山西黃榆溝巖體鋯石U-Pb年代學(xué)、地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

葉 楓，董國(guó)臣，任建勛，龔杰立，李猛興，王 權(quán)，張兆琪，趙三波

(1.山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原 030006； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；3.山西省油氣資源調(diào)查研究院，山西 太原 030006)

0 引 言

巖漿活動(dòng)在板塊構(gòu)造過(guò)程中通常被認(rèn)為是大洋板塊俯沖、大陸板塊碰撞等過(guò)程所伴隨的深部作用響應(yīng)，同時(shí)也是探索地球深部作用過(guò)程的“巖石探針”[1]。

華北克拉通是全球最古老的陸核之一，自中新生代以來(lái)，華北克拉通重新活化，大規(guī)模巖漿活動(dòng)是其破壞作用的一個(gè)重要響應(yīng)[2-9]，華北克拉通破壞已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)之一[10-17]。目前華北克拉通破壞的研究主要集中于巖漿活動(dòng)頻繁的東部地區(qū)[18-32]，而華北克拉通中部地區(qū)因巖漿活動(dòng)相對(duì)較弱而所受關(guān)注的程度較低。

山西黃榆溝巖體位于華北克拉通中部地區(qū)，是區(qū)內(nèi)典型的中生代酸性侵入巖。本文通過(guò)對(duì)黃榆溝巖體U-Pb年代學(xué)、地球化學(xué)數(shù)據(jù)的研究，確定其巖體形成時(shí)代，探討黃榆溝巖體的巖石成因、地球動(dòng)力學(xué)背景。研究結(jié)果可為揭示華北克拉通破壞機(jī)制提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)，對(duì)華北克拉通巖石圈破壞的差異性對(duì)比研究具有一定的借鑒意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及巖體特征

研究區(qū)位于華北克拉通北緣中部碰撞(造山)帶內(nèi)(圖1(a))，大地構(gòu)造位置位于塔里木—華北板塊的Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元山西地塊(地理上包括山西及豫西)[34]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂不發(fā)育，地層出露有寒武系、奧陶系及第四系，寒武系巖性主要為炒米店組灰色厚層-巨厚層泥晶灰?guī)r；奧陶系巖性主要為冶里組灰色中薄層泥晶灰?guī)r、三山子組淺灰色厚層白云巖、馬家溝組灰色-灰白色厚層白云巖灰?guī)r互層。黃榆溝巖體主要出露于黃榆溝西、大馬軍營(yíng)北東，出露面積為2.72 km2，另外在小井溝一帶也有少量出露(圖1(b))。巖體呈巖株、巖枝狀產(chǎn)出，侵入于下古生界奧陶系三山子組地層中，與圍巖呈明顯的侵入接觸關(guān)系，侵入界線不規(guī)則，局部呈枝杈狀順層侵入于白云質(zhì)灰?guī)r中。

圖1 華北克拉通構(gòu)造簡(jiǎn)圖(a)和山西黃榆溝地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b)Fig.1 Simplified tectonic map of North China Craton (a) and geological sketch map of the study area (b)((a)據(jù)Zhao等[33]修改； (b)據(jù)山西省地質(zhì)調(diào)查院(1) 山西省地質(zhì)調(diào)查院. 1:25萬(wàn)偏關(guān)縣幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告.2014. 修改)1.第四系沖洪積物；2.第四系殘坡積物；3.奧陶系炒米店組；4.奧陶系冶里組；5.奧陶系三山子組；6.奧陶系馬家溝組；7.石英二長(zhǎng)斑巖；8.構(gòu)造斷裂；9.地球化學(xué)樣品采樣位置；10.年齡樣品采樣位置

黃榆溝巖體主要巖性為石英二長(zhǎng)斑巖，巖體自中心到邊部巖性變化不大，具斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，由斑晶(約25%)和基質(zhì)(約75%)組成(圖2(a))。斑晶主要由斜長(zhǎng)石(15%)、鉀長(zhǎng)石(10%)及蝕變暗色礦物(2%)組成; 基質(zhì)具微細(xì)結(jié)構(gòu)，由長(zhǎng)英質(zhì)及蝕變礦物等組成(圖2(b))。

圖2 黃榆溝巖體野外露頭(a)及鏡下照片(b)Fig.2 Fields outcrop (a) and microscopic photos (b) of the Huangyugou intrusion

2 樣品采集與分析方法

本次用于巖石地球化學(xué)分析的樣品包括9個(gè)石英二長(zhǎng)斑巖樣品，用于鋯石U-Pb定年的樣品為1件石英二長(zhǎng)斑巖樣品(PT17W-1)。樣品較為新鮮，采樣位置見(jiàn)圖1(b)。

