南嶺寨背和陂頭花崗巖基屬印支期侵位的巖漿動(dòng)力學(xué)證據(jù)及構(gòu)造意義

章邦桐,吳俊奇,凌洪飛,陳培榮

(內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京大學(xué)),南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210093)

0 引言

南嶺地區(qū)花崗巖分布廣泛,并以極豐富的鎢、錫、鈮、鉭、鈾、稀土等礦產(chǎn)資源聞名于世。因此,自20世紀(jì)50年代以來,南嶺花崗巖一直是我國(guó)地球科學(xué)家所關(guān)注和研究的熱點(diǎn)之一。發(fā)生在三疊紀(jì)末的印支造山運(yùn)動(dòng)是華南地區(qū)中生代早期最重要的地質(zhì)構(gòu)造事件之一,它使華南全部隆起成陸,從而進(jìn)入一個(gè)以陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)為主的時(shí)期[1]。從世界范圍來看,每一次強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)都有相應(yīng)花崗巖類巖石形成,南嶺地區(qū)也不應(yīng)例外。早在1963年,徐克勤等在研究華南不同時(shí)代花崗巖時(shí),就根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、花崗巖體分布特征和 K-Ar年齡,推測(cè)在南嶺地區(qū)可能存在3條呈EW向展布的印支期花崗巖帶(圖1),自北而南分別為騎田嶺—九峰—諸廣巖帶、麻江源(九嶷山)—大東山—貴東巖帶和花山—姑婆山—連陽(yáng)巖帶[2]?？墒?20世紀(jì)60—90年代開展的同位素定年(以Rb-Sr法為主)測(cè)定結(jié)果表明,它們并非印支期花崗巖,而屬于燕山早期[3]。為了進(jìn)—步驗(yàn)證南嶺地區(qū)是否存在大面積的印支期花崗巖,近年來,人們對(duì)南嶺地區(qū)許多大型花崗巖基主體采用精確的鋯石U-Pb同位素定年法(SHRIMP法,LAICPMS法)進(jìn)行了定年測(cè)定,但仍厘定南嶺地區(qū)呈EW向展布的大型復(fù)式花崗巖基主體為燕山早期花崗巖,如大東山巖體為155.9 Ma[4],金雞嶺巖體為156 Ma[5],騎田嶺巖體為 161 Ma[6],花山巖體為162 Ma[5],貴東巖體為 160[7]～189 Ma[8],寨背巖體為171.6 Ma[9],陂頭巖體為186.3 Ma[10]。

圖1 南嶺燕山早期花崗巖基分布示意圖Fig.1 Sketch map showing distribution of Early Yanshan granite batholiths in Nanling Range,South China

這就提出一個(gè)問題,即為什么在燕山造山運(yùn)動(dòng)期間南嶺地區(qū)的燕山早期花崗巖帶呈EW向分布,而華南地區(qū)燕山晚期(142～67 Ma)花崗巖帶則呈NE向展布的不協(xié)調(diào)地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象?南嶺地區(qū)存在的這種花崗巖形成時(shí)代(燕山早期)與強(qiáng)烈地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(印支運(yùn)動(dòng))不匹配的情形一直成為南嶺花崗巖及南嶺地質(zhì)構(gòu)造研究中難以解釋和令人困惑的現(xiàn)象。半個(gè)多世紀(jì)以來,我國(guó)構(gòu)造-巖石學(xué)者通過仔細(xì)分析研究,對(duì)這一現(xiàn)象提出3種可能的解釋:①徐克勤等(1981)認(rèn)為,這是南嶺花崗巖在形成時(shí)間上滯后于印支造山運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)[2];②黃汲清解釋為印支運(yùn)動(dòng)被較晚的、壓倒一切的燕山運(yùn)動(dòng)所隱蔽,即印支期花崗巖可能己被強(qiáng)烈的燕山早期巖漿活動(dòng)所掩蓋[11];③周新民等(2006)對(duì)華南中生代花崗巖和火山巖的344個(gè)同位素年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究并指出,早侏羅世(J1)時(shí)華南全區(qū)很少巖漿活動(dòng),為“巖漿活動(dòng)寧?kù)o期”,其時(shí)間尺度約為25 Ma,認(rèn)為這是由于南嶺地區(qū)位處特提斯型與太平洋型兩大構(gòu)造域轉(zhuǎn)換區(qū)造成的,而早侏羅世的巖漿活動(dòng)平靜期也標(biāo)志著構(gòu)造格架的變換[12]。

