廣東蓮花山花崗巖體鋯石U-Pb年齡、地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

楊 航 ,辛宇佳,李建華,張培星

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081; 2)西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西西安 710069

華南由揚子和華夏地塊組成(Li and Li,2007),二者于新元古代沿江南造山帶碰撞拼合形成統(tǒng)一的華南大陸(圖1)。中生代,華南大陸處于板塊構(gòu)造活動頻繁的特提斯和古太平洋兩大構(gòu)造域的交接部位(Li et al.,2007,2009; Li et al.,2012a)。晚中生代以來,古特提斯洋關(guān)閉,古太平洋板塊向西俯沖開始起主導(dǎo)作用。受俯沖作用的影響,華南大陸構(gòu)造格局發(fā)生劇烈變動,地殼發(fā)生大規(guī)模褶皺-逆沖變形,并伴隨強烈的巖漿活動,形成寬度>1000 km的陸內(nèi)褶皺-巖漿巖帶(Li et al.,2018),在全球中生代構(gòu)造中獨具特色。前人研究表明華南大陸晚中生代構(gòu)造演化主要表現(xiàn)為幕式擠壓和伸展作用的交替,并伴隨大規(guī)模的巖漿侵位、火山噴發(fā)和成礦作用(Li,2000; Zhou and Li,2000; Sun et al.,2012; Li et al.,2014)。華南中生代巖漿活動主要集中在長江中下游、東南沿海和南嶺等地區(qū),巖漿巖出露面積可達(dá)139 920 km2(Zhou et al.,2006)。許多學(xué)者認(rèn)為古太平洋板片俯沖誘發(fā)的殼-幔相互作用是華南晚中生代巖漿巖形成的主要機制(Lapierre et al.,1997;Zhou and Li,2000; Li et al.,2007,2009; Wang et al.,2012),并提出了多種構(gòu)造演化模型,分別強調(diào)如“古太平洋俯沖角度變陡(Zhou and Li,2000)”、“巖石圈幕式伸展(Li,2000)”、“古太平洋板塊平俯沖(Li and Li,2007)”、“古太平洋板片俯沖方向變化”(Sun et al.,2007)和“古太平洋板片俯沖后撤(slab rollback)”(Li et al.,2014,2020)等。花崗巖記錄有地殼深熔和殼-幔相互作用等信息,可以為理解華南晚中生代大地構(gòu)造演化提供約束和參考(Zhou and Li,2000; Li and Li,2007; Li et al.,2014)。

蓮花山斷裂帶位于東南沿海地區(qū),隸屬于政和—大埔斷裂的西南段(圖1)。晚中生代以來,斷裂帶發(fā)生多期構(gòu)造變形事件并伴隨有大規(guī)模巖漿活動及成礦作用,是研究華南大陸地殼深熔和殼-幔相互作用的絕佳場所。斷裂帶記錄了多期構(gòu)造變形事件(Li et al.,2020):(1)晚侏羅世(約 153～147 Ma),斷裂帶東部揭西地區(qū) NE–SW 走向剪切帶 top-to-the-W逆沖剪切; (2)早白堊世晚期(約120～117 Ma),斷裂帶西南部top-to-the-SE逆沖剪切; (3)早白堊世晚期—晚白堊世(約 110～80 Ma),斷裂帶西部五華拆離斷層、下盤伸展剪切和上盤斷陷盆地形成。兩期擠壓事件之間對應(yīng)區(qū)域性的地殼伸展階段(約147～120 Ma)。除多期構(gòu)造變形外,研究區(qū)及鄰區(qū)發(fā)育大規(guī)模晚中生代中酸性火山-侵入巖,這些巖漿巖明顯具有幕式多期次演化的特點(162～155 Ma、144～132 Ma)(Li,2000; Li et al.,2007; Guo et al.,2012; 劉鵬等,2015)。本文對蓮花山斷裂帶北段蓮花山巖體進(jìn)行詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查和采樣,并進(jìn)行了系統(tǒng)的巖石學(xué)、全巖地球化學(xué)、鋯石U-Pb及Lu-Hf同位素等研究,確定了巖體的結(jié)晶時代,并探討了巖石成因和其形成的大地構(gòu)造背景,為理解華南大陸晚中生代構(gòu)造演化及動力學(xué)過程提供新約束。

