北淮陽早白堊世金剛臺組火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及地層對比

李鑫浩 ,高昕宇張忠慧,方建華,趙太平

(1.中國科學院 廣州地球化學研究所 礦物學與成礦學重點實驗室,廣東 廣州 510640;2.中國科學院大學,北京 100049;3.河南省山水地質旅游公司,河南 鄭州 450001;4.河南省地質調查院,河南 鄭州450001)

0 引言

大別造山帶北緣即北淮陽地區廣泛分布著晚中生代火山巖,該火山巖帶長逾330 km,寬10~50 km,大致以商城–金寨、曉天–舒城為中心分布,西起河南信陽,東至安徽六安,與郯廬斷裂帶交接(圖1)。這一火山巖帶在空間上呈近東西向展布,與大別造山帶的構造線方向一致,并明顯受到斷裂帶的控制,夾在固始–合肥斷裂和磨子潭–曉天斷裂之間。北淮陽地區中生代火山巖的形成與揚子和華北克拉通的俯沖碰撞及其后續的伸展拉張作用密切相關(邱檢生等,2002),而碰撞后的巖漿作用是反映構造演化及殼–幔信息的重要內容。前人對大別地區火山巖進行過一定程度研究(楊為民和楊為根,1995;程安學,1999;吳海權,2000;Wang et al.,2002;李雙應等,2002;邱檢生等,2002;王岳軍等,2002;吳海權等,2002;孔凡軍和蔣永福,2006;韓燕峰等,2010),但和大別造山帶的中生代花崗質巖漿作用的研究相比,北淮陽地區中生代火山巖的研究程度依然薄弱。

前人把北淮陽地區的中生代火山巖劃分為5個火山構造單元,自西向東依次為信陽火山沉積盆地、光山–商城火山沉積盆地、金剛臺錐型火山群、霍山–舒城火山沉積盆地和磨子潭–曉天火山沉積盆地(張鵬,1998)。不同地區的地層分別為陳棚組、金剛臺組、響洪甸組和毛坦廠組。已有的研究主要集中于火山巖帶的東部(楊為民和楊為根,1995;程安學,1999;吳海權,2000;Wang et al.,2002;李雙應等,2002;邱檢生等,2002;王岳軍等,2002;吳海權等,2002;孔凡軍和蔣永福,2006;韓燕峰等,2010)。對于西部的金剛臺組火山巖,前人主要側重于研究火山巖的地質學、巖石學和巖石地球化學(劉文燦等,1997;張鵬等,1997;杜建國和張鵬,1999;楊澤強等,2006),精確的年齡數據相對較少。近年來有學者對金剛臺組火山巖進行年代學研究(黃丹峰等,2010;黃皓和薛懷民,2012),但其采樣位置多位于火山巖系的下部層位,對其火山活動下限時間沒有做出很好的限定。而且金剛臺組火山巖與相鄰產出的商城花崗質侵入巖之間的先后關系,一直存在爭議(劉振宏等,1994;杜建國和張鵬,1999;羅照華等,2008)。北淮陽地區中生代火山巖也缺乏區域內的綜合對比。因此,在加強西部地區火山巖研究的基礎上,在區域內進行巖石學、年代學的綜合對比對更好的理解北淮陽火山巖帶具有重要作用。

圖1 北淮陽地區火山巖分布及構造格架圖(據李雙應,2003改)Fig.1 Simplified tectonic map of the Beihuaiyang region showing the distribution of volcanic rocks

本文在前人工作基礎上,對北淮陽地區西部的金剛臺組火山巖進行精確的 LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年,討論了其與商城花崗巖體的先后關系,并在此基礎上對北淮陽地區火山巖地層進行綜合對比,以更好地建立北淮陽地區中生代巖漿的時空格架,為深入探討北淮陽地區中生代巖漿作用規律提供依據。

