福建长泰天柱山晶洞花岗岩锆石U-Pb年龄及岩石地球化学特征

钟锦辉

(福建省第八地质大队，龙岩，364000)

A型花岗岩由于其特殊的构造环境以及复杂的物质来源而被认为是地球动力学研究的重要“岩石探针”，具有重要的研究意义而备受关注[1]。中国东南部发育大量A型花岗岩，而新村岩体则是其中的一个典型代表，前人虽对新村岩体做了大量的研究工作，但多将其作为漳州复式岩体的一个组成部分而一起研究，并未对其单独做一个系统的分析。此次工作对新村岩体单独开展了系统的岩石学、岩石地球化学、LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究，在此基础上探讨其岩石成因、物质源区及形成的构造背景等。

1 地质背景

天柱山晶洞花岗岩位于长泰朝阳—天柱山一带(图1)，通称新村岩体，是漳州复式岩体的重要组成部分，出露于漳州复式岩体东部,是长乐—南澳断裂带(也称变质带、构造带)西亚带的组成之一[2，3]。天柱山晶洞花岗岩体的侵入活动受燕山晚期北东向构造控制而呈北东向展布，出露面积约74 km2，长宽比约4∶1，呈长条状的岩株产出，岩体产状陡倾斜。岩体东北端侵入于早侏罗世梨山组上段、晚侏罗世南园组第二段，两侧则侵入漳州复式岩体的其余组成部分(早白垩世辉石闪长岩、早白垩世石英闪长岩、早白垩世花岗闪长岩)，西南端则为第四系掩盖。

图1 长泰新村岩体地质简图及其地质构造背景图Fig.1 Geological diagram of Changtai Xincun rock mass and its background map of geological structure1—第四纪；2—晚侏罗世南园组第二段；3—早侏罗世梨山组上段；4—晚白垩世细粒晶洞花岗岩；5—晚白垩世中细粒晶洞花岗岩；6—晚白垩世中粒晶洞花岗岩；7—晚白垩世似斑状中粒晶洞花岗岩；8—早白垩世黑云母花岗岩；9—早白垩世二长花岗岩；10—早白垩世花岗闪长岩；11—早白垩世石英闪长岩；12—早白垩世辉石闪长岩；13—不整合界线/整合界线；14—超动侵入接触界线；15—涌动侵入接触界线；16—测年样位置；17—花岗岩风景地

新村岩体多形成怪石、嶙峋之石林孤峰，孤峰、陡崖发育，地貌壮观；岩体内晶洞构造较发育，直径为1～4 cm，呈圆腔状、长条状、撕裂状及不规则形态等，多数为石英和少量钾长石等矿物的自形晶充填；晶洞花岗岩矿物以钾长石占优势，这三点是晶洞花岗岩在宏观上的显著特点。

2 岩石地球化学特征

2.1 岩石学特征

新村岩体根据结构演化划分为细粒晶洞花岗岩、中细粒晶洞花岗岩、中粒晶洞花岗岩、似斑状中粒晶洞花岗岩等4个岩石单元，各单元中以中粒晶洞花岗岩和中细粒晶洞花岗岩较为发育，其余岩石单元出露较窄或不发育。相邻各岩石单元之间呈涌动侵入接触关系，推断其演化先后顺序为细粒→中细粒→中粒→似斑状中粒。岩体各岩石单元仅结构类型存在差异，而岩石矿物与含量相近，主要矿物由钾长石(46%～50%)、斜长石(18%～25%)、石英(20%～29%)及少量黑云母(<1%)等组成，各矿物分布较均匀，斑晶为钾长石(7%～10%)，大小6～7 mm。钾长石呈半自形-他形晶，板状或粒状，为条纹长石，表面土化较强；斜长石呈半自形板状，双晶发育，An=26～30，为更长石；石英呈他形粒状，波状消光；黑云母呈半自形片状，局部为绿泥石交代而析出少量铁质物，见于似斑状中粒晶洞花岗岩内。

