隨棗北部桐柏雜巖表殼巖特征、成因及時代探討

向祥輝, 陳 婕, 陳以春, 吳康生, 但家軍, 張 聰

(湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽 441002)

圖1 隨棗北部桐柏雜巖分布圖Fig.1 Distribution map of Tongbai complex in the north of Suizhou-Zaoyang1.中生代白堊紀早世斑狀鉀長花崗巖;2.中生代白堊紀早世鉀長花崗巖;3.中生代白堊紀早世斑狀二長花崗巖;4.中生代白堊紀早世二長花崗巖;5.中生代侏羅紀早世二長花崗巖;6.中生代侏羅紀中世斑狀二長花崗巖;7.中生代侏羅紀中世二長花崗巖;8.中生代侏羅紀晚世斑狀二長花崗巖;9.中生代侏羅紀晚世二長花崗巖;10.桐柏山雜巖;11.低角閃巖相帶;12.綠片巖相帶。

桐柏雜巖地處揚子地塊北緣,是連接東秦嶺、蘇魯—大別造山帶的重要地質單元,隨棗北部桐柏雜巖位于新城—黃陂斷裂帶與桐柏—磨子潭斷裂帶之間,被韌性剪切帶所夾持,為變形強烈的花崗巖地質體(圖1),主要由片麻狀花崗質巖體、變質巖包體(表殼巖)和未變形花崗巖三部分組成,長期以來被認為是一個前寒武紀的變質雜巖體,變質巖包體(表殼巖)屬太古代—中元古代地層。近年來,隨著高精度同位素年齡值的獲取,認為桐柏雜巖不再是古老的變質核雜巖,而屬燕山期的花崗巖,對其變質巖包體(表殼巖)的時代成因的認識也不斷更新,本文通過對隨棗北部桐柏雜巖表殼巖地質特征、巖石化學特征的分析及古生物證據的收集,與同區域變質地層進行類比,對桐柏雜巖表殼巖的形成環境、成因時代進行探討。

1 巖石地質特征

1.1 地質特征

桐柏雜巖表殼巖巖性主要為斜長片麻巖、斜長角閃(片)巖、大理巖、石英巖—云英片巖類等,呈包裹體形式分布于桐柏雜巖花崗質片麻巖中,總體呈北西向展布,包裹體規模大小不一,形態各異,多呈似層狀、透鏡體狀、橢圓狀、串珠狀和不規則狀,最大者超過1 km,小者僅幾厘米(野外露頭尺寸),包裹體成分可以是一種巖性,也可以由多種巖性共同組成。在桐柏山山脊一帶以斜長片麻巖為主,偶見有石英巖,常穿插有花崗巖脈、石英脈、花崗偉晶巖脈等,包裹體規模較大,長寬一般幾百米至1 km余,呈帶狀延伸;桐柏山南西坡以斜長角閃巖為主,大理巖次之,大理巖常呈透鏡體狀、條帶狀夾于斜長角閃巖中,局部互層,偶見有斜長片麻巖、石英巖—云英片巖,規模較小,長寬一般幾十—幾百米;桐柏山北東坡以斜長片麻巖、斜長角閃巖為主,二者相伴而生,規模最小,長寬一般僅幾米。

桐柏雜巖表殼巖包裹體與圍巖一般有較清晰的接觸界線(少數因同化混染界線模糊),見有花崗質巖石呈脈狀、楔狀穿插于包裹體中;常發育有不同程度的混合巖化、糜棱巖化作用,斜長角閃巖、大理巖包裹體見有矽卡巖化或似矽卡巖化作用;大都具有強烈的柔性變形和多期次的褶皺疊加,見有構造混雜巖、鞘褶皺;地表常呈凹坑或空洞。

1.2 巖石特征

桐柏雜巖表殼巖主要劃分為斜長片麻巖、斜長角閃巖、大理巖、石英巖—云英片巖等四大類,同時按礦物成分、結構構造進行進一步劃分,見表1。

表1 桐柏雜巖表殼巖巖石特征表Table 1 Table of rock characteristics of supracrustal rock of Tongbai complex