圖1 華南大陸及鄰區(qū)大地構(gòu)造簡圖(據(jù)Li et al.,2020改編)Fig.1 Simplified geological map of South China and its adjacent blocks (after Li et al.,2020)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

蓮花山斷裂帶貫穿華南東南部(圖1),走向～NE—SW,延伸超過200 km。斷裂帶屬于政和—大埔斷裂的西南段(舒良樹和周新民,2002),主要由狹窄的高應(yīng)變剪切帶、正斷層(五華斷裂)和逆沖斷層(揭西、淡水?dāng)嗔?組成(圖 2)。晚中生代以來,斷裂帶發(fā)生多期構(gòu)造事件(邱元禧等,1991; Li et al.,2020),并伴隨大規(guī)?；鹕?侵入巖漿活動,這些巖漿巖通常與Sn金屬成礦密切相關(guān)(Qiu et al.,2017a,b; 錢龍兵等,2018)。除第四系沉積物外,區(qū)內(nèi)大面積出露中生代地層(圖 2a),主要包括晚三疊世小坪組、早侏羅世金雞組、晚侏羅世高基坪組和早白堊世官草湖組等。晚三疊世小坪組和早侏羅世金雞組為一套濱淺海相碎屑沉積巖,主要巖性為砂巖、泥質(zhì)頁巖及粉砂質(zhì)泥巖等。晚侏羅至早白堊世高基坪組和官草湖組主要由流紋質(zhì)凝灰角礫巖、碎斑熔巖及凝灰?guī)r等組成,為一套火山碎屑堆積巖系(徐曉春等,2000; 劉鵬等,2015)。

斷裂帶內(nèi)巖漿活動較為強烈,出露大量中、酸性花崗質(zhì)侵入體,如 164～133 Ma蓮花山巖基、169～165 Ma龍窩巖體及146～141 Ma淘錫湖、金坑等巖體(邱檢生等,2004; Zhang et al.,2015; Li et al.,2020),火成巖總出露面積占蓮花山斷裂帶區(qū)域的一半以上(圖 2a)。晚中生代,斷裂帶內(nèi)巖石發(fā)生強烈的韌性剪切和糜棱巖化作用(邱元禧等,1991; Li et al.,2020),導(dǎo)致靠近五華剪切帶部分花崗巖卷入變形并發(fā)育糜棱面理和礦物拉伸線理,形成S-C組構(gòu)、σ型旋斑等運動學(xué)指向標(biāo)志(圖2b,圖3c,d)。斷裂帶西北側(cè)(佛岡巖體、白石岡巖體等)及以南100 km的香港地區(qū)也出露165～140 Ma巖體(Davis et al.,1997; Li et al.,2007)。這些巖體大都為高鉀鈣堿性、偏鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì)花崗巖,其SiO2含量變化較大,富集 Rb、Th、U、K、Pb,虧損 Ba、Sr、Ti,顯示出I型或高分異I型花崗巖地球化學(xué)特征(Li et al.,2007; Cui et al.,2013)。部分早白堊世高分異花崗巖通常與Sn、Cu、W等金屬成礦密切相關(guān),形成了多個多金屬礦床,如蓮花山鎢礦、金坑錫礦、陶錫湖錫礦、塌山錫礦及三角窩錫礦等礦床(丘增旺等,2017; Qiu et al.,2017a; Yan et al.,2017; Liu et al.,2018b; 錢龍兵等,2018; 閆慶賀等,2018; Yan et al.,2018)。

2 巖石特征及樣品

蓮花山巖體位于蓮花山斷裂帶北部,為一個NE–SW向橢圓狀花崗巖基,出露面積廣泛(圖2b)。巖基(J-Kgr)侵入晚侏羅—早白堊世高基坪群火山-沉積巖系中,并被白堊系和第三系(K1-E)所覆蓋(圖2a)。巖體相帶特征明顯,內(nèi)部相為花崗閃長巖,過渡相為細(xì)-粗粒黑云母花崗巖,邊緣相為二云母花崗巖和細(xì)-中粒黑云母花崗巖。本次采樣主要集中在巖體過渡相,巖性以細(xì)-粗粒黑云母花崗巖為主,主要礦物組合包括石英(25 vol%～30 vol%)、鉀長石(35 vol%～40 vol%)、斜長石(20 vol%～25 vol%)和黑云母(5 vol%～10 vol%)(圖3a,b),副礦物為磷灰石、鋯石、榍石和磁鐵礦等。鉀長石主要為條紋長石和微斜長石,多為半自形板狀,局部以斑晶形式出現(xiàn)(圖 3b)。斜長石呈半自形板狀并發(fā)育聚片雙晶,主要為鈉-更長石,部分發(fā)生絹云母化。黑云母呈半自形-自形片狀,分布在斜長石和鉀長石之間,部分發(fā)生綠泥石化。本次研究共采集了 9件花崗巖樣品,其中鋯石同位素樣品 3件(WH09-1、WH12-3及TTX63-1),全巖地球化學(xué)樣品 6件(TTX57-1、WH09-3、TTX58-1、TTX59-1、WH06-3 及 TTX60-1),詳細(xì)采樣位置見圖2b。