1 地質背景

金剛臺組火山巖位于北淮陽中生代火山巖帶的西部(圖1),地跨河南、安徽兩省,大致以金剛臺和饅頭寨為中心呈近圓形分布(圖2),可分為東西兩部分,出露面積約240 km2(劉文燦等,1995)。金剛臺組以火山碎屑巖為主體,其中熔結凝灰巖、角礫晶屑凝灰巖占絕對優勢。火山活動以中心式噴發為特征,其復式火山機構由多個次級的錐狀火山組成,在火山噴發的不同部位分別保存有火山流動構造和火山角礫構造。

金剛臺組火山巖周圍出露的地層主要有下古生界佛子嶺巖群、泥盆系花園墻組、上石炭統胡油坊組、楊小莊組、中侏羅統三尖鋪組和第四系沖積層。區域侵入巖以早白堊世中晚期的中酸性侵入巖為主,商城巖體為該區域較大的侵入巖體。早白堊世中晚期的中酸性巖體中偶見少量后期侵入的基性巖墻。

2 樣品描述

本次選擇了 3個火山巖樣品用于鋯石定年,分別為JGT-1、JGT-10和JGT-80。

樣品 JGT-1為流紋英安巖,采自金剛臺組火山巖底部,地理坐標為 N31°47′41.4″,E115°44′22.9″。顏色為深灰色,斑狀結構,塊狀構造。斑晶以斜長石為主,少量鉀長石、石英。鏡下有明顯的流動構造。樣品 JGT-1的大部分鋯石都發育清晰、密集的振蕩環帶,鋯石中出現較多長柱狀晶體(可達 30%) ,長寬比最大可達 3∶1(圖3a),Th/U比值為 0.45~2.24,具有典型的巖漿鋯石特征。

圖2 金剛臺地區地質簡圖(據劉文燦等,2005修改)Fig.2 Schematic geological map of the Jingangtai area

樣品JGT-10為英安巖,采自金剛臺組火山巖中部,地理坐標為 N31°46′21.4″,E115°44′35″。顏色為深灰色,斑狀結構,塊狀構造。斑晶以斜長石為主,少量鉀長石、石英。樣品JGT-10的大部分鋯石都發育清晰、密集的振蕩環帶,鋯石中出現較多長柱狀晶體(可達40%) ,長寬比最大可達3∶1(圖3c),Th/U比值為0.49~1.60,具有典型的巖漿鋯石特征。

樣品JGT-80為安山巖,采自蘇仙石火山噴發中心附近,地理坐標 N31°46′31.4″,E115°34′1.9″。巖石呈暗灰色,斑狀結構,塊狀構造。斑晶主要為斜長石,少量輝石、黑云母、角閃石。斑晶粒徑一般為0.2~0.5 mm。基質為交織結構,以斜長石為主。該樣品的鋯石晶形完好,發育清晰、密集的振蕩環帶。鋯石晶形主要為短柱狀,棱角分明,長寬比1.5∶1,長度一般在100~150 μm;少量為長柱狀,長寬比在 2∶1~3∶1,長200~250 μm(圖3e),Th/U比值為0.56~5.67,具有典型的巖漿鋯石特征。

3 分析方法

樣品在河北廊坊誠信地質技術服務公司用常規方法分選鋯石。將挑選好的鋯石制成靶,并進行透射光和陰極發光(CL)照相,以選擇晶形好、表面干凈的鋯石做分析測試。鋯石U-Pb年齡測定在中國科學院地質與地球物理研究所完成。分析儀器為Agilent公司7500a型ICP-MS,激光束直徑為40 μm,剝蝕頻率為8 Hz,能量密度為15~20 J·cm-2,剝蝕時間約60 s。詳細的分析程序見謝烈文等(2008)。鋯石U/Pb比值及年齡校準選用標準鋯石 91500。鋯石U-Pb同位素及U、Th數據處理使用Glitter4.0軟件(Jackson et al.,2004)。

4 分析結果

JGT-1樣品20顆鋯石的206Pb/238U表面年齡介于137~119 Ma(表1),剔除6個信號不好或Pb丟失的鋯石,其中14顆鋯石年齡集中于132~120 Ma,獲得加權平均年齡為 127.5±0.6 Ma,MSWD=0.7(圖3b)。

