粵北河口巖體次英安斑巖鋯石U-Pb年代學(xué)和Hf同位素特征及其地質(zhì)意義

林 坤，李海東，劉 斌，龍自強(qiáng)，吳建勇

(1.核工業(yè)二九○研究所，廣東韶關(guān) 512029；2.廣東省環(huán)境保護(hù)核輻射追蹤研究重點實驗室，廣東韶關(guān) 512029；3．廣東省放射性生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心，廣東韶關(guān) 512029)

0 引言

大寶山-河口-南逕地區(qū)的火山巖主要分布于貴東復(fù)式花崗巖巖體外圍，在粵北大寶山、河口、黃竹、上洞和贛南南逕等地均有出露(圖1)。大寶山、河口、上洞等地的火山巖以英安巖、碎斑熔巖、次英安斑巖為主，多分布于破火山口構(gòu)造內(nèi)(巫建華等，2012)；而南逕盆地火山巖系主要由英安巖、安山巖及火山碎屑巖組成。

大寶山-河口-南逕地區(qū)的火山巖組合因其野外露頭較差，風(fēng)化較強(qiáng)，形成時代存在爭議，長期被歸屬于中生代火山巖系。1995年，核工業(yè)二九○研究所在開展“下莊礦田巖漿演化系列及成礦富集作用”研究時獲得河口盆地碎斑熔巖K-Ar年齡為143 Ma，將其地質(zhì)時代歸于晚侏羅世。而趙如意等(2019)、王磊等(2012)認(rèn)為大寶山次英安斑巖是早侏羅世晚期(～175 Ma)沿逆沖推覆構(gòu)造侵位的次火山巖，并捕獲了大量志留紀(jì)巖漿鋯石。

易立文等(2014)通過LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年獲得上洞巖體英安巖的鋯石U-Pb年齡為448.7±1.7 Ma；劉帥等(2018)通過SHRIMP鋯石U-Pb測年獲得南逕盆地安山巖和英安巖SHRIMP鋯石U-Pb年齡分別為442.1±3.9 Ma和439.9±3.7 Ma。瞿泓瀅等(2019)、潘會彬等(2014)、伍靜等(2014)、毛偉等(2013)等研究表明大寶山地區(qū)次英安斑巖形成時代為志留紀(jì)，表明該地區(qū)火山巖可能形成于加里東期。

河口地區(qū)年代學(xué)研究相對較少，徐夕生和謝昕(2005)獲得的河口盆地凝灰?guī)rLA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為400 Ma；巫建華等(2012)在對該地區(qū)不同巖石進(jìn)行野外劃分和定名基礎(chǔ)上，測定該區(qū)碎斑熔巖的鋯石U-Pb年齡為443.6±5.4 Ma。而河口地區(qū)次英安斑巖屬于火山期后的淺成-超淺成侵入巖，并未開展相關(guān)年代學(xué)研究。為了進(jìn)一步探討大寶山-河口-南逕地區(qū)火山巖的形成時代及巖漿源區(qū)，本文選擇河口巖體次英安斑巖作為研究對象，采取新鮮的巖石樣品開展鋯石U-Pb年代學(xué)及Hf同位素研究，并與大寶山、上洞、南逕火山巖進(jìn)行對比，以判別巖漿源區(qū)及成巖構(gòu)造環(huán)境，確定其形成時代。

圖1 粵北地區(qū)河口巖體地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of the Hekou rock mass in north Guangdong 1-石英砂巖、砂質(zhì)頁巖;2-石英砂巖、變質(zhì)砂巖;3-次英安斑巖;4-細(xì)粒二云母花崗巖;5-中粗粒黑云母花崗巖;6-斷裂;7-小型鎢礦床;8-水系;9-道路;10-取樣位置及樣品編號1-quartz sandstone,sandy shale;2-quartz sandstone,metamorphic sandstone;3-porphyritic dacite;4-fine-grained two mica granite;5-medium-coarse biotite granite;6-fracture;7-small tungsten deposit;8-water system; 9-road; 10-sampling location and sample number