圖2 蓮花山斷裂帶地質(zhì)簡圖(a)(據(jù)Li et al.,2020改編)和采樣點位置(b)Fig.2 Sketch map of the Lianhuashan fault zone (a) (after Li et al.,2020) and sampling locations (b)

圖3 蓮花山巖體野外(a,c)及鏡下照片(b,d)Fig.3 Representative field photographs (a,c) and photomicrographs (b,d) of the Lianhuashan granitoids

3 測試方法

將選取的新鮮原巖樣品粉碎,使粉末全部通過80目篩網(wǎng)(0.177 mm)。淘洗粉末,得到重砂。用磁選技術(shù)從重砂中分選出含有少量雜質(zhì)的鋯石樣品,在雙目鏡下,再從中挑選出晶形和透明度較好的鋯石顆粒,制作成樣品靶,待環(huán)氧樹脂固結(jié)變硬后,打磨和拋光,使鋯石中心部位暴露,然后拍攝鋯石的陰極發(fā)光(CL)圖像,以用于測定時斑點位置的選取。制靶和陰極發(fā)光(CL)照相均在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測定在中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實驗室完成。所用儀器為激光燒蝕多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(NEPTUNE),所用激光剝蝕系統(tǒng)和等離子體型號分別為 Newwave UP213和 Bruker M90。激光剝蝕過程中采用氦氣和氬氣分別作為載氣和補償氣,用以調(diào)節(jié)靈敏度。激光束斑直徑30 μm,剝蝕頻率 10 Hz,每個時間分辨分析數(shù)據(jù)包括15～20 s空白信號時間和45 s樣品信號時間。鋯石U含量、U/Pb分餾分別用標(biāo)準(zhǔn)玻璃SRM610和標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1為外標(biāo)。測試完成后,使用ICPMSDataCal程序(侯可軍等,2009; Liu et al.,2010)處理原始數(shù)據(jù)。206Pb/238U年齡加權(quán)平均值計算和U-Pb協(xié)和圖繪制使用3.0版Isoplot程序完成(Ludwig,2003),詳細(xì)的實驗步驟和分析流程見李懷坤等(2009)。

鋯石 Hf同位素測試在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。選擇已經(jīng)進(jìn)行了 U-Pb同位素測定的鋯石顆粒,選取測點位置與前者的測點位置盡可能接近,或選取該顆粒的同一環(huán)帶的對稱部位。激光剝蝕的斑束直徑 50 μm,剝蝕頻率 10 Hz,采用GJ-1作為外標(biāo)計算 Hf同位素比值,所用儀器型號為 MC-ICP-MS(Neptune Plus),具體試驗流程參見耿建珍等(2011)。

全巖主微量元素分析在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。主量元素測試?yán)?PrimusⅡ X射線熒光光譜儀(XRF)完成,誤差不超過 0.5%。微量元素測試儀器為 Agilent 7700e ICP-MS,分析精度優(yōu)于 10%。具體實驗流程及原理見何紅蓼等(2002)。

4 測試結(jié)果

4.1 鋯石U-Pb同位素

三個樣品的 LA-ICP-MS鋯石 U-Pb同位素數(shù)據(jù)、U-Pb諧和圖、代表性鋯石陰極發(fā)光(CL)圖見附表1和圖4。

樣品 WH09-1的鋯石多為無色、透明,晶體呈柱狀,自形程度較高。長軸150～250 μm,長短軸比1.5:1～3:1。鋯石具有清晰的振蕩環(huán)帶(圖4d),其Th和U含量分別為84.6×10–6～425×10–6和187×10–6～1011×10–6,Th/U 比值介于 0.33～0.66,表明鋯石為巖漿結(jié)晶成因。在U-Pb諧和圖中,數(shù)據(jù)投影點均落于諧和線或其附近,表明鋯石沒有遭受明顯的后期構(gòu)造-熱事件影響。它們的206Pb/238U年齡加權(quán)平均值為(142.5±1.5) Ma(MWSD=3.5,n=30)(圖4a),該年齡代表了鋯石的結(jié)晶年齡。

