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忱廖
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1 中国科学 D 辑 : 地球科学 2008 年第 38 卷第 5 期 : 630 ~ earth.scichina.com SCIENCE IN CHINA PRESS 铜陵矿集区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄及其深部动力学背景吴淦国 1, 张达 1*, 狄永军 1, 臧文拴 1, 张祥信 2, 宋彪 3 1, 张忠义 1 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 ; 2 石家庄经济学院, 石家庄 ; 3 中国地质科学院地质研究所, 北京 * 联系人, zhangda@cugb.edu.cn 收稿日期 : ; 接受日期 : 国家自然科学基金重点项目 ( 批准号 : ) 国家重点基础研究发展计划项目 ( 编号 : 1999CB043206) 和国家自然科学基金项目 ( 批准号 : ) 资助摘要选取铜陵矿集区 5 个典型的中生代侵入岩体沙滩脚石英二长斑岩冬瓜山辉石二长岩新桥二长岩凤凰山花岗闪长岩小铜官山石英二长闪长岩, 进行了系统的 SHRIMP 锆石 U-Pb 定年, 给出了 (151.8 ± 2.6) ~ (142.8 ± 1.8) Ma 的年龄值, 对该区侵入岩的形成时代提供了精确约束, 表明晚侏罗世末是该区岩浆活动的高峰期. 岩浆侵入的总体顺序为石英二长 ( 斑 ) 岩二长岩花岗闪长岩石英二长闪长岩辉石二长闪长岩辉长辉绿岩. 不同岩性的侵入岩具不同的结晶年龄可能说明了铜陵地区侵入岩经历了深部岩浆的演化过程. 这种岩浆的演化过程和该区当时深部地球动力学背景有密切的关系. 提出了研究区深部构造和岩浆演化的动力学模型 : T 3 末期, 扬子与华北块体完成拼合, 铜陵地区进入新的挤压造山运动期, 即进入了太平洋动力学体系. J 2 -J 3 期间, 随着 Izanagi 板块向欧亚板块之下俯冲, 该区受到的北西向挤压作用, 形成北东向褶皱, 并导致地壳增厚. 在地壳下部形成高密度的榴辉岩相岩石, 造成深部岩石圈地幔及下地壳拆沉, 诱使热的软流圈物质上涌, 减压熔融产生的玄武质岩浆发生底侵作用, 并引起下地壳受热熔融产生花岗质岩浆. 这些岩浆经过不同的作用过程最终沿深大断裂上侵 (J 3 -K 1 ). 测年结果表明该区岩石圈地幔和下地壳的拆沉作用至少在晚侏罗世中晚期就已经开始, 并造成岩石圈的急剧减薄, 中上地壳发生强烈的伸展作用, 形成盖层间基底与盖层间中下地壳等大量的滑脱构造, 构成了岩石圈构造分层或拆离作用. 老的岩浆成因继承核 (747 ~ 823 Ma 范围内的 3 个一致年龄 ) 的存在支持铜陵地区在新元古代存在明显的岩浆作用, 同时说明中生代侵入岩的形成有较多的新元古代火成岩源岩的参与. 关键词侵入岩锆石 SHRIMP U-Pb 年龄地球动力学新元古代铜陵矿集区岩石圈深部地球动力背景对岩浆来源及演化具有重要的控制作用. 从全球尺度上, 岩石圈存在大规模的拆沉作用或分层作用 (delamination) 已得到了普遍的认同 [1]. 这些认识已经在造山带研究中得到了广泛的应用. 20 世纪 80 年代后期, 基于对中国东部中新生代玄武岩浆的研究提出了去根作用 [2]. 之后, 中国东部岩石圈减薄得到了广泛的研究 [3~7], 相应提出岩石圈增厚拆沉及玄武岩浆底侵等地球动力学模型. 630

