贛中南城加里東期花崗閃長巖成因:來自LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學及巖石地球化學的制約

楊慶坤,華 琛,于玉帥,張小亮

(1.東華理工大學 江西省數字國土重點實驗室,南昌 330013;2.中國地質調查局武漢地質調查中心,武漢 430205;3.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院,北京 100083)

在460～400 Ma,全球板塊運動活躍,存在準同期的造山活動,稱為加里東期造山。該期對華南大陸的早古生代地質演化影響巨大,造成了大規模花崗巖化與巖漿侵入。華南加里東期造山的構造演化和動力學機制是構建華南古生代地質演化的基礎。任紀舜[1]認為晉寧期之后,“揚子板塊”和“華夏板塊”之間發生過裂解作用,但該運動并未切穿巖石圈。Zhan等[2]、Rong等[3-5]和戎嘉余等[6]認為奧陶紀“揚子板塊”與“華夏板塊”之間存在一個棲息在以陸殼為基底的已知最深水的底棲群落,因此推斷“揚子”和 “華夏”之間并不存在洋殼盆地。但是,劉英會等[7]通過對華夏板塊地球物理場的研究,認為其應由多個古陸塊組成。萬天豐[8]認為華夏板塊在印支期與揚子板塊拼合之前,亦分散為多個古陸。舒良樹[9]通過對江南造山帶蛇綠混雜巖等巖石的年代學特征分析,指出在新元古代形成之后華夏板塊裂解產生了浙南-閩北、贛中-贛南和云開大山3個小陸塊。Guo等[10]通過對江西相山地區青白口紀基底變質巖碎屑鋯石年齡與揚子板塊、華夏板塊前寒武紀年齡譜的對比研究發現,江南造山帶在770 Ma應該發生了裂解,而且這次拉張作用較強,切穿了巖石圈,由此,華夏板塊肢解形成多個次級古陸。在印支期,組成華夏板塊的多個次級古陸向北運動,同揚子板塊發生了再次拼合[11-12]。部分學者認為華南加里東期造山屬于陸內造山,其驅動力可能來自于周緣板塊碰撞的遠程效應[13-14], 亦有部分學者認為華南加里東期造山存在板塊構造體制下的俯沖碰撞造山, 是揚子和華夏板塊之間的華南洋殘留盆俯沖閉合背景下造成的結果[15-16]。這些爭論在一定程度上影響了對華南地質的研究步伐。與華南燕山期花崗巖研究程度相比,加里東期花崗巖的研究較為薄弱。近年越來越多的學者認為:華南加里東期花崗巖與燕山期大規模的鈾鎢錫等多金屬成礦事件之間存在一定的聯系[17-18]。研究區恰好位于揚子板塊和華夏板塊結合帶的東南緣,因此在該地區開展華南加里東期花崗巖類構造背景的研究,對完整理解華南巖石圈的形成與演化具有重要意義。

1 區域地質背景

我國加里東期花崗巖主要分布在武夷山脈的贛中-閩西一帶,北以江紹斷裂帶與揚子板塊東南緣江南新元古代造山帶相鄰,南以政和-大埔斷裂帶與東南沿海晚中生代花崗質火山-侵入雜巖帶相接。研究區位于揚子板塊與華夏板塊拼合構造帶(欽杭結合帶)東南緣,遂川-德興深斷裂和鷹潭-安遠深斷裂分別從其北西側和東南側經過(圖1)。研究區處于江西省中部,礦產資源豐富,是贛中重要的熱液型多金屬成礦遠景區之一。

研究區內廣泛出露元古宙變質巖,以震旦系-南華系的洪山組(NhZ1h)為主,為一套高綠片巖相-低角閃巖相變質地層,變形變質作用強,部分出現巖漿深熔邊緣混合巖,殘留少量寒武系外管坑組(∈1-2w)。白堊系以茅店組和周田組為主,多分布在研究區的東部,與下伏地層呈斷層接觸,以紫紅色復成分細礫巖和含礫砂巖為主。研究區位于華夏侵入巖區武夷復式花崗巖帶,巖漿活動強烈,加里東期、華力西-印支期、燕山期均有巖漿活動。區內基性、中基性巖類零星出露,多呈巖脈狀產出,主要巖石類型有閃長巖、閃長斑巖、輝長巖、輝綠巖等。

