武漢長江新城北部埃達克質花崗巖地球化學特征及其地質意義

何仁亮, 陶 良, 張 雅, 孔令耀, 李 朋,周 峰, 楊青雄, 吳 波, 劉 力

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034;3.湖北省地質勘查工程技術研究中心,湖北 武漢 430034; 4.武漢市測繪研究院,湖北 武漢 430022;5.湖北省地質局 第三地質大隊,湖北 黃岡 438000)

埃達克巖是根據巖石地球化學特征命名的巖石類型,最早由Kay[1]發現于Aleutian群島的Adak島,這套新生代鎂質安山巖具有富含大離子親石元素(LILE),低*FeO/MgO比值,高Sr、Sr/Y及La/Yb比值的特征。Defant et al.[2]對埃達克巖進行了定義,認為該類巖石具有SiO2含量≥56%、Al2O3含量≥15%、MgO含量常<3%;虧損重稀土元素(HREE)(如Yb含量≤1.9×10-6)和Y(含量≤18×10-6),高Sr(含量>400×10-6)、La/Yb比值(>7.6～15.0)、Sr/Y比值(>20.0～40.0);正Eu異常(少數為極弱負Eu異常)等特征。早期研究發現的埃達克巖都產于匯聚板塊邊緣,與俯沖洋殼的部分熔融有關;后來在遠離俯沖帶的內陸板內環境中也發現了具有相似地球化學特征的巖石,這些巖石可能來源于下地殼加厚[3]、下地殼拆沉[4]、島弧巖漿分離結晶[5-6]、巖漿混染[7]、洋殼沉積物部分熔融[8-9]等。

在開展武漢市多要素城市地質調查過程中,于長江新城北部鉆孔中發現了隱伏的淺肉紅色中細粒黑云二長花崗巖侵入到南華系雙臺組變質巖中,其巖石地球化學分析結果顯示出埃達克質巖特征。本文試圖通過詳細的全巖主微量元素和鋯石U-Pb年代學研究,探討其巖石成因及構造背景,以期對大別造山帶南緣的早白堊世動力學背景及巖漿演化提供更多約束,同時也為長江新城地下空間規劃與開發利用提供一些基礎數據。

1 地質背景

長江新城位于大別造山帶南側的武漢市中北部,其西北角出露南華系雙臺組變質巖,其他地區多被第四系所覆蓋,淺部基巖主要為白堊系—古近系公安寨組和新近系廣華寺組(圖1)。大別造山帶是揚子陸塊和華北陸塊在中—晚三疊世碰撞之后受到晚中生代構造巖漿作用改造的復合造山帶,同時也是世界上最大的超高壓變質帶。本次研究的樣品采集于長江新城北部鉆孔JK215和FK205中(圖2-a),這兩個鉆孔相距約300 m,揭露的黑云二長花崗巖分別厚5 m和2 m,判斷它們揭露的為同一巖體。

圖1 武漢長江新城基巖地質圖Fig.1 Bedrock geological map of Changjiang New Town in Wuhan

a.巖心;b.鏡下特征(正交偏光);Bi.黑云母;Kf.鉀長石;Pl.斜長石;Q.石英圖2 黑云二長花崗巖巖心及鏡下特征Fig.2 Rock core and microscopic characteristics of biotite monzogranite

巖體巖性為淺肉紅色中細粒黑云二長花崗巖,具中細粒花崗結構(圖2-b)、塊狀構造,主要由斜長石(50%)、鉀長石(20%)、石英(20%)、暗色礦物(5%)和副礦物(5%)組成。斜長石呈自形板柱狀,多數發育細密平直的聚片雙晶,少數具環帶狀內部結構,成分為中更長石,晶體表面普遍布滿顯微鱗片狀的絹云母集合體(即絹云母化)。鉀長石呈半自形板狀,成分為正長石,較粗大的鉀長石晶體內含多個細小的斜長石、石英等礦物包體。石英呈他形粒狀分布于長石之間。暗色礦物主要為黑云母,少量為角閃石,黑云母多呈片狀,少數具綠泥石伴析鐵現象;角閃石多呈柱狀。副礦物沿主要礦物粒內或粒間零星分布,有磷灰石、磁鐵礦、鋯石、榍石等。

