華南諸廣山一帶桂東巖體加里東期花崗巖的成巖時代研究及其地質意義

張素梅 , 汪 洋, 任紀舜, 張敏杰, 于靈艷, 井天景

1)中國地質科學院地質研究所, 北京 100037;2)河北省戰(zhàn)略性關鍵礦產(chǎn)資源重點實驗室, 河北地質大學地球科學學院, 河北石家莊 050031;3)中國地質大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083;4)河北地質大學華信學院, 河北石家莊 050031

華南由于遭受全球加里東造山運動強烈影響(任紀舜等, 1990), 在早古生代形成一系列的NE-NNE向的非碰撞造山環(huán)境的陸內褶皺系(又稱為華南造山帶, 任紀舜等, 1990; Wang et al., 2007,2012), 并發(fā)育了一系列花崗質巖漿巖體, 以武夷山兩側花崗質巖漿巖帶、武功山花崗質巖漿巖帶以及諸廣山—萬洋山花崗質巖漿巖帶為典型代表(李獻華和桂訓唐, 1991; 王德滋和沈渭洲, 2003)。需指出的是, 諸廣山—萬洋山花崗質巖漿巖帶地處華南腹地, 加里東造山運動期間可能處于華南造山帶構造線末端或構造線附近(郝義等, 2010), 與此同時,該巖漿巖帶產(chǎn)出的巖石類型齊全, 出露面積大(＞3600 km2), 且受后期構造-巖漿活動影響相對較小, 其獨特的大地構造位置及巖性特征等在研究加里東期首次巖漿活動時間、物質來源、殼幔相互作用程度等方面存在明顯優(yōu)勢。

以往研究認為, 諸廣山—萬洋山加里東期花崗質巖石形成于464—401 Ma之間(李獻華和桂訓唐,1991; Li et al., 2010; 張芳榮, 2011; 趙芝等, 2012;李時謙等, 2013; 趙逸志和陳秉芳, 2013; 徐文景,2017), 源巖可能是中下地殼變質巖系及部分加里東期地殼再循環(huán)的物質(Wang et al., 2011; Chu et al.,2012; 朱清波等, 2015), 幔源物質加入不明顯(Zhang et al., 2012)。徐文景(2017)認為早古生代花崗質巖石可能來源于(巖石圈/)地幔源區(qū)。這些工作為深入研究華南加里東造山運動提供了很好的基礎,而華南地區(qū)加里東期巖漿活動何時開始, 華南幕式加里東造山運動所對應的巖漿活動是否也具有明顯的階段性尚不清楚。這都需要進行精細的解剖以及從全區(qū)角度開展系統(tǒng)研究, 巖石組成復雜、形成時間跨度大的桂東巖體為此提供了良好的對象。

本文選擇桂東巖體作為研究對象, 通過巖相學、鋯石U-Pb年齡和Hf同位素特征系統(tǒng)研究, 確定其巖漿活動時限、物質來源等問題, 從而為進一步研究華南加里東期的巖漿成因、大地構造背景特征等科學問題提供關鍵性證據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

研究區(qū)位于湘贛交界處, 地處華南腹地, 其中心地理坐標為北緯 40°54′30″, 東經(jīng) 115°05′33″, 該巖漿巖帶北部以江紹斷裂和郴州—臨武斷裂為界,南部與政和—大埔斷裂帶及華南中生代花崗質侵入-火山巖帶相銜接(張芳榮等, 2009; 圖1)。顯生宙以來, 華南地區(qū)長期受全球超大陸聚散與南北大陸離散拼合的構造動力學背景影響; 自中新生代, 該區(qū)域開始遭遇西太平洋板塊西向俯沖及青藏高原形成與印—澳板塊北向差異運動夾持, 演變成現(xiàn)今華南大陸基本構造面貌(張國偉等, 2013)。