1 地質(zhì)概況

河口巖體位于粵北地區(qū)貴東巖體中部的北緣，整體呈不規(guī)則方形，面積約32 km2(圖1)。北西側(cè)為寒武系，呈斷層接觸；東側(cè)為寒武系-中奧陶統(tǒng)變質(zhì)巖系，呈不整合接觸；南側(cè)為燕山早期司前花崗巖體侵入破壞，以細(xì)粒二云母花崗巖為主，成巖年齡為151.0±11 Ma(徐夕生等，2003)。河口巖體次英安斑巖在河口山鎢礦采坑內(nèi)出露較好，巖石較新鮮；而邊緣的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖等風(fēng)化較強(qiáng)，剝蝕嚴(yán)重，未見較好露頭。

次英安斑巖多呈淺灰色、灰綠色；巖石具斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶約占35%，主要為石英、斜長石、鉀長石、黑云母；基質(zhì)為顯微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、顯微鑲嵌結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為石英、斜長石、鉀長石、黑云母。次生蝕變主要為斜長石絹(白)云母化，綠簾石化，黑云母發(fā)育綠泥石化、綠簾石化(圖2)。

圖2 次英安斑巖巖石學(xué)、礦物學(xué)特征Fig.2 The petrology and mineralogy characteristics of the porphyritic dacitea-次英安斑巖露頭；b-次英安斑巖手標(biāo)本；c、d-次英安斑巖顯微照片(正交偏光，50×)；Q-石英；Pl-斜長石；K-鉀長石；Bt-黑云母a-porphyritic dacite field outcrop;b-porphyritic dacite hand specimen;c,d-porphyritic dacite micrograph(orthogonal polarization，50×);Q-quartz;Pl-plagioclase;K-potassium feldspar;Bt-biotite

2 樣品采集與分析

在河口山鎢礦外圍采集次英安斑巖樣品2個，編號HK-1、HK-2，進(jìn)行鋯石U-Pb定年和Hf同位素原位組成分析。

用于鋯石年代學(xué)測試的樣品首先經(jīng)過破碎，在碎樣后采用常規(guī)重力和磁選法分選出鋯石，先利用雙目鏡挑選晶形較好、色澤明亮的鋯石，再置于環(huán)氧樹脂中制靶。經(jīng)研磨拋光，進(jìn)行透射光、反射光及陰極發(fā)光照相后，選擇典型的巖漿鋯石進(jìn)行測年分析。鋯石U-Pb定年在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成，實驗使用Nu Plasma II 型多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和Geolas 193準(zhǔn)分子固體激光器，具體參照《激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜U-Pb同位素定年方法》(HDB/T 3002-2016)執(zhí)行。

鋯石Hf同位素原位組成分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成，采用Nu Plasma II 型多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和Geolas 193準(zhǔn)分子固體激光器，儀器的測試條件及數(shù)據(jù)的采集可參見文獻(xiàn)(Wu et al.，2006；侯可軍等，2007)。根據(jù)鋯石的大小選擇直徑40 μm或55 μm激光束斑，采用He氣作為剝蝕物質(zhì)的載氣，先與Ar氣混合，形成混合氣，再將剝蝕物質(zhì)從激光剝蝕系統(tǒng)傳送到MC-ICP-MS(徐平等，2004)。具體參照《鋯石Hf同位素及Lu-Hf模式年齡的測定 激光剝蝕多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HDB/T 3018-2018)執(zhí)行。

3 鋯石U-Pb年齡

次英安斑巖中鋯石多為無色透明或淺黃色。陰極發(fā)光圖像顯示，鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰且具典型的巖漿振蕩環(huán)帶。大部分鋯石結(jié)晶較好，多呈長柱狀，少數(shù)為等粒狀(圖3)。鋯石中的Th/U比值能反映鋯石的成因類型，當(dāng)Th/U比值大于0.1時為巖漿鋯石，而變質(zhì)鋯石Th/U比值一般小于0.1(Belousova et al.，2002)。河口巖體次英安斑巖中鋯石Th/U比值在0.20～0.91之間(表1)，指示其為典型的巖漿成因鋯石。

表1 次英安斑巖的LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)測試結(jié)果

續(xù)表1

圖3 次英安斑巖鋯石CL圖像與鋯石年齡Fig.3 CL images and ages of zircon crystals from the porphyritic dacite