2 方法與結果

2.1 分析方法

在鉆孔JK215和FK205中分別采集了2件黑云二長花崗巖樣品,手工除去樣品表面風化層,碾碎至1～5 mm,然后使用超聲波清洗儀清潔樣品表面,烘干后使用不銹鋼缽粉碎至200目送檢。樣品主、微量元素測試在湖北省地質實驗測試中心完成,主量元素測試采用X射線熒光光譜法(XRF),儀器為Shimadzu XRF-1800型X熒光光譜儀;微量元素測試采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS),儀器為ThermoFisher X2型電感耦合等離子體質譜儀。主量和微量元素的測試精度均優于5%。

在鉆孔JK215中采集了1件樣品,送至河北省區域地質礦產調查研究所完成鋯石U-Pb年齡測定。將樣品粉碎到80～100目,利用常規的浮選和電磁法分離出鋯石,在雙目鏡下挑選出晶型較好的鋯石。將分選出的鋯石顆粒粘在雙面膠上,套上靶環,灌入環氧樹脂后冷卻,對樣靶進行拋光,然后進行反射光、透射光和陰極發光的照相。鋯石U-Pb同位素和微量元素微區分析采用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜法(LA-ICP-MS),激光束斑直徑為32 μm,用He作為剝蝕物質的載氣,標準鋯石91500作為外標,GJ-1或Plesovic為監控標樣,詳細實驗過程及儀器參數見袁洪林等[10]。采用ICPMSDataCal軟件對測試結果進行處理[11],處理后的數據用Isoplot 3.0程序進行諧和圖繪制和加權平均年齡計算[12]。

2.2 測試結果

2.2.1 主量元素

黑云二長花崗巖主量元素測試結果(表1)顯示,其SiO2含量較高,為65.99%～67.01%;Al2O3含量為15.58%～15.89%,鋁飽和指數(A/CNK)為0.91～0.97,屬偏鋁質系列;Na2O含量為5.00%～5.12%,K2O含量為3.49%～3.99%,Na2O/K2O比值為1.27～1.44,全堿(Na2O+K2O)含量為8.51%～9.07%,具有富堿、富Na特征;里特曼指數為3.02～3.57,屬于鈣堿性系列;MgO含量為1.06%～1.20%,Fe2O3含量為0.91%～1.17%,具有低Fe、貧Mg特征;CaO、TiO2、P2O5含量都較低,分別為2.17%～2.55%、0.39%～0.42%和0.22%～0.32%。在TAS圖解(圖3)中,樣品均落入石英二長巖區域。在K2O-SiO2圖解(圖4)中,樣品全部落入高鉀鈣堿性系列區域。在A/NK-A/CNK圖解(圖5)中,樣品均落入準鋁質區域。總體而言,長江新城北部的黑云二長花崗巖具有高Si、富堿、富Na,低CaO、MgO、Fe2O3的特征。

表1 黑云二長花崗巖主、微量元素測試結果Table 1 Main and trace element test results of biotite monzogranite

(1).橄欖輝長巖;(2a).堿性輝長巖;(2b).亞堿性輝長巖;(3).輝長閃長巖;(4).閃長巖;(5).花崗閃長巖;(6).花崗巖;(7).石英巖;(8).二長輝長巖;(9).二長閃長巖;(10).二長巖;(11).石英二長巖;(12).正長巖;(13).副長石輝長巖;(14).副長石二長輝長巖;(15).副長石二長正長巖;(16).副長石正長巖;(17).副長石深成巖;(18).霓方鈉巖/粗白榴巖圖3 黑云二長花崗巖TAS圖解(底圖據Middlemost[13])Fig.3 TAS diagram of biotite monzogranite

圖4 黑云二長花崗巖K2O-SiO2圖解(底圖據Peccerillo et al.[14])Fig.4 K2O-SiO2 diagram of biotite monzogranite

