庐山星子变质穹窿中变形花岗伟晶岩脉中多期不同成因锆石的发现及意义

王继林 ,何 斌,靳立杰,

(1.中国冶金地质总局 山东局测试中心,山东 济南 250014;2.中国地质大学(武汉) 地球科学学院,湖北武汉 430074;3.中国科学院 广州地球化学研究所,同位素地球化学国家重点实验室,广东 广州 510640;4.山东省第一地质矿产勘查院,山东 济南 250014)

0 引言

江西庐山星子变质穹窿地处扬子板块南缘中下扬子交接部位,北侧为大别山中生代碰撞造山带,南侧为扬子板块江南隆起带。穹窿核部出露有一套中深变质岩系,即星子群,关俊朋等(2010)及高林志等(2012)将其地层时代划定为新元古代。笔者曾对其变质时代进行了研究,通过对混合岩浅色体进行锆石U-Pb定年,并结合片岩的白云母Ar-Ar定年结果,认为星子群的峰期变质作用发生于142.6±1.5 Ma。根据星子群变质分带和点变质的特征,推测星子群的变质可能为岩浆热接触动力变质。然而星子地区出露的中生代岩体均晚于星子群的峰期变质作用时间,因此推测星子变质穹窿核部可能存在~142 Ma的大型隐伏岩体(王继林等,2013)。为了验证上述结论的可能性,在星子地区开展了详细的野外地质调查。在野外,观察到星子变质穹窿核部出露的新元古代观音桥片麻状花岗岩顶部及其上覆的星子群片岩中均发育有大量不同产状不同规模的伟晶岩脉,局部达到露头面积的30%~50%,分布如此之多的伟晶岩脉暗示其下部可能存在一个未出露的大型岩体。由于伟晶岩脉多是晚期岩浆沿构造裂隙上升侵位形成的,其中可能含有未出露母岩的一些信息。因此本次研究选择了2条具有代表性的变形花岗伟晶岩脉作为研究对象,对其进行详细的锆石年代学研究,发现存在有 824±13 Ma、140.5±1.7 Ma、~123 Ma三期不同成因的锆石,分别对其意义进行了讨论。

1 区域地质概况

星子杂岩主要分布在扬子板块南缘赣北庐山东南麓栖贤寺–归宗寺一带,出露面积约 220 km2,呈NE-SW 向展布,由新元古代星子群中深变质岩系(关俊朋等,2010)、晋宁期观音桥片麻状花岗岩及燕山期花岗岩(海会岩体、玉京山岩体、东牯山岩体)构成。穹窿两侧分别是九江凹陷和鄱阳凹陷,北东一侧由于遭受北东向走滑剪切构造及赣江断裂的切割改造而被破坏,故其平面上呈半环状(图1)。

新元古代星子群是一套原岩为砂岩、杂砂岩夹拉斑玄武岩(张海祥和张伯友,2003)的中深变质岩系,主要岩石类型有:石榴石二云母片岩、石榴石变粒岩、石英片岩夹斜长角闪岩,平行片理方向发育有较多小型透镜体状、扁豆状的同变质石英脉,核部被晋宁期观音桥片麻状花岗岩及中生代岩体侵入(李武显等,1998;张海祥等,1999)。其上覆地层有三套:北东侧为下震旦统莲沱组(Z1l),西侧为新元古界汉阳峰组(Pt3h)和筲箕洼组(Pt3s),南西侧为中元古界双桥山群横涌组(Pt2h),均为不整合接触(图1)。

图1 江西庐山星子变质穹窿地质略图Fig.1 Geological map of the Xingzi metamorphic dome in the Lushan area,Jiangxi province

观音桥岩体顶部及星子群片岩中发育大量不同产状不同规模的变形花岗质伟晶岩脉(图2),主要有透镜–扁豆状、脉状、网状等,与星子群片理平行或近于垂直(图2a),规模从几厘米到几十米不等,多期脉体互相穿插,部分伟晶岩脉变形强烈(图2b),形成石香肠构造及固态流变褶皱且发生糜棱岩化。

图2 样品野外及镜下特征Fig.2 Photos showing the characteristics of the rocks in field and under the microscope

2 样品特征及分析方法

本次采样的两条伟晶岩脉(LS-9和 LS-12)位于海会岩体附近,产状与星子群片理产状(125°∠41°)近 于 平 行 ,采 样 点 地 理 坐 标 为 29°30′42.9″N,116°02′49.5″E(见图1)。样品 LS-9 代表的岩脉发生强烈褶皱变形,样品LS-12代表的岩脉变形较弱。

