北淮阳早白垩世金刚台组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地层对比

李鑫浩 ,高昕宇张忠慧,方建华,赵太平

(1.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,广东 广州 510640;2.中国科学院大学,北京 100049;3.河南省山水地质旅游公司,河南 郑州 450001;4.河南省地质调查院,河南 郑州450001)

0 引言

大别造山带北缘即北淮阳地区广泛分布着晚中生代火山岩,该火山岩带长逾330 km,宽10~50 km,大致以商城–金寨、晓天–舒城为中心分布,西起河南信阳,东至安徽六安,与郯庐断裂带交接(图1)。这一火山岩带在空间上呈近东西向展布,与大别造山带的构造线方向一致,并明显受到断裂带的控制,夹在固始–合肥断裂和磨子潭–晓天断裂之间。北淮阳地区中生代火山岩的形成与扬子和华北克拉通的俯冲碰撞及其后续的伸展拉张作用密切相关(邱检生等,2002),而碰撞后的岩浆作用是反映构造演化及壳–幔信息的重要内容。前人对大别地区火山岩进行过一定程度研究(杨为民和杨为根,1995;程安学,1999;吴海权,2000;Wang et al.,2002;李双应等,2002;邱检生等,2002;王岳军等,2002;吴海权等,2002;孔凡军和蒋永福,2006;韩燕峰等,2010),但和大别造山带的中生代花岗质岩浆作用的研究相比,北淮阳地区中生代火山岩的研究程度依然薄弱。

前人把北淮阳地区的中生代火山岩划分为5个火山构造单元,自西向东依次为信阳火山沉积盆地、光山–商城火山沉积盆地、金刚台锥型火山群、霍山–舒城火山沉积盆地和磨子潭–晓天火山沉积盆地(张鹏,1998)。不同地区的地层分别为陈棚组、金刚台组、响洪甸组和毛坦厂组。已有的研究主要集中于火山岩带的东部(杨为民和杨为根,1995;程安学,1999;吴海权,2000;Wang et al.,2002;李双应等,2002;邱检生等,2002;王岳军等,2002;吴海权等,2002;孔凡军和蒋永福,2006;韩燕峰等,2010)。对于西部的金刚台组火山岩,前人主要侧重于研究火山岩的地质学、岩石学和岩石地球化学(刘文灿等,1997;张鹏等,1997;杜建国和张鹏,1999;杨泽强等,2006),精确的年龄数据相对较少。近年来有学者对金刚台组火山岩进行年代学研究(黄丹峰等,2010;黄皓和薛怀民,2012),但其采样位置多位于火山岩系的下部层位,对其火山活动下限时间没有做出很好的限定。而且金刚台组火山岩与相邻产出的商城花岗质侵入岩之间的先后关系,一直存在争议(刘振宏等,1994;杜建国和张鹏,1999;罗照华等,2008)。北淮阳地区中生代火山岩也缺乏区域内的综合对比。因此,在加强西部地区火山岩研究的基础上,在区域内进行岩石学、年代学的综合对比对更好的理解北淮阳火山岩带具有重要作用。

图1 北淮阳地区火山岩分布及构造格架图(据李双应,2003改)Fig.1 Simplified tectonic map of the Beihuaiyang region showing the distribution of volcanic rocks

本文在前人工作基础上,对北淮阳地区西部的金刚台组火山岩进行精确的 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,讨论了其与商城花岗岩体的先后关系,并在此基础上对北淮阳地区火山岩地层进行综合对比,以更好地建立北淮阳地区中生代岩浆的时空格架,为深入探讨北淮阳地区中生代岩浆作用规律提供依据。

1 地质背景

金刚台组火山岩位于北淮阳中生代火山岩带的西部(图1),地跨河南、安徽两省,大致以金刚台和馒头寨为中心呈近圆形分布(图2),可分为东西两部分,出露面积约240 km2(刘文灿等,1995)。金刚台组以火山碎屑岩为主体,其中熔结凝灰岩、角砾晶屑凝灰岩占绝对优势。火山活动以中心式喷发为特征,其复式火山机构由多个次级的锥状火山组成,在火山喷发的不同部位分别保存有火山流动构造和火山角砾构造。

