桂東南馬山玄武巖年代學、地球化學特征及成因意義

劉 迪,康志強,許繼峰,陳林華,韋乃韶,韋天偉,李岱鮮,陳 歡,曹 延,劉冬梅,周 桐

(1.桂林理工大學 a.地球科學學院;b.廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發協同創新中心,廣西 桂林 541006;2.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院,北京 100083;3.重慶市地質礦產勘查開發局107地質隊,重慶 401120)

0 引 言

自早古生代以來, 華南地區經歷了加里東運動、 印支運動和燕山運動, 構造、 巖漿活動十分發育[1-8]。 相對于加里東期和燕山期, 對華南地區印支期巖漿活動研究相對薄弱, 其構造背景存在明顯分歧, 主要有兩種認識: ①Hsü等[9]從大地構造學角度認為華南存在三疊紀碰撞造山帶, 是揚子與華夏板塊之間的大洋(南盤江洋)閉合造成的; 張伯友等[10]提出在粵桂交界處有古特提斯洋的分支洋盆, 在晚二疊世—早三疊世消減最終于晚三疊世閉合;吳根耀等[11]認為馬山玄武巖屬于印支期洋島玄武巖, 為桂東南地區屬于古特提斯造山帶東延提供了證據。②華南大陸的印支期構造屬于陸內造山作用[12-14]。桂東南地處特提斯構造域和環太平洋構造域的交匯部位,位于揚子和華夏兩大塊體接合部(欽杭結合帶)[15]的西南段,受揚子、華夏和印支三大板塊聯合作用,對探討華南大地構造演化具有十分重要的區位優勢。鉀玄質巖石是一類高堿、高Na2O/K2O值、低TiO2、A12O3含量高且變化范圍大、強烈富集大離子親石元素和輕稀土元素的巖漿巖[16],主要形成于大陸弧、后碰撞弧和島弧環境,只有極少數鉀玄巖產于與俯沖作用無關的板內環境,故研究其成因對于區域構造演化具有重要的指示意義。近年來,一些學者在桂東南地區陸續發現一些中基性和酸性富堿的鉀玄質巖體[17],前人對桂東南馬山雜巖體也開展了大量的年代學和元素地球化學研究工作,但主要集中在燕山期的中酸性巖[18-21],而對于印支期馬山玄武巖的研究較為薄弱,缺乏系統的研究。本文通過對桂東南馬山玄武巖鋯石U-Pb精確年齡的測定,結合地球化學及Sr-Nd同位素資料,探討其成因和形成的構造背景,為華南早中生代的動力學背景研究提供依據。

1 區域地質概況及巖相學特征

馬山雜巖體位于桂東南六萬大山內, 分布于橫縣馬山鄉至貴港市木梓鎮一帶(圖1), 巖體呈北北東向橢圓狀展布, 出露面積約為93 km2。 巖體北西側侵入寒武系黃洞口組淺變質砂巖和泥盆系蓮花山組雜砂巖之中, 在外接觸部位可見明顯的角巖化; 其東南側主要與泥盆系呈斷層接觸; 南端侵入泥盆紀地層和印支期大容山花崗巖體之中[22]。 整個雜巖體由基性、 中性和酸性巖組成, 主要為黑云母花崗巖、 花崗閃長巖、 普通角閃正長巖、 閃長巖、 安山玢巖、 玄武玢巖、 玄武巖等。

本文樣品采自木梓鎮石牛嶺采石場, GPS定位坐標N22°45′40.8″、 E109°35′11.8″, 巖性主要為玄武巖。該玄武巖為灰綠色, 野外常見塊狀構造, 具斑狀結構。 鏡下鑒定斑晶主要為角閃石、 斜長石, 斑晶含量約為20%～25%。角閃石呈自形,可見2組清晰的解理,粒徑為0.2～0.8 mm。斜長石為半自形板狀,蝕變較強烈,呈絹云母化,但有些可見聚片雙晶,粒徑在0.5～2.0 mm。基質(72%～77%)為間粒間隱結構, 主要為細小的斜長石微晶、 暗色礦物微晶不定向排列; 磁鐵礦(3%)呈他形粒狀壓蓋在其他礦物之上, 是最晚期形成的產物,充填在板狀斜長石等礦物之間(圖2)。

