二長花崗巖與輝綠巖巖石地球化學、LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學特征及構造意義
——以粵北南雄盆地北緣南雄斷裂帶中部為例

趙佳楠，邱際瑋，崔永春，劉 軍，韋文定，楊 戩，晏 斌，蘇宏亮

( 廣東省核工業(yè)地質局二九一大隊，廣東 廣州 510800 )

0 引言

華南地區(qū)廣泛發(fā)育的顯生宙巖漿事件和普遍的變質構造熱事件引起關注[1-4]。華南地區(qū)發(fā)育大規(guī)模近東西向展布的花崗巖群，與相鄰顯生宙沉積盆地群共同構成嶺南地區(qū)獨特的構造格局[5]。元古代以來，華南地區(qū)經歷陸塊增生、陸內裂解、巖漿活動、造山運動等復雜的構造事件疊加，嶺南地區(qū)構造變形強烈，巖漿活動廣泛，形成嶺南地區(qū)獨特的近東西向展布的花崗巖帶[6]。經過中生代至新生代的構造運動改造，華南地區(qū)發(fā)生大規(guī)模巖石圈減薄和多次巖漿熱液事件，導致殼幔相互作用而使花崗巖多金屬成礦作用普遍發(fā)育[7-14]。南雄盆地和諸廣山花崗巖處于南嶺地區(qū)北部，構成粵北南嶺地區(qū)獨特的盆山地貌。關于南雄盆地的地層學、古生物學和古地磁學研究較多，南雄盆地白堊系—古近系界線剖面是中國目前研究程度最高的一條白堊系—古近系界線剖面[8-10]。關于南雄盆地構造演化和成礦規(guī)律研究較少，有關諸廣山巖體、南雄盆地及其周緣構造帶之間的盆山演化構造熱液事件與巖漿活動受到關注[11-18]，其中南雄盆地及其周緣花崗巖體和構造帶形成獨特盆嶺構造研究程度較低。南雄斷裂帶處于嶺南中部粵北地區(qū)諸廣山南部鈾多金屬礦田，控制南雄盆地北緣，嶺南中段諸廣山—青嶂山—油山—坪田—南雄盆地—贛南地區(qū)—貴東地區(qū)是中國重要的花崗巖型鈾多金屬礦礦集區(qū)[19]，其構造機制研究涉及南雄盆地與周緣花崗巖體的盆山耦合成礦機制、南雄盆地演化、華南陸塊古生代—新生代構造演化、粵北諸廣山南部鈾多金屬礦成因等。

諸廣山南部鈾多金屬礦田是典型的熱液型鈾礦，礦石類型主要為含瀝青鈾礦硅化巖型、硅化碎裂巖型、碎裂蝕變花崗巖型和硅化碎裂輝綠巖型等[20]。南雄斷裂帶花崗巖和輝綠巖的巖石地球化學和年代學研究，能夠為南雄盆地周緣鈾多金屬礦床的成礦規(guī)律研究提供依據，對南雄盆地物源分析和構造演化研究有一定應用價值。以南雄斷裂帶中部二長花崗巖與輝綠巖為研究對象，通過野外地質勘查、巖石地球化學與LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學研究，討論二長花崗巖與輝綠巖的巖石成因和構造意義，為南雄盆地構造演化及其周緣鈾多金屬礦成因研究提供依據。

1 地質背景

南雄斷裂帶是南雄盆地北緣的控盆斷裂，大地構造位置為華南板塊粵桂湘北海西運動—印支運動凹陷和粵贛閩后加里東運動隆起交匯地段，為大型伸展剝離斷層、粵北諸廣山南部整裝勘查區(qū)鈾多金屬礦的控礦斷裂[21]。南雄斷裂帶以北毗鄰油山花崗巖體和諸廣山花崗巖體，出露震旦紀地槽褶皺基底；以南為南雄盆地，南緣受江頭斷裂帶控制(見圖1)。南雄盆地由蓋層和基底構成，蓋層主要為白堊紀至古近紀內陸河流湖泊相沉積碎屑巖，巖性主要為砂巖、粉砂巖和泥巖，普遍紅層發(fā)育；基底主要由前寒武紀變質花崗巖和其他中淺變質巖組成[22]，呈北東—南西向展布，是諸廣山南部導礦、成礦構造，控制周緣多處鈾礦床、鈾礦化點，如中村礦床、暖水塘礦床等。南雄斷裂帶經歷多期次構造活動，導致斷裂帶周緣多階段礦化疊加，其構造性質存在韌性向脆性轉變的特征，內部構造巖具有明顯分帶特征，并隨南雄斷裂帶構造運動階段轉變，南雄盆地存在與之相對應的演化過程[23]。

