南秦岭土地岭早古生代粗面质火山岩成因:来自锆石U-Pb年龄、元素及Sr-Nd同位素证据.pdf
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1、南秦岭土地岭地区火山岩因富含铌钽等稀有金属元素而受到广泛关注,但目前对该类火山岩成因的研究还较为薄弱。通过对土地岭典型粗面质火山岩进行锆石 U-Pb 年代学、主微量元素及 Sr-Nd 同位素地球化学研究,探讨岩石成因及成岩构造背景。土地岭富铌钽火山岩主要岩石类型有霓石粗面岩、含晶屑粗面质凝灰熔岩、晶屑粗面质熔结凝灰岩、粗面质晶屑凝灰岩及沉凝灰岩。LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 定年表明,该火山岩成岩年龄为 44510 Ma,形成于早志留世。地球化学特征表明,火山岩样品具高硅(SiO2=55.97%66.71%)富碱(K2O+Na2O=8.64%16.74%)的特征,为一套碱性火山岩;轻稀土
2、元素显示相对富集特征(La/Yb)N=11.293.6)。火山岩(87Sr/86Sr)i主体为 0.70340.7057,Nd(t)值为 2.22.7,相应的Nd 模式年龄 tDM为 0.770.89 Ga。土地岭火山岩 Sr-Nd 同位素组成具有洋岛玄武岩(OIB)特征,可能来自于 HIMU,EM和 EM的混合源区。结合其较高的 Nb/U 值(10.8106.1)以及主量元素 CaO、MgO、Fe2O3T、TiO2与 SiO2均显示负相关关系特征,土地岭赋矿火山岩应该为富集地幔来源岩浆结晶分异作用的产物,可能形成于早古生代华南板块北缘的被动大陆边缘环境。关键词:锆石 U-Pb 年龄;元素地球
3、化学;Sr-Nd 同位素;富铌钽火山岩;土地岭;南秦岭 中图分类号:P597;P595 文献标志码:A 文章编号:1001-1552(2023)03-0681-014 0 引 言 铌(Nb)、钽(Ta)等稀有金属是目前十分重要的战略资源,在军工、冶金、机械、化工、陶瓷、玻璃建材等行业有广泛应用,被称为“关键金属”。我国铌钽等稀有金属矿产主要分布于江西、福建、内蒙古、新疆、广东、湖南、四川、湖北等地(袁晓军等,2004;肖惠良等,2012;詹涵钰等,2019)。而在南秦岭一带,陕西紫阳岚皋地区和湖北竹溪竹山地区也先后发现一系列稀有稀土矿床(点)。其中沿安康竹山断裂带,南侧已发现陕西镇坪洪阳、平利
4、大磨沟、竹溪关垭子、蒋家堰、天宝等一批铌矿床(点)(刘万亮等,2015;万俊等,2016;杨成等,2017),在北侧发现有庙垭、杀熊洞等大型岩浆铌稀土矿床(Xu et al.,2008;晁会霞等,2016)。近期,在湖北竹山县土地岭一带发现了规模大、品位稳定的 682 第 47 卷 竹山土地岭铌钽矿床(钟石玉等,2018;熊意林等,2018;鲁显松等,2019),这也是在竹山竹溪地区首次发现较大规模的铌钽矿化,矿化主要赋存于粗面质火山岩中。鉴于土地岭富铌钽火山岩形成时代以及岩浆来源等研究还较为薄弱,本次以竹山土地岭富铌钽粗面质火山岩为研究对象,通过系统的岩石学、锆石U-Pb 年代学、全岩元素及
5、 Sr-Nd 同位素地球化学研究,以探讨其岩石成因,为区域同类型赋矿岩石成因的研究提供借鉴意义,同时也可以指导该区下一步的矿产勘查工作。1 区域地质及岩石学特征 秦岭造山带是中央造山带的重要组成部分,东接苏鲁大别造山带,西连祁连昆仑山脉,由古生代俯冲作用与中生代碰撞造山运动形成的复合型造山带(张国伟等,2001;Ernst et al.,2007;王宗起等,2009)。北部商丹和南部勉略两条蛇绿混杂岩带从南向北将秦岭分为北秦岭造山带、南秦岭造山带及华南板块(Meng and Zhang,2000;张国伟等,2001;Lai et al.,2008;Dong et al.,2011a;Zheng
6、 et al.,2012;Lai and Yang,2013;Wu and Zheng,2013)(图 1)。研究区位于南秦岭中段北大巴山弧形构造带内的武当地区,具有扬子地块的双层前寒武纪基底,且具多层构造盖层组合:下部震旦系下古生界,中部上古生界中三叠统,上部中新生界陆相断坳陷沉积(Ying et al.,2017)。区域上主要出露南华系武当岩群至志留系梅子垭组中浅变质地层。南秦岭岩浆活动频繁,发育有新元古代、早古生代及印支期基性和酸性侵入岩,主体为辉长岩类和花岗岩类。在武当群、耀岭河群和随县群中还发育了大规模的基性岩墙群及变质火山岩(丁宇,1993;杨钟堂等,1997;周鼎武等,1999;
