湘赣边界鹿井地区印支早期花岗岩的发现及意义

2018-10-31张万良高梦奇谢智聪

现代地质 2018年5期

张万良，高梦奇，吕川，黄超，黄迪，谢智聪

(核工业二七0研究所，江西南昌 330200)

0 引言

华南内陆印支期花岗岩主要分布于桂东的云开大山和六万大山地区，在湘、赣、粤、浙西、闽西也有零散分布。近年的文献资料调研表明，越来越多印支期花岗岩的存在得到证实。华南内陆印支期花岗岩的形成时代主要有两种认识，一是形成年龄介于244～230 Ma之间[1-2]，二是介于228～211 Ma之间[3-4]。覃晓云等[5]2017年认为，武夷山及以西的华南内陆印支期岩浆岩形成年龄多小于240 Ma，报道过的华南内陆印支期花岗岩主要形成于三叠纪(印支期)的中晚期。

湘赣边界鹿井地区是一个花岗岩型铀矿集中区，铀矿化主要产于印支—燕山期花岗岩内部和其外带。这个产铀的印支—燕山期花岗岩体称为热水-文英岩体，位于华南内陆诸广山复式岩体的中部。该岩体地表岩性较简单，以印支期粗粒斑状黑云母花岗岩为主体，发育少量燕山期的中粒、中细粒或细粒黑云母或二云母花岗岩，局部见花岗斑岩、辉绿岩等岩脉贯入(图1)。

关于热水-文英岩体的主体形成时代，沈吉等1991年所获得的花岗岩全岩Rb-Sr同位素等时线年龄为(215.23±6.28) Ma[6]，韩娟等2011年对黄峰岭矿区出露的肉红色粗粒斑状黑云母花岗岩体进行了锆石SHRIMP U-Pb同位素定年，获得锆石的结晶年龄为(235.4±1.1) Ma[7]，表明该岩体的主体侵位时代为印支期第二阶段(γ51-2)，这种归属已得到地勘单位的广泛应用。

2013—2015年，核工业二七0研究所实施完成的中央地勘基金项目“江西省鹿井铀矿田北部铀矿普查”，在蕉叶垅地区施工的钻孔中见到红层的基底花岗岩与地表或其他地段钻孔中所见的粗粒斑状黑云母花岗岩(γ51-2)有明显差异，该花岗岩呈中粗粒花岗结构，含白云母，看不到粗大的钾长石斑晶。工作过程中我们一直在思考，蕉叶垅地区深部的中粗粒花岗岩(暂称蕉叶垅岩体)，与其他地段的粗粒斑状黑云母花岗岩是不是连在一起的？是相变关系，还是其形成时代不同？

为了解剖问题，打消疑虑，我们从蕉叶垅地区的钻孔中采集了该花岗岩样品，在显微镜下观察的基础上，进行了主量元素、微量元素和稀土元素的分析，开展了LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定，以期系统研究该岩石的岩石学、地球化学和年代学特征。研究表明该花岗岩的锆石结晶年龄为(247±2.2) Ma，该岩体可归属印支期第一阶段侵入岩。

1 岩石学及地球化学特征

鹿井矿田蕉叶垅地区钻孔深部红层之下所见的花岗岩，主要是中粗粒花岗岩，另有少量细粒黑云母(二云母)花岗岩岩枝穿插。在ZK67-1、ZK75-2、ZK83-1和ZK91-1钻孔的不同深度，采取了5件中粗粒花岗岩样品(LY16-17，LY16-18，JD5-4，JD5-3和LJ-1)，其中LY16-17、LY16-18、JD5-4、JD5-3号样品送核工业二三0研究所分析测试中心进行主量元素、微量元素和稀土元素检测，样品经过粗碎→过筛、混匀、缩分→中碎→过筛、混匀、缩分→细碎→过筛、混匀处理，得到200目试样，试样经消解或融样等处理后进行检测，检测环境：温度20～27 ℃，湿度50%～67%，常量组分SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、TiO2、MnO、Na2O、K2O、P2O5采用X射线荧光法检测，使用仪器为X射线荧光光谱仪，烧失量(LOI)用重量法检测，FeO用滴定法检测，微量元素Ni、Co、Rb、Sr、Ba、Ga、U、Th及稀土元素Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb用电感耦合等离子体质谱仪检测，微量元素Nb、Ta、Zr、Hf用X射线荧光光谱仪检测，各组分或元素的分析误差均在规范规定的范围内，一级标准物质合格率为100%，重复样合格率为100%,各组分或元素的检出限及检测结果见表1、表2、表3。LJ-1号样品送中国冶金地质总局山东局测试中心进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定，样品处理及测试方法流程见后述。

