北淮陽早白堊世金剛臺組火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及地層對比

李鑫浩 ,高昕宇張忠慧,方建華,趙太平

(1.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.河南省山水地質(zhì)旅游公司,河南 鄭州 450001;4.河南省地質(zhì)調(diào)查院,河南 鄭州450001)

0 引言

大別造山帶北緣即北淮陽地區(qū)廣泛分布著晚中生代火山巖,該火山巖帶長逾330 km,寬10~50 km,大致以商城–金寨、曉天–舒城為中心分布,西起河南信陽,東至安徽六安,與郯廬斷裂帶交接(圖1)。這一火山巖帶在空間上呈近東西向展布,與大別造山帶的構(gòu)造線方向一致,并明顯受到斷裂帶的控制,夾在固始–合肥斷裂和磨子潭–曉天斷裂之間。北淮陽地區(qū)中生代火山巖的形成與揚(yáng)子和華北克拉通的俯沖碰撞及其后續(xù)的伸展拉張作用密切相關(guān)(邱檢生等,2002),而碰撞后的巖漿作用是反映構(gòu)造演化及殼–幔信息的重要內(nèi)容。前人對大別地區(qū)火山巖進(jìn)行過一定程度研究(楊為民和楊為根,1995;程安學(xué),1999;吳海權(quán),2000;Wang et al.,2002;李雙應(yīng)等,2002;邱檢生等,2002;王岳軍等,2002;吳海權(quán)等,2002;孔凡軍和蔣永福,2006;韓燕峰等,2010),但和大別造山帶的中生代花崗質(zhì)巖漿作用的研究相比,北淮陽地區(qū)中生代火山巖的研究程度依然薄弱。

前人把北淮陽地區(qū)的中生代火山巖劃分為5個(gè)火山構(gòu)造單元,自西向東依次為信陽火山沉積盆地、光山–商城火山沉積盆地、金剛臺錐型火山群、霍山–舒城火山沉積盆地和磨子潭–曉天火山沉積盆地(張鵬,1998)。不同地區(qū)的地層分別為陳棚組、金剛臺組、響洪甸組和毛坦廠組。已有的研究主要集中于火山巖帶的東部(楊為民和楊為根,1995;程安學(xué),1999;吳海權(quán),2000;Wang et al.,2002;李雙應(yīng)等,2002;邱檢生等,2002;王岳軍等,2002;吳海權(quán)等,2002;孔凡軍和蔣永福,2006;韓燕峰等,2010)。對于西部的金剛臺組火山巖,前人主要側(cè)重于研究火山巖的地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和巖石地球化學(xué)(劉文燦等,1997;張鵬等,1997;杜建國和張鵬,1999;楊澤強(qiáng)等,2006),精確的年齡數(shù)據(jù)相對較少。近年來有學(xué)者對金剛臺組火山巖進(jìn)行年代學(xué)研究(黃丹峰等,2010;黃皓和薛懷民,2012),但其采樣位置多位于火山巖系的下部層位,對其火山活動(dòng)下限時(shí)間沒有做出很好的限定。而且金剛臺組火山巖與相鄰產(chǎn)出的商城花崗質(zhì)侵入巖之間的先后關(guān)系,一直存在爭議(劉振宏等,1994;杜建國和張鵬,1999;羅照華等,2008)。北淮陽地區(qū)中生代火山巖也缺乏區(qū)域內(nèi)的綜合對比。因此,在加強(qiáng)西部地區(qū)火山巖研究的基礎(chǔ)上,在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行巖石學(xué)、年代學(xué)的綜合對比對更好的理解北淮陽火山巖帶具有重要作用。

圖1 北淮陽地區(qū)火山巖分布及構(gòu)造格架圖(據(jù)李雙應(yīng),2003改)Fig.1 Simplified tectonic map of the Beihuaiyang region showing the distribution of volcanic rocks

本文在前人工作基礎(chǔ)上,對北淮陽地區(qū)西部的金剛臺組火山巖進(jìn)行精確的 LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年,討論了其與商城花崗巖體的先后關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上對北淮陽地區(qū)火山巖地層進(jìn)行綜合對比,以更好地建立北淮陽地區(qū)中生代巖漿的時(shí)空格架,為深入探討北淮陽地區(qū)中生代巖漿作用規(guī)律提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

金剛臺組火山巖位于北淮陽中生代火山巖帶的西部(圖1),地跨河南、安徽兩省,大致以金剛臺和饅頭寨為中心呈近圓形分布(圖2),可分為東西兩部分,出露面積約240 km2(劉文燦等,1995)。金剛臺組以火山碎屑巖為主體,其中熔結(jié)凝灰?guī)r、角礫晶屑凝灰?guī)r占絕對優(yōu)勢。火山活動(dòng)以中心式噴發(fā)為特征,其復(fù)式火山機(jī)構(gòu)由多個(gè)次級的錐狀火山組成,在火山噴發(fā)的不同部位分別保存有火山流動(dòng)構(gòu)造和火山角礫構(gòu)造。

