粵北牛岱輝綠巖脈的地球化學特征及其成因研究

曹豪杰， 黃樂真， 沈渭洲， 凌洪飛， 黃國龍， 鄧 平， 朱 捌

(1.核工業(yè)290研究所，廣東 韶關(guān) 512026;2.南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210093;3.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 100037)

粵北牛岱輝綠巖脈的地球化學特征及其成因研究

曹豪杰1， 黃樂真1， 沈渭洲2， 凌洪飛2， 黃國龍1， 鄧 平3， 朱 捌1

(1.核工業(yè)290研究所，廣東 韶關(guān) 512026;2.南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210093;3.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 100037)

牛岱輝綠巖脈位于粵北諸廣巖體南部。牛岱輝綠巖具有低SiO2(45.04%～48.64%)、高TiO2(2.02%～3.23%)和TFeO含量(17.00%～19.80%)、富集K，Rb，Ba等大離子親石元素和La，Nd，Eu，Tb等稀土元素、Nb-Ta虧損輕微、稀土總量較高(112.1×10－6～132.7×10－6)、輕稀土富集和未見負Eu異常等特征，與洋島玄武巖的地球化學特征相似;Zr/Ba，La/Nb，La/Ta，Ti/Y，Ba/Nb，Th/Nb和Th/La等不相容元素比值可與OIB相比較，在構(gòu)造環(huán)境判別圖上位于OIB區(qū)域。鉛(206Pb/204Pb=18.153～18.594，207Pb/204Pb=15.713～15.730，208Pb/204Pb=39.184～39.206)和釹(εNd(t)=3.1～4.3)同位素組成十分相似于OIB值。研究認為，牛岱輝綠巖侵位于地幔物質(zhì)底辟上涌導致該區(qū)巖石圈拉張減薄的構(gòu)造環(huán)境中;其源區(qū)具有虧損地幔(DMM)和富集地幔(EMⅡ)兩端員混合特征，表明牛岱輝綠巖是由地幔柱和虧損軟流圈部分熔融后產(chǎn)生集聚混合形成原始巖漿通過快速侵位而形成。

元素地球化學;Nd-Sr-Pb同位素;洋島玄武巖;牛岱輝綠巖;粵北

基性巖脈的形成與巖石圈減薄和地殼拉張作用直接有關(guān)。因此，基性巖脈不僅包含豐富的幔源信息，而且可以作為衡量重要構(gòu)造轉(zhuǎn)換時間的標尺，對于研究深部地幔性質(zhì)和大陸動力學演化具有十分重要的意義，已成為國內(nèi)外一個重要的研究熱點(Hoek et al.，1995;李獻華等，1997;謝桂青等，2002;葛小月等，2003;賈大成等，2003;張貴山等，2004;Ling et al.，2005;陸建軍等，2006;齊有強等，2008;曹建勁等，2009)。

華南地區(qū)的中生代基性巖脈在時、空分布上與熱液礦床，尤其是與花崗巖型鈾礦床有著十分密切的關(guān)系(胡瑞忠等，2007;沈渭洲等，2006)。許多研究人員對這些基性巖脈從年代學、源區(qū)特征、成因機制及其與成礦的關(guān)系等方面進行過研究(王學成等，1991;李獻華等，1997;Ling et al.，2005;陸建軍等，2006;胡瑞忠等，2007;曹建勁等，2009)，為建立華南地區(qū)中生代地殼拉張的時空格局以及該區(qū)大陸動力學研究提供了重要依據(jù)。

在諸廣巖體南部，白堊紀基性巖脈分布廣泛，而且在空間分布上與鈾礦化關(guān)系密切(左躍明等，2001;馮海生等，2009)。在前人研究基礎(chǔ)上，本文對早白堊紀牛岱輝綠巖開展較為系統(tǒng)的主要元素、微量元素、稀土元素和Nd-Sr-Pb同位素綜合研究，以深化對南嶺地區(qū)基性巖脈巖漿源區(qū)特征、成因機制及其形成的地球動力學背景的認識。

1 巖相學特征

在諸廣巖體南部，基性巖脈分布廣泛，規(guī)模大小不一，寬度從幾十厘米至數(shù)十米，長度從幾十米至十幾千米，甚至可達20 km以上(圖1)。巖性以輝綠巖為主，也包括輝綠玢巖、閃斜煌斑巖和閃長玢巖等。

