LA-ICP-MS zircon U-Pb dating and geochemical characteristics of the Jiaogou syenite in western Henan Province and its geological implications
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摘要:
豫西纸房-黄庄地区是东秦岭造山带印支期碱性侵入岩规模最大的出露区，对其中的焦沟岩体进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和元素地球化学分析，探讨其源区特征及深部动力学背景。焦沟岩体定年样品JG1701为霓辉正长岩，出现了约2.6 Ga、约2.5 Ga、约2.4 Ga、约2.3 Ga、约2.1 Ga、约1.9 Ga和约243 Ma 7个年龄组，形成了锆石年龄谱，最晚一组6颗锆石测点的206Pb/238U年龄为243.2±4.8 Ma，表明其形成于中三叠世。焦沟岩体的Na2O+K2O含量为11.50%~14.01%，碱度率（AR）和K2O/Na2O值分别为3.92~9.17和3.78~10.25，属于碱性-过碱性系列，且具有超钾质岩石的特征。焦沟岩体的稀土元素总量介于176×10-6~315×10-6之间，（La/Yb）N范围为9.51~20.43，稀土元素配分模式具有右倾、轻稀土元素富集、重稀土元素亏损和无明显负Eu异常的特征。焦沟岩体强烈富集大离子亲石元素、亏损高场强元素，在微量元素蛛网图中显示了一致的Th、Nb、Ta、P、Ti异常谷，以及Ba、K、Zr、Hf异常峰。它的部分熔融源区位于石榴子石-尖晶石过渡带，埋深介于60~80 km之间，残余矿物包括金云母、富钛矿物（如金红石和钛铁矿）、石榴子石和尖晶石。焦沟岩体是幔源富钾岩浆/流体与壳源岩浆/流体库混合活化之后形成的，深部控制过程为岩石圈拆沉作用。
Abstract:The Zhifang-Huangzhuang(ZH)area in western Henan Province has the largest outcrop of Indosinian alkaline intrusives in eastern Qinling orogenic belt.In this paper, the LA-ICP-MS zircon U-Pb ages as well as major elements and trace elements of the Jiaogou syenite were tested in order to obtain new constraint on formation time, rock source of partial melting and tectonic process of syenites in the ZH area.The U-Pb dating sample JG1701 is aegirine-augite syenite, and zircon age spectrum is composed of 7 age groups(~2.6 Ga, ~2.5 Ga, ~2.4 Ga, ~2.3 Ga, ~2.1 Ga, ~1.9 Ga and~243 Ma).The weighted mean age of 6 zircon spots form the last group is 243.2±4.8 Ma, which suggests that it was formed in Middle Triassic.The Jiaogou syenite is ultrapotassic rocks and belongs to alkaline-peralkaline series with higher Na2O+K2O content(11.50%~14.01%), alkalinity ratios(3.92~9.17)and K2O/Na2O ratios(3.78~10.25).The total rare earth elements(REEs)and(La/Yb)N ratios of the Jiaogou syenite are 176×10-6~315×10-6 and 9.51~20.43, which shows the characteristics of LREE enrichment and HREE depletion without obvious Eu negative anomaly.They are enriched in large ion lithophile elements and depleted in high field strength elements, exhibiting negative anomalies of Th, Nb, Ta, P and Ti and positive anomalies of Ba, K, Zr and Hf in spider diagram.The source rock of the Jiaogou syenite was situated in the garnet-spinel transition zone at the depth of about 60~80 km, and its residual phases included phlogopite, Ti-enriched minerals such as rutile and ilmenite, garnet and spinel.The Jiaogou syenite is the mixed product of mantle-derived K-enriched magmas/fluids and crust-derived magmas/fluids, and it was controlled by regional lithosphere delamination in Middle Triassic.
