豫西外方山太山庙花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、Hf同位素组成及其地质意义

李山坡，李肖龙，潘小娜，杜程远，毛帅，王超，宁勇，宋玮，鲁培庆，崔振

(1.河南省地质调查院， 河南 郑州 450001；

2.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室， 河南 郑州 450001；

3.河南省自然资源科学研究院， 河南 郑州 450016；

4.河南省资源环境调查五院， 河南 郑州 450053；

5.湖北省地质局第三地质大队， 湖北 黄冈 438000)

豫西小秦岭—外方山一带发育众多的钼、钨、金、银、铅锌等金属矿床，如南泥湖钼钨矿、文峪金矿、沙沟银铅锌矿、上宫金矿、雷门沟钼矿等(Cao et al., 2014; Tang et al., 2019；
韩金生等，2013；
向君峰等，2016；
李铁刚等，2020)。在外方山地区靳村—太山庙一带，还发育有锡、铀、三稀元素异常，是河南省重要的锡、铀、三稀元素找矿远景区。这些异常多发育在太山庙花岗岩基的接触带附近，并且在北接触带大西沟附近已发现锡矿床(点)，LA-MC-ICPMS锡石U-Pb年龄为(122.10±0.71) Ma(何玉良等，2020)。锡、铀、三稀元素异常以及锡矿床(点)与太山庙花岗岩基之间除了在空间上密切相关外，是否具有成因联系？这不但是一个科学问题，还关系到异常解释以及下一步锡、铀、三稀元素矿床的勘查找矿，因此对太山庙花岗岩基开展研究具有重要意义。

前人将太山庙花岗岩基分为3期或3个岩相单元。叶会寿等(2008)对第一期岩石(亦是该岩基的主要岩性)进行了SHRIMP锆石U-Pb测年，获得的成岩年龄为(115±2) Ma；
高昕宇(2012)分别对3个岩相单元的岩石各采集1件样品进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，获得的加权平均年龄分别为(125.1±3) Ma、(114.9±4) Ma、(112.7±5) Ma；
齐玥(2014)分别对3个岩相单元的岩石各采集2件样品进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，获得的加权平均年龄分别为122.0～122.3 Ma、120.0～121.7 Ma、116.2～121.0 Ma；
赖相濡(2015)对3个岩相单元的岩石进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，结果分别为(126.1±8.5) Ma、(118.9±5.3) Ma、(114.2±2.9) Ma；
段友强(2016)对太山庙花岗岩基的一个样品(未明确具体期次)进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，结果为(112.1±3.2) Ma。上述研究成果为限定太山庙岩体的形成时代提供了重要约束，但年龄跨度较大，对于一个面积约 290 km2的花岗岩基来说，有必要继续补充相应的年龄数据。2009年以来，河南省地质调查院在合峪地区开展了1∶5万区域地质调查，依据野外接触关系和岩石学特征，将太山庙花岗岩基进一步划分为5期，第一期构成主体，其它各期在多处呈偏心套叠式产于其中(河南省地质调查院，2014①)。各期侵入时代的精确测定是研究太山庙花岗岩基的首要任务，也是探讨锡、铀、三稀元素异常及相关矿产与其关系的最重要参数。本次工作对太山庙花岗岩基开展了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年和锆石Hf同位素研究，为探讨岩石成因及地球动力学背景，以及锡、铀、三稀元素找矿预测等提供基础支撑。

