桂東北平樂縣沙子煌斑巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及Hf同位素組成

時 毓,楊金磊,李 響,王新宇,,吳祥珂,劉希軍,三元合,,張曉晨

(1.桂林理工大學 a.廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室;b.廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發協同創新中心,廣西 桂林 541004; 2.中國地質調查局 武漢地質調查中心, 武漢 4302053; 3.廣西壯族自治區地質調查院,南寧 530023)

華南地區經歷了Columbia超大陸、 Gondwana超大陸、 Pangean超大陸以及亞歐大陸形成與演化的多期構造活動, 具有獨特的地球動力學演化模式[1-2]。 在中生代, 華南地區經歷了印支與燕山運動兩期構造事件, 并完成了由特提斯構造域向太平洋構造域的轉換[3-6], 構造應力場也由總體的擠壓變為拉伸體制[7-9]。 由于遭受強烈的陸殼改造作用, 且在陸內巖石圈伸展的構造背景下有利于發生成巖成礦作用, 所以華南地區的金屬成礦作用及各種與花崗巖有關的成礦作用主要發生在中生代, 尤其是燕山期, 是我國東部“大爆發成礦”最具代表性的區帶[1, 10-14]。 因此, 華南地區受到國內外地學界的廣泛關注[1-24]。 然而關于華南中生代的構造屬性還存在著較大分歧[4, 6, 8, 16-17], 華南大規模成礦的具體發生時間也還未達成共識[1, 10-12, 18], 對華南地區中生代巖石成因及構造背景的認識也尚存爭議[3,6,12,19-20]。 這些問題還需要進行多方面的論證。

南嶺位于華南地區的中南部,被認為是華南中生代構造體制的轉換區,190～160 Ma為構造體制轉換期[21-23]。而桂東北地區位于南嶺西段,巖漿活動頻繁,出露大量巖漿巖及少量的基性巖脈[24]。基性巖脈是區域性拉張伸展運動的產物,是深部熱-動力作用在地表的重要表現,是研究深部地幔性質、殼幔相互作用的重要“巖石探針”[25],對了解大陸巖石圈地幔特征和成巖時的構造背景具有重要意義[26-28]。因此,為研究上述重要問題,本文對位于南嶺西段的桂東北地區基性煌斑巖進行了巖石學、巖相學、鋯石年代學及鋯石Hf同位素測試,探討了研究區煌斑巖的形成時代及物質來源,這將有助于為華南中生代大規模成巖成礦作用和巖石成因及構造背景中存在的爭議提供新的思路和證據。

1 研究區地質概況及樣品特征

研究區桂東北平樂沙子煌斑巖位于華南地區南側,揚子與華夏板塊的拼合帶上,北西為揚子板塊,南東為華夏板塊(圖1a)。本區地殼演化具有明顯的階段性,可分為晉寧、加里東、海西-印支、燕山-喜馬拉雅4個階段[24]。研究區出露的地層為寒武系、奧陶系、泥盆系、石炭系、三疊系、侏羅系及第四系[24]。斷裂構造較發育,典型的有白石斷裂、荔浦斷裂、觀音閣斷裂帶等。白石斷裂,北起全州縣大西江,南至平樂縣沙子街附近,走向近南北,斷層南段為正斷層,北段為逆斷層,全長180 km[29]。荔浦斷裂由鹿寨縣四排經荔浦延至平樂附近,走向50°～60°,為逆斷層,全長約100 km[29]。觀音閣斷裂帶位于平樂縣沙子、恭城縣栗木、都龐嶺一帶,東北延入湖南[29]。在區域上,平樂沙子煌斑巖受觀音閣深斷裂、荔浦大斷裂及白石斷裂的控制。

