湖北麻城市四道河地区面理化含榴花岗岩的成因

张富铁，夏斌，张玉泉，黄强太，2，张红，2，李贺，2

(1.中国科学院 广州地球化学研究所，广东广州510640;2.中国科学院 研究生院，北京100049;3.广东省有色金属地质勘查局地质勘查研究院，广东广州510080;4.中山大学海洋学院，广东广州510275)

湖北麻城市四道河地区面理化含榴花岗岩的成因

张富铁1，2，3，夏斌1，4，张玉泉1，黄强太1，2，张红1，2，李贺1，2

(1.中国科学院 广州地球化学研究所，广东广州510640;2.中国科学院 研究生院，北京100049;3.广东省有色金属地质勘查局地质勘查研究院，广东广州510080;4.中山大学海洋学院，广东广州510275)

野外和室内研究结果表明，四道河地区面理化含榴花岗岩由古生代沉积岩变质而成。在元素地球化学特征上，具有与岩浆成因的碱性花岗岩一致的特点:高硅(SiO2=75.24%～77.23%)、富碱(Na2O+K2O=6.87%～8.84%)、低铝(Al2O3=11.00%～12.78%);富 Rb、Ba、Th、U 等大离子亲石元素和 Pb，贫 Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素;稀土元素含量较高(∑REE=101.08～180.1 μg/g)，轻稀土元素相对富集(LREE/HREE=3.1～6.8)，铕有中等负异常(δEu=0.30～0.68);锆石成因类型及定年结果表明，老核(继承锆石)是异地多时代(元古代-古生代)，其寄主岩的原岩是沉积岩，时代不会早于古生代。

地球化学;锆石U-Pb年龄;面理化含榴花岗岩;四道河;湖北麻城市

0 引 言

位于大别山西部湖北省麻城市四道河地区的面理化含榴花岗岩，具有碱性(A型)花岗岩特征(张宏飞等，2001)。而碱性花岗岩，又分含碱性铁镁矿物的钠质碱性花岗岩(Sorensen，1974)，和含非碱性铁镁矿物的钾质碱性花岗岩(张玉泉和谢应雯，1994)。无论是钠质碱性花岗岩，还是钾质碱性花岗岩，不仅是深源的，而且都产于伸展构造环境(Petro et al.，1979)。近期研究还发现有由沉积岩变质成的碱性花岗岩(张玉泉等，2004)。然而，对大别-苏鲁地区面理化含榴花岗岩的成因和时代的认识还存在分歧(徐树桐和吴维平，1998;钟增球等，1999;张宏飞等，2001;张利等，2004;张玉泉等，2004;夏斌等，2011)。分布在麻城市四道河地区的面理化含榴花岗岩，以往仅对其做过单颗粒锆石全溶年龄(张宏飞等，2001)和主微量元素分析(鄢全树等，2005)等。本文在前人研究工作基础上，着重于四道河地区面理化含榴花岗岩中锆石成因类型和微区定年研究。

1 地质、岩石简况

研究区的片麻岩，也就是本文所称的面理化含榴花岗岩，在1/20万区域地质调查报告中划归红安群天台山组一段(Pt1tn1)①湖北省地质局.1974.罗田幅1/20万区域地质调查报告(地质部分):5-35.，在1/50万湖北省区域地质志中，划归天台山组三段(Pt1tn3)(湖北省地质矿产局，1990)。其片理产状为 240°∠38°(图1)。岩石呈灰白色，具片麻状构造，柱粒变晶结构、粒状变余结构和花岗变晶结构等(图2)。造岩矿物有钾长石、斜长石、石英和黑云母等。其中黑云母多呈小板条状，石英多呈带状分布，斜长石常呈不规则的粒状、孤岛状，以及变晶斜长石的钠长石双晶，常垂直晶体的延长方向(图2)等，表明该片麻岩结晶时是在固态下完成的。另外，石榴石常呈集合体和成片分布等。本文SDH1样品采自四道河采石场西壁(N31°22.178′，E115°03.723′);DJF1 样品采自邓家畈村东北，国道(G206)东侧山边采石场(N31°21.600′;E115°03.723′)。

图1 四道河地区地质简图(据湖北省地质矿产局，1990)Fig.1 Regional geological map of the Sidaohe area

2 元素地球化学特征

四道河地区面理化含榴花岗岩样品的化学分析在中国科学院广州地球化学研究所的 Rigaku RIX2000型荧光光谱仪(XRF)测定，分析精度优于5%。微量元素(包括稀土元素)在中国科学院广州地球化学研究所Perkin-Elner Sciex ELAN6000型电感耦合等离子体-质谱仪(ICP-MS)上分析，分析精度优于3%。