研究区位于华北陆块南缘外方山钼、铅锌矿集区。华北陆块南缘的东秦岭地区，北以三门峡—宝丰断裂与华北陆块为界；
南以黑沟—栾川断裂与北秦岭褶皱带为邻(陈书中等，2021)(图1a)。区内地层具有稳定陆块的双层结构。基底为太古界太华群(Ar3Th)，盖层为中元古界熊耳群(Pt2X)和中—上元古界官道口群(Pt2G)、栾川群(Pt3L)等。中元古界熊耳群不整合于太华群之上，自下而上分为大古石组(Pt2d)、许山组(Pt2x)、鸡蛋坪组(Pt2j)和马家河组(Pt2m)，是华北陆块南缘出露面积最大的地层。区内构造以断裂为主，北西、北东向断裂构造极其发育，次为近东西向、近南北向断裂构造，其中马超营断裂是区域性的控岩控矿断裂(Han et al., 2009)。区内花岗质岩浆活动强烈(殷建锋等，2020；
张衡等，2021)，不仅有元古宙花岗闪长岩和印支期环斑花岗岩、碱性岩等，还有印支—燕山期的巨大花岗岩基(老牛山、蓝田、华山、文峪、娘娘山、花山、五丈山、合峪、太山庙等)以及斑岩体(雷门沟、东沟)、小型隐爆角砾岩筒、花岗闪长岩株岩脉等(Wang et al., 2007)。

太山庙花岗岩基出露于洛阳市汝阳县、嵩县南部一带，面积约290 km2。该岩基南邻伏牛山岩体，以车村断裂为界；
东部和北部侵入于中元古界熊耳群鸡蛋坪组；
西部侵入于早白垩世合峪岩体。太山庙花岗岩基可划分为5期侵入活动，第一期侵入岩构成主体，其它各期侵入岩在多处呈偏心套叠式产于其中(图1b)。

图1 研究区大地构造简图(a)和太山庙岩体地质简图(b)(据河南省地质调查院，2014①修改)1—中元古界熊耳群；
2—太山庙岩体第一期侵入岩；
3—太山庙岩体第二期侵入岩；
4—太山庙岩体第三期侵入岩；
5—太山庙岩体第四期侵入岩；
6—太山庙岩体第五期侵入岩；
7—伏牛山岩体；
8—合峪岩体；
9—断裂；
10—样品位置及编号(图中数据来源于①高昕宇(2012)；
②叶会寿等(2008)；
③齐玥(2014))

第一期侵入岩位于岩基的边缘，岩性为中斑状中粗粒黑云母正长花岗岩，岩石肉红色，似斑状结构，中粗粒花岗结构，块状构造(图2b、d)，主要由钾长石(61%～63%)、斜长石(10%～12%)、石英(20%～24%)及黑云母(3%～5%)组成。其中钾长石斑晶含量为10%～20%，向中心增多，可达30%，构成斑状中粗粒黑云母正长花岗岩。副矿物为磁铁矿、磷灰石等。

第二期侵入岩位于岩基的中北部，主体岩性为斑状细中粒黑云母正长花岗岩，该期中心部位为斑状中粒黑云母正长花岗岩，与第一期侵入岩呈脉动、涌动侵入接触。岩石灰白—肉红色，似斑状细中粒花岗结构，块状构造(图2a、c)，主要由钾长石(60%～65%)、斜长石(10%～15%)、石英(25%～27%)及黑云母(少量～3%)组成，其中钾长石斑晶含量20%～25%。

图2 太山庙岩体典型样品镜下照片a—中斑状细中粒黑云母正长花岗岩手标本；
b—中斑状中粗粒黑云母正长花岗岩手标本；
c—似斑状结构、半自形粒状结构(+)；
d—似斑状结构、半自形粒状结构(+)；
矿物缩写：Kf—钾长石；
Pl—斜长石；
Bt—黑云母；
Q—石英

第三期侵入岩岩性为不等粒正长花岗岩，仅在西南部楼房沟一带和中部北鹿鸣沟一带见两个小岩株。岩石呈肉红色，不等粒花岗结构，文象结构，块状构造。主要由钾长石(62%)、石英(24%)、斜长石(11%)、黑云母(3%)等组成。副矿物为磁铁矿、磷灰石等。

第四期侵入岩岩性为多斑状正长花岗斑岩，仅在车村萤石矿附近有出露，为一小岩株。岩石呈肉红色，斑状结构，块状构造。斑晶含量约为20%，主要由石英(7%)、钾长石(9%)和少量斜长石(4%)组成。基质呈细粒—微粒结构，由钾长石(36%)、石英(22%)、斜长石(20%)、黑云母(2%)、磁铁矿(微量)组成。

