湖北麻城市四道河地區面理化含榴花崗巖的成因

張富鐵，夏斌，張玉泉，黃強太，2，張紅，2，李賀，2

(1.中國科學院 廣州地球化學研究所，廣東廣州510640;2.中國科學院 研究生院，北京100049;3.廣東省有色金屬地質勘查局地質勘查研究院，廣東廣州510080;4.中山大學海洋學院，廣東廣州510275)

湖北麻城市四道河地區面理化含榴花崗巖的成因

張富鐵1，2，3，夏斌1，4，張玉泉1，黃強太1，2，張紅1，2，李賀1，2

(1.中國科學院 廣州地球化學研究所，廣東廣州510640;2.中國科學院 研究生院，北京100049;3.廣東省有色金屬地質勘查局地質勘查研究院，廣東廣州510080;4.中山大學海洋學院，廣東廣州510275)

野外和室內研究結果表明，四道河地區面理化含榴花崗巖由古生代沉積巖變質而成。在元素地球化學特征上，具有與巖漿成因的堿性花崗巖一致的特點:高硅(SiO2=75.24%～77.23%)、富堿(Na2O+K2O=6.87%～8.84%)、低鋁(Al2O3=11.00%～12.78%);富 Rb、Ba、Th、U 等大離子親石元素和 Pb，貧 Nb、Ta、Zr、Hf等高場強元素;稀土元素含量較高(∑REE=101.08～180.1 μg/g)，輕稀土元素相對富集(LREE/HREE=3.1～6.8)，銪有中等負異常(δEu=0.30～0.68);鋯石成因類型及定年結果表明，老核(繼承鋯石)是異地多時代(元古代-古生代)，其寄主巖的原巖是沉積巖，時代不會早于古生代。

地球化學;鋯石U-Pb年齡;面理化含榴花崗巖;四道河;湖北麻城市

0 引 言

位于大別山西部湖北省麻城市四道河地區的面理化含榴花崗巖，具有堿性(A型)花崗巖特征(張宏飛等，2001)。而堿性花崗巖，又分含堿性鐵鎂礦物的鈉質堿性花崗巖(Sorensen，1974)，和含非堿性鐵鎂礦物的鉀質堿性花崗巖(張玉泉和謝應雯，1994)。無論是鈉質堿性花崗巖，還是鉀質堿性花崗巖，不僅是深源的，而且都產于伸展構造環境(Petro et al.，1979)。近期研究還發現有由沉積巖變質成的堿性花崗巖(張玉泉等，2004)。然而，對大別-蘇魯地區面理化含榴花崗巖的成因和時代的認識還存在分歧(徐樹桐和吳維平，1998;鐘增球等，1999;張宏飛等，2001;張利等，2004;張玉泉等，2004;夏斌等，2011)。分布在麻城市四道河地區的面理化含榴花崗巖，以往僅對其做過單顆粒鋯石全溶年齡(張宏飛等，2001)和主微量元素分析(鄢全樹等，2005)等。本文在前人研究工作基礎上，著重于四道河地區面理化含榴花崗巖中鋯石成因類型和微區定年研究。

1 地質、巖石簡況

研究區的片麻巖，也就是本文所稱的面理化含榴花崗巖，在1/20萬區域地質調查報告中劃歸紅安群天臺山組一段(Pt1tn1)①湖北省地質局.1974.羅田幅1/20萬區域地質調查報告(地質部分):5-35.，在1/50萬湖北省區域地質志中，劃歸天臺山組三段(Pt1tn3)(湖北省地質礦產局，1990)。其片理產狀為 240°∠38°(圖1)。巖石呈灰白色，具片麻狀構造，柱粒變晶結構、粒狀變余結構和花崗變晶結構等(圖2)。造巖礦物有鉀長石、斜長石、石英和黑云母等。其中黑云母多呈小板條狀，石英多呈帶狀分布，斜長石常呈不規則的粒狀、孤島狀，以及變晶斜長石的鈉長石雙晶，常垂直晶體的延長方向(圖2)等，表明該片麻巖結晶時是在固態下完成的。另外，石榴石常呈集合體和成片分布等。本文SDH1樣品采自四道河采石場西壁(N31°22.178′，E115°03.723′);DJF1 樣品采自鄧家畈村東北，國道(G206)東側山邊采石場(N31°21.600′;E115°03.723′)。

圖1 四道河地區地質簡圖(據湖北省地質礦產局，1990)Fig.1 Regional geological map of the Sidaohe area

2 元素地球化學特征

四道河地區面理化含榴花崗巖樣品的化學分析在中國科學院廣州地球化學研究所的 Rigaku RIX2000型熒光光譜儀(XRF)測定，分析精度優于5%。微量元素(包括稀土元素)在中國科學院廣州地球化學研究所Perkin-Elner Sciex ELAN6000型電感耦合等離子體-質譜儀(ICP-MS)上分析，分析精度優于3%。