煌斑巖樣品GX1511, 采自廣西平樂縣沙子鎮渡河村電站西路北山坡上(N24°49′50.88″, E110°44′0.98″)(圖1b)。 樣品新鮮面為灰白色, 風化面為黃褐色, 風化嚴重。 圍巖為白云質灰巖, 野外不見基巖露頭, 僅從風化表層挖到遭受較強風化作用及蝕變的煌斑巖樣品(圖2a、 b)。 巖石由斑晶和基質兩部分組成,斑晶占20%左右, 主要由斜長石假晶(15%±)和普通角閃石及其假晶(5%±)組成, 斜長石呈半自形-他形粒狀, 極少量被熔蝕呈渾圓狀, 粒徑為0.6～3 mm, 已被絹-白云母、 綠泥石完全取代, 以假晶出現, 僅殘留斜長石晶型(圖2c、 d)。 從殘留結構可以看出部分晶體具環帶結構; 普通角閃石呈半自形柱狀, 大小為0.8～2 mm, 沿其邊部被綠泥石不均勻取代, 部分晶體被黑云母、 石英完全取代。 基質由斜長石微晶假晶(40%±)、 暗色礦物假晶(15%±)和玻璃質(25%±)組成。 斜長石微晶呈自形-半自形粒狀, 大小為0.2～8 mm, 蝕變情況與斑晶基本相同;暗色礦物已完全蝕變,被赤鐵礦、褐鐵礦完全取代,僅殘留晶型。玻璃質發生脫玻化,析出斜長石雛晶(圖2c、 d)。

圖1 桂東北地區地質簡圖及采樣位置Fig.1 Simplified geological map of northeastern Guangxi and the sampling locations(a)據文獻[24]修改; (b)據廣西區域地質調查研究院1∶50萬廣西壯族自治區數字地質圖修改

煌斑巖樣品GX1512,采自廣西平樂縣沙子鎮大旺村東南山坡果園內(N24°50′44.13″, E110°42′54.67″)(圖1b)。 樣品新鮮面為灰黑色, 風化面為黃褐色, 風化嚴重, 具有典型的煌斑結構, 塊狀構造(圖3a、 b)。 可見基巖露頭, 圍巖為白云質灰巖(圖3a)。 巖石由斑晶(15%±)和基質(85%±)兩部分組成, 斑晶主要由橄欖石假晶(5%±)和金云母(10%±)組成, 橄欖石呈半自形-他形粒狀, 大小0.6～1 mm, 已被綠泥石等完全取代, 以假晶出現, 僅從殘留的晶型和結構可辨認, 個別晶體殘留環帶結構; 金云母及其假晶呈半自形柱狀, 大小0.8～2 mm, 已被綠泥石、 白云母和黑云母完全取代。 基質由斜長石假晶(20%±)、 暗色礦物假晶(15%±)、 玻璃質(48%±)和綠簾石(2%±)組成, 斜長石假晶和暗色礦物假晶大小為0.05～0.6 mm, 蝕變情況與斑晶基本一致, 玻璃質發生脫玻化, 析出斜長石雛晶, 綠簾石呈粒狀, 大小為0.05～0.1 mm, 呈不均勻分布(圖3b)。

2 測試方法

煌斑巖樣品的破碎和鋯石的挑選工作在河北廊坊市誠信地質服務有限公司完成；陰極發光(CL)顯微照相工作和鋯石的制靶工作在重慶宇勁科技有限公司完成；鋯石定年測定工作在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成,采用的儀器為激光電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS),激光取樣系統New Wave Research 213 nm與Agilent 7500s ICP-MS連接,激光束斑直徑32 μm,頻率5 Hz。為了檢查儀器的穩定性和分析結果的可靠性,每輪測試分析前后都進行了2次標樣GJ分析,每組分析都包含12個樣品點且均含有標樣Muk Tank的分析。樣品的同位素比值及元素含量計算使用Glitter(ver. 4.0)軟件[30],普通鉛校正使用ComPbCorr#3-15G程序[31],年齡及諧和圖繪制采用Isoplot 3。

圖2 煌斑巖樣品GX1511的野外和手標本照片及鏡下特征Fig.2 Photographs of field, hand specimen and microscope features of lamprophyre GX1511