岩石副矿物种类多，钛铁矿、褐铁矿、磁铁矿含量高，其中磁铁矿含量占绝对优势，为磁铁矿+褐铁矿+钛铁矿的副矿物组合类型特征。金属硫化物主要为黄铁矿且含量稀少，其他矿物主要有锆石、锐钛矿、白钛石、萤石、独居石、褐帘石、榍石等，未见有碱性暗色矿物。其中锆石呈黄色、极少无色、个别豆沙色，晶体以自形柱状为主，近等轴粒状次之，表面铁染使透明度降低，显弱金刚光泽；多数晶内可见红色固相包体，个别内部可见黑色固相包体，少数可见裂纹，表面常见熔蚀凹坑、沟槽，多数表面附有胶结物；以0.03～0.10 mm为主，0.10～0.15 mm次之，个别0.20 mm；延长系数以1.1～1.6为主，1.6～2.5次之，个别达3.0；晶体主要以(100)(111)(110)和(100)(111)组成聚形。

2.2 岩石化学特征

此次研究在新村岩体中共采集3件代表性岩石化学样品，其中PM18-3岩性为中细粒晶洞花岗岩，PM18-8岩性为中粒晶洞花岗岩，PM12-7岩性为似斑状中粒晶洞花岗岩，分析测试在福建省地质测试中心完成。由于细粒晶洞花岗岩仅在新村岩体两端局部零星分布，且岩石出露差、风化强烈，致使本次工作未能采集到相关样品，但因其分布范围过小，其对整个岩体的研究影响不大。前人曾在新村岩体内采集数件岩石化学样品，其测试数据与此次工作测试数据大体一致(表1)。

此次研究新村岩体的主量元素及CIPW标准矿物、岩石化学参数特征值看，总体具高硅、富碱，贫钙、镁、铝等特点。岩石中SiO2含量为76.14%～76.70%，含量高且变化范围小，属超酸性岩；Al2O3含量为12.20%～12.75%，Na2O+K2O为8.08%～8.70%， K2O/Na2O比值为1.07～1.37，A/NKC比值为1.007～1.026，；Fe相对于Mg强烈富集，FeO*/MgO比值为3.87～6.13，平均5.25，高于一般I型(2.27)、S型(2.38)、M型(2.37)花岗岩，低于世界A型花岗岩平均值(13.4)[4]。岩石碱度率(AR)为3.27～4.69，含水量低(<1%)。

表1 长泰新村岩体主量元素含量及特征值(%)

注：样品(1)来源于福建省区域地质志，2016；样品2来源于1∶25万厦门市、东山县幅区域地质调查报告，2002；样品34-2715-2、34-12107-1来源于1∶20万漳州幅、东山幅区域地质调查报告，1974。

新村岩体主量元素在岩石系列TAS图解中均投影于花岗岩区域(图2)，在SiO2-AR碱度图解上均投影于碱性区域(图3)，在A-F-M图解上均投影于钙碱性系列且紧靠AF边分布(图4)；CIPW标准矿物出现刚玉分子，含量为0.12～0.58；A/NK比值为1.07～1.144，里特曼指数(σ)为1.95～2.26，小于3.3；在A/NK-A/KNC图解中均投影于过铝质区域(图5)；岩石固结指数(SI)为0.85～3.15，分异指数(DI)为95.21～96.43，为高分异花岗岩。

2.3 地球化学特征

据新村岩体微量元素、稀土元素含量及特征值(表2)，微量元素显示Rb、Th、Nb、Ta、Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、U、Pb富集，贫Ba、Sr、Cr、Co、Ni、V、Zr、Eu，而Ba、Sr强烈亏损。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6)与A型花岗岩微量元素原始地幔标准化蛛网图类似。同时岩体显示极低的Sr含量(9.71×10-6～58×10-6)，较高的Yb含量(1.86×10-6～6.56×10-6)。显示该岩体形成的压力较低，为地壳减薄环境下的产物[5]。

新村岩体稀土元素总量(∑REE)为141.48×10-6～260.21×10-6，LREE/HREE比值为4.16～7.15，(La/Yb )N为4.38～7.21、(La/Sm)N为3.34～3.43，属轻稀土富集型岩石，δEu为0.15～0.24，小于0.3，铕强烈亏损，说明母岩浆已经过强烈的分异，兼具分异型花岗岩特征。在稀土元素配分模式图上，呈现轻稀土倾斜、重稀土较平坦，曲线形态与略右倾“海鸥型”相似，轻重稀土分异较明显(图7)。

