洛南任家灘—蕎麥山正長(zhǎng)斑巖成因及其對(duì)古元古代晚期裂解的指示
——巖石化學(xué)及鋯石U-Pb年齡和Lu—Hf同位素特征

李毅,李佐臣,趙端昌,趙鵬彬,呂軍利,張亞峰

1)長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,西安,710054; 2)陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心,西安,710068; 3)陜西省地質(zhì)調(diào)查院,西安,710054

內(nèi)容提要：華北克拉通南緣的陜西洛南—河南豫西地區(qū)出露一系列形成于1.8～1.6 Ga的堿性巖,對(duì)這些堿性巖的研究有助于提高對(duì)華北克拉通南緣古元古代構(gòu)造環(huán)境的認(rèn)識(shí)。筆者等選取陜西省洛南縣任家灘—蕎麥山一帶堿性侵入體進(jìn)行系統(tǒng)的巖石學(xué)、LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)、Lu—Hf同位素分析和巖石地球化學(xué)研究,討論了其成因機(jī)制和構(gòu)造背景。研究表明,任家灘—蕎麥山巖體的主體巖性為正長(zhǎng)斑巖,加權(quán)平均年齡為1689±20 Ma(MSWD=0.12),表明其侵位時(shí)代為古元古代。該巖體富堿(Na2O+K2O=7.95% ～ 9.5%),高鉀(K2O=4.67% ～ 8.51%);稀土元素總量較高(496.15×10-6 ～ 650.16×10-6,平均543.06×10-6),輕、重稀土元素分餾比較明顯,輕稀土元素相對(duì)富集(LREE=454×10-6 ～ 605×10-6),重稀土元素虧損(HREE=39.3×10-6 ～ 45.6×10-6),具有弱負(fù)銪異常;K、Rb、Ba、Th富集,Nb、Ta、P、Ti虧損,并且具有明顯的Sr負(fù)異常。εHf(t)值<0,TDM1值為2038 ～ 2218 Ma,TDM2值為2250 ～ 2516 Ma,說(shuō)明巖漿源區(qū)物質(zhì)與富集地幔有關(guān)或受到過(guò)地殼物質(zhì)的混染。因此,任家灘—蕎麥山巖體是由地幔玄武質(zhì)巖漿與地殼基底太華雜巖形成的中酸性花崗質(zhì)巖漿混合后形成的熔體,經(jīng)強(qiáng)烈的結(jié)晶分異作用形成的,其形成于陸內(nèi)裂谷的構(gòu)造環(huán)境,是華北克拉通南緣對(duì)哥倫比亞超大陸裂解事件的響應(yīng)。

堿性巖在地殼中分布較為稀少,具有十分獨(dú)特的特征:一是來(lái)源深,一般源自上地幔,當(dāng)上地幔部分熔融產(chǎn)生的富堿巖漿順大斷裂上升,硅鋁層混染較少時(shí)形成堿性巖,混染較多時(shí)形成堿性花崗巖(涂光熾,1989);二是產(chǎn)出構(gòu)造環(huán)境獨(dú)特——主要與拉張或非擠壓性構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景有關(guān)。因此,學(xué)者們將堿性巖的研究視為探索巖石圈拉張、裂解和減薄機(jī)制的重要途徑(Inger, 1994; Küster Dirk et al., 1998; Rottura et al., 1998; Aldanmaz et al., 2000; Alici et al., 2002; Tappe et al., 2007)。

華北克拉通發(fā)育有大量的堿性巖,通過(guò)對(duì)這些堿性巖的研究,可以探索華北克拉通巖石圈拉張及減薄機(jī)制。前人對(duì)華北克拉通北部地區(qū)前寒武紀(jì)堿性巖漿活動(dòng)的時(shí)空分布、巖石地球化學(xué)特征及其物質(zhì)來(lái)源、構(gòu)造背景和地球動(dòng)力學(xué)意義等方面取得了較為全面而系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)(許保良等,1998,2001;蔡劍輝等,2002,2005,2006a;閻國(guó)翰等,2002;趙國(guó)春等,2002,2009,2022;任康緒等,2005,2006a,2006b;Zhang Shuanhong et al., 2007, 2012, 2017; 李懷坤等,2011;康健麗等,2020;張健等,2021),發(fā)現(xiàn)在華北克拉通北緣存在一條古—中元古代的堿性巖帶。張正偉等(1996, 2002, 2003)對(duì)于華北克拉通南緣是否存在與北緣相似的堿性巖漿巖帶也進(jìn)行了研究,其在華北克拉通南緣劃分出3個(gè)堿性巖帶,時(shí)代跨度從古元古代至中生代。諸多學(xué)者(任富根等,2002;陸松年等,2003;柳曉艷,2011;鄧小芹等,2015;賴素星等,2019;鄧小芹等,2019;Pang Lanyin et al., 2021)對(duì)華北克拉通南緣的朱陽(yáng)岔石英二長(zhǎng)巖、龍王幢堿性巖、駕鹿霓輝正長(zhǎng)巖、眼窯寨堿性潛火山巖、麻坪堿性巖和垣頭A型花崗巖等進(jìn)行了研究,表明這些巖體的成巖時(shí)代在1.8～1.6 Ga之間,是裂谷巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物,與哥倫比亞超大陸的裂解有關(guān),并且這些堿性巖集中分布在熊耳—中條三叉拗拉谷內(nèi)及其附近,說(shuō)明這些堿性巖體的形成主要受拗拉谷特別是三叉拗拉谷的控制。