2 地球化學特征

2.1 主要元素地球化學特征

桐柏雜巖表殼巖不同巖石類型主要元素地球化學成分數據來源于:天和口幅、萬和店幅1∶5萬區域地質調查報告和湖北省新城—黃陂—合河段構造地質特征及其對金礦的控制作用報告。巖石類型不同其化學成分明顯不同,主要巖石類型、巖石化學成分及化學參數見表2、表3。斜長角閃巖類SiO2堿質較低,鐵鎂組分TiO2、CaO較高,其中SiO2為46.94%～51.78%,Al2O3為11.90%～12.57%,CaO+MgO為9.60%～14.28%,TFe為14.20%～17.35%,CaO>MgO,K2OMgO。長英質片巖SiO276.75%,Al2O311.87%,CaO+MgO 0.84%,TFe 1.69%,CaO>MgO。大理巖以CaO(40.27%)和CO2(31.88%)為主,含大量的Al2O3(4.15%)、Fe2O3(2.19%)。

正變質巖中Al2O3質量分數0.86%～28%,一般低于20%,而一些副變質巖中可達17%～40%;正變質巖CaO+MgO通常<30%,極少超過47%,而副變質巖中CaO則可以高達46%,MgO達47%[1];表明區內斜長片麻巖類、斜長角閃巖類具典型的巖漿巖化學成分特征,斜長角閃巖類、斜長片麻巖類物質成分來源于巖漿作用,長英質片巖來源于沉積作用(圖2)。研究結果表明,變質火成巖的投影點除分布在正斜長角閃巖區外,有的也分布在副斜長角閃巖區[2]。

桐柏雜巖表殼巖尼格里數值因表殼巖巖類不同而有明顯的差異(表3)。按al-alk分值:al-alk>20屬以粘土質巖石為主的沉積巖,al-alk<10一般屬于堿性較高的似細碧斑巖質巖石或基性巖,10

表2 桐柏雜巖表殼巖巖石主要化學成分表Table 2 Table of the main chemical contents of supracrustal rock of Tongbai

注:●數據來源于天和口幅、萬和店幅1∶5萬區域地質調查報告;★數據來源于《湖北省新城—黃陂—合河段構造地質特征及其對金礦的控制作用》報告。下表同。

表3 桐柏雜巖表殼巖巖石化學參數表Table 3 Table of rock chemical parameters of supracrustal rock of Tongbai complex

圖2 斜長角閃巖類、斜長片麻巖類、長英質片巖成分來源圖解Fig.2 Diagrammatic diagram of the origin of amphibolite,plagioclase gneiss and felsic schist1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;7.長英質片巖;Ⅰ.正斜長角閃巖;Ⅱ.負斜長角閃巖。

圖3 尼格里四面體圖解(據尼格里,1954)Fig.3 Negri tetrahedron diagram

1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;6.大理巖;7.長英質片巖。

經尼格里四面體圖解(圖3)、si-mg圖解(圖4)、(al-alk)-c圖解(圖5)、(al+fm)-(c+alk)-si圖解(圖6)綜合分析判定:斜長角閃巖類、斜長片麻巖類為火山巖類,長英質片巖為凝灰質沉積巖類,大理巖為鈣質沉積巖。

圖4 si-mg圖解(據范德坎普和比克豪斯,1970)Fig.4 si-mg diagram1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;7.長英質片巖。

桐柏雜巖表殼巖同類巖石不同區段化學成分、尼格里數值也存在一定差異,尤其是堿質的變化更為明顯,其較好地體現了原巖的特點,也反映了后期變化的特點。

2.2 稀土元素地球化學特征

桐柏雜巖表殼巖主要巖類稀土元素分析結果及特征值見表4、表5,稀土元素采用Masuda等(1973)Leedy的球粒隕石平均值進行標化,桐柏雜巖表殼巖稀土配分曲線見圖7。