金剛臺組火山巖周圍出露的地層主要有下古生界佛子嶺巖群、泥盆系花園墻組、上石炭統(tǒng)胡油坊組、楊小莊組、中侏羅統(tǒng)三尖鋪組和第四系沖積層。區(qū)域侵入巖以早白堊世中晚期的中酸性侵入巖為主,商城巖體為該區(qū)域較大的侵入巖體。早白堊世中晚期的中酸性巖體中偶見少量后期侵入的基性巖墻。

2 樣品描述

本次選擇了 3個(gè)火山巖樣品用于鋯石定年,分別為JGT-1、JGT-10和JGT-80。

樣品 JGT-1為流紋英安巖,采自金剛臺組火山巖底部,地理坐標(biāo)為 N31°47′41.4″,E115°44′22.9″。顏色為深灰色,斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。斑晶以斜長石為主,少量鉀長石、石英。鏡下有明顯的流動(dòng)構(gòu)造。樣品 JGT-1的大部分鋯石都發(fā)育清晰、密集的振蕩環(huán)帶,鋯石中出現(xiàn)較多長柱狀晶體(可達(dá) 30%) ,長寬比最大可達(dá) 3∶1(圖3a),Th/U比值為 0.45~2.24,具有典型的巖漿鋯石特征。

圖2 金剛臺地區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)劉文燦等,2005修改)Fig.2 Schematic geological map of the Jingangtai area

樣品JGT-10為英安巖,采自金剛臺組火山巖中部,地理坐標(biāo)為 N31°46′21.4″,E115°44′35″。顏色為深灰色,斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。斑晶以斜長石為主,少量鉀長石、石英。樣品JGT-10的大部分鋯石都發(fā)育清晰、密集的振蕩環(huán)帶,鋯石中出現(xiàn)較多長柱狀晶體(可達(dá)40%) ,長寬比最大可達(dá)3∶1(圖3c),Th/U比值為0.49~1.60,具有典型的巖漿鋯石特征。

樣品JGT-80為安山巖,采自蘇仙石火山噴發(fā)中心附近,地理坐標(biāo) N31°46′31.4″,E115°34′1.9″。巖石呈暗灰色,斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。斑晶主要為斜長石,少量輝石、黑云母、角閃石。斑晶粒徑一般為0.2~0.5 mm?；|(zhì)為交織結(jié)構(gòu),以斜長石為主。該樣品的鋯石晶形完好,發(fā)育清晰、密集的振蕩環(huán)帶。鋯石晶形主要為短柱狀,棱角分明,長寬比1.5∶1,長度一般在100~150 μm;少量為長柱狀,長寬比在 2∶1~3∶1,長200~250 μm(圖3e),Th/U比值為0.56~5.67,具有典型的巖漿鋯石特征。

3 分析方法

樣品在河北廊坊誠信地質(zhì)技術(shù)服務(wù)公司用常規(guī)方法分選鋯石。將挑選好的鋯石制成靶,并進(jìn)行透射光和陰極發(fā)光(CL)照相,以選擇晶形好、表面干凈的鋯石做分析測試。鋯石U-Pb年齡測定在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成。分析儀器為Agilent公司7500a型ICP-MS,激光束直徑為40 μm,剝蝕頻率為8 Hz,能量密度為15~20 J·cm-2,剝蝕時(shí)間約60 s。詳細(xì)的分析程序見謝烈文等(2008)。鋯石U/Pb比值及年齡校準(zhǔn)選用標(biāo)準(zhǔn)鋯石 91500。鋯石U-Pb同位素及U、Th數(shù)據(jù)處理使用Glitter4.0軟件(Jackson et al.,2004)。

4 分析結(jié)果

JGT-1樣品20顆鋯石的206Pb/238U表面年齡介于137~119 Ma(表1),剔除6個(gè)信號不好或Pb丟失的鋯石,其中14顆鋯石年齡集中于132~120 Ma,獲得加權(quán)平均年齡為 127.5±0.6 Ma,MSWD=0.7(圖3b)。

JGT-10樣品20顆鋯石的206Pb/238U表面年齡介于137~118 Ma(表1),剔除3顆明顯偏離其他數(shù)據(jù)的鋯石,其中17顆鋯石年齡集中于132~120 Ma,獲得加權(quán)平均年齡為124.8±2.3 Ma,MSWD=0.7(圖3d)。