本次在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn),在華北克拉通南緣陜西省洛南縣石門(mén)鎮(zhèn)任家灘—蕎麥山一帶,大面積出露一系列呈近東西向展布的鉀質(zhì)富堿侵入巖,這與前人在華北克拉通南緣發(fā)現(xiàn)的堿性巖體同處于一條堿性巖—堿性花崗巖帶內(nèi)?！?∶5萬(wàn)石門(mén)幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》?通過(guò)Rb-Sr同位素年齡法獲得了542 Ma的年齡,表明其為加里東期構(gòu)造活動(dòng)的產(chǎn)物。由于Rb-Sr放射體系易于受到變質(zhì)作用的影響而導(dǎo)致研究數(shù)據(jù)具有較大的不確定性(蔡劍輝等,2002),為加強(qiáng)華北克拉通南緣富堿侵入巖的研究,精確厘定巖體的形成年齡,判斷其構(gòu)造屬性,本次通過(guò)對(duì)該巖體的巖石學(xué)、LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)和巖石地球化學(xué)等研究,探討巖石成因,分析成巖構(gòu)造背景及其地質(zhì)意義,為全面認(rèn)識(shí)華北克拉通南緣1.8～1.6 Ga裂解事件研究提供新的約束。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

華北克拉通南緣北以三寶斷裂為界與華北陸塊相鄰(圖1a),南以黑溝—欒川斷裂為界與北秦嶺中—新元古界寬坪群呈斷層接觸。區(qū)內(nèi)地層具有克拉通結(jié)晶基底和蓋層的雙重結(jié)構(gòu),結(jié)晶基底主要由新太古界太華群片麻巖組成,沉積蓋層主要由中元古界熊耳群中基性—酸性火山巖系、官道口群碎屑巖—碳酸鹽巖沉積建造和新元古界欒川群、陶灣群碎屑—碳酸鹽—堿性火山巖沉積建造組成。區(qū)內(nèi)侵入巖發(fā)育,以中生代為主,也發(fā)育有太古宙和元古代侵入巖,具有多期次、多類(lèi)型的特征。構(gòu)造主要由軸向近東西的復(fù)式褶皺和走向近東西的區(qū)域性斷裂,華山山前斷裂、巡馬道斷裂、石門(mén)斷裂、茶酒山斷裂、鐵爐子—三要街?jǐn)嗔?并疊加北東向斷裂金堆城—青崗坪斷裂(圖1b)。

圖1 華北克拉通地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a),華北克拉通南緣地質(zhì)簡(jiǎn)圖及研究區(qū)位置(b)(據(jù)鄧小芹等,2015,修編)及洛南任家灘—蕎麥山巖體地質(zhì)簡(jiǎn)圖(c)Fig.1 Simplified geological map of the North China Craton (NCC) (a); the position of study area on the southern margin of the NCC(b) (modified from Deng Xiaoqin et al., 2015&) and simplified geological map of the Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area, Shaaxi Province(c)(b)圖: Pt1—Pz1—古元古界—早古生界地層;ChX—長(zhǎng)城系熊耳火山巖;Ar3—Pt1—新太古代—早古生代結(jié)晶基底;γK1—中生代花崗巖;(c)圖: Q—第四系;N1g—新近系圪塔廟組;E1f—古近系樊溝組;2xj—寒武系辛集組;薊縣系: Jxf—馮家灣組, Jxd—杜關(guān)組, Jxx—巡檢司組, Jxl—龍家園組;長(zhǎng)城系: Chch—陳家澗組, Che—二道河組, Chb—鱉蓋子組;Pt1t—古元古界鐵銅溝巖組;ξπPt1—古元古代正長(zhǎng)斑巖Fig. b: Pt1—Pz1—Paleoproterozoic—Early Paleozoic strata; ChX—Xiong’er volcanic rock of Changcheng System; Ar3—Pt1—Neoarchean—Early Paleozoic crystalline basement; γK1—Mesozoic granite;Fig. c: Q—Quaternary; N1g—Gadamiao Formation of Neogene; E1f—Fangou Formation of Palaeogene; 2xj—Xinji Formation of Cambrian; Jixian System: Jxf—Fengjiawan Formation, Jxd—Duguan Formation, Jxx—Xunjiansi Formation, Jxl—Longjiayuan Formation; Changcheng System: Chch—Chenjiajian Formation, Che—Erdaohe Formation, Chb—Biegaizi Formation; Pt1t—Paleoproterozoic Tietonggou Formation; Paleoproterozoic ξπPt1—syenite porphyry