2 中国科学 D 辑 : 地球科学 2008 年第 38 卷第 5 期中国东部包括长江中下游地区和岩石圈减薄对应的地质作用是中新生代存在大规模的岩浆作用. 安徽铜陵地区中生代中酸性侵入岩广泛发育, 主要为高钾钙碱性侵入岩系列. 多数观点认为岩石圈拆沉作 [1] 用导致了大规模的岩浆作用. Gamkrelidze 等认为岩石圈深部的构造分层作用导致地壳不同层次发生拆离从而在不同深度发生火成岩的定位. 铜陵矿集区深部构造及区域构造变形演化特征表明了该区存在强烈的构造分层作用 [8], 构造分层作用成为本区成岩成矿的主要控制因素. 因此, 岩石圈深部及地壳表层不同层次的分层作用 ( 深部 delamination, 表层 detachment) 和侵入岩的形成和定位有较为密切的关系. 但长期以来, 对于铜陵乃至中国东部岩石圈分层作用或减薄的起止时限和动力学背景还存在争议. 本文选取铜陵矿集区 5 个典型的中生代侵入岩体 ( 小铜官山凤凰山新桥冬瓜山和沙滩脚岩体 ) 进行系统的 SHRIMP 锆石 U-Pb 定年 ( 图 1), 确定铜陵矿集区侵入岩形成时代, 进而探讨岩浆形成的深部动力学背景, 根据侵入岩中继承锆石特征研究其形成年龄及物质来源. 1 区域地质背景铜陵矿集区地处长江中下游金属成矿带铜陵多金属聚矿区内, 位于扬子板块东北缘大别造山带与江南地块之间的下扬子台褶带贵池 - 繁昌断褶束中段 [9~12]. 北东向的复式褶皱及近东西向的基底断裂形成区内的主要构造格局, 北北东向及北西向构造与早期构造的复合, 形成一系列 NE 向展布的构造岩浆岩带, 岩浆岩主要为高碱富钾的中酸性岩类. 这些岩浆岩成为铜陵矿集区的重要成矿物质来源 [11]. 小铜官山凤凰山新桥冬瓜山和沙滩脚岩体是区内的主要成矿岩体. 区域上经历了前震旦纪基底形成阶段震旦纪 - 早三叠世的盖层发育阶段及中三叠世 - 新生代以断块构造为主的板内变形阶段. 晋宁运动后的沉积盖层是区内的主要出露地层, 厚度巨大, 是铜硫金等矿床的主要容矿围岩. 印支运动使本区形成 NE 向 S 状褶皱及大量的不同层次的层间滑脱构造 ; 燕山运动则伴随强烈的岩浆 - 热液叠加改造作用, 形成不同成因的铜硫金铅锌等矿床. 自海西 - 印支期以来, 本区大致经历了 9 期强弱不同的构造变形, 形成了包括北东向层间滑脱构造在内的 5 组不同方向的构造变形系统 2 岩体及样品特征 2.1 小铜官山岩体 [12]. 出露于铜官山背斜轴部, 岩体为小型岩株, 侵位于早泥盆世 - 二叠纪地层, 主要与铜金矿有关. 样品为石英二长闪长岩, 灰色, 细粒不等粒结构, 矿物成分 : 斜长石 (An30), 含量 55%, 自形宽板状, 聚片双晶和卡钠复合双晶发育, 环带结构发育 ; 碱性长石, 含量 20%, 发育卡斯巴双晶, 包裹有角闪石熔蚀斜长石熔蚀石英和碱性长石, 后者具卡斯巴双晶, 少量为条纹长石 ; 石英 3%~5%, 最高可达 8%, 他形粒状 ; 绿色角闪石 15%~20%, 包裹有碱性长石黑云母和金属矿物 ; 此外还含有少量榍石磷灰石和锆石. 出现二长结构, 即斜长石自形程度较高, 钾长石呈他形分布于间隙中, 或斜长石晶体嵌在大块的钾长石之中, 这两种情况在同一薄片中均有出现. 斜长石中出现偏基性斜长石带 (spike zone) 和更 - 中长石包裹熔蚀钾长石和石英. 2.2 凤凰山岩体出露于复式向斜轴部, 侵位于三叠纪地层, 主要与铜矿有关. 样品为花岗闪长岩, 灰白色, 不等粒结构, 矿物成分 : 石英, 15%~20%, 他形粒状 ; 斜长石, 含量 40%~45%, 半自形 - 自形板状, 发育聚片双晶卡钠复合双晶肖钠长石双晶环带结构, 可见下列现象 : 具熔蚀核的环带斜长石包裹偏酸性熔蚀斜长石磷灰石角闪石和黑云母 ; 碱性长石, 他形, 20%~25%, 包裹有卡斯巴双晶长石 ; 绿色角闪石 + 黑云母 5%~10%; 此外还含有少量榍石磷灰石和金属矿物. 锆石, 无色, 长柱状, 自形, 与角闪石和榍石一起包裹于斜长石之中. 2.3 新桥岩体出露于舒家店背斜向南西倾没之北西翼转折端, 与永村桥背斜向北东倾伏的交汇处. 岩体以小型岩株产出, 围岩为石炭纪 - 二叠纪地层, 与铜金银 631

3 吴淦国等 : 铜陵矿集区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄及其深部动力学背景图 1 下扬子地区位置示意图 (a) 下扬子地区大地构造略图 (b) 和铜陵地区地质图 (c) 1. 侏罗 - 白垩系凝灰质砂砾岩英安质火山岩 ; 2. 三叠系碳酸盐岩和陆源碎屑岩 ; 3. 志留系 - 二叠系砂岩粉砂岩页岩碳酸盐岩硅质岩 ; 4. 中生代碱性岩 ; 5. 中生代石英二长闪长岩和花岗闪长岩 ; 6. 石英二长闪长岩 ; 7. 辉石二长闪长岩 ; 8. 花岗闪长岩 ; 9. 石英二长斑岩 ; 10. 辉石二长闪长玢岩 ; 11. 辉长辉绿岩 ; 12. 盖层断层 ; 13. 复式背斜 ; 14. 复式向斜 ; 15. 采样位置. 1 小铜官山岩体 (TL02126); 2 冬瓜山岩体 (TL02153); 3 新桥岩体 (TL02219); 4 凤凰山岩体 (TL02047); 5 沙滩脚岩体 (TL02167) 硫铁矿有关. 样品为二长岩, 深灰色, 不等粒结构, 矿物成分 : 斜长石, 40%~50%, 自形宽板状, 发育聚片双晶和卡钠复合双晶, 环带结构发育 ; 碱性长石 30%, 发育卡斯巴双晶, 泥化强烈 ; 绿色角闪石, 7%~10%, 包裹有碱性长石辉石磷灰石和磁铁矿 ; 细粒石英, 约 5%, 他形, 沿颗粒之间充填. 可见碳酸盐细脉, 黄铁矿碳酸盐细脉 ; 暗色矿物具绿帘石化, 蚀变后析出金属矿物, 斜长石具绿帘石化和碳酸盐化. 2.4 冬瓜山岩体出露于青山背斜南东翼. 岩体以小型岩株产出, 侵位于三叠纪地层, 主要与铜矿有关. 样品采集于冬瓜山铜矿井下. 辉石二长岩, 不等粒结构. 主要矿物为斜长石, 632

