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        粵北長江地區(qū)花崗斑巖脈年代學(xué)、地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

        2023-11-08 04:05:48龐雅慶孟曉慶范洪海高飛王勇劍何德寶
        世界核地質(zhì)科學(xué) 2023年3期
        關(guān)鍵詞:花崗燕山斑巖

        龐雅慶,孟曉慶,范洪海,高飛,王勇劍,何德寶

        (1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室,北京 100029;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083)

        花崗斑巖是巖漿侵入活動較晚階段的產(chǎn)物,與多種礦產(chǎn)有著密切的成因關(guān)系[1-5],而花崗斑巖也因與鈾成礦有著密切的空間關(guān)系引起了眾多學(xué)者的關(guān)注[6-10]?;洷遍L江地區(qū)產(chǎn)出有眾多花崗巖型鈾礦床,是重要的鈾礦產(chǎn)地。該類型鈾礦與花崗巖體有著密切的空間和成因聯(lián)系[11-15]。前人對長江地區(qū)產(chǎn)鈾花崗巖體和基性巖脈已經(jīng)開展了詳細的巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)以及年代學(xué)等研究[16-24],探討了巖漿演化特征及與鈾成礦的關(guān)系,但是針對區(qū)內(nèi)花崗斑巖的研究尚未見報道。

        本文以長江地區(qū)花崗斑巖脈為研究對象,在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,對花崗斑巖開展了巖石學(xué)、鋯石年代學(xué)和地球化學(xué)特征等研究,探討了其成巖年齡、巖石類型、物質(zhì)來源、構(gòu)造背景及與鈾成礦的關(guān)系,以期進一步完善長江地區(qū)巖漿演化特征及其與鈾成礦關(guān)系。

        1 地質(zhì)背景

        長江地區(qū)是粵北重要的鈾礦產(chǎn)地,產(chǎn)出有棉花坑、書樓丘和長排等鈾礦床及眾多鈾礦點。區(qū)內(nèi)巖漿活動發(fā)育,廣泛出露印支期油洞巖體和燕山期長江巖體,巖性多為粗、中、細粒斑狀黑云母花崗巖或二云母花崗巖,也見少量基性巖脈和酸性巖脈穿插于巖體中。長江地區(qū)花崗斑巖近EW 向展布,呈脈狀穿插于油洞巖體中(圖1)?;◢彴邘r多為灰色,風化后呈灰白色,斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖2a)。斑晶主要為鉀長石和石英(圖2b),少量為黑云母(圖2c);鉀長石呈自形板狀,0.2~3 mm,大小不等,含量5 %左右,多見絹云母化及黏土化;石英呈他形粒狀,0.1~1.5 mm,大小不一,含量4 %左右;黑云母多呈片狀-長條狀,0.2~1 mm,含量1 %左右,局部蝕變?yōu)榫G泥石,保留黑云母假象。基質(zhì)主要由隱晶質(zhì)和石英、長石、黑云母微晶組成,粒度多數(shù)小于0.1 mm,石英、長石微晶常組成顯微文象結(jié)構(gòu)(圖2d)。

        圖1 長江地區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)參考文獻[24]修改)Fig.1 Geological sketch map of Changjiang area(modified after reference[24])

        圖2 長江地區(qū)花崗斑巖脈手標本及鏡下照片F(xiàn)ig.2 Hand specimen and microphotographs of granite porphyry dykes from Changjiang area

        2 樣品采集與分析方法

        研究的6 件花崗斑巖樣品均采自長江地區(qū)地表露頭,樣品新鮮,風化弱且無蝕變,采樣位置見圖1。

        用于U-Pb 定年的花崗斑巖樣品的鋯石挑選和鋯石制靶、陰極發(fā)光(CL)等照相在河北廊坊宇能巖石礦物分選技術(shù)服務(wù)有限公司進行。花崗斑巖樣品經(jīng)粗碎、細碎和淘洗,將樣品碎至鋯石單體解離的粒度,經(jīng)重選、磁選等方法富集鋯石,在雙目鏡下挑選晶型好、無裂紋、具代表性的鋯石進行制靶,然后對鋯石樣品靶進行透射光、反射光和陰極發(fā)光(CL)照相,綜合分析鋯石影像特征并判別鋯石成因,避開鋯石上裂隙、包裹體或雜質(zhì)從而確定鋯石U-Pb 定年測點位置。