表2 新村岩体微量元素、稀土元素含量及特征值(×10-6、Au×10-9)

Table 2 The content and characteristic value of trace elements and rare earth elements of Xincun rock mass

样品号岩石名称微量元素VCrCoNiLiRbNbZrWSnBiCuMoPbPM12-7似斑状中粒晶洞花岗岩3.75.00.471.398.35241.127.771000.991.830.180.441.3032.63PM18-8中粒晶洞花岗岩6.99.10.952.1625.72231.326.69831.473.490.346.511.8033.83PM18-3中细粒晶洞花岗岩3.37.30.491.2929.14247.924.6841.342.740.210.471.9334.66(1)中细粒晶洞花岗岩1.836.91.60.7-15320.4870.483.40.2154.50.9810.7样品号岩石名称微量元素特征值ZnAgAuBaSrUThHfTaRb/SrBa/SrRb/NbNi/CoTh/UPM12-7似斑状中粒晶洞花岗岩30.650.050.5193.7720.149.3931.254.831.9711.974.668.682.963.33PM18-8中粒晶洞花岗岩32.790.0280.5621.5916.8211.3329.954.261.7113.751.288.672.272.64PM18-3中细粒晶洞花岗岩33.580.0350.5315.709.718.9829.893.421.5725.531.6210.082.633.33(1)中细粒晶洞花岗岩43.2--170582.8819.4--2.63----样品号岩石名称稀土元素LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuPM12-7似斑状中粒晶洞花岗岩40.162.68.4330.967.550.648.521.529.202.016.360.986.560.98PM18-8中粒晶洞花岗岩23.6746.145.3218.974.490.294.310.744.080.822.510.392.750.40PM18-3中细粒晶洞花岗岩34.1876.387.7527.726.600.326.181.045.471.093.20.493.400.51(1)中细粒晶洞花岗岩50.0481.037.1218.933.020.282.360.392.020.470.780.271.860.36样品号岩石名称特征值YREELREEHREELR/HRδCeδEu(Eu/Sm)N(Sm/Nd)N(La/Sm)N(Ce/Yb)N(La/Yb)N(Gd/Yb)NPM12-7似斑状中粒晶洞花岗岩73.8260.21150.2836.134.160.790.240.220.743.432.654.381.07PM18-8中粒晶洞花岗岩26.6141.4898.8816.006.180.970.200.170.723.404.666.171.30PM18-3中细粒晶洞花岗岩35.7210.03152.9521.387.151.110.150.130.733.346.247.211.50(1)中细粒晶洞花岗岩15.69184.62--6.63--------

注：样品(1)来源于福建省区域地质志，2016。

图6 新村岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.6 Trace element primitive mantle sandardized spider web map of Xincun rock mass

图7 新村岩体稀土元素配分模式图Fig.7 Race earth element partition diagram of Xincun rock mass

3 LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定

新村岩体选取中粒晶洞花岗岩采样(样品PM18-4、PM18-3采集于同一位置)，开展LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄测年，采集样品新鲜干净，无污染，未见有蚀变，满足实验要求。测年工作在中国地质科学院矿产资源研究所完成。锆石形态较复杂，总体呈半自形柱状，以长柱状为主，CL图像总体偏暗，均显示自形振荡环带结构，指示岩浆锆石特征(图8)。

图8 新村岩体中粒晶洞花岗岩锆石阴极发光影像图Fig.8 Zircon cathodoluminescence influence diagram of Xincun rock mass

采集的样品经LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试，共获得20个分析点的数据(表3)，样品Th含量为313.56×10-6～3 007.85×10-6，U含量为115.00×10-6～2 740.84×10-6，Th/U比值为0.88～2.73，大于0.3，较稳定，且Th、U之间多数具有正相关关系，显示岩浆锆石特征。其中第1，2,7,8,9这5个点由于放射成因U和Th的大量丢失，未能获得有效数据，丢失的原因主要有两方面：一是锆石粒度普遍较小，表面积与体积之比大，U和Th丢失量相对多；二是锆石U和Th含量高，晶体受放射性损伤严重，丢失量较多。第4,10这2个点分析结果偏离谐和线太远而未参与加权平均年龄计算；第3,5,12这3个点分析结果谐和度太差也未参与加权平均年龄计算。因年龄值小于1 000 Ma，故采用锆石206U/238Pb的同位素年龄。其余10个分析点具一致的206U/238Pb年龄(图9)，新村岩体的锆石年龄值为(97.50±0.69)Ma，该年龄可代表新村岩体的成岩年龄。

