北秦嶺飯鋪閃長巖的巖石成因及其構造意義*

劉曉宇 韓 旭 梁 濤 李龍明 任升蓮 李加好

（1.合肥工業大學資源與環境工程學院 合肥 230009；2.安徽省地質博物館科學研究與藏品管理部 合肥 230031；3.河南省地質研究院 鄭州 450016）

北秦嶺地體位于洛南—欒川—方城斷裂帶和商丹斷裂帶之間，東西長約1 000 km，南北寬大致為80 km，它是秦嶺造山帶內地質構造帶中最復雜的地質單元，記錄了秦嶺造山帶內新元古代、古生代和中生代構造—巖漿熱事件和造山過程（張國偉等，2001）。北秦嶺古生代巖漿活動強烈，形成規模宏大的巖漿巖帶（盧欣祥，2000），其中豫西南地區以灰池子、漂池、張家大莊、湯河、西莊河、滿子營、板山坪、五垛山等巖基和飯鋪、堂坪—長探河、郭家漫、茶庵等巖株為典型代表。北秦嶺豫西南段古生代侵入巖的形成時代集中于490 Ma、450 Ma 和410 Ma 等3 期（王濤等，2009；郭彩蓮等，2010，2011；李勝利等，2012；張成立等，2013；李名則等，2014；秦拯緯，2016；李開文等，2019；李振強等，2019，2021；楊挺宇等，2019；周澍等，2019），它們為反演北秦嶺古生代構造演化提供了參考，如490 Ma 板山坪閃長巖形成于早古生代揚子板塊向華北板塊之下俯沖的初期階段（李名則等，2014），460 Ma 滿子營和西莊河花崗巖代表了板塊俯沖所導致的活動陸緣背景（郭彩蓮等，2010，2011），五垛山巖基代表了早志留世由俯沖環境轉換為陸陸碰撞環境及后碰撞環境下加厚地殼的垮塌過程（李開文等，2019；周澍等，2019）。這些認識大多來源于對花崗巖巖基的研究結果，北秦嶺豫西南段還出露飯鋪等一系列閃長巖巖株，它們的巖石成因模型也能為區域深部構造演化提供約束。因此，本文對飯鋪閃長巖進行了激光剝蝕電感耦合等離子體質譜（LA-ICP-MS）鋯石U-Pb 定年和Hf 同位素測試，結合巖石地球化學特征探討了其巖石成因及深部構造背景。

1 區域地質背景和巖相學特征

飯鋪巖株出露于北秦嶺豫西南段中部，如圖1a所示，區域出露地層主要為古元古界秦嶺群、下古生界二郎坪群、上古生界和中生界（圖1b）。秦嶺巖群自下而上依次為石槽溝組和雁嶺溝組，石槽溝組主要巖性為黑云斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖夾、斜長角閃巖；雁嶺溝組主要巖性為厚層狀（石墨）大理巖、含石英條帶（團塊）大理巖。

圖1 北秦嶺飯鋪巖體地質簡圖（底圖據河南省地質礦產局，1989 和豫西南地區地質圖1∶250 000 簡化）Fig.1 Geological sketch of the Fanpu pluton in the North Qinling orogenic belt（base map modified from Bureau of Geology and Mineral Resources of Henan Province，1989 and 1∶250 000 Geological Map of Southwestern Henan Province）

古生界由下古生界二郎坪群和上古生界組成，二郎坪群包括火神廟組、大廟組和二進溝組，上古生界由小寨組、抱樹坪組和子母溝組構成（王志宏等，2000）?；鹕駨R組主要為巨厚層的細碧巖、細碧玢巖、角斑巖，大廟組巖性以硅質板巖、長石石英砂巖、大理巖為主，二進溝組主要為細碧巖—石英角斑巖系。上古生界小寨組、抱樹坪組和子母溝組呈近北西向自北向南依次展布，小寨組主要巖性為黑云石英片巖、黑云（或絹云）斜長片巖、絹云片巖及二云片巖夾炭硅質層、變質粉砂巖、砂礫巖及透鏡狀斜長角閃片巖，抱樹坪組主要巖性為黑云石英片巖、黑云斜長片巖等，子母溝組主要為含礫大理巖、含礫結晶灰巖。中生界主要為上三疊統五里川組和上白堊統周莊組，五里川組主要巖性為黑色炭質板巖、長石石英砂巖夾細砂巖，底部為紫紅色復成分礫巖，周莊組主要巖性為棕紅色含礫泥質砂巖、砂質粘土巖、礫巖。

