閩贛交界桃溪穹隆與外圍印支期花崗巖巖石地球化學特征對比及地質意義①

黃昌旗 張開畢 曹明志 王林昌 王峰 趙舉興

(1.福建省煤田地質局，福州，350000；2.福建省地質調查研究院，福州，350013；3.紫金礦業(yè)集團股份有限公司，廈門，361008；4.福建省煤田地質勘查院，福州，350000)

桃溪穹隆位于武夷山南段閩贛交界，早期稱桃溪旋卷構造(1)福建省地質局，1∶20萬長汀幅區(qū)域地質礦產(chǎn)調查報告，1970。、會昌環(huán)形構造(2)地礦部航空物探遙感中心，華南地區(qū)1∶100萬遙感解譯成果報告，1994。，桃溪穹隆[1]，后期研究者有稱旋卷變質核雜巖構造[2]、桃溪隆起[3]、桃溪環(huán)狀構造[4]，和桃溪隆起[5]等。目前，該地區(qū)及周邊區(qū)域地質調查基本完成，資料表明，桃溪穹隆是一個巖漿穹隆，印支期以來該地區(qū)隆起是客觀存在的，一些地質工作者對穹隆的形變特征和構造演化進行了研究，認為印支期花崗巖與穹隆構造演化關系密切[6]。同時，筆者也發(fā)現(xiàn)穹隆外圍也廣泛分布印支期花崗巖，但二者巖石地球化學特征存在差異，以印支期花崗巖為研究對象，按空間位置分布采集桃溪穹隆和外圍2組樣品進行，研究其巖石地球化學特征，并討論其代表的地質意義。

1 研究區(qū)地質概況

研究區(qū)位于華南武夷山脈南段之閩贛交界處(圖1)，在福建境內構造單元劃分處于二級構造單元——南武夷晚古生代坳陷區(qū)西南端，桃溪穹隆位于研究區(qū)中部偏西南，主體位于福建境內，是獨立的三級構造單元桃溪隆起，東側毗連明溪—武平坳陷(三級構造單元)，西部跨入江西境內，整體同屬江西境內同級構造單元的部分[7]，北側以南平—寧化構造巖漿帶為界與北武夷隆起區(qū)(福建境內二級構造單元)相隔。

圖1 桃溪穹隆及外圍地質構造略圖Fig.1 The map of geological structure of Taoxi dome and its surrounding

區(qū)內地層發(fā)育較全，分布有古元古代中深變質沉積-火山巖系、震旦紀-奧陶紀淺變質火山-沉積巖系、晚泥盆統(tǒng)-早三疊世碎屑巖及碳酸鹽夾煤層線的沉積、晚三疊世-白堊紀陸相火山-碎屑沉積巖系和第四世。古元古代桃溪巖組僅在穹隆核部出露；侵入巖面積7 133 km2(占研究區(qū)面積42.6%)，發(fā)育有新元古代—白堊紀不同時代侵入體，按構造運動主要有晉寧期、加里東期、印支期和燕山期侵入體，其中分布最多的是印支期和燕山期花崗巖；區(qū)內構造復雜，最顯著的為桃溪穹隆構造，按其構造影響波及范圍，西側由江西桂林圩往北部環(huán)至瑞金十字石、福建蔡坑一帶，往東南、南至福建宣成，武平中堡等地，總體為一近圓形的環(huán)狀構造，穹隆發(fā)育不同構造層次的塑性流變、韌-韌脆性、脆性剪切變形，受穹隆構造影響的古生代、中生代巖石地層普遍見滑脫構造，部分又被后期脆性斷裂改造。總體上不同時期、不同層次的構造形跡相互疊加改造，形成以桃溪穹隆環(huán)形構造為主，又與北東、北西向構造相互交切的構造格局。

