溧阳盆地金山花岗岩地球化学特征及构造意义

黄顺生， 杨用彪， 田春明， 王海欧， 徐旭峰

(江苏省地质调查研究院，江苏南京210049)



溧阳盆地金山花岗岩地球化学特征及构造意义

黄顺生， 杨用彪， 田春明， 王海欧， 徐旭峰

(江苏省地质调查研究院，江苏南京210049)

摘要：金山地区处于下扬子与江南隆起的过渡带，区内侵入岩岩石类型主要有花岗斑岩、石英闪长斑岩。岩石地球化学分析结果表明金山花岗岩为高钾钙碱性、准铝质岩浆岩，SiO2 质量分数为65.11%～71.40%，K2O/Na2O比值为1.30～2.56，铝饱和指数(A/CNK)集中于1.02～2.05。稀土元素属轻稀土富集型，轻重稀土分异明显，富集K、Rb、Th、U、K、Nd、Zr，亏损Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti，无明显负Eu异常。区域构造背景、岩石学和元素地球化学特征综合分析显示，研究区处于由挤压向拉张转折的转换阶段，花岗岩的形成与幔源物质底侵引起的下地壳物质部分熔融形成的岩浆分异结晶作用有关。

关键词：地球化学特征；花岗岩；构造环境；溧阳盆地；江苏

0引言

金山地区位于伍员山—南渡断褶带的北段，在漫长的地质历史发展时期，发生了强烈的火山喷发和深成岩浆侵入活动以及强烈的构造活动，成矿地质条件比较有利。区内侵入岩活动集中于燕山晚期，其中广泛分布的燕山晚期花岗斑岩、石英闪长斑岩脉是形成热液型铜钨多金属矿的有利控矿因素，也是岩浆热液矿床的主要热液、物源和流体来源。江苏宜溧地区铁铜矿远景调查工作中，发现金山地区钨铜多金属矿化与花岗斑岩、石英闪长斑岩关系非常密切。因此，研究金山地区花岗岩地球化学特征及构造特点对该区找矿工作的深入具有十分重要的意义。

1区域地质背景

1.1地层

金山地区位于下扬子地层分布区南缘，与江南地层区毗邻，区内地层出露不全，除宜兴屺亭太阳山有零星下奥陶统泥灰岩出露外，全区最老地层为中志留统坟头组，与泥盆系组成背斜核部，石炭系、二叠系组成背、向斜翼部，三叠系组成向斜核部，侏罗系上统主要出露于社渚和戴埠盆地，形成火山岩丘陵，白垩系上统出露于平原与低山丘陵交接部位，第四系广布于研究区北部的平原区(图1)。

1.2构造

三叠纪末期以来，研究区遭受了强烈的构造变动，地壳表层形变剧烈，并以发育的断块活动及逆冲-推覆构造为特征。区内褶皱以开阔、宽缓的短轴背斜、向斜及中新生代盆地发育为特征，向斜、盆地之间多发育受断裂干扰、改造的隆褶带，主要有东西向的周城—铜官山、太华山—五通山隆褶带和近南北向的伍员山、大贤岭及高山—白岘隆褶带。区内断裂构造非常发育，按方向大致可分为4组：北东—北北东向、近东西向、近南北向及北西向(图1)，北西向断裂多以张扭型为主，一般表现为正断层，其他方向的断裂以压扭性为主，沿断裂带逆冲推覆现象发育，且多见飞来峰、构造窗等构造现象。

图1　溧阳盆地区域地质构造略图1-古近系；2-上白垩统；3-上侏罗—下白垩统；4-石炭—下三叠统；5-中志留—上泥盆统；6-中酸性侵入岩；7-玄武岩；8-推测断裂；9-逆断层；10-金山研究区Fig.1　Sketch showing regional geological structures in the Liyang Basin

1.3岩浆岩

区内岩浆岩较为发育，岩石类型以酸性岩为主，其次为中性岩、中酸性岩及少量基性岩。主要分布于南渡—溧阳一线以南的广大地区。岩浆活动以喷发作用最强烈，侵入活动次之；活动时代以燕山晚期为主，且具有多期次、多旋回特点；活动中心亦呈规律迁移，形成了中酸性—酸性的火山-侵入杂岩体，其成矿系列主要是铜、铅、锌矿等。岩浆活动晚期，岩浆向偏碱性方向演化，其成矿系列主要是铀、铌、锡、铅矿等。

