黄陵隆起片麻岩和花岗岩的⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄及其构造意义

⁴⁰Ar/³⁹Ar Ages of Gneiss and Granite from Huangling Uplift and Their Tectonic Significance

摘要

黄陵花岗岩是研究扬子陆块构造演化和岩浆活动的关键对象，高精度的⁴⁰Ar/³⁹Ar定年可以为确定黄陵花岗岩的构造演化提供准确的年代学依据.采用⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段加热技术分别测定了黄陵隆起核部变质岩中角闪石、黄陵庙花岗岩中白云母和黑云母单矿物的年龄. 角闪石⁴⁰Ar/³⁹Ar坪年龄（835.1±0.8） Ma，白云母坪年龄为（830.0±1.7） Ma，黑云母获得上凸型年龄谱，没有形成明显的年龄坪. 分析认为，角闪石年龄指示围岩受到花岗岩侵入烘烤重置的时间，白云母年龄指示黄陵花岗岩冷却至350 ℃的年龄，岩体侵入时间不晚于835 Ma，在835~830 Ma经历快速冷却事件，冷却速率为50 ℃/Ma. 黑云母低温阶段获得的年轻年龄216 Ma，记录了在晚三叠世黄陵地区缓慢差异隆升过程中发生的一期热事件.

关键词

黄陵花岗岩 / 黄陵隆起 / ⁴⁰Ar/³⁹Ar定年 / 热扰动 / 地球化学

Key words

Huangling Granite / Huangling Uplift / ⁴⁰Ar/³⁹Ar dating / thermal events / geochemistry

罗迪尼亚超大陆的汇聚和裂解一直是国内外前寒武纪研究的热点. 华南陆块是罗迪尼亚超大陆的重要组成部分，其内大范围出露的新元古代花岗岩被认为是超大陆裂解在华南陆块的地质响应. 黄陵隆起位于华南陆块北缘，正是超大陆汇聚和裂解的地方，其主体黄陵花岗岩是华南新元古代花岗岩的典型代表. 岩浆活动在离散大陆边缘的张裂过程中起到决定性作用（孙珍等，2021），研究黄陵花岗岩的形成时间和热演化过程对确定华南陆块在这一时期的构造背景及其与超大陆裂解的关系具有重要意义.

为确定黄陵花岗岩的形成时间，众多学者在此展开研究，利用U-Pb、K-Ar、Rb-Sr等同位素年代学方法，获得了丰富的年代学数据（表1）. 但作为一种相对新颖的定年方法，⁴⁰Ar/³⁹Ar定年在黄陵花岗岩中的运用尚不多见. 相比其他同位素定年方法，⁴⁰Ar/³⁹Ar法具有一些无可比拟的优势，如年龄精度高，样品用量少，结合阶段加热可以揭示后期热事件，矿物组合定年揭示矿物冷却历史等. 目前，⁴⁰Ar/³⁹Ar定年已被广泛应用于成矿成藏、构造运动、岩浆活动乃至天体演化等各种地质事件的定年研究中. 本研究通过对黄陵杂岩中的角闪石、黑云母和白云母开展精细的⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段加热定年，探讨了黄陵花岗岩体的形成过程及中生代的热扰动事件，这为华南陆块北缘的构造演化提供了新的证据.

1 区域地质背景

黄陵隆起位于扬子克拉通北缘，是江南造山带以北和秦岭-大别造山带以南之间的相对稳定部位，周围分布有秭归向斜、当阳向斜、香龙山背斜等多个构造单元. 其核部为一套新太古代-中元古代的变质岩系和侵入其中的新元古代的黄陵花岗岩，四周由老到新环绕着南华系、震旦系和古中生界沉积盖层（图1）（葛翔等，2016）.