金刚台组火山岩周围出露的地层主要有下古生界佛子岭岩群、泥盆系花园墙组、上石炭统胡油坊组、杨小庄组、中侏罗统三尖铺组和第四系冲积层。区域侵入岩以早白垩世中晚期的中酸性侵入岩为主,商城岩体为该区域较大的侵入岩体。早白垩世中晚期的中酸性岩体中偶见少量后期侵入的基性岩墙。

2 样品描述

本次选择了 3个火山岩样品用于锆石定年,分别为JGT-1、JGT-10和JGT-80。

样品 JGT-1为流纹英安岩,采自金刚台组火山岩底部,地理坐标为 N31°47′41.4″,E115°44′22.9″。颜色为深灰色,斑状结构,块状构造。斑晶以斜长石为主,少量钾长石、石英。镜下有明显的流动构造。样品 JGT-1的大部分锆石都发育清晰、密集的振荡环带,锆石中出现较多长柱状晶体(可达 30%) ,长宽比最大可达 3∶1(图3a),Th/U比值为 0.45~2.24,具有典型的岩浆锆石特征。

图2 金刚台地区地质简图(据刘文灿等,2005修改)Fig.2 Schematic geological map of the Jingangtai area

样品JGT-10为英安岩,采自金刚台组火山岩中部,地理坐标为 N31°46′21.4″,E115°44′35″。颜色为深灰色,斑状结构,块状构造。斑晶以斜长石为主,少量钾长石、石英。样品JGT-10的大部分锆石都发育清晰、密集的振荡环带,锆石中出现较多长柱状晶体(可达40%) ,长宽比最大可达3∶1(图3c),Th/U比值为0.49~1.60,具有典型的岩浆锆石特征。

样品JGT-80为安山岩,采自苏仙石火山喷发中心附近,地理坐标 N31°46′31.4″,E115°34′1.9″。岩石呈暗灰色,斑状结构,块状构造。斑晶主要为斜长石,少量辉石、黑云母、角闪石。斑晶粒径一般为0.2~0.5 mm。基质为交织结构,以斜长石为主。该样品的锆石晶形完好,发育清晰、密集的振荡环带。锆石晶形主要为短柱状,棱角分明,长宽比1.5∶1,长度一般在100~150 μm;少量为长柱状,长宽比在 2∶1~3∶1,长200~250 μm(图3e),Th/U比值为0.56~5.67,具有典型的岩浆锆石特征。

3 分析方法

样品在河北廊坊诚信地质技术服务公司用常规方法分选锆石。将挑选好的锆石制成靶,并进行透射光和阴极发光(CL)照相,以选择晶形好、表面干净的锆石做分析测试。锆石U-Pb年龄测定在中国科学院地质与地球物理研究所完成。分析仪器为Agilent公司7500a型ICP-MS,激光束直径为40 μm,剥蚀频率为8 Hz,能量密度为15~20 J·cm-2,剥蚀时间约60 s。详细的分析程序见谢烈文等(2008)。锆石U/Pb比值及年龄校准选用标准锆石 91500。锆石U-Pb同位素及U、Th数据处理使用Glitter4.0软件(Jackson et al.,2004)。

4 分析结果

JGT-1样品20颗锆石的206Pb/238U表面年龄介于137~119 Ma(表1),剔除6个信号不好或Pb丢失的锆石,其中14颗锆石年龄集中于132~120 Ma,获得加权平均年龄为 127.5±0.6 Ma,MSWD=0.7(图3b)。

JGT-10样品20颗锆石的206Pb/238U表面年龄介于137~118 Ma(表1),剔除3颗明显偏离其他数据的锆石,其中17颗锆石年龄集中于132~120 Ma,获得加权平均年龄为124.8±2.3 Ma,MSWD=0.7(图3d)。