7、张成立等,1999)。南秦岭地区早古生代除了发育基性岩墙群,还广泛发育碱性岩浆岩。其中碱性杂岩体和碱性火山岩主要分布在湖北竹山竹溪地区和陕西紫阳岚皋平利地区(图 1)。碱性杂岩体由正长岩和碳酸岩组成;碱性火山岩岩性主要为粗面质火山岩和碱性玄武岩(张成立等,2002;王刚,2014;应元灿,2018)。土地岭富铌钽粗面质火山岩分布在竹溪县得胜镇一带,位于庙垭碳酸岩杂岩体的东部(图 1)。由于采用标准不一,前人对竹山竹溪地区粗面质火山岩的命名略有差异。本文借鉴孙善平等(2001)的火山碎屑岩分类,按成分+火山岩相命名规则,将研究区的火山碎屑岩分为霓石粗面岩、含晶屑粗面质凝灰熔岩、晶屑粗面质熔结凝灰
8、岩、粗面质晶屑凝灰岩和沉凝灰岩,具体的岩相学特征见表1和图2。1.新元古代地层;2.古生代地层;3.基性岩;4.碳酸岩正长岩杂岩体;5.粗面质火山岩;6.研究区位置;F1.鲁山断裂;F2.商丹断裂;F3.青峰襄广断裂;F4.红春坝曾家坝断裂;F5.安康竹山断裂;F6.十堰断裂。图 1 南秦岭武当地区地质简图(据张国伟等,1996 修改)Fig.1 Simplified geological map of the Wudang area of the South Qinling orogen 第 3 期 周 豹等:南秦岭土地岭早古生代粗面质火山岩成因:来自锆石 U-Pb 年龄、元素及 Sr-Nd
9、 同位素证据 683 表 1 土地岭粗面质火山岩岩相学特征 Table 1 Petrographic characteristics of the trachytic volcanic rocks from the Tudiling area 岩石类型 颜色 结构构造 物质组成 样品情况霓石粗面岩(图2a)暗灰色 粗面结构(图2b),块状构造Kfs(60%)+Pl(20%)+Qz(8%)+Aeg(10%)+(Zrn+Ap+Ilm)(2%)较新鲜 含晶屑粗面质凝灰熔岩(图2c)灰白色 熔结结构(图2d),块状构造碎屑物质:Kfs(15%)+岩屑(15%)+Pl(5%)+Qz(5%)熔岩基质:Kf
10、s(20%)+Pl(30%)(大多Ser化)+Qz(5%)+(Hem+Zrn+Spn+Ilm)(5%)浅变质 晶屑粗面质熔结凝灰岩(图2e)灰白色 碎屑结构(图2f),弱定向构造 碎屑物质:Amp(10%)+Kfs(30%)+Bt(10%)+Qz(20%)+岩屑(20%)基质:(Kfs+Pl)(8%)+(Hem+Zrn+Spn+Ilm)(2%)浅变质 粗面质晶屑凝灰岩(图2g)灰白色 凝灰结构,定向构造(图2h)碎屑物质:Kfs(40%)+Bt(10%)+Pl(20%)+火山灰(20%)基质:(Kfs+Pl)(8%)+(Hem+Zrn+Spn+Ilm)(2%)浅变质 沉凝灰岩(图2i)灰黑色
11、凝灰结构(图2j),千枚状构造 碎屑物质:火山灰(30%)+Kfs(20%)+Pl(10%)沉积物质:泥质、炭质(40%)浅变质 矿物代号:Kfs.钾长石;Pl.斜长石;Aeg.霓辉石;Qz.石英;Bt.黑云母;Ser.绢云母化;Zrn.锆石;Ap.磷灰石;Spn.榍石;Ilm.钛铁矿;Hem.赤铁矿。(a)霓石粗面岩;(b)霓石粗面岩显示粗面结构;(c)含晶屑粗面质凝灰熔岩;(d)含晶屑粗面质凝灰熔岩显示熔结结构;(e)晶屑粗面质熔结凝灰岩;(f)晶屑粗面质熔结凝灰岩显示碎屑结构,矿物弱定向;(g)粗面质晶屑凝灰岩;(h)粗面质晶屑凝灰岩呈凝灰结构,矿物定向排列;(i)沉凝灰岩;(j)沉凝灰
12、岩显示凝灰结构。图 2 土地岭粗面质火山岩手标本及镜下照片 Fig.2 Hand specimens and microscopic photos of the trachytic volcanic rocks from the Tudiling area 2 样品及分析方法 本研究选取 1 件霓石粗面岩样品(TTC3S-01a)(采样位置:32291.6N,1095722.4E)进行了锆石U-Pb 年代学研究。共选取不同岩相岩石样品 11 件进行全岩主量、微量元素及 Sr-Nd 同位素分析,其中霓石粗面岩 4 件(TTC03S-01a、TTC03S-01b、TTC08S-02、TTC08S-