圖1 南雄盆地及諸廣山南部地區(qū)地質構造Fig.1 Geological structure of Nanxiong Basin and the southern area of Zhuguang Mountain

2 樣品采集與測試分析

2.1 樣品采集

選取南雄斷裂帶中部地區(qū)野外露頭風化程度較低、構造現象明顯的地段作為樣品采集的重點地段[24]。在地質剖面上，選取6處較為新鮮且處于不同部位的花崗巖和輝綠巖進行樣品采集(見圖2、圖3(a-b))，樣品編號分別為ZZKC16-NX-1、ZZKC16-NX-2、ZZKC16-NX-3、ZZKC16-NX-4、ZZKC16-NX-5、ZZKC16-NX-6，其中前三者為二長花崗巖，后三者為輝綠巖(見圖2)。

圖2 南雄斷裂帶中部野外地質剖面Fig.2 Field geological section in the middle of Nanxiong Fault Belt

圖3 南雄斷裂帶中部二長花崗巖和輝綠巖野外露頭和顯微鏡下特征Fig.3 Field outcrops and microscopic images of monzonitic granite and diabase in the middle of Nanxiong Fault Belt

2.2 分析方法

由中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成全巖地球化學分析；對ZZKC16-NX-1、ZZKC16-NX-4樣品進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測年分析，由中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成鋯石分選、制靶、反射光攝影、陰極發(fā)光攝影(CL圖)；由中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年分析。采用激光剝蝕系統(tǒng)型號為GeoLas 2005，電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)型號為Agilent 7500a，鋯石測年過程采用國際標準91500鋯石作為外標進行同位素分餾校正，每測試6個樣品點位對應測試2次國際標準91500鋯石，采用IsoplotR軟件進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分布的可視化諧和圖繪制[25-30]，棄用諧和度≤90%的測試分析點的年齡數據。

3 巖石地球化學與年代學特征

3.1 巖相學特征

二長花崗巖樣品呈灰色—肉紅色中細粒花崗結構、塊狀構造，主要造巖礦物為石英(質量分數為25%～30%)、斜長石(質量分數為30%～35%)、鉀長石(質量分數為25%～30%)，副礦物為絹云母(質量分數為3%～5%)及少量綠簾石、褐鐵礦、磷灰石。其中，石英呈他形粒狀分布，顆粒大小為0.1～0.5 mm，正交偏光下可見明顯波狀消光；斜長石呈自形—半自形板狀，正交偏光下可見明顯聚片雙晶，顆粒大小為1.0～2.0 mm；鉀長石呈自形—半自形寬板狀，正交偏光下可見明顯格子雙晶，顆粒大小為1.5～2.5 mm，表面普遍絹云母化。顯微鏡下巖石薄片可見鉀長石呈“σ”旋轉碎斑，斜長石呈書斜構造，石英可見動態(tài)重結晶現象，表明巖石經歷韌性變形改造(見圖3(c))。輝綠巖樣品呈黑綠色—灰綠色輝綠結構、塊狀構造，主要造巖礦物為輝石(質量分數為30%～40%)、斜長石(質量分數為45%～55%)，副礦物為綠泥石、磷灰石、綠簾石、榍石等，總質量分數小于5%。其中，輝石呈半自形—他形柱狀，普遍發(fā)生角閃石化，顆粒大小為1.0～1.5 mm，正交偏光下可見明顯較為自形的斜長石排列形成三角形空隙，輝石呈他形粒狀充填在空隙中，輝綠結構特征顯著[31-32](見圖3(d))；斜長石呈半自形板狀，正交偏光下可見明顯聚片雙晶，顆粒大小為1.5～2.0 mm。

