廬山星子變質穹窿中變形花崗偉晶巖脈中多期不同成因鋯石的發現及意義

王繼林 ,何 斌,靳立杰,

(1.中國冶金地質總局 山東局測試中心,山東 濟南 250014;2.中國地質大學(武漢) 地球科學學院,湖北武漢 430074;3.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;4.山東省第一地質礦產勘查院,山東 濟南 250014)

0 引言

江西廬山星子變質穹窿地處揚子板塊南緣中下揚子交接部位,北側為大別山中生代碰撞造山帶,南側為揚子板塊江南隆起帶。穹窿核部出露有一套中深變質巖系,即星子群,關俊朋等(2010)及高林志等(2012)將其地層時代劃定為新元古代。筆者曾對其變質時代進行了研究,通過對混合巖淺色體進行鋯石U-Pb定年,并結合片巖的白云母Ar-Ar定年結果,認為星子群的峰期變質作用發生于142.6±1.5 Ma。根據星子群變質分帶和點變質的特征,推測星子群的變質可能為巖漿熱接觸動力變質。然而星子地區出露的中生代巖體均晚于星子群的峰期變質作用時間,因此推測星子變質穹窿核部可能存在~142 Ma的大型隱伏巖體(王繼林等,2013)。為了驗證上述結論的可能性,在星子地區開展了詳細的野外地質調查。在野外,觀察到星子變質穹窿核部出露的新元古代觀音橋片麻狀花崗巖頂部及其上覆的星子群片巖中均發育有大量不同產狀不同規模的偉晶巖脈,局部達到露頭面積的30%~50%,分布如此之多的偉晶巖脈暗示其下部可能存在一個未出露的大型巖體。由于偉晶巖脈多是晚期巖漿沿構造裂隙上升侵位形成的,其中可能含有未出露母巖的一些信息。因此本次研究選擇了2條具有代表性的變形花崗偉晶巖脈作為研究對象,對其進行詳細的鋯石年代學研究,發現存在有 824±13 Ma、140.5±1.7 Ma、~123 Ma三期不同成因的鋯石,分別對其意義進行了討論。

1 區域地質概況

星子雜巖主要分布在揚子板塊南緣贛北廬山東南麓棲賢寺–歸宗寺一帶,出露面積約 220 km2,呈NE-SW 向展布,由新元古代星子群中深變質巖系(關俊朋等,2010)、晉寧期觀音橋片麻狀花崗巖及燕山期花崗巖(海會巖體、玉京山巖體、東牯山巖體)構成。穹窿兩側分別是九江凹陷和鄱陽凹陷,北東一側由于遭受北東向走滑剪切構造及贛江斷裂的切割改造而被破壞,故其平面上呈半環狀(圖1)。

新元古代星子群是一套原巖為砂巖、雜砂巖夾拉斑玄武巖(張海祥和張伯友,2003)的中深變質巖系,主要巖石類型有:石榴石二云母片巖、石榴石變粒巖、石英片巖夾斜長角閃巖,平行片理方向發育有較多小型透鏡體狀、扁豆狀的同變質石英脈,核部被晉寧期觀音橋片麻狀花崗巖及中生代巖體侵入(李武顯等,1998;張海祥等,1999)。其上覆地層有三套:北東側為下震旦統蓮沱組(Z1l),西側為新元古界漢陽峰組(Pt3h)和筲箕洼組(Pt3s),南西側為中元古界雙橋山群橫涌組(Pt2h),均為不整合接觸(圖1)。

圖1 江西廬山星子變質穹窿地質略圖Fig.1 Geological map of the Xingzi metamorphic dome in the Lushan area,Jiangxi province

觀音橋巖體頂部及星子群片巖中發育大量不同產狀不同規模的變形花崗質偉晶巖脈(圖2),主要有透鏡–扁豆狀、脈狀、網狀等,與星子群片理平行或近于垂直(圖2a),規模從幾厘米到幾十米不等,多期脈體互相穿插,部分偉晶巖脈變形強烈(圖2b),形成石香腸構造及固態流變褶皺且發生糜棱巖化。

