湖南攸縣新市玄武巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年及其地球化學特征

馬鐵球，閆全人，陳輝明，向忠金，周柯軍，李 彬

（1.湖南省地質調查院，長沙 410116；2.中國地質科學院地質研究所，北京 100037）

湖南攸縣新市玄武巖分布于湘東醴（陵）－攸（縣）盆地北西側（圖1），出露寬50～200 m，延伸25 km以上。由于露頭及風化等原因，前人工作程度低，僅在1∶20萬區調中圈出其范圍，比照區域地層特征，將其置于上、下白堊統之間，并缺乏巖體成巖時代及巖石地球化學等諸多資料。

筆者在《揚子東南緣中生代盆地充填序列與構造成礦事件研究》專題和《湖南1∶25萬株洲市幅（G49 C 001004）區調修測》工作中，發現碎石礦采場中玄武巖良好露頭，采石揭露出玄武巖分布及頂底界線。經詳細研究，基本查明了玄武巖分布、噴發時序、巖石組合、巖石地球化學、同位素地球化學、巖體形成的構造背景等特征。本文對新市玄武巖中鋯石利用LA-ICP-MS方法進行U-Pb年齡測定，分析其年齡譜特征，探討該區晚中生代盆地的火山活動及構造體制轉變事件，為研究湖南乃至揚子東南緣晚中生代以來的構造演化提供素材。

1 地質及巖石特征

位于攸縣新市張家陂處的玄武巖露頭良好，頂底齊全（圖2a、b）。通過剖面測制可知，玄武巖厚35.8 m，由兩個不完整噴發旋回的玄武質熔巖組成。巖體呈狹長帶狀分布，未見明顯的火山口特征，應為裂隙式噴發。巖石中見有較多的水晶及瑪瑙礦。

第一個噴發旋回。下部噴發相:噴發時間較短，厚2.3 m；巖性為深褐色氣孔杏仁狀熔巖，風化淋濾后杏仁體以沸石、綠泥石、蛋白石充填為主，少量石英，呈黃綠色膠泥狀，最大者7 cm，一般為0.5 cm左右；氣孔最大≤（10 mm×4 mm）；氣孔、杏仁體呈壓扁拉長狀，具很強的定向性排列特征，其長軸平行于熔巖與灰白色砂巖的接觸面。上部溢流相:巖性為深灰綠色、致密塊狀玄武巖，可見長石斑晶，厚約30 m。

圖1 新市玄武巖分布略圖Fig.1 The distribution ofbasalt in Xinshi,Youxian county,Hunan province

第二個噴發旋回，缺少溢流相。噴發相:厚3.5 m:巖性為雜色厚－中層狀極富沸石、綠泥石、蛋白石杏仁體的玄武巖（圖2c）；杏仁體大小不一，最大者長度大于20 cm，氣孔較大，呈狹長狀，長軸平行熔巖與紅色砂巖的接觸界面。

巖體流動構造較清楚，熔巖流在流動過程中使其下早期噴發形成的氣孔、杏仁狀玄武巖破碎，在其底部與砂巖接觸處，有厚約20 cm熔巖層強烈碎裂（圖2d），一般應是熔巖底部（邊部）快速冷凝邊，在熔巖持續流動作用下因邊緣流動產生的破碎。

巖體接觸關系清楚，與下伏砂巖呈侵入接觸，砂巖具較強的熱力變質，形成寬約20 cm的烘烤邊，砂巖顏色呈灰白色（圖2e），砂巖頂層面與熔巖接觸面略呈起伏不平，局部可見向下尖凹細小的侵蝕槽，應為熔巖流動過程中對下伏弱固結的砂巖侵蝕造成。

巖體頂部與紫紅色砂巖呈平行不整合接觸，有20 cm厚的古風化殼，熔巖中發育有似層狀、透鏡狀紅色砂巖體，應為熔巖在未完全固結的軟體環境下沉積形成。砂巖中底部有1.3 m厚的富含火山物質的礫巖、砂礫巖（圖2f）。這些礫屑成分大小混雜，分選差，說明物源區為火山巖（熔巖區），未經長距離搬運，也說明水動力條件相對較弱。未見明顯的其它沉積構造，沉積環境應為湖相。