我們注意到南嶺地區(qū)分布的花崗巖除了上述呈EW向分布及鋯石U-Pb年齡、全巖Rb-Sr等時(shí)線同位素年齡大多屬燕山早期的2個(gè)特點(diǎn)外,還有3個(gè)與花崗巖漿動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的重要特征:①南嶺地區(qū)存在的近EW向分布的燕山早期花崗巖體均為地表出露面積達(dá)數(shù)百乃至上千平方千米的大型花崗巖基(圖1);②南嶺花崗巖的U,Th放射性元素含量高,是世界花崗巖平均值的2～3倍[13];③花崗巖體的侵位年齡是指花崗巖熔體從源區(qū)(深部巖漿房)在地殼構(gòu)造(造山)運(yùn)動(dòng)過程中,上升侵位到達(dá)地殼中的高位巖漿房的時(shí)刻(tE),而現(xiàn)今獲得的全巖Rb-Sr等時(shí)線同位素年齡代表的是花崗巖的結(jié)晶(固化)年齡[14-15]。這就提出一個(gè)怎樣確定花崗巖(熔體)侵位年齡的問題。

關(guān)于花崗巖侵位年齡的確定,不少學(xué)者根據(jù)U-Pb同位素體系封閉溫度高 (≥850℃[16];＞900℃[17];＞1000℃[18])的特點(diǎn) ,提出“花崗巖鋯石U-Pb年齡可以代表花崗巖侵位年齡”的觀點(diǎn)[5,17,19-21],但這一觀點(diǎn)尚需作進(jìn)一步驗(yàn)證。

我們根據(jù)花崗巖熔體侵位在地殼較深部位而地殼巖石熱導(dǎo)率很低的特點(diǎn),推測(cè)體積巨大、放射性元素含量高的南嶺花崗巖冷卻-結(jié)晶所需時(shí)間較長(zhǎng),存在較大侵位-結(jié)晶時(shí)差的可能,因而提出,根據(jù)花崗巖體及圍巖的地質(zhì)及熱物理參數(shù),通過熱傳導(dǎo)理論計(jì)算獲得花崗巖的侵位-結(jié)晶時(shí)差,再結(jié)合同位素定年結(jié)果反演計(jì)算出花崗巖侵位年齡的方法。據(jù)此,本文選擇南嶺東段屬于燕山早期的2個(gè)花崗巖基(寨背巖體和陂頭巖體)作為研究對(duì)象,計(jì)算其侵位年齡并探討它們的構(gòu)造意義。