        花崗斑巖樣品LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年代學(xué)測試工作在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實驗室完成。質(zhì)譜儀采用Thermo Fisher 公司制造的Neptune 型質(zhì)譜儀,剝蝕系統(tǒng)采用的激光發(fā)射器為美國ESI 公司制造的ArF 準分子激光器,原始數(shù)據(jù)處理采用ICPMSDataCal 軟件[25],U-Pb 年齡協(xié)和圖繪制采用Isoplot 軟件[26]。

        花崗斑巖樣品主量元素、微量元素分析均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成。主量元素和微量元素測試儀器分別為Axiosm AX-X 射線熒光光譜儀和NexION300D 等離子體質(zhì)譜儀,主量元素測試誤差小于1 %,微量元素分析精度優(yōu)于5 %。

        3 鋯石U-Pb 年齡

        表1 為長江地區(qū)花崗斑巖樣品(ZN99)LAICP-MS 鋯石U-Pb 同位素測試數(shù)據(jù)?;◢彴邘r的鋯石無色透明,粒徑長介于80~260μm 之間,寬介于45~90μm 之間,多呈自形-半自形柱狀,少量可見較完整的晶棱或晶錐,陰極發(fā)光(CL)圖像顯示鋯石具有巖漿振蕩環(huán)帶(圖3),顯示其巖漿成因特征。本次共測定24 個鋯石點的w(Th)/w(U)比值(0.17~0.98)均大于0.1(表1),具有典型巖漿鋯石的高w(Th)/w(U)比值特征[27]。

        表1 長江地區(qū)花崗斑巖脈LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡分析結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating analysis results of granite porphyry dykes from Changjiang area

        測點的206Pb/238U 年齡(148~155 Ma)比較集中(表1)。從鋯石U-Pb 年齡諧和圖可以看出,24 個測點均位于諧和線上或其附近(圖4),反映這些鋯石未遭受后期熱事件影響,沒有發(fā)生顯著的Pb 丟失。根據(jù)24 個測點計算獲得的206Pb/238U 年齡加權(quán)平均值為151.8±0.7 Ma(n=24,MSWD=1.8),該年齡可以代表花崗斑巖的結(jié)晶年齡。

        圖4 長江地區(qū)花崗斑巖脈鋯石U-Pb 年齡諧和圖Fig.4 U-Pb dating concordia diagram of zircons from granite porphyry dykes in Changjiang area

        4 地球化學(xué)特征

        4.1 主量元素特征

        花崗斑巖脈樣品主量元素含量見表2。花崗斑巖w(SiO2)含量高(74.13%~75.25%,平均為74.67%),全堿w(Na2O+K2O)含量較高(7.10%~8.80 %,平均為7.79 %),w(K2O)/w(Na2O)值為1.72~3.23,w(Al2O3)含量較高(12.92%~13.96%,平均為13.39 %),w(CaO)含量較低(0.15 %~0.66%,平均為0.39%),A/CNK 值顯示為弱過鋁質(zhì)(1.08~1.57,平均為1.28),里特曼指數(shù)σ值顯示為鈣堿性(1.60~2.40,平均為1.91)。在TSA圖上數(shù)據(jù)點均落入亞堿性花崗巖區(qū)域(圖5a),在SiO2-K2O圖上數(shù)據(jù)點都落入高鉀鈣堿性系列區(qū)域(圖5b)。

        表2 長江地區(qū)花崗斑巖脈主量元素含量w(B)/%及相關(guān)參數(shù)Table 2 The major elements data /% and parameters of granite porphyry dykes from Changjiang area

        圖5 長江地區(qū)花崗斑巖脈TSA 圖解(a,底圖據(jù)參考文獻[28])和SiO2-K2O 圖解(b,底圖據(jù)參考文獻[29])Fig.5 The TAS(a,base map after reference[28])and SiO2-K2O(b,base map after reference[29])diagrams of granite porphyry dykes from Changjiang area

        綜上所述,該地區(qū)花崗斑巖具高硅、富堿、富鋁、鉀大于鈉、低鈣等特點,與長江地區(qū)油洞巖體和長江巖體特征相似[17,20],屬于典型的殼源型花崗巖范疇。

        4.2 微量-稀土元素特征

        表3 為花崗斑巖脈樣品微量元素和稀土元素含量分析結(jié)果。

        表3 長江地區(qū)花崗斑巖脈微量和稀土元素分析結(jié)果w(B)/10-6及相關(guān)參數(shù)Table 3 Analytical results of trace elements,rare earth elements(10-6)and parameters of granite porphyry dykes from Changjiang area

