福建金刚山晶洞花岗岩年代学及其构造意义

陈鸿炜

(1.东华理工大学，南昌，330013；2.福建省地质调查研究院，福州，350013)

福建中生代处于滨太平洋陆缘活动带并以强烈的构造-岩浆活动著称，侵入岩和火山岩分布广泛，在福建沿海福鼎太姥山—福州魁岐—云霄乌山一线，发育北北东向晶洞碱长花岗岩带。早在1964年王宠教授就对沿海一带的晶洞(钾长)花岗岩进行过研究。自1979年，Loiselle 和Wones提出A型花岗岩这一术语以来，晶洞花岗岩作为A型花岗岩的一种特殊岩石，逐渐受到地质学家的重视。随着同位素测年和示踪技术的不断完善，主量元素、微量元素和同位素等地球化学特征已经成为识别A型花岗岩的主要标志。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”[1]，具有重要的研究意义。

1 区域地质概况

金刚山岩体位于平潭—东山构造带西亚带南段[2]，是漳州复式岩体的组成部分。该区处于平潭—东山北东向构造带与上杭—云霄北西向构造带的交会处，主要发育早侏罗世梨山组河湖碎屑岩沉积岩建造组合、晚侏罗世-早白垩世南园组火山弧安山岩-英安岩-流纹岩组合、早白垩世石帽山群晚期双峰式火山岩组合和后碰撞钙碱性花岗岩组合(J3-K12)、后造山钙碱性-碱性花岗岩组合(K13-K2)[3]。

金刚山晶洞碱长花岗岩，呈岩株状产出，总体呈北东向长椭圆形展布，出露面积约为56 km2(图1)。地貌特殊，拔地而起形成尖峭山峰，怪石嶙峋，垒叠成洞，显示晶洞花岗岩特有的地貌。岩体侵入晚侏罗世-早白垩世南园组、早白垩世晚期石英二长闪长岩，接触界线明显，内接触带可见细粒化的冷凝边，外接触带一侧烘烤受热而具角岩化蚀变。根据矿物成分、结构构造、接触关系，金刚山岩体从早到晚可划分为含斑细粒晶洞碱长花岗岩→少斑中细粒晶洞碱长花岗岩→似斑状中粒晶洞碱长花岗岩→斑状细粒晶洞碱长花岗岩4个单元，各单元间呈涌动或脉动侵入接触(1)福建省地质调查研究院，1∶5万长桥、漳浦县幅区域地质调查报告，2018。。

图1 福建金刚山地区地质简图Fig.1 Geological diagram of Jingangshan area, Fujian1—第四系；2—晚侏罗世-早白垩世南园组；3—早侏罗世梨山组；4—晚白垩世晶洞碱长花岗岩；5—早白垩世晚期正长花岗岩；6—早白垩世晚期二长花岗岩；7—早白垩世晚期花岗闪长岩；8—早白垩世晚期石英二长闪长岩；9—早白垩世晚期石英闪长岩；10—晚侏世晚期-早白垩世中期正长花岗岩；11—晚侏世晚期-早白垩世中期二长花岗岩；12—晚侏世晚期-早垩世中期花岗闪长岩；13—地质界线；14—不整合界线；15—花岗岩体涌动接触界线；16—花岗岩体脉动接触界线；17—断层；18—似斑中细粒/斑状细粒结构；19—少斑中细粒/含斑细粒结构；20—同位素测年采样点

2 岩石学特征

金刚山晶洞碱长花岗岩，呈浅肉红色，具似斑状结构，块状构造、晶洞构造，矿物成分主要由钾长石、石英及斜长石、黑云母组成，并见少量副矿物。岩石以富含钾长石和发育晶洞构造为特征，钾长石为斜长石；晶洞一般为0.5～8 mm，呈不规则状，占岩石体积的3%～8%，晶洞中充填石英、钾长石(照片1)。副矿物组合以锆石-磁铁矿-磷灰石组合为特征，磁铁矿、萤石含量较高，类似于A型花岗岩。

金刚山岩体4个岩石单元，从早期到晚期除岩石结构的粒度大小、似斑晶含量有变化外，其余矿物成分及其特征基本相同，变化不大(表1)。

照片1 金刚山斑状细粒晶洞碱长花岗岩晶洞构造(a)及显微镜下特征(×40)(b)Photo.1 Crystalline cave structure (a) and microscopic characteristics (b)(40 x) of Diamond porphyritic fine grained cavernous alkali feldspar granite

