北淮阳晓天火山岩盆地片麻状花岗岩成岩年代学及地球化学特征

万秋， 李延河， 王利民， 段超， 施珂， 谭德兴

(1.中国地质科学院矿产资源研究所， 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037；2.安徽省地质调查院， 安徽 合肥 230001；3.自然资源部覆盖区深部资源勘查工程技术创新中心， 安徽 合肥 230001)

晓天火山岩盆地位于大别山北麓(即北淮阳地区)、霍山县磨子潭—舒城县晓天一带(图1)。白垩世早期产出钙碱性的安山质集块熔岩、安山岩等，晚期出现偏碱性的粗面质火山角砾岩、粗安岩、粗面岩等。火山岩基底地层为新元古代卢镇关群及佛子岭群。火山岩系与下伏基底地层呈明显不整合关系，为上叠式火山岩盆地[1-3]。

图1 晓天盆地地质略图Fig.1 Geological map of Xiaotian Basin

长期以来，该地区的研究多集中在中生代岩浆岩的成岩成矿上，对新元古代的基底研究较少。成矿研究认为该地区成矿与火山岩关系较大，为火山热液型矿床[4-7]。成岩研究认为该地区火山岩形成于早白垩世127～137Ma之间，喷发分为2个阶段，岩性多为中酸性，为伸展背景下产物[8-12]。研究区新元古代基底的研究多集中在基底构造带上，认为其与庐镇关群和佛子岭群形成的环境有关，对研究大别山构造的形成演化意义较大，同时在金矿形成过程中提供部分成矿物质为金矿的重要矿源层之一[13-15]。由于在火山岩盆地中之前未见新元古代基底出露，研究工作比较欠缺，迫切需要对该岩体进行研究以厘清其成岩时代及地球化学特征，研究方法以成岩年代学为主，辅以主量、微量地球化学分析。岩浆岩成岩年代学研究目前多采用锆石U-Pb测年的方法，是最重要的同位素测年方法，此方法引入我国后对地质科学研究起到很大的推动作用，前人对此方法进行了大量的研究，应用领域仍在进一步扩展[16-20]。成岩年代学研究表明在盆地中心发现了新元古代变质花岗岩基底，对该盆地的形态有了新的认识，同时对该地区找矿有一定的指导意义。

1 岩体地质特征

杨三寨片麻状花岗岩体位于安徽省霍山县东西溪乡杨三寨景区，出露范围约0.1km2，呈岩株产出，与白垩纪毛坦厂组紫红色凝灰质粉砂岩呈不整合接触。主要岩石类型为钾长片麻岩，原岩相当于钾长花岗岩。岩石呈肉红色，柱粒状变晶结构、叠加碎裂结构，弱片麻状-片麻状构造。主要矿物成分为钾长石(40%～60%)、石英(20%～40%)、斜长石(5%～25%)以及黑云母(角闪石、白云母)5%～10%。副矿物主要有磷灰石、榍石、锆石、绿帘石、褐帘石、金属矿物约占5%。钾长石呈肉红色，多为条纹、微斜长石、自形-半自形晶，在糜棱岩化程度较高处，呈不规则他形粒状，眼球状等，粒径0.5～2mm，内部具交代结构。斜长石呈灰白色，半自形晶-他形粒状，粒径为0.1～0.25mm，见双晶弯曲，常见内部有包体，表面绢云母化。石英呈他形粒状，多见重结晶，粒径0.15～1.0mm，常见波状消光。角闪石为柱状及粒状，粒径0.1～0.2mm，常见绿泥石化。黑云母为不规则片状、长片状及条纹状集合体，粒径在0.15～0.3mm之间，多见绿泥石化。聚片状或鳞片状白云母呈不规则状集合体或条纹条带状，粒径在0.1～0.8mm，多见绢云母化。磷灰石粒径0.01～0.10mm，分布零星。锆石粒径0.01～0.08mm，多以浅棕色。

