豫北岭头杂岩体地球化学特征、锆石U-Pb年龄及地质意义

时间：2024-07-28

王艳慧，白国典，王玺，陈泳霖，刘坤，姚帅

(1.河南省地质调查院，河南郑州 450001；2.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，河南郑州 450001)

0 引言

华北克拉通在中生代发生了大规模的克拉通破坏和减薄，发育广泛的岩浆活动[1-2]。太行山位于华北克拉通中部，南段发育一套中生代的中基性侵入岩，这套岩石的成因与演化是近几十年来的研究热点之一，对反演太行山南段的中生代岩石圈深部过程具有重要意义[3-7]。位于太行山南段的豫北安林地区，分布有大小不等的中性侵入岩，岩性以闪长岩为主，次为石英闪长岩和闪长玢岩，岩体侵入于古生界中，获得的同位素 K-Ar 年龄为89 Ma～170 Ma[8]。上述 K-Ar 年龄变化范围较大，与太行山其他地区中生代侵入岩的年龄 (115 Ma～125 Ma)[9-10]不太一致，因此有必要开展进一步的年代学研究。另外，安林地区分布有矽卡岩型铁矿，为我国重要的铁矿产地，安林式铁矿的产出受马家沟组灰岩和燕山期闪长岩控制[11]。笔者在安林地区东姚一带开展1∶5万区域地质矿产调查的同时，对区内出露的中生代侵入岩进行了系统野外观测和采样测试，本文着重介绍具有代表性的岭头杂岩体的地球化学特征及获得的锆石 U-Pb 年龄数据，旨在为豫北地区中生代的岩浆演化及成矿规律研究提供线索和依据，为研究华北克拉通中部太行山地区的岩石圈演变提供一些启示。

1 地质概况

豫北安林地区位于华北地台(Ⅰ级构造单元)中南部[8]，跨两个Ⅱ级构造单元，以太行山东侧的青羊口断裂带为界，西侧区属山西台隆，东侧为华北坳陷，岭头一带位于山西台隆内。区内地层属华北地层大区的太行山地层小区[12]，出露地层主要为古生界和新生界 (图1)。古生界出露有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，寒武系—奥陶系为一套碳酸盐岩组合，中奥陶统马家沟组分布比较广泛；石炭系—二叠系为含煤碎屑岩夹碳酸盐岩组合；新生界主要为新近系、第四系，新近系以碎屑岩组合为主、少量火山岩；第四系为巨厚的冲洪积松散堆积物。区内岩浆活动较弱，火山岩不发育，侵入岩不太发育(出露面积约4 km2)；岩浆活动时期主要为中生代，集中在早白垩世；侵入体以岩床产出为主，零散分布在研究区中、北部，一般呈NNE向带状展布；岩石类型以中、酸性岩类为主，少量基性岩。区内的断裂构造主要有NNE向和NW向两组。

岭头杂岩体，也称作“马鞍山岩体”[8]，分布在安阳县马家乡岭头村一带，出露面积约5.5 km2，位于太行山东麓中性岩带内[8]。该杂岩体展布于NE向断裂两侧，呈岩席状顺层侵入于马家沟组一段土黄色角砾状白云岩与马家沟组三段灰白色中厚层状白云质灰岩之间，倾角5°～40°，局部可见马家沟组三段灰岩形成的残留顶盖近水平盖在杂岩体之上。在杂岩体顶部接触的灰岩受到挤压和烘烤作用，岩石被烘烤成黄色粉末状物质，挤压和烘烤带一般宽0.5～2 m。

