呂梁地區(qū)寧家灣巖體鋯石U-Pb年代學(xué)、地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

龐菲 李秋根,? 劉樹文 王宗起 柳政甫 梅可辰

1.造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871; 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 北京 100037; ? 通信作者, E-mail： qgli@pku.edu.cn

華北克拉通是由中亞造山帶(或興蒙造山帶)和祁連?秦嶺?大別造山帶圍限的一個(gè)早前寒武紀(jì)穩(wěn)定地塊, 是一個(gè)有大約 38 億年漫長(zhǎng)歷史的古老克拉通[1-2]。與世界上其他克拉通相比, 華北克拉通出露面積不大, 但經(jīng)歷了復(fù)雜的多階段構(gòu)造演化, 記錄了幾乎所有的地球早期重大構(gòu)造事件。長(zhǎng)期以來(lái), 華北克拉通早前寒武紀(jì)基底的形成及其演化備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注, 近二十年來(lái)學(xué)界更是將研究聚焦于新太古代-古元古代基底構(gòu)造格局的劃分。越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為華北克拉通基底是由獨(dú)立的東部陸塊和西部陸塊在中部造山帶碰撞過(guò)程中拼合而形成。然而, 對(duì)于陸塊碰撞的時(shí)間以及構(gòu)造演化過(guò)程,目前存在激烈的爭(zhēng)論。一部分學(xué)者提出俯沖方向是向東的, 在東部陸塊西緣之下的俯沖形成“安第斯型”巖漿弧, 持續(xù)的俯沖導(dǎo)致東西陸塊的碰撞以及1.85 Ga 左右華北克拉通統(tǒng)一基底的形成[3-9]。另一部分學(xué)者則認(rèn)為俯沖方向是向西的, 在 2.5 Ga 左右完成最終的拼合[2,10-12]。還有一部分學(xué)者認(rèn)為在東西陸塊間存在一個(gè)古老的阜平地塊, 在約 2.1 Ga 的時(shí)候, 東部陸塊向西俯沖, 與古老阜平地塊碰撞后拼合形成太行山縫合帶, 然后于約 1.9～1.87 Ga 與西部陸塊碰撞, 形成華北中部縫合帶[13-14]。

呂梁山地區(qū)位于 Zhao 等[4,15]劃分的中部構(gòu)造帶, 區(qū)域內(nèi)主要為古元古代的火山-沉積建造以及花崗質(zhì)巖石。寧家灣巖體出露于山西省嵐縣梁家莊鄉(xiāng)西南, 蓋家莊巖體的北部。一些研究者將寧家灣巖體作為蓋家莊巖體的一部分, 與蓋家莊巖體一道統(tǒng)稱為蓋家莊巖體[16-19]。我們依據(jù)寧家灣巖體與其南部蓋家莊巖體被第四系沉積物覆蓋, 且?guī)r性上存在細(xì)微差別(寧家灣巖體中暗色礦物以黑云母為主, 蓋家莊巖體中暗色礦物以角閃石為主)的特征,將寧家灣巖體作為一個(gè)單獨(dú)的巖體進(jìn)行研究。之前, 一些學(xué)者已對(duì)此區(qū)域做過(guò)相關(guān)的研究, 但得出不同的結(jié)論。耿元生等[16]認(rèn)為呂梁山地區(qū)的蓋家莊花崗巖為早期拉張的產(chǎn)物, Zhao 等[17]則認(rèn)為該時(shí)期的花崗巖類為弧巖漿活動(dòng)產(chǎn)物。王璽[18]和趙嬌等[19]根據(jù) Whalen 等[20]的 A 型花崗巖判別圖解, 采用地球化學(xué)數(shù)據(jù)投影, 得出該區(qū)花崗巖為 A 型花崗巖的結(jié)論。眾所周知, 隨著分異程度的增加, 巖漿中 Ga/Al 和 FeOT/MgO 比值會(huì)逐漸增大, 常常使得這些高分異的花崗巖具有一些 A 型花崗巖的地球化學(xué)特征[21-23]。然而, 無(wú)論哪一種類型的花崗巖, 在經(jīng)歷強(qiáng)烈的分離結(jié)晶作用后, 其礦物組成和化學(xué)成分都趨近低共結(jié)花崗巖, 從而難以確定花崗巖的成因類型[22-23]。本地區(qū)花崗質(zhì)片麻巖中大量發(fā)育的礦物為石英和微斜長(zhǎng)石, 可見斜長(zhǎng)石, 地球化學(xué)特征與 A 型花崗巖有不少相似的特點(diǎn), 但 Rb, Th 和Nb 等元素含量和輕稀土元素(La, Ce, Nd 和 Sm 等)含量都有別于 A 型花崗巖。