顯微鏡下觀察，玄武巖可見斜長石（3%）、橄欖石（2%）、斜方輝石（1粒）斑晶。斜長石斑晶為自形晶，高嶺土化較明顯，鈉氏雙晶等時隱時現，粒度大小為1～2 mm。橄欖石斑晶為自形晶，被蛇紋石及鐵質交代呈假像輪廓，粒度大小為0.4～1.3 mm。斜方輝石斑晶為自形，粒度大小在1 mm左右。基質主要由斜長石（58%）、單斜輝石（35%）、石英（微）等組成，斜長石板條狀微晶雜亂分布，在其構成的多角形空隙內充填有數粒細小輝石、磁鐵礦、石英。其中斜長石被高嶺石交代。含有1%左右的杏仁體，形態不規則，充填物為綠泥石、蛋白石，大小在0.3～0.8 mm之間。副礦物主要有磁鐵礦。

圖2 湖南攸縣新市玄武巖露頭照片Fig.2 Photos from outcrop of basalts in Xinshi,Youxian county,Hunan province

杏仁狀玄武巖礦物組成與玄武巖大致相似，基質中含有15%左右的玻璃質，杏仁體較多，占25%左右。

2 樣品的采集、分析方法及結果

本次同位素年齡測試樣品采自攸縣新市鎮北西約3 km處的張家陂采石場（圖1），巖性為玄武巖；巖石地球化學分析樣品部分采自新市鎮石珠塘采石場，兩采石場相距約2 km，巖性有玄武巖和杏仁狀玄武巖。年齡測試樣點GPS點位為東經113°21′35″，北緯 27°11′31″。

玄武巖碎樣和鋯石挑選工作在中國地質科學院地質研究所實驗室完成，鋯石樣品的制靶工作由中國地質科學院礦產資源研究所電子探針實驗室完成。在室內先將巖石樣品粉碎至120目以下，用常規的人工淘洗和電磁選方法富集鋯石，再在雙目顯微鏡下手工逐個精選鋯石顆粒。鋯石的陰極發光圖像在中國地質科學院地質研究所的HITACHI S3000-N型掃描電子顯微鏡并配有GATAN公司Chroma陰極發光探頭分析儀器上完成。LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年測試分析在中國地質科學院礦產資源研究所MC-ICP-MS實驗室完成，鋯石定年分析所用儀器為Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及與之配套的Newwave UP 213激光剝蝕系統。激光剝蝕所用斑束直徑為25 μm，頻率為 10 Hz，能量密度約為2.5 J·cm-2，以 He為載氣。LA-MC-ICP-MS激光剝蝕采用單點剝蝕的方法，數據分析前用鋯石GJ-1為外標，U、Th含量以鋯石M127[1]為外標進行校正。數據處理采用ICPMSDataCal程序[2]，鋯石年齡諧和圖使用Isoplot 3.0程序完成[3]。詳細實驗測試過程可參見侯可軍等（2009）[4]。樣品分析過程中，Plesovice標樣作為未知樣品的分析結果為337 Ma，對應的年齡推薦為337.13±0.37(2σ)[5]，兩者在誤差范圍內完全一致。

多數分析鋯石為透明的自形晶體，鋯石顆粒透射光下大部分無色透明，少部分為黃褐色或玫瑰色，呈柱狀和圓柱狀，陰極發光圖像均顯示有巖漿結晶環帶（圖3）。相對應的陰極發光（CL）圖像顯示振蕩環帶和均質結構[6-7]。鋯石CL圖像色律強弱不等，部分呈黑色，這種差異可能反映了不同鋯石顆粒之間Th、U等元素的不同。

