Petrogenesis of the Paleoproterozoic K-Feldspar Granites in Bengbu Uplift: Constraints from Petro-Geochemistry, Zircon U-Pb Dating and Hf Isotope
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摘要: 对蚌埠隆起区庄子里和磨盘山钾长花岗岩进行了系统的年代学和地球化学以及锆石Hf同位素的研究, 以便对其岩石成因进行约束.研究结果表明, 庄子里和磨盘山钾长花岗岩中锆石发育震荡生长环带, 且具有较高的Th/U比值(0.13~1.47), 反映了岩浆成因特征.对庄子里和磨盘山钾长花岗岩中岩浆锆石进行的LA-ICP-MSU-Pb定年结果(上交点年龄) 分别为2104±20Ma和2196±190Ma, 这表明蚌埠隆起区钾长花岗岩的形成时代为古元古代.钾长花岗岩的SiO2和K2O含量分别介于69.65%~77.95%和4.98%~5.17%之间; 该类岩石富集轻稀土元素和Zr、Hf、Rb、Th、U等元素, 明显亏损Ba、Sr、Eu、P和Ti等元素; 它们的εNd(t) 值变化于-3.4~+3.2之间, Nd的模式年龄变化于2.31~2.79Ga之间; 钾长花岗岩中锆石的εHf(t) 值和Hf同位素两阶段模式年龄分别介于-5.1~+7.8和2.26~2.83Ga之间.上述特征表明, 蚌埠隆起区钾长花岗岩的原始岩浆起源于有少量古老地壳物质涉入的新生下地壳的部分熔融.庄子里和磨盘山钾长花岗岩为A型花岗岩, 形成于伸展的构造背景.Abstract: The study on the chronology, geochemistry and zircon Hf isotopes of the Zhuangzili and Mopanshan K-feldspar granites in Bengbu uplift was carried out in order to constrain their petrogenesis.Zircons from the intrusions display oscillatory zoning and high Th/U ratios (0.13-1.47), implying their magmatic origin.Zircon LA-ICP-MS, U-Pb dating results of the Zhuangzili and Mopanshan K-feldspar granites indicate that they formed in Paleoproterozoic with the upper intercept ages of 2104±20Ma and 2196±190Ma, respectively.Their SiO2 and K2O contents range from 69.65 to 77.95% and 4.98 to 5.17%, respectively.Moreover, the K-feldspar granites are enriched with light rare earth elements as well as Zr, Hf, Rb, Th, and U, while markedly depleted in Ba, Sr, Eu, P and Ti.Their εNd(t) values vary from-3.4 to +3.2 and Nd model ages range from 2.31 to 2.79Ga.Their initial Hf isotope ratios and Hf two-stage model ages range from-5.1 to +7.8 and 2.26 to 2.83Ga, respectively.Taken together, it is suggested that the primary magma for the K-feldspar granites could be mainly derived from partial melting of the Paleoproterzoic and Neoarchean juvenile crust and that a small amount of ancient crustal material was involved in their origin.Chemically, these K-feldspar granites are A-type ones, implying that they formed under an extensional tectonic setting.
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Key words:
- Paleoproterozoic /
- K-feldspar granite /
- geochronology /
- geochemistry /
- Hf isotope /
- Bengbu uplift
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0. 引言
蚌埠隆起区内花岗质岩石出露广泛, 主要由钾长花岗岩、片麻状花岗岩和花岗闪长质-花岗质岩石组成, 安徽省地质局1∶20万区域地质调查报告(1979) 和安徽省区域地质志(1987) 基于野外关系的研究, 将它们划归为晚太古代, 且认为花岗岩为变质成因.而近年来对蚌埠隆起区中部和西部片麻状花岗岩和花岗闪长质-花岗质岩石的岩相学、年代学和地球化学的研究结果表明, 它们均形成于中生代, 其岩浆活动可以划分为3期: 晚侏罗世(160 Ma)--片麻状花岗岩的形成; 早白垩世早期(130 Ma)--花岗闪长质-花岗质岩石的形成; 早白垩世晚期(110 Ma左右)--花岗质岩石的形成, 并且它们均为岩浆结晶的产物(邱瑞龙等, 1999; 靳克等, 2003; Xu et al., 2005; 杨德彬等, 2005, 2006, 2007).那么位于蚌埠隆起区东部边缘、出露于郯庐断裂带内的钾长花岗岩的形成时代如何?是晚太古代还是中生代?它们的岩浆源区和形成的构造背景如何?这些问题因缺少精确的年代学和地球化学研究一直未得到解决.鉴于此, 本文报道了庄子里和磨盘山钾长花岗岩中锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年结果和岩石地球化学以及锆石的Hf同位素特征, 并讨论了岩石成因.