本文以寧家灣巖體中的花崗質(zhì)片麻巖為研究對(duì)象, 進(jìn)行野外地質(zhì)和巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)、鋯石U-Pb 同位素年代學(xué)和 Hf 同位素組成等方面的研究,并結(jié)合前人發(fā)表的年代學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù), 確定該巖體的巖石成因, 討論該地區(qū)的構(gòu)造性質(zhì), 以期為揭示華北克拉通古元古代構(gòu)造演化提供新的信息。

1 地質(zhì)背景和樣品描述

華北克拉通包括華北的大部分地區(qū)、內(nèi)蒙古和東北的南部以及渤海和黃海的北部, 總面積約為150 萬(wàn) km2。華北克拉通以斷裂和造山帶為邊界與其他地質(zhì)單元分隔, 其西側(cè)為早古生代的祁連山造山帶, 北側(cè)為晚古生代的中亞造山帶, 南側(cè)以秦嶺-大別造山帶邊界與華南板塊分隔。根據(jù)巖石學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造學(xué)、變質(zhì)巖石學(xué)和地質(zhì)年代學(xué)特征的差別, 華北克拉通可分為東部陸塊、中部造山帶和西部陸塊 3 個(gè)部分[4,10,15]。華北克拉通的中部造山帶呈近南北向展布, 長(zhǎng)達(dá) 1500 km。該造山帶內(nèi)基底巖石主要有晚太古代至早元古代的 TTG (英云閃長(zhǎng)-奧長(zhǎng)花崗巖-花崗閃長(zhǎng)質(zhì))片麻巖、表殼巖(變質(zhì)沉積巖和火山巖)、基性巖墻以及同構(gòu)造和構(gòu)造后花崗巖[16]。造山帶內(nèi)顯示一系列陸-陸碰撞帶的特征, 大部分火成巖的地球化學(xué)特征顯示它們形成于大陸邊緣弧、島弧或弧后構(gòu)造背景。

呂梁山地區(qū)位于華北克拉通中部造山帶西側(cè),該區(qū)發(fā)育早前寒武紀(jì)表殼巖(包括界河口群、呂梁群、嵐縣群和野山雞群等)、花崗質(zhì)片麻巖、花崗巖及基性巖墻/巖脈(圖 1)。寧家灣-蓋家莊巖體位于呂梁山地區(qū)的中部偏東北的近周峪、寧家灣和蓋家莊附近(圖 2)。該巖體因遭受變形變質(zhì)作用的改造, 片麻理極為發(fā)育, 其方向與相鄰的呂梁群變質(zhì)地層的構(gòu)造線一致。因此, 前人曾經(jīng)將該巖體劃歸呂梁群, 命名為寧家灣組。直到 20 世紀(jì) 90年代開展 1：5 萬(wàn)地質(zhì)填圖研究, 才將這套巖石從呂梁群中分離出來(lái), 確認(rèn)為變質(zhì)變形的花崗巖體, 稱為寧家灣巖體, 耿元生等[16]將其稱為蓋家莊片麻巖。本研究中, 我們稱這套巖石為寧家灣-蓋家莊巖體, 其中位于寧家灣以北的部分稱為寧家灣巖體, 寧家灣以南的部分稱為蓋家莊巖體。寧家灣巖體以小規(guī)模巖株(巖枝)產(chǎn)出于蓋家莊巖體的北面, 其東部覆蓋寒武系, 兩者呈不整合接觸, 西部以韌性斷層為界與古元古界的呂梁群袁家村組分割, 南部和北部都被第四系覆蓋(圖 2)。巖體多已發(fā)生較強(qiáng)烈的變形,巖石類型主要為中?；◢徺|(zhì)片麻巖(圖3)。

圖1 呂梁山變質(zhì)雜巖的地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[16]修改)Fig.1 Geological map of Lüliang complex (modified after Ref.[16])