2.1 主量元素

四道河地区面理化含榴花岗岩的岩石化学成分分析结果(表1)显示:SiO2含量变化于75.24%～77.23%之间，全碱(Na2O+K2O)含量为6.87%～8.84%，Na2O/K2O=0.96～1.45 和 Al2O3含量变化于11.00%～12.78%之间，均表明岩石化学成分具有高硅、低铝、富碱的特点。不同的是四道河的样品(SDH1)总碱量低(Na2O+K2O=6.87%～7.99%)和富钠(Na2O/K2O=1.30～1.45)，邓家畈的样品(DJF1)总碱量高(Na2O+K2O=8.28%～8.84%)和富钾(Na2O/K2O=0.96～0.98)。另外，在 Cox et al.(1979)和Wilson(1989)的岩石化学分类和命名TAS图解中(图3)，绝大部分数据点都分布在碱性花岗岩区及其附近，表明四道河地区面理化含榴花岗岩，在总体上显示碱性(A型)花岗岩的特点。

图2 四道河地区面理化含榴花岗岩岩石显微照片(正交)Fig.2 Micrographs of the garnet-bearing granites from the Sidaohe area(cross polarizer)

2.2 微量元素和稀土元素

在微量元素(表1)组成特征上，四道河地区面理化含榴花岗岩富集Rb、Ba、Th、U等大离子亲石元素和 Pb，贫 Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素。在微量元素蛛网图(图4)上，Ba、Nb、Sr、Eu 等呈现“V”型谷。在稀土元素中，具有比较高的稀土元素总量(∑REE=101.08～180.1 μg/g)，轻稀土元素相对富集(LREE/HREE=3.1～6.8)，铕有负异常(δEu=0.30～0.68)和稀土模式曲线为向右微倾斜的“V”型(La/Yb=3～5)(图5)。区别在于四道河的样品(SDH1)富 Sr、Ba，贫 Rb，稀土总量高(∑REE=162 μg/g)和铕负异常明显(δEu=0.30～0.35)等，而邓家畈的样品(DJF1)贫 Sr、Ba，富 Rb，稀土总量低(∑REE=133 μg/g)和铕出现负异常(δEu=0.45～0.68)等。在前述的大离子亲石元素中富Ba贫Sr，有别于岩浆成因的钾质碱性花岗岩，特别富集Sr、Ba等大离子亲石元素和轻稀土元素(LREE)，以及铕异常不明显(夏斌等，2006)。

表1 四道河地区面理化含榴花岗岩主量元素(%)、微量元素(μg/g)分析结果Table 1 Major(%)and trace element concentrations(μg/g)of the garnet-bearing granites from the Sidaohe area

图3 四道河地区面理化含榴花岗岩全碱-硅图解(TAS)Fig.3 TAS diagram for the garnet-bearing granites from the Sidaohe area

3 锆石U-Pb年龄

3.1 锆石分选

在锆石分选过程中，为尽量排除交叉混样，采用下列流程:①先把0.5 kg左右的样品破碎成约1 cm3的小块;②把碎好的样品放入振动磨样机中(1.1/0.75 kW)研磨5～8 秒后取出，此过程反复进行到样品全部通过0.3 mm孔径筛;③洗去粉尘，经铝制淘砂盘富集重矿物，烘干;④通过磁选、电磁选;⑤再淘洗非电磁部分获得锆石精矿;⑥在双目镜下挑选出用于定年的锆石。

3.2 分析方法和精度

锆石LA-ICP-MS分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成。将锆石与标样(TEM=417 Ma)置于玻璃板上，用环氧树脂固定制成样品靶，然后磨至约一半，使锆石内部暴露，暴露出锆石的中心面，喷碳沫照阴极(CL)发光相。再擦掉碳沫，即可进行LA-ICP-MS U、Pb含量测定，采用单点剥蚀的方法(激光剥蚀斑束直径为31 μm，频率为8 Hz)。详细实验流程和数据处理见文献(涂湘林等，2011)。应用实测204Pb校正锆石中的普通铅。单个数据点的误差均为1σ，采用年龄为206Pb/238U年龄，其加权平均值为95%的置信度。

图4 四道河地区含榴花岗岩微量元素蛛网图Fig.4 Trace element spider diagrams of the garnetbearing granites from the Sidaohe area

图5 四道河地区含榴花岗岩稀土元素配分图Fig.5 Chondrite normalized REE patterns of the garnet-bearing granites from the Sidaohe area