圖5 黑云二長花崗巖A/NK-A/CNK圖解(底圖據Maniar et al.[15])Fig.5 A/NK-A/CNK diagram of biotite monzogranite

2.2.2 微量元素

黑云二長花崗巖微量元素組成特征見表1,其原始地幔標準化蛛網圖(圖6)呈右傾型式,顯示出Rb、Ba、K、Pb、Sr等大離子親石元素(LILE)相對富集,Nb、Ta、P、Ti等高場強元素(HFSE)相對虧損的特征。

圖6 黑云二長花崗巖微量元素原始地幔標準化蛛網圖(原始地幔數據據Taylor et al.[16])Fig.6 Spider diagram of trace elements in biotite monzogranite standardized by primary mantle

黑云二長花崗巖稀土元素總量(∑REE)為175.16×10-6～196.19×10-6,平均為187.10×10-6,含量較低;輕稀土元素(LREE)含量為167.64×10-6～188.49×10-6,重稀土元素(HREE)含量為7.52×10-6～8.31×10-6,LREE/HREE比值為22.15～24.44,顯示輕稀土元素相對于重稀土元素富集的特征;(La/Yb)N介于33.73～43.45,顯示了輕、重稀土元素之間具有明顯地分異,反映源區地殼具有較高的成熟度[17];δEu介于1.01～1.03,顯示極弱的正Eu異常特征。由圖7可以看出,稀土元素球粒隕石標準化配分曲線屬于明顯右傾的輕稀土富集型。

圖7 黑云二長花崗巖稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(球粒隕石數據據Taylor et al.[16])Fig.7 Distribution diagram of REE in biotite monzogranite standardized by chondrite

2.2.3 鋯石U-Pb年齡

長江新城黑云二長花崗巖的鋯石呈無色—淺褐色,透明程度好,自形程度高,多呈長柱狀或短柱狀,顆粒大小中等,長60～150 μm,寬40～80 μm。陰極發光(CL)圖像顯示大部分鋯石具有清晰的單期生長同心環帶特征(圖8-a)。鋯石Th/U比值為0.18～1.45,顯示了巖漿鋯石的特征(表2)。

表2 黑云二長花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb測試結果Table 2 Zircon U-Pb test results of biotite monzogranite by LA-ICP-MS

圖8 黑云二長花崗巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和加權平均年齡圖(b)Fig.8 Zircon U-Pb age harmonic diagram (a) and weighted average age diagram (b) of biotite monzogranite

黑云二長花崗巖18顆鋯石的LA-ICP-MS數據點均分布在U-Pb諧和線上或其附近(圖8-b)。數據點206Pb/238U年齡相對集中,分布在123.8～130.4 Ma,加權平均值為(128.3±0.6)Ma(MSWD=0.85),代表了長江新城黑云二長花崗巖的結晶年齡。

3 討論

3.1 巖石成因

分析長江新城黑云二長花崗巖的巖石地球化學特征,發現其具有埃達克質巖的特征,在Sr/Y-Y圖解(圖9)和(La/Yb)N-YbN圖解(圖10)中,樣品均落入埃達克巖區域。

圖9 黑云二長花崗巖Sr/Y-Y圖解(底圖據Defant et al. [18])Fig.9 Sr/Y-Y diagram of biotite monzogranite

圖10 黑云二長花崗巖(La/Yb)N-YbN圖解(底圖據Defant et al. [19])Fig.10 (La/Yb)N-YbN diagram of biotite monzogranite