表3 新村岩体锆石U-Pb同位素分析结果

图9 新村岩体锆石U-Pb同位素年龄加权平均值图(左)及U-Pb同位素年龄谐和图(右)Fig.9 Zircon U-Pb isotopie age weighted average map (left) and U-Pb isotopie age harmonic map (right) of Xincun rock mass

4 形成时代

新村岩体晶洞花岗岩岩体侵入于早侏罗世梨山组上段、晚侏罗世南园组第二段及早白垩世辉石闪长岩、早白垩世石英闪长岩、早白垩世花岗闪长岩。根据岩体同位素年龄测定，长泰新村岩体侵入晚侏罗世南园组，Rb-Sr等时线年龄为97 Ma[6]。此次研究工作在该岩体内获得了(97.50±0.69)Ma的锆石U-Pb同位素年龄，可以确定长泰新村岩体形成于晚白垩世早期。

5 岩浆成因及形成构造环境讨论

5.1 岩浆成因类型

新村岩体岩石含大量碱性长石，斜长石为更长石，黑云母含量极少，晶洞构造较发育，具较典型的A型花岗岩特征；岩石化学特征显示富硅、富碱、贫铝、低钙、低镁、高铁镁比和含水率低的特点，与A型花岗岩特征相似；在Na2O-K2O成因类型图解中均投影于A型花岗岩(图10)；微量元素原始地幔标准化蛛网图与典型A型花岗岩微量元素原始地幔标准化蛛网图类似；稀土元素配分模式图呈明显负铕异常的略右倾海鸥型展布，与典型A型花岗岩的稀土配分模式图相似。

新村岩体(Zr+Nb+Ce+Y)含量为182.43×10-6～264.17×10-6，明显低于Whalen提出的(Zr+Nb+Ce+Y)值大于350×10-6作为A型花岗岩的限定参数，但李良林等[1]认为大多数是铝质A型花岗岩经历了强烈的分异作用导致该值小于350×10-6。同时岩石贫铝， A/NKC比值大于1，稀土元素总量较低，为141.48×10-6～260.21×10-6。上述特征均显示铝质A型花岗岩的特征，而不同于碱性A型花岗岩。

此外，在岩石中CIPW标准矿物计算中出现刚玉分子，含量为0.12～0.58，分异指数为95.21～96.43，为高分异花岗岩。

新村岩体微量元素、稀土元素数据显示，Rb/Sr比值为11.97～25.53，Rb/Nb比值为8.67～10.08，明显高于中国东部[7]Rb/Sr和Rb/Nb值(分别为0.31和6.8)和全球地壳的平均值[8](分别为0.32和 4.5)，反映岩浆源自成熟度较高的陆源物质。另外Ni值为0.70×10-6～2.16×10-6，Cr为5.0×10-6～36.9×10-6，均远低于原始地幔中Ni、Cr的平均值( Ni≈250×10-6～300×10-6，Cr≈500×10-6～600×10-6)，稍低于扬子下地壳Ni、Cr 的平均值，( Ni=49×10-6，Cr=82×10-6) 。从微量元素来看，岩浆物质来源排除了直接由原始地幔基性岩浆分离结晶形成的可能性，新村岩体为高分异铝质A型花岗岩，岩浆属壳源为主。

5.2 形成构造环境探讨

根据Petro等[9]研究的花岗岩与构造环境关系可知：新村岩体Al2O3含量为(12.20%～12.75%)<14%， K2O含量为(8.08%～8.70%)>4.0%，CaO含量为(0.43%～0.63%)<1.5%，ALK为(8.08%～8.70%)>8.0%，DI为(95.21～96.43)>84，应属张性环境形成的花岗岩。