鋯石Hf同位素分析在桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室完成,利用裝配ESI New wave 193 ArF準分子激光器的高分辨率多接收器 ICP-MS系統進行。 測試過程中儀器的工作參數：剝蝕時間60 s,光束直徑44 μm,重復頻率10 Hz,脈沖能量密度為5.2～6.1 J/cm2,剝蝕深度2 μm。測定時采用國際標準鋯石GJ-1作為參考,以評估儀器的穩定性和可靠性,其平均值為176Hf/177Hf=0.281 996±0.000 020(2σ,n=121)。 用同一點的βYb的均值176Yb對176Hf進行干擾校正[32]以得到精確的數據分析。 初始176Hf/177Hf值計算采用的176Lu

衰變常數為1.867×10-11[33], 球粒隕石176Hf/177Hf=0.033 6±1和176Hf/177Hf=0.282 785±11(2σ) 用作進行εHf(t)計算[34]。 每個鋯石的地殼模式年齡計算(TDM2)基于假設平均大陸地殼176Hf/177Hf 值是0.015的兩階段模型[35]。詳細測試流程參見文獻[36-37]。

3 分析測試結果

3.1 鋯石陰極發光特征及U-Pb年齡

沙子煌斑巖樣品中的鋯石為長柱狀、渾圓-橢圓狀或破碎的不規則狀,鋯石長度為75～254 μm,長寬比為1∶1～3∶1,部分鋯石具有明顯的核-幔結構,陰極發光(CL)圖像顯示多數鋯石具有明顯的震蕩環帶(圖4),鋯石的Th/U值大部分大于0.4,顯示了巖漿鋯石的特征[38-39]。

對GX1511樣品中的46顆鋯石進行了46個測點分析, 其Th、U含量變化范圍較大,分別為(30～1 213)×10-6和(64～2 239)×10-6, Th/U值為0.21～2.84, 均值為0.91(表1)。所測鋯石的年齡值分散, 變化于2 711～163 Ma, 集中于中元古代(1 465～1 056 Ma)和新元古代(988～553 Ma)； 還有5顆形成于新太古代,207Pb/206Pb年齡變化于2 711～2 516 Ma； 5顆形成于古元古代, 年齡在2 132～1 694 Ma; 8顆形成于古生代,206Pb/238U年齡變化于516～254 Ma； 3顆形成于中生代(侏羅紀), 年齡分別為197±3 Ma、 173±2 Ma和163±2 Ma(表1, 圖5a、 b)。 該煌斑巖的侵位時代應小于最年輕的諧和鋯石的年齡(～163 Ma),其他的老鋯石則很可能為捕獲鋯石。

圖4 煌斑巖中鋯石陰極發光照片Fig.4 Cathodoluminescence (CL) images for zircons of the lamprophyres