1 花崗巖鋯石U-Pb年齡表征的是花崗巖結(jié)晶年齡而非侵位年齡

長(zhǎng)期以來,有關(guān)“鋯石U-Pb同位素體系封閉溫度較全巖Rb-Sr同位素體系封閉溫度高”的觀點(diǎn)已成為國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究花崗巖熱歷史的重要理論依據(jù)。如果這一觀點(diǎn)確實(shí)客觀存在,那么就必然存在花崗巖鋯石U-Pb同位素年齡大于全巖Rb-Sr同位素年齡的規(guī)律。鑒于近年來已積累了大量有關(guān)花崗巖鋯石U-Pb同位素定年及全巖Rb-Sr同位素年齡的數(shù)據(jù),這就為采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法判明是否存在花崗巖鋯石U-Pb同位素年齡大于全巖Rb-Sr同位素年齡的規(guī)律提供了可能。近年來,我們通過對(duì)國(guó)內(nèi)外花崗巖體鋯石U-Pb年齡(tZr)與全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡(tRb)相關(guān)分析及其年齡差值(Δt=tZr-tRb)進(jìn)行的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析研究,擬合出相關(guān)系數(shù)很高(R=0.998),回歸系數(shù)接近l的線性回歸方程,發(fā)現(xiàn)Δt既有正值,也有負(fù)值,總體呈對(duì)稱正態(tài)分布,不存在花崗巖鋯石U-Pb同位素年齡大于全巖Rb-Sr同位素年齡的規(guī)律[22-23]。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)這一結(jié)論的科學(xué)性和可信性,本文將最新收集到的花崗巖鋯石U-Pb年齡與全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡53對(duì) 數(shù)據(jù)(表1)加入,使統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)N=164,對(duì)其差值(Δt)進(jìn)行了頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)Δt既有正值,也有負(fù)值,總體呈對(duì)稱正態(tài)分布,其中位值為0.0 Ma,眾數(shù)值為0.0 Ma(圖2),并擬合出相關(guān)系數(shù)很高(R=0.997)、回歸系數(shù)接近l的線性回歸方程(tRb=0.99577·tZr+0.317796)(圖3)。這些特征表明花崗巖體鋯石U-Pb定年的測(cè)定結(jié)果與全巖Rb-Sr等時(shí)線定年測(cè)定結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)是一致的,從而進(jìn)一步確證了花崗巖鋯石U-Pb年齡和全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡一樣表征的是花崗巖的結(jié)晶年齡(tC)。由此,我們認(rèn)為不能簡(jiǎn)單地用花崗巖鋯石UPb年齡來表征花崗巖的侵位年齡,而必需另辟途徑,即根據(jù)花崗巖實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)原理和熱傳導(dǎo)理論,采用反演計(jì)算方法來確定花崗巖體的侵位年齡。

圖2 164個(gè)花崗巖鋯石 U-Pb年齡與全巖 Rb-Sr等時(shí)線年齡差值(Δt)直方圖及其正態(tài)分布曲線Fig.2 Histogram and PDF(probability density function)curve for age difference(Δt)between the zircon U-Pb age and the whole-rock Rb-Sr isochron age for the 164 granite plutons

2 花崗巖侵位年齡和侵位-結(jié)晶時(shí)差計(jì)算的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)根據(jù)

根據(jù)Dowty[24]有關(guān)花崗巖實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究資料分析,花崗巖熔體的冷卻-結(jié)晶過程可分為3個(gè)階段(圖4):

(1)結(jié)晶前的熔體降溫階段(液相),花崗巖熔體溫度由初始溫度(Tm)逐漸降低至結(jié)晶溫度(Tc),這階段的冷卻時(shí)間用Δtcol表示。

圖3 164個(gè)花崗巖體鋯石 U-Pb年齡值與全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡值的相關(guān)圖Fig.3 Correlation diagram of the zircon U-Pb age and the whole-rock Rb-Sr isochron age for the 164 granite plutons

(2)結(jié)晶固結(jié)階段(固液相共存),花崗巖熔體結(jié)晶是在過冷狀態(tài)下開始的,形成一定數(shù)量的晶核,其后在結(jié)晶生長(zhǎng)過程中釋放出的結(jié)晶潛熱又將使溫度回升到Tc并形成一個(gè)結(jié)晶溫度平臺(tái),直到釋放出的結(jié)晶潛熱全部散失到圍巖中為止,才繼續(xù)降溫。釋放出的結(jié)晶潛熱將延長(zhǎng)巖漿結(jié)晶的進(jìn)程,其延長(zhǎng)結(jié)晶作用的時(shí)間用ΔtL表示(圖4)。