華北克拉通是我國(guó)面積最大、最古老的克拉通,具有3.8 Ga的漫長(zhǎng)演化歷史(萬(wàn)渝生等,2021a,b;Liu Dunyi et al., 1992),保存了從太古宙—元古宙完整的早前寒武紀(jì)地質(zhì)記錄,是研究我國(guó)前寒武紀(jì)地質(zhì)的重要場(chǎng)所。華北陸塊南緣作為華北克拉通的一部分,先后經(jīng)歷與華北克拉通相同的早期陸核形成、陸殼巨量生長(zhǎng)、微陸塊拼合與克拉通化、古元古代大氧化事件與地球環(huán)境劇變、古元古代活動(dòng)帶構(gòu)造與高級(jí)麻粒巖相變質(zhì)作用、中—新元古代多期裂谷與地球中年調(diào)整、古生代邊緣造山和中生代構(gòu)造轉(zhuǎn)折與去克拉通化八個(gè)演化階段(翟明國(guó)等,2007;翟明國(guó),2019)。中生代華北陸塊南緣與秦嶺造山帶相結(jié)合并卷入后期的陸內(nèi)造山事件,并最終發(fā)展為秦嶺造山帶的一部分。

2 巖體地質(zhì)及巖石學(xué)特征

2.1 巖體地質(zhì)

蕎麥山—任家灘巖體位于華北克拉通南緣,主要出露于陜西省洛南縣蕎麥山—任家灘一帶,出露面積24.2 km2。最大侵入體出露在任家灘一帶,面積15.5 km2,最小侵入體呈脈狀出露在青銅溝,面積0.002 km2(圖1c)。巖體沿層理和斷層侵入于高山河群、熊耳群地層中,最大侵入體呈巖床侵入于高山河群鱉蓋子組地層中。在白花嶺向斜轉(zhuǎn)折端可見(jiàn)侵入體產(chǎn)狀隨地層產(chǎn)狀變化而變化,傾角20°～25°,與圍巖界線明顯。接觸帶蝕變強(qiáng)烈,以絹云母化為主,綠泥石化次之,表現(xiàn)為斜長(zhǎng)石普遍絹云母化,甚至全部被絹云母取代,僅具板柱狀長(zhǎng)石外形,鉀長(zhǎng)石局部蝕變,表面泥化;鈦鐵礦多金紅石化,有的石英具熔蝕現(xiàn)象。巖體邊部斑晶少,蝕變強(qiáng)烈,向中心斑晶增多,蝕變減弱。較大侵入體蝕變帶寬約50～90 m,圍巖蝕變較弱。

2.2 巖石學(xué)特征

主要巖石類(lèi)型為正長(zhǎng)斑巖(圖2),巖石呈灰色,斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。巖石由斑晶(35%)和基質(zhì)(65%)組成。斑晶成分主要為鉀長(zhǎng)石,呈半自形板狀,粒徑為1.00～10.00 mm,表面泥化、絹云母化強(qiáng)烈,部分鈉長(zhǎng)石化,部分可見(jiàn)環(huán)帶結(jié)構(gòu)、卡式雙晶。基質(zhì)成分與斑晶一致,由鉀長(zhǎng)石(70%)、黑云母(15%)、石英(5%)和鈉長(zhǎng)石(2%),以及少量的副礦物,如榍石、磷灰石和金屬礦物。鉀長(zhǎng)石呈半自形板狀,它形粒狀,粒徑大小約0.50～0.50 mm,表面泥化,可見(jiàn)卡爾斯巴雙晶,與石英交代形成顯微文象結(jié)構(gòu),雜亂分布。黑云母粒度大小約0.02～0.05 mm,鱗片狀,淺褐色—褐色。集合體呈團(tuán)塊狀、條帶狀,部分集合體與金屬礦物、榍石混雜,呈柱狀假象,為堿性暗色礦物(可能為霓輝石)蝕變而來(lái)。

圖2 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體正長(zhǎng)斑巖野外照片:(a)堿性暗色礦物蝕變,形成團(tuán)塊狀和條帶狀集合體; (b)a圖的相應(yīng)正交偏光顯微照片;(c)斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要為鉀長(zhǎng)石;(d)c圖的相應(yīng)正交偏光顯微照片F(xiàn)ig.2 Field photo (a) and orthogonal polarization microphoto (b) of alkaline dark mineral alteration, form lumpy and banded aggregates; field photo (c) and orthogonal polarization microphoto (d) of patchy structure, the phenocrysts are mainly syenite in the Renjiatan—Qiaomaishan pluton, Luonan areaKfs—鉀長(zhǎng)石;Pl—斜長(zhǎng)石;Qtz—石英;Or—正長(zhǎng)石;Bt—黑云母;Cb—碳酸鹽Kfs—potassium feldspar; Pl—plagioclase; Qtz—quartz; Or—orthoclase; Bt—biotite; Cb—carbonate

