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广西云开地区那蓬岩体黑云母二长花岗岩年代学、地球化学特征及成因
田梦宇, 狄永军, 王帅, 贾一龙     
中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要: 华南地区印支期经历了强烈的构造运动和岩浆活动,印支期花岗岩的构造背景一直是地学界讨论的热点问题。本文对广西云开地区那蓬黑云母二长花岗岩体进行了详细的锆石年代学、地球化学特征及成因研究。结果显示:那蓬岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄加权平均值为(257.8 ±1.2)Ma,结晶年龄为晚二叠世;岩石主量元素具有富钾、富铝质特点,属于钙碱性岩石;微量元素主要富集大离子亲石元素(Rb、Th、U、K、Pb),亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti、Zr、Hf)和Ba、Sr元素;稀土元素特征表现为轻稀土元素相对富集,重稀土元素亏损,稀土元素球粒陨石配分曲线呈右倾型,具有较明显轻重稀土分馏特征和负铕异常(δEu=0.41~0.66)。地球化学特征指示了花岗岩的物质来源主要为古老地壳杂砂-泥质源岩部分熔融,构造环境有可能形成于板块碰撞环境的后造山阶段。
关键词: 年代学    地球化学    黑云母二长花岗岩    云开地区    广西    
Geochronology, Geochemical Characteristics and Genesis of Napeng Granite Biotite Monzogranite in Yunkai Area, Guangxi
Tian Mengyu, Di Yongjun, Wang Shuai, Jia Yilong     
School of Earth Science and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: The Indosinian period in South China experienced intense tectonic movement and magmatic activity, and the tectonic background of the Indosinian granite has always been a hot topic in earth science. A detailed study was conducted on the chronology, geochemical characteristics and genesis of zircon of the biotite monzogranite of Napeng in Yunkai area, Guangxi. The results show that the weighted average age of zircon U-Pb LA-ICP-MS zircon is (257.8 ±1.2) Ma, and the chemical analyses show that the Late Permian granitoids are classified as alkali-calcic rocks, which are characterized by enrichment of light rare earth elements (LREEs), large ion lithophile elements (LILEs), depletion of heavy rare earth elements (HREEs) and high field strength elements (HFSEs), and Ba, Sr, and obvious negative europium anomaly (δEu=0.41-0.66). All the geochemical characteristics suggest that the Napeng granitoid pluton experienced highly differentiated evolution. Through analyses, the material source of granite may come from the partial melting of the mixed sand-muddy source rocks in the ancient crust, and the tectonic environment may be formed in the post-mountain stage of the plate collision junction environment.
Key words: geochronology    geochemistry    biotite monzogranite    Yunkai area    Guangxi    

0 引言

加里东期造山事件使扬子板块和华夏板块最终碰撞拼合形成统一的华南陆区[1],随后华南陆区主要经历了3个岩浆作用阶段:加里东期(490~390 Ma)、印支期(257~200 Ma)和燕山期(200~65 Ma)[2-7]。在过去的20年中,华南地区加里东期、印支期和燕山期造山运动再造的地球动力学机制问题受到学者们的极大关注[8-10],同时华南陆区印支期的大地构造背景成为研究的热点问题[11-15]。两广交界的云开地区不仅位于华南著名的十万大山—大容山构造断裂带上,也是研究扬子板块与华夏板块碰撞造山过程的重要部位[16]。云开地区经历了从新元古代到中生代的多期造山运动,并伴随着广泛的岩浆活动[4, 17-18]。海西—印支期云开地区沿北西向博白—罗定—广宁断裂带与湘桂地块发生了强烈的陆内造山活动,并伴有陆内强烈挤压,且发育大量花岗岩[19-21]。目前对于该研究区岩体形成时代及其构造演化过程等仍然存在较大分歧:一些学者认为该岩体为典型的由深成侵位形成的花岗岩,锆石U-Pb年龄为(418.0±12.0) Ma,那蓬岩体为加里东岩浆活动的产物[22-23];一些学者认为该岩体是海西期—印支期在板块同碰撞、拼合过程中形成的花岗岩,锆石U-Pb同位素年龄为269~201 Ma,构造环境为同碰撞构造环境[24-26]。另外,李坤等[26]提出那蓬岩体花岗岩的锆石U-Pb年龄为(252.0±1.9) Ma,并推测岩体形成于早三叠世的碰撞造山构造环境;Peng等[27]提出那蓬岩体中黑云母花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果为(205.3±1.6) Ma,属于印支晚期;郭良田等[28]曾对那蓬岩体中花岗岩采样并进行SHRIMP锆石U-Pb年龄测试, 结果显示为(245.4 ± 4.6) Ma。显然, 那蓬岩体的形成时代和构造环境还是一个值得讨论的问题,有必要对该岩体作更进一步的深入研究。

本文在前人研究的基础上,对那蓬岩体中的黑云母二长花岗岩成岩结晶年龄问题及地球化学特征进行了重点分析。本次研究对黑云母二长花岗岩采用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法,测得了其岩体成岩年龄,对那蓬岩体岩浆活动的时间提供了重要约束,并进一步探讨了黑云母二长花岗岩的岩石学和地球化学特征、形成过程及其形成的构造背景,以期对进一步探究华南印支期花岗岩的成因环境及其构造演化过程起到促进作用。