區(qū)域上主要出露震旦系、寒武系、奧陶系、泥盆系、石炭系及中生代等地層序列(圖 1)(湖南省地質調查院, 2002; 周新民, 2007; 舒良樹等, 2008,2021; Shu et al., 2009, 2021; 郝義等, 2010; 任紀舜等, 2013), 由于長期遭受復雜的地殼演化、多期次構造運動及區(qū)域變質作用等復合疊加影響, 前寒武紀的華南板塊在 Rodinia大陸裂解影響下引發(fā)了華南區(qū)域性裂谷事件(Li et al., 2008)。早古生代, 華南受全球加里東造山運動影響, 基底及早古生代地層發(fā)生強烈褶皺-斷裂變形(郝義等, 2010; 柏道遠等,2012), 早—中奧陶世達到最高峰, 晚奧陶世—早志留世華南整體卷入加里東期造山運動, 使其整體褶皺隆起, 造成了區(qū)域性角度不整合, 之后進入后加里東準地臺發(fā)展階段(任紀舜和李崇, 2016), 并產(chǎn)生了普遍的綠片巖相-角閃巖相變質作用(Wan et al.,2007; Li et al., 2010), 以泥盆紀地層及更新的地層作為蓋層不整合于志留系或更老地層之上為特征(王峰, 2021)。泥盆紀—三疊紀的印支運動導致華南加里東基底不同程度卷入褶皺造山作用。早侏羅世華南總體由海相轉為陸相, 中侏羅世—早白堊世初華南發(fā)生強烈褶皺隆起及逆斷層活動。新近紀, 華南由早白堊世—古近紀的伸展變形進入強烈擠壓變形階段, 并形成逆斷層, 而閩粵沿海及南海大陸架則繼續(xù)引張、裂陷(Guo et al., 1989; Li, 1998; Zhao and Cawood, 1999; Li et al., 2009; 徐文景, 2017; 劉梓等, 2020)。

圖1 華南加里東期巖漿巖分布簡圖(據(jù)周新民, 2007; 郝義等, 2010; 任紀舜等, 2013)Fig.1 Geological schematic diagram of Caledonian magmatic rocks in South China(modified from ZHOU, 2007; HAO et al., 2010; REN et al., 2013)

在此背景下, 華南發(fā)育了一系列花崗質巖漿侵入活動, 且貫穿著從前寒武紀經(jīng)古生代到中生代地殼演化的全部過程。其中, 前寒武紀以太古宙—元古宙伊家灣片麻狀花崗巖體(～1.9 Ga)(Yu et al.,2009)為代表, 元古宙以混合花崗巖及雙峰式火山巖為代表(～830 Ma至～750 Ma)(Li, 1998; Wang and Li, 2003)。古生代以來的巖漿侵入主要受E-W向構造控制, 形成了大量加里東期花崗質巖漿巖及少量基性-中基性侵入巖, 以面積巨大的諸廣山巖基為典型代表; 中生代巖體則多以巖株、巖墻產(chǎn)出(鄭基儉, 1988; 鄧平等, 2012; 孫立強, 2018; Liu et al.,2020)。

2 巖體地質特征

桂東巖體位于諸廣山—萬洋山加里東期花崗質巖漿巖帶中部, 總出露面積＞1000 km2, 主要野外觀測點及采樣點位置如圖 2。巖體沿 NE向呈不規(guī)則條帶狀侵入震旦系、寒武紀、奧陶紀地層之中(圖2)。其西北與淋洋巖體相接, 東南與廣南巖體相連,其蓋層為泥盆系以來沉積巖系。根據(jù)野外地質觀測及巖相學特征, 可將其分為4個單元(圖2):

圖2 諸廣山地質簡圖(據(jù)湖南省地質調查院, 2002)Fig.2 Geological schematic diagram of Zhuguangshan (modified from Hunan Institute of Geological Survey, 2002)