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秦岭造山带内发育印支期花岗岩，集中于勉略缝合带北侧、商州以西，总出露面积超过3000 km2[1]。与之形成鲜明对比的是，东秦岭地区印支期岩浆活动仅零星出露(图 1-a)。嵩县南部纸房—黄庄地区出露东秦岭面积最大的印支期侵入岩，包括磨沟、乌桑沟、龙头、狼凹沟、焦沟5个正长岩岩体及一系列正长岩岩脉，其成因研究有助于深入认识东秦岭印支期深部构造过程。磨沟岩体是其中规模最大者，已知的锆石U-Pb年龄集中于约245 Ma、约227 Ma、约210 Ma及约108 Ma四个阶段[2-6]，乌桑沟和龙头岩体的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为246.2±3.9 Ma[7]和241.8±2.6 Ma[8]。磨沟岩体形成的构造机制也存在5种不同的认识：曾广策[9]认为其形成于碰撞挤压背景，与板内褶皱造山作用相关，Mao等[3]认为其与太平洋板块俯冲有关，卢仁等[4]认为磨沟岩体是岩石圈拆沉作用的产物，曹晶等[5]认为其是秦岭造山带主碰撞峰期局部伸展和后碰撞伸展2种不同构造环境的产物，磨沟岩体还被认为形成于同碰撞向后碰撞体制的转变阶段[6]。由此可见，磨沟岩体的岩石成因模式存在很大争议。因此，对区域内乌桑沟、龙头、狼凹沟及焦沟岩体开展成因研究十分必要，这不仅可对磨沟岩体的形成提供重要的约束，而且能够对纸房—黄庄地区正长岩的构造背景提供制约。鉴于此，本文报道了焦沟岩体的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和元素地球化学结果，并探讨其岩石成因及深部构造背景。
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1. 地质特征
嵩县南部纸房—黄庄地区位于豫西外方山北麓，属于华北克拉通南缘华熊地块崤山-鲁山构造小区[10]。纸房—黄庄地区主要出露地层为中元古代熊耳群火山岩系，岩性以英安岩、安山岩及安山玢岩为主，在山前盆地及沟谷水系内堆积有新生界(图 1-b)。区内发育近北东向、近北西向、近东西向和近南北向4组断裂构造，近北西向的板庙-红岩沟断层和上坪-乌桑沟断层控制了磨沟、乌桑沟、龙头及焦沟岩体的产出。它们相互交错形成复杂的网状断裂体系，断裂交汇部位多有正长岩出露，如乌桑沟岩体位于上坪-乌桑沟和段沟-胡沟断裂的交汇处。此外，同向断层具有近平行等间距的特征，如近东西向的狼凹沟-寨沟、七道沟岭和车场断裂。纸房—黄庄地区出露中元古代、印支期和燕山期3期岩浆活动，中元古代岩浆岩除广泛出露的熊耳群火山岩外，在龙头岩体北侧还出露石英斑岩；印支期侵入岩主要为正长岩岩体和岩脉，规模较大者自西向东依次为狼凹沟、磨沟、龙头、焦沟和乌桑沟岩体；燕山期岩浆活动微弱，主要为磨沟岩体以南约1.0 km处出露面积不足0.2 km2的花岗岩(图 1-b)和侵入磨沟岩体的花岗岩、闪长岩及霓辉正长岩岩脉[3]。
焦沟岩体位于龙头和乌桑沟岩体之间，三者呈近北西向排列出露于上坪-乌桑沟断裂的北东侧，北西距龙头岩体约2.8 km，南东距乌桑沟岩体约1.5 km。焦沟岩体南北长约750 m，东西宽约550 m，出露面积约0.23 km2。其侵入中元古代熊耳群安山玢岩内，在外接触带发育正长岩岩脉(图 2-a)。焦沟岩体主要由霓辉正长岩组成，未见明显的岩相分带。焦沟霓辉正长岩多呈深灰红色，致密块状构造(图 2-b)，中-细粒结构，主要矿物为正长石(70%~80%)和霓辉石(10%~15%)及霓石(约5%)，副矿物以榍石、磁铁矿、磷灰石等为主。正长石多呈半自形板状，粒径集中于0.5~3.0 mm，发育高岭土化而表面浑浊不清(图 2-c)；霓辉石多呈暗绿色-黄绿色，多色性明显，自形-半自形柱状为主，粒径集中于0.1~1.5 mm，内部可见绿泥石、磁铁矿及褐铁矿(图 2-c)。
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图 2 焦沟岩体岩石照片(矿物缩写代号据参考文献[11])a—正长岩脉侵入熊耳群安山玢岩；b—致密块状的焦沟霓辉正长岩；c—霓辉正长岩中的霓辉石、霓石和正长石(单偏光)。Agt—霓辉石；Aeg—霓石；Or—正长石Figure 2. Petrographs of the Jiaogou syenite2. 锆石LA-ICP-MS年龄
2.1 分析方法
样品JG1701的锆石单矿物分选由河北省廊坊区调所实验室完成，锆石制靶由北京锆年领航科技有限公司完成。样品靶制成后，对所有样品锆石颗粒进行反射光、透射光和阴极发光(CL)照相，在综合分析基础上选择最恰当的测点。
LA-ICP-MS锆石定年在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。GeolasPro激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF193 nm准分子激光器和Microlas光学系统组成，ICP-MS型号为Agilent 7700e。定年测试中，标样NIST SRM610、91500、GJ-1、PLE和样品锆石有序穿插进行，数据处理使用ICPMSDataCal程序[12]，U-Pb谐和图绘制和加权平均年龄计算使用Isoplot程序[13]。
2.2 样品特征
锆石U-Pb定年样品JG1701采集于磨沟岩体的西南部新鲜岩石露头，岩性为暗灰红色霓辉正长岩，块状构造，自形-半自形粒状结构。从中分选获得锆石不足100颗，大部分无色透明，部分锆石可见裂纹和包裹体。晶形完整的锆石颗粒十分少见，多为他形，或棱角分明，或边界圆滑(图 3)。样品JG1701中的锆石颗粒较小，长轴粒径不超过100 μm，短轴粒径以25~50 μm为主，大多数锆石可见韵律振荡环带，显示其岩浆锆石的特点。
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图 3 焦沟岩体定年样品JG1701锆石阴极发光图像(锆石年龄大于1000 Ma时标注207Pb/206Pb年龄，锆石年龄小于1000 Ma时标注206Pb/238U年龄)Figure 3. Cathodoluminescence images of zircons in sample JG1701 from the Jiaogou syenite2.3 锆石U-Pb定年结果
