广州市白云山片麻状花岗岩成因及构造意义

刘 潇, 王 强,3, 马 林, 王 军

广州市白云山片麻状花岗岩成因及构造意义

刘 潇1,2, 王 强1,2,3, 马 林1,3*, 王 军1

(1. 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, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学 地球与行星科学学院, 北京 100049; 3. 中国科学院 深地科学卓越创新中心, 广东 广州 510640)

华南板块内部广泛分布的早古生代片麻状花岗岩的形成究竟是与大洋板块俯冲有关, 还是与陆内挤压碰撞有关, 存在激烈争议。本文对广州市白云山风景名胜区内的片麻状花岗岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学、全岩主量元素和微量元素、Sr-Nd同位素和锆石Hf-O同位素地球化学研究, 结果表明: 白云山片麻状花岗岩形成于晚奥陶‒早志留世(444±6 Ma)。白云山片麻状花岗岩含有原生白云母和黑云母, 并且具有高的SiO2, Al2O3和低的MgO含量(SiO2=74.8%～80.4%, Al2O3=9.64%～12.7%, MgO=0.46%～0.61%)。白云山片麻状花岗岩的稀土总量相对较低, 变化于44～173 μg/g之间, 具有轻稀土相对富集的右倾分布模式, 同时具有中‒强的Eu负异常(Eu*=0.27～0.63)。白云山片麻状花岗岩富集Rb、Th、U和Pb, 亏损Ba、Sr、Nb、Ta、Zr、Hf和Ti。白云山片麻状花岗岩具有富集的全岩Nd和锆石Hf同位素组成(Nd()= −12.1～−7.88;Hf()= −10.8～ −2.63)以及高的锆石O同位素组成(18O=8.06‰～11.4‰)。岩相学和地球化学特征表明白云山片麻状花岗岩主要起源于地壳变质沉积岩的部分熔融。结合区域地质和白云山片麻状花岗岩的地球化学特征, 提出白云山片麻状花岗岩最有可能形成于早古生代陆内挤压造山的构造背景。

LA-ICP-MS U-Pb年代学; Sr-Nd-Hf-O同位素; 片麻状花岗岩; 白云山; 华南

0 引 言

华南板块由扬子和华夏地块拼贴形成之后, 主要经历了早古生代、三叠纪以及侏罗纪和白垩纪三期构造事件[1–5], 形成了华南板块广泛分布的花岗质岩石(图1)。华南板块花岗质岩石的成因研究, 对于揭示华南板块的构造演化具有十分重要的意义。前人对华南中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪的花岗岩进行了大量的研究, 并且对华南中生代的构造演化做了较好的约束[2,7–11]。华南板块早古生代也有广泛分布的花岗质岩石[3,4,12–18], 除此之外, 华南早古生代还有一些镁铁质‒超镁铁质岩、火山岩和变质岩的报道[17,19–21], 岩性比较复杂。相比于中生代的花岗岩来说, 华南板块早古生代的片麻状花岗岩的研究程度相对较低, 其成因究竟是与大洋板块俯冲有关, 还是与陆内挤压碰撞有关, 存在激烈争议[21–24]。前人通过系统的锆石U-Pb年代学研究, 发现出露在武功地块、武夷地块和云开地块的的片麻状花岗岩主要形成于早古生代(460～410 Ma), 而不是前人所认为的前寒武古老基底岩石[3]。这些片麻状花岗岩被认为主要形成于陆内造山构造背景下, 加厚地壳内部变泥质岩的部分熔融, 没有明显幔源物质的贡献[3]。另外, 也有的学者通过统计前人发表的锆石U-Pb年代学和Hf同位素数据, 并结合岩石变形的研究, 提出华南早古生代武夷‒云开造山带形成于俯冲‒碰撞的构造背景[24]。白云山片麻状花岗岩属于武夷‒云开地块的一部分(图1)。Yang.[25]报道了白云山周边的片麻状花岗岩形成于晚奥陶世‒早志留世(454～439 Ma)。Yu.[26]对白云山周边的片麻状花岗岩、混合岩化片麻状花岗岩和侵入到混合岩当中的花岗岩脉进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学、全岩主量元素和微量元素及锆石Hf-O同位素的研究, 揭示了混合岩当中的浅色体和花岗岩脉分别形成于438 Ma和433 Ma, 花岗岩脉起源于片麻状花岗岩的部分熔融。本次开展针对白云山风景区内的片麻状花岗岩的岩石学、年代学、元素地球化学、Sr-Nd-Hf-O同位素地球化学研究, 以期揭示其景区内岩石的主要特征、成因及其形成的动力学机制。