2 研究區巖體特征

研究區位于撫州市東南50 km處，花崗巖多呈北東向展布, 少數呈北北東向延伸, 以志留紀的花崗閃長巖為主(圖2),巖體與前寒武紀變質地層呈明顯侵入接觸關系, 接觸界面清晰, 呈港灣狀、巖枝狀侵入, 巖體內部見較多變質巖殘留體, 無細粒邊, 圍巖未見明顯角巖化, 但往往發育幾十米至千余米寬窄不等的邊緣混合巖。 邊緣混合巖呈帶狀分布于巖體外側或呈穹隆狀、 團塊狀分布于隱伏巖體頂蓋, 由花崗質脈體和變質巖基體組成條紋條帶狀構造、 陰影狀構造(圖3), 反映巖體形成和侵位深度較大, 與圍巖(變質巖)基本處于大致相近的溫壓條件, 屬熱侵位模式。 花崗巖與侏羅紀、 白堊紀等沉積蓋層呈斷層接觸關系,局部可見早侏羅世地層水北組呈角度不整合關系覆蓋其上。

圖1 華南加里東期花崗巖分布略圖(據孫濤[19]修改; 年齡數據據文獻[20])Fig.1 Distribution of Caledonian granite in South China1—走滑斷裂;2—欽杭成礦帶分界線與斷裂;3—加里東期花崗巖;4—成巖年齡;Ⅰ—欽杭成礦帶北帶;Ⅱ—欽杭成礦帶主(中)帶;Ⅲ—欽杭成礦帶南帶

3 分析測試方法

3.1 主、微量元素分析

本次選取4件新鮮巖石樣品,經破碎→磨碎(200目, 0.074 mm), 全巖主、 微量元素的分析在核工業北京地質研究院分析測試研究中心完成。 主量元素分析采用荷蘭飛利浦PW2404 X射線熒光光譜法(XRF)和化學分析法(CA), 具體測試過程見Norrish等[21]; 微量元素和稀土元素分析采用德國Finnigan MAT的HR-ICP-MS(ELEMENT XR), 測試方法依據《電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)分析方法通則》(DZ/T 0223—2001),具體測試過程見Qu 等[22]。

3.2 LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年

鋯石樣品的分離、 挑選由廊坊市科大巖石礦物分選技術服務有限公司完成; 鋯石制靶、 陰極發光(CL)圖像分析(Mono CL3+)在南京求實地質科技有限公司完成;LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成。詳細的測試/分析方法及流程可參考Jackson等[23]及Griffin等[24]。U-Pb同位素質量分餾采用澳大利亞鋯石標樣GEMOCGJ-1(608.5±1.5 Ma)的實測結果[23]來校正, 鋯石標樣采取Mud Tank(732±5 Ma)[25]作為盲樣, 以控制分析測試精度。 U-Pb年齡和U、 Th的計數由GLITER軟件(ver.4.4)在線獲得。 因為204Pb的信號強度極低, 以及受到載氣過程中204Hg的干擾, 該方法不能直接精確測定其含量, 因此, 普通Pb的矯正使用嵌入Excel的ComPbcorr#3-15G程序來進行[26], 不過絕大多數樣品點的普通鉛含量很低, 校正與否幾乎沒有影響。 數據處理采用Isoplot軟件[27]。

4 分析結果

4.1 巖相學特征

整體上,巖石結構較均一,靠近圍巖粒徑較細,核部粒徑較粗,灰白色,呈中細粒-中粗粒花崗結構, 塊狀構造(圖3)。 主要礦物成分有斜長石(61%～42%)、 鉀長石(12%～18%)、 石英(22%～23%)、 黑云母(6%～21%), 副礦物有磁鐵礦、 榍石和鋯石。 次生礦物有絹云母、 綠泥石、 褐鐵礦及粘土礦化。 斜長石粒徑為1.6 mm×0.6 mm～3.6 mm×2.4mm, 多呈自形-半自形板狀結構, 最大可達6.5 mm×4.5 mm, 具鈉長石雙晶, 部分有絹云母化; 鉀長石呈他形粒狀結構, 粒徑為1.2 mm×0.8 mm～2.8 mm×2.2 mm, 具格子狀雙晶; 石英呈他形粒狀結構, 粒徑1.3 mm×1.1 mm～2.5 mm×2.3 mm; 黑云母呈他形片狀, 大小0.6 mm×2.3mm～1.2 mm×1.8mm。 副礦物磁鐵礦呈他形粒狀, 多與黑云母緊密共生。