朱陽關—夏館深大斷裂帶是北秦嶺豫西南段重要的斷裂構造之一，它呈近北西西向展布于朱陽關、桑坪、石界河、米坪、軍馬河、小水、夏館一線（圖1），延伸約350 km，在南陽盆地以西走向約為310°，傾向多變，傾角為60°～80°，兩側次級斷裂構造發育。此外，出露大坪—瓦房院、西莊河、大磨石溝—軍馬河、二郎坪等地環弧形構造。在飯鋪巖體區域內，主要出露古生代和燕山期花崗巖，前者以湯池和張家大莊巖基為代表，其中張家大莊巖基的鋯石U-Pb 年齡為462 Ma（李振強等，2021），后者以煙鎮、骨頭崖和二郎坪巖體為代表，記錄131 Ma 和114 Ma 兩期巖漿作用（盧仁和梁濤，2017；梁濤等，2018，2019）。

飯鋪巖體呈近北西向橢圓狀出露，長軸和短軸長度分別約3.8 km 和1.2 km，面積約3.7 km2，圖1b 可見巖株侵入到湯河和張家大莊巖基內。如圖2a 所見，新鮮飯鋪閃長巖呈灰綠—暗綠色，塊狀構造，粒狀結構，主要礦物為角閃石（20%～30%）、黑云母（5%～10%）、斜長石（45%～55%）和少量石英。圖2b 所示角閃石顆粒粗大，斜長石呈灰白色，它形為主，發育聚片雙晶。巖體局部地段可見后期的石英脈穿插和暗色微粒包體。

圖2 北秦嶺飯鋪巖體的野外照片（a）、顯微照片（b）Amp.角閃石；Pl.長石；Q.石英；Bi.黑云母Fig.2 Field photo（a）and micrograph（b）of the Fanpu pluton in the North Qinling orogenic belt

2 測試方法

2.1 主量和微量元素測試

全巖主量和微量元素含量測定在南京聚譜檢測科技有限公司完成，主量元素使用帕納科Axios MAX XRF 分析完成，分析的精度和準確度遵行國標GB/T 14506.28-2010。微量元素使用ICP-MS 測試，儀器型號為Agilent7700x，使用國際標樣AGV-2 和BHVO-2 監控測試質量，測試結果的總體偏差不高于10%。

2.2 鋯石U-Pb 定年

鋯石定年分析在合肥工業大學資源與環境工程學院LA-ICP-MS 實驗室完成，ICP-MS 為美國Agilent 公司生產的Agilent 7500a，激光剝蝕系統為美國Coherent Inc.公司生產的GeoLasPro，該系統為工作波長193 nm 的ComPex102 ArF 準分子激光器。 在定年測試中， 標準樣品91500、Plesovice、NIST SRM610 和鋯石樣品有序穿插進行。數據處理均使用ICPMS DataCal 軟件（Liu et al.，2010），U-Pb 諧和圖繪制和加權平均年齡計算都使用ISOPLOT 程序（Ludwig，2003）。

2.3 鋯石Hf 同位素測試

鋯石原位Hf 同位素測試在合肥工業大學資源與環境工程學院同位素實驗室利用LA-MC-ICP-MS方法分析完成。該系統由Cetac Analyte HE 激光剝蝕系統與ThermoFisher Neptune Plus MC-ICP-MS 聯合組成。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣，每分析10 個樣品點，使用Penglai、Qinghu、91500、GJ-1h 和Plesovice 作為監控樣品，對分析數據的離線處理（包括對樣品和空白信號的選擇、 同位素比值計算）采用 LAZrnHf-Calculator@HFUT，同質異位素干擾扣除以及儀器分餾校正據Ludwig（2001）的方法完成。

3 測試結果

3.1 主量和微量元素組成

飯鋪巖體5 件樣品（1 件花崗閃長巖和4 件閃長巖）的主量和微量元素分析結果見表1。

表1 北秦嶺飯鋪巖體的主量元素/%和微量元素/×10-6分析結果Table 1 Analysis results of major elements /% and trace element/×10-6 for the Fanpu diorites from the North Qinling orogenic belt

