地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (4): 574-589
引用本文
郑光高, 崔建军, 刘晓春, 陈少锋, 曲玮, 乔建新, 陈龙耀, 赵文平, 李淼, 刘林. 陕西西乡县龙王塘地区新元古代岩体和脉岩锆石U-Pb年代学及源区性质[J]. 地质力学学报, 2019, 25(4): 574-589.
ZHENG Guanggao, CUI Jianjun, LIU Xiaochun, CHEN Shaofeng, QU Wei, QIAO Jianxin, CHEN Longyao, ZHAO Wenping, LI Miao, LIU Lin. ZIRCON U-PB AGE AND SOURCE CHARACTERISTICS OF NEOPROTEROZOIC GABBRO AND DYKES IN LONGWANGTANG REGION OF XIXIANG COUNTY, SHAANXI PROVINCE[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(4): 574-589.
陕西西乡县龙王塘地区新元古代岩体和脉岩锆石U-Pb年代学及源区性质
郑光高1,2 , 崔建军1 , 刘晓春1,2 , 陈少锋3 , 曲玮1 , 乔建新4 , 陈龙耀1 , 赵文平4 , 李淼1 , 刘林5     
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室, 北京 100081;
3. 陕西地矿汉中大队有限公司, 陕西 汉中 723000;
4. 陕西矿业开发工贸公司, 陕西 西安 710054;
5. 陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室, 陕西 西安 710054
摘要:陕西西乡县广泛出露的晋宁期岩浆岩是研究和理解扬子克拉通基底地质演化的一个窗口。通过对西乡县龙王塘地区的辉长岩体、花岗岩脉和钠长斑岩脉进行锆石U-Pb定年和原位Lu-Hf同位素分析,确定了岩浆侵位时代,揭示了岩浆源区特征。年代学研究结果表明,辉长岩体和花岗岩脉的侵位时间分别为(863.6±4.4)Ma和(863.6±3.8)Ma,是新元古代岩浆作用的产物。在两条钠长斑岩脉中识别出(905.2±8.2)Ma、(807.0±8.9)Ma和(762.5±4.2)Ma三组锆石年龄,第一组为继承锆石的年龄,后两组年龄分别代表两条岩脉的侵位时代。综上可知,龙王塘地区存在~864 Ma、~807 Ma和~763 Ma三期岩浆作用,以及早期(~905 Ma)构造热事件,岩浆作用具有长期性和多阶段性特征。Lu-Hf同位素分析结果表明,辉长岩体和脉岩的εHft)平均值介于+7.1~+10.0之间。对已有地质资料进行综合分析发现,汉南地区的绝大多数新元古代岩体的εHft)为正值,具有随时间偏离亏损地幔线,接近球粒陨石线的基本演化趋势。上述锆石U-Pb年龄和原位Lu-Hf同位素结果表明,龙王塘地区出露的新元古代岩浆岩起源于亏损地幔或新生地壳的部分熔融,形成于活动型大陆边缘环境。
关键词汉南杂岩    新元古代岩浆岩    锆石U-Pb年龄    Hf同位素组分    岩浆源区特征    活动型大陆边缘    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.04.056     文章编号:1006-6616(2019)04-0574-16
ZIRCON U-PB AGE AND SOURCE CHARACTERISTICS OF NEOPROTEROZOIC GABBRO AND DYKES IN LONGWANGTANG REGION OF XIXIANG COUNTY, SHAANXI PROVINCE
ZHENG Guanggao1,2 , CUI Jianjun1 , LIU Xiaochun1,2 , CHEN Shaofeng3 , QU Wei1 , QIAO Jianxin4 , CHEN Longyao1 , ZHAO Wenping4 , LI Miao1 , LIU Lin5     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China;
3. The Hanzhong Geological Team Company ltd, Shaanxi Geological and Mineral Survey and Development Corporation, Hanzhong 723000, Shaanxi, China;
4. Shaanxi Mining Industry & Trade Company, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
5. Shaanxi Key Laboratory of Mineral Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: There exist a number of Jinningian magmatic rocks in Xixiang county, Shaanxi Province, which is an important "fingerprint" to study and understand the evolution of the Yangtze craton basement. This paper focuses on gabbro body, granite and albitophyre dikes from Longwangtang region, aiming to understand their formation ages and source characteristics through the methods of LA-ICP-MS zircon U-Pb dating and in-situ Lu-Hf isotope analyses. Age data show that gabbro and granite dike emplacement ages are (863.6±4.4) Ma and (863.6±3.8) Ma, respectively, suggesting they are the products of Neoproterozoic magmatism. Three age groups of (905.2±8.2) Ma, (807.0±8.9) and (762.5±4.2) Ma are identified in the two albitophyre dikes; The first group records the inherited zircon ages and the latter two groups represent emplacement ages for the two dikes, respectively. These results suggest that there existed three stages of magmatism (~864 Ma, ~807 Ma and ~763 Ma), and also existed an early tectonic-thermal event (~905 Ma), indicating Longwangtang region has undergone and preserved long-lived and multi-phased intrusive activities. Lu-Hf isotopic analysis shows that these samples have εHf(t) average values of +7.1~+10.0. Based on the comprehensive analysis of the available geological data, most εHf(t) values of Neoproterozoic rocks in Hannan are positive, showing the trend of deviating from depleted mantle line and closing to chondrite line with time in general, indicating the Neoproterozoic magmatic rocks of Hannan mainly derived from the partial melting of depleted mantle or juvenile crust in an active continental margin setting.
Key words: Hannan complex    Neoproterozoic magmatic rocks    zircon U-Pb dating    Hf isotopic compositions    source characteristics    active continental margin    
0 引言

