秦嶺群混合巖中花崗質(zhì)脈體成因及鋯石結(jié)晶機理

李 曉，秦江鋒，周旭晨，鄭國順

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069;2.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871)

0 引 言

秦嶺造山帶位于中國大陸中央造帶中段[1]，沿商丹縫合帶發(fā)育大量高壓(HP)-超高壓(UHP)變質(zhì)巖和早古生代花崗巖[2-3]，代表商丹洋板塊俯沖及碰撞造山。商丹縫合帶北側(cè)秦嶺群混合巖發(fā)育大量的淡色花崗質(zhì)脈體，代表商丹洋閉合過程中秦嶺群物質(zhì)發(fā)生深熔作用[2，4-5]。目前對花崗質(zhì)脈體成因機制和年齡還缺少深入研究。選擇喂子坪地區(qū)秦嶺群混合巖中的淡色花崗質(zhì)脈體進行礦物學(xué)、巖石地球化學(xué)研究，探討花崗質(zhì)脈體的成因機制、鋯石的結(jié)晶機理。

1 巖相學(xué)特征

秦嶺造山帶是揚子板塊與華北板塊長期匯聚形成的復(fù)合造山帶，主要由2個主縫合帶(商丹縫合帶和勉略縫合帶)和3個塊體(華北地塊南緣及北秦嶺、南秦嶺、揚子地塊北緣)組成(圖1)。

圖1 秦嶺造山帶地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[1]修改)Fig.1 Simplified tectonic map of the Qinling orogenic belt(modified by[1])

秦嶺群是Rodinia超大陸裂解過程中從華南陸塊分離并向北漂移的微陸塊，在500～480 Ma與華北克拉通碰撞、深俯沖形成的高壓-超高壓變質(zhì)巖系，在440～430 Ma隨著商丹洋北向俯沖到秦嶺群之下發(fā)生中壓高溫麻粒巖相變質(zhì)和深熔作用[3]。秦嶺群混合巖是一套中深變質(zhì)雜巖系，主體是各種片麻巖、石英片巖、石英巖、大理巖-鈣硅酸粒巖和變粒巖，巖石變形復(fù)雜，并且發(fā)育深熔作用[3]。

喂子坪地區(qū)出露大量的秦嶺群混合巖，淡色花崗質(zhì)脈體基本平行于秦嶺群混合巖中片麻理方向，淡色花崗質(zhì)脈體呈囊狀，切穿秦嶺群混合巖的片麻理，代表混合巖化過程中花崗質(zhì)熔體開始聚集。淡色花崗質(zhì)脈體樣品(QL-19-5)采自喂子坪鐵橋下(圖2)的囊狀花崗質(zhì)脈體中，巖石呈淺灰白色塊狀構(gòu)造，粒徑0.1～2 mm。主要礦物為：堿性長石(35%～40%)、石英(30%～35%)、奧長石(20%～30%)，次要礦物黑云母(～5%)，副礦物有鋯石、榍石、磁鐵礦等。

Qz-石英；Afs-堿性長石；Pl-斜長石；Bi-黑云母圖2 淡色花崗質(zhì)脈體鏡下及野外照片F(xiàn)ig.2 Microscopic and field photos of the leucogranite veins

2 分析方法

文中分析化驗等主要在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室完成。礦物電子探針分析采用JXA-8230型電子探針儀，標(biāo)準(zhǔn)樣品由SPI公司提供。主量元素分析采用XRF法完成，分析精度一般優(yōu)于5%。微量元素分析用ICP-MS完成，分析精度和準(zhǔn)確度一般優(yōu)于10%[6]。

鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像分析在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室掃描電子顯微鏡上完成，鋯石U-Pb同位素分析在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜(LA-ICP-MS)儀上完成。同位素組成用鋯石91500進行外標(biāo)校正。LA-ICP-MS分析的詳細方法和流程見文獻[7]。鋯石Lu-Hf同位素分析在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心完成，采用Neptune型多接收等離子體質(zhì)譜儀完成。

圖3 黑云母巖相學(xué)特征及電子探針分析Fig.3 Petrography and electron microprobe analysis position of biotite

3 分析結(jié)果

3.1 礦物地球化學(xué)特征

3.1.1 黑云母地球化學(xué)特征

淡色花崗質(zhì)脈體(QL-19-5)的黑云母電子探針分析結(jié)果見表1，SiO2含量為34.33%～35.24%，TiO2含量為2.37%～3.39%，Al2O3含量為15.53%～16.64%，K2O含量為9.39%～10.18%，MgO含量為7.24%～8.06%，F(xiàn)eO*含量為21.59%～23.47%。在黑云母Mg-(Fe3++AlⅥ+Ti)-(Fe2++Mn)圖解和MgO-FeO/(FeO+MgO)圖解上，黑云母分別落在鐵質(zhì)、殼源型范圍內(nèi)(圖4)。