2 印支期花崗巖地質特征及同位素年代學

區(qū)內印支期花崗巖分布面積約3 079 km2，約占侵入巖面積的43.2%，其近一半分布于桃溪穹隆的長汀湯屋、紅山、高嶺、泮塘，會昌富城和珠蘭埠等地，其余的分布于穹隆周邊，西北側有瑞金萬田，東北側和東側有連城富地、宣和及連城東北一帶，東南側和南側有上杭蛟洋、培斜、陳屋和石芨北等地，西南側分布于尋烏縣上高山。據(jù)巖礦鑒定和侵入巖Q-A-P投影，除宣和巖體為黑云母二長花崗巖外，其余均為黑云母正長花崗；較完整的主期巖體，可見晚期次單元大致呈環(huán)狀圍繞更早期次單元套疊-半套疊,并不同程度發(fā)育補充期和末期侵入單元。

研究區(qū)印支期巖體的同位素年齡主要有2組(表1)，一組年齡為273～290 Ma(4個樣品)，另一組年齡為214～239 Ma(7個樣品)，前者對應華力西期，后者對應印支期。據(jù)閩西南地區(qū)在華力西期為大范圍的陸表海沉積這一事實，結合福建境內地質構造和侵入巖的演化特征[8-10]，巖體時代采用印支期的年齡，為中三疊世。

表1 研究區(qū)印支期花崗巖同位素年齡

3 印支期花崗巖巖石學和礦物學特征

研究區(qū)印支期花崗巖除宣和巖體巖性為黑云母二長花崗巖外，其余均為黑云母正長花崗巖。黑云母正長花崗巖主要礦物成分：鉀長石為43.8%～47.2%，斜長石為20.6%～24.5%，石英為24.1%～26.0%，黑云母為5.1%～7.3%，黑云母二長花崗巖主要礦物成分為鉀長石為27.29%～29.43%，斜長石為22.36%～24.03%，石英為36.22%～47.06%，黑云母為6.33%～6.96%，鏡下鑒定鉀長石主要為正長石和中微長石，斜長石以更長石為主，桃溪穹隆2個斜長石鑒定為鈉長石，穹隆外圍2個斜長石分別為鈉長石和更長石；斑晶含量可分為含斑、少斑、似斑狀(多斑)花崗結構，粒度也呈現(xiàn)細粒→中細?！辛！写至Ｗ兓桓钡V物主要有磁鐵礦、鈦鐵礦、磷灰石、獨居石、榍石、石榴石、紅柱石和電氣石等。總體上，穹隆外圍見正長花崗巖和二長花崗巖，桃溪穹隆為正長花崗巖。在副礦物特征上穹隆外圍花崗巖主要鈦鐵礦物含量較高，特別是上杭蛟洋、陳屋，石芨北巖體的磁鐵礦高(0.6%～1%)，桃溪穹隆則以殼源有關的礦物含量較高，如石榴石、電氣石等，富城巖體在長汀湯屋一帶還以含紅柱石為特征。

4 印支期花崗巖巖石地球化學特征

4.1 樣品的選用及分組說明

研究區(qū)數(shù)據(jù)來源于1∶5萬、1∶25萬區(qū)域地質調查及相關科研項目報告，由于分析數(shù)據(jù)屬不同年代，棄用了一些明顯不符合精度和誤差要求的數(shù)據(jù)。原數(shù)據(jù)中有的只分析了燒失量，沒有分析Cl、F、S、H2O+等揮發(fā)組分，有的數(shù)據(jù)分析了燒失量和部分的揮發(fā)組分，有的數(shù)據(jù)在原報告中就是多個樣品的平均值，因此，對選用的樣品數(shù)據(jù)注明來源，并在數(shù)據(jù)表中省略燒失量或揮發(fā)組分，在不影響分析研究的情況下，不再按巖石化學有關要求對數(shù)據(jù)進行校正和調整[13-16]。有些樣品原數(shù)據(jù)只注明了樣品來源，沒有寫清楚是單個樣品還是幾個樣品平均值，這類樣品當作1個樣品處理。選用微量和稀土元素樣品時，重點核對了二者樣品編號的一致性，個別分析項目不全的，不參加平均值計算。為方便對比，將樣品按空間位置分桃溪穹隆和外圍2組進行討論。由于僅在穹隆外圍發(fā)現(xiàn)二長花崗巖，從SiO2含量和堿度上看，與正長花崗巖放在一起討論比較，不會影響相關結論，因此敘述時不再將其單獨列出，可以理解為桃溪穹隆外圍酸性巖地球化學特征對比。