图1 华南板块显生宙花岗岩分布图(据文献[3,4,6])

1 区域地质背景

华南板块由其西北的扬子地块和东南的华夏地块在新元古代约850 Ma的时候发生碰撞拼贴所形成[27–28]。华南板块早古生代火成岩的类型多样, 以花岗岩为主, 也包含有少量的镁铁质‒超镁铁质岩和火山岩。华南早古生代花岗岩主要是S型花岗岩[14], 此外也包括少量的I型花岗岩[12,13,18,29]和A型花岗岩[30]。华南早古生代镁铁质‒超镁铁质岩包括: 含辉石角闪岩、含角闪石辉长岩和辉长岩[17,19,31–32]。火山岩包括玄武岩‒安山岩‒英安岩岩石组合[33]。除了火成岩之外, 华南早古生代还发现有变质岩, 譬如浙江龙游石榴角闪岩和陈蔡岩群变质岩[20–21]。

白云山片麻状花岗岩和出露于武功地块、武夷地块还有云开地块的早古生代片麻状花岗岩均位于江山‒绍兴断裂东侧的华夏地块[3]。华夏地块的基底岩石主要是古元古界至中元古界八都群、龙泉群和麻源群的黑云斜长麻粒岩、云母(石英)片岩、变质火山‒沉积岩还有少量的角闪岩[34]。本文研究的片麻状花岗岩位于广东省广州市北部白云区白云山著名风景名胜区。区内出露的岩石主要是一套古生代的片麻状花岗岩, 并在局部可见块状构造的岩石(图2)。在白云山片麻状花岗岩的周围出露有晚古生代石炭‒二叠纪以及中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪的沉积地层, 同时还可见晚侏罗世花岗岩(图2)。

2 样品及分析方法

2.1 样品特征

本次研究的片麻状花岗岩主要采自广州市白云山风景名胜区(包括景区的山顶摩星岭(样品号17BY07-2)), 其采样位置见图2和图3。

白云山片麻状花岗岩呈灰白色或者肉红色, 主要由石英、白云母、黑云母和绢云母组成(图3)。石英含量(体积分数)约40%～45%、白云母含量约10%～15%、黑云母含量约5%、绢云母含量约20%～30%。石英粒度一般为0.5～1.5 mm, 白云母粒度一般为0.5～1.0 mm, 黑云母粒度较细, 通常为0.2～0.3 mm。石英具有定向排列的特征, 有的白云母受到应力作用而发生变形, 绢云母以细小鳞片状集合体的形式产出, 主要由斜长石蚀变所形成(图3c和3d)。副矿物主要有锆石、磷灰石以及少量的磁铁矿等。

图2 白云山片麻状花岗岩地质简图(据文献[35])

图3 白云山片麻状花岗岩野外露头(a和b)和显微镜下照片(c和d)

2.2 分析方法

2.2.1 激光剥蚀-等离子体质谱(LA-ICP-MS)锆石U-Pb年龄分析

首先将新鲜的岩石样品粉碎至粒度小于0.12 mm (120目), 用常规的人工淘洗和电磁选方法富集锆石, 再在双目镜下用手工方法逐个精选锆石颗粒。锆石阴极发光图像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的场发射电子显微镜上拍摄。

锆石原位 LA-ICP-MS U-Pb同位素分析是在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室完成的, 仪器型号为: Agilent 7500a, 进样系统为193 nm ArF 准分子激光剥蚀系统(GeoLas Plus), 详细的仪器操作流程以及工作条件见文献[36]。每6～9个锆石样品点位插入2个91500标样和1个GJ-1监控样, 并在每组锆石样品的头尾各插入1个NIST 610玻璃。每个锆石分析点大概有80 s的时间记录信号, 其中前30 s为背景信号, 后50 s为样品信号。锆石微量元素含量是用NIST 610玻璃作为外标, Si元素作为内标进行计算获得的, 锆石的U-Pb同位素比值用91500锆石标样(约1065 Ma[37])作为外标进行同位素分馏校正。数据处理过程中背景和分析信号的选择以及定量校正采用的是ICPMSDataCal软件[38]。谐和曲线图的绘制以及加权年龄的计算是采用Ludwig[39]的Isoplot 3.75软件完成。