(1)黑云母花崗巖-花崗閃長巖單元, 該單元呈帶狀或呈巖株、巖脈狀出露于桂東巖體東南側青龍洞—高坪鎮(zhèn)、黃洞一帶, 巖性包括花崗閃長巖、黑云母花崗巖及少量石英閃長巖, 以黑云母花崗巖(H0305-3, 坐標: 26°02'14.03''N, 114°07'33.46''E)、石英閃長巖(H0405-4, 坐標: 25°56'30.36''E,113°57'04.23''N)及花崗閃長巖(H0306-5, 坐標:26°06'05.39''N, 113°56'33.82''E)為典型代表。黑云母花崗巖呈灰白色, 中粗粒似斑狀結構, 塊狀構造。斑晶以灰白-無色鉀長石(～5%)為主(圖 3-a2), 大小0.8～1.2 cm?；|大小0.2～0.6 cm, 其中石英～30%,黑云母 5%～8%, 鉀長石～40%, 斜長石～25%。石英閃長巖呈淺灰-灰色, 粗粒似斑狀結構, 塊狀構造。斑晶以灰白-無色鉀長石(2%～3%)和斜長石(～5%)為主, 大小 2～4 cm?；|具不等粒結構, 大小0.5～1 cm, 其中, 石英 10%～15%, 黑云母～15%, 鉀長石 5%～10%, 斜長石～60%; 副礦物主要為磷灰石、鋯石?；◢忛W長巖呈淺灰色, 中粗粒似斑狀結構, 塊狀構造。斑晶以灰白-無色微斜長石(5%～8%)為主(圖3-a1、a4), 大小1～2 cm?；|大小0.1～0.5 cm,其中, 鉀長石～30%, 斜長石～20%, 石英～25%, 黑云母(10%～15%)常呈集合體狀。巖石中含與寄主巖石接觸界線清晰的不規(guī)則狀-橢圓狀的暗色鎂鐵質微粒包體, 其長軸走向(如, H0306-5中微粒包體長軸走向～30°)多與NE向斷裂帶走向相一致(圖3-a4),個別接觸帶模糊。(2)二云母花崗巖-黑云母花崗巖單元, 主要出露于巖體西南段的桂東—策源一帶,常見片麻狀構造, 尤其在巖體邊部(如, H0313-2,圖 3-b5), 片麻理走向與圍巖接觸帶走向基本一致,以二云母花崗巖(H0405-2, 坐標: 25°56'21.77''N,113°55'49.19''E)及黑云母花崗巖(H0410-1, 坐標:26°05'59.93''N, 113°55'29.75″E)為典型代表。二云母花崗巖呈灰白色, 中-細粒似斑狀結構, 片麻狀-塊狀構造。斑晶以淺灰白色-無色鉀長石(～3%)和石英(～2%)為主(圖3-b6、b7), 大小0.6～1 cm?；|具有中細粒不等粒結構, 大小 0.1～0.3 cm, 其中石英～30%, 黑云母 5%～10%, 白云母 3～5%, 鉀長石～35%, 斜長石～20%; 副礦物主要為磷灰石、鋯石等。黑云母花崗巖呈淺灰-灰, 與前一巖性單元相比, 其黑云母含量較高, 其他礦物成分相似。巖石具有中細粒似斑狀結構, 片麻狀-塊狀構造。斑晶以淺灰白色-無色鉀長石(3%～5%)為主(圖 3-b4),大小0.8～1 cm; 基質為不等粒結構, 大小0.1～0.4 cm。(3)黑云母花崗巖-二長花崗巖單元, 主要出露在巖體的東北側的清泉—大汾鎮(zhèn)一帶(圖 2), 巖體的暗色鎂鐵質微粒包體含量較多, 以樣品黑云母花崗巖(H0303-8, 坐標: 26°05'48.01''N, 114°05'19.10''E)、二 長 花 崗 巖 (H0404-1, 坐 標 : 26°07'55.4''N,114°17'17.6''E)及鎂鐵質微粒包體(H0404-1-1, 坐標:26°08'7.11''N, 114°17'12.62''E)為典型代表。與前兩個巖性單元中黑云母花崗巖相比, 黑云母花崗巖中黑云母含量更低(3%～5%), 鉀長石轉變?yōu)闇\肉紅-肉紅色(圖3-c4)。二長花崗巖呈灰白色, 中粗粒似斑狀結構, 塊狀構造。斑晶主要為淺灰-無色鉀長石(5%～8%)及少量斜長石斑晶(1%～2%), 大小1～2 cm?；|大小 0.1～0.3 cm, 其中, 石英占 20%～25%, 黑云母3%～5%(圖3-c1、c2), 鉀長石～30%, 斜長石～25%,大小0.3～0.5 cm。本單元常含黃鐵礦、螢石, 大小為0.5～1 mm。鎂鐵質微粒包體礦物大小0.02～0.2 cm,鉀長石～15%, 斜長石～55%, 石英～15%, 黑云母(8%～10%)呈集合體狀(圖3-d3、d4), 角閃石(5%～8%)多具有綠泥石化現(xiàn)象。(4)角閃黑云花崗巖單元, 主要出露于巖體的中部-東部, 呈巖株或巖脈狀產(chǎn)出,代 表 性 樣 品 H0404-2-1(坐 標: 26°05'15.43''N,114°14'39.84''E)。巖石呈淺灰-灰白色, 粗粒-巨粒似斑狀結構, 塊狀構造。斑晶(～15%)以粗-巨粒淺肉紅色鉀長石(尤以微斜長石為最)為主(圖3-d1、d2), 大小2～5 cm。基質為不等粒結構, 大小0.8～1.0 cm, 其中, 石英～20%, 黑云母 8%～10%, 角閃石 5%～8%,鉀長石～45%和斜長石～10%, 部分斜長石發(fā)生絹云母化; 副礦物可見榍石、鋯石。