在寧家灣巖體出露區(qū)選擇兩個(gè)采樣位置, 共采集 10 多件樣品。樣品均呈淺粉色, 具花崗變晶結(jié)構(gòu)、片麻狀構(gòu)造(圖 3(a))。巖石具有不連續(xù)的明暗交替層, 石英和長(zhǎng)石形成淺色層, 并呈現(xiàn)明顯的粒狀結(jié)構(gòu)。巖石主要礦物成分為鉀長(zhǎng)石(45%～60%)、石英(25%～30%)和斜長(zhǎng)石(5%～10%), 次要礦物為黑云母(約 5%), 可見少量白云母。鉀長(zhǎng)石多為它形粒狀變晶, 少部分為變斑晶, 構(gòu)成斑狀變晶結(jié)構(gòu), 因絹云母化、黏土礦物化等蝕變作用而略顯渾濁(圖3(b))。因受變形改造, 石英多呈它形粒狀, 部分顆粒邊界呈鋸齒狀, 局部出現(xiàn)亞顆粒, 波狀消光, 常常穿孔交代長(zhǎng)石(圖 3(c))。微斜長(zhǎng)石發(fā)育格子雙晶結(jié)構(gòu), 部分蝕變?yōu)楦邘X土(圖 3(d))。黑云母和白云母為片狀變晶, 黑云母呈深褐色, 發(fā)育解理, 輕微綠泥石化, 磷片狀片麻理定向分布, 可能記錄了后期經(jīng)歷的變形變質(zhì)事件, 常被白云母交代(圖 3(d))。副礦物為鋯石和少量不透明磁鐵礦等。

圖2 呂梁地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖① 據(jù)中華人民共和國(guó)地質(zhì)圖(1:200000)靜樂(lè)幅(山西省地質(zhì)局測(cè)繪隊(duì)， 1971)修改Fig.2 Geological sketch map of Lüliang area①

圖3 寧家灣巖體樣品野外照片及顯微照片F(xiàn)ig.3 Field photos and photomicrographs of the samples from Ningjiawan pluton

2 分析方法

選擇 9 件較新鮮的巖石樣品進(jìn)行分析。選取其中兩件樣品(14FS8-1 和 14FS9-1)做鋯石 U-Pb年代學(xué)分析, 并對(duì)樣品 14FS8-1 進(jìn)行鋯石原位 Lu-Hf 同位素分析。

樣品 14FS8-1 和 14FS9-1 經(jīng)人工破碎后, 用常規(guī)的重液和磁選方法分選出鋯石, 在雙目顯微鏡下進(jìn)行人工挑選, 然后由北京凱德正科技有限公司制靶, 拋光到暴露出鋯石的中心面。鋯石的陰極發(fā)光(CL)圖像在北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室的掃描電子顯微鏡下完成。鋯石 U-Pb年代學(xué)分析在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成, 所用儀器為 Agilent 7500ce 型 ICP-MS 及與之配套的COMPex Pro102 型準(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)為 193 nm)。激光剝蝕使用的束斑直徑為 32 μm, 剝蝕深度為 20～40 μm。以 91500 鋯石為外標(biāo), 元素含量以 NIST610 為外標(biāo)進(jìn)行校正。分析流程與文獻(xiàn)[24]類似。數(shù)據(jù)處理采用 Gllite 程序, 普通鉛校正采用 Anderson[25]的方法, 鋯石年齡諧和圖用Isoplot程序生成。

9 件花崗質(zhì)片麻巖樣品的全巖主量、微量和稀土元素分析在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素分析方法如下： 準(zhǔn)確稱取0.4 g 樣品粉末, 與 4.0 g 偏硼酸鋰與四硼酸鋰混合熔劑混合均勻后, 用高頻熔樣機(jī)熔成玻璃片, 然后使用瑞士 Thermo 公司生產(chǎn)的 ARL Advant’XP+型波長(zhǎng)散射掃描X射線熒光光譜儀(XRF)測(cè)定。微量元素和稀土元素分析方法如下： 準(zhǔn)確稱取 0.0250±0.0003 g 已烘干的樣品, 置于 Teflon 溶樣罐中, 加入1.5 mL HNO3和 1.5 mL HF 除 Si蒸干, 再將 1.5 mL HF, 1.5 mL HNO3和少量的 HClO4(約 3 滴)放入配套的不銹鋼熔樣罐中, 在 175oC 恒溫條件下消解 72 小時(shí)以上, 取出蒸成濕鹽狀, 加入 3 mL 1：1 HNO3, 放入密閉鋼罐中, 150oC 恒溫 24 小時(shí)。然后, 用濃度為 1%的 HNO3提取定容, 用 Agilent 7500ce ICPMS 進(jìn)行測(cè)試。主量和微量元素測(cè)試數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差分別優(yōu)于 3%和5%。

鋯石原位 Lu-Hf 同位素測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 Neptune Plus MC-ICP-MS 和 Geolas 2005型準(zhǔn)分子激光器(波長(zhǎng)為 193 nm)的聯(lián)機(jī)上完成。參照鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像, 在已定年的同點(diǎn)或同域鋯石上進(jìn)行。使用的激光束斑直徑為 44 μm, 激光頻率為 8 Hz, 激光能量密度為 5.3 J/cm2。利用鋯石 91500 和GJ-1 作為外標(biāo)。儀器運(yùn)行條件、詳細(xì)的分析流程及數(shù)據(jù)精度見文獻(xiàn)[26]。