JGT-80样品17颗锆石的U-Pb年龄范围较大，介于1918~117 Ma(表1),剔除8颗继承锆石,其中9颗锆石年龄集中于117~130 Ma,获得加权平均年龄为123.3±2.7 Ma,MSWD=3.5(图3f)。8颗继承锆石的年龄范围分为 2段,分别为:1918~1766 Ma和474~402 Ma。古元古代继承锆石的发现,反映金刚台组火山岩的物质来源有较老的地壳物质加入;474~402 Ma这个年龄段对应着商丹洋闭合引起的一系列构造–热事件(Dong et al.,2011)。

从采自不同层位的 3个样品的测年结果来看,金刚台组火山岩形成时间从 123.3~127.5 Ma,形成于早白垩世,火山岩组底部年龄值在误差范围内与前人研究结果一致(129~127.6 Ma;黄丹峰等,2010;黄皓和薛怀民,2012)。金刚台组火山岩表现为多期次喷发形成,但火山活动持续时间较短。

图3 锆石阴极发光图像及U-Pb年龄谐和图Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of the zircons from the volcanic rocks and the U-Pb concordant diagrams

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5 讨论

5.1 金刚台地区早白垩世岩浆活动

早期的年代学研究认为金刚台组火山岩形成于晚侏罗世(刘文灿等,1997;张鹏等,1997;杜建国和张鹏,1999),而本次研究获得的金刚台组火山岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄表明金刚台组火山岩形成于早白垩世。

金刚台地区出露的商城岩体,面积约 131 km2(刘文斌等,2003),主要分布在金刚台组火山岩的西北部,两者接触关系不明。前人认为商城岩体晚于金刚台组火山岩(刘振宏等,1994;杜建国和张鹏,1999),而最近的年代学资料表明,商城岩体的形成年龄为 141±2 Ma~137±2 Ma(高昕宇等,2013)。在野外工作中,我们也发现,在商城岩体和金刚台组火山岩的接触部位,有次火山岩脉侵入到商城岩体之内,这些资料均表明金刚台组火山岩的喷发晚于商城岩体的侵入。因此,在金刚台地区早白垩世的岩浆活动,先是花岗质岩浆侵入形成商城岩体,然后发生强烈的火山喷发作用,形成金刚台组火山岩。

金刚台火山岩的形成年龄与大别地区早白垩世花岗质岩浆作用的峰期年龄(130~125 Ma,Xue et al.,1997;Hacker et al.,1998;Wei et al.,2001;刘敦一等,2002;薛怀民等,2002;Ma et al.,2004;Bryant et al.,2004;Xu et al.,2007;Zhao et al.,2007;赵子福和郑永飞,2009)一致。此外,该年龄值也处在大别地区零星分布的早白垩世辉石岩–辉长岩侵入体、基性岩墙/脉和基性火山岩的岩浆活动峰值区间内(130~120 Ma,Jahn et al.,1999;李曙光等,1999;Qiu et al.,2000;Fan et al.,2001,2004;王岳军等,2002;王江海和邓尚贤,2002;Zhao et al.,2005;Wang et al.,2005)。可见,金刚台组火山岩与大别地区早白垩世花岗质及中、基性侵入岩和火山岩可能在同一大地构造背景及动力学条件下形成。

5.2 地层对比

北淮阳地区分布着大面积的火山岩,自西向东分别为陈棚组、金刚台组、响洪甸组、晓天组和毛坦厂组,它们的年龄数据见表2。从表2中可以看出,北淮阳地区的火山活动相对比较集中,为 133.1~122 Ma。

