粤北牛岱辉绿岩脉的地球化学特征及其成因研究

曹豪杰， 黄乐真， 沈渭洲， 凌洪飞， 黄国龙， 邓 平， 朱 捌

(1.核工业290研究所，广东 韶关 512026;2.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210093;3.中国地质科学院地质研究所，北京 100037)

粤北牛岱辉绿岩脉的地球化学特征及其成因研究

曹豪杰1， 黄乐真1， 沈渭洲2， 凌洪飞2， 黄国龙1， 邓 平3， 朱 捌1

(1.核工业290研究所，广东 韶关 512026;2.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210093;3.中国地质科学院地质研究所，北京 100037)

牛岱辉绿岩脉位于粤北诸广岩体南部。牛岱辉绿岩具有低SiO2(45.04%～48.64%)、高TiO2(2.02%～3.23%)和TFeO含量(17.00%～19.80%)、富集K，Rb，Ba等大离子亲石元素和La，Nd，Eu，Tb等稀土元素、Nb-Ta亏损轻微、稀土总量较高(112.1×10－6～132.7×10－6)、轻稀土富集和未见负Eu异常等特征，与洋岛玄武岩的地球化学特征相似;Zr/Ba，La/Nb，La/Ta，Ti/Y，Ba/Nb，Th/Nb和Th/La等不相容元素比值可与OIB相比较，在构造环境判别图上位于OIB区域。铅(206Pb/204Pb=18.153～18.594，207Pb/204Pb=15.713～15.730，208Pb/204Pb=39.184～39.206)和钕(εNd(t)=3.1～4.3)同位素组成十分相似于OIB值。研究认为，牛岱辉绿岩侵位于地幔物质底辟上涌导致该区岩石圈拉张减薄的构造环境中;其源区具有亏损地幔(DMM)和富集地幔(EMⅡ)两端员混合特征，表明牛岱辉绿岩是由地幔柱和亏损软流圈部分熔融后产生集聚混合形成原始岩浆通过快速侵位而形成。

元素地球化学;Nd-Sr-Pb同位素;洋岛玄武岩;牛岱辉绿岩;粤北

基性岩脉的形成与岩石圈减薄和地壳拉张作用直接有关。因此，基性岩脉不仅包含丰富的幔源信息，而且可以作为衡量重要构造转换时间的标尺，对于研究深部地幔性质和大陆动力学演化具有十分重要的意义，已成为国内外一个重要的研究热点(Hoek et al.，1995;李献华等，1997;谢桂青等，2002;葛小月等，2003;贾大成等，2003;张贵山等，2004;Ling et al.，2005;陆建军等，2006;齐有强等，2008;曹建劲等，2009)。

华南地区的中生代基性岩脉在时、空分布上与热液矿床，尤其是与花岗岩型铀矿床有着十分密切的关系(胡瑞忠等，2007;沈渭洲等，2006)。许多研究人员对这些基性岩脉从年代学、源区特征、成因机制及其与成矿的关系等方面进行过研究(王学成等，1991;李献华等，1997;Ling et al.，2005;陆建军等，2006;胡瑞忠等，2007;曹建劲等，2009)，为建立华南地区中生代地壳拉张的时空格局以及该区大陆动力学研究提供了重要依据。

在诸广岩体南部，白垩纪基性岩脉分布广泛，而且在空间分布上与铀矿化关系密切(左跃明等，2001;冯海生等，2009)。在前人研究基础上，本文对早白垩纪牛岱辉绿岩开展较为系统的主要元素、微量元素、稀土元素和Nd-Sr-Pb同位素综合研究，以深化对南岭地区基性岩脉岩浆源区特征、成因机制及其形成的地球动力学背景的认识。

1 岩相学特征

在诸广岩体南部，基性岩脉分布广泛，规模大小不一，宽度从几十厘米至数十米，长度从几十米至十几千米，甚至可达20 km以上(图1)。岩性以辉绿岩为主，也包括辉绿玢岩、闪斜煌斑岩和闪长玢岩等。