镜下观察样品LS-9为糜棱结构(图2c),弱定向构造,轻微绿泥石化,主要组成矿物为长石+石英+白云母,碎斑含量约 70%,主要由钾长石(45%)+斜长石(20%)+白云母(5%)组成,发育扭折、书斜构造、云母鱼等晶内晶界塑性变形结构(图2d),碎斑颗粒周围开始发生动态重结晶;基质主要为石英动态重结晶颗粒,含少量白云母、绿帘石、绿泥石,含量约30%,部分石英重结晶颗粒被拉长呈丝状,波状消光现象普遍。样品LS-12矿物组成与LS-9类似,但糜棱岩化较弱,块状构造,仅石英、长石碎斑边缘开始出现动态重结晶。

对侵位于星子群中的花岗伟晶岩脉(LS-9和LS-12)进行了锆石U-Pb年代学研究,锆石挑选工作由河北省廊坊市诚信地质服务公司完成,利用磁法和重液法进行分选。锆石的阴极发光(CL)成像、微量元素含量及 U-Pb同位素定年分别在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室电子探针显微分析系统(JXA-8100)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)上完成。激光剥蚀系统为GeoLas2005,ICP-MS为Agilent7500a,采用91500标准锆石作为外标进行同位素分馏校正,锆石标样与锆石样品以2∶5的比例交替测试;锆石微量元素含量利用多个USGS参考玻璃(BCR-2G,BIR-1G)作为多外标、Si作为单内标进行定量计算,详细的仪器操作条件见Liu et al.(2008,2010a,2010b)。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件 ICPMSDataCal完成,具体处理方法同 Liu et al.(2008,2010a)。锆石样品U-Pb年龄谐和图绘制和加权平均年龄计算均采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig,2003)完成。

3 分析结果

3.1 锆石矿物学及微量元素特征

对挑选出的锆石进行透射光、反射光及阴极发光观察,发现样品LS-9和LS-12两个花岗伟晶岩脉样品中分选出的锆石主要有3种类型,LS-9中的锆石以海绵状结构为主,LS-12中有核边结构锆石和简单岩浆锆石两种。

(1) 海绵状结构锆石

样品LS-9以海绵状结构锆石为主,相比岩浆锆石,海绵状结构锆石颗粒较小,粒径约 50~100 μm,形态不规则,呈短柱状或棱角状–次棱角状;透射镜下锆石表面浑浊,呈褐黑色,几乎不透明;SEI图像显示锆石表面存在大量孔洞及包裹体,CL图像较暗,显示为海绵状结构(图3),以上特征指示其为热液成因。锆石表面孔洞的产生可能是由于原生锆石在外界流体作用下遭受淋滤、溶解所致(张必龙等,2011),锆石中的包裹体矿物可能是流体作用过程中圈闭的流体包裹体或结晶出来的磷酸盐/硅酸盐矿物(吴元保和郑永飞,2004)。海绵状结构锆石与典型岩浆锆石在稀土配分模式、微量元素特征等方面存在明显差异(表1,图4b):海绵状结构锆石Th/U=0.01~0.04,REE富集,稀土配分曲线较平缓((Sm/La)N=5.62~104.64),极低 Ce异常(δCe=0.62~1.39)和 Eu负异常(δEu=0.06~0.26),普通 Pb、U、Hf、Nb、Ta 含量较岩浆锆石均富集。利用Hoskin (2005)提出的Ce/Ce*-(Sm/La)N及(Sm/La)N-La图解(图5),进一步确定海绵状结构锆石为热液成因。

(2) 简单岩浆锆石

LS-12中的简单岩浆锆石为半自形–自形短柱状,无色透明,锆石表面干净,不含包裹体,CL图像显示其发育有扇形分带或弱岩浆振荡环带(图6)。锆石总体普通铅含量较低,普通Pb和U含量明显低于海绵状结构锆石,Th/U=0.12~1.27,稀土元素特征显示LREE亏损,HREE富集,从 LREE陡倾至 HREE,(Sm/La)N=73.32~4238.06,具高Ce正异常和Eu负异常(δCe=9.29~49.29,δEu=0.12~0.37),这些特征均显示其为岩浆成因(表1,图4a)。

(3) 核边结构锆石

LS-12中发育大量核边结构锆石,锆石颗粒粗大,粒径约100~200 μm。核部锆石发育弱岩浆环带(图6),Th/U=0.25~0.86,∑REE较高且稀土配分曲线较平缓,Ce正异常和 Eu负异常均较小(δCe=2.33~23.87,δEu=0.04~0.21)(表 1,图4a),上述特征也显示其为岩浆成因。但与简单岩浆锆石相比特征区别明显:变质增生区域形状不规则,部分切割核部岩浆锆石环带(图6),U含量相对简单岩浆锆石较高,Th/U=0.01~0.13,暗示二者可能为不同期次产物。

图3 花岗伟晶岩脉(样品LS-9)中海绵状结构锆石CL图像特征Fig.3 CL images of zircons with spongy structure from sample LS-9