3 分析結(jié)果

3.1 全巖地球化學(xué)

從表 1 看出, 寧家灣巖體的主量元素有如下特征： 1)高 Si (SiO2含量為 74.66%～79.40%); 2)富堿(K2O+Na2O 含量為 7.42%～8.12%), 相對(duì)富鉀(K2O/Na2O為1.68～3.33); 3)TiO2(0.12%～0.16%), Fe2(0.77%～1.24%), MnO (0.002%～0.014%), MgO (0.01%)和 CaO (0.09%～0.13%)虧損, 指示寧家灣巖體可能經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的結(jié)晶分異作用; 4)Al2O3含量范圍為 11.29%～11.96%, 鋁飽和指數(shù) A/NKC 介于 1.38～1.57 之間, A/NK 介于 1.45～1.60 之間, 樣品全部落在過(guò)鋁質(zhì)區(qū)域(圖 4(a))。寧家灣巖體花崗質(zhì)片麻巖樣品在(Na2O+K2O)-SiO2圖解中均落于亞堿性區(qū)域(圖 4(b)), 在 K2O-SiO2圖解中落于高鉀鈣堿性區(qū)域(圖 4(c)), 在[FeOT/(FeOT+MgO)]-SiO2圖解中落于A 型花崗巖和科迪勒拉花崗巖的邊緣區(qū)域, 而趙嬌等[19]的數(shù)據(jù)落于 A 型花崗巖和科迪勒拉花崗巖的共同區(qū)域, 二者相近但又存在差異(圖 4(d))。寧家灣巖體樣品的 P2O5含量非常低, 均低于 0.01%, 明顯不同于高度演化的 S 型花崗巖。

寧家灣巖體花崗質(zhì)片麻巖樣品的稀土元素配分模式明顯向右傾斜(圖 5(a)), 并顯示明顯的 Eu 負(fù)異常(δEu=0.13～0.36)(表 1)。標(biāo)準(zhǔn)化微量元素圖解(圖5(b))顯示, 寧家灣巖體富集 Rb, Zr 和 K 等元素, 虧損 Sm, Nb 和 Ta 等元素, 這些元素的虧損可能與斜長(zhǎng)石和鈦鐵氧化物的殘留或礦物的結(jié)晶分異作用有關(guān)。巖石樣品的∑REE=197.1～350.4 μg/g, 輕稀土相對(duì)富集(LREE/HREE=8.11～12.97); 輕、重稀土分餾明顯((La/Yb)N=8.14～13.43)。Th 和 Nb 含量比標(biāo)準(zhǔn) A 型花崗巖低, 輕稀土元素(La, Ce, Nd, Sm)含量也較低, 與標(biāo)準(zhǔn) A 型花崗巖不符, 但與 Wu 等[31]發(fā)表的高分異 I 型花崗巖數(shù)據(jù)非常相近(圖5(b))。

3.2 鋯石U-Pb年齡與原位Hf同位素特征

樣品 14FS8-1 和 14FS9-1 中的鋯石為柱狀自形晶, 錐面和棱面清楚, 表面干凈, 無(wú)明顯的溶蝕現(xiàn)象。晶體內(nèi)部環(huán)帶結(jié)構(gòu)發(fā)育, 顯示巖漿成因的特點(diǎn)。在 CL 圖像(圖 6)中, 絕大多數(shù)鋯石顯示出清晰的震蕩環(huán)帶, 個(gè)別鋯石顆粒顯示扇形分帶結(jié)構(gòu)。鋯石 U-Pb 同位素分析結(jié)果見表2。

表1 寧家灣巖體主量和微量元素分析結(jié)果Table 1 Major and trace element analytical results of Ningjiawan pluton

圖4 寧家灣巖體主量元素地球化學(xué)特征圖解Fig.4 Gepchemical features for the major compositions of Ningjiawan pluton

圖5 寧家灣巖體稀土元素配分模式(a)和標(biāo)準(zhǔn)化微量元素圖解(b)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a)and normalized trace element patterns (b)of Ningjiawan pluton

圖6 寧家灣巖體花崗質(zhì)片麻巖典型鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.6 Cathodoluminescence images of typical zircons from Ningjiawan pluton