它們的SiO2含量介于55.82%～64.78%，Al2O3含量介于15.45%～17.65%，TFe2O3含量的最低值和最高值分別為4.73%和6.92%，MgO 含量介于1.69%～4.25%， CaO 含量介于4.53%～6.76%，Na2O 和K2O 含量分別介于3.25%～4.14%和1.40%～2.33%。它們的Mg#介于41.7～57.4，Na2O+K2O 含量和Na2O/K2O值分別為4.97%～5.92%和1.54～2.96。

在哈克圖解中（圖3），飯鋪巖體樣品顯示較好的線性相關趨勢：1）MgO、TiO2、TFe2O3、CaO 和P2O5投點趨勢整體上為負相關趨勢；2） Al2O3、Na2O 和K2O 投點為發散趨勢。在SiO2-（Na2O+K2O）和SiO2-K2O 圖解中（圖4），飯鋪巖體樣品點均落入輝長閃長巖—閃長巖—花崗閃長巖分類區內，整體上接近于堿性—亞堿性系列的分界線，屬于鈣堿性系列巖石。

圖3 北秦嶺飯鋪閃長巖主量元素的哈克圖解Fig.3 Hacker diagrams of the major elements for the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt

圖4 北秦嶺飯鋪巖體的SiO2-（Na2O+K2O）和SiO2-K2O 圖解（底圖據Middlemost，1989；Rollinson，2003）Fig.4 SiO2-（Na2O+K2O）and SiO2-K2O diagrams for the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt（base map from Middlemost，1989；Rollinson，2003）

飯鋪巖體5 件樣品Ba 含量的最低值、最高值分別為632×10-6、1 291×10-6，Rb 和Th 含量分別介于57.3×10-6～77.6×10-6、3.96×10-6～13.9×10-6，Zr含量的最低值、最高值分別為100×10-6、159×10-6，Hf 含量介于2.81×10-6～3.82×10-6，Zr/Hf 值為35.5～41.5。飯鋪巖體樣品的Sr 和Y 含量分別為467×10-6～1 107×10-6和13.8×10-6～22.3×10-6， Nb和Ta 的含量分別為5.40×10-6～11.3×10-6、0.37×10-6～0.69×10-6，Nb/Ta、Y/Nb 值分別介于11.2～16.4、1.98～3.36。在微量元素蛛網圖中（圖5a），飯鋪巖體樣品顯示了Nb、Ta、Ti 的負異常，由于本次研究的閃長巖的源區為下地殼，其虧損可能是繼承了其源區基性巖石的特征，即有可能是其源區巖石在成巖過程中經歷了含Ti 礦物金紅石的結晶分離作用。

圖5 北秦嶺飯鋪巖體的微量元素蛛網圖（a）和稀土元素配分模式圖（b）（標準化數據據Sun and McDonough，1989）Fig.5 Primitive mantle-normalized spider diagram（a）and chondrite-normalized REE distributions（b）for the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt（normalized data from Sun and McDonough，1989）

飯鋪巖體樣品的稀土元素含量總量介于117×10-6～171×10-6之間，（La/Yb）N比值范圍是6.71～18.1，δEu 值介于0.82～0.95，稀土元素配分模式具輕稀土富集、重稀土虧損的特征，未顯示明顯的負Eu 異常（圖5b）。

3.2 鋯石U-Pb 定年結果

飯鋪閃長巖定年樣品17QL-3-1和17QL-5-2的巖性均為細粒閃長巖，采樣位置分別為（33°43′15″N，111°03′20″E）和（33°42′40″N， 111°02′49″E）。從兩件樣品中分選獲得的鋯石數量均大于300 粒，大部分的鋯石呈無色透明，少量呈淡黃色，部分鋯石晶體發育裂紋和礦物包裹體。鋯石晶形大部分完好，部分破碎，呈顆粒狀—短柱狀，長寬比介于1∶1～2∶1，并發育特征的扇形分帶結構和巖漿振蕩生長環帶（圖6），具有明顯的巖漿鋯石特點。

圖6 北秦嶺飯鋪巖體17QL-3-1 和17QL-5-2 的鋯石陰極發光圖像和年齡諧和圖Fig.6 Cathodoluminescence（CL）images and concordia diagrams of zircon grains from the Fanpu diorite samples