樣品WH12-3的鋯石為無色、透明-半透明、柱狀,長軸120～250 μm,長寬比2:1～3.5:1。鋯石具有清晰的振蕩環(huán)帶(圖 4d),為典型的巖漿成因鋯石。鋯石 Th和 U 含量變化較大,分別為140×10–6～1170×10–6和461×10–6～4101×10–6,Th/U比值介于0.19～0.40。所有分析點的年齡均諧和,它們的206Pb/238U 年齡加權(quán)平均值為(138.9±0.6) Ma(MWSD=1.4,n=30),該年齡代表樣品的結(jié)晶年齡。

樣品 TTX63-1的鋯石多為無色、透明、自形-半自形柱狀。長軸150～260 μm,長寬比2:1～3:1。鋯石具有清晰的振蕩環(huán)帶(圖 4d),為典型巖漿結(jié)晶鋯石。Th和 U含量較高且變化范圍極大,分別為356×10–6～3491×10–6和 790×10–6～16471×10–6,Th/U比值介于0.14～0.69。測試點的年齡均落在諧和線或附近,它們的206Pb/238U 年齡加權(quán)平均值為(145.5±0.7) Ma(MWSD=1.19,n=28),該年齡代表了樣品的結(jié)晶年齡。

圖4 蓮花山巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb諧和圖(a、b、c)和代表性鋯石陰極發(fā)光圖(d)Fig.4 U-Pb concordia diagrams of zircons (a,b,c) and cathodoluminescence (CL) images of representative zircons (d) from the Lianhuashan granitoids

4.2 鋯石Hf同位素

本文對 2個已完成鋯石 U-Pb同位素測定(WH09-1、WH12-3)的花崗巖樣品進(jìn)行鋯石 Lu-Hf同位素測試,結(jié)果見附表 2。鋯石εHf(t)值和二階段模式年齡計算中,以該樣品的鋯石206Pb/238U年齡加權(quán)平均值作為鋯石的年齡。所有樣品測試點(176Hf/177Hf)i值相對均一,介于0.282 556～0.282 630之間,對應(yīng)的 εHf(t)值為–4.5～–2.0,Hf單階段模式年齡為 994～875 Ma,二階段模式年齡為 1481～1319 Ma (附表 2,圖 5a,b)。所有樣品點 εHf(t)值為負(fù)值,表明巖體源巖可能為中元古代基底物質(zhì)。但在年齡-εHf(t)圖中(圖 5a)樣品點均落入球粒隕石演化線和華夏基底演化線之間,因此源巖也可能為元古代基底與新生地殼物質(zhì)的混合。

圖5 蓮花山巖體鋯石年齡-εHf(t)圖解(a)和Hf二階段模式年齡直方圖(b)(華夏基底Hf同位素演化:Xu et al.,2007; He and Xu,2012)Fig.5 Hf isotopic compositions of zircons from the Lianhuashan granitoids:εHf(t) values versus zircon U-Pb ages (a) and histograms of the depleted mantle two-stage Hf model ages (b) (Hf isotope evolution for Cathaysia crustal basement after Xu et al.,2007; He and Xu,2012)

4.3 全巖地球化學(xué)

本文對巖體代表性的6件樣品進(jìn)行了全巖主、微量及稀土元素測試,相關(guān)數(shù)據(jù)見附表2。樣品SiO2含量變化較大(69.5 wt%～80.6 wt%)、富鉀(K2O=3.94 wt%～4.84 wt%; K2O/Na2O=1.35～1.80),富堿(K2O+Na2O=6.12 wt%～8.03 wt%),屬高鉀鈣堿性系列巖石(圖8b)。在QAP圖解,樣品點落入正長花崗巖區(qū)域(圖6a)。在TAS圖中,所有樣品均落入亞堿性花崗巖范圍之內(nèi)(圖 6b)。Al2O3含量較低(10.4 wt%～14.8 wt%),A/CNK值介于0.97～1.08之間,為偏鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì)巖石(圖6c)。在Harker圖解中(圖8a-i),各樣品點具良好的線性關(guān)系,隨著 SiO2含量增加,Al2O3、K2O、TiO2、CaO、FeOT、MgO、P2O5、MnO和Sr含量下降。

