秦岭岩群是秦岭-桐柏-大别-苏鲁造山带古生代造山系统中变质级别最高的构造单元，其在桐柏地区达到了麻粒岩相，并可能经历了超高温变质演化阶段(Xiang et al., 2012; Bader et al., 2012)。所以，这一高级变质单元对华北-华南陆块之间早期增生阶段的构造演化具有重要的指示意义。然而，由于岩石经历了多阶段变质演化，对麻粒岩相变质作用的时间尚存在不同的认识，主要包括479±6Ma(Zhang et al., 1998)、470~435Ma之间(Kröner et al., 1993)、445~430Ma之间(向华等, 2009)、约440Ma(Liu et al., 2011)、432±4Ma(Xiang et al., 2012)和424±4Ma(Wang et al., 2011)等。秦岭岩群中发育大量的中酸性脉岩，前人(河南省地质矿产厅，1994^①)的区域地质调查(1∶5万桐柏县幅)也识别出少量碱性脉岩，而这些脉岩的产出似乎可以约束麻粒岩相变质作用的时代。为此，我们对取自于瓦屋庄附近的两个代表性碱性脉岩进行了LA-MC-ICPMS定年，定年结果与我们以前的推论(Liu et al., 2011)基本吻合。

①河南省地质矿产厅.1994. 1∶5万桐柏县幅区域地质调查报告

桐柏地区秦岭岩群是一个被断裂围限的狭长构造单元，宽约3~5km，主要出露在桐柏北部，向东断续延伸至信阳南部(图 1)。其北侧为早古生代岛弧或弧后盆地成因的二郎坪岩群，南侧为晚古生代龟山增生杂岩。该岩群主要由花岗质正片麻岩、砂屑副片麻岩、泥质岩、石英岩、大理岩和镁铁质麻粒岩组成，基本上可以与东秦岭地区的秦岭岩群相对比，特别是含石墨大理岩的产出为二者的对应关系提供了良好的基础。这些岩石均经历了麻粒岩相变质作用，并在晚期经历了强烈变形作用的改造和花岗质岩脉的穿切。麻粒岩的现有矿物组合形成于约770~840℃、0.60~0.85GPa(张翠光等, 2002; 向华等, 2009; Liu et al., 2011)，但早期变质条件可能高达880~940℃、0.8~1.0GPa(Xiang et al., 2012; Bader et al., 2012)，并具有逆时针演化的P-T轨迹。虽然对秦岭岩群的构造环境仍存争议，但除张国伟等(2001) 将其与华北陆块相联系外，一般认为它是从扬子陆块分离出的一个微陆块，在早古生代转变成一个大陆岛弧(张本仁等, 1996, 1998; 陆松年等, 2003; Ratschbacher et al., 2003, 2006; Hacker et al., 2004)。岛弧岩浆作用、高级变质作用以及同碰撞-后碰撞花岗岩侵位的时代主要集中在约490~400Ma(Kröner et al., 1993; Lerch et al., 1995; Xue et al., 1996; 王涛等, 2009; 向华等, 2009; Dong et al., 2011; Liu et al., 2011; Wang et al., 2011; Xiang et al., 2012)。

图 1

Fig. 1

图 1 桐柏北部地质简图及其在秦岭-桐柏-大别-苏鲁造山带中的位置(据Liu et al., 2011修改) Fig. 1 Geological sketch map of the northern Tongbai area with inset showing its location in the Qinling-Tongbai-Dabie-Sulu orogenic belt(modified after Liu et al., 2011)

样品WWZ05-12取自于镁铁质二辉麻粒岩中约10m宽的浅肉红色中粒石英碱长正长岩脉(图 2a)，这种岩脉在秦岭岩群中并不少见。岩脉内部局部伟晶岩化，具有弱片麻理，向边部则片麻理增强，并与围岩的片麻理相协调，表明岩脉侵位之后有变形作用发生。在显微镜下，岩石呈不等粒共生结构(图 2b)，主要组成矿物是钾长石(80%)和石英(15%)，未见斜长石和片状矿物，但含少量普通辉石(3%)和榍石(2%)。这些矿物均呈半自形-他形晶，其中钾长石粒径2~4mm，石英1.5~2mm，普通辉石0.5~1.5mm。普通辉石常被绿泥石和绿帘石取代，榍石有时呈填隙状生长。