圖2 樣品野外及鏡下特征Fig.2 Photos showing the characteristics of the rocks in field and under the microscope

2 樣品特征及分析方法

本次采樣的兩條偉晶巖脈(LS-9和 LS-12)位于海會巖體附近,產狀與星子群片理產狀(125°∠41°)近 于 平 行 ,采 樣 點 地 理 坐 標 為 29°30′42.9″N,116°02′49.5″E(見圖1)。樣品 LS-9 代表的巖脈發生強烈褶皺變形,樣品LS-12代表的巖脈變形較弱。

鏡下觀察樣品LS-9為糜棱結構(圖2c),弱定向構造,輕微綠泥石化,主要組成礦物為長石+石英+白云母,碎斑含量約 70%,主要由鉀長石(45%)+斜長石(20%)+白云母(5%)組成,發育扭折、書斜構造、云母魚等晶內晶界塑性變形結構(圖2d),碎斑顆粒周圍開始發生動態重結晶;基質主要為石英動態重結晶顆粒,含少量白云母、綠簾石、綠泥石,含量約30%,部分石英重結晶顆粒被拉長呈絲狀,波狀消光現象普遍。樣品LS-12礦物組成與LS-9類似,但糜棱巖化較弱,塊狀構造,僅石英、長石碎斑邊緣開始出現動態重結晶。

對侵位于星子群中的花崗偉晶巖脈(LS-9和LS-12)進行了鋯石U-Pb年代學研究,鋯石挑選工作由河北省廊坊市誠信地質服務公司完成,利用磁法和重液法進行分選。鋯石的陰極發光(CL)成像、微量元素含量及 U-Pb同位素定年分別在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室電子探針顯微分析系統(JXA-8100)和激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)上完成。激光剝蝕系統為GeoLas2005,ICP-MS為Agilent7500a,采用91500標準鋯石作為外標進行同位素分餾校正,鋯石標樣與鋯石樣品以2∶5的比例交替測試;鋯石微量元素含量利用多個USGS參考玻璃(BCR-2G,BIR-1G)作為多外標、Si作為單內標進行定量計算,詳細的儀器操作條件見Liu et al.(2008,2010a,2010b)。對分析數據的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計算)采用軟件 ICPMSDataCal完成,具體處理方法同 Liu et al.(2008,2010a)。鋯石樣品U-Pb年齡諧和圖繪制和加權平均年齡計算均采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig,2003)完成。

3 分析結果

3.1 鋯石礦物學及微量元素特征

對挑選出的鋯石進行透射光、反射光及陰極發光觀察,發現樣品LS-9和LS-12兩個花崗偉晶巖脈樣品中分選出的鋯石主要有3種類型,LS-9中的鋯石以海綿狀結構為主,LS-12中有核邊結構鋯石和簡單巖漿鋯石兩種。

(1) 海綿狀結構鋯石

樣品LS-9以海綿狀結構鋯石為主,相比巖漿鋯石,海綿狀結構鋯石顆粒較小,粒徑約 50~100 μm,形態不規則,呈短柱狀或棱角狀–次棱角狀;透射鏡下鋯石表面渾濁,呈褐黑色,幾乎不透明;SEI圖像顯示鋯石表面存在大量孔洞及包裹體,CL圖像較暗,顯示為海綿狀結構(圖3),以上特征指示其為熱液成因。鋯石表面孔洞的產生可能是由于原生鋯石在外界流體作用下遭受淋濾、溶解所致(張必龍等,2011),鋯石中的包裹體礦物可能是流體作用過程中圈閉的流體包裹體或結晶出來的磷酸鹽/硅酸鹽礦物(吳元保和鄭永飛,2004)。海綿狀結構鋯石與典型巖漿鋯石在稀土配分模式、微量元素特征等方面存在明顯差異(表1,圖4b):海綿狀結構鋯石Th/U=0.01~0.04,REE富集,稀土配分曲線較平緩((Sm/La)N=5.62~104.64),極低 Ce異常(δCe=0.62~1.39)和 Eu負異常(δEu=0.06~0.26),普通 Pb、U、Hf、Nb、Ta 含量較巖漿鋯石均富集。利用Hoskin (2005)提出的Ce/Ce*-(Sm/La)N及(Sm/La)N-La圖解(圖5),進一步確定海綿狀結構鋯石為熱液成因。