圖4 花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶的溫度(T)-時(shí)間(t)關(guān)系示意圖[22]Fig.4 Temperature(T)vs time(t)of cooling-crystallization process of a granitic melt

(3)結(jié)晶后的固相降溫階段。我們認(rèn)為,自然界中巨大的花崗巖侵入體(巖基)的冷卻-結(jié)晶過程也將遵循上述關(guān)于花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶過程的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)原理。這樣,花崗巖熔體到達(dá)、貯存在巖漿房 并開始降溫冷卻的時(shí)刻就相當(dāng)于花崗巖體的侵位年齡(tE),而全部結(jié)晶-固結(jié)的時(shí)刻則相當(dāng)于花崗巖體的結(jié)晶年齡(tC),花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶所需的時(shí)間應(yīng)等于Δtcol及ΔtL之和(圖4)。

此外,從巖石地球化學(xué)研究得知,在各種巖漿巖中,花崗巖類巖石的U,Th,K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,因此花崗巖熔體在冷卻-結(jié)晶過程中產(chǎn)生的放射成因熱將比基性-超基性巖高1～2個(gè)數(shù)量級(jí),這意味著花崗巖熔體在冷卻-結(jié)晶過程中產(chǎn)生的放射成因熱延長(zhǎng)花崗巖熔體的冷卻-結(jié)晶時(shí)間(ΔtA)也是一個(gè)不可忽視的、影響花崗巖體冷卻結(jié)晶時(shí)間的重要因素。

3 寨背和陂頭花崗巖基地質(zhì)概況

寨背花崗巖基位于南嶺東西向構(gòu)造巖漿帶東段的贛南定南縣,地表出露面積約480 km2,巖性為黑云母鉀長(zhǎng)花崗巖,主要礦物成分(平均)為:石英28%,鉀長(zhǎng)石 50%,斜長(zhǎng)石 17%,黑云母 3%,偶見角閃石。主要副礦物為磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、褐簾石、磷灰石和獨(dú)居石。陂頭巖基出露于龍南縣陂頭鎮(zhèn)一帶,面積約470 km2,主要巖性為含角閃石的黑云母鉀長(zhǎng)花崗巖,主要造巖礦物為:石英 28%～39%,鉀長(zhǎng)石58%～66%,斜長(zhǎng)石12%～22%,黑云母1%～3%,局部出現(xiàn)角閃石0～4%。副礦物主要為磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、螢石和電氣石,有少量磷灰石和獨(dú)居石。

圖5 寨背和陂頭花崗巖基地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)范春方等,2000)[71]Fig.5 Geological sketch of the Zhaibei and Pitou granite batholiths

寨背和陂頭花崗巖基侵入于震旦—寒武系及泥盆—二疊系中(圖5),接觸帶上熱變質(zhì)現(xiàn)象強(qiáng)烈,熱變質(zhì)帶寬100～2 000 m,表明它們屬巖漿成因。

寨背花崗巖體的的全巖-礦物Rb-Sr等時(shí)線年齡為176 Ma[69],鋯石U-Pb年齡為171.6 Ma[70],平均值為173.8 Ma。陂頭巖體的全巖-礦物Rb-Sr等時(shí)線年齡為178.2 Ma[71],鋯石U-Pb同位素年齡為186.3 Ma[72],平均值為182.3 Ma。表明它們均屬燕山早期形成的花崗巖體。寨背花崗巖體的放射性元素平均值為:w(U)=10.32×10-6,w(Th)=46.9×10-6,w(K2O)=5.38%。陂頭花崗巖體的放射性元素平均值為:w(U)=6.28×10-6,w(Th)=29.7×10-6,w(K2O)=5.37%[73]。