样品JG1701的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果见表 1和图 4。
表 1 焦沟岩体样品(JG1701)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb定年结果Table 1. LA-ICP-MS U-Th-Pb dating results of zircons in sample JG1701 from the Jiaogou syenite测点编号 Pb/10-6 Th/10-6 U/10-6 Th/U 207Pb/206Pb比值 1σ 207Pb/235U比值 1σ 206Pb/238U比值 1σ 207Pb/206Pb年龄/Ma 1σ/Ma 207Pb/235U年龄/Ma 1σ/Ma 206Pb/238U年龄/Ma 1σ/Ma 谐和度 JG1701-01 305 28.8 931 0.03 0.1175 0.0020 5.3110 0.0920 0.3267 0.0026 1918 30 1871 15 1823 13 97% JG1701-02 250 148 446 0.33 0.1282 0.0027 5.7031 0.1533 0.3199 0.0038 2074 37 1932 23 1789 18 92% JG1701-03 39.0 360 525 0.69 0.0766 0.0067 0.2720 0.0256 0.0249 0.0004 1122 176 244.3 20.4 158.6 2.8 57% JG1701-04 81 414 1105 0.37 0.0593 0.0024 0.3191 0.0126 0.0392 0.0005 576.0 88.9 281.2 9.7 248.0 3.2 87% JG1701-05 625 107 1222 0.09 0.1624 0.0024 8.5674 0.1347 0.3816 0.0028 2481 24 2293 14 2084 13 90% JG1701-06 281 929 1811 0.51 0.1174 0.0098 0.6708 0.0632 0.0386 0.0005 1916 150 521.2 38.4 244.1 3.1 27% JG1701-07 105 649 761 0.85 0.1304 0.0049 0.4880 0.0187 0.0272 0.0003 2103 66 403.6 12.8 172.8 2.1 19% JG1701-08 466 337 471 0.72 0.1576 0.0026 8.9714 0.1760 0.4110 0.0039 2431 28 2335 18 2219 18 94% JG1701-09 189 420 939 0.45 0.1661 0.0059 1.0030 0.0428 0.0431 0.0006 2520 66 705.3 21.7 272.0 3.7 11% JG1701-10 144 990 1835 0.54 0.0551 0.0016 0.2903 0.0078 0.0383 0.0004 416.7 63.0 258.8 6.2 242.5 2.3 93% JG1701-11 690 2048 1548 1.32 0.2408 0.0111 1.7398 0.1079 0.0491 0.0008 3125 73 1023 40 309.3 5.0 -8% JG1701-12 542 351 704 0.50 0.1488 0.0031 7.8451 0.1879 0.3780 0.0032 2332 36 2213 22 2067 15 93% JG1701-13 51.4 540 720 0.75 0.0688 0.0038 0.2207 0.0112 0.0236 0.0003 900.0 118.7 202.5 9.3 150.4 1.8 70% JG1701-14 67.8 352 1168 0.30 0.0574 0.0022 0.3112 0.0117 0.0394 0.0004 505.6 83.3 275.1 9.0 249.1 2.7 90% JG1701-15 116 670 1844 0.36 0.0542 0.0017 0.2935 0.0102 0.0390 0.0004 388.9 72.2 261.3 8.0 246.4 2.4 94% JG1701-16 142 509 1331 0.38 0.0904 0.0040 0.4854 0.0218 0.0389 0.0003 1435 85 401.8 14.9 245.9 1.9 51% JG1701-17 1081 900 779 1.15 0.1501 0.0023 8.8056 0.1785 0.4216 0.0051 2347 26 2318 19 2268 23 97% JG1701-18 343 181 527 0.34 0.1277 0.0022 6.6459 0.1124 0.3763 0.0029 2066 30 2065 15 2059 14 99% JG1701-19 607 185 849 0.22 0.1682 0.0028 11.5544 0.2248 0.4950 0.0049 2540 23 2569 18 2592 21 99% JG1701-20 823 537 730 0.74 0.1741 0.0028 10.9774 0.2283 0.4547 0.0061 2597 27 2521 19 2416 27 95% JG1701-21 203 1941 1464 1.33 0.0493 0.0013 0.2568 0.0070 0.0377 0.0004 161.2 67.6 232.1 5.7 238.3 2.2 97% JG1701-22 56.3 419 566 0.74 0.0910 0.0039 0.3184 0.0129 0.0256 0.0003 1448 81 280.7 10.0 163.1 2.1 47% JG1701-23 125 1183 1384 0.85 0.1022 0.0022 0.9527 0.0392 0.0652 0.0021 1665 36 679.5 20.4 407.4 12.8 49% JG1701-24 145 1304 1388 0.94 0.0499 0.0016 0.2597 0.0081 0.0378 0.0004 190.8 69.4 234.5 6.5 239.1 2.3 98% ![]()