圖1 廣西橫縣馬山玄武巖分布略圖(a據文獻[7]修改; b據文獻[11]修改)Fig.1 Simplified map showing the distribution of Mashan basalt in Hengxian, Guangxi

2 分析方法

鋯石的挑選和制靶在河北省廊坊市尚藝巖礦檢測有限公司完成。CL顯微圖像、透反射光照片在重慶宇勁科技有限公司拍攝。鋯石U-Pb定年測試分析在桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室內完成,分析儀器為激光電感耦合等離子質譜儀(LA-ICP-MS),激光取樣系統New Wave 213 nm與Agilent 7500cx ICP-MS連接。本次測試采用的激光束斑直徑為24 μm,用標準鋯石Temora作為年齡外標,硅酸鹽玻璃NIST610作為元素含量外標。年齡數據處理通過軟件ICPMSDataCal 7.2[23]進行,普通Pb校正用Andersen方法[24]處理,其他的圖件使用程序Isoplot 3.2[25]完成。詳細的儀器操作條件和數據處理方法參見文獻[26-27]。U-Pb同位素分析結果見表1。

主量元素、微量元素分析測試在廊坊市中鐵物探勘察有限公司進行。主量元素采用堿熔玻璃片XRF法分析, 微量元素采用酸溶法, 用Agilent 7500cx型ICP-MS分析。 主量元素分析精度好于5%,微量元素分析精度優于10%,相關分析方法和程序參考文獻[28],分析結果見表2。Sr、Nd同位素測試在桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室完成。用陽離子樹脂分離Rb、Sr和REE,用HDEHP進一步分離Sm和Nd。Sr-Nd同位素用Neptune Plus型多接收器等離子質譜儀(MC-ICP-MS)測定。87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9校正。詳細的Sr-Nd同位素分析方法見梁細榮等[29]。

圖2 馬山玄武巖薄片照片(+)Fig.2 Micrographs of Mashan basalt samples Pl—斜長石;Mag—磁鐵礦;Hbl—普通角閃石

表1 馬山玄武巖(17SNL-02)鋯石U-Pb同位素測定結果
Table 1 Results of zircons U-Pb isotope from Mashan basalt

點號wB/10-6UThPbTh/U同位素比值207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ年齡/Ma207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ041 93733683.990.170.232 30.011 40.038 70.000 621292453 0781216735.260.210.267 90.020 40.038 80.000 8241162455 081 30042861.60.330.239 60.011 90.040 50.000 7218102564 0978623936.780.300.305 10.022 80.039 60.000 8270182505 111 63534873.390.210.244 80.013 70.038 00.000 7222112404 1263417430.150.280.295 30.022 30.040 40.001 0263172556 131 03631947.830.310.245 40.014 10.037 60.000 7223122384 1478319536.470.250.253 80.017 50.039 20.000 8230142485 1669117532.890.250.294 70.024 00.038 40.000 9262192436 1779517838.360.220.235 70.016 50.039 70.000 8215142515 2076517836.940.230.232 80.014 40.040 30.000 7212122554 2684516537.570.200.256 60.016 60.038 00.000 8232132405 271 35561565.60.450.270 30.015 50.039 00.000 7243122474 281 40537268.30.260.260 60.013 60.039 90.000 6235112534 291 21617753.010.150.247 00.014 00.037 00.000 7224112344 3072116533.230.230.279 50.018 90.039 20.000 8250152485

3 分析結果

3.1 鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡

樣品17SNL-02中鋯石多數呈短柱-長柱狀,震蕩環帶清晰可見(圖3a)。 顆粒長50～140 μm, 寬50

～80 μm, 鋯石U的含量為(634～1 405)×10-6, Th為(165～615)×10-6, Th/U值為0.15～0.45, 具有巖漿鋯石的特征。 對17SNL-02樣品中30顆鋯石進行了分析測試, 剔除了年齡明顯過老的屬于繼承鋯石的分析點和諧和度過低的分析點后, 剩余16個分析點的206Pb/238U年齡加權平均值為246.1±5.5 Ma(MSWD=0.36)(圖3b),代表馬山玄武巖的形成時代為早三疊世。

3.2 主量元素

表2 桂東南馬山玄武巖全巖主量(wB/%)、微量元素(wB/10-6)分析測結果Table 2 Major elements and trace elements analyses results for Mashan basalt from southeast Guangxi