2.1 主量元素

四道河地區面理化含榴花崗巖的巖石化學成分分析結果(表1)顯示:SiO2含量變化于75.24%～77.23%之間，全堿(Na2O+K2O)含量為6.87%～8.84%，Na2O/K2O=0.96～1.45 和 Al2O3含量變化于11.00%～12.78%之間，均表明巖石化學成分具有高硅、低鋁、富堿的特點。不同的是四道河的樣品(SDH1)總堿量低(Na2O+K2O=6.87%～7.99%)和富鈉(Na2O/K2O=1.30～1.45)，鄧家畈的樣品(DJF1)總堿量高(Na2O+K2O=8.28%～8.84%)和富鉀(Na2O/K2O=0.96～0.98)。另外，在 Cox et al.(1979)和Wilson(1989)的巖石化學分類和命名TAS圖解中(圖3)，絕大部分數據點都分布在堿性花崗巖區及其附近，表明四道河地區面理化含榴花崗巖，在總體上顯示堿性(A型)花崗巖的特點。

圖2 四道河地區面理化含榴花崗巖巖石顯微照片(正交)Fig.2 Micrographs of the garnet-bearing granites from the Sidaohe area(cross polarizer)

2.2 微量元素和稀土元素

在微量元素(表1)組成特征上，四道河地區面理化含榴花崗巖富集Rb、Ba、Th、U等大離子親石元素和 Pb，貧 Nb、Ta、Zr、Hf等高場強元素。在微量元素蛛網圖(圖4)上，Ba、Nb、Sr、Eu 等呈現“V”型谷。在稀土元素中，具有比較高的稀土元素總量(∑REE=101.08～180.1 μg/g)，輕稀土元素相對富集(LREE/HREE=3.1～6.8)，銪有負異常(δEu=0.30～0.68)和稀土模式曲線為向右微傾斜的“V”型(La/Yb=3～5)(圖5)。區別在于四道河的樣品(SDH1)富 Sr、Ba，貧 Rb，稀土總量高(∑REE=162 μg/g)和銪負異常明顯(δEu=0.30～0.35)等，而鄧家畈的樣品(DJF1)貧 Sr、Ba，富 Rb，稀土總量低(∑REE=133 μg/g)和銪出現負異常(δEu=0.45～0.68)等。在前述的大離子親石元素中富Ba貧Sr，有別于巖漿成因的鉀質堿性花崗巖，特別富集Sr、Ba等大離子親石元素和輕稀土元素(LREE)，以及銪異常不明顯(夏斌等，2006)。

表1 四道河地區面理化含榴花崗巖主量元素(%)、微量元素(μg/g)分析結果Table 1 Major(%)and trace element concentrations(μg/g)of the garnet-bearing granites from the Sidaohe area

圖3 四道河地區面理化含榴花崗巖全堿-硅圖解(TAS)Fig.3 TAS diagram for the garnet-bearing granites from the Sidaohe area

3 鋯石U-Pb年齡

3.1 鋯石分選

在鋯石分選過程中，為盡量排除交叉混樣，采用下列流程:①先把0.5 kg左右的樣品破碎成約1 cm3的小塊;②把碎好的樣品放入振動磨樣機中(1.1/0.75 kW)研磨5～8 秒后取出，此過程反復進行到樣品全部通過0.3 mm孔徑篩;③洗去粉塵，經鋁制淘砂盤富集重礦物，烘干;④通過磁選、電磁選;⑤再淘洗非電磁部分獲得鋯石精礦;⑥在雙目鏡下挑選出用于定年的鋯石。

3.2 分析方法和精度

鋯石LA-ICP-MS分析在中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室完成。將鋯石與標樣(TEM=417 Ma)置于玻璃板上，用環氧樹脂固定制成樣品靶，然后磨至約一半，使鋯石內部暴露，暴露出鋯石的中心面，噴碳沫照陰極(CL)發光相。再擦掉碳沫，即可進行LA-ICP-MS U、Pb含量測定，采用單點剝蝕的方法(激光剝蝕斑束直徑為31 μm，頻率為8 Hz)。詳細實驗流程和數據處理見文獻(涂湘林等，2011)。應用實測204Pb校正鋯石中的普通鉛。單個數據點的誤差均為1σ，采用年齡為206Pb/238U年齡，其加權平均值為95%的置信度。

圖4 四道河地區含榴花崗巖微量元素蛛網圖Fig.4 Trace element spider diagrams of the garnetbearing granites from the Sidaohe area

圖5 四道河地區含榴花崗巖稀土元素配分圖Fig.5 Chondrite normalized REE patterns of the garnet-bearing granites from the Sidaohe area

