二长花岗岩与辉绿岩岩石地球化学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学特征及构造意义——以粤北南雄盆地北缘南雄断裂带中部为例

赵佳楠，邱际玮，崔永春，刘 军，韦文定，杨 戬，晏 斌，苏宏亮

( 广东省核工业地质局二九一大队，广东 广州 510800 )

0 引言

华南地区广泛发育的显生宙岩浆事件和普遍的变质构造热事件引起关注[1-4]。华南地区发育大规模近东西向展布的花岗岩群，与相邻显生宙沉积盆地群共同构成岭南地区独特的构造格局[5]。元古代以来，华南地区经历陆块增生、陆内裂解、岩浆活动、造山运动等复杂的构造事件叠加，岭南地区构造变形强烈，岩浆活动广泛，形成岭南地区独特的近东西向展布的花岗岩带[6]。经过中生代至新生代的构造运动改造，华南地区发生大规模岩石圈减薄和多次岩浆热液事件，导致壳幔相互作用而使花岗岩多金属成矿作用普遍发育[7-14]。南雄盆地和诸广山花岗岩处于南岭地区北部，构成粤北南岭地区独特的盆山地貌。关于南雄盆地的地层学、古生物学和古地磁学研究较多，南雄盆地白垩系—古近系界线剖面是中国目前研究程度最高的一条白垩系—古近系界线剖面[8-10]。关于南雄盆地构造演化和成矿规律研究较少，有关诸广山岩体、南雄盆地及其周缘构造带之间的盆山演化构造热液事件与岩浆活动受到关注[11-18]，其中南雄盆地及其周缘花岗岩体和构造带形成独特盆岭构造研究程度较低。南雄断裂带处于岭南中部粤北地区诸广山南部铀多金属矿田，控制南雄盆地北缘，岭南中段诸广山—青嶂山—油山—坪田—南雄盆地—赣南地区—贵东地区是中国重要的花岗岩型铀多金属矿矿集区[19]，其构造机制研究涉及南雄盆地与周缘花岗岩体的盆山耦合成矿机制、南雄盆地演化、华南陆块古生代—新生代构造演化、粤北诸广山南部铀多金属矿成因等。

诸广山南部铀多金属矿田是典型的热液型铀矿，矿石类型主要为含沥青铀矿硅化岩型、硅化碎裂岩型、碎裂蚀变花岗岩型和硅化碎裂辉绿岩型等[20]。南雄断裂带花岗岩和辉绿岩的岩石地球化学和年代学研究，能够为南雄盆地周缘铀多金属矿床的成矿规律研究提供依据，对南雄盆地物源分析和构造演化研究有一定应用价值。以南雄断裂带中部二长花岗岩与辉绿岩为研究对象，通过野外地质勘查、岩石地球化学与LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究，讨论二长花岗岩与辉绿岩的岩石成因和构造意义，为南雄盆地构造演化及其周缘铀多金属矿成因研究提供依据。

1 地质背景

南雄断裂带是南雄盆地北缘的控盆断裂，大地构造位置为华南板块粤桂湘北海西运动—印支运动凹陷和粤赣闽后加里东运动隆起交汇地段，为大型伸展剥离断层、粤北诸广山南部整装勘查区铀多金属矿的控矿断裂[21]。南雄断裂带以北毗邻油山花岗岩体和诸广山花岗岩体，出露震旦纪地槽褶皱基底；以南为南雄盆地，南缘受江头断裂带控制(见图1)。南雄盆地由盖层和基底构成，盖层主要为白垩纪至古近纪内陆河流湖泊相沉积碎屑岩，岩性主要为砂岩、粉砂岩和泥岩，普遍红层发育；基底主要由前寒武纪变质花岗岩和其他中浅变质岩组成[22]，呈北东—南西向展布，是诸广山南部导矿、成矿构造，控制周缘多处铀矿床、铀矿化点，如中村矿床、暖水塘矿床等。南雄断裂带经历多期次构造活动，导致断裂带周缘多阶段矿化叠加，其构造性质存在韧性向脆性转变的特征，内部构造岩具有明显分带特征，并随南雄断裂带构造运动阶段转变，南雄盆地存在与之相对应的演化过程[23]。