圖4 黑云母礦物化學(xué)成分分析Fig.4 Mineral chemical composition analysis

表1 黑云母電子探針分析(wt%)及晶體化學(xué)式計算結(jié)果

3.1.2 斜長石

斜長石的SiO2含量為62.18%～64.68%，Al2O3含量為21.76%～23.35%，Na2O含量為8.72%～9.90%，CaO含量為3.23%～5.09%，An值介于15～24，屬于奧長石(圖5)，斜長石成分總體變化較小，未見明顯的環(huán)帶特征。

圖5 斜長石Or-Ab-An圖解Fig.5 Diagram of Or-Ab-An for plagioclase

3.1.3 堿性長石

堿性長石的SiO2含量為64.30%～64.92%，Al2O3含量為18.05%～18.27%，K2O含量為15.80%～16.40%，Na2O含量為0.55%～0.90%，CaO含5%。

3.2 主量、微量及稀土元素特征

樣品具有高硅(SiO2=72.93%)、高堿(K2O+Na2O=8.40%)、富鋁(Al2O3=13.9%；A/CNK=1.07)、低鈣(CaO=1.14%)、低鈦(TiO2=0.23%)、低鎂(MgO=0.42%)的特征；Na2O=3.36%，K2O=5.04%，K2O/Na2O=1.50，屬于高鉀鈣堿性系列(圖6(a))；在A/CNK-A/NK圖解中，樣品落入過鋁質(zhì)系列范圍內(nèi)(圖6(b))。喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體的稀土元素總量為197.41×10-6，(La/Yb)N值為10.38，輕、重稀土元素分異較明顯，為右傾的曲線(圖7(a))，脈體富集輕稀土元素、虧損重稀土元素，具有Eu負異常(δEu=0.40)。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖7(b))中表現(xiàn)出富集大離子親石元素(LILE)Rb，Ba，K，Pb和不相容元素U，Th，虧損高場強元素(HFSE)Nb，Ta，P，Ti。

圖6 淡色花崗質(zhì)脈體的主量元素Fig.6 Major elements of the leucogranite veins

圖7 淡色花崗質(zhì)脈體的微量元素(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)[12])Fig.7 Trace element plots of the the leucogranite veins

3.3 鋯石U-Pb定年

鋯石多呈半自形柱狀，無色透明-半透明，長50～130 μm，寬30～70 μm，長寬比1∶1～7∶2，部分鋯石具有巖漿振蕩環(huán)帶(圖8)。文中選取30顆鋯石進行30個測試點分析(表2，圖8)，舍棄9個不諧和點，樣品中鋯石的年齡可以分為5組。

圖8 鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.8 Zircon cathodoluminescene(CL)images

表2 淡色花崗質(zhì)脈體主量(wt%)及微量元素(×10-6)分析結(jié)果

第1組3顆鋯石(#4，#16，#25)的206Pb/238U年齡為970～770 Ma，Th含量為(45～141)×10-6，U含量為(139～205)×10-6，Th/U值為0.22～0.96，其大于變質(zhì)鋯石Th/U比值(<0.1[13])，為巖漿成因鋯石。第2組兩顆鋯石(#7，#12)的206Pb/238U年齡為627～611 Ma，Th含量為(54～79)×10-6，U含量為(91～102)×10-6，Th/U值為0.53～0.87。第3組4顆鋯石(#6，#10，#20，#28)的206Pb/238U年齡為545～394 Ma，Th含量為(55～118)×10-6，U含量為(82～212)×10-6，Th/U值為0.53～0.68，為巖漿成因鋯石。第4組3顆鋯石(#18，#26，#27)的206Pb/238U年齡為278～206 Ma，Th含量為(182～423)×10-6，U含量為(302～1 077)×10-6，Th/U值為0.39～0.6。第5組9顆鋯石(#3，#5，#11，#14，#15，#19，#21，#23，#24)的206Pb/238U年齡為146～108 Ma，Th含量為(17～3124)×10-6，U含量為(90～2608)×10-6，Th/U值為0.53～1.27。

3.4 鋯石微量元素特征

喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體中鋯石具有Eu負異常和Ce正異常，輕稀土虧損、重稀土富集(圖9)，富集U，Th，Hf，Pb元素，虧損Ti元素(圖9)。第1組鋯石(970～770 Ma)的稀元素總量為680.03×10-6～1 886.28×10-6，σEu值為0.04～0.15，σCe值為3.34～5.27。第2組鋯石(627～611 Ma)的稀土元素總量為295.16×10-6～689.00×10-6，σEu值為0.32～0.51，σCe值為20.82～30.84。第3組鋯石(545～394 Ma)的稀土元素總量為540.25×10-6～1 194.79×10-6，σEu值為0.07～0.21，σCe值為1.20～33.96。第4組鋯石(278～206 Ma)的稀土元素總量為530.89×10-6～788.31×10-6，σEu值為0.11～0.45，σCe值為2.62～30.81。第5組鋯石(146～108 Ma)的稀土元素總量為1 054.74×10-6～4 715.83×10-6，σEu值為0.13～0.35，σCe值為2.69～30.26。