1. 地质背景与岩体地质
蚌埠隆起位于华北克拉通东南部边缘, 东临郯庐断裂带, 南为大别造山带, 总体呈东西向带状展布.蚌埠隆起主要由古元古代五河杂岩组成(许文良等, 2006), 包括变质镁铁质岩系、表壳岩系和变质变形花岗质侵入体.隆起区内花岗质岩石主要由钾长花岗岩、片麻状花岗岩和花岗闪长岩以及二长花岗岩组成(图 1), 中生代花岗质岩体侵入的围岩为古元古代五河杂岩, 岩体与围岩具有明显的侵入接触关系.本区出露的钾长花岗岩岩体为庄子里岩体和磨盘山岩体.
庄子里岩体(样品号BB8) 出露于蚌埠市东约48 km处的庄子里村南部, 位于郯庐断裂带内, 主要为钾长花岗岩组成.岩石风化面呈灰红色, 新鲜面为肉红色, 中细粒花岗结构, 块状构造(图 2a), 主要由石英(30%)、碱性长石(50%)、斜长石(15%) 组成(图 2a), 碱性长石以条纹长石为主, 次为微斜长石, 暗色矿物为少量的黑云母(3%) 和普通角闪石(2%), 副矿物为榍石、磁铁矿、磷灰石、锆石.岩石中碱性长石具有高岭土化, 斜长石发生绢云母化, 局部发育碳酸盐化.岩石中含有少量细粒闪长质包体.
图 2 蚌埠隆起区钾长花岗岩的显微照片Kf.钾长石; Ms.白云母; Pl.斜长石; Q.石英Fig. 2. Microphotographs for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift磨盘山岩体(样品号BB13) 出露于蚌埠市东约52 km处的石门山镇北部, 位于郯庐断裂带内, 与庄子里岩体具有相类似的岩石组合特点(图 2), 由钾长花岗岩组成.岩石呈肉红色, 中细粒花岗结构, 块状构造(图 2b), 组成矿物主要为石英(35%)、碱性长石(50%)、斜长石(13%), 含有少量的白云母(2%), 碱性长石以条纹长石为主, 少量的微斜长石, 副矿物为磁铁矿、磷灰石和锆石(图 2b).岩石变形较强, 石英颗粒具有定向拉长现象.
2. 分析方法
野外采集测年样品重约30 kg锆石, 在河北省廊坊市区域地质调查研究所实验室用常规方法将样品粉碎至80~100目, 并用淘选和电磁选方法进行分离.在双目镜下挑选出晶形较好, 无明显裂痕和包裹体的锆石颗粒, 然后将其粘贴在环氧树脂表面, 打磨抛光后露出锆石的表面, 然后对其进行透射光、反射光和阴极发光(CL) 图像的采集.锆石的制靶和显微图像的采集是在中国科学院地质与地球物理研究所电子探针实验室完成.通过对透射光、反射光和阴极发光图像的分析, 选择锆石吸收程度均匀的位置进行定年和Hf同位素的分析.锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成.采用Agilent 7500型ICP-MS和德国LambdaPhysik公司的ComPex102 ArF准分子激光器以及MicroLas公司的GeoLas 200M光学系统联机进行.激光束斑直径为30 μm, 激光剥蚀样品的深度为20~40 μm.实验中采用He作为剥蚀物质的载气.用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM610进行仪器最佳化.锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质, 元素含量采用NIST SRM610作为外标, 29Si作为内标.测试结果通过GLITTER软件计算得出, 实验获得的数据采用Andersen (2002)的方法进行同位素比值的校正以扣除普通Pb的影响, 谐和图的绘制采用Isoplot 3.0完成(Ludwig, 2001). 详细的实验分析步骤和数据处理方法见文献Yuan et al. (2004).所给定的同位素比值和年龄的误差均在1 σ水平.
锆石Hf同位素的测试在中国科学院地质与地球物理研究所配有193 nm激光取样系统的Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS) 上进行, 分析时激光束直径为63 μm, 激光剥蚀时间为26 s.测定时用锆石国际标样91500作外标, 所用的激光脉冲速率为6~8 Hz, 激光束脉冲能量为100 mJ. 仪器的运行条件和详细的分析流程见Xu et al. (2004).分析过程中需要对176Yb的干扰进行校正, 校正时采用新的TIMS测定值176Yb/172Yb=0.588 6 (Chu et al., 2002), 而对每个分析点的βYb和βHf则利用对该分析点实测得出的平均值进行校正.
主量元素、痕量元素和Nd同位素分析均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成.主量元素采用玻璃熔片大型X射线荧光光谱法(XRF) 分析; 痕量元素的分析则采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS) 分析方法; Nd同位素分析采用HF+HNO3混合酸溶解, 用阳离子交换技术进行分离, 分离本底在同位素测量误差范围之内.同位素比值的测定是在多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS) 上进行的, 分析精度优于0.002%.国际标样La Jolla和BCR-2的143Nd/144Nd测定平均值分别为0.511 859±6 (2σ, n=20) 和0.512 637±3 (2σ, n=20).
