赣南兴国县良村花岗岩锆石 LA-ICP-MS U-Pb年代学、岩石地球化学与成岩机制研究

王崴平, 陈毓川 王登红 陈振宇

(1.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 中国地质科学院 矿产资源研究所, 北京 100037; 2.中国五矿集团公司, 北京 100010)

赣南兴国县良村花岗岩锆石 LA-ICP-MS U-Pb年代学、岩石地球化学与成岩机制研究

王崴平1,2, 陈毓川1, 王登红1, 陈振宇1

(1.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 中国地质科学院 矿产资源研究所, 北京 100037; 2.中国五矿集团公司, 北京 100010)

良村花岗岩体出露于赣南兴国县良 村镇, 为兴国地区燕山早期第一阶段首次岩浆活动的产物, 显示 同构造花岗岩的产出特征。岩石类型以黑云母花岗岩为主, 二云母花岗岩、花岗闪长岩次之, 均为过铝质-强过铝质, 轻稀土元素富集明显, 属壳源物质低程度部分熔融所成的 S 型花岗岩或壳源重熔型花岗岩。4 个岩石样品的锆石 LA-ICP-MS 测年结果显示, 该花岗岩体侵位于 147～158 Ma, 属晚侏罗世, 并且至少经历了 10 Ma 的结晶-成岩史。

赣南; 花岗岩; 锆石 U-Pb 定年; 岩石地球化学; 成岩机制

赣南地区大地构造位置位于扬子地块和华夏地块之间, 处于 EW 向南岭构造带与 NNE 向武夷山构造带交汇处, 区域上出露的岩浆岩具有多期多阶段的 特 点 , 以 燕 山 期 最 为 强 烈 (李 诗 斌 和 曾 载 淋 , 2006)。赣南地区各类岩体前人均有研究, 尤以花岗岩类为重点(陈陪荣等, 1998; 华仁民等, 2007; 刘善宝等, 2010; 郭春丽等, 2011; 王登红等, 2011, 2012;陈毓川和王登红, 2012; 黄国成等, 2012), 涵盖了岩石学与矿床学的诸多领域。本次研究的良村花岗岩体位于赣南兴国县良村镇, 为燕山早期第一阶段岩浆旋回的首次成岩产物, 本文对良村花岗岩的形成时代、岩石地球化学以及岩浆源区特征进行了探讨。

1 地质概况

研究区域位于江西省赣州市兴国县东北部良村一带(图 1), 区内地层出露有震旦系凝灰岩、凝灰质砂岩、片岩、片麻岩、变余砂岩、杂色硅质岩, 白垩系砾岩、砂砾岩夹浅色粉砂岩、页岩和火山岩, 以及少量第四系红土、黏土、砂砾。区内岩浆岩分布广泛, 加里东期和燕山期均有产出, 其中以燕山期岩浆活动最为强烈, 侵入于震旦系, 侵入接触关系清晰, 侵入接触面呈锯齿状、波状。良村花岗岩出露面积约 880 km, 呈岩基状侵入于震旦系中, 其成岩时间晚于加里东期。主要出露三种类型的花岗岩,分别为燕山期岩浆旋回早期第一阶段第一次中粗粒斑状黑云母花岗岩(γ52-1a), 燕山期岩浆旋回早期第一阶段第二次细-中细粒斑状二云母花岗岩(γ52-1b)和燕山期岩浆旋回早期第一阶段第四次细粒二云母花岗岩、细粒黑云母花岗岩(γ52-1d)。

野外踏勘发现, 区域断裂极为发育, 燕山期断裂构造显著发育, 主要发育一系列走向为 NE 向、NNE 向的压扭性断层, 良村花岗岩沿燕山期断裂产出并在两侧展布, 显示同构造期岩体特征, 并遭到后期断裂作用叠加影响, 部分岩段产生了显著的错位与挤压。脉岩主要为酸性岩脉, 如花岗岩脉、黑云母花岗岩脉、长英岩脉等。良村花岗岩周围分布着众多的矿点, 主要为钨矿、萤石矿和磷钇矿。