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图4 花岗伟晶岩脉中不同成因锆石球粒陨石标准化稀土元素配分模式图Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of zircons with different genesis

图5 Ce/Ce*-(Sm/La)N (a)及(Sm/La)N-La (b)锆石成因判别图(据Hoskin,2005修改)Fig.5 Ce/Ce* vs.(Sm/La)N (a) and (Sm/La)N vs.La (b) discrimination diagrams for zircons

3.2 锆石U-Pb测年结果

对 LS-9中的 29颗锆石进行了测试,有效测点26个;对LS-12中的38颗锆石(20颗简单岩浆锆石和18颗核边结构锆石)的40个点位进行了分析,其中有效测点35个(简单岩浆锆石17个,核边结构锆石18个),测年结果列于表2。

(1) 热液锆石

为确保热液锆石定年数据有效,选择样品 LS-9中富含孔洞、海绵状结构明显、不含包裹体且重结晶彻底的典型热液锆石进行测定,并选择21个稀土配分曲线呈典型热液锆石特征的点位进行分析,确保年龄数据的可靠与有效(Hoskin,2005)。实验得到的锆石年龄均位于谐和线上及附近,Tera-Wasserburg图上得到不一致曲线的交点年龄为 123.9±8.2 Ma(MSWD=1.6)(图7a)。

(2) 简单岩浆锆石

测得17颗简单岩浆锆石的年龄谐和度较高,得到年龄较集中且均位于U-Pb谐和线上及附近(图7c),计算其加权平均年龄为 140.5±1.7 Ma(MSWD=2.3)(图7d)。

(3) 核边结构锆石

核边结构锆石中核边有效测点10个,边部有效测点8个,测点均位于谐和线上及附近(图7e、g)。计算核部锆石的加权平均年龄为 824±13 Ma(MSWD=2.2)(图7f),边部测点与不一致线的下交点年龄为144.5±3.6 Ma(MSWD=1.3)(图7g),加权平均年龄为 140.4±3.7 Ma(MSWD=3.4)(图7h)。

图6 花岗伟晶岩脉(样品LS-12)中简单岩浆锆石和核边结构锆石CL图像特征Fig.6 CL images of zircons from sample LS-12

4 讨论

表3中列出了侵位于星子群中的花岗伟晶岩脉中不同成因的锆石矿物学特征、稀土元素特征与定年结果的对应关系。

4.1 岩浆活动时间

研究区发育的大量伟晶岩脉产状及规模差异较大,江西省地质矿产勘查开发局调查研究大队(1994)在 1/5万海会幅地质调查中根据脉体的产状与星子群片岩片理产状平行或高角度相交将伟晶岩脉分为了早晚两期。沈廷远(1988)最早报道这些伟晶岩脉形成于127~169 Ma;李武显等(2001)对产状近于直立的伟晶岩脉进行单颗粒锆石 U-Pb同位素分析，得到 4颗锆石的年龄分别为136.9±0.4 Ma、125.7±0.9 Ma、128.5±0.4 Ma、443.4±0.4 Ma,并通过年龄相近的 2颗锆石加权平均年龄将伟晶岩脉的侵位时代确定为127±2 Ma。由于过去定年手段的局限性及伟晶岩脉的期次性,认为127±2 Ma(李武显等,2001)可能仅代表了其中一期伟晶岩脉的形成时间。

本次对研究区出露的变形花岗伟晶岩脉进行锆石U-Pb定年,样品LS-12中大量核边结构锆石的矿物学特征、Th/U及稀土配分曲线特征指示其核部锆石的岩浆成因和边部锆石的变质成因,简单岩浆锆石的矿物学特征、Th/U及稀土配分曲线均显示其典型岩浆成因。实验得到10颗核部岩浆锆石的加权平均年龄为824±13 Ma(MSWD=2.2),8颗边部变质增生锆石的加权平均年龄为 140.4±3.7 Ma (MSWD=3.4),简单岩浆锆石的加权平均年龄为140.5±1.7 Ma(MSWD=2.3)。核部锆石的年龄与观音桥岩体的形成时代(823±64 Ma)在误差范围内一致(李武显等,1998)。结合前人研究认为赣北地区燕山期花岗岩属陆壳重熔型(马长信和项新葵,1999;张海祥等,1999),因此推测花岗伟晶岩脉中老的岩浆锆石是燕山期岩浆活动期间观音桥岩体发生重熔被继承而来;变质增生边锆石与简单岩浆锆石的年龄高度一致,且年龄与星子群中高级变质作用的峰期变质年龄142.6±1.5 Ma高度吻合,这一结果表明研究区的岩浆活动发生于140 Ma左右,这期岩浆活动导致了星子群的中低压中高温变质。

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图7 庐山地区花岗伟晶岩脉不同成因锆石U-Pb谐和图及加权平均年龄图Fig.7 Diagrams of U-Pb concordia and weighted average age of zircons with different origin