4.2 主量元素

研究區(qū)印支期花崗巖主量元素分析結果(表2)，SiO2含量一般超過70%，典型酸性巖，全堿-硅(TAS)分類法投圖均落入花崗巖區(qū)[17]。(K2O+Na2O)平均含量為7.79%，K2O>Na2O，K2O/Na2O比值為1.33～2.34,平均1.75，屬鉀質巖石，Al2O3為10.95%～14.63%，平均13.11%，鋁飽和指數(shù)(A/NKC)基本大于1.1，平均1.17，A/NKC-A/NK圖解中屬過鋁質巖石[18]。SiO2-K2O圖解[19]中絕大部分投于高鉀鈣堿性系列中，小部分投于高鉀鈣堿性與鉀玄巖的過渡地帶，個別投于鉀玄巖中，但據(jù)巖體地質特征、產(chǎn)狀和巖相學等，明顯不能歸于鉀玄巖系列[20]。AR-SiO2圖解投入鈣堿性與堿性交界區(qū)域[21]，但桃溪穹隆樣品多數(shù)落入堿性巖區(qū)，穹隆外圍樣品多落入鈣堿性區(qū)；在堿性與亞堿性系列劃分上，據(jù)(K2O+Na2O)-SiO2圖解全部投于亞堿性系列中[22]。

表2 研究區(qū)印支期花崗巖主量元素分析結果

續(xù)表2

綜上分析，桃溪穹隆和外圍巖石化學總體上屬過鋁質酸性巖，按堿度率為高鉀鈣堿性-堿性過渡巖石，但主量元素特征也存在一定差異。桃溪穹隆SiO2含量平均值略高于穹窿外圍。按堿度率，桃溪穹隆偏堿性，穹窿外圍偏鈣堿性。穹窿外部CaO、MgO、P2O5和TiO2的含量明顯較高，平均值是桃溪穹隆的2倍。鋁飽和指數(shù)桃溪穹隆略高于穹窿外圍，大致反映了桃溪穹隆和外圍巖體源區(qū)物質的差異。

4.3 微量元素

研究區(qū)印支期花崗巖微量元素分析結果(表3)對比福建地殼豐度元素平均值[23]和原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖[24](圖2)發(fā)現(xiàn)，總體上巖石中大離子親石元素中富集有Rb、Th、U、K, 虧損有Ba和Sr；一般認為Ba易于進入含鉀礦物，與鉀長石有關，Sr的負異常與斜長石分離結晶有關;高場強元素中相對虧損Nb、Ti、P，其中Ti、P的負異常不僅與巖石的酸性程度與關，隨酸性程度增加而下降，也與榍石、磷灰石、鈦鐵礦物有關[25]，Nb的負異常一般也指示了巖體具殼源型特征[26]，是地殼部分熔融的結果，大離子親石元素進入巖體，高場強元素不活動保存于殘留相中[27-28]。

圖2 研究區(qū)桃溪穹隆(a)及穹隆外圍(b)花崗巖微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖Fig.2 Standardized spider web map of the original mantle of granite trace elements of Taoxi Dome (a) and dome periphery (b) in the study area

表3 研究區(qū)印支期花崗巖微量元素分析結果

從研究區(qū)微量元素特征不難看出，桃溪穹隆和外圍巖石微量元素特征是存在差異的。相對虧損的元素(Ba、Sr、Nb、Ti、P)，其虧損程度上，桃溪穹隆高于穹窿外圍。相對富集的元素(Rb、Th、U、K)，桃溪穹隆Rb和U的富集程度高于穹窿外圍，Th和K則相差不多。說明二者存在源區(qū)環(huán)境的差異。