汉南杂岩位于扬子克拉通西北缘,是扬子克拉通基底的重要组成部分,经历并保存了前寒武纪复杂的地质演化过程。新元古代镁铁质和长英质侵入岩是组成汉南杂岩的主体,记录了汉南地区壳-幔相互作用、地壳生长和地球动力学机理等方面的重要信息,如毕机沟和望江山等地区发育的镁铁质岩体[1-3]和二里坝、五堵门、西乡等地区出露的长英质岩体[4-5]。然而,地质学家对扬子克拉通西北缘新元古代岩浆作用的动力学机制形成了不同的认识。有三种比较典型的模式分别是:地幔柱-裂谷模式[6-8]、板内裂谷模式[9-11]和岛弧俯冲模式[12-14]。其中,地幔柱-裂谷模式认为,扬子克拉通西北缘的大规模新元古代岩浆活动(820~750 Ma)是地幔柱活动的产物;板内裂谷模式认为,华南早期岩浆作用是弧-陆碰撞所引起的,晚期岩浆活动是大陆裂谷的产物;而岛弧俯冲模式认为,扬子克拉通周缘从1.0 Ga启动俯冲模式,一直持续到750 Ma,在其西北缘形成攀西-汉南弧。

陕西西乡县龙王塘地区位于汉南杂岩南部,出露大面积的辉长岩体,以及数量众多的花岗岩脉和钠长斑岩脉等。其中,部分钠长斑岩脉亦是金矿的赋矿载体,形成了汉南地区一种特殊的钠长斑岩型金矿床。有学者对龙王塘金矿的矿床地质特征开展了一些野外地质调查和钻探工程,对其控矿因素、成矿模式和成矿规律进行了初步总结[15]。然而,迄今为止,龙王塘地区出露的辉长岩及脉岩的形成时代尚不清楚,岩浆源区性质不明,制约了对研究区内的成岩成矿作用及地质演化的理解。在野外地质调查的基础上,现针对龙王塘地区的辉长岩、花岗岩脉和钠长斑岩脉进行系统的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年和原位Lu-Hf同位素分析,以限定研究区侵入岩的形成时代,查明其岩浆源区性质。同时,结合汉南地区已发表的锆石U-Pb年龄和原位Lu-Hf同位素数据,拟探讨汉南地区新元古代岩浆作用时限和源区特征,为该区成岩成矿环境和构造演化认识提供了证据。