2 岩石学特征

岭头杂岩体包括两期侵入体，主体岩性为二长闪长岩(K1δη)，接近顶部马家沟组灰岩围岩的岩性为石英二长岩(K1ηο)，从两者接触处石英二长岩粒度较细推测其形成时间要比二长闪长岩晚。在二长闪长岩中局部还发育岩球构造，岩球呈椭圆形，它是以异源捕掳体为核形成的有明显壳层结构的椭圆形球体，直径为5～10 cm，岩球由球核与球皮两部分组成，球核为颜色较暗(多呈灰绿色)的较基性的物质组成，球皮厚3～5 mm，成分与主体岩性一致。研究表明，岩球构造是通过岩浆同化捕掳体和岩浆结晶综合作用形成的。调查发现二长闪长岩中普遍发育镜铁矿化，二长闪长岩与马家沟组四段角砾状白云岩接触部位往往形成矽卡岩型磁铁矿床。而偏酸性的石英二长岩则不宜形成矽卡岩型矿产。

二长闪长岩：岩石呈浅灰绿色，中细粒半自形粒状结构，块状构造，矿物成分主要为钾长石(35%)、斜长石(25%～30%)、暗色矿物(30%～35%) (图2a)。钾长石呈半自形板状，杂乱分布，大小一般为0.2～2.0 mm，部分为2.0～2.5 mm，具高岭土化、黝帘石化，局部硅化，粒内嵌布板条状斜长石等颗粒。斜长石呈半自形板状，杂乱分布，大小一般为0.1～1.5 mm，具绢云母化、黝帘石化、高岭土化，隐约可见环带构造。暗色矿物由角闪石、辉石、少量黑云母组成，杂乱分布，大小0.05～4.1 mm。角闪石呈半自形柱状、他形粒状，局部绿泥石化、绿帘石化、褐铁矿化、次闪石化，局部交代辉石。辉石呈柱状，绿帘石化，被角闪石交代。黑云母鳞片状，绿泥石化、绿帘石化，呈假象。

石英二长岩：岩石呈灰红色，中细粒半自形粒状结构，块状构造，主要由斜长石(60%～65%)、钾长石(15%～20%)、石英(1%～5%)、角闪石(10%)组成 (图2b)。斜长石呈半自形板状，杂乱分布，大小以0.1～2.0 mm的细粒为主，2.0～3.5 mm的中粒次之，具绢云母化、高岭土化、黝帘石化，局部绿泥石化，隐约可见环带构造，多具正边结构。钾长石多为半自形板状—他形粒状，局部呈纤状、束状，填隙状分布，大小0.15～1.6 mm，具高岭土化、黝帘石化。石英呈他形粒状，填隙状分布，大小为0.02～0.3 mm，具轻微波状消光。角闪石为自形—半自形柱状、他形粒状，杂乱分布，大小一般为0.03～2.0 mm，部分为2.0～4.4 mm，局部绿泥石化、绿帘石、次闪石化。

3 岩石地球化学特征

在岭头杂岩体中采集了5件样品，其中二长闪长岩3件 (G136/5-1，G136/9-1，G607/1)，石英二长岩2件(G608/1，G137/11-1)。样品的全岩化学成分测试由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心(武汉综合岩矿测试中心)完成，使用的主要检测仪器为电感耦合等离子体质谱仪(X7)、X荧光光谱仪(XRF-1800)、等离子直读光谱仪(ICAP6300)，检测依据为 DZG 20.01-91，检测温度为24℃，检测湿度为50%RH。

3.1 主量元素特征

岭头杂岩体5件样品的主量元素分析结果及相关参数特征详见表1。显示w(SiO2)为50.49%～66.74%，其中二长闪长岩占比为50.49%～57.10%，石英二长岩占比为65.47%～66.74%，前者偏基性，后者偏酸性。w(Al2O3)为14.33%～17.44%，w(TiO2)为0.35%～0.89%，w(MgO)及w(CaO)分别为1.17%～3.94%、1.81%～6.95%，Mg#值为31.07～44.22、平均值为37.82。Na2O/K2O比值为1.19～1.31，均大于1，为富钠型。总碱含量 Alk 值为6.73%～9.35%，碱度率AR值为1.80～3.62，山德指数 (A/CNK) 为1.21～1.48。里特曼指数(σ)为3.68～6.05，其中二长闪长岩样品的σ值均大于4、属于碱性系列，石英二长岩样品的σ值小于4、为钙碱性系列[13]。分异指数(DI)为55.60～85.68，二长闪长岩样品的DI值低于石英二长岩，表明前者岩浆的分异程度较低、基性程度较高。固结指数(SI)为8.08～19.42，石英二长岩样品的SI值较低，说明分异程度较高、酸性较强。镁铁指数(MF)为70.58～81.38，反映岩浆的分离结晶作用程度较高。