2.2.2 全岩主量元素和微量元素分析

全岩主、微量元素的分析测试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。主元素分析采用Rigaku RIX 2000型荧光光谱仪(XRF)测试, 其详细操作步骤见Li.[40]。样品的主元素氧化物含量由36种涵盖硅酸盐样品范围的参考标准物质双变量拟合而成的工作曲线确定, 基体校正根据经验的Traill-Lachance程序进行, 分析精度为1%～5%。微量元素的分析则采用Perkin-Elmer Sciex ELAN 6000型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS), 具体的流程见Li.[41]。使用USGS标准W-2和G-2及国内标准GSR-1、GSR-2和GSR-3来校正所测样品的微量元素含量, 分析精度一般为2%～5%。

2.2.3 全岩Sr-Nd同位素分析

全岩Sr-Nd同位素比值的分析测试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MicroMass ISOPROBE型多接受器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS)上完成。同位素分析采用Teflon溶样器, 加入HNO3和HF混合酸溶样。用特效Sr柱和AGW50-X12阳离子交换树脂柱分离和富集Sr以及稀土元素(REE)。用专用的阳离子交换树脂柱(HDEHP)进行Nd的分离和富集。所有测量的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219校正, 详细的分析流程及仪器分析条件见文献[42–43]。在本文样品的分析过程中, 该仪器测定的国际Sr和Nd同位素标准样品NBS987和JNdi-1的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值分别为0.710247±9 (2σ)和0.512103±5 (2σ)。

2.2.4 二次离子质谱(SIMS)锆石氧同位素分析

锆石原位氧同位素分析在中国科学院广州地球化学研究所的同位素地球化学国家重点实验室完成, 采用的仪器型号是Cameca IMS-1280-HR。利用强度为约2 nA的Cs+一次离子束在10 kV电压下加速, 轰击样品表面并激发二次离子, 然后二次离子进入质谱仪进行同位素分析, 详细的仪器操作流程以及工作条件见Li.[44]。使用Penglai (18OVSMOW=5.3‰[44])锆石标样进行仪器质量分馏校正。为了监控Penglai锆石标样校正未知样品的结果, 采用Qinghu (18OVSMOW=5.3‰±0.3‰[45])作为监控样和未知样品一起分析, 即每5个样品锆石分析点插入1个Penglai标样和每10个样品锆石分析点插入1个Qinghu监控样。

2.2.5 激光多接收质谱(LA-MC-ICP-MS)锆石Lu-Hf同位素分析

锆石原位Lu-Hf同位素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, 采用的质谱仪为Neptune公司生产的多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS), 进样系统为193 nm ArF准分子激光剥蚀系统(Resonetics), 详细的仪器操作流程以及工作条件见Zhang.[46]。所有锆石Hf同位素测试点都是落在之前SIMS锆石氧同位素测试点之上或在其附近。在分析样品的同时, 用锆石标样Plešovice作为未知样和样品一起分析以监测仪器状态和数据漂移程度。每5个样品锆石点位插入1个Plešovice监控样。在本文锆石样品的分析过程中, Plešovice锆石标样的平均值为0.282475±9 (2σ), 在误差范围内与文献[47]所报道的值0.282482±13 (2σ)一致。

3 分析测试结果

3.1 锆石LA-ICPMS U-Pb年龄

本次用于年龄分析的白云山风景名胜区山顶摩星岭片麻状花岗岩样品(17BY07-2)中的锆石大致分为两种类型。第一种锆石自形程度较好, 长柱状, 颗粒大小约100～200 μm, 长宽比为1∶2～1∶3。锆石的阴极发光图像显示清晰且平直的振荡环带, 表明其为典型的岩浆成因锆石(图4d和4e[48])。第二种锆石为浑圆状, 内部振荡环带不清晰(图4f和4g), 其可能是岩石继承自源区或者是岩浆上升过程中所捕获的锆石。阴极发光图像显示这两种锆石的边部都发育有一圈较窄较亮的变质边(图4d～4g), 表明白云山片麻状花岗岩在形成之后还受到过后期变质事件的改造。

LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学结果详见表1。本次所分析的白云山片麻状花岗岩当中38颗锆石点的206Pb/238U年龄变化在2457～435 Ma之间(图4a)。7颗206Pb/238U年龄最小的锆石的U含量变化于172～908 μg/g之间, Th含量变化于39.9～295 μg/g之间, Th/U比值为0.23～0.74, 加权平均年龄为444±6 Ma (MSWD=0.27) (图4b), 将其解释为岩石的形成年龄。白云山片麻状花岗岩当中剩下的31颗锆石的U含量变化于5.65～1437 μg/g之间, Th含量变化于1.35～811 μg/g之间, Th/U比值为0.07～2.04,206Pb/238U年龄变化于2457～492 Ma之间, 将其解释为继承锆石年龄。在这些继承锆石当中, 有9颗206Pb/238U年龄变化在984～964 Ma之间的锆石给出一组新元古代973±6 Ma (MSWD=0.70) (图4c)的加权平均年龄。本次所获得的白云山风景名胜区山顶摩星岭片麻状花岗岩的形成年龄和Yang.[25]用SHPIMP所获得的白云山风景名胜区周围的片麻状花岗岩的形成年龄(453.5±7.8 Ma、446±7 Ma和439±9 Ma)大致相近。此外, 在野外白云山片麻状花岗岩的局部可见块状花岗岩(图2), 这些块状花岗岩的形成时代和成因需要后续的工作来进一步确定。

图4 白云山片麻状花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和图(a～c)和锆石阴极发光图像(d)

表1 白云山片麻状花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析结果

3.2 主量元素和微量元素特征

白云山片麻状花岗岩的全岩主量元素和微量元素分析结果见表2。白云山片麻状花岗岩具有高的SiO2和K2O含量(质量分数), 分别变化于74.8%～ 80.4%和3.19%～4.31%之间。此外, 白云山片麻状花岗岩还具有中等–高的Al2O3(9.64%～12.7%)、变化的TFe2O3(0.90%～8.69%)以及低的MgO (0.46%～0.61%)含量, 计算的Mg#值为11.5～54.8 (Mg#=100× MgOmolar/(MgOmolar+FeOmolar), FeO=0.90×TFe2O3)。在SiO2-Zr/TiO2图解中白云山片麻状花岗岩落在花岗岩的区域(图5a)。在Th-Co图解中, 白云山片麻状花岗岩显示高钾或者钾玄质的特征(图5b)。白云山片麻状花岗岩的稀土总量(∑REE)整体与大陆地壳(106 μg/g[51])相似, 变化在44.2～173 μg/g之间, LREE/HREE比值在3.81～11.2之间, (La/Yb)CN为2.96～15.1 (下标“CN”表示球粒陨石标准化值), 显示重稀土相对轻稀土亏损的右倾分布模式(图6a)。中等–相对较强的Eu负异常(Eu*=0.27～0.63) (Eu*= EuCN/(SmCN×GdCN)1/2)表明在白云山片麻状花岗岩的形成过程中经历了较为显著的斜长石分离结晶(图6a)。在原始地幔标准化微量元素图解上, 白云山片麻状花岗岩具有富集Rb、Th、U和Pb, 亏损Ba、Sr、Nb、Ta、Zr、Hf和Ti的特征(图6b)。本文所研究的白云山片麻状花岗岩的微量元素组成同大陆地壳相比, 具有相对偏低的特征(图6b), 这可能是由于其经历了较高程度的分离结晶或者是由于风化作用过程中活泼元素活化迁移所导致的。

3.3 全岩Sr-Nd和锆石Hf-O同位素特征

白云山片麻状花岗岩全岩Sr-Nd同位素分析结果列于表3, 锆石Hf-O同位素分析结果列于表4。由于白云山片麻状花岗岩具有高的Rb/Sr比值(7.10～42.6), 而且经历了后期表生风化作用, 所以其Sr同位素组成不能反映源区特征, 故本文没有用Sr同位素来讨论岩石成因。白云山片麻状花岗岩现今(143Nd/144Nd)s比值在0.511761～0.512071之间, 根据岩石的形成年龄444 Ma反算得到的初始(143Nd/144Nd)i比值在0.511445～0.511662之间,Nd()值在−12.1～−7.88之间(图7a), Nd同位素模式年龄(2DM)在2.18～1.83 Ga之间。

表2 白云山片麻状花岗岩全岩主元素(%)与微量元素(μg/g)分析结果

图5 白云山片麻状花岗岩SiO2-Zr/TiO2 (a, 据文献[49])和Th-Co岩石分类(b, 据文献[50])图

图6 白云山片麻状花岗岩球粒陨石标准化稀土元素分布模式(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)