2 实验部分

2.1 仪器及工作条件

岩石主量、稀土及微量元素含量分析在安徽省地质实验研究所完成，其中三氧化二铁、氧化亚铁、水和烧失量由化学法检测。主量元素分析采用XRF-1500顺序式X射线荧光光谱仪(日本理学公司)测定，分析精度优于1%；以及采用日本理学电机株式会社Rigaku ZSX PrimusⅡ型波长色散X射线荧光光谱仪测定，端窗铑靶X射线管，30μm 超薄铍窗，额定功率4kV，工作电压55kV，工作电流60mA。微量元素分析仪器为ICAP-6300型全谱电感耦合等离子体发射光谱仪(美国ThermoFisher公司)，工作条件为：射频功率1.25kW，等离子气流速1.5L/min，雾化气流速0.5L/min，蠕动泵转速100r/min。稀土元素分析采用仪器X-Series Ⅱ型电感耦合等离子体质谱仪(美国ThermoFisher公司)，工作条件为：射频功率1.25kW，雾化气流速0.78L/min，采样深度130μm、蠕动泵转速30r/min。

锆石年代学测试在中国科学技术大学LA-ICP-MS实验室采用Agilent 7700e电感耦合等离子体质谱仪进行分析。锆石U-Pb同位素组成分析采用91500国际标准锆石作为外标，元素含量测定采用NIST SRM610作外标，29Si作内标，剥蚀激光束直径32～44μm，具体仪器参数及实验条件见Hou等[21]。

2.2 主量微量和稀土元素及锆石U-Pb分析

称取0.7000g样品于30mL瓷坩埚中，加7.0g四硼酸锂、0.50g氟化锂、0.10g硝酸锂充分搅拌均匀，转入铂金坩埚中，加饱和溴化锂溶液2滴后烘干，放在熔样机托架上于1050℃熔融15min，坩埚中成型，X射线荧光光谱法测定主量元素。新鲜未风化的岩石样品在Ti100型盘式振动破碎机上破碎至约为200目。将质量为5g的200目粉末样品熔制成玻璃饼，将粉末样品在聚四氟乙烯溶样罐中加酸至完全溶解后转移至50mL塑料瓶中并加入1mL 500×10-9In内标待测，然后用ICP-MS进行稀土和微量元素测试，分析精度优于5%。称取0.5000g试料于聚四氟乙烯坩埚中，用少许水润湿，加入已预热至近沸的10mL 50%的硫酸、5mL氢氟酸，将坩埚放在已预热的高温电热板上，将盖盖好，煮15min，取下，放入预先盛有150mL水、25mL饱和硼酸溶液及5mL磷酸的400mL烧杯中，加入3滴二苯胺磺酸钠指示剂，立即用重铬酸钾标准溶液滴定至稳定的紫色，根据消耗的体积计算FeO的含量。

通过插到管底的细颈漏斗将0.5g样品送入平菲尔特管的末端的玻璃球内，抽出细颈漏斗(不要将样品沾到管壁上)，通过塑料管与细口瓶玻璃管相连(以防加热时水分的损失)，用浸过冷水的布条缠住平菲尔特管中间的玻璃球，管子平放，管口稍微向下倾斜(以便样品中碳酸盐分解产生的CO2能够逸出)。开始时用喷灯的微弱的火焰灼烧盛有试料的玻璃球，等到中间玻璃球有水滴凝聚时，用强烈火焰灼烧5min(不停转动)，将盛有样品的玻璃球前端烧熔、去除。冷却到室温，移去细口玻璃管，用干净的布擦干，称重。在105～110℃烘干(待所有水分全部排出)，取出、冷却、称重，计算正水的含量。

称取1.00g样品于已经在1000℃高温下灼烧至恒重的瓷坩埚中，送入马弗炉中，从低温逐渐升温至1000℃，保持1h，取出放入干燥器中冷却，称重，反复此过程直至恒重，计算烧失量。

