福建金剛山晶洞花崗巖年代學及其構造意義

陳鴻煒

(1.東華理工大學，南昌，330013；2.福建省地質調查研究院，福州，350013)

福建中生代處于濱太平洋陸緣活動帶并以強烈的構造-巖漿活動著稱，侵入巖和火山巖分布廣泛，在福建沿海福鼎太姥山—福州魁岐—云霄烏山一線，發(fā)育北北東向晶洞堿長花崗巖帶。早在1964年王寵教授就對沿海一帶的晶洞(鉀長)花崗巖進行過研究。自1979年，Loiselle 和Wones提出A型花崗巖這一術語以來，晶洞花崗巖作為A型花崗巖的一種特殊巖石，逐漸受到地質學家的重視。隨著同位素測年和示蹤技術的不斷完善，主量元素、微量元素和同位素等地球化學特征已經成為識別A型花崗巖的主要標志。A型花崗巖由于其特殊的構造環(huán)境以及復雜的物質來源而被認為是地球動力學研究的重要“巖石探針”[1]，具有重要的研究意義。

1 區(qū)域地質概況

金剛山巖體位于平潭—東山構造帶西亞帶南段[2]，是漳州復式巖體的組成部分。該區(qū)處于平潭—東山北東向構造帶與上杭—云霄北西向構造帶的交會處，主要發(fā)育早侏羅世梨山組河湖碎屑巖沉積巖建造組合、晚侏羅世-早白堊世南園組火山弧安山巖-英安巖-流紋巖組合、早白堊世石帽山群晚期雙峰式火山巖組合和后碰撞鈣堿性花崗巖組合(J3-K12)、后造山鈣堿性-堿性花崗巖組合(K13-K2)[3]。

金剛山晶洞堿長花崗巖，呈巖株狀產出，總體呈北東向長橢圓形展布，出露面積約為56 km2(圖1)。地貌特殊，拔地而起形成尖峭山峰，怪石嶙峋，壘疊成洞，顯示晶洞花崗巖特有的地貌。巖體侵入晚侏羅世-早白堊世南園組、早白堊世晚期石英二長閃長巖，接觸界線明顯，內接觸帶可見細?；睦淠?，外接觸帶一側烘烤受熱而具角巖化蝕變。根據礦物成分、結構構造、接觸關系，金剛山巖體從早到晚可劃分為含斑細粒晶洞堿長花崗巖→少斑中細粒晶洞堿長花崗巖→似斑狀中粒晶洞堿長花崗巖→斑狀細粒晶洞堿長花崗巖4個單元，各單元間呈涌動或脈動侵入接觸(1)福建省地質調查研究院，1∶5萬長橋、漳浦縣幅區(qū)域地質調查報告，2018。。

圖1 福建金剛山地區(qū)地質簡圖Fig.1 Geological diagram of Jingangshan area, Fujian1—第四系；2—晚侏羅世-早白堊世南園組；3—早侏羅世梨山組；4—晚白堊世晶洞堿長花崗巖；5—早白堊世晚期正長花崗巖；6—早白堊世晚期二長花崗巖；7—早白堊世晚期花崗閃長巖；8—早白堊世晚期石英二長閃長巖；9—早白堊世晚期石英閃長巖；10—晚侏世晚期-早白堊世中期正長花崗巖；11—晚侏世晚期-早白堊世中期二長花崗巖；12—晚侏世晚期-早堊世中期花崗閃長巖；13—地質界線；14—不整合界線；15—花崗巖體涌動接觸界線；16—花崗巖體脈動接觸界線；17—斷層；18—似斑中細粒/斑狀細粒結構；19—少斑中細粒/含斑細粒結構；20—同位素測年采樣點

2 巖石學特征

金剛山晶洞堿長花崗巖，呈淺肉紅色，具似斑狀結構，塊狀構造、晶洞構造，礦物成分主要由鉀長石、石英及斜長石、黑云母組成，并見少量副礦物。巖石以富含鉀長石和發(fā)育晶洞構造為特征，鉀長石為斜長石；晶洞一般為0.5～8 mm，呈不規(guī)則狀，占巖石體積的3%～8%，晶洞中充填石英、鉀長石(照片1)。副礦物組合以鋯石-磁鐵礦-磷灰石組合為特征，磁鐵礦、螢石含量較高，類似于A型花崗巖。

金剛山巖體4個巖石單元，從早期到晚期除巖石結構的粒度大小、似斑晶含量有變化外，其余礦物成分及其特征基本相同，變化不大(表1)。

照片1 金剛山斑狀細粒晶洞堿長花崗巖晶洞構造(a)及顯微鏡下特征(×40)(b)Photo.1 Crystalline cave structure (a) and microscopic characteristics (b)(40 x) of Diamond porphyritic fine grained cavernous alkali feldspar granite