樣品鋯石單礦物挑選、陰極發(fā)光顯微照相和U-Pb同位素定年均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。陰極發(fā)光顯微照相工作電壓為15 kV，電流為4 nA。U-Pb同位素定年采用激光燒蝕等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)分析方法。剝蝕系統(tǒng)為GeoLas 2005，ICP-MS為Agilent 7500電感耦合等離子體質(zhì)譜儀。選用激光束斑為直徑30 μm，頻率為5 Hz。同位素質(zhì)量分餾校正采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500。測(cè)試完成后，采用軟件ICP-MS Data Cal對(duì)樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理[35]，年齡計(jì)算及諧和圖的繪制采用Isoplot 3.0完成。

樣品的主量元素、微量元素、稀土元素測(cè)定均在武漢綜合巖礦測(cè)試中心完成。主量元素分析所用儀器型號(hào)為RIX 2100，測(cè)試方法采用XRF法，分析誤差優(yōu)于5%。將制備好的熔片放入X射線熒光光譜儀中進(jìn)行測(cè)試，采用校準(zhǔn)曲線法進(jìn)行巖石主量元素定量分析。微量元素、稀土元素分析所用儀器型號(hào)為Agilent 7500電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定，分析誤差優(yōu)于5%～10%。分析方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[36]。元素含量大于10-6時(shí)，分析精度優(yōu)于5%；含量小于10-6時(shí)，分析精度優(yōu)于10%。測(cè)試過(guò)程中，加入標(biāo)樣和平行樣進(jìn)行監(jiān)控和檢驗(yàn)。

3 分析結(jié)果

3.1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡

本文對(duì)黃榆溝巖體石英二長(zhǎng)斑巖(PT17W-1)進(jìn)行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年。石英二長(zhǎng)斑巖中的鋯石多為粒狀、長(zhǎng)柱狀(圖3)，自形程度較好，粒徑多大于100 μm。鋯石的U含量為209×10-6～999×10-6，Th含量為32×10-6～368×10-6。鋯石晶形多完整，自形棱角狀外形，色暗，細(xì)密的振蕩環(huán)帶發(fā)育；Th/U比值為0.13～0.37(圖4(a))，表明鋯石為巖漿成因。對(duì)鋯石測(cè)定數(shù)據(jù)(表1)運(yùn)用ICP-MS DATA Cal軟件處理，16個(gè)分析點(diǎn)206Pb/238U年齡加權(quán)平均值為(149.3±0.9)Ma(圖4(b))，代表了石英二長(zhǎng)斑巖的結(jié)晶年齡。

表1 黃榆溝巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb分析結(jié)果

圖3 石英二長(zhǎng)斑巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 CL images of representative zircons from the quartz monzonite porphyry

圖4 石英二長(zhǎng)斑巖鋯石Th-U相關(guān)圖(a)和U-Pb諧和圖(b)Fig.4 Th vs. U plot (a) and zircon U-Pb concordia diagram (b) for the quartz monzonite porphyry

3.2 地球化學(xué)特征

3.2.1 主量元素

從巖石全巖化學(xué)成分分析結(jié)果(表2)來(lái)看，石英二長(zhǎng)斑巖的SiO2含量為61.72%～64.24%，平均為62.89%，屬酸性巖。在TAS圖解中樣品投點(diǎn)落入石英二長(zhǎng)巖區(qū)域(圖5(a))。里特曼指數(shù)σ為2.87～3.28，平均為2.96，大體屬于鈣堿性系列(圖5(b))。Al2O3含量為15.49%～16.54%，平均為16.19%；Na2O+K2O含量為7.17%～8.00%，平均為7.66%。在K2O-SiO2圖解中樣品投點(diǎn)落入鉀玄巖系列(圖6(a))。K2O/Na2O為0.97～2.22，平均為1.31，為鉀質(zhì)系列。鋁飽和指數(shù)(A/CNK= Al2O3/(CaO+Na2O+ K2O)，摩爾比)為0.90～1.04，平均為0.95，屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖類(lèi)(圖6(b))。

圖6 黃榆溝巖體K2O-SiO2圖解((a), 底圖據(jù)Rollinson等[39])和A/NK-A/CNK圖解((b), 底圖據(jù)Maniar等[40])Fig.6 K2O vs. SiO2((a), after Rollinson et al. [39]) and A/NK vs. A/CNK ((b), after Maniar et al. [40]) plots for the Huangyugou intrusion

表2 黃榆溝巖體主量元素分析結(jié)果(%)

圖5 黃榆溝巖體巖石類(lèi)型((a), 底圖據(jù)Lemaitre等[37])和SiO2-AR((b), 底圖據(jù)Wright[38])圖解Fig.5 TAS (a) and SiO2 vs. AR (b) diagrams for the Huangyugou intrusion((a) after Lemaitre et al. [37], and (b) after Wright[38]])