樣品 14FS8-1 共分析 30 個(gè)測(cè)試點(diǎn)。結(jié)果表明,207Pb/206Pb年齡變化范圍大, 除 5 個(gè)測(cè)試點(diǎn)獲得諧和年齡外, 因受后期構(gòu)造事件的干擾, 大多數(shù)測(cè)試點(diǎn)鋯石發(fā)生鉛丟失而明顯偏離諧和線, 構(gòu)成一條不一致線, 獲得2358±6 Ma (MSWD=2.0)的上交點(diǎn)年齡(圖 7(a)), 在誤差范圍內(nèi)與諧和年齡 2364±6 Ma(MSWD=0.13,n=5)一致。因此, 諧和年齡 2364±6 Ma 可以代表寧家灣巖體的形成時(shí)代。

樣品 14FS9-1 共分析 10 個(gè)測(cè)試點(diǎn)。其中, 有 1個(gè)測(cè)試點(diǎn)落在諧和線附近, 其206Pb/238U 表觀年齡為 2346.0±23 Ma。其余 9 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的206Pb/238U,207Pb/235U 和207Pb/206Pb 表觀年齡在 1694.5～2328.6 Ma 之間, 均偏離一致線, 鉛嚴(yán)重丟失。經(jīng) ISOPLOT處理, 10 個(gè)測(cè)試點(diǎn)構(gòu)成的不一致線的上交點(diǎn)年齡為2360±23 Ma (MSWD=4.0, 圖 7(b)), 在誤差范圍內(nèi),與從樣品 14FS8-1 獲得的年齡一致, 因此也解釋為巖漿侵位的時(shí)間。

樣品 14FS8-1 中 10 個(gè)諧和度較高的鋯石 Hf 同位素分析結(jié)果見表 3?？梢钥闯? 除一個(gè)測(cè)試點(diǎn)外,所有測(cè)試點(diǎn)的176Lu/177Hf 值小于 0.002, 指示鋯石形成后無(wú)明顯的放射性成因 Hf 的積累, 因此, 測(cè)定的176Hf/177Hf 值可以代表它們形成時(shí)體系的Hf 同位素組成[22]。鋯石中176Hf/177Hf=0.281355～0.281534,以 2360 Ma 作為巖體形成年齡計(jì)算獲得的εHf(t)均為正值, 在+1.6～+6.4 之間變化, 所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于球粒隕石和虧損地幔 Hf 同位素演化線之間的區(qū)域(圖 8)。Hf 同位素單階段模式年齡tDM1(Hf)=2449～2629 Ma, 二階段模式年齡tDM2(Hf)=2474～2711 Ma。

4 討論

4.1 巖體的形成時(shí)代

呂梁地區(qū)寧家灣巖體中鋯石發(fā)育典型的巖漿生長(zhǎng)環(huán)帶(圖 6), 具較高的 Th/U 值(5.48～11.11), 表明它們?yōu)閹r漿成因。本研究的定年結(jié)果說(shuō)明呂梁地區(qū)寧家灣花崗質(zhì)片麻巖形成于 2360 Ma 左右, 是古元古代巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

耿元生等[16]曾經(jīng)對(duì)蓋家莊片麻狀花崗巖進(jìn)行SHRIMP 鋯石 U-Pb 定年, 結(jié)果為 2364±9 Ma, 與本研究的定年結(jié)果具有較好的一致性。Zhao 等[17]得出蓋家莊巖體花崗巖的結(jié)晶年齡為 2375±10 Ma。王璽[18]用鋯石 U-Pb 法得到的結(jié)晶年齡為 2365～2394 Ma。趙嬌等[19]對(duì)蓋家莊巖體正長(zhǎng)花崗巖進(jìn)行測(cè)年,得到的上交點(diǎn)年齡為 2398±26 Ma。已有年代學(xué)數(shù)據(jù)表明, 該地區(qū)巖體的形成年齡主要在 2358～2398 Ma 范圍, 寧家灣巖體與蓋家莊巖體形成年齡相近,為同一時(shí)期巖漿作用的產(chǎn)物, 形成于古元古代的成鐵紀(jì)。