表1 岭头杂岩体的主量元素分析结果及相关参数

从哈克图解 (图3) 可以看出，岭头岩体的 Al2O3、Fe2O3、NaO、Mg#与 SiO2的相关性不明显，TiO2、MgO 与 SiO2呈一定程度的负相关，P2O5、CaO 与 SiO2呈明显的负相关，Al2O3与 Mg#、TiO2与 MgO、P2O5与 CaO、Fe2O3与 Na2O 分别跟 SiO2的相关性类似，呈现出相似的变化趋势。在 TAS 图解 (图4) 中，二长闪长岩样品有2件落入二长闪长岩区、1件 (G136/5-1) 落入二长岩区，石英二长岩样品均落入石英二长岩区，二长闪长岩样品位于碱性系列一侧，石英二长岩样品位于亚碱性系列一侧。在 SiO2- K2O 图解 (图5) 中，3个样品 (G136/9-1，G607/1，G608/1) 落入中钾钙碱性系列，2个样品 (G136/5-1，G137/11-1) 落入高钾钙碱性系列。在 CNK-NK 图解 (图6) 中，5个样品均落入过铝质区。

3.2 稀土元素特征

岭头杂岩体5件样品的稀土元素分析结果及有关参数见表2。岭头杂岩体的稀土元素总量为(114.34～161.09)×10-6，轻稀土总量为(85.47～137.82)×10-6(平均值为105.37×10-6)，重稀土总量为(23.57～29.85)×10-6，轻、重稀土比值为2.96～5.92，(La/Yb)N为7.73～20.80，(La/Sm)N为2.32～5.25。二长闪长岩样品的δEu值为1.00～1.10，反映了无异常或较弱的Eu正异常；石英二长岩样品的δEu值为0.94～0.99，反映了较弱的Eu负异常。δCe为0.77～0.96，显示较弱的Ce负异常。球粒陨石标准化稀土配分型式图 (图7) 显示，岭头杂岩体的5个样品的稀土配分曲线变化趋势较一致、均呈右倾型，轻稀土明显富集、分馏程度较高，重稀土亏损、分馏程度较低，Eu异常不明显，为同源岩浆演化的产物。

表2 岭头杂岩体稀土元素分析结果及相关参数

3.3 微量元素特征

岭头杂岩体各样品的微量元素含量见表3。显示Ba、Sr、Zr、V的含量较高，w(Ba)为(361～925)×10-6(平均值为485.6×10-6)，w(Sr)为(202～799)×10-6(平均值为436.8×10-6)，w(Zr)为(91.10～155.00)×10-6，w(V)为(48.33～245.00)×10-6；Cs、Ta、U的含量较低，w(Cs)为(0.07～2.63)×10-6，w(Ta)为(0.25～0.71)×10-6，w(U)为(0.20～0.60)×10-6。二长闪长岩样品的 Sc、Co、Cr、Ni、V 含量明显高于石英二长岩，而 Zr、Nb、Hf、Ba 含量低于石英二长岩。

表3 岭头杂岩体微量元素分析结果及相关参数

在微量元素原始地幔标准化蛛网图 (图8) 上，岭头杂岩体各样品的曲线形状基本一致，Ba、K、La、Sm、Y 等大离子亲石元素相对富集、表现为异常峰，而 U、Nb、Ti 等高场强元素则呈不同程度地亏损、表现为异常谷。