图 4 焦沟岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图a—样品JG1701中24颗锆石的U-Pb谐和图；b—样品JG1701中15颗锆石(不含测点JG1701-03、06、07、09、11、13、16、22和23)的U-Pb谐和图；c—样品JG1701中6颗锆石(JG1701-04、10、14、15、21和24)的U-Pb谐和图；d—样品JG1701中6颗锆石测点的206Pb/238U年龄加权平均值Figure 4. Concordia diagrams of LA-ICP-MS zircon U-Pb age for the Jiaogou syenite对样品JG1701累计进行了24个锆石测点的分析(表 1)，其中JG1701-03、06、07、09、11、13、16、22和23九个测点的测定值明显偏离207Pb/235U-206Pb/238U一致线(图 4-a)，在年龄计算及讨论中未考虑。剩余15个锆石测点的同位素比值位于或接近U-Pb一致线(图 4-b、c)，出现约2.6 Ga、约2.5 Ga、约2.4 Ga、约2.3 Ga、约2.1 Ga、约1.9 Ga和约243 Ma 7个U-Pb年龄组，形成了单颗粒锆石年龄谱。
测点JG1701-20的207Pb/206Pb年龄为2597±27 Ma，是年龄谱中最老的锆石颗粒。测点JG1701-05和JG1701-19的年龄接近于2.5 Ga，207Pb/206Pb年龄分别为2481±24 Ma和2540±23 Ma。测点JG1701-08的207Pb/206Pb年龄为2431±28 Ma，形成了第三个年龄组。第四个年龄组接近2.3 Ga，包括测点JG1701-12和JG1701-17，其207Pb/206Pb年龄分别为2332±36 Ma和2347±26 Ma。第五个年龄组包括JG1701-02和JG1701-18两个测点，其207Pb/206Pb年龄分别为2074±37 Ma和2066±30 Ma。测点JG1701-01的207Pb/206Pb年龄为1918±30 Ma，形成了年龄谱中第六个约为1.9 Ga的年龄组。第七个年龄组包括JG1701-04、10、14、15、21和24六个测点，它们的Th/U值和206Pb/238U年龄分别为0.30~1.33 Ma和238.3±2.2~249.1±2.7 Ma，相应的年龄加权平均值为243.2±4.8 Ma(图 4-d)。
3. 地球化学特征
焦沟岩体7件正长岩样品的全岩化学成分分析由澳实分析检测(广州)有限公司完成。主量元素的分析方法代码为ME-XRF26d，X荧光光谱仪型号为PANalytical PW2424，相对偏差和误差分别低于5%和2%。微量元素的分析方法代码为ME-MS862，使用Agilent 7900和Perkin Elmer Elan 9000两台质谱仪组合测试，相对偏差和误差均低于10%。
3.1 主量元素
焦沟岩体7件样品的主量元素分析结果见表 2。SiO2和Al2O3的含量范围分别为56.95%~62.15%和14.10%~17.35%，TFe2O3含量为4.58%~8.13%，MgO和CaO的含量范围分别为0.19%~0.74%和0.31%~5.27%，Na2O和K2O含量分别介于1.18%~2.78%和9.60%~12.45%之间。
表 2 焦沟岩体主量、微量和稀土元素分析结果Table 2. Results of major, trace and rare earth elements from the Jiaogou syenite样品号 JG0111A S30116A S30216D S30316E JG1701 JG1702 JG1703 SiO2 56.95 60.51 59.80 60.95 59.89 58.87 62.15 TiO2 0.75 0.46 0.47 0.50 0.47 0.62 0.60 Al2O3 14.10 17.35 17.07 16.06 15.11 14.49 15.92 TFe2O3 8.07 5.25 5.26 4.58 5.90 8.13 5.60 MnO 0.19 0.01 0.02 0.09 0.10 0.13 0.03 MgO 0.62 0.24 0.19 0.36 0.65 0.74 0.26 CaO 5.27 0.31 0.61 1.38 1.93 2.25 0.59 Na2O 1.90 1.18 1.30 1.56 2.78 2.40 1.24 K2O 9.60 12.10 12.20 12.45 10.50 10.45 11.70 P2O5 0.26 0.08 0.09 0.12 0.16 0.24 0.14 烧失量 0.94 1.51 1.85 1.03 1.03 1.02 1.24 总量 98.65 99.00 98.86 99.08 98.52 99.34 99.47 AR 3.92 7.06 7.46 9.17 8.06 7.61 8.25 Ba 11103 11193 13790 7790 8120 8380 3260 Rb 214 303 297 297 256 257 325 Th 10.6 8.61 20.4 7.21 4.71 9.19 10.45 Nb 7.70 15.5 19.2 14.8 12.4 14.5 23.9 Ta 0.3 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 1.2 Sr 1530 1150 