江西廬山地區星子群變質時代及變質機制探討

王繼林,何 斌, ,關俊朋

(1.中國地質大學(武漢) 地球科學學院,湖北 武漢 430074;2.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,廣東 廣州 510640;3.江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210018)

0 引 言

江西省廬山地區出露一套中高級變質雜巖,謝國剛等(1996)將其正式命名為星子群,并認為其構成了“星子變質核雜巖”的核部(尹國勝和謝國剛,1996)。根據在星子群的斜長角閃巖中得到了鋯石U-Pb年齡為 1869±40 Ma,謝國剛等將星子群劃為古元古代(謝國剛等,1997),并認為是江南古陸最古老的結晶基底,這一認識得到了廣泛的認同(張海祥和張伯友,2003;李中蘭等,2007)。王凱怡、葉瑛、張海祥等對星子群的變質作用進行了研究,認為星子群普遍經歷了角閃巖相變質,并提出是區域動力熱流變質作用疊加后期動力變質作用的共同結果(王凱怡等,1992;葉瑛等,1996;張海祥等,2003)。關于星子群變質作用發生的時間,葉瑛等(1996)、張海祥等(2003)暗示其區域變質作用發生在前寒武紀,劉叢強和唐紅峰(1999)也認為區域變質作用可能發生在新元古代,與該區造山作用發生時代相當,推斷可能與新元古代早期(900±20 Ma)華南陸殼增生引起的弧-陸碰撞以及隨后～750 Ma Rodinia超大陸的裂解導致的華南新元古代廣泛的巖漿活動有關。之后,中生代廬山地區發生伸展拆離構造形成變質核雜巖,星子群作為核部而被剝露出地表(尹國勝和謝國剛,1996;張海祥等,1999;李武顯等,2001;崔學軍等,2002),并發生了一系列動力-變質-巖漿作用(Lin et al.,2000;Sun et al.,2000)。

然而,最近關俊朋等(2010)對星子群開展了碎屑鋯石研究,得到的鋯石峰值年齡為834±4 Ma,結合上覆筲箕洼組830±5 Ma的火山巖年齡,將星子群的地層時代限定于新元古代,并依據碎屑鋯石U-Pb不一致線下交點年齡為 133±20 Ma,推斷星子群的變質作用發生在中生代。這一觀點改變了以往對星子群演化的認識,使得目前被廣泛接受的“星子變質核雜巖”的說法遭受質疑,進而影響了對整個華南地區前寒武紀大地構造演化的恢復。但是就目前的研究來看,以上認識尚缺乏更精確的資料和詳實的證據,需要對廬山地區星子群的變質時間及其機制進行更加精細的研究。

為準確厘定星子地區乃至華南地區中生代-前寒武紀的大地構造演化歷史,本次研究擬以星子群石榴二云片巖及局部發育的混合巖為研究對象,對其進行同位素年代學研究。此外,混合巖作為聯系變質作用和巖漿作用的紐帶,著重探討其成因機制,期待以此為突破,為解決上述問題提供參考。

1 區域地質背景

研究區廬山地區位于江南隆起帶北緣(朱清波等,2010),是一個NE-SW向伸展的地壘式的褶皺斷塊山,兩側分別是九江凹陷和鄱陽凹陷。廬山西側為沙河-德安斷裂,東側為湖口-德安斷裂,廬山整個山體呈一個“巨型構造透鏡體”夾持于兩條斷裂之間(李中蘭等,2007)。

星子群變質巖(圖1)分布于廬山東南麓的星子縣境內(張海祥和張伯友,2003),出露于棲賢寺-歸宗寺一帶,呈北東向延伸的殘留的穹窿狀出露(謝國剛等,1996)。星子群為一套夾有火山熔巖的陸源碎屑巖經變質而成的中深變質巖系,主要巖石類型有:石榴二云片巖、十字石石榴片巖、石榴石變粒巖、石英片巖和呈局部夾層的斜長角閃片巖。星子群局部層位順片理方向發育透鏡狀、條紋狀、腸狀混合巖,紋層厚度約0.5～5 mm,透鏡體大小約15 cm×10 cm,淺色體含量約10%;此外,還發育有較多平行片理展布的石英脈、長英質脈體(唐紅峰和劉叢強,2000)。星子穹窿中心出露有新元古代觀音橋片麻狀花崗巖。