表1 金刚山晶洞碱长花岗岩体各单元岩石学特征

3 岩石地球化学特征

此次研究在金刚山岩体东北部不同岩石单元中采集8件样品，进行岩石化学、地球化学分析测试，由福建省地质测试研究中心完成。其中，主量元素用x射线荧光光谱仪测定(XRF)，并用等离子光谱法进行验证；微量元素和稀土元素采用等离子质谱仪(XseriesⅡ)测定。

3.1 主量元素

金刚山岩体的主量元素含量及其特征参数值(表2)，总体表现为高硅富碱，贫钙、镁、铁特征。岩石SiO2含量为76.64%～77.41%，Al2O3含量为12.08%～12.61%；Na2O+K2O为7.71%～8.76%，具较高的全碱含量，Na2O/K2O比值为0.84～0.98，Na2O的含量均小于K2O；TFeO/MgO比值为6.32～13.59，平均10.96(>6.40)。碱度率(AR)值为3.35～5.11，在SiO2-K2O图解(图2-a)中样品均投影于高钾钙碱性系列。A/NCK值1.01～1.02(>1.0)，在A/NK-A/NCK判别图解(图2-b)样品投影于过铝质花岗岩。分异指数DI为93.72～97.21，平均96.54；固结指数SI为0.64～1.82，平均0.94；较高的分异指数和较低的固结指数均指示岩浆分异结晶作用强烈。

表2 金刚山晶洞碱长花岗岩的岩石化学成分及其特征值(×10-2)

图2 金刚山岩体K2O-SiO2图解(a)及A/NK-A/NCK判别图解(b)Fig.2 K2O-SiO2 diagram (a) and A/NK-A/NCK discrimination diagram (b) of Jingangshan rock mass

3.2 微量元素

金刚山岩体的微量元素含量及其特征值(表3)，与酸性岩维氏值相比较，除元素Bi高几十至百倍外，绝大多数元素的含量大致相当，但铁族元素V、Co、Cr、Ni相对贫化。在原始地幔标准化蛛网图(图3-a)上所有样品曲线特征相近，总体表现为大离子亲石元素Rb、K、U、Th相对富集，Ba、Sr、P、Ti明显亏损。富集Th、U表明岩浆经历了斜长石、磷灰石及黑云母等矿物的分离结晶作用，Ba、Sr的亏损主要原因为长石结晶成形的影响，P、Ti的亏损可能为钛铁矿、磷灰石等矿物的分离结晶作用导致形成，反映岩浆经历了高程度的结晶分异作用。

表3 金刚山晶洞碱长花岗岩的微量元素含量及特征值(×10-6)

3.3 稀土元素

金刚山岩体的稀土元素含量及其特征值(表4)，岩石的稀土总量较低，∑REE含量为97.58×10-6～185.12×10-6，平均为127.76×10-6，低于自然界花岗岩平均稀土总量288×10-6，亦低于上部陆壳的平均总量210.07×10-6。LREE/HREE比值为4.38～12.16，平均为7.13，富集轻稀土。δEu为0.17～0.63，平均为0.28，具强烈的Eu负异常。稀土配分模式图(图3-b)呈现左高右低的曲线，轻稀土部分陡倾，重稀土部分平缓，与上地壳稀土元素配分模式近于一致。

表4 晚白垩世侵入岩稀土元素含量及特征值(×10-6)

图3 金刚山岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)及稀土元素配分模式图(b)Fig.3 A standardized cobweb map of primitive mantle of trace elements (a) and distribution pattern of rare earth elements (b) in Jingangshan rock mass

4 年代学特征

此次研究有1件年龄样品(PM101-20)采集于金刚山岩体东北部的官辅村，岩性为似斑状中粒晶洞碱长花岗岩。样品中锆石由河北省廊坊市诚信地质服务有限公司负责挑选，并送中国冶金总局山东局测试中心实验室利用LA-ICP-MS方法测定分析，锆石阴极发光(CL)照相在北京锆年领航科技有限公司的扫描电镜+Gatan阴极发光MonoCL3+上完成。

4.1 锆石特征

锆石呈浅玫瑰红色，柱状、次棱角柱状，个别呈长柱状，金刚光泽，透明至半透明，晶体表面光洁明亮，粒径主要为0.05～0.15 mm、次为0.16～0.30 mm、个别为0.31～0.45 mm，长宽比一般为1.2～2.0、次为2.0～3.0。