1150 866 836 1165 328 Zr 378 322 366 253 256 323 285 Hf 9.6 7.6 8.4 6.4 7.3 8.4 7.0 Y 35.5 20.4 28.3 19.5 17.7 40.8 31.3 La 43.6 32.6 44.7 29.3 69.4 54.1 65.4 Ce 101 67.2 80.1 75.6 93.7 107 131 Pr 13.1 10.3 12.3 10.3 12.7 13.0 17.7 Nd 58.5 41.0 47.5 40.4 44.1 51.2 64.0 Sm 12.2 7.66 8.53 7.69 7.06 10.3 10.8 Eu 2.89 1.48 1.69 1.26 1.69 2.95 2.11 Gd 9.07 5.25 6.11 5.19 5.24 9.06 7.87 Tb 1.20 0.67 0.85 0.74 0.72 1.31 1.12 Dy 6.66 3.85 4.88 4.07 3.72 7.36 6.30 Ho 1.19 0.77 0.93 0.81 0.74 1.45 1.20 Er 3.27 2.18 2.54 2.05 1.93 3.98 3.20 Tm 0.48 0.31 0.35 0.32 0.30 0.59 0.45 Yb 3.09 2.07 2.37 2.02 2.29 3.82 3.05 Lu 0.46 0.32 0.35 0.32 0.40 0.60 0.52 ΣREE 256 176 213 180 244 266 315 (La/Yb)N 9.51 10.6 12.7 9.78 20.4 9.55 14.5 δEu 0.81 0.68 0.68 0.58 0.81 0.91 0.67 注：元量元素含量单位为%，微量和稀土元素含量为10-6 在哈克图解(图 5)中，焦沟岩体的MgO、TFe2O3、MnO、CaO、P2O5与SiO2显示一定程度的负相关关系，Al2O3和K2O显示了一定程度的正相关关系，而TiO2和Na2O投点趋势分别为先下降再升高和先升高再下降的趋势。焦沟岩体样品的Na2O+K2O含量介于11.50%~14.01%之间，样品点落入副长石二长正长岩、正长岩和副长石正长岩区域(图 6-a)。碱度率(AR)介于3.92~9.17之间，属于碱性-过碱性系列(图 6-b)。K2O/Na2O值的极值分别为3.78和10.25，具有超钾质岩石的特征(图 6-c)。
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图 6 焦沟岩体SiO2-(Na2O+K2O)(a)、AR-SiO2(b)和Na2O -K2O(c)图解a—SiO2-(Na2O+K2O)图解(底图据参考文献[14]，碱性与亚碱性系列界线据参考文献[15])；1—橄榄辉长岩；2—辉长岩；3—辉长闪长岩；4—闪长岩；5—花岗闪长岩；6—花岗岩；7—副长石辉长岩；8—二长辉长岩；9—二长闪长岩；10—二长岩；11—石英二长岩；12—副长石岩；13—副长石二长闪长岩；14—副长石二长正长岩；15—正长岩；16—副长石正长岩；b—AR-SiO2图解(底图据参考文献[16]；c—Na2O-K2O图解(底图据参考文献[17]Figure 6. Diagrams of SiO2-(Na2O+K2O)(a), AR-SiO2 (b)and Na2O-K2O(c)for the Jiaogou syenite3.2 微量元素
焦沟岩体7件样品的微量元素分析结果见表 2。
焦沟岩体的稀土元素总量介于176×10-6~315×10-6之间，(La/Yb)N范围为9.51~20.43，稀土元素配分模式具有右倾、轻稀土元素富集、重稀土元素亏损和无明显负Eu异常的特征(图 7-a)，δEu值介于0.67~0.91之间。它们的LaN-(La/Yb)N投点显示线性正相关性(图 7-a)，说明源区组成和部分熔融程度控制了焦沟岩体的成分变异，而非结晶分异作用。
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焦沟岩体的Ba、Rb和Sr含量明显偏高，Ba含量介于3260×10-6~13790×10-6之间，Rb和Sr的含量范围分别为214×10-6~325×10-6和328×10-6~1530×10-6。Th含量偏低且变化较大(4.71×10-6~20.4×10-6)。Zr和Hf含量较高，分别介于253×10-6~378×10-6和6.4×10-6~9.6×10-6之间，Nb和Ta含量偏低，Nb含量介于7.07×10-6~23.9×10-6之间，Ta含量不高于1.2×10-6。在微量元素蛛网图(图 7-b)中，焦沟岩体样品显示了一致的Th、Nb、Ta、P、Ti异常谷和Ba、K、Zr、Hf异常峰。
4. 讨论
4.1 形成时代
焦沟岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果中，最年轻一组6个锆石测点的Th/U值为0.30~1.33，其206Pb/238U年龄介于238.3±2.2~249.1±2.7 Ma之间，年龄加权平均值为243.2±4.8 Ma(图 4)。结合CL图像，认为243.2±4.8 Ma应是岩浆结晶锆石年龄，即焦沟岩体的形成年龄为243.2±4.8 Ma，属于中三叠世。
磨沟岩体的锆石U-Pb年龄集中于约245 Ma、约227 Ma和约210 Ma及约108 Ma四个阶段[2-6]，乌桑沟和龙头岩体的锆石U-Pb年龄分别为246.2±3.9 Ma[7]和241.8±2.6 Ma[8]。焦沟岩体的定年结果不仅与乌桑沟及龙头岩体的锆石U-Pb年龄几乎一致，而且与磨沟岩体约245 Ma的年龄值大致相当，表明嵩县南部存在一期中三叠世(约245 Ma)的碱性岩浆活动。
所以，焦沟岩体锆石U-Pb年龄243.2±4.8 Ma可信度高，代表了它的形成时代，是嵩县南部中三叠世(约245 Ma)碱性岩浆作用的产物。
4.2 源区特征