3 樣品采集及分析測(cè)試方法

經(jīng)過(guò)野外路線地質(zhì)調(diào)查,采集了任家灘巖體的同位素測(cè)年樣品(Rz1,采樣坐標(biāo)為34°15′5.05″N,109°55′43.21″E),分別在陜西省商洛市洛南縣合興村南987 m(Y1、Y2)、犁轅溝西南430 m(Y3、Y4、Y5)、合興村南894 m(Y6、Y7)和任家灘村東南706 m(Y8、Y9、Y10)等地(圖1c),采集了巖石化學(xué)全分析樣品。

3.1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析

通過(guò)野外和鏡下觀測(cè),確定定年樣品,常規(guī)方法將其粉碎至60～80目,分選得到重砂礦物,再淘洗獲得鋯石精礦,隨后在雙目鏡下挑選出晶形和透明度較好的鋯石晶體作為U—Th—Pb同位素測(cè)試對(duì)象。將鋯石顆粒粘在雙面膠上,用無(wú)色透明的環(huán)氧樹(shù)脂固定,待環(huán)氧樹(shù)脂充分固化之后,對(duì)其表面拋光至鋯石中心部位充分暴露。之后晶形鋯石顯微照相(反射光、透射光、CL圖像),鋯石陰極發(fā)光圖像在西安兆年礦物測(cè)試技術(shù)有限公司掃描電鏡加載陰極發(fā)光儀上完成。鋯石微區(qū)原位U—Th—Pb同位素年齡分析在西安兆年礦物測(cè)試技術(shù)有限公司的LA-ICP-MS儀器上用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定程序進(jìn)行。測(cè)定時(shí)根據(jù)透射光、CL圖像來(lái)選擇適合的測(cè)點(diǎn)位置,如避免包裹體和裂隙位置等。分析儀器為Agilent7500a型四極桿質(zhì)譜儀和Geolas200M型激光剝蝕系統(tǒng),激光器為193nmArF準(zhǔn)分子激光器。激光剝蝕斑束直徑為32 μm,激光剝蝕樣品的深度為20～40 μm。鋯石年齡計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo),元素含量采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局人工合成硅酸鹽玻璃NIST SRM610作為外標(biāo),29Si作為內(nèi)標(biāo)元素進(jìn)行校正。樣品的同位素比值和元素含量數(shù)據(jù)處理采用GLITTER(ver4.0, Macquarie University)程序,并采用Andersen軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行普通鉛校正,年齡計(jì)算及諧和圖繪制采用ISOPLOT(2.49版)軟件完成。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)原理和流程及儀器參見(jiàn)參考文獻(xiàn)(Yuan Honglin et al., 2003)。

3.2 鋯石Lu—Hf同位素分析

鋯石Lu—Hf同位素分析在西安阿伯塔資環(huán)分析測(cè)試技術(shù)有限公司完成。鋯石LA-ICP-MS測(cè)年后,在原位進(jìn)行鋯石Lu—Hf同位素分析。實(shí)驗(yàn)儀器采用Neptune Plus多接受電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和NWR 213 nm固體激光發(fā)射器。采用He作為剝蝕物質(zhì)載氣,剝蝕激光直徑為55 μm,頻率10 Hz。在分析過(guò)程中,采用標(biāo)樣鋯石91500和Mudtank作為監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn),詳細(xì)分析程序見(jiàn)(吳福元等,2007)。

模式年齡的計(jì)算以球粒隕石n(176Hf)/n(177Hf)=0.282772,n(176Lu)/n(177Hf)=0.0332(Blichert-Toft and Albarède, 1997),虧損地幔Hf模式年齡(TDM1)采用n(176Hf)/n(177Hf)=0.28325,n(176Lu)/n(177Hf)=0.0384計(jì)算(Griffin et al., 2000)。εHf(t)計(jì)算采用的176Lu的衰變常數(shù)為1.867×10-11a-1(S?derlund et al., 2004),二階段Hf模式年齡(TDM2)采用平均大陸殼n(176Lu)/n(177Hf)=0.015計(jì)算(Griffin et al., 2002)。

3.3 巖石化學(xué)全分析方法

采集新鮮、蝕變微弱的樣品,先進(jìn)行鏡下薄片分析,然后進(jìn)行巖石地球化學(xué)分析,分析在咸陽(yáng)市核工業(yè)二零三研究所分析測(cè)試中心完成。常量元素用常規(guī)濕法、容量法分析,其中燒失量用重量法分析,微量元素用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)分析,稀土元素用電感耦合等離子體質(zhì)譜法。常量元素的分析相對(duì)誤差一般小于1%,微量元素和稀土元素分析相對(duì)誤差小于5%。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素年齡