1 地质背景

汉南杂岩是研究扬子克拉通基底的一个窗口[16-17],前震旦纪(>750 Ma)地层的出露面积超过1200 km2,由老至新依次划分为:新太古界—中元古界后河群、中—新元古界火地垭群和新元古界西乡群三个构造地层单元[18-19](图 1)。其中,后河群是一套火山-沉积岩组合,由TTG片麻岩、斜长角闪岩和少量大理岩的混合岩组成。长英质片麻岩和混合岩的锆石年龄分布于2600~2100 Ma之间[18, 20-21]。火地垭群与下伏后河群之间为区域性不整合接触关系,主要由变质砾岩、石英岩、碳酸盐岩、硅质岩和变质火山岩等组成,由下至上可分为上两、麻窝子和铁船山三个岩组[18, 20, 22]。其中,铁船山组火山岩的锆石U-Pb年龄为(817±5)Ma[18]。西乡群由变质火山岩和沉积岩组成,包括三郎铺、孙家河和大石沟三个岩组[4, 23],其下部由安山岩、拉斑玄武岩组成,上部由玄武岩、安山岩、英安岩和流纹岩组成。这些火山岩的锆石U-Pb年龄分布于950~730 Ma[18, 24-26]。早期的镁铁质-超镁铁质和长英质岩体侵位于后河群和火地垭群基底岩中,晚期岩体侵位于西乡群和火地垭群铁船山组火山-沉积岩中,形成汉南杂岩的主体,并且被震旦纪陆相砂—砾岩不整合覆盖[2-4]。其中,镁铁质—超镁铁质岩体有望江山、毕机沟、碑坝和骆家坝岩体等,其成岩时代为898~746 Ma之间[14, 19, 27-29];典型的长英质岩体包括喜神坝、五堵门和二里坝花岗质岩体等,其成岩年龄为863~718 Ma[2, 4, 29-31](表 1)。

图 1 汉南地区构造纲要图及研究区位置图(据文献[14]修改,年龄数据见表 1) Fig. 1 Structural outline map and location map of the study area in Hannan region (Modified after reference [14]. For a complete list of compiled age data see Table 1)

表 1 汉南地区火成岩已有锆石U-Pb年龄一览表 Table 1 Summary of published zircon U-Pb ages of igneous rocks from Hannan region

西乡县龙王塘地区是汉南杂岩的一个典型代表(图 2),地层分区属扬子地层区、巴山地层分区、宁强—镇巴小区。该区地层出露比较完整,北部发育基底浅变质地层,南部出露稳定陆台型沉积盖层和新近纪松散沉积物。基底主要由元古代火地垭群和西乡群变质火山岩组成,与盖层之间呈角度不整合接触。区内新元古代基性到酸性侵入岩较为发育,主要由辉长岩、闪长岩和花岗岩组成,侵入到火地垭群和西乡群地层中,并被震旦系沉积岩角度不整合覆盖。在部分地区,可见花岗岩脉和钠长斑岩脉侵入至辉长岩体中[15, 36]。研究区内褶皱形迹不明显,断裂较为发育,主要包括:贯山—龙王塘变形带、峡口—堰口—白勉峡大断层和烂地湾—黄泥坡断层等。这些断裂带控制了区内钠长斑岩等岩脉的产出形态[15, 36]。出露的钠长斑岩脉岩体较破碎,倾向变化不定,总体倾向345°,倾角较陡,约70°,宽约几十厘米至几米,延伸达数百米,沿走向有“分支合并和尖灭再现”现象。钠长斑岩脉沿着构造带成群出露,形成良好的金矿化带(图 3)。

图 2 陕西西乡县龙王塘地区地质简图(据参考文献[37]修改) Fig. 2 The geological sketch map of Longwangtang region in Xixiang, Shaanxi Province (Modified after reference [37])

Qtz—石英; Py—辉石; Hbl—角闪石; Kfs—钾长石; Pl—斜长石; Bi—黑云母; Op—不透明矿物 图 3 陕西西乡县龙王塘地区野外产状及典型样品显微结构照片 Fig. 3 Field occurrence and typical microstructure photographs of typical samples from Longwangtang region in Xixiang, Shananxi Province (Qtz: quartz; Py: pyroxene; Hbl: hornblende; Kfs: K-feldspar; Pl: plagioclase; Bi: biotite; Op: opaque mineral)
2 样品特征及测试方法 2.1 样品特征

从龙王塘地区选取4件新鲜的基岩样品用于测试分析,包括辉长岩样品1件、花岗岩脉样品1件和钠长斑岩脉样品2件,取样位置见图 2

辉长岩(HN155-1, 32°53′25.3″N, 107°37′24.6″E):主要矿物有斜长石假象、辉石假象、角闪石假象、黑云母假象和不透明矿物,副矿物有锆石和磷灰石等,次生矿物以阳起石、黝帘石和绿泥石为主。斜长石呈半自形板状、长板状,杂乱状分布,被阳起石及少量石英、碳酸盐交代呈假象,见少量残晶。辉石主要呈近半自形-它形柱状、粒状,杂乱状分布,被阳起石等交代明显呈假象。显微镜下可见少量残晶,有的填隙于斜长石粒间,有的具角闪石反应边。角闪石呈它形柱状、粒状,呈填隙状分布,显褐色,多色性明显,沿颗粒边缘退色显蓝绿色,有的粒内有斜长石嵌布,有的呈辉石反应边。不透明矿物主要充填于斜长石、辉石等颗粒之间,呈零散状分布(图 3a3b)。