斜長片麻巖類、斜長角閃巖類ΣREE值為147.13×10-6～987.17×10-6,LREE/HREE值為1.40～13.72,稀土元素配分曲線呈右傾,屬輕稀土富集型,中間略有起伏;Eu/Sm=0.16～0.33,相當于花崗巖、玄武巖類巖石。斜長角閃巖δEu=0.97,Eu異常不明顯,斜長片麻巖類、斜長角閃片巖δEu=0.52～0.69,Eu負異常;δCe=0.92～1.03,Ce異常不明顯;除斜長角閃片巖(La/Yb)N值較大(64.36)外,斜長角閃巖(La/Yb)N=2.25～4.23、斜長片麻巖(La/Yb)N=7.95～8.72。

圖5 (al-alk)-c圖解(據利克,1960)Fig.5 (al-alk)-c diagram1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;6.大理巖;7.長英質片巖。

圖6 (al+fm)-(c+alk)-si圖解(據西蒙南,1953)Fig.6 (al+fm)-(c+alk)-si diagram1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;6.大理巖;7.長英質片巖。

表4 桐柏雜巖表殼巖稀土元素成分表(10-6)Table 4 Table of rare earth elements of supracrustal rock of Tongbai complex

巖石類型LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuY斜長角閃巖●28.2769.828.6645.0811.853.9413.182.2013.762.767.841.197.281.0970.86斜長角閃巖●21.4043.725.6724.055.441.785.800.915.721.093.110.472.930.4424.61斜長角閃片巖●213.28444.3045.15183.8428.275.2916.921.868.011.473.010.451.920.2633.15黑云斜長片麻巖●36.3679.708.5331.957.671.526.450.975.301.042.800.442.650.4026.82黑云二長片麻巖●45.9094.9911.7942.198.361.316.831.095.731.103.110.493.050.4829.83大理巖★6.6212.771.625.651.180.341.030.170.960.200.580.090.520.076.01

表5 桐柏雜巖表殼巖稀土元素地球化學特征Table 5 Geochemical characteristics of rare earth elements of supracrustal rock of Tongbai complex

圖7 桐柏雜巖表殼巖稀土元素配分圖解Fig.7 Rare earth element partition diagram of supracrustal rock of Tongbai complex1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4.黑云斜長片麻巖;5.黑云二長片麻巖;6.大理巖。

大理巖ΣREE值為37.81×10-6,LREE/HREE值為2.93,稀土元素配分曲線向右緩傾,屬輕稀土富集型;Eu/Sm=0.29。δEu=0.93,Eu負異常;δCe=0.89,Ce負異常,具海相沉積物(生物灰巖)的特征;(La/Yb)N=7.38。

La/Yb-REE圖解(圖8)顯示:斜長角閃巖投點在玄武巖區域,斜長角閃片巖投點在金伯利巖區域,斜長片麻巖投點在花崗巖區域,大理巖投點在鈣質泥質沉積巖區域。

3 表殼巖成因時代分析

3.1 巖石原巖恢復

桐柏雜巖表殼巖均為經歷了多期次、不同類型變質作用的變質巖,片理發育,變余結構保留較少,而區域變質作用是主要的,混合巖化、動力變質作用等是疊加的、局部的或不徹底的改造;除伴有強烈交代作用的變質巖外,假定變質巖是特定原巖在相對封閉條件下經變質作用的產物,其成分變化基本上是等化學的,因而其巖石化學和地球化學特征基本反映原巖的特征,并主要受原巖形成作用和成巖構造環境所制約。故而采用巖石的共生組合、巖石化學和微量元素的特征研究桐柏雜巖表殼巖的成因。

