东大别蕲春狮子口地区大别群与红安群岩石地球化学特征及其构造背景分析

范 川，周晓宁，张昌林，冷双梁，杨 成

(1.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034；2.湖北省地质局 院士专家工作站，湖北 武汉 430034)

大别造山带是扬子克拉通与华北克拉通的碰撞拼合部位，不少学者先后就此造山带的地质构造格局、特征及其形成演化过程做过相关研究[1-4]，认为扬子地块与华北地块自晚古生代开始汇聚碰撞，而对于前寒武变质基底大别群与变质表壳岩系红安群的岩石组合、形成时代及构造环境等尚有疑问[4-5]。因此，本文对湖北省东大别地区的大别群与红安群变质岩进行元素地球化学分析与原岩恢复，讨论大别群与红安群形成构造背景，以期为本区前寒武纪地质构造演化研究提供相应的依据。

1 地质概况

研究区位于大别造山带桐柏—大别变质杂岩隆起带内，此隆起带自北向南依次分为岳西(北大别)变质杂岩带、潜山(南大别)超高压变质带、宿松构造带[6-7]。研究区跨宿松构造带东北侧与潜山超高压变质带西南角，区域大断裂主要为NWW向山珑韧性断裂带(F5)与狮子口—回龙山韧性断裂带(F8)(图1)。区内以中生代中酸性岩浆活动最为强烈，发育有绿杨、大同、张榜等岩体，岩性主要为黑云二长花岗岩；其次为新元古代基性—超基性岩浆活动，相关岩浆岩分布于龙井冲、乌石寨及大竹垄等地。区域出露地层有古元古界大别群、新元古界红安群、下震旦统陡山沱组、上震旦统灯影组及少量第四系地层(图2)。

图1 桐柏—大别地区地质略图(据参考文献[4]修改)

图2 狮子口地区大别群与红安群变质岩样品采样位置图

大别群又称大别山群或大别山(岩)群，其中大别群与大别山群组成复杂，并非一套变质表壳岩系，还包括花岗质片麻岩系列，甚至是变质基性岩组合[5]；而大别山(岩)群仅指“大别山岩变质杂岩”中之变质表壳岩系[7]。本文所指大别群包括变质表壳岩系与花岗质片麻岩系两大类。20世纪70年代原湖北省区测队将区域内大别群分为铁冶组、麻桥组与飞虎山组，岩性以斜长片麻岩为主，次有碱长片麻岩类、斜长角闪岩等[8]，其原岩属钙碱性火山岩和少量铁硅质岩、碳酸盐岩[9]。研究区内大别群因后期构造及岩浆活动的改造与破坏，形成了一个无序构造地层单位，多呈似层状产出于花岗岩、片麻状花岗岩或花岗质片麻岩中，为一套角闪岩相区域变质岩组合，岩性以浅色二云斜长片麻岩为主，局部夹斜长角闪岩，多呈互层状与浅色层同褶皱[10]。

红安群又称红安(岩)群，由片麻岩、片岩及少许千枚岩、灰岩、大理岩、磷锰矿及钇矿层组成[9]，其自下而上可分为黄麦岭组、天台山组、七角山组、塔耳岗组。研究区内红安群主要发育七角山组，以孙冲—茅山与仙人台—寨基山一带发育较广，为一套低角闪岩相—高绿片岩相区域变质岩系，可分为上下两部分：下部以含角闪岩透镜体出现为标志，岩性以斜长角闪岩、黑云变粒岩、黑云斜长片麻岩为主，可见磁铁矿；上部岩性以黑云斜长片麻岩、白云钠长片岩、石英岩、石英片岩、透镜状纯白色大理岩为特征[10]。

