江西庐山地区星子群变质时代及变质机制探讨

王继林,何 斌, ,关俊朋

(1.中国地质大学(武汉) 地球科学学院,湖北 武汉 430074;2.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;3.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210018)

0 引 言

江西省庐山地区出露一套中高级变质杂岩,谢国刚等(1996)将其正式命名为星子群,并认为其构成了“星子变质核杂岩”的核部(尹国胜和谢国刚,1996)。根据在星子群的斜长角闪岩中得到了锆石U-Pb年龄为 1869±40 Ma,谢国刚等将星子群划为古元古代(谢国刚等,1997),并认为是江南古陆最古老的结晶基底,这一认识得到了广泛的认同(张海祥和张伯友,2003;李中兰等,2007)。王凯怡、叶瑛、张海祥等对星子群的变质作用进行了研究,认为星子群普遍经历了角闪岩相变质,并提出是区域动力热流变质作用叠加后期动力变质作用的共同结果(王凯怡等,1992;叶瑛等,1996;张海祥等,2003)。关于星子群变质作用发生的时间,叶瑛等(1996)、张海祥等(2003)暗示其区域变质作用发生在前寒武纪,刘丛强和唐红峰(1999)也认为区域变质作用可能发生在新元古代,与该区造山作用发生时代相当,推断可能与新元古代早期(900±20 Ma)华南陆壳增生引起的弧-陆碰撞以及随后～750 Ma Rodinia超大陆的裂解导致的华南新元古代广泛的岩浆活动有关。之后,中生代庐山地区发生伸展拆离构造形成变质核杂岩,星子群作为核部而被剥露出地表(尹国胜和谢国刚,1996;张海祥等,1999;李武显等,2001;崔学军等,2002),并发生了一系列动力-变质-岩浆作用(Lin et al.,2000;Sun et al.,2000)。

然而,最近关俊朋等(2010)对星子群开展了碎屑锆石研究,得到的锆石峰值年龄为834±4 Ma,结合上覆筲箕洼组830±5 Ma的火山岩年龄,将星子群的地层时代限定于新元古代,并依据碎屑锆石U-Pb不一致线下交点年龄为 133±20 Ma,推断星子群的变质作用发生在中生代。这一观点改变了以往对星子群演化的认识,使得目前被广泛接受的“星子变质核杂岩”的说法遭受质疑,进而影响了对整个华南地区前寒武纪大地构造演化的恢复。但是就目前的研究来看,以上认识尚缺乏更精确的资料和详实的证据,需要对庐山地区星子群的变质时间及其机制进行更加精细的研究。

为准确厘定星子地区乃至华南地区中生代-前寒武纪的大地构造演化历史,本次研究拟以星子群石榴二云片岩及局部发育的混合岩为研究对象,对其进行同位素年代学研究。此外,混合岩作为联系变质作用和岩浆作用的纽带,着重探讨其成因机制,期待以此为突破,为解决上述问题提供参考。

1 区域地质背景

研究区庐山地区位于江南隆起带北缘(朱清波等,2010),是一个NE-SW向伸展的地垒式的褶皱断块山,两侧分别是九江凹陷和鄱阳凹陷。庐山西侧为沙河-德安断裂,东侧为湖口-德安断裂,庐山整个山体呈一个“巨型构造透镜体”夹持于两条断裂之间(李中兰等,2007)。

星子群变质岩(图1)分布于庐山东南麓的星子县境内(张海祥和张伯友,2003),出露于栖贤寺-归宗寺一带,呈北东向延伸的残留的穹窿状出露(谢国刚等,1996)。星子群为一套夹有火山熔岩的陆源碎屑岩经变质而成的中深变质岩系,主要岩石类型有:石榴二云片岩、十字石石榴片岩、石榴石变粒岩、石英片岩和呈局部夹层的斜长角闪片岩。星子群局部层位顺片理方向发育透镜状、条纹状、肠状混合岩,纹层厚度约0.5～5 mm,透镜体大小约15 cm×10 cm,浅色体含量约10%;此外,还发育有较多平行片理展布的石英脉、长英质脉体(唐红峰和刘丛强,2000)。星子穹窿中心出露有新元古代观音桥片麻状花岗岩。

