秦嶺造山帶東段新元古代方城堿性巖體成因及其構(gòu)造意義

秦嶺造山帶東段新元古代方城堿性巖體成因及其構(gòu)造意義

秦嶺造山帶是華北克拉通與揚(yáng)子克拉通之間的交匯處。東連大別-蘇魯造山帶，西連西延造山帶和昆侖造山帶。它經(jīng)歷了從元朝到古生代的多次板塊碰撞和分離。秦嶺是一個(gè)構(gòu)造的陸地造山帶，形成于古生代和中生代的強(qiáng)烈碰撞。然而，造山帶中仍然留下了許多新元古代造山活動(dòng)的遺跡。對(duì)秦嶺造山帶，尤其是早古生代以來的起源和發(fā)展，進(jìn)行了大量的調(diào)查，并提出了不同的地球動(dòng)力學(xué)模型。沿著秦嶺造山帶，西部祁連造山帶和東部的大別-蘇魯造山帶，都證明了新元古代嚴(yán)重沖突、擴(kuò)張和巖漿巖的存在。它是羅迪尼亞超大陸聚集和解體過程的熱點(diǎn)地區(qū)[4.10]。前人對(duì)秦嶺造山帶內(nèi)新元古代巖漿活動(dòng)做了大量的同位素定年工作,為探討秦嶺造山帶新元古代構(gòu)造演化奠定了基礎(chǔ).松樹溝蛇綠巖(全巖Sm-Nd等時(shí)線年齡(1030±46)Ma)的存在表明,1000Ma前在華北克拉通與揚(yáng)子克拉通之間存在一洋盆——古秦嶺洋;晉寧期高壓變質(zhì)榴輝巖、高壓基性麻粒巖和長英質(zhì)麻粒巖(全巖-礦物Sm-Nd等時(shí)線年齡(983±140)Ma),大量的同碰撞型花崗巖(商南巖體商丹帶北側(cè)新元古代埃達(dá)克質(zhì)花崗巖;北秦嶺牛角山、德河、寨根、石槽溝等強(qiáng)變形富鋁的同碰撞型花崗巖)表明新元古代早期華北克拉通與揚(yáng)子克拉通在1000~900Ma期間發(fā)生碰撞拼合;北秦嶺蔡凹巖體(鋯石LA-ICPMSU-Pb法年齡(889±10)Ma)的變形較弱,為高鉀鈣堿性、高鋁、富堿和大離子親元素、貧HFSE,形成于碰撞后構(gòu)造環(huán)境,表明秦嶺新元古代碰撞造山作用在~890Ma已進(jìn)入由主碰撞擠壓轉(zhuǎn)向后碰撞伸展演化階段;普遍接受的作為秦嶺造山帶中產(chǎn)于非造山環(huán)境(板內(nèi)裂谷)的吐霧山A型花崗巖(鈉鐵閃石花崗巖-鉀長花崗巖)鋯石U-Pb年齡為710～730Ma.秦嶺造山帶及鄰區(qū)還存在一些890～710Ma間的火山活動(dòng)記錄,如揚(yáng)子克拉通西北緣的碧口群火山巖、南秦嶺耀嶺河群火山巖等,但對(duì)其形成的構(gòu)造環(huán)境及其地球動(dòng)力學(xué)意義有較大的爭(zhēng)議[18~20].因此,在890~710Ma這個(gè)長達(dá)180Ma的漫長地質(zhì)歷史中秦嶺造山帶是否一直處于碰撞后(post-collision)伸展構(gòu)造環(huán)境,或者說新元古代碰撞造山作用由碰撞后(post-collision)向非造山(板內(nèi))(anogenic/intraplate)過程的轉(zhuǎn)折發(fā)生在何時(shí),一直是秦嶺造山帶新元古代構(gòu)造演化研究中懸而未決的重要科學(xué)問題.秦嶺造山帶內(nèi)沿黑溝-欒川-維摩寺深斷裂分布一條堿性巖-堿性花崗巖帶.該巖帶東起平午地區(qū)經(jīng)方城、南召北部,過盧氏、欒川至陜西洛南,長度不小于400km,簡(jiǎn)稱欒川-方城堿性巖-堿性花崗巖帶,目前具有精確同位定年的新元古堿性巖-堿性花崗巖僅吐霧山堿性花崗巖(鈉鐵閃石霓輝石花崗巖及鉀長花崗巖)一處,其形成時(shí)代為(711±11)Ma(鋯石U-PbSHRIMP)~(725±39)Ma(鋯石U-PbID-TIMS).