4 中国科学 D 辑 : 地球科学 2008 年第 38 卷第 5 期含量 35%~40%, 自形板状, 发育非常细密的聚片双晶, 卡钠复合双晶, 肖钠长石双晶及卡斯巴双晶 ; 钾长石, 含量 35%; 辉石, 含量 15%~20%; 辉石粒度大小不等 ; 含少量榍石, 未见石英. 可见两组绿泥石长石细脉和绿帘石化. 长石绢云母化较强. 2.5 沙滩脚岩体出露于戴公山背斜北西翼, 样品采集于破头山井下. 样品为石英二长斑岩, 斑状结构, 斑晶为石英, 含量 5%, 具熔蚀现象, 呈浑圆状或港湾状 ; 斜长石, 含量 20%~30%, 环带结构发育 ; 碱性长石, 含量 20%~25%; 暗色矿物斑晶为黑云母和绿色角闪石, 含量约 5%, 黑云母具膝折带及波状消光, 金属矿物少量. 基质由细粒长石和石英组成, 含量约 35%. 3 样品分析方法用常规方法将岩石样品粉碎至约 300 μm, 经磁法和密度分选后淘洗, 挑纯. 然后将锆石样品和标样 (TEM) 一起用环氧树脂固定于样品靶上. 样品靶表面经研磨抛光, 直至锆石新鲜截面露出. 对靶上锆石进行镜下反射光透射光照相后, 进行 CL 分析, 再进行镀金以备分析. 阴极发光成像 (CL) 在中国科学院地质与地球物理研究所电子探针室完成. SHRIMP U-Pb 年龄测试在北京离子探针中心的 SHRIMPⅡ 上完成, 详细分析流程和原理参考 [13,14] Compston 等和 William 等 [15~17]. 采用跳峰扫描, 记录 ZrO +, 204 Pb +, 背景值, 207 Pb +, 208 Pb +, U +, Th +, ThO + 和 UO + 9 个离子束峰, 每 7 次扫描记录一次平均值, 一次离子流为 4.5 na, 加速电压约 10 kv 的 O 2, 样品靶上的离子束斑直径约为 25~30 μm, 质量分辨率约 5000(1% 峰高 ). 应用澳大利亚地调局标准锆石 TEM(417 Ma) 进行元素间的分馏校正. 应用 RSES( 澳大利亚国立大学地学院 ) 参考锆石 SL13( 年龄 572 Ma, U 含量 ) 标定所测锆石的 U, Th 和 Pb 含量. 分析时每测 3 次样品后测定一次标样 (TEM), 以控制仪器的稳定性和离子记数统计的精确性. 数据处理采用 Ludwig [18,19] 的 ISOPLOT 及 SQUID1.02 程序. 普通铅是假设 206 Pb/ 238 U- 208 Pb/ 232 Th 年龄谐合校正的. 表 1 中所列单个数据点的均为 1σ, 加权平均年龄具 95% 的置信度. 点号 206 Pb c /% U (10 6 ) Th (10 6 ) 232 Th/ 238 U 表 1 铜陵地区花岗岩类锆石 SHRIMP U-Pb 分析结果 206 Pb* (10 6 ) 207 Pb/ 206 Pb (±%) 206 Pb/ 238 U (±%) 207 Pb/ 235 U a) (±%) 206 Pb/ 238 U 年龄 /Ma (1σ) 207 Pb/ 206 Pb 年龄 /Ma 小铜官山岩体 (TL02126) 凤凰山岩体 (TL02047) (1σ) 633

5 吴淦国等 : 铜陵矿集区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄及其深部动力学背景点号 206 Pb c /% U (10 6 ) Th (10 6 ) 232 Th/ 238 U 206 Pb* (10 6 ) 207 Pb/ 206 Pb (±%) 206 Pb/ 238 U (±%) 207 Pb/ 235 U (±%) 206 Pb/ 238 U 年龄 /Ma (1σ) 207 Pb/ 206 Pb 年龄 /Ma 表 1( 续 ) 沙滩脚岩体 (TL02167) , 新桥岩体 (TL02219) 冬瓜山岩体 (TL02153) a) 为 1σ; Pb c 和 Pb* 分别代表普通铅和放射成因铅 ; 假设 Pb/ 238 U- 208 Pb/ 232 Th 年龄谐合校正普通铅 (1σ) 634

6 中国科学 D 辑 : 地球科学 2008 年第 38 卷第 5 期 4 分析结果和解释 4.1 小铜官山石英二长闪长岩锆石的晶形主要为 {100}+{110}+{101}+{211} 或 {100}+{110}+{101}+{211}+{301}; 锆石晶体长约 55 ~ 305 μm, 宽约 26 ~ 116 μm, 长宽比为 1.5:1 ~ 4.8:1, 大部分锆石较自形, 且呈柱状, 少数为等粒. 具明显的振荡环带和扇形环带 ( 图 2), Th/U 比值 0.23~1.41, 清楚地指示它们为岩浆成因锆石. 但也有相当一部分锆石具有继承核, 如图 2 的 2.1, 10.1 和 14.1 颗粒, 有的可见到包裹有未熔蚀彻底的核及小锆石晶体. 分析了 13 个锆石颗粒, 其中 10 个颗粒的分析结果在谐和图上组成密集的一簇 ( 图 3), 206 Pb/ 238 U 加权平均年龄为 (142.8 ± 1.8) Ma, 方差这一年龄解释为石英二长岩的结晶年龄. 颗粒 2.1 的分析结果不一致, 同一位置两次分析的结果极为相近, 说明不是仪器的问题, 由 CL 图像可以清楚地看出颗粒 2.1 具有一个继承核, 并且分析点范围有一小的高 U 锆石包体, 分析点也可能跨上了老的继承核, 为一混合年龄 ; 与其他锆石的 U 含量 ~ 相比, 颗粒 3.1 具有略低的 U 含量 ( ), 给出了较年轻的年龄 (133.3±3.0) Ma; 颗粒 13.1 具较高的 U 含量 ( ) 是由于测试过程中靶点偏移所致. 因此, 这几个颗粒均未参加年龄计算. 4.2 沙滩脚石英二长斑岩锆石的晶形主要为 {100}+{110}+{101}+{211} {100}+{110}+{101}+{211}+{301} 和 {100}+{110}+ {101}; 锆石晶体长约 40 ~ 260 μm, 宽约 20 ~ 100 μm, 长宽比为 1:1 ~ 4.6:1, 具明显的振荡环带和扇形环带 ( 图 4), Th/U 比值 0.32 ~ 1.1, 清楚地指示它们为岩浆成因锆石. 但也有相当一部分锆石具有继承核, 如图图 2 小铜官山石英二长闪长岩锆石阴极发光图像圆圈为离子探针分析点位, 下同 635