该花岗岩肉眼观察呈浅灰色、灰白色，中粗粒花岗结构(图2)，与鹿井地区广泛分布的粗粒斑状黑云母花岗岩(γ51-2)(图3)有明显差异。显微镜下观察(图4)：岩石主要由粒径0.9～10 mm的半自形板柱状钾长石、斜长石，它形粒状石英，片状黑云母、白云母等，不透明铁质等相互镶嵌组成，构成半自形中粗粒花岗结构，块状构造。钾长石含量约33%，半自形板柱状、它形粒状，具卡式双晶、条纹结构，黏土化，晶体较大者包含小的斜长石、云母晶体，偶见钾长石斑晶，粒径>9.5 mm。斜长石含量约30%，半自形板柱状，具聚片双晶、卡钠复合双晶，具绢云母化，与钾长石、石英互嵌。石英含量约27%，它形粒状，粒状集合体状，一级亮白干涉色。黑云母约4%，片状，交代残留片状，多绿泥石化、绢云母化。白云母约5%，片状，不规则片状，干涉色鲜艳，部分有残留黑云母的特征。不透明铁质约1%，主要为半自形它形粒状集合体状黄铁矿，分布在长石、石英粒间。另见微量电气石，半自形柱状，交代残留状，见横纹，绢云母化较强烈。

表1 鹿井地区蕉叶垅中粗粒花岗岩主量元素含量(wB/%)

表2 鹿井地区蕉叶垅中粗粒花岗岩微量元素含量(wB/10-6)

表3 鹿井地区蕉叶垅中粗粒花岗岩稀土元素含量(wB/10-6)

图3 鹿井地区粗粒斑状黑云母花岗岩Fig.3 The coarse grained porphyritic biotite granite in Lujing area样品位置：黄家洞ZK18-1,301.10 m;样号：LY16-22

表4鹿井地区蕉叶垅中粗粒花岗岩相关参数

Table4Relevantparametersofthemedium-coarsegrainedgraniteinJiaoyelongofLujingarea

样号取样位置A/CNKδRb/SrNb/TaZr/HfTh/ULa/NbRb/BaTh/NbTh/Ta∑REELREE/HREEδEuδCe(La/Yb)NLY16-17ZK91-1,488.30 m1.301.589.856.3222.281.910.482.670.424.64121.007.500.351.029.16LY16-18ZK67-1,312.70 m1.171.5628.224.8716.221.980.3713.770.391.1541.815.380.221.035.04JD5-4ZK83-1,424.00 m1.172.178.546.7424.421.210.492.420.465.70119.427.480.311.049.14JD5-3ZK75-2,260.90 m1.221.7919.046.1514.351.770.2912.370.441.7447.375.370.251.044.974样平均1.221.7816.416.0219.321.720.417.810.433.3182.406.430.281.037.08

注：铝饱和指数A/CNK=Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)，式中氧化物为摩尔数；里特曼综合指数δ=(Na2O+K2O)2/(SiO2-43),式中氧化物为质量百分数。

图4 蕉叶垅中粗粒花岗岩镜下照片(+)Fig.4 Micrograph of the medium-coarse grained granite in Jiaoyelong样号LJ16-17, 取样位置：蕉叶垅ZK91-1,488.30 m

蕉叶垅中粗粒花岗岩SiO2含量为73.97%～76.92%，平均75.08%；Al2O3含量为12.56%～13.86%，平均13.39%；Fe2O3含量为0.65%～1.12%，平均0.80%；FeO含量0.29%～0.77%，平均0.50%；CaO 含量为0.56%～0.95%，平均0.68%；MgO含量为0.15%～0.55% ，平均0.31%；K2O含量为4.02%～5.13%，平均4.59%；Na2O含量为1.88%～3.35%，平均2.94%。里特曼综合指数δ=1.56～2.17，铝饱和指数A/CNK=1.17～1.30(表4)，表明该花岗岩具有富硅、高铝、高钾、K2O>Na2O的特征，属于过铝质高钾钙碱性系列。

微量元素方面，该花岗岩具有较高的Rb、K等大离子亲石元素含量和Th、U、Ta、Nb、Zr、Hf等高场强元素含量(表1)，贫Ba、Sr、P、Ti、Co等元素(图5)。其中U含量3.24×10-6～15.40×10-6，平均8.31×10-6，是华南花岗岩平均值(5.49×10-6)的1.5倍，Th/U比值1.21～1.98，明显小于华南花岗岩的Th/U值(4.06)[8]，该花岗岩具有产铀岩体的特征[9]，勘查过程中发现多段工业铀矿化[注]张万良,高梦奇,刘毅,等.江西省崇义县鹿井铀矿田北部铀矿普查(阶段性)地质报告[R]. 南昌：核工业二七0研究所, 2016.。