在對鋯石CL圖像分析研究的基礎上，選擇了不同形貌、不同發光強度、核-邊發育鋯石的不同部位中進行了33個點的鋯石U-Pb年齡測試，有效點為25個，測試結果見表1；鋯石的諧和圖和年齡頻譜圖見圖4。25個測點的206Pb/238U年齡值變化于132～709 Ma之間，但MSWD值較大，說明有些數據為離群值。其中10個點年齡較接近（YX14-03、YX14-06、YX14-08、YX14-14、YX14-17、YX14-18、YX14-21、YX14-22、YX14-28、YX14-33），其206Pb/238U年齡給出的加權平均年齡為132.7±1.2 Ma(2σ，MSWD=0.058)，應為玄武巖的成巖年齡。

從測試結果來看（表1），除上述10個點表面年齡在132 Ma～133 Ma之間外，還有集中分布于693～709 Ma、349～454 Ma、214～294 Ma、141 ～158 Ma等四個區間內的表面年齡值。從圖3中明顯可以看出，代表上述四個區間表面年齡測點的鋯石顏色較深，呈黃褐色或玫瑰色，滾圓或次棱角狀（YX14-26、YX14-32、YX14-09、YX14-25、YX14-27、YX14-13、YX14-30、YX14-10、YX14-11、YX14-12、YX14-19），或位于核部的包裹體部位（YX14-24、YX14-16、YX14-04、YX14-23），在 CL 圖上，鋯石的發光性較弱，韻律環帶較窄或不明顯，與主體結晶期鋯石明顯不是同期形成的產物，具繼承性鋯石或捕虜鋯石特征。

表1 鋯石LA-ICP-MS U-Th-Pb同位素分析結果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analysis data

圖3 新市玄武巖鋯石陰極發光照片Fig.3 Cathodo luminescence images of zircons from basalts in Xinshi,Youxian county,Hunan province

據前人研究資料表明，在湖南乃至本次研究區周邊地區，存在有大量與上述年齡相近的巖漿活動，如680～820 Ma期間湘西、桂北等地的基性巖漿活動[8-11]和湘東北大量中酸性巖漿活動[12]；340～460 Ma期間湘東板杉鋪、宏夏橋、吳集等地的中酸性巖漿活動[13-14]；同時湘東北、湘南還有大量的印支、燕山期基性－酸性巖漿活動[15-21]，充分說明研究樣品的鋯石來源較復雜，有可能是多次巖漿熱力作用事件的記錄。

3 巖石地球化學特征

新市玄武巖巖石主量元素、微量元素分析結果列于表2。

從表中可以看出，玄武巖的巖石化學成分與國內外玄武巖的平均化學成分相比，具有富堿的特點，在CIPW標準礦物中未出現Ne分子。巖石SiO2含量較高，變化于51.10%～53.88%之間；w(K2O+Na2O)為4.25%～6.6%，所有樣品均w(Na2O)＞w(K2O)。在w(SiO2)－w(K2O)圖中（圖略），介于鈣堿性－高鉀鈣堿性系列之間。在TAS圖解（圖5）及P2O5-Zr圖解（圖6）中，大多數屬亞堿性玄武安山巖、玄武巖，部分為堿性玄武質粗面安山巖；屬于拉斑玄武巖系列。

稀土總量較高，w(ΣREE)=(281.79～295.79)×10-6。LREE/HREE比值較大，為1.63～3.099，w(La)N/w(Yb)N為8.74～22.47，反映巖漿相對富集LREE而HREE較貧乏。不出現銪負異常，δEu較大，變化于1.05～1.15之間，稀土配分曲線表現為較陡的右傾型（圖7）。

圖4 鋯石U-Pb年齡諧和圖（左）及平均值（右）Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagram

表2 新市玄武巖主量元素、微量元素和稀土元素分析結果Table 2 Major elements,trace elements and REE analysis data