4 锆石U-Pb定年

锆石 U-Pb 同位素体系具有较高的封闭温度，一般不会受各种地质作用影响发生扰动[10]，LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 年龄可反映较真实的岩浆岩形成时代。本次工作在岭头杂岩体中的二长闪长岩、石英二长岩中分别采集了U-Pb测年样品，编号分别为 U-Pb607/1、U-Pb608/1，与全岩分析样品 G607/1、G608/1 对应。锆石制靶及 LA-ICP-MS 锆石定年工作均在天津地质矿产研究所同位素实验室完成。

二长闪长岩样品 (U-Pb607/1) 的锆石个体较小，长轴不超过150 μm，多数不太完整、多呈他形柱状、棱角较分明 (图9)，多具振荡环带结构、色调较深，为岩浆锆石。选取25颗锆石进行了U-Pb同位素年龄测定，测试结果见表4，共24个有效数据点。19测点的232Th/238U 值为0.06，小于0.4，对应的锆石可能为继承锆石。其他测点的232Th/238U 值为1.20～2.48，均大于0.4，显示出典型岩浆锆石的特征[21-22]。测点的206Pb/238U 表面年龄加权平均值为 (134.20 ± 0.64) Ma (图10)，解释为岭头杂岩体的二长闪长岩的成岩年龄。

表4 岭头二长闪长岩(U-Pb607/1)锆石U-Pb同位素分析结果

石英二长岩样品 (U-Pb608/1) 的锆石较完整，长轴多小于100 μm，绝大多数锆石具环带结构，色调较深，为岩浆锆石 (图11)。采用 LA-ICP-MS 测年方法对25个测点进行了U-Pb同位素测定，测试结果见表5，有效数据点为20个。测点13及测点19的年龄值相对较小，与其他测点差别较大，可能代表导致放射性铅丢失的后期地质事件发生的时间[23]。其余测点的232Th/238U 值介于0.46～2.34，均大于0.4，为典型的岩浆锆石特征。测点的206Pb/238U表面年龄加权平均值为 (128.8±1.4) Ma (图12)，解释为岭头杂岩体的石英二长岩的成岩年龄。

表5 岭头石英二长岩(U-Pb 608/1)锆石U-Pb同位素分析结果

5 讨论

5.1 岩石成因

岭头杂岩体的 MgO、CaO、TiO2含量与 SiO2含量呈一定程度的负相关，而 Fe、Mg、Ca、Ti 主要分别赋存于橄榄石、辉石及铁钛氧化物中[10]，这些矿物的分离结晶作用可引起上述负相关，薄片结果显示岭头杂岩体的二长闪长岩中含少量辉石，说明该杂岩体的岩浆演化可能与矿物的结晶分异作用有关，表1中较高的镁铁指数 (MF为70.6～81.4) 也印证了这一点[13]。岭头岩体中 Ba、Sr、LREE 含量的平均值大于大陆地壳的平均丰度 (Ba为456×10-6、Sr为320×10-6、LREE为92.9×10-6)[24]，说明该闪长岩形成过程中应该有来自地幔源区部分熔融岩浆的加入；U、Nb、Ti等高场强元素相对于其他元素有较明显的亏损，表明岩浆侵位过程中遭受了地壳物质的混染[10]。岭头杂岩体的w(Th)/w(U) 的比值2.68～8.17，平均值为4.97，介于中国大陆地幔 Th/U 值(3.60)和下地壳 Th/U 值(5.48)之间，反映了岩浆有下地壳物质的参与[25]。较弱的Eu异常及重稀土亏损，反映岩浆起源较深(大于60 km)[26]，可能有上地幔物质加入。(Sr/Y) - Y 变异图解 (图13) 上，岭头杂岩体的样品多数落入埃达克质岩的区域；许多学者认为埃达克质岩的高Sr/Y值可反映源区特征，成因为拆沉下地壳或加厚基性下地壳的部分熔融，也可能为部分熔融的壳源岩浆交代亏损地幔[28-31]。表1显示岭头杂岩体具有较高的含镁指数 (Mg#为31.07～44.22)，说明其不可能全部形成于基性下地壳的部分熔融过程，幔源岩浆的混合可能在岩浆岩形成过程中起重要作用[32]。