主要元素地球化學特征及圖解表明:桐柏雜巖表殼巖斜長片麻巖類、斜長角閃巖類具典型的巖漿巖化學成分特征,斜長角閃巖類、斜長片麻巖類物質成分來源于巖漿作用,屬火山巖類,斜長片麻巖類SiO276.17%～76.78%,屬酸性火山巖類,斜長角閃巖類SiO246.94%～51.78%,屬基性火山巖類;長英質片巖來源于沉積作用,屬凝灰質沉積巖類;大理巖為鈣質沉積巖。

圖8 La/Yb-REE圖解(據C.J阿利格里等,1974)Fig.8 La/Yb-REE diagram1、2.斜長角閃巖;3.斜長角閃片巖;4、5.斜長片麻巖;6.大理巖。

稀土元素地球化學特征及圖解表明:桐柏雜巖表殼巖斜長片麻巖類、斜長角閃巖類相當于花崗巖、玄武巖類巖石。斜長角閃巖投點在玄武巖區域,斜長角閃片巖投點在金伯利巖區域,斜長片麻巖投點在花崗巖區域;大理巖具海相沉積物(生物灰巖)的特征,大理巖投點在鈣質泥質沉積巖區域。

綜上所述:桐柏雜巖表殼巖斜長角閃巖原巖屬玄武巖,斜長角閃片巖原巖可能為金伯利巖,斜長片麻巖原巖屬酸性火山巖,長英質片巖原巖屬凝灰質沉積巖,大理巖原巖為鈣質沉積巖。

3.2 巖石形成環境

桐柏雜巖表殼巖中斜長角閃巖常與大理巖共生,斜長片麻巖局部夾大理巖,局部斜長角閃巖與斜長片麻巖共存,可以認為其大體上相當于火山—沉積巖系;其中長英質片巖類、大理巖屬凝灰質—鈣泥質沉積巖,斜長角閃巖類、斜長片麻巖類屬火山巖。

斜長角閃巖ΣREE=147.13×10-6～287.57×10-6,LREE/HREE=1.40～12.27,Eu/Sm=0.16～0.33,δEu=0.97,Eu異常不明顯,具輕稀土富集,在大陸拉斑玄武巖稀土元素值(ΣREE=15.2×10-6～322×10-6、LREE/HREE=0.5～7.6,Eu/Sm=0.16～0.55,大部分無Eu異常)范圍內(圖9)。

斜長片麻巖、斜長角閃巖與大陸裂谷雙峰式火山巖特征相似:基性巖主要是富堿質,中酸性巖偏堿質;玄武巖富Th,LREE/HREE為明顯分離的型式,LREE豐度值高;酸性巖明顯富LREE和Th,含量較高;雙峰式火山巖中玄武巖出露面積小[3]。

圖9 大陸拉斑玄武巖的稀土范圍(據L.R.Cullers及J.K.Graf,1984)Fig.9 The rare earth range of continental tholeiite

桐柏雜巖表殼巖組合特征及主要元素、稀土元素地球化學特征說明:斜長片麻巖、斜長角閃巖形成環境具大陸裂谷雙峰式火山巖的特征,其整體形成構造環境為大陸裂谷雙峰式火山—沉積巖建造。

3.3 巖石形成時代

桐柏雜巖基礎地質研究程度較低,缺乏必要的年代學資料,以往一直被認為是一個前寒武紀的變質雜巖體,桐柏雜巖表殼巖被視為太古代—中元古代地層。同位素年代學研究表明,桐柏雜巖中多數變質包體的原巖生成于新元古代,變質時代為印支期,少量副片麻巖的繼承鋯石形成于太古代,并在古—中元古代發生過變質作用;變質巖原巖侵位時間約為810～770 Ma[4]。桐柏雜巖中少量副片麻巖包體起源于太古代華南陸塊上(2 960±9)Ma發生的巖漿活動,這些早期的巖漿巖在古元古代(1 966±22)Ma發生過變質作用;其它多數變質巖包體的原巖是羅迪尼亞超大陸聚合、解體過程中生成的巖漿巖,聚合巖漿作用發生在(933±22)Ma,裂解巖漿作用主要年齡為(863±11)～(742±30)Ma[5]。桐柏變質帶桐柏雜巖中混合巖的原巖形成時代為中—新元古代約828 Ma,并在早白堊紀135～131 Ma經歷深溶作用[6]。

