内蒙古响洪甸碱性侵入岩体锆石u-pb年代学研究

内蒙古响洪甸碱性侵入岩体锆石u-pb年代学研究

碱性岩石的地球化学特征是钾、钠和稀土元素。其矿物组成通常由类似于长石和碱性铁镁矿（如霞石、钠、碱性闪石等）组成。碱性岩具有深源性及显著的幔源特征(涂光炽,1989;Eby,1990;赵振华,1994;Vorlkertetal.,2000),其中过碱碱性岩多具富集幔源特征(Fittonetal.,1987)。它多形成于拉张的构造环境(如碰撞后、裂谷或非造山),在空间上常与火山岩一起构成线性延伸带。碱性岩的深源浅成属性及其产出构造环境的特殊性使其成为探索地球深部物质组成特征及演化过程、地球动力学、构造和物理化学环境的重要岩石(任康绪,2003)。大别造山带东北缘属于华北陆块与扬子陆块的交接地带。沿金寨-霍山-舒城一带,晚中生代火山岩和碱性侵入岩体呈NWW向大量出露。其分布方向与大别造山带的构造线一致,并严格受深大断裂带的控制。前人对区内的火山岩研究较多(Qiuetal.,1996;高大旗,1992;杜建国等,1999;马昌前等,1999;谢芳贵等,2000;邱检生等,2002),而对该区碱性侵入岩的研究相对薄弱。自上个世纪90年代开始,作为区内最大的典型碱性岩体(含霞石),响洪甸碱性侵入岩体受到广大地质学者的重视(周泰禧等,1995;Yangetal.,1999),前人着重对其岩浆源区性质及侵位年龄进行了研究。但是,由于响洪甸碱性侵入岩的岩石类型复杂、采样的局限性等原因导致系统性的研究工作一直未开展。在年代学研究方面,早期的测年方法多采用全岩Rb-Sr等时线法、角闪石Ar-Ar法、钾长石Ar-Ar法等,受样品的代表性近年来,虽然已获得其中霞石正长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄(135.1Ma,黄皓,2012)和碱性正长岩的单颗粒锆石U-Pb年龄(122.3Ma,Yangetal.,1999),但仍然缺少主体岩石正长岩的高精度年代学数据。高精度的年代学研究是划分岩浆活动期次及探讨岩石成因的重要前提。本文在系统研究该碱性侵入岩体野外产状、全岩地球化学特征的基础上,采用高精度的SHRIMP锆石U-Pb法测年,开展锆石Hf同位素测试,并结合前人的研究成果,详细划分了响洪甸碱性侵入岩体的成岩期次,探讨了其源区特征和形成的构造背景等岩石成因问题,这对于进一步揭示大别造山带北缘晚中生代碱性岩浆活动的特点及其深部过程、认识大别苏鲁造山带的构造演化特征具有重要的意义。1区域地质背景和岩体地质特征1.1佛子岭群、发酵岩系金寨响洪甸碱性侵入岩体位于大别造山带东北缘的北淮阳地区(图1)。区内下部地层主要为震旦系—上古生界的佛子岭群和梅山群,上部地层主要为侏罗纪—早白垩世的陆相火山-沉积建造,两者呈不整合接触。佛子岭群主要为一套中深变质岩系,岩石组合为长石石英岩、板岩、石英片岩、千枚岩、含石英白云质大理岩(陈跃志等,1995)。梅山群主要为一套含煤浅变质岩系,岩石组合为砂质页岩和粉砂岩,是浅海相或滨海相向陆相过渡的含煤建造。岩、火山碎屑岩为主。区内构造主要为北部的金寨-舒城断裂、南部的晓天-磨子潭断裂以及西部的郯庐断裂带。区内燕山期岩浆岩活动频繁,岩石种类众多,以中酸性岩为主。其中,火山岩岩石组合主要为安粗岩、粗面岩和安山岩,侵入岩岩石组合主要为石英闪长岩、霞石正长岩、正长岩、二长岩和花岗岩。1.2响洪罐组31.2岩体地质特征响洪甸碱性侵入岩体属于响洪甸碱性杂岩体一部分。响洪甸碱性杂岩体出露面积约48km2,NNW向展布于大别造山带的东北缘及郯庐断裂西侧(图1)。杂岩体包括碱性火山岩与碱性侵入岩响洪甸碱性侵入岩位于杂岩体的中部,出露面,。积约15km2,主要岩石组合为正长岩、碱性正长岩霞石正长岩。