表1 金剛山晶洞堿長花崗巖體各單元巖石學特征

3 巖石地球化學特征

此次研究在金剛山巖體東北部不同巖石單元中采集8件樣品，進行巖石化學、地球化學分析測試，由福建省地質測試研究中心完成。其中，主量元素用x射線熒光光譜儀測定(XRF)，并用等離子光譜法進行驗證；微量元素和稀土元素采用等離子質譜儀(XseriesⅡ)測定。

3.1 主量元素

金剛山巖體的主量元素含量及其特征參數值(表2)，總體表現為高硅富堿，貧鈣、鎂、鐵特征。巖石SiO2含量為76.64%～77.41%，Al2O3含量為12.08%～12.61%；Na2O+K2O為7.71%～8.76%，具較高的全堿含量，Na2O/K2O比值為0.84～0.98，Na2O的含量均小于K2O；TFeO/MgO比值為6.32～13.59，平均10.96(>6.40)。堿度率(AR)值為3.35～5.11，在SiO2-K2O圖解(圖2-a)中樣品均投影于高鉀鈣堿性系列。A/NCK值1.01～1.02(>1.0)，在A/NK-A/NCK判別圖解(圖2-b)樣品投影于過鋁質花崗巖。分異指數DI為93.72～97.21，平均96.54；固結指數SI為0.64～1.82，平均0.94；較高的分異指數和較低的固結指數均指示巖漿分異結晶作用強烈。

表2 金剛山晶洞堿長花崗巖的巖石化學成分及其特征值(×10-2)

圖2 金剛山巖體K2O-SiO2圖解(a)及A/NK-A/NCK判別圖解(b)Fig.2 K2O-SiO2 diagram (a) and A/NK-A/NCK discrimination diagram (b) of Jingangshan rock mass

3.2 微量元素

金剛山巖體的微量元素含量及其特征值(表3)，與酸性巖維氏值相比較，除元素Bi高幾十至百倍外，絕大多數元素的含量大致相當，但鐵族元素V、Co、Cr、Ni相對貧化。在原始地幔標準化蛛網圖(圖3-a)上所有樣品曲線特征相近，總體表現為大離子親石元素Rb、K、U、Th相對富集，Ba、Sr、P、Ti明顯虧損。富集Th、U表明巖漿經歷了斜長石、磷灰石及黑云母等礦物的分離結晶作用，Ba、Sr的虧損主要原因為長石結晶成形的影響，P、Ti的虧損可能為鈦鐵礦、磷灰石等礦物的分離結晶作用導致形成，反映巖漿經歷了高程度的結晶分異作用。

表3 金剛山晶洞堿長花崗巖的微量元素含量及特征值(×10-6)

3.3 稀土元素

金剛山巖體的稀土元素含量及其特征值(表4)，巖石的稀土總量較低，∑REE含量為97.58×10-6～185.12×10-6，平均為127.76×10-6，低于自然界花崗巖平均稀土總量288×10-6，亦低于上部陸殼的平均總量210.07×10-6。LREE/HREE比值為4.38～12.16，平均為7.13，富集輕稀土。δEu為0.17～0.63，平均為0.28，具強烈的Eu負異常。稀土配分模式圖(圖3-b)呈現左高右低的曲線，輕稀土部分陡傾，重稀土部分平緩，與上地殼稀土元素配分模式近于一致。

表4 晚白堊世侵入巖稀土元素含量及特征值(×10-6)

圖3 金剛山巖體微量元素原始地幔標準化蛛網圖(a)及稀土元素配分模式圖(b)Fig.3 A standardized cobweb map of primitive mantle of trace elements (a) and distribution pattern of rare earth elements (b) in Jingangshan rock mass

4 年代學特征

此次研究有1件年齡樣品(PM101-20)采集于金剛山巖體東北部的官輔村，巖性為似斑狀中粒晶洞堿長花崗巖。樣品中鋯石由河北省廊坊市誠信地質服務有限公司負責挑選，并送中國冶金總局山東局測試中心實驗室利用LA-ICP-MS方法測定分析，鋯石陰極發(fā)光(CL)照相在北京鋯年領航科技有限公司的掃描電鏡+Gatan陰極發(fā)光MonoCL3+上完成。

4.1 鋯石特征

鋯石呈淺玫瑰紅色，柱狀、次棱角柱狀，個別呈長柱狀，金剛光澤，透明至半透明，晶體表面光潔明亮，粒徑主要為0.05～0.15 mm、次為0.16～0.30 mm、個別為0.31～0.45 mm，長寬比一般為1.2～2.0、次為2.0～3.0。