3.5 鋯石Lu-Hf同位素特征

對5組鋯石進行原位Lu-Hf同位素分析，結(jié)果見表5，如圖9所示。第1組鋯石(970～770 Ma)的176Lu/177Hf值為0.000 650～0.003 774，具有正εHf(t)值(+3.2～+13.3)，對應(yīng)的二階段模式年齡TDM2為1617～818 Ma。第2組鋯石(627～611 Ma)的176Lu/177Hf值為0.000 819～0.001 004，εHf(t)值介于-0.30～+7.3之間，對應(yīng)的二階段模式年齡為1 717～1 079 Ma。第3組鋯石(545～394 Ma)具有正的εHf(t)值(+8.0～+12.3)。第4組鋯石(278～206 Ma)具有正的εHf(t)值(+0.8～+2.6)，對應(yīng)的二階段模式年齡為1 163～1 090 Ma。第5組鋯石(146～108 Ma)εHf(t)值介于-0.1～+5.1之間，對應(yīng)的二階段模式年齡是1 154～834 Ma。

表3 LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測定結(jié)果

圖9 鋯石Hf同位素特征εHf(t)-t圖解(據(jù)文獻[14]修改)Fig.9 εHf(t)-t diagram of zircon(modified by[14])

4 鋯石結(jié)晶條件

4.1 鋯石飽和溫度

采用WATSON等從高溫試驗(700～1 300 ℃)中得出的鋯石飽和溫度計算公式來計算中鋯石的結(jié)晶溫度因為鋯石是以副礦物的形式出現(xiàn)于淡色花崗質(zhì)脈體中的，全巖鋯含量大概能代表熔體中鋯的含量[15]，表明喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體中鋯石的飽和溫度為810 ℃。

4.2 鋯石Ti溫度計

采用WASTON等提出、FERRY等修正的根據(jù)鋯石Ti溫度計算鋯石結(jié)晶溫度的公式來計算鋯石的結(jié)晶溫度，喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體中的鋯石Ti溫度介于623～913 ℃[16-17]。第1組鋯石(970～770 Ma)的鋯石Ti溫度介于668～704 ℃。第2組鋯石(627～611 Ma)的鋯石Ti溫度介于640～682 ℃。第3組鋯石(545～394 Ma)的鋯石Ti溫度介于697～774 ℃。第4組鋯石(278～206 Ma)的鋯石Ti溫度介于623～738 ℃。第5組鋯石(146～108 Ma)的鋯石Ti溫度介于670～913 ℃。

表4 鋯石Ti溫度

4.3 液相線溫度

液相線溫度為巖石全部熔融的溫度條件，可以用來表示原始巖漿溫度。黑云母為捕獲而來的，這說明巖漿中水的含量較低。在低水條件下(w(H2O)=2%～3%)模擬計算淡色花崗質(zhì)脈體的液相線溫度，得到其介于899～949 ℃，平均值為908 ℃。

4.4 黑云母結(jié)晶壓力

黑云母的全鋁含量與花崗巖的固結(jié)壓力具有良好的相關(guān)性，喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體中黑云母的結(jié)晶壓力介于1.95×108～3.23×108Pa，平均值為2.47×108Pa，侵位深度介于8.62～10.97 km，平均值為9.32 km[18]。

4.5 氧逸度

4.5.1 鋯石氧逸度計

SMYTHE等提出的巖體氧逸度的計算方法是目前準(zhǔn)確性最高的氧氣壓力計[19]。

第1組鋯石(970～770 Ma)的氧逸度值為ΔQFM-3.25～ΔQFM+1.25，平均值為ΔQFM-1.41。第2組鋯石(627～611 Ma)的氧逸度值為ΔQFM-1.75～ΔQFM+0.57，平均值為ΔQFM-1.16。第3組鋯石(545～394 Ma)的氧逸度值為ΔQFM-0.76～ΔQFM+1.68，平均值為ΔQFM+0.09。第4組鋯石(278～206 Ma)的氧逸度值為ΔQFM-2.39～ΔQFM-1.08，平均值為ΔQFM-1.73。第5組鋯石(146～108 Ma)的氧逸度值為ΔQFM-1.63～ΔQFM+0.82，平均值為ΔQFM-0.62。

4.5.2 黑云母氧逸度

在黑云母Fe3+-Fe2+-Mg圖(圖10)中，喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體中的黑云母均落在HM緩沖線與NNO緩沖線之間，并且更靠近NNO緩沖線，說明黑云母是在中等的氧逸度環(huán)境中結(jié)晶的。