4.2 測年結果

所測樣品中的鋯石均呈柱狀自形晶,無色透明或淡黃色,CL圖像上可以看到清晰的巖漿結晶鋯石的環帶現象(圖4),少量鋯石邊部呈現暗黑色,可能是鋯石中含有較高的U和Th導致的。 U-Pb同位素測年數據見表1, LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡見圖5。鋯石長112～189 μm,長寬比大多為3∶1～6∶1,對所選取的21粒鋯石進行了U-Pb同位素分析,這些鋯石的U含量在(744～147)×10-6,Th為(568～47)×10-6。一般認為，巖漿成因鋯石具較高的Th/U值(通常為0.1～1.0)[25],而變質鋯石的Th/U值相對較低(小于0.1)[28-30], 本次所測鋯石樣品的Th/U=0.12～0.76,其U-Pb同位素組成在誤差范圍內諧和,樣品在諧和圖中206Pb/238U諧和年齡一致,206Pb/238U加權平均年齡為413.8±2.3 Ma(置信度95%)。

圖4 代表性鋯石CL圖像及206Pb/238U年齡Fig.4 CL images and 206Pb/238U ages for representative zircons

4.3 巖石地球化學特征

贛中南城加里東期花崗巖代表性樣品的主、 微量元素測試結果見表2、 表3。 該套花崗巖SiO2含量較低, 為67.81%～68.42%, 平均為68.16%; 貧鎂和錳(MgO含量為0.63%～0.65%, 平均為0.64%; MnO為0.03%～0.04%, 平均為0.03%); 堿總量中等(Na2O+K2O為6.46%～6.62%, 平均為6.54%), 相對富鈉(K2O/Na2O=0.2);A/CNK=1.66～1.71, 平均1.69, 遠大于1.1, 表明其屬于強過鋁質花崗巖; 分異指數DI=73.5～74.7, 平均為74.1; 里特曼指數σ為1.67～1.74(平均1.71), (Na+K)/Al(原子數比)=0.565～0.574(平均0.57), 堿鋁比值小于0.90, 屬堿不飽和系列; 巖石含鐵指數較低(TFeO/(TFeO+Mg)=0.63～0.65)。 隨著花崗巖SiO2含量增加,DI、 鋁飽和指數、 堿含量(K2O+Na2O)和K2O/Na2O值均呈正相關關系(圖6)。

表1 研究區花崗閃長巖中鋯石LA-ICP-MS分析結果(樣品HP17-2)Table 1 Analysis results of LA-ICP-MS zircon U-Pb ages for granodiorites in study area

圖5 LA-ICP-MS鋯石U-Pb諧和圖Fig.5 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia plots for granodiorite in study area