1 地质背景与岩石学特征

那蓬岩体位于钦杭构造断裂带西南段的云开地区(图 1a),其东南缘受控于北东向罗定—广宁断裂带(图 1b)。该断裂带作为区域性断裂,控制了那蓬岩体的东南界[25],沿该断裂带多发育劈理置换带或糜棱岩带,并后期叠加了岩石的碎裂作用[29]。那蓬岩体侵入的地层主要为变质砂岩、板岩等古生代地层,接触带局部发育长英质角岩、堇青石角岩等接触热变质岩和千枚岩、片理化砂岩等热动力变质岩[30]。地表出露的系列断层和韧性剪切带均晚于那蓬岩体的形成时代,那蓬岩体与围岩之间为混合交代界线,为渐变过渡关系[26]

据脚注①②③修编。 图 1 云开地区那蓬岩体区域地质简图 Fig. 1 Geological sketch map of the Napeng granite mass in Yunkai area

① 广东省地质局.区域水文地质普查报告(罗定幅).广州:广东省地质局,1980.

② 广东省佛山地质局.1∶25万梧州市幅(F49C001003)区域地质调查报告.佛山:广东省佛山地质局,2013.

③ 广东省佛山地质局.广东1∶5万筋竹圩、连滩镇、泗纶圩、罗定县幅强烈风化区填图试点(12120114005901)报告.佛山: 广东省佛山地质局,2017.

那蓬岩体呈北东向长条状展布, 岩体的长宽比约为5∶1,出露面积约为780 km2,岩体的主要岩性为含富铝矿物的黑云母二长花岗岩。本次样品采样点在那蓬岩体中东部(图 1b),均采自采石场或公路开挖新鲜面位置,每个样品质量约5 kg,样品新鲜无污染,无明显的蚀变现象,岩性均为黑云母二长花岗岩,该组样品可代表那蓬岩体的主体特征。根据镜下鉴定结果,样品呈灰白色,中—细粒花岗结构,块状构造,主要由石英(体积分数30%~35%)、斜长石(体积分数30%~35%)及钾长石(体积分数15%~20%)组成,含少量黑云母(体积分数5%~10%)。石英呈无色透明,他形结构,粒状,无解理,粒径0.5 mm×3.0 mm~2.0 mm×8.0 mm,部分石英包含有长石或黑云母(图 2ab);斜长石呈白色,自形—半自形结构,宽板状,聚片双晶发育,粒径大小不一,粒径1.0 mm×3.0 mm~5.0 mm×7.0 mm(图 2bc);钾长石呈浅肉红色,半自形结构,板柱状,粒径0.1 mm×2.0 mm~1.0 mm×3.5 mm,卡式双晶发育(图 2d);黑云母呈黑褐色,片状结构,主要分布在长石、石英颗粒之间,少量出现集聚现象,片径0.5 mm×2.0 mm~2.0 mm×4.5 mm(图 2)。副矿物种类较多,主要有电气石、绿帘石(图 2d),其次为重晶石、独居石、磁铁矿、黄铜矿等。岩性为中细粒黑云母二长花岗岩。

a,b. 细粒结晶结构,块状构造;c,d. 中粒结晶结构,块状构造。Q. 石英;Bt. 黑云母;Pl. 斜长石;Tur. 电气石;Ep. 绿帘石;Kfs. 钾长石。 图 2 那蓬岩体黑云母二长花岗岩样品的显微照片 Fig. 2 Micrographs of the biotite monzogranite samples from Napeng granite
2 分析方法

选取新鲜的那蓬岩体黑云母二长花岗岩样品(YK012)进行锆石测年。锆石的分选在河北廊坊市地科勘探技术服务有限公司完成,在经过镜下鉴定,反复分级粉碎、手工淘洗、磁选、重液分选等过程后,在双目镜下进行精确挑选。锆石的制靶、阴极发光显微照相(CL) 和LA-ICP-MS锆石U-Pb定年在北京锆年领航科技有限公司完成。锆石透反射拍照所用仪器为日本JEOL公司生产的JSM6510型扫描电子显微镜。锆石定年分析所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的New wave UP213激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为25 μm,频率为10 Hz,能量密度约为2.5 J/cm2。LA-MC-ICP-MS激光剥蚀采用单点剥蚀的方式,数据分析前用锆石GJ-1调试仪器,使之达到最佳状态,锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标,测试过程中每测定10个样品前后重复测定2个锆石GJ-1对样品进行校正,并测量1个锆石Plesovice,观察仪器的状态以保证测试的精确度[31]。数据处理采用ICP-MS DataCal程序[32],测量过程中绝大多数分析点的206Pb/204Pb>1 000,未进行普通铅校正,204Pb由离子计数器检测,204Pb质量分数异常高的分析点可能受包体等普通铅的影响,对204Pb质量分数异常高的分析点在计算时剔除,锆石U-Pb谐和图用Isoplot3.0程序获得[33]。具体实验测试过程参考文献[34]。