圖3 桂東巖體各巖性單元代表性樣品及接觸關系Fig.3 Microscopy photos of representative specimens of Guidong Batholith

3 分析方法

3.1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素

LA-ICP-MS鋯石 U-Pb定年利用北京科薈測試技術有限公司AnlyitikJena PQMS Elite型ICP-MS及與之配套的ESI NWR 193 nm準分子激光剝蝕系統(tǒng)完成。激光剝蝕斑束直徑為 25 μm, 頻率為 10 Hz,能量密度～2.01 J/cm2, 以He為載氣。鋯石標樣GJ-1用于未知鋯石樣品的U-Pb同位素的Pb/U分餾校正,利用NIST 610做外標計算Pb、U、Th含量(Liu et al.,2010)。數(shù)據(jù)處理采用ICPMSDataCal程序(Liu et al.,2010), 測量過程中絕大多數(shù)分析點206Pb/204Pb＞1000,未進行普通鉛校正,204Pb含量異常高的分析點可能受包體等普通Pb的影響, 對204Pb含量異常高的分析點在計算時剔除, 鋯石 U-Pb諧和圖使用 Isoplot 3.0程序繪制(Ludwig, 2003)。

3.2 Lu-Hf同位素

鋯石Lu-Hf同位素測定利用北京科薈測試技術有限公司的LA-MC-ICP-MS分析完成。實驗檢測儀器為激光剝蝕多接收器電感耦合等離子體質譜儀,激光進樣系統(tǒng)為 ASI(美國應用光譜)公司的Resolution SE 193 nm準分子激光剝蝕系統(tǒng), 分析系統(tǒng)為美國Thermofisher公司的多接收等離子體質譜儀(NEPTUNE plus)。檢測溫度18～22 ℃, 相對濕度＜65%, 激光剝蝕束斑直徑 38 μm, 能量密度為7～8 J/cm2, 頻率為10 Hz, 激光剝蝕物質以高純He為載氣送入, 接收器配置與溶液進樣方式相同。

4 測試結果

4.1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素

4.1.1 黑云母花崗巖-花崗閃長巖單元

該巖性單元的鋯石呈自形柱狀-長柱狀, 長度80～400 μm, 長寬比2: 1～5: 1, 具有典型、清晰的巖漿鋯石韻律環(huán)帶, 指示鋯石為巖漿成因, 結果見附表1。

黑云母花崗巖(H0305-3)共測試 22顆鋯石, 大小100～400 μm, 長寬比為2: 1～5: 1,232Th/238U比值為0.11～0.8。其中, 498.1 Ma是點13(443 Ma)的核部年齡, 1861 Ma、556 Ma、560 Ma、502 Ma 為捕獲的太古代晚期及泛非期巖漿鋯石。453 Ma、413 Ma與后期巖漿活動時間一致, 可能是后期巖漿活動改造結果, 剩余 15顆鋯石數(shù)據(jù)投影點均落在諧和線或其附近(圖 4a), 其年齡值分兩組: 第一組為487～459 Ma, 8個年齡加權平均值是(474.2±9.3) Ma(MSWD=9.5,n=8, 95%置信度); 第二組為443～425 Ma, 7個年齡加權平均值是(430.4±8.7) Ma(MSWD=23,n=7, 95%置信度)。206Pb/238U 年齡為443～427 Ma的7顆鋯石在陰極發(fā)光圖上, 5顆的顏色較暗(圖 4a), 這與所測試的韻律環(huán)帶寬、顏色較亮鋯石有所區(qū)別, 同時黑云母花崗巖樣品主要成巖年齡為487～459 Ma。因此, 作者認為(430.4±8.7) Ma是后期巖漿活動改造結果, 而474.2 Ma是樣品的成巖年齡, 即黑云母花崗巖樣品 H0305-3成巖于474.2 Ma, 但遭受了452～427 Ma期間巖漿活動的強烈改造及415～410 Ma期間巖漿活動的改造。