图5 蕉叶垅中粗粒花岗岩微量元素珠网图(原始地幔值据Taylor et al.[10],1985)Fig.5 Spider diagram of trace elements of the medium-coarse grained granite in Jiaoyelong

图6 蕉叶垅中粗粒花岗岩REE球粒陨石标准化图解(球粒陨石标准化值据Leedey[11])Fig.6 Chondrite-normalized REE pattern of the medium-coarse grained granite in Jiaoyelong

稀土元素方面，该花岗岩稀土总量(∑REE )为41.81×10-6～121.00×10-6，LREE/HREE比值为5.37～7.50，δEu 为0.22～0.35，轻稀土元素较富集，负Eu异常明显，轻重稀土分馏明显，稀土配分曲线为右倾型(图6)，与南岭多数花岗岩的特征相似。

2 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年样品制备和实验方法

锆石单矿物分离在河北省廊坊峰泽源岩矿检测技术实验室完成。样品简单处理之后经颚式碎样机破碎至80目，先用人工淘洗的方法进行粗淘，对重砂部分用环形磁铁去除强磁性矿物，再用电磁选仪进行分选以去除电磁性矿物，然后过重液(三溴甲烷)分离出密度大于2.89 g/cm3的重矿物，在双目显微镜下挑选无明显裂隙、不含包裹体且透明干净的锆石颗粒，备用制靶。

锆石制靶和透反射光、CL图像显微照相工作在南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成。根据锆石显微特征选定测试点位，锆石U-Pb定年及微量元素测试在中国冶金地质总局山东局测试中心进行。实验使用的激光剥蚀系统为美国Conherent公司生产的193 nm ArF 准分子激光器，ICP-MS为Thermo Fisher生产的 iCAP Q。激光器波长为193 nm，束斑直径为30 μm可调。激光剥蚀采样过程以氦气作为载气，氦气携带样品气溶胶在进入ICP之前通过一个T型三通接头与氩气(载气、等离子体气和补偿气)混合。通过调节氦气和氩气气流大小，以获得NIST SRM 610(美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质)最佳信号为条件实现测试系统最优化，优化条件主要为信号灵敏度最高、氧化物产率最低、双电荷干扰最小、气体空白最低和信号强度最稳定。在束斑直径为30 μm、频率为9 Hz、能量密度约为10 J/cm2激光剥蚀条件下，线扫描方式剥蚀NIST SRM 610可获得：238U灵敏度>6×105cps/10-6；208Pb灵敏度>3.5×105cps/10-6；氧化物产率ThO/Th<0.1%；204Pb气体空白<100 cps；绝大部分元素(REE、U、Th、Pb) RSD<3%。未知样品测试时采样方式为单点剥蚀、跳峰采集；单点采集时间模式为： 25 s气体空白+60 s样品剥蚀+25 s冲洗；每5～10个未知样品点插入一组标样(锆石标样和成分标样)。采用标准锆石91500(年龄为(1 064±2) Ma)、Plesovice(年龄为(337±0.37)Ma, Slama et al., 2008)和GJ-1标准锆石(TIMS获得谐和年龄为(600±5) Ma，Jackson et al., 2004)作为外标进行基体校正；成分标样采用NIST SRM 610，其中91Zr作为内标元素。样品的同位素比值及元素含量计算采用ICPMSDATACAL数据处理程序， U-Pb谐和图、年龄分布频率图绘制和年龄权重平均计算采用Isoplot/Ex_ver 3(Ludwig，2003)程序完成。

3 定年结果及分析

鹿井地区具有复杂的地质演化历史，蕉叶垅中粗粒花岗岩中锆石也有着不同的内部结构特征。样品LJ-1中的锆石多呈柱状，柱长100～200 μm，少量呈不规则等轴状或短柱状(图7)。阴极发光图像显示绝大多数锆石以浅灰色、灰白色至灰黑色为主，从核到边部发育较为明显的韵律环带结构，边部可见明显的黑色环带结构，显示岩浆锆石的特征。少数锆石具有亮白色或暗灰色核，但环带结构也很明显，LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年可以获得206Pb/238U、207Pb/235U、207Pb/206Pb、208Pb /232Th 共4组表面年龄。在下面锆石定年结果的讨论中，笔者将主要根据206Pb/238U年龄来确定锆石的形成时间。

