福建港里地区变质岩与南园组火山岩地球化学特征及锆石U-Pb年龄对比

黄长煌

(福建省地质调查研究院,福州350013)

福建港里地区变质岩与南园组火山岩地球化学特征及锆石U-Pb年龄对比

黄长煌

(福建省地质调查研究院,福州350013)

福建港里地区位于长乐—南澳断裂带北段,港里变质岩分布于断裂带南东侧,南园组火山岩分布于断裂带北西侧。港里变质岩与南园组火山岩地球化学特征及锆石U-Pb年龄对比结果表明:(1)港里变质岩和南园组火山岩锆石均属火山碎屑锆石,LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为139.7±1.8 Ma和132.7 ±1.2 Ma,均属早白垩世;(2)港里变质岩和南园组火山岩均属钙碱性、钙性岩,低Ba、Nb、Sr,高Pb、Nd,稀土总量普遍较低,具有轻稀土富集、铕中等亏损的稀土配分模式,反映了长乐—南澳断裂带两侧早白垩世中期火山岩的地球化学特征。

港里变质岩;火山岩; LA-ICP MS锆石U-Pb定年;早白垩世

福建港里地区位于华夏陆块东南缘,长乐—南澳断裂带北段[1-8]。港里变质岩在长乐—南澳构造带备受关注和争议,争议的焦点是港里变质岩的形成时代、原岩类型及形成的大地构造环境。早期研究[2-4]认为港里变质岩属震旦纪或前泥盆纪,是变质褶皱带的组成部分。最近,一些学者[1,6]认为部分 “混合岩”实为变形变质的花岗岩类。笔者调查认为福建东山及龙海深澳地区变质岩属中生代沉积—火山岩类[9-10]。东山地区变质岩称亲营山组,其所含火山碎屑LA-ICP-MS 锆石 U-Pb年龄为176.8 Ma[9];龙海深澳变质岩也为亲营山组,为副变质岩,其火山碎屑LA-ICP-MS 锆石 U-Pb年龄为186.4Ma[10],代表了沉积—火山作用的时间,即原岩形成年龄均为早侏罗世;部分变质岩属变形花岗岩[11]。上述研究初步解决了长乐—南澳断裂带南部变质岩的原岩类型和时代问题。本文在系统野外地质调查的基础上,对比港里地区变质岩与南园组火山岩的同位素年龄和岩石地球化学特征,发现港里变质岩属火山碎屑岩,其形成时代为早白垩世,基本与长乐—南澳断裂带北西侧的南园组火山岩同时形成。

1 地质概况

长乐—南澳断裂带是环太平洋构造带的组成部分[1-8],港里地区位于该断裂带北段,其地质特征在该断裂带两侧明显不同(图1):断裂带北西侧分布自晚三叠世以来的陆相火山—沉积岩,基本未变质;断裂带东南侧分布变质岩和不同程度变形变质的岩浆岩。变质岩主要分布在港里地区,与呈星散状分布的平潭、福清锦城、龙海港尾及东山等组成沿海变质岩带。

图1 港里地区地质简图(a)及大地构造位置图(b)Fig. 1 Simplified geological map (a) and tectonic map (b) of the Gangli area1-第四系;2-晚侏罗世—早白垩世南园组;3-港里变质岩;4-早白垩世晚期中细粒(含石榴石)二长花岗岩;5-早白垩世晚期辉长岩;6-早白垩世中期似斑状中粒花岗岩;7-同位素定年样;8-长乐—南澳主断裂;9-糜棱岩化带;10-剖面位置;11-采样点及编号

港里变质岩主要分布在港里村附近,呈NE向从两侧进入大海,面积约6.3 km2，岩性为白云石英片岩、矽线白云石英片岩(图2),因变质强烈原岩已难以辨认,岩石成层性差,未见沉积变质岩的成层性特征。

岩石由白云母(20%～30%)、石英(40%～60%)和斜长石(10%～15%)等组成。白云母呈鳞片状、片状,片径为0.2～2 mm,闪突起,无色,干涉色鲜艳,沿(001)定向排列,构成片理构造。石英呈不规则状或等轴粒状,粒径为0.1～2.2 mm,长轴定向排列,具波状消光,石英矿物晶体中包裹纤维状硅线石矿物。港里地区岩石含矽线石(2%～10%),主要见于港里村后山,矽线石呈纤维状、放射状与云母呈定向排列。岩石变余层理及物质分层不明显,片理构造为片状矿物(白云母)及石英等定向所致。