2 样品特征及分析方法

大别群样品总体可分为三类：浅粒岩类、变粒岩类与斜长角闪岩(表1)。变粒岩类为碎裂黑云二长变粒岩与含角闪二长变粒岩，碎裂黑云二长变粒岩具中细粒鳞片花岗变晶结构、碎裂结构，块状构造、弱片状构造，主要由斜长石(35%)、钾长石(25%)、石英(30%)组成，含黑云母(5%)较多，见少量榍石、磷灰石、绿帘石、褐铁矿等；含角闪二长变粒岩具中细粒鳞片花岗变晶结构，块状构造，主要由钾长石(37%)、斜长石(35%)、石英(20%)组成，含少量角闪石(5%)及黑云母(2%)。浅粒岩类为二长浅粒岩及硅化二长浅粒岩，二长浅粒岩具鳞片花岗变晶结构、碎裂结构，岩石主要由钾长石(37%)、斜长石(30%)、石英(25%)组成，含黑云母(3%)较少；硅化二长浅粒岩主要由钾长石(32%)、斜长石(30%)、石英(30%)组成，常见石英以集合体状对原岩矿物进行硅化交代。斜长角闪岩为浅色斜长角闪岩与浅色钾化含磷灰石斜长角闪岩，浅色斜长角闪岩具柱粒状变晶结构，块状构造，主要由斜长石(54%)、角闪石(35%)组成，含少量钾长石(4%)与石英(3%)；浅色钾化含磷灰石斜长角闪岩主要由斜长石(50%)、角闪石(25%)组成，含较多钾长石(10%)，角闪石多呈变斑状，磷灰石(3%)粒径较粗，黑云母多次变为绿泥石，黑云母解理缝中有针状金红石。

表1 狮子口地区大别群与红安群变质岩地球化学组成

红安群样品岩性为钠长片岩、石英片岩、白云岩及角闪石岩(表1)。钠长片岩类有含榴二云石英钠长片岩与含磷含黄铁矿白云微斜钠长片岩，含榴二云石英钠长片岩具片状构造，鳞片花岗变晶结构，岩石主要由斜长石(以钠长石为主，39%)、石英(25%)、黑云母(20%)组成，含白云母(5%)、钾长石(2%)、石榴石(2%)较多；含磷含黄铁矿白云微斜钠长片岩具鳞片花岗变晶结构，由钠长石(25%)、微斜长石(20%)、石英(20%)、白云母(25%)组成，含黄铁矿(5%)、磷灰石(3%)较多。石英片岩主要为白云钠长石英片岩。白云岩为含磷灰石细晶白云岩。角闪石岩具柱状变晶结构，块状构造，主要由角闪石(90%)组成，其间有少量斜长石(4%)分布，此外岩石中有少量石英(3%)和钾长石(2%)。

样品主微量元素分析均在国土资源部武汉矿产资源监督检测中心(湖北省地质实验测试中心)完成。主量元素测试采用X射线荧光熔片法(XRF)，分析精度优于1%，其中H2O+、FeO、CO2及H2O-则采用湿化学法分析。微量元素测试采用电感耦合原子发射光谱法(ICP-AES)，分析精度优于6%。测试结果见表1。

3 岩石地球化学特征与原岩恢复

3.1 原岩恢复

大别群变质岩类DF均>0，在西蒙图解中样品投点全部落入火山岩区(图3-a)，在MgO-CaO-∑FeO图解中落入正角闪岩区(图3-b)，两者具有一致的判别结果，表明区内大别群为正变质岩类。红安群DF正负值均有出现，在西蒙图解中样品投点既有火山岩区又有泥砂岩区(图3-a)，表明区内红安群由变火山岩与变沉积岩共同组成。红安群Pm012-GS3在西蒙图解中落入火山岩区(图3-a)，在MgO-CaO-∑FeO判别图解中位于正角闪岩区(图3-b)，显示其正变质岩特点，其DF<0可能为基性岩类高镁铁含量引起。

图3 狮子口地区大别群与红安群变质岩(al+fm-c-alk)-si图解(a)和MgO-CaO-∑FeO图解(b)(底图分别据参考文献[13-14])

3.2 大别群岩石地球化学特征

大别群浅粒岩类(D3073-GS2、D3240-GS1)与变粒岩类(Pm012-GS1、Pm012-GS2)SiO2含量为69.54%～73.90%，Na2O含量为3.02%～5.12%，K2O含量为1.44%～5.64%，CaO含量为0.91%～1.92%，Al2O3含量为13.15%～16.88%，Alk含量为6.56%～8.68%，在TAS图解中样品均投点于英安岩—流纹岩区域(图4-a)，为中酸性火山岩系列；在K2O-SiO2图解中位于钙碱性—高钾钙碱性系列(图4-b)。A/CNK范围为1.07～1.28，A/NK范围为1.24～1.57，样品落入过铝质岩石区域(图5)。综上所述，大别群浅粒岩类与变粒岩类主量元素地球化学特征显示其原岩整体为一套过铝质中高钾钙碱性系列的中酸性火山岩。ΣREE变化范围为141.65×10-6～276.48×10-6，LREE/HREE变化范围为11.58～38.67，LaN/YbN变化范围为15.04～83.43，δEu值为0.58～0.96，表现出轻稀土富集与中弱Eu负异常特征(图6-a)。微量元素较原始地幔选择性富集K、Rb、Ba、Th等大离子亲石元素，亏损高场强元素Ta、Nb、P、Ti、HREE等，使其微量元素原始地幔标准化蛛网图具右倾特征(图6-b)。