锆石阴极荧光图像明亮，具有较清晰的震荡生长环带结构，且Th/U比值较高，为0.62～1.50，反映其为岩浆结晶锆石(图4)。

图4 金刚山晶洞碱长花岗岩体(PM101-20)锆石CL影像及测年点位图Fig.4 Zircon CL image and dating spots map of Jingangshan geode alkali feldspar granite

4.2 锆石U-Pb同位素测年

在PM101-20样品中，选取19颗锆石进行分析测试(表5)。挑选了谐和度≥95%的测点参与年龄计算，共计9个测点，所测点均位于U-Pb谐和线的线上或其附近，且成群分布(图5-a)，其加权平均年龄值为(95±2.8)Ma (MSWD=0.86，n=9)(图5-b)，这一年龄代表了该样品的锆石结晶年龄，指示成岩时期为晚白垩世。

表5 金刚山晶洞碱长花岗岩(PM101-20)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试结果

图5 金刚山岩体(PM101-20)锆石U-Pb同位素年龄谐和图(a)及加权平均值图(b)Fig.5 Zircon U-Pb age harmony (a) and weighted average (b) of Isotopic Age Zircon of Jingangshan rock mass(PM101-20)

5 讨论

5.1 成岩时代

福鼎太姥山-福州魁岐-云霄乌山一线的晶洞碱长花岗岩中，侵入最新的地层是早白垩世寨下组(如宁德三坪、连江镇等地区)，前人研究获得Rb-Sr、K-Ar、Sm-Nd以及锆石U-Pb等各类同位素年龄为104～82 Ma，将其时代置于燕山晚期、早白垩世或晚白垩世[3-5]。此次在金刚山晶洞碱长花岗岩中获得LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为(95±2.8)Ma，与金刚山岩体的全岩Rb-Sr等时年龄(92±3.0)Ma基本一致[6]，且其侵入晚侏罗世-早白垩世南园组、早白垩世晚期石英二长闪长岩。因此，其形成时代应为晚白垩世早期，是燕山运动晚期的产物。

5.2 岩石成因

岩石以富含钾长石(50%～70%)和发育晶洞构造为特征，钾长石大于斜长石；富含磁铁矿、萤石等副矿物，具A型花岗岩的特征。

岩石化学表现为高硅富碱，贫钙、镁、铁特征，且K2O为4.20%～4.65%，TFeO/MgO比值高(>10)，K2O/Na2O比值1.02～1.20(>0.85)，Na2O+K2O/CaO比值>10，碱度率值高(3.35～5.11)，与A型花岗岩特征相似。TFeO/MgO-SiO2图上基本投入A型花岗岩区(图6-a)，K2O-Na2O图上全部投入A型花岗岩区(图6-b)，Al2O3含量平均为12.35%，与东部沿海铝质A型花岗岩含量(12.38%)相当，而不同于碱性A型花岗岩Al2O3含量(11.43%)。

图6 金刚山岩体TFeO/MgO-SiO2图解(a)及K2O-Na2O图(b)Fig.6 TFeO/MgO-SiO2 diagram (a) and K2O-Na2Omap (b) of Jingangshan rock mass

微量元素蛛网图呈现出Ba、Sr、P、Ti强烈亏损的4个V型谷，与福建太姥山地区和鼓山地区A型花岗岩蛛网图基本一致[7]。Sr含量平均为21.36×10-6，Yb含量平均为3.85×10-6，属于非常低Sr高Yb范围(Sr<100×10-6，Yb大于2×10-6)[8]，非常低Sr高Yb的特征与典型南岭A型花岗岩[9]特征一致，指示岩体形成于高温低压的条件，为地壳减薄产物。(Zr+Nb+Ce+Y)-(Na2O+K2O)/CaO图解中多数落在A型及A型高分异花岗岩的交界部分(图7-a)。(Zr+Ce+Y)-Rb/Ba投图落在A型花岗岩区(图7-b)，除样品D2003-2外，其余样品的Rb/Sr比值平均为39.18，符合壳源岩浆的范围(Rb/Sr大于0.5)；Th/U比值2.00～5.18，平均值为3.44，与上地壳的Th/U比值(3.89)相近。据Hildreth et al.研究，Rb/Nb比值有规律地从地幔岩石向上地壳岩石增高的趋势：金刚山晶洞碱长花岗岩的Rb/Nb比值为7.39～9.33，明显大于上地壳 (平均值4.5)。Y是在各类岩石中的丰度值较高，而变化范围较小的高场强(HFS)元素，因而可以利用Rb/Y、Nb/Y比值来判明岩浆物质来源或受混染的程度[10]。Rb/Y(平均8.79)远大于上地壳值(3.25)，Nb/Y(平均1.02)明显高于上地壳(0.57)，这也为花岗岩的地壳成因提供了一定的佐证。地幔相容元素Cr、Ni相对偏低，Cr值为2.5×10-6～5.9×10-6(平均4.1×10-6)，Ni值为1.29×10-6～3.63×10-6(平均1.81×10-6)，低于扬子地区下地壳Ni、Cr的平均值(Ni=49×10-6，Cr=82×10-6)，因此认为金刚山岩体的岩浆物质来源应为壳源型花岗岩。