变质岩时代为早白垩世中期(132.8～108 Ma),其证据为:(1)港里村发现浅肉红色中细粒二长花岗岩(108 Ma)侵入矽线石白云母石英片岩,接触带见片岩捕掳体;(2)在港里北东约200 m的公路壁见有肉红色似斑状中粒二长花岗岩(132.8±3.3 Ma)[12]侵入白云母石英片岩,接触带见似伟晶岩团块及石英团块。该区变质岩的特征变质矿物为粗大的白云母,反映造山带的变质作用。

图2 剖面示意及采样位置图Fig. 2 Geological sections and sampling positions in the Gangli area1-白云母石英片岩;2-矽线石白云母(石英)片岩;3-流纹质晶玻屑凝灰岩;4-早白垩世晚期细粒花岗岩；F-断裂；D011-1及D013为锆石同位素年龄采样点

南园组第二段火山岩(J3K1n)位于长乐—南澳断裂带以北,主要出露于火山中心外侧,岩性为浅灰、灰白色流纹质晶屑熔结凝灰岩、(含角砾)晶屑凝灰熔岩、(球粒)流纹岩、流纹质晶玻屑凝灰岩夹凝灰岩等,厚245.52～1434.88 m。岩石含较高的石英、钾长石、斜长石晶屑,凝灰质或基质为流纹质。

2 岩石地球化学特征

2.1 主量元素

共测试全岩样品10件,其中港里地区2件,为矽线石白云母石英片岩,其余8件为南园组酸性火山碎屑岩。

(1)港里变质岩与南园组酸性火山碎屑岩主量元素含量不均,其中SiO2和Al2O3含量较高,港里变质岩SiO2含量为77.81%～81.02%,南园组火山碎屑岩SiO2含量为70.81%～81.04%,属酸性岩;港里变质岩Al2O3含量为11.13%～12.25%,南园组火山岩Al2O3含量为9.41%～14.44%,变化范围较大。

(2)港里变质岩与南园组酸性火山碎屑岩碱质含量差异较大。Na2O含量分别为0.29%～0.33%和1.11%～3.39%,K2O含量分别为2.66%～3.41%和3.79%～6.25%,K2O>Na2O; A/CNK分别为2.92～3.15和1.04～1.98,均>1.1,属过铝质。

(3)港里变质岩与南园组酸性火山碎屑岩各指数分异明显,其中赖特碱度指数(AR)分别为1.73～1.84和2.32～7.81,均较低;里特曼指数σ分别为0.24～0.39和0.69～2.17,均<3.3,为钙碱性岩,多数<1.8,属钙性岩。戈蒂尼指数τ为31.8～133.6,均>10,属造山带构造环境火山岩。

(4)港里变质岩与南园组酸性火山碎屑岩CIPW标准矿物Q分别为64.25%～69.84%和29.13%～50.67%, C分别为7.81%～8.49%和0.65%～5.68%,Or分别为16.06%～20.67%和22.59%～30.66%。

港里变质岩与南园组酸性火山岩在主量元素上均具有硅过饱和、过铝质、富含碱质等特征,说明长乐—南澳断裂带两侧岩石的地球化学特征不同。

表1 港里变质岩与南园组火山岩主量元素分析数据及特征参数

注:主量元素单位为%，*为1∶250 000莆田幅区域地质调查报告数据，Q、C、Or、Ab、An分别为CIPW标准矿物的石英、刚玉、钾长石、钠长石、钙长石。

2.2 微量及稀土元素

港里变质岩与南园组火山岩微量元素分析数据及特征参数(表2)显示,港里变质岩(D011-1，01869-3)与南园组酸性火山岩(D013，3707-21-1，1903-23-1)的Co、Ni、V、Cr、W、Sn、Mo、Bi、Pb、Zn、Ag、Au等未出现明显差异,但变化范围较大。前者Rb、Sr、U、Th较低,Zr、Hf较高。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图3)显示,各元素均比原始地幔高。港里变质岩与南园组酸性火山岩的曲线形态一致,Pb明显富集,Sr明显亏损，Rb/Sr变化较大。

表2 港里变质岩与南园组火山岩微量元素及稀土元素分析数据

注:δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2，下角标N为球粒陨石标准化后值。D011-1和D013为本文测试数据,其余数据引自1∶250 000莆田幅区域地质报告,微量及稀土元素单位为10-6。