图1 南雄盆地及诸广山南部地区地质构造Fig.1 Geological structure of Nanxiong Basin and the southern area of Zhuguang Mountain

2 样品采集与测试分析

2.1 样品采集

选取南雄断裂带中部地区野外露头风化程度较低、构造现象明显的地段作为样品采集的重点地段[24]。在地质剖面上，选取6处较为新鲜且处于不同部位的花岗岩和辉绿岩进行样品采集(见图2、图3(a-b))，样品编号分别为ZZKC16-NX-1、ZZKC16-NX-2、ZZKC16-NX-3、ZZKC16-NX-4、ZZKC16-NX-5、ZZKC16-NX-6，其中前三者为二长花岗岩，后三者为辉绿岩(见图2)。

图2 南雄断裂带中部野外地质剖面Fig.2 Field geological section in the middle of Nanxiong Fault Belt

图3 南雄断裂带中部二长花岗岩和辉绿岩野外露头和显微镜下特征Fig.3 Field outcrops and microscopic images of monzonitic granite and diabase in the middle of Nanxiong Fault Belt

2.2 分析方法

由中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成全岩地球化学分析；对ZZKC16-NX-1、ZZKC16-NX-4样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年分析，由中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成锆石分选、制靶、反射光摄影、阴极发光摄影(CL图)；由中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析。采用激光剥蚀系统型号为GeoLas 2005，电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)型号为Agilent 7500a，锆石测年过程采用国际标准91500锆石作为外标进行同位素分馏校正，每测试6个样品点位对应测试2次国际标准91500锆石，采用IsoplotR软件进行LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分布的可视化谐和图绘制[25-30]，弃用谐和度≤90%的测试分析点的年龄数据。

3 岩石地球化学与年代学特征

3.1 岩相学特征

二长花岗岩样品呈灰色—肉红色中细粒花岗结构、块状构造，主要造岩矿物为石英(质量分数为25%～30%)、斜长石(质量分数为30%～35%)、钾长石(质量分数为25%～30%)，副矿物为绢云母(质量分数为3%～5%)及少量绿帘石、褐铁矿、磷灰石。其中，石英呈他形粒状分布，颗粒大小为0.1～0.5 mm，正交偏光下可见明显波状消光；斜长石呈自形—半自形板状，正交偏光下可见明显聚片双晶，颗粒大小为1.0～2.0 mm；钾长石呈自形—半自形宽板状，正交偏光下可见明显格子双晶，颗粒大小为1.5～2.5 mm，表面普遍绢云母化。显微镜下岩石薄片可见钾长石呈“σ”旋转碎斑，斜长石呈书斜构造，石英可见动态重结晶现象，表明岩石经历韧性变形改造(见图3(c))。辉绿岩样品呈黑绿色—灰绿色辉绿结构、块状构造，主要造岩矿物为辉石(质量分数为30%～40%)、斜长石(质量分数为45%～55%)，副矿物为绿泥石、磷灰石、绿帘石、榍石等，总质量分数小于5%。其中，辉石呈半自形—他形柱状，普遍发生角闪石化，颗粒大小为1.0～1.5 mm，正交偏光下可见明显较为自形的斜长石排列形成三角形空隙，辉石呈他形粒状充填在空隙中，辉绿结构特征显著[31-32](见图3(d))；斜长石呈半自形板状，正交偏光下可见明显聚片双晶，颗粒大小为1.5～2.0 mm。