第五期侵入岩主要分布于岩基的北部，在南部莲花山一带也有少量产出。岩性为正长花岗斑岩，岩石呈肉红色，斑状结构，块状构造。斑晶含量为5%～10%，主要为石英(5%)、斜长石(0%～3%)、钾长石(0%～4%)，多在 5～10 mm之间。基质呈细粒—微粒结构，由钾长石(41%～55%)、石英(22%～25%)、斜长石(10%～20%)、黑云母(2%以下)组成。副矿物为磁铁矿。局部斑晶很少，构成细粒正长花岗岩。

本次工作选取了太山庙花岗岩基第一期侵入岩(C005)、第二期侵入岩(C003)的岩石样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年和Hf同位素分析。各个样品的采样位置见图1b。

锆石的单矿物分选、制靶以及反射光、透射光、CL照相等在廊坊市宇恒矿岩技术服务有限公司进行。锆石单矿物分选时，将原岩样品粉碎、淘洗，获得的重砂部分经电磁选、重液分选后得到纯度较高的锆石试样。在双目镜下挑选较好的锆石颗粒制作成环氧树脂样品靶，待环氧树脂固结后打磨和抛光使锆石中心暴露。将制好的锆石靶进行透反射照相后镀碳，然后开展阴极发光(CL)照相，以查明锆石内部结构和表面裂隙的分布情况。

LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年、Hf同位素组成分析在中国地质调查局天津地质调查中心实验室进行。锆石U-Pb同位素测定使用仪器为美国Thermo Fisher公司制造的Neptune，激光剥蚀取样系统为ESI公司的New wave UP 193 nm激光器。激光束斑直径为35 μm，剥蚀深度为20～40 μm，能量密度为13～14 J/cm2，频率为8 Hz。锆石年龄标样为GJ-1，以NIST SRM610为外标计算Pb、U、Th元素含量，普通铅由208Pb校正法进行校正。锆石U-Pb同位素数据误差均为1σ。实验测试、仪器维护的详细流程见Liu et al. (2008, 2010)。数据处理采用ICPMSDataCal程序，锆石U-Pb谐和图用Isoplot程序绘制。锆石Lu-Hf同位素与U-Pb同位素使用相同的激光器与质谱仪测定，分析时采用8～10 Hz的激光频率、10 mJ的激光强度和50 μm的激光束斑直径。测试时GJ-1标样的176Hf/177Hf和176Lu/177Hf值与标准值在误差范围内一致。

4.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果

LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果见表1。

表1 太山庙岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果表

续表1

续表1

从测年样品中分选获得的锆石大部分呈无色或浅黄色，透明，多呈自形—半自形柱状，锆石长度多为100～200 μm，长宽比多为2∶1～3∶1。多数锆石可见明显的核及震荡环带(图3)。锆石的Th、U含量分别为50.5×10-6～2378.3×10-6、43.5×10-6～1501.8×10-6，Th/U值为0.6～2.2，表明为典型的岩浆成因锆石(李肖龙等，2012)。

图3 太山庙岩体锆石阴极发光图像及测年结果

对第一期侵入岩样品(C005)累计进行了32个锆石测点的分析。其中31个测点的206Pb/238U年龄介于117.8 Ma和125.2 Ma，并且几乎均位于谐和线上(图4)。只有1个测点(C005.25)的206Pb/U238年龄为173.5 Ma，明显偏老(可能是由于Pb丢失)，故不参与年龄加权平均值计算。剔除1个离群年龄后获得的206Pb/238U加权平均年龄为121.3±1.6 Ma(N=31，MSWD=0.19)，代表了该样品的成岩年龄。