4 寨背和陂頭花崗巖基侵位年齡的計(jì)算

花崗巖巖石學(xué)研究表明,出露面積大、呈全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、具均勻塊狀構(gòu)造等地質(zhì)特征的花崗巖體,其形成時(shí)的埋深(距古地表深度)較大,約為 6.5～13 km[74-75]。從地球?qū)尤Φ臒峤Y(jié)構(gòu)角度分析,花崗巖的這一侵位尺度位于傳熱效應(yīng)明顯的熱傳導(dǎo)層范圍內(nèi)[76]。這意味著花崗巖熔體的冷卻-結(jié)晶過程將明顯受地殼巖石熱傳導(dǎo)的制約,即花崗巖熔體熱量將通過熱傳導(dǎo)機(jī)制而散失。所以,花崗巖熔體侵位到地殼內(nèi)巖漿房后的冷卻-結(jié)晶過程實(shí)質(zhì)上是花崗巖熔體從初始溫度(Tm)通過熱傳導(dǎo)向周圍地質(zhì)體傳遞(散失)熱量而逐漸降溫的熱動(dòng)力學(xué)地質(zhì)過程。鑒于近數(shù)十年來巖石熱物理性質(zhì)、熱傳導(dǎo)理論及花崗巖實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展并積累了大量數(shù)據(jù),因此本文將根據(jù)地質(zhì)-地球物理資料建立花崗巖基的數(shù)學(xué)計(jì)算模型,再按照熱傳導(dǎo)原理及巖石熱物理性質(zhì)參數(shù)計(jì)算出侵位后的花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶所需要的時(shí)間,即“侵位-結(jié)晶時(shí)差”,然后,將其與代表花崗巖結(jié)晶年齡的同位素年齡值相加,可得出花崗巖基的侵位年齡。

因此,為了確定寨背和陂頭花崗巖基的侵位年齡,本文將在確定巖體熱物理及有關(guān)地球化學(xué)參數(shù)的前提下,分別計(jì)算出寨背和陂頭花崗巖熔體溫度由初始溫度(Tm)逐漸冷卻降低至結(jié)晶溫度(Tc)的冷卻時(shí)間(Δtcol)、結(jié)晶潛熱釋放延長(zhǎng)結(jié)晶作用的時(shí) 間(ΔtL)及花崗巖熔體在冷卻-結(jié)晶過程中產(chǎn)生的放射成因熱延長(zhǎng)花崗巖熔體的冷卻-結(jié)晶時(shí)間(ΔtA),由此得出侵位-結(jié)晶時(shí)差。然后再根據(jù)巖體的結(jié)晶年齡反演計(jì)算得出巖體的侵位年齡。

4.1 寨背和陂頭花崗巖地質(zhì)-熱物理參數(shù)的選擇和計(jì)算

4.1.1 花崗巖熔體初始溫度、結(jié)晶溫度的選定

(1)花崗巖熔體初始溫度。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明,巖石熔融一般在過熱狀態(tài)(即高于液相線溫度)下才會(huì)發(fā)生。對(duì)現(xiàn)代長(zhǎng)英質(zhì)火山熔巖流溫度的測(cè)試結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。Dowty(1980)[24]所作的花崗巖熔融實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,w(H2O)=3.5%的花崗閃長(zhǎng)巖液相線溫度為950℃。據(jù)此,我們?cè)O(shè)定花崗巖漿的初始溫度Tm為950℃。

(2)花崗巖熔體結(jié)晶溫度。鑒于花崗巖主要由石英、長(zhǎng)石、云母等造巖礦物所組成,當(dāng)花崗巖造巖礦物全部結(jié)晶固結(jié)時(shí),其Rb-Sr同位素體系也將停止擴(kuò)散交換。因此,花崗巖全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡能較好地表征花崗巖的結(jié)晶年齡。全巖Rb-Sr同位素封閉溫度較低,—般為600～650℃。據(jù)此,我們?cè)O(shè)定花崗巖漿的結(jié)晶溫度Tc為600℃。