图 1 赣南良村一带区域地质图(据 1∶20 万兴国幅区域地质图修编)Fig.1 Regional geological map of the Liangcun area in the south of Jiangxi province (modified from the 1∶200,000 regionalgeological map)

2 样品描述及分析测试

2.1 样品描述

在野外采集了 4 件良村花岗岩样品, 经过手标本鉴定 XGlc-1 为二云母花岗岩, XGlc-2 为黑云母花岗岩, XGlc-3 为黑云母花岗岩, XGzn-1 为花岗闪长岩。样品的岩石学特征见表 1、图 2。

2.2 分析测试方法

将岩石样品 XGlc-1、XGlc-2、XGlc-3、XGzn-1粉碎至 0.06～0.27 mm 粒级, 经淘洗分选、磁选和重液分离获得富集锆石的重砂。在双目镜下尽量挑选各种呈短柱状或长柱状的自形程度好的锆石颗粒,用环氧树脂固定、制靶, 抛光锆石至核心出露。在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室进行阴极发光和背散射照相, 以研究锆石颗粒的内部结构, 确定年龄测试点的位置。

表 1 良村花岗岩标本岩石学特征Table 1 Petrological characteristics of the Liangcun granites

图 2 良村花岗岩手标本照片Fig.2 Photos of the hand specimen from the Liangcun granites

锆石 LA-ICP-MS U-Pb 定年工作在中国地质科学院矿产资源研究所 LA-MC-ICP-MS 实验室进行, 测试仪器为 Finnigan Neptune 型 MC-ICP-MS及与之配套的 Newwave UP 213 激光取样系统。工作 参 数 为: 激 光 脉 冲 频 率 10 Hz, 脉 冲 能 量 密 度2.5 J/cm2, 溶蚀微区直径为 25～30 μm, 以 He 作为载 气 。 U-Pb 分 馏 根 据 澳 大 利 亚 锆 石 标 样GEMOCGJ-1 来 校 正 , 详 细 测 试 过 程 可 参 见 侯 可军等(2009)。数据处理采用 ICP-MS Data Cal程序(Liu et al., 2008)进行, 锆石 U-Pb 年龄谐和曲线采用 Isoplot 3.0 程序获得。

主量元素、微量元素和稀土元素、矿化元素的测试在国土资源部国家地质实验测试中心进行。主量元素用 XRF(X 荧光光谱仪 3080E)方法测试, 分析精度 5%。微量元素和稀土元素、矿化元素采用等离子质谱仪(ICP-MS)分析, 含量大于 10×10-6的元素测 试 精 度 为 5%, 而小于 10×10-6的元素测试精度为 10%, 个别在样品中含量低的元素, 测试误差大于 10%。

3 锆石 U-Pb 年代学及其地质意义

代表性锆石颗粒的阴极发光图像见图 3。这些锆石具有典型的岩浆韵律环带, 表明应属岩浆结晶作用产物, 且没有继承性锆石, 部分样品含有小的继承核, 在进行激光打点的过程中将其筛除, 锆石U-Pb 年龄可以代表其成岩年龄。

