東秦嶺銅山-天山花崗巖巖石地球化學特征

自1979年以來，手稿和威勒斯提出了貧水和堿性（側殼）的概念，并在非造山環境中形成了a型花崗巖。對于東秦嶺地區廣泛分布的花崗巖特征,特別是富堿侵入巖,國內眾多的地質學家進行了較為全面的系統研究,并提出了一系列新的認識。對于東秦嶺A型花崗巖、環斑花崗巖等的研究成果亦有報道。銅山-天目山花崗巖體,以往被認為是S型花崗巖。筆者在開展1/25萬區域地質調查(1)工作的基礎上,通過對上世紀80年代完成的1/5萬區域地質調查(2)-(4)巖石地球化學數據再整理及再認識發現其完全具備鋁質A型花崗巖特征,而有別于S型花崗巖或殼源重熔型。該類巖石的出現標志著東秦嶺地殼在早白堊世中晚期仍處在伸展減薄塌陷階段。1銅山-私家車巖的巖石學特征銅山-天目山花崗巖地處秦嶺造山帶東段(即東秦嶺)的桐柏北部,由銅山、天目山兩個花崗巖巖基或巖株組成,分別呈北西向蝌蚪狀、南東向不規則帶狀展布于羊冊-明港斷裂帶南北兩側(圖1),跨華北陸塊南緣與北秦嶺構造帶兩個二級構造單元,侵入于中-新元古代變質地層及新元古-晚侏羅世巖體等,出露總面積約145km2。侵入界線清楚,局部地段可見烘烤邊,接觸界面多外傾,傾角65°~80°。圍巖蝕變主要見于兩巖體的東南側,有矽卡巖化、角巖化及硅化等,接觸帶寬0.1~1.5km;沿接觸帶并見有鉬銀鉛鋅礦化和螢石礦化(5)。呈大花瓣狀或放射狀巨晶沿天目山巖體裂隙產出的輝鉬礦Re-Os同位素模式年齡為121.6±2.1Ma,表明銅山-天目山花崗巖體的成巖年齡應略大于此年齡值,但仍應為早白堊世。銅山-天目山花崗巖的巖性單一,不含富云富閃等基性包體,巖性均為黑云母花崗巖,在R1-R2分類圖解上,投點均位于堿性花崗巖區(圖略)。根據巖石結構和內部接觸關系,由邊緣至中心銅山巖體可進一步劃分為細粒黑云母花崗巖-中粒黑云母花崗巖-粗中粒黑云母花崗巖-斑狀粗中粒黑云母花崗巖等四個巖性單元,天目山巖體可進一步劃分為細粒黑云母花崗巖-細中-中粒黑云母花崗巖-粗中粒黑云母花崗巖-斑狀細粒黑云母花崗巖-細粒黑云母花崗巖等五個巖性單元,各單元間接觸關系較為清晰,反映出具多次脈動上侵的特點。巖石呈淺肉紅色,細粒-中粗粒花崗結構(等粒-連續不等粒結構),似斑狀結構,塊狀構造。礦物組成及基本特征為:細粒-中粗粒花崗巖中堿性長石20%~45%、斜長石20%~40%、石英20%~30%、黑云母<5%;似斑狀花崗巖中斑晶為堿性長石,占10%~45%,基質為堿性長石(35%~40%)、斜長石(30%~35%)、石英(30%)、黑云母<2%,占55%~90%。堿性長石為條紋長石,他形-半自形粒狀,具卡氏雙晶,條紋長石斑晶中有時出現環斑構造,晶面渾濁,有高嶺土化、泥化;斜長石為更鈉長石,An=5~30,半自形板柱狀,具交代蠕蟲及交代凈邊結構,常見聚片雙晶,有泥化、絹云母化;石英他形粒狀,裂紋發育;黑云母片狀,多色性明顯。副礦物以磁鐵礦、鋯石、榍石、鈦鐵礦為主,副礦物組合屬磁鐵礦型。2巖石的地球化學特征銅山-天目山花崗巖巖石化學成分及特征參數、稀土及微量元素含量及特征參數分別如表1、2所示。2.1堿度及微量元素特征銅山-天目山花崗巖各樣品巖石化學成分非常接近。SiO2含量較高,為74.44%~77.06%,平均75.93%;(Na2O+K2O)較富,為8.22%~9.05%,平均8.50%,且K2O/Na2O比值均大于1,為1.05~1.56,平均1.27;CaO含量較低,為0.13%~0.91%,平均0.43%;MgO含量較低,為0.04%~0.50%,平均0.19%;FeOT/MgO比值較高,一般為9.50~17.32,平均11.18。總體顯示出高硅堿富鉀貧鈣低鎂的A型花崗巖特征。銅山-天目山花崗巖分異指數(DI)為92.99~97.01,平均95.29,分離結晶程度較高;堿度率(AR)為4.00~5.75,平均4.97,在AR-SiO2堿度關系圖(圖2a)上,樣品投點全部落在堿性區;鋁飽和指數(A/CNK)一般為0.99~1.08,平均1.03,在A/NK-A/CNK圖解(圖2b)上,樣品投點落入準鋁質-弱過鋁質巖石區;CIPW標準礦物中多有剛玉(C)分子出現。