我們近期對(duì)該帶的方城堿性正長巖進(jìn)行了主、微量元素、Nd同位素分析和鋯石LA-ICPMSU-Pb同位素定年.方城堿性正長巖的形成時(shí)代、構(gòu)造環(huán)境的研究對(duì)探討新元古代秦嶺造山帶乃至Rodinia超大陸的形成和演化具有重要的科學(xué)意義.1相組成、巖石學(xué)特征方城正長巖產(chǎn)于秦嶺造山帶東段的北秦嶺構(gòu)造域,地理上位于河南省方城縣縣城北約15km,出露于方城縣楊集鄉(xiāng)塔山-雙山-宋墳一帶(圖1).巖體侵位于晚元古宙(相當(dāng)于清白口系)欒川群南泥湖組和煤窯溝組(~800至~1000Ma)黑云母、絹云母石英片巖之中(圖1).方城正長巖出露面積約7km2,主要由堿性長石正長巖、霓輝正長巖和角閃云霞正長巖組成.本次研究主要為塔山和雙山巖體.塔山巖體主體為絹云母化正長巖,局部為霓輝正長巖和霓霞正長巖.長石礦物以微斜長石為主,微斜條紋長石次之.暗色礦物主要為霓石及少量霓輝石和鎂質(zhì)黑云母巖體蝕變作用較強(qiáng),主要為絹云母化和綠簾石化.雙山正長巖巖體主要為黑云母正長巖和角閃霞石正長巖.巖石具輕微的絹云母化和鈉長石化蝕變.黑云母正長巖中常含有少量金云母.長石礦物主要為微斜長石、鈉長石和微斜條紋長石.霞石含量可達(dá)20%±黑云母為鐵質(zhì)黑云母,輝石為霓輝石,角閃石為堿性角閃石,鈉鈣質(zhì)綠閃石.2方城堿性正長巖巖漿起源和地球化學(xué)特征方城正長巖(塔山、雙山巖體)的巖石化學(xué)、微量元素及Sm-Nd同位素組成在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素年代學(xué)和地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成分別在Rigaku100e型熒光光譜儀XRF,PEElan6000型電感偶合等離子體-質(zhì)譜儀(ICP-MS)及MicromassIsoprobe型MC-ICPMS上分析.詳細(xì)的分析方法及流程見Li等人文.巖石的SiO2含量較低,變化范圍為54%~62%富堿(K2O+Na2O=12%~15%),鋁含量較高(Al2O3=16.81~23.26%)(表1),霓輝正長巖的標(biāo)準(zhǔn)礦物中含剛玉.在TAS圖解上,方城正長巖落入堿性巖區(qū)(圖2)與其礦物組成中含有堿性暗色礦物和副長石相對(duì)應(yīng)因此,方城正長巖是典型的堿性巖.巖石相對(duì)富Ga在花崗質(zhì)巖石K2O+Na2O~10000Ga/Al及Zr~10000Ga/Al成因分類圖上方城堿性正長巖落入A型花崗巖區(qū)(圖3).方城堿性正長巖各巖類具有相似的稀土和微量元素組成.稀土元素分布模式為輕稀土富集型具有比較顯著的Eu負(fù)異常(δEu=0.13~0.23),重稀土元素分異不明顯(圖4).正長巖的微量元素蛛網(wǎng)圖(圖5)顯示,除兩個(gè)采自塔山正長巖體的樣品由于絹云母化等蝕變作用的影響Rb和Ba顯著偏高外,方城堿性正長巖具有非常相似的微量元素分布模型.巖石相對(duì)富集大離子親石元素,無Nb,Ta,Zr,Hf負(fù)異常.在微量元素蛛網(wǎng)圖上,方城堿性正長巖呈現(xiàn)顯著的SrBa及Ti的相對(duì)虧損,結(jié)合其Eu負(fù)異常,表明巖漿結(jié)晶過程早期可能存在斜長石和Ti-Fe氧化物的分異.方城堿性正長巖的Nd同位素組成(表2)變化范圍非常小(143Nd/144Nd=0.511697~0.511884;147Sm/144Nd=0.00623~0.00902),εNd(t)=-1.37~-3.90,TDM=1364~1569Ma.Nd模式年齡小于區(qū)域基底太華群形成年代及區(qū)內(nèi)碎屑沉積巖陶灣群(~640Ma,欒川陶灣)的Nd模式年齡((2117±38)Ma).