圖3 馬山玄武巖鋯石CL圖像(a)及U-Pb諧和圖(b)Fig.3 CL images (a) and zircon U-Pb concordant diagrams(b) of Mashan basalt

圖4 馬山玄武巖Zr/TiO2-Nb/Y圖解(a， 底圖據文獻[30])和K2O-SiO2圖解(b， 底圖據文獻[31])Fig.4 Zr/TiO2-Nb/Y(a) and K2O-SiO2(b) diagrams of Mashan basalt

3.3 微量元素

馬山玄武巖稀土元素總量 (∑REE)較高, 為(234.18～339.88)×10-6。 在球粒隕石標準化REE配分圖上(圖5a), 總體表現為輕稀土富集,重稀土虧損的右傾型分布模式, (La/Yb)N為11.65～19.73, 表明馬山玄武巖輕重稀土分異程度較高。 (La/Sm)N和(Gd/Yb)N分別為3.53～4.92和2.08～2.63,說明輕稀土分餾程度較重稀土要高;δEu為0.97～1.05,無明顯Eu異常。

在微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖5b)中,樣品富集大離子親石元素,特別是明顯富集Rb、Ba、Th、U的特點,無明顯的Nb、Ta負異常。除了一個點外,其他樣品的La/Nb值為0.88～1.02(<1.11),Nb/Zr=0.17～0.24(>0.15),類似于OIB的特征[32]。P和Ti具有微弱的負異常。

3.4 Sr、Nd同位素分析

對6件馬山玄武巖進行了全巖Sr、Nd同位素分析,數據見表3。玄武巖樣品的ISr為0.703 991～0.704 732,εNd(t)值為0.90～1.94, 相應的Nd同位素虧損地幔兩階段模式年齡為0.86～0.95 Ga。εNd(t)落在球粒隕石與虧損地幔之間, 接近球粒隕石演化線(圖6a)。 在ISr-εNd(t)關系圖(圖6b)中, 樣品點主要落在虧損地幔(DM)與富集地幔(EMⅠ)之間且靠近全球硅酸鹽地球(BSE)區域。

圖5 球粒隕石標準化稀土配分模式(a)及原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b) (OIB和球粒隕石標準化值據文獻[33],原始地幔標準化值據文獻[34])Fig.5 Chondrite-normalized REE(a) and primitive-mantle-normalized trace element patterns(b)

表3 馬山玄武巖Sr-Nd同位素組成
Table 3 Sr and Nd isotope data for Mashan basalt

樣號SmNdRbSr147Sm/144Nd143Nd/144Nd2σINdεNd(t)TDM287Rb/86Sr87Sr/86Sr2σISr 17SNL-019.6455.69106.2780.30.104 60.512 58840.512 4191.930.860.393 80.705 82280.704 438 17SNL-029.0448.22135.41 0560.113 30.512 60340.512 4201.940.860.371 00.706 036110.704 732 17SNL-037.7340.34121.5537.30.115 80.512 55350.512 3660.900.950.654 30.706 88380.704 583 17SNL-049.3149.3141.9749.20.114 10.512 58430.512 3991.540.890.548 10.706 400110.704 474 17SNL-068.6146.02175.5689.90.113 10.512 56840.512 3851.270.920.736 10.706 57890.703 991 17SNL-078.9248.67164.6717.40.110 70.512 57940.512 4001.560.890.663 90.706 524100.704 191

注:t=246.1 Ma,TDM2值采用Depaolo等兩階段模式年齡, 單位為Ga。 Sm、 Nd、 Rb和Sr單位為10-6。

圖6 馬山玄武巖εNd(t)-t(a, 底圖據文獻[35])及εNd(t)-ISr(b, 底圖據文獻[36])關系Fig.6 εNd(t)-t (a) and εNd(t)-ISr (b) diagrams of Mashan basalt

4 討 論

4.1 巖體形成時代

吳根耀等[11]根據馬山玄武巖(及泥盆系)被燕山期花崗巖捕虜,認為其形成時代為印支期,但缺乏高精度的測年數據。王曉地[37]對馬山玄武巖進行過年代學研究,得出其年齡為246.7±1.5 Ma。本次工作對馬山玄武巖進行了高精度的LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb定年,獲得其年齡為246.1±5.5 Ma,與前人的推論結果非常吻合,確認其屬于早三疊世巖漿活動的產物。