表2 研究區花崗閃長巖全巖主量元素含量

Table 2 Contents of major elements of granodiorites in study areawB/%

表3 研究區花崗閃長巖全巖微量元素含量

Table 3 Contents of trace elements of granodiorites in study areawB/10-6

樣品號LiBeScVCrCoNiCuZnGaRbSrYMoCdInSb HP17-119.42.764.5114.89.112.515.133.7642.017.960.75445.620.6290.0650.0260.202 HP17-215.82.574.3412.37.692.893.974.8638.017.767.14875.110.6950.0640.0200.106 HP17-318.22.925.5813.45.792.393.673.1137.618.664.55576.280.2670.0740.0260.058 HP17-417.22.334.8513.85.632.43.693.1336.917.564.85085.820.3210.0680.0300.052 樣品號LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuWReTl HP17-117.929.23.1010.301.781.291.860.2281.130.1690.5670.0740.4440.0671.200<0.0020.253 HP17-212.422.62.239.271.421.211.260.1860.860.1470.5060.0800.4560.0731.190<0.0020.278 HP17-314.225.92.769.431.431.351.360.2041.070.2040.6060.1130.7400.1090.528<0.0020.239 HP17-412.118.72.058.011.211.391.070.1831.020.1740.6570.0980.6240.1020.567<0.0020.253 樣品號CsBaPbBiThUNbTaZrHfΣREELREEHREELREE/HREE(La/Yb)NδEuδCe HP17-14.7610620.80.0123.6401.2806.3500.478841.5468.1163.574.5414.0127.242.150.85 HP17-24.8910819.20.0083.4001.1306.6300.419811.2852.7049.133.5713.7618.382.710.94 HP17-35.6311825.90.0444.3401.6607.0400.4381282.6859.4855.074.4112.5012.972.920.92 HP17-44.6211120.30.0103.1600.9836.4300.4231382.3947.3943.463.9311.0613.103.660.82

巖石總體上均表現為富堿、 貧硅、 貧鈣、 貧鎂的特征。 在SiO2-(Na2O+K2O)圖解(圖7)中, 所有點投影于亞堿性花崗閃長巖中, 在SiO2-K2O圖(圖8)中顯示具有低鉀(拉斑)系列特征。 在A/CNK-A/NK圖解(圖9)中, 樣品主要集中在過鋁質。 所有樣品均具有相似的REE配分曲線(圖10), 曲線右傾, Eu正異常明顯(δEu=2.15～3.66)； ∑REE含量較低,為47.39×10-6～68.11×10-6, 平均56.92×10-6； 輕稀土富集明顯, (La/Yb)N=12.97～27.24, 平均為17.92。 在微量元素原始地幔標準化圖解上(圖11), 巖石均虧損大離子親石元素Ba及高場強元素Nb、 Ta等, 富集Rb、 Th、 U、 Pb、 Sr等大離子親石元素。

5 討 論

5.1 巖石年齡

本次測得贛中南城加里東期花崗巖的成巖時代為413.8±2.3 Ma。筆者通過總結華南地區加里東期花崗巖成巖年齡和其大地構造屬性等特征發現,華南加里東期花崗巖可分為早期和晚期,但在許多規模較大的加里東期花崗巖基內部往往既有早期又有晚期巖體,說明其具有多階段特征,而且兩期花崗巖大地構造屬性差異較大。華南加里東期構造-巖漿活動主要集中在420～460 Ma(圖12),其規模至少涉及湖南、江西、福建以及廣東等省。加里東期華夏板塊內的片麻狀花崗巖和混合巖的成巖年齡明顯早于塊狀花崗巖,而揚子板塊的塊狀花崗巖的成巖年齡要晚于華夏板塊塊狀花崗巖年齡,說明揚子板塊和華夏板塊在加里東期大地構造屬性不一致。多數學者認為華南加里東期花崗巖呈現與加里東期褶皺構造線一致的北東向線狀分布特征,但是通過圖1可以看出,其主要呈面狀展布。

5.2 巖石成因

前人多認為華夏板塊加里東期花崗巖為一套準鋁質-過鋁質S型或I型花崗巖,巖石地球化學特征與基底變質巖系相似,沒有明顯的幔源物質加入[37-40]。在花崗巖類型判別圖解(圖13)中,贛中南城加里東期花崗巖樣品均落在I型和S型花崗巖混合區域范圍內。Patino Douce[41]認為各類花崗巖之間差異性的存在主要與熔融的源區組成和壓力有關。Barbarin[42]指出花崗巖有3種源區:地幔、地殼和殼幔混合,其認為過鋁質花崗巖是殼源的,鈣堿性花崗巖是混合源的,堿性和過堿性花崗巖是幔源的。王德滋等[43]認為花崗巖主量元素的質量分數(或分子數)可以用來區分其巖漿類型,I型和S型花崗巖具有鈣堿性系列特征,而A型花崗巖則具有堿質系列特征,通過鋁飽和指數(A/CNK)參數可以進一步區分I型和S型花崗巖,如果花崗巖A/CNK>1.1,其為強過鋁質, 屬于S型花崗巖。研究區加里東期花崗巖鋁飽和指數A/CNK=1.66～1.71, 平均為1.69>1.1。 由于K2O和Na2O是主量元素中最容易熔融的組分, 在地幔和地殼中的含量差別明顯, 因此可以用K2O和Na2O含量來判別花崗巖類型, 殼源沉積巖成因的S型花崗巖一般 K2O/Na2O>1, 而研究區花崗巖K2O/Na2O≈0.204～0.201, 平均值為0.202<1。