3. 分析结果
3.1 锆石U-Pb定年
蚌埠隆起区钾长花岗岩中部分锆石的CL图像见图 3.从图 3a, 3b, 3c中可以看出庄子里岩体中锆石晶形完好, 内部结构清晰, 发育典型的震荡生长环带, 结合高的Th/U比值(0.14~1.07), 反映了岩浆成因锆石的特点(Koschek, 1993).磨盘山岩体中锆石的CL图像均显示弱发光的特点(图 3d), 但锆石微弱的环带结构和高的Th/U比值(0.13~1.47, 样品BB13-16为0.09), 暗示了它们的岩浆成因特点(Koschek, 1993), 而锆石的CL图像弱发光的特点应与锆石高的U含量有关(U= (732~3 138) ×10-6, 平均为1 694×10-6).
图 3 蚌埠隆起区钾长花岗岩中锆石CL图像63 μm圆圈为Hf同位素分析点; 30 μm圆圈为U-Pb年龄分析点; 括号内数字为εHf (t) 值; 其他为U-Pb年龄及分析点号Fig. 3. CL images of selected zircons for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift蚌埠隆起区钾长花岗岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果列于图 4和表 1中, 部分结果标定在图 3中.从表 1和图 4中可以看出, 庄子里钾长花岗岩中岩浆锆石的分析结果大部分位于谐和线及其附近区域, 少数分析点偏离谐和线, 但它们之间(除样号为BB8-1-18点) 可以构成一条不一致曲线, 其上交点年龄为2 104±20 Ma, 下交点年龄为538±86 Ma, 其中相对谐和的25个数据点的207Pb/206Pb加权平均年龄为2 100±14 Ma (图 4a).另外一颗捕获锆石(样号为BB8-1-18, Th/U=0.45) 的207Pb/206Pb谐和年龄为2 485±9 Ma.磨盘山钾长花岗岩中锆石的分析点都偏离谐和线, 但它们多沿着不一致线分布, 其上交点年龄为2 196±190 Ma, 下交点年龄为326±110 Ma, 由于数据点较少, 误差偏大(图 4b).
图 4 蚌埠隆起区钾长花岗岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图Fig. 4. U-Pb Concordia diagrams summarizing the LA-ICP-MS zircon data for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift表 1 蚌埠隋起区钾长花岗岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb定年数据Table Supplementary Table LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
3.2 主量元素
蚌埠隆起区钾长花岗岩的主量元素和痕量元素分析结果见表 2.从表 2中可以看出, 庄子里钾长花岗岩的SiO2=69.65%~70.55%, TiO2=0.62%~0.67%, Al2O3=12.24%~12.61%, MgO=0.42%~0.71%, CaO=1.49%~1.51%, K2O=4.98%~5.10%, 全碱(K2O+Na2O) =8.67%~9.09%, K2O/Na2O=1.24~1.41.磨盘山钾长花岗岩总体上与庄子里钾长花岗岩相类似, 具有相对富Si贫Ti、Mg、Ca的特点, 其中SiO2=77.85%~77.95%, TiO2=0.09%~0.10%, Al2O3=11.92%~12.10%, MgO=0.09%~0.15%, CaO=0.08%~0.28%, K2O=4.98%~5.17%, 全碱(K2O+Na2O) =8.43%~8.59%, K2O/Na2O=1.38~1.56.
表 2 蚌埠隆起区钾长花岗岩的主量元素(%)和微量元素(10-6)及Nd同位素组成Table Supplementary Table Major(%), trace elements(10-6)and Nd isotopic compositions for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
所有样品在SiO2-K2O图解上均落在高钾钙碱性系列范围内(图 5a), 与同时代的辽吉花岗岩中大部分样品所具有的高钾钙碱性系列岩石特点相类似(孙敏等, 1996; 郝德峰等, 2004; 路孝平等, 2004a).庄子里钾长花岗岩的A/CNK[Al2O3/ (CaO+K2O+Na2O) 的摩尔比]介于0.85~0.89之间, 属准铝质岩石(图 5b); 而磨盘山钾长花岗岩的A/CNK变化于1.02~1.08之间, 属弱过铝质岩石(图 5b), 它们均小于1.1.与同时代的辽吉花岗岩中大部分样品的A/CNK值小于1.1, 具有准铝质-弱过铝质岩石的特点相类似(孙敏等, 1996; 郝德峰等, 2004; 路孝平等, 2004a).
图 5 蚌埠隆起区钾长花岗岩的SiO2-K2O图(a)和含铝指数图(b)Fig. 5. SiO2 vs. K2O and aluminous index diagrams for the K- feldspar granites in the Bengbu uplift3.3 痕量元素
从表 2和图 6a中可以看出, 庄子里和磨盘山钾长花岗岩的稀土元素球粒陨石标准化曲线具有相类似的特点, 以相对富集轻稀土元素(LREEs)、贫重稀土元素(HREEs), 具有明显Eu负异常的右斜“V”字型为特征(图 6a), 与典型“A”型花岗岩的稀土元素配分型式相类似.其中庄子里钾长花岗岩的稀土元素总量(∑REE) 为283~314×10-6, LREE/HREE为7.31~7.66, (La/Yb) N变化于7.34~7.66之间, δEu值介于0.54~0.57之间.与庄子里钾长花岗岩相比, 磨盘山钾长花岗岩的REE丰度相对偏高(∑REE= (303~390) ×10-6, LREE/HREE=4.60~6.38, (La/Yb) N=4.40~8.57), Eu的负异常更大(δEu=0.06~0.09) (图 6a).它们的REE丰度与同时代辽吉花岗岩的REE丰度相当, 均具有明显的Eu负异常(图 6a) (孙敏等, 1996; 郝德峰等, 2004; 路孝平等, 2004a).