埃達克質巖的成因主要可歸納如下:①低Mg下地殼部分熔融形成;②高Mg的拆沉下地殼部分熔融形成;③基性巖漿高壓分異形成;④混合成因[20]。有同時期的基性巖漿巖與其密切共生被認為是幔源與殼源巖漿混合或受到同化混染的必要條件,而本次野外調查和周邊鉆孔均未見到有同時期基性巖漿巖與其共生,基本可以排除殼幔混合成因[21]。大別山及鄰區存在的中生代埃達克質侵入巖的形成可能與中國東部中生代地殼加厚有關[22]。長江新城黑云二長花崗巖相對富K2O,K2O/Na2O比值為0.69～0.78,不同于俯沖板片熔融形成的埃達克巖通常具有相對富Na2O(K2O/Na2O <0.5)的特征,卻與下地殼部分熔融成因的埃達克質巖相似[23]。本區黑云二長花崗巖具有高SiO2,低CaO、MgO、Fe2O3,富集輕稀土元素和大離子親石元素,虧損高場強元素的特征,暗示其來源于古老地殼物質的部分熔融[24],同大別造山帶大面積出露的早白堊世花崗巖源自于揚子陸塊北緣地殼物質的部分熔融[25]類似。其輕重稀土元素分餾強烈,且低Y和Yb可能顯示了源區殘留相中有石榴石;顯著虧損高場強元素(Nb、Ta、P、Ti),表明源區有富Ti相或角閃石殘留相;富集Sr且具有正Eu異常,表明花崗巖巖漿熔出后,源區殘留物中有石榴石而無斜長石,斜長石幾乎全部進入熔漿[26];Nb的虧損暗示巖體物源可能來自地殼[27]。因此,長江新城黑云二長花崗巖可能由早白堊世加厚下地殼含石榴石角閃巖部分熔融形成。

3.2 構造背景

晚中生代,東亞經歷了古太平洋板塊俯沖、多向匯聚造山和地殼加厚以及早白堊世巨量伸展垮塌等地質事件,并造成了華北克拉通的破壞[28]。華南南緣及秦嶺—大別造山帶在早白堊世經歷了大規模的伸展作用,總體上沿NWW-SEE方向延伸,桐柏山穹隆發育在高壓—超高壓造山帶之中,穹隆核部為花崗質片麻巖、片麻狀混合巖等,白堊紀巖漿巖大規模侵入于穹隆之中[29]。近年來大量的高精度鋯石U-Pb年齡數據表明大別造山帶巖體主要形成于145～120 Ma[25,30],前人研究表明大別山早白堊世花崗巖是揚子陸塊北緣中下地殼部分熔融的產物,其源巖可能是揚子陸殼北緣新元古代TTG型巖漿巖[31]。大別造山帶曾于白堊紀發生加厚下地殼的拆沉作用[32],但對拆沉的認識主要基于東大別巖漿巖,早于130 Ma的花崗巖多具有高Sr/Y比值以及低Y含量的特征,可能形成于深度>50 km的加厚下地殼的部分熔融,而晚于130 Ma的花崗巖不再具有上述地球化學特征[33]。長江新城以北地區的夏店巖體(130±1.8 Ma)[34]、新縣巖體(126±2 Ma)[31,35]、靈山巖體(130～125 Ma)[33,36]均形成于拆沉后伸展(造山期后)環境,長江新城黑云二長花崗巖的地球化學性質與它們完全不同,而與鄂北七尖峰巖體(140±1 Ma)[24,37]具有相似的地球化學性質,同屬埃達克質巖,可能為同期巖漿作用的產物,指示了從碰撞擠壓構造體制向碰撞后伸展構造體制轉換,伴隨著加厚下地殼的垮塌、拆沉及埃達克質巖漿侵位。

4 結論

(1) 長江新城黑云二長花崗巖具有高SiO2,低CaO、MgO、Fe2O3,富集輕稀土元素和大離子親石元素、虧損高場強元素(Nb、Ta、P、Ti),高Sr、Sr/Y比值,低Y、Yb,正Eu異常等地球化學特征,具典型的埃達克質巖特征,可能是加厚下地殼物質部分熔融的產物。

(2) 長江新城黑云二長花崗巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結果為(128.3±0.6) Ma,屬早白堊世。

(3) 大別造山帶南緣長江新城以北地區早白堊世(約128 Ma)經歷了從碰撞擠壓構造體制向碰撞后伸展構造體制的轉換,伴隨著加厚下地殼的垮塌及大規模巖漿作用。