圖6 主要巖石地球化學參數及REE與SiO2變化關系圖(h底圖據Frost等[31])Fig.6 Major petrochemical parameters and REE vs. SiO2 plots for granites in study area

圖7 花崗巖TAS分類圖(底圖據Middlemost[32])Fig.7 TAS classification for the granites in study area1—橄欖輝長巖;2a—堿性輝長巖;2b—亞堿性輝長巖;3—輝長閃長巖;4—閃長巖;5—花崗閃長巖;6—花崗巖;7—硅英巖;8—二長輝長巖;9—二長閃長巖;10—二長巖;11—石英二長巖;12—正長巖;13—副長石輝長巖;14—副長石二長閃長巖;15—副長石二長正長巖;16—副長正長巖;17—副長深成巖;18—霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖;Ir—Irvine 分界線,上方為堿性,下方為亞堿性

圖8 SiO2-K2O圖 (實線據Peccerillo等[33]; 虛線據Middlemost[32])Fig.8 SiO2-K2O diagram

圖9 A/CNK-A/NK圖(底圖據Maniar等[34])Fig.9 A/CNK-A/NK diagram

圖10 稀土元素配分模式(標準化數據引自Sun等[35])Fig.10 Chondrite-normalized REE patterns

圖11 微量元素蛛網圖(標準化數據引自Wood[36])Fig.11 Primitive mantle basalt-normalized trace element spidergram

圖12 華南加里東期花崗巖年代學數據統計 (據朱清波等[37])Fig.12 Statistics of different chronologic data from Caledonian samples

圖13 花崗巖類型判別(底圖據Whalen等[49])Fig.13 Granite type discriminant

可看出, 兩組主量元素數據A/CNK和K2O/Na2O值所指示的花崗巖類型出現了矛盾。 綜上所述, 研究區加里東期花崗巖源區復雜。

張旗等[44-46]認為花崗巖的形成壓力可以通過其殘留相組成和微量元素Sr、 Yb含量來推斷。 贛中南城加里東期花崗巖體的樣品中Sr含量較高, 而Yb含量較低。 通過對花崗巖Sr-Yb分類圖(圖14)進行投點, 其主要位于I區的Sr/Yb=800的分類線上方。 張旗等[45]認為高Sr低Yb型花崗巖的REE分布是LREE富集型, 并將其分為3類:1)HREE強烈虧損, 無銪異常或有正銪異常, 暗示源區由石榴石+輝石組成, 殘留相為榴輝巖; 2)HREE具平坦型的分布,說明源區可能有角閃石殘留(石榴石+輝石+角閃石), 殘留相為角閃榴輝巖或含角閃石的輝石巖; 3)HREE虧損或平坦型, 有弱的負銪異常, 說明殘留相可能有少量斜長石存在, 殘留相為含斜長石的榴輝巖或麻粒巖, 或殘留相中無斜長石存在,而熔體中的斜長石發生了分離結晶作用。研究區加里東期花崗巖具有明顯的HREE虧損、δEu正異常以及Sr富集現象,說明巖漿源區應以殼源沉積巖為主,并有地幔物質參與。結合研究區加里東期花崗巖源區類型判別圖(圖15),可以看出該套花崗巖應該具有殼幔混合特征,與華夏板塊加里東期花崗巖主要的殼源屬性有一定的差別。

圖14 花崗巖Sr-Yb分類圖(底圖據張旗等[44-45])Fig.14 Sr-Yb classification of granites Ⅰ—高Sr低Yb型;Ⅱ—低Sr低Yb型;Ⅲ—高Sr高Yb型;Ⅳ—低Sr高Yb型;A—鈉質系列的壓力增高路線;B—鉀質系列的壓力增高路線