4.2 巖石成因

寧家灣巖體在礦物學(xué)方面具有如下特征：長(zhǎng)石和石英的含量總和大于 90%, 并含少量白云母。唯一的暗色礦物為黑云母, 含量為 5%左右。寧家灣巖體在地球化學(xué)方面具有如下特點(diǎn)：1)常量元素以Si, Al, Na和K這4種元素為主, Ti, Fe, Mn, Mg, Ca和 P 等其他元素含量較低, 呈現(xiàn)高 Si (SiO2＞74.66%)和富堿(K2O+Na2O＞7.42%)的特點(diǎn); 2)微量元素以高 Rb, Th 和 U 為特色, 具高 Rb/Sr 值和低K/Rb 值的特征; 3)強(qiáng)烈的 Eu 負(fù)異常, 分異指數(shù)較高, 與華南佛岡高分異 I 型花崗巖[33]比較相近; 4)高 Ga/Al 和FeOT/MgO 比值, 高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)含量高。這些特征使得寧家灣巖體既顯示 A 型花崗巖富 Si 和 K、貧 P 的特點(diǎn), 又表現(xiàn)出 I 型花崗巖富 Na 的特征。依據(jù)大部分樣品點(diǎn)落在 Whalen 等[20]的花崗巖判別圖解中 A 型或 S 型花崗巖區(qū)域的事實(shí), 有研究者認(rèn)為寧家灣巖體是 A 型花崗巖[18-19]。但是, 寧家灣巖體在以下礦物學(xué)和地球化學(xué)特征上與 A 型花崗巖不相符。

1)A 型花崗巖有兩個(gè)亞類： 堿性 A 型花崗巖和鋁質(zhì) A 型花崗巖。堿性 A 型花崗巖中常見鐵橄欖石、鈉閃石、鈉鐵閃石和霓石等堿性暗色礦物[20,34]。鋁質(zhì) A 型花崗巖的主要造巖礦物為斜長(zhǎng)石、石英和堿性長(zhǎng)石等, 常出現(xiàn)普通角閃石或鐵綠鈉閃石[35],白云母、錳鋁榴石等富 Al 礦物[36-37], 以及螢石等富 F 的礦物[35,38]。寧家灣巖體中大量的礦物為石英和微斜長(zhǎng)石, 可見斜長(zhǎng)石, 不含堿性 A 型花崗巖中常見的堿性暗色礦物, 但與鋁質(zhì) A 型花崗巖的部分礦物特征相符。因此, 從礦物學(xué)特征上看, 寧家灣巖體與堿性 A 型花崗巖不符, 但與鋁質(zhì) A 型花崗巖有相似的特征。

表2 寧家灣巖體的LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果Table 2 Results of LA-ICP-MS U-Pb zircon dating for granitoids of Ningjiawan pluton

圖7 寧家灣巖體鋯石U-Pb同位素諧和圖Fig.7 U-Pb concordia diagrams of zircons from Ningjiawan pluton

表3 寧家灣巖體的Lu-Hf同位素分析結(jié)果Table 3 Zircon Hf trace elements features of granitoids of Ningjiawan pluton

圖8 寧家灣巖體花崗質(zhì)片麻εHf(t)對(duì)年齡圖解Fig.8εHf(t)vs.U-Pb age diagram of zircons from Ningjiawan pluton

2)典型的 A 型花崗巖高硅, 富堿, 貧鈣、鎂和鋁, 具高(K2O+Na2O)/Al2O3和 FeOT/(FeOT+MgO)值; 富Rb, Th, Nb, Ta, Zr, Hf, Ga和Y, 貧Sr, Cr,Co, Ni 和 V; 具有顯著的 Eu 負(fù)異常、高 Ga/Al 比值[20,39]、高稀土元素(除 Eu 外)含量, 常為輕稀土元素富集型, 配分模式呈海鷗型展布。A 型花崗巖這一稀土元素的配分特點(diǎn)是由于巖石中主要賦存稀土元素的礦物(角閃石、黑云母、霓石和磷灰石等)稀土含量高所致[38,40]。寧家灣巖體也具有高硅、富堿、高 FeOT/(FeOT+MgO)值和 Ga/Al 值等特點(diǎn), 與A 型花崗巖十分相似, 但是樣品的εHf(t)均為正值,說(shuō)明其來(lái)自新生地殼或者虧損地幔[21-22]。Nelson[21]提出 Y/Nb 值是 A 型花崗巖的重要分類標(biāo)志, 當(dāng)Y/Nb＜1.2 時(shí), 主要與大陸裂谷或板內(nèi)巖漿有關(guān), 屬于幔源; 當(dāng) Y/Nb＞1.2 時(shí), 產(chǎn)出環(huán)境多樣化, 以造山后環(huán)境為代表, 源于地殼物質(zhì)。寧家灣巖體樣品的Y/Nb 值在 1.2～2.8 之間, 可排除地幔來(lái)源的可能性。Nelson[21]認(rèn)為 A1 型花崗巖來(lái)源于非常特殊的地幔源, 而 A2 型花崗巖常具有殼?；旌系奶卣?。在 Nelson[21]的判別圖解中, 寧家灣巖體樣品落在A2 型花崗巖區(qū)域(圖 9)。這也說(shuō)明寧家灣巖體具有殼?；煸吹奶卣?。高度分異的 I 型花崗巖與 A 型花崗巖具有許多相似的地球化學(xué)特征, 常常很難加以區(qū)分, 若不仔細(xì)分析, 必然導(dǎo)致成因判別的偏差。我們注意到, 寧家灣巖體中 Th 和 Nb 的含量比標(biāo)準(zhǔn)的 A 型花崗巖低, 輕稀土元素(La, Ce, Nd 和 Sm)含量也較低, 與標(biāo)準(zhǔn)的 A 型花崗巖不符(圖 5(b))。因此, 從地球化學(xué)特征來(lái)看, 寧家灣巖體與 A 型花崗巖存在差異。