圖1 江西廬山星子地區地質構造圖(據崔學軍等,2002)Fig.1 The geological map of the Xingzi Area,Lushan,Jiangxi province

中生代花崗巖在星子地區廣泛發育,以東牯山巖體、玉京山巖體及海會巖體為代表,這些巖體大量侵入到星子群中。張海祥等(1999)報道海會花崗巖的單顆粒鋯石U-Pb年齡為122～130 Ma。伴隨中生代巖漿的侵入,大量偉晶巖脈貫入到星子群及穹窿中心的片麻狀花崗巖中,脈體與圍巖界限清楚,片麻狀花崗巖中脈體產狀從大致順層到近于直立(吳根耀和符鶴琴,1998),星子群中偉晶巖脈大多與片理呈高角度相交(劉叢強和唐紅峰,1999;李武顯等,2001),且多期脈體相互穿插。李武顯等(2001)報道了偉晶巖的鋯石U-Pb年齡為127±2 Ma。

2 樣品特征

圖2 廬山地區星子群混合巖特征Fig.2 The characteristics of the migmatites in the Xingzi Group in the Lushan Area

本次研究選擇星子群石榴二云母片巖及局部發育的混合巖為研究對象,樣品采自棲賢寺附近星子群標準剖面,采樣位置如圖1所示,混合巖野外特征如圖2a,b,采樣點坐標為 29°31′28.38″N,115°59′50.76″E。重點對混合巖特征進行了觀察,星子群中發育的混合巖淺色體、中色體、深色體漸變過渡(圖2c、d),特征區別明顯:(1)淺色體具有斑狀變晶結構,基質為粒狀變晶結構(圖2e),主要由微斜長石(5%)、斜長石(30%)、石英(50%)、黑云母(10%)、石榴子石(5%)以及少量鋯石、榍石等副礦物組成。變斑晶主要有斜長石、微斜長石、石英,粒徑約1～0.5 mm。石英斑晶呈它形粒狀或透鏡狀集合體,集合體不同顆粒間呈三聯點結構。斜長石斑晶為半自形板狀或它形粒狀,聚片雙晶發育,有黑云母、石英、榍石等包裹體,顆粒邊界與基質呈交代鑲嵌結構。黑云母除呈包裹體發育于斜長石斑晶內部外,還可呈交代殘余結構分布在基質中,并保持了與原巖一致的定向特征。石榴石顆粒較小,呈集合體狀產出(圖2f);(2)中色體為經歷弱混合巖化的淺粒巖,為粒狀鑲嵌變晶結構,主要組成礦物為石英(50%)、斜長石(30%)、黑云母(15%),黑云母定向排列,部分顆粒有溶蝕現象。中色體中石榴石顆粒粗大(0.3～0.5 mm),含有石英包裹體,其特征可明顯區別于淺色體;(3)深色體顯示星子群變粒巖原巖特征,主要由黑云母、石英、斜長石、綠簾石組成,黑云母含量高,可達40%。深色體中變質特征顯著,常見黑云母和綠簾石共生,并可見綠簾石截然切割黑云母顆粒,是黑云母脫水變質的結果。

3 分析結果

對混合巖淺色體(XZ-36)及石榴二云母片巖(XZ-27)進行同位素年代學研究,分別挑選混合巖中鋯石進行 U-Pb定年及片巖中的白云母進行 Ar-Ar定年。鋯石挑選由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成,鋯石U、Th和Pb同位素分析由中國科學院地質與地球物理研究所完成,鋯石標樣與鋯石樣品以1∶3的比例交替測試,具體測試流程見Li et al.(2009),數據處理采用 ISOPLOT軟件(Ludwig,2001);云母Ar-Ar定年在中國科學院廣州地球化學研究所Ar-Ar實驗室完成,采用激光階段加熱Ar-Ar定年技術,具體實驗流程詳見Qiu et al.(2010),數據采用 ArArCALC ver2.40軟件進行處理(Koppers,2002)。