7 吴淦国等 : 铜陵矿集区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄及其深部动力学背景的不一致年龄, 为 (2485 ± 7) Ma, 这几个颗粒均未参加平均年龄计算. 4.3 凤凰山花岗闪长岩图 3 小铜官山石英二长闪长岩锆石 U-Pb 一致曲线图 4 的 2.1, 4.1, 6.1, 13.1 和 14.1 颗粒. 分析了 15 个锆石颗粒, 其中 10 个颗粒的分析结果在谐和图上组成密集的一簇 ( 图 5), 206 Pb/ 238 U 加权平均年龄为 (151.8 ± 2.6) Ma, 方差这一年龄解释为沙滩脚石英二长斑岩的结晶年龄. 颗粒 1.1 分析点位范围 CL 图像的明暗有差异, 可能有 U 和 Pb 的丢失, 给出了较年轻的年龄 ; 由 CL 图像可以清楚地看出颗粒 2.1, 10.1 和 14.1 具有继承核, 分析点可能跨上了老的继承核, 为混合年龄 ; 颗粒 13.1 具有较大的继承核, 分析点大部分打在老的核上, 故给出了老锆石的晶形主要为 {100}+{110}+{101}+{211}, {100}+{110}+{101}+{211}+{301} 和 100}+{110}+{101}; 锆石晶体长约 59~269 μm, 宽约 30~90 μm, 长宽比为近 1:1~3.7:1, 具明显的振荡环带和扇形环带, Th/U 比值 0.28 ~ 1.26, 清楚地指示它们为岩浆成因锆石 ( 图 6), 但也有相当一部分锆石具有继承核. 分析了 14 个锆石颗粒, 其中 9 个颗粒的分析结果在谐和图上组成密集的一簇 ( 图 7), 并切割一致曲线, 206 Pb/ 238 U 加权平均年龄为 (144.2 ± 2.3) Ma, 方差这一年龄解释为凤凰山石英二长岩的结晶年龄. 颗粒 2.1 和 9.1 的分析结果也为一致年龄, 分别为 (747.7 ± 18.9) 和 (764.9 ± 22.0) Ma, 由 CL 图像可以清楚地看出颗粒 2.1 具有一个继承核, 其 Th/U 比值为 1.26, 颗粒 9.1 为近等粒状, 二者均具有明显的振荡环带, 说明其为岩浆成因锆石, 测年结果表明颗粒 9.1 为残留锆石 ; 由 CL 图像可以清楚地看出颗粒 10.1 图 4 沙滩脚石英二长斑岩锆石阴极发光图像 636

8 中国科学 D 辑 : 地球科学 2008 年第 38 卷第 5 期所致, 这几个颗粒均未参加年龄计算. 4.4 新桥二长岩图 5 沙滩脚石英二长斑岩锆石 U-Pb 一致曲线图具有一个继承核, 该核的分析结果为不一致年龄, 为 (2515 ± 13) Ma, 其不一致的原因可能是后期热扰动所致. 颗粒 5.1 和 13.1 与其他锆石的 U 含量 ~ 相比, 其 U 含量略低 ( 和 ), 给出了较年轻的年龄 ((132.7±3.6) 和 (133.5 ± 3.3) Ma), 可能是已愈合的裂隙引起 Pb 丢失锆石的晶形主要为 {100}+{110}+{101}+{211}, {100}+{110}+{101}+{211}+{301} 和 {100}+{110}+{101}; 锆石晶体长约 43~300 μm, 宽约 20~138 μm, 长宽比为 1:1~3.3:1, 具明显的振荡环带和扇形环带, Th/U 比值为 0.39~0.69, 表明其为岩浆成因锆石 ( 图 8). 分析了 14 个锆石颗粒, 其中 9 个颗粒的分析结果在谐和图上组成密集的一簇 ( 图 9), 206 Pb/ 238 U 加权平均年龄为 (146.4 ± 4.3) Ma, 方差这一年龄解释为新桥二长岩的结晶年龄. 颗粒 1.1, 8.1, 11.1 和 14.1 由 CL 图像继承核具有明显的振荡环带, 为岩浆成因锆石, 但分析点可能跨上了老的继承核, 给出了混合年龄 ; 颗粒 4.1 为继承锆石, 且为岩浆成因锆石, 只有很窄的岩浆增生边, 给出了不一致的混合年龄 (2196 ± 15) Ma, 这几个颗粒均未参加平均年龄计算. 图 6 凤凰山花岗闪长岩锆石阴极发光图像 637

9 吴淦国等 : 铜陵矿集区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄及其深部动力学背景图 7 凤凰山花岗闪长岩锆石 U-Pb 一致曲线图 4.5 冬瓜山辉石二长岩锆石的晶形主要为 {100}+{110}+{101}+{301}, {100}+{101}+{301},{100}+{110}+{101} 和 {100}+{101}, {110} 出现时, (100) 的宽度总是大于 (110), 显示其结晶时温度 850 ; 大部分晶体晶面具有熔蚀坑或不规则熔蚀状. 且等粒状晶型比其余几个岩体多, 给观察晶型带来困难, 锆石晶体长约 120 ~ 169 μm, 宽约 50 ~ 124 μm, 长宽比为 1:1 ~ 2.4:1, 具明显的振荡环带和扇形环带, Th/U 比值为 0.39 ~ 0.69, 表明其为岩浆成因锆石 ( 图 10). 分析了 12 个锆石颗粒, 其中 7 个颗粒的分析结果在谐和图上组成密集的一簇 ( 图 11), 206 Pb/ 238 U 加权平均年龄为 (148.2±3.1) Ma, 方差 1.5. 这一年龄解释为冬瓜山二长岩的结晶年龄. 颗粒 1.1 和 3.1 分析点可能跨上了老的继承核, 给出了不一致混合年龄, 分别为 (1891±43) 和 (376.4±9.1) Ma; 颗粒 4.1 由 CL 图像可以看出有一浑圆状的继承核, 具有明显的振荡环带, 为岩浆成因锆石, 只有很窄的岩浆增生边, 分析点给出了老的一致年龄 (823.0±18.6) Ma; 颗粒 5.1 和 7.1 与其他锆石 (U 含量 ~ ) 相比, 具有较高的 U 含量 ; 而颗粒 2.1 具有较低的 U 含量, 给出了较年轻的年龄 (135.5±3.8 Ma), 这几个颗粒均未参加平均年龄计算. 5 讨论 5.1 铜陵矿集区侵入岩的形成时代前人对铜陵地区岩体和成矿的年龄进行了广泛的年代学研究, 包括 K-Ar, 40 Ar- 39 Ar, Rb-Sr 和 U-Pb 法等, 所得年龄很不一致. 铜陵矿集区侵入岩 K-Ar 法年龄为 87 ~ Ma [20~22], 最老与最新的年龄相差近 100 Ma, 由于该方法存在过剩 Ar 的问题, 不宜图 8 新桥二长岩锆石阴极发光图像 638