桐柏山南麓殷店鎮棗林崗桐柏雜巖表殼的白色大理巖中發現了大量有殼無脊椎動物化石碎屑以及保存完整的有孔蟲個體,可鑒定出四個屬,時代為古生代[7]。

綜上所述:桐柏雜巖表殼巖形成時代為新元古代南華紀—早古生代。

4 與隨棗北部新元古代—古生代變質地層的對比

桐柏雜巖表殼為桐柏雜巖主體花崗質片麻巖中呈構造巖片分布的變質包裹體,地層層序、結構基本已被破壞,為花崗巖侵位過程中捕獲的圍巖;其巖石組合、形成環境及時代、主要元素、稀土元素特征等方面與隨棗北部新元古代—古生代變質地層具有相似性(表6、圖10),說明其為同一套地層。

桐柏雜巖表殼與隨棗北部新元古代—古生代變質地層具有相同的巖石組合:雙峰式火山—沉積巖建造;相同構造環境:大陸裂谷雙峰式火山—沉積巖環境;相同的形成時代:新元古代—古生代。

表6 桐柏雜巖表殼巖與隨棗北部變質地層化學元素特征對比Table 6 The characteristics of chemical elements of metamorphic stratum in the north of Suizhou-Zaoyang compared with those of Tongbai complex

注:●數據來源于天和口幅、萬和店幅1∶5萬區域地質調查報告;▲數據來源于鹿頭鎮幅、棗陽縣幅1∶5萬區域地質調查報告;(3)括號內數字為統計個數。

圖10 桐柏雜巖表殼與隨棗北部火山變質巖稀土特征對比圖Fig.10 Comparison of rare earth characteristics between Tongbai complex and the volcanic metamorphic rocks in the north of Suizhou-Zaoyang2.表殼巖斜長角閃巖;8.隨棗北部基性火山變質巖;4.表殼巖黑云斜長片麻巖;9.隨棗北部酸性火山變質巖。

5 結論

桐柏雜巖表殼巖主要劃分為斜長片麻巖、斜長角閃(片)巖、大理巖、石英巖—云英片巖等四大類,其呈規模大小不一、形態各異的包裹體形式分布于桐柏雜巖花崗質片麻巖中,包裹體成分可以是一種巖性,也可以由多種巖性共同組成。表殼巖包體與圍巖一般有較清晰的接觸界線(少數因同化混染界線模糊),見有花崗質巖石呈脈狀、楔狀穿插于包體中;常發育有不同程度的混合巖化、糜棱巖化作用,斜長角閃巖、大理巖包體見有矽卡巖化或似矽卡巖化作用;大都具有強烈的柔性變形和多期次的褶皺疊加,見有構造混雜巖、鞘褶皺;地表常呈凹坑或空洞。

桐柏雜巖表殼巖斜長片麻巖類、斜長角閃巖類具典型的巖漿巖化學成分特征,斜長角閃巖類、斜長片麻巖類物質成分來源于巖漿作用,屬火山巖類,斜長片麻巖類屬酸性火山巖類,斜長角閃巖類屬基性火山巖類大陸拉斑玄武巖,局部可能發育有金伯利巖;長英質片巖來源于沉積作用,屬凝灰質沉積巖類;大理巖為鈣質沉積巖。

桐柏雜巖表殼巖斜長片麻巖、斜長角閃巖具大陸裂谷雙峰式火山巖的特征,其整體形成的構造環境為:大陸裂谷雙峰式火山—沉積巖建造。

桐柏雜巖表殼巖形成時代為新元古代南華紀—早古生代,與隨棗北部新元古代南華紀武當群—早古生代地層時代一致,形成環境相似,其應為同一套地層,只是后期經歷了不同的地質發展過程,具有各自不同的變形變質特征。