表明銅山-天目山花崗巖屬鋁質花崗巖。2.2a型礦漿hfse銅山-天目山花崗巖稀土元素總量(∑REE)較高,為75.82×10-6~121.89×10-6;輕重稀土元素比值(LREE/HREE)為4.87~15.14,分餾程度較高;δEu為0.11~0.51,Eu虧損顯著。稀土元素球粒隕石標準化分布型式呈典型的A型花崗巖特有的“海鷗型”(圖3)。微量元素Ba含量為43.7×10-6~233×10-6,平均197.6×10-6;Rb含量為541×10-6~489×10-6,平均498.8×10-6;Sr含量為5.1×10-6~95.6×10-6,平均56.07×10-6;Nb含量為70.0×10-6~85.0×10-6,平均87.1×10-6;Zr含量為30×10-6~145×10-6,平均71.7×10-6;Y含量為9.20×10-6~14.93×10-6,平均12.75×10-6;Ga含量為17.7×10-6~23.5×10-6,平均20.6×10-6;Rb/Sr比值為5.66~95.88,平均36.15;Rb/Ba比值為2.32~11.99,平均5.41。顯示出Nb、Ga等高場元素(HFSE)含量和Rb/Sr、Rb/Ba比值高的A型花崗巖特征。在微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖4)上,表現為高場元素(HFSE)Nb、Zr、Y、Ce及K、Rb、Th、Hf、Sm、Yb富集,而Sr、Ba、Ta、P、Ti強烈虧損,表明其可能是一種高演化成分的A型花崗巖。3投點及投點均落在a型火山巖區,投點呈上向水前已述及,銅山-天目山巖體在巖石地球化學成分上表現出A型花崗巖的特征。Collins等(1982)、Whalen等(1987)和Eby(1990)根據結晶分異作用過程中主量元素、大離子親石元素和高場元素的地球化學行為,先后繪制了一些判別圖解。在Na2O-K2O判別圖解(圖5a)上,樣品投點全部落在A型花崗巖區;Eby(1990)認為對于高硅的花崗巖而言,FeOT-SiO2相關圖是判別A型花崗巖與I型、S型花崗巖的有效圖解,在該判別圖解(圖5b)上,除4個斑狀花崗巖樣品,由于含有一定量微斜長石斑晶而使基質中FeOT含量減少,投影到I型及S型花崗巖區外,其余樣品投點幾乎全部落入A型花崗巖區。同樣在判別A型花崗巖的10000Ga/Al-FeOT/MgO、K2O/Na2O、Y、Ce圖(圖6)上,投點也全落在A型花崗巖區。結合巖石的飽和鋁指數特征可以確定銅山-天目山巖體應屬于鋁質A型花崗巖。關于A型花崗巖的巖漿起源及演化已有多種觀點,主要包括:堿性玄武巖的分離結晶;巖漿混合;下地殼源巖(或麻粒巖相殘留體、紫蘇花崗質下地殼或英云閃長質I型花崗巖)的部分熔融。銅山-天目山巖體中Sr、Ba含量低顯示了強巖漿結晶分異作用的特點;Rb含量高于分異成因花崗巖(>270×10-6),表明其可能是由穩定殼源物質熔融的高硅富堿低鈣花崗質巖漿結晶分異而成。4國內外大地構造背景的研究現狀A型花崗巖形成與熱點、大陸裂谷或造山后的地殼伸展有關,目前國內外在認識沒有大的分歧,但其大地構造背景可以是伸展、擠壓或剪切走滑。以下從巖體野外地質產狀和巖石地球化學特征兩個方面,對銅山-天目山花崗巖形成的構造環境加以探討。4.1晚期單元半套環式分布銅山-天目山花崗巖由銅山、天目山兩個花崗巖體組成。前者呈北西向蝌蚪狀展布,巖體內部未見暗色巖石包體和礦物定向組構,說明其應屬構造被動就位。由自南東向北西隱約可見晚期單元半套環式分布,巖體與圍巖接觸界面南東端呈弧形,圍巖亦發生強迫一致現象;北西端接觸界面呈港灣狀,表明其具南東向側向侵位的特點。后者呈北東向不規則帶狀展布,巖體內部也未見暗色巖石包體和礦物定向組構,亦說明其應屬構造被動就位。由自南西向北東隱約可見晚期單元半套環式分布,巖體與圍巖接觸界面北東端凸顯弧形;北西端接觸界面呈樹杈狀脈體侵位,表明其具北東向側向侵位的特點。