焦沟岩体的主要岩性为霓辉正长岩，属于碱性-过碱性系列，且具有超钾质岩石的特征，指示它起源于上地幔。此外，焦沟岩体强烈富集大离子亲石元素，如Ba和Rb的含量区间分别为3260×10-6~13790×10-6和214×10-6~325×10-6，除样品JG1703的Sr含量(328×10-6)明显偏低外，其余6件样品的Sr含量介于836×10-6~1530×10-6之间，总体高于华北地台中下陆壳Ba(650×10-6)、Rb(45×10-6)和Sr(380×10-6)的丰度估算值[20]，表明上地幔物质参与形成了焦沟岩体。
焦沟霓辉正长岩富钾(K2O=9.60%~12.45%)，且K2O/Na2O值介于3.78~10.25之间，这要求金云母是焦沟正长岩上地幔部分熔融源区的主要富钾矿物相，高K/Na值的金云母在部分熔融过程中使熔体也具有较高的K/Na值[21]。在上地幔源区部分熔融过程中，Nb、Ta和Ti元素含量的分配受控于富Ti矿物相(如金红石、钛铁矿)[22-23]，焦沟岩体显示出明显的Nb、Ta和Ti含量异常谷(图 7-a)，表明其上地幔部分熔融源区有富Ti矿物相的残余，如金红石和钛铁矿。
另外，重稀土元素比值也能限定其上地幔源区矿物组成，如石榴子石稳定区部分熔融熔体的Dy/Yb值通常大于2.5，尖晶石稳定区部分熔融熔体的Dy/Yb值通常小于1.5[24]。焦沟岩体的Dy/Yb值介于1.62~2.16之间，平均为1.96，表明其源区应位于上地幔石榴子石和尖晶石的过渡带，应属于中等深度埋深，大致60~80 km之间。
所以，焦沟岩体形成中存在上地幔物质的贡献，部分熔融源区位于石榴子石-尖晶石过渡带，埋深60~80 km，残余矿物包括金云母、富钛矿物(如金红石和钛铁矿)、石榴子石和尖晶石。
4.3 岩浆/流体混合
焦沟岩体的微量元素特征表明其源于上地幔部分熔融，但上地幔源区部分熔融的直接产物多为基性-超基性岩浆。焦沟岩体的SiO2(56.95%~62.15%)和MgO(0.19%~0.74%)含量与基性-超基性岩浆成分具有明显的差别，说明部分熔融熔体自上地幔源区分离后存在升SiO2、降MgO含量的过程。
纸房—黄庄地区正长岩的地球化学特征表明，它们经历了壳幔物质的混合[4-6, 9, 25-27]。如果地壳物质是以同化混染的方式加入，那么上地幔起源的富K岩浆/流体必定会丧失热量而活性降低，不具备继续上侵的能力，同时也会经历明显的降K过程。焦沟岩体富K(K2O=9.60%~12.45%)和高K2O/Na2O值(3.78~10.25)的特征证明，它不可能是幔源富K岩浆/流体与地壳物质同化混染之后形成的。
卢仁等[4]指出，磨沟岩体是幔源富K岩浆/流体在快速上升途中注入到壳源岩浆/流体库(如太华群片麻岩部分熔融)经历混合活化作用之后的产物。另一方面，锆石年龄谱是不同深部岩浆/流体库联通之后混合而成的[28-31]，焦沟岩体的锆石定年结果也形成了锆石年龄谱(图 4)，表明其在上升途中经历了处于不同深度岩浆/流体库的混合作用。
因此，焦沟岩体是幔源富K岩浆/流体与壳源岩浆/流体库混合活化之后形成的，对应于幔源富K岩浆/流体的升Si降Mg过程。
4.4 构造背景
秦岭造山带经历了多期复杂的俯冲碰撞拼合，如点接触初始碰撞(晚泥盆世—中石炭世)、面接触碰撞(晚石炭世—早中三叠世)和全面碰撞(中晚三叠世)阶段，于印支末期进入板内构造阶段[1, 32]。焦沟岩体的锆石U-Pb年龄为243.2±4.8 Ma，属于中三叠世早期，处于秦岭造山带的面接触碰撞阶段(晚石炭世—早中三叠世)。
在长期持续的俯冲碰撞过程中，纸房—黄庄地区岩石圈势必经历明显的垂向增生，这在纸房—黄庄正长岩的高K含量及稀土元素配分模式中无明显的负Eu异常获得了支持[33]。不仅如此，焦沟岩体的上地幔部分熔融源区位于石榴子石-尖晶石过渡带，埋深介于60~80 km之间，说明焦沟岩体形成是其下岩石圈厚度介于60~80 km之间，表明纸房—黄庄地区在印支早期具有加厚的岩石圈。
历经多期俯冲碰撞的造山带具有明显的岩石圈不均一性和重力不稳定性[34]，说明秦岭造山带在面接触碰撞(晚石炭世—早中三叠世)后期具备复杂的岩石学结构。纸房—黄庄岩石圈的重力不稳定性因其垂向增生而持续升高，当水平“夹持力”不足以维持加厚岩石圈的重力时，在其力学薄弱处发生岩石圈拆沉作用。幔源富K岩浆/流体因此获得快速释放，成就了局部伸展构造背景，在上升途中注入到壳源岩浆/流体库，与之混合且使之活化，继续上侵至浅部固结，形成具有壳、幔混合特征的焦沟岩体。
5. 结论
(1) 焦沟岩体的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为243.2±4.8 Ma，表明其形成于中三叠世，是嵩县南部纸房—黄庄地区约245 Ma碱性岩浆作用的产物。
(2) 焦沟岩体的部分熔融源区位于石榴子石-尖晶石过渡带，埋深60~80 km之间，残余矿物包括金云母、富钛矿物(如金红石和钛铁矿)、石榴子石和尖晶石。
(3) 焦沟岩体是幔源富K岩浆/流体与壳源岩浆/流体库混合活化之后形成的，深部控制过程为岩石圈拆沉作用。
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图 2 焦沟岩体岩石照片(矿物缩写代号据参考文献[11])
a—正长岩脉侵入熊耳群安山玢岩；b—致密块状的焦沟霓辉正长岩；c—霓辉正长岩中的霓辉石、霓石和正长石(单偏光)。Agt—霓辉石；Aeg—霓石；Or—正长石
Figure 2. Petrographs of the Jiaogou syenite
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图 3 焦沟岩体定年样品JG1701锆石阴极发光图像
(锆石年龄大于1000 Ma时标注207Pb/206Pb年龄，锆石年龄小于1000 Ma时标注206Pb/238U年龄)
Figure 3. Cathodoluminescence images of zircons in sample JG1701 from the Jiaogou syenite
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图 4 焦沟岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图