那蓬岩体黑云母二长花岗岩主量、微量元素和稀土元素分析均在北京大学造山带与地壳演化重点实验室完成。主量元素采用熔片法测试,用扫描型波长色散X射线荧光光谱仪进行分析(仪器号为ARLADVANTXP+),误差小于5%。微量元素和稀土元素用ICP-MS法分析,测试前将样品进行高压罐溶样(仪器型号为Finnigan MAT Element2),误差小于10%。

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年代学

本次分别对那蓬岩体黑云母二长花岗岩样品(YK012)进行了锆石U-Pb定年,锆石大部分为自形晶,多数呈长柱状,粒径集中在40~150 μm之间,长宽比介于1~5之间。阴极发光图像(CL)大部分显示锆石具有清楚的生长韵律环带(图 3a),晶形较好,但少部分可见锆石存在增生边现象,说明锆石形成时的封闭温度较高,在后期变质作用中没有受到明显影响。从表 1中可以看出,样品测试年龄数据跨度较大(1 837~246 Ma)(图 3b),显示锆石来源较复杂,大部分来源于加里东期或者更古老的岩浆锆石。锆石U-Pb测年结果显示:在1 837~401 Ma之间的锆石晶形较好,有清晰的生长环带,该批锆石主要来源于古老的岩浆锆石;在400~261 Ma之间的锆石存在增生边现象,形态各异,该批锆石可能受到了不同程度的变质作用;在260~246 Ma之间的锆石晶形较好,有清晰的生长环带,该批锆石主要来源于印支早期的岩浆锆石,也是那蓬岩体主要成岩时代。在206Pb/238U-207Pb/235U谐和图(图 3b)上,样品有8颗锆石的数据点落在谐和线上及其附近,谐和度较好,其206Pb/238U年龄加权平均值为(257.8±1.2) Ma (MSWD=1.9)。

图 3 那蓬岩体黑云母二长花岗岩样品的典型锆石点位图(a)和U-Pb年龄谐和图(b) Fig. 3 Zircon site map (a) and U-Pb age harmonic map (b) of the biotite monzogranite from Napeng granite
表 1 那蓬岩体黑云母二长花岗岩的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果 Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating of the biotite monzogranite from Napeng granite
点号 wB/10-6 Th/U 同位素比值 年龄/Ma
Pb Th U 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ
1 72.36 17 701 0.02 0.070 1 0.001 6 0.920 7 0.032 7 0.094 9 0.001 8 931 45 663 17 584 11
2 36.96 28 753 0.04 0.051 6 0.001 0 0.328 0 0.007 5 0.046 0 0.000 5 333 44 288 6 290 3
3 20.03 17 466 0.04 0.051 3 0.001 4 0.288 6 0.008 5 0.040 9 0.000 6 254 63 257 7 258 3
4 30.90 136 373 0.37 0.058 7 0.001 5 0.573 3 0.015 7 0.070 8 0.000 9 567 54 460 10 441 5
5 28.06 256 238 1.08 0.070 0 0.001 5 0.821 5 0.019 1 0.085 2 0.001 0 929 45 609 11 527 6
6 18.04 15 425 0.04 0.054 0 0.001 8 0.294 2 0.009 4 0.039 7 0.000 4 369 71 262 7 251 2
7 33.52 136 465 0.29 0.057 6 0.001 4 0.522 3 0.014 5 0.065 9 0.001 2 517 54 427 10 412 7
8 24.87 37 473 0.08 0.052 7 0.001 6 0.350 8 0.011 9 0.048 1 0.000 7 322 64 305 9 303 4
9 38.58 9 930 0.01 0.051 0 0.001 0 0.275 8 0.005 5 0.039 2 0.000 3 239 48 247 4 248 2
10 28.66 42 698 0.09 0.053 4 0.001 5 0.286 0 0.008 6 0.038 9 0.000 4 346 65 255 7 246 3
11 43.65 12 1 059 0.01 0.052 2 0.001 2 0.281 8 0.006 7 0.039 1 0.000 4 295 52 252 5 247 3
12 10.24 17 231 0.07 0.055 8 0.002 4 0.313 9 0.013 2 0.041 0 0.000 5 456 96 277 10 259 3
13 71.34 40 980 0.04 0.061 0 0.001 2 0.561 3 0.010 2 0.066 8 0.000 7 639 43 452 7 417 4
14 84.38 51 316 0.16 0.089 6 0.001 4 2.889 4 0.049 5 0.233 8 0.002 1 1 417 30 1 379 13 1 354 11
15 35.82 16 839 0.12 0.049 8 0.001 3 0.282 5 0.007 7 0.041 3 0.000 6 183 59 253 6 261 4
16 31.46 30 730 0.14 0.051 7 0.001 3 0.295 0 0.008 8 0.041 3 0.000 6 276 59 262 7 261 4
17 19.40 130 427 0.30 0.049 9 0.001 7 0.281 7 0.010 0 0.041 1 0.000 7 187 78 252 8 260 4
18 30.63 64 424 0.15 0.054 9 0.001 5 0.521 3 0.018 3 0.068 9 0.001 5 409 66 426 12 429 9
19 14.60 109 306 0.36 0.052 7 0.002 1 0.297 3 0.011 5 0.041 1 0.000 6 317 117 264 9 259 3
20 192.58 120 1 167 0.10 0.069 9 0.000 9 1.435 5 0.020 5 0.149 0 0.001 5 928 27 904 9 895 9
21 201.49 175 527 0.33 0.113 5 0.001 3 5.158 2 0.109 2 0.329 8 0.006 5 1 857 21 1 846 18 1 837 32
22 21.92 13 444 0.13 0.051 5 0.002 2 0.326 2 0.013 9 0.046 2 0.000 7 265 100 287 11 291 4
23 19.29 117 410 0.29 0.053 3 0.002 5 0.305 6 0.014 7 0.041 7 0.000 6 343 106 271 11 263 4
24 77.34 230 959 0.24 0.058 7 0.001 4 0.576 2 0.016 7 0.071 1 0.001 2 567 54 462 11 443 7
25 120.74 30 718 0.04 0.072 1 0.001 2 1.575 2 0.040 8 0.158 2 0.002 9 987 40 960 16 947 16
3.2 岩石地球化学