        從微量元素蛛網(wǎng)圖可以看出(圖6a),花崗斑巖強烈富集Rb、Th、Hf,“高峰”明顯,而Ba、Sr、P 和Ti 明顯虧損,呈現(xiàn)“低谷”?;◢彴邘r具高的w(Rb)/w(Sr)值(6.45~15.53,平均為9.93)和w(Rb)/w(Nb)值(17.38~21.86,平均為20.03)、低的w(Nb)/w(Ta)值(4.08~6.79,平均為5.00)和w(Zr)/w(Hf)值(19.78~25.26,平均為21.87),以及區(qū)別明顯“峰”“谷”分布曲線,與長江巖體和油洞巖體的殼源型花崗巖相似[17,20],也與南嶺東段強過鋁花崗巖一致[30]。

        圖6 長江地區(qū)花崗斑巖脈微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(a)[31]和稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(b)[32]Fig.6 The spider diagram of primitive mantle-normalized trace element(a)[31]and of chondrite-normalized REE(b)patterns[32]of granite porphyry dykes from Changjiang area

        花崗斑巖中ΣREE 為(91.46~179.82)×10-6(平均為126.78×10-6),略微偏低;LREE/HREE 為3.66~7.40(平均為4.87),(La/Yb)N為2.23~6.29(平均為3.87),稀土元素配分曲線呈輕稀土略富集右傾型(圖6b);δEu為0.23~0.44(平均為0.31),Eu 明顯虧損。花崗斑巖的稀土元素及其配分曲線特征,與長江巖體殼源型花崗巖相似[20]。

        5 討 論

        5.1 巖石成因

        關(guān)于長江地區(qū)不同類型巖石成因研究方面,黃國龍等(2012)[17]認為粵北油洞巖體屬于典型的殼源型花崗巖范疇,是由古-中元古代地殼組分泥質(zhì)巖和砂質(zhì)巖混合組成的源區(qū)發(fā)生部分熔融而形成;黃國龍等(2014)[20]認為粵北長江巖體屬于殼源型花崗巖范疇,是由古元古代地殼砂質(zhì)巖源區(qū)部分熔融形成;徐文雄等(2014)[19]認為長江地區(qū)細粒花崗巖脈屬于典型的殼源型花崗巖范疇,是由中-上地殼的泥質(zhì)巖組分發(fā)生部分熔融形成的;龐雅慶等(2023)[24]認為長江地區(qū)基性巖脈為俯沖交代作用形成的富集地幔部分熔融形成。

        長江地區(qū)花崗斑巖脈在主量元素方面,具高w(SiO2)(平均為74.67 %)、富w(Al2O3)(平均為13.39%)、高w(K2O)/w(Na2O)值(平均為2.15)和高A/CNK 值(平均為1.28);在微量元素方面,具高w(Rb)/w(Sr)值(平均為9.93)和高w(Rb)/w(Nb)值(平均為20.03),Rb、Th和Hf富集,Ba、Sr、P 和Ti 虧損;w(Zr+Nb+Ce+Y)含量為(226.50~303.20)×10-6,明顯小于典型A型花崗巖(>350×10-6)[33],在(Zr+Nb+Ce+Y)-FeOT/MgO 判別圖解上(圖7a)數(shù)據(jù)點都落入分異的I、S 和M 型花崗巖范圍內(nèi);在稀土元素方面,配分曲線呈輕稀土略富集右傾型,Eu 虧損明顯(δEu 平均為0.31),在δEu-(La/Yb)N判別圖解上(圖7b)數(shù)據(jù)點均落入殼源型花崗巖區(qū)域。上述特征表明:長江地區(qū)花崗斑巖屬于典型的殼源型花崗巖。