图4 狮子口地区火山岩类SiO2-(Na2O+K2O)图解(a)与SiO2-K2O图解(b)(底图分别据参考文献[15-16])

图5 狮子口地区大别群与红安群变火山岩类A/CNK-A/NK图解(底图据参考文献[17])

大别群斜长角闪岩样品D2711-GS1具明显钾化，对于岩石地球化学指数计算及成因判别存在较大影响，所以K2O-SiO2图解不采用该样品数据。本文以样品D3073-GS1为例介绍大别群斜长角闪岩元素地球化学特征。D3073-GS1样品SiO2含量为49.23%，Alk含量为4.96%，在TAS图解中落入玄武岩与粗面玄武岩交界处(图4-a)，为基性火山岩。K2O含量为1.85%，CaO含量为9.17%,里特曼组合指数δ=3.63，具碱性岩系特征。综上所述，大别群斜长角闪岩应为碱性玄武质岩石。ΣREE=112.41×10-6，LREE/HREE=4.44，LaN/YbN=4.01，δEu=0.93，表现出弱轻稀土富集与极弱Eu负异常的特征(图6-a)。微量元素较原始地幔选择性富集大离子亲石元素K、Rb、Ba，亏损高场强元素Ta、Nb、Ti、HREE,微量元素原始地幔标准化蛛网图具弱的右倾趋势(图6-b)。

图6 狮子口地区大别群与红安群变火山岩类稀土元素及微量元素配分曲线图(标准值据参考文献[18])

3.3 红安群岩石地球化学特征

区内红安群由变火山岩与变沉积岩共同组成，其中变沉积岩样品在A-C-FM图解与ΣREE-La/Yb图解中投点于富铝泥质岩区域(图7-a)和砂质岩杂砂岩与碳酸盐岩区域(图7-b)，表明样品原岩为碎屑沉积岩与自生碳酸盐岩两类；两变火山岩样品在TAS图解中分别落入玄武岩与粗面岩/粗面英安岩区域(图4-a)，显示出双峰式火山岩特征。

图7 狮子口地区红安群变质岩A-C-FM图解(a)与ΣREE-La/Yb图解(b)(底图据参考文献[19])

3.3.1红安群变火山岩地球化学特征

红安群变酸性火山岩(D1495-GS2)SiO2含量为62.19%，K2O含量为10.94%，Na2O含量为0.44%，CaO含量为0.93%，Alk含量为11.38%，在K2O-SiO2图解中位于钾玄岩系列(图4-b)。Al2O3含量为15.82%，A/CNK=1.11，A/NK=1.26，为过铝质岩石(图5)。综上所述，红安群变酸性火山岩为过铝超钾质火山岩。ΣREE=223.19×10-6，LREE/HREE=10.72，LaN/YbN=9.60，δEu=0.48，表现出弱轻稀土富集与中等Eu负异常的特征，稀土元素球粒陨石标准化曲线具右倾特征(图6-a)。微量元素较原始地幔选择性富集大离子亲石元素K、Rb、Ba、Th、U，亏损高场强元素Ta、Nb、Ti、HREE,微量元素原始地幔标准化蛛网图具弱的右倾趋势,具明显的Ta、Nb、Ti、Sr负异常(图6-b)。

红安群变基性火山岩(Pm012-GS3)SiO2含量为46.94%，K2O含量为1.15%，Na2O含量为2.33%，CaO含量为9.28%，Alk含量为3.48%，里特曼组合指数δ=2.45，为钙碱性系列岩石(图4-b)。ΣREE=175.55×10-6，LREE/HREE=3.98，球粒陨石标准化LaN/YbN=3.61，δEu=0.82，表现出弱轻稀土富集与弱Eu负异常的特征(图6-a)。微量元素原始地幔标准化蛛网图具明显K、Th、Sr的富集与Ta、Nb、Ti的亏损(图6-b)。