13、03)、粗面质凝灰熔岩 1 件(YK01-02)、粗面质晶屑凝灰岩 1 件(TTC08-08)、粗面质熔结凝灰岩 5 件(TCWJ01-02a、TCWJ01-02b、TCWJ01-02c、TBT10-04 和 TBT12-02a)。2.1 锆石 U-Pb 定年 锆石 U-Pb 定年在武汉上谱分析测试有限公司利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)分析完成。激光剥蚀系统为 GeoLas 2005,ICP-MS为 Agilent 7500a。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度,二者在进入 ICP 之前 684 第 47 卷 通过一个 T 型接头混合。在等离子体中心
14、气流(Ar+He)中加入了少量氮气,以提高仪器灵敏度、降低检出限和改善分析精密度(Hu et al.,2008)。每个时间分辨分析数据包括大约 2030 s 的空白信号和 50 s 的样品信号。数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及 U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件 ICPMSDataCa(Liu et al.,2008,2010)完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法见 Liu et al.(2008,2010)。U-Pb 同位素定年中采用锆石标准 91500 作外标进行同位素分馏校正,每分析 5 个样品点,分析 2 次 91500。本次分析中
15、获得91500标样的206Pb/238U年龄值为1062.43.7 Ma(n=22,MSWD=0.008),与 推 荐 值1062.40.8 Ma(2)(Wiedenbeck et al.,1995)在误差范围内一致。对于与分析时间有关的 U-Th-Pb 同位素比值漂移,利用91500 的变化采用线性内插的方式进行了校正(Liu et al.,2010)。锆石标准 91500 的 U-Th-Pb 同位素比值推荐值据 Wiedenbeck et al.(1995)。锆石样品的U-Pb 年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig,2003)完成。2.2 主量
16、、微量元素 全岩主量、微量元素分析在澳实分析检测(广州)有限公司完成。主量元素检测仪器为 Philips PW2400光谱仪。测试流程如下:首先将 1 g 岩石粉末样与湿偏硼酸锂按 110 比例混合,将样品置于铂金坩埚中(温度约为 1300),熔融后制成玻璃片,然后用ME-XRF 26 法(X-ray fluorescence spectrometery)测定 15 种元素的氧化物含量,其氧化物分析误差均小于2%。全岩微量元素的测定采用ICP-MS(inductively-coupled plasma mass spectrometry)电感耦合等离子质谱方法,测试仪器为 Agilent7 5
17、00a ICP-MS。大多数微量元素的分析精度优于 5%。2.3 Sr-Nd 同位素 全岩 Sr-Nd 同位素测试在武汉上谱测试分析有限公司利用美国Thermo Fisher Scientific公司的MC-ICP-MS(Neptune Plus)完成。Sr 同位素质量分馏校正采用86Sr/88Sr=0.1194 标准化,本次分析中 Sr 同位素标样NBS987 的87Sr/86Sr 分析测试值为 0.71024311(2,n=4),与推荐值 0.71024112(2)(Thirlwall,1991)在误差范围内一致。Nd 同位素分析采用多接收等离子质谱仪 MC-ICP-MS(Neptune)
18、,样品143Nd/144Nd 值用146Nd/144Nd=0.7219 标准化。Nd 同位素标样 JNDi-1 的测定值为143Nd/144Nd=0.5121170.000006(2,n=5),与推荐值 0.5121150.000007(2)(Tanaka et al.,2000)在误差范围内一致。3 分析结果 3.1 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 年龄 霓石粗面岩样品(TTC3S-01a)中的锆石大都为无色或浅褐色,自形半自形柱状,粒径范围为 20 100 m,长短轴之比为 1151。CL 图像中,锆石均显示较明显的补丁状环带(图 3a 中颗粒 14)或无环带(图 3a),部分锆石由于