        長江地區(qū)花崗斑巖w(CaO)/w(Na2O)值介于0.09~0.22 之間(平均為0.15),w(FeOT+MgO+TiO2)值介于1.29 %~2.30 %之間(平均為1.78),符合泥質(zhì)巖源巖特征(w(CaO)/w(Na2O)<0.3,w(FeOT+MgO+TiO2)<4 %)[35];在w(CaO)/w(MgO+FeOT)-w(Al2O3)/w(MgO+FeOT)判別圖解上(圖8a),5 個數(shù)據(jù)點主要落入泥質(zhì)巖源巖區(qū)域內(nèi),僅有1 個數(shù)據(jù)點落入雜砂巖源巖區(qū)域中;在w(Rb)/w(Sr)-w(Rb)/w(Ba)判別圖解上(圖8b),數(shù)據(jù)點均落入富黏土源巖區(qū)域內(nèi)。綜上所述,長江地區(qū)花崗斑巖源巖主要為泥質(zhì)巖。

        5.2 構(gòu)造背景

        關(guān)于長江地區(qū)不同類型巖石構(gòu)造背景研究方面,黃國龍等(2012)[17]認為粵北油洞巖體形成于華南地塊和印支地塊碰撞結(jié)束后不久的伸展構(gòu)造環(huán)境;黃國龍等(2014)[20]認為粵北長江巖體為燕山早期巖漿活動的產(chǎn)物,形成于太平洋板塊俯沖導(dǎo)致的地殼減薄的伸展構(gòu)造環(huán)境;徐文雄等(2014)[19]認為長江地區(qū)細?;◢弾r脈是燕山晚期巖漿活動的產(chǎn)物,形成于太平洋板塊俯沖影響下的伸展構(gòu)造環(huán)境;龐雅慶等(2023)[24]認為長江地區(qū)基性巖脈主要形成于大陸板內(nèi)環(huán)境,與華南中生代主要的地殼拉張活動時間相一致??傊摰貐^(qū)中生代花崗巖形成于后碰撞伸展構(gòu)造環(huán)境,基性脈巖形成與大陸板內(nèi)環(huán)境。

        長江地區(qū)花崗斑巖在Y+Nb-Rb 判別圖解上(圖9a),數(shù)據(jù)點均落入同碰撞和后碰撞花崗巖區(qū)域內(nèi),更偏向于后碰撞花崗巖。Sylvester[35]認為,后碰撞花崗巖的侵位發(fā)生在地殼縮短高峰之后的伸展構(gòu)造環(huán)境中。在SiO2-Al2O3判別圖解上(圖9b),數(shù)據(jù)點均落入后造山花崗巖類區(qū)域。后造山環(huán)境處于構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換時期,通常處于擠壓造山作用以后的區(qū)域拉伸構(gòu)造環(huán)境,往往是巖石圈去根作用的產(chǎn)物,該區(qū)域與后碰撞花崗巖相似[37]。上述判別結(jié)果表明:長江地區(qū)花崗斑巖主要形成于后造山伸展拉張構(gòu)造環(huán)境。

        5.3 地質(zhì)意義

        長江地區(qū)主要出露油洞和長江花崗巖體,以及少量基性巖脈和酸性巖脈。油洞花崗巖體SHRIMP 鋯石U-Pb 年齡為232 Ma[17],LAICP-MS 獨居石U-Pb 年齡為228 Ma[23],為印支晚期巖漿活動的產(chǎn)物;長江花崗巖體SHRIMP鋯石U-Pb 年齡為160 Ma[16],LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡為157.2~161.6 Ma[20],LA-ICP-MS獨居石U-Pb 年齡為156.8 Ma[23],以及本文測得的花崗斑巖脈鋯石U-Pb 年齡為151.8 Ma,均為燕山早期巖漿活動的產(chǎn)物;長江地區(qū)細粒花崗巖脈鋯石U-Pb 年齡為138.6 Ma[19],為燕山晚期巖漿活動的產(chǎn)物;長江地區(qū)基性巖脈全巖Ar-Ar年齡為136.8、120.7 和110.1~113.8 Ma[24],為燕山晚期巖漿活動的產(chǎn)物。上述巖漿活動構(gòu)成長江地區(qū)完整的巖漿演化序列。該地區(qū)花崗斑巖脈巖石地球化學(xué)特征表明:花崗斑巖與油洞、長江花崗巖體均為典型的殼源型花崗巖,具有相似的成巖構(gòu)造背景,且其成巖年齡與南嶺地區(qū)燕山早期花崗巖體的鋯石U-Pb 年齡(150~160 Ma)相一致[40]。