正长岩(ξ2)为碱性侵入岩体的主体岩石类型(图3a),与西部响洪甸组碱性火山岩呈不整合接触。正长岩体又可分为中心相的粗粒正长岩(ξ1)、中间相的似斑状正长岩(ξ2)及边缘相的细粒正长岩(ξ3)(图3b)。其中,中间相的似斑状正长岩出露面积最大,边缘相的细粒正长岩分布面积较小,可在岩体西侧似斑状正长岩和响洪甸组碱性火山岩夹层中见到(Yangetal.,1999)。碱性正长岩与霞石长岩相伴生分布于正长岩体的周围,出露面积约1.32km2,霞石正长岩多呈豆荚状、不规则状、透镜状、似层状(图3c)分布于碱性正长岩中,长度从几米到几百米。此外,碱性正长岩与霞石正长岩中常见暗色包体。2岩石矿物学特征2.1磁铁矿物理学特征根据岩石中矿物粒度和结构可将响洪甸正长岩分为粗粒正长岩(图3d)、细粒正长岩(图3f)和似斑状正长岩(图3e),以似斑状正长岩为主。似斑状正长岩呈肉红色,似斑状结构,块状构造,主要矿物为钾长石(80%~85%,为微斜长石和微斜条纹长石)、镁绿钙闪石(8%~10%),另外含有少量黑云母(3%±)、霓辉石(1%±);副矿物主要包括锆石、磁铁矿及部分榍石、磷灰石、独居石。钾长石呈自形-半自形板状,卡氏双晶发育。斜长石呈自形板状,聚片双晶发育(见图3j)。镁绿钙闪石,绿褐色,多色性明显,具简单的聚片双晶(见图3l)。碱性正长岩(图3h)为中粒半自形粒状结构,块状构造,主要矿物为钾长石(70%~75%,为微斜长石和微斜条纹长石),角闪石约10%~15%,辉石约8%~10%,少量黑云母(3%),副矿物主要为磁铁矿、榍石和锆石。多发生绢云母化。霞石正长岩(图3g)呈灰白或肉红色,中粒-粗粒半自形粒状结构,致密块状构造,有时呈似片麻状构造,主要矿物为钾长石(70%~75%,为正长石、微斜长石),霞石约10%~15%,绿钙闪石约8%~10%,含少量黑云母(3%±)、红钠闪石(2%±)等,副矿物主要为磁铁矿、榍石和锆石。钾长石呈自形-半自形板状,卡氏双晶发育。霞石,干涉色一级灰白,呈他形不规则粒状,具一组不完全解理(见图3k),常呈他形粒状分布在其他矿物颗粒中。正长石,霞石正长岩多发生弱蚀变作用,经历了沸石化、钠长石化、萤石化、碳酸盐化和绿帘石化。绿钙闪石呈暗绿色,斜消光,干涉色为二级蓝,偶见环带结构。红钠闪石呈黄褐色,正高凸起,干涉色常被颜色所掩盖。2.2电子探针成分该区碱性岩的主要造岩矿物有碱性长石、霞石、辉石、角闪石及少量黑云母等。对一些代表性样品中的主要造岩矿物进行了电子探针成分分析。测试使用中国地质大学(北京)科学研究院电子探针室日本岛津公司产EPMA-1600型电子探针仪。电子探针测试条件:加速电压15kV,束流1×10-7A,束斑直径1μm。标准样品为Si、Al、Na(钠长石)、Ti(金红石)、Fe(铁铝榴石)、Mn(蔷薇辉石)、Ca(方解石)、针标准物质。碱性长石是碱性岩中最主要的组成矿物。根据本区似斑状正长岩和霞石正长岩中长石类矿物的电子探针分析结果(表1),碱性长石包括钾长石(主要是正长石、微斜长石和条纹长石)和钠长石2类。其中似斑状正长岩中钾长石的端员组分w(Or)为89.23%和89.28%;w(Ab)为10.02%和10.63%;w(An)为0.09%和0.57%。钠长石端员w(Or)为2.36%和2.54%,w(Ab)为92.52%和92.92%;w(An)为4.72%和4.94%。而霞石正长岩中钾长石端员组分w(Or)占94.94%和94.69%;w(Ab)为4.63%和5.03%;w(An)为0.28%和0.44%。钠长石的端员组分w(Or)为0.10%和0.34%;w(Ab)为98.6%和99.81%;w(An)为0.09%和1.05%。可见,霞石正长岩中的钾长石较似斑状正长岩中的更富钾;霞石正长岩中的钠长石纯度很高,Ab端员分子的质量分数达99.21%,与似斑状正长岩中的钠长石相比,其钠的富集程度更高。