图1 江西庐山星子地区地质构造图(据崔学军等,2002)Fig.1 The geological map of the Xingzi Area,Lushan,Jiangxi province

中生代花岗岩在星子地区广泛发育,以东牯山岩体、玉京山岩体及海会岩体为代表,这些岩体大量侵入到星子群中。张海祥等(1999)报道海会花岗岩的单颗粒锆石U-Pb年龄为122～130 Ma。伴随中生代岩浆的侵入,大量伟晶岩脉贯入到星子群及穹窿中心的片麻状花岗岩中,脉体与围岩界限清楚,片麻状花岗岩中脉体产状从大致顺层到近于直立(吴根耀和符鹤琴,1998),星子群中伟晶岩脉大多与片理呈高角度相交(刘丛强和唐红峰,1999;李武显等,2001),且多期脉体相互穿插。李武显等(2001)报道了伟晶岩的锆石U-Pb年龄为127±2 Ma。

2 样品特征

图2 庐山地区星子群混合岩特征Fig.2 The characteristics of the migmatites in the Xingzi Group in the Lushan Area

本次研究选择星子群石榴二云母片岩及局部发育的混合岩为研究对象,样品采自栖贤寺附近星子群标准剖面,采样位置如图1所示,混合岩野外特征如图2a,b,采样点坐标为 29°31′28.38″N,115°59′50.76″E。重点对混合岩特征进行了观察,星子群中发育的混合岩浅色体、中色体、深色体渐变过渡(图2c、d),特征区别明显:(1)浅色体具有斑状变晶结构,基质为粒状变晶结构(图2e),主要由微斜长石(5%)、斜长石(30%)、石英(50%)、黑云母(10%)、石榴子石(5%)以及少量锆石、榍石等副矿物组成。变斑晶主要有斜长石、微斜长石、石英,粒径约1～0.5 mm。石英斑晶呈它形粒状或透镜状集合体,集合体不同颗粒间呈三联点结构。斜长石斑晶为半自形板状或它形粒状,聚片双晶发育,有黑云母、石英、榍石等包裹体,颗粒边界与基质呈交代镶嵌结构。黑云母除呈包裹体发育于斜长石斑晶内部外,还可呈交代残余结构分布在基质中,并保持了与原岩一致的定向特征。石榴石颗粒较小,呈集合体状产出(图2f);(2)中色体为经历弱混合岩化的浅粒岩,为粒状镶嵌变晶结构,主要组成矿物为石英(50%)、斜长石(30%)、黑云母(15%),黑云母定向排列,部分颗粒有溶蚀现象。中色体中石榴石颗粒粗大(0.3～0.5 mm),含有石英包裹体,其特征可明显区别于浅色体;(3)深色体显示星子群变粒岩原岩特征,主要由黑云母、石英、斜长石、绿帘石组成,黑云母含量高,可达40%。深色体中变质特征显著,常见黑云母和绿帘石共生,并可见绿帘石截然切割黑云母颗粒,是黑云母脱水变质的结果。

3 分析结果

对混合岩浅色体(XZ-36)及石榴二云母片岩(XZ-27)进行同位素年代学研究,分别挑选混合岩中锆石进行 U-Pb定年及片岩中的白云母进行 Ar-Ar定年。锆石挑选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,锆石U、Th和Pb同位素分析由中国科学院地质与地球物理研究所完成,锆石标样与锆石样品以1∶3的比例交替测试,具体测试流程见Li et al.(2009),数据处理采用 ISOPLOT软件(Ludwig,2001);云母Ar-Ar定年在中国科学院广州地球化学研究所Ar-Ar实验室完成,采用激光阶段加热Ar-Ar定年技术,具体实验流程详见Qiu et al.(2010),数据采用 ArArCALC ver2.40软件进行处理(Koppers,2002)。