鋯石陰極熒光圖像明亮，具有較清晰的震蕩生長環(huán)帶結構，且Th/U比值較高，為0.62～1.50，反映其為巖漿結晶鋯石(圖4)。

圖4 金剛山晶洞堿長花崗巖體(PM101-20)鋯石CL影像及測年點位圖Fig.4 Zircon CL image and dating spots map of Jingangshan geode alkali feldspar granite

4.2 鋯石U-Pb同位素測年

在PM101-20樣品中，選取19顆鋯石進行分析測試(表5)。挑選了諧和度≥95%的測點參與年齡計算，共計9個測點，所測點均位于U-Pb諧和線的線上或其附近，且成群分布(圖5-a)，其加權平均年齡值為(95±2.8)Ma (MSWD=0.86，n=9)(圖5-b)，這一年齡代表了該樣品的鋯石結晶年齡，指示成巖時期為晚白堊世。

表5 金剛山晶洞堿長花崗巖(PM101-20)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年測試結果

圖5 金剛山巖體(PM101-20)鋯石U-Pb同位素年齡諧和圖(a)及加權平均值圖(b)Fig.5 Zircon U-Pb age harmony (a) and weighted average (b) of Isotopic Age Zircon of Jingangshan rock mass(PM101-20)

5 討論

5.1 成巖時代

福鼎太姥山-福州魁岐-云霄烏山一線的晶洞堿長花崗巖中，侵入最新的地層是早白堊世寨下組(如寧德三坪、連江鎮(zhèn)等地區(qū))，前人研究獲得Rb-Sr、K-Ar、Sm-Nd以及鋯石U-Pb等各類同位素年齡為104～82 Ma，將其時代置于燕山晚期、早白堊世或晚白堊世[3-5]。此次在金剛山晶洞堿長花崗巖中獲得LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素年齡為(95±2.8)Ma，與金剛山巖體的全巖Rb-Sr等時年齡(92±3.0)Ma基本一致[6]，且其侵入晚侏羅世-早白堊世南園組、早白堊世晚期石英二長閃長巖。因此，其形成時代應為晚白堊世早期，是燕山運動晚期的產物。

5.2 巖石成因

巖石以富含鉀長石(50%～70%)和發(fā)育晶洞構造為特征，鉀長石大于斜長石；富含磁鐵礦、螢石等副礦物，具A型花崗巖的特征。

巖石化學表現為高硅富堿，貧鈣、鎂、鐵特征，且K2O為4.20%～4.65%，TFeO/MgO比值高(>10)，K2O/Na2O比值1.02～1.20(>0.85)，Na2O+K2O/CaO比值>10，堿度率值高(3.35～5.11)，與A型花崗巖特征相似。TFeO/MgO-SiO2圖上基本投入A型花崗巖區(qū)(圖6-a)，K2O-Na2O圖上全部投入A型花崗巖區(qū)(圖6-b)，Al2O3含量平均為12.35%，與東部沿海鋁質A型花崗巖含量(12.38%)相當，而不同于堿性A型花崗巖Al2O3含量(11.43%)。

圖6 金剛山巖體TFeO/MgO-SiO2圖解(a)及K2O-Na2O圖(b)Fig.6 TFeO/MgO-SiO2 diagram (a) and K2O-Na2Omap (b) of Jingangshan rock mass

微量元素蛛網圖呈現出Ba、Sr、P、Ti強烈虧損的4個V型谷，與福建太姥山地區(qū)和鼓山地區(qū)A型花崗巖蛛網圖基本一致[7]。Sr含量平均為21.36×10-6，Yb含量平均為3.85×10-6，屬于非常低Sr高Yb范圍(Sr<100×10-6，Yb大于2×10-6)[8]，非常低Sr高Yb的特征與典型南嶺A型花崗巖[9]特征一致，指示巖體形成于高溫低壓的條件，為地殼減薄產物。(Zr+Nb+Ce+Y)-(Na2O+K2O)/CaO圖解中多數落在A型及A型高分異花崗巖的交界部分(圖7-a)。(Zr+Ce+Y)-Rb/Ba投圖落在A型花崗巖區(qū)(圖7-b)，除樣品D2003-2外，其余樣品的Rb/Sr比值平均為39.18，符合殼源巖漿的范圍(Rb/Sr大于0.5)；Th/U比值2.00～5.18，平均值為3.44，與上地殼的Th/U比值(3.89)相近。據Hildreth et al.研究，Rb/Nb比值有規(guī)律地從地幔巖石向上地殼巖石增高的趨勢：金剛山晶洞堿長花崗巖的Rb/Nb比值為7.39～9.33，明顯大于上地殼 (平均值4.5)。Y是在各類巖石中的豐度值較高，而變化范圍較小的高場強(HFS)元素，因而可以利用Rb/Y、Nb/Y比值來判明巖漿物質來源或受混染的程度[10]。Rb/Y(平均8.79)遠大于上地殼值(3.25)，Nb/Y(平均1.02)明顯高于上地殼(0.57)，這也為花崗巖的地殼成因提供了一定的佐證。地幔相容元素Cr、Ni相對偏低，Cr值為2.5×10-6～5.9×10-6(平均4.1×10-6)，Ni值為1.29×10-6～3.63×10-6(平均1.81×10-6)，低于揚子地區(qū)下地殼Ni、Cr的平均值(Ni=49×10-6，Cr=82×10-6)，因此認為金剛山巖體的巖漿物質來源應為殼源型花崗巖。