本文研究的早白垩纪牛岱辉绿岩脉位于诸广岩体东南部铀矿化发育区域内，以NWW向(近东西向)为主。岩石呈墨绿色，致密块状，细粒-中细粒晶质结构，显微镜下可见辉绿结构、辉绿辉长结构;矿物组成主要为斜长石(45%～50%)、辉石(30%～45%)和少量角闪石(2%～3%)，有少量石英。斜长石一般为基性斜长石(拉长石，An=50～60)，辉石为普通辉石。绢云母化、绿泥石化等蚀变作用相对明显。副矿物主要有磷灰石、钛铁矿、磁铁矿、榍石和黄铁矿等。

图1 诸广岩体内基性岩脉分布略图Fig.1 Distribution of mafic dykes of Zhuguang granitic rock mass

据李献华等(1997)的研究，牛岱辉绿岩的全岩和角闪石K-Ar年龄分别为(110.0±3.0)Ma和(106.7±2.1)Ma，属早白垩纪晚期岩浆活动产物。

2 样品和分析方法

用于分析测试的全岩样品是在对野外采集的样品经薄片观察研究基础上选取的。主量元素由核工业290研究所实验室采用湿化学方法分析，精度优于1%。微量元素、稀土元素和铅同位素由南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。微量元素和稀土元素采用Finnigan ElementⅡ型电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定，检测限优于0.5×10－9，相对标准偏差优于5%;铅同位素比值测定采用Finnigan Triton固体同位素质谱计，测定误差小于0.05%。

Sm-Nd和Rb-Sr同位素测试由中国科学院地质与地球物理研究所同位素实验室完成。同位素比值测定采用VG-354固体同位素质谱计。Nd同位素比值测定采用146Nd/144Nd=0.721 9进行质量分馏校正，对 BCR-1测定的143Nd/144Nd =(0.512 643±8)(2σ);Sr同位素比值测定采用86Sr/88Sr=0.119 4进行质量分馏校正，对NBS987测定的87Sr/86Sr=(0.710 270±15)。实验室全流程空白:Sm，Nd为10－11～10－12g，Rb，Sr为10－10～10－11g。

3 地球化学特征

3.1 主量元素特征

如表1所示，牛岱辉绿岩的主量元素组成具有如下特征:① SiO2含量稍低且变化相对明显(45.04% ～48.64%，平均为47.42%)。② K2O(0.55%～1.72%，平均为1.35%)、Na2O(2.32%～2.92%，平均为2.78%)和P2O5含量(0.33%～0.38%，平均为0.35%)较高。③ 具有高的 TiO2(1.91% ～3.07%，平均为2.55%)和 FeO含量(10.42%～11.90%，平均为10.12%)，类似于洋岛玄武岩(Light et al.，1993)。④ 具有较高的Na2O/K2O(1.35～5.24，平均为2.47)和FeO/MgO比值(1.96～2.18，平均为2.10)。在SiO2-K2O+Na2O图解中，数据点都位于碱性系列和亚碱性系列分界线附近的玄武岩区域内(图2a);在SiO2-K2O图解中，数据点主要位于高钾钙碱性系列内(图2b);在TiO2-FeO/MgO和TiO2-P2O5图解上，除0613号样品外，其余数据点都位于OIB区域内，与IAB和MORB的区别十分明显(图2c)。⑤辉绿岩具有较低的MgO含量(4.92%～5.63%，平均为5.35%)、Mg#值(44.17% ～46.69%，平 均 为44.98%)和固结指数(S.I.=17.11%～21.60%，平均为19.31%)，反映原始岩浆经历了较为明显的分离结晶作用(谢桂青等，2002)。

表1 牛岱辉绿岩的主量元素(%)、微量元素(10－6)和稀土元素(10－6)组成Table 1 Major(%)，trace elements(10－6)and rare earth elements(10－6)compositions of Niudai diabase dykes

图2 牛岱辉绿岩的主量元素图解Fig.2 Major elements of Niudai diabase dykes

3.2 微量元素特征

在MORB标准化的微量元素蛛网图上，牛岱辉绿岩除Sr含量(24.2×10－6～49.4×10－6)低于MORB值(90×10－6，Sun et al.，1989)外，其余元素的含量都高于MORB值，尤其是Rb，Ba等大离子亲石元素富集明显，其分布模式呈左侧明显隆起和右侧相对平缓，十分类似于OIB(图3)。其中，Rb的富集以及Nb，Ta的轻微亏损与OIB存在一定的区别，前者可能与辉绿岩脉经受的绿泥石化等蚀变作用有关(王冉等，2006)，后者则可能与原始岩浆具有某种程度的富集有关。牛岱辉绿岩的上述微量元素特征相似于洋岛玄武岩而明显有别于岛弧火山岩(Sun et al.，1989)。