图6 四道河面理化含榴花岗岩锆石阴极发光(CL)图像和测点位置Fig.6 Cathodoluminescence images and analyzed points of zircons in the garnet-bearing granite from the Sidaohe area

图7 邓家畈面理化含榴花岗岩锆石阴极发光(CL)图像和测点位置Fig.7 Cathodoluminescence images and analyzed points of zircons in the garnet-bearing granite from the Dengjiafan area

3.3 分析结果

锆石的阴极发光图像(图6、7)显示:在结构上，既有核、幔、壳三层结构，又有核、壳两层结构，其中老核(继承锆石)为具有韵律环带的岩浆碎屑锆石。本文共完成了25颗粒锆石30个点的LA-ICP-MS UPb定年:(1)四道河面理化含榴花岗岩中锆石，共测定13个颗粒15个点(表2):老核(继承锆石)测定13个点，Th含量为65～377 μg/g，U 含量为55～364 μg/g，Th/U大于0.17。其中有8个年龄属于元古代(765、727、708、691、686、681、648 和 613 Ma)，有5 个属于古生代(534、526、497、493 和 276 Ma);变质复合锆石的新壳(变质锆石)测定2个点(图6)，Th含量为 12～38 μg/g，U 含量为 792～1081 μg/g，Th/U ＜ 0.03，其年龄值分别为 200 Ma和197 Ma，属于中生代;(2)邓家畈面理化含榴花岗岩中锆石，共测定12个颗粒15个点(表2):老核(继承锆石)测定12个点，Th含量为39～229 μg/g，U含量为33～366 μg/g，Th/U 大于0.13，其年龄值分别为 807、801、770、763、708、669、655、644 和599 Ma，属于元古代，其余4个年龄值分别为569、460、457和342 Ma，属于古生代。变质复合锆石的新壳(变质锆石)测定3个点(图7)，其中DJF1-02测点，Th/U值接近继承锆石，暗示该测点可能有继承锆石成分的参与。其余测点，Th含量为16～26 μg/g，U 含量为797～1402 μg/g，Th/U ＜0.03，其年龄值分别为249和239 Ma，属于中生代，相当于早三叠世。

表2 四道河地区面理化含榴花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄数据Table 2 LA-ICP-MS zircons U-Pb results of the garnet-bearing granites from the Sidaohe area

锆石定年结果表明，四道河地区面理化含榴花岗岩中“继承锆石”的时代从元古代到古生代(807～599 Ma→569～267 Ma)，变质锆石亦获得两组年龄值:早中三叠世(249～239 Ma)，和接近晚三叠世的年龄(200～197 Ma)。但后者年龄值明显偏低。

锆石REE分析结果(表3)显示:(1)稀土元素含量高(∑REE=418～2114 μg/g)、特别富集重稀土(HREE/LREE=11～52)、铕负异常由明显到不明显(δEu=0.28～0.83)、模式曲线向左倾;(2)继承锆石(岩浆锆石)的稀土元素含量，均高于变质锆石(图9和图11)。

表3 四道河地区面理化含榴花岗岩锆石稀土元素数据(μg/g)Table 3 Zircons REE concentrations of zircons from the garnet-bearing granites from the Sidaohe area(μg/g)

图8 四道河面理化含榴花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和图Fig.8 Concordia diagram showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the garnet-bearing granite from the Sidaohe area

图9 四道河含榴花岗岩锆石REE配分图Fig 9 Chondrite normalized REE patterns of zircons from the garnet-bearing granite in the Sidaohe area

4 讨 论

4.1 面理化含榴花岗岩的属性

图10 邓家畈面理化含榴花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和图Fig.10 Concordia diagram showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the garnet-bearing granite from the Dengjiafan area

图11 邓家畈含榴花岗岩锆石REE配分图Fig.11 Chondrite normalized REE patterns of zircons from the garnet-bearing granite in the Dengjiafan area

在早期的1/20万区域地质调查报告中，将肉红色片麻岩描述为碱长片麻岩(湖北省地质局，1974)。后来张宏飞等(2001)将麻城市四道河含石榴石片麻岩，命名为面理化含榴花岗岩，其岩石化学组成具有A型花岗岩地球化学特征(徐树桐和吴维平，1998;钟增球等1999;张利等，2004)。本文在前人的工作基础上，除进行锆石微区定年之外，还加补了岩石主量、微量元素成分分析，结合图解判别等方法，进一步证明了面理化含榴花岗岩，实属碱性(A型)花岗岩。