标准化数据引自文献[51]; 大陆地壳数据引自文献[52]; 华南板块早古生代片麻状花岗岩数据引自文献[3]

Normalizing values are from reference [51], data of bulk continental crust are from reference [52], and data of Early Paleozoic gneissic granites of South China Block are from references [3]

白云山片麻状花岗岩样品17BY07-2具有变化的锆石Hf-O同位素组成。样品17BY07-2的锆石现今(176Hf/177Hf)s比值在0.282179～0.282433之间, 初始(176Hf/177Hf)i比值在0.282172～0.282421之间,Hf()值在−10.8～−2.63之间(图7b、图8a和图9), 在锆石Hf()值频率分布直方图上具有多个峰的特征(图8a), Hf同位素模式年龄(2DM)在2.16～1.60 Ga之间。样品17BY07-2的锆石18O值在8.06‰～11.4‰之间(图8b和图9), 在锆石18O值频率分布直方图上同样具有多个峰的特征(图8b)。所有锆石点的Hf()平均值为−8.16±0.32 (图8a),18O平均值为10.1‰±0.2‰ (图8b)。

4 讨 论

4.1 变质和风化作用影响

由于白云山片麻状花岗岩形成于早古生代, 在其形成之后经历了印支期区域变质作用以及后期表生风化作用过程, 因此岩石的原始结构构造和矿物成分不同程度地受到破坏。一般来说, 变质作用和风化作用会发生活泼元素K、Na和Ca及低场强元素Rb、Sr和Ba等不同程度的活化迁移, 而过渡族元素(Co、Ni、Sc和V)和高场强元素(Ti、Zr、Y、Nb、Ta、Hf、Th和REE)大都能够保持原有的地球化学特征[60]。由于稀土元素Nd在变质作用和风化作用过程中较稳定[61], 加之锆石是一种易保存的副矿物[55], 因而全岩Nd同位素和锆石Hf-O同位素可以用来示踪岩石的源区物质组成。本文偏重于使用不活泼元素, 高场强元素以及全岩Nd同位素和锆石Hf-O同位素来进行岩石成因的讨论。

4.2 白云山片麻状花岗岩的成因

1999年Barbarin[62]根据花岗岩矿物学组成和地球化学特征将其划分为6种类型: 含原生白云母的过铝质花岗岩(MPG)、含堇青石的过铝质花岗岩(CPG)、含钾长石的斑状花岗岩(KCG)、含钙质角闪石的花岗岩(ACG)、含辉石且富角闪石的花岗岩(RTG)以及条纹碱性长石花岗岩和正长岩(PAG)。岩相学显示白云山片麻状花岗岩当中的白云母具有伴生于其他矿物的独立矿物晶体, 且与周边的石英或其他矿物之间表现为平衡结晶的平直界面(图3d)。因此, 白云山片麻状花岗岩在上述分类中应属于MPG。