(2) 簡單巖漿鋯石

LS-12中的簡單巖漿鋯石為半自形–自形短柱狀,無色透明,鋯石表面干凈,不含包裹體,CL圖像顯示其發育有扇形分帶或弱巖漿振蕩環帶(圖6)。鋯石總體普通鉛含量較低,普通Pb和U含量明顯低于海綿狀結構鋯石,Th/U=0.12~1.27,稀土元素特征顯示LREE虧損,HREE富集,從 LREE陡傾至 HREE,(Sm/La)N=73.32~4238.06,具高Ce正異常和Eu負異常(δCe=9.29~49.29,δEu=0.12~0.37),這些特征均顯示其為巖漿成因(表1,圖4a)。

(3) 核邊結構鋯石

LS-12中發育大量核邊結構鋯石,鋯石顆粒粗大,粒徑約100~200 μm。核部鋯石發育弱巖漿環帶(圖6),Th/U=0.25~0.86,∑REE較高且稀土配分曲線較平緩,Ce正異常和 Eu負異常均較小(δCe=2.33~23.87,δEu=0.04~0.21)(表 1,圖4a),上述特征也顯示其為巖漿成因。但與簡單巖漿鋯石相比特征區別明顯:變質增生區域形狀不規則,部分切割核部巖漿鋯石環帶(圖6),U含量相對簡單巖漿鋯石較高,Th/U=0.01~0.13,暗示二者可能為不同期次產物。

圖3 花崗偉晶巖脈(樣品LS-9)中海綿狀結構鋯石CL圖像特征Fig.3 CL images of zircons with spongy structure from sample LS-9

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圖4 花崗偉晶巖脈中不同成因鋯石球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of zircons with different genesis

圖5 Ce/Ce*-(Sm/La)N (a)及(Sm/La)N-La (b)鋯石成因判別圖(據Hoskin,2005修改)Fig.5 Ce/Ce* vs.(Sm/La)N (a) and (Sm/La)N vs.La (b) discrimination diagrams for zircons

3.2 鋯石U-Pb測年結果

對 LS-9中的 29顆鋯石進行了測試,有效測點26個;對LS-12中的38顆鋯石(20顆簡單巖漿鋯石和18顆核邊結構鋯石)的40個點位進行了分析,其中有效測點35個(簡單巖漿鋯石17個,核邊結構鋯石18個),測年結果列于表2。

(1) 熱液鋯石

為確保熱液鋯石定年數據有效,選擇樣品 LS-9中富含孔洞、海綿狀結構明顯、不含包裹體且重結晶徹底的典型熱液鋯石進行測定,并選擇21個稀土配分曲線呈典型熱液鋯石特征的點位進行分析,確保年齡數據的可靠與有效(Hoskin,2005)。實驗得到的鋯石年齡均位于諧和線上及附近,Tera-Wasserburg圖上得到不一致曲線的交點年齡為 123.9±8.2 Ma(MSWD=1.6)(圖7a)。

(2) 簡單巖漿鋯石

測得17顆簡單巖漿鋯石的年齡諧和度較高,得到年齡較集中且均位于U-Pb諧和線上及附近(圖7c),計算其加權平均年齡為 140.5±1.7 Ma(MSWD=2.3)(圖7d)。

(3) 核邊結構鋯石

核邊結構鋯石中核邊有效測點10個,邊部有效測點8個,測點均位于諧和線上及附近(圖7e、g)。計算核部鋯石的加權平均年齡為 824±13 Ma(MSWD=2.2)(圖7f),邊部測點與不一致線的下交點年齡為144.5±3.6 Ma(MSWD=1.3)(圖7g),加權平均年齡為 140.4±3.7 Ma(MSWD=3.4)(圖7h)。