3.1 混合岩锆石U-Pb同位素分析结果

图3 锆石CL图像特征(a),Th/U-t关系图(b)及锆石U-Pb谐和图(c)Fig.3 The CL images of the zircons (a),the relationship of Th/U-t(b) and the concordia plot of U-Pb (c)

挑选XZ-36中27颗锆石36个点进行了分析,锆石特征见图3a,同位素分析结果见表1。锆石颗粒主要呈柱状、长柱状,粒径在60～150 μm之间,次棱角状-浑圆状,部分锆石颗粒具有典型的核边结构:核部具明显扇形分带或弱振荡环带,局部可见溶蚀,位于核部的 17个测点 Th=61～336 µg/g,U=56～340µg/g,Th/U=0.35～1.34,其Th/U比值(图3b)及特征的岩浆环带结构显示核部为岩浆成因锆石(吴元保和郑永飞,2004),并遭受后期变质作用改造;边部没有明显的分带特征,同位素分析结果显示边部具有低 Th 高 U(分别为 3～70 µg/g,480～1471 µg/g)及极低的 Th/U比值(＜0.05,图3b),为典型的变质增生锆石(吴元保和郑永飞,2004)。由于部分锆石边部较窄,与离子探针空间分辨率接近,导致离子束同时打到锆石边部及核部,导致部分测点数据受到较老核部的影响,Th/U比值相对偏高。

图3c为锆石U-Pb年龄谐和图,从图上可以看出大部分测点数据位于谐和线上及其附近,并主要聚集在不一致线的上下交点处,只有少量数据点显示一定程度的Pb丢失或不同成因锆石的混染。不一致线上下交点年龄分别为 841±20 Ma和150.6±7.1 Ma(MSWD=1.12)。上交点处年龄变化范围为(909±13)～(771±11) Ma,加权平均值结果为 825±15 Ma(MSWD=7.2,n=14);下交点处7个点的加权平均年龄为 142.6±1.5 Ma(MSWD=0.49),两者与不一致线上、下交点年龄在误差范围内基本一致。

3.2 白云母Ar-Ar同位素分析结果

表2中列出了星子群石榴二云母片岩的40Ar-39Ar阶段升温年龄分析结果,它既给出了较平坦的坪年龄,也给出了相关性很好的等时线年龄:XZ-27白云母经 22个温度段 Ar同位素测定,主坪视年龄为 136.08±1.78 Ma(图4a),对应的39Ar析出量为 54.86%,40Ar/36Ar-39Ar/36Ar等时线年龄为137.17±4.76 Ma(图4b),36Ar/40Ar-39Ar/40Ar反等时线年龄为 137.22±4.75 Ma(图4c)。该样品给出的40Ar/39Ar坪年龄与40Ar/36Ar-39Ar/36Ar等时线年龄及36Ar/40Ar-39Ar/40Ar反等时线年龄都很吻合。样品分析结果初始(40Ar/36Ar)i=315.8±5.4 Ma,与标准尼尔值40Ar/36Ar=295.5±0.5相对误差较小,表明云母测试样品冷却生成时无明显的过剩 Ar或Ar丢失,因此,这些年龄具有较高的可信度。

图4 白云母40Ar-39Ar定年结果Fig.4 The results of the muscovite 40Ar-39Ar dating

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表2 星子群变质石榴二云母片岩白云母Ar-Ar定年结果Table2 The Ar-Ar dating results of the muscovite in the schist from the Xingzi Group

4 讨 论

4.1 变质时代归属

关于星子群的变质作用,前人研究普遍认为星子群经历了两次变质事件,分别为新元古代的区域动力热流变质作用和中生代的动力变质作用(王凯怡等,1992;叶瑛等,1996;张海祥等,2003)。但是,关于星子群新元古代变质事件的精确年龄数据一直未见报道,仅叶瑛等(1996)、张海祥等(2003)暗示其区域变质作用发生在前寒武纪,刘丛强和唐红峰(1999)也提出星子群的区域变质作用可能发生在新元古代,认为与该区造山作用发生时代相当。相反,关于星子群中生代的变质事件的精确年龄数据已有大量报道:谢国刚等(1997)首次提出星子群中生代最后阶段变质变形年龄可能为 135±17 Ma;Lin et al.(2000)和Sun et al.(2000)对星子群中生代的变质事件进行了详细研究,将这次事件划分为 3期:D3事件发生时间约为93～111 Ma(黑云母Ar-Ar),D2期发生时间约为125 Ma(白云母Ar-Ar)或127 Ma(锆石U-Pb),D1期星子群发生了中温中高压变质作用,但具体时间难以确定,由于震旦系和古生界卷入了这期事件,因此推测D1发生于中生代。

