太岳山17.9亿年英安斑岩的发现及其对华北克拉通南部裂谷系成因的约束.pdf
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1、书书书 ():岩石学报 :范昱宏,祝禧艳,段庆松等 太岳山 亿年英安斑岩的发现及其对华北克拉通南部裂谷系成因的约束 岩石学报,():,:太岳山 亿年英安斑岩的发现及其对华北克拉通南部裂谷系成因的约束范昱宏,祝禧艳 段庆松,马建锋,贾朝媛,刘书琪,赵太平 ,中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院矿产资源研究重点实验室,北京 中国科学院大学,北京 中国科学院地质与地球物理研究所,岩石圈演化国家重点实验室,北京 中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室,广州 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 ,收稿,改回 ,:,():,:(),(),;摘要熊耳群火山岩系主要分布于华北克拉
2、通南部地区,主体喷发时限是 。作为华北克拉通早期板块构本文受国家重点研发计划项目()和国家自然科学基金项目(、)联合资助第一作者简介:范昱宏,女,年生,硕士生,矿物学、岩石学、矿床学专业,:通讯作者:祝禧艳,女,年生,副研究员,前寒武纪地质学专业,:造调整阶段的首次大规模岩浆活动,该火山 侵入岩系的形成时限、时空分布规律和地球动力学背景尚有争议,制约了对华北克拉通中元古代构造演化的进一步认识。本次研究在华北中部太岳山地区识别出中元古代英安斑岩,与古元古代花岗质片麻岩围岩呈侵入关系,无明显变质变形。锆石 年龄分析结果表明,该英安斑岩形成于 ,属于熊耳期岩浆活动的产物。样品中约 的锆石显示出 和
3、两期年龄峰值,推测其为围岩的捕获锆石。英安斑岩 含量为 ,全碱()含量为 ,属于钾玄岩系列。样品稀土元素含量较高,亏损 、等高场强元素,富集 、等大离子亲石元素,与华北克拉通南部地区熊耳期英安 流纹斑岩的地球化学特征完全一致,指示板内伸展环境。太岳山熊耳期英安斑岩的发现,贯通了中条山地区的熊耳群火山岩系、吕梁地区汉高山群和小两岭火山岩系,完善了熊耳三叉裂谷系北支的空间分布范围,是华北克拉通中部地区开启中元古代裂陷作用演化的重要岩浆记录。关键词英安斑岩;熊耳火山 侵入岩系;三叉裂谷;太岳山;华北克拉通中图法分类号 ;华北克拉通(,)是世界上最古老的克拉通之一,经历了长达 亿年的演化,记录了前寒武
4、纪几乎所有的重大事件(,;,;,;,;翟明国,;,;,)。华北克拉通南缘中条山 熊耳山地区发育的熊耳群火山岩系不整合覆盖于太古宙 古元古代变质基底之上,是华北克拉通中元古代的第一套盖层,与同期基性岩墙共同记录了中元古代早期最重要的岩浆事件(赵太平等,;赵太平和金成伟,;,;崔敏利等,;柳晓艳等,;胡国辉等,;翟明国等,;,)。此后,华北克拉通南缘发育稳定盖层,形成中元古界厚达万米的滨浅海相 碳酸盐台地相沉积(胡国辉等,;苏文博,;祝禧艳等,;庞岚尹等,;,),标志着长时间裂陷背景下的持续沉积作用(翟明国等,)。正因此,熊耳群对于研究华北克拉通在中元古代构造环境演化有着重要的指示意义。但是,目前
5、对熊耳群形成时的构造背景仍有争议,对熊耳群岩浆活动是否记录了中元古代裂陷作用的开启尚无定论。部分学者根据熊耳群空间分布、岩石学及岩石地球化学特征,认为其形成于大陆裂谷的拉张应力背景下(薛良伟等,;金成伟,;赵太平等,;,;翟明国,;徐勇航等,;崔敏利等,;,),并结合其同期基性岩墙群推测该拉张应力来源于地幔柱(翟明国,;,)。也有学者根据熊耳群火山岩的地球化学数据显示出的岛弧岩浆岩、火山活动间歇性喷发等特征(,;,),以及熊耳期火山岩系其上不整合覆盖的兵马沟组长英质碎屑沉积物的岛弧地球化学特征(,),认为熊耳群形成于俯冲环境。本文从华北中部太岳山地区中元古代早期英安斑岩的岩相学、地球化学特征及