圖6 蓮花山巖體QAP圖解(a)、TAS圖(b,據(jù)Middemost,1994)和A/CNK-A/NK圖(c,據(jù)Miniar and Piccoli,1989)Fig.6 QAP diagram (a),TAS diagram (b) (after Middemost,1994) and A/CNK-A/NK diagram (c)(after Miniar and Piccoli,1989) for the Lianhuashan granitoids

巖體稀土元素總量較高(∑REE=152×10–6～315×10–6),輕 、 重 稀 土 分 餾 作 用 明 顯(LREE/HREE=5.42～24.8,LaN/YbN=5.61～34.3),球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解中(圖 7a),呈輕稀土相對富集的右傾型(圖 7a),具中等 Eu 負(fù)異常(δEu=0.36～0.57)。微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖7b),所有樣品均富集Rb、Th、U、K、Pb,而相對虧損 Ba、Ta、Nb、Sr、P、Ti,與殼源巖漿特征類似。根據(jù)樣品的主量元素和Zr含量,運用Watson and Harrison(1983)實驗得到的Zr飽和溫度公式,計算得到蓮花山巖體的 Zr飽和溫度為793～820℃(平均為 801℃)(附表 3)。

圖7 蓮花山巖體稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(a,球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)Taylor and McLellan,1985)和微量元素蛛網(wǎng)圖(b,原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized multiple trace element diagrams (b) of the Lianhuashan granitoids (chondrite and primitive mantle normalizing values after Taylor and McLennan,1985;Sun and McDonough,1989,respectively)

5 討論

5.1 蓮花山巖體的形成時代

本文對蓮花山巖體中部三個花崗巖樣品進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石 U-Pb同位素測定,獲得片麻狀花崗巖、細(xì)粒黑云母花崗巖和細(xì)-中粒黑云母花崗巖的206Pb/238U 年齡加權(quán)平均值分別為:(142.5±1.5) Ma(MWSD=3.5,n=30)、(138.9±0.6) Ma(MWSD=1.4,n=30)、(145.5±0.7) Ma(MWSD=1.19,n=28)(圖 4a,b,c)。除了本文獲得的鋯石 U-Pb年齡,Zhang et al.(2015)獲得蓮花山巖體西南部花崗閃長巖結(jié)晶年齡為(154±2) Ma和(154±1) Ma(LA-ICP-MS和SIMS);Li et al.(2020)獲得蓮花山巖體西部剪切變形花崗巖的結(jié)晶時代為164～133 Ma(LA-ICP-MS); 王曉虎等(2020)獲得五華縣城附近變形花崗巖年齡(147±1) Ma(LA-ICP-MS)。綜合上述年齡數(shù)據(jù)可知,蓮花山巖體為幕式巖漿作用形成的復(fù)式巖體,主要由中—晚侏羅世(164～153 Ma)和晚侏羅—早白堊世(147～133 Ma)兩期花崗巖組成。

5.2 蓮花山巖體分離結(jié)晶作用

本文對蓮花山巖體的兩個樣品(WH09-1、WH12-3)進(jìn)行了鋯石 Lu-Hf同位素分析,它們具有十分相似的(176Hf/177Hf)i比值和 εHf(t)值(圖 5,附表2),但這兩個樣品的SiO2、Al2O3、TiO2、CaO等元素含量卻截然不同(附表 3,圖 8),這表明它們的源區(qū)組成基本一致,但母巖漿遭受了不同程度的演化。根據(jù)SiO2含量的不同,蓮花山巖體樣品可分為低硅和高硅兩組:低硅組樣品 SiO2含量(69.5 wt%～71.1 wt%)和DI分異指數(shù)(80.9～83.2)偏低,表明演化程度低; 高硅組樣品 SiO2(74.5 wt%～80.6 wt%)含量和DI分異指數(shù)(85.4～91.2)較高,暗示經(jīng)過了一定程度的結(jié)晶分異。Harker圖解中,SiO2與Al2O3、CaO和Sr含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8a,d,i),表明發(fā)生斜長石的分離結(jié)晶。鉀長石也可能經(jīng)歷一定程度的分離結(jié)晶,因為K2O含量隨SiO2含量升高而略微下降(圖 8b)。SiO2與 TiO2、FeOT、MgO 的負(fù)相關(guān)關(guān)系表明黑云母和 Fe-Ti氧化物等礦物發(fā)生了分離結(jié)晶(圖8c,e,f)。研究區(qū)及鄰區(qū)早白堊世花崗巖也明顯經(jīng)歷了一定程度的結(jié)晶分異(圖 8),這些分異的花崗巖通常與錫、銅等多金屬成礦密切相關(guān)(李曉峰等,2008),說明分離結(jié)晶作用在成礦金屬(如錫、銅)的富集過程中扮演重要角色(Xu et al.,2016; Yan et al.,2017)。鑒于分異樣品已不能完全代表巖漿的原始成分,因此,下文我們主要使用低硅組數(shù)據(jù)判別花崗巖的類型及其源巖組成特征。