图4 太山庙岩体锆石U-Pb年龄谐和图

对第二期侵入岩样品(C003)累计进行了32个锆石测点的分析。其中30个测点的206Pb/238U年龄介于115.1 Ma和125.6 Ma，并且几乎均位于谐和线上(图4)。另外2个测点(C003.2、C003.13)偏离谐和线，故不参与年龄加权平均值计算。剔除2个离群年龄后获得的206Pb/238U加权平均年龄为(119.6±1.8) Ma(N=30，MSWD=0.29)，代表了该样品的成岩年龄。

4.2 锆石Hf同位素分析结果

锆石Hf同位素分析结果见表2。

表2 太山庙岩体LA-ICP-MS锆石Hf同位素原位分析测试结果表

第一期侵入岩样品(C005)的16个测点的176Lu/177Hf为0.000835～0.002197，平均为0.001379。其中14个测点的176Lu/177Hf均小于0.002，表明锆石在形成以后，放射性成因Hf积累较低；
176Hf/177Hf为0.282264～0.282562，平均为0.282389。fLu/Hf为-0.93～-0.97，平均值为-0.96。fLu/Hf明显小于镁铁质地壳和硅铝质地壳(fLu/Hf分别为-0.34、-0.72)(Vervoort et al., 1996; Amelin et al., 2000)，因此二阶段模式年龄更能反映其源区物质在地壳的平均留存时间。计算的tDM2为1489～2152 Ma，平均为1872 Ma；
εHf(t)为-4.93～-15.45，平均为-10.99。

第二期侵入岩样品(C003)的16个测点的176Lu/177Hf为0.000584～0.001527，平均为0.001085。所有测点的176Lu/177Hf均小于0.002，表明锆石在形成以后，放射性成因Hf积累较低；
176Hf/177Hf为0.282220～0.282572，平均为0.282345。fLu/Hf为-0.95～-0.98，平均值为-0.97。fLu/Hf同样明显小于镁铁质地壳和硅铝质地壳(fLu/Hf分别为-0.34、-0.72)(Vervoort et al., 1996; Amelin et al., 2000)，因此二阶段模式年龄更能反映其源区物质在地壳的平均留存时间。计算的tDM2为1464～2247 Ma，平均为1970 Ma；
εHf(t)为-4.56～-16.97，平均为-12.58。

5.1 太山庙花岗岩基形成时代

本文对太山庙花岗岩第一期、第二期侵入岩开展了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，结果分别为(121.3±1.6) Ma和(119.6±1.8) Ma。获得的结果与前人研究结果基本一致：叶会寿等(2008)获得的成岩年龄为(115±2) Ma，高昕宇(2012)获得的成岩年龄为112.7～125.1 Ma，齐玥(2014)获得的成岩年龄为116.2～122.3 Ma，赖相濡(2015)获得的成岩年龄为114.2～126.1 Ma，段友强(2016)获得的成岩年龄为(112.1±3.2) Ma。以上结果表明，太山庙花岗岩基形成时代为早白垩世。

晚侏罗世以来，熊耳山—外方山一带发生了强烈的花岗岩浆活动，先后形成了五丈山岩体(159.6±1.6 Ma)(梁涛等，2019)、合峪岩体(135.3～148.2 Ma)(高昕宇等，2010)、花山岩体(128±1 Ma)(聂政融等，2015)、太山庙岩体以及雷门沟花岗斑岩(131.0±0.6 Ma)(曹晶等，2016)、东沟花岗斑岩(112±1 Ma)(叶会寿等，2006)等。这些花岗岩浆活动大致可以分为150～160 Ma、130～150 Ma、110～130 Ma等3个主要期次，太山庙碱性花岗岩正是本次岩浆活动的末期产物。其主要的地球动力学背景为该时期受中国东部大规模岩石圈拆沉作用的影响(董树文等，2007)，岩石圈发生大规模减薄，地壳岩石在增温减压的双重效应下发生熔融，生成的熔体最终上侵形成太山庙等花岗岩体。