對樣品17QL-3-1 進行了20 個測點分析，測試結果見表2。其中測點-02 和測點-04 的測試結果明顯偏離諧和曲線，可能是由于鉛丟失，故在年齡處理時舍棄。剩余18 個鋯石測點的206Pb/238U 年齡介于437.2～403.4 Ma，Th/U 比值為0.83～1.25，加權平均年齡為422.1±5.5 Ma（MSWD = 0.6）（圖6）。

表2 北秦嶺飯鋪巖體的鋯石LA-ICP-MS 定年結果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt

對樣品17QL-5-2 進行了20 個測點分析（表2），其中測點-19 的測試結果明顯偏離諧和曲線，在年齡處理舍棄。剩余19 個鋯石測點的206Pb/238U 年齡介于444.4～407.4 Ma，Th/U 比值為0.74～1.29，加權平均年齡為424.2±5.2 Ma（MSWD = 1.1）（圖6）。

3.3 鋯石Hf 同位素組成

飯鋪巖體兩件樣品的鋯石Lu-Hf 同位素測試結果見表3 和圖7。

表3 北秦嶺飯鋪巖體的鋯石Lu-Hf 同位素分析結果Table 3 Lu-Hf isotope analytical results of zircon grains from the Fanpu diorite in the North Qinling orogenic belt

圖7 秦嶺飯鋪巖體鋯石的年齡-εHf（t）圖解（a）、εHf（t）統計直方圖（b）和TDM2統計直方圖（c）Fig.7 Age-εHf（t）diagram（a），statistical histogram of εHf（t）（b）and TDM2（c）of the zircons from the Fanpu diorites

樣品17QL-3-1 和17QL-5-2 中37 顆的176Lu/177Hf比值均小于0.002，表明樣品中鋯石在形成以后具有較低的放射性成因Hf 積累。樣品17QL-3-1 中鋯石的176Hf/177Hf比值介于0.282 272～0.282 718，εHf（t）值介于-8.48～7.00，形成了-8.48～-7.17 和2.92～7.00 兩個集中區。樣品17QL-5-2 中鋯石的176Hf/177Hf比值介于0.282 430～0.282 918，εHf（t）值介于-2.96～14.45，形成了-2.96～-0.03、0.94～5.38 和12.94～14.45 等3 個集中區。

樣品17QL-3-1中鋯石的TDM2介于1 938～961 Ma，在1 200～1 000 Ma 之間形成峰值區間，樣品17QL-5-2 中鋯石的TDM2范圍較寬，介于1 593～488 Ma，形成600～400 Ma、1 400～1 000 Ma和1 600～1 400 Ma 等3 個峰值區間。

4 討 論

4.1 形成時代

飯鋪巖體QL17-3-1 和QL17-5-2 的巖性為閃長巖，均具有塊狀構造和粒狀結構，鋯石陰極發光圖像發育巖漿振蕩環帶，Th/U 比值分別為0.83～1.25 和0.74～1.29，加權平均年齡分別為422.1±5.5 Ma、424.2±5.2 Ma。這兩個幾乎一致的年齡代表了巖漿的結晶年齡，表明飯鋪巖體形成于晚志留世。

飯鋪巖體侵入到張家大莊巖基內，后者的鋯石U-Pb 年齡為461.5±5.4 Ma（李振強等，2021），這說明飯鋪巖體的鋯石U-Pb 結果是可靠的。此外，北秦嶺侵入巖中存在和飯鋪巖體形成時代相近的巖體，如商南花崗巖侵入年齡為435±7 Ma（Dong et al.，2011），灰池子花崗巖侵入年齡425±1 Ma（王濤等，2009），棗園花崗巖侵入年齡423±10 Ma（秦拯緯，2016），土橋崗花崗巖侵入年齡425±6 Ma（劉丙祥，2014），丹鳳花崗巖侵入年齡409±4 Ma（陸松年等，2003）。