本次工作得到的星子群混合岩浅色体锆石具核边结构,核部特征表明其为岩浆成因锆石,边部为变质增生锆石,说明其为原地变质-深熔作用的产物。其核部年龄为825±15 Ma,这一年龄数据与关俊朋等(2010)通过对星子群中浅粒岩碎屑锆石年代学研究得到的星子群的形成时代应介于 830～834 Ma之间的一个较小的范围的结论是一致的,从而证实了关俊朋等(2010)成果的有效性,这样一来也就否定了关于星子群的变质作用发生于新元古代(刘丛强和唐红峰,1999)这一说法。边部变质增生锆石Th含量极低,指示在变质过程中有富 Th矿物(如:独居石、帘石类)形成(Hermann,2002),这一推论与星子群变质岩中广泛出现绿帘石相吻合,表明锆石的变质增生与星子群的变质作用可能发生于同一时期,得到锆石边部的加权平均年龄为142.6 ±1.5 Ma,这一年龄与 Lin et al.(2000)得到的星子群角闪黑云母片麻岩中140.5±2.9 Ma的角闪石Ar-Ar年龄极为接近。另外,我们得到星子群变质片岩中白云母的Ar-Ar坪年龄为 136.08±1.78 Ma,考虑到云母40Ar/39Ar系统封闭温度较低,故得到的年龄较新,因此这一年龄结果与得到的变质锆石年龄结果是相吻合的。以上数据都表明星子群并未经历前人所认为的新元古代区域变质事件,而仅在中生代发生了一系列动力-变质-岩浆作用。

由于锆石对U-Pb系统具有非常高的封闭温度,且不易受到后期变质作用的改造,常可记录峰期变质的年龄,因此综合考虑认为142.6±1.5 Ma的锆石变质增生边年龄即代表了星子群峰期变质作用发生的时间,即Lin et al.(2000)划分的星子群在中生代经历的动力-变质-岩浆事件的D1期年龄。这一结论与关俊朋等(2010)提出的设想在误差范围内是一致的。142.6 ±1.5 Ma D1期变质年龄的给出否定了前人所持的星子群在前寒武纪发生了一次区域变质事件的观点,对庐山地区构造演化格局的重新认识提供了关键的证据。

另外,过去普遍认为庐山地区为一科迪勒拉型变质核杂岩(李武显等,2001),星子群被认为是其变质核的组成单元之一(张海祥等,1999)。张海祥等(1999)、李武显等(2001)通过锆石U-Pb定年得到该变质核杂岩形成于中生代,是华南地区中生代岩石圈伸展与减薄的重要产物(沈晓明等,2008)。然而,关俊朋等(2010)对星子群地层时代的重新厘定,结合本次研究得到的星子群中生代的变质年龄,表明星子群不是古老的变质核,进而从时间尺度上否定了“星子变质核杂岩”的说法。这一认识并非首次提出,毕华等(1998)就注意到庐山地区的构造与变质核杂岩构造存在差别,只是没有将这一质疑正式提出。

4.2 变质机制探讨

前人认为星子群大规模中深变质作用的发生是由新元古代华南陆壳增生引起的弧-陆碰撞,以及随后 Rodinia超大陆裂解导致广泛的岩浆活动引起(郑永飞和张少兵,2007)。我们通过混合岩锆石研究得到星子群的变质作用发生在中生代。另外,混合岩作为连接变质作用和岩浆作用的纽带,探讨其成因是解决星子群中生代变质机制问题的关键之一。