從測(cè)年樣品選取的鋯石多為淺黃色—無(wú)色透明,玻璃光澤,晶體形態(tài)多呈自行至半自形狀,鋯石長(zhǎng)約50～180 μm,寬約35～100 μm鋯石長(zhǎng)寬比多為2∶1～4∶1。鋯石顆粒晶面完整,平直光滑,少量晶面較粗糙,具蝕痕、麻點(diǎn)和凹凸不平的現(xiàn)象。鋯石陰極發(fā)光圖像(圖3)顯示,所有鋯石均具有典型的巖漿生長(zhǎng)振蕩環(huán)帶和核幔結(jié)構(gòu),顯示出巖漿鋯石的結(jié)構(gòu)特征(Belousova et al., 2002; 吳元保等,2004)。本次研究選擇正長(zhǎng)斑巖中裂隙少,振蕩環(huán)帶清晰的19粒鋯石進(jìn)行測(cè)試。從樣品測(cè)得的鋯石原位微量元素分析結(jié)果(表1)可以看出,樣品的Th含量為26.89×10-6～84.16×10-6,U含量為29.89×10-6～94.62×10-6,Th/U 值為0. 62～1.18,均大于0.4,而與典型巖漿鋯石的Th/U值相當(dāng)。n(207Pb) /n(206Pb)的年齡范圍在1632～1755 Ma,最大年齡誤差51 Ma。大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的n(206Pb)/n(238U)年齡比較一致,其諧和年齡為1653±37 Ma,n(207Pb)/n(206Pb)加權(quán)平均值為1689±20 Ma(MSWD=0.12)(圖4),兩者在誤差范圍內(nèi)一致,代表正長(zhǎng)斑巖的結(jié)晶年齡,為古元古代晚期。

圖3 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體鋯石陰極發(fā)光CL圖像Fig.3 CL images ofthe zircons from Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area圖中實(shí)心圓圈為鋯石U-Pb定年位置。圖中標(biāo)注年齡為n(207Pb)/ n(206Pb)年齡Solid circle in the figure represents the zircon U-Pb dating position. The age isn( 207Pb ) / n(206Pb ) ages

圖4 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb諧和年齡圖和加權(quán)平均年齡圖Fig.4 LA-ICP-MS zircon datingconcordia diagram and weighted average age diagram of Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area

4.2 鋯石Lu—Hf同位素特征

對(duì)任家灘—蕎麥山巖體的16粒鋯石進(jìn)行了原位Lu—Hf同位素分析,分析結(jié)果見(jiàn)表2。分析結(jié)果表明:n(176Hf)/n(177Hf)初始值(0.281581～0.281739),平均值為0.281662;對(duì)應(yīng)的εHf(t)值介于-4.2～-0.4,平均為-2.3。單階段模式年齡TDM1主要集中于2038～2218 Ma,二階段模式年齡TDM2主要集中于2250～2516 Ma。

4.3 巖石地球化學(xué)特征

任家灘—蕎麥山巖體樣品的主量、微量和稀土元素鑒定結(jié)果見(jiàn)表3。巖體的SiO2含量為60.04%～68.14%,屬于中酸性巖。CaO含量為0.48%～2.3%,相對(duì)貧鈣。Na2O含量為1.11%～3.62%、K2O含量為4.67%～8.39%,全堿含量ALK=7.95%～9.5%,平均為8.63%,顯示富堿特征。K2O/Na2O在1.36～7.56,說(shuō)明巖石普遍富鉀。在TAS巖石分類(lèi)圖解上(圖5a),樣品都落入正長(zhǎng)巖區(qū)域。在A/CNK—A/NK圖解上(圖5b),樣品落入準(zhǔn)鋁質(zhì)—過(guò)鋁質(zhì)區(qū)域。賴特堿度率AR在3.08～4.43之間,在AR—SiO2圖解中(圖6a),所有樣品都落入堿性區(qū)域。在Sylvester(1989)堿性巖判別圖解中(圖6b),樣品也都落入堿性巖區(qū)域,表明其屬于堿性巖。

表3 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體巖石地球全化學(xué)樣品分析結(jié)果表Table 3 Results of geochemical sample analysis of Renjiatan—Qiaomaishan pluton in luonan area

圖5 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體TAS圖解(據(jù)Middlemost, 1994)及A/CNK—A/NK圖解(據(jù)Wilson, 1989)Fig.5 TAS diagram (after Middlemost, 1994) and A/CNK—A/NK (after Wilson, 1989) diagram of Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area

圖6 洛南地區(qū)任家灘巖體—蕎麥山巖體AR—SiO2圖解(據(jù)Wright,1969)及堿性巖判別圖解(據(jù)Sylvester,1989)Fig.6 AR—SiO2 diagram (after Wright, 1969) and alkaline rock discriminant diagram (after Sylvester, 1989) of the Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area

巖體的稀土元素總量∑REE=496×10-6～650×10-6,其中輕稀土元素含量LREE=454×10-6～605×10-6,重稀土元素含量HREE=39.3×10-6～45.6×10-6。(La/Yb)N=13.1～17.2。在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分配模式圖上(圖7b)可以看出,輕重稀土元素分餾明顯,輕稀土元素富集、重稀土元素虧損,與典型堿性巖稀土元素配分曲線(王濤等,2013)相似。Eu出現(xiàn)中等負(fù)異常(δEu=0.57～0.80),暗示在成巖過(guò)程中存在一定程度的斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用。在微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖7a)可以看出,富集大離子親石元素K、Rb、Ba、Th,虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta、P、Ti,并且具有明顯的Sr負(fù)異常,表明巖漿或其源巖在演化過(guò)程中存在金紅石、磷灰石以及Ti—Fe氧化物的分離結(jié)晶。