3.2 地球化学特征

3.2.1 主量元素

南雄断裂带中部二长花岗岩和辉绿岩样品的主量元素数据见表1。二长花岗岩的w(SiO2)为69.79%～70.08%；w(CaO)为1.14%～1.54%；w(K2O)、w(Na2O)分别为3.82%～4.21%、2.31%～3.02%，w(K2O)/w(Na2O)为1.26～1.80，相对富K；w(Al2O3)较高，为13.86%～14.52%；w(TiO2)为0.45%～0.56%；w(TFeO)/w(MgO)为3.27～3.55，相对富Fe，贫Sr、Cr、Ba、Mn、P；里特曼指数δ为1.54～1.75，为钙碱性岩。辉绿岩的w(SiO2)为49.59%～51.99%；w(CaO)为6.60%～7.95%；w(Na2O)、w(K2O)分别为3.32%～4.40%、0.36%～0.45%，w(Na2O)/w(K2O)为8.30～9.94，相对富Na、贫K；w(Al2O3)较高，为11.60%～13.07%；w(TiO2)为2.70%～3.07%；w(TFe2O3)较高，为13.96%～15.82%；w(TFeO)/w(MgO)为2.52～2.76，相对富Fe，贫K、Sr、Cr、Mn、Ba、P；里特曼指数δ为2.10～2.62，为钙碱性岩。侵入岩TAS图解(见图4(a))表明样品落入花岗岩和辉长岩区域，6个样品为亚碱性岩；SiO2—K2O图解(见图4(b))反映花岗岩样品落入高钾钙碱性系列区域，辉绿岩样品落入钙碱性系列区域；铝饱和指数图解(见图4(c))指示花岗岩样品落入过铝质和S型花岗岩区域，辉绿岩样品落入准铝质区域；AFM图解(见图4(d))反映所有样品落入钙碱性岩石系列区域。南雄断裂带中部二长花岗岩为具有S型花岗岩地球化学特征的过铝质高钾钙碱性岩，辉绿岩属于准铝质钙碱性岩。

图4 南雄断裂带中部样品岩石分类图解Fig.4 Various petrological classification diagrams of the samples in the middle of Nanxiong Fault Belt

表1 南雄断裂带中部样品主量元素质量分数及其特征参数Table 1 Compositions of major elements and characteristic parameters of the samples in the middle of Nanxiong Fault Belt

3.2.2 微量元素

南雄断裂带中部二长花岗岩和辉绿岩样品微量元素数据见表2。二长花岗岩样品稀土元素总量(∑REE)为(239.19～289.08)×10-6，轻稀土元素(LREE)/重稀土元素(HREE)为2.83～3.63，(La/Yb)N为7.58～12.86，(La/Sm)N为2.95～3.35，(Gd/Lu)N为1.80～2.80，LREE强烈富集，LREE分馏程度较HREE的明显；δEu为0.40～0.43，表现为Eu负异常；δCe为1.02～1.11，表现为Ce弱正异常或异常不明显；球粒陨石标准化稀土元素配分曲线呈较陡且略右倾的分布特征(见图5(a))。辉绿岩样品稀土元素总量(∑REE)为(115.46～133.89)×10-6，LREE/HREE平均为1.52，(La/Yb)N平均为3.69，(La/Sm)N平均为1.60，(Gd/Lu)N平均为2.13，表明LREE与HREE总量相当，相对略富集LREE，HREE分馏程度比LREE的略高；δEu平均为1.19，δCe平均为1.08，反映Eu正异常，Ce弱正异常；球粒陨石标准化稀土元素配分曲线呈平缓且略右倾的分布特征(见图5(a))。原始地幔标准化微量元素蜘蛛图[33-35](见图5(b))反映二长花岗岩样品富集Rb、Th、K、Sr、Pb，亏损Nb、Ta、Ti；辉绿岩样品富集Sr、Pb、Ta、Ti、Nb、Rb，亏损Pr、Sm、Gd、Tb、Ho。

图5 南雄断裂带中部样品球粒陨石标准化稀土元素配分曲线和原始地幔标准化微量元素蜘蛛图Fig.5 Chondrite-normalized rare earth elements patterns and spider diagram of primitive mantle-normalized trace elements for the samples in the middle of Nanxiong Fault Belt

表2 南雄断裂带中部样品微量元素质量分数及其特征参数Table 2 Compositions of trace elements and characteristic parameters of the samples in the middle of Nanxiong Fault Belt