早白垩世,北淮阳地区火山活动比较强烈,在西北部,形成了陈棚组(133.1~125.1 Ma)自下而上为爆发相、喷发–沉积相、溢流相;在西南部,形成了以爆发相为主,伴随着熔岩溢出的金刚台组火山岩(127.5~123.3 Ma);在中部形成了响洪甸组(122 Ma)的碱性火山岩;在东部形成爆发相、喷发–沉积相交替不均匀出现的毛坦厂组(133~128.6 Ma)(图4)。由此可见,整个北淮阳地区的火山活动时间基本一致,火山喷发时限在133.1~122 Ma,并不存在前人(杜建国和张鹏,1999)提出的北淮阳地区火山岩从东到西岩浆岩成岩时代渐新、火山活动变弱的演化趋势。

从岩性来看,西部以中酸性–酸性的粗安岩、英安岩和流纹岩为主,是一套中偏酸性的岩石组合,其地球化学特征类似于埃达克岩,并被认为极可能起源于玄武质下地壳的部分熔融(潘国强等,2001) ;东部火山岩以中性–中酸性安山岩、粗安岩和粗面岩为主,但同时发育有偏碱性的基性火山岩–碱性玄武岩和碱性火山岩–霞石正长岩(响洪甸组)和细晶–隐晶质中基性火山岩(晓天组),这类岩石的出现表明东部火山岩应起源于上地幔,该观点也得到其他学者的广泛认同(杜建国和张鹏,1999;谢芳贵等,2000;王岳军等,2002;Fan et al.,2004)。因此,北淮阳地区早白垩世火山岩具有从西到东酸度逐渐降低的趋势,暗示其岩浆源区逐渐变深、地幔物质的参与逐渐增多。

表2 北淮阳中生代火山岩年龄数据表Table 2 Ages of the Mesozoic volcanic rocks in the Beihuaiyang region

图4 北淮阳地区火山岩地层柱状对比图Fig.4 Stratigraphic correlation of the volcanic rocks in the Beihuaiyang region

位于北淮阳地区火山岩带西部和东部的金刚台组和毛坦厂组火山岩的喷发类型十分相似,均以中心式的剧烈喷发为主。它们在岩石组合以及地貌上也很相似:(1)在岩石组合上,毛坦厂组和金刚台组均主要由熔岩、火山碎屑岩、通道相的安山玢岩组成,且火山碎屑岩分布最广,占地层岩石总量的比重最大;(2)在地貌上,中心式喷发使两者都形成了火山锥地貌。毛坦厂组和金刚台组火山岩有一明显的不同,毛坦厂组发育有沉积岩夹层,分别为厚约40 m的砾岩层和厚约50 m的泥岩层,说明毛坦厂组火山岩为多期次喷发形成,且间歇期较长。

综合分析可以发现,北淮阳地区早白垩世发育的大面积火山岩带的东部和西部火山岩特征较相似,如金刚台组火山岩和毛坦厂组火山岩在火山活动类型、岩石组合、成岩年龄等方面都十分吻合,由此推测在早白垩世,北淮阳地区发生一次大规模的火山活动,此火山活动以中心式喷发为主,范围绵延整个北淮阳地区,直接形成了北淮阳地区大面积的火山岩。

6 结论

(1) 金刚台组火山岩以火山碎屑岩为主体,形成于127.5±0.6~123.3±0.7 Ma,表明火山岩是在较短的时间内喷发形成的。

(2) 年龄对比结果表明,金刚台组火山岩活动时间晚于商城岩体,并不整合覆盖在商城岩体之上。

(3) 早白垩世北淮阳地区发生一次大规模的火山活动,范围绵延整个北淮阳地区,从西到东,火山活动时间近于一致,但火山岩酸性程度逐渐降低,表明其岩浆源区有逐渐变深、地幔物质参与逐渐增多的变化趋势。

致谢:感谢胡国辉和周艳艳博士在 LA-ICP-MS锆石U-Pb分析测试过程中的帮助。两位审稿人对论文进行了全面仔细的审阅,提出了宝贵的修改意见,使论文质量得到了很大提高,在此表示衷心感谢。

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