10 中国科学 D 辑 : 地球科学 2008 年第 38 卷第 5 期还是有效的, 如花岗闪长岩 ( 应为石英二长岩 ) 的 40 Ar- 39 Ar 法年龄为 (137.3±0.8)~(139.8±0.8) Ma [24,25] 图 9 新桥二长岩锆石 U-Pb 一致曲线图采用这些年龄结果作为岩体的成岩时代 ; 40 Ar- 39 Ar 法年龄范围为 ~ Ma [23~26], 而铜陵地区辉钼矿的 Re-Os 年龄为 (137.0±0.19) ~ (141.9 ±0.4) Ma [27], 成矿年龄大多大于岩体的 Ar-Ar 法年龄, 这是很难解 [27] 释的. 鉴于其年龄比矽卡岩型矿床成矿年龄还偏新, 应解释为冷却至角闪石或黑云母对 Ar 封闭时的年龄. 但 40 Ar- 39 Ar 法年龄对确定侵入岩的先后次序最早上侵, 其后依次为石英二长闪长岩 ((135.8±1.1) ~ (137.1±1) Ma [25,26] ), 辉石二长闪长岩 ((136.6±1.1) Ma [25] ), 辉长辉绿岩 ((133.7±0.9) Ma [25] ). 本文所测沙滩脚石英二长斑岩锆石年龄为 (151.8 ± 2.6) Ma, 冬瓜山辉石二长岩锆石年龄为 (148.2±3.1) Ma, 新桥二长岩锆石年龄为 (146.4±4.3) Ma, 凤凰山花岗闪长岩锆石年龄为 (144.2±2.3) Ma, 小铜官山石英二长闪长岩锆石年龄为 (142.8±1.8) Ma. 王彦斌 [28] 等报道了小铜官山石英闪长岩两个锆石 SHRIMP 年龄, 分别为 (141.3±2.9) 和 (133.3±3.2) Ma, 前者与本文测定的结果在范围内一致 ; 新桥石英闪长岩 ( 应为石英二长闪长岩 ) 锆石年龄为 (140.4±2.2) Ma [29] ; 朝山辉石闪长岩锆石年龄为 (142.9±1.1) Ma [30] ; 楼亚 [31] 儿等报道了鸡冠石花岗闪长岩小铜官山石英闪长岩的 SHRIMP 年龄分别为 (135.5±4.4) 和 (139.5±2.9) Ma. 这些结果基本上是一致的, 表明其成岩时代为晚侏罗世末, 是挤压向拉张的转换期形成的, 这一年龄与矽卡岩型矿床成矿年龄也是一致的. 图 10 冬瓜山辉石二长岩锆石阴极发光图像 639

11 吴淦国等 : 铜陵矿集区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄及其深部动力学背景图 11 冬瓜山辉石二长岩锆石 U-Pb 一致曲线图 5.2 岩浆演化的动力学背景根据 SHRIMP 锆石 U-Pb 测年结果, 铜陵矿集区侵入岩的结晶年龄集中在 (151.8±2.6) ~ (142.8±1.8) Ma 之间. 从老至新, 依次出现石英二长斑岩 - 辉石二长岩 - 二长岩 - 花岗闪长岩 - 石英二长闪长岩. 这一年龄范围与中国东部构造体制发生重大变革的时间一致 [32,33]. 不同岩性的侵入岩具不同的结晶年龄可能说明了铜陵地区侵入岩经历了深部岩浆的演化过程. 这种岩浆的演化过程和该区当时深部地球动力学背景有密切的关系. 中国东部侏罗纪以前有一个正常的岩石圈 - 软流圈系统, 而燕山期突然发生强烈而广泛的岩浆 - 构造 - 成矿事件 [6]. 这种大规模的岩浆事件被认为和中国东部中生代晚期发生的岩石圈减薄相对应 [5,34]. 华北克拉通中生代晚期由于岩石圈减薄其厚度减少了近 120 km [3]. 华南大规模的侵入火山作用也使得大多数人相信中生代中晚期该区也曾发生过一定程度的岩石圈减薄 [34,35], 只不过这种减薄的时间和规模和华北克拉通不尽相同. 中国东部岩石圈大规模减薄的前身应该存在一个较厚的岩石圈, 这样由于巨厚的岩石圈重力失稳而导致的拆沉作用才能使岩石圈能够减薄到目前的水平. 皖东二长片麻岩和黑云母斜长片麻岩中石锆石一致曲线上交点年龄为 (2493±19) Ma [36], 我们在铜陵地区的花岗岩类中识别出老的锆石核 (2196~2561 [37] [38] Ma, 不一致年龄, 见表 1), 与高山等和张旗等的报道一致, 表明下扬子地区存在新太古代形成的克拉通岩石圈, 这是其后下扬子地区漫长地质过程的背景. 对于地壳来说, 由于岩石圈整体加厚而形成的挤压造山环境, 可以导致陆壳加厚作用, 和深部拆沉作用对应, 加厚的陆壳必然产生随后的伸展作用使其减薄至原有状态, 是一种造山后伸展崩塌作用 [7]. 岩石学和地球化学研究表明, 早白垩世中国东部地壳厚度大致为 40 ~ 60 km [5,39~41], 表明东部曾经存在加厚的岩石圈. 根据下扬子地区广泛发育典型的钾 [3,6] 玄岩系列与高钾钙碱性系列岩石组合, 邓晋福等提出中生代该区应该存在 40 ~ 100 km 的加厚陆壳. 进一步研究认为大别 - 苏鲁 - 下扬子地段构造变形与陆壳加厚在 J 1 -J 2 已经发生. 研究表明侏罗纪 - 白垩纪是区内断裂岩浆活动的鼎盛期. 侏罗纪时, 南北向挤压弱化, 在 Izanagi 板块与欧亚板块左行剪切运动的影响下, 区内 SEE-NWW 向挤压逐渐增强, 形成一系列 NNE 向压剪性断层和 NWW 向近 EW 向张性张剪性正断层. 早期形成的 NE 向的褶皱系统叠加了 NNE-SSE 褶皱系统, 形成了不同时期褶皱系统复合, 并形成了一系列 NE-NNE 向推覆构造, 如宣城的九连山推覆构造和含山的香泉推覆构造 [9]. 这些证据表明侏罗纪时下扬子地区是加厚的陆壳. 近年来, 有研究者认为铜陵地区存在埃达克质的岩石, 从而提出该区中生代期间确实存在加厚的地壳 [42]. 铜陵地区 SiO 2 >55% 的高钾钙碱性系列岩石被认为与埃达克岩 (adakite) 有许多类似地球化学特征, 可能由幔源岩浆与玄武质下地壳熔融形成的埃达克质岩浆混合形成 [43] [42] ; 张旗等根据中国东部中生代火山岩特征提出 C 型埃达克岩的概念, 并认为东部火山岩是陆相的, 与板块的消减作用无关. 中国东部包括长江中下游地区存在类似埃达克岩的事实表明该区中晚侏罗世之间曾经存在加厚的地壳, 这种加厚的陆壳至少大于 50 km. 经历了中生代中早期地壳或岩石圈的加厚事件后, 在地壳下部形成高密度的榴辉岩相岩石, 必然导致深部岩石圈地幔及下地壳的拆沉 [44]. 拆沉作用直接发生岩石圈厚度变薄, 甚至丢失岩石圈地幔或部分下地壳 [35], 因而使软流圈地幔与上覆地壳直接接触. 由于热的软流圈物质上涌, 减压熔融产生玄武岩岩浆, 玄武岩岩浆底侵 [35], 这样就形成了一系列来 640