3.1 混合巖鋯石U-Pb同位素分析結果

圖3 鋯石CL圖像特征(a),Th/U-t關系圖(b)及鋯石U-Pb諧和圖(c)Fig.3 The CL images of the zircons (a),the relationship of Th/U-t(b) and the concordia plot of U-Pb (c)

挑選XZ-36中27顆鋯石36個點進行了分析,鋯石特征見圖3a,同位素分析結果見表1。鋯石顆粒主要呈柱狀、長柱狀,粒徑在60～150 μm之間,次棱角狀-渾圓狀,部分鋯石顆粒具有典型的核邊結構:核部具明顯扇形分帶或弱振蕩環帶,局部可見溶蝕,位于核部的 17個測點 Th=61～336 μg/g,U=56～340μg/g,Th/U=0.35～1.34,其Th/U比值(圖3b)及特征的巖漿環帶結構顯示核部為巖漿成因鋯石(吳元保和鄭永飛,2004),并遭受后期變質作用改造;邊部沒有明顯的分帶特征,同位素分析結果顯示邊部具有低 Th 高 U(分別為 3～70 μg/g,480～1471 μg/g)及極低的 Th/U比值(＜0.05,圖3b),為典型的變質增生鋯石(吳元保和鄭永飛,2004)。由于部分鋯石邊部較窄,與離子探針空間分辨率接近,導致離子束同時打到鋯石邊部及核部,導致部分測點數據受到較老核部的影響,Th/U比值相對偏高。

圖3c為鋯石U-Pb年齡諧和圖,從圖上可以看出大部分測點數據位于諧和線上及其附近,并主要聚集在不一致線的上下交點處,只有少量數據點顯示一定程度的Pb丟失或不同成因鋯石的混染。不一致線上下交點年齡分別為 841±20 Ma和150.6±7.1 Ma(MSWD=1.12)。上交點處年齡變化范圍為(909±13)～(771±11) Ma,加權平均值結果為 825±15 Ma(MSWD=7.2,n=14);下交點處7個點的加權平均年齡為 142.6±1.5 Ma(MSWD=0.49),兩者與不一致線上、下交點年齡在誤差范圍內基本一致。

3.2 白云母Ar-Ar同位素分析結果

表2中列出了星子群石榴二云母片巖的40Ar-39Ar階段升溫年齡分析結果,它既給出了較平坦的坪年齡,也給出了相關性很好的等時線年齡:XZ-27白云母經 22個溫度段 Ar同位素測定,主坪視年齡為 136.08±1.78 Ma(圖4a),對應的39Ar析出量為 54.86%,40Ar/36Ar-39Ar/36Ar等時線年齡為137.17±4.76 Ma(圖4b),36Ar/40Ar-39Ar/40Ar反等時線年齡為 137.22±4.75 Ma(圖4c)。該樣品給出的40Ar/39Ar坪年齡與40Ar/36Ar-39Ar/36Ar等時線年齡及36Ar/40Ar-39Ar/40Ar反等時線年齡都很吻合。樣品分析結果初始(40Ar/36Ar)i=315.8±5.4 Ma,與標準尼爾值40Ar/36Ar=295.5±0.5相對誤差較小,表明云母測試樣品冷卻生成時無明顯的過剩 Ar或Ar丟失,因此,這些年齡具有較高的可信度。

圖4 白云母40Ar-39Ar定年結果Fig.4 The results of the muscovite 40Ar-39Ar dating

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表2 星子群變質石榴二云母片巖白云母Ar-Ar定年結果Table2 The Ar-Ar dating results of the muscovite in the schist from the Xingzi Group