本文对 4 个样品的 64 颗锆石进行 U-Pb 测年分析, 结果列于表 2。XGlc-1 二云母花岗岩中锆石的U(12 个点位为 104×10-6～996×10–6, 另有 5 个点位为1522×10–6～7104×10–6)、Th(17×10–6～1588×10–6)含量变化明显, 其 Th/U 比值为 0.02～0.90, 平均值为 0.38; XGlc-2 黑云母花岗岩中锆石的 U(9 个点为 71×10–6～537×10–6, 另有 2 个点为 1448×10–6和 1828×10–6)、Th(9 个点 106×10–6～919×10–6, 另有 2 个点为1392×10–6、7611×10-6)含量变化较大, 其 Th/U 比值为 0.58～1.99, 平均值为 0.66; XGlc-3 黑云母花岗岩中锆石的 U(16 个点为 75×10–6～1357×10–6)、Th(86×10–6～2160×10–6)含量变化大, 其 Th/U 比值为0.51～1.26, 平均值为 0.76; XGzn-1 花岗闪长岩中锆石的 U(18 个点为 113×10–6～846×10–6, 另有 2 个点为 84×10–6、2555×10–6)、Th(17 个点为 103×10–6～882×10–6, 另有 3 个点为 1465×10–6～2664×10–6)含量变化相对较小, 其 Th/U 比值为 0.15～1.74, 平均值0.76。绝大多数锆石的 Th/U 比值都与典型岩浆锆石的比值范围相符(Claesson et al., 2000)。由图 4 可知,大多数锆石位于谐和曲线上, 表明这些锆石自形成以来, U-Pb 同位素体系是封闭的。

图 3 良村花岗岩锆石阴极发光图像与选点位置Fig.3 CL images and spots of the analyses of the zircon grains from the Liangcun granites

17 颗来自 XGlc-1 样品的锆石定年结果表明, 二云母花岗岩的206Pb/238U 年龄变化于 121.7～899.4 Ma之间, 位于谐和线上的 8 颗锆石(点 4、5、6、7、9、12、13、14)的206Pb/238U 年龄变化于 154.6～158.7 Ma, 其加权平均年龄为 156.6±1.4 Ma(MSWD=0.36)(图 4a),该年龄值可以代表 XGlc-1 二云母花岗岩的结晶年龄。位于谐和线上的其余 9 颗锆石(点 1、2、3、8、10、11、15、16、17), 其206Pb/238U 年龄主要变化于两个区间, 分别为 121.7～152.6 Ma 与 172.7～899.4 Ma, 较老的年龄可能反映岩浆源区存在老基底。

11 颗来自 XGlc-2 样品的锆石定年结果表明, 黑云母花岗岩的206Pb/238U 年龄变化于 146.6～193.3 Ma 之间, 位于谐和线上的 10 颗锆石(点 1、2、3、4、5、6、8、9、10、11)的206Pb/238U 年龄变化于 146.6～151.9 Ma, 其加权平均年龄为 150.2±1.2 Ma(MSWD=0.75)(图 4b), 该年龄值可以代表 XGlc-2 黑云母花岗岩的结晶年龄。

表 2 锆石良村花岗岩 LA-ICP-MS U-Pb 定年结果Table 2 Zircon LA-ICP-MS U-Pb isotopic dating results of the Liangcun granites

续表 2:

图 4 良村花岗岩锆石 LA-ICP-MS U-Pb 谐和图Fig.4 U-Pb concordia plots of zircon grains from the Liangcun granites

XGlc-3 黑云母花岗岩样品的 16 颗锆石定年结果 显 示 , 黑 云 母 花 岗 岩 的206Pb/238U 年 龄 变 化 于145.2～767.0 Ma 之间, 位于谐和线上的 14 颗锆石(点1、2、3、4、5、6、7、9、10、12、13、14、15、16)的206Pb/238U 年龄变化于 145.2～150.6 Ma, 其加权平均年龄为 147.3±1.5 Ma(MSWD=0.20)(图 4c), 该年龄值可以代表其结晶年龄。

XGzn-1 花岗闪长岩样品的 20 颗锆石定年结果说明, 花岗闪长岩的206Pb/238U 年龄变化于 145.7～193.3 Ma 之间, 位于谐和线上的 17 颗锆石(点 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、13、15、16、17、18、19)的206Pb/238U 年龄变化于 154.2～163.5 Ma, 其加权平均年龄为 158.0±0.9 Ma(MSWD=0.80)(图 4d),该年龄值可以代表其结晶年龄。