        針對南嶺地區(qū)燕山早期花崗巖形成的構(gòu)造環(huán)境,燕山早期存在的A 型花崗巖類[41-45]、雙峰式火山巖[46-47]等均表明南嶺地區(qū)在侏羅紀時巖石圈便發(fā)生了伸展作用,但該伸展構(gòu)造環(huán)境是“ 陸內(nèi)裂谷”[16,20,48-49]還是“ 后造山”[41-44,50-52]仍存在一定爭議。南嶺地區(qū)分布面積大、發(fā)育極為廣泛的燕山早期花崗巖類主要為(高鉀)鈣堿性巖類[53],該類花崗巖通常為同碰撞巖石圈加厚之后伸展垮塌、向非造山板內(nèi)環(huán)境過渡時期的巖漿作用產(chǎn)物[54],而板內(nèi)裂谷環(huán)境中則以發(fā)育數(shù)量很少的正長巖、二長巖等為主。長江地區(qū)燕山早期花崗斑巖為高鉀鈣堿性巖類,并且構(gòu)造環(huán)境判別圖解中均落入后碰撞和后造山構(gòu)造環(huán)境中,上述結(jié)果均表明:長江地區(qū)燕山早期花崗斑巖脈主要形成于后造山伸展構(gòu)造環(huán)境。

        該構(gòu)造環(huán)境的形成同中生代時期先后經(jīng)歷了印支運動和燕山運動兩次大的構(gòu)造-巖漿活動有關(guān)。長江地區(qū)區(qū)域上受華南地塊和印支地塊碰撞作用的影響,印支運動導(dǎo)致華南地殼加厚(可達50 km 左右)[30],在碰撞應(yīng)力消退后,這種加厚的地殼會很快發(fā)生自然減?。磳雍竦木忭憫?yīng))[55],使巖石圈進入伸展減薄的構(gòu)造環(huán)境,印支晚期在地殼增厚后伸展、減薄作用影響下,由源區(qū)為泥質(zhì)巖和砂質(zhì)巖的地殼組分發(fā)生部分熔融而形成油洞巖體。在燕山運動時期,研究區(qū)自中侏羅世開始已處于巖石圈伸展、減薄的構(gòu)造環(huán)境,巖石圈的伸展、減薄與拆沉,軟流圈地幔的上涌與加熱等,造就研究區(qū)后造山拉張環(huán)境,造成巨量花崗巖漿形成與大量花崗巖體的侵位,由砂質(zhì)巖部分熔融而形成長江巖體,由泥質(zhì)巖部分熔融而形成花崗斑巖脈;燕山晚期隨著太平洋板塊俯沖作用的影響,深部地幔上隆和巖石圈伸展減薄作用進一步加強,構(gòu)造環(huán)境由先期后造山伸展轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍍?nèi)裂谷強拉張,由泥質(zhì)巖部分熔融而形成細?;◢弾r脈、小規(guī)?;◢徺|(zhì)侵入體,由富集地幔部分熔融形成不同期次基性巖脈。

        長江地區(qū)典型鈾礦床主成礦年齡介于60~80 Ma之間[56-58],花崗斑巖脈成巖年齡為151.8 Ma,細?;◢弾r脈成巖年齡為138.6 Ma[19],礦巖時差較大,因此具有相同成因的酸性巖脈與鈾成礦沒有直接的成因聯(lián)系。但在空間分布上,具有相同成因的酸性脈巖與鈾成礦關(guān)系密切,如棉花坑礦床中常見細?;◢弾r脈穿插,鹿井地區(qū)大場坪礦點花崗斑巖中見鈾礦體等,這些現(xiàn)象表明:隨著酸性脈巖的貫入,增加了含礦圍巖結(jié)構(gòu)的不均勻性,易于形成有利成礦空間。

        6 結(jié) 論

        1)長江地區(qū)花崗斑巖脈LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡為151.8±0.7 Ma(MSWD=1.8),為燕山早期巖漿活動的產(chǎn)物。

        2)長江地區(qū)花崗斑巖脈在主量元素方面具高硅、富鋁、高w(K2O)/w(Na2O)值和高A/CNK 值等特征,在微量-稀土元素方面具高w(Rb)/w(Sr)值和w(Rb)/w(Nb)值,Rb、Th 和Hf 富集,Ba、Sr、P、Ti和Eu 虧損等特征,配分曲線呈輕稀土略富集右傾型,屬于典型的殼源型花崗巖。

        3)長江地區(qū)花崗斑巖主要形成于后造山伸展拉張構(gòu)造環(huán)境,由中-上地殼的泥質(zhì)巖組分部分熔融形成。

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