JGT-80樣品17顆鋯石的U-Pb年齡范圍較大，介于1918~117 Ma(表1),剔除8顆繼承鋯石,其中9顆鋯石年齡集中于117~130 Ma,獲得加權(quán)平均年齡為123.3±2.7 Ma,MSWD=3.5(圖3f)。8顆繼承鋯石的年齡范圍分為 2段,分別為:1918~1766 Ma和474~402 Ma。古元古代繼承鋯石的發(fā)現(xiàn),反映金剛臺組火山巖的物質(zhì)來源有較老的地殼物質(zhì)加入;474~402 Ma這個(gè)年齡段對應(yīng)著商丹洋閉合引起的一系列構(gòu)造–熱事件(Dong et al.,2011)。

從采自不同層位的 3個(gè)樣品的測年結(jié)果來看,金剛臺組火山巖形成時(shí)間從 123.3~127.5 Ma,形成于早白堊世,火山巖組底部年齡值在誤差范圍內(nèi)與前人研究結(jié)果一致(129~127.6 Ma;黃丹峰等,2010;黃皓和薛懷民,2012)。金剛臺組火山巖表現(xiàn)為多期次噴發(fā)形成,但火山活動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短。

圖3 鋯石陰極發(fā)光圖像及U-Pb年齡諧和圖Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of the zircons from the volcanic rocks and the U-Pb concordant diagrams

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5 討論

5.1 金剛臺地區(qū)早白堊世巖漿活動(dòng)

早期的年代學(xué)研究認(rèn)為金剛臺組火山巖形成于晚侏羅世(劉文燦等,1997;張鵬等,1997;杜建國和張鵬,1999),而本次研究獲得的金剛臺組火山巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡表明金剛臺組火山巖形成于早白堊世。

金剛臺地區(qū)出露的商城巖體,面積約 131 km2(劉文斌等,2003),主要分布在金剛臺組火山巖的西北部,兩者接觸關(guān)系不明。前人認(rèn)為商城巖體晚于金剛臺組火山巖(劉振宏等,1994;杜建國和張鵬,1999),而最近的年代學(xué)資料表明,商城巖體的形成年齡為 141±2 Ma~137±2 Ma(高昕宇等,2013)。在野外工作中,我們也發(fā)現(xiàn),在商城巖體和金剛臺組火山巖的接觸部位,有次火山巖脈侵入到商城巖體之內(nèi),這些資料均表明金剛臺組火山巖的噴發(fā)晚于商城巖體的侵入。因此,在金剛臺地區(qū)早白堊世的巖漿活動(dòng),先是花崗質(zhì)巖漿侵入形成商城巖體,然后發(fā)生強(qiáng)烈的火山噴發(fā)作用,形成金剛臺組火山巖。

金剛臺火山巖的形成年齡與大別地區(qū)早白堊世花崗質(zhì)巖漿作用的峰期年齡(130~125 Ma,Xue et al.,1997;Hacker et al.,1998;Wei et al.,2001;劉敦一等,2002;薛懷民等,2002;Ma et al.,2004;Bryant et al.,2004;Xu et al.,2007;Zhao et al.,2007;趙子福和鄭永飛,2009)一致。此外,該年齡值也處在大別地區(qū)零星分布的早白堊世輝石巖–輝長巖侵入體、基性巖墻/脈和基性火山巖的巖漿活動(dòng)峰值區(qū)間內(nèi)(130~120 Ma,Jahn et al.,1999;李曙光等,1999;Qiu et al.,2000;Fan et al.,2001,2004;王岳軍等,2002;王江海和鄧尚賢,2002;Zhao et al.,2005;Wang et al.,2005)?？梢?金剛臺組火山巖與大別地區(qū)早白堊世花崗質(zhì)及中、基性侵入巖和火山巖可能在同一大地構(gòu)造背景及動(dòng)力學(xué)條件下形成。

5.2 地層對比

北淮陽地區(qū)分布著大面積的火山巖,自西向東分別為陳棚組、金剛臺組、響洪甸組、曉天組和毛坦廠組,它們的年齡數(shù)據(jù)見表2。從表2中可以看出,北淮陽地區(qū)的火山活動(dòng)相對比較集中,為 133.1~122 Ma。