3.2 地球化學特征

3.2.1 主量元素

南雄斷裂帶中部二長花崗巖和輝綠巖樣品的主量元素數據見表1。二長花崗巖的w(SiO2)為69.79%～70.08%；w(CaO)為1.14%～1.54%；w(K2O)、w(Na2O)分別為3.82%～4.21%、2.31%～3.02%，w(K2O)/w(Na2O)為1.26～1.80，相對富K；w(Al2O3)較高，為13.86%～14.52%；w(TiO2)為0.45%～0.56%；w(TFeO)/w(MgO)為3.27～3.55，相對富Fe，貧Sr、Cr、Ba、Mn、P；里特曼指數δ為1.54～1.75，為鈣堿性巖。輝綠巖的w(SiO2)為49.59%～51.99%；w(CaO)為6.60%～7.95%；w(Na2O)、w(K2O)分別為3.32%～4.40%、0.36%～0.45%，w(Na2O)/w(K2O)為8.30～9.94，相對富Na、貧K；w(Al2O3)較高，為11.60%～13.07%；w(TiO2)為2.70%～3.07%；w(TFe2O3)較高，為13.96%～15.82%；w(TFeO)/w(MgO)為2.52～2.76，相對富Fe，貧K、Sr、Cr、Mn、Ba、P；里特曼指數δ為2.10～2.62，為鈣堿性巖。侵入巖TAS圖解(見圖4(a))表明樣品落入花崗巖和輝長巖區(qū)域，6個樣品為亞堿性巖；SiO2—K2O圖解(見圖4(b))反映花崗巖樣品落入高鉀鈣堿性系列區(qū)域，輝綠巖樣品落入鈣堿性系列區(qū)域；鋁飽和指數圖解(見圖4(c))指示花崗巖樣品落入過鋁質和S型花崗巖區(qū)域，輝綠巖樣品落入準鋁質區(qū)域；AFM圖解(見圖4(d))反映所有樣品落入鈣堿性巖石系列區(qū)域。南雄斷裂帶中部二長花崗巖為具有S型花崗巖地球化學特征的過鋁質高鉀鈣堿性巖，輝綠巖屬于準鋁質鈣堿性巖。

圖4 南雄斷裂帶中部樣品巖石分類圖解Fig.4 Various petrological classification diagrams of the samples in the middle of Nanxiong Fault Belt

表1 南雄斷裂帶中部樣品主量元素質量分數及其特征參數Table 1 Compositions of major elements and characteristic parameters of the samples in the middle of Nanxiong Fault Belt

3.2.2 微量元素

南雄斷裂帶中部二長花崗巖和輝綠巖樣品微量元素數據見表2。二長花崗巖樣品稀土元素總量(∑REE)為(239.19～289.08)×10-6，輕稀土元素(LREE)/重稀土元素(HREE)為2.83～3.63，(La/Yb)N為7.58～12.86，(La/Sm)N為2.95～3.35，(Gd/Lu)N為1.80～2.80，LREE強烈富集，LREE分餾程度較HREE的明顯；δEu為0.40～0.43，表現為Eu負異常；δCe為1.02～1.11，表現為Ce弱正異常或異常不明顯；球粒隕石標準化稀土元素配分曲線呈較陡且略右傾的分布特征(見圖5(a))。輝綠巖樣品稀土元素總量(∑REE)為(115.46～133.89)×10-6，LREE/HREE平均為1.52，(La/Yb)N平均為3.69，(La/Sm)N平均為1.60，(Gd/Lu)N平均為2.13，表明LREE與HREE總量相當，相對略富集LREE，HREE分餾程度比LREE的略高；δEu平均為1.19，δCe平均為1.08，反映Eu正異常，Ce弱正異常；球粒隕石標準化稀土元素配分曲線呈平緩且略右傾的分布特征(見圖5(a))。原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖[33-35](見圖5(b))反映二長花崗巖樣品富集Rb、Th、K、Sr、Pb，虧損Nb、Ta、Ti；輝綠巖樣品富集Sr、Pb、Ta、Ti、Nb、Rb，虧損Pr、Sm、Gd、Tb、Ho。

圖5 南雄斷裂帶中部樣品球粒隕石標準化稀土元素配分曲線和原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖Fig.5 Chondrite-normalized rare earth elements patterns and spider diagram of primitive mantle-normalized trace elements for the samples in the middle of Nanxiong Fault Belt

表2 南雄斷裂帶中部樣品微量元素質量分數及其特征參數Table 2 Compositions of trace elements and characteristic parameters of the samples in the middle of Nanxiong Fault Belt