5.3 花崗巖類型

巖體為偏鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì)(A/CNK=0.97～1.1),顯示出 I型花崗巖的地球化學(xué)特征(A/CNK<1.1,Chappell and White,2001)。Wolf and London(1994)巖石學(xué)實驗表明 P元素在過鋁質(zhì)熔體(A/CNK>1.1)中溶解度相對較高,因此S型花崗巖通常具有較高的 P2O5并與 SiO2成正相關(guān)(>0.2 wt%,Chappell,1999; Li et al.,2007),而I型花崗巖的P2O5與SiO2成負(fù)相關(guān)。蓮花山巖體樣品P2O5含量較低(0.030 wt%～0.13 wt%),而且P2O5與SiO2成明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,顯示出 I型花崗巖的特征(圖 8g)。另外,相比于 S型花崗巖,I型花崗巖Th和Y元素含量通常與Rb成正相關(guān)關(guān)系(Chappell and White,1992),這主要是由含Th和Y的礦物(如獨居石)在偏鋁質(zhì)熔體中的分離結(jié)晶作用所導(dǎo)致。在Rb-Th和Rb-Y圖解中(圖9a,b),蓮花山樣品的Rb與Th、Y具明顯的正相關(guān)性,顯示出 I型花崗巖特征。綜上所述,本文認(rèn)為蓮花山早白堊世花崗巖為典型的I型花崗巖。

圖8 蓮花山巖體Harker圖解Fig.8 Diagrams of selected elements versus SiO2 for the Lianhuashan granitoids

圖9 蓮花山巖體微量元素圖Rb-Th(a)和Rb-Y(b)(據(jù)Chappell and White,1992)Fig.9 Trace element variation diagrams for granitoids in the Lianhua Mountain:the diagrams of Rb-Th (a) and Rb-Y (b)(after Chappell and White,1992)

5.4 蓮花山巖體的巖石學(xué)成因

關(guān)于分異的偏鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì) I型花崗巖成因,目前學(xué)術(shù)界有兩種主流觀點:1)地殼長英質(zhì)火成巖部分熔融(Champion and Chappell,1992;Chappell et al.,2012); 2)原生鎂鐵質(zhì)巖漿結(jié)晶分異(Cawthorn and Brown,1976; Wyborn et al.,2001)。由于研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)有同時期、大面積出露的鎂鐵質(zhì)巖石,因此蓮花山早白堊世花崗巖不可能通過原生鎂鐵質(zhì)巖漿結(jié)晶分異而形成(Chappell,1999)。巖體具有負(fù) εHf(t)值(–4.5～–2.0)和低 MgO(0.18 wt%～0.74 wt%),且在稀土元素配分模式圖和微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖 7a,b),樣品均富集 Rb、Th、U、K、Pb,而相對虧損 Ba、Ta、Nb、Sr、P、Ti,顯示出殼源巖漿的特征(Harris and Inger,1992),這些證據(jù)均暗示蓮花山巖體主要源于殼源物質(zhì)的部分熔融。蓮花山巖體 CaO/Na2O比值較高(0.60～0.95),表明其源巖可能為貧黏土的碎屑巖或長英質(zhì)火成巖,前者部分熔融形成的熔體為強過鋁質(zhì),后者則形成偏鋁質(zhì)或弱過鋁質(zhì)熔體(Sylvester,1998)。蓮花山早白堊世花崗巖樣品均為偏鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì)(A/CNK=0.98～1.1),同時具較低的FeOt+MgO(1.30 wt%～3.99 wt%)及較高K2O(3.94 wt%～4.84 wt%)含量,這些特征均表明其源巖以長英質(zhì)火成巖為主。在CMF-AMF源巖判別圖解(圖 10)中,蓮花山巖體的樣品大多落入了火成巖源巖區(qū)域內(nèi),進(jìn)一步證實蓮花山巖體主要源于長英質(zhì)火成巖的部分熔融。綜合上述證據(jù)可知,蓮花山巖體的源巖主要為地殼中長英質(zhì)火成巖。蓮花山巖體鋯石Hf二階段模式年齡1481～1319 Ma(中元古代),在年齡-εHf(t)圖中,樣品點均落在球粒隕石演化線和華夏基底演化線之間,且較靠近球粒隕石演化線(圖 5a)。值得注意的是,華夏地塊基底年齡主要為新元古代和古元古代(Zhao and Cawood.,2012),中元古代基底的報道極少。上述資料暗示其源巖更可能為元古代長英質(zhì)火成巖,并存在少量幔源物質(zhì)混入。這種成因模式與蓮花山斷裂帶鄰區(qū)其他早白堊世花崗巖類似(劉鵬等,2015; Zhang et al.,2015; Qiu et al.,2017a; Yan et al.,2017; Liu et al.,2018b)。