圖6 花崗偉晶巖脈(樣品LS-12)中簡單巖漿鋯石和核邊結構鋯石CL圖像特征Fig.6 CL images of zircons from sample LS-12

4 討論

表3中列出了侵位于星子群中的花崗偉晶巖脈中不同成因的鋯石礦物學特征、稀土元素特征與定年結果的對應關系。

4.1 巖漿活動時間

研究區發育的大量偉晶巖脈產狀及規模差異較大,江西省地質礦產勘查開發局調查研究大隊(1994)在 1/5萬海會幅地質調查中根據脈體的產狀與星子群片巖片理產狀平行或高角度相交將偉晶巖脈分為了早晚兩期。沈廷遠(1988)最早報道這些偉晶巖脈形成于127~169 Ma;李武顯等(2001)對產狀近于直立的偉晶巖脈進行單顆粒鋯石 U-Pb同位素分析，得到 4顆鋯石的年齡分別為136.9±0.4 Ma、125.7±0.9 Ma、128.5±0.4 Ma、443.4±0.4 Ma,并通過年齡相近的 2顆鋯石加權平均年齡將偉晶巖脈的侵位時代確定為127±2 Ma。由于過去定年手段的局限性及偉晶巖脈的期次性,認為127±2 Ma(李武顯等,2001)可能僅代表了其中一期偉晶巖脈的形成時間。

本次對研究區出露的變形花崗偉晶巖脈進行鋯石U-Pb定年,樣品LS-12中大量核邊結構鋯石的礦物學特征、Th/U及稀土配分曲線特征指示其核部鋯石的巖漿成因和邊部鋯石的變質成因,簡單巖漿鋯石的礦物學特征、Th/U及稀土配分曲線均顯示其典型巖漿成因。實驗得到10顆核部巖漿鋯石的加權平均年齡為824±13 Ma(MSWD=2.2),8顆邊部變質增生鋯石的加權平均年齡為 140.4±3.7 Ma (MSWD=3.4),簡單巖漿鋯石的加權平均年齡為140.5±1.7 Ma(MSWD=2.3)。核部鋯石的年齡與觀音橋巖體的形成時代(823±64 Ma)在誤差范圍內一致(李武顯等,1998)。結合前人研究認為贛北地區燕山期花崗巖屬陸殼重熔型(馬長信和項新葵,1999;張海祥等,1999),因此推測花崗偉晶巖脈中老的巖漿鋯石是燕山期巖漿活動期間觀音橋巖體發生重熔被繼承而來;變質增生邊鋯石與簡單巖漿鋯石的年齡高度一致,且年齡與星子群中高級變質作用的峰期變質年齡142.6±1.5 Ma高度吻合,這一結果表明研究區的巖漿活動發生于140 Ma左右,這期巖漿活動導致了星子群的中低壓中高溫變質。

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圖7 廬山地區花崗偉晶巖脈不同成因鋯石U-Pb諧和圖及加權平均年齡圖Fig.7 Diagrams of U-Pb concordia and weighted average age of zircons with different origin

表3 廬山地區花崗偉晶巖脈中多期不同成因鋯石礦物學、地球化學、年代學特征匯總Table 3 Characteristics of multi-period zircons from pegmatite dikes in the Lushan area