6、精细年代学入手,讨论了英安斑岩与熊耳群火山岩系的关系,延伸了其“三叉裂谷”分布的空间范围,为进一步论证华北克拉通在中元古代早期构造演化提供科学依据。区域地质概况及样品特征熊耳群火山岩主要分布于华北克拉通南缘熊耳山以及中条山等地(,;,),与其下太古宙 古元古代基底呈角度不整合接触(图 )(赵太平等,;翟明国等,)。熊耳群火山岩以熔岩为主,火山碎屑岩其次,含有少量沉积夹层(赵太平等,;张玉生等,)。熔岩中主要为玄武质、安山质熔岩,次为英安岩 流纹岩(陈衍景等,;赵太平和金成伟,)。此外,也有大量中 基性和酸性的次火山岩,主要发育于熊耳期岩浆作用的晚期,多与围岩呈侵入接触,产状多样(任富根等,;庞
7、振山和燕建设,),在河南嵩县地区可观察到熊耳期最晚期的流纹斑岩侵入安山岩(赵太平等,)。华北南缘及中部地区还发育有同期的基性岩墙群,一般认为与熊耳群有密切的成因联系(,;胡国辉等,)。华北中部太岳山地体呈“豆荚状”夹持在吕梁和中条地体之间,主要发育古元古代经历绿片岩相 高角闪岩相变质作用的闪长质 花岗质片麻岩、沉积岩以及中元古代弱变质变形的基性侵入体,局部经历强烈的混合岩化作用。早期地质调查研究以变质程度将其简单划分为下部的霍县群和上部的太岳山群(山西省地质矿产局,)。最新一轮地质调查工作将太岳山地体统称为霍山杂岩,变沉积岩系主要分布于小南坪、大南坪、交口峪等地,由变粒岩、石英岩、石英片岩等组
8、成,称为霍山表壳岩;岩浆岩主要由安子坪片麻状变质花岗岩、正南沟闪长质片麻岩、黄粱花岗质片麻岩组成(图 )。其中,安子坪片麻状花岗岩变质、变形程度最弱(,);黄粱花岗质片麻岩常呈肉红色,以高钾长石含量为特征;正南沟闪长质片麻岩呈灰白色,块状或条带状穿插于前者之中(山西省地质调查院,)。最新研究通过将上述岩体与华北中部吕梁、中条山等地的同类型岩浆岩进行对比,认为它们并非形成于前人认为的新太古代(山西省地质调查院,),而应为古元古代地质体(,)。岩石学报 ,():图 华北克拉通太古宇及古 中元古界地质简图(,据 ,)、熊耳群及可对比层位分布图(,据 ,;,)和太岳山地区古元古代 中元古代地质体分布简
9、图(,据山西省地质调查院,)(,),(,;,)(,)图 太岳山熊耳期英安斑岩实测剖面图 英安斑岩位于霍山顶峰东南约 处,出露面积约 (图 )。由于道路截切且覆盖严重,导致实测剖面中的英安斑岩呈断块状出露于黄粱钾质花岗片麻岩中(图 )。剖面局部可见正南沟闪长 斜长质片麻岩,相较于钾质花岗片麻岩,前者的斜长石及基性矿物含量更高。英安斑岩整体为紫红色 暗红色,未见明显变质变形,与两侧强变质变形的范昱宏等:太岳山 亿年英安斑岩的发现及其对华北克拉通南部裂谷系成因的约束图 太岳山熊耳期英安斑岩野外照片()钾质花岗片麻岩(左)与英安斑岩(右)分界;()钾质花岗片麻岩围岩;()英安斑岩呈块状构造;()英安斑
10、岩的斑状结构 ()()();();();()古元古代钾质花岗片麻岩对比明显(图 ,)。岩体呈斑状结构,块状构造,发育气孔构造,部分气孔被后期矿物充填形成杏仁,无明显定向(图 ,)。斑晶以斜长石、透长石、角闪石为主,粒度多在 ,少量 ,占岩石总量的 ,长石表面严重蚀变;石英粒度稍小,多在 以下(图 );可见少量石榴石,自形,粒度为 ,含量不足斑晶的 。基质呈霏细结构,主要为石英、钾长石、斜长石。不透明矿物(如,磁铁矿)含量低于 。分析方法 锆石 定年单矿物分选工作在河北省廊坊市宇能(宇恒)矿岩技术服务有限公司完成。样品经粉碎、淘洗、分选后在显微镜下手工挑出颗粒完整的锆石,用环氧树脂灌注待测锆石颗
