粤中从化地区佛冈岩基白垩纪花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学及地球化学特征

时间：2024-05-22

叶升明，李宏卫，何翔，李锐，何斌

（1.东华理工大学，南昌 330000；2.广东省地质调查院，广州 510080）

广东佛冈岩体是南岭地区规模最大的复式岩基，出露面积约6000 km2，其主体岩性为中粗粒斑状黑云母花岗岩、中粒黑云母二长花岗岩，局部为含角闪石的花岗闪长岩, 它们占佛冈复式岩基总面积的90%以上，与少量闪长岩-角闪辉长岩共同构成钙碱性系列复式岩体。此外，还有少量碱性系列的正长岩和A型碱性长石花岗岩。前人对佛冈岩体开展了大量的年代学、岩石学、矿物学和地球化学方面的研究，将岩体形成时代限定在158 ~168 Ma之间[1-8]，但对其岩石类型及成因一直存在争议，如存在A型[1-2]、I型[3]和S型花岗岩[4]之争；也有部分学者认为佛冈岩体经历了强烈分异，难以划分是S 型、I型或高分异的I型花岗岩，还是A型花岗岩[9]。本次研究的粤中从化地区花岗岩属佛冈岩基中部的一部分，相对于佛冈岩基的主体花岗岩而言，该套花岗岩研究程度较低。本文对该套花岗岩进行了系统的年代学及地球化学研究，显示其可能为白垩纪高分异I型花岗岩，岩石形成于古太平洋板块向欧亚板块俯冲的陆缘弧构造环境，这对更为全面了解佛冈岩基成因和构造背景等具有一定意义。

1 地质背景和岩石学特征

1.1 地质背景

研究区位于NE向广州-从化断裂带与EW向佛冈-丰顺构造带交汇部位，行政区划位于广州良口 - 吕田一带，地理座标：东经 113°30′~114°00′，北纬 23°40′~23°50′，面积约 940 km2。地势总体上呈南北高，中间低的带状，海拔大多在400～1100 m之间。区内分布有两期不同成因类型的花岗岩体（图1），本次研究的是区内的白垩纪花岗岩，主体岩性为中粒斑状黑云母二长花岗岩。

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch of the research area

1.2 岩石学特征

该套白垩纪花岗岩主要分布在良口-四九沿线、五指山、亚婆绿山、蓄能水电站附近，整体呈东西向展布，包括有良口岩体、亚婆绿岩体和鸡公岩岩体等，出露总面积约211.7 km2，岩性主要为中粒斑状黑云母二长花岗岩，与周边围岩呈侵入接触关系，围岩岩性主体为晚侏罗世粗粒斑状黑云母二长花岗岩；白垩纪岩体内偶见有晚侏罗世岩体残留体。

岩体整体呈灰白色-淡肉红色，岩性为二长花岗岩，岩石具似斑状结构、花岗结构，块状构造。主要由钾长石、斜长石、石英和少量黑云母组成。斑晶主要为钾长石，淡肉红色-肉红色，粒径一般为8~15 mm，含量8%~15%。基质主要由钾长石、斜长石、石英和暗色矿物组成，为中粒花岗结构，局部呈细粒花岗结构（图2a）；其中，钾长石为正长石、微斜长石和条纹长石，含量35%~40%，呈半自形板状或他形粒状，粒径0.8~12.5 mm；微斜长石可见格子双晶；条纹长石主晶为正长石或微斜长石，客晶为细小的条纹状钠长石。斜长石主要为钠-更长石，含量25%~30%，呈半自形板状，粒径0.6~5.5 mm，发育聚片双晶，弱-中等绢云母化，局部绿泥石和绿帘石化；石英呈他形粒状，含量25%~30%，粒径1.55~5.55 mm，表面干净，较均匀分布。黑云母含量3%~5%，呈半自形片状，片径0.4~4 mm，夹少量均匀分布的白云母（图2b）。

图2 中粒斑状黑云母二长花岗岩野外露头（a）和显微镜下照片（正交偏光）（b）Fig.2 Field outcrops and microscopic photographs of medium-grained porphyritic biotite monzogranite

人工重砂分析结果显示，该套花岗岩副矿物总量值为（15.63~1819.3）×10-6。副矿物种类约有21种，包括磁铁矿、磁赤褐铁矿、赤褐铁矿、锆石、绿泥石等（见表1）。副矿物组合类型属磁铁矿-锆石-绿泥石型，其大致与佛冈岩基中的其它白垩纪花岗岩副矿物组合[3]一致。