4.4 稀土元素

研究區(qū)印支期花崗巖稀土元素分析結果(表4) ，桃溪穹隆和外圍花崗巖稀土元素特征具較大的差異，稀土總量穹隆外圍平均為219.78×10-6明顯大于桃溪穹隆平均為120.34×10-6；輕重稀土分異程度上，穹隆外圍LREE/HREE比值平均為3.92高于和桃溪穹隆平均為1.92，(La/Yb)N比值穹隆外圍為11.24，桃溪穹隆為4.82，稀土元素配分模式(圖3)，穹隆外圍稀土元素配分模式圖為輕稀土富集的右傾曲線,而桃溪穹隆稀土元素配分模式相對平緩，說明穹隆外圍輕稀土相對富集，且輕重稀土元素分異程度較桃溪穹隆高；桃溪穹隆和外圍δEu均為負異常，可能與源區(qū)殘留相存在斜長石或結晶相中斜長石晶出有關，但桃溪穹隆δEu負異常平均為0.23程度明顯高于穹隆外圍平均為0.48，其中穹隆外圍蛟洋和陳屋巖體δEu值最大，對應了SiO2含量最低值，代表其還原環(huán)境相對最強。值得注意的是，桃溪穹隆δEu相對值低，其熔融體平衡相中的斜長石相對少，穹隆內沒有發(fā)現(xiàn)二長花崗巖可能與之相關，斜長石相對較少，容易進入到斜長石中的Ca、Sr也就少，與穹隆內CaO、Sr等低也是一致的。總之，地殼重熔形成花崗巖過程中，桃溪穹隆和外圍雖然都是還原環(huán)境，但二者程度上是有差異的，穹隆外圍δEu值相對高，說明Eu2+多，處于相對更還原的環(huán)境，也一定程度反映地殼重熔形成花崗巖時，穹隆內部與外圍地殼厚度的可能差異。

表4 研究區(qū)印支期花崗巖稀土元素分析結果

圖3 研究區(qū)桃溪穹隆(a)及穹隆外圍(b)花崗巖稀土元素配分模式Fig.3 Distribution pattern of granite rare earth elements of Taoxi Dome (a) and dome periphery (b) in the study area

5 討論

5.1 巖石成因及源區(qū)分析

I型、S型、M型和A型花崗巖分類是目前比較常用的花崗巖成因分類[29-31]，區(qū)內花崗巖石SiO2含量大于70%，K2O平均含量為5%,遠大于1%，Mg#(鎂指數(shù))平均值為0.24，最大值為0.42，均未超過0.6，基本可排除幔源成因[32-33]，不可能是M型花崗巖；巖石學、礦物學、巖石地球化學特征符合S型花崗巖特征，如A/CNK值平均為1.17,K2O含量大于Na2O，K2O/Na2O比值大于1，稀土δEu負異常明顯等；采用花崗巖I型、S型判別圖ACF投影均落入S型花崗巖區(qū)[34]；在Na2O-K2O圖解[35-36]中，樣品落入A型與S型花崗巖邊界地帶(圖4)，約50%樣品落入A型區(qū)，其余樣品落入S型區(qū)；在Zr+Nb+Ce+Y與Fe*/MgO或Na2O+K2O/CaO圖解投影[37]也落入A型與非A型花崗巖邊界區(qū)(約75%樣品落入分異的非A型區(qū)，25%樣品落入A型區(qū))。從富SiO2、較高的K，貧Eu、Ba、Sr、Nb、Ti、P等特征上看，研究區(qū)花崗巖是具有A型花崗巖的大部分特征的[38-42]，但貧Al特征不明顯，A型花崗巖Na2O+K2O含量為7.81%～11.39%，堿度率(AR)為3.58～8.26，最小值為3.02。研究區(qū)花崗巖Na2O+K2O含量平均值為7.79%，堿度率AR平均值為2.46，因此，研究區(qū)的花崗巖不是典型意義上的A型花崗巖，與邱檢生等認為的鋁質A型花崗巖相似[43]。但是，桃溪穹隆花崗巖的巖石地球化學特征明顯更接近典型的A型花崗巖。

圖4 研究區(qū)花崗巖成因類型Na2O-K2O圖解Fig.4 A Na2O-K2O diagram of the granite origin type in the study area