花岗岩脉(HN155-2, 32°53′25.3″N, 107°37′24.6″E):主要矿物有斜长石、钾长石、石英、黑云母,副矿物有锆石和磷灰石等。斜长石主要呈半自形-近半自形板状,杂乱状排列,有的绢云母化、黝帘石化呈斜长石假象。钾长石主要呈它形粒状,高岭土化明显,无定向分布。石英呈它形粒状,填隙状分布,部分石英晶体熔蚀呈港湾状,部分粒内有斜长石、黑云母嵌布。黑云母呈叶片状,零散可见,显深棕色,多色性明显,部分已绿泥石化呈假像,部分粒内见膝折、弯曲等变形现象(图 3c3d)。

钠长斑岩脉(HN152-1, 32°53′34.5″N, 107°37′45.0″; HN153-1, 32°53′33.0″N, 107°37′47.9″E):主要由钠长石、不透明矿物、黑云母和石英组成。斑晶主要为钠长石,呈半自形粒状,局部地区发育的钠长斑岩脉可见明显的石英斑晶。其粒间有黑云母分布,具弱绢云母化。黑云母呈片状,部分蚀变为绿帘石等。基质由细粒钠长石、石英和黑云母组成,分布于斑晶粒间。钠长石普遍阳起石化、方解石化、滑石化和黝帘石化,被黄铁矿等多金属矿物充填的细脉所穿切(图 3e3f)。

2.2 测试方法 2.2.1 锆石U-Pb定年

LA-ICP-MS锆石U-Pb测年在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。测试分析之前,先用电磁法和重液法分选出锆石颗粒,在双目镜下将挑选出晶型较好的锆石颗粒固定、抛光;再对锆石颗粒进行透、反射光照相,采集阴极发光(CL)图像;最后结合透、反射和阴极发光照片,选择振荡环带较好的、无包体和无裂隙的锆石微区作为激光剥蚀区域。锆石测试仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统,激光剥蚀所用的束斑直径为40 μm,频率为10 Hz,能量密度约为2.5 J/cm2,以He作为剥蚀物质的载气,详细实验条件与测试分析过程见参考文献[38]。

2.2.2 锆石Lu-Hf同位素

为使Lu-Hf同位素组分与锆石U-Pb测年分析相对应,在年龄谐和度较好的锆石颗粒基础上,选择与年龄剥蚀区域环带趋势一致的微区作为Hf同位素分析的剥蚀区域。在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的Neptune Plus(Thermo Fisher Scientific德国)多接收等离子质谱和GeoLae 2005(Lambda Physik德国)激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)上完成测试分析,激光剥蚀束斑直径为44 μm,仪器详细参数见参考文献[39]。样品测试过程中以91500作为标样,其176Hf/177Hf=0.282308±12(2σ),数据处理用ICPMSDataCal 9.0软件完成,实验过程及数据处理方法见参考文献[40]。

3 测试结果 3.1 锆石U-Pb年代学

样品HN155-1:选取24粒锆石用于U-Pb测年,CL图像显示其呈长柱或短柱状,长约80~240 μm,长宽比为1.2:1~4.5:1,大多数可见明显的振荡环带。测试结果显示,24个分析点均落在一致曲线上或附近,具有较好的谐和性(谐和度≥90%)。锆石的Th、U含量分别为66 × 10-6~1205 × 10-6和92 × 10-6~552 × 10-6,Th/U比值为0.53~6.71,表明它们均属于岩浆成因锆石[41-42]206Pb/238U加权平均年龄为(863.6±4.4)Ma(N=24, MSWD=0.5)(图 4a表 2)。

图 4 陕西西乡县龙王塘地区火成岩锆石U-Pb年龄谐和图和锆石阴极发光图像 Fig. 4 U-Pb concordia diagrams and zircon cathodeluminescence images of igneous rocks from Longwangtang region in Xixiang, Shananxi Province

表 2 陕西西乡县龙王塘地区锆石U-Pb年龄数据表 Table 2 Zircon U-Pb age data of Longwangtang region in Xixiang, Shananxi Province