图3 港里变质岩与南园组火山岩微量元素原始地幔标准化蛛网图 (标准化值据文献[13])Fig. 3 Primitive-mantle-normalized trace elements patterns for the Gangli metamorphic rocks and Nanyuan Fm. volcanic rocks

港里变质岩与南园组火山岩稀土元素含量变化范围较大,稀土总量较低,ΣREE为(187～274)×10-6。(La/Yb)N>11,Eu为(0.63～1.15)×10-6,Eu中等亏损至轻微富集，稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(图4)左高右低。微量元素及稀土元素地球化学特征说明港里变质岩与南园组火山岩具有相似的物质成分。

图4 港里变质岩与南园组火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图 (标准化值据文献[13])Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns for the Gangli metamorphic rocks and Nanyuan Fm. volcanic rocks

3 样品特征

3.1 取样岩石

港里变质岩与南园组火山岩各取1组样品。样品D011-1取自港里,岩性为矽线石白云母石英片岩,露头宽约40 m,岩性单一。样品D013取自长乐—南澳断裂带北西约5 km处,露头宽约50 m,为南园组第二段,岩性为灰色流纹质晶屑凝灰岩。

3.2 锆石阴极发光CL图像

图5 港里变质岩(D011-1)锆石与南园组火山岩(D013)锆石阴极发光影CL像图Fig. 5 CL images of zircons from the Gangli metamorphosed rocks (D011-1) and Nanyuan Fm. volcanic rocks (D013)

港里变质岩(D011-1)与南园组火山岩(D013)样品锆石约50%具有核—幔结构,核为变质锆石或早期岩浆锆石(图5),均属继承锆石,表明岩浆的源岩可能部分为变质岩,部分为岩浆岩。变质锆石无环带或无宽大环带,而早期岩浆锆石则具较宽的环带。锆石主体为主岩浆期形成,可能为火山源区之岩浆房的岩浆在深部结晶形成的锆石,宽约30～50 μm,环带为5～9条同心环纹。火山作用对锆石起破碎作用,形成火山碎屑,锆石形状(约60%)发生不同程度改变,改变较严重者呈三角形、鸡骨状、不规则长条状等,锆石内部裂纹发育;变质岩(D011-1)锆石除具有火山碎屑锆石特征外,边缘有白化边,可能是变质作用的产物。锆石内部未受后期岩浆影响,具有较好的环带,其年龄可代表岩浆锆石年龄。

港里变质岩锆石呈不规则状,长100～150 μm,宽60～90 μm。锆石单一晶体具核—幔结构,核一般为10～20 μm,呈浑圆状,主要为变质锆石,主期岩浆锆石以包围核的形态生长,发育良好的连续环带,黑白相间的环带有3～5个,单一环带宽10～20 μm,连续性较好。测点分布在相对较大的火山碎屑锆石中,均位于锆石环带发育的主体(幔)部,避开裂纹、包体等。

南园组火山岩锆石测点均位于相对完整且环带发育的岩浆锆石内。锆石为短柱状,长100～200 μm,宽80～100 μm。锆石单一晶体具复杂的内部构造,核一般为10～20 μm,呈浑圆状,主期岩浆锆石以包围核的形态生长,发育良好的连续环带,黑白相间的环带有4～6个,单一环带宽10～20 μm,连续性较好。测点主要分布在较完好的锆石环带上,尽量避开裂纹及包体,确保所测对象为主期岩浆结晶的锆石。

4 测试结果

4.1 测试方法

锆石同位素测年在中国地质科学研究院矿产资源所同位素研究室完成，锆石微量元素含量和U-Pb同位素定年利用LA-Q-ICP-MS同时分析完成。激光剥蚀系统为Newwave UP213,ICP-MS为Bruker M90。采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal[15-16]完成，详细的仪器操作条件和数据处理方法参照文献[15]。

锆石微量元素含量利用SRM610作外标、Si 作内标进行定量计算[15]。USGS 玻璃中元素含量推荐值据GeoReM 数据库，采用锆石标准GJ-1 作外标进行同位素分馏校正,每分析5～10 个样品点,分析2 次GJ-1。与分析时间有关的U-Th-Pb 同位素比值漂移利用GJ-1的变化采用线性内插方式进行校正[15]。锆石样品U-Pb 年龄谐和图绘制和年龄加权平均值计算均采用Isoplot完成。

4.2 锆石同位素测年

(1)港里变质岩(D011-1)