定年結(jié)果表明，次英安斑巖樣品HK-1、HK-2的28個測點數(shù)據(jù)在諧和圖上密集成簇，相對集中于諧和線附近，無明顯的偏移；其中HK-1的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為428.6±2.2 Ma(2σ，MSWD=0.31)，除去年齡異常的HK-1-02(圖4)；HK-2的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為429.6±2.4 Ma(2σ，MSWD=0.80)，除去年齡異常的HK-2-1(圖5)?？梢?個樣品的定年結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是一致的，測試結(jié)果可靠。

4 鋯石Hf同位素

選取次英安斑巖樣品HK-1、HK-2進(jìn)行鋯石原位Hf同位素分析，分析結(jié)果見表2。

樣品HK-1鋯石的176Lu/177Hf比值變化范圍為0.00099～0.00179，平均值0.00126，顯示極低的放射性成因Hf的積累。176Hf/177Hf比值變化范圍為0.28228～0.28240，平均值0.28236。鋯石Hf同位素初始比值εHf(t)變化范圍在-8.40～-4.20，平均值-5.52；單階段Hf模式年齡(tDM1)介于1215～1374 Ma之間，平均值1268 Ma；兩階段Hf模式年齡(tDM2)介于1674～1934 Ma之間，平均值1756 Ma。

圖4 次英安斑巖HK-1鋯石U-Pb諧和年齡(a)和加權(quán)平均年齡(b)Fig.4 The diagrams of zircon U-Pb concordia (a) and weighted average age (b) of HK-1 porphyritic dacite

圖5 次英安斑巖HK-2鋯石U-Pb諧和年齡(a)和加權(quán)平均年齡(b)Fig.5 diagrams of zircon U-Pb concordia (a) and weighted average age (b) of HK-2 porphyritic dacite

表2 次英安斑巖的LA-MC-ICP-MS鋯石Lu-Hf同位素分析結(jié)果

樣品HK-2鋯石的176Lu/177Hf比值變化范圍為0.00015～0.00122，平均值0.00047，顯示極低的放射性成因Hf的積累。176Hf/177Hf比值變化范圍為0.28229～0.28238，平均值0.28233。鋯石Hf同位素初始比值εHf(t)變化范圍在-7.65～-4.72，平均值-6.22；單階段Hf模式年齡(tDM1)介于1231～1333 Ma之間，平均值1288 Ma；兩階段Hf模式年齡(tDM2)介于1709～1888 Ma之間，平均值1802 Ma。

5 討論

5.1 形成時代

河口巖體次英安斑巖的鋯石U-Pb年齡為428.6±2.2 Ma、429.6±2.4 Ma，而碎斑熔巖的鋯石U-Pb年齡為443.6±5.4 Ma(巫建華等，2012)，兩者成巖時差約15 Ma。次英安斑巖屬于火山噴發(fā)活動后期的淺成-超淺成侵入巖，可見河口地區(qū)的火山活動為一個相對持續(xù)的多階段過程。

此外，通過將河口地區(qū)、南逕盆地及大寶山地區(qū)的英安巖、次英安斑巖鋯石U-Pb年齡對比分析可知(易立文等，2014；劉帥等，2018；瞿泓瀅等，2019；趙如意等，2019)河口-大寶山-南徑地區(qū)出露的次火山巖-火山巖形成時代主要介于445～435 Ma之間，暗示粵北-贛南地區(qū)不僅廣泛發(fā)育加里東期花崗巖，而且存在廣泛發(fā)育的加里東期的火山巖-次火山巖。

5.2 巖漿源區(qū)及構(gòu)造環(huán)境

鋯石Hf同位素體系封閉溫度要高于鋯石U-Pb同位素體系，可以示蹤巖漿的源區(qū)和巖漿混合過程，反映巖漿源區(qū)的源巖特征，可作為討論地殼演化、殼幔相互作用的重要工具(Patchett,1983;Cherniak et al.,1997;Cherniak and Watson,2003；吳福元等，2007；楊水源等，2010；徐文坦等，2019；高陽等，2019)。因此，通過次英安斑巖的鋯石Hf同位素組成特征分析，能更好地探討次英安斑巖的物質(zhì)來源問題。

本次研究獲得河口巖體次英安斑巖的εHf(t)變化范圍較小，均呈明顯負(fù)值(-7.65～-4.72)，指示其形成于陸殼物質(zhì)的部分熔融。鋯石206Pb/238U年齡與εHf(t)關(guān)系圖顯示，鋯石的εHf(t)集中在上下地殼的演化線之間(圖6)，表明其巖漿源區(qū)來自于地殼，并無明顯地幔物質(zhì)的加入。鋯石Hf模式年齡(tDM2)平均值分別為1756 Ma、1802 Ma，指示河口地區(qū)可能存在過早元古代的古老基底，次英安斑巖可能是早元古代的變質(zhì)巖部分熔融的產(chǎn)物。