本文研究的早白堊紀牛岱輝綠巖脈位于諸廣巖體東南部鈾礦化發(fā)育區(qū)域內(nèi)，以NWW向(近東西向)為主。巖石呈墨綠色，致密塊狀，細粒-中細粒晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，顯微鏡下可見輝綠結(jié)構(gòu)、輝綠輝長結(jié)構(gòu);礦物組成主要為斜長石(45%～50%)、輝石(30%～45%)和少量角閃石(2%～3%)，有少量石英。斜長石一般為基性斜長石(拉長石，An=50～60)，輝石為普通輝石。絹云母化、綠泥石化等蝕變作用相對明顯。副礦物主要有磷灰石、鈦鐵礦、磁鐵礦、榍石和黃鐵礦等。

圖1 諸廣巖體內(nèi)基性巖脈分布略圖Fig.1 Distribution of mafic dykes of Zhuguang granitic rock mass

據(jù)李獻華等(1997)的研究，牛岱輝綠巖的全巖和角閃石K-Ar年齡分別為(110.0±3.0)Ma和(106.7±2.1)Ma，屬早白堊紀晚期巖漿活動產(chǎn)物。

2 樣品和分析方法

用于分析測試的全巖樣品是在對野外采集的樣品經(jīng)薄片觀察研究基礎(chǔ)上選取的。主量元素由核工業(yè)290研究所實驗室采用濕化學方法分析，精度優(yōu)于1%。微量元素、稀土元素和鉛同位素由南京大學內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成。微量元素和稀土元素采用Finnigan ElementⅡ型電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測定，檢測限優(yōu)于0.5×10－9，相對標準偏差優(yōu)于5%;鉛同位素比值測定采用Finnigan Triton固體同位素質(zhì)譜計，測定誤差小于0.05%。

Sm-Nd和Rb-Sr同位素測試由中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所同位素實驗室完成。同位素比值測定采用VG-354固體同位素質(zhì)譜計。Nd同位素比值測定采用146Nd/144Nd=0.721 9進行質(zhì)量分餾校正，對 BCR-1測定的143Nd/144Nd =(0.512 643±8)(2σ);Sr同位素比值測定采用86Sr/88Sr=0.119 4進行質(zhì)量分餾校正，對NBS987測定的87Sr/86Sr=(0.710 270±15)。實驗室全流程空白:Sm，Nd為10－11～10－12g，Rb，Sr為10－10～10－11g。

3 地球化學特征

3.1 主量元素特征

如表1所示，牛岱輝綠巖的主量元素組成具有如下特征:① SiO2含量稍低且變化相對明顯(45.04% ～48.64%，平均為47.42%)。② K2O(0.55%～1.72%，平均為1.35%)、Na2O(2.32%～2.92%，平均為2.78%)和P2O5含量(0.33%～0.38%，平均為0.35%)較高。③ 具有高的 TiO2(1.91% ～3.07%，平均為2.55%)和 FeO含量(10.42%～11.90%，平均為10.12%)，類似于洋島玄武巖(Light et al.，1993)。④ 具有較高的Na2O/K2O(1.35～5.24，平均為2.47)和FeO/MgO比值(1.96～2.18，平均為2.10)。在SiO2-K2O+Na2O圖解中，數(shù)據(jù)點都位于堿性系列和亞堿性系列分界線附近的玄武巖區(qū)域內(nèi)(圖2a);在SiO2-K2O圖解中，數(shù)據(jù)點主要位于高鉀鈣堿性系列內(nèi)(圖2b);在TiO2-FeO/MgO和TiO2-P2O5圖解上，除0613號樣品外，其余數(shù)據(jù)點都位于OIB區(qū)域內(nèi)，與IAB和MORB的區(qū)別十分明顯(圖2c)。⑤輝綠巖具有較低的MgO含量(4.92%～5.63%，平均為5.35%)、Mg#值(44.17% ～46.69%，平 均 為44.98%)和固結(jié)指數(shù)(S.I.=17.11%～21.60%，平均為19.31%)，反映原始巖漿經(jīng)歷了較為明顯的分離結(jié)晶作用(謝桂青等，2002)。

表1 牛岱輝綠巖的主量元素(%)、微量元素(10－6)和稀土元素(10－6)組成Table 1 Major(%)，trace elements(10－6)and rare earth elements(10－6)compositions of Niudai diabase dykes

圖2 牛岱輝綠巖的主量元素圖解Fig.2 Major elements of Niudai diabase dykes

3.2 微量元素特征

在MORB標準化的微量元素蛛網(wǎng)圖上，牛岱輝綠巖除Sr含量(24.2×10－6～49.4×10－6)低于MORB值(90×10－6，Sun et al.，1989)外，其余元素的含量都高于MORB值，尤其是Rb，Ba等大離子親石元素富集明顯，其分布模式呈左側(cè)明顯隆起和右側(cè)相對平緩，十分類似于OIB(圖3)。其中，Rb的富集以及Nb，Ta的輕微虧損與OIB存在一定的區(qū)別，前者可能與輝綠巖脈經(jīng)受的綠泥石化等蝕變作用有關(guān)(王冉等，2006)，后者則可能與原始巖漿具有某種程度的富集有關(guān)。牛岱輝綠巖的上述微量元素特征相似于洋島玄武巖而明顯有別于島弧火山巖(Sun et al.，1989)。