石英閃長巖(H0405-4)共測試 20顆鋯石, 大小80～120 μm, 長寬比為1.5: 1～3: 1,232Th/238U比值為0.15～0.75。其中, 509 Ma、503 Ma、503.1 Ma是泛非期繼承巖漿鋯石444 Ma、439 Ma、411 Ma與之后的巖漿活動相對應, 可能是后期改造的結果, 點 16的諧和度＜90%被棄用, 剩余的 13顆鋯石數(shù)據(jù)投影點均落在諧和線或其附近(圖4c), 鋯石206Pb/238U年齡在454～496 Ma之間, 13個年齡值的加權平均值為(471.1±7.5) Ma (MSWD=3.0,n=13, 95%置信度), 可代表樣品的結晶年齡。

花崗閃長巖(H0306-5)共測試 24顆鋯石, 大小180～250 μm, 長寬比 1.5: 1～4: 1,232Th/238U 值為0.22～0.61。其中1307 Ma、514 Ma、487 Ma、492 Ma屬于捕獲古元古代及泛非期巖漿鋯石, H0306-5-18遠離諧和線棄用, 剩余的 19顆鋯石數(shù)據(jù)投影點均落在諧和線或其附近(圖4b), 鋯石206Pb/238U年齡分為兩組: 第一組在475～451 Ma之間, 10個年齡值的加權平均值為(464.3±2.1) Ma (MSWD=0.60,n=10, 95%置信度); 第二組在 437～418 Ma之間,9個年齡值的加權平均值為(426.9±1.8) Ma(MSWD=0.30,n=9, 95%置信度), 與黑云母花崗巖樣品 H0305-3所遭受后期巖漿改造時間(430 Ma)一致, 作者認為該年齡是后期巖漿改造時間。集中于 451～475 Ma的年齡值與石英閃長巖樣品H0405-4及黑云母花崗巖樣品H0305-3的主要成巖時間一致, 因此可以作為該樣品的成巖年齡。

圖4 桂東巖體黑云母花崗巖-花崗閃長巖單元U-Pb年齡諧和圖Fig.4 U-Pb concordia diagram of the zircons from the biotite granite-granodiorite samples from Guidong Batholith

綜上, 黑云母花崗巖-花崗閃長巖單元可能形成于早奧陶世—中奧陶世早期(474—464 Ma), 但遭受了后期巖漿活動(～430 Ma)改造。

4.1.2 黑云母花崗巖-二云母花崗巖

黑云母花崗巖-二云母花崗巖樣品中的鋯石樣品 CL圖及透射圖像中, 大部分鋯石自形程度較好,呈柱狀-長柱狀, 具有巖漿鋯石的典型韻律環(huán)帶結構, 裂紋不發(fā)育。232Th/238U 比值為 0.11～0.99(均＞0.1), 指示巖漿成因。其中:

黑云母花崗巖(H0405-3)共測試 23顆鋯石, 大小90～180 μm, 長寬比1.5: 1～2: 1,232Th/238U值為0.18～0.90。其中, 1632 Ma、2056 Ma、626 Ma 分別為 09(425 Ma)、12(425 Ma)、14(456 Ma)的核部年齡; 測試點 07(2454 Ma)在鋯石核部被棄用,497 Ma、482 Ma、469 Ma屬捕獲的泛非期及加里東早階段的巖漿鋯石, 432 Ma、430 Ma、413 Ma、403 Ma、358 Ma明顯偏小, 可能是后期巖漿活動改造結果, 剩余 11顆鋯石數(shù)據(jù)投影點均落在諧和線或其附近(圖 5a), 加權平均值為(452.4±1.8) Ma(MSWD=3.2,n=11, 95%置信度), 可代表樣品結晶年齡。