图 6 蚌埠隆起区钾长花岗岩的球粒陨石标准化稀土元素(a)和原始地幔标准化微量元素(b)变异图Fig. 6. Chondrite normalized REE patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift在微量元素原始地幔标准化蛛网图上(图 6b), 庄子里和磨盘山钾长花岗岩同样具有相类似的特点, 它们具有相对一致的配分型式, 以富集高场强元素(如Zr、Hf) 和大离子亲石元素(如Rb、U、Th), 明显亏损Ba、Sr和P、Eu、Ti等元素为特征, 这与典型“A”型花岗岩所具有的痕量元素特点相类似.庄子里钾长花岗岩中Zr=397×10-6~440×10-6、Hf=9.94×10-6~11.28×10-6; 而Rb介于92×10-6~121×10-6之间、U介于3.72×10-6~4.03×10-6之间、Th介于17.02×10-6~18.09×10-6之间.其中Ba、Sr含量较低(Ba=634×10-6~864×10-6、Sr=41.6×10-6~59.6×10-6).与庄子里钾长花岗岩相比, 磨盘山钾长花岗岩的Ba、Sr、P、Eu和Ti亏损程度更大(图 6b), 其中Zr=186×10-6~219×10-6、Hf=7.80×10-6~8.57×10-6; 而Rb介于235×10-6~251×10-6之间、U介于6.72×10-6~7.80×10-6之间、Th介于23.77×10-6~24.70×10-6之间; Ba=109×10-6~181×10-6、Sr=14.2×10-6~19.4×10-6.它们的痕量元素特点与同时代的辽吉花岗岩的痕量元素特点相类似(图 6b) (孙敏等, 1996; 郝德峰等, 2004; 路孝平等, 2004a).
3.4 Nd同位素
蚌埠隆起区钾长花岗岩全岩的Nd同位素分析结果见表 2.从表 2中可以看出, 庄子里钾长花岗岩的εNd (t) =2 100 Ma值变化于-2.6~-3.4之间(图 7), 它们的两阶段Nd模式年龄(tDM2) 为2.74~2.79 Ga.与庄子里钾长花岗岩相比, 磨盘山钾长花岗岩具有相对高的εNd (t) 值(若以t=2 196 Ma计算, 介于-0.9~+3.2之间) (图 7), 磨盘山钾长花岗岩的tDM2=2.31~2.37 Ga, 其中样品BB13-6具有小于样品的形成时代的tDM2值(2.07 Ga) 而没有地质意义, 这与样品低的fSm/Nd值(-0.26) 有关(吴福元等, 1997).在t-εNd (t) 变异图解上(图 7), 它们均位于亏损地幔演化线下方的球粒陨石演化线附近的区域, 与辽吉花岗岩的εNd (t) 值分布范围相类似(孙敏等, 1996; 郝德峰等, 2004).
图 7 蚌埠隆起区钾长花岗岩的t-εNd (t)变异图亏损地幔演化线据Goldstein et al. (1984); KD和LJ数据来源见图 5Fig. 7. t vs. εNd (t) diagram for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift3.5 锆石Hf同位素
在锆石LA-ICP-MS U-Pb定年研究的基础上, 同时对锆石进行了微区原位Hf同位素分析, 分析结果列于表 3, 部分结果标定在图 3a、3d中.
表 3 蚌埠隆起区钾长花岗岩中锆石Hf同位素分析结果Table Supplementary Table Zircon Hf isotopic data for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
庄子里钾长花岗岩中20个岩浆锆石微区原位Hf同位素的分析结果表明, 它们具有相对均一的Hf同位素组成(图 3a和表 3), 176Hf/177Hf比值介于0.281 318~0.281 569之间, 若以2 100 Ma计算, 锆石初始Hf同位素成分εHf (t) 值介于-5.1~+1.0之间(图 8a).在表 3中同时给出了Hf同位素单阶段模式年龄(tDM1) 和两阶段模式年龄(tDM2), 对于后者, 由于样品均为花岗质岩石, 主要来源于地壳岩石的部分熔融, 所以在计算两阶段模式年龄时, 采用硅铝质大陆地壳的Lu/Hf比(fLu/Hf=-0.72) 进行计算.从表 3中可以看出, 它们的tDM1变化于2.43~2.66 Ga, tDM2变化于2.52~2.83 Ga.磨盘山钾长花岗岩中17颗岩浆锆石17个点的176Hf/177Hf比值介于0.281 574~0.281 802之间, 若以磨盘山钾长花岗岩的上交点年龄2 196 Ma进行计算, 其εHf (t) 值介于+2.0~+7.8之间(图 3d, 图 8b), 它们的tDM1=2.25~2.49 Ga, tDM2=2.26~2.55 Ga.