3.3.2红安群变沉积岩地球化学特征

含榴二云石英钠长片岩(Pm010-10-GS1)较后太古代澳大利亚页岩(PAAS)具有近似的SiO2、TiO2、TFe2O3、MnO、MgO含量，略低的K2O、Al2O3及偏高的CaO、Na2O含量，其原岩恢复为砂质岩杂砂岩(图7)。而白云钠长石英片岩(D0426-GS1)较PAAS具偏低的SiO2、TFe2O3、MnO、MgO、CaO、Na2O含量及偏高的K2O、Al2O3含量，其原岩恢复为(富铝)粘土岩(图7)。ΣREE=173.81×10-6～291.02×10-6，LREE/HREE=9.08～20.35，LaN/YbN=11.66～40.91，δEu=0.71～0.84，表现出弱轻稀土富集与弱Eu负异常的特征，北美页岩标准化分布模式曲线近平坦型(图8-a)。微量元素含量与大陆上地壳几乎一致，标准化曲线较平坦，具明显的Nb、Ta亏损(图8-b)。

含磷灰石细晶白云岩(D1495-GS1)以含Ca、C、Mg为主(CaO含量33.18%、CO2含量30.50%、MgO含量10.48%)，含较高的Fe、Mn、P(TFe2O3含量3.72%、MnO含量6.84%、P2O5含量7.11%)，具一定的磷锰矿化。ΣREE=77.81×10-6，LREE/HREE=7.24，LaN/YbN=4.61，δEu=0.52，表现出弱轻稀土富集与中等Eu负异常的特征，北美页岩标准化分布模式曲线近平坦型，具明显的Ce正异常与弱Eu负异常(图8-a)。微量元素含量与大陆上地壳相比，Sr、Y含量几乎一致，明显富集Ba、P，其它元素则明显亏损(图8-b)。

图8 狮子口地区红安群变沉积岩类稀土元素及微量元素配分曲线图(标准值据参考文献[20-21])

4 讨论

4.1 大别群与红安群变火山岩构造背景分析

4.1.1大别群变火山岩构造背景

前述大别群浅粒岩类、变粒岩类稀土元素具富集LREE、亏损HREE及中—弱Eu负异常的特征，其微量元素具富集大离子亲石元素K、Rb、Ba、Th等，亏损高场强元素Ta、Nb、P、Ti的特征，显示较明显的壳源特征。主量元素特征显示原岩为钙碱性系列的中酸性火成岩，一般认为钙碱性岩浆起源于板块俯冲过程[22]。在(Y+Nb)-Rb与(Yb+Ta)-Rb判别图解中，样品落入火山弧花岗岩范围内(图9)，指示大别群变中酸性火山岩构造背景应为与俯冲带相关的火山弧背景。

大别群变基性岩主量元素特征显示其为碱性玄武质岩，此系列岩石主要为岩石圈伸展背景下板内裂谷环境的岩石类型，然而此构造背景下碱性玄武质岩类常与碱性酸性岩类共同组成双峰式火山岩套。前述大别群变酸性岩类为钙碱性系列而非碱性系列，推断大别群变基性岩为非板内裂谷环境下的碱性岩系列。其微量元素选择性富集大离子亲石元素K、Rb、Ba，亏损高场强元素Ta、Nb、Ti、HREE，其明显的“TNT”负异常则显示出俯冲带幔源岩石的成分特点[24]。在2Nb-Zr/4-Y与Ti/100-Zr-3Y构造环境判别图解中主要落入岛弧—火山弧区域内(图10)。汇聚板块边缘的岛弧—陆缘弧背景下岩石系列以钙碱性为主，但碱性系列与拉斑系列也均有出现[27]，因此大别群变基性岩为非板内裂谷环境的碱性玄武质岩，其与大别群变中酸性岩类的构造背景一致，为汇聚板块边缘俯冲带火山弧背景下的碱性岩石系列。

4.1.2红安群变火山岩构造背景

红安群变酸性火山岩主量元素特征显示其为过铝质的超钾质火山岩系列，变基性火山岩则为钙碱性系列，两者微量元素特征显示相同的高场强元素(Ta、Nb、Ti、HREE)亏损与不同的大离子亲石元素富集，其中变酸性火山岩较变基性岩明显富集Rb、Ba、U、K等大离子亲石元素，显示出变酸性火山岩较明显的壳源特征。在(Y+Nb)-Rb与(Yb+Ta)-Rb判别图解中，变酸性火山岩落入火山弧花岗岩范围内(图9)，在2Nb-Zr/4-Y与Ti/100-Zr-3Y构造环境判别图解中变基性火山岩则落入岛弧—火山弧区域内(图10)，表明红安群变火山岩产出背景应为火山弧构造环境。