稀土元素具顯著的Eu負異常，δEu值<0.30，稀土配分模式為富集輕稀土的海鷗型曲線，與東部沿海鋁質A型花崗巖相似。

圖7 金剛山巖體(Zr+Nb+Ce+Y)-(Na2O+K2O)/CaO圖解 (a)及(Zr+Ce+Y)-Rb/Ba圖解(b)Fig.7 (Zr+Nb+Ce+Y)-(Na2O+K2O)/CaO (a) and(Zr+Ce+Y)-Rb/Ba(b)diagrams of Jingangshan rock mass

5.3 構造背景

金剛山巖體中缺少內部定向構造，與圍巖的界線呈不規(guī)則港灣狀、鋸齒狀，侵入地層其界面與巖層產狀斜交，巖體發(fā)育有晶洞構造。而 Y /Nb -Ce /Nb圖和Nb -Y-Ce三角圖中(圖8-a，b)，只有2個樣品落入A2，大多數落在A1和A2分界線處。推測可能是由于巖漿體系中F, Cl含量的不同 ,使Y /Nb比值在巖漿形成與演化過程中發(fā)生了變化所致[11]。金剛山巖體在R1-R2圖解(圖9-a)中樣品基本投影于造山期后，在SiO2-Al2O3構造環(huán)境判別圖解(圖9-b)投影均落在POG(造山后)環(huán)境內。

東南沿海晚中生代普遍被認為屬于火山巖漿弧環(huán)境，與古太平洋板塊向西俯沖導致的弧后伸展引張有關，東南沿海A型花崗巖形成于與弧后伸展引張環(huán)境[12-14]。結合構造環(huán)境判別圖，認為金剛山巖體形成于后造山階段，進入俯沖造山間歇，進入巖石圈伸展階段，代表區(qū)內俯沖造山階段性結束。

圖8 金剛山巖體 Y /Nb -Ce/Nb關系圖(a)及Nb -Y-Ce三角圖解(b)Fig.8 Y /Nb-Rb /Nb relationship diagram and Nb-Y-Ce triangle diagram of Jingangshan rock mass

圖9 金剛山巖體R1-R2圖解(a)及SiO2-Al2O3圖解(b)Fig.9 R1-R2(a) and SiO2-Al2O3 (b) diagrams of Jingangshan rock mass1—地幔分離；2—板塊碰撞前；3—碰撞后的抬升；4—造山晚期；5—非造山；6—同碰撞期的；7—造山期后；IAG—島弧花崗巖類；CAG—大陸弧花崗巖類；CCG—大陸碰撞花崗巖類；POG—后造山花崗巖類；RRG—與裂谷有關的花崗巖類；CEUG—與大陸的造陸抬升有關的花崗巖類

6 結論

(1)金剛山晶洞堿長花崗巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素年齡為(95±2.8)Ma，其形成于晚白堊世早期，是燕山運動晚期的產物。

(2)金剛山晶洞堿長花崗巖為鋁質A型花崗巖，主量元素上具有顯高硅富堿，貧鈣、鎂、鐵特征；微量元素上總體表現為大離子親石元素Rb、K、U、Th相對富集，而Ba、Sr、P、Ti明顯虧損；輕稀土相對重稀土富集，具顯著的Eu負異常，δEu值小于0.30。

(3)金剛山晶洞堿長花崗巖應為A2型花崗巖，形成于后造山階段，產于大陸邊緣弧塌陷的構造環(huán)境。

本文的撰寫得益于張開畢教授悉心的指導，李騰鵬工程師提供的重要資料以及湯建榮工程師圖件繪制的幫助，在此衷心表示感謝！