图 8 蚌埠隆起区钾长花岗岩的Hf同位素组成Fig. 8. Zircon Hf isotopic compositions for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift4. 讨论
4.1 钾长花岗岩的形成时代
蚌埠隆起区钾长花岗岩形成时代与成因的确定一直是该区地质研究中人们争论的问题之一.安徽省地质局1∶20万区域地质调查报告(1979) 和安徽省区域地质志(1987) 基于钾长花岗岩体被凤阳群白石山组沉积覆盖, 认为它们形成于晚太古代, 且为变质成因.但详细的野外地质调查发现, 岩体与凤阳群白石山组之间多呈断层接触. 徐祥等(2005)对磨盘山钾长花岗岩中白云母进行了Ar-Ar年龄测定, 认为其韧性变形时代为1 740 Ma.
从庄子里和磨盘山钾长花岗岩中锆石发育震荡生长环带, 结合高的Th/U比值(0.13~1.47), 暗示了它们的岩浆结晶成因.对庄子里钾长花岗岩中岩浆锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年结果显示, 其上交点年龄为2 104±20 Ma, 与谐和线上25个点的207Pb/206Pb加权平均年龄2 100±14 Ma在误差范围内完全一致, 可以认为2 100 Ma代表了庄子里岩体的岩浆侵位结晶的年龄.而磨盘山钾长花岗岩中岩浆锆石的U-Pb定年结果都偏离谐和线, 这是由于锆石具有高的Th、U含量(Th+U=985×10-6~5 019×10-6, 平均值为2 211×10-6), 使其发生严重的Pb丢失所致.试验和实际地质情况表明, 锆石的Th、U含量愈高, 衰变能量愈强, 对锆石晶格的损伤造成Pb丢失愈明显, 从而导致锆石中放射性成因Pb发生不同程度的丢失, 造成年龄的谐和性差(Cherniak and Watson, 2000; Chen et al., 2002; 耿元生等, 2006).磨盘山钾长花岗岩所有不谐和数据点构成一条不一致曲线, 其上交点年龄为2 196±190 Ma, 由于上交点附近缺乏年龄点, 故造成其年龄值具有较大误差.但结合磨盘山岩体与庄子里岩体具有相类似的岩石组合特点(与蚌埠隆起区内中生代其他花岗质岩石相比, 它们具有相对高的碱性长石含量和相对低的斜长石含量) 和地球化学属性(稀土元素和微量元素具有一致的配分型式), 因此, 笔者认为磨盘山岩体应与庄子里岩体具有相类似的结晶时代, 即它们形成于古元古代的2 100~2 200 Ma左右.综上所述, 蚌埠隆起区钾长花岗岩的形成时代应为古元古代, 而非前人确定的晚太古代, 同时锆石的岩浆成因特征暗示钾长花岗岩的岩浆成因, 而非变质成因.
华北克拉通基底岩石的高精度定年结果显示, 其主要经历了2 500 Ma和1 800 Ma左右两次重大的地质事件(Zhao et al., 2001; Gao et al., 2004; Xu et al., 2006).近年来的研究显示, 2 100~2 200 Ma的岩浆事件在华北克拉通东部也是比较发育的.在辽宁宽甸地区(Sun et al., 1993; Li and Zhao, 2007)、吉林通化地区(路孝平等, 2004a) 和辽南营口地区(路孝平等, 2004b; Li and Zhao, 2007) 分布的辽吉花岗岩中锆石LA-ICP-MS和SHRIMP U-Pb定年结果介于2 142~2 176 Ma.在吉林通化地区集安变质杂岩中所得到的火山岩锆石U-Pb年龄为1 980 Ma和2 110 Ma (Lu et al., 2006); 和辽南海城斜长角闪岩中岩浆锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年结果为2 060 Ma (于介江等, 2007); 以及辽南和胶北中生代花岗岩中2 100~2 170 Ma大量继承锆石的存在(李三忠等, 2003), 均表明在吉南-辽南和胶北地区存在一期2 100~2 200 Ma左右的岩浆事件.这与沈其韩等(2005)根据华北克拉通早前寒武纪600个锆石同位素年龄样品统计的直方图所显示的, 除2 450~2 600 Ma和1 800~1 900 Ma两个峰值外, 还明显存在一个2 150~2 200 Ma的高峰相一致, 暗示2 100~2 200 Ma古元古代岩浆事件在华北克拉通东部的广泛存在, 但与2 500 Ma和1 800 Ma两次重大地质事件相比, 它们的岩浆活动相对偏少.