2岩石学特征

研究区位于北北东向伍员山—南渡断褶带的北段，东西两侧分别是戴埠、社渚2个火山岩盆地。区内石英闪长斑岩、花岗斑岩主要分布于金山—灯笼山—前峰山一带，呈岩株状产出，侵入三叠系青龙组。根据物探资料推断，空间上与大溪水库隐伏岩体有紧密关系，为后者的衍生物(江苏省地质矿产局，1991)。样品采集于金山地区采坑及钻孔。

结合野外观察、镜下分析以及全岩主量元素成分分析，区内岩石以石英闪长斑岩、花岗斑岩为主。

石英闪长斑岩呈浅灰色，斑状结构,块状构造。斑晶质量分数约30%，以斜长石为主，次为黑云母。斜长石呈半自形板柱状，粒径一般为0.4 mm×0.8 mm—1.8 mm×4.0 mm，部分已绢云母化，局部见残留的聚片双晶。黑云母呈片状，延长一般小于2 mm。基质为长英质，粒状微晶结构，质量分数约70%，部分石英包裹斜长石形成显微镶嵌结构，局部见球粒结构(图2)。

花岗斑岩呈灰色，斑状结构、块状构造。斑晶质量分数约40%，以斜长石、碱性长石为主，次为石英、黑云母。长石(斜长石与碱性长石质量分数之比为1∶1)呈他形—半自形板状，粒径一般为0.5 mm×1.0 mm—2.0 mm×2.5 mm。石英呈粒状，粒径小于1.2 mm，具有港湾状熔蚀边。黑云母呈片状，延长一般在0.4～1.5 mm。基质为长英质，以球粒结构为主，局部见粒状微晶结构、显微镶嵌结构(图2)。

图2　花岗斑岩及石英闪长斑岩镜下鉴定特征Fig.2　Microscopic characteristics of granite porphyry and quartz diorite porphyry(a) granite porphyry(orthogonal polarized, 25×); (b) quartz dioritic porphyry(orthogonal polarized, 25×)

3元素地球化学特征

3.1主量元素特征

所有样品主量元素含量(表1)经过无烧失量100%标准化后，金山地区的花岗斑岩、石英闪长斑岩的SiO2质量分数为65.11%～71.40%，全碱(K2O+Na2O)质量分数为4.22%～8.23%，w(K2O)/w(Na2O)=1.30～2.56，表明岩浆富钾质。

在全碱-硅(TAS)分类图解中(图3)，样品点落在石英闪长岩-花岗闪长岩-花岗岩范围，这与野外、

镜下岩相学命名基本一致。岩石A/CNK集中于1.02～2.05之间，属准铝质类型。

在SiO2-K2O投影图上(图4)，样品集中于高钾钙碱性区域，仅极个别点落入钾玄岩系列，结合岩石里特曼指数(σ=0.81～2.71)，两者均表明岩石属于高钾钙碱性岩系。氧化指数[w(Fe3+)/w(Fe3++Fe2+)]为0.20～0.52，其中石英闪长斑岩为0.22～0.27，花岗斑岩平均值为0.34。可见出露地表花岗斑岩脉的氧化指数高于石英闪长斑岩体，可能说明花岗斑岩脉处于相对较开放、氧化程度偏高的环境。

表1　溧阳金山地区中酸性侵入岩化学全分析结果

续表1

项目 花岗斑岩石英闪长斑岩Y1Y2Y3Y4Y5项目 花岗斑岩石英闪长斑岩Y1Y2Y3Y4Y5σ1.302.712.480.920.81Er1.692.241.882.122.50w(Fe3+)/w(Fe3++Fe2+)0.520.290.200.270.22Tm0.300.370.320.360.42Rb13117319717889.4Yb2.022.332.122.292.67Ba514548556202362Lu0.320.380.340.380.44Sr139300318106186∑REE135142144157147Th25.014.335.010.310.4LREE/HREE11.38.811.010.58.5U3.142.673.031.852.54(La/Yb)N11.29.311.410.78.2

注：主量元素单位为%，微量元素单位为g/t

图3　TAS分类图解(据Wilson,1989)Fig.3　TAS categorization diagram(after wilson, 1989)