S型花崗巖源巖物質以殼源沉積物為主，是經(jīng)過部分熔融、結晶形成的花崗巖，屬陸殼改造型花崗巖。常含有數(shù)量不等的富鋁硅酸鹽礦物( 如堇青石、硅線石、石榴石、富鋁黑云母、白云母、紅柱石、黃玉) ，在(La/Yb)N-δEu源區(qū)判別圖中[44], 樣品落入殼源區(qū)，在La/Yb-∑ REE 判別圖[45-46]，投點落在沉積巖、花崗巖、堿性玄武巖重疊的區(qū)域。個別穹隆樣品落入花崗巖區(qū)或沉積巖與大陸玄武巖、堿性玄武巖區(qū)交界區(qū)，顯示了地殼熔融時殼源物質的復雜性。

綜上分析認為，區(qū)內印支期花崗巖為S型花崗巖。與穹隆外圍相比，桃溪穹隆S型花崗巖的成熟度更高，并更具A型花崗巖特征。

5.2 構造環(huán)境討論

花崗巖可產(chǎn)出于有多種構造的大洋中脊、島弧、洋島(板內)環(huán)境以及由此派生弧前(后)盆地、活動大陸邊緣、裂谷等構造部位[47-49]，筆者認為把與板塊碰撞有關的花崗巖也一起投圖，雖然花崗巖的形成與板塊構造、板塊運動或碰撞造山的不同階段有聯(lián)系，但一個是大地構造的環(huán)境背景，一個是構造事件(碰撞或造山)，而且碰撞與造山并不是等同的，碰撞后是有很多種情況，可以造山，可以不造山，也可后滯很長時間(持續(xù)擠壓)造山，造山之后轉為伸展構造，也不一定是板內環(huán)境，采用幾種構造環(huán)境判別方式投圖發(fā)現(xiàn)，在R1-R2圖中[50],樣品點在造山晚期花崗巖、同碰撞花崗巖和造山期后A型花崗巖區(qū)交界帶連續(xù)分布，很難看出桃溪穹隆和外部差別；在Rb-(Y+Nb)構造環(huán)境判別圖解(圖5)和Y-Nb圖解[51]上，樣品落在同碰撞花崗巖(syn-GOLG)和板內花崗巖(WPG)交界帶連續(xù)分布，但二者看起來好像有差別，桃溪穹隆樣品主要分布于syn-GOLG(同碰撞花崗巖)中，穹隆外部樣品主要分布于WPG(板內花崗巖)中。

圖5 研究區(qū)花崗巖Rb-(Y+Nb)構造環(huán)境判別圖Fig.5 Environmental classification diagram of granite Rb- (Y + Nb) in the study area

肖慶輝等認為，在花崗巖成因類型和構造環(huán)境劃分和鑒別方面，不同地區(qū)同類巖石之間有較大的地質地球化學差異；吳福元等指出，花崗巖構造環(huán)境判別常常給出模棱兩可甚至相互矛盾的結果；王焰等[52-53]認為花崗巖構造環(huán)境判別方法大概不適用于大陸地區(qū)，尤其是具有厚的前寒武紀基底的陸塊區(qū)；張旗等[54]認為，如Rb元素值高一般反映了大陸物質污染更嚴重。而非花崗巖部分熔融時的構造環(huán)境。因此，也只是說明二者存在可能差異，不一定是所謂的板內或同碰撞構造環(huán)境。此外，構造環(huán)境判別圖一般是反映較大尺度范圍，如果范圍較小，構造環(huán)境可能無法對比。