蚌埠隆起区庄子里和磨盘山钾长花岗岩(2 100~2 200 Ma) 的形成, 暗示了这期岩浆事件在蚌埠隆起区的响应.蚌埠隆起区内形成于早白垩世的淮光花岗闪长岩的两阶段Nd模式年龄(1.93~2.03 Ga) 和女山花岗岩的两阶段Nd模式年龄(2.03~2.18 Ga) 以及曹山二长花岗岩的两阶段Nd模式年龄(2.13~2.18 Ga) 的存在(杨德彬等, 未发表数据) 也证明了这一点.
4.2 岩浆源区
庄子里和磨盘山钾长花岗岩均以高SiO2、富K2O和低Al2O3为特征, 属于准铝质-弱过铝质岩石, 结合元素U、Pb富集的特点, 暗示其壳源的地球化学性质.元素Sr、Eu和P以及Ti的亏损暗示其岩浆源区或在岩浆结晶分离过程中可能存在斜长石和磷灰石以及钛铁矿的残留或分离.这与同时代辽吉花岗岩的主量元素和痕量元素所反映的壳源成因特点和源区性质相类似(孙敏等, 1996; 郝德峰等, 2004; 路孝平等, 2004a).
Nd同位素是探讨岩浆源区的有效试剂(李昌年, 1992; Jahn et al., 2000; 陈能松等, 2007).庄子里钾长花岗岩的εNd (t) 值变化于-2.6~-3.4之间, 与之相比, 磨盘山钾长花岗岩εNd (t) 值相对偏高, 介于-0.9~+3.2之间.在t-εNd (t) 变异图解上, 它们与辽吉花岗岩的Nd同位素组成类似均位于亏损地幔演化线下方的球粒陨石演化线附近的区域(图 7).庄子里和磨盘山钾长花岗岩显示出高εNd (t) 值的特点暗示岩浆可能来源于: (1) 原始地幔; (2) 来源于亏损地幔并受少量地壳物质混染或与壳源岩浆发生混合; (3) 基性岩浆底侵形成的新生下地壳岩石的部分熔融.庄子里和磨盘山钾长花岗岩具有高的SiO2含量(70%~78%), 显然直接由原始地幔熔融产生该花岗质岩浆是十分困难的.而由亏损地幔岩浆与地壳混染或与壳源岩浆混合形成的话, 那么简单的模拟结果表明必须有大量的地幔物质加入才能形成具有上述Nd同位素特点的花岗岩(孙德有等, 2005), 这种类似直接由地幔岩浆分异形成高SiO2的长英质花岗岩是不可能的(吴福元等, 2007a).因此钾长花岗岩所具有的高的甚至正的εNd (t) 值应是基性岩浆底侵形成的新生下地壳岩石部分熔融的产物.同时其形成时代(2 100~2 200 Ma) 与郝德峰等(2004)根据辽吉地区Nd亏损模式年龄统计的第二幕基性岩浆底侵事件的时间(2.2 Ga左右) 相一致, 结合庄子里和磨盘山钾长花岗岩具有古老的Nd亏损模式年龄(tDM2=2.74~2.79 Ga; tDM2=2.31~2.37 Ga), 以及庄子里岩体中2 500 Ma岩浆成因捕获锆石(Th/U=0.45) 的存在, 进一步暗示它们的原始岩浆起源于古元古代-新太古代时期有少量古老地壳物质涉入的新生下地壳的部分熔融.这与根据Nd同位素组成(εNd (t) =-4.2~+2.3;tDM2=2.36~2.82 Ga) 研究的, 辽吉花岗岩的原始岩浆来源于古元古代-新太古代期间与地幔分离形成的下地壳底侵物质和古老的太古代老地壳物质共同发生部分熔融的源区性质相类似(孙敏等, 1996; 郝德峰等, 2004).
近年来, 锆石微区原位Hf同位素示踪研究越来越受到人们的重视(Vervoort et al., 1996; Amelin et al., 2000; Scherer et al., 2000; Griffin et al., 2002; 杨德彬等, 2007; 吴福元等, 2007b).锆石是一种非常稳定的矿物, 具有封闭温度高, 相对于其他矿物较稳定的特点, 而且锆石中具有较高的Hf含量, Lu的含量极低, 从而导致其176Lu/177Hf具有非常低的比值, 由Lu衰变而成的176Hf很少, 因此锆石在形成以后基本没有明显的放射性成因Hf的积累, 且很少受到后期岩浆热事件的影响, 即使在麻粒岩相等高级变质条件下, 所测样品的176Hf/177Hf基本可以代表其形成时体系的Hf同位素组成, 这就使锆石可以记录下岩浆源区不同性质的源岩的特征, 特别是通过与锆石U-Pb定年相结合, 更使锆石微区原位Hf同位素分析成为揭示地壳演化和示踪岩浆源区的重要手段(Scherer et al., 2000; Griffin et al., 2002; 杨德彬等, 2007; 吴福元等, 2007b).