图4　K2O-SiO2图解(据Middlemost,1985)Fig.4　K2O-SiO2 diagram(after Middlemost,1985)

3.2微量元素特征

金山地区石英闪长斑岩、花岗斑岩稀土元素组合特征总体表现为稀土总量(∑REE)较低，为135～157 g/t，平均值为145 g/t，略高于国内I型花岗岩(平均值115 g/t)，低于国内S型花岗岩(平均值173 g/t)。轻重稀土比值(LREE/HREE)为8.47～11.3，(La/Yb)N为8.23～11.4，变化范围不大，反映出金山石英闪长斑岩、花岗斑岩都是岩浆演化至同一阶段的产物，属于轻稀土富集型，且重稀土分异不明显，可能说明源区部分熔融程度较高。δEu值为0.67～0.79，具有轻微Eu负异常，岩石的稀土元素球粒陨石标准化配分曲线均表现出向右轻微倾斜、弱铕负异常特征(图5a)。

金山地区石英闪长斑岩、花岗斑岩微量元素总体变化特征基本一致，表现为选择性的富集与亏损。Rb的含量较高，变化于89.4～197 g/t；Sr的含量较低，变化于106～318 g/t之间；高场强元素Zr、Nb、Y含量偏低，Zr+Nb+Ce+Y值为250～361 g/t，平均值311 g/t。Rb/Sr比值介于0.58～1.68之间，K/Rb比值为146～251，指示岩体分异演化程度高。

元素总体特征均表现为富集K、Rb、Th、U、K、Nd、Zr，贫Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti，在微量元素蛛网图上，Sr、P、Ti、Ba、Ta呈明显的“V”形谷(图5b)。Ba、Sr负异常表明受长石结晶的影响，而Ti、Nb、Ta的亏损很可能是钛铁矿、金红石、榍石等分离结晶造成的(Foley et al., 2000; Rudnick et al.,2000)。

图5　球粒陨石标准化配分REE图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(标准化数据据Sun et al., 1989)Fig.5　Chondrite-normalized REE distribution patterns (a); primitive mantle-normalizd spider diagram of trace elements (b)(after Sun et al. for normalized values,1989)

4讨 论

4.1岩石类型

花岗岩成因类型目前最为普遍的分类方案是I型、S型、M型、A型，自然界中真正由地幔岩浆衍生的M型花岗岩极少，因此花岗岩的成因类型有I、S、A型3类，尤其以I型和S型为主。对这3类花岗岩的判定已有大量文献论述，其中角闪石、堇青石和碱性铁镁矿物被认为是判断这3类花岗岩最为重要且有效的标志(吴福元等，2007)，此外，有学者提出一套A型花岗岩判别图解，可以较好地区分A型与I型、S型花岗岩(Whalen et al.，1987)。本次样品点全部落在I型、S型区域而非A型区域，

除了Ga/Al判别图解外，研究的花岗岩还有其他重要特征与A型花岗岩不符：(1) Ga/Al比值及Zr、Nb、Ce、Y等元素的含量偏低，w(Ga/Al)×104=1.06～2.43，明显低于A型花岗岩的平均值3.75(Whalen et al.,1987)，而Zr+Nb+Ce+Y含量为250～361 g/t，平均值为311 g/t，明显低于A型花岗岩下限值(350 g/t)；(2) 碱性指数A.I.[(K2O+Na2O)/Al2O3](mol比值)是判别花岗岩成因类型的重要参数，A型花岗岩的这一参数通常大于1.0(邱检生等，2008)，而A.I.为0.35～0.72，均明显低于1.0；(3) 尽管该区花岗岩的全碱含量较高，但FeO*/MgO比值较低(0.98～2.17)，有别于A型花岗岩显著富铁的特征(FeO*/MgO比值>10，Whalen et al.， 1987)。因此，这些岩体应属于I型花岗岩。

I型和S型花岗岩可以用P2O5含量和P2O5-SiO2图解加以区分。实验表明，在准铝质—弱过铝质岩浆中，磷灰石的溶解度很低，并在岩浆分异过程中随SiO2的增加而降低；而在强过铝质岩浆中，磷灰石溶解度变化趋势则与此相反(Wolf et al.，1994)。研究区花岗岩P2O5质量分数均在0.18%以下，且P2O5与SiO2之间有较显著的负消长演化关系，这点也明显不同于典型S型花岗岩，后者常具较高的P2O5含量，且随分异作用，P2O5有递增的演化趋势(Chappell，1999)。