Eby将A型花岗岩分为大陆裂谷或板内环境的A1型、陆-陆碰撞或岛弧岩浆作用有关的A2型2个亚类。A1型花岗岩与洋岛玄武岩(OIB)具有一定的相似性，侵位于板内裂谷(通常伴有大量镁铁质岩石伴生)或者由推断的地幔柱或热点活动形成；A2型花岗岩与地壳平均值和岛弧玄武岩具有一定的相似性，代表的环境范围要广得多，包括碰撞后花岗岩以及在漫长的高热流、花岗质岩浆作用阶段末期所侵位的花岗岩。新村岩体Y/Nb比值为0.8～2.7(平均1.5>1.2)，同时在构造环境判别图Rb/Nb-Y/Nb图解(图11)中主要投影于A2造山后花岗岩区域。

图10 新村岩体Na2O-K2O成因类型图解Fig.10 Na2O-K2O genesis type diagram of Xincun rock mass

图11 新村岩体Rb/Nb-Y/Nb图解Fig.11 Rb/Nb-Y/Nb diagram of Xincun rock mass

洪大卫等将A型花岗岩分为非造山型(AA) 和后造山型(PA)2亚类。AA型花岗岩是在大陆裂谷长期活动条件下，是地幔来源物质分异演化的产物, 并可长期持续活动。而在板块碰撞作用结束之后不久的后造山条件下，可能是因为俯冲下去的洋壳物质变得愈来愈脱水, 因地幔带来的热能再通过绝热熔融而形成岩浆, 沿碰撞板块边缘上侵到新聚合的地壳下面, 使后者发生热而干的部分熔融, 最后才形成后造山型(PA)型花岗岩。非造山(AA型)是裂谷活动开始的征兆，后造山(PA型) 是造山作用结束的标志，其形成于碰撞期之后大陆裂开之前。

新村岩体R1为2 520～2 727，大部分为2 300～2 600，反映了该岩体相对高硅低碱和低钛的特点；同时在R1-R2图解上，新村岩体岩石投点主要落于⑥和⑦区过渡区域，且靠近⑦区(图12)，即同碰撞期和造山期后过渡区域，且以造山期后为主，表明其形成于同碰撞-造山期后过渡的构造环境，以造山期后拉张环境为主，故新村岩体应属后造山型(PA)亚类。在(Y+Nb)-Rb图解上主要投影于WPG区域，且靠近与VAG接触界线附近(图13)，表明新村岩体形成的构造环境为从火山弧向稳定板内环境的方向演化的阶段，且以板内的稳定环境为主。而刘昌实等对该分类做了进一步的探讨，一般认为可以相互对应，即A1型与AA型、A2型与PA型两两对应。

图12 新村岩体R1-R2图解Fig.12 R1-R2 diagram of Xincun rock mass 1—地幔分离；2—板块碰撞前；3—碰撞后抬升；4—造山晚期；5—非造山；6—同碰撞期；7—造山期后

图13 新村岩体(Y+Nb)-Rb图解Fig.13 (Y+Nb)-Rb diagram of Xincun rock massWPG—板内花岗岩；VAG—火山弧花岗岩；syn-COLG—同碰撞花岗岩

综上所述，新村岩体属A2型花岗岩，对应于后造山型(PA)，形成于以造山期后为主的相对稳定板内拉张环境下。

6 结论

(1)新村岩体主量元素显示富硅、富碱、贫铝、低钙、低镁、高铁镁比和含水率低的特点，与典型A型花岗岩特征相似。

(2)新村岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图显示，Rb、Th、Nb、Ta、Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、U、Pb富集，贫Ba、Sr、Cr、Co、Ni、V、Zr、Eu，而Ba、Sr强烈亏损。新村岩体稀土元素总量较低，属轻稀土富集型岩石。

(3)新村岩体属高分异铝质A2型花岗岩，对应于后造山型(PA)，岩浆属以壳源为主，形成于以造山期后为主的相对稳定板内拉张环境下。

(4)新村岩体的LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为(97.50±0.69)Ma，形成于晚白垩世早期。

主要成果来源于“福建1∶5万长泰县、龙海市幅区域地质调查”项目，是项目组集体智慧的结晶。