4.1.2 寨背和陂頭花崗巖基的空間尺度(巖體邊長(zhǎng)、侵位深度)及圍巖初始溫度、圍巖熱傳導(dǎo)率的確定

(1)巖體邊長(zhǎng)估算。根據(jù)寨背和陂頭花崗巖基地表出露面積,將其簡(jiǎn)化為1/2邊長(zhǎng)(d)為10.9 km和10.8 km的立方體模型。

(2)侵位深度估算。寨背和陂頭花崗巖基的侵位深度根據(jù)巖體侵位時(shí)的上覆地層厚度進(jìn)行估算:寨背和陂頭巖基侵位于震旦—二疊系中,因而用震旦—二疊系地層的厚度估算巖基侵位深度是合理的。根據(jù)贛南地區(qū)地層資料統(tǒng)計(jì),巖基所在地區(qū)的震旦—二疊系地層總厚度約為7 500 m,可作為寨背和陂頭巖基侵位的深度。

(3)圍巖熱傳導(dǎo)率。根據(jù)現(xiàn)有地?zé)豳Y料,地殼中各種沉積巖的平均熱導(dǎo)率分別為:板巖為 6.2 TCU,灰?guī)r為5.28 TCU,黏土為5.3 TCU,砂巖為7.75 TCU,平均值為6.13 TCU(1TCU=0.4187 Jm-1s-1K-1)。據(jù)此,我們?cè)O(shè)寨背和陂頭花崗巖基沉積圍巖的熱導(dǎo)率為6.13 TCU。

(4)圍巖初始溫度(Tw)。設(shè)地表溫度值為20℃,根據(jù)中-新生代造山區(qū)的大地?zé)崃髌骄?1.92 HFU)及沉積巖的平均導(dǎo)熱率(6.13 TCU)求得圍巖初始溫度Tw=250℃。

4.1.3 寨背和陂頭花崗巖基放射性產(chǎn)熱率(QA)

U,Th,40K放射性產(chǎn)熱率計(jì)算。本文根據(jù)Van Schmus(1984)[77]的參數(shù),得出寨背和陂頭花崗巖基初始放射性生熱率(QA)的計(jì)算公式如下:

式中,CU,CTh,CK分別為巖石中U,Th,K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(量的單位:w(U,Th)/10-6,w(K)/%),NU,NTh,NK分別為U,Th,K的校正系數(shù)。

將寨背和陂頭花崗巖基的U,Th,K平均值及校正系數(shù)代入式(1),得出寨背和陂頭的放射性產(chǎn)熱率QA分別為 77.7×10-6Jg-1a-1和 50.4×10-6Jg-1a-1。

將計(jì)算寨背和陂頭花崗巖基侵位-結(jié)晶時(shí)差及侵位年齡的有關(guān)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果列于表2,寨背和陂頭花崗巖基數(shù)學(xué)計(jì)算模型示于圖6。

圖6 寨背和陂頭花崗巖基的數(shù)學(xué)計(jì)算模型Fig.6 Mathematic calculating model for the Zhaibei and Pitou granite batholiths

4.2 寨背和陂頭花崗巖基冷卻時(shí)間Δtcol的計(jì)算

寨背和陂頭花崗巖基在地表出露的形態(tài)為不規(guī)則多邊形(圖5),華南地區(qū)重力場(chǎng)研究結(jié)果表明,華南花崗巖重力異常為-10～-30 mGal(-10×10-3～-30×10-3cm/s2),巖體地下形態(tài)大多呈近似透鏡體或板狀體,厚度為5～15 km[78]。這說明本文采用簡(jiǎn)化的立方體模型進(jìn)行計(jì)算是合理的。因此,本文根據(jù)簡(jiǎn)化的立方體數(shù)學(xué)模型,采用Buntebarth(1984)提出的花崗巖熔體冷卻時(shí)間公式[79]計(jì)算寨背和陂頭巖體從初始溫度(Tm)冷卻到結(jié)晶溫度(Tc)的冷卻時(shí)間Δtcol:

表2 計(jì)算寨背和陂頭花崗巖基侵位年齡有關(guān)的參數(shù)Table 2 Parameters used in calculation of emplacement age of the Zhaibei and Pitou granite batholiths

式中,k為熱擴(kuò)散率;Tm為初始溫度(K);Tc為結(jié)晶溫度;Tw為圍巖溫度;d為1/2邊長(zhǎng)。

將有關(guān)參數(shù)值代入公式(2),計(jì)算得出寨背和陂頭花崗巖基冷卻結(jié)晶時(shí)間(Δtcol)分別為4.04 Ma和3.97 Ma。

4.3 寨背和陂頭花崗巖熔體結(jié)晶潛熱延長(zhǎng)結(jié)晶時(shí)間(ΔtL)的計(jì)算

本文采用章邦桐等(2008)根據(jù)花崗巖熔體結(jié)晶過程中所釋放出的結(jié)晶潛熱(QL)將延長(zhǎng)結(jié)晶(保持結(jié)晶溫度)的時(shí)間(ΔtL),直到這部分熱量散失到圍巖中后才繼續(xù)降溫冷卻的原理,推導(dǎo)出ΔtL的計(jì)算公式[80]:

式中,QL為花崗巖熔體結(jié)晶潛熱;Δtcol為花崗巖熔體由溫度Tm降低到Tc需要的時(shí)間;Cp為花崗巖熔體比熱容;Tc為花崗巖結(jié)晶溫度;Tm為花崗巖熔體初始溫度。

將寨背和陂頭花崗巖體有關(guān)參數(shù)代入公式(3),獲得該巖體結(jié)晶潛熱延長(zhǎng)花崗巖熔體結(jié)晶的時(shí)間(ΔtL)分別為 3.02 Ma和 2.96 Ma。

4.4 寨背和陂頭花崗巖熔體放射性成因熱延長(zhǎng)結(jié)晶時(shí)間(ΔtA)的計(jì)算

本文采用章邦桐等(2007)根據(jù)花崗巖放射性元素(U,Th,40K)的產(chǎn)熱率等有關(guān)參數(shù),推導(dǎo)出由于放射成因熱延長(zhǎng)花崗巖熔體結(jié)晶時(shí)間(ΔtA)的計(jì)算公式[81]:

式中,ΔtA為放射成因熱延長(zhǎng)花崗巖熔體結(jié)晶時(shí)間;Δtcol為花崗巖熔體由初始溫度(Tm)降至結(jié)晶溫度(Tc)所需的時(shí)間;ΔtL為由于結(jié)晶潛熱釋放而延長(zhǎng)的結(jié)晶時(shí)間;QA為花崗巖熔體放射性元素的產(chǎn)熱率;Cp為花崗巖熔體比熱容。

將寨背和陂頭花崗巖基有關(guān)參數(shù)及上述計(jì)算結(jié)果代入公式(4),獲得放射成因熱延長(zhǎng)寨背和陂頭花崗巖基的結(jié)晶時(shí)間為14.3 Ma和5.16 Ma。

4.5 寨背和陂頭花崗巖基侵位-結(jié)晶時(shí)差(ΔtECTD)和侵位年齡(tE)計(jì)算

設(shè)ΔtECTD為花崗巖的侵位年齡與結(jié)晶年齡之差(簡(jiǎn)稱侵位-結(jié)晶時(shí)差),則花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶所需的時(shí)間應(yīng)等于Δtcol,ΔtL及ΔtA之和:

式中,ΔtECTD為花崗巖的侵位-結(jié)晶時(shí)差;tE為花崗巖侵位年齡;tC為花崗巖結(jié)晶年齡;Δtcol為花崗巖熔體由初始溫度降低到結(jié)晶溫度需要的時(shí)間;ΔtL為結(jié)晶潛熱延長(zhǎng)結(jié)晶的時(shí)間;ΔtA為放射性成因熱延長(zhǎng)冷卻-結(jié)晶過程的時(shí)間。