综上, 良村花岗岩体中的 XGlc-1、XGlc-2、XGlc-3 和 XGzn-1 样品的结晶年龄分别是 156.6±1.4 Ma(MSWD=0.36)、150.2±1.2 Ma(MSWD=0.75)、147.3±1.5 Ma(MSWD=0.20)、158.0±0.9 Ma(MSWD= 0.80), 上述定年结果表明, 良村花岗岩的形成时间介于 147～158 Ma, 形成于晚侏罗世。

4 岩石地球化学特征

4.1 岩石化学特征

良村花岗岩的主量元素组成(表 3)具有如下特征: SiO2含量变化小(70.06%～77.41%), 平均值为 74.47%; 碱含量(K2O+Na2O)为 5.91%～7.93%,平均 7.22%, 钾大于钠, K2O/Na2O 为 1.8～2.8。在SiO2-(K2O+Na2O)图 解 (图 5a)上 , 它 们 投 影 于 花岗岩区域及花岗岩与花岗闪长岩临界的位置; 在SiO2-K2O 图 解 上 , 它 们 投 影 于 高 钾 钙 碱 性 系 列(图 5b); 在 A/CNK-NK/A 图解上, 数据点都位于亚碱性过铝质区域内(图 5c); 在 ACF 图解上, 数据点位于斜长石-红柱石-白云母或斜长石-白云母-堇青石组合范围内, 相似于华南壳源型花岗岩(图 5d)。

表 3 良村花岗岩主量元素(%)分析结果Table 3 Major element contents (%) of the Liangcun granites

4.2 微量元素特征

良村花岗岩的微量元素含量见表 4。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上(图 6a), 良村花岗岩以富集大离子元素 Rb、Th、U、Pb 和轻稀土元素Nd, 明显亏损 Ba、Sr、Nb、P、Ti 为特征, 峰谷区别明显, 属于典型的低 Ba-Sr花岗岩, 相似于南岭东段强过铝花岗岩(孙涛等, 2003)。而低 Ba-Sr 花岗岩被认 为是壳 源物质 低 程度部 分熔融 的产物(Harris and Inger, 1992)。

良村花岗岩具有较高的 Rb/Sr 比值(3.3～14.3, 平均为 10.6)和 Rb/Nb 比值(17.3～20.9, 平均为 18.9), 而Nb/Ta 比 值 (5.7～8.4, 平 均 为 7.4) 与 Zr/Hf 比 值(21.8～36.7, 平均为 30.4)皆低于正常花岗岩 Nb/Ta 与Zr/Hf 平均值(分别为 11 和 33～40, Green, 1995; Dostal and Chatterjee, 2000)。其低 Nb/Ta 比值反映了良村花岗岩的物源为地壳物质来源(张芳荣等, 2010)。

上述微量元素特征表明, 良村花岗岩应源于壳源物质。

4.3 稀土元素特征

良村花岗岩的稀土元素含量见表 4。稀土总量不均 匀 , ∑REE=70.73×10–6～292.71×10–6, 平 均 值 为172.02×10–6。样品的 LREE/HREE 值为 3.48～10.22, 平均值为 6.44; (La/Yb)N值为 2.96～11.98, 平均值为 7.38,具有明显的负 Eu 异常(δEu=0.14～0.40)。球粒陨石标准化稀土元素配分曲线呈右倾型(图 6b), 反映了岩浆作用过程中, 轻、重稀土之间发生了明显的分异作用。负 Eu异常则反映了岩浆结晶过程中不同程度地发生了斜长石分离结晶作用。

4.4 含矿性分析

良村花岗岩矿化元素分析见表 5。良村花岗岩 Bi、Sn、W、Cs、U、Tl元素的含量明显高于地壳丰度(黎彤, 1976), Pb、Zn、Mo 元素的含量与地壳丰度近于持平, 而 Cu 元素则出现了一定的亏损趋势(图 7)。

图 5 良村花岗岩主量元素图解Fig.5 Diagrams of the major elements of the Liangcun granites

表 4 良村花岗岩微量元素和稀土元素(×10-6)分析结果Table 4 Trace element and REE concentrations (×10-6) of the Liangcun granites