11、粒及锆石标样 (,)与 (,)形成厚度为 的要求样品靶并进行打磨与抛光,此后在 实验室进行锆石样品靶的透、反射光显微照相及阴极发光()照相。阴极发光使用仪器为高真空扫描电子显微镜()并配备 系统。锆石微区原位 同位素测定在北京离子探针中心的 二次离子探针质谱仪上完成,以参考年龄为 的标准锆石 进行同位素分馏矫正,并利用标准年龄为 的标准锆石 标定 、的含量(,;,)。为保证数据具有有效性,每隔 个样品点测试一次标准锆石 ,其详细分析流程及原理参见文献(,;,)。本次共计测试 颗标准锆石 ,加权平均年龄为 (,)。将所得数据中的 进行普通 矫正,利用 (,)进行数据处理,处理过程中单个数据点误差
12、为 ,加权平均年龄置信度为 。此后利用样品靶上剩余的锆石在中国地质科学院地质力学研究所自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室进行激光剥蚀 等离子质谱()实验。电感耦合等离子质谱仪()为美国安捷伦科技公司生产的 ,激光剥蚀系统为美国相干()公司生产的 准分子激光器,波长 。利用标准锆石 的同位素比值变化采用线性内插的方式对 同位素比值进行校正,利用 作为外标、作为内标的方法进行定量计算锆石微量元素含量,实验方法详见王森等(),数据处理使用 (,),处理过程 岩石学报 ,():图 太岳山熊耳期英安斑岩显微照片()蚀变强烈的长石与镶嵌在长石颗粒中的角闪石;()镶嵌于长石颗粒中的角闪石及蚀变、破碎的透
13、长石、斜长石;()长石环带;()石榴石(、)单偏光下;(、)正交偏光下;斜长石;钾长石;角闪石;石英;石榴石 ();();();();(,);(,);中单个数据点误差为 ,加权平均年龄置信度为 。主、微量元素分析样品的全岩粉末制备由河北省廊坊市宇能(宇恒)矿岩技术服务有限公司完成,新鲜的岩石样品经纯化水清洗干净后,用颚式破碎机破碎及粉碎机粉碎后研磨至 目,选取 左右粉末进行全岩化学分析。主量元素及微量元素成分测试由武汉上谱分析科技有限责任公司完成,主量元素的测试需先使用部分样品计算烧失量,此后再将粉末样品进行称量并加入 助燃剂混合,利用金铂坩埚进行熔样后使用 射线荧光光谱法()测试,仪器采用波
14、长色散 射线荧光光谱仪(),样品粒度 目,分析误差优于 ;微量元素测试将样品称量后放入聚四氟乙烯溶样罐,加入 浓 后放入干燥箱 加热 ,稀释后再使 用 电 感 耦 合 等 离 子 体()质 谱 仪()进行测试,分析误差优于 。测试结果 锆石 年龄本次用于年龄分析的英安斑岩样品()来自山西古县大南坪村(、)。锆石形态主要可分为三类。第一类无震荡环带,呈板片状、碎片状,无色透明,自形程度差,粒径 ,长宽比为 ,部分可达 ;第二类为环状震荡环带,部分锆石环带密集,该类型锆石还出现部分熔蚀现象,无色透明,主要呈长柱状,自形程度较好,粒径 ,长宽比 ,部分出现核 边结构,为典型的酸性岩浆锆石;第三类为条
15、带状震荡环带,无色透明,自形程度较好,粒径 ,长宽比 ,部分出现核 边结构,显示中酸性岩浆锆石的形态特征。选取 个锆石颗粒进行 定年,分析结果范昱宏等:太岳山 亿年英安斑岩的发现及其对华北克拉通南部裂谷系成因的约束见电子版附表 。绝大多数锆石的 图像均显示清晰的震荡环带,为典型的中酸性岩浆锆石内部结构(图 )。锆石的含量范围为 ,部分可达 ,含量为 ,比值在 之间。在 个测点中,一个测点(点 )为变质增生边,比值为 ,其 年龄为 。剩余 个测点中,大部分锆石具有不同程度的 丢失(图 )。对应三类锆石形态及锆石年龄谐和曲线可以将其分为三组,其中 个测点获得了 (,)的上交点年龄,选取其中相对谐和