將公式(5)移項(xiàng),得出花崗巖侵位年齡(tE)的計(jì)算公式:

式中符號(hào)說明同公式(5)。

將寨背和陂頭花崗巖基的ΔtECTD和tC值代入公式(6),獲得寨背和陂頭花崗巖基的侵位年齡tE為195.16 Ma和194.39 Ma。

5 討論及小結(jié)

(1)寨背和陂頭花崗巖基現(xiàn)今的U,Th含量經(jīng)過校正可以代表該巖基的初始U,Th含量。U,Th地球化學(xué)研究表明,雖然各種巖漿巖(從超基性巖到花崗巖)中 Th,U含量變化可達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí),但未經(jīng)巖漿期后熱液作用或表生作用改造的各種巖漿巖的Th/U比值卻穩(wěn)定地保持在3～5之間。由此可以根據(jù)所研究花崗巖的Th/U比值來判斷其Th,U含量能否代表熔體的初始 U,Th含量,即花崗巖的Th/U＞3則表明其 Th,U值可以代表所研究花崗 巖的初始含量。根據(jù)表2中的Th,U含量計(jì)算得出寨背和陂頭花崗巖基的 Th/U為4.54和4.72。這表明寨背和陂頭花崗巖基現(xiàn)今的U,Th含量經(jīng)過時(shí)間(tc)校正能代表該巖基的初始U,Th含量。

(2)放射成因熱延長(zhǎng)花崗巖熔體結(jié)晶時(shí)間的計(jì)算公式是可信的。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出,寨背花崗巖由于放射成因熱延長(zhǎng)花崗巖熔體的結(jié)晶時(shí)間長(zhǎng)達(dá)14.3 Ma,這一時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于寨背花崗巖的冷卻時(shí)間(4.04 Ma)和結(jié)晶時(shí)間(3.02 Ma)。為了檢驗(yàn)該計(jì)算結(jié)果的可信性,我們假設(shè)寨背花崗巖的放射性元素含量和世界平均花崗巖的的放射性元素含量(w(U)=5×10-6,w(Th)=20×10-6,w(K2O)=2.66%)[82]一樣,而其他所有參數(shù)均不改變的條件下,將其代入公式(4),計(jì)算得出的放射成因熱延長(zhǎng)花崗巖熔體的結(jié)晶時(shí)間僅為3.06 Ma。這說明放射成因熱延長(zhǎng)花崗巖熔體的結(jié)晶時(shí)間是影響花崗巖侵位結(jié)晶時(shí)差長(zhǎng)短的主要因素,從而也佐證了該計(jì)算公式的可信性。

(3)寨背和陂頭花崗巖基侵位年齡為其屬印支造山期侵位提供了重要佐證。根據(jù)巖體地質(zhì)構(gòu)造特征(地表出露面積、侵位深度等)、有關(guān)的熱物理參數(shù)及主體花崗巖的放射性元素含量,計(jì)算得出寨背和陂頭花崗巖基冷卻-結(jié)晶時(shí)間長(zhǎng)達(dá)21.36 Ma和12.09 Ma,結(jié)合其同位素結(jié)晶年齡(173.8 Ma和182.3 Ma)得出寨背和陂頭花崗巖基巖體從深部巖漿源上升侵位進(jìn)入高位巖漿房的時(shí)刻,即侵位年齡為195.2 Ma和194.4 Ma。這意味著寨背和陂頭花崗巖基的侵位時(shí)間為印支構(gòu)造旋回(230～195 Ma),是印支造山運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。這也同周新民等(2006)研究華南中生代花崗巖和火山巖時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的“巖漿活動(dòng)寧?kù)o期”(205～180 Ma)[12]大致相吻合,很有可能就是大面積分布的華南花崗巖冷卻-結(jié)晶期的反映。

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