圖10 摩爾CaO/(MgO+FeOT)-摩爾Al2O3/(MgO+FeOT)圖解(據(jù)Altherr et al.,2000)Fig.10 Molar CaO/(MgO+ FeOT)-molar Al2O3/(MgO+FeOT) diagram ( after Altherr et al.,2000)

綜上所述,蓮花山早白堊世巖體為典型的 I型花崗巖,其源巖主要為殼源長英質(zhì)火成巖,幔源巖漿在巖體形成過程中貢獻(xiàn)熱量和少量物質(zhì),母巖漿在成巖過程中經(jīng)歷了斜長石、鉀長石、黑云母和Fe-Ti氧化物等礦物的結(jié)晶分異作用。

5.5 大地構(gòu)造意義

蓮花山巖體為典型的I-型花崗巖。早白堊世(約143～139 Ma),巖體源區(qū)經(jīng)歷一次強烈的高溫熔融事件(>801 ℃),此過程中幔源巖漿為巖體的形成提供熱量和少量物質(zhì),暗示蓮花山巖體形成于巖石圈伸展背景。區(qū)內(nèi)同時代I-型花崗巖也有類似的成因,如蓮花山石英斑巖(Liu et al.,2018b)、金坑黑云母花崗巖(Qiu et al.,2017a)、淘錫湖花崗斑巖(Yan et al.,2017)、塌山花崗斑巖(閆慶賀等,2018)、田東花崗巖(劉鵬等,2015)、東山地區(qū)片麻狀花崗巖(Liu et al.,2012)、粵東流周山二長花崗巖(Jia et al.,2020)等,這些巖體的產(chǎn)生表明早白堊世蓮花山斷裂帶經(jīng)歷一次強烈的地殼伸展事件,持續(xù)的地殼伸展導(dǎo)致巖石圈減薄,軟流圈地幔物質(zhì)上涌,形成大面積分布的殼-?；旌铣梢蚧◢弾r。斷裂帶鄰區(qū)同時代 A型花崗巖的報道(如三角窩、飛鵝山和香港西貢等巖體)也進(jìn)一步證實這期伸展事件(Eby,1990,1992;Bonin,2007; Liu et al.,2018a; Yan et al.,2018)。前人通過野外構(gòu)造解析和年代學(xué)研究認(rèn)為晚侏羅至早白堊世(147～120 Ma)期間,蓮花山斷裂帶區(qū)域古構(gòu)造應(yīng)力場主要表現(xiàn)為近 NW–SE的伸展,并在揭西北部盆地發(fā)育有與伸展相關(guān)的斷陷沉積(Li et al.,2020)。通過統(tǒng)計東南沿海地區(qū)晚中生代巖漿巖Lu-Hf同位素資料(圖11),我們發(fā)現(xiàn)150～110 Ma期間εHf(t)值隨年齡有明顯的波動。在約145～116 Ma階段,巖漿巖鋯石 εHf(t)值逐漸增加,并且在約135～116 Ma期間顯示正值,暗示此階段幔源組分明顯參與到巖漿巖的成巖過程中,進(jìn)一步表明了早白堊世沿海地區(qū)持續(xù)性的地殼伸展。