角闪石的电子探针分析结果见表2,依据Leake等(1997)的分类标准:(Ca+Na)B≥1.34,NaB<0.67,(Na+K)A≥0.50,Si<6.25,Ti<0.50,当Mg/(Mg+Fe2+)<0.5为绿钙闪石,0.5<Mg/(Mg+Fe2+)<0.7为含镁绿钙闪石,0.7<Mg/(Mg+Fe2+)为镁绿钙闪石。本区霞石正长岩中角闪石主要为绿钙闪石;似斑状正长岩中角闪石主要为绿钙闪石、含镁绿钙闪石。与王濮等(1987)关于绿钙闪石主要产于富钠碱性岩的结论相一致。辉石在本区碱性岩中含量较少,据显微镜下光学性质判断,本区辉石属于单斜辉石亚族,其电子探针分析结果见表3。根据单斜辉石中Ca-Mg-Fe组合的分类与命名方法(常丽华等,2006)得知,其种属主要为普通辉石和次透辉石。霞石正长岩与似斑状正长岩中辉石的成分相近,w(SiO2)为48.97%~49.24%,平均49.12%;w(CaO)为21.56%~21.67%,平均21.62%;w(TiO2)为0.92%~1.04%,平均0.98%,表现出富硅、富钙、贫钛的特点,这与邱检生等(2002)报道的同区域典型富钾火山岩中单斜辉石的成分相似。霞石是霞石正长岩中的特征矿物。响洪甸碱性岩中霞石的电子探针成分分析结果显示(表4),w(Al2O3)为31.13%~31.50%,平均31.33%;w(Na2O)为18.98%~19.40%,平均19.15%。按照霞石的标准化学式KNa3[AlSiO4]4中O=16为基础计算阳离子数,3件样品Si/Al比值均值为1.19,其中硅和铝原子总数接近8,与东秦岭双山岩体角闪云霞正长岩中的霞石成分(张正伟等,2002)较相似。3地球化学特征3.1方法及测定流程(1)岩石主、微量元素分析方法岩石样品经破碎后用玛瑙钵研磨至200目。主量元素和微量元素测试在北京大学造山带与地壳演化重点实验室的荧光光谱仪ARLADNANTXP上完成,仪器测试精度:主量元素<0.5%;微量元素检出限0.1×10-6。采用溶片法制样以用于主量元素分析,具体操作方法是:准确称取3g四硼酸锂、1g偏硼酸锂和0.4g样品,在铂金坩埚里加热至1150℃充分融化,摇匀后冷却。采用压片法制样以用于微量元素分析,取适量的样品粉末,以硼酸为衬底在铝皿中加高压成片。稀土元素的测试在北京大学造山带与地壳演化重点实验室的VGAxiomICP-MS系统上完成,采用酸熔法制样。(2)SHRIMP锆石U-Pb分析方法本次用于测年的岩石样品(11-3-1)为似斑状正长岩,样品采自响洪甸水库北岸的龙井岩村西,地理北京离子探针中心将获得的锆石颗粒与标样(TEM)一起粘在玻璃板上,用环氧树胶浇铸,制成薄片、抛光,制成样靶。制靶的详细流程见宋彪等(2002)。上机测试前在北京离子探针中心和中国地质科学院地质所电镜分析室分别进行锆石的透射光、反射光及阴极发光(CL)显微照相。以此为据,选择晶形完好、无或少裂隙及包裹体、具有明显振荡环带结构的锆石颗粒或视域进行SHRIMP分析。锆石U-ThPb分析是在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心的网络虚拟实验室,通过SHRIMP远程共享控制系统(SHRIMPRemoteOperationSystem,SROS)远程控制位于澳大利亚Curtin理工大学(CurtinUniversityofTechonology)的SHRIMPⅡ仪器而完成的。分析流程和标样校正详见Williams(1998)。主要是在测试样品前先用标准锆石M257标定样品的U、Th和Pb质量分数。测试过程中每测定3个样品点,分析1次标准锆石TEM(417Ma)以校正元素间的分馏和年龄。测点直径约25μm,测前先剥蚀150s。每个样品点测定统计量为5次204Pb扫描,每个样品测定11~15个点。