值得注意的是，牛岱輝綠巖具有高的鈾含量，除樣品0610的鈾含量高達397.3×10－6外，其它樣品也都在18.64×10－6～85.21×10－6之間(平均43.48×10－6)。它不僅明顯高于李獻華等(1997)、Ling等(2005)、陸建軍等(2006)中報道的輝綠巖脈的鈾含量(＜2.0×10－6)，而且也高于本區(qū)賦礦花崗巖(印支期油洞和龍華山巖體的平均值分別為12.3×10－6和11.3×10－6，燕山早期長江巖體平均為22.3×10－6)。鈾含量的明顯升高可能同研究樣品主要采自231鈾礦區(qū)有關(guān)，表明牛岱輝綠巖形成后受到了后期含鈾成礦熱液的改造，薄片觀察顯示的絹云母化、綠泥石化等蝕變作用以及較高的燒失量(4.28%～5.47%，表1)也可佐證這一推測。

圖3 牛岱輝綠巖的微量元素蛛網(wǎng)圖解Fig.3 Trace elements of Niudai diabase dykes

3.3 稀土元素特征

牛岱輝綠巖具有較高的稀土總量(116.1×10－6～132.7×10－6，平均為121.9×10－6)，LREE/HREE比值介于2.95～3.17之間，平均為3.06，(La/Yb)N值變化范圍為2.42～2.84，平均值為2.60;稀土分布模式略呈右傾型(圖4)反映輕稀土略富集。Eu未見明顯負異常(δEu=0.88～0.95，平均為0.92)，反映巖漿演化過程中，斜長石的分離結(jié)晶作用并不明顯。輝綠巖的(La/Sm)N值(1.42～1.62)和(Gd/Yb)N值(1.36～1.57)變化小，且十分相似;各樣品稀土配分曲線基本一致，反映巖漿演化過程中樣品之間的稀土元素分餾程度相同。

圖4 牛岱輝綠巖的稀土元素球粒隕石標準化曲線Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of Niudai diabase dykes

4 同位素特征

4.1 Pb

同位素特征

由于輝綠巖具有較高的鈾含量(18.6×10－6～48.1×10－6，表1)，因而根據(jù)樣品的U，Th，Pb含量及其成巖年齡進行放射成因鉛校正。校正后的206Pb/204Pb=18.153～18.594，207Pb/204Pb=15.713～15.730，208Pb/204Pb=39.184～39.206(表2)，它位于Sun等(1989)對Azores，Ascension等14個洋島玄武巖統(tǒng)計的鉛同位素組成范圍內(nèi)(后者的三組比值分別為18.114～20.908，15.446～15.810和37.754～40.263)。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb圖解上，數(shù)據(jù)點都分布于零等時線右側(cè)和北半球參考線(NHRL)上方，并十分靠近EMⅡ端員分布(圖5)，清楚顯示它們具有異常鉛的特征。這種異常鉛具有Dupal異常鉛特點，因為它們的Δ7/4Pb(22.3～25.4)、Δ8/4Pb(109.4～163.2)和 ΔSr值(138.3～145.7，表2)不僅符合Hart(1984)定義的Dupal異常鉛的邊界條件，而且在空間上也位于Hart(1984)圈定的南半球Dupal異常帶和張明等(1992)確定的環(huán)南海盆地(SCB)EMⅡ型Dupal異常地幔區(qū)域內(nèi)，反映它們的源區(qū)相似于南半球具Dupal異常的洋島玄武巖源區(qū)。