JGT-10樣品20顆鋯石的206Pb/238U表面年齡介于137~118 Ma(表1),剔除3顆明顯偏離其他數據的鋯石,其中17顆鋯石年齡集中于132~120 Ma,獲得加權平均年齡為124.8±2.3 Ma,MSWD=0.7(圖3d)。

JGT-80樣品17顆鋯石的U-Pb年齡范圍較大，介于1918~117 Ma(表1),剔除8顆繼承鋯石,其中9顆鋯石年齡集中于117~130 Ma,獲得加權平均年齡為123.3±2.7 Ma,MSWD=3.5(圖3f)。8顆繼承鋯石的年齡范圍分為 2段,分別為:1918~1766 Ma和474~402 Ma。古元古代繼承鋯石的發現,反映金剛臺組火山巖的物質來源有較老的地殼物質加入;474~402 Ma這個年齡段對應著商丹洋閉合引起的一系列構造–熱事件(Dong et al.,2011)。

從采自不同層位的 3個樣品的測年結果來看,金剛臺組火山巖形成時間從 123.3~127.5 Ma,形成于早白堊世,火山巖組底部年齡值在誤差范圍內與前人研究結果一致(129~127.6 Ma;黃丹峰等,2010;黃皓和薛懷民,2012)。金剛臺組火山巖表現為多期次噴發形成,但火山活動持續時間較短。

圖3 鋯石陰極發光圖像及U-Pb年齡諧和圖Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of the zircons from the volcanic rocks and the U-Pb concordant diagrams

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5 討論

5.1 金剛臺地區早白堊世巖漿活動

早期的年代學研究認為金剛臺組火山巖形成于晚侏羅世(劉文燦等,1997;張鵬等,1997;杜建國和張鵬,1999),而本次研究獲得的金剛臺組火山巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡表明金剛臺組火山巖形成于早白堊世。

金剛臺地區出露的商城巖體,面積約 131 km2(劉文斌等,2003),主要分布在金剛臺組火山巖的西北部,兩者接觸關系不明。前人認為商城巖體晚于金剛臺組火山巖(劉振宏等,1994;杜建國和張鵬,1999),而最近的年代學資料表明,商城巖體的形成年齡為 141±2 Ma~137±2 Ma(高昕宇等,2013)。在野外工作中,我們也發現,在商城巖體和金剛臺組火山巖的接觸部位,有次火山巖脈侵入到商城巖體之內,這些資料均表明金剛臺組火山巖的噴發晚于商城巖體的侵入。因此,在金剛臺地區早白堊世的巖漿活動,先是花崗質巖漿侵入形成商城巖體,然后發生強烈的火山噴發作用,形成金剛臺組火山巖。

金剛臺火山巖的形成年齡與大別地區早白堊世花崗質巖漿作用的峰期年齡(130~125 Ma,Xue et al.,1997;Hacker et al.,1998;Wei et al.,2001;劉敦一等,2002;薛懷民等,2002;Ma et al.,2004;Bryant et al.,2004;Xu et al.,2007;Zhao et al.,2007;趙子福和鄭永飛,2009)一致。此外,該年齡值也處在大別地區零星分布的早白堊世輝石巖–輝長巖侵入體、基性巖墻/脈和基性火山巖的巖漿活動峰值區間內(130~120 Ma,Jahn et al.,1999;李曙光等,1999;Qiu et al.,2000;Fan et al.,2001,2004;王岳軍等,2002;王江海和鄧尚賢,2002;Zhao et al.,2005;Wang et al.,2005)。可見,金剛臺組火山巖與大別地區早白堊世花崗質及中、基性侵入巖和火山巖可能在同一大地構造背景及動力學條件下形成。

5.2 地層對比

北淮陽地區分布著大面積的火山巖,自西向東分別為陳棚組、金剛臺組、響洪甸組、曉天組和毛坦廠組,它們的年齡數據見表2。從表2中可以看出,北淮陽地區的火山活動相對比較集中,為 133.1~122 Ma。