4 討 論

4.1 變質時代歸屬

關于星子群的變質作用,前人研究普遍認為星子群經歷了兩次變質事件,分別為新元古代的區域動力熱流變質作用和中生代的動力變質作用(王凱怡等,1992;葉瑛等,1996;張海祥等,2003)。但是,關于星子群新元古代變質事件的精確年齡數據一直未見報道,僅葉瑛等(1996)、張海祥等(2003)暗示其區域變質作用發生在前寒武紀,劉叢強和唐紅峰(1999)也提出星子群的區域變質作用可能發生在新元古代,認為與該區造山作用發生時代相當。相反,關于星子群中生代的變質事件的精確年齡數據已有大量報道:謝國剛等(1997)首次提出星子群中生代最后階段變質變形年齡可能為 135±17 Ma;Lin et al.(2000)和Sun et al.(2000)對星子群中生代的變質事件進行了詳細研究,將這次事件劃分為 3期:D3事件發生時間約為93～111 Ma(黑云母Ar-Ar),D2期發生時間約為125 Ma(白云母Ar-Ar)或127 Ma(鋯石U-Pb),D1期星子群發生了中溫中高壓變質作用,但具體時間難以確定,由于震旦系和古生界卷入了這期事件,因此推測D1發生于中生代。

本次工作得到的星子群混合巖淺色體鋯石具核邊結構,核部特征表明其為巖漿成因鋯石,邊部為變質增生鋯石,說明其為原地變質-深熔作用的產物。其核部年齡為825±15 Ma,這一年齡數據與關俊朋等(2010)通過對星子群中淺粒巖碎屑鋯石年代學研究得到的星子群的形成時代應介于 830～834 Ma之間的一個較小的范圍的結論是一致的,從而證實了關俊朋等(2010)成果的有效性,這樣一來也就否定了關于星子群的變質作用發生于新元古代(劉叢強和唐紅峰,1999)這一說法。邊部變質增生鋯石Th含量極低,指示在變質過程中有富 Th礦物(如:獨居石、簾石類)形成(Hermann,2002),這一推論與星子群變質巖中廣泛出現綠簾石相吻合,表明鋯石的變質增生與星子群的變質作用可能發生于同一時期,得到鋯石邊部的加權平均年齡為142.6 ±1.5 Ma,這一年齡與 Lin et al.(2000)得到的星子群角閃黑云母片麻巖中140.5±2.9 Ma的角閃石Ar-Ar年齡極為接近。另外,我們得到星子群變質片巖中白云母的Ar-Ar坪年齡為 136.08±1.78 Ma,考慮到云母40Ar/39Ar系統封閉溫度較低,故得到的年齡較新,因此這一年齡結果與得到的變質鋯石年齡結果是相吻合的。以上數據都表明星子群并未經歷前人所認為的新元古代區域變質事件,而僅在中生代發生了一系列動力-變質-巖漿作用。

由于鋯石對U-Pb系統具有非常高的封閉溫度,且不易受到后期變質作用的改造,常可記錄峰期變質的年齡,因此綜合考慮認為142.6±1.5 Ma的鋯石變質增生邊年齡即代表了星子群峰期變質作用發生的時間,即Lin et al.(2000)劃分的星子群在中生代經歷的動力-變質-巖漿事件的D1期年齡。這一結論與關俊朋等(2010)提出的設想在誤差范圍內是一致的。142.6 ±1.5 Ma D1期變質年齡的給出否定了前人所持的星子群在前寒武紀發生了一次區域變質事件的觀點,對廬山地區構造演化格局的重新認識提供了關鍵的證據。

另外,過去普遍認為廬山地區為一科迪勒拉型變質核雜巖(李武顯等,2001),星子群被認為是其變質核的組成單元之一(張海祥等,1999)。張海祥等(1999)、李武顯等(2001)通過鋯石U-Pb定年得到該變質核雜巖形成于中生代,是華南地區中生代巖石圈伸展與減薄的重要產物(沈曉明等,2008)。然而,關俊朋等(2010)對星子群地層時代的重新厘定,結合本次研究得到的星子群中生代的變質年齡,表明星子群不是古老的變質核,進而從時間尺度上否定了“星子變質核雜巖”的說法。這一認識并非首次提出,畢華等(1998)就注意到廬山地區的構造與變質核雜巖構造存在差別,只是沒有將這一質疑正式提出。

4.2 變質機制探討

前人認為星子群大規模中深變質作用的發生是由新元古代華南陸殼增生引起的弧-陸碰撞,以及隨后 Rodinia超大陸裂解導致廣泛的巖漿活動引起(鄭永飛和張少兵,2007)。我們通過混合巖鋯石研究得到星子群的變質作用發生在中生代。另外,混合巖作為連接變質作用和巖漿作用的紐帶,探討其成因是解決星子群中生代變質機制問題的關鍵之一。