锆石由河北省廊坊市科大岩石矿物分选技术有限公司用常规矿物分选流程进行分选。分选后的锆石经过过筛处理，最终挑选较自形、颗粒较大、没有可见矿物包裹体的锆石用于制靶待测[22]。制靶流程如下：在双目镜下操作，将锆石颗粒粘贴在双面胶上，排列成长约10mm宽约2mm的阵列；用尺寸合适的塑料管罩住锆石阵列，灌入环氧树脂并烘干；用2500目砂纸对锆石靶进行抛光，使锆石内部出露，再用3000目砂纸进一步抛光，最后用绒布抛光。LA-ICP-MS激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，数据分析前用锆石GJ-1进行调试仪器，使之达到最优状态，锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标，U、Th含量以锆石M127(U含量923×10-6,Th含量439×10-6,Th/U比值为0.475)为外标进行校正[23]，详细测试过程见侯可军等[24]。锆石年代学测试后，同位素信号的提取输出用LaDating@Zrn.xls软件完成，数据再经过ComPbCorr软件进行普通铅校正，最后的年龄计算及成图采用Isoplot程序完成[25]。

3 结果与讨论

3.1 主量微量和稀土元素分析结果

本次调查在杨三寨采取了片麻状花岗岩岩体，以高硅、钾和钠，低铁镁钙磷为特征(KJIV-1～KJIV-7)，其中SiO2含量为65.86%～78.29%，Al2O3含量为10.89%～16.02%，Fe2O3含量为1.10%～2.99%，CaO含量为0.05%～5.22%，MgO含量为0.17%～1.17%，K2O含量为1.37%～6.44%，Na2O含量为0.53%～6.50%，TiO2含量为0.13%～0.96%(表1)。在TAS图解中，绝大部分样品均落入花岗岩的区域内(图2a)，多呈亚碱性特征，大多属于高钾钙碱性系列(图2b)。微量元素上，样品以亏损Nb、Sr、P和Ti，富集La、Ce、Nd和Zr为特征(表2，图3a)。稀土元素上，样品具有较高含量的稀土元素(ΣREE=152.7010-6～650.8810-6)，轻稀土富集重稀土亏损(LREE/HREE=6.77～20.64)；铕异常(δEu=0.29～1.15)变化大，多数具有较弱的负铕异常；铈异常不明显。稀土元素标准化曲线以右倾为特征(表3，图3b)。

3.2 锆石U-Pb年代学分析结果

实验获得样品中锆石多为无色透明或浅黄色，多呈长柱状、正方双锥状自形晶体，晶形发育较好，长70～150μm，宽约50μm，长宽比3∶1～1∶1。锆石阴极发光图像表现为清晰的明暗相间的条带结构和典型的岩浆震荡环带(图4)，表明为岩浆锆石。Th含量为45.75×10-6～336.72×10-6，U含量为54.47×10-6～200.51×10-6，Th/U比值为0.41～2.84，为典型的岩浆锆石比值。30颗锆石U-Pb分析结果(表4)表明，206Pb/238U的年龄分布于720～828Ma之间，加权平均年龄为776±11Ma(MSWD = 2.1)，所有点均位于谐和线上或者附近，表明该年龄值可靠，代表其结晶年龄，表示岩体形成于新元古代(图5)。

表1 主量元素组成

1—橄榄辉长岩；2a—碱性辉长岩；2b—亚碱性辉长岩；3—辉长闪长岩；4—闪长岩；5—花岗闪长岩；6—花岗岩；7—硅英岩；8—二长辉长岩；9—二长闪长岩；10—二长岩；11—石英二长岩；12—正长岩；13—副长石辉长岩；14—副长石二长闪长岩；15—副长石二长正长岩；16—副长正长岩；17—副长深成岩；18—霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩。图2 (a)岩浆岩TAS分类图; (b)K2O-SiO2图解Fig.2 (a) TAS classification map of magmatic rocks; (b) K2O-SiO2 diagram

图3 (a)微量元素原始地幔标准化蛛网图; (b)稀土元素球粒陨石标准化分布型式Fig.3 (a) Original mantle standardization arachnid map of trace elements; (b) Standardized distribution of rare earth elements chondrite