图 2

Fig. 2

图 2 桐柏地区秦岭岩群中碱性脉岩的野外产状和显微照片 (a)-石英碱长正长岩脉(WWZ05-12)侵入于镁铁质麻粒岩中(瓦屋庄)；(b)-样品WWZ05-12中矿物的共生关系；(c)-碱性花岗岩脉(WWZ11-1)的野外露头(瓦屋庄)；(d)-样品WWZ11-1中矿物的共生关系.Aug-普通辉石；Agt-霓辉石；Kfs-钾长石；Qtz-石英 Fig. 2 Photographs and microphotographs of alkaline dykes form the Qinling Group in the Tongbai area

样品WWZ11-1取自于秦岭岩群中的一个代表性碱性脉岩，其出露宽度为50~100m，延长约2km，但岩脉大部被第四系所覆盖，取样处露头仅几米规模(图 2c)。岩脉未见变形，但局部有弱伟晶岩化。主要岩性是肉红色中粒碱性花岗岩，具不等粒共生结构(图 2d)，主要由钾长石(60%)、石英(35%)和少量霓辉石(3%)组成，副矿物为榍石(1%)和不透明矿物(1%)。它们均呈半自形-他形晶，其中钾长石粒径1~5mm，石英0.5~4.5mm，霓辉石0.5~1.5mm。碱性辉石可呈填隙状生长，并局部发生绿帘石化。

锆石的分选和挑纯由河北省区域地质矿产调查研究所岩矿分析实验室完成。将待测锆石颗粒制成环氧树脂样品靶，抛光保留2/3部分。先进行光学和阴极发光(CL)显微结构观察和照相，在此基础上选择合适的锆石颗粒进行U-Pb 年龄测定。锆石微区U-Pb定年在中国地质调查局天津地质调查中心同位素实验室的激光烧蚀多接收器电感耦合等离子体质谱仪上(LA-MC-ICPMS)完成。仪器性能、分析方法、测试过程参考李怀坤等(2009) 的有关描述。激光束斑孔径为35μm，频率8~10Hz，激光器能量密度13~14J/cm³。采用TEMORA作为外部锆石年龄标准，采用中国地质大学刘勇胜教授研发的ICPMSDataCal程序和ISOPLOT程序进行数据处理，采用²⁰⁸Pb校正法进行普通Pb校正。利用NIST612玻璃标样作为外标计算锆石样品的Pb、U和Th含量。单个测点同位素年龄的误差为1σ，加权平均年龄具95%的置信度。

样品WWZ05-12中的锆石为自形短柱状或近于等轴状，柱长100~220μm，长宽比约为1∶1至2∶1。阴极发光图像显示完好的韵律环带和扇状结构，表明其为岩浆成因，未见变质生长边(图 3a, b)。对该样品共分析24个点(表 1)。总体来看，锆石中的Th和U含量中等且比较均匀，分别为91×10^-6~360×10^-6和247×10^-6~553×10^-6，Th/U比值为0.32~0.70，进一步说明它们为岩浆成因。所有分析点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄集中在433±4Ma至421±3Ma之间。去掉1个最年轻的分析点17，其它23个分析点的加权平均年龄为429.9±1.5Ma(MSWD=0.37)(图 4)，应代表该岩脉的侵位时间。

图 3

Fig. 3

图 3 桐柏地区秦岭岩群碱性脉岩中锆石的阴极发光图像和年龄 (a)-样品WWZ05-12中锆石显示扇状环带；(b)-样品WWZ05-12中锆石显示韵律环带；(c)-样品WWZ11-1中锆石显示韵律环带核和灰白色边；(d)-样品WWZ11-1中锆石显示扇状环带，并具有一个韵律环带核 Fig. 3 Cathodoluminescence images and ages of zircons from alkaline dykes from the Qinling Group in the Tongbai area

图 4

Fig. 4

图 4 桐柏地区秦岭岩群中弱变形碱性脉岩(样品WWZ05-12)的U-Pb年龄谐和图 Fig. 4 U-Pb concordia diagram of zircons from a weakly deformed alkaline dyke(sample WWZ05-12)intruded in the Qinling Group, the Tongbai area