普通铅根据实测的Pb校正。数据处理采用LudwigSQUI-DI.O206238及ISOPLT程序(Ludwig,2003)。采用年龄为Pb/U年龄,其加权平均值具95%的置信度。(3)LA-MC-ICPMS锆石Hf同位素分析方法在进行锆石U-Pb年龄测定后,采用同一样品进价重点实验室进行。实验过程中采用He作为剥蚀物质载气,剥蚀直径为55μm,测定时使用锆石国际标样GJ1作为参考物质,分析点与U-Pb定年分析点为同一位置。相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等(2007)、Elhlou等(2006)。分析过程中锆石标准GJ1的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282008±0.000025(2σ,n=26)(侯可军等,2010)。3.2地球化学组成(1)SHRIMP锆石U-Pb分析结果所测锆石呈无色透明或浅黄色,多为短柱状、不规则片状晶形,粒度为150~250μm,由于颗粒破碎,可以推测完整锆石颗粒的粒度更大。从锆石的CL图像(图4a)可以看出,锆石颗粒均呈浅灰白-灰黑色,内部结构清晰,发育有典型的岩浆振荡环带,不具核幔结构及后期变质壳,为岩浆形成后一次结晶形成,所测锆石年龄可以代表岩浆冷却结晶及岩体侵位的年龄。岩浆锆石的Th、U质量分数高,Th/U比值一般大于0.1,而变质锆石的w(Th)、w(U)低,Th/U比值一般小于0.1(Belousovaetal.,2002)。响洪甸碱性正长岩的锆石中w(U)、w(Th)较高,分别为(989~2040)×10-6和(441~1698)×10-6,11个测点的w(U)、w(Th)平均为1327×10-6和946×10-6。Th/U比值变化范围在0.38~1.59,均值为0.78,均大于0.1。锆石的Th/U比值、晶形及内部结构均能反映其岩浆成因的特点。本次11颗锆石11个测点的分析结果见表5。11个测点的206Pb/238U年龄为122.4~125.8Ma,变化范围很小。在谐和曲线图(图4b)上,11颗锆石数据点成群分布在一致曲线上及其附近很小的范围内。其206Pb/238U年龄的加权平均值为(125±1)Ma。由于本次所测锆石均为典型的岩浆锆石,测点结果一致且数据集中,因而206Pb/238U的加权年龄值可以代表响洪甸似斑状正长岩体的侵位时代。(2)主量、微量、稀土元素测试结果响洪甸碱性侵入岩各代表性岩石的地球化学组成见表6。似斑状正长岩的w(SiO2)=56.47%~60.98%,平均值为59.66%,按酸度划分属于中性岩类。A/CNK的值为0.92~1.07,均值为0.99,属于偏铝质-弱过铝质岩石。似斑状正长岩具有高K特征,w(K2O)为7.43%~9.53%,全碱质量分数为11.04%~12.77%,均值为12.06%,K/Na比值(分子比)为1.19~1.94,岩石具高钾的特点。里特曼指数σ为8.61~9.18,总体上属于碱性岩类。w(TiO2)较低,为0.48%~0.64%。w(MgO)为0.57%~3.38%,岩石的镁分数值(Mg#)为42.91~63.35,均值为51.87,表明岩浆的分异演化程度中等。碱性正长岩的酸度变化为59.08%~60.89%,平均值为60.05%。A/CNK比值为0.89~1.19,均值为1.05,属于偏铝质岩石。碱性正长岩全碱质量分数为11.32%~11.71%,均值为11.50,K/Na比值(分子比)为0.92~1.04,岩石相对富K。里特曼指数σ为8.30~8.53,属于过碱性岩。w(TiO2)为0.44%~0.6%。岩石的镁分数值(Mg#)为47.45~57.30,均值为53.21。