另外，金山地区花岗岩还具有I型花岗岩典型特征(邱家骧，1985)：(1) 铝饱和指数(A/NKC)<1.1(除样品Y4外)；(2) 稀土元素总量∑REE为135～157 g/t，大部分小于140 g/t，具有弱的Eu负异常；(3) Rb/Ba比值<0.35(除样品Y4外)，接近0.35。

基于上述理由，金山地区燕山晚期花岗岩不是A型或S型，而是I型。微量和稀土元素特征相似于皖南地区的I型花岗岩(陈子微等，2013)。

4.2构造环境

对于长江中下游以及中国东部晚侏罗世—早白垩世具I型花岗岩特征的高钾钙碱性中酸性火成岩的形成环境长期存在争论，多数学者认为与古太平洋板块向西的俯冲作用有关(吴利仁，1985；Chen et al., 2001);近年来又有人主张俯冲+板内(或弧后)拉张的模式，认为受太平洋板块俯冲和陆内拉张作用的双重影响或早期与俯冲有关，晚期叠加了伸展作用的影响；另一种意见认为中国东部岩浆作用是陆内拉张作用的产物，与太平洋板块的俯冲无关(张旗等，2001)。

微量元素可以用来示踪岩浆源区的组成与特征，进而分析岩浆形成的构造环境(武广等，2008；Pitcher, 1983)。在各种花岗岩构造环境判别图中，Rb-(Y+Nb)图和Rb-(Yb+Ta)图被广泛使用(Pearce et al.，1984)。在Rb-(Y+Nb)图和Rb-(Yb+Ta)图中(图6)，金山花岗岩样品主要落在板内环境，少数落在岛弧环境，显示了从火山弧向后碰撞演化的趋势。高场强元素(Nb、Ta、Ti、P)亏损通常被认为是与俯冲有关的火成岩的共同特征，但也可能因地壳混染所致，只要岩浆残留相中出现角闪石或者含铁钛氧化物(如金红石、钛铁矿)，熔体就会出现Nb、Ta、Ti亏损(Ma et al., 1998)。此外,地壳的平均成分接近弧岩浆，Nb、Ta、Ti、P亏损可能主要表现与地壳成分相关的性质。由于Ba在流体中的活动性远远高于Th，因此，Ba/Th比值用于度量与俯冲有关的流体对岩浆源区的贡献，而Nb/Zr是地幔因先前的熔融作用而发生亏损的标志(熊小林等，2007)。在Ba/Th-Nb/Zr协变图解中(图7)，金山地区中酸性岩显示富集地幔源的演化趋势，较少受到板片流体的影响，与俯冲作用基本无关。

图6　构造环境判别图(据Pearce et al.，1984)Fig.6　Discrimination diagrams of tectonic setting(after Pearce et al.，1984)

图7　Ba/Th-Nb/Zr图解(江苏省地质矿产局，1988)Fig.7　Ba/Th-Nb/Zr diagram(after Jiangsu Geology & Mineral Exploration Bureau,1988)

中国东南部燕山晚期经历了广泛而强烈的岩浆作用，形成大面积火山-侵入岩，总体呈北东向展布于沿海诸省，构成了大陆边缘醒目的地质特征，其中火山岩分布于浙、闽、粤、赣及苏、皖、鲁等沿海地区。东南沿海区分布的燕山晚期侵入岩的同位素年龄主要为2个时期，即140～125 Ma和125～85 Ma(毛建仁等，2009)。研究区岩浆活动时期主要在早中白垩世(125～74 Ma)(江苏省地质矿产局，1988)，巧合的是，它与东南沿海燕山晚期第二阶段侵入活动时间十分吻合。

lg[w(CaO)/w(Na2O+K2O)]-w(SiO2)图解(图8)显示，I型花岗岩落在挤压型与伸展型岩浆混合作用区，反映了金山地区岩体侵位时正处于挤压向伸展转折过程中，这与溧阳盆地I型、A型花岗岩空间紧邻分布的地质现象相吻合。

图8　lg[w(CaO)/w(K2O+Na2O)]-w(SiO2)图解 (江苏省地质矿产局，1988)Fig.8　Diagram of lg[w(CaO)/K2O+Na2O)]-w(SiO2)(after Jiangsu Geology & Mineral Exploration Bureau,1988)