黄陵隆起核部变质岩系过去被统称为崆岭群变质岩或崆岭杂岩（马大铨等，1997），之后的研究和区调对这一变质岩系有更细致的划分和命名（熊成云等，1998）. 通常认为崆岭群变质岩指黄陵隆起核北部和核西南部的变质岩系，主要包括太古代东冲河TTG片麻岩、古元古代黄凉河组和中元古代力耳坪组变沉积岩. 崆岭群变质岩主要分布于隆起核北部和西南部，总出露面积约425 km². 北部崆岭群变质岩东、西、北3面与南华系不整合覆盖，其南面被黄陵庙岩套侵入，中部被圈崎淌钾长花岗岩侵入，主要由闪长质-英云闪长质-奥长花岗质-花岗闪长质片麻岩、花岗质片麻岩、富铝片岩及榴线英岩为主的变沉积岩等组成（高山等，2001；蒋幸福等，2021）；西南部崆岭群变质岩出露面积约65 km²，西面被三斗坪岩套侵入，并被南华系不整合覆盖，其余3面被黄陵庙岩套侵入，主要的岩石组合为片麻岩、斜长角闪岩和混合岩（彭敏， 2010）. 大量同位素定年数据表明，东冲河片麻岩原岩TTG花岗岩的侵入发生在3.0~2.8 Ga（高山等，2001；魏君奇等，2009；赵敏等，2012），崆岭群变质岩的变质作用发生在2.7~2.5 Ga（袁海华等，1991；凌文黎等，1998；高山等，2001；魏君奇等，2009；赵敏等，2012），圈崎淌钾长花岗岩和基性岩脉的侵入时间较为接近，为1 840~1 852 Ma（袁海华等，1991；彭敏， 2010）.

黄陵花岗岩在新元古代（833~770 Ma）侵入崆岭群变质岩地层（马国干等，1984；李志昌等，2002），总出露面积约1 000 km²，是我国晋宁期花岗岩侵入岩群的典型代表，其北部和西部与崆岭群变质岩呈侵入接触，东部和南部被南华系下统莲沱组不整合覆盖. 根据岩性不同，马大铨等（2002）将黄陵花岗岩划分为三斗坪、黄陵庙、大老岭、晓峰4个岩套和14个单元，其中三斗坪岩套主要由英云闪长岩组成，黄陵庙岩套主要由奥长花岗岩和花岗闪长岩组成，大老岭岩套主要由二长花岗岩和二长闪长岩组成，晓峰岩套主要由花岗斑岩和花岗闪长斑岩组成. 早期研究认为，三斗坪、黄陵庙和大老岭岩套属同一期的岩浆作用的产物（胡世玲等，1989），但后来逐渐丰富的同位素年代学证据（表1）表明三斗坪和黄陵庙岩套的岩浆演化不同于大老岭岩套. 目前一般认为三斗坪和黄陵庙两个岩套形成于北侧

大洋板块向扬子板块俯冲期间，而大老岭岩套形成于两板块碰撞后的晚期隆起阶段（李志昌等，2002），晓峰岩套则为更晚一期岩浆作用的产物，这期岩浆作用不仅导致了以七里峡复式岩体为代表的新生岩体对黄陵其他岩体的侵入，同时对部分早期岩体造成了热影响（马国干等，1984；马大铨等，2002；凌文黎等，2006）.

黄陵隆起经历的构造演化可划分为阜平、吕梁、扬子（晋宁）、加里东-印支、燕山-喜马拉雅等5个旋回，其中晋宁期构造运动控制了黄陵隆起核部地区地质构造和岩浆活动（熊成云等，1998）. 晋宁期之前，黄陵地区已经成为扬子板块的组成部分. 晋宁期，华南陆块参与到罗迪尼亚超大陆的汇聚和裂解之中，陆块北缘经历了挤压造山与伸展大陆断裂及相关的岩浆活动. 830~780 Ma被认为是华南陆块聚合到罗迪尼亚超大陆和从中裂解的转折点（张少兵等，2019）.

2 样品特征和实验方法

本文样品为采自黄陵隆起的花岗岩和片麻岩，样品信息见表2. 样品9531为为中太古代东冲河片麻岩，采于NW向斜切黄陵岩基的雾渡河断裂北段附近，紧邻花岗岩体. 样品5632和10SN7均为黄陵庙岩套花岗岩，5632样品采集自莲沱镇莲沱大桥附近，10SN7样品采集自雾渡河至下堡坪的公路旁，位于岩体边缘.

样品9531、5632和10SN7被破碎至40~60目，分别从中挑选出角闪石、白云母和黑云母用于⁴⁰Ar/³⁹Ar定年. 选出的单矿物先后经过稀硝酸浸泡、去离子水反复清洗，并在双目镜下提纯，低温烘干后包装接受辐照. ⁴⁰Ar/³⁹Ar定年实验在德国弗莱贝格工业大学进行，标样为FCT透长石国际标样. 采用高温熔炉提取角闪石中的气体，采用CO₂激光阶段加热的方法提取云母矿物中的气体. 详细的实验方法见Shen et al. （2012， 2020）.