圖11 沿海地區(qū)晚中生代巖漿巖年齡-εHf(t)趨勢圖(具體數(shù)據(jù)見附表4)Fig.11 Age versus εHf(t) diagram of late Mesozoic granitoids in coastal areas (for detailed data see Supplementary Table 4)

結(jié)合區(qū)域變形和巖漿記錄,此次伸展事件在華南大陸形成了大面積展布的NE–SW走向的盆地和伸展穹隆,如雪峰山地區(qū)的沅麻盆地(張岳橋等,2012; Li et al.,2012b)、廬山伸展穹隆(Lin et al.,2000)、衡山伸展穹隆(Li et al.,2016)和武功山伸展穹隆(Faure et al.,1996)等(圖 1)。Li et al.(2020)對晚中生代(160～80 Ma)華南地區(qū)已發(fā)表的巖漿巖鋯石年齡進(jìn)行統(tǒng)計,認(rèn)為這期伸展事件在華南范圍內(nèi)引發(fā)大規(guī)模的巖漿活動(136～118 Ma),巖漿巖主要分布在長江中下游、紹興—江山縫合帶及東南沿海區(qū)域。盡管巖漿巖的成因不盡相同,但大部分學(xué)者認(rèn)為它們的形成背景,均為早白堊世地殼伸展背景(Wong et al.,2011; Zheng et al.,2017; 辛宇佳等,2018; Li et al.,2020)。關(guān)于這期事件的動力學(xué)機制,前人提出了許多經(jīng)典的地球動力學(xué)模型。雖然這些模型目前仍存較大爭議,但都強調(diào)了古太平洋板塊俯沖作用在華南晚中生代變形和巖漿事件中的重要性。值得注意的是早白堊世期間,蓮花山斷裂帶區(qū)域古構(gòu)造應(yīng)力場方向與古太平洋板塊的俯沖方向一致(Engebretson et al.,1985; Li et al.,2020),暗示這期伸展事件與古太平洋板塊的俯沖作用有著必然聯(lián)系,因此推測這期伸展事件與古太平洋板塊俯沖后撤作用相關(guān)(Li et al.,2014)。本文認(rèn)為:早白堊世,古太平洋板片俯沖后撤誘發(fā)弧后擴張,在地殼伸展減薄的背景下,軟流圈幔源物質(zhì)上涌,致使古老殼源基底物質(zhì)部分熔融。巖漿在上涌過程中經(jīng)過不同程度的結(jié)晶分異演化,最終在蓮花山斷裂帶及鄰區(qū)形成大面積出露的花崗巖巖體。

6 結(jié)論

(1)本文在蓮花山北部新獲得的花崗巖體鋯石U-Pb年齡為 146～139 Ma,結(jié)合前人在蓮花山其他地區(qū)的巖漿巖年齡數(shù)據(jù),判斷蓮花山巖體為幕式巖漿作用形成的復(fù)式巖體,主要由晚侏羅世(164～153 Ma)和晚侏羅—早白堊世(147～133 Ma)兩期花崗巖所組成。

(2)蓮花山巖體為偏鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì)、富鉀、富堿,富集 Rb、Th、U、K、Pb,虧損 Ba、Ta、Nb、Sr、P、Ti,與殼源巖漿特征類似。巖體SiO2含量差異較大,高硅樣品明顯經(jīng)歷更高程度的結(jié)晶分異演化,屬于分異的I型花崗巖。

(3)蓮花山巖體源巖主要為地殼內(nèi)古老的長英質(zhì)火成巖,并可能伴有少量幔源巖漿的注入。

(4)研究區(qū)和鄰區(qū)出露的同期花崗巖巖體是同一構(gòu)造背景下巖漿活動的產(chǎn)物,它們的形成可能與古太平洋板片俯沖后撤(roll back)引起的弧后擴張作用有關(guān)。

致謝:兩位審稿專家和編輯部對文章提出許多寶貴意見，在此表示感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos.41822205 and 42072239),Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No.DZLXJK202005),and China Geological Survey (No.DD20190306).

本文附有增強材料(附表1,2,3,4),請通過本文網(wǎng)絡(luò)版閱讀或下載。