对港里变质岩(D011-1)共测试15个点(表3)。当年龄<1 000 Ma时采用锆石206Pb/238U表面年龄加权平均或作207Pb/235U-206Pb/238U谐和图获得年龄值;当年龄≥1 000 Ma时采用锆石207Pb/206Pb表面年龄及其特征值。该组206Pb/238U表面年龄为136～144 Ma,故采用前者求取年龄。

图6 港里变质岩(a,b)和南园组火山岩(c,d)锆石U-Pb年龄谐和图和加权平均年龄图Fig. 6 U-Pb concordia age and weighted average age diagrams for zircons from the Gangli metamorphosed rocks (D011-1) and Nanyuan Formation volcanic rocks (D013)

选取较完整的火山碎屑锆石测试,测点均落在锆石环带发育的主体(幔)部位,其Th/U为0.51～1.18,一般为0.6～0.9(均>0.2),均属岩浆锆石。207Pb/235U-206Pb/238U年龄谐和图获得谐和年龄为139.7 ±0.91 Ma(MSWD=7.0)(图6a)。206Pb/238U加权平均年龄为139.7±1.8 Ma(MSWD=0.50) (图6b)。两种方法获得的年龄值一致,取后者139.7±1.8Ma为岩浆结晶年龄。综上,港里变质岩锆石为火山碎屑锆石,其年龄为139.7±1.8 Ma,为主岩浆期的岩浆锆石年龄,代表火山岩年龄,属早白垩世。

(2)南园组火山岩(D013)

南园组火山岩(D013)获得17组测年数据。Th/U为0.44～1.00,一般为0.5～0.6(>0.2),属岩浆锆石。207Pb/235U-206Pb/238U年龄谐和图获得谐和年龄为132.7±1.2 Ma(MSWD=1.8)(图6c)。206Pb/238U加权平均年龄为132.7±2.4 Ma(MSWD=0.35)(图6d),二者年龄值基本一致。南园组酸性火山碎屑岩年龄为132.7 ±1.2 Ma,代表火山岩浆作用的时代,属早白垩世。

4.3 稀土元素特征

港里变质岩(D011-1)和南园组火山岩(D013)的锆石稀土元素球粒陨石标准化配分曲线如图7所示,均为左低右高的曲线,表现为较低的La、Pr、Eu,较高的Ce、Sm、Gd—Lu。港里变质岩的锆石稀土元素配分曲线形态基本一致,铕亏损中等,重稀土基本形成一条直线。南园组火山岩(D013)的锆石稀土元素配分曲线形态基本集中分布于较窄的范围内,轻稀土曲线变化幅度较大,重稀土曲线基本呈直线。二者类似的分布特征说明港里变质岩与南园组火山岩锆石形成时,其岩浆稀土元素具有相似的地球化学特征。

5 讨 论

5.1 港里变质岩的时代

港里变质岩的形成时代,早期研究者[2-4]认为属前泥盆纪,主要依据上世纪的测年资料及与闽西北变质岩类比,将其归为亲营山组,时代也归前泥盆纪。现有资料表明[9-10],华夏陆块在晚侏罗世(150～130Ma)岩浆(火山)作用强烈,岩石分布广泛,侵入岩为花岗岩,火山岩为南园组,整个华夏陆块形成了岩性组合基本类同的地质单元。本次通过港里变质岩与南园组火山岩对比,证实该阶段的岩浆(火山)作用在长乐—南澳断裂带南东地区表现更为剧烈。本文获得港里变质岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为132.7 ±1.2 Ma,南园组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为132.7 ±1.2 Ma,二者基本一致,均属早白垩世,是同一构造岩浆事件的产物。

图7 港里变质岩(D011-1)和南园组火山岩(D013)锆石稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图[13]Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns of the zircons of the Gangli metamorphosed rocks (D011-1) and Nanyuan Fm. volcanic rocks (D013)

表3 港里变质岩(D011-1)和南园组火山岩(D013)LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分析结果

近年来研究者多将港里变质岩归为亲营山组,是否合适有待进一步研究。港里变质岩原岩为陆相火山碎屑岩,应归为地层。本文依托的子项目目前取得两个相关成果:(1)亲营山组建组地(东山)变粒岩(含火山物的沉积夹层)的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为176.7Ma[9];(2)龙海深澳亲营山组变质岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为186.4±6.6Ma[10],上述两组年龄均属早侏罗世,故认为将早白垩世地质体划归为早侏罗世可能不妥。将港里变质岩归为南园组也存在问题,其强烈的变质作用使原岩成分发生重组,结构构造消失,野外难以确定其为变质火山岩。与南园组火山岩相比,港里变质岩至少经历一次强烈的变质作用。将同一时代的变质岩(原岩为火山岩)与未变质的火山岩归为同一地层单位是否合理有待进一步研究。