3 ⁴⁰Ar/³⁹Ar定年结果

3件样品的⁴⁰Ar/³⁹Ar定年结果列于附表1中，本文文字及图表中所有误差均为1σ. 样品9531角闪石采用温控熔炉的方式进行了24个阶段的加热，温度从700 °C逐步升温到最高1 200 °C，前两次升温增量为100 °C，之后增速放缓，大部分阶段增温不超过10 °C. 其中前5个⁴⁰Ar*/³⁹Ar年龄变化较大，对应年龄谱图中表观年龄变化较大，³⁹Ar释放量占比较低（图2a）；在第6~22阶段，⁴⁰Ar*/³⁹Ar和表观年龄相对稳定，其中6~20阶段构成非常平坦的年龄坪，坪年龄为835.1±0.8 Ma，³⁹Ar释放量占总量的74%，全熔年龄为（812.9±0.6） Ma（图2a）.

样品5632白云母和10SN7黑云母采用CO₂激光熔样的方式进行了25个阶段的测量. 5632白云母在前3个阶段表观年龄快速上升，第1阶段年龄为491 Ma，在12~25阶段较为稳定，构成平坦的年龄坪，坪年龄为（830.0±1.7） Ma，³⁹Ar释放量占总体释放量的65.6 %，全熔年龄为（827.5±1.4） Ma（图2b）. 10SN7黑云母形成了上凸形的年龄谱，在1~17阶段表观年龄由216 Ma逐渐上升到约900 Ma，在后续8个阶段逐渐下降，没有形成明显的年龄坪，全熔年龄为（780.4±0.7） Ma（图3a）. 反等时线图中，前两个阶段得到等时线年龄为（201±13） Ma（图3b），与年龄谱第一个阶段年龄也即最小年龄接近.

4 讨论

4.1　黄陵庙花岗岩侵入年龄和冷却过程

9531角闪石样品采自雾渡河断裂北段附近中太古代东冲河片麻岩，该片麻岩中岩浆锆石U-Pb年龄揭示原岩TTG花岗岩的侵入时间为2 903~3 051 Ma，变质锆石的U-Pb年龄揭示其变质时间约为2 727~2 739 Ma（高山等， 2001；赵风清等， 2006）. 同层位钾长花岗片麻岩中的锆石U-Pb年龄为（1 803±30） Ma，与西北部圈崎淌钾长花岗岩和零星出露的基性脉岩的形成时间接近，指示太古代东冲河片麻岩部分遭受吕梁运动、岩浆或热事件改造的时间.

9531角闪石⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄显著年轻于原岩的侵入时间、变质或改造时间，而与雾渡河断裂附近黄陵庙岩套的形成年龄接近. 雾渡河断裂是黄陵地区广泛发育的北北西向韧性剪切带的典型代表，具有多期活动特征. 早期剪切变形变质作用为绿帘角闪岩相，变形温度高，叠加造山晚期花岗岩浆热液作用，造成角闪石Ar计时器完全重置（角闪石Ar封闭温度约为500 ℃，据Schneider et al.， 2013）. 晚期剪切变形变质作用为绿片岩相，变形温度较低，不足以破坏角闪石的Ar封闭体系. 雾渡河断裂伴生石英脉的流体包裹体⁴⁰Ar/³⁹Ar定年显示原生包裹体年龄（821.14±3.05） Ma（1σ，据刘昭茜未发表数据），指示了雾渡河断裂活动停止构造趋于稳定的时间. 本次获得的角闪石年龄与该石英脉年龄可以很好地匹配，反映了雾渡河断裂与岩浆活动的密切联系. 角闪石年龄835 Ma指示了黄陵庙花岗岩烘烤重置围岩的年龄，因此花岗岩体的侵入时间应不晚于835 Ma.

5632白云母形成了可靠的坪年龄，在5~25阶段表观年龄均相对稳定，在12~25阶段获得了低误差的坪年龄，坪阶段 ³⁹Ar释放量占总释放量的68.04%. 对于白云母这一富钾矿物而言，该坪年龄毋庸置疑反映了白云母的结晶年龄. 该年龄指示了花岗岩体冷却到白云母封闭温度（350 ℃）的年龄，可以代表黄陵庙岩套的结晶年龄. 白云母和角闪石⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄表明黄陵庙岩套在835~830 Ma期间经历了快速冷却，平均冷却速率为50 ℃/Ma. 该快速冷却事件指示当时黄陵地区处在强烈的伸展构造背景之下（李益龙等，2007），可能罗迪尼亚超大陆的裂解有关. Zhang et al.（2013）指出，在罗迪尼亚裂解构造背景中，华南陆块周缘及其内部都存在相似的强伸展裂解环境，在板块周缘扩张裂解形成了现今华南大陆的雏形，在板块内部裂解形成了一系列次级地块.