那蓬岩体黑云母二长花岗岩具有高钾、亚碱性和强(过)铝质特征(表 2)。其SiO2质量分数为68.67%~73.58%,全碱(K2O+Na2O)质量分数为4.17%~6.73%,K2O/Na2O值介于1.42~5.00之间,MgO、CaO和FeO质量分数分别为1.09%~1.64%、0.32%~2.03%及2.08%~2.75%,TiO2质量分数为0.35%~0.62%,铝饱和指数A/CNK为1.58~2.97。在侵入岩TAS判别图解(图 4a)中,数据点全部落入花岗岩区,位于亚碱性分界区内;在w (K2O) - w (SiO2)判别图解(图 4b)中,数据点主要落入高钾质区;在w (SiO2)-AR图解(图 4c)中,数据点全部落入钙碱性系列区域;在A/NK-A/CNK图解(图 4d)上,数据点均落入强(过)铝质区。表明这些黑云母二长花岗岩样品具有高钾钙碱性、过铝质的特征。

表 2 那蓬岩体黑云母二长花岗岩主量、微量元素与稀土元素成分分析结果 Table 2 Main mass, trace elements and rare earth elements of the biotite monzogranite from Napeng granite
样品号 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5
YK006 69.68 0.54 14.18 1.46 2.09 0.03 1.35 2.03 2.78 3.95 0.23
YK007 70.34 0.51 14.39 1.50 2.08 0.03 1.09 0.50 1.71 4.12 0.09
YK009 68.99 0.62 15.43 1.80 2.41 0.02 1.50 0.32 0.83 4.15 0.19
YK010 70.60 0.50 14.06 1.71 2.34 0.02 1.64 0.95 1.49 4.00 0.11
YK011 70.51 0.49 14.03 1.72 2.36 0.03 1.43 1.27 1.72 3.81 0.17
YK012 68.67 0.54 14.72 1.62 2.24 0.03 1.31 1.42 1.89 4.05 0.30
NH001 70.40 0.35 13.61 0.90 2.29 0.08 1.13 1.98 2.65 3.99 0.12
D1736-1 73.58 0.55 12.63 1.03 2.75 0.03 1.30 0.64 1.12 3.35 1.17
D1062-1 72.42 0.55 13.92 1.10 2.73 0.02 1.51 0.52 0.79 3.38 1.14
样品号 烧失量 总和 A/CNK Na2O+K2O K2O/Na2O Li Be Sc V Cr Co
YK006 0.73 99.05 1.62 6.73 1.42 30.93 1.02 9.89 55.59 24.35 9.53
YK007 2.91 99.28 2.27 5.83 2.41 35.24 1.12 9.57 51.03 40.88 10.99
YK009 2.64 98.91 2.91 4.98 5.00 39.02 2.42 13.42 79.52 58.47 12.41
YK010 1.44 98.86 2.18 5.50 2.68 27.80 2.47 6.82 68.05 41.03 12.48
YK011 1.46 99.00 2.06 5.54 2.22 36.12 2.49 9.09 54.38 39.31 10.21
YK012 2.23 99.01 2.00 5.94 2.14 36.89 1.89 10.55 57.16 37.73 10.19
NH001 2.09 99.74 1.58 6.64 1.51 68.94 8.05 52.02 19.49 6.95
D1736-1 1.76 99.91 2.47 4.47 2.99 23.30 3.09 72.90 10.70 6.85
D1062-1 1.96 100.04 2.97 4.17 4.28 45.90 4.97 72.80 14.40 10.00
样品号 Ni Rb La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy
YK006 12.40 194.43 34.57 68.20 8.33 30.94 6.99 1.15 5.36 0.66 3.10
YK007 22.31 199.42 35.58 70.23 8.25 30.22 6.99 1.07 4.88 0.63 2.98
YK009 22.74 233.62 37.39 76.85 9.00 32.49 7.51 0.90 6.04 0.89 4.99
YK010 20.38 186.53 37.47 72.98 8.64 31.72 7.06 1.31 5.13 0.56 2.26
YK011 17.61 176.89 41.37 84.28 9.71 35.93 8.00 1.17 6.45 0.88 4.48
YK012 14.75 198.58 33.19 67.45 7.89 29.58 6.81 1.30 6.04 0.96 5.71
NH001 10.50 234.60 29.84 59.25 6.72 24.18 5.33 0.97 4.55 0.82 4.29
