安徽大别山硬玉石英岩地球化学特征及其地质意义

吴峥，李双应

(合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽合肥 230009)

0 引言

大别造山带西延秦岭，东为郯－庐断裂所截，与郯－庐断裂东侧的苏－鲁造山带相对应，处于中国中央造山带的中东段。柯石英及其假象、微粒金刚石的发现，使之成为全球著名的陆陆碰撞造山带[1][2]

根据现有资料，大别造山带从北到南按照构造岩石单位可划分为北淮阳构造带、北大别杂岩带、中大别超高压变质岩带、南大别低温榴辉岩带和宿松变质杂岩带[3]。各构造岩石单元之间均为断层和剪切带为界。

中大别超高压变质岩带位于五河-水吼剪切带和花凉亭-马庙剪切带之间。以往的研究多集中在以榴辉岩为代表的超高压变质岩岩石学、矿物学、地球化学、大地构造学以及同位素地质学等方面，并取得了12个方面的突破性研究成果[4]。硬玉石英岩是带内一种特殊的岩石类型，分布在岳西菖蒲至潜山野寨大约40km长、宽约1km的近东西向弧形带内[5]。相对于超高压榴辉岩来说，硬玉石英岩的研究程度还比较低，前人的研究主要集中在潜山县双河地区[7-9]硬玉石英岩的超高压变质作用等方面，而对其原岩以及原岩形成的构造背景涉及较少。新近，我们在潜山县侯冲、灰冲、江家坂等地发现了新的硬玉石英岩露头。本文报道了硬玉石英岩的岩相学、地球化学、原岩恢复、形成时代和变质时代，为大别山超高压变质带的形成演化提供新的素材。

1 大别山硬玉石英岩带地质特征

硬玉石英岩带西自岳西五河、菖蒲，向东经潜山上新田、横冲、韩长冲、苗竹园、毛岭至野寨一线，侯冲、灰冲是其东延部分，总体呈向南凸出的近东西向弧形展布。

硬玉石英岩与大理岩、榴辉岩、黑云斜长片麻岩共生，宏观上构成了大理岩、硬玉石英岩、黑云斜长片麻岩、榴辉岩四位一体的大别山硬玉石英岩带，为明显的变质沉积岩组合。硬玉石英岩多呈层状、似层状分布，一般出露数米-数十米不等，最宽可达数百米，潜山上新田地区，地表出露宽达绿帘石＋黑云母(图2)。

图1 大别山硬玉石英岩地质图Fig.1 Geological map of jadeite quartzites in the Dabie Mountain

2 地球化学特征

在岩相学鉴定基础上，本次挑选出较新鲜的样品10件进行主量、微量元素、稀土元素测试。其中8个样品地球化学分析测试由澳实矿物实验室集团澳实分析检测（广州）有限公司完成，其余2个样品的分析测试由安徽省地质实验研究所完成。

2.1 常量元素特征

大别山硬玉石英岩的主量元素分析结果见表1，由表1可以看出，硬玉石英岩的SiO2含量为70.79%～74.78%，平均为72.73%；Al2O3为11.9%～12.46%，平均为11.77%；MgO 为0.72%～2.62%,平均为1.61%；Fe2O3为2.68%～6.36%,平均为5.00 %；Na2O 为4.9%～5.97%,平均为5.45%；K2O为0.06%～0.65%平均为0.22%；TiO2为0.29%～0.74%,平均为0.59%。与全球古生代造山带砂岩（Ronov et al.,1991相比，主量元素具有明显富硅、富铁、富钠的特征。