庄子里钾长花岗岩中岩浆锆石的εHf (t) 值变化于-5.1~+1.0之间(图 8), 在Hf同位素特征图解上分布于球粒陨石Hf同位素演化线附近以及2.5 Ga和3.0 Ga古老地壳的演化线之间(图 9), 结合它们古老的Hf同位素模式年龄(tDM2=2.52~2.83 Ga), 表明它们来源于新太古代时期从亏损地幔中分异出来的新生下地壳的部分熔融.这与其高的εNd (t) 值(-2.6~-3.4) 和古老的Nd模式年龄(tDM2=2.74~2.79 Ga) 研究的结果相一致.
图 9 蚌埠隆起区钾长花岗岩的Hf同位素特征Fig. 9. Zircon Hf isotopic features for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift磨盘山钾长花岗岩中岩浆锆石的初始Hf同位素组成相对于庄子里钾长花岗岩具有偏高的特点(εHf (t) =+2.0~+7.8) (图 8), 所有数据点均位于球粒陨石Hf同位素演化线之上和亏损地幔Hf同位素演化线之下的区域内(图 9).正的εHf (t) 值结合它们的Hf同位素单阶段模式年龄(tDM1=2.25~2.49 Ga) 和两阶段模式年龄(tDM2=2.26~2.55 Ga) 以及岩体的形成年龄(2 200 Ma左右) 非常接近的特点, 暗示磨盘山钾长花岗岩的原始岩浆在古元古代-新太古代时期从亏损地幔中分异出来形成新生下地壳后, 很快就发生了熔融形成磨盘山钾长花岗岩.这与较庄子里岩体相对高的εNd (t) 值(-0.9~+3.2) 和相对年轻的Nd模式年龄(2.31~2.37 Ga) 以及Hf模式年龄(tDM2=2.26~2.55 Ga) 的特点相一致.虽然该岩体中没有出现古老的捕获锆石, 但古老的Hf模式年龄和负的εNd (t) 值的存在, 暗示其源区可能有古老地壳物质的涉入.
综上所述, 蚌埠隆起区钾长花岗岩的原始岩浆起源于古元古代-新太古代时期有少量古老地壳物质涉入的新生下地壳的部分熔融.
4.3 成因类型及形成的构造背景
蚌埠隆起区庄子里和磨盘山岩体岩石类型为钾长花岗岩, 碱性长石和石英为主要造岩矿物, 暗色矿物含有少量的角闪石和黑云母; 主要元素以高硅、富碱、低铝为特征; 具有明显的Eu负异常; 富集高场强元素(如Zr、Hf) 和大离子亲石元素(如Rb、U、Th), 而元素Ba、Sr明显亏损, 上述岩石学和地球化学特点暗示它们应属于铝质A型花岗岩(图 10) (Whalen et al., 1987; King et al., 1997; 苏玉平和唐红峰, 2005).这与同时代的辽吉花岗岩所显示的A型花岗岩的成因类型相一致(图 10) (刘永江和李三忠, 1996; 孙敏等, 1996; 李三忠和杨振升, 1997; 郝德峰等, 2004; 路孝平等, 2004a).
图 10 蚌埠隆起区钾长花岗岩的成因类型判别(据Whalen et al., 1987)FG.分异的I、S型花岗岩类分布区; OGT.未分异的I、S、M型花岗岩类分布区; A.A型花岗岩类分布区; TH、KD、LJ数据来源见图 5Fig. 10. Genetic type discrimination for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift对于A型花岗岩目前比较统一的认识是其形成于伸展构造背景(Pitcher, 1993).在微量元素Y+Nb-Rb和Y-Nb构造环境判别图解中(图 11) (Pearce et al., 1984), 庄子里和磨盘山岩体均投影于板内花岗岩区域内, 反映其形成于非造山的板内环境, 这与它们所具有的A型花岗岩的性质相一致, 进一步暗示庄子里和磨盘山岩体应形成于伸展的构造背景.它们与同时代的辽吉花岗岩的大部分样品一同投影于板内花岗岩区域(图 11) (孙敏等, 1996; 郝德峰等, 2004; 路孝平等, 2004a), 反映它们之间应形成于一个相似的构造背景.对宽甸地区辽吉花岗岩的研究认为, 其形成于大陆拉开向洋壳转化的伸展环境(Sun et al., 1993; 孙敏等, 1996); 而对通化地区辽吉花岗岩的研究认为, 其是地壳拉张作用的产物(路孝平等, 2004a); 同时对辽南-吉南地区的辽吉花岗岩的年代学和地球化学研究显示其形成于裂谷环境(郝德峰等, 2004; Li and Zhao, 2007).上述研究进一步暗示, 庄子里和磨盘山岩体形成于伸展的构造背景.此外, 对辽河群中碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学的研究(Luo et al., 2004) 和辽东地区形成于2 100~2 200 Ma的基性-超基性岩墙群和花岗岩-二长花岗岩双峰式火成岩岩石组合的出现(李三忠和刘永江, 1997; Lu et al., 2006; 于介江等, 2007), 均反映了古元古代时期强烈伸展构造背景的存在, 这与白瑾等(1996)在总结华北克拉通古元古代构造格架时大致以2.1 Ga为界划分的2.4~2.1 Ga时期近东西向的拉张背景相一致.