圖6 次英安斑巖的鋯石206Pb/238U年齡與εHf(t)關(guān)系圖Fig.6 The relationship between the age of 206Pb/238U and εHf(t)of zircons in porphyritic dacite

前人研究表明，在早古生代，揚(yáng)子地塊與華夏地塊靠攏并發(fā)生碰撞，導(dǎo)致?lián)P子地塊東南緣地殼加厚，并產(chǎn)生熱-應(yīng)力松弛作用，隨后轉(zhuǎn)換為以碰撞為主的局部拉張減薄的伸展環(huán)境(鐘立峰等，2006；夏明哲等，2010；舒良樹，2012；張喜松和徐夕生，2015；覃曉云，2015)。地殼加厚和巖石圈地幔的拆沉，引起軟流圈上涌，巖漿在上升過程中經(jīng)歷分離結(jié)晶作用形成火山巖(毛建仁等，2014；易立文等，2014；夏菲等，2017；劉帥等，2018)。河口巖體次英安斑巖地球化學(xué)特征研究表明其具有殼源S型花崗巖的特征，可能是在陸陸碰撞導(dǎo)致地殼不斷增厚的背景下，地殼物質(zhì)發(fā)生部分熔融的產(chǎn)物?？梢?，河口巖體次英安斑巖形成于加厚地殼背景下的后碰撞拉張構(gòu)造環(huán)境，巖漿在上升過程中經(jīng)歷了結(jié)晶分離而形成安山質(zhì)巖漿。

5.3 地質(zhì)意義

河口巖體位于貴東復(fù)式花崗巖體的北東部邊緣，后者因產(chǎn)出下莊鈾礦田而受眾多學(xué)者關(guān)注。研究表明，貴東花崗巖體為印支-燕山期多期多階段的復(fù)式巖體，該巖體為鈾成礦提供了豐富的鈾源(徐夕生等，2003；凌洪飛等，2005)。多期次巖漿作用導(dǎo)致鈾在巖體中不斷富集，其鈾含量明顯高于地殼豐度值。而火山巖系中鈾主要賦存于火山玻璃基質(zhì)中，火山玻璃基質(zhì)在后期水-巖相互作用過程中，容易釋放出大量的鈾并遷移富集。因此，河口巖體加里東期火山巖-次火山巖系可作為早期鈾源，為鈾的初步富集提供物質(zhì)基礎(chǔ)，再經(jīng)后期巖漿演化、水-巖作用等進(jìn)一步富集成礦。

結(jié)合前人研究成果，粵北-贛南地區(qū)廣泛存在加里東期火山巖系，進(jìn)一步暗示該階段發(fā)生了較大的拉張活動，而并非前人所認(rèn)為的華南加里東期巖漿活動發(fā)生在較大的深度和較閉合的非伸展環(huán)境(周新民，2003；王德滋，2004)。而伸展環(huán)境有利于流體的運(yùn)移，這也為后期熱液鈾成礦提供了條件，促使該區(qū)成為重要的鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

6 結(jié)論

本文通過對河口巖體次英安斑巖中鋯石U-Pb同位素年代學(xué)及鋯石Hf同位素特征的研究，得出以下結(jié)論：

(1)河口巖體次英安斑巖的鋯石U-Pb年齡為428.6±2.2 Ma、429.6±2.4 Ma，屬晚加里東期火山巖系，進(jìn)一步證實粵北-贛南地區(qū)存在較大范圍的加里東期火山巖-次火山巖分布。

(2)河口巖體次英安斑巖的鋯石Hf同位素組成特征表明其巖漿源區(qū)來自于地殼物質(zhì)，由太古代、早元古代的變質(zhì)巖部分熔融的產(chǎn)物，并無明顯地幔物質(zhì)的加入。次英安斑巖形成于加厚地殼背景下的后碰撞拉張構(gòu)造環(huán)境，為研究貴東復(fù)式花崗巖體的巖漿演化及鈾成礦作用打開了新的窗口。