3.3 LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學特征

二長花崗巖ZZKC16-NX-1樣品LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年分析結果見表3。二長花崗巖ZZKC16-NX-1樣品鋯石呈黃褐色，多為自形程度較好的長柱狀或短柱狀，長度為70～150 μm，寬度為50～70 μm，長寬比為1.4︰1.0～3.0︰1.0，陰極發(fā)光圖顯示鋯石具有明顯核幔結構，巖漿震蕩環(huán)帶明顯且較窄，巖漿鋯石特征顯著(見圖6(a))。8粒鋯石的206Pb/238U年齡為(441±4)～(460±5)Ma，所有測點數據落于諧和線附近且諧和率大于94%，加權平均年齡為(448.5±6.8)Ma(MSWD=3.00)(見圖6(b-c))，對應晚奧陶世，代表二長花崗巖的結晶年齡。輝綠巖ZZKC16-NX-4樣品LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年分析結果見表4。輝綠巖ZZKC16-NX-4樣品鋯石呈黃褐色，多為半自形—自形短柱狀，長度為60～100 μm，寬度為40 ～60 μm，長寬比為1.5︰1.0～2.5︰1.0，陰極發(fā)光圖顯示鋯石可辨識核幔結構，巖漿震蕩環(huán)帶較寬，具有明顯巖漿鋯石特征(見圖7(a))。7粒鋯石的206Pb/238U年齡為(433±4)～(442±5)Ma，所有測點數據落于諧和線附近且諧和率大于93%，加權平均年齡為(437.2±3.5)Ma(MSWD=0.64)(見圖7(b-c))，對應早志留世，代表輝綠巖的結晶年齡，反映輝綠巖年齡晚于二長花崗巖的，說明二者是加里東運動期巖漿活動(445～430 Ma)[36]的產物。張族坤等認為南雄盆地主田組一段石英砂巖碎屑鋯石年齡為427～473 Ma(峰值年齡為454 Ma)，湞水組粉砂巖碎屑鋯石年齡為403～530 Ma(峰值年齡為450 Ma)，濃山組粗砂巖碎屑鋯石年齡為408～572 Ma(峰值年齡為421 Ma)[37]。這說明研究區(qū)二長花崗巖和輝綠巖兩種火成巖與南雄盆地主田組、湞水組和濃山組碎屑巖為加里東運動期形成的。

表3 二長花崗巖ZZKC16-NX-1樣品LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年分析結果Table 3 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of monzonitic granite with sample ZZKC16-NX-1

圖6 二長花崗巖樣品ZZKC16-NX-1鋯石陰極發(fā)光、LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年諧和與加權平均年齡Fig.6 The cathodoluminescence images,LA-ICP-MS zircon U-Pb dating concordia and weighted mean ages of zircons in monzonitic granite with sample ZZKC16-NX-1

表4 輝綠巖ZZKC16-NX-4樣品LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年分析結果Table 4 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of diabase with sample no.ZZKC16-NX-4

圖7 輝綠巖樣品ZZKC16-NX-4陰極發(fā)光、LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年諧和曲線和加權平均年齡Fig.7 The cathodoluminescence images, LA-ICP-MS zircon U-Pb dating concordia and weighted mean ages of zircons in diabase with sample ZZKC16-NX-4

4 巖石成因及構造意義

4.1 巖石成因

南雄斷裂帶中部二長花崗巖樣品球粒隕石標準化稀土元素配分曲線，以及原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖，反映微量元素地球化學特征與陸殼和大洋島弧玄武巖的相似(見圖5)，Eu具有明顯負異常，表明存在斜長石分離結晶時Eu強烈傾向進入斜長石，導致Eu明顯虧損，Nb、Ta、Ti負異常明顯。二長花崗巖樣品源區(qū)成分與成因判別表明，二長花崗巖與大陸島弧火山巖源區(qū)成分近似，成因與陸弧演化相似(見圖8(a-b))；已知流體參與和Ba、Rb、U質量分數呈正相關關系，熔體參與和Nb、Zr質量分數呈正相關關系，根據Nb與Ba、Rb、U之間關系，二長花崗巖流體參與特征明顯(見圖8(c-e))，說明存在大陸地殼物質參與，且伴隨流體運移[38]，與S型花崗巖特征(見圖4(c)、圖8(f))相吻合；w(Rb)/w(Sr)為0.93～1.16，表明二長花崗巖巖石源區(qū)成分具有明顯殼源巖漿特征(殼源巖漿w(Rb)/w(Sr)大于0.50[39])，與微量元素特征反映一致(見圖5)。