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 桐柏地区秦岭岩群中弱变形碱性脉岩(样品WWZ05-12)中锆石的LA-MC-ICPMS U-Pb分析结果 Table 1 LA-MC-ICPMS U-Pb analyses of zircons from a weakly deformed alkaline dyke(sample WWZ05-12)intruded in the Qinling Group, the Tongbai area 测点 号 Th U Th/U 同位素比值 同位素年龄(Ma) (×10-6) ±σ ±σ ±σ ±σ ±σ ±σ 1 206 388 0.53 0.0690 0.0006 0.522 0.010 0.0549 0.0011 430 4 426 8 407 44 2 214 412 0.52 0.0692 0.0006 0.540 0.009 0.0565 0.0009 431 4 438 7 473 36 3 314 553 0.57 0.0695 0.0007 0.530 0.008 0.0553 0.0008 433 4 432 7 426 33 4 96 247 0.39 0.0692 0.0007 0.533 0.016 0.0558 0.0016 431 4 434 13 466 65 5 91 265 0.34 0.0689 0.0007 0.509 0.013 0.0536 0.0014 429 4 418 11 452 58 6 235 455 0.52 0.0693 0.0006 0.525 0.011 0.0550 0.0011 432 3 429 9 411 45 7 303 471 0.64 0.0691 0.0005 0.533 0.009 0.0559 0.0010 431 3 434 8 449 38 8 191 408 0.47 0.0680 0.0006 0.505 0.011 0.0539 0.0011 424 3 415 9 467 47 9 317 500 0.63 0.0687 0.0005 0.524 0.010 0.0553 0.0010 429 3 428 8 423 40 10 188 403 0.47 0.0683 0.0005 0.514 0.010 0.0545 0.0011 426 3 421 9 393 44 11 145 338 0.43 0.0691 0.0006 0.538 0.011 0.0564 0.0011 430 4 437 9 470 44 12 255 459 0.56 0.0691 0.0005 0.525 0.009 0.0550 0.0009 431 3 428 7 414 36 13 323 517 0.62 0.0687 0.0005 0.522 0.010 0.0551 0.0010 428 3 426 8 415 41 14 262 438 0.60 0.0695 0.0006 0.526 0.009 0.0548 0.0009 433 4 429 8 404 39 15 163 350 0.46 0.0690 0.0006 0.534 0.012 0.0561 0.0013 430 4 434 10 456 50 16 291 473 0.62 0.0686 0.0006 0.530 0.010 0.0561 0.0010 428 3 432 8 455 39 17 360 519 0.69 0.0674 0.0005 0.525 0.009 0.0565 0.0009 421 3 429 7 471 37 18 164 349 0.47 0.0689 0.0006 0.530 0.011 0.0558 0.0011 430 4 432 9 445 44 19 323 460 0.70 0.0692 0.0005 0.520 0.010 0.0545 0.0010 432 3 425 8 393 42 20 148 309 0.48 0.0690 0.0010 0.527 0.012 0.0555 0.0012 430 6 430 10 432 50 21 119 374 0.32 0.0694 0.0007 0.521 0.010 0.0546 0.0011 432 4 426 9 395 44 22 282 418 0.67 0.0687 0.0005 0.529 0.010 0.0559 0.0010 428 3 431 8 447 40 23 204 396 0.52 0.0692 0.0006 0.541 0.010 0.0567 0.0011 431 4 439 8 480 41 24 227 385 0.59 0.0689 0.0006 0.527 0.010 0.0554 0.0010 430 4 429 8 430 41

表 1 桐柏地区秦岭岩群中弱变形碱性脉岩(样品WWZ05-12)中锆石的LA-MC-ICPMS U-Pb分析结果 Table 1 LA-MC-ICPMS U-Pb analyses of zircons from a weakly deformed alkaline dyke(sample WWZ05-12)intruded in the Qinling Group, the Tongbai area