綜上所述,銅山、天目山巖體在地質特征上分別顯示出沿北西向和北東向兩組共軛深大斷裂被動就位的特點。4.2銅山-東南角a型火山巖Maniar和Piccoli(1989)利用花崗巖類巖石主元素地球化學特征參數,將花崗巖類形成的構造環境劃分為造山類和非造山類;Hoskin等(2000)劃分為地幔分異、板塊碰撞前、碰撞后隆起、造山晚期、非造山、同碰撞、造山期后。Eby(1992)根據高場元素地球化學行為,將A型花崗巖分為A1型(非造山的大陸裂谷或板內環境型)和A2型(造山后的陸-陸碰撞或島弧環境),與之對應的是洪大衛等(1995)的AA型(非造山型)和PA型(后造山型)。銅山-天目山花崗巖在Al2O3-SiO2、FeOT/(FeOT+MgO)-SiO2判別圖和FeOT-MgO(AFM三元圖解)、(FeOT+MgO)-CaO(ACM三元圖解)判別圖(圖7)上,大多數投點落入非造山區(RRG+CEUG)。在R1-R2、10000Ga/Al構造環境判別圖解(圖8)上,樣品投點分別全部落入造山期后花崗巖區和后造山A型花崗巖區;進一步在Nb-Y-Ce和Nb-Y-3Ga圖解(圖9)上,投點均落入非造山區。在lg[CaO/(K2O+Na2O)]-SiO2構造體制判別圖解(圖10)上,多數樣品投點落入伸展型花崗巖區。據此表明,銅山-天目山花崗巖形成于疊覆造山期后的板內非造山拉張環境。5晚侏羅-早白堊世構造體制轉換和巖漿源區秦嶺造山帶是一條結構復雜的大陸造山帶,經歷了多期次的伸展裂解、匯聚拼貼,特別是印支期陸內俯沖作用的全面改造。區域研究成果表明,早泥盆世華北與揚子板塊開始自東向西發生碰撞拼合(這一地質過程在東秦嶺華北與揚子板塊主縫合帶—龜梅斷裂帶北側的大別山北坡發育石炭系含煤建造、桐柏山北坡發育晚古生代-下三疊統含放射蟲動物群碳酸鹽巖建造檔案中得以記錄),南秦嶺向北拆離俯沖,它的上部墊置于北秦嶺之下,下部俯沖于華北塊體之下。中三疊世,秦嶺古海槽全面封閉,華北與揚子板塊拼貼為一個整體,轉入陸內疊覆造山構造演化階段。盧欣祥等(1999)確切認為以老君山、秦嶺梁和沙河灣巖體為代表的東秦嶺環斑花崗巖帶(U-Pb,Rb-Sr,Ar-Ar210~217Ma)的發現,表明秦嶺主造山階段已經結束和后造山階段—陸內階段的開始,此時北秦嶺向北仰沖,華北陸塊南緣呈鱷魚狀向南楔入到北秦嶺構造帶,形成了北秦嶺逆沖推覆構造帶及華北地塊南緣的陸內俯沖。階段的開始,此時北秦嶺向北仰沖,華北陸塊南緣呈鱷魚狀向南楔入到北秦嶺構造帶,形成了北秦嶺逆沖推覆構造帶及華北地塊南緣的陸內俯沖。早中侏羅世陸內疊覆造山使秦嶺地殼加厚,原有的造山帶巖石圈結構失衡,俯沖楔斷離拆沉,上地幔與中下地殼物質混熔形成造山期后中酸性混漿型巖漿源。晚侏羅世,受環太平洋構造域的影響,中國東部乃至整個東秦嶺地區構造運動體制發生了大的轉換,即從近南北向擠壓機制轉入近東西向伸展機制,形成近東西-北西西向走滑正斷層和北東向平移正斷層,兩組深大斷裂構成棋盤格子狀構造,為造山期后形成中酸性混漿型巖漿提供了通道,桐柏-大別山地區的晚侏羅-早白堊世商城、新縣、靈山、雞公山、車云山混漿型花崗巖巖基侵入就位和一系列山前斷陷盆地南緣晚侏羅-早白堊世早中期金剛臺組、陳棚組陸相中酸性火山巖噴發(溢),這既是當時東秦嶺構造體制發生轉換的有力佐證。伸展構造體制轉換,不僅使造山帶伸展塌陷,同時地殼亦發生減薄,隨著地殼熱流值的不斷升高,早白堊世中晚期中下地殼物質再次發生局部熔融,形成以高硅富堿低鈣為特征的非造山環境下的花崗質巖漿,并沿北西向和南東向兩組斷裂被動上侵,銅山-天目山鋁質A型花崗巖就位。A型花崗巖形成于開放的拉張環境,是構造巖漿旋回演化后期的產物,它成為造山帶和擠壓造山運動結束和轉入拉張環境的最直接的巖石學記錄。因此,銅山-天目山鋁質A型花崗巖的產出,標志著東秦嶺地殼在早白堊世中晚期仍處于伸展減薄塌陷階段。6稀土元素及微量元素地球化學(1)銅山-天目山花崗巖巖石化學成分具高硅堿富鉀貧鈣低鎂,FeOT/MgO比值高,堿度率(AR)、鋁飽