圖8 南雄斷裂帶中部二長花崗巖和輝綠巖巖石源區(qū)成分、巖石成因及演化過程判別圖解(據文獻[40-43]修改)Fig.8 Discrimination diagrams of compositions of rock source area， petrogenesis and evolution processes for the monzonitic granite and diabase in the middle of Nanxiong Fault Belt(modified by references[40-43])

輝綠巖樣品具有富集型大洋中脊玄武巖(E-MORB)微量元素地球化學特征(見圖5)，富集大離子親石元素Sr、Rb；巖石源區(qū)w(La)/w(Nb)—w(Ba)/w(Nb)圖解和w(Nb)/w(Yb)—w(Th)/w(Yb)圖解表明，輝綠巖巖漿源區(qū)與富集地幔有關(見圖8(a-b))；w(Rb)/w(Sr)平均為0.074，表明輝綠巖巖石源區(qū)為殼幔混合源(幔源巖漿w(Rb)/w(Sr)小于0.05，殼幔混合源w(Rb)/w(Sr)為0.05～0.50[39])；Nb與Ba、Rb、U相對質量分數較低(見圖8(c-e))，表明輝綠巖巖漿演化過程不存在流體和熔體參與。

4.2 構造意義

花崗巖構造判別圖解(見圖9(a-b))表明，花崗巖w(Y+Nb)—w(Rb)圖解指示二長花崗巖樣品投點落于火山弧花崗巖區(qū)域，花崗巖構造判別圖解R1—R2指示樣品投點落于同碰撞型(S型)花崗巖，說明花崗巖是受陸殼改造、存在殼源物質參與和流體活動的造山花崗巖，反映碰撞擠壓構造環(huán)境；基性巖構造判別圖解(見圖9(c-e))表明，輝綠巖樣品投點落于板內玄武巖、洋島、海山和E-MORB區(qū)域，反映巖漿來源于富集地幔，構成洋島和海山，產于靠近海溝的洋中脊構造環(huán)境，輝綠巖是伸展構造背景下形成的產物。綜上所述，二長花崗巖成巖期到輝綠巖成巖期之間存在一次從擠壓到伸展的區(qū)域構造應力轉換。

圖9 南雄斷裂帶中部二長花崗巖和輝綠巖構造環(huán)境判別圖解Fig.9 Tectonic discrimination diagrams of the monzonitic granite and diabase in the middle of Nanxiong Fault Belt

二長花崗巖年齡(448 Ma)早于輝綠巖年齡(437 Ma)，二者為加里東運動期構造旋回產物，二長花崗巖屬于S型花崗巖，形成于華南加里東巖漿活動期，花崗巖體侵位時限為440～425 Ma[44]，與二長花崗巖樣品測年結果相近，后期侵入的輝綠巖來源于富集地幔，說明二長花崗巖侵入后存在幔源巖漿浸入。二長花崗巖形成過程中，存在殼源物質混入，與加里東運動期花崗巖源區(qū)存在新生地殼物質[45]的結論相吻合，二長花崗巖和輝綠巖形成過程存在強烈?guī)r漿活動且伴隨幔源巖漿侵入和殼源物質重熔，且448～437 Ma期間存在一次由壓應力到張應力的區(qū)域構造應力轉換。

5 結論

(1)粵北南雄盆地北緣南雄斷裂帶中部二長花崗巖具有S型花崗巖地球化學特征，屬于過鋁質高鉀鈣堿性巖，富集Rb、Th、K、Sr、Pb，虧損Nb、Ta、Ti，追溯巖漿源區(qū)成分與火山弧花崗巖(VAG)相似，微量元素特征指示同碰撞期花崗巖構造環(huán)境，表征成巖期經歷擠壓應力作用。

(2)研究區(qū)輝綠巖為準鋁質鈣堿性巖，富集Sr、Pb、Ta、Ti、Nb、Rb，虧損Pr、Sm、Gd、Tb、Ho，追溯巖漿源區(qū)成分與富集地幔相關，具有富集型洋中脊玄武巖(E-MORB)微量元素地球化學特征，指示形成于靠近海溝的洋中脊構造環(huán)境，表征成巖期經歷伸展應力作用。

(3)研究區(qū)二長花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年加權平均年齡為(448.5±6.8) Ma，輝綠巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年加權平均年齡為(437.2±3.5) Ma，兩種火成巖為加里東運動期巖漿活動產物；448～437 Ma期間存在一次從擠壓到伸展的區(qū)域構造應力轉換，在巖漿強烈活動中伴有殼源物質重熔、流體參與和幔源巖漿侵入。