16、的 个测点获得 (,)的加权平均年龄(图 );个测点获得了 (,)的上交点年龄,选取其中相对谐和的 个测点获得了 (,)的加权平均年龄(图 );个测点(点 、)年龄分别为 、,其加权平均年龄 (,),代表英安斑岩的结晶年龄(图 )。挑选自形 半自形、具明显生长环带的 颗锆石进行 实验,分析结果见电子版附表 。锆石形态呈板片状、棱角状,自形 半自形,无色透明,粒径 ,长宽比 ,锆石具生长环带,部分环带密集,少量呈现核边结构。绝大多数锆石的 含量范围为 ,部分可达 ,含量为 ,比值在 之间。锆石 年龄主要集中在 及 附近(图 ),与 实验结果基本一致。其中两颗碎片状锆石的粒度为 ,具明显的振荡环带
17、,年龄为 、,其谐和度 ,与 测得的英安斑岩结晶年龄吻合。地球化学特征为保证样品代表性,从岩体边部到中心以间距 采样,选择 个样品进行主量元素、微量元素测试。分析结果见表、表 。表 英安斑岩的主量元素含量()()样品号 样品号 表 英安斑岩的微量元素含量()()样品号 样品号 ()岩石学报 ,():图 英安斑岩中锆石的内部结构图中所标数值为分析点号和 年龄();分析位置在图中以黑色虚线圆圈出,束斑 ;分析位置在图中以黑色实线圆圈出,束斑 ,();英安斑岩的 含量为 ,全碱含量(),呈现富钾、高碱、贫钠特点,在 图解中落入英安岩区域,归属 钾 玄 岩 系 列(图 ,);含 量 为 ,值的变化范围
18、为 ,属准铝质岩石(图 );同时,样品具有高的 ()含量,较高的()含量。(,平均 )和 ()含量偏低。含量低(,平均 )。英安斑岩的稀土总量高(),强烈富集轻稀土(),值为 ,表明 、强烈分异。负 异常明显,。在原始地幔标准化微量元素蛛图中,次火山岩富集 、等大离子亲石元素,强烈亏损 、等高场强元素(图 )。高场强元素 ()、()含量极低,同时 ()、()、()明显亏损。以上特征与华北克拉通熊耳群火山岩已发表的相关数据保持一致(图 )(赵太平等,;庞振山和燕建设,;徐勇航等,;,;柳晓艳等,;谢良鲜等,;,)。其中,样品()中具有极高的 ()正异常,较高的 ()正异常,极度负异常,()、()
19、、()、()、()含量相对较高。推测位于岩体边部的样品受围岩影响较大,导致部分元素相对富集。范昱宏等:太岳山 亿年英安斑岩的发现及其对华北克拉通南部裂谷系成因的约束图 锆石 定年分析结果()英安斑岩锆石 年龄谐和图;()系列锆石 谐和图;()系列锆石 谐和图;()系列锆石 谐和图 ();();();()讨论 太岳山英安斑岩的形成时代目前,对熊耳群的时代已经有了较好的限定。赵太平等()利用 锆石 定年及与下伏长城系的叠覆关系认为熊耳群形成年龄为 ,后利用 锆石定年测得熊耳山地区熊耳群流纹斑岩的年龄为 、,并通过侵入到太古宙太华群的辉绿岩岩墙()及侵入到熊耳群的闪长岩()的年龄修定熊耳群形成年龄的
20、范围为 (赵太平等,)。()和崔敏利等()利用侵入到熊耳群中的石英闪长岩()及花岗斑岩(),建议将熊耳群年龄限定为 。虽然也有学者曾认为熊耳群代表由 、组成的间歇性火山活动(,;,),但显然将相隔数亿年的火山作用各自划分为独立期次的岩浆作用旋回更为合理。因此,目前公认将熊耳群火山岩及次火山岩喷发时间集中于 (翟明国等,;乔秀夫和王彦斌,;赵太平等,;,)。本次研究将太岳山地区中元古代英安斑岩的年龄约束为 ,与熊耳群火山岩系的时代范围一致,与南缘 亿年流纹岩共同代表了华北克拉通由造山到裂谷构造体制转换初始期的产物(,)。熊耳期锆石形态以长柱状、棱角明显的自形 半自形形态为主,显示条带状岩浆环带,
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