D1736-1 9.11 219.00 16.20 30.60 3.56 13.60 2.78 0.50 2.89 0.44 2.63
D1062-1 15.30 246.00 17.40 33.90 3.86 14.40 2.80 0.56 2.89 0.41 2.12
样品号 Ho Er Tm Yb Lu Sr Y Zr Nb Cs Ba
YK006 0.50 1.12 0.14 0.85 0.11 103.16 12.20 47.45 13.75 6.84 586.78
YK007 0.43 0.95 0.11 0.60 0.08 80.08 11.23 77.56 11.55 9.42 599.11
YK009 0.84 1.90 0.24 1.29 0.16 39.40 23.87 69.37 18.45 15.22 355.26
YK010 0.29 0.56 0.06 0.36 0.05 103.95 6.79 71.75 12.87 6.56 730.21
YK011 0.76 1.91 0.26 1.66 0.24 94.39 20.31 67.62 12.55 7.08 561.17
YK012 1.09 2.80 0.39 2.33 0.31 109.59 30.25 98.96 13.03 8.58 602.80
NH001 0.84 2.35 0.38 2.28 0.37 60.40 22.75 161.70 13.34 17.08 489.00
D1736-1 0.45 1.32 0.17 1.02 0.14 98.90 11.60 209.00 8.53 11.30 654.00
D1062-1 0.39 1.05 0.13 0.84 0.12 126.80 9.70 260.00 11.10 13.10 731.00
样品号 Ta Th Hf Pb U ∑REE LREE HREE LREE/ HREE δEu (La/Yb)N
YK006 1.46 23.14 1.56 34.98 4.66 174.23 150.17 11.86 12.67 0.57 29.21
YK007 1.18 20.71 2.53 34.00 3.46 174.22 152.33 10.66 14.28 0.56 42.74
YK009 1.73 21.09 2.27 25.28 4.07 204.34 164.13 16.34 10.05 0.41 20.77
YK010 0.65 22.00 2.29 33.80 2.23 175.24 159.19 9.27 17.18 0.66 75.45
YK011 0.84 24.52 1.99 30.48 2.89 217.40 180.45 16.64 10.85 0.50 17.89
YK012 1.13 18.75 3.03 31.87 3.16 196.10 146.21 19.63 7.45 0.62 10.23
NH001 1.38 9.97 164.92 126.29 15.88 7.95 0.60 9.39
D1736-1 0.62 30.70 87.90 67.24 9.06 7.42 0.54 11.39
D1062-1 1.09 37.80 90.57 72.92 7.95 9.17 0.60 14.86
注:主量元素质量分数单位为%;微量和稀土元素质量分数单位为10-6。样品号NH001数据据文献[30],样品号D1736-1、D1062-1数据据文献[26]。
a. 底图据文献[35-36];b. 底图据文献[37-38];c. 底图据文献[39];d. 底图据文献[40]。 图 4 那蓬岩体黑云母二长花岗岩的成因判别图解 Fig. 4 Petrogenesis diagram of the biotite monzogranite from Napeng granite

在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 5a)上,样品均表现为富集大离子亲石元素(Rb、Th、U、K、Pb),亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti、Zr、Hf)和Ba、Sr元素,Ba的亏损可能与斜长石、黑云母等矿物的分离结晶作用有关,Sr的亏损可能与斜长石的分离结晶作用有关,Nb和Ta亏损表明岩浆为地壳来源或曾受到地壳物质的混染[41-42]。岩石中Sr质量分数为39.40×10-6~126.80×10-6,Y质量分数为6.79×10-6~30.25×10-6,Sr/Y值较低,介于1.56~15.30之间,指示岩石不具埃达克岩特征。稀土元素总量为87.90×10-6~217.40×10-6,轻稀土元素总量为67.24×10-6~180.45×10-6,重稀土元素总量为7.95×10-6~19.63×10-6,Yb质量分数为0.36×10-6~2.33×10-6,LREE/HREE的平均值为10.78,表明样品具有轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的特征(图 5b)。在球粒陨石标准化稀土元素配分图解(图 5b)中,轻、重稀土元素分馏程度明显,其(La/Yb)N值为9.39~75.45,曲线总体呈右倾型,具有较明显的负铕异常(δEu=0.41~0.66),反映岩浆演化过程中可能存在较明显的斜长石分离结晶作用。