分析點號同位素比值207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ定年結果/Ma207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ諧和度/%wB/10-6ThUTh/U GX151110.051 820.001 330.194 310.004 560.027 200.000 252773718041732961311670.7820.064 980.001 261.142 180.019 440.127 490.001 1077422774977461003272201.4930.076 240.001 331.909 080.028 220.181 630.001 431 101171 084101 0768981261410.8940.115 150.001 595.246 400.057 360.330 470.002 391 882101 86091 8411298661920.3450.067 190.001 081.400 000.018 740.151 120.001 1484416889890761021101530.7260.186 420.002 7313.707 570.164 420.533 310.004 152 711102 730112 75517102721300.5570.169 420.002 2311.412 480.116 210.488 540.003 422 55282 557102 564151001351680.8080.067 070.001 151.290 840.018 880.139 590.001 1184018842884261001191340.8990.069 100.000 971.439 670.016 220.151 120.001 0890212906790761002064830.43100.060 840.001 240.912 290.016 480.108 750.000 94634246589665510130900.33110.057 840.001 140.664 390.011 610.083 310.000 7052424517751641002751421.94120.055 880.001 630.558 440.015 110.072 480.000 784484145110451510095881.08130.066 150.001 201.233 800.021 900.135 270.001 9381117816108181110092911.00150.050 040.000 940.176 360.003 260.025 560.000 371972016531632994708480.55160.074 580.001 391.847 960.033 760.179 720.002 621 057171 063121 06514101521160.45170.179 320.002 1912.550 240.156 100.507 640.007 202 647112 646122 6473110070850.83180.062 940.001 040.909 860.014 750.104 850.001 437061665786438981611111.46190.070 920.000 921.576 000.020 410.161 190.002 14955129618963121001281261.02200.057 950.000 720.661 950.008 320.082 850.001 095281351655136995595351.04210.071 550.001 291.609 830.028 640.163 210.002 42973169741197513100522480.21220.066 460.003 420.425 860.020 780.046 490.000 97821673601529368167641.04230.165 800.002 0510.917 440.135 230.477 600.006 472 516102 516122 5172810091661.37240.105 600.001 344.550 150.057 520.312 530.004 151 725111 740111 75320102741100.67250.067 230.001 321.215 360.025 620.131 130.001 98845218081279411982431881.29260.065 920.001 101.198 260.021 750.131 850.001 838041880010798101004271502.84270.091 880.001 203.183 150.047 710.251 310.003 331 465131 453121 44517991551710.91280.103 820.001 554.277 910.069 110.298 870.003 911 694141 689131 686191001881881.00290.074 580.001 361.839 900.035 460.178 970.002 491 057191 060131 061141003074400.70300.065 810.002 341.197 580.041 810.131 990.002 378004479919799131001201131.06310.063 610.001 520.614 850.014 780.070 130.001 027292748794376906131 0220.60320.108 480.001 784.517 810.079 250.302 120.004 101 774151 734151 70220962531941.30330.074 650.001 161.825 470.030 200.177 390.002 291 059151 055111 05313991968910.22340.075 340.001 321.786 630.033 880.172 020.002 471 078181 041121 0231495871100.79360.050 040.000 940.176 360.003 260.025 560.000 3738719432644061028875691.56370.074 580.001 391.847 960.033 760.179 720.002 62983139929996121002394900.49380.179 320.002 1912.550 240.156 100.507 640.007 202 132112 134122 13823100711170.61390.062 940.001 040.909 860.014 750.104 850.001 435711855785537994272092.04400.070 920.000 921.576 000.020 410.161 190.002 142 523112 529142 536291011741960.89410.054 390.000 900.529 930.009 640.070 680.000 99744157508752101004125660.73420.071 890.000 851.655 320.023 570.167 070.002 195291928952604906637210.92430.132 520.001 567.182 190.098 490.393 210.005 054462627362544931563840.41440.059 100.000 980.730 040.013 210.089 630.001 231 056141 068101 075131027535311.42450.166 520.002 0211.065 240.164 230.482 070.006 70816247911378312994395840.75460.064 080.000 851.093 140.017 190.123 780.001 711 071131 073101 075131003407170.47470.057 970.000 970.328 840.006 050.041 150.000 589961799712998141002744710.58480.055 830.001 230.309 100.007 130.040 170.000 603741621131973931 2132 2390.54

續表1

對GX1512樣品中的32顆鋯石進行了32個測點分析,其Th、U含量變化范圍也較大,分別為(16～471)×10-6和(13～1 053)×10-6, Th/U值為0.09～4.01, 均值為0.95(表1)。 所測鋯石的年齡值也很分散, 變化于2 534～503 Ma, 同樣集中于中元古代(1 430～1 007 Ma)和新元古代(992～742 Ma)； 還有2顆形成于新太古代(2 534～2 524 Ma), 5顆形成于古元古代(2 487～1 664 Ma), 2顆形成于早古生代(525～503 Ma), 這些鋯石很可能是捕獲鋯石(表1, 圖5c、 d)。 由于該煌斑巖脈侵入于泥盆系(圖1),因此該樣品中的鋯石均不能代表煌斑巖的侵位時代。