值得注意的是，牛岱辉绿岩具有高的铀含量，除样品0610的铀含量高达397.3×10－6外，其它样品也都在18.64×10－6～85.21×10－6之间(平均43.48×10－6)。它不仅明显高于李献华等(1997)、Ling等(2005)、陆建军等(2006)中报道的辉绿岩脉的铀含量(＜2.0×10－6)，而且也高于本区赋矿花岗岩(印支期油洞和龙华山岩体的平均值分别为12.3×10－6和11.3×10－6，燕山早期长江岩体平均为22.3×10－6)。铀含量的明显升高可能同研究样品主要采自231铀矿区有关，表明牛岱辉绿岩形成后受到了后期含铀成矿热液的改造，薄片观察显示的绢云母化、绿泥石化等蚀变作用以及较高的烧失量(4.28%～5.47%，表1)也可佐证这一推测。

图3 牛岱辉绿岩的微量元素蛛网图解Fig.3 Trace elements of Niudai diabase dykes

3.3 稀土元素特征

牛岱辉绿岩具有较高的稀土总量(116.1×10－6～132.7×10－6，平均为121.9×10－6)，LREE/HREE比值介于2.95～3.17之间，平均为3.06，(La/Yb)N值变化范围为2.42～2.84，平均值为2.60;稀土分布模式略呈右倾型(图4)反映轻稀土略富集。Eu未见明显负异常(δEu=0.88～0.95，平均为0.92)，反映岩浆演化过程中，斜长石的分离结晶作用并不明显。辉绿岩的(La/Sm)N值(1.42～1.62)和(Gd/Yb)N值(1.36～1.57)变化小，且十分相似;各样品稀土配分曲线基本一致，反映岩浆演化过程中样品之间的稀土元素分馏程度相同。

图4 牛岱辉绿岩的稀土元素球粒陨石标准化曲线Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of Niudai diabase dykes

4 同位素特征

4.1 Pb

同位素特征

由于辉绿岩具有较高的铀含量(18.6×10－6～48.1×10－6，表1)，因而根据样品的U，Th，Pb含量及其成岩年龄进行放射成因铅校正。校正后的206Pb/204Pb=18.153～18.594，207Pb/204Pb=15.713～15.730，208Pb/204Pb=39.184～39.206(表2)，它位于Sun等(1989)对Azores，Ascension等14个洋岛玄武岩统计的铅同位素组成范围内(后者的三组比值分别为18.114～20.908，15.446～15.810和37.754～40.263)。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb图解上，数据点都分布于零等时线右侧和北半球参考线(NHRL)上方，并十分靠近EMⅡ端员分布(图5)，清楚显示它们具有异常铅的特征。这种异常铅具有Dupal异常铅特点，因为它们的Δ7/4Pb(22.3～25.4)、Δ8/4Pb(109.4～163.2)和 ΔSr值(138.3～145.7，表2)不仅符合Hart(1984)定义的Dupal异常铅的边界条件，而且在空间上也位于Hart(1984)圈定的南半球Dupal异常带和张明等(1992)确定的环南海盆地(SCB)EMⅡ型Dupal异常地幔区域内，反映它们的源区相似于南半球具Dupal异常的洋岛玄武岩源区。

表2 牛岱辉绿岩的Pb同位素组成Table 2 Lead isotopic compositions of Niudai diabase dykes

图5 牛岱辉绿岩的铅同位素组成Fig.5 Lead isotopic compositions of Niudai diabase dykes

4.2 Nd-Sr同位素特征

牛岱辉绿岩的(87Sr/86Sr)i值为0.713 83～0.714 57，εNd(t)值为3.1～4.3(表3)。在 εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解上，由于(87Sr/86Sr)i值较高而使数据点向右偏离OIB系列(图6)。产生这种偏离的原因可能有二:一是蚀变大洋壳或大陆壳由于板块作用而被带入地幔(Hofmann et al.，1982)。但由于研究区位于大陆板内(李献华等，1997)，远离太平洋板块俯冲带，因而蚀变大洋壳或大陆壳被带入地幔的可能性可以排除;二是高的(87Sr/86Sr)i值并不代表它们岩浆源区的特征，而有可能同它们经受的蚀变作用有关。因为样品采自铀矿区，薄片观察证实存在绢云母化、绿泥石化等蚀变作用。图3显示的Rb“峰”表明，蚀变作用导致Rb含量明显增加，其结果必然会使(87Sr/86Sr)i值升高。