此外, Rb 為不相容元素, 且 Rb/Nb 值在巖漿作用過(guò)程中不受巖漿分異和部分熔融的影響, 也很難因巖體的后期改造而改變, 因此, 可選用 Rb 含量和Rb/Nb 值來(lái)反映源區(qū)的特征。在圖 10(a)中, 幾乎所有的測(cè)試點(diǎn)都落在 I 型花崗巖區(qū)域, 再次證明寧家灣巖體花崗質(zhì)片麻巖不是 A 型或 S 型花崗巖。在Whalen 等[20]的(Zr+Nb+Ce+Y)-10000×Ga/Al 花崗巖判別圖解中, 測(cè)試點(diǎn)全部落入分異的花崗巖區(qū)域(圖 10(b)), 表明寧家灣巖體的花崗質(zhì)片麻巖經(jīng)歷過(guò)分異作用。這一推論與寧家灣巖體具有較高的SiO2含量(＞74.66%)及其巖相學(xué)特征相吻合。眾多研究表明, 高分異 I 型花崗巖在礦物組成上以少暗色礦物為特征, 在地球化學(xué)上以高 Si (SiO2含量通常大于 75%)、富堿、低Ti, Fe, Mn, Mg, Ca和P、高 Rb/Sr 值和低 K/Rb 值、虧損 Nb, Sr 和 Eu 以及富集 Rb, Th 和 U 為特征[31]。這些特征與寧家灣巖體十分相似。寧家灣巖體具有高的 Ga/Al 值和 FeOT/MgO 值以及 HFSE 元素含量, 這些特殊的地球化學(xué)特征可能是巖漿演化后期與流體相互作用的結(jié)果,其初始巖漿應(yīng)具有I型花崗巖的特征。

綜上所述, 我們推斷寧家灣巖體不是 A 型或者S 型花崗巖, 而是高分異 I 型花崗巖。

4.3 構(gòu)造意義

圖9 寧家灣巖體花崗巖的Ce-Nb-Y和3Ga-Nb-Y圖解[21]Fig.9 Granitoid discrimination diagrams of Ce-Nb-Y and 3Ga-Nb-Y of Ningjiawan pluton[21]

圖10 寧家灣巖體花崗巖判別圖解Fig.10 Granitoid discrimination diagrams of Ningjiawan pluton

呂梁山位于華北克拉通中部構(gòu)造帶中段西緣,與西部陸塊東緣相毗鄰, 廣泛發(fā)育古元古代巖石。探討該時(shí)期的構(gòu)造演化, 可為華北克拉通甚至地球早期的地殼形成機(jī)制等基礎(chǔ)研究提供重要依據(jù)。本研究獲得的 U-Pb年代學(xué)結(jié)果以及前人的數(shù)據(jù)資料表明, 寧家灣-蓋家莊巖體形成于 2358～2398 Ma 的古元古代成鐵紀(jì)。這一時(shí)段正好處于所謂全球巖漿活動(dòng)的 2.45～2.20 Ga “寧?kù)o期”, 以陸內(nèi)伸展、大陸裂開和被動(dòng)大陸邊緣沉積環(huán)境為特點(diǎn), 被記錄在Kaapvaal, Superior, Hearne, Rae, Wyoming 和 Fennoscandian 克拉通內(nèi)[41]。然而, 近來(lái)的研究改變了全球在 2.45～2.20 Ga 期間缺乏巖漿活動(dòng)這一認(rèn)識(shí)。不少克拉通存在明顯的巖漿活動(dòng)記錄, 如南澳大利亞的 Sleafordian 造山帶、印度的 Dharwar 克拉通南緣、美國(guó)懷俄明州西北部的 Selway 地體、加拿大北極地區(qū)的 Arrowsmith 造山帶以及巴西 2.35～2.30 Ga 的 Borborema 省等[42-45]。與呂梁山地區(qū)出露的寧家灣-蓋家莊巖體類似, 華北克拉通中部構(gòu)造帶的其他區(qū)域陸續(xù)有該時(shí)段相關(guān)巖漿活動(dòng)的報(bào)道, 如崇禮地區(qū)約 2.44 Ga 的富鉀質(zhì)花崗巖[46]、恒山雜巖中約 2360～2330 Ma 的花崗片麻巖[7-8]、中條山地區(qū)2351±37 Ma 的煙莊鉀長(zhǎng)花崗巖[47]、太華雜巖體中約 2.34～2.30 Ga 的斜長(zhǎng)角閃片麻巖[48]以及華北克拉通中部構(gòu)造帶南緣 2424 Ma 的劉家溝巖體[49]等, 意味著所謂的“寧?kù)o期”在華北克拉通中部構(gòu)造帶的巖漿活動(dòng)記錄比較普遍。另外, 華北克拉通中部構(gòu)造帶出露的古元古代變質(zhì)沉積巖中也有不少該時(shí)段的碎屑鋯石存在[50-52], 進(jìn)一步證實(shí)該時(shí)期的巖漿活動(dòng)普遍發(fā)育。