二云母花崗巖(H0405-2)共測試 27顆鋯石, 測試部位均在邊部, 大小 150～200 μm 之間, 長寬比1.5: 1～3: 1,232Th/238U 值 0.13～0.89。其中, 1101 Ma、481 Ma、497 Ma、467 Ma明顯偏老, 屬于捕獲鋯石,424 Ma、420 Ma、416 Ma、406 Ma和后期巖漿活動時間一致, 可能屬于后期巖漿改造時間。剩余19顆鋯石數(shù)據(jù)投影點均落在諧和線或其附近(圖5b),加權平均值為(445.3±4.1) Ma (MSWD=1.9,n=19,95%置信度), 代表樣品結晶年齡。

圖5 桂東巖體黑云母花崗巖-二云母花崗巖單元U-Pb年齡諧和圖Fig.5 U-Pb concordia diagram of zircons from biotite granite and two-mica granite unit samples from Guidong Batholith

黑云母花崗巖(H0410-1)共測試 24顆鋯石,測試部位均在邊部, 大小 150～300 μm, 長寬比1.5: 1～3: 1,232Th/238U 值 0.30～0.77。其中, 鋯石774 Ma可能是捕獲的元古代巖漿鋯石。剩余的23顆鋯石數(shù)據(jù)投影點均落在諧和線或其附近, 鋯石206Pb/238U年齡分為兩組: 第一組206Pb/238U在422～404 Ma之間, 8個年齡值加權平均值為(411.2±5.3) Ma (MSWD=1.6,n=8, 95%置信度); 另一組206Pb/238U在 449～430 Ma之間, 15個年齡值的加權平均值為(442.7±3.1) Ma (MSWD=1.6,n=15,95%置信度), 樣品主體結晶年齡為(442.7±3.1) Ma,可以代表樣品的結晶年齡, (411.2±5.3) Ma代表樣品遭受后期巖漿活動強烈改造時間。

測試結果表明, 諸廣山—萬洋山巖漿巖帶中的黑云母花崗巖-二云母花崗巖單元形成于晚奧陶世(452～442 Ma)期間。

4.1.3 黑云母花崗巖-二長花崗巖

黑云母花崗巖-二長花崗巖單元的代表性樣品包括二長花崗巖(樣品 H0404-1)及其暗色鎂鐵質微粒包體樣品(樣品 H0404-1-1), 樣品的鋯石顆粒在CL圖及投射圖像中, 大部分鋯石自形程度較好, 呈柱狀-長柱狀, 結晶環(huán)帶清晰, 具有巖漿鋯石的典型韻律環(huán)帶結構, 裂紋不發(fā)育。

二長花崗巖(H0404-1)共測試 22顆鋯石, 大小70～240 μm, 長寬比 1.5: 1～4: 1,232Th/238U 值0.12～0.97。其中, 480 Ma、481 Ma、487 Ma、500 Ma屬于捕獲的泛非期巖漿鋯石, 468 Ma、451 Ma、446 Ma、444 Ma、440 Ma可能是捕獲的加里東早期階段的巖漿鋯石; 409 Ma、413.6 Ma、413 Ma、405 Ma屬于后期巖漿活動改造時間; 除去14和18兩顆鋯石諧和度小于90%被棄用外, 剩余的7顆鋯石206Pb/238U年齡均在諧和線上或其附近(圖6a), 加權平均值為(425.2±4.0) Ma (MSWD=0.33,n=7, 95%置信度), 可以代表樣品結晶年齡。

暗色鎂鐵質微粒包體(H0404-1-1)共測試 21顆鋯石, 大小 70～150 μm, 長寬比為 1.5: 1～4: 1,232Th/238U值為0.11～1.02。其中, 457 Ma為捕獲的加里東早期階段巖漿鋯石, 02、13諧和度小于90%棄用, 剩余的18顆鋯石206Pb/238U年齡數(shù)據(jù)投影點均落在諧和線上(圖 6b), 可分兩組: 第一組為446～426 Ma之間, 11個年齡值的加權平均值為(435.3±4.1) Ma (MSWD=1.3,n=11, 95%置信度); 暗示樣品結晶年齡(435.3±4.1) Ma有效; 第二組為418～407 Ma之間, 7個年齡值的加權平均值為(412.1±5.4) Ma (MSWD=7.4,n=7, 95%置信度), 它與寄主巖石遭受早泥盆世巖漿活動改造時間吻合。