圖7 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(據(jù)Sun et al., 1989)Fig.7 The REE distribution pattern of chondrite standardization and the spider diagram of primitive mantle standardization trace elements from Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area (after Sun et al., 1989)

5 討論

5.1 巖石成因

有關(guān)正長(zhǎng)巖成因的觀點(diǎn)很多,但主要分為3種:① 幔源巖漿底侵下地殼底部或有流體參與或高壓條件下導(dǎo)致下地殼部分熔融的產(chǎn)物(Yang Jinhui et al., 2012; Dai Fuqiang et al., 2017);② 由富集巖石圈地幔低程度的部分熔融形成(Estrade et al., 2014; Zhu Yusheng et al., 2016);③ 幔源鎂鐵質(zhì)巖漿和長(zhǎng)英質(zhì)巖漿混合之后結(jié)晶分異的產(chǎn)物,或者為幔源硅不飽和的堿性巖漿和殼源花崗質(zhì)巖漿混合形成(Ying Jifeng et al., 2007; Laporte et al., 2014)。

任康緒等(2006a)通過(guò)系統(tǒng)的同位素研究表明,華北克拉通巖石圈地幔經(jīng)歷了新太古代(>2.5 Ga)的虧損,到古元古代早期(～2.2 Ga)巖石圈地幔虧損程度逐漸減小,再到古元古代末(>1.85 Ga)變成為富集巖石圈地幔,地幔流體交代導(dǎo)致是巖石圈地幔富集一種因素。任家灘—蕎麥山巖體的εHf(t)值(-4.23～-0.43)均為負(fù)值,表明其巖漿來(lái)自于富集地幔,并與古老地殼的再循環(huán)有關(guān)(吳福元等,2007;隋振民等,2009;田瑞聰?shù)?2017),一、二階段的Hf模式年齡分別為2038～2218 Ma和2250～2516 Ma,老于其成巖年齡～1689 Ma,暗示其巖漿源區(qū)起源于富集地幔,但遭受了新太古代末期—古元古代地殼物質(zhì)的混染。該區(qū)新太古代—古元古代地殼基底主要為太華雜巖,因此,其成因很可能與太華雜巖有著密切的關(guān)系。太華雜巖主要由TTG巖套和變質(zhì)表殼巖組成,筆者等通過(guò)收集小秦嶺地區(qū)太華雜巖相關(guān)Hf同位素?cái)?shù)據(jù)(時(shí)毓等,2014;賈曉亮,2016;李振新,2022)進(jìn)行分析,在εHf(t)—t(Ma)圖中(圖8),任家灘—蕎麥山巖體樣品的原位Hf同位素分析數(shù)據(jù)點(diǎn)均投影于球粒隕石Hf同位素演化線之下,并且與太華雜巖中的TTG巖套的演化線較為一致,表明其巖漿來(lái)源與富集地幔和太華雜巖TTG巖套有關(guān)。

此外,任家灘—蕎麥山巖體的主量元素具有富鉀(K2O/Na2O >1)、高鉀(K2O=6.75%～7.39%)的特征,指示其源區(qū)的高鉀性質(zhì), 但地殼中的巖石很難熔出高鉀巖石,所以其可能來(lái)源于富集巖石圈地幔部分熔融形成的超鉀質(zhì)巖漿。在主量元素Haeker圖解(圖9)中,TFe2O3、MgO、Al2O3和K2O與SiO2都表現(xiàn)出非常好的負(fù)相關(guān)性,表明巖漿主量元素的變化很可能與分離結(jié)晶作用有關(guān),即堿性暗色礦物(可能為霓輝石)控制TFe2O3和MgO元素變化的分離礦物相;鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石控制著K2O、Al2O3兩元素變化的分離礦物相,所以任家灘—蕎麥山巖體形成過(guò)程中經(jīng)歷的結(jié)晶分異作用,排除了巖體起源于高壓條件下地殼物質(zhì)部分熔融的觀點(diǎn)。然而,P2O5、Na2O與SiO2的線性關(guān)系不明顯,表明任家灘—蕎麥山巖體形成過(guò)程中很可能也經(jīng)歷了部分熔融作用,或者在早期巖漿結(jié)晶分異過(guò)程中混入了后期的殼源的花崗質(zhì)巖漿。另外,巖體表現(xiàn)出中等負(fù)Eu異常,由于Eu與斜長(zhǎng)石等含鈣礦物的多少密切相關(guān),負(fù)Eu異常特征表明巖漿演化過(guò)程中有斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶作用。太華雜巖TTG巖石往往具有高Sr的特征,這與任家灘—蕎麥山巖體的結(jié)果不符,可能是因?yàn)镾r元素活動(dòng)性強(qiáng),在地質(zhì)作用過(guò)程中易溶于水,易遷移導(dǎo)致的Sr元素丟失造成的。樣品7、8、9、10的Ta元素含量極低,Nb/Ta值極高,出現(xiàn)Nb—Ta解耦現(xiàn)象。王丹等(2021)通過(guò)對(duì)太古宙TTG巖石的研究,表明下地殼富角閃石和黑云母的巖石部分熔融可以形成高Nb/Ta值的TTG,當(dāng)富黑云母的殘留體在下地殼再次發(fā)生角閃巖—麻粒巖相部分熔融時(shí),黑云母發(fā)生分解,富Ta的金紅石或者磁鐵礦作為殘留體,Ta進(jìn)入金紅石或磁鐵礦,進(jìn)入熔體的Ta含量非常低,導(dǎo)致熔融形成的熔體則具有高Nb/Ta值。因此,任家灘—蕎麥山巖體部分樣品高出現(xiàn)Nb/Ta值,表明源區(qū)物質(zhì)可能有富角閃石和黑云母的巖石部分熔融形成的TTG巖石的貢獻(xiàn)。