3.3 LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学特征

二长花岗岩ZZKC16-NX-1样品LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析结果见表3。二长花岗岩ZZKC16-NX-1样品锆石呈黄褐色，多为自形程度较好的长柱状或短柱状，长度为70～150 μm，宽度为50～70 μm，长宽比为1.4︰1.0～3.0︰1.0，阴极发光图显示锆石具有明显核幔结构，岩浆震荡环带明显且较窄，岩浆锆石特征显著(见图6(a))。8粒锆石的206Pb/238U年龄为(441±4)～(460±5)Ma，所有测点数据落于谐和线附近且谐和率大于94%，加权平均年龄为(448.5±6.8)Ma(MSWD=3.00)(见图6(b-c))，对应晚奥陶世，代表二长花岗岩的结晶年龄。辉绿岩ZZKC16-NX-4样品LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析结果见表4。辉绿岩ZZKC16-NX-4样品锆石呈黄褐色，多为半自形—自形短柱状，长度为60～100 μm，宽度为40 ～60 μm，长宽比为1.5︰1.0～2.5︰1.0，阴极发光图显示锆石可辨识核幔结构，岩浆震荡环带较宽，具有明显岩浆锆石特征(见图7(a))。7粒锆石的206Pb/238U年龄为(433±4)～(442±5)Ma，所有测点数据落于谐和线附近且谐和率大于93%，加权平均年龄为(437.2±3.5)Ma(MSWD=0.64)(见图7(b-c))，对应早志留世，代表辉绿岩的结晶年龄，反映辉绿岩年龄晚于二长花岗岩的，说明二者是加里东运动期岩浆活动(445～430 Ma)[36]的产物。张族坤等认为南雄盆地主田组一段石英砂岩碎屑锆石年龄为427～473 Ma(峰值年龄为454 Ma)，浈水组粉砂岩碎屑锆石年龄为403～530 Ma(峰值年龄为450 Ma)，浓山组粗砂岩碎屑锆石年龄为408～572 Ma(峰值年龄为421 Ma)[37]。这说明研究区二长花岗岩和辉绿岩两种火成岩与南雄盆地主田组、浈水组和浓山组碎屑岩为加里东运动期形成的。

表3 二长花岗岩ZZKC16-NX-1样品LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析结果Table 3 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of monzonitic granite with sample ZZKC16-NX-1

图6 二长花岗岩样品ZZKC16-NX-1锆石阴极发光、LA-ICP-MS锆石U-Pb测年谐和与加权平均年龄Fig.6 The cathodoluminescence images,LA-ICP-MS zircon U-Pb dating concordia and weighted mean ages of zircons in monzonitic granite with sample ZZKC16-NX-1

表4 辉绿岩ZZKC16-NX-4样品LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析结果Table 4 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of diabase with sample no.ZZKC16-NX-4

图7 辉绿岩样品ZZKC16-NX-4阴极发光、LA-ICP-MS锆石U-Pb测年谐和曲线和加权平均年龄Fig.7 The cathodoluminescence images, LA-ICP-MS zircon U-Pb dating concordia and weighted mean ages of zircons in diabase with sample ZZKC16-NX-4

4 岩石成因及构造意义

4.1 岩石成因

南雄断裂带中部二长花岗岩样品球粒陨石标准化稀土元素配分曲线，以及原始地幔标准化微量元素蜘蛛图，反映微量元素地球化学特征与陆壳和大洋岛弧玄武岩的相似(见图5)，Eu具有明显负异常，表明存在斜长石分离结晶时Eu强烈倾向进入斜长石，导致Eu明显亏损，Nb、Ta、Ti负异常明显。二长花岗岩样品源区成分与成因判别表明，二长花岗岩与大陆岛弧火山岩源区成分近似，成因与陆弧演化相似(见图8(a-b))；已知流体参与和Ba、Rb、U质量分数呈正相关关系，熔体参与和Nb、Zr质量分数呈正相关关系，根据Nb与Ba、Rb、U之间关系，二长花岗岩流体参与特征明显(见图8(c-e))，说明存在大陆地壳物质参与，且伴随流体运移[38]，与S型花岗岩特征(见图4(c)、图8(f))相吻合；w(Rb)/w(Sr)为0.93～1.16，表明二长花岗岩岩石源区成分具有明显壳源岩浆特征(壳源岩浆w(Rb)/w(Sr)大于0.50[39])，与微量元素特征反映一致(见图5)。