Bi、Sn、W 属于钨钼族元素(刘英俊等, 1984),刘 英俊等(1984)指出, W 在花岗岩中的分布, 在时间上从老到新趋向递增, 但良村花岗岩却表现出了相反的趋势, 由老到新的顺序为 XGzn-1(158.0±0.9 Ma)→XGlc-1(156.6±1.4 Ma)→XGlc-2(150.2±1.2 Ma)→XGlc-3(147.3±1.5 Ma), 其 W 元素含量变化为160.00×10–6→5.35×10–6→2.18×10–6→1.25×10–6, Bi 元素 含 量 变 化 为 4.24×10–6→2.81×10–6→3.88×10–6→0.13×10–6, Sn 元素含量变化为 60.40×10–6→18.90×10–6→7.15×10–6→15.70×10–6, 总 体 表 现 出随 时 代 变 新含量降低的趋势(图 8)。

图 6 良村花岗岩微量元素蛛网图解(a)和稀土元素配分图解(b)(原始地幔标准化数值据 Sun and McDonough, 1989; 球粒陨石数值据 Boynton, 1984)Fig.6 Trace element spider diagram (a) and REE patterns of the Liangcun granites (b)

表 5 良村花岗岩矿化元素(×10-6)分析结果Table 5 Ore metal contents (×10-6) of the Liangcun granites

图 7 良村花岗岩矿化元素地壳丰度标准化蛛网图解(地壳丰度标准化数值据黎彤, 1976)Fig.7 Spider diagram of ore metals of the Liangcun granites

5 成岩机制讨论

良村花岗岩的主、微量元素特征指示其属于壳源花岗岩, 通过以下的岩浆源区与成岩构造背景分析,可推测良村花岗岩为壳源物质部分熔融的产物。

良村花岗岩的 Rb/Sr和 Rb/Ba 总体分布不均, 分别为 3.3～18.4 和 0.76～10.0。在良村花岗岩岩浆源区与成岩构造背景判别图解上, 数据点均位于右侧的富黏土源区(图 9a), 没有数据点靠近玄武岩分布;有 1 个数据点(XGlc-3)因较低的铁镁值而投影于图外, 另外 3 个数据点位于变泥质岩部分熔融区域和变杂砂岩部分熔融区域内, 没有数据点位于基性岩部分熔融区域(图 9b); 所有数据点均位于壳源区域内(图 9c); 良村花岗岩主要投影于 WPG(板内花岗岩)区域(图 9d), 结合同期赣南九龙脑、宝山、淘锡坑等地花岗岩成岩构造背景研究(郭春丽等, 2011), 与丰成友等(2010)提出赣南地区中-晚侏罗世板内伸展构造体制源于燕山中期岩石圈的全面伸展-减薄作用, 推测良村花岗岩形成于板内伸展拉张背景下。良村岩体是由泥砂质岩通过部分熔融作用形成的,其源区为富黏土变泥质岩或变杂砂岩, 基本无幔源物质混入。

综上, 四个代表性样品采集自燕山早期第一阶段岩浆旋回的首次成岩区域(据1∶20万兴国幅区域地质图); 赣南良村花岗岩的稀土元素、微量元素组成显示四个岩石样品具有物源同源性特征; 证实了上述代表性样品确形成于燕山早期第一阶段岩浆旋回首次岩浆作用。其中, 最古老的样品与最年轻的样品, 其成岩年龄相差约为 10 Ma: XGzn-1(158.0±0.9 Ma)→XGlc-1 (156.6±1.4 Ma)→XGlc-2(150.2±1.2 Ma)→XGlc-3 (147.3±1.5 Ma), 这一定年结果指示了良村花岗岩至少经历了 10 Ma 的结晶-成岩历史, 与赣南大部分岩浆岩的整体结晶-成岩史(王登红等, 2012)相似; 同时可以推知, 燕山早期第一阶段岩浆旋回首次岩浆作用的生命周期至少为 10 Ma。