图9 狮子口地区大别群与红安群变中酸性火山岩类(Y+Nb)-Rb图解(a)与(Yb+Ta)-Rb图解(b)(底图据参考文献[23])

图10 狮子口地区大别群与红安群变基性岩类2Nb-Zr/4-Y图解(a)与Ti/100-Zr-3Y图解(b)(底图分别据参考文献[25-26])

4.2 红安群变沉积岩构造背景

红安群含榴二云石英钠长片岩原岩恢复为砂质岩杂砂岩，其TiO2含量为0.85%，(TFe2O3+MgO)含量为9.84%，Al2O3/SiO2比值为0.23，K2O/Na2O比值为0.84，与Bhatia M R[28]提出的洋岛弧及陆岛弧背景下砂岩主量元素特征相近，在(TFe2O3+MgO)-TiO2砂岩构造环境判别图解中投点于洋岛弧区域内(图11-a)。其微量元素La/Th比值为3.6，介于洋岛弧La/Th比值(4.26)与陆岛弧La/Th比值(2.4)之间[29]，在Hf-La/Th判别图解中则落入酸性岛弧源区与被动陆源的过渡区域(图11-b)。结合其稀土元素和微量元素组成特点，推测红安群变碎屑沉积岩构造背景应为近大陆岛弧的沉积盆地，此盆地周缘岛弧形成于成熟陆壳或减薄陆壳边缘。

图11 狮子口地区红安群二云石英钠长片岩(Fe2O3+MgO)-TiO2图解(a)与Hf-La/Th图解(b)(底图分别据参考文献[28，30])

红安群含磷灰石细晶白云岩弱的Eu负异常、较低的ΣREE及较高的Y/Ho比值显示其海相碳酸盐岩地化特征，与湖相碳酸盐岩明显不同；同时其低Zr、低ΣREE显示较小的陆源碎屑物质影响，较明显的Ce正异常主要受到岩石内锰矿化的影响。由于MnO2的形成促使Ce3+向Ce4+转化，因Ce4+最易沉淀，导致岩石呈现Ce正异常[31]。磷质岩类沉积环境大多是构造背景相对稳定的局限浅海及边缘斜坡一带[32]，结合胶体化学沉积矿床一般分布在稳定台地内的陆表海盆地或其边缘的陆缘海盆地背景[33]，推断红安群含磷灰石细晶白云岩产出构造背景应与其变碎屑沉积岩构造背景相近，为陆缘海沉积盆地。

4.3 构造演化浅析

研究区内大别群变火山岩地球化学分析指示其构造背景为汇聚板块边缘俯冲带火山弧，结合其变质表壳岩系内含大理岩、磁铁石英岩、云母片岩、云英片岩等负变质岩，推断大别群构造背景为弧盆体系。红安群变火山岩与变沉积岩地球化学分析表明其构造背景分别为火山弧与陆缘海盆环境，同样显示为弧盆体系。

5 结论

(1)东大别蕲春狮子口地区大别群浅粒岩类、变粒岩类岩石主量元素特征显示，其原岩为一套过铝质中高钾钙碱性系列的中酸性火山岩，暗色斜长角闪岩主量元素特征则显示其原岩为碱性玄武质火山岩，两者微量元素特征均具汇聚板块边缘俯冲带弧火山岩地球化学特征。

(2)东大别蕲春狮子口地区红安群石英片岩、白云岩及部分钠长片岩原岩具负变质岩地球化学特征，而角闪石岩及部分钠长片岩为正变质岩，表明区内红安群由变沉积岩与变火山岩共同组成，其中变沉积岩可分为碎屑沉积岩与自生碳酸盐岩两类。红安群白云岩具明显海相碳酸盐岩的地球化学特征，据其变碎屑沉积岩类微量元素特征推断红安群变沉积岩沉积背景应为陆缘海盆。红安群变火山岩类主量元素特征显示变酸性火山岩为过铝质超钾质火山岩系列，变基性火山岩则为钙碱性系列，两岩石系列微量元素特征均显示为火山弧构造背景。红安群变沉积岩的陆缘海盆背景与变火山岩的火山弧背景共同指示其构造背景为弧盆体系。