表2 牛岱輝綠巖的Pb同位素組成Table 2 Lead isotopic compositions of Niudai diabase dykes

圖5 牛岱輝綠巖的鉛同位素組成Fig.5 Lead isotopic compositions of Niudai diabase dykes

4.2 Nd-Sr同位素特征

牛岱輝綠巖的(87Sr/86Sr)i值為0.713 83～0.714 57，εNd(t)值為3.1～4.3(表3)。在 εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖解上，由于(87Sr/86Sr)i值較高而使數(shù)據(jù)點向右偏離OIB系列(圖6)。產(chǎn)生這種偏離的原因可能有二:一是蝕變大洋殼或大陸殼由于板塊作用而被帶入地幔(Hofmann et al.，1982)。但由于研究區(qū)位于大陸板內(nèi)(李獻華等，1997)，遠離太平洋板塊俯沖帶，因而蝕變大洋殼或大陸殼被帶入地幔的可能性可以排除;二是高的(87Sr/86Sr)i值并不代表它們巖漿源區(qū)的特征，而有可能同它們經(jīng)受的蝕變作用有關(guān)。因為樣品采自鈾礦區(qū)，薄片觀察證實存在絹云母化、綠泥石化等蝕變作用。圖3顯示的Rb“峰”表明，蝕變作用導致Rb含量明顯增加，其結(jié)果必然會使(87Sr/86Sr)i值升高。

牛岱輝綠巖的樣品數(shù)據(jù)點在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖解(圖6)上，位于DMM和EMⅡ端員之間，只是由于蝕變作用影響導致Rb含量升高而使數(shù)據(jù)點向右位移;在εNd(t)-206Pb/204Pb圖解(圖7)上，數(shù)據(jù)點同樣位于DMM和EMⅡ端員之間。上述同位素特征反映輝綠巖的原始巖漿源區(qū)具有虧損地幔和富集地?；旌咸卣?。

表3 牛岱輝綠巖的Nd-Sr同位素組成Table 3 Nd-Sr isotopic compositions of Niudai diabase dykes

5 探討和結(jié)論

5.1 巖漿源區(qū)特征

綜上所述，牛岱輝綠巖脈具有下列特征:① 輝綠巖與被侵入的花崗巖之間呈突變侵入接觸關(guān)系，普遍發(fā)育寬度不等的冷凝邊，說明它們是在伸展構(gòu)造背景下快速侵位并冷凝的產(chǎn)物;②SiO2含量較低(45.04%～48.64%);③TiO2含量高(2.02%～3.23%);④Nb，Ta虧損輕微;⑤ 基本無Eu異常(δEu=0.88～0.95);⑥ 輝綠巖的Ce/Pb比值(0.10～0.70)明顯低于中國東部上地殼的平均值(3.68)。上述特征是很難用輝綠巖形成過程中發(fā)生地殼混染作用來解釋(Jahn et al.，1999)，而是主要反映它們的巖漿源區(qū)特征。

根據(jù)下列地球化學特征，牛岱輝綠巖的原始巖漿來源于地幔柱組分和虧損軟流圈組分部分熔融后集聚混合而成:Zr/Ba比值(1.2～4.3，平均為2.1)明顯大于0.2(Ormerod et al.，1988);La/Ta比值(17.5～22.9，平均為19.3)小于22;Ti/Y比值(403～569，平均為 526)大于 410(Sun et a1.，1989);La/Nb比值除一個樣品(1.67)大于1.5外，其余樣品(1.3～1.4)都低于1.5;TiO2(2.02%～3.23%，平均為2.69%)和FeO*含量(16.51%～17.89%，平均為16.79%)明顯高于巖石圈地幔來源的玄武巖值(分別為1.82%和11.47%)而與軟流圈地幔來源玄武巖值(分別為 2.60% 和13.24%)較為接近。此外，在La-La/Nb(圖8)圖解上，輝綠巖數(shù)據(jù)點都位于洋島玄武巖區(qū)域內(nèi)。這些特征表明，牛岱輝綠巖的原始巖漿來源于由地幔柱(由重循環(huán)古老俯沖洋殼和富集地?；旌隙?底辟上涌后與虧損軟流圈部分熔融后集聚混合而成(徐夕生等，2009)。

圖8 牛岱輝綠巖的La-La/Nb圖解(李曙光，1998)Fig.8 La-La/Nb diagrams of Niudai diabase dykes

研究同時顯示，牛岱輝綠巖的Th/Nb(0.16～0.20)和Th/La比值(0.11～0.15)與EMⅡ型OIB值(分別為0.10～0.17和0.11～0.18，Hart，1984)十分相似;在Nd-Sr(圖6)和Nd-Pb(圖7)圖解上，牛岱輝綠巖數(shù)據(jù)點都位于DMM和EMⅡ端員之間。上述特征顯示原始巖漿具有DMM和EMⅡ端員按一定比例混合而成的成因特點，它們可能是由原始巖漿在上升過程中熔融上覆富集的巖石圈地幔而形成(曹建勁等，2009)。通過這種方式產(chǎn)生的巖漿巖的同位素組成變化明顯，微量元素組成稍受影響，主量元素組成則不會發(fā)生明顯變化(Taylor et a1.1986;徐文雄等，2008)。在對贛南玄武巖(陳培榮等，1998)、湘南玄武巖和廣東沿海地區(qū)基性巖脈(曹建勁等，2009)的研究中，都已證實具有DMM和EMⅡ兩端員混合特征的原始巖漿是存在的。