4.2 巖漿源區及成因

馬山玄武巖的Mg#值為40.88～57.48, 略低于洋中脊拉斑玄武巖的Mg#值(60左右)[38], SiO2含量為43.93%～47.48%, 表明其不可能是由下地殼巖石部分熔融形成, 應該來自于地幔源區。 其Nb/Ta、 Zr/Hf平均值分別為19.41、 42.29, 與原始地幔值(Nb/Ta=17.5、 Zr/Hf=36.27)比較接近, 高于大陸地殼平均值(Nb/Ta=11、 Zr/Hf=33)[39]; Th/La平均值為0.17, 明顯低于大陸地殼的平均值(Th/La=0.28), 稍高于下地殼的Th/La值(Th/La=0.15)[40]; 隨著SiO2含量的增加,ISr無明顯變化, 說明幔源巖漿上侵過程中沒有發生顯著的地殼混染。 比較高的Nb/La值(0.86～1.14)[41]也是沒有受到大規模地殼混染的幔源大陸玄武巖的鮮明特點。 因此, 可以判斷馬山玄武巖源區主要來自地幔,受地殼混染程度較小。

馬山玄武巖的稀土配分圖和蛛網圖(圖5)與OIB的分布曲線模式相似, 同時樣品又具有較高143Nd/144Nd值,εNd(t)值為0.90～1.94,暗示其具有與OIB型源區相似但較為虧損的源區特征。 部分熔融與分離結晶模型(La/Sm-La)顯示(圖8), 馬山玄武巖主要由部分熔融作用形成。 從Ba/Rb-Rb/Sr圖解(圖7a)可以看出, 馬山玄武巖的樣品幾乎都落在金云母的趨勢范圍, 說明玄武巖的源區主要的含水礦物相為金云母。 在(Tb/Yb)N-(La/Sm)N圖解中, 馬山玄武巖樣品落在尖晶石向石榴子石相轉變帶并靠近石榴子石穩定域附近(圖7b)。 地幔中尖晶石相轉變為石榴子石相的轉換深度約為55～70 km[42-43], 而樣品高的Sm/Yb值(2.97～3.61)和較高的La/Yb值(16.2～27.5)也指示其源區可能處于地下80 km深處的石榴石二輝橄欖巖地幔[44-45]。根據上述分析,可以判斷馬山玄武巖的巖漿來源于含金云母的石榴子石橄欖巖的部分熔融。

馬山玄武巖具有相對較低ISr值(低至0.703 99)和相對較低的正εNd(t)值(低至+0.90), 位于DM和EM Ⅰ混合的地幔演化區域,虧損程度較低。顯示其源區可能為早期俯沖作用帶入的地殼物質與虧損地幔或巖石圈地幔不斷交代平衡,漸漸變為富堿、富不相容元素的虧損程度相對較低的地幔[46-48]。

圖7 馬山玄武巖Rb/Sr-Ba/Rb關系(a)及(Tb/Yb)N-(La/Sm)N(b)關系(底圖分別據文獻[49，50])Fig.7 Rb/Sr-Ba/Rb(a) and (Tb/Yb)N-(La/Sm)N(b) diagrams of Mashan basalt

圖8 馬山玄武巖La/Sm-La關系(底圖據文獻[51])Fig.8 La/Sm-La diagram of Mashan basalt

4.3 構造背景

吳根耀等[11]根據主微量元素特征認為,馬山玄武巖是亞速爾型洋島玄武巖,并以此作為桂東南及粵西南地區在印支期屬古特提斯造山帶的證據。但是前人的研究表明,大陸板內鉀玄巖除可能顯示部分島弧型火山巖的微量元素特征外,更多地展示出與OIB相似的微量元素組成[52]。所以只考慮主、微量元素具有OIB特征并不足以證明巖石為“大洋洋島型”,也有可能為具OIB特征的大陸玄武巖[53],它們的OIB特征只是表明這些玄武巖基本沒有受到地殼物質混染的影響。本次研究的馬山玄武巖樣品在MgO-FeOT-Al2O3圖解上主要落在島弧及大陸玄武巖區(圖9a), 在Zr/4-2Nb-Y三角圖解(圖9b)上落在板內堿性玄武巖區或其附近, 在Th/Hf-Ta/Hf大地構造環境的判別圖落在陸內裂谷堿性玄武巖區(圖10),再結合前述地球化學特征,初步判斷馬山玄武巖可能產于板內環境,是在陸內裂谷環境中形成的。