樣品 LS-9中鋯石發育典型的海綿狀結構,Th/U=0.01~0.04,普通Pb和U含量偏高,稀土配分曲線平緩,顯示典型的熱液鋯石特征。熱液鋯石的發現及報道在星子地區多年的研究中屬首次,具有重要意義。熱液成因鋯石近年來成為國內外研究的熱點之一,關于熱液鋯石的分類及成因已取得了一些成果(Tomaschek et al.,2003;Hoskin,2005;Pettke et al.,2005;朱永峰和宋彪,2006;Geisler et al.,2007;張必龍等,2011)。海綿狀結構熱液鋯石是典型的流體溶解–再沉淀的結果,Tomaschek et al.(2003)認為這種作用發生于高壓低溫變質環境下,但Pelleter et al.(2007)、包志偉等(2009)及張必龍等(2011)報道在巖漿熱液環境中也能形成這類鋯石。實驗得到LS-9中熱液鋯石Tera-Wasserburg圖上得到不一致曲線的交點年齡為 123.9±8.2 Ma。由于海綿狀結構鋯石是原生鋯石經巖漿演化后期的熱液淋濾、溶解改造而成(張必龍等,2011),將得到的鋯石年齡與其U含量進行相關性分析,發現二者間呈負相關,表明其原生鋯石的U-Pb體系在后期改造中遭到了破壞,其原生鋯石的形成年齡應早于實驗得到的~123 Ma,可能也形成于~140 Ma巖漿活動期間。綜合得到的年齡信息,認為研究區在140 Ma左右發生過一次較為強烈的巖漿活動。

4.2 變形時代

星子群頂部及上覆新元古代蓋層中變形構造發育,由星子群頂部向蓋層方向依次發育順層韌性剪切變形帶和順層韌性剪切固態流變褶皺變形帶(順層流褶帶)(任升蓮等,2014),總體表現為從星子群頂部向上由結晶塑性向韌性–脆性過渡(尹國勝和謝國剛,1996;任升蓮等,2014)。關于強烈構造變形事件的時代,尹國勝和謝國剛(1996)等對處于變形帶中的偉晶巖和石英脈進行K-Ar年代學研究,白云母K-Ar給出了130 Ma左右的年齡,全巖K-Ar年齡給出 100~120 Ma及<100 Ma兩個年齡段;Lin et al.(2000)分別對星子群與上覆震旦系接合面石英砂巖和星子群頂部韌性剪切帶中的同構造白云母進行Ar-Ar定年,得到40Ar/39Ar年齡變化范圍分別為113.4~125.7 Ma 和 125.6±1.2 Ma;朱清波等(2010)得到星子群頂部韌性剪切帶內同構造白云母的40Ar/39Ar年齡為 140.4±1.7 Ma。

本次對變形花崗偉晶巖脈進行鋯石 U-Pb定年,得到其侵位時代為 140.5±1.7 Ma,指示研究區構造變形事件的發生應不早于這一年齡,結合前人的研究成果認為研究區的構造變形事件發生在 140 Ma左右,與研究區中生代的巖漿活動同步。

5 結論

本次研究對侵位于星子群片巖中的糜棱巖化變形花崗質偉晶巖脈進行了詳細的鋯石年代學研究,發現巖脈中存在有3期不同成因的鋯石:

(1) 加權平均年齡為 824±13 Ma的繼承巖漿鋯石,這些鋯石是星子變質穹窿核部的新元古代觀音橋巖體發生部分熔融時被新形成的巖漿房繼承而來,這一年齡為該巖體的侵位時間提供了更加精確的限定;

(2) 加權平均年齡為140.5±1.7 Ma的大量簡單巖漿鋯石及相應同時形成的變質增生鋯石,這一年齡與星子群中高級變質作用的峰期變質時代高度吻合,不僅表明研究區的巖漿活動發生于140 Ma左右,而且指示正是這期巖漿活動導致了星子群的中低壓中高溫變質作用。另外,由于偉晶巖脈發生了較為強烈的韌性變形,認為研究區的構造變形事件應不早于巖脈的侵位,綜合已有研究成果認為研究區的構造變形事件與中生代的巖漿活動同步。

(3) 得到大量年齡在~123 Ma左右的海綿狀結構熱液鋯石,由于此類鋯石是由原生鋯石經巖漿演化后期熱液淋濾、溶解作用改造而成,其原有的U-Pb體系已發生破壞,認為其鋯石形成年齡應早于~123 Ma,可能也形成于~140 Ma巖漿活動期間。

致謝:本次實驗工作得到了中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室電子探針室鄭曙老師和激光剝蝕電感耦合等離子體質譜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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