3.2.2 微量、稀土元素

巖樣的微量、稀土元素分析結(jié)果如表3所示。在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖7(a))中，大部分樣品均顯示相對(duì)富集K、Sr、Eu等大離子親石元素，相對(duì)虧損Nb、Ce、Zr、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素。

表3 黃榆溝巖體微量、稀土元素分析結(jié)果(wB/10-6)

圖7 黃榆溝巖體微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(a)和稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(b)(原始地幔數(shù)據(jù)據(jù)Sun等[41], 球粒隕石數(shù)據(jù)據(jù)Boynton等[42])Fig.7 Primitive-mantle-normalized multi-element plot (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) for theHuangyugou intrusion

在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(圖7(b))中，曲線為傾斜程度類(lèi)似的右傾型。輕稀土元素相對(duì)富集，重稀土元素相對(duì)虧損。輕稀土元素與重稀土元素之間分餾明顯，(La/Yb)N=6.79～10.06，均值為8.43；輕稀土內(nèi)部分餾相對(duì)較為明顯，(La/Sm)N=3.11～3.75，均值為3.37；重稀土元素內(nèi)部分餾作用相對(duì)較弱，(Gd/Lu)N=1.81～2.27，均值為1.92，重稀土元素活動(dòng)性相對(duì)較弱。Ce具弱負(fù)異常，δCe= 0.81～1.07，均值為0.91。δEu=1.04～1.14，均值為1.09，具弱正Eu異常。這些特征與下地殼的類(lèi)似[43]，指示黃榆溝巖體的形成很可能與下地殼有關(guān)。

4 討 論

4.1 黃榆溝巖體的形成時(shí)代

石英二長(zhǎng)斑巖(PT17W-1)的LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果表明，16粒鋯石的測(cè)定結(jié)果集中給出(149.3±0.9) Ma的年齡，表明其侵位時(shí)間在(149.3±0.9) Ma左右，屬于晚侏羅世。

另外，黃榆溝巖體所在的晉北地區(qū)還出露有其他晚侏羅世巖漿巖體，如云崗組含凝灰質(zhì)碳酸鹽巖((160.6±0.5) Ma)[44]，渾源盆地官王鋪髫髻山組安山巖(152 Ma)[44]、西施溝雜巖體((160.19±0.50) Ma)[45]。對(duì)這些巖漿巖體年齡數(shù)據(jù)的研究結(jié)果表明，黃榆溝巖體所在的晉北地區(qū)在晚侏羅世存在巖漿活動(dòng)[46]。

4.2 巖石成因

在成因類(lèi)型判別圖解[47-48]中，樣品落入未分異花崗巖區(qū)(圖8(a))。同時(shí)，黃榆溝巖體具有低TiO2、低P2O5、準(zhǔn)鋁質(zhì)等特點(diǎn)，與I型花崗巖演化趨勢(shì)一致[49-52]；稀土元素配分曲線指示富集輕稀土，Eu異常不明顯，配分曲線為右傾型，與典型的I型花崗巖相似，不同于典型的S型、A型花崗巖的“海鷗型”配分型式[53]；Sr/Ba比值為0.93～1.58，也符合I型花崗巖Sr/Ba比值大于0.5的特征[54]。另外，在K2O-Na2O圖解(圖8(b))中，石英二長(zhǎng)斑巖樣品絕大部分落入I型花崗巖區(qū)域內(nèi)。以上結(jié)果均說(shuō)明，黃榆溝巖體總體上為I型花崗巖成因。

圖8 黃榆溝巖體成因類(lèi)型判別圖解((a)，底圖據(jù)Whalen等[47]；(b)，底圖據(jù)Chappell等[48])Fig.8 Petrogenetic discrimination diagrams for the Huangyugou intrusion(a) FeOT/MgO vs. (Zr+Nb+Ce+Y) plot ((a),base map after Whalen et al. [47]) and Na2O vs. K2O plot ((b),base map after Chappell et al. [48])

黃榆溝巖體具有高Al2O3含量(15.49%～16.54%)、高Sr含量(810×10-6～1 574×10-6)、高Ba ( 822×10-6～1 276×10-6)和高的Sr/Y比值(55.94～138.07)，以及低Yb(1.11×10-6～1.33×10-6)、低MgO(1.50%～2.12%)的特征，LREE相對(duì)富集，Eu異常不明顯，具有埃達(dá)克巖特征[55-56]。在Y-Sr/Y圖解(圖9(a))中，絕大部分樣品落在埃達(dá)克巖區(qū)域；但與典型的O型埃達(dá)克巖相比較，黃榆溝巖體更加富集K2O (K2O/Na2O比值0.97～1.35)，與中國(guó)東部C型埃達(dá)克巖類(lèi)似[21,57]。推測(cè)其可能為地殼底部在底侵作用下部分熔融的產(chǎn)物[58]。