通常认为比较高的I(Sr)值是地壳来源的标志，而ε(t)(Nd)为负值则指示源区为地壳或富集地幔。溧阳盆地花岗斑岩I(Sr)值介于0.709 2～0.709 5之间，ε(t)(Nd)介于-5.25～-9.35之间(江苏省地质矿产局，1988)，显示出壳幔混源和下地壳的特征。溧阳花岗斑岩ε(t)(Nd)值位于张旗等(2001)归纳出的下扬子元古宙下地壳I(Sr)(0.705～0.709)和ε(t)(Nd)值(-4～-16)之间，元古宙的下地壳基底中可能有较多年轻的玄武质岩石底侵加入。因此，金山花岗斑岩、石英闪长斑岩是幔源玄武质岩浆底侵作用促使下地壳熔融作用的产物。

前人多认为长江中下游在晚中生代主要受古太平洋板块的俯冲影响，处于岩石圈拆沉减薄的伸展环境，并伴随一系列构造-岩浆作用(Sunetal., 2007)。通过分析，金山侵入岩属于板内伸展环境(图8)，而花岗岩构造判别图解(图6a、b)显示多数点属火山弧环境，这表明研究区侵入岩既具有板内伸展环境，又兼有火山弧的特征，结合研究区侵入岩的同位素年龄多为125～74Ma的事实，反映当时研究区的构造机制处于由挤压向拉张转折的阶段，在来自地幔的岩浆或者热源影响下，下地壳因构造伸展而减压，发生部分熔融形成花岗质岩浆，并且伴随着区域众多北北东向断裂的活动，发生了大规模岩浆的侵入与喷发(翁望飞等，2011)，从而形成了现今的I型花岗岩。

5结论

(1) 研究区构造上处于下扬子与江南隆起的过渡带，金山地区侵入岩岩石类型主要有花岗斑岩、石英闪长斑岩。

(2) 金山花岗岩SiO2质量分数为65.11%～71.40%，K2O/Na2O比值为1.30～2.56，铝饱和指数(A/CNK)集中于1.02～2.05，属高钾钙碱性的准铝质岩浆岩。稀土元素属轻稀土富集型，轻重稀土分异不明显，富集K、Rb、Th、U、K、Nd、Zr，亏损Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti，无明显负Eu异常。

(3) 区域构造背景、岩石学和元素地球化学特征综合分析显示，研究区的构造机制处于由挤压向拉张转折的阶段，花岗岩的形成与幔源物质底侵引起的下地壳物质部分熔融形成的岩浆分异结晶作用有关。

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Geochemical characteristics and their geological implications of the Jinshan granites in the Liyang Basin

HUANG Shunsheng， YANG Yongbiao， TIAN Chunming, WANG Haiou， XU Xufeng

(Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018， Jiangsu, China)

Abstract：The Jinshan area is located in the transitional zone between the Lower Yangtze region and Jiangnan uplift, and the intrusive rocks consist of granitic porphyry and quartz diorite porphyry. Petrochemical studies show that the Jinshan granites are high-K calc-alkaline and metaluminous magmatic rocks, with SiO2 content of 65.11%～71.40%, K2O/Na2O ratios of 1.30～2.56, and A/CNK ratios of 1.02～2.05. The granitic rocks are LREE-enriched, with high ratios of LREE/HREE, and are enriched in K, Rb, Th, U, K, Nd and Zr, depleted in Ba, Nb, Ta, Sr, P and Ti, with no significant negative Eu anomalies. Comprehensive regional geological setting, lithology and geochemical characteristics suggest that the tectonic mechanism of this area is converting from compression to extension, and that the granites mostly originated from partial melting of lower crust as a result of decompression and experienced the magmatic evolution of crystallization and differentiation.

Keywords：geochemical characteristics； granite； tectonic environment； Liyang Basin; Jiangsu Province

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.01.15

收稿日期：2015-02-01；修回日期：2015-02-16；编辑：蒋艳

基金项目：中国地质调查局项目“长江中下游成矿带地质矿产调查”(1212011120855)

作者简介：黄顺生(1975—)，男，高级工程师，矿物学、岩石学、矿床学专业，主要从事矿产勘查工作，E-mail: geohuangss@163.com

中图分类号：P588.121

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2016)01-0015-08