表2 微量元素组成

表3 稀土元素组成

图4 锆石测定的阴极发光图像Fig.4 Images of cathode luminescence for determination of zircon

表4 锆石U-Pb同位素分析结果

图5 锆石(a)U-Pb年龄谐和图与(b)加权平均年龄Fig.5 (a) U-Pb age concordance and (b) the weighted mean ages of zircon

3.3 岩体的成岩时代及其意义

前人的研究表明，大别造山带东段北淮阳花岗质片麻岩中获得的同位素年龄多在630～784Ma之间[26-30]，表明其中的花岗片麻岩、变质基性-超基性侵入杂岩绝大多数都形成于新元古代，北淮阳带确实存在一条晋宁期岩浆岩带。而本次测年结果为776±11Ma，证明杨三寨片麻状花岗岩隶属于北淮阳的晋宁期岩浆岩带，可能为本地区的郑冲片麻岩的一部分，为晓天火山岩盆地的基底。铕异常呈逐渐降低的趋势，这说明存在以斜长石为主要分离相的结晶分异作用。

新元古代花岗质侵入体的研究对大别造山带的构造及演化研究具有重要意义。王果胜等[28]指出大别山是一个晚元古宙华北陆块南缘的古岛弧，北淮阳褶皱带是在裂陷槽基础上发展而成的古弧后盆地。近年，通过对大别造山带核部超高压变质带的研究，一些学者[31-32]也认为超高压变质带以北的北大别为一古岛弧。杜建国等[33]认为晚元古宙火山弧花岗岩的出现则证实中晚元古宙之间华北陆块与扬子陆块间的构造体制发生了根本性的转折，其也正是晋宁构造运动的结果。晋宁运动使扬子陆块作为一个俯冲的壳体，向具有活动陆缘的华北陆块俯冲、会聚。由此也可断定，秦岭一大别造山带是华北与扬子陆块多次裂解，闭合的复合型造山带，而在显生宙以来所发生的构造事件应是在活动陆壳的基底上产生的[34-37]。

杨三寨新元古代变质花岗岩的发现证明了晓天盆地中心存在隆起，并不是之前认识的“斗”形，即两边浅中间厚的盆地形态，而是在盆地内依然有基底出露，盆地构造较复杂，盆地的形状与前人认识大不一样，盆地内基底起伏较大，且盆地的基底为新元古代片麻状花岗岩。盆地内重要的东溪金矿等矿床就发育在此岩株的附近，本次发现证实了新元古代片麻状花岗岩为盆地基底，可能为成矿提供了一部分成矿物质来源[38]，这对该盆地的构造形态认识和进一步找矿具有重要的指导意义。

4 结论

在晓天火山岩盆地发现了年龄为776±11Ma的新元古代片麻状钾长花岗岩，以高硅、钾和钠，低铁镁钙磷为特征，呈亚碱性特征，属于高钾钙碱性系列，原岩具埃达克岩的特征。微量元素上，样品以亏损Nb、Sr、P和Ti，富集La、Ce、Nd和Zr为特征。稀土元素上，样品轻稀土富集重稀土亏损，多数具有负铕异常，铈异常不明显；稀土元素标准化曲线以右倾为特征。

新元古代片麻状花岗岩是晓天盆地的基底，区域上称为郑冲片麻岩，大多在盆地边缘出露，未在盆地中发现或者在之前的调查中被作为脉岩处理，在研究上未引起足够重视。本次杨三寨岩体的发现说明盆地中心存在基底隆起，盆地形态不是两边浅中间厚而是有很大起伏，同时说明基底在成矿中有重要作用，不仅提供了部分成矿物质，也提供了赋矿空间，在区域找矿上具有指导意义。

致谢：本文研究工作得到了中国地质科学院矿产资源所侯可军副研究员及安徽省地质调查院杜建国教授级高级工程师的指导和帮助，野外工作中得到了安徽省地质调查院杜森官教授级高级工程师、李明辉工程师的协助，审稿专家提出了宝贵的意见，在此一并表示衷心的感谢。