牛岱辉绿岩的样品数据点在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解(图6)上，位于DMM和EMⅡ端员之间，只是由于蚀变作用影响导致Rb含量升高而使数据点向右位移;在εNd(t)-206Pb/204Pb图解(图7)上，数据点同样位于DMM和EMⅡ端员之间。上述同位素特征反映辉绿岩的原始岩浆源区具有亏损地幔和富集地幔混合特征。

表3 牛岱辉绿岩的Nd-Sr同位素组成Table 3 Nd-Sr isotopic compositions of Niudai diabase dykes

5 探讨和结论

5.1 岩浆源区特征

综上所述，牛岱辉绿岩脉具有下列特征:① 辉绿岩与被侵入的花岗岩之间呈突变侵入接触关系，普遍发育宽度不等的冷凝边，说明它们是在伸展构造背景下快速侵位并冷凝的产物;②SiO2含量较低(45.04%～48.64%);③TiO2含量高(2.02%～3.23%);④Nb，Ta亏损轻微;⑤ 基本无Eu异常(δEu=0.88～0.95);⑥ 辉绿岩的Ce/Pb比值(0.10～0.70)明显低于中国东部上地壳的平均值(3.68)。上述特征是很难用辉绿岩形成过程中发生地壳混染作用来解释(Jahn et al.，1999)，而是主要反映它们的岩浆源区特征。

根据下列地球化学特征，牛岱辉绿岩的原始岩浆来源于地幔柱组分和亏损软流圈组分部分熔融后集聚混合而成:Zr/Ba比值(1.2～4.3，平均为2.1)明显大于0.2(Ormerod et al.，1988);La/Ta比值(17.5～22.9，平均为19.3)小于22;Ti/Y比值(403～569，平均为 526)大于 410(Sun et a1.，1989);La/Nb比值除一个样品(1.67)大于1.5外，其余样品(1.3～1.4)都低于1.5;TiO2(2.02%～3.23%，平均为2.69%)和FeO*含量(16.51%～17.89%，平均为16.79%)明显高于岩石圈地幔来源的玄武岩值(分别为1.82%和11.47%)而与软流圈地幔来源玄武岩值(分别为 2.60% 和13.24%)较为接近。此外，在La-La/Nb(图8)图解上，辉绿岩数据点都位于洋岛玄武岩区域内。这些特征表明，牛岱辉绿岩的原始岩浆来源于由地幔柱(由重循环古老俯冲洋壳和富集地幔混合而成)底辟上涌后与亏损软流圈部分熔融后集聚混合而成(徐夕生等，2009)。

图8 牛岱辉绿岩的La-La/Nb图解(李曙光，1998)Fig.8 La-La/Nb diagrams of Niudai diabase dykes

研究同时显示，牛岱辉绿岩的Th/Nb(0.16～0.20)和Th/La比值(0.11～0.15)与EMⅡ型OIB值(分别为0.10～0.17和0.11～0.18，Hart，1984)十分相似;在Nd-Sr(图6)和Nd-Pb(图7)图解上，牛岱辉绿岩数据点都位于DMM和EMⅡ端员之间。上述特征显示原始岩浆具有DMM和EMⅡ端员按一定比例混合而成的成因特点，它们可能是由原始岩浆在上升过程中熔融上覆富集的岩石圈地幔而形成(曹建劲等，2009)。通过这种方式产生的岩浆岩的同位素组成变化明显，微量元素组成稍受影响，主量元素组成则不会发生明显变化(Taylor et a1.1986;徐文雄等，2008)。在对赣南玄武岩(陈培荣等，1998)、湘南玄武岩和广东沿海地区基性岩脉(曹建劲等，2009)的研究中，都已证实具有DMM和EMⅡ两端员混合特征的原始岩浆是存在的。