5.2 太山庙花岗岩基物质来源

太山庙花岗岩中锆石的εHf(t)为-4.56～-16.97。在εHf(t)-t图解上，所有样品均位于亏损地幔及球粒陨石演化线之下(图5)，表明这些样品均为壳源成因，即代表了太山庙花岗岩的母岩浆主要源于古老地壳的部分熔融。

图5 太山庙岩体的锆石Hf同位素组成(秦岭造山带和扬子克拉通Hf同位素组成数据参考高昕宇等，2010)

太山庙花岗岩中锆石的tDM2为1464～2247 Ma，平均为1970 Ma。那么区域上的结晶基底太华岩群、第一盖层熊耳群是否是其主要的物质来源？太华岩群的形成时代为新太古代和古元古代，其εHf(t)以正值为主(时毓等，2011；
2014)。而熊耳群主要形成于1800 Ma左右，其εHf(t)为-3.8～-9.5(高昕宇等，2010；
高昕宇，2012)。因此太华岩群和熊耳群均不太可能作为太山庙岩体的主要源区。

古生代早期，扬子克拉通北缘和南秦岭开始向华北克拉通南缘之下俯冲(高昕宇，2012)。那么俯冲到华北克拉通南缘下部地壳的南秦岭和扬子克拉通古老基底可否作为太山庙岩体的源区？秦岭造山带主要构造块体的Hf同位素组成为：北秦岭秦岭群(1987 Ma)εHf(t)为9.0～18.0；
南秦岭陡岭群(1876 Ma)、佛坪群(1751 Ma)、崆岭群(2740 Ma)εHf(t)分别为4.3～10.5、6.3～9.4、3.6～4.0；
扬子克拉通张八岭群(1450 Ma)、后河群(2400 Ma)εHf(t)分别为9.5～11.0、-0.9～2.4，西乡群(1668 Ma、1451 Ma)εHf(t)为11.7～14.6、5.2～9.5(高昕宇等，2010)。在Hf同位素组成图上，太山庙岩体的εHf(t)与扬子克拉通、南秦岭的εHf(t)演化趋势具有相似性，二者表现出较大的亲缘性(图5)。因此，从Hf同位素组成来看，太山庙岩体的源区更可能为俯冲到华北克拉通南缘下部地壳的南秦岭陡岭群等和扬子克拉通张八岭群等古老基底。

华北克拉通南缘的小秦岭—外方山一带出露大量燕山期花岗岩体，如西部的老牛山岩体(148 Ma)(王岩，2019)、华山岩体(134～146 Ma)(毛景文等，2005；
郭波等，2009；
张兴康等，2015)、文峪岩体(135～138 Ma)(王义天等，2010；
高昕宇等，2012)、娘娘山岩体(139～142 Ma)(王义天等，2010；
高昕宇，2012)，东部的上房沟岩体(135～158 Ma)(毛景文等，2005；
包志伟等，2009)、南泥湖岩体(150～158 Ma)(毛景文等，2005；
包志伟等，2009)、花山岩体(128 Ma)(聂政融等，2015)、五丈山岩体(160 Ma)(梁涛等，2019)、雷门沟岩体(131 Ma)(曹晶等，2016)、合峪岩体(135～148 Ma)(高昕宇等，2010)、太山庙岩体(112～126 Ma)(叶会寿等，2008；
高昕宇，2012；
齐玥，2014；
赖相濡，2015；
段友强，2016)等。这些燕山期花岗岩整体呈弧形分布于陕西华县以东、河南外方山以西，根据花岗岩体的成岩年龄，大致可分为150～160 Ma、130～150 Ma、110～130 Ma等三个主要的花岗岩形成阶段。华北克拉通南缘大量燕山期花岗岩的形成与中国东部的构造演化密切相关：随着秦岭碰撞造山运动的进行，中国东部岩石圈强烈挤压增厚，并于160～150 Ma岩石圈厚度达到最大。从150 Ma开始，构造体制开始从挤压向伸展的转换，岩石圈厚度开始减薄。从130 Ma开始，岩石圈厚度开始快速伸展减薄(高昕宇，2012)。地球化学研究表明，早期(160～130 Ma)主要形成埃达克质花岗岩，是幔源岩浆底侵导致加厚下地壳发生部分熔融的产物(郭波等，2009；
王义天等，2010；
高昕宇等，2010)；
晚期(130～110 Ma)主要形成具有A型花岗岩特征的高分异演化花岗岩，是在伸展减薄背景下地壳发生部分熔融的产物(叶会寿等，2008)。太山庙花岗岩体成岩年龄为112～126 Ma，具有长时间、多期岩浆活动的特点，是地壳在强烈的伸展减薄背景下发生部分熔融的产物。太山庙岩体及周边发育有锡、铀、三稀元素异常，是河南省重要的锡、铀、三稀元素找矿远景区。何玉良等(2020)测得产于太山庙岩体外接触带的大西沟锡矿的锡石U-Pb年龄为(122.10±0.71) Ma，与太山庙岩体的形成时间一致，显示二者具有密切的成因关系，并且均为中国东部中生代120 Ma左右的大规模岩石圈减薄背景下的产物。至于太山庙岩体与锡、铀、三稀元素异常和矿化之间的关系，考虑到该岩体中萤石较为发育，并且局部出现伟晶岩脉，暗示岩浆热液富含挥发分且已经经历一定程度富集，因此初步认为可能是形成太山庙岩体的原始岩浆富含这些元素，并在岩浆演化过程中进行了初步富集。但是否存在其他关系，还需进一步研究。