2.2 微量元素及稀土元素特征

大别山硬玉石英岩的微量、稀土元素分析结果400m。侯冲地区地表出露宽约80m。

硬玉石英岩多为淡灰色或青灰色，中粒结构，块状、片麻状构造。其组成矿物为硬玉、柯石英／石英、石榴石、金红石及少量多硅白云母。在退变的石英硬玉岩中，有钠长石、霓石、霓辉石、钠质闪石、白云母、黑云母、榍石、绿帘石及绿泥石等。石榴石及硬玉中都有柯石英或其假象。在强变形带中，石榴石和硬玉均因韧性变形而压扁拉长。在退变石英硬玉岩中，硬玉多被钠长石＋纤状纳质闪石的后成合晶交代，细粒的绿色霓石＋钠长石集合体分布于钠长石＋纤状钠质闪石后成合晶和石英之间。石榴石边缘为纤维状闪石＋钠长石的后成合晶，外围为富钠闪石的次生反应边，在与石英的接触带中常有霓石＋钠长石组成的后成合晶。根据其中的结构关系，可以分出3个世代的矿物组合：①硬玉＋石榴石＋柯石英＋多硅白云母＋金红石；②石英＋钠长石＋霓石＋白云母＋榍石；③钠质闪石＋钠质斜长石＋见表2。

图2 硬玉石英岩显微照片Fig.2 Micrograph of jadeite quartzite

由表2可以看出，区内的硬玉石英岩含有高浓度的Zr（309×10-6～609.4 ×10-6）、Nb（12.5×10-6～23.11 ×10-6）、Y（37.5×10-6～53.3 ×10-6）、Ba（12×10-6～204 ×10-6）和Sr（17.8×10-6～65×10-6）；特征微量元素 Th为2.23×10-6～15.55×10-6，U为0.98×10-6～3.64×10-6，Hf为8.2×10-6～12.65 ×10-6，Sc为6.36×10-6～9.00×10-6，Th/U为 2.59～-8.86，(La/Yb)N为2.27～11.41，Th/Sc为1.31、1.80，La/Sc为7.42～11.57 。Sr/Ba比值介于0.08～1.83，显示为副变质岩特征，其中Sr/Ba比值1.83，具有典型的海相沉积物的特征。

表1 大别造山带硬玉石英岩主量元素分析结果（%）Table 1 Analytical results of main elements of jadeite quartzite in the Dabie orogenic belt (%)

表2 大别造山带硬玉石英岩微量元素分析结果及比值(×10-6)Table 2 Microelement analysis results and ratios of jadeite quartzite in the Dabie orogenic belt (×10-6)

在与大陆上地壳标准化图解上（图3），显示大别山硬玉石英岩微量元素配分曲线总体上很相似，呈三隆起形式，高场强元素Th、U、La、Ce、Zr、Hf相对富集，低场强元素Rb、Sr、Ba相对亏损 。

由表3可以看出∑REE 含量81.01×10-6～325.23×10-6，平均值为223.07×10-6，LREE含量为56.76×10-6～293.52×10-6、平均值为194.43×10-6，HREE为22.97×10-6～35.45×10-6，平均值为28.64×10-6，LREE/HREE＝2.34～10.30，平均值为6.67 ，轻重稀土分馏较为明显；δEu＝0.49～0.69，平均值为0.61 ，Eu负异常较明显，稀土元素标准化配分曲线呈轻稀土富集型的右倾型（图4），与太古界澳大利亚沉积岩（PAAS）、欧洲页岩（ES）和北美页岩（NASC）稀土元素球粒陨石标准化配分曲线比较一致（Haskin MA，1986；McLennan SM.1989）。此外，Sm/Nd比值是反映∑REE分馏程度的重要参数之一，而且也是反映物质来源的一个重要参数[21]，统计资料表明：地幔Sm/Nd比值为0.260～0.375；大洋玄武岩为0.234～0.425，壳源的花岗岩和沉积岩一般小于0.3。本区Sm/Nd比值范围为0.18 ～0.23 ，属于源自壳层的沉积岩。

表3 大别造山带硬玉石英岩稀土元素分析结果及比值(×10-6)Table 3 Analytical results and ratios of rare earth elements of jadeite quartzite in the Dabie orogenic belt(×10-6)

图3微量元素上地壳标准化蛛网图Fig.3 Normalized spider diagram of trace elements in upper crust

图4 球粒陨石标准化稀土配分曲线Fig.4 Normalized rare earth distribution pattern of chondrite meteorites

3 原岩恢复与构造背景

3.1 原岩恢复

变质岩的化学成分主要和原岩有密切的关系，利用变质岩化学成分可恢复原岩类型。首先根据变质岩的野外地质产状、岩石共生组合以及矿物标志、岩石化学及地球化学特征，确定该变质岩的原岩是正、副变质岩。然后再利用变质岩原岩图解判别法对其原岩类型做较详细的划分。