样品WWZ11-1中的锆石呈自形短柱至长柱状，柱长120~260μm，长宽比约为1.5∶1至3∶1。阴极发光下具有韵律环带或扇状结构，少数颗粒局部发育一个灰色均匀边(图 3c, d)。在具韵律环带或扇状结构的部位分析23个点(表 2)，其Th和U含量变化较大，分别为109×10^-6~585×10^-6和309×10^-6~2145×10^-6，但Th/U比值比较均一，为0.20~0.41，也属岩浆成因。获得的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为433±3Ma至422±3Ma。除2个年轻的分析点12和17外，其余21个分析点高度集中，给出的加权平均值为430.3±1.3Ma(MSWD=0.32)(图 5)，显然也代表该岩脉的侵位时间。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 桐柏地区秦岭岩群中未变形碱性脉岩(样品WWZ11-1)中锆石的LA-MC-ICPMS U-Pb分析结果 Table 2 LA-MC-ICPMS U-Pb analyses of zircons from an undeformed alkaline dyke(sample WWZ11-1)intruded in the Qinling Group, the Tongbai area 测点 号 Th U Th/U 同位素比值 同位素年龄(Ma) (×10-6) ±σ ±σ ±σ ±σ ±σ ±σ 1 180 671 0.27 0.0687 0.0005 0.531 0.007 0.0560 0.0008 429 3 433 6 454 30 2 278 1159 0.24 0.0692 0.0004 0.532 0.006 0.0558 0.0006 431 3 433 5 444 25 3 300 1022 0.29 0.0693 0.0005 0.549 0.007 0.0575 0.0007 432 3 444 5 510 25 4 399 1399 0.28 0.0689 0.0007 0.542 0.006 0.0570 0.0006 430 4 439 5 490 24 5 229 1112 0.21 0.0690 0.0005 0.541 0.007 0.0569 0.0007 430 3 439 5 486 27 6 337 1246 0.27 0.0691 0.0006 0.538 0.006 0.0565 0.0006 431 4 437 5 471 25 7 241 1071 0.22 0.0691 0.0005 0.543 0.007 0.0570 0.0007 431 3 440 5 490 26 8 584 1774 0.33 0.0694 0.0005 0.553 0.006 0.0578 0.0006 432 3 447 5 523 24 9 167 652 0.26 0.0686 0.0005 0.536 0.007 0.0566 0.0008 428 3 436 6 477 29 10 137 685 0.20 0.0688 0.0005 0.546 0.008 0.0576 0.0008 429 3 442 6 515 30 11 211 948 0.22 0.0692 0.0004 0.537 0.006 0.0563 0.0006 431 3 436 5 463 25 12 161 661 0.24 0.0679 0.0004 0.523 0.008 0.0558 0.0009 424 3 427 7 444 34 13 130 316 0.41 0.0692 0.0005 0.520 0.011 0.0545 0.0011 431 3 425 9 393 46 14 585 2145 0.27 0.0694 0.0005 0.553 0.006 0.0578 0.0006 433 3 447 5 523 24 15 165 638 0.26 0.0690 0.0005 0.535 0.007 0.0563 0.0007 430 3 435 6 464 29 16 109 309 0.35 0.0691 0.0005 0.526 0.010 0.0552 0.0010 431 3 429 8 420 40 17 127 454 0.28 0.0677 0.0005 0.546 0.011 0.0585 0.0012 422 3 443 9 549 44 18 429 1514 0.28 0.0690 0.0006 0.543 0.006 0.0571 0.0006 430 4 440 5 495 24 19 179 594 0.30 0.0685 0.0004 0.524 0.007 0.0555 0.0008 427 3 428 6 431 31 20 134 410 0.33 0.0695 0.0008 0.540 0.009 0.0564 0.0009 433 5 438 8 467 37 21 205 929 0.22 0.0686 0.0004 0.536 0.008 0.0567 0.0008 427 3 436 6 481 30 22 299 910 0.33 0.0693 0.0005 0.530 0.007 0.0555 0.0007 432 3 432 5 433 26 23 143 500 0.29 0.0692 0.0005 0.527 0.009 0.0552 0.0009 431 3 430 7 420 35

表 2 桐柏地区秦岭岩群中未变形碱性脉岩(样品WWZ11-1)中锆石的LA-MC-ICPMS U-Pb分析结果 Table 2 LA-MC-ICPMS U-Pb analyses of zircons from an undeformed alkaline dyke(sample WWZ11-1)intruded in the Qinling Group, the Tongbai area

图 5

Fig. 5

图 5 桐柏地区秦岭岩群中未变形碱性脉岩(样品WWZ11-1)的U-Pb年龄谐和图 Fig. 5 U-Pb concordia diagram of zircons from an undeformed alkaline dyke(sample WWZ11-1)intruded in the Qinling Group, the Tongbai area

关于桐柏地区秦岭岩群麻粒岩相变质作用的时代问题，20世纪90年代就已获得了初步的认识。Kröner et al.(1993) 使用单颗粒锆石²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb蒸发法获得镁铁质麻粒岩的原岩侵位年龄约为470Ma，而片麻状花岗闪长岩的侵位时代是435±14Ma，由此推测其变质时代发生在470~435Ma之间。Zhang et al.(1998) 使用同一种方法在中酸性麻粒岩中获得3颗锆石的年龄分别为479±6Ma、753±4Ma和909±2Ma，并将前者解释为麻粒岩相变质作用年龄，后者为中酸性麻粒岩的原岩时代。然而，由于没有锆石内部结构的制约，这一解释显然缺乏可靠性。此外，Zhai et al.(1998) 在镁铁质麻粒岩中获得角闪石的⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄为402±2Ma，代表麻粒岩的冷却时代。