巖石微量元素及Nd同位素特征表明方城堿性正長巖主要來源于巖石圈地幔小比例部分熔融,在上升及侵位過程中受到少量地殼物質(zhì)混染.根據(jù)鋯石飽和溫度計(jì)所估算的正長巖巖漿的溫度為915~1044℃.由于方城堿性正長巖中的鋯石為無色透明的短柱狀且晶形完好的巖漿鋯石,未見有殘留鋯石的出現(xiàn).因此,鋯石的飽和溫度應(yīng)為巖漿溫度的最低估計(jì)值,所以方城堿性正長巖巖漿形成溫度很高,方城堿性正長巖的高溫特征也支持其幔源巖漿來源的推論.3鋯石u-pb年齡本次研究所分析的樣品為雙山巖體霓輝正長巖(HF-9),巖石主要礦物組成為微斜長石,鈉長石,微斜條紋長石,少量霓輝石和霞石.副礦物有鋯石,磷灰石,金紅石,磁鐵礦等.巖石具輕微的絹云母化蝕變.鋯石為無色透明的短柱狀晶體.鋯石陰極發(fā)光圖像研究在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所JXA-8100電子探針儀上完成(圖6).陰極發(fā)光圖像顯示出清晰的扇狀振蕩韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu),為典型的巖漿成因鋯石.鋯石U-Pb年齡測(cè)定在西北大學(xué)地質(zhì)系大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.ICP-MS為PerkinElmer/SCIEX公司帶有動(dòng)態(tài)反應(yīng)池的四極桿ICP-MSElan-6100DRC,參考物質(zhì)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會(huì)研制的人工合成硅酸鹽玻璃NISTSRM610,鋯石U-Pb年齡的測(cè)定采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)校正方法,以Si做內(nèi)標(biāo),測(cè)定鋯石中的U,Th,Pb的含量.詳細(xì)的分析流程及有關(guān)參數(shù)見袁洪林等人文.對(duì)霓輝正長巖(HF-9)中的鋯石進(jìn)行了30個(gè)點(diǎn)的測(cè)量.鋯石U-Pb的LA-ICPMS分析結(jié)果見表3.Th含量為72.76~467.8μg/g,U含量105.8~588.5μg/g,Th/U比值變化范圍0.69~1.58,具有巖漿成因鋯石的Th/U比值特征.206Pb/238U年齡變化范圍為759~866Ma.在30個(gè)測(cè)量點(diǎn)中有2個(gè)點(diǎn)206Pb/238U年齡明顯偏低,分別為769和788Ma,其Th/U比值明顯低于其它測(cè)點(diǎn)(分別為0.69和0.70),且其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)(HF-9.01)U含量及放射性成因鉛的含量也非常高,分別為588.5和359.4μg/g,另有一個(gè)測(cè)點(diǎn)206Pb/238U年齡略有偏高(866Ma),且207Pb/206Pb,207Pb/235U,208Pb/238Th年齡分別為1037,915,926Ma,具有顯著的不一致性,可能為后期熱液擾動(dòng)的結(jié)果.其余27個(gè)測(cè)點(diǎn)給出比較一致的年齡結(jié)果(圖7).