本次共选择了25颗锆石进行测试，每颗锆石测试1个点，共25个测点，测试结果见表5和图8。

图7 鹿井地区蕉叶垅中粗粒花岗岩典型锆石的阴极发光照片Fig.7 The cathodeluminescence(CL) images of zircons of the medium-coarse grained granite in Jiaoyelong of Lujing area

图8 鹿井地区蕉叶垅中粗粒花岗岩锆石U-Pb谐和图Fig.8 U-Pb concordia diagram of zircons from the medium-coarse grained granite in Jiaoyelong of Lujing area

由表5可知，25颗锆石25个测点的年龄数据大致可分为以下3种类型：一是年龄偏移谐和线较远的测点，有4、11、13、14、15、17、22共7个测点，206Pb/238U表面年龄分别是2 578 Ma、438 Ma、865 Ma、439 Ma、432 Ma、427 Ma、233 Ma；二是年龄一致性较好的测点，包括两组，第一组为10个测点的谐和年龄组，年龄集中在245～251 Ma范围内，谐和度为88%～97%，加权平均206Pb/238U年龄为(247±2.2) Ma，MSWD=0.83，概率为0.57，另一组为6个测点的谐和年龄组，年龄集中在938～971 Ma范围内，谐和度为93%～99%，加权平均年龄为(956±8.3) Ma，MSWD=1.13，概率为0.34；三是谐和度较低的2颗锆石测点(2点和6点)，谐和度仅为58%和61%。

对照锆石的CL图像(图7)，发现上述几种类型(组)年龄的测点锆石，在阴极发光图像上，206Pb/238U表面年龄大于865 Ma的测点，如1、4、9、10、12、13、18测点所在锆石均被不规则或断续不协调的亮白色环带所包裹，仅16测点不明显，这些锆石可能是岩浆侵入时捕获的古老变质锆石，也有可能是该花岗岩质岩浆就是由古老的基底与新元古代增生地壳组分参与形成的。其中4号测点所在的锆石构成了明显的核边结构，核部为色调不规则的继承锆石或残留锆石，表面年龄为2 578 Ma，边部为浅灰色震荡环带清晰的岩浆锆石。其他表面年龄介于233～439 Ma的锆石，其CL图像可分性不太明显，其中表面年龄介于245～251 Ma范围内的10个一致性较好的测点(3，5，7，8，19，20，21，23，24，25测点)多位于灰白色暗灰色清晰的震荡环带上，具岩浆结晶锆石的特点，其测定结果应是样品年龄的主体，而其他年龄较大的锆石(11，14，15，17测点)，也具有岩浆锆石的特点，可能是岩浆侵入时捕获的加里东期岩浆锆石，在岩浆捕获过程中发生了普通Pb丢失或带入造成其偏离谐和线较远。诸广山岩体内有加里东期岩体分布，可为佐证[12]。许多锆石边部发育不同程度的暗色边，可能是锆石受到了后期流体作用的影响所致。

结合锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素定年结果及锆石CL图像，笔者认为，范围在245～251 Ma之间的10个谐和年龄的加权平均年龄(247±2.2) Ma，可代表鹿井矿田蕉叶垅地区中粗粒黑云母花岗岩的结晶年龄，即该花岗岩形成于印支期第一阶段。其他谐和或不谐和的表面年龄可能代表岩浆侵入时捕获的古老变质锆石年龄，或加里东期岩浆锆石年龄，或者是受到了其他热液活动影响的锆石年龄。

4 讨论

花岗岩与大地构造的关系以及地球动力学意义一直是人们最感兴趣的问题之一[13]。花岗岩可视为一种构造标志体，我们可从花岗岩角度探索解决大地构造问题。

南岭乃至整个华南内陆分布着不少印支期花岗岩，这些印支期岩体的形成年龄多介于中晚三叠世之内[14-17]，如诸广山复式岩体中的印支期花岗岩岩体锆石U-Pb年龄为208～235 Ma、龙源坝岩体为241.0 Ma，贵东复式杂岩体的印支期岩体为239～220 Ma。前人针对这些印支期花岗岩的形成环境与机制开展了广泛的讨论和研究。Carter等和周新民认为[18-19]，在T1-2时期，古东特提斯海在越南北部松马地带关闭，洋底向南消减，发生Sibumasu地块与印支地块的相互碰撞，其主碰撞—变质期时代为258～243 Ma。华南地区在这一碰撞作用的影响下，发生陆壳的强烈叠置加厚，导致底部发生熔融形成了广泛的S型花岗岩[2]。在随后的T3时期，华南陆壳被快速减薄，进入了伸展应力环境，此时在地壳拉张减薄的主导机制下，中地壳古老的沉积变质岩系发生减压深熔作用，形成了印支期浅色花岗岩[3,20]。孙立强等[21]2010年研究认为，印支期后碰撞的伸展作用在约239 Ma已开始。Li等2007年提出从250 Ma开始印支地块向华南开始低角度俯冲，并自东南方向逐渐向克拉通内部迁移，由此导致了华南印支期花岗岩的形成，直到190 Ma时，位于下部的印支地块发生裂解，地幔物质上涌，形成了燕山期花岗岩[22]。Li等2006等通过对海南同造山期花岗岩的研究认为华南印支期造山作用可能开始于早二叠世晚期[23]。