(1)太山庙花岗岩基可划分为5期侵入活动，分布面积最大的第一期、第二期侵入岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为(121.3±1.6) Ma、(119.6±1.8) Ma。太山庙花岗岩的形成时代为早白垩世。

(2)太山庙花岗岩中锆石的εHf(t)为-4.56～-16.97，表明其源区主要为古老的陆壳物质。与秦岭造山带主要构造块体的Hf同位素对比结果表明，太山庙花岗岩体的源区可能主要为俯冲到华北克拉通南缘下部地壳的南秦岭和扬子克拉通古老基底。

(3)太山庙岩体的初始岩浆富含锡、铀、三稀等成矿元素，并在岩浆演化过程中进行了初步富集。因此岩体及其接触带附近发育的异常区是下一步找矿的重点靶区。

致谢样品测试过程中天津地质调查中心李志丹给予极大帮助；
河南省地质调查院裴玉华高级工程师在成文过程中给予了建设性意见和建议；
审稿专家对论文提出了宝贵的修改意见，在此一并致以诚挚的谢意！

注 释

① 河南省地质调查院. 2014. 河南省合峪地区1∶5万区域地质调查报告[R]. 郑州: 河南省地质调查院.

猜你喜欢 锆石同位素花岗岩 强风化花岗岩地层中双护盾TBM掘进参数和控制要点分析交通科技与管理(2022年9期)2022-05-24草店－小林地区中生代花岗岩微量元素地球化学特征及成因科技视界(2020年13期)2020-06-03元素含量及稳定同位素比值用于网销带鱼产地溯源分析化学(2019年3期)2019-03-30锆石 谁说我是假宝石百科知识(2018年21期)2018-11-27新疆花岗岩地貌地质遗迹分布及其特征概述炎黄地理(2018年4期)2018-07-132017第四届全国稳定同位素制备与应用技术交流会分析化学(2017年5期)2017-06-212016年生物高考有关同位素标记法的实验考查中学生理科应试(2017年2期)2017-04-01热脱附—单体稳定同位素技术测定挥发性有机物分析化学(2016年9期)2016-05-14Pandora冬季恋歌凤凰生活(2016年4期)2016-04-07佳木斯地块东部二叠纪锦山花岗杂岩体的成因及其地质意义地球科学与环境学报(2014年4期)2015-01-07

推荐访问:同位素 外方 花岗岩