剔除3個(gè)異常值后,鋯石206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(844.3±1.6)Ma,MSWD=0.86.該年齡應(yīng)為正長巖巖漿結(jié)晶的年齡.4rb-sr同位素時(shí)代秦嶺造山帶現(xiàn)有的新元古代巖漿巖的精確同位素定年資料(表4)顯示,碰撞造山事件發(fā)生在~980至~900Ma之間;~890至~860Ma進(jìn)入碰撞后伸展構(gòu)造演化階段;造山帶內(nèi)已知的板內(nèi)巖漿巖年代僅有吐霧A型花崗巖一例(鋯石U-Pb年齡為711~725Ma),缺少860至約710Ma的巖漿活動(dòng)記錄.相鄰區(qū)域新元古代巖漿巖有南秦嶺的耀嶺河群雙峰式火山巖(鋯石U-Pb年齡(808±6)Ma),揚(yáng)子克拉通北緣的鐵船山組雙峰式火山巖(玄武巖-流紋、英安巖;鋯石U-Pb年齡為(817±5)Ma).因此,秦嶺造山帶的新元古代碰撞造山構(gòu)造演化過程缺少由碰撞后向板內(nèi)非造山拉張?bào)w制轉(zhuǎn)化的可靠的巖漿活動(dòng)的年代學(xué)控制.霞石正長巖(及其對(duì)應(yīng)的火山巖如堿玄巖,響巖及碳酸巖)與陸內(nèi)裂谷系的聯(lián)系已為眾多研究所證實(shí)更是成為研究造山旋回的重要依據(jù)[37~43],因此對(duì)研究Rodinia裂解過程有著重要的意義.到目前為止秦嶺造山帶除吐霧山堿性花崗巖(711~725Ma)外,尚無其他新元古代的堿性巖、堿性花崗巖的報(bào)道前人曾試圖用Rb-Sr等時(shí)線法對(duì)方城堿性正長巖進(jìn)行同位素定年,然而由于堿性正長巖本身在形成和演化過程中未必達(dá)到Rb-Sr同位素體系的平衡,加上后期熱液蝕變作用的擾動(dòng),很難實(shí)現(xiàn)精確的同位素定年.邱家驤等人對(duì)絹云母化堿性長石正長巖、角閃云霞正長巖所分析的Rb-Sr等時(shí)線年齡及初始值分別為:(1452±15)Ma,(87Sr/86Sr)i=0.6988;(786±15)Ma,(87Sr/86Sr)i=0.7083.張正偉等人報(bào)道的塔山正長巖的Rb-Sr等時(shí)線年齡及初始值分別為298Ma,(87Sr/86Sr)i=0.7332.這些數(shù)據(jù)差別很大,可靠程度較低.由于方城堿性正長巖中的鋯石為無色透明且具有清晰振蕩環(huán)帶的巖漿鋯石,所以鋯石LA-ICPMSU-Pb年齡((844.3±1.6)Ma,MSWD=0.86)為巖體的結(jié)晶年齡.方城堿性正長巖形成于新元古代早期((844.3±1.6)Ma)、具有很高的巖漿溫度(915~1044℃)、較低的Nd模式年齡(1364~1569Ma)和較高的εNd(t)(-1.37~-3.90)值、具有板內(nèi)裂谷環(huán)境巖漿巖的微量元素地球化學(xué)特征,在Eby所提出的A型花崗巖構(gòu)造環(huán)境判別圖(Nb-Y-Ce和Nb-Y-3Ga)上均落入A1型區(qū)內(nèi)(圖8),表明方城堿性正長巖形成于(板內(nèi))非造山構(gòu)造環(huán)境,可能與加厚地殼-巖石圈拆沉作用所引起的地幔上涌有關(guān).因此,秦嶺造山帶新元古代的造山作用極有可能在~844Ma已完成了由碰撞后向非造山板內(nèi)拉張構(gòu)造環(huán)境的轉(zhuǎn)化.華南新元古代巖漿巖成巖機(jī)制和地球動(dòng)力學(xué)背景及其與Rodinia超大陸聚合-裂解的關(guān)系是近年來國內(nèi)外地學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一.