5.2 成岩构造环境

牛岱辉绿岩的Hf/Th比值(2.71～3.15)低于8，Th/Ta比值(2.21～2.80)大于1.6，Ta/Hf比值(0.13～0.15)大于0.1。这些特征都相似于板内玄武岩(汪云亮等，2001)。在TiO2-Y/Nb(图9a)，Zr-Ti(图9b)，Zr-Zr/Y(图9c)和 Zr/Al2O3-TiO2/Al2O3(图9d)等成岩构造环境判别图解上，牛岱辉绿岩也都位于板内玄武岩区域内。这和中生代时期研究区位于大陆板内环境相一致(陈培荣等，1998)。

图9 牛岱辉绿岩成岩构造环境判别图解Fig.9 Discriminating diagrams for tectonic environments of Niudai diabase dykes

牛岱辉绿岩脉形成于早白垩纪末期，这一时期正是太平洋板块向亚洲大陆俯冲十分强烈时期，且这些基性岩脉普遍发育冷凝边以及粒度从中央向两侧变细等结构特征，也为它们形成于伸展构造背景提供了有力的岩石学证据(孙涛等，2002)。因此我们认为，牛岱辉绿岩是由地幔物质底辟上涌引起地幔柱组分(由重循环古老俯冲洋壳和富集地幔混合而成)和亏损软流圈组分部分熔融后产生集聚混合，从而形成的具有富集特征的原始岩浆通过快速侵位而形成(徐夕生等，2009)。

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Geochemical Characteristics and Genesis of Niudai Diabase Dykes in Northern Guangdong Province

CAO Hao-jie1， HUANG Le-zhen1， SHEN Wei-zhou2， LING Hong-fei2， HUANG Guo-long1，DENG Ping3， ZHU Ba1
(1.Research Institute No.290，CNNC，Shaoguan，GD 512026，China;2.School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing，JS 210093，China;3.Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China)

The Niudai diabase dykes，located in the south of Zhuguang pluton of North Guangdong Province，are characterized with low SiO2(45.04% ～48.64%)，high TiO2(2.02% ～3.23%)and TFeO(17.00% ～19.80%)，enrichment in LILE(Rb，Ba)and LREE，relatively high ΣREE(112.1×10-6～132.7×10-6)，slightly depletion in Nb and Ta，without negative Eu anomaly.All informations are similar to the basalt from asthenospheric mantle sources.Elements’ratios of incompatible elements，such as Zr/Ba，La/Nb，La/Ta，Ti/Y，Ba/Nb，Th/Nb and Th/La of Niudai diabase are close to the ratios of OIB.The tectonic discrimination diagrams show that the diabases all fall into the range of OIB.The Niudai diabases have Pb isotope(206Pb/204Pb=18.153～18.594，207Pb/204Pb=15.713～15.730，208Pb/204Pb=39.184～39.206)and its εNd(t)ranges from 3.1 to 4.3，close to the scope of OIB.The geochemical characteristics indicate that the origin of Niudai Diabase had both ends of members of mixed characteristics of asthenospher mantle and lithosphere mantle，and the hybrid were related to the melts of overlying lithosphere mantle as asthenospher mantle upwelling.The Niudai diabases are formed while the fast invaded of magma in the tectonic environment that lithospher thinning leaded by asthenosphere mantle upwelling.

elemental geochemistry;Nd-Sr-Pb isotopes;ocean island basalt;Niudai diabase dykes;northern Guangdong province

P595;P597

A

1674-3504(2011)04-0323-09

曹豪杰，黄乐真，沈渭洲，等.2011.粤北牛岱辉绿岩脉的地球化学特征及其成因研究［J］.东华理工大学学报:自然科学版，34(4):323-331. Cao Hao-jie，Huang Le-zhen，Shen Wei-zhou，et al.2011.Geochemical characteristics and genesis of Niudai diabase dykes in northern Guangdong province［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，34(4):323-331.

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.04.004

2011-08-29; 责任编辑:吴志猛

内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室研究项目(2008-I-04);教育部科学研究重大项目(306007)

曹豪杰(1981—)，男，硕士，工程师，主要从事铀矿地质科研和勘查工作。E-mail:caohj290@tom.com