圖6 四道河面理化含榴花崗巖鋯石陰極發光(CL)圖像和測點位置Fig.6 Cathodoluminescence images and analyzed points of zircons in the garnet-bearing granite from the Sidaohe area

圖7 鄧家畈面理化含榴花崗巖鋯石陰極發光(CL)圖像和測點位置Fig.7 Cathodoluminescence images and analyzed points of zircons in the garnet-bearing granite from the Dengjiafan area

3.3 分析結果

鋯石的陰極發光圖像(圖6、7)顯示:在結構上，既有核、幔、殼三層結構，又有核、殼兩層結構，其中老核(繼承鋯石)為具有韻律環帶的巖漿碎屑鋯石。本文共完成了25顆粒鋯石30個點的LA-ICP-MS UPb定年:(1)四道河面理化含榴花崗巖中鋯石，共測定13個顆粒15個點(表2):老核(繼承鋯石)測定13個點，Th含量為65～377 μg/g，U 含量為55～364 μg/g，Th/U大于0.17。其中有8個年齡屬于元古代(765、727、708、691、686、681、648 和 613 Ma)，有5 個屬于古生代(534、526、497、493 和 276 Ma);變質復合鋯石的新殼(變質鋯石)測定2個點(圖6)，Th含量為 12～38 μg/g，U 含量為 792～1081 μg/g，Th/U ＜ 0.03，其年齡值分別為 200 Ma和197 Ma，屬于中生代;(2)鄧家畈面理化含榴花崗巖中鋯石，共測定12個顆粒15個點(表2):老核(繼承鋯石)測定12個點，Th含量為39～229 μg/g，U含量為33～366 μg/g，Th/U 大于0.13，其年齡值分別為 807、801、770、763、708、669、655、644 和599 Ma，屬于元古代，其余4個年齡值分別為569、460、457和342 Ma，屬于古生代。變質復合鋯石的新殼(變質鋯石)測定3個點(圖7)，其中DJF1-02測點，Th/U值接近繼承鋯石，暗示該測點可能有繼承鋯石成分的參與。其余測點，Th含量為16～26 μg/g，U 含量為797～1402 μg/g，Th/U ＜0.03，其年齡值分別為249和239 Ma，屬于中生代，相當于早三疊世。

表2 四道河地區面理化含榴花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡數據Table 2 LA-ICP-MS zircons U-Pb results of the garnet-bearing granites from the Sidaohe area

鋯石定年結果表明，四道河地區面理化含榴花崗巖中“繼承鋯石”的時代從元古代到古生代(807～599 Ma→569～267 Ma)，變質鋯石亦獲得兩組年齡值:早中三疊世(249～239 Ma)，和接近晚三疊世的年齡(200～197 Ma)。但后者年齡值明顯偏低。

鋯石REE分析結果(表3)顯示:(1)稀土元素含量高(∑REE=418～2114 μg/g)、特別富集重稀土(HREE/LREE=11～52)、銪負異常由明顯到不明顯(δEu=0.28～0.83)、模式曲線向左傾;(2)繼承鋯石(巖漿鋯石)的稀土元素含量，均高于變質鋯石(圖9和圖11)。

表3 四道河地區面理化含榴花崗巖鋯石稀土元素數據(μg/g)Table 3 Zircons REE concentrations of zircons from the garnet-bearing granites from the Sidaohe area(μg/g)

圖8 四道河面理化含榴花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb諧和圖Fig.8 Concordia diagram showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the garnet-bearing granite from the Sidaohe area

圖9 四道河含榴花崗巖鋯石REE配分圖Fig 9 Chondrite normalized REE patterns of zircons from the garnet-bearing granite in the Sidaohe area

4 討 論

4.1 面理化含榴花崗巖的屬性

圖10 鄧家畈面理化含榴花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb諧和圖Fig.10 Concordia diagram showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the garnet-bearing granite from the Dengjiafan area

圖11 鄧家畈含榴花崗巖鋯石REE配分圖Fig.11 Chondrite normalized REE patterns of zircons from the garnet-bearing granite in the Dengjiafan area

在早期的1/20萬區域地質調查報告中，將肉紅色片麻巖描述為堿長片麻巖(湖北省地質局，1974)。后來張宏飛等(2001)將麻城市四道河含石榴石片麻巖，命名為面理化含榴花崗巖，其巖石化學組成具有A型花崗巖地球化學特征(徐樹桐和吳維平，1998;鐘增球等1999;張利等，2004)。本文在前人的工作基礎上，除進行鋯石微區定年之外，還加補了巖石主量、微量元素成分分析，結合圖解判別等方法，進一步證明了面理化含榴花崗巖，實屬堿性(A型)花崗巖。