4.2　黄陵花岗岩中生代热事件

黑云母样品形成上凸形年龄谱可能有多种成因，如过剩⁴⁰Ar、缓慢冷却、后期热扰动以及矿物混合等. 它们的区别在于：（1）过剩⁴⁰Ar尽管通常被认为以鞍型年龄谱为特征，即低温阶段过剩⁴⁰Ar释放形成逐渐下降的异常高年龄，高温阶段年龄逐渐上升，中间阶段得到的最小表观年龄指示矿物的结晶年龄或最大结晶年龄（Lanphere et al.， 1976），但如若遭遇结晶后的热扰动，年龄谱可能失去低温阶段的特征，形成上凸形的年龄谱；（2）缓慢冷却模型的低温年龄指示了最终冷却的时间，高温年龄可能只反映冷却过程中的某一个时间点（Harrison et al.， 1982；Lovera et al.， 1989）；（3）热扰动形成的年龄谱中，低温年龄指示热扰动的时间，高温年龄可能仍然记录原始结晶时间（Shi et al.， 2020）；（4）混合矿物形成的年龄介于多种矿物的真实年龄之间，如果没有形成足够长的年龄坪，表观年龄只反映某种比例的混合年龄，不一定具有实际意义.

矿物结晶过程中捕获的Ar往往占据矿物的易释气部位，即矿物内的各种表面、孔洞缝以及晶格的开放部位等. 因此³⁶Ar和非放射性成因⁴⁰Ar往往在阶段加热实验的前期大量释出，后期³⁶Ar消耗殆尽，晶格内部的放射性成因⁴⁰Ar释气占主导，出现⁴⁰Ar的释气高峰. 10SN7黑云母的Ar的气模式图显示（图4），³⁶Ar在前几个阶段相对稳定，而在第7个阶段达到最高峰，指示矿物易释气部分可能在地质历史时期发生过一次释气，导致低温阶段缺乏明显的³⁶Ar释气高峰. 此外，³⁹Ar主要来自钾元素在中子活化过程中的衰变，与地质历史过程中钾元素原地衰变产生的⁴⁰Ar应当占据相同或相似的位置，换言之，两者的释放曲线应该比较接近. 因此，1~7阶段⁴⁰Ar释放曲线中偏离³⁹Ar曲线的部位（图4阴影部分），很可能指示了由最近一次热扰动事件造成的⁴⁰Ar丢失. 年龄谱第1阶段的年龄216 Ma指示了这一期热事件发生的时间.

此外，10SN7黑云母的⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄谱与胡世玲等（1989）发表的莲沱地区黄陵庙黑云母⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄谱极其相似，他们得到阶段上升形的年龄谱，第一阶段的年龄为（142.9±2.3） Ma，最大年龄为（899.6±0.2） Ma，他们将最后两个阶段视为年龄坪得到坪年龄为（893.7±6.7） Ma，认为其代表了岩体的形成时间. 得利于研究实验技术的不断提高，本文相较前人开展了更细致的阶段升温实验，加热阶段更多，更精细地刻画了黑云母年龄谱的形态，尤其是在低温阶段，获得了由前两个低温阶段确定的合理的等时线年龄（图3b）. 在此基础上，我们认为这两件样品的年龄谱形态均是黑云母矿物遭受后期热事件影响的体现，高温阶段的老年龄可能指示黑云母样品捕获老矿物，或者反映了受热扰动影响的黑云母晶体内部的Ar重分布；低温阶段的年轻年龄指示了黑云母矿物遭受的最后一期岩浆活动或热扰动影响的时间. 黑云母的稳定性不如白云母，易受后期构造-热扰动影响，在矿物颗粒边缘丢失部分Ar. 胡世玲等（1989）得到的更年轻的第一阶段年龄可能反映了局部地区与216 Ma热事件相区别的更晚一期热事件.

4.3　黄陵花岗岩构造-热演化历史

中元古代末期-新元古代，黄陵地区发生了一次巨大的造山运动，即晋宁运动. 在该时期，黄陵地区的构造变形以逆冲推覆剪切和花岗岩侵入引发的底辟隆升为主要特征. 早期的逆冲推覆剪切导致崆岭群变沉积岩内发生强烈的韧性剪切作用，TTG片麻岩再次发生新生面理替换，同时形成了一系列北西向的韧性剪切断裂带. 之后花岗岩侵入持续烘烤围岩，导致断裂带附近片麻岩内角闪石发生完全重置，本文获得角闪石的⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄为835 Ma，即代表了花岗岩侵入后的再封闭时间（500 ℃）.