样品HN155-2:选取24粒锆石用于U-Pb测年,CL图像显示其呈长柱状、短柱状或菱形,长约65~110 μm,长宽比为1:1~3:1,大部分锆石振荡环带清晰可见。各测点落在一致曲线上或其附近,谐和度均大于90%。锆石的Th含量为99 × 10-6~2709 × 10-6,U含量为170 × 10-6~1844 × 10-6,Th/U比值为0.58~1.47,均属于典型的岩浆锆石[41-42]206Pb/238U加权平均年龄为(863.6±3.8)Ma(N=24, MSWD=0.7)(图 4b表 2)。

样品HN153-1:选取30粒锆石用于U-Pb测年,CL图像显示呈长柱状或短柱状,长约60~110 μm,长宽比为1.1:1~2.5:1,部分锆石发育振荡环带,部分锆石可见明亮的熔蚀边。6个测点年龄谐和度低于90%及1个测点误差过大而舍弃,剩余锆石的Th、U含量分别为47 × 10-6~861 × 10-6和111 × 10-6~755 × 10-6,Th/U比值为0.42~1.27,表明它们均属于岩浆锆石[41-42]。数据结果显示,11个有效测点的206Pb/238U加权平均年龄为(807.0±8.9)Ma(N=11, MSWD=1.2),其余12个有效测点的206Pb/238U加权平均年龄为(905.2±8.2)Ma(N=12, MSWD=1.2)(图 4c表 2)。

样品HN152-1:选取20粒锆石用于U-Pb测年,CL图像显示锆石呈长柱状或短柱状,长约50~120 μm,长宽比为1.1:1~2.8:1,大部分锆石可见清晰的振荡环带。1个测点年龄谐和度低于90%舍弃,及1个测点206Pb/238U年龄为(932.6±10.2)Ma,具有继承锆石的可能性,不参与谐和年龄计算外,剩余18个测点的Th含量为254 × 10-6~2159 × 10-6,U含量为308 × 10-6~1329 × 10-6,Th/U比值为0.61~1.96,表明它们均属于典型的岩浆锆石[41-42]206Pb/238U加权平均年龄为(762.5±4.2)Ma(N=18, MSWD=0.2)(图 4d表 2)。

3.2 锆石Lu-Hf同位素组分

样品HN155-1:24颗锆石的176Yb/177Hf值为0.011469~0.086105,176Lu/177Hf值为0.000492~0.003152,176Hf/177Hf值为0.282499~0.282602,εHf(t)值为+8.6~+11.7(平均值为+10.0),fLu/Hf值为-0.99~-0.91,一阶段Hf模式年龄(TDM1)为954~1081 Ma(平均值为1024 Ma)(表 3)。

表 3 陕西西乡县龙王塘地区锆石原位Lu-Hf同位素组分数据 Table 3 Zircon in-situ Lu-Hf isotopic composition data of Longwangtang region in Xixiang, Shananxi Province

样品HN155-2:19颗锆石的176Yb/177Hf值为0.026443~0.093560,176Lu/177Hf值为0.001004~0.003509,176Hf/177Hf值为0.282458~0.282629,εHf(t)值在+6.7~+12.6之间(平均值为+9.5),fLu/Hf值为-0.99~-0.91,一阶段Hf模式年龄(TDM1)为921~1163 Ma(平均值为1047 Ma)(表 3)。

样品HN153-1:9颗年老锆石的176Yb/177Hf值为0.029117~0.060927,176Lu/177Hf值为0.001098~0.002357,176Hf/177Hf值为0.282490~0.282605,其εHf(t)值为+8.7~+12.9(平均值为+10.9),fLu/Hf值为-0.97~-0.93,一阶段Hf模式年龄(TDM1)为942~1116 Ma(平均值为1024 Ma)。此外,7颗年轻锆石的176Yb/177Hf值为0.037813~0.055764,176Lu/177Hf值为0.001524~0.002179,176Hf/177Hf值为0.282441~0.282554,其εHf(t)值为+5.3~+9.2(平均值为+7.2),fLu/Hf值为-0.95~-0.93,一阶段Hf模式年龄(TDM1)为1010~1164 Ma(平均值为1088 Ma)(表 3)。

样品HN152-1:18颗锆石原位Lu-Hf测试分析可知,176Yb/177Hf值为0.013375~0.146595,176Lu/177Hf值为0.000543~0.005742,176Hf/177Hf值为0.282461~0.282611,其εHf(t)值为+4.8~+10.7(平均值为+7.1),fLu/Hf值为-0.99~-0.91,一阶段Hf模式年龄(TDM1)为905~1154 Ma(平均值为1059 Ma)(表 3)。