最近，向华等(2009) 使用LA-ICP-MS方法在1个镁铁质麻粒岩的锆石中获得两个变质年龄，分别为418.7±3.2Ma和404.7±6.5Ma(增生边)。根据锆石饱和温度的计算，他们推测前者代表麻粒岩变质峰后冷却至约750℃的时代，后者为退变质作用时代，而麻粒岩的峰期变质时间推测在445~430Ma之间。他们的进一步工作将麻粒岩的峰期变质时代确定为432±4Ma，而退变质时代介于426~403Ma之间(Xiang et al., 2012)。Wang et al.(2011) 使用同一种方法在镁铁质麻粒岩和副片麻岩中分别获得424±4Ma和438±4Ma的变质年龄，他们将前者解释为峰期变质时代，而后者记录了进变质的时间。同时获得辉长岩和花岗闪长岩的侵位年龄分别为432±4Ma和424±4Ma，由此推测麻粒岩相变质作用和岩浆作用同期发生。然而，Liu et al.(2011) 对含石榴石镁铁质麻粒岩和副片麻岩的系统SHRIMP定年表明，在具有典型冷杉树状环带的锆石部位获得的变质年龄从445Ma延续到393Ma，其中一个主要峰值约在420Ma，另2个次要峰值约为440Ma和400Ma。同时在含有石榴石的片麻状花岗岩内具韵律环带的锆石中获得岩浆侵位年龄为428±3Ma。据此认为，约420Ma的年龄数据可能反映变质峰期后的冷却年龄，而约440~430Ma的年龄很可能代表麻粒岩相变质作用的时代。

本文测定的碱性脉岩或未变形，或有微弱变形，其内岩浆结构和矿物组合保存完好，未见明显的变质特征，所以它们一定侵位于麻粒岩相变质作用之后。两条岩脉的侵位时代均为430Ma，这与其他学者在不同类型岩浆岩中获得的年龄范围(435~424Ma)相吻合。所以，我们认为，将约440~430Ma作为桐柏地区麻粒岩相变质作用的发生时代(向华等, 2009; Liu et al., 2011)基本上是合理的。由于超高温变质作用发生时不利于锆石生长(Harley, 2004; Harley et al., 2007)，所以我们推测这一年龄只代表麻粒岩现存平衡矿物组合的形成时间。在麻粒岩相岩石中获得的变质年龄多集中于约420Ma左右，这可能与435~424Ma期间的大规模岩浆侵位有关。一般认为，一组谐和的锆石U-Pb年龄可以反映一次有地质意义的事件，但在经历一次或多次Pb丢失事件的影响时，这种所谓的“谐和”年龄可能要比锆石的真实形成年龄年轻达几十个百万年(如Black and Sheraton, 1990; Ashwal et al., 1999; Yoshida, 2007)，这种状况在经历了缓慢冷却的麻粒岩相地体中更为常见(Ashwal et al., 1999)。所以，在谐和年龄比较分散的情况下，最老的一组谐和年龄可能大致代表锆石的形成时间，而年轻的谐和年龄组是后期事件导致Pb丢失的结果(Yoshida, 2007)。与上述相仿，桐柏地区大规模的岩浆侵位可能引起麻粒岩地体的重新加热和缓慢冷却(退变质作用)，从而造成了锆石中部分Pb的丢失。而约400Ma的年轻锆石年龄与角闪石的⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄基本一致(402±2Ma; Zhai et al., 1998)，可能反映了区域上广阔的绿片岩相变质变形作用的叠加时间。这一推论与下述两个区域地质资料相符。其一，秦岭岩群北部的宽坪岩群和二郎坪岩群角闪岩相变质时代也约为440Ma(Liu et al., 2011)，与秦岭岩群的麻粒岩相变质时代一致。其二，产于二郎坪岩群中的桃园花岗闪长岩-花岗岩体的侵位时代亦为430Ma(江思宏等, 2009)，说明变质期后约430Ma的岩浆侵入事件是区域性的。

根据现有的同位素年代学和变质岩石学资料，桐柏造山带北部早古生代末弧-陆碰撞的构造演化过程基本上可以建立起来。在约440Ma，秦岭大陆岛弧和二郎坪洋内岛弧与华北陆块南缘发生碰撞，伴随着古秦岭洋的向北俯冲，这种碰撞作用可能一直持续进行。由大洋俯冲产生的大规模岩浆侵入到麻粒岩地体中，从而导致了秦岭岩群麻粒岩近等压冷却的P-T演化路径。约430Ma桃园花岗闪长岩-花岗岩体以及在秦岭岩群中广泛分布的花岗闪长岩-花岗岩脉的侵入均与此次岩浆作用有关。如此，在华北陆块南缘形成一个新的志留纪安第斯型活动大陆边缘(Ratschbacher et al., 2003, 2006; Hacker et al., 2004)。约430Ma的岛弧岩浆作用造成了秦岭岩群的缓慢冷却，这可能是麻粒岩相变质锆石的同位素年龄比较分散的原因。