早白堊世,北淮陽地區(qū)火山活動(dòng)比較強(qiáng)烈,在西北部,形成了陳棚組(133.1~125.1 Ma)自下而上為爆發(fā)相、噴發(fā)–沉積相、溢流相;在西南部,形成了以爆發(fā)相為主,伴隨著熔巖溢出的金剛臺組火山巖(127.5~123.3 Ma);在中部形成了響洪甸組(122 Ma)的堿性火山巖;在東部形成爆發(fā)相、噴發(fā)–沉積相交替不均勻出現(xiàn)的毛坦廠組(133~128.6 Ma)(圖4)。由此可見,整個(gè)北淮陽地區(qū)的火山活動(dòng)時(shí)間基本一致,火山噴發(fā)時(shí)限在133.1~122 Ma,并不存在前人(杜建國和張鵬,1999)提出的北淮陽地區(qū)火山巖從東到西巖漿巖成巖時(shí)代漸新、火山活動(dòng)變?nèi)醯难莼厔荨?/p>

從巖性來看,西部以中酸性–酸性的粗安巖、英安巖和流紋巖為主,是一套中偏酸性的巖石組合,其地球化學(xué)特征類似于埃達(dá)克巖,并被認(rèn)為極可能起源于玄武質(zhì)下地殼的部分熔融(潘國強(qiáng)等,2001) ;東部火山巖以中性–中酸性安山巖、粗安巖和粗面巖為主,但同時(shí)發(fā)育有偏堿性的基性火山巖–堿性玄武巖和堿性火山巖–霞石正長巖(響洪甸組)和細(xì)晶–隱晶質(zhì)中基性火山巖(曉天組),這類巖石的出現(xiàn)表明東部火山巖應(yīng)起源于上地幔,該觀點(diǎn)也得到其他學(xué)者的廣泛認(rèn)同(杜建國和張鵬,1999;謝芳貴等,2000;王岳軍等,2002;Fan et al.,2004)。因此,北淮陽地區(qū)早白堊世火山巖具有從西到東酸度逐漸降低的趨勢,暗示其巖漿源區(qū)逐漸變深、地幔物質(zhì)的參與逐漸增多。

表2 北淮陽中生代火山巖年齡數(shù)據(jù)表Table 2 Ages of the Mesozoic volcanic rocks in the Beihuaiyang region

圖4 北淮陽地區(qū)火山巖地層柱狀對比圖Fig.4 Stratigraphic correlation of the volcanic rocks in the Beihuaiyang region

位于北淮陽地區(qū)火山巖帶西部和東部的金剛臺組和毛坦廠組火山巖的噴發(fā)類型十分相似,均以中心式的劇烈噴發(fā)為主。它們在巖石組合以及地貌上也很相似:(1)在巖石組合上,毛坦廠組和金剛臺組均主要由熔巖、火山碎屑巖、通道相的安山玢巖組成,且火山碎屑巖分布最廣,占地層巖石總量的比重最大;(2)在地貌上,中心式噴發(fā)使兩者都形成了火山錐地貌。毛坦廠組和金剛臺組火山巖有一明顯的不同,毛坦廠組發(fā)育有沉積巖夾層,分別為厚約40 m的礫巖層和厚約50 m的泥巖層,說明毛坦廠組火山巖為多期次噴發(fā)形成,且間歇期較長。

綜合分析可以發(fā)現(xiàn),北淮陽地區(qū)早白堊世發(fā)育的大面積火山巖帶的東部和西部火山巖特征較相似,如金剛臺組火山巖和毛坦廠組火山巖在火山活動(dòng)類型、巖石組合、成巖年齡等方面都十分吻合,由此推測在早白堊世,北淮陽地區(qū)發(fā)生一次大規(guī)模的火山活動(dòng),此火山活動(dòng)以中心式噴發(fā)為主,范圍綿延整個(gè)北淮陽地區(qū),直接形成了北淮陽地區(qū)大面積的火山巖。

6 結(jié)論

(1) 金剛臺組火山巖以火山碎屑巖為主體,形成于127.5±0.6~123.3±0.7 Ma,表明火山巖是在較短的時(shí)間內(nèi)噴發(fā)形成的。

(2) 年齡對比結(jié)果表明,金剛臺組火山巖活動(dòng)時(shí)間晚于商城巖體,并不整合覆蓋在商城巖體之上。

(3) 早白堊世北淮陽地區(qū)發(fā)生一次大規(guī)模的火山活動(dòng),范圍綿延整個(gè)北淮陽地區(qū),從西到東,火山活動(dòng)時(shí)間近于一致,但火山巖酸性程度逐漸降低,表明其巖漿源區(qū)有逐漸變深、地幔物質(zhì)參與逐漸增多的變化趨勢。

致謝:感謝胡國輝和周艷艷博士在 LA-ICP-MS鋯石U-Pb分析測試過程中的幫助。兩位審稿人對論文進(jìn)行了全面仔細(xì)的審閱,提出了寶貴的修改意見,使論文質(zhì)量得到了很大提高,在此表示衷心感謝。

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