4.2 面理化含榴花崗巖的成因

根據野外和室內研究結果，面理化含榴花崗巖是由沉積巖變質而成，其依據有:(1)顯示沉積韻律層的黑白條帶，盡管很薄(1～3 mm)，但很穩定(延長很遠);(2)經過了兩次變質作用:第一次，斜長石呈不規則的粒狀、孤島狀和眼球狀，以及變晶斜長石的鈉長石雙晶，常垂直晶體的延長方向(圖2)。第二次，長英質脈(韌性變形體)包裹和切穿前者(圖2)。鋯石CL圖(圖6和圖7)亦顯示兩次變質作用:第一次變質作用結晶的鋯石，U、Th含量高，CL圖呈黑色，第二次結晶的鋯石，U、Th含量低，CL圖呈灰白色;(3)根據鋯石成因類型:由巖漿作用結晶的鋯石，晶體自形、發育有規則的韻律環帶，該類鋯石分為巖漿鋯石和具有老核新殼的巖漿復合鋯石;由變質作用結晶的鋯石，晶體常不規則和不發育韻律環帶結構，該類鋯石分為變質鋯石和具有老核新殼的變質復合鋯石(張玉泉等，2004)。而四道河和鄧家畈面理化含榴花崗巖中的鋯石，均為變質鋯石和具有老核(繼承鋯石)新殼的變質復合鋯石(圖6和圖7)，表明其寄主巖是變質作用的產物;定年結果還表明，老核(繼承鋯石)多為巖漿碎屑鋯石，而且又是多時代的(元古代到古生代)等，暗示其寄主巖——面理化含榴花崗巖是沉積巖變質的。

4.3 面理化含榴花崗巖成巖和原巖時代

由于面理化含榴花崗巖的原巖是沉積巖，因此變質時間(面理化的時間)也就是它的成巖時間。根據鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年結果(圖8和圖10)，變質復合鋯石的新殼(變質鋯石)，獲得了240 Ma左右的超高壓變質時間，也就是面理化含榴花崗巖的成巖時間，屬于印支期，相當早-中三疊世。繼承鋯石的時代，既有屬于元古代的年齡(807～569 Ma)，又有屬于古生代的年齡(534～276 Ma)。比較多的古生代繼承鋯石的存在，暗示四道河地區面理化含榴花崗巖的原巖(沉積巖)，時代不會早于古生代。這一結果與該區高壓變質帶中榴輝巖的圍巖(變沉積巖)中鋯石的定年結果完全一致(楊賽紅等，2009)。

5 結 論

(1)四道河地區面理化含榴花崗巖，是沉積巖變質而成。

(2)沉積巖通過變質作用，可以形成與巖漿成因的堿性(A型)花崗巖在元素地球化學上一致的特點。

(3)四道河地區面理化含榴花崗巖的原巖沉積巖，時代不會早于古生代。

致謝:中國科學院廣州地球化學研究所孫衛東研究員、涂湘林研究員等協助U-Pb年齡測定并提出了許多寶貴的意見，在此表示衷心的感謝!

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Petrogenesis of the Garnet-Bearing Granites in the Sidaohe Region，Macheng City，Hubei Province

ZHANG Futie1，2，3，XIA Bin1，4，ZHANG Yuquan1，HUANG Qiangtai1，2，ZHANG Hong1，2and LI He1，2
(1.Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510640，Guangdong，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China;3.Geological Survey Institute of Guangdong Nonferrous Metals Geological Survey Bureau，Guangzhou510080，Guangdong，China;4.School of Marine Sciences，Sun Yat-Sen University，Guangzhou510275，Guangdong，China)

Field and laboratory studies show that the foliated garnet-bearing granites from the Sidaohe region were derived from the Paleozoic sedimentary rocks through metamorphism.Geochemical characteristics of the garnetbearing granites are similar to those of the typical alkali granites，i.e.，rich in silicon(SiO2=75.24%～77.23%)，alkali(Na2O+K2O=6.87%～8.84%)and poor in aluminium(Al2O3=11.00%～12.78%).The rocks are rich in lithophile trace elements(Rb，Ba，Th，U)and poor in HFS elements(Nb，Ta，Zr，Hf).The rocks are relatively rich in LREE(∑REE=101.08～180.1 μg/g，LREE/HREE=3.1～6.8)showing moderate negative Eu anomalies.Genetic types and ages of the zircons from garnet-bearing granites demonstrate that they are inherited zircons in sedimentary rocks formed no earlier than Paleozoic.

geochemistry and zircon U-Pb age;garnet-bearing granites;Sidaohe region;Macheng city，Hubei province

P595;P597

A

1001-1552(2012)02-0293-008

2011-04-26;改回日期:2011-12-30

項目資助:國家重點發展研究計劃(973)(編號:2009CB219401)、國家自然科學基金(批準號:40534019)和中國大洋協會項目(DYXM-115-02-3-06)聯合資助。

張富鐵(1967-)，男，高級工程師，構造地質學專業。通信作者:夏斌，xiabin01@gmail.com