12 中国科学 D 辑 : 地球科学 2008 年第 38 卷第 5 期自于地幔或下地壳的岩浆. 铜陵地区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄 (151.8±2.6)~(142.8±1.8) Ma 以及相邻区宁芜火山岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄 127 ~ 131 Ma [38] 表明岩石圈地幔和下地壳的拆沉作用至少在晚侏罗世中晚期就已经开始了. 岩石圈的拆沉作用除造成岩石圈的急剧减薄外, 还使中上地壳发生强烈的伸展作用, 形成盖层间基底与盖层间中下地壳等大量的滑脱构造. 这些特征连同壳幔间及岩石圈与软流圈间相互作用, 构成了铜陵地区岩石圈构造分层或拆离 (detachment) 作用. 根据研究区及外围开展的地震测深成果 [45], 岩石圈与软流圈之间存在明显的转换带, 解释为深部复杂构造带, 被认为是岩石圈与软流圈的大型构造拆离面 [8]. 这种深部地球物理特征可能暗示岩石圈与软流圈结合部位可能还残存有岩石圈拆沉作用的痕迹. 根据该区所测最老的侵入岩的 SHRIMP 年代学数据, 指出铜陵地区岩石圈在大于 (151.8 ± 2.6) Ma 就开始发生拆沉作用. 岩石圈拆沉导致的软流圈上涌, 由于对流地幔在快速上升的近等温降压过程中, 其熔融程度加大和分出大量玄武质岩浆. 一方面引起幔源岩浆的底侵, 另一方面使残存的岩石圈发生部分熔融变质和大规模流体循环等. 被拆沉的岩石圈也由于受到加热而发生熔融, 其中岩石圈地幔来源的岩石具富集性质 [35]. 在壳幔边界存在高低速互层物质组成的莫霍层表明其发生过较大规模的滑移 ( 拆离 ) [45], 这是拆离作用在下地壳及岩石圈地幔中的表现. 最近的地球物理资料表明, 除了高低速互层特征外, 莫霍面有明显的错断, 可以解释为该区在拆离作用前发生过陆内俯冲作用而使地壳加厚 [8], 表明有大量的物质注入到地壳中. 由于拆沉作用早期形成的玄武岩岩浆在地壳底部的底侵作用, 对冷的陆壳加热而产生部分熔融形成壳源岩浆, 与此同时地壳来源的岩浆在上升过程中也会受到软流圈地幔原始基性玄武岩浆的混染 [35]. 由于铜陵地区侵入岩具高钾富碱的特点, 并且基性端员较明显, 岩石可能形成于弱亏损地幔低度熔融的碱性玄武岩浆同化古老下地壳的产物 [46,47]. 也有人强调混染后的岩浆进一步发生分离结晶作用才能形成这类岩石 [43]. 研究表明幔源岩浆与壳源岩浆的混合作用也是一种机制 [48]. 辉石和角闪石巨晶及其堆积岩或堆积晶是由底侵的碱性橄榄玄武岩浆在 27 ~ 35 km 深处经 AFC 作用形成 [47]. 受幔源岩浆混染的壳源岩浆主要以闪长质 - 二长质岩浆为主, 经过了下地壳的拆离及岩浆底侵作用后, 这股岩浆逐步上升到中上地壳. 而此时中上地壳所处的构造环境主要和由于深部拆沉作用导致的地幔岩石圈丢失或下地壳的急剧减薄作用有关. 正是由于这种深部地球动力学过程而使软流圈抬升, 使中上地壳完全处于一种伸展环境下. 包括铜陵矿集区在内的下扬子地区晚三叠世 - 中侏罗世地壳一直处于挤压增厚状态 [3], 在地壳表层形成了大量的逆冲推覆及褶皱构造. 由于岩石圈的减薄致使中上地壳发生大规模伸展作用, 形成大量的基底与盖层间盖层不同岩性层之间的伸展滑脱构造. 深部形成的岩浆上升到中上地壳, 除了极小规模的部分熔融外, 主要进入结晶及定位阶段, 而大量的不同层次的滑脱构造也是深部拆离作用的浅层次响应, 为岩浆结晶定位提供了空间 [8,49]. 地质及地球物理分析表明, 中下地壳分界线附近 ( 大约 15 ~ 24 km) 是一段范围较广的粘塑性向韧脆性变形层次的过渡地带, 代表一个明显的构造界面, 解释为构造拆离面 ; 另外中上地壳的基底与盖层之间拆离滑脱面 (9~15 km) 在地学大断面上有明显的异常, 和深地震反射剖面的结果一致 [50] ; 而盖层沉积岩不同岩性间的滑脱构造则大量广泛地存在于该地区 ( 大约 4~6 km). 岩浆在上升的过程中, 可能由于密度等因素制约, 进入中上地壳的岩浆从上至下, 或演化程度从高往低可能为石英二长岩岩浆二长岩岩浆石英二长闪长岩岩浆辉石二长闪长岩岩浆和辉长岩岩浆. 石英二长岩岩浆由于其密度小, 大约在 (151.8±2.6) Ma 首先沿隆起边缘深断裂或两组深断裂交汇部位上侵. 这可以解释隆起边缘分布的石英二长岩岩体, 如沙滩脚金口岭 - 谢家垅一带的岩体中的石英二长岩. 冬瓜山岩体的锆石 SHRIMP U-Pb 法年龄 (148.2 ± 3.1) Ma 可能表明狮子山矿田存在与沙滩脚石英二长岩年龄一致的石英二长岩, 如胡村岩体 (Ar-Ar 法年龄最老, (139.8±0.8) Ma [25] ). 二长岩岩浆在 (146.4±4.3) Ma 结晶而形成二长岩 ( 典型代表为新桥二长岩 ). 在张性构造环境的进一步驱动下, 岩浆上升致上地壳基底与盖层之间拆离滑脱面上. 可能由于有 641