表1 白垩纪花岗岩副矿物含量表（单位：×10-6）Table 1 Accessory minerals contents in Cretaceous granite (unit: ×10-6)

2 测试方法

本次研究在佛冈岩基中部良口-吕田一带共采集了9件全岩样品，用于主量、微量、稀土元素分析；并对其中4件样品进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年及Lu-Hf同位素测试，所有测试均在北京锆石领航科技有限公司完成。

主量元素测试的主要检测仪器为Axiosmax X射线荧光光谱仪，其中FeO测试的主要检测仪器为50 ml滴定管，分析精度一般优于2%；灼矢量、H2O+、H2O-测试的主要检测仪器为P124S电子分析天平；稀土及微量元素测试采用酸溶法制备样品，主要检测仪器为X Serise2电感耦合等离子体质谱仪，相对误差不大于5%。

在双目显微镜下挑选出晶型好、无裂隙、透明干净的自形锆石颗粒，在玻璃板上用环氧树脂固定，并抛光至锆石中心，然后进行反射光和透射光照相，并用扫描电子显微镜上的阴极发光仪详细检查锆石内部结构，以选择最佳分析点。然后参照锆石阴极发光（CL）及反射光图像，选择锆石颗粒表面无裂痕、内部环带清晰、无包裹体的位置做U-Pb定年测试。LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年测试仪器为Agilent 7500a，激光剥蚀系统为GeoLas2005激光剥蚀斑束，直径为32 μm。对数据分析的离线处理采用软件ICP-MS DataCal完成，详细的仪器操作条件和数据处理方法见文献[10-11]。数据处理采用SQUID1.0及ISOPLOT程序[12]。锆石Lu-Hf同位素测试是在Neptume plus多接收等离子质谱及配套的ESI NWR193紫外激光剥蚀系统（LA-ICP-MA）上进行的，实验过程中采用He作为剥蚀物质载气，剥蚀直径为50 μm，测定时使用锆石国际标样GJ1作为参考物质，分析点与U-Pb分析点为同一位置。

3 锆石U-Pb年代学

本次在研究区白垩纪花岗岩体内部共采集了4个测年样品（样品编号分别为0001、0016、0017、0022），通过人工重砂挑选出形态较好的岩浆锆石，锆石一般呈浅褐色、少量浅粉色，部分水化显乳白色调，少量铁染呈褐红色，自形-半自形四方双锥状、短柱状，透明，玻璃光泽，少量锆石内可见黑色固相包体，具典型的振荡环带结构（图3）。使用激光剥蚀-电耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）对80个锆石测点进行了U-Th-Pb含量分析及U-Pb年龄测定，部分结果列于表2。从表2中可以看出：锆石样品的Th含量为（221~2418）×10-6，U含量为（364~8402）×10-6，Th/U 比值在 0.17~1.79之间，具典型的岩浆锆石特征[13]；个别锆石颗粒呈浑圆状或内部存在小的不规则晶核，可能为捕获或继承锆石。

表2 白垩纪花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年原始数据Table 2 LA-ICP-MSzirconU-Pbdating data of Cretaceous granite

图3 白垩纪花岗岩锆石U-Pb同位素年龄谐和图Fig.3 Zircon U-Pb age concordia diagram of Cretaceous granite

续表2

每个样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄数据点均落在谐和曲线上或附近（谐和度高于90%）（图3），获得样品 0001、0016、0017和 0022的加权平均年龄值分别为145.4±1.4 Ma（MSWD=1.2）、144.3±2.1 Ma（MSWD=0.27）、144.4±1.8 Ma（MSWD=0.42）和143.0±1.7 Ma（MSWD=0.096），可确定岩浆结晶时间为早白垩世早期。

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素地球化学特征

白垩纪花岗岩岩石化学成分及特征参数值见表3。岩石SiO2含量较高，在71.9%~77.72%之间，平均含量约74.89%；Al2O3含量在12.17%~14.42%之间；ALK全碱指数（Na2O+K2O）在7.92%~9.15%之间；Na2O/K2O值在0.42~1.05之间，相对富钾贫钠；A/CNK值在1.31~1.49之间，属过铝质。在花岗岩岩类TAS分类图（图4a）中，样品点均落在花岗岩类范围内，与野外观测和薄片鉴定结果相符。在A/KN-A/CNK图解中，样品点均落在过铝质范围内（图4b）。在SiO2-K2O图解上，样品均落入高钾钙碱性系列中（图4c）。CIPW标准矿物中出现石英（Q）和刚玉（C），反映出硅过饱和、铝过饱和的特征。在SiO2-Ce图解（图5a）中，除0022号样品落在A型花岗岩范围，其他样品均落在I型花岗岩范围内；在 SiO2-P2O5图解（图5b）中，SiO2与 P2O5含量呈线性负相关。综上所述，白垩纪花岗岩属过铝质高钾钙碱性系列I型花岗岩类。