4 讨论 4.1 汉南存在多期新元古代岩浆作用

龙王塘地区的辉长岩、花岗岩脉和钠长斑岩脉锆石U-Pb定年结果表明,辉长岩的锆石206Pb/238U加权平均年龄为(863.6±4.4)Ma,代表基性岩体的结晶年龄;花岗岩脉的锆石206Pb/238U加权平均年龄为(863.6±3.8)Ma,可代表该岩脉的侵位时代,表明花岗岩脉的侵位时间与围岩辉长岩的成岩时间在误差范围内。结合花岗岩脉侵入于辉长岩体中的野外产状关系,综合推测出花岗岩脉的侵位时间稍晚于围岩辉长岩的结晶时期。一条钠长斑岩脉的锆石206Pb/238U加权平均值产生两组年龄:(905.2±8.2)Ma和(807.0±8.9)Ma。其中,第一组年龄(905.2±8.2)Ma大于围岩辉长岩年龄。这些锆石的部分CL图像显示明显的熔蚀亮边,无振荡环带结构,指示其可能是岩脉侵位过程中捕获的继承锆石,不能代表岩脉的侵位时间,可能是龙王塘地区早期构造热事件的记录。有学者在龙王塘附近的柳树店周缘获得了(898±10)Ma的辉长岩结晶年龄[27],与(905.2±8.2) Ma在误差范围内基本一致,证实龙王塘地区存在早期(~905 Ma)岩浆事件。第二组年龄(807.0±8.9)Ma小于围岩辉长岩的年龄,所测锆石大部分具有清晰的振荡环带,无熔蚀亮边,可代表该岩脉的侵位时间。另一条钠长斑岩脉的锆石206Pb/238U加权平均年龄为(762.5±4.2)Ma,小于围岩辉长岩结晶年龄,且锆石颗粒震荡环带清晰,可代表该岩脉的侵位时代。

通过收集汉南地区已有的锆石U-Pb年龄数据,结合文中获得的年龄结果,进行频率直方投图分析可知(图 5表 1),汉南地区岩浆活动主要集中在900~700 Ma之间,峰期年龄为~865 Ma、~825 Ma、~770 Ma和~745 Ma。其中,~770 Ma峰期岩浆活动最为强烈,以中-酸性岩浆为主,主要出露在黄官(花岗岩:777~774 Ma)[14, 29]、大石沟(花岗斑岩:776 Ma±6.0 Ma)[24]、子午(花岗岩:773 Ma±9 Ma)[34]、桃家坝(花岗闪长岩:770 Ma±3 Ma)[29]、沙河坎(闪长岩:768~764 Ma)[5]、五堵门(花岗闪长岩:764 Ma±2 Ma)[4]和龙王塘等地区;少量基性岩浆作用记录在旺苍檬子乡(辉长苏长岩:764 Ma±38 Ma;角闪辉长岩:766 Ma±34 Ma)[2]等地区。~825 Ma峰期岩浆活动较为强烈,以中基性岩浆活动为主,亦有少量酸性岩浆活动的记录,前者主要出露在望江山(辉长岩-闪长岩:826~819 Ma)[12, 24, 33]、西河(辉长岩:824 Ma±4 Ma)[14]和碑坝(辉长岩:814 Ma±9 Ma)[19]等地区,后者主要出露在西河(花岗岩:829 Ma±5 Ma)[14]等地区。~865 Ma峰期岩浆活动主要发生在碑坝(闪长岩:869 Ma±5 Ma)[33]、天坪河(花岗闪长岩-花岗岩:863~860 Ma)[29, 35]和龙王塘等地区。~745 Ma峰期岩浆活动主要记录在酉水(辉长岩:751.5 Ma±6.3 Ma)[27]、牟家坝(辉长苏长岩:746 Ma±4 Ma)[14]、南江光雾山(钾长花岗岩:745 Ma±11 Ma)[2]和潘坝(含矿热液脉:744 Ma±10 Ma)[16]等地区。由此可知,龙王塘地区记录了上述两个峰期的岩浆活动(~864 Ma和~763 Ma),其它两期(~905 Ma和~807 Ma)岩浆岩在汉南亦有出露[3, 12, 18-19, 24, 27]

(年龄数据来源见表 1) (Zircon U-Pb age data see Table 1) 图 5 汉南地区火成岩锆石U-Pb年龄频率直方图 Fig. 5 Cumulative probability histogram of published zircon U-Pb age data of igneous rocks from Hannan region

综上所述,龙王塘地区存在~864 Ma、~807 Ma和~763 Ma三期岩浆作用,并有早期(~905 Ma)的构造热事件记录,指示龙王塘地区经历并记录了汉南地区长期、多阶段岩浆作用。