然而，许多学者通过研究华南印支期花岗岩的岩石地球化学和同位素特征，认为这些花岗岩大多形成于伸展减薄的后碰撞构造环境，如诸广南部白云岩体锆石SHRIMP U-Pb 年龄为(231.0±3.0 )Ma，张善果等2011年研究认为，该岩体形成于地壳缩短之后的伸展、减薄构造环境；油山岩体的成岩年龄为(213.4±3.0) Ma，坪田岩体(西北部)为(238.8±2.2) Ma，它们的岩石地球化学数据都投影在后碰撞区域内[21]；兰鸿锋等[24]2016年研究认为，诸广南部桃金洞花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(204±2.1) Ma，也是在地壳伸展-减薄构造背景下，由古元古代地壳岩石演变而成的变质杂砂岩组分岩石经中低程度部分熔融形成；凌洪飞等[15]2005年研究表明，帽峰花岗岩体锆石U-Pb年龄为(219.6±0.9) Ma，形成于地壳减薄的构造背景。

鹿井地区印支早期中粗粒花岗岩(蕉叶垅岩体)里特曼组合指数(δ)=1.56～2.17，K2O>Na2O，在w(SiO2)-w(K2O)关系图(图9)上，属于高钾钙碱性岩石系列，岩体形成于大陆构造环境[25]。

图9 硅-钾图解Fig.9 Plots of SiO2 vs.K2O

Maniar等1989年利用花岗岩类岩石、矿物学特征和主量元素化学特征将花岗岩类形成的构造环境划分为造山花岗岩类和非造山花岗岩类两大类[26]。造山花岗岩又可分为：①岛弧花岗岩类(IAG)，②大陆弧花岗岩类(CAG)，③大陆碰撞花岗岩类(CCG)，④后造山花岗岩类(POG)；非造山花岗岩可分为：①与裂谷有关的花岗岩类(RRG)，②大陆的造陆抬升花岗岩类(CEUG)，③大洋斜长花岗岩类(OP)。鹿井地区印支早期花岗岩铝饱和指数A/CNK=1.17～1.30，属过铝质系列。在铝饱和指数图解(图10)中，数据点位于大陆碰撞花岗岩(CCG)区域内，在Rb/30-Hf-3Ta图解中，数据点同样位于同碰撞花岗岩A区域(图11)，表明该花岗岩可能形成于大陆碰撞的大地构造环境。

图10 铝饱和指数图解Fig.10 Plots of aluminum saturation index

图11 Rb/30-Hf-3Ta图解(底图据Harris 等，1986)Fig.11 Plots of Rb/30-Hf-3TaA.同碰撞花岗岩；B.碰撞后花岗岩；C.火山弧花岗岩；D.板内花岗岩

花岗岩的源区物质成分可根据Sylvester[27]1998年提出的CaO/Na2O 值和FeO+MgO+TiO2含量进行判断。由表1—表4可知，研究区岩体的CaO/Na2O值为0.17～0.50，平均值0.26，低于0.3；FeO+MgO+TiO2含量为0.52%～1.28%，都低于4%，这些特征反映其源区物质主要由泥质岩组成。

印支运动是由位于华南地块和印支地块之间的东特提斯松潘海的消减和关闭而引起，东端的碰撞事件发生在现今越南北部松马缝合带，碰撞的开始时间可能在250 Ma左右[22]。鹿井矿田蕉叶垅地区深部的中粗粒花岗岩体，属于印支早期岩浆活动产物，表明在华南内陆也存在印支运动早期的花岗岩，而且具有大陆碰撞花岗岩的标志。故本文认为，在华南内陆地区，在三叠纪早期，构造环境可能以挤压为主，中晚期才转为后碰撞的伸展减薄环境，该结论与孙立强等2010年得出的印支运动由挤压向伸展的转换年龄为239 Ma的结论基本一致。