5.2 港里变质岩的原岩

3组港里变质岩的锆石与南园组火山碎屑锆石形态相似,认为港里变质岩的原岩属火山碎屑岩,甚至是陆相火山碎屑岩,这不同于前人认为其属沉积岩的观点。火山岩形成之后,经历强烈的变质作用形成云母石英片岩、矽线石云母片岩等,长英质发生重组,原岩特征消失,仅最稳定的锆石仍保留其火山晶屑特征。后经历早白垩世中、晚两期岩浆作用,岩石可能发生硅化和成分的变化,岩石主量元素含量发生改变,从而使基于主量元素的各种投影图解失效,或得出相互矛盾的结果。这与某些元素含量(如硅等)高异常有关,在港里变质岩样品中,硅质含量远高于岩浆岩(火山岩),且不均匀,单一的岩浆作用难以解释该现象。变质岩与早白垩世中、晚期花岗岩呈侵入接触关系,且硅化蚀变不强,可排除后期侵入岩致使硅质含量增高的可能性;构造—变质作用可能是硅富集和不均匀的原因,即火山岩在构造作用下迁移至深部,受变质作用影响产生分异,硅质活化与增加。该解释在野外地质调查中找到了证据,在港里东南侧海边发现的石英片岩,岩石强烈片理化,除含少量白云母外,几乎全为石英,而在北西约50 m处却为白云母石英片岩。

微量元素原始地幔标准化蛛网图上港里变质岩2个样品均表现为Nb、Sr亏损和Pb富集，在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图上2个样品基本为重合曲线。港里变质岩的微量元素和稀土元素配分曲线图上,多个样品的曲线基本一致,仅在Sr、Pb、Eu等存在较小差异，这可能是变质岩原岩为类似火山岩在微量元素地球化学特征上的反映。综上,港里变质岩与南园组火山岩特征相似,其原岩为陆相火山岩。

6 结 论

(1)港里变质岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为139.7±1.8 Ma,南园组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为132.7 ±1.2 Ma,均属早白垩世,二者可能为同期构造—岩浆事件的产物。

(2)港里变质岩原岩为陆相火山碎屑岩,其特征与长乐—南澳断裂带以北的南园组火山岩相似。

志谢：锆石U-Pb年龄测定得到了中国地质科学院矿产资源所侯可军研究员的指导和帮助,成文过程中得到了陈润生总工程师、张必龙博士及徐维光副总工程师的帮助,在此表示感谢!

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Comparative study on the geochemical features and zircon U-Pb age between the metamorphic rocks and Nanyuan Formation volcanic rocks in the Gangli region, Fujian Province

HUANG Chang-huang

(FujianInstituteofGeologicalSurvey,Fuzhou,350013)

The Gangli region in Fujian is located in the northern section of the Changle-Nan’ao fault zone, with the Gangli metamorphic rocks in the southeastern side of the Changle-Nanao fault zone and the volcanic rocks of the Nanyuan Formation in its northwestern side. The study conducted comparative analysis on geochemical features and zircon U-Pb ages of the Gangli metamorphic rocks and the Nanyuan Fm. volcanic rocks. The results show that the zircons from both the Gangli metamorphic rocks and the Nanyuan Fm. volcanic rock have concordant ages of 139.7±1.8 Ma and 132.7±1.2 Ma, respectively, suggesting the both are early Cretaceous in age. The both belong to cal-alkaline series, characterized by high SiO2, low Ba, Nb, Sr, and high Pb and Nd, and low total REE content, enrichment in LREE, and medium Eu depletion in REE distribution diagram. This reflects the geochemical features of the middle Cretaceous volcanic rocks on both side of the fault zone.

Gangli metamorphosed rocks; volcanic rocks; LA-ICP MS zircon U-Pb dating; early Cretaceous

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.01.002

2016-03-20

2016-06-09 责任编辑：谭桂丽

中国地质调查局“闽台中生代构造—岩浆区区域地质专项调查子项目(子项目编码:12120114043301)”资助。

黄长煌,1962年生,男,高级工程师,地质矿产专业,主要从事区域地质调查及矿产地质调查研究。

P588.1;P597

A

2096-1871(2017)01-012-09