圖9 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體Haeker圖解Fig.9 Haeker diagram of Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area

綜上所述,任家灘—蕎麥山巖體應(yīng)與第三種模式相似,即是幔源的鎂鐵質(zhì)巖漿和太華雜巖TTG巖套中酸性花崗質(zhì)巖漿混合之后結(jié)晶分異的產(chǎn)物,或者為幔源硅不飽和的堿性巖漿和殼源花崗質(zhì)巖漿混合形成。

5.2 大地構(gòu)造意義

地球上的陸殼在>3.8 Ga前已經(jīng)形成(萬(wàn)渝生等,2021a,b;Liu Dunyi et al., 1992),其后3.8～2.1 Ga以地殼的再循環(huán)為主(Belousova et al., 2010)。目前,普遍認(rèn)為哥倫比亞超大陸是由2.1～1.8 Ga全球性碰撞造山帶拼合了各相關(guān)的克拉通板塊而成的,最終拼合時(shí)間為～1.8 Ga(Wilde et al., 2002; Zhao Guochun et al., 2002, 2009; 翟明國(guó)等,2014)。華北克拉通被認(rèn)為是哥倫比亞超大陸的一部分,于～1.8 Ga完成克拉通化。近年來(lái),在華北克拉通發(fā)現(xiàn)的一系列廣布于整個(gè)克拉通范圍的裂解事件巖漿群(1.8～1.78 Ga的大火成巖事件,1.72～1.62 Ga的非造山巖漿活動(dòng),1.37～1.32 Ga的鎂鐵質(zhì)巖床群,以及約0.9 Ga的鎂鐵質(zhì)巖墻群),表明華北克拉通自～1.8 Ga造山事件結(jié)束以后,進(jìn)入陸內(nèi)裂谷演化階段,其構(gòu)造環(huán)境為非造山伸展環(huán)境(R?m? et al., 1995; 趙太平等,2004;楊進(jìn)輝等,2005;任康緒等,2006a,b;Zhang Shuanhong et al., 2007; 高維等,2008;包志偉等,2009; Jiang Neng et al., 2011; 李懷坤等,2011;Wang Wei et al., 2012, 2013; 張拴宏等,2022)。

華北克拉通南緣在1.8～1.6 Ga巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,發(fā)育大量富堿性侵入巖、基性巖墻群和熊耳群雙峰式火山巖(陸松年等,2003;任富根等,2002b;包志偉等,2009;Zhao Taiping et al., 2009; 柳曉艷,2011;段友強(qiáng),2016;鄧小芹等,2015,2019),這些巖漿巖都呈東西向或近東西向條帶狀產(chǎn)出,具有富堿性的特征,指示了其形成于拉張裂解的構(gòu)造背景之下,這也進(jìn)一步說(shuō)明華北克拉通南緣在1.8～1.6 Ga處于拉張裂解的構(gòu)造環(huán)境之下。