在区分正负变质岩的TiO2-SiO2判别图解（图5），硬玉石英岩样品几乎全部落入沉积岩区，因此可以推断硬玉石英岩的原岩是副变质成因。

图5 TiO2-SiO2 判别图解（据塔尼，1976）Fig.5 Discriminant diagram of TiO2-SiO2 (after Tani, 1976)

为进一步判别硬玉石英岩的原岩类型，本文采用ACF图解（据H.G.F.Winkler,1976)、(Al+ΣFe+Ti)-(Ca+Mg)图解（B.Moine和H.de la Roche，1968）、(Al+ΣFe+Ti)-(Ca+Mg)图解（А.А.Кременецкий，1979）进行投影，样品大多投在杂砂岩、砂岩区内（图6、7、8）。

因此，硬玉石英岩的原岩应为富钠的杂砂岩。结合大理岩的原岩为灰岩、泥灰岩、白云质灰岩，黑云斜长片麻岩的原岩为杂砂岩，榴辉岩的原岩一部分为泥灰岩，一部分为玄武岩。根据野外产状，硬玉石英岩、大理岩、黑云斜长片麻岩、榴辉岩其原岩建造为一套典型的碎屑岩-碳酸盐建造。

图6 ACF图解（据H.G.F.Winkler,1976)Fig.6 ACF diagram (after H.G.F.W inkler,1976)

图7 (Аl+ΣFе+Ti）-（Ca+Mg)图解（据B.Moine和H.de la Roche，1968）Fig.7 （Аl + ΣFе + Ti）-（Ca+ Mg） diagram （aftеr B.Moinе and H.dе la Roche, 1968)

图8 （Аl+ΣFе+Ti）-(Ca+Mg)图解（据А.А.Кременецкий，1979）Fig.8 (Al + ΣFe + Ti)-(Ca+ Mg) diagram (after А.А.Кременецкий，1979）

3.2 构造背景

元素地球化学方法常被用于确定物源和沉积盆地的大地构造背景的研究[10]。本文主要是在野外宏观和室内镜下观察基础上，根据其主微量元素岩石化学特征，并借助相关图解，对硬玉石英岩的原岩进行构造环境分析。

硬玉石英岩平均化学成分与不同构造环境沉积盆地中的杂砂岩成分[11]相比较结果见表4，硬玉石英岩介于活动大陆边缘和大陆岛弧之间，更接近于大陆岛弧型杂砂岩。在TiO2- (Fe2O3+ MgO)图解（Bhatia，1983）中(图9)，样品落入活动大陆边缘和大陆岛弧区。上述结果反映了硬玉石英岩构造环境和物源区类型较为复杂，其物源区主要是抬升的陆壳基底。

表4 大别山硬玉石英岩平均地球化学成分与不同构造环境杂砂岩成分对比Table4 comparison of chemical beteewn jadeite quartzite from Dabie Orogen and the greywackes from different tectonic settings

4 结论

（1）岩石地球化学研究表明，硬玉石英岩主量元素平均含量为SiO272.73%、Al2O311.77%、MgO 1.61%、Fe2O35.00 %、Na2O 5.45%、K2O 0.22%、TiO20.59%，Na2O＞K2O，具有明显的富硅、富铁、富钠的特征。特征微量元素Th/U 、La/Y、Th/Sc、La/Sc比值分别为 4.92、3.56、1.51、1.38；稀土元素总量ΣREE平均为 125.3×10-6，δEu异常为0.67，稀土元素标准化配分曲线呈轻稀土富集型的右倾型。

图9 砂岩的TiO2-（Fe2O3总+MgO）构造环境判别图解（据Bhatia，1983）Fig.9 Structural environment discrimination diagram of TiO2-

（2）原岩恢复研究表明，硬玉石英岩的原岩为以长英质为主的一套杂砂岩，硬玉石英岩、大理岩、黑云斜长片麻岩、榴辉岩其原岩建造为一套典型的碎屑岩-碳酸盐建造。

（3）构造环境和物源区研究表明，大别山硬玉石英岩的原岩形成于兼有大陆岛弧和活动大陆边缘的构造环境。