4.2 汉南新元古代岩浆岩的源区性质及意义

由于锆石Lu-Hf同位素体系具有较高的封闭温度,与U-Pb同位素体系相比,其更不易被后期流体、热事件改造[46]。不同物源锆石的Hf同位素组份可能有所差异,其能较好的用锆石的εHf(t)值体现出来。通常情况下,亏损地幔或新生地壳源区生成的岩石具有正εHf(t)值[47],古老地壳源区生成的岩石εHf(t)为负值[48],壳幔混染或其它物源混染作用生成的岩石εHf(t)值为正负变化的宽泛值[49-50]。因此,锆石原位Hf同位素组分能有效地示踪岩浆源区等方面的重要信息[44, 48]

汉南地区侵入岩已有锆石Lu-Hf同位素组分研究结果表明:对于基性-超基性侵入岩而言,碑坝早期辉长岩的εHf(880 Ma)值在+6.9~+8.5之间(平均值为+7.9)[29],晚期辉长岩的εHf(814 Ma)值域宽泛,在-0.7~+17.7之间(平均值为+5.1)[19],指示该区早期岩体来源于亏损地幔物质的部分熔融,而晚期岩体源区中可能卷入了少量沉积物来源的熔体;龙王塘辉长岩的εHf(~864 Ma)平均值为+10.0,接近亏损地幔线,一阶段模式年龄平均值为1024 Ma,指示其母岩浆来源于中元古代晚期亏损地幔物质的部分熔融;望江山辉长岩的εHf(819~791 Ma)值在+6.0~+15.3之间(平均值为+9.7)[3, 19],毕机沟辉长岩的εHf(782 Ma)值为+4.9~+10.0(平均值为+7.4)[19],这些εHf(t)值均为略低于亏损地幔线的较高正值,表明其主要来源于亏损地幔物质的部分熔融,无明显的沉积物来源熔体卷入到母岩浆房中;骆家坝辉长岩的εHf(746 Ma)值在+2.9~+8.2之间,平均值为+5.8,与碑坝晚期辉长岩的εHf(t)值相近,而明显低于上述各地区辉长岩的εHf(t)值,指示其在成岩过程中可能卷入有少量沉积物来源的熔体[19]。对于中-酸性侵入岩而言,天坪河花岗岩的εHf(860 Ma)值在-1.9~+1.6之间,平均值为-0.03,且其εNd值为-5.6~-3.5,说明在成岩过程中有古老陆壳物质卷入到源区中[29];龙王塘花岗岩脉的εHf(~864 Ma)平均值为+9.5,其侵位年龄稍晚于辉长岩的成岩年龄,且其一阶段模式年龄与辉长岩的模式年龄相近,平均值为1047 Ma,说明该脉岩来源于新生地壳物质的部分熔融,且其源区物质可能是由辉长岩母岩浆的底垫作用形成的;龙王塘钠长斑岩脉继承锆石所记录的εHf(905 Ma)平均值为+10.9,接近于亏损地幔线,指示基底物质母岩浆的源区相对更为亏损,而钠长斑岩脉原生锆石(~807 Ma和~763 Ma)所记录的εHf(t)平均值为+7.1~+7.2,表明这些脉岩来源于新生地壳物质的部分熔融;桃家坝花岗闪长岩εHf(t)为较高的正值(εHf(770 Ma)=+6.2~+9.5、平均值为+7.8),指示其主要来源于新生地壳的部分熔融[29];其它地区的中酸性岩,如铁船山花岗岩(εHf(780 Ma)=+0.5~+5.3、平均值为+5.3)[29]、黄官花岗岩(εHf(774 Ma)=+1.9~+6.9、平均值为+4.7)[29]、五堵门花岗闪长岩(εHf(735 Ma)=+1.2~+7.9、平均值为+4.0)[30]、二里坝花岗闪长岩(εHf(730 Ma)=+2.6~+9.2、平均值为+5.9)[30],其εHf(t)值均为偏离亏损地幔线、而趋近于球粒陨石线的正值(图 6),指示这些中酸性岩体可能来源于新生地壳物质的部分熔融,可能有少量的沉积物来源熔体卷入到源区中。

图 6 汉南地区火成岩锆石εHf(t)-t图解(数据来源[3, 19, 29-30]) Fig. 6 Zircon εHf(t) versus t (Ma) diagram of igneous rocks from Hannan region (εHf(t) data are from [3, 19, 29-30] and this study)