圖9 黃榆溝巖體Y-Sr/Y((a)，底圖據(jù)Altherr等[49])和δEu-(La/Yb)N((b)，底圖據(jù)董毅等[50])圖解Fig.9 Y vs. Sr/Y (a) and δEu vs. (La/Yb)N (b) plots for the Huangyugou intrusion((a) after Altherr et al. [49], and (b) after Dong et al. [50])

δEu-(La/Yb)N圖顯示黃榆溝巖體為殼?；煸葱?圖9(b))，說(shuō)明在成巖過(guò)程中具有幔源物質(zhì)成分的加入。La與La/Sm呈正相關(guān)關(guān)系(圖10(a))，顯示黃榆溝巖體為平衡部分熔融成因[59]。Eu弱正異常指示源區(qū)很可能與下地殼有關(guān)[43]；從TFeO-MgO判別圖(圖10(b))中也看出樣品投點(diǎn)遠(yuǎn)離結(jié)晶分異趨勢(shì)線，顯示遭受了明顯的巖漿混合作用。

圖10 黃榆溝巖體La-La/Sm (a)和MgO-FeOT (b)(底圖據(jù)Zorpi等[51])圖解Fig.10 La vs. La/Sm (a) and MgO vs. FeOT(b) plots for the Huangyugou intrusion (base map after Zorpi et al. [51])

4.3 巖石形成的地球動(dòng)力學(xué)背景

在構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖11)中，樣品全部落入后碰撞花崗巖范圍內(nèi)，說(shuō)明黃榆溝巖體石英二長(zhǎng)斑巖屬于后碰撞伸展構(gòu)造背景產(chǎn)物。黃榆溝巖體形成時(shí)代為(149.3±0.9) Ma，屬晚侏羅世巖漿活動(dòng)產(chǎn)物。黃榆溝巖體與其他華北克拉通內(nèi)晚侏羅世巖漿巖類(lèi)似[61-66]，形成于伸展構(gòu)造背景下[67]，說(shuō)明黃榆溝巖體的形成與碰撞造山后的伸展作用有關(guān)，而該伸展環(huán)境可與中生代華北克拉通破壞機(jī)制背景相聯(lián)系[2, 11-16]。黃榆溝巖體與華北克拉通內(nèi)的晚侏羅世巖漿巖大多具埃達(dá)克巖性質(zhì)[67]，而這種類(lèi)型的埃達(dá)克巖通常形成于伸展環(huán)境下，與地幔上涌造成的底侵作用有關(guān)[15,21,57-58,67]。

圖11 黃榆溝巖體構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)Pearce等[60]) Fig.11 Tectonic discrimination diagrams for the Huangyugou intrusion (base map after Pearce et al. [60])syn-COLG.同碰撞花崗巖；WPG.板內(nèi)花崗巖；VAG.火山弧花崗巖；ORG.洋脊花崗巖；post-COLG.后碰撞花崗巖

綜上所述，在碰撞造山后的伸展構(gòu)造環(huán)境下，地幔上涌形成的底侵作用使下地殼物質(zhì)部分熔融，并伴隨著不同程度幔源物質(zhì)的注入和巖漿混合作用，形成了黃榆溝石英二長(zhǎng)斑巖巖體；該巖體為鈣堿性鉀玄巖系列的I型花崗巖，具埃達(dá)克巖特征。

5 結(jié) 論

(1)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年表明，巖體黃榆溝石英二長(zhǎng)斑巖形成于(149.3±0.9) Ma，屬晚侏羅世巖漿活動(dòng)產(chǎn)物。

(2)黃榆溝巖體石英二長(zhǎng)斑巖屬鈣堿性鉀玄巖系列準(zhǔn)鋁質(zhì)巖石，相對(duì)富集K、Sr、Eu等大離子親石元素，相對(duì)虧損Nb、Ce、Zr、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素。稀土元素配分曲線為右傾型，輕稀土元素相對(duì)富集，重稀土元素相對(duì)虧損， Eu具弱正異常。為I型花崗巖成因，具埃達(dá)克巖特征。

(3)黃榆溝巖體形成于碰撞造山后的伸展構(gòu)造環(huán)境，地幔上涌導(dǎo)致的底侵作用使下地殼物質(zhì)發(fā)生部分熔融，并有幔源物質(zhì)成分的加入和遭受了巖漿混合作用。

致謝：審稿人對(duì)本文提出了寶貴意見(jiàn)，野外工作得到山西省地質(zhì)調(diào)查院基礎(chǔ)中心同仁的幫助，西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的老師們?cè)贚A-ICP-MS鋯石U-Pb定年過(guò)程中給予了支持，在此一并表示感謝。