霞石正长岩的岩石酸度变化为56.85%~60.81%,平均值为58.98%,属于中性岩。A/CNK的值为0.85~1.15,均值为0.99,属于偏铝质岩石。霞石正长岩全碱质量分数为11.98%~13.42%,均值为12.90%,K/Na比值(分子比)为0.95~1.48,具高钾的特点。里特曼指数б为9.87~14.5,属于过碱性岩。w(TiO2)为0.36%~0.80%。w(MgO)为0.37%~2.92%,岩石的镁分数值(Mg#)为30.73~63.88,均值为46.32。响洪甸碱性岩主要为一套中性岩石类型组合。在TAS图解上(图5a)及R1-R2图解上(图5b),全部样品投影点主要分布在正长岩-霞石正长岩区域。在AR-SiO2图解(图5c)中,全部岩石样品主要投影于碱性岩-过碱性区域,表明响洪甸碱性岩属于碱性-过碱性岩系列。在K2O-Na2O图解中(图5d),样品主要分布在钾质岩至高钾质岩石区域,表明岩石总体具有高钾特点。相对于碱性正长岩和霞石正长岩,似斑状正长岩具有更高的钾含量。此外,3种类型的岩石均具有偏铝质及低Ti特征。可见,响洪甸碱性侵入岩为富碱、高钾、偏铝质、贫钛的碱性-过碱性岩石。响洪甸碱性侵入岩体各代表性岩石的稀土、微量元素组成见表7。似斑状正长岩、霞石正长岩及碱性正长岩的稀土元素总质量分数∑REE分别为(434.4~698.23)HREE比值分别为20.96~23.12(平均22.08)、21.01~24.35(平均22.35)、23.43~25.7(平均24.81),其(La/Yb)N分别为39.46~47.59、32.47~48.42、40.91~46.77。δEu值分别为0.56~1.05,0.47~0.96、0.52~0.84。由此可见,响洪甸3种类型的碱性岩均具高的稀土元素总量,而其中的霞石正长岩与碱性正长岩更高,三者均具有高度富集轻稀土元素且轻、重稀土元素高度分馏的特点。响洪斜长石的残留。响洪甸碱性岩原始地幔标准化不相容元素配分图解呈相互平行的分布型式(见图6a),且与该区火山岩的原始地幔标准化不相容元素配分曲线一致,体现了整个杂岩体岩浆源区物质组成的相似性。3种碱性侵入岩的微量元素特征基本一致,均富集大离子亲石元素K、Rb、U、Nd及轻稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm,相对亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti。由表7可以看出,其w(Rb)为(209~282)×10-6,w(Sr)为(482.67~1612.43)×10-6,w(Y)为(18.44~49.80)×10-6。Rb/Sr比值变化于0.14~0.50,平均值为0.27,远高于全球下地壳平均值0.032(Tayloretal.,1995)。Sr/Y比值为13.4~83.4。高场强元素w(Nb)为(23.38~80.29)×10-6,w(Ta)为(1.20~5.45)×10-6,Nb/Ta比值变化于14.73~27.95,平均值为18.52,接近地幔的Nb/Ta比值(17.5±2.0)(徐平等,2004;Weyeretal.,2002),高于地壳的Nb/Ta比值(11~12)(Green,1995)。推测响洪甸碱性岩的岩浆来源可能与幔源物质关系密切。在稀土元素球粒陨石标准化图解上(图6b),3种岩石具有一致的配分曲线,且与该区正长斑岩及粗面岩的稀土元素配分曲线特征一致(黄皓,2012),均呈强烈富集轻稀土元素的陡右倾斜模式,说明响洪甸碱性侵入岩与同一杂岩体中的富碱火山岩具有同源演化特征。(3)锆石Hf同位素分析结果Amelin等(2000)认为所测样品176Hf/177Hf基本上可以代表其形成体系的Hf同位素组成。