图4 白垩纪花岗岩地球化学分类图解Fig.4 Geochemical classification diagram of Cretaceous granites

图5 白垩纪花岗岩成因类型图解Fig.5 Genetic types of cretaceous granites

表3 白垩纪花岗岩硅酸盐分析结果（%）及特征参数表Table 3 Cretaceous granites silicate analysis results (%) and characteristic parameters table

4.2 微量和稀土元素地球化学特征

白垩纪花岗岩微量元素地球化学分析结果列于表4。与维氏值[17]相比较，除 Be、Sc、Rb、Pb、Bi、Th、Sr及U等元素含量相对较高外，其余元素普遍较低。Rb/Sr比值较高，在2.2~98.1之间；Sr/Ba比值较低，在0.24~1.14之间。在微量元素原始地幔标准化蛛网图上（图6a），岩石相对富集强不相容元素Rb、U、Ta、La、Nd、Sm 和 Lu，强烈亏损 Ba、Nb、Sr、P和Ti。

表4 白垩纪花岗岩微量元素含量（×10-6）Table 4 Trace element content abundances (×10-6) of Cretaceous granite

白垩纪花岗岩稀土元素含量见表5，ΣREE值为（128.8~393.8）×10-6；ΣCe/ΣY 比值在 2.2~13.4之间、(La/Yb)N比值在2.1~25.4之间，均小于维氏值[17]。稀土元素球粒陨石标准化分布型式图表现为向右倾斜（图6b），属于轻稀土富集型，轻重稀土元素分异较强；具有明显的Eu亏损（δEu值在0.1~0.4之间，平均值为0.22），说明发生了显著的斜长石分离结晶作用。

表5 白垩纪花岗岩稀土元素含量（单位：×10-6）及参数表Table 5 Rare earth element abundances (×10-6) and related parameters of Cretaceous granite

图6 白垩纪花岗岩微量元素原始地幔标准化蛛网图（a）及稀土元素球粒陨石标准化分布型式图（b）Fig.6 Trace elements cobweb map and REE distribution pattern of Cretaceous granite

4.3 Lu-Hf同位素

本次对4件样品中已完成U-Pb测年的80颗岩浆锆石进行了Hf同位素测试分析，结果列于表6。所有测点176Lu/177Hf比值在0.000465~0.005241之间，表明锆石在岩体形成之后漫长的演化历程中具有较低的放射成因Hf积累，因而可以用锆石176Lu/177Hf比值探索岩体形成时的成因信息[20-21]。εHf(t)值在﹢3.3~-29.6之间，除样品001、0022部分值为正值，其它结果均为负值；单阶段模式年龄值TDM在733.3~1949.2 Ma之间，平均值为987.6 Ma；二阶段模式年龄值TDMC在983.8~3067.2 Ma之间，平均值为1470.4 Ma。

表6 白垩纪花岗岩锆石原位Lu-Hf同位素分析结果表Table 6 Zircon in-situ Lu-Hf isotope composition of Cretaceous granite

续表6

5 讨论

5.1 岩石成因

研究区白垩纪花岗岩副矿物中未见有S型花岗岩特征性的堇青石和电气石[22]，且P2O5含量较低（0.02%~0.1%，平均值为 0.04%），不符合S型花岗岩特征；不含有霓石、钠闪石等碱性暗色矿物，不符合A型花岗岩特征[23]；本区花岗岩具有较高的SiO2含量（71.9%~77.72%），较高的全碱含量（ALK=7.92~9.15），较高的分异指数（DI=86.78~96.33），这些特征均表明其经历了高程度结晶分异作用，且在SiO2-Ce判别图解中（图5a）绝大部分样品落在I型花岗岩范围内，在 SiO2-P2O5判别图解中呈线性负相关（图5b），综上判断研究区白垩纪花岗岩应为高分异I型花岗岩。