13 吴淦国等 : 铜陵矿集区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄及其深部动力学背景少量碱性长石发生了分离结晶作用, 石英二长岩岩浆全碱含量降低, 而且混染地壳物质较多, 演化为花岗闪长岩岩浆 ; 而二长岩岩浆则演化为石英二长闪长岩岩浆. 大约在 Ma 左右密度较小的花岗闪长岩岩浆上侵, 形成了隆起中部的凤凰山花岗闪长岩岩体, 随后在 (142.8±1.8)~(140.4±2.2) Ma 石英二长闪长岩岩浆上侵结晶形成石英二长闪长岩, 代表性岩体有小铜官山岩体中的石英二长闪长岩和新桥岩体中的石英二长闪长岩. 至此铜陵地区起因于岩石圈加厚而导致的岩石圈拆沉作用, 使该区自软流圈顶部至地壳表层发生了不同层次的拆离或分层作用. 在此过程中伴随有岩石圈热动力平衡的破坏, 而不断发生岩浆同化混染或分离结晶作用, 形成了不同特征的岩浆. 这些在地幔及下地壳形成的岩浆上升到中上地壳由于伸展作用而形成的构造空间分别形成石英二长岩二长岩花岗闪长岩石英二长闪长岩辉石二长闪长岩辉长辉绿岩, 反映了深部地球动力学背景控制下的岩浆演化过程. 多数学者认为中国东部岩石圈减薄发生在中生代晚期, 也有的认为 145 Ma 可能是我国东部岩石圈减薄的转折时期. 铜陵地区侵入岩的同位素年龄表明至少 150 Ma 以前, 该区就已经开始岩石圈的减薄, 并在 140 ~ 150 Ma 间形成一定的规模. 这种时代上的特征和中国东部中生代特提斯向环太平洋构造域转换的主要阶段有一致的地方. 根据上述讨论, 本文提出本区火成岩成因的动力学模型如下 : T 3 末期, 扬子与华北两个克拉通块体的拼合已完成, 铜陵地区进入另一个挤压造山运动期, 即进入了太平洋动力学体系 ( 图 12(a)). J 2 -J 3 随着 Izanagi 板块向欧亚板块之下俯冲, 对中国东部大陆产生北西向挤压, 俯冲带以西的华夏板块和扬子板块向北西传递应力, 受阻于相对刚性的华北克拉通, 发生挤压变形, 形成北东向褶皱, 导致地壳加厚 ( 图 12(b)). 在地壳下部形成高密度的榴辉岩相岩石, 必然导致深部岩石圈地幔及下地壳的拆沉, 引起热的软流圈物质上涌, 减压熔融产生玄武岩岩浆, 玄武岩岩浆底侵, 对下地壳物质加热, 使下地壳熔融产生花岗质岩浆 ( 图 12(c)). 这些岩浆经过不同的作用过程最终沿深大断裂上侵 (J 3 -K 1 ). 图 12 铜陵地区火成岩成因动力学模型 5.3 老的岩浆锆石特征及物质来源讨论铜陵地区侵入岩中除了存在大量的一些中生代的锆石外, 还有一定数量的锆石包含有较多老的继承核. 老的锆石核也具有明显的环带结构, 其 Th/U 比表现出原锆石可能也为岩浆成因. 通过对部分锆石继承核进行测年, 获得 4 组年龄数据 : (1707.6±24.0) Ma (1 个点不一致年龄 ), (1181.2±22.5)~ (1340.6±28.6) Ma (3 个点不一致年龄 ), (747.5±19.0) ~ (823.0±18.6) Ma (3 个点一致年龄 ), (376.4±9.1) ~ (381.3±7.4) Ma (2 个点不一致年龄 ). 它们分别代表早元古代晚元古代早晚期及早古生代的岩浆锆石, 可能说明铜陵地区侵入岩的来源比较广泛, 有中下地壳物质参与到岩浆作用中. 其中 (747.5±19.0)~ (823.0±18.6) Ma 范围内的 3 个一致年龄的存在说明铜陵地区在新元古代存在明显的岩浆作用, 尽管在该区没有发现这个时 642