表3 庐山地区花岗伟晶岩脉中多期不同成因锆石矿物学、地球化学、年代学特征汇总Table 3 Characteristics of multi-period zircons from pegmatite dikes in the Lushan area

样品 LS-9中锆石发育典型的海绵状结构,Th/U=0.01~0.04,普通Pb和U含量偏高,稀土配分曲线平缓,显示典型的热液锆石特征。热液锆石的发现及报道在星子地区多年的研究中属首次,具有重要意义。热液成因锆石近年来成为国内外研究的热点之一,关于热液锆石的分类及成因已取得了一些成果(Tomaschek et al.,2003;Hoskin,2005;Pettke et al.,2005;朱永峰和宋彪,2006;Geisler et al.,2007;张必龙等,2011)。海绵状结构热液锆石是典型的流体溶解–再沉淀的结果,Tomaschek et al.(2003)认为这种作用发生于高压低温变质环境下,但Pelleter et al.(2007)、包志伟等(2009)及张必龙等(2011)报道在岩浆热液环境中也能形成这类锆石。实验得到LS-9中热液锆石Tera-Wasserburg图上得到不一致曲线的交点年龄为 123.9±8.2 Ma。由于海绵状结构锆石是原生锆石经岩浆演化后期的热液淋滤、溶解改造而成(张必龙等,2011),将得到的锆石年龄与其U含量进行相关性分析,发现二者间呈负相关,表明其原生锆石的U-Pb体系在后期改造中遭到了破坏,其原生锆石的形成年龄应早于实验得到的~123 Ma,可能也形成于~140 Ma岩浆活动期间。综合得到的年龄信息,认为研究区在140 Ma左右发生过一次较为强烈的岩浆活动。

4.2 变形时代

星子群顶部及上覆新元古代盖层中变形构造发育,由星子群顶部向盖层方向依次发育顺层韧性剪切变形带和顺层韧性剪切固态流变褶皱变形带(顺层流褶带)(任升莲等,2014),总体表现为从星子群顶部向上由结晶塑性向韧性–脆性过渡(尹国胜和谢国刚,1996;任升莲等,2014)。关于强烈构造变形事件的时代,尹国胜和谢国刚(1996)等对处于变形带中的伟晶岩和石英脉进行K-Ar年代学研究,白云母K-Ar给出了130 Ma左右的年龄,全岩K-Ar年龄给出 100~120 Ma及<100 Ma两个年龄段;Lin et al.(2000)分别对星子群与上覆震旦系接合面石英砂岩和星子群顶部韧性剪切带中的同构造白云母进行Ar-Ar定年,得到40Ar/39Ar年龄变化范围分别为113.4~125.7 Ma 和 125.6±1.2 Ma;朱清波等(2010)得到星子群顶部韧性剪切带内同构造白云母的40Ar/39Ar年龄为 140.4±1.7 Ma。

本次对变形花岗伟晶岩脉进行锆石 U-Pb定年,得到其侵位时代为 140.5±1.7 Ma,指示研究区构造变形事件的发生应不早于这一年龄,结合前人的研究成果认为研究区的构造变形事件发生在 140 Ma左右,与研究区中生代的岩浆活动同步。

5 结论

本次研究对侵位于星子群片岩中的糜棱岩化变形花岗质伟晶岩脉进行了详细的锆石年代学研究,发现岩脉中存在有3期不同成因的锆石:

(1) 加权平均年龄为 824±13 Ma的继承岩浆锆石,这些锆石是星子变质穹窿核部的新元古代观音桥岩体发生部分熔融时被新形成的岩浆房继承而来,这一年龄为该岩体的侵位时间提供了更加精确的限定;

(2) 加权平均年龄为140.5±1.7 Ma的大量简单岩浆锆石及相应同时形成的变质增生锆石,这一年龄与星子群中高级变质作用的峰期变质时代高度吻合,不仅表明研究区的岩浆活动发生于140 Ma左右,而且指示正是这期岩浆活动导致了星子群的中低压中高温变质作用。另外,由于伟晶岩脉发生了较为强烈的韧性变形,认为研究区的构造变形事件应不早于岩脉的侵位,综合已有研究成果认为研究区的构造变形事件与中生代的岩浆活动同步。

(3) 得到大量年龄在~123 Ma左右的海绵状结构热液锆石,由于此类锆石是由原生锆石经岩浆演化后期热液淋滤、溶解作用改造而成,其原有的U-Pb体系已发生破坏,认为其锆石形成年龄应早于~123 Ma,可能也形成于~140 Ma岩浆活动期间。

致谢:本次实验工作得到了中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室电子探针室郑曙老师和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱实验室实验人员的大力协助,此外,两位审稿专家对本文的修改和完善提出了许多宝贵的意见和建议,在此一并表示感谢！

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