图8 南雄断裂带中部二长花岗岩和辉绿岩岩石源区成分、岩石成因及演化过程判别图解(据文献[40-43]修改)Fig.8 Discrimination diagrams of compositions of rock source area， petrogenesis and evolution processes for the monzonitic granite and diabase in the middle of Nanxiong Fault Belt(modified by references[40-43])

辉绿岩样品具有富集型大洋中脊玄武岩(E-MORB)微量元素地球化学特征(见图5)，富集大离子亲石元素Sr、Rb；岩石源区w(La)/w(Nb)—w(Ba)/w(Nb)图解和w(Nb)/w(Yb)—w(Th)/w(Yb)图解表明，辉绿岩岩浆源区与富集地幔有关(见图8(a-b))；w(Rb)/w(Sr)平均为0.074，表明辉绿岩岩石源区为壳幔混合源(幔源岩浆w(Rb)/w(Sr)小于0.05，壳幔混合源w(Rb)/w(Sr)为0.05～0.50[39])；Nb与Ba、Rb、U相对质量分数较低(见图8(c-e))，表明辉绿岩岩浆演化过程不存在流体和熔体参与。

4.2 构造意义

花岗岩构造判别图解(见图9(a-b))表明，花岗岩w(Y+Nb)—w(Rb)图解指示二长花岗岩样品投点落于火山弧花岗岩区域，花岗岩构造判别图解R1—R2指示样品投点落于同碰撞型(S型)花岗岩，说明花岗岩是受陆壳改造、存在壳源物质参与和流体活动的造山花岗岩，反映碰撞挤压构造环境；基性岩构造判别图解(见图9(c-e))表明，辉绿岩样品投点落于板内玄武岩、洋岛、海山和E-MORB区域，反映岩浆来源于富集地幔，构成洋岛和海山，产于靠近海沟的洋中脊构造环境，辉绿岩是伸展构造背景下形成的产物。综上所述，二长花岗岩成岩期到辉绿岩成岩期之间存在一次从挤压到伸展的区域构造应力转换。

图9 南雄断裂带中部二长花岗岩和辉绿岩构造环境判别图解Fig.9 Tectonic discrimination diagrams of the monzonitic granite and diabase in the middle of Nanxiong Fault Belt

二长花岗岩年龄(448 Ma)早于辉绿岩年龄(437 Ma)，二者为加里东运动期构造旋回产物，二长花岗岩属于S型花岗岩，形成于华南加里东岩浆活动期，花岗岩体侵位时限为440～425 Ma[44]，与二长花岗岩样品测年结果相近，后期侵入的辉绿岩来源于富集地幔，说明二长花岗岩侵入后存在幔源岩浆浸入。二长花岗岩形成过程中，存在壳源物质混入，与加里东运动期花岗岩源区存在新生地壳物质[45]的结论相吻合，二长花岗岩和辉绿岩形成过程存在强烈岩浆活动且伴随幔源岩浆侵入和壳源物质重熔，且448～437 Ma期间存在一次由压应力到张应力的区域构造应力转换。

5 结论

(1)粤北南雄盆地北缘南雄断裂带中部二长花岗岩具有S型花岗岩地球化学特征，属于过铝质高钾钙碱性岩，富集Rb、Th、K、Sr、Pb，亏损Nb、Ta、Ti，追溯岩浆源区成分与火山弧花岗岩(VAG)相似，微量元素特征指示同碰撞期花岗岩构造环境，表征成岩期经历挤压应力作用。

(2)研究区辉绿岩为准铝质钙碱性岩，富集Sr、Pb、Ta、Ti、Nb、Rb，亏损Pr、Sm、Gd、Tb、Ho，追溯岩浆源区成分与富集地幔相关，具有富集型洋中脊玄武岩(E-MORB)微量元素地球化学特征，指示形成于靠近海沟的洋中脊构造环境，表征成岩期经历伸展应力作用。

(3)研究区二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年加权平均年龄为(448.5±6.8) Ma，辉绿岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年加权平均年龄为(437.2±3.5) Ma，两种火成岩为加里东运动期岩浆活动产物；448～437 Ma期间存在一次从挤压到伸展的区域构造应力转换，在岩浆强烈活动中伴有壳源物质重熔、流体参与和幔源岩浆侵入。