MPG通常被认为是起源于纯的地壳沉积物的部分熔融[62]。沉积岩通常具有较高的Al2O3含量, 另外, TiO2是沉积物当中最难迁移, 含量最稳定的元素[63], 所以地壳沉积岩起源的花岗岩通常具有较高的Al2O3/TiO2比值[64]。白云山片麻状花岗岩具有高的Al2O3/TiO2比值(14.6～402; 表2), 同起源于沉积物部分熔融的喜马拉雅淡色花岗岩相似(65.0～491)[65],表明其源区可能主要是沉积物。类似地, 由于Th在风化作用过程中保持稳定, 不容易从沉积物当中淋滤出去, 所以陆源碎屑沉积物通常富集Th[66]。白云山片麻状花岗岩具有同喜马拉雅淡色花岗岩相类似的Th含量(5.93～17.5 μg/g和1.35～21.5 μg/g; 表2)以及(Th/La)N(下标‘N’表示原始地幔标准化值)比值(3.8～6.8和1.9～15[65]), 同样表明其源区可能主要是沉积物质。前人通过富集的全岩Nd-Hf同位素组成(Nd()=−11.4～−5.0;Hf()=−19.4～2.4; 图7)认为华南板块东部早古生代出露于武功地块、武夷地块以及云开地块的片麻状花岗岩起源于变泥质岩为主地壳源区的部分熔融[3]。同这些片麻状花岗岩相比, 白云山片麻状花岗岩也具有富集的全岩Nd和锆石Hf同位素组成(Nd()=−12.1～−7.88;Hf()=−11.5～−2.63; 图7、图8a和图9; 表3和4)。此外, 白云山片麻状花岗岩还具有高的锆石O同位素组成(18O= 8.06‰～11.4‰; 图8b和图9; 表4), 这一特征类似于沉积物起源的华南板块三叠纪大容山含堇青石花岗岩[56]、侏罗纪九嶷山A型花岗岩[57]、新元古代九岭S型花岗岩[58]以及喜马拉雅淡色花岗岩[59]。因此, 全岩Nd和锆石Hf-O同位素组成同样表明了白云山片麻状花岗岩主要起源于华夏基底变质沉积岩的部分熔融。白云山片麻状花岗岩具有低的(La/Yb)CN比值(2.96～15.1), 所以其源区不含有石榴子石, 可能位于相对浅的中地壳。华南板块早古生代片麻状花岗岩的源区沉积物质被认为是通过华南新元古代南华裂谷进入深部地壳[3,21]。新元古代南华裂谷沉积物源多样, 主要包括硅质碎屑岩、火山碎屑岩、凝灰岩、页岩、泥岩和碳酸盐岩[67]。白云山片麻状花岗岩具有变化较大的全岩Al2O3/TiO2比值(14.6～402)、Nd同位素(−12.1～−7.88)、锆石Hf同位素(−10.8～−2.63)和O同位素(8.06‰～11.4‰)组成。相对于沉积岩来说, 幔源镁铁质岩浆或者地壳变基性岩具有相对较低的Al2O3/TiO2比值、亏损的Nd-Hf和低的锆石O同位素组成[3,55], 因此白云山片麻状花岗岩的源区物质除了变质沉积岩之外, 还包含有少量幔源镁铁质岩浆或者地壳变质基性岩。由于华南早古生代通过壳幔混合形成的花岗岩通常含有角闪石和镁铁质包体[13,18,29], 岩相学显示白云山片麻状花岗岩不含有角闪石(图3c和3d), 在野外也没有观察到白云山片麻状花岗岩当中含有镁铁质包体(图3a和3b)。因此, 白云山片麻状花岗岩不太可能通过壳幔岩浆混合作用所形成。白云山片麻状花岗岩最有可能起源于变质沉积岩和少量变质基性岩所形成的混杂源区的部分熔融。白云山片麻状花岗岩在锆石Hf()值和18O值频率分布图上所表现出来的较大的变化范围以及多个峰的特征可能主要受控于其变质沉积岩源区物质的多样性以及变质沉积岩源区和变质基性岩源区物质的混合。白云山片麻状花岗岩具有高且变化的SiO2含量(74.8%～80.4%; 图5a和表2)以及负的Eu和Ti异常(Eu*=0.27～0.63; 图6a), 表明在其形成过程中可能经历了一定程度斜长石和黑云母的分离结晶。

表3 白云山片麻状花岗岩全岩Sr-Nd同位素分析结果

注: (87Rb/86Sr)s和(147Sm/144Nd)s是通过表2中全岩Rb、Sr、Sm和Nd的含量计算得到的;(87Sr/86Sr)s和(143Nd/144Nd)s是对应样品的分析测试结果;

Nd()=10,000×(((143Nd/144Nd)s−(147Sm/144Nd)s×(e−1))/((143Nd/144Nd)CHUR(0)−(147Sm/144Nd)CHUR×(e−1))−1);DM=ln((143Nd/144Nd)s−(143Nd/144Nd)DM)/((147Sm/144Nd)s−(147Sm/144Nd)DM)/Sm;2DM=DM−(DM−)×[(cc−Sm/Nd)/(cc−DM)],Sm/Nd=(147Sm/144Nd)s/(147Sm/144Nd)CHUR−1(据文献[53])。

式中:cc,、s和DM分别是大陆地壳、锆石样品还有亏损地幔的Sm/Nd值; 下标cc表示大陆地壳, 下标s表示被分析的锆石样品, 下标CHUR表示球粒陨石均一储库; 下标DM表示亏损地幔;代表锆石的结晶年龄(444Ma); (143Nd/144Nd)CHUR=0.512638; (147Sm/144Nd)CHUR=0.1967; (143Nd/144Nd)DM=0.513151; (147Sm/144Nd)DM=0.2135; (147Sm/144Nd)cc=0.12;Sm=6.54×10−12a−1;=444 Ma