圖10 黑云母Fe3+-Fe2+-Mg圖解(據(jù)文獻[20]修改)Fig.10 Diagrams of Fe3+-Fe2+-Mg for biotite(modified by[20])

5 討 論

5.1 淡色花崗質(zhì)脈體成因

喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體的主要礦物為石英、堿性長石、奧長石，其暗色礦物含量十分低，地球化學(xué)上具有高硅、富堿、過鋁質(zhì)、低鎂、低鈣、低鈦的特征，與典型的淡色花崗巖十分類似[21-22]。

樣品輕、重稀土分餾，Eu負異常，富集大離子親石元素(LILE)Rb，Ba，K，Pb，U，Th，虧損高場強元素(HFSE)Nb，Ta，P，Ti等地球化學(xué)特征表明淡色花崗質(zhì)脈體為地殼物質(zhì)部分熔融形成的。Eu負異常說明源區(qū)殘留有大量斜長石，脈體在斜長石穩(wěn)定區(qū)(<1 Ga)形成。黑云母的結(jié)晶壓力(1.95×108～3.23×108Pa)和侵位深度(8.62～10.97 km)說明喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體是在低壓條件下、中地殼深度形成的。過去認為淡色花崗巖的主要熔融機理是變沉積巖發(fā)生脫水熔融作用或者水致熔融作用[23]，然而近些年有學(xué)者認為準(zhǔn)鋁質(zhì)巖石的分離結(jié)晶也可以形成淡色花崗巖[24]，也有學(xué)者認為巖漿高度分異等后期演化是淡色花崗巖的主要形成原因，其源巖不一定是變沉積巖[25]。在摩爾比CaO/(MgO+FeOt)-摩爾比K2O/Na2O圖解(圖11)上，樣品落在安山質(zhì)與雜砂質(zhì)巖石的過渡區(qū)域，指示其源巖可能有安山質(zhì)和雜砂質(zhì)巖石。

圖11 淡色花崗質(zhì)脈體molCaO/(MgO+FeOt)-molK2O/Na2O圖解(據(jù)文獻[27]修改)Fig.11 Diagrams of molCaO/(MgO+FeOt)-molK2O/Na2O for the leucogranite(modified by[27])

飽和水致熔融形成的熔體大多為鈉質(zhì)[26]，樣品是富鉀的，且在大陸俯沖與高壓變質(zhì)巖折返過程中很難有大量水加入，因此認為水致熔融并非喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體的主要熔融方式，其主要熔融方式應(yīng)該為含水礦物的脫水熔融。綜上所述，喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體的源巖有長英質(zhì)和雜砂巖巖石，是在低壓條件下，中地殼物質(zhì)脫水部分熔融形成的。

5.2 淡色花崗質(zhì)脈體鋯石來源與結(jié)晶機理

喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體中鋯石的206Pb/238U年齡并不統(tǒng)一、年齡分布范圍較大，然而脈體形成于某一階段，只有結(jié)晶于脈體形成時代的鋯石可能是脈體自身結(jié)晶出來的，其余的鋯石或者脈體中所有的鋯石可能是捕獲而來的，鋯石的來源非常復(fù)雜。如果結(jié)晶于脈體形成時代的鋯石是脈體自身結(jié)晶出來的，淡色花崗質(zhì)脈體可以代表原始的花崗質(zhì)熔漿；如果脈體中沒有自身結(jié)晶的鋯石，那么淡色花崗質(zhì)脈體不可以代表原始的花崗質(zhì)熔漿。

理論上，如果體系封閉、沒有外來組分，脈體的液相線溫度可以反映原始巖漿溫度。鋯石飽和溫度是鋯石開始結(jié)晶的溫度。喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體中含有大量的捕獲鋯石，即具有額外的Zr含量，因此所計算的鋯石飽和溫度偏高，巖漿中鋯石開始結(jié)晶的溫度低于810 ℃。液相線溫度高于鋯石飽和溫度和鋯石Ti溫度，如果液相線溫度反映原始巖漿溫度，說明在巖漿的初始階段沒有鋯石結(jié)晶或者沒有鋯石被捕獲，鋯石在較晚的低溫階段才結(jié)晶或者被捕獲。

6 結(jié) 論

1)喂子坪淡色花崗質(zhì)脈體的源巖有長英質(zhì)和雜砂巖巖石，是在低壓條件下，中地殼物質(zhì)部分熔融形成的。

2)淡色花崗質(zhì)脈體中的鋯石在較晚階段才出現(xiàn)且來源非常復(fù)雜，對于此類低溫的淡色花崗質(zhì)脈體，鋯石年齡不一定代表脈體的年齡。