4.2 面理化含榴花岗岩的成因

根据野外和室内研究结果，面理化含榴花岗岩是由沉积岩变质而成，其依据有:(1)显示沉积韵律层的黑白条带，尽管很薄(1～3 mm)，但很稳定(延长很远);(2)经过了两次变质作用:第一次，斜长石呈不规则的粒状、孤岛状和眼球状，以及变晶斜长石的钠长石双晶，常垂直晶体的延长方向(图2)。第二次，长英质脉(韧性变形体)包裹和切穿前者(图2)。锆石CL图(图6和图7)亦显示两次变质作用:第一次变质作用结晶的锆石，U、Th含量高，CL图呈黑色，第二次结晶的锆石，U、Th含量低，CL图呈灰白色;(3)根据锆石成因类型:由岩浆作用结晶的锆石，晶体自形、发育有规则的韵律环带，该类锆石分为岩浆锆石和具有老核新壳的岩浆复合锆石;由变质作用结晶的锆石，晶体常不规则和不发育韵律环带结构，该类锆石分为变质锆石和具有老核新壳的变质复合锆石(张玉泉等，2004)。而四道河和邓家畈面理化含榴花岗岩中的锆石，均为变质锆石和具有老核(继承锆石)新壳的变质复合锆石(图6和图7)，表明其寄主岩是变质作用的产物;定年结果还表明，老核(继承锆石)多为岩浆碎屑锆石，而且又是多时代的(元古代到古生代)等，暗示其寄主岩——面理化含榴花岗岩是沉积岩变质的。

4.3 面理化含榴花岗岩成岩和原岩时代

由于面理化含榴花岗岩的原岩是沉积岩，因此变质时间(面理化的时间)也就是它的成岩时间。根据锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果(图8和图10)，变质复合锆石的新壳(变质锆石)，获得了240 Ma左右的超高压变质时间，也就是面理化含榴花岗岩的成岩时间，属于印支期，相当早-中三叠世。继承锆石的时代，既有属于元古代的年龄(807～569 Ma)，又有属于古生代的年龄(534～276 Ma)。比较多的古生代继承锆石的存在，暗示四道河地区面理化含榴花岗岩的原岩(沉积岩)，时代不会早于古生代。这一结果与该区高压变质带中榴辉岩的围岩(变沉积岩)中锆石的定年结果完全一致(杨赛红等，2009)。

5 结 论

(1)四道河地区面理化含榴花岗岩，是沉积岩变质而成。

(2)沉积岩通过变质作用，可以形成与岩浆成因的碱性(A型)花岗岩在元素地球化学上一致的特点。

(3)四道河地区面理化含榴花岗岩的原岩沉积岩，时代不会早于古生代。

致谢:中国科学院广州地球化学研究所孙卫东研究员、涂湘林研究员等协助U-Pb年龄测定并提出了许多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢!

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Petrogenesis of the Garnet-Bearing Granites in the Sidaohe Region，Macheng City，Hubei Province

ZHANG Futie1，2，3，XIA Bin1，4，ZHANG Yuquan1，HUANG Qiangtai1，2，ZHANG Hong1，2and LI He1，2
(1.Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510640，Guangdong，China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China;3.Geological Survey Institute of Guangdong Nonferrous Metals Geological Survey Bureau，Guangzhou510080，Guangdong，China;4.School of Marine Sciences，Sun Yat-Sen University，Guangzhou510275，Guangdong，China)

Field and laboratory studies show that the foliated garnet-bearing granites from the Sidaohe region were derived from the Paleozoic sedimentary rocks through metamorphism.Geochemical characteristics of the garnetbearing granites are similar to those of the typical alkali granites，i.e.，rich in silicon(SiO2=75.24%～77.23%)，alkali(Na2O+K2O=6.87%～8.84%)and poor in aluminium(Al2O3=11.00%～12.78%).The rocks are rich in lithophile trace elements(Rb，Ba，Th，U)and poor in HFS elements(Nb，Ta，Zr，Hf).The rocks are relatively rich in LREE(∑REE=101.08～180.1 μg/g，LREE/HREE=3.1～6.8)showing moderate negative Eu anomalies.Genetic types and ages of the zircons from garnet-bearing granites demonstrate that they are inherited zircons in sedimentary rocks formed no earlier than Paleozoic.

geochemistry and zircon U-Pb age;garnet-bearing granites;Sidaohe region;Macheng city，Hubei province

P595;P597

A

1001-1552(2012)02-0293-008

2011-04-26;改回日期:2011-12-30

项目资助:国家重点发展研究计划(973)(编号:2009CB219401)、国家自然科学基金(批准号:40534019)和中国大洋协会项目(DYXM-115-02-3-06)联合资助。

张富铁(1967-)，男，高级工程师，构造地质学专业。通信作者:夏斌，xiabin01@gmail.com