華南地塊印支期的構造演化一直被認為與印支地塊和華南地塊在三疊紀的碰撞造山活動有關[9-11],另外一些學者則強調,華南早中生代時期不存在碰撞造山作用,而以陸內變形占主導地位[12-14]。 郭鋒等[54]認為湖南印支期花崗巖的形成可能為輝長巖漿對中下地殼烘烤重熔的結果,與巖石圈的伸展、減薄有關; 王岳軍等[55]根據數值模擬結果認為, 湖南印支期過鋁質富鉀花崗巖的形成主要受地殼疊置加厚作用所控制; 王強等[56]認為武夷山洋坊霓輝石正長巖形成于印支造山作用結束時的伸展環境。 Sibumasu地塊向印支-華南地塊斜向匯聚的主碰撞期為258～243 Ma[57],馬山玄武巖LA-ICP-MS鋯石的U-Pb年齡為246.1±5.5 Ma,地球化學特征顯示其為鉀玄質巖石, 巖性為堿性玄武巖, 通過構造環境判斷,其產于板內裂谷環境, 同時又遠離Songma碰撞縫合帶及古太平洋板塊向華南大陸之下俯沖帶,所以其形成機制和印支板塊碰撞及太平洋板塊的俯沖作用關系不大。 桂東南地區靈山斷裂、岑溪-博白斷裂、羅定-廣寧斷裂、吳川-四會斷裂等印支期的逆沖-推覆構造十分發育[58-59]。丁汝鑫等[60]測得防城-靈山斷裂在印支期可能發生過大規模的活動, 時間為244.8±0.6 Ma。Lepvrier等[61]通過越南北部與中部韌性剪切帶中同構造礦物(白云母、黑云母)的40Ar/39Ar定年, 得出其塑性變形與高溫變質作用發生在250～240 Ma。 這些構造活動在時間上與馬山玄武巖的年齡非常接近。綜上所述,馬山玄武巖更可能與桂東南地區逆沖-推覆構造后期的伸展作用有關, 由于伸展作用產生有利空間,造成玄武巖漿上侵并噴發而形成。

圖10 馬山玄武巖Th/Hf-Ta/Hf關系 (底圖據文獻[64])Fig.10 Th/Hf-Ta/Hf diagrams of Mashan basalt Ⅰ—板塊發散邊緣N-MORB區; Ⅱ—板塊匯聚邊緣(Ⅱ1—大洋島弧玄武巖區; Ⅱ2—陸緣島弧及陸緣火山弧玄武巖區); Ⅲ—大洋板內洋島, 海山玄武巖及T-MORB、 E-MORB區; Ⅳ—大陸板內(Ⅳ1—陸內裂谷及陸緣裂谷拉斑玄武巖區; Ⅳ2—陸內裂谷堿性玄武巖區; Ⅳ3—大陸拉張帶或初始裂谷玄武巖區); Ⅴ—地幔熱柱玄武巖區

5 結 論

(1)廣西馬山雜巖體中的玄武巖噴發年齡為246.1±5.5 Ma,表明其形成于早三疊世。

圖9 馬山玄武巖MgO-FeOT-Al2O3(a)及Zr/4-2Nb-Y(b)關系(底圖分別據文獻[62,63])Fig.9 MgO-FeOT-Al2O3(a) and Zr/4-2Nb-Y(b)diagrams of Mashan basalt1—島弧擴張中心;2—造山帶;3—大洋中脊和洋底;4—洋島;5—大陸;A1+A2—板內堿性玄武巖;A2+C—板內拉斑玄武巖;B—P型MORB;D—N型MORB;C+D—火山弧玄武巖

(2)該玄武巖源區可能來自含金云母的石榴子石橄欖巖的地幔部分熔融。其源區可能為早期俯沖作用帶入的地殼物質與虧損地幔或巖石圈地幔不斷交代平衡,漸漸變為富堿、富不相容元素的虧損程度相對較低的地幔。

(3)馬山玄武巖產于陸內裂谷環境,其形成與桂東南地區逆沖-推覆構造后期的伸展作用有關,由于伸展作用產生有利空間,造成玄武巖漿上侵噴發而形成。