锆石U-Pb年代学统计结果表明(图 5),汉南地区的岩浆活动集中在900~700 Ma之间,岩浆作用时间跨度长达200 Ma,这样的长周期、持续的岩浆作用过程与地幔柱所引起的短周期、幕式的岩浆活动特征明显不同[51]。此外,汉南地区出露的岩石不仅有酸性、基性和超基性岩浆岩,而且还包括大量的中性岩浆岩(图 1)。地球化学研究结果表明,汉南地区绝大多数岩浆岩具有典型的俯冲环境地球化学亲属性[14, 27-29]。其中:碑坝(~869 Ma)、望江山(~822 Ma)和毕机沟(~785 Ma)基性岩体的δ18O值分别为7.4‰、6.3‰和6.0‰,指示这些岩体源区为受俯冲沉积物熔体改造的地幔,形成于板块俯冲环境[33];而铁船山、黄官和桃家坝花岗闪长岩至花岗岩(780~770 Ma)形成于俯冲洋壳后撤引起的弧后裂解环境[29]等。

综合研究表明,汉南地区在新元古代早期(900~700 Ma)可能处于活动大陆边缘环境,岩浆活动形成的岩体除天坪河花岗岩εHf(t)平均值为接近于零的负值、具有明显的壳源物质混染特征之外,其余镁铁质和长英质岩体及脉岩的锆石εHf(t)均为正值,随时间具有偏离亏损地幔线、而接近球粒陨石线的趋势(图 6),说明这些侵入岩主要来源于亏损地幔或新生地壳物质的部分熔融,有少量沉积物来源的熔体随时间卷入到母岩浆房中。同时,这些侵入体的锆石一阶段模式年龄集中在1000~1200 Ma之间(图 7),指示汉南地区在中元古代晚期经历了一次重要的地壳生长过程。

图 7 汉南地区火成岩锆石TDM频率直方图(数据来源[3, 19, 29-30]和文中数据) Fig. 7 Cumulative probability histogram of published zircon TDM data of igneous rocks from Hannan region (TDM data are from [3, 19, 29-30] and this study)

值得注意的是,龙王塘地区部分钠长斑岩脉金矿化蚀变较好,形成了汉南地区(扬子克拉通西北缘)少有的钠长斑岩型金矿床。作为赋矿岩脉,钠长斑岩脉的产状与金矿体的形态高度一致,控制了矿体的分布和规模[15]。同时,龙王塘金矿的成矿时代暂无报道。此次研究获得的2条赋矿岩脉侵位时代(~807 Ma和~763 Ma),为该金矿的成矿年代学研究提供了参考资料。

5 结论

西乡县龙王塘地区出露有典型的基性岩体和中酸性岩脉,并发育扬子克拉通内少有的钠长斑岩型金矿床,是研究和理解扬子克拉通基底地质演化的一个窗口。通过锆石U-Pb年代学和原位Lu-Hf同位素分析,厘定了研究区典型岩体及岩脉的时代和岩浆源区性质。同时,结合已有的研究成果,探讨了研究区的构造背景,获得了几点初步认识。

(1) 龙王塘地区存在~864 Ma、~807 Ma和~763 Ma三期岩浆作用,并有早期~905 Ma的构造热事件记录。这些证明龙王塘经历并记录了汉南地区新元古代长期、多阶段的岩浆作用。

(2) 龙王塘地区辉长岩、花岗岩脉和钠长斑岩脉的锆石εHf(t)平均值介于+7.1~+10.0之间,一阶段Hf平均模式年龄为1024~1088 Ma,指示这些基性岩体及中酸性脉岩来源于中元古代晚期亏损地幔或新生地壳物质的部分熔融。

(3) 汉南地区绝大多数侵入岩的锆石εHf(t)为正值,总体上具有随时间偏离亏损地幔线、而接近球粒陨石线的趋势,表明汉南地区多数侵入岩主要来源于亏损地幔或新生地壳物质的部分熔融,有少量的沉积物来源熔体随时间卷入到岩浆房中,形成于活动大陆边缘环境。

致谢: 此次研究的野外工作得到陕西省地质矿产勘查开发总公司总工程师齐文、副总工程师黄兴、高级工程师董天印,陕西省汉中地质大队队长伍兴全、总工程师高福平、副总工程师陈剑祥和办公室主任王定胜的协助。两名匿名审稿人对文稿提出了建设性的修改意见。在此一并致以衷心的感谢。

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