3.2 鋯石Hf同位素組成

對平樂縣沙子煌斑巖GX1511樣品中定年過的14顆諧和鋯石進行了Hf同位素分析(表2), 其中8個點的εHf(t)為負值, 6個點的εHf(t)為正值。 (176Hf/177Hf)i值范圍為0.280 760～0.282 649, 其εHf(t)值變化范圍在-23.56～12.81, 二階段Hf模式年齡TDM2在3.95～1.00 Ga。 其中, 年齡為太古代(2 552 Ma)的鋯石(#7)捕擄晶,εHf(t)值為-13.7,其TDM2為3.95 Ga, 暗示其可能來源于古太古代的隱藏地殼。 而另一顆太古代(2 711 Ma)鋯石(#6)捕擄晶,εHf(t)值為3.99, 其TDM2為2.95 Ga, 僅比其鋯石結晶年齡老200 Ma, 暗示在太古代有新生地殼物質的加入。 形成于古元古代(1 882 Ma)的鋯石(#4),εHf(t)值為-4.11,TDM2為2.81 Ga, 可能來源于古老的太古代地殼物質。 形成于中元古代的兩顆鋯石,具有正的εHf(t)值和中元古代的TDM2值, 指示該時期主要為新生地殼物質的加入。 新元古代的6顆鋯石, 其εHf(t)值有正有負,TDM2為2.87～1.00 Ga, 指示在新元古代既有新生地殼物質的加入, 也有古老物質的再循環。 其中年齡為963 Ma的鋯石(#19),TDM2值為1.00 Ga, 與其鋯石的結晶年齡非常接近, 其εHf(t)值為12.81, 接近于虧損地幔值。 中侏羅世(173 Ma)的鋯石(#1), 具有非常負的εHf(t)值(-23.56),TDM2為2.67 Ga, 這顆鋯石很可能是從新太古代地殼再熔融巖漿中結晶出來的, 其來源于新太古代的地殼源區(表2, 圖6)。

圖5 煌斑巖中鋯石U-Pb年齡諧和圖和頻譜圖Fig.5 U-Pb concordia and relative probability diagrams for zircons of the lamprophyres

GX1512樣品的22個測試點的(176Hf/177Hf)i值范圍0.280 840～0.282 318。 新太古代早期—古元古代早期(2 534～2 455 Ma)的鋯石均具有負的εHf(t)值,TDM2值為3.81～3.07 Ga, 指示其主要來源于古老的古太古代地殼物質。 形成于中元古代的6顆鋯石(1 430～1 007 Ma), 其εHf(t)值有正有負,TDM2為2.29～1.44 Ga, 指示在中元古代既有新生地殼物質的加入, 也有古元古代古老物質的再循環。 新元古代的9顆鋯石(992～749 Ma)均為負的εHf(t)值,TDM2值在3.69～1.88 Ga。 其中#5鋯石的εHf(t)負達-29.55,TDM2值為3.69 Ga, 指示了在新元古代主要為古太古代-古元古代地殼物質的再循環； 另有2顆早古生代的鋯石(525～503 Ma), 均具有負的εHf(t)值(-10.95～-16.47),TDM2值為2.51～2.15 Ga,指示了新太古代-古元古代地殼物質的再循環(表2, 圖6)。

圖6 煌斑巖中鋯石(176Hf/177Hf)i、 εHf(t)與年齡關系Fig.6 Plots of (176Hf/177Hf)i ， εHf(t) vs ages for zircons of the lamprophyres

表2 沙子煌斑巖鋯石Hf同位素組成

4 討 論

4.1 沙子煌斑巖的形成時代

桂東北平樂縣沙子煌斑巖的LA-ICP-MS年齡前人未曾報道, 本文中所測沙子煌斑巖中最年輕的鋯石形成于燕山早期, 其形成年齡為163 Ma, 該煌斑巖的結晶年齡應小于該年齡, 但有資料記載其形成于燕山期, 云母同位素年齡為163 Ma[29]。 本文根據鋯石年齡, 認為該煌斑巖的形成年齡應晚于163 Ma。 謝桂青等[40]提出華南地區巖石圈伸展可分為180～155、 145～125、 110～75 Ma三個階段。 平樂縣沙子煌斑巖可能與云南建水和江西崇義錫坑鎢礦區等地區的煌斑巖(～158 Ma)(表3)同樣是華南地區第一階段巖石圈伸展作用下的產物[41-44]。