a—样品JG1701中24颗锆石的U-Pb谐和图；b—样品JG1701中15颗锆石(不含测点JG1701-03、06、07、09、11、13、16、22和23)的U-Pb谐和图；c—样品JG1701中6颗锆石(JG1701-04、10、14、15、21和24)的U-Pb谐和图；d—样品JG1701中6颗锆石测点的206Pb/238U年龄加权平均值
Figure 4. Concordia diagrams of LA-ICP-MS zircon U-Pb age for the Jiaogou syenite
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图 6 焦沟岩体SiO2-(Na2O+K2O)(a)、AR-SiO2(b)和Na2O -K2O(c)图解
a—SiO2-(Na2O+K2O)图解(底图据参考文献[14]，碱性与亚碱性系列界线据参考文献[15])；1—橄榄辉长岩；2—辉长岩；3—辉长闪长岩；4—闪长岩；5—花岗闪长岩；6—花岗岩；7—副长石辉长岩；8—二长辉长岩；9—二长闪长岩；10—二长岩；11—石英二长岩；12—副长石岩；13—副长石二长闪长岩；14—副长石二长正长岩；15—正长岩；16—副长石正长岩；b—AR-SiO2图解(底图据参考文献[16]；c—Na2O-K2O图解(底图据参考文献[17]
Figure 6. Diagrams of SiO2-(Na2O+K2O)(a), AR-SiO2 (b)and Na2O-K2O(c)for the Jiaogou syenite
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表 1 焦沟岩体样品(JG1701)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb定年结果
Table 1 LA-ICP-MS U-Th-Pb dating results of zircons in sample JG1701 from the Jiaogou syenite
测点编号 Pb/10-6 Th/10-6 U/10-6 Th/U 207Pb/206Pb比值 1σ 207Pb/235U比值 1σ 206Pb/238U比值 1σ 207Pb/206Pb年龄/Ma 1σ/Ma 207Pb/235U年龄/Ma 1σ/Ma 206Pb/238U年龄/Ma 1σ/Ma 谐和度 JG1701-01 305 28.8 931 0.03 0.1175 0.0020 5.3110 0.0920 0.3267 0.0026 1918 30 1871 15 1823 13 97% JG1701-02 250 148 446 0.33 0.1282 0.0027 5.7031 0.1533 0.3199 0.0038 2074 37 1932 23 1789 18 92% JG1701-03 39.0 360 525 0.69 0.0766 0.0067 0.2720 0.0256 0.0249 0.0004 1122 176 244.3 20.4 158.6 2.8 57% JG1701-04 81 414 1105 0.37 0.0593 0.0024 0.3191 0.0126 0.0392 0.0005 576.0 88.9 281.2 9.7 248.0 3.2 87% JG1701-05 625 107 1222 0.09 0.1624 0.0024 8.5674 0.1347 0.3816 0.0028 2481 24 2293 14 2084 13 90% JG1701-06 281 929 1811 0.51 0.1174 0.0098 0.6708 0.0632 0.0386 0.0005 1916 150 521.2 38.4 244.1 3.1 27% JG1701-07 105 649 761 0.85 0.1304 0.0049 0.4880 0.0187 0.0272 0.0003 2103 66 403.6 12.8 172.8 2.1 19% JG1701-08 466 337 471 0.72 0.1576 0.0026 8.9714 0.1760 0.4110 0.0039 2431 28 2335 18 2219 18 94% JG1701-09 189 420 939 0.45 0.1661 0.0059 1.0030 0.0428 0.0431 0.0006 2520 66 705.3 21.7 272.0 3.7 11% JG1701-10 144 990 1835 0.54 0.0551 0.0016 0.2903 0.0078 0.0383 0.0004 416.7 63.0 258.8 6.2 242.5 2.3 93% JG1701-11 690 2048 1548 1.32 0.2408 0.0111 1.7398 0.1079 0.0491 0.0008 3125 73 1023 40 309.3 5.0 -8% JG1701-12 542 351 704 0.50 0.1488 0.0031 7.8451 0.1879 0.3780 0.0032 2332 36 2213 22 2067 15 93% JG1701-13 51.4 540 720 0.75 0.0688 0.0038 0.2207 0.0112 0.0236 0.0003 900.0 118.7 202.5 9.3 150.4 1.8 70% JG1701-14 67.8 352 1168 0.30 0.0574 0.0022 0.3112 0.0117 0.0394 0.0004 505.6 83.3 275.1 9.0 249.1 2.7 90% JG1701-15 116 670 1844 0.36 0.0542 0.0017 0.2935 0.0102 0.0390 0.0004 388.9 72.2 261.3 8.0 246.4 2.4 94% JG1701-16 142 509 1331 0.38 0.0904 0.0040 0.4854 0.0218 0.0389 0.0003 1435 85 401.8 