由于沒有熔體包裹體和礦物溫壓計等方面的數(shù)據(jù)，僅從微量元素角度討論印支期地殼重熔形成花崗巖時二者存在的地殼厚度(深度)和壓力情況，根據(jù)張旗等對不同成因花崗巖Sr-Yb數(shù)據(jù)(6 289個)的統(tǒng)計研究成果[55-56]，以Sr含量400× 10-6和Yb含量2× 10-6為標志進行Sr-Yb投圖分類, 可劃分5種成因的花崗巖，并對應或代表地殼重熔時不同深度和壓力。區(qū)內印支期花崗巖Sr-Yb分類圖解(圖6)，發(fā)現(xiàn)穹隆外圍花崗巖樣品基本落入Ⅳ區(qū)(低Sr高Yb), 對應閩浙型花崗巖，形成壓力小于1.0 GPa,形成正常地殼厚度(>30 km)；桃溪穹隆花崗巖基本落入Ⅴ區(qū)(低Sr高Yb),對應南嶺型花崗巖，形成壓力< 0.8 GPa,形成于減薄(拉伸)的地殼厚度環(huán)境(<30 km)，如果將南嶺型花崗巖大體相當于A型花崗巖(桃溪穹隆花崗巖具A型花崗巖的諸多特征)，其可能形成于更低的壓力(< 0.5 GPa)和更薄的地殼厚度(<15 km)[57-59]，大致說明地殼融熔形成花崗巖時，相對于穹隆外圍，桃溪穹隆應該離地表更近。此外，Sr-Yb分類圖中還發(fā)現(xiàn)，穹隆外圍有1個樣品(培斜巖體)落入Ⅱ區(qū)，相當于喜馬拉雅型花崗巖，可能代表了該樣品比其它樣品更高的壓力和更大深度；上高山巖體樣品落入Ⅴ區(qū)則說明可能該處還是屬于桃溪穹隆的范圍；富地巖體樣品落入Ⅴ區(qū)則可能與區(qū)域構造或其它因素有關。

圖6 研究區(qū)花崗巖Sr-Yb分類圖解Fig.6 Classification diagram of the granite Sr-Yb in the study area

前人地質工作者對區(qū)內宣和—富地一帶巖體的時代存在不同認識[60-67]，主要有2種，一種認為是印支期，一種認為其中部分為加里東期，但此次研究認為宣和—富地一帶花崗巖與區(qū)域上志留紀花崗巖還是存在較大差異，是否全部歸為志留紀尚待進一步研究。其巖石化學特征大致與穹隆外圍相當，但堿度率和鋁飽和指數(shù)接近桃溪穹隆，微量元素特征介于桃溪穹隆與穹隆外圍之間，稀土元素特征與穹隆外圍相似，如LREE/HREE比值為3.70，(La/Yb)N比值為11.48，δEu值為0.51等[68]，同時筆者也對這些數(shù)據(jù)進行了Sr-Yb分類投圖，其中3個樣品落入Ⅱ區(qū)(喜馬拉雅型花崗巖)，12個樣品落入Ⅳ區(qū)(閩浙型花崗巖)，10個樣品落入Ⅴ區(qū)(南嶺型花崗巖)，說明該地區(qū)是很復雜的(前述富地1個樣品落入該區(qū)也可能是這個原因)，分析存在志留紀花崗巖的干擾因素，也有可能與宣和—富地處于復雜的構造部位(隆起與拗陷結合部)有關。

6 結論

(1)礦物學和巖石化學對比，桃溪穹隆花崗巖與殼源物質有關的礦物含量較多，堿度率上更偏堿性，SiO2含量上反映其更具酸性，總體上更具殼源性特征。

(2)從微量元素二者都是部分親石元素相對富集(或虧損)，部分高場強元素相對虧損，但在富集和虧損程度上，桃溪穹隆均大于穹隆外圍，也顯示桃溪穹隆花崗巖更具殼源性特征。從稀土元素分析顯示，穹隆外圍花崗巖輕稀土相對富集，輕重稀土分異程度也較高；穹隆外圍δEu值更高，相對處于更還原的環(huán)境，而桃溪穹隆則相反，這可能也是其更接近地表的緣故。

(3)對成因及源區(qū)分析，二者成因上雖然都是S型花崗巖，但桃溪穹隆S型花崗巖成熟度更高，其原因主要是與地殼重熔時的地殼厚度環(huán)境有關，桃溪穹隆地殼部分重熔形成花崗巖時，應處于減薄的地殼環(huán)境，壓力更低(<0.8 Gpa)，更接近地表的位置，地殼厚度小于30 km，甚至更薄(<15 km)，必然更具殼源特征，與諸多巖漿穹隆或核雜巖相似，也與該時期桃溪穹隆的構造演化一致。

本文引用了大量區(qū)域地質調查和有關科研項目報告數(shù)據(jù)，在此對項目的承擔單位和有關項目成員表示感謝,同時感謝評審專家對文章提出的寶貴意見。