花岗岩侵入形成了隆起南部大范围出露的新元古代黄陵花岗岩，结合前人同位素定年结果（冯定犹等，1991；马大铨等，2002；凌文黎等，2006；周忠友等，2007；高维等，2009），黄陵花岗岩具有三期侵入的特征，第一期侵入形成了三斗坪和黄陵庙岩套，结晶时间为844~800 Ma，第二期侵入形成了隆起西侧大老岭岩套，时间为约794~786 Ma，第三期侵入形成了晓峰岩套，时间为750~737 Ma. 本文对黄陵庙岩套边缘的白云母进行⁴⁰Ar/³⁹Ar定年得到坪年龄为830 Ma，确定了黄陵庙岩套开始冷却至350 ℃的时间，岩体边缘冷却速率为50 ℃/Ma（图5）. 值得注意的是，目前获得的三斗坪和黄陵庙岩套的年龄分布范围较宽，且并不符合各年代学方法的封闭温度趋势，因此这些年龄并不能代表其侵入年龄，而只能代表其结晶后冷却年龄. 一种可能的解释是岩体的侵入发生在晋宁期造山运动晚期，岩浆持续侵入烘烤围岩，接触带和岩浆内矿物组分均处于开放状态. 在罗迪尼亚裂解构造背景下，华南陆块周缘及内部都处于伸展裂解环境（Zhang et al.， 2013），使得岩体整体快速冷却，但局部又存在冷却速率的差异，导致具有不同封闭温度的各个地质计时器失去应有的年龄差距.

中生代以来，黄陵背斜经历了几个不同规模的构造隆升阶段，尽管不同的学者的划分方案不尽相同（徐大良等，2013；葛翔等，2016），但至少包括4个具有不同抬升速率的隆升阶段：中三叠世至侏罗纪（约240~140 Ma），黄陵地区受基底控制出现缓慢的差异隆升；白垩纪（约140~80 Ma），受秦岭-大别造山带和雪峰陆内造山带双向挤压，区域发生强烈的隆升作用；晚白垩世至始新世（约80~40 Ma），黄陵地区相对稳定，隆升速率缓慢；晚始新世至今（约40~0 Ma），隆升速率再次加快. 10SN7黑云母样品得到的第一阶段的表观年龄216 Ma，与黄陵地区绿帘石-石英细脉中的绿帘石的形成年龄一致（217 Ma±7 Ma，⁴⁰Ar/³⁹Ar）（李志昌等，2002），表明黑云母同位素体系封闭性的破坏与区域性构造事件相关联，即印支期华北与扬子板块的碰撞拼合造成黄陵地区开始缓慢隆升，并造成黄陵地区NNW向大断裂的活动，引发了足以影响黑云母封闭性的热效应.

5 结论

精细的⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段加热定年技术赋予了⁴⁰Ar/³⁹Ar定年揭示后期热事件年龄的能力，丰富了单矿物⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄的地质意义. 通过多种单矿物的⁴⁰Ar/³⁹Ar定年分析，厘定了黄陵花岗岩体侵入和冷却的时间序列：黄陵隆起核部片麻岩中角闪石835 Ma的年龄是花岗岩侵入烘烤重置围岩的结果，是黄陵地区在晋宁期造山运动晚期大规模花岗岩侵入的时间响应；白云母拥有相对较低的封闭温度，其年龄830 Ma代表了黄陵黄岗岩的主体黄陵庙岩套冷却至350 ℃的年龄. 两种单矿物年龄指示在835~830 Ma期间存在一期快速冷却事件，可能发生于罗迪尼亚超大陆裂解相关的伸展环境.

黄陵花岗岩中黑云母稳定性不如白云母，易受后期构造-热扰动影响，但低温阶段最年轻的表观年龄揭示了热扰动发生的时间. 认为黑云母样品低温阶段的最小表观年龄216 Ma指示了黄陵地区中生代以来经历的一次岩浆活动或热扰动，发生于三叠纪黄陵地区的首次缓慢隆升阶段.

--引用第三方内容--

附表见本刊官网：www.earth-science.net.

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基金资助

国家自然科学基金项目(41972152)

湖北省自然科学基金创新群体项目(2021CFA031)