标准化数据据文献[43]。 图 5 那蓬岩体黑云母二长花岗岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)和稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图(b) Fig. 5 Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) of the biotite monzogranite from Napeng granite
4 讨论 4.1 成岩时代

云开地区位于华南板块的西南段,是著名的多金属成矿带钦州湾—杭州湾成矿带的重要组成部分[44]。印支期造山运动为该区域成矿提供了有利的地质条件,成矿作用也与岩浆侵入活动紧密相关。例如,浦北新华Pb-Zn-Ag矿中花岗岩的锆石U-Pb年代学表明,其结晶年龄范围为(251.9±2.2)~(244.3±1.8) Ma,属于印支早期造山运动[44]。广西栗木W-Sn矿和Ta-Nb-Sn-W矿的白云母花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代显示成矿年龄为(227.7±4.5)、(202.9±3.8)和(203.1±3.0) Ma,属于晚三叠世[7]。桂东北高岭W-Mo矿中4件辉钼矿Re-Os年龄分别为(215.3±8.6)、(213.6±5.6)、(225.1±5.8)和(227.3±3.4) Ma,二长花岗岩锆石SHRIMP U-Pb年龄测试结果显示为(221.0 ± 2.4) Ma,表示了高岭W-Mo矿床的形成和二长花岗岩侵位同期,均属于晚三叠世[45]。那蓬岩体黑云母二长花岗岩的锆石定年结果显示,其形成年龄为(257.8±1.2) Ma (MSWD=1.9),说明那蓬岩体的成岩时代属于晚二叠世,为印支早期岩浆活动的产物,并非前人认为的花岗岩形成于三叠纪[26-28]和加里东期[22-23]。结合在谐和图上8个测试点的锆石特征,样品(YK012)的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄代表了黑云母二长花岗岩的结晶年龄,表明成岩时代与印支期华夏板块与扬子板块碰撞造山环境的时代基本一致。

4.2 岩石成因

花岗岩主要形成于俯冲、碰撞及后碰撞造山阶段的伸展环境,以往根据花岗岩来源和性质,将花岗岩成因类型划分为A型、M型、Ⅰ型和S型[46]。其中A型花岗岩具3A特征,即碱性的(alkaline)、无水(anhydrous)和非造山成因(anorogenic)[47]。M型花岗岩在自然界中非常少见,以往仅有与蛇绿岩伴生的极少量的斜长花岗岩被当作典型的M型花岗岩,但现在的研究认为它们是辉长质岩石在含水条件下部分熔融形成的[48]。因此,自然界中花岗岩的成因类型主要为Ⅰ型、S型和A型,其中尤以Ⅰ型和S型为主[47]。一般而言,通过岩相观察,发现有白云母、石榴子石等富铝矿物作为S型花岗岩传统意义上的判别标志[49-50]。另外,P2O5是区分Ⅰ型和S型花岗岩的有效标志,因为在Ⅰ型花岗岩中P2O5随分离结晶作用而含量降低,而在S型花岗岩中随分离结晶作用而含量增加或者无相关性[51-52]

印支期是华南大地构造演化的重要转折阶段,华南板块与西南缘印支板块和北缘华北板块碰撞拼合,形成以EW向挤压为主的构造背景,形成时限为250~200 Ma[53]。南北两大构造体制的夹持使得华南板块内部晚古生代地层发生强烈的褶皱和推覆,导致前泥盆纪构造层被强烈再造,形成大规模的早中生代褶皱-推覆系、大型走滑韧性剪切带和一系列S型花岗岩[54]。从区域地质背景来看,本文研究得到那蓬岩体形成于(257.8 ± 1.2) Ma (晚二叠世),与十万大山—大容山花岗岩带的S型花岗岩形成时代265~230 Ma[44, 55-57]基本一致。从矿物学角度看来,那蓬黑云母二长花岗岩主要矿物组成为石英、钾长石及斜长石,可见黑云母,以及有过铝质矿物电气石和不透明矿物磁铁矿、独居石等出现。从岩石地球化学特征角度来看,那蓬岩体主微量元素的测试结果(表 2)显示,其具有富硅和钙碱性特征,K2O/Na2O值均大于1,A/CNK=1.58~2.97,这些地球化学特征与S型花岗岩相似;在ACF花岗岩判别图解(图 6a)中,花岗岩样品投点全部落在S型花岗岩区域内。因此,推测那蓬岩体具有S型花岗岩的特征。在K-Na-Ca图解(图 6b)上可以看出,黑云母二长花岗岩样品的投点主要落在具有钙碱性趋势的岛弧岩石范围内,样品没有显示出奥长花岗岩趋势或埃达克(Adakite)岩范围的特征,后者具有造山环境下形成的S型花岗岩特征。一般认为造山环境中形成的强过铝花岗岩的源岩有泥质和砂质两种[60]。同时,可利用Rb/Ba和Rb/Sr的关系来确定源区成分。在那蓬岩体花岗岩中,在Rb/Ba-Rb/Sr图解(图 6c)中,岩体数据点主要分布在贫黏土源岩区的砂岩区和泥质岩区边界附近,表明其源区成分介于泥质岩和砂岩之间。在A/MF-C/MF图解(图 6d)上,一部分样品落在了变质泥岩部分熔融区域内,一部分落在砂岩部分熔融区域,因此可以说明源区岩石可能主要由古老地壳杂砂-泥质源岩部分熔融而形成。同时,Syhester[60]也提出花岗岩的Al2O3/TiO2值可作为源区部分熔融温度的指示剂:当岩石的Al2O3/TiO2≤100时,部分熔融温度≥875 ℃;当岩石Al2O3/TiO2>100时,部分熔融温度 < 875 ℃,且Al2O3/TiO2值与形成温度成反比例关系。那蓬岩体黑云母二长花岗岩的Al2O3/TiO2值为25~39,均小于100,表明那蓬岩体黑云母二长花岗岩岩浆的形成温度相对较高。另外,锆石广泛存在于花岗质岩石中,锆石的Zr饱和地质温度计是限定地壳熔融成因花岗岩的重要工具[62]。锆石是花岗质岩浆体系中较早结晶的副矿物,因此可以认为锆石饱和温度可近似代表花岗质岩石近液相线的温度[52]。Watson等[62]建立了Zr饱和地质温度计的计算方程:

a. 底图据文献[58];b. 底图据文献[59];c. 底图据文献[60];b. 底图据文献[61]。 图 6 那蓬岩体黑云母二长花岗岩成因类型ACF判别图解(a)、K-Na-Ca图解(b)、Rb/Ba-Rb/Sr图解(c)和A/MF-C/MF判别图解(d) Fig. 6 Illustration type of ACF diagram(a), K-Na-Ca diagram(b), Rb/Ba-Rb/Sr diagram(c)and A/MF-C/MF diagram(d)of the biotite monzogranite from Napeng granite

式中:M为摩尔分数, M=[x(Na)+x (K)+2x (Ca)]/[x (Si)·x(Al)];w(Zr)为熔体中Zr的质量分数。根据上述公式推算,得到了那蓬岩体黑云母二长花岗岩的初始岩浆温度为770~890 ℃ (平均822 ℃),明显高出了一般S型花岗岩的成岩温度(小于750 ℃)[62]。因此,推测幔源组分在岩浆形成过程中可能提供了热量。综上所述,那蓬岩体是在高温条件下幔源物质诱导下地壳部分熔融,后引起上地壳物质杂砂-泥质源岩部分熔融而形成。

微量元素方面,岩石微量元素显示出Rb、K、Pb、Th、U富集,亏损高场强元素和Ba、Sr,属于典型的低Ba-Sr壳源花岗岩,即说明系壳源物质部分熔融的产物[63]。一般指出,原始地幔Nb/Ta值介于15.50~19.50之间[64],大陆地壳的Nb/Ta平均值约为11[65-66],那蓬黑云母二长花岗岩的Nb/Ta值主要为9.42~19.80 (平均12.19),整体介于大陆地壳范围,其平均值更接近大陆地壳组成,表明花岗岩在岩浆来源上具有地壳相似性。Taylor等[66]认为,地球演化过程中K-Rb不断向上迁移进入硅铝层,使上地幔越来越亏损K和Rb,在斜长石中Sr富集主要代替Ca的位置。因此,花岗岩的Rb/Sr值越高,越说明源岩主要来自上部地壳[67]。样品的Rb/Sr值为1.79~5.93 (平均值为2.65),明显高于中国上部地壳Rb/Sr值(0.31)和全球上部地壳的平均值(0.32)(上地幔Rb/Sr值为0.01~0.15)[66-68]。据此可推测,那蓬岩体的黑云母二长花岗岩的源岩可能来自上部陆壳。稀土元素球粒陨石标准化分布曲线分配模式呈右倾型,轻稀土元素分馏明显,重稀土元素分馏相对不明显,相对富集轻稀土元素。样品具有较明显的负铕异常(δEu=0.41~0.66)(图 5a),样品中Rb质量分数为176.89×10-6~246.00×10-6,平均值为209.90×10-6,Sr质量分数为39.40×10-6~126.80×10-6,平均值为90.74×10-6,Ba质量分数为355.26×10-6~731.00×10-6,平均值为589.93×10-6,与全球花岗岩的值(w(Sr)=300.00×10-6, w(Ba)=830.00×10-6)相比较低,表明那蓬岩体黑云母二长花岗岩形成过程经历了分离结晶作用。

4.3 构造环境

S型花岗岩是一种以壳源沉积物为源岩,经过部分熔融、结晶而产生的花岗岩。在构造属性上属造山期花岗岩,产于克拉通内韧性剪切带和大陆碰撞褶皱带内,矿物组合上以堇青石花岗岩和二云母花岗岩组合等过铝质花岗岩为代表,在成矿关系上Sn矿化与S型花岗岩关系密切。所以,S型花岗岩对构造背景与成矿属性均具有重要的指示意义。