所以，上述結果顯示飯鋪閃長巖形成于晚志留世，是北秦嶺古生代中性巖漿活動的產物之一。

4.2 巖石成因和源區特征

通常，玄武質下地殼部分熔融產生的熔體Mg#值一般不高于40（高山等，2003；Rapp et al.，2003；李承東等，2007），由原生幔源巖漿的Mg#值范圍是65～75（Taylor and McLennan，1995；鄧晉福等，2004）。飯鋪閃長巖的Mg#值較高，為41.7～57.4，介于前述二者之間，表明飯鋪閃長巖的源區有幔源物質加入，可能經歷了幔源物質混合。

閃長巖樣品17QL-3-1 和17QL-5-2 中鋯石的εHf（t）值分別介于-8.48～7.00 和-2.96～14.45，個別樣品接近虧損地幔的Hf 同位素演化線，這說明幔源物質參與形成了飯鋪巖體。通常認為：1）鋯石的Hf 同位素模式年齡與其結晶年齡相接近，則說明其來自于虧損地幔；2） 鋯石Hf 同位素模式年齡遠遠大于其結晶年齡，則表明其巖漿源區來源于地殼，或者虧損地幔源區受到了強烈地殼混染作用的影響（吳福元等，2007）。

由于飯鋪巖體形成于晚志留世， 樣品17QL-3-1 和17QL-5-2 中鋯石的TDM2年齡分別介于1 938～961 Ma、1 593～488 Ma，該模式年齡遠大于其結晶年齡，說明飯鋪閃長巖巖漿起源于地殼。而根據其中最年輕的TDM2為488 Ma，表明存在幔源物質的加入。飯鋪閃長巖的Th/Yb 和La/Nb 分別比值介于1.83～8.58 和2.33～5.96，高于平均地殼的Th/Yb 比值0.8 和La/Nb 比值2.2，同樣表明閃長巖巖漿經歷了幔源物質混合。

4.3 構造背景

飯鋪閃長巖屬鈣堿性巖石系列，其輕稀土富集、重稀土虧損，在微量元素構造判別圖解中，樣品落入火山弧花崗巖區域，表明它形成于島弧構造背景（圖8）。飯鋪巖體的微量元素特征明顯區別于板內花崗巖和洋脊型花崗巖，其Nb、Ta 元素的虧損更符合板塊俯沖過程中產生火山弧環境巖漿巖的特征（Pearce and Norry，1979）。飯鋪閃長巖還具有較高的Al2O3含量， 介于15.45%～17.65%，也符合消減俯沖帶巖石的高鋁特征（鄧晉福等，2004）。

圖8 秦嶺飯鋪巖體的Y-Nb（a）、Yb-Ta（b）與（Y+Nb）-Rb（c）圖解Fig.8 Y-Nb（a），Yb-Ta（b）and（Y+Nb）-Rb（c）diagrams for the Fanpu diorites from the North Qinling orogenic belt

北秦嶺造山帶在490～460 Ma 發生過一次弧陸碰撞事件（Wu and Zheng，2013），這期碰撞事件導致商丹洋在早古生代持續地向北俯沖。飯鋪閃長巖的MgO 含量和Mg#明顯區別于產自俯沖大洋板片的熔體，而與玄武質巖漿底侵導致下地殼部分熔融所產生的熔體成分類似。飯鋪閃長巖形成于晚志留世424～422 Ma，與北秦嶺造山帶南部的混合巖化以及高溫麻粒巖相作用同期（高山等，2003；秦拯緯，2016），并可能伴有俯沖板片的回卷（Wu and Zheng，2013），這說明北秦嶺造山帶在450～420 Ma 期間仍然處于商丹洋向北俯沖的構造背景之下。在上述背景下，地幔楔起源的玄武質巖漿底侵到下地殼底部，使得下地殼巖石發生部分熔融，并在局部范圍內這些玄武質巖漿與下地殼部分熔融所產生的花崗質巖漿發生混合作用，形成飯鋪閃長巖。因此，結合年代學和地球化學數據，本文認為飯鋪閃長巖是商丹洋向北俯沖作用下，受到幔源物質混合的產物。

5 結 論

綜上所述，獲得以下研究結論：

（1）鋯石U-Pb 同位素定年結果顯示，飯鋪閃長巖形成于晚志留世。

（2）飯鋪閃長巖具有富硅、堿、鈣和鎂地球化學組成特征，屬于鈣堿性系列。同位素組成特征暗示，巖漿源區為下地殼物質，其經歷了幔源物質混合作用，可能形成于商丹洋向北俯沖的島弧構造環境。