19、蜕晶化作用而显示“鬼脸”结构(ghost texture)(图 3a 中颗粒 16)。锆石 Th/U值大于 0.1,显示为典型的岩浆锆石。对 16 颗锆石进行了分析,获得的16个点中有8个分析点的206Pb/238U年龄值较为集中(4302 Ma46515 Ma),其加权平 图 3 霓石粗面岩样品(TTC3S-01a)中锆石代表性阴极发光(CL)照片(a)和 U-Pb 年龄谐和图(b)Fig.3 Cathodoluminescence(CL)images of representative zircons(a)and zircon U-Pb concordia diagram(b)of the
20、 aegirine trachyte(TTC3S-01a)from the Tudiling area 第 3 期 周 豹等:南秦岭土地岭早古生代粗面质火山岩成因:来自锆石 U-Pb 年龄、元素及 Sr-Nd 同位素证据 685 均年龄值为 44510 Ma(n=8,MSWD=0.6)(表 2,图 3b)。另有 3 个分析点给出了较老的年龄值(4722067 Ma),为捕掳锆石的年龄;5 个分析点给出的年龄较年轻(310402 Ma),可能为蜕晶化造成 Pb 丢失的结果。因此,44510 Ma 代表了粗面岩的成岩年龄,表明其形成于早志留世。3.2 主量、微量元素特征 土地岭粗面质火山岩样品的主
21、量、微量元素测试结果见表 3。由于部分样品烧失量偏高,因此将主量元素分析结果去除烧失量后,重新换算成 100%后再进行讨论。表 2 霓石粗面岩样品(TTC3S-01a)LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 测年结果 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb results for the aegirine trachyte(TTC3S-01a)from the Tudiling area 含量(g/g)同位素比值 年龄(Ma)点号 Th U Th/U 207Pb/206Pb 1 207Pb/235U1 206Pb/238U1 207Pb/235U 1 206Pb/238U11
22、5901 289 20.4 0.68269 0.77432 0.455070.348470.058920.00400381 243 369 242 24588 790 31.1 0.04665 0.00493 0.366810.046440.049250.00153317 34 310 93 8947 642 13.9 0.00435 0.02146 0.464890.201570.064370.00227388 140 402 144 5980 998 6.0 0.05287 0.00792 0.570730.079940.073920.00211458 52 460 135 31501 5
23、56 56.7 0.03704 0.00972 0.524710.107930.074760.00250428 72 465 156 27941 602 46.4 0.05239 0.00309 0.393470.023400.054360.00124337 17 341 87 6737 285 23.6 0.04293 0.01623 0.531960.158640.072400.00191433 105 451 118 8224 495 16.6 0.05499 0.00809 0.548470.074890.070930.00215444 49 442 139 11507 708 16.
24、3 0.05022 0.01323 0.570520.139280.071250.00179458 90 444 1110 1771956 42205 42.0 0.12196 0.00198 5.419750.089870.318380.003931888 14 1782 1911 6022 1396 4.3 0.01511 0.01404 0.338820.104900.049370.00219296 80 311 1312 11661 622 18.7 0.01660 0.02878 0.581960.273890.073720.00332466 176 459 2013 2873 53
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