锆石可以记录下岩浆源区不同性质的源岩特征,锆石Hf原位分析可以成为揭示地壳演化和示踪岩浆过程及岩浆源区的重要手段(Griffinetal.,2002)。锆石具有高Hf低Lu的特点,其Hf同位素体系具矿物稳定性强、封闭温度高的特征,没有明显的放射性成因Hf元素的积累及受后期岩浆热事件的影响,即使在麻粒岩相等高级变质条件下,仍能保持Hf同位素组成。因此,锆石原位Hf同位素示踪方法在探讨岩浆源区性质方面应用越来越广泛(Vervoortetal.,1996,2000;Amelinetal.,2000;Griffinetal.,2004;吴福元等,2007)。在SHRIMP锆石U-Pb测年的基础上,对响洪甸似斑状正长岩(样品号11-3-1)进行微区原位Hf同位素测试分析,其中εHf(t)、tDM1和tDM2均按照岩体的成岩年龄(125.0Ma)进行计算。如Hf同位素分析结果(表8)所示,11颗锆石初始176Hf/177Hf比值为0.282243~0.282404,εHf(t)为-10.376~-16.602,均值为-13.74。Hf同位素单阶段模式年龄(tDM1)为1231~1738Ma,两阶段模式年龄(tDM2)1843~2230Ma。响洪甸似斑状正长岩的Hf同位素组成(图7)显示,锆石样品点投影于1.8~2.5Ga地壳演化线之间,表明其岩浆源区与古元古代地壳物质关系密切。4讨论4.1响洪考虑晚新生代岩石形成时代本文利用SHRIMP锆石U-Pb测年法获得响洪甸似斑状正长岩的成岩年龄为(125±1)Ma。结合前人对响洪甸碱性侵入岩体中各种岩石进行的较高精度的测年结果(表9),可以将响洪甸杂岩体中晚中生代早白垩世碱性侵入岩划分为早、晚2个期次,早期霞石正长岩,形成于135~136Ma;晚期碱性正长岩和正长岩,形成于122~125Ma,其中碱性正长岩的形成略早于正长岩。4.2响洪罐碱性岩岩浆源区及成因响洪甸碱性侵入岩的(87Sr/86Sr)i值偏高,为0.70911~0.71062,εNd(t)值显著偏低,为-15.4~-16.8,(周泰禧等,1995)。与大别造山带中富钾火山岩及镁铁质-超镁铁质侵入岩的Sr、Nd同位素组成相似,后二者的(87Sr/86Sr)i、εNd(t)值分别为0.70872~0.70895、-14.62~-18.51(邱检生等,2002)及0.70745~0.70944、-15.3~-19.1(Jahnetal.,1999)。可见,三者均具富集地幔型Sr、Nd同位素组成特征。此外,在εNd(t)与(87Sr/86Sr)i的关系图解(图8)中,响洪甸霞石正长岩和碱长正长岩投影点均落于主地幔趋势线附近,说明岩石具幔源成因;样品投影点与北淮阳辉长岩、北大别花岗岩及超镁铁质岩位于相同区域,推测响洪甸碱性岩与北大别早白垩世富钾火山岩及镁铁质-超镁铁质侵入岩具有相似的岩浆源区。前人(邱检生,2002;杜建国等,1999,谢芳贵等,2000)对早白垩世北大别富碱火山岩及镁铁质-超镁铁质侵入岩的起源问题进行过探讨,认为可能起源于受俯冲陆壳析出流体交代作用所形成的富集地幔(EMⅠ)的部分熔融。借此可以推测,响洪甸碱性岩也可能源于富集地幔的部分熔融。响洪甸似斑状正长岩锆石Hf同位素分析结果表明,其源区可能遭受古元古代地壳物质的混染。响洪甸碱性岩富集大离子亲石元素及轻稀土元素,具有较高的La/Nb、Ba/Nb比值,也暗示其岩浆源区可能有部分陆壳物质的参与。从主量元素特征来看,响洪甸3种类型碱性岩的SiO2、TiO2、FeO、P2O5、K2O质量分数相近,其微量、稀土元素分布型式图也完全相似,说明分离结晶作用在岩浆的演化过程中起到了重要的作用。从Lg(CaO/(Na2O+K2O))-SiO2判别图解(图9a)来看,响洪甸碱性岩全部落于引张型碱钙性-碱性岩石区。在w(Rb)-w(Nb+Y)判别图解(图9b)上,全部样品均投影于后碰