稀土元素具显著的Eu负异常，δEu值<0.30，稀土配分模式为富集轻稀土的海鸥型曲线，与东部沿海铝质A型花岗岩相似。

图7 金刚山岩体(Zr+Nb+Ce+Y)-(Na2O+K2O)/CaO图解 (a)及(Zr+Ce+Y)-Rb/Ba图解(b)Fig.7 (Zr+Nb+Ce+Y)-(Na2O+K2O)/CaO (a) and(Zr+Ce+Y)-Rb/Ba(b)diagrams of Jingangshan rock mass

5.3 构造背景

金刚山岩体中缺少内部定向构造，与围岩的界线呈不规则港湾状、锯齿状，侵入地层其界面与岩层产状斜交，岩体发育有晶洞构造。而 Y /Nb -Ce /Nb图和Nb -Y-Ce三角图中(图8-a，b)，只有2个样品落入A2，大多数落在A1和A2分界线处。推测可能是由于岩浆体系中F, Cl含量的不同 ,使Y /Nb比值在岩浆形成与演化过程中发生了变化所致[11]。金刚山岩体在R1-R2图解(图9-a)中样品基本投影于造山期后，在SiO2-Al2O3构造环境判别图解(图9-b)投影均落在POG(造山后)环境内。

东南沿海晚中生代普遍被认为属于火山岩浆弧环境，与古太平洋板块向西俯冲导致的弧后伸展引张有关，东南沿海A型花岗岩形成于与弧后伸展引张环境[12-14]。结合构造环境判别图，认为金刚山岩体形成于后造山阶段，进入俯冲造山间歇，进入岩石圈伸展阶段，代表区内俯冲造山阶段性结束。

图8 金刚山岩体 Y /Nb -Ce/Nb关系图(a)及Nb -Y-Ce三角图解(b)Fig.8 Y /Nb-Rb /Nb relationship diagram and Nb-Y-Ce triangle diagram of Jingangshan rock mass

图9 金刚山岩体R1-R2图解(a)及SiO2-Al2O3图解(b)Fig.9 R1-R2(a) and SiO2-Al2O3 (b) diagrams of Jingangshan rock mass1—地幔分离；2—板块碰撞前；3—碰撞后的抬升；4—造山晚期；5—非造山；6—同碰撞期的；7—造山期后；IAG—岛弧花岗岩类；CAG—大陆弧花岗岩类；CCG—大陆碰撞花岗岩类；POG—后造山花岗岩类；RRG—与裂谷有关的花岗岩类；CEUG—与大陆的造陆抬升有关的花岗岩类

6 结论

(1)金刚山晶洞碱长花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为(95±2.8)Ma，其形成于晚白垩世早期，是燕山运动晚期的产物。

(2)金刚山晶洞碱长花岗岩为铝质A型花岗岩，主量元素上具有显高硅富碱，贫钙、镁、铁特征；微量元素上总体表现为大离子亲石元素Rb、K、U、Th相对富集，而Ba、Sr、P、Ti明显亏损；轻稀土相对重稀土富集，具显著的Eu负异常，δEu值小于0.30。

(3)金刚山晶洞碱长花岗岩应为A2型花岗岩，形成于后造山阶段，产于大陆边缘弧塌陷的构造环境。

本文的撰写得益于张开毕教授悉心的指导，李腾鹏工程师提供的重要资料以及汤建荣工程师图件绘制的帮助，在此衷心表示感谢！