Sylvester[24]研究表明CaO/Na2O比值能够示踪源区成分，来自富黏土而贫斜长石的泥质岩源岩熔体的CaO/Na2O较低（＜0.3），而来源于富斜长石而贫黏土的砂屑源岩熔体的CaO/Na2O较高（＞0.3），研究区白垩纪花岗岩CaO/Na2O平均值为0.3，部分值高于0.3，部分值小于0.3，其表明了源区来源的多样性。Rb/Sr比值为2.2~17.5，显著大于幔源岩浆(Rb/Sr<0.05)和壳幔混合源花岗岩(Rb/Sr＝0.05~0.5)，与壳源花岗岩(Rb/Sr>0.5)范围一致。由图7a可看出，样品0001、0022的εHf(t)值接近且明显偏高，可能属壳幔混源岩浆，但样品0022分异程度更高；样品0016、0017的εHf(t)值接近但明显偏低，可能以壳源为主，但0016分异程度更高（表现为 ΣREE和 (La/Yb)N值更高）；在La—La/Sm图解中可以看出其与部分熔融变化趋势相一致（图7b），岩石由地壳部分熔融而形成。综上可推断，研究区白垩纪花岗岩成因可能与幔源和壳源物质有关。

图7 白垩纪花岗岩Hf同位素t/Ma-εHf(t)（a）和La-La/Sm图解（b）Fig.7 Hf isotopes t/Ma-εHf(t) （a） and La-La/Sm of Cretaceous granites（b）

佛冈岩基是由地幔来源的热基性岩浆底侵，诱发了中-下地壳岩石的部分熔融，地幔来源的基性岩浆与地壳部分熔融形成的酸性岩浆互相混合而形成[25]。研究区白垩纪花岗岩的锆石TDM(Ma)年龄值远大于其U-Pb年龄值，说明该期岩浆岩为壳源岩石重熔作用的产物，εHf(t)值在3.3~-29.6之间，再结合相关图解（图7a、7b），说明研究区花岗岩其岩浆主要来自于地壳物质，并伴随有少量幔源岩浆加入。

锆石Lu-Hf同位素具有较高的封闭温度，锆石Hf同位素比值不会随后期熔融或分离结晶而变化，因此锆石εHf(t)代表了岩浆源区的成分特征[26-27]。正的εHf(t)值通常代表源区为亏损地幔或从亏损地幔中新增生的年轻地壳，负的εHf(t)值通常代表源区为古老地壳[21]。研究区白垩纪花岗岩εHf(t)值变化范围较大，在+3.3~-29.6之间，表明了其源区组成的复杂性、多样性。

综上，研究区白垩纪花岗岩是在高温条件下幔源物质诱导地壳部分熔融，后引发古老地壳杂砂-泥质源岩部分熔融而形成。

5.2 构造环境判别

大量研究资料表明，华南印支期以挤压逆冲推覆和地壳叠置加厚为主要特征[28]，近年来对华南地区中生代岩浆岩和火山岩研究大致可划分为3个阶段[29-31]：早-晚侏罗世（140-205 Ma）古太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压，在东南沿海形成大范围陆壳重熔型花岗岩[32]；早白垩世（130~140 Ma）古太平洋板块回撤，华南地区处于拉张构造环境，在研究区中部形成以从化亚髻山霞石正长岩为代表的碱性岩体（年龄为135 Ma）[33-34]；早-晚白垩世（65~130 Ma）古太平洋板块又向欧亚板块俯冲挤压，形成大范围陆壳重熔型花岗岩[35]。Liegeois等[36]认为高钾钙碱性系列岩石通常与先期的俯冲作用有关，它们主要形成于同碰撞岩石圈加厚之后的伸展垮塌向非造山板内的过渡阶段。

研究区白垩纪花岗岩形成于早白垩世早期，属于高钾钙碱性系列、富集LILE（包括Rb、LREE等）而亏损HFSE（存在Nb-Ta槽、SrPTi显著亏损等)。根据Y-Nb和Y+Nb-Nb构造环境判别图解（图8a、8b）认为其产于火山弧构造背景。综合前人研究成果，推测研究区白垩纪花岗岩的构造环境应与古太平洋板块俯冲作用引起的大陆边缘弧相关。

图8 白垩纪花岗岩大地构造环境判别图解（底图据文献[37]）Fig.8 Discriminant diagram of tectonic environment of Cretaceous granite (According to Reference [37])