通過(guò)前文對(duì)任家灘—蕎麥山巖體的成因的研究,表明其成因與富集地幔有著密切的關(guān)系,而富集地幔通常是裂谷環(huán)境的表現(xiàn)。其微量元素Nb/Ta=11.34～13.97,與典型的花崗巖比值(～12)相似,Zr/Hf=35.22～51.98,平均42,大于球粒隕石值(～38),符合大陸和大洋板內(nèi)花崗巖的特征。判別堿性巖構(gòu)造環(huán)境最為普遍的方法是通過(guò)地球化學(xué)投點(diǎn),lg[w(CaO)/[w(Na2O)+w(K2O)]-w(SiO2)圖解(據(jù)Brown,1982)和R1—R2判別圖解(據(jù)Batchelor et al., 1985)可以有效的判定其構(gòu)造環(huán)境。在lg[w(CaO)/[w(Na2O)+w(K2O)]—w(SiO2)圖解上(圖10a),任家灘—蕎麥山巖體樣品投影點(diǎn)位于該圖解左下方代表引張型的構(gòu)造區(qū)域,并且樣品投影點(diǎn)均位于圖解的下方,反映了一種弧成熟度比較高的大地構(gòu)造環(huán)境,即代表了一種比較穩(wěn)定的大陸克拉通環(huán)境。在R1—R2判別圖解中(圖10b),樣品主要分布在造山晚期非造山區(qū)域,代表了一種拉張性的大地構(gòu)造環(huán)境。在Y—Nb圖解和(Y+Nb)—Rb圖解上(圖11),樣品也都落入板內(nèi)花崗巖區(qū)域,表明其屬于板內(nèi)構(gòu)造背景。而任家灘—蕎麥山巖體地處華北克拉通南緣,其形成時(shí)代為1689±20 Ma,此時(shí)華北克拉通南緣正處于陸內(nèi)拉張的構(gòu)造背景(趙太平等,2004)。因此,結(jié)合任家灘—蕎麥山巖體的巖石地球化學(xué)特征和鋯石U-Pb年代學(xué)結(jié)果,表明其形成于古元古代的陸內(nèi)裂谷構(gòu)造環(huán)境。

圖10 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體lg[w(CaO)/[w(Na2O)+w(K2O)]—w(SiO2)圖解(據(jù)Brown,1982)和R1—R2判別圖解(據(jù)Batchelor et al., 1985)Fig.10 lg[w(CaO)/[w(Na2O)+w(K2O)]—w(SiO2) diagram (after Brown, 1982) and R1—R2 discriminant diagram (after Batchelor et al., 1985) of Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area R1 = 4n(Si)-11[n(Na)+n(K)]-2[n(Fe)+n(Ti)]; R2= 6n(Ca)+2n(Mg)+n(Al)

圖11 洛南地區(qū)任家灘—蕎麥山巖體Y—Nb圖解和(Y+Nb)—Rb圖解(據(jù)Pearce et al., 1984)Fig.11 Y—Nb diagram and ( Y+Nb ) —Rb diagram ( after Pearce et al., 1984 ) of Renjiatan—Qiaomaishan pluton in Luonan area

所以,任家灘—蕎麥山巖體的形成與古元古代末期哥倫比亞超大陸的裂解有關(guān)。在～1.8 Ga華北克拉通完成克拉通化后,華北克拉通進(jìn)入到陸內(nèi)裂解演化階段,在1.80～1.75 Ga形成了華北克拉通南緣的熊耳群火山巖系,其巖石類(lèi)型以火山熔巖為主,偏堿性,具有雙峰式分布特征,標(biāo)志著華北克拉通古元古代末期裂解事件的開(kāi)始。在約1.72～1.62 Ga,由于華北克拉通的持續(xù)裂解,產(chǎn)生的地幔玄武質(zhì)巖漿上升,并底侵中—下地殼,提供熱能促使古老基底物質(zhì)部分熔融,巖漿上升及分異演化過(guò)程中可能同化了部分地殼物質(zhì),形成華北克拉通南緣的任家灘—蕎麥山巖體以及同期的基性巖墻群、雙峰式火山巖和堿性巖。結(jié)合區(qū)域,在1.68 Ga,華北克拉通仍處于持續(xù)的拉張裂解中,因此,任家灘—蕎麥山巖體與同期的基性巖墻群、雙峰式火山巖和堿性巖組合一起較好地指示陸殼減薄和破裂的地質(zhì)事件(Lu Songnian et al., 2002;陸松年等,2003),并為哥倫比亞超大陸的裂解提供新的證據(jù)(翟明國(guó)等,2007;Zhao Taiping et al., 2009;翟明國(guó),2019)。

6 結(jié)論

(1)任家灘—蕎麥山巖體主體巖性為正長(zhǎng)斑巖,屬于富堿性侵入體。其LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素年齡為1689±20 Ma,代表了巖體的侵位時(shí)代為古元古代末期。

(2)任家灘—蕎麥山巖體是幔源的鎂鐵質(zhì)巖漿和太華雜巖TTG巖套中酸性花崗質(zhì)巖漿混合之后結(jié)晶分異的產(chǎn)物。

(3)任家灘—蕎麥山巖體形成于陸內(nèi)裂谷構(gòu)造環(huán)境,是華北克拉通南緣對(duì)哥倫比亞超大陸裂解事件的響應(yīng)。

致謝：周振菊副研究員等兩位審稿專家對(duì)稿件提出了建設(shè)性的修改意見(jiàn),對(duì)改進(jìn)文章質(zhì)量起了重要作用,在此致以誠(chéng)摯的謝意!

注 釋 / Note

? 左志東, 齊文, 李振學(xué), 高鳳泉, 劉新奇. 1989. 1∶5萬(wàn)石門(mén)幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告. 陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)隊(duì).