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体都属于高钾钙碱性系列岩石, 具有较低的 Mg#值和准铝质‒弱过铝质特征、相似的微量和稀土元素特征和较明显的右倾式稀土元素配分图谱, 岩浆主要来源于变质玄武岩和变质杂砂岩的部分熔融。
3) 3 个岩体的 Hf 同位素特征与区域其他岩体相似, 在 εHf(t)-t 图解中落在南秦岭新远古带新生地壳物质的演化线内, 表明岩浆主要来源于新元古代地壳物质的部分熔融。
4)中川岩体、柏家庄岩体和教场坝岩体形成于南秦岭与华南板块碰撞过程, 可能与俯冲板片的断离有关。
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Zircon U-Pb-Lu-Hf Isotopic Characteristics and Geological Implications of Mesozoic Granites in Western Qinling
Abstract LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic analyses reveal that the granitoid intrusions of Zhongchuan, Baijiazhuang and Jiaochangba in Western Qinling orogeny emplaced at ages of 220±1, 216±6 and 222±6 Ma, respectively, showing that all of them belongs to Middle-Late Triassic granitoid magmatism. Whole rock geoche-mistry analyses indicate thatthe primitive mantle-normalized trace element patterns and Chondrite-normalized REE patterns of the rock samples from the three intrusions show significant similarity, for example, depletion in high field strength elements of Nb, Ti and P, and enrichment in LREE. Analyses for zircon Lu-Hf isotopes indicate that the εHf(t) values range from −3.31 to +1.68 of the three intrusions with the two-stage model ages between 1151 and 1456 Ma. Petrogenetic studies indicate that the granitoid magmas of these Indosinian granitoid intrusions were derived mainly from the partial melting of mesoproterozoic crust material. Combined with the formation age, petrogenesis and tectonic background, these Indosinian intrusions were most likely formed in the collision process between South Qinling orogen and South China Block along Mianlue suture zone, and might be related to the subducted slab break off of South China Block.
Key words Western Qinling; granitoid intrusions; zircon U-Pb-Lu-Hf isotopes; whole rock geochemistry; petrogenesis
doi: 10.13209/j.0479-8023.2020.028
中国地质调查局地质调查项目(12120114050301)资助
收稿日期: 2019‒02‒03;
修回日期: 2020‒03‒31