图 11 微量元素Y+Nb-Rb和Y-Nb构造环境判别图解(据Pearce et al., 1984)ORG.大洋中脊花岗岩; WPG.板内花岗岩; VAG.火山弧花岗岩; Syn-COLG.同碰撞花岗岩; TH、KD、LJ数据来源见图 5Fig. 11. Y+Nb-Rb and Y-Nb discrimination diagram of tectonic setting5. 结论
通过对蚌埠隆起区钾长花岗岩的岩石地球化学、锆石U-Pb年代学与Hf同位素的研究, 可以得出如下结论:
(1) 庄子里和磨盘山钾长花岗岩为岩浆成因, 其岩浆锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年结果(上交点年龄) 分别为2 104±20 Ma和2 196±190 Ma, 表明它们的形成时代为古元古代.
(2) 庄子里和磨盘山钾长花岗岩以高硅、富碱、低铝为特征; 富集LREEs和高场强元素(如Zr、Hf) 以及大离子亲石元素(如Rb、U、Th); 明显亏损元素Ba、Sr、Eu、P和Ti; 具有较高的εNd (t) 值(-3.4~+3.2) 和εHf (t) 值(-5.1~+7.8), 结合它们古老的Nd和Hf同位素模式年龄, 暗示它们的原始岩浆起源于古元古代-新太古代时期有少量古老地壳物质涉入的新生下地壳的部分熔融.
(3) 庄子里和磨盘山钾长花岗岩为A型花岗岩, 形成于伸展的构造背景.
致谢: 衷心感谢河北省廊坊区域地质调查研究所实验室李林庆主任在样品分离和挑选过程中给予的帮助, 同时感谢中国科学院地质与地球物理研究所和西北大学大陆动力学国家重点实验室在锆石的显微图像和LA-ICP-MS U-Pb分析以及主量元素、痕量元素和Nd同位素分析中给予的支持. -
图 2 蚌埠隆起区钾长花岗岩的显微照片
Kf.钾长石; Ms.白云母; Pl.斜长石; Q.石英
Fig. 2. Microphotographs for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
图 3 蚌埠隆起区钾长花岗岩中锆石CL图像
63 μm圆圈为Hf同位素分析点; 30 μm圆圈为U-Pb年龄分析点; 括号内数字为εHf (t) 值; 其他为U-Pb年龄及分析点号
Fig. 3. CL images of selected zircons for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
图 4 蚌埠隆起区钾长花岗岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图
Fig. 4. U-Pb Concordia diagrams summarizing the LA-ICP-MS zircon data for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
图 5 蚌埠隆起区钾长花岗岩的SiO2-K2O图(a)和含铝指数图(b)
TH.KD.LJ.为辽吉花岗岩; TH.据路孝平等, 2004a; KD.据孙敏等, 1996; LJ.据郝德峰等, 2004
Fig. 5. SiO2 vs. K2O and aluminous index diagrams for the K- feldspar granites in the Bengbu uplift
图 6 蚌埠隆起区钾长花岗岩的球粒陨石标准化稀土元素(a)和原始地幔标准化微量元素(b)变异图
球粒陨石标准化值据Boynton(1984); 原始地幔标准化值据Sun and Mc Donough(1989); TH.KD.IJ数据来源见图 5
Fig. 6. Chondrite normalized REE patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
图 7 蚌埠隆起区钾长花岗岩的t-εNd (t)变异图
亏损地幔演化线据Goldstein et al. (1984); KD和LJ数据来源见图 5
Fig. 7. t vs. εNd (t) diagram for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
图 8 蚌埠隆起区钾长花岗岩的Hf同位素组成
Fig. 8. Zircon Hf isotopic compositions for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
图 9 蚌埠隆起区钾长花岗岩的Hf同位素特征
Fig. 9. Zircon Hf isotopic features for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
图 10 蚌埠隆起区钾长花岗岩的成因类型判别(据Whalen et al., 1987)
FG.分异的I、S型花岗岩类分布区; OGT.未分异的I、S、M型花岗岩类分布区; A.A型花岗岩类分布区; TH、KD、LJ数据来源见图 5
Fig. 10. Genetic type discrimination for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
图 11 微量元素Y+Nb-Rb和Y-Nb构造环境判别图解(据Pearce et al., 1984)
ORG.大洋中脊花岗岩; WPG.板内花岗岩; VAG.火山弧花岗岩; Syn-COLG.同碰撞花岗岩; TH、KD、LJ数据来源见图 5
Fig. 11. Y+Nb-Rb and Y-Nb discrimination diagram of tectonic setting
表 1 蚌埠隋起区钾长花岗岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb定年数据
Table 1. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
表 2 蚌埠隆起区钾长花岗岩的主量元素(%)和微量元素(10-6)及Nd同位素组成
Table 2. Major(%), trace elements(10-6)and Nd isotopic compositions for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
表 3 蚌埠隆起区钾长花岗岩中锆石Hf同位素分析结果
Table 3. Zircon Hf isotopic data for the K-feldspar granites in the Bengbu uplift
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