华南印支期花岗岩主要分布在桂东南十万大山—大容山地区,以过铝质S型花岗岩为主, 其占印支期花岗岩的72.7%[69]。早中生代时期,华南地区经历了强烈的构造运动和岩浆活动,并伴随陆壳的强烈叠置加厚,导致底部发生熔融形成了广泛的S型花岗岩[18, 70]。这个时期大地构造动力学背景一直是地学界有争议的热点问题。对华南印支期花岗岩的形成背景,多数学者研究认为华南印支期花岗岩早期形成于同碰撞挤压环境,晚期形成于后碰撞伸展环境,但无法确定由挤压向伸展环境转换的具体时间[71-74]。前人[69, 75-78]研究表明,华南地区处于伸展构造背景的印支期花岗岩,可能与古太平洋板块的俯冲作用密切相关。钦杭构造断裂带西南段古生代一直存在洋盆俯冲消减过程且延续至中三叠世,之后扬子板块与华夏板块再次发生碰撞造山[18, 79]。但随着研究的深入,碰撞造山作用模式逐渐成为主流,尽管其构造应力机制包括扬子与华夏板块的碰撞[80-81]及后碰撞各个开启的时间等仍众说纷纭,这在一定程度上影响了华南地质的研究进程[82]。笔者认为,那蓬岩体的S型花岗岩为造山阶段晚期的造山后阶段,是扬子与华夏板块碰撞的产物。

长期以来,对于华南印支期花岗岩形成的构造动力学背景主要有以下几种不同的观点: 金文山等[83]认为十万大山—大容山岩体发育于古生代钦防残余海盆中,其中逆冲断裂与褶皱发育,花岗岩可能形成于推覆构造引起的地壳叠置加厚过程;其他研究人员[84-86]认为,十万大山—大容山岩体花岗岩是由伸展后碰撞环境中地壳变薄期间不同地壳水平上不同程度的融化而形成的。Hsü等[13]和陈海泓等[87]认为,印支期花岗岩产生于俯冲碰撞岛弧环境早期阶段;梁新权等[88]认为印支期花岗岩形成于碰撞造山环境的陆陆碰撞阶段,由地壳加厚引起地壳岩石重熔形成。为了准确地判断那蓬岩体黑云母二长花岗岩的构造环境,根据Pearce等[89]的研究,将花岗岩侵入环境划分为火山弧花岗岩(IAG)、板内花岗岩(WPG)、洋中脊花岗岩(ORG)和碰撞花岗岩(COLG),并建立了微量元素判别图解w(Rb)-w(Yb+Nb)和w(Rb)-w(Yb+Ta)。在w(Rb)-w(Yb+Nb)图解(图 7a)和在w(Rb)-w(Yb+Ta)图解(图 7b)中,样品数据点较为集中地落入碰撞构造环境的后碰撞区域内,表明研究区印支期过铝质花岗岩形成于后碰撞造山的构造环境。笔者认为,云开地区在印支期为后碰撞造山环境,导致地壳缩短加厚,在地幔物质上涌等因素的影响下,古老的壳源物质发生部分熔融,并经历了分离结晶作用后形成了花岗质岩浆。这与桂东南十万大山—大容山S型花岗岩带的成因是源自古老的地壳物质重熔[44, 60, 90-92]及印支期花岗岩形成于碰撞造山环境的后碰撞阶段的研究结论一致[72-73, 93]

a, b. 底图据文献[89]。 图 7 那蓬岩体黑云母二长花岗岩的构造判别图解 Fig. 7 Structural discriminations of the biotite monzogranite from Napeng granite
5 结论

1) 那蓬岩体的黑云母二长花岗岩的锆石U-Pb年龄加权平均值为(257.8 ± 1.2) Ma(MSWD=1.9),说明该的成岩时代属于晚二叠世,为印支早期岩浆活动的产物。

2) 那蓬岩体黑云母二长花岗岩具有高钾钙碱性、过铝质的特征,微量元素特征表现为富集大离子亲石元素(Rb、Th、U、K、Pb),亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti、Zr、Hf)和Ba、Sr元素,稀土元素特征为轻稀土元素富集型,负铕异常较明显。

3) 那蓬岩体黑云母二长花岗岩是印支运动后碰撞伸展构造环境下的产物,推测这些过铝质花岗岩是在地壳缩短加厚、地幔物质上涌等因素的影响下,古老的壳源物质发生部分熔融,并经历了分离结晶作用后形成的花岗质岩浆。

致谢: 北京大学造山带与地壳演化重点实验室黄宝玲老师在全岩分析方面给予了帮助,中国地质大学(北京)贺晓龙博士对本文提出了宝贵的修改建议,在此一并表示诚挚的感谢。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20200117
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

田梦宇, 狄永军, 王帅, 贾一龙
Tian Mengyu, Di Yongjun, Wang Shuai, Jia Yilong
广西云开地区那蓬岩体黑云母二长花岗岩年代学、地球化学特征及成因
Geochronology, Geochemical Characteristics and Genesis of Napeng Granite Biotite Monzogranite in Yunkai Area, Guangxi
吉林大学学报(地球科学版), 2021, 51(3): 749-766
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2021, 51(3): 749-766.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20200117

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收稿日期: 2020-05-08

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