混合巖成因的關鍵在于新成體是由外來物質對變質巖的交代作用形成,還是由變質巖系統本身通過部分熔融或者變質分異或者變形分異等物理化學過程形成(周漢文等,1997)。一般認為混合巖的形成有 4種機制:花崗質脈體注入作用、交代作用、深熔作用和變質分異作用(Yardley,1978)。星子群混合巖淺色體各項特征均顯示交代成因特征(Yardley,1978),具體表現為:(1)粒度較粗,為斑狀變晶結構,斑晶碩大;(2)較中色體長石含量明顯升高、黑云母含量明顯減少,但二者在巖石結構、礦物組成及粒度上相似,呈漸變過渡關系;(3)鏡下觀察到其交代殘余結構發育。結合劉叢強和唐紅峰(1999)報道星子群原始沉積巖在變質過程中有流體形成,因此混合巖的形成可能是流體交代的結果。

其流體來源之一為變質流體,唐紅峰和劉叢強(2000)報道星子群沉積巖在角閃巖相變質作用過程中有較多的流體形成,變質流體通過側向擴散作用形成了與變質巖同期的脈體。我們在鏡下觀察到淺色體中黑云母含量顯著降低,即指示黑云母脫水反應的存在,為地層中的流體系統提供了部分來源。但是星子群廣泛的中深變質作用的發生,單純依靠變質流體作用是無法完成的,因此我們推測巖漿熱流體也是其變質流體來源之一。

星子群中發育數量眾多,厚度不大,不同方位(包括順層和近于直立)的偉晶巖脈,偉晶巖是一種富流體的巖漿晚期產物,同變質期花崗巖脈也是富流體的(劉叢強和唐紅峰,1999)。而且,野外觀察到混合巖與偉晶巖脈之間有密切的成生關系,因此推測星子群變質作用的發生源于該地區中生代廣泛的巖漿活動,是巖漿熱動力變質的產物。星子地區中生代代表性巖體有海會、東牯山巖體,公開發表資料顯示海會巖體成巖年齡為～127 Ma(Lin et al.,2000;Li et al.,2001;李中蘭等,2007),東牯山巖體形成年齡不大于 135 Ma(未發表),李武顯等(2001)報道偉晶巖脈單顆粒鋯石U-Pb年齡為127±2 Ma,這些巖體和巖脈的形成時間均晚于星子群峰期變質作用發生的時間。因此,我們推測在目前出露的中生代巖體巖脈之下可能存在著早期142 Ma的巖基。我們引用 Barton and Hanson(1989)、Collins and Vernon(1991)提出的模型對此進行解釋:該巖基由下地殼部分熔融產生,上升至中地殼側向流動呈板狀,并且持續有席狀巖體的反復補充注入,熱量在中地殼的集中導致星子地區地溫梯度升高,從而使得星子群發生了區域性的中深變質作用;部分巖漿以不協調深成巖體形式侵位到更高層次,侵入體及與之相關的變質作用誘導星子群產生了顆粒尺度甚至更大的脫水和熔融,最終形成混合巖。該模型與實際觀察到的星子地區變質巖、巖漿巖及混合巖的時空關系保持一致,說明了模型的有效性。

5 結 論

(1) 通過對星子群中局部發育的混合巖淺色體中鋯石進行U-Pb定年,將星子群中深變質作用發生的時間精確地限定到中生代 142.6±1.5 Ma,這一年齡得到了星子群片巖中變質礦物白云母 Ar-Ar同位素測試結果的佐證。這一結論否定了星子群曾經歷了新元古代的區域變質作用及有關“星子變質核雜巖”的說法。

(2) 星子群混合巖為流體交代成因,其流體來源有兩種:一是變質流體,二是巖漿熱流體,認為星子群的變質作用與該地區中生代廣泛的巖漿活動有關,是巖漿熱動力變質的產物。

致謝:本次實驗工作得到了中國科學院地質與地球物理研究所及中國科學院廣州地球化學研究所Ar-Ar實驗室實驗人員的大力協助,此外,兩位審稿專家對本文的修改和完善提出了許多寶貴的意見和建議,在此一并表示感謝！

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