圖5 新市玄武巖TAS圖解[22]Fig.5 TAS diagram for Xinshi basalt

圖6 新市玄武巖P2O5-Zr圖解[23]Fig.6 P2O5vs.Zr plot for Xinshi basalt

不相容元素比值:La/Ce為 0.441～0.506，Sm/Nd為0.205～0.262，Ce/Nd為 1.756～2.9，Zr/Nb為7.214～10.265，與原始地幔相比有較明顯的差異[24]。輕稀土元素的富集反映了源區發生了富集作用，而性質相似的高場強元素含量變化不明顯。高場強元素與不相容元素比值上，新市玄武巖Nb/Ta為15.95～17.28，與原始地幔值17.5±2.0相似；Zr/Hf比值為33.53～47.91，略高于原始地幔值36.27，但遠高于大陸殼值11，表明本區巖石受地殼污染的可能性很小[25]。在以原始地幔為標準的圖解中(圖8)，相對富集 Zr、Hf、Ta、Sr、Th、U、Rb 而貧 K 和稀土元素等，其特征與湘南地區中生代玄武巖相似[26]。

圖7 稀土元素配分型式圖Fig.7 Chondrite-normalized REE pattern ofXinshi basalt

圖8 微量元素原始地幔標準化蛛網圖Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram for Xinshi basalt

表3 新市玄武巖Sm-Nd同位素組成Table 3 Sr-Nd isotope composition of Xinshi basalt.

玄武巖的Sr、Nd同位素組成列于表3中。其特征表現為:87Sr/86Sr初始值較小，平均0.70692，變化于0.70576～0.70920之間；εSr(T)值平均34.3975，變化在17.90～66.66之間。εNd(T)平均2.25；TDMⅡ平均0.743 Ga，反映時代較新。在εNd(t)-t/Ma圖解中(圖9)，投點位于CHUR線之上，說明其物質來源于下地幔。

4 玄武巖形成的構造環境

湖南省境內巖漿活動至白堊紀時已接近尾聲，僅有少量的CPG花崗巖、拉斑玄武巖及輝綠巖、煌斑巖等分布，主要出露在湘東南及湘東北地區。研究表明早在140～130 Ma華南及湘東北地區就已完成了由陸內碰撞擠壓向陸內伸展的轉變[27]，構造背景是緊隨侏羅紀擠壓造山運動之后的構造松馳和拉張減薄的環境[28]。

圖9 新市玄武巖εNd（t）-t/Ma圖解Fig.9 εNd(t)vs.t/Ma plot for Xinshi basalt

新市玄武巖具有低鉀、高鈦，LILE富集并不強烈。微量元素蛛網圖與板內玄武巖的配分模式相似（圖 8）。在 w(Th)/w(Hf)－w(Ta)/w(Hf)圖解中（圖 10），分布在陸內裂谷及陸緣裂谷拉斑玄武巖區，反映醴（陵）－攸（縣）盆地形成于變薄的大陸巖石圈上的陸內拉張環境。在此陸內拉張構造條件下，先前被俯沖帶流體/熔體交代的地幔混入陸殼物質，經部分熔融導致了醴（陵）－攸（縣）盆地玄武巖的形成。

圖10 新市玄武巖Th/Hf-Ta/Hf圖解Fig.1 Th/Hfvs.Ta/Hfplot for Xinshi baslt

5 結論

（1）新市玄武巖由兩個不完整噴發旋回的玄武質熔巖組成，其頂底由氣孔－杏仁狀玄武巖組成，中部為致密狀玄武巖；具裂隙式溢流噴發特征；夾于下白堊統神皇山組中。

（2）LA-ICP-MS鋯石U-Pb結果表明，新市玄武巖成巖年齡為為132.7±1.2Ma，為早白堊世產物。

（3）新市玄武巖主要為亞堿性拉斑玄武巖系列，以富硅、低鉀、高鈦，稀土元素總量較高，富集輕稀土，無負銪異常；Rb、Sr、LILE 弱富集，K、HREE強烈虧損；具有較低的Isr值，較高的εNd(T)，TDMⅡ年齡較小；其物質來源于原始地幔，為地幔巖石部分熔融的原生巖漿，形成于陸內拉張（裂谷初期）環境。

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