表4 白云山片麻状花岗岩锆石原位Hf-O同位素分析结果

注:Hf()=10000×(((176Hf/177Hf)s−(176Lu/177Hf)s×(e−1))/((176Hf/177Hf)CHUR(0)−(176Lu/177Hf)CHUR×(e−1))−1);DM=1/×ln(1+((176Hf/177Hf)s−(176Hf/177Hf)DM)/((176Lu/177Hf)s−(176Lu/177Hf)DM));2DM=DM−(DM−)×((cc−Lu/Hf)/(cc−DM)),Lu/Hf=(176Lu/177Hf)s/(176Lu/177Hf)CHUR−1;

式中:cc,、s和DM分别是大陆地壳、锆石样品还有亏损地幔的Lu/Hf值; 下标cc表示大陆地壳, 下标s表示被分析的锆石样品, 下标CHUR表示球粒陨石均一储库;下标DM表示亏损地幔;代表锆石的结晶年龄(444Ma);176Lu的衰变常数=1.867×10−11a−1(据文献[54]); (176Hf/177Hf)DM=0.283250; (176Lu/177Hf)DM=0.0384; 现今(176Hf/177Hf)CHUR(0)=0.282772; (176Lu/177Hf)CHUR=0.0332; (176Hf/177Hf)cc=0.015

图7 白云山片麻状花岗岩εNd(t)-t (a)和εHf(t)-t (b)图

华南板块早古生代片麻状花岗岩数据引自文献[3]。

Data of Early Paleozoic gneissic granites of South China Block are from references [3].

图8 白云山片麻状花岗岩锆石εHf(t)值(a)和δ18O值(b)频率分布直方图

图9 白云山片麻状花岗岩锆石δ18O-εHf(t)图(据文献[55])

华南板块大容山花岗岩、九嶷山花岗岩和九岭花岗岩数据引自文献[56–58]; 喜马拉雅淡色花岗岩数据引自文献[59]。

Data of Darongshan, Jiuyishan and Jiuling granites of South China Block are from references [56–58], data of Himalayan leucogranites are from reference [59].

4.3 白云山片麻状花岗岩形成的构造背景

华南板块内部广泛分布的早古生代片麻状花岗岩的形成究竟是与大洋板块俯冲有关, 还是与陆内挤压碰撞有关, 存在激烈争议[3,14,24,26,68]。华南板块早古生代(460～410 Ma)主要发育有S型花岗岩, 出露面积为20900 km2, 比如二云母花岗岩、白云母花岗岩和黑云母花岗岩等[3,4,14,26,68]。这些花岗岩通常被认为与挤压所导致的陆内俯冲, 陆壳叠置所导致的地壳变沉积岩的熔融有关[14,15,69]。此外, 华南早古生代还发育有少量的I型花岗岩类, 出露面积小于400 km2, 如含角闪石花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、二长闪长岩以及二长岩[12,13,17,18,68]。这些I型花岗岩类通常含有一些镁铁质包体, 并与一些镁铁质‒超镁铁质岩石(如含辉石角闪岩、含角闪石辉长岩和辉长岩)共生[12,13,17–19,29,31,32]。华南早古生代的I型花岗岩类具有变化较大的全岩Nd同位素组成(Nd()= −13.2～1.3)和锆石Hf同位素组成(Hf()=−16.0～ +9.0), 普遍认为形成于陆内造山的垮塌阶段, 起源于古老地壳物质的重熔或者壳幔岩浆的混合[12,17,18,29]; 共生的镁铁质‒超镁铁质岩石具有高的MgO、Cr和Ni含量, 被认为来自地幔源区[17,19,31,32]。除了火成岩的证据之外, 变质岩的--轨迹也支持华南板块早古生代的时候可能处于陆内造山的构造背景。浙江省陈蔡岩群变质岩的视剖面图表明其从800 MPa (454～447 Ma)顺时针近等温降压至400 MPa (425 Ma), 标志着华南板块早古生代陆内造山从地壳增厚向垮塌转变[21]。华南板块早古生代陆内造山的构造背景还得到了沉积学证据的支持。从华夏地块到扬子地块, 华南板块早古生代沉积序列逐渐从浅海硅质碎屑岩相连续演化为硅质碎屑岩–碳酸盐岩过渡相以及碳酸盐岩相沉积, 中间不存在大陆边缘相沉积[14,22]。除了陆内造山以外, 也有的学者提出华南早古生代处于俯冲–碰撞的构造背景[24]。2018年Lin.[24]通过统计华夏地块已经发表的锆石U-Pb年龄数据、Hf同位素数据并结合岩石变形的研究, 认为华南板块早古生代武夷–云开造山带是由西部华夏地块和一个至今还没有识别出来的地块发生碰撞所形成, 这个未识别出来的地块在与和西部华夏地块发生碰撞之后又在晚古生代的时候裂解出去了。白云山片麻状花岗岩的形成时代(444±6 Ma)和广泛分布在武功地块、武夷地块以及云开地块(460～410 Ma)的片麻状花岗岩相一致; 此外白云山片麻状花岗岩具有同沉积岩起源的喜马拉雅淡色花岗岩相类似的主量元素和微量元素组成, 富集的Nd-Hf以及高的锆石O同位素组成, 表明其主要起源于华夏基底变沉积岩的部分熔融。另外, 白云山片麻状花岗岩和华南板块早古生代广泛分布的S型花岗岩以长1200 km, 宽600 km的面状形式分布, 不同于线状分布于俯冲‒碰撞造山带的火成岩[68]。所以, 白云山片麻状花岗岩最有可能形成于陆内挤压造山的构造背景。华南板块早古生代陆内造山可能和澳大利亚‒印度板块以及华夏板块汇聚的远程作用力有关[3]。