圖15 花崗巖類型源區判別(底圖據Alther等[50])Fig.15 Granite type discriminant

5.3 構造背景

產出花崗巖的大地構造環境和位置對研究其成因類型等有著重要的指示作用。前人對華南加里東期花崗巖形成的大地構造背景進行了諸多研究,對于其形成于造山運動機制下似乎已經達成了共識[51-53],但關于其屬于陸內造山還是陸間造山(即造山時古陸之間是否存在洋盆)尚存較大爭議,其構造演化歷史研究程度亦較低。部分學者認為華南加里東期存在洋盆,并由多個古陸組成[54],亦有部分學者認為華南加里東期無洋盆分隔[51-53]。Yao等[55]認為430 Ma左右可能是加里東期造山帶構造體制轉換的時間,早期和晚期的構造環境不同,而且不同區域之間也有差異。華南加里東早期花崗巖以混合巖、片麻狀花崗巖和片麻巖為主,多形成于同碰撞擠壓構造環境,而晚期以塊狀花崗巖為主,多形成于后造山伸展拉張背景[17,56]。

張芳榮等[57]收集了大量的研究區周邊撫州和廣昌地區范圍的加里東期花崗巖巖石地球化學數據, 將其投影在TFe/(TFe+MgO)-SiO2判別圖和Rb-(Y+Nb)圖解(圖16)中,可看出:加里東早期和晚期花崗巖成巖大地構造背景具有一定的差異性, 早期以造山期擠壓環境為主, 晚期以后造山伸展環境為主。但是研究區贛中南城加里東晚期花崗巖卻與該現象相反,主要集中在火山弧花崗巖或者火山弧花崗巖+弧花崗巖+大陸碰撞花崗巖范圍內。圖17顯示其具有板塊碰撞前消減地區花崗巖特征,指示了研究區在加里東晚期的板片俯沖背景，說明加里東晚期贛中南古陸大地構造環境并不一致, 其可能由多個尚未拼合的次級微陸塊組成,在該時期這些微陸塊之間存在殘留的大洋盆地[7-8,60], 亦或與武夷山古陸向西與其不均一性俯沖碰撞有關。

圖16 花崗巖構造環境判別圖解(a底圖據Maniar等[34]; b底圖據Pearce等[58])Fig.16 Structural environment discriminant RRG—與裂谷有關的花崗巖類；CEUG—大陸造陸隆升花崗巖;POG—后造山花崗巖類;IAG—島弧花崗巖類;CAG—大陸弧花崗巖類;CCG—大陸碰撞花崗巖類;Syn-COLG—同碰撞花崗巖;Post-COLG—后碰撞花崗巖;VAG—火山弧花崗巖;WPG—板內花崗巖;ORG—洋中脊花崗巖

圖17 花崗巖構造環境判別圖解(R1-R2) (底圖據Batchelor等[59])Fig.17 Structural environment discriminant1—幔源花崗巖; 2—板塊碰撞前消減地區花崗巖; 3—板塊碰撞后隆起花崗巖; 4—晚造山期花崗巖; 5—非造山期花崗巖; 6—同碰撞花崗巖; 7—造山后期型花崗巖; R1=4Si-11(Na+K)-2(Fe+Ti); R2=6Ca+2Mg+A

6 結 論

(1)贛中南城加里東晚期花崗巖總體上表現為富堿、貧硅、貧鈣、貧鎂的特征,具有強過鋁質性質和低鉀(拉斑)系列特征。REE配分曲線具有右傾特征,Eu正異常明顯,虧損Ba、Nb、Ta等元素,富集Rb、Th、U、Pb、Sr。∑REE含量較低,輕稀土富集明顯。具有高Sr低Yb型花崗巖特征,巖漿來源具有殼幔混合特征。

(2)通過對研究區加里東期花崗閃長巖侵入體進行LA-ICP-MS 鋯石U-Pb測年,得到413.8±2.3 Ma年齡,成巖時間與華南地區加里東晚期塊狀花崗巖成礦時間一致,但與該時期贛中南古陸其他區域花崗巖形成的大地構造背景差異性較大,說明贛中南古陸在該時期的大地構造屬性并不均一,其可能由多個尚未拼合的次級古陸組成,或者可能與武夷山古陸向西與其不均一性俯沖碰撞有關。