从接触关系及同位素资料显示，岭头杂岩体中的二长闪长岩、石英二长岩的生成先后顺序为二长闪长岩→石英二长岩，石英含量逐渐增多，酸性、碱性程度逐渐增高，稀土总量也逐渐增高，显示出正向演化特征。在反映同源岩浆演化趋势的 Ni-Co 图解上，由二长闪长岩→石英二长岩，Ni与Co的比值呈现由高到低的规律性演化趋势 (图14)。

以往传统的观点认为，华北中生代岩浆岩起源于地壳加厚条件下基性下地壳的部分熔融[33-35]，或者是基性下地壳拆沉到地幔环境下发生部分熔融[36]。较新的观点认为华北中生代岩浆岩主要形成于壳幔混合岩浆作用以及随后的分离结晶作用等复杂的过程[32-33]：由于古太平洋板块的持续俯冲，华北最终发展为弧后伸展环境；强烈的岩石圈伸展引起软流圈地幔物质的上涌，并加热堆积位于过渡带的俯冲板片，导致俯冲板片中的含水矿物脱水而释放出大量的流体；这些流体与上涌的软流圈地幔物质带来的高热流一起，交代富集岩石圈地幔使其发生部分熔融，产生了大量的基性岩浆；这些基性岩浆再底侵到下地壳，使下地壳岩石发生部分熔融而形成花岗质岩浆，两者发生混合形成混浆；混浆再发生以铁镁矿物为主、长石为辅的分离结晶作用，最终形成了华北一系列由基性岩到中酸性和酸性岩的复杂岩石类型[32]。大量基性包体的存在是壳幔岩浆混合过程的重要特征[32]。前已述及，岭头杂岩体中局部可见二长闪长岩发育岩球构造，岩球以基性捕掳体为核，这一现象可能是发生过壳幔岩浆混合的证据，也可能是部分熔融的地壳物质中掺杂有固态的基性超基性岩。

综上可知，岭头杂岩体的岩浆源区既有地幔物质、又有地壳物质，其形成过程与华北其他地区的中生代侵入岩较类似。

5.2 形成时代及意义

岭头一带的早白垩世晚期各个侵入体均侵入马家沟组一段至四段灰岩、白云岩。区域上见有该期岩体侵入到石炭系，其形成时代应晚于石炭纪。前人在豫北地区的中生代侵入体获得的年龄多为 K-Ar 年龄 (89 Ma～170 Ma)，范围变化较大。本次工作在岭头杂岩体的二长闪长岩中获得的锆石 U-Pb 年龄为 (134.20±0.64) Ma，在石英二长岩中获得的锆石U-Pb年龄 (128.8±1.4) Ma，说明后者侵入稍晚。综上可知，(128.8±1.4) Ma可视作岭头杂岩体的最终形成年龄，时代为早白垩世。

太行长治地区平顺闪长岩测定的锆石 U-Pb 年龄 (125.5±2.3) Ma[10]、西安里角闪辉长岩获得的锆石 U-Pb 年龄 (131±1) Ma[37]，邯郸地区的符山闪长岩获得的锆石 U-Pb 年龄为 (125±1) Ma[38]、(126.7±1.1) Ma[39]，林州东冶闪长岩测定的锆石 U-Pb 年龄为 (125.9±0.9) Ma[40]。本次获得的豫北岭头杂岩体的锆石 U-Pb 年龄与上述同属太行山南段的中性侵入岩的年龄有较好的一致性，均为早白垩世，说明太行山南段在早白垩世发生过较强烈的构造-岩浆事件[3]，与中国东部在早白垩世发生过大规模岩浆、成矿事件相吻合[9]。华北克拉通岩石圈减薄的峰期发生在早白垩世，以广泛发育的岩浆活动为主要标志之一[1-2，35]。本次研究取得的豫北岭头杂岩体的锆石U-Pb年龄结果，表明华北克拉通岩石圈减薄事件可能波及了包括豫北岭头一带在内的太行山南部地区。