14 中国科学 D 辑 : 地球科学 2008 年第 38 卷第 5 期期的岩浆活动的遗迹. 实际上, 扬子克拉通新元古代存在大规模的岩浆活动已经被大量的高精度年代学数据所证实, 但对于其构造背景尚存在多种不同的 [51] 认识. Zhou 等在扬子地台西缘获得新元古代花岗岩及片麻状杂岩 SHRIMP U-Pb 锆石年龄分别为 (864±8) 及 (764±9)~ (864±8) Ma, 并解释为与新元古代扬子克拉通周缘的俯冲作用有关的岛弧岩浆活动. [52] Li 等通过对花岗岩进行 SHRIMP 锆石 U-Pb 定年认为华南新元古代存在两期广泛的双峰式岩浆活动, 分别为 830~795 及 780 ~ 745 Ma, 代表两期裂谷活动期. 这两期主要的岩浆作用被认为是 Rodinia 超大陆超级地幔柱作用的结果, 对应新元古代超大陆的裂 [53] 解. Wang 等分析了新元古代扬子克拉通盆地沉积系列, 并认为代表 4 个主要的裂谷阶段, 分别为 830~ 820 Ma, ca. 800 Ma, ca. 780~750 Ma, ca. 750 ~690 Ma. [52] 这几个阶段都有相应的岩浆活动产物. Li 等强调了 825 Ma 在华南存在一个超级地幔柱来解释该区裂谷 [54] 盆地及花岗岩的存在. Li 等也报道了几组新元古代侵入岩体的年龄 : (819±9), (826±10) 和 (824±4) Ma. 除了以上新的高精度的年龄数据外, 该区也存在一些早期的其他方法测定的岩体年龄数据. 如休宁岩体 Rb-Sr 等时线年龄 (964±184) Ma [55] ; 歙县岩体 Rb-Sr 等时线年龄 (765±126) Ma [56]. 综合这些年龄数据, 1000~750 Ma 被认为是新元古代大量构造活动及岩浆活动集中的区间 [57]. 虽然扬子克拉通新元古代岩浆作用的构造背景存在不同的观点, 但铜陵地区中生代侵入岩中存在新元古代老的锆石核的发现及区域对比研究可以说明该区新元古代曾经经历了一定规模的岩浆作用, 并有可能成为中生代侵入岩浆的物质来源. 铜陵地区花岗岩类中 2196~2561 Ma ( 不一致年龄, 见表 1) 老锆石核的出现, 表明下扬子地区的新太古基底也可能成为中生代侵入岩浆的物源之一. 6 结论铜陵矿集区侵入岩的成岩时代应采用 SHRIMP 锆石 U-Pb 法年龄, 为 (151.8±2.6)~(142.8±1.8) Ma, 表明晚侏罗世末是该区岩浆活动的高峰期. 岩浆侵入的总体顺序为石英二长 ( 斑 ) 岩二长岩花岗闪长岩石英二长闪长岩辉石二长闪长岩辉长辉绿岩. 铜陵地区侵入岩 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄 ((151.8±2.6)~ (142.8±1.8) Ma) 同时表明岩石圈地幔和下地壳的拆沉作用发生至少在晚侏罗世中晚期就已经开始了, 并造成岩石圈的急剧减薄, 中上地壳发生强烈的伸展作用, 形成盖层间基底与盖层间中下地壳等大量的滑脱构造, 构成了铜陵地区岩石圈构造分层或拆离 (detachment) 作用. 老的岩浆成因继承核 (747~ 823 Ma 范围内的 3 个一致年龄 ) 的存在说明铜陵地区在新元古代存在明显的岩浆作用, 同时说明中生代侵入岩的形成有较多的新元古代火成岩源岩的参与. 致谢本文承蒙李曙光院士和中国地质大学 ( 北京 ) 邓晋福教授审阅, 并提出了宝贵的修改意见. 三位匿名审稿人提出了细致的修改意见, 在此表示衷心的感谢. 参考文献 1 Gamkrelidze I P, Shengelia D M. Origin of the igneous rocks of the Dzirula crystalline massif (Caucasus) in light of the tectonic layering of the Earth's crust. Geotectonics, 2001, 35(1): 池际尚, 主编. 中国东部新生代玄武岩及上地幔研究. 武汉 : 中国地质大学出版社, 邓晋福, 叶德隆, 赵海玲, 等. 下扬子地区火山作用深部过程与盆地形成. 武汉 : 中国地质大学出版社, 邓晋福, 莫宣学, 赵海玲, 等. 中国东部岩石圈根 / 去根作用与大陆活化东亚大陆动力学模式研究计划. 现代地质, 1994, 8(3): 邓晋福, 赵海玲, 莫宣学, 等. 中国大陆根 - 柱构造大陆动力学的钥匙. 北京 : 地质出版社, 邓晋福, 莫宣学, 赵海玲, 等. 中国东部燕山期岩石圈 - 软流圈系统大灾变与成矿环境. 矿床地质, 1999, 18(4): 邓晋福, 吴宗絮. 下扬子克拉通岩石圈减薄事件与长江中下游 Cu Fe 成矿带. 安徽地质, 2001, 11(2): 吴淦国, 张达, 臧文拴. 铜陵矿集区构造滑脱与分层成矿特征研究. 中国科学 D 辑 : 地球科学, 2003, 33(4):

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Q. ;J. ;C-P. - ; -O. - ;Qb. ;Ar. ; ;γδ5. Q2m. ;C2-P1t. ;P1-2s. ;P2y. ;1. ;2. 1 [25] (a) (b) - (c)(a [10] ;b [7] ) Fig.1 Schematicgeologicalmap

Q. ;J. ;C-P. - ; -O. - ;Qb. ;Ar. ; ;γδ5. Q2m. ;C2-P1t. ;P1-2s. ;P2y. ;1. ;2. 1 [25] (a) (b) - (c)(a [10] ;b [7] ) Fig.1 Schematicgeologicalmap 36 4 2017 7 GeologicalScienceandTechnologyInformation Vol.36 No.4 Jul. 2017 doi:10.19509/j.cnki.dzkq.2017.0404. : [J]. 201736(4):29-35. : ab b ab ( )a. ;b. 430074) : : 330~300 Ma 310 Ma U-Pb 330~300 Ma