混合岩成因的关键在于新成体是由外来物质对变质岩的交代作用形成,还是由变质岩系统本身通过部分熔融或者变质分异或者变形分异等物理化学过程形成(周汉文等,1997)。一般认为混合岩的形成有 4种机制:花岗质脉体注入作用、交代作用、深熔作用和变质分异作用(Yardley,1978)。星子群混合岩浅色体各项特征均显示交代成因特征(Yardley,1978),具体表现为:(1)粒度较粗,为斑状变晶结构,斑晶硕大;(2)较中色体长石含量明显升高、黑云母含量明显减少,但二者在岩石结构、矿物组成及粒度上相似,呈渐变过渡关系;(3)镜下观察到其交代残余结构发育。结合刘丛强和唐红峰(1999)报道星子群原始沉积岩在变质过程中有流体形成,因此混合岩的形成可能是流体交代的结果。

其流体来源之一为变质流体,唐红峰和刘丛强(2000)报道星子群沉积岩在角闪岩相变质作用过程中有较多的流体形成,变质流体通过侧向扩散作用形成了与变质岩同期的脉体。我们在镜下观察到浅色体中黑云母含量显著降低,即指示黑云母脱水反应的存在,为地层中的流体系统提供了部分来源。但是星子群广泛的中深变质作用的发生,单纯依靠变质流体作用是无法完成的,因此我们推测岩浆热流体也是其变质流体来源之一。

星子群中发育数量众多,厚度不大,不同方位(包括顺层和近于直立)的伟晶岩脉,伟晶岩是一种富流体的岩浆晚期产物,同变质期花岗岩脉也是富流体的(刘丛强和唐红峰,1999)。而且,野外观察到混合岩与伟晶岩脉之间有密切的成生关系,因此推测星子群变质作用的发生源于该地区中生代广泛的岩浆活动,是岩浆热动力变质的产物。星子地区中生代代表性岩体有海会、东牯山岩体,公开发表资料显示海会岩体成岩年龄为～127 Ma(Lin et al.,2000;Li et al.,2001;李中兰等,2007),东牯山岩体形成年龄不大于 135 Ma(未发表),李武显等(2001)报道伟晶岩脉单颗粒锆石U-Pb年龄为127±2 Ma,这些岩体和岩脉的形成时间均晚于星子群峰期变质作用发生的时间。因此,我们推测在目前出露的中生代岩体岩脉之下可能存在着早期142 Ma的岩基。我们引用 Barton and Hanson(1989)、Collins and Vernon(1991)提出的模型对此进行解释:该岩基由下地壳部分熔融产生,上升至中地壳侧向流动呈板状,并且持续有席状岩体的反复补充注入,热量在中地壳的集中导致星子地区地温梯度升高,从而使得星子群发生了区域性的中深变质作用;部分岩浆以不协调深成岩体形式侵位到更高层次,侵入体及与之相关的变质作用诱导星子群产生了颗粒尺度甚至更大的脱水和熔融,最终形成混合岩。该模型与实际观察到的星子地区变质岩、岩浆岩及混合岩的时空关系保持一致,说明了模型的有效性。

5 结 论

(1) 通过对星子群中局部发育的混合岩浅色体中锆石进行U-Pb定年,将星子群中深变质作用发生的时间精确地限定到中生代 142.6±1.5 Ma,这一年龄得到了星子群片岩中变质矿物白云母 Ar-Ar同位素测试结果的佐证。这一结论否定了星子群曾经历了新元古代的区域变质作用及有关“星子变质核杂岩”的说法。

(2) 星子群混合岩为流体交代成因,其流体来源有两种:一是变质流体,二是岩浆热流体,认为星子群的变质作用与该地区中生代广泛的岩浆活动有关,是岩浆热动力变质的产物。

致谢:本次实验工作得到了中国科学院地质与地球物理研究所及中国科学院广州地球化学研究所Ar-Ar实验室实验人员的大力协助,此外,两位审稿专家对本文的修改和完善提出了许多宝贵的意见和建议,在此一并表示感谢！

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