近年來許多研究表明, 華南地區燕山期大面積火成巖形成于伸展的構造背景中[4, 15, 45-46]。謝竇克等[47]認為我國東南大陸的裂解作用開始于燕山晚期；李獻華[48]認為華南構造應力場在早白堊紀才開始發生從擠壓到剪切-拉張的轉變；而陳培榮等[49]認為華南在燕山早期(侏羅紀)時巖石圈發生過伸展裂解作用,并非在白堊紀才開始裂解。煌斑巖一般產出于大陸裂解的構造環境下,廣西平樂縣沙子煌斑巖的形成年齡應晚于163 Ma,而且華南在燕山早期晚階段(中-晚侏羅世)形成了大量花崗巖(表3),這些花崗巖被認為是在伸展構造背景下形成的[50-76],所以它們與本文的煌斑巖很有可能是同一次巖漿熱事件的產物。因此上述資料表明，華南在中晚侏羅世發生了廣泛的與伸展作用相關的巖漿活動,說明華南在中晚侏羅世巖石圈仍處于伸展狀態。

表3 華南中-晚侏羅世煌斑巖、花崗巖及相關礦床年齡

4.2 沙子煌斑巖的物質來源

本文所測煌斑巖樣品中的鋯石,大多呈渾圓-橢圓狀,有些鋯石具有明顯的核-幔結構,煌斑巖的形成年齡應晚于～163 Ma,其余新太古代、古元古代、中元古代、新元古代和早古生代的鋯石可能是煌斑巖巖漿侵入過程中捕獲的鋯石。所測最古老的7顆鋯石形成于新太古代,進一步揭示了該地區深部可能存在未暴露的太古代結晶基底[77-78]。從樣品的鋯石U-Pb年齡頻譜圖(圖5)中得到年齡在～800 Ma的鋯石相對集中,研究區地處揚子地塊和華夏地塊的拼合帶上(圖1a),所以它們的形成可能與新元古代兩地塊的俯沖-碰撞作用有關[79-84]。

鋯石具有極強的穩定性,因此其Hf同位素組成極少受到后期地質事件的影響,且其Lu含量極低從而可以獲得準確的鋯石形成時的Hf同位素組成。因此鋯石的Hf同位素分析是探究巖漿演化和示蹤源區的重要工具[33]。鋯石的初始εHf為正值,表明巖體形成時加入較多的幔源物質或新生地殼物質,初始εHf為負值,則表明巖體形成時以殼源物質成分為主[37]。對平樂縣沙子煌斑巖中定年過的36顆諧和鋯石Hf同位素分析顯示,絕大部分鋯石為捕獲鋯石,在新太古代既有古太古代古老地殼物質的再循環,也有新生地殼物質的加入;在古元古代主要為新太古代地殼物質的再循環;在中元古代主要為新生地殼物質的加入,也伴隨有古元古代古老物質的再循環;在新元古代主要為古太古代-古元古代古老物質的再循環,同時伴隨有新生地殼物質的加入;早古生代主要為新太古代-古元古代地殼物質的再循環。而接近煌斑巖形成時代的中侏羅世鋯石,則很可能是從古老地殼再熔融巖漿中結晶出來的。結合平樂縣沙子煌斑巖中捕獲鋯石的Hf同位素特征及同時期花崗巖研究,因此認為研究區很可能存在古太古代-古元古代的隱藏地殼。

5 結 論

(1)桂東北平樂縣沙子煌斑巖的形成年齡應晚于163 Ma,為燕山早期的產物,與華南中-晚侏羅世形成的大量花崗巖可能為同一次巖漿熱事件的產物。

(2)根據桂東北平樂縣沙子煌斑巖的大致侵位時代,結合同時期大量的花崗巖研究揭示了中侏羅世華南地區仍處于伸展狀態。

(3)研究區很可能存在古太古代-古元古代的隱藏地殼。