5.2 成巖構(gòu)造環(huán)境

牛岱輝綠巖的Hf/Th比值(2.71～3.15)低于8，Th/Ta比值(2.21～2.80)大于1.6，Ta/Hf比值(0.13～0.15)大于0.1。這些特征都相似于板內(nèi)玄武巖(汪云亮等，2001)。在TiO2-Y/Nb(圖9a)，Zr-Ti(圖9b)，Zr-Zr/Y(圖9c)和 Zr/Al2O3-TiO2/Al2O3(圖9d)等成巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解上，牛岱輝綠巖也都位于板內(nèi)玄武巖區(qū)域內(nèi)。這和中生代時期研究區(qū)位于大陸板內(nèi)環(huán)境相一致(陳培榮等，1998)。

圖9 牛岱輝綠巖成巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.9 Discriminating diagrams for tectonic environments of Niudai diabase dykes

牛岱輝綠巖脈形成于早白堊紀末期，這一時期正是太平洋板塊向亞洲大陸俯沖十分強烈時期，且這些基性巖脈普遍發(fā)育冷凝邊以及粒度從中央向兩側(cè)變細等結(jié)構(gòu)特征，也為它們形成于伸展構(gòu)造背景提供了有力的巖石學證據(jù)(孫濤等，2002)。因此我們認為，牛岱輝綠巖是由地幔物質(zhì)底辟上涌引起地幔柱組分(由重循環(huán)古老俯沖洋殼和富集地?；旌隙?和虧損軟流圈組分部分熔融后產(chǎn)生集聚混合，從而形成的具有富集特征的原始巖漿通過快速侵位而形成(徐夕生等，2009)。

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Geochemical Characteristics and Genesis of Niudai Diabase Dykes in Northern Guangdong Province

CAO Hao-jie1， HUANG Le-zhen1， SHEN Wei-zhou2， LING Hong-fei2， HUANG Guo-long1，DENG Ping3， ZHU Ba1
(1.Research Institute No.290，CNNC，Shaoguan，GD 512026，China;2.School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing，JS 210093，China;3.Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China)

The Niudai diabase dykes，located in the south of Zhuguang pluton of North Guangdong Province，are characterized with low SiO2(45.04% ～48.64%)，high TiO2(2.02% ～3.23%)and TFeO(17.00% ～19.80%)，enrichment in LILE(Rb，Ba)and LREE，relatively high ΣREE(112.1×10-6～132.7×10-6)，slightly depletion in Nb and Ta，without negative Eu anomaly.All informations are similar to the basalt from asthenospheric mantle sources.Elements’ratios of incompatible elements，such as Zr/Ba，La/Nb，La/Ta，Ti/Y，Ba/Nb，Th/Nb and Th/La of Niudai diabase are close to the ratios of OIB.The tectonic discrimination diagrams show that the diabases all fall into the range of OIB.The Niudai diabases have Pb isotope(206Pb/204Pb=18.153～18.594，207Pb/204Pb=15.713～15.730，208Pb/204Pb=39.184～39.206)and its εNd(t)ranges from 3.1 to 4.3，close to the scope of OIB.The geochemical characteristics indicate that the origin of Niudai Diabase had both ends of members of mixed characteristics of asthenospher mantle and lithosphere mantle，and the hybrid were related to the melts of overlying lithosphere mantle as asthenospher mantle upwelling.The Niudai diabases are formed while the fast invaded of magma in the tectonic environment that lithospher thinning leaded by asthenosphere mantle upwelling.

elemental geochemistry;Nd-Sr-Pb isotopes;ocean island basalt;Niudai diabase dykes;northern Guangdong province

P595;P597

A

1674-3504(2011)04-0323-09

曹豪杰，黃樂真，沈渭洲，等.2011.粵北牛岱輝綠巖脈的地球化學特征及其成因研究［J］.東華理工大學學報:自然科學版，34(4):323-331. Cao Hao-jie，Huang Le-zhen，Shen Wei-zhou，et al.2011.Geochemical characteristics and genesis of Niudai diabase dykes in northern Guangdong province［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，34(4):323-331.

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.04.004

2011-08-29; 責任編輯:吳志猛

內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室研究項目(2008-I-04);教育部科學研究重大項目(306007)

曹豪杰(1981—)，男，碩士，工程師，主要從事鈾礦地質(zhì)科研和勘查工作。E-mail:caohj290@tom.com