目前對(duì)華南新元古代巖漿巖的成因存在地幔柱巖漿活動(dòng)[45~58]、島弧巖漿作用及板塊-裂谷巖漿活動(dòng)產(chǎn)物3種不同的模型.“地幔柱”模式認(rèn)為>860Ma(多數(shù)為≥900Ma)的巖漿巖的形成與Rodinia超大陸聚合的造山過程有關(guān),而830~740Ma的巖漿巖的形成則與Rodinia裂解過程中的地幔柱活動(dòng)有關(guān),為非造山階段巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物.其中,川西南關(guān)刀山花崗閃長巖(鋯石SHRIMPU-Pb年齡(857±13)Ma)被認(rèn)為是典型的Ⅰ型花崗巖,是由中元古代末-新元古代初島弧低鉀拉斑玄武質(zhì)巖石部分熔融形成的板內(nèi)非造山巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物.揚(yáng)子地塊西緣沿康定裂谷分布的新元古代(830~740Ma)巖漿巖、蘇雄雙峰式火山巖(~800Ma)亦可能是與地幔柱活動(dòng)有關(guān)的板內(nèi)巖漿作用的產(chǎn)物.“島弧”模式則認(rèn)為大多數(shù)中-晚元古代巖漿巖分布在揚(yáng)子地塊的活動(dòng)大陸邊緣,是同時(shí)期洋殼俯沖過程中島弧巖漿活動(dòng)產(chǎn)物,華南自>860至~750Ma一直處于造山階段.揚(yáng)子地塊周邊新元古代鎂鐵質(zhì)-玄武質(zhì)火山巖微量元素組成的島弧特性是“島弧”模式的最重要的依據(jù).而“板塊-裂谷”模式則認(rèn)為,華南新元古代830~800Ma和780~750Ma兩期巖漿活動(dòng)是超大陸從裂谷構(gòu)造發(fā)展到裂解過程的產(chǎn)物,其動(dòng)力學(xué)機(jī)制是巖石圈拉張所引起的構(gòu)造垮塌深熔和裂谷再造;在物質(zhì)來源上具有“就地取材”特點(diǎn):古老與新生巖石圈地幔、古老與新生大陸地殼都可能發(fā)生部分熔融,結(jié)果形成不同成分和性質(zhì)的巖漿巖.值得注意的是,島弧火山巖具有典型的Nb,Ta,Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損特點(diǎn),但并不等于具有高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損特征的火山巖就必然形成于島弧環(huán)境.花崗巖類的地球化學(xué)特征主要受其源區(qū)物質(zhì)組成及巖漿演化過程的制約,僅僅根據(jù)花崗質(zhì)巖石地球化學(xué)特征所作的構(gòu)造環(huán)境判別可能會(huì)導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的結(jié)論.由此可見,區(qū)內(nèi)新元古代花崗巖類及玄武質(zhì)巖漿巖地球化學(xué)特征所反映的構(gòu)造環(huán)境的不確定性成為研究華南Rodina大陸碰撞拼合與裂解過程的重要疑障,而東秦嶺方城堿性正長巖的研究為這個(gè)問題的解決提供了新的契機(jī).方城堿性正長巖鋯石U-Pb年齡的精確定年表明秦嶺造山帶由碰撞造山向后造山、非造山階段的轉(zhuǎn)換時(shí)代比原來認(rèn)識(shí)(~825Ma)的要早至少20Ma,在844Ma左右已經(jīng)進(jìn)入后造山-非造山演化階段.同時(shí)秦嶺造山帶松樹溝超基性巖輝石巨晶40Ar-39Ar年齡(848.2±4)Ma所代表的熱事件與方城堿性正長巖形成的年代