图 8 良村花岗岩矿化元素 W、Bi、Sn 随岩石年龄协变图解Fig.8 Diagrams showing the correlation between W, Bi, Sn contents and ages of the Liangcun granites

图 9 良村花岗岩岩浆源区与成岩构造背景判别图解Fig.9 Discrimination diagrams for magma sources and tectonic settings of the Liangcun granites

6 结 论

(1) 良村花岗岩展布方向以 NE 向为主, 其空间分布受基底构造控制明显, 该地区基底构造以燕山期 NE 向断裂为主; 良村花岗岩表现出同构造花岗岩的产出特征。

(2) 良村花岗岩锆石 LA-ICP-MS U-Pb 年龄为147～158 Ma, 其年代学研究表明良村花岗岩属晚侏罗世成岩作用阶段产物。

(3) 良村花岗岩主要以黑云母花岗岩为主, 二云母花岗岩、花岗闪长岩次之, 岩体中含有黑云母、白云母、红柱石等富铝矿物, 属过铝质-强过铝质;具有较高的稀土含量, 轻稀土富集明显, δEu 负异常明显。

(4) 良村花岗岩的成因类型可归结为 S 型花岗岩或壳源花岗岩, 成岩构造背景分析显示其成岩机制为壳源物质低程度部分熔融, 结合区域地质条件与岩浆源区分析, 可推测其源岩主要为变泥质岩或变砂质岩。

(5) 良村花岗岩中最古老的样品与最年轻的样品 , 其 成 岩 年 龄 相 差 ～10 Ma: XGzn-1(158.0±0.9 Ma)→XGlc-1(156.6±1.4 Ma)→XGlc-2(150.2±1.2 Ma)→XGlc-3(147.3±1.5 Ma), 这一定年结果指示了良村花岗岩至少经历了 10 Ma 的结晶-成岩历史, 同时可以推知, 燕山早期第一阶段岩浆旋回首次岩浆作用的生命周期至少为 10 Ma。

致谢: 谨以此文祝贺陈毓川先生八十华诞！感谢中国地质科学院侯可军博士在测年实验中提供的帮助。感谢两位审稿人和稿件编辑提出的宝贵修改意见。

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Zircon LA-ICP-MS U-Pb Dating and Petrogeochemistry of the Liangcun Granites and Their Petrogenesis, South Jiangxi

WANG Weiping1,2, CHEN Yuchuan1, WANG Denghong1and CHEN Zhenyu1
(1. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Resources Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. China Minmetals Corporation, Beijing 100010, China)

The Liangcun granites outcrop within Liangcun town, Xingguo county, in the south of Jiangxi province. The Liangcun granites are product of the PhaseⅠ m agmati sm of the Early Yanshanian, displaying characteristics of syn-tectonic granite. The batholith consists mainly of biotite-granite which is intruded by the latter stages of dimicaceous-granite and granodiorite. The Liangcun granites are peraluminous to strongly peraluminous, and show LREE enriched patterns. The Liangcun granites are “S-type” or crustal remelting granite derived from low degree partial melting of crustal materials. The LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of 4 granite samples indicate that the Liangcun granites were emplaced at 158 to 147 Ma, i.e., the Late Jurassic. The cooling and crystallization of the Liangcun granites may have lasted ～10 Ma as suggested by the isotopic ages.

South Jiangxi; granite; zircon U-Pb dating; petrogeochemistry; petrogenesis

P597

A

1001-1552(2014)02-0347-012

2013-10-09; 改回日期: 2013-11-06

项目 资 助 : 中 国 地质大 调 查项 目 “我 国 重 要矿 产 和区 域 成 矿规 律 研究 ”(编 号: 1212010633903)和 “南岭 地 区 岩浆 岩 成矿 专 属 性 研 究”(编号: 1212011120989)资助。

王崴平(1987-), 男, 博士研究生, 矿床学、矿物学、岩石学专业。Email: bruceminerals@qq.com