5 结 论

(1) 锆石U-Pb年代学揭示了白云山风景名胜区山顶摩星岭片麻状花岗岩形成于晚奥陶‒早志留世(444±6 Ma);

(2) 白云山片麻状花岗岩含有原生白云母, 其主要起源于地壳变质沉积岩的部分熔融;

(3) 白云山片麻状花岗岩最有可能形成于陆内挤压造山的构造背景。

我们诚挚感谢两位评审专家的细致评审及宝贵建议和探讨; 此外, 我们也非常感谢李卫高级工程师、孙胜玲高级工程师、涂湘林高级工程师、曾文高级工程师、王鑫玉工程师、张乐工程师、杨亚楠博士、杨宗永博士和胡万龙博士对本文样品前处理还有实验分析测试过程中的帮助。

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Genesis and tectonic significance of the Baiyunshan gneissic granites in Guangzhou City, South China

LIU Xiao1,2, WANG Qiang1,2,3, MA Lin1*and WANG Jun1

1.State Key Laboratory of Isotope Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. College of Earth and Planetary Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou 510640, China

Two formation mechanisms, intracontinental orogeny and oceanic lithospheric subduction, have been proposed to explain the Early Paleozoic gneissic granites widely distributed in the South China Block. This study presents LA-ICP-MS zircon U-Pb geochronological, whole-rock major and trace elements, and Sr-Nd and zircon Hf-O isotopic geochemical data of Baiyunshan gneissic granites in Guangzhou, South China. The Baiyunshan gneissic granites formed from the Late Ordovician to Early Silurian (444±6 Ma). They contain primary muscovite and biotite and have high SiO2and Al2O3and low MgO contents (SiO2=74.8%–80.4%, Al2O3=9.64%–12.7%, MgO= 0.46%–0.61%). They are enriched in Rb, Th, U, and Pb and depleted in Ba, Sr, Nb, Ta, Zr, Hf, and Ti. In addition, they have relatively low rare earth element (REE) abundances (44–173 μg/g) with enriched light REE patterns and pronounced negative Eu anomalies (Eu*=0.27–0.63). They exhibit enriched whole-rock Nd and zircon Hf isotopic compositions (Nd()=−12.1 to −7.88;Hf()=−10.8 to −2.63) as well as high zircon18O values (8.06‰–11.4‰). Petrographic and geochemical characteristics suggest that the Baiyunshan gneissic granites were derived from metasedimentary rock–dominated crustal sources. Owing to the regional geological and geochemical results, we suggest that the Baiyunshan gneissic granites most likely formed in an intracontinental orogenic setting.

LA-ICP-MS U-Pb geochronology; Sr-Nd-Hf-O isotopes; gneissic granites; Baiyunshan; South China

P595; P597; P581

A

0379-1726(2021)04-0340-14

10.19700/j.0379-1726.2021.04.002

2019-10-12;

2019-11-25;

2019-12-18

广州市科技计划项目科学研究专项(201707020032)

刘潇(1993–), 男, 博士后, 地球化学专业。E-mail: liuxiao@gig.ac.cn

MA Lin, E-mail: malin@gig.ac.cn; Tel: +86-20-85292337