14.9 245.9 1.9 51% JG1701-17 1081 900 779 1.15 0.1501 0.0023 8.8056 0.1785 0.4216 0.0051 2347 26 2318 19 2268 23 97% JG1701-18 343 181 527 0.34 0.1277 0.0022 6.6459 0.1124 0.3763 0.0029 2066 30 2065 15 2059 14 99% JG1701-19 607 185 849 0.22 0.1682 0.0028 11.5544 0.2248 0.4950 0.0049 2540 23 2569 18 2592 21 99% JG1701-20 823 537 730 0.74 0.1741 0.0028 10.9774 0.2283 0.4547 0.0061 2597 27 2521 19 2416 27 95% JG1701-21 203 1941 1464 1.33 0.0493 0.0013 0.2568 0.0070 0.0377 0.0004 161.2 67.6 232.1 5.7 238.3 2.2 97% JG1701-22 56.3 419 566 0.74 0.0910 0.0039 0.3184 0.0129 0.0256 0.0003 1448 81 280.7 10.0 163.1 2.1 47% JG1701-23 125 1183 1384 0.85 0.1022 0.0022 0.9527 0.0392 0.0652 0.0021 1665 36 679.5 20.4 407.4 12.8 49% JG1701-24 145 1304 1388 0.94 0.0499 0.0016 0.2597 0.0081 0.0378 0.0004 190.8 69.4 234.5 6.5 239.1 2.3 98% 
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表 2 焦沟岩体主量、微量和稀土元素分析结果
Table 2 Results of major, trace and rare earth elements from the Jiaogou syenite
样品号 JG0111A S30116A S30216D S30316E JG1701 JG1702 JG1703 SiO2 56.95 60.51 59.80 60.95 59.89 58.87 62.15 TiO2 0.75 0.46 0.47 0.50 0.47 0.62 0.60 Al2O3 14.10 17.35 17.07 16.06 15.11 14.49 15.92 TFe2O3 8.07 5.25 5.26 4.58 5.90 8.13 5.60 MnO 0.19 0.01 0.02 0.09 0.10 0.13 0.03 MgO 0.62 0.24 0.19 0.36 0.65 0.74 0.26 CaO 5.27 0.31 0.61 1.38 1.93 2.25 0.59 Na2O 1.90 1.18 1.30 1.56 2.78 2.40 1.24 K2O 9.60 12.10 12.20 12.45 10.50 10.45 11.70 P2O5 0.26 0.08 0.09 0.12 0.16 0.24 0.14 烧失量 0.94 1.51 1.85 1.03 1.03 1.02 1.24 总量 98.65 99.00 98.86 99.08 98.52 99.34 99.47 AR 3.92 7.06 7.46 9.17 8.06 7.61 8.25 Ba 11103 11193 13790 7790 8120 8380 3260 Rb 214 303 297 297 256 257 325 Th 10.6 8.61 20.4 7.21 4.71 9.19 10.45 Nb 7.70 15.5 19.2 14.8 12.4 14.5 23.9 Ta 0.3 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 1.2 Sr 1530 1150 1150 866 836 1165 328 Zr 378 322 366 253 256 323 285 Hf 9.6 7.6 8.4 6.4 7.3 8.4 7.0 Y 35.5 20.4 28.3 19.5 17.7 40.8 31.3 La 43.6 32.6 44.7 29.3 69.4 54.1 65.4 Ce 101 67.2 80.1 75.6 93.7 107 131 Pr 13.1 10.3 12.3 10.3 12.7 13.0 17.7 Nd 58.5 41.0 47.5 40.4 44.1 51.2 64.0 Sm 12.2 7.66 8.53 7.69 7.06 10.3 10.8 Eu 2.89 1.48 1.69 1.26 1.69 2.95 2.11 Gd 9.07 5.25 6.11 5.19 5.24 9.06 7.87 Tb 1.20 0.67 0.85 0.74 0.72 1.31 1.12 Dy 6.66 3.85 4.88 4.07 3.72 7.36 6.30 Ho 1.19 0.77 0.93 0.81 0.74 1.45 1.20 Er 3.27 2.18 2.54 2.05 1.93 3.98 3.20 Tm 0.48 0.31 0.35 0.32 0.30 0.59 0.45 Yb 3.09 2.07 2.37 2.02 2.29 3.82 3.05 Lu 0.46 0.32 0.35 0.32 0.40 0.60 0.52 ΣREE 256 176 213 180 244 266 315 (La/Yb)N 9.51 10.6 12.7 9.78 20.4 9.55 14.5 δEu 0.81 0.68 0.68 0.58 0.81 0.91 0.67 注：元量元素含量单位为%，微量和稀土元素含量为10-6
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