早白堊世,北淮陽地區火山活動比較強烈,在西北部,形成了陳棚組(133.1~125.1 Ma)自下而上為爆發相、噴發–沉積相、溢流相;在西南部,形成了以爆發相為主,伴隨著熔巖溢出的金剛臺組火山巖(127.5~123.3 Ma);在中部形成了響洪甸組(122 Ma)的堿性火山巖;在東部形成爆發相、噴發–沉積相交替不均勻出現的毛坦廠組(133~128.6 Ma)(圖4)。由此可見,整個北淮陽地區的火山活動時間基本一致,火山噴發時限在133.1~122 Ma,并不存在前人(杜建國和張鵬,1999)提出的北淮陽地區火山巖從東到西巖漿巖成巖時代漸新、火山活動變弱的演化趨勢。

從巖性來看,西部以中酸性–酸性的粗安巖、英安巖和流紋巖為主,是一套中偏酸性的巖石組合,其地球化學特征類似于埃達克巖,并被認為極可能起源于玄武質下地殼的部分熔融(潘國強等,2001) ;東部火山巖以中性–中酸性安山巖、粗安巖和粗面巖為主,但同時發育有偏堿性的基性火山巖–堿性玄武巖和堿性火山巖–霞石正長巖(響洪甸組)和細晶–隱晶質中基性火山巖(曉天組),這類巖石的出現表明東部火山巖應起源于上地幔,該觀點也得到其他學者的廣泛認同(杜建國和張鵬,1999;謝芳貴等,2000;王岳軍等,2002;Fan et al.,2004)。因此,北淮陽地區早白堊世火山巖具有從西到東酸度逐漸降低的趨勢,暗示其巖漿源區逐漸變深、地幔物質的參與逐漸增多。

表2 北淮陽中生代火山巖年齡數據表Table 2 Ages of the Mesozoic volcanic rocks in the Beihuaiyang region

圖4 北淮陽地區火山巖地層柱狀對比圖Fig.4 Stratigraphic correlation of the volcanic rocks in the Beihuaiyang region

位于北淮陽地區火山巖帶西部和東部的金剛臺組和毛坦廠組火山巖的噴發類型十分相似,均以中心式的劇烈噴發為主。它們在巖石組合以及地貌上也很相似:(1)在巖石組合上,毛坦廠組和金剛臺組均主要由熔巖、火山碎屑巖、通道相的安山玢巖組成,且火山碎屑巖分布最廣,占地層巖石總量的比重最大;(2)在地貌上,中心式噴發使兩者都形成了火山錐地貌。毛坦廠組和金剛臺組火山巖有一明顯的不同,毛坦廠組發育有沉積巖夾層,分別為厚約40 m的礫巖層和厚約50 m的泥巖層,說明毛坦廠組火山巖為多期次噴發形成,且間歇期較長。

綜合分析可以發現,北淮陽地區早白堊世發育的大面積火山巖帶的東部和西部火山巖特征較相似,如金剛臺組火山巖和毛坦廠組火山巖在火山活動類型、巖石組合、成巖年齡等方面都十分吻合,由此推測在早白堊世,北淮陽地區發生一次大規模的火山活動,此火山活動以中心式噴發為主,范圍綿延整個北淮陽地區,直接形成了北淮陽地區大面積的火山巖。

6 結論

(1) 金剛臺組火山巖以火山碎屑巖為主體,形成于127.5±0.6~123.3±0.7 Ma,表明火山巖是在較短的時間內噴發形成的。

(2) 年齡對比結果表明,金剛臺組火山巖活動時間晚于商城巖體,并不整合覆蓋在商城巖體之上。

(3) 早白堊世北淮陽地區發生一次大規模的火山活動,范圍綿延整個北淮陽地區,從西到東,火山活動時間近于一致,但火山巖酸性程度逐漸降低,表明其巖漿源區有逐漸變深、地幔物質參與逐漸增多的變化趨勢。

致謝:感謝胡國輝和周艷艷博士在 LA-ICP-MS鋯石U-Pb分析測試過程中的幫助。兩位審稿人對論文進行了全面仔細的審閱,提出了寶貴的修改意見,使論文質量得到了很大提高,在此表示衷心感謝。

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