巖石學(xué)和地球化學(xué)特征共同指示寧家灣巖體為高分異的 I 型花崗巖, 而非前人認(rèn)為的 A 型花崗巖。并且, 在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解中顯示 Nb, P和 Ti 負(fù)異常及 Ce, Nd 和 Zr 正異常(圖 4(b)), 反映明顯的大陸邊緣弧巖漿巖的地球化學(xué)特征[53-54]。最近的高精度鋯石 U-Pb 定年數(shù)據(jù)顯示呂梁山地區(qū)呂梁群的火山巖形成于 2.30～ 2.10 Ga[55-58], 其東南部中條山絳縣群火山巖形成于 2.30～2.10 Ga[59-61],稍晚于呂梁山地區(qū)出露的寧家灣-蓋家莊巖體的形成時(shí)代。最新地球化學(xué)研究結(jié)果顯示, 呂梁群中袁家村、近周峪和杜家溝組的火山巖及中條山絳縣群的火山巖都具有島弧巖漿的地球化學(xué)特征[55-61]。李秋根等[62]通過(guò)對(duì)絳縣群出露的沉積巖進(jìn)行地球化學(xué)分析, 推斷這些變質(zhì)沉積巖沉積于島弧體系下的弧后盆地。除此之外, 在呂梁山北部的懷安地區(qū),由 2.31～1.90 Ga 的花崗質(zhì)巖石-紫蘇花崗巖-輝長(zhǎng)巖-長(zhǎng)英質(zhì)凝灰?guī)r組合為匯聚板塊邊界長(zhǎng)期島弧巖漿作用的產(chǎn)物[63-65], 在其南部的熊耳、嵩山和魯山等地區(qū), 同樣發(fā)育相似的島弧花崗巖漿作用[66-68]。因此, 如果具大陸邊緣弧巖漿巖地球化學(xué)特征的高分異 I 型寧家灣-蓋家莊巖體侵入在匯聚板塊邊界位置的話, 那么 2358～2398 Ma 的高分異 I 型花崗巖漿作用提供了有利的巖石學(xué)和地球化學(xué)證據(jù)來(lái)說(shuō)明呂梁山地區(qū)開始俯沖的時(shí)間至少在約 2360 Ma。同時(shí), 該期巖漿作用也為幾乎同時(shí)期的呂梁群變質(zhì)沉積巖提供物源[50-52]。

綜上所述, 在 2358～2398 Ma 侵位的寧家灣-蓋家莊巖體很可能形成于島弧構(gòu)造背景。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)寧家灣巖體地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和地球化學(xué)分析, 結(jié)合前人的研究成果, 得到如下認(rèn)識(shí)。

1)LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 定年獲得寧家灣巖體的花崗質(zhì)片麻巖形成時(shí)代約為 2360 Ma, 屬于古元古代早期。

2)寧家灣巖體富硅和堿, 高鉀, 貧鈣和鎂, 高FeOT/MgO 值, 高稀土總量, 弱輕重稀土分異, 強(qiáng)Eu 負(fù)異常, 富集 Rb, Th 和 U, 明顯虧損 Ba, Sr, Nb和 Ti, 屬于高分異 I 型花崗巖, 而非 A 型或 S 型花崗巖。

3)寧家灣巖體形成于島弧環(huán)境, 是華北克拉通在古元古代陸塊俯沖背景下殼?；旌献饔眯纬傻脑紟r漿經(jīng)歷高分異后的產(chǎn)物。