圖6 桂東巖體黑云母花崗巖-二長花崗巖單元U-Pb年齡諧和圖Fig.6 U-Pb concordia diagram of the zircons from the biotite granite-monzonite granite unit samples from Guidong Batholith

因此, 黑云母花崗巖-二長花崗巖單元形成于中志留世(435～425 Ma)期間, 可能遭受了后期巖漿活動改造。

4.1.4 角閃黑云花崗巖-黑云母花崗巖

角閃黑云花崗巖(H0404-2-1)共測試23顆鋯石,CL圖及投射圖像上裂紋不發(fā)育, 柱狀-長柱狀,232Th/238U值0.12～0.97。其中: 15和16點諧和度小于90%, 762 Ma、998 Ma分別為02和22鋯石的核部年齡, 434 Ma、435 Ma可能是捕獲的前一階段的巖漿鋯石, 384 Ma、394 Ma年齡明顯偏小, 因此以上8個年齡不參與計算, 剩余的15顆鋯石數(shù)據(jù)投影點均落在諧和線上或其附近(圖 7), 集中于426～408 Ma之間, 15個年齡值的加權平均值為(415.3±3.4) Ma (MSWD=1.6,n=15, 95%置信度), 代表樣品的結晶年齡為(415.3±3.4) Ma。

圖7 桂東巖體角閃黑云花崗巖U-Pb年齡諧和圖Fig.7 U-Pb concordia diagram of the zircons from the hornblende biotite samples from Guidong Batholith

因此, 該單元可能主要形成于早泥盆世(415—411 Ma)期間, 但可能遭受了后期巖漿活動的改造。

4.2 鋯石Lu-Hf同位素

桂東巖體鋯石原位 Lu-Hf同位素測試結果見附表2。8個樣品(除繼承鋯石外)所測定的176Lu/177Hf比值為0.001 863～0.000 317(均小于0.002), 可以代表鋯石形成過程中Hf同位素的組成特征。

4.2.1 黑云母花崗巖-花崗閃長巖單元(早奧陶世—中奧陶世早期, 474—464 Ma)

黑云母花崗巖(H0305-3)測試18點, (176Hf/177Hf)初始比值為0.281 469～0.282 430,εHf(t)值為-2.20 ～-35.20, 一階段Hf模式年齡TDM1為1160～2455 Ma,二階段 Hf模式年齡TDM2為1577～3668 Ma(圖 8)。石英閃長巖(H0405-4)測試 12點, (176Hf/177Hf)初始比值為 0.281 536～0.282 404,εHf(t)值為-3.25 ～-33.84, 一階段Hf模式年齡TDM1為1204～2398 Ma,二階段Hf模式年齡TDM2為1642～3554 Ma(圖 8)。花崗閃長巖(H0306-5)測試 20點, (176Hf/177Hf)初始比值為 0.281 964～0.282 414,εHf(t)值為-3.71 ～-19.12, 一階段Hf模式年齡TDM1為1179～1779 Ma,二階段Hf模式年齡TDM2為1639～2621 Ma。

4.2.2 黑云母花崗巖-二云母花崗巖單元(晚奧陶世,452—442 Ma)

二云母花崗巖(H0405-2)測試12點, (176Hf/177Hf)初始比值為0.281 211～0.282 419,εHf(t)值為-2.08 ～-23.56, 一階段Hf模式年齡TDM1為1189～2825 Ma,二階段Hf模式年齡TDM2為1615～3068 Ma(圖8)。樣品 H0405-2測試 17點, (176Hf/177Hf)初始比值為0.282 308～0.282 438,εHf(t)值為-2.59 ～ -7.18, 一階段 Hf模式年齡TDM1為 1166～1342 Ma, 二階段Hf模式年齡TDM2為1584～1872 Ma。黑云母花崗巖(H0410-1)測試 23點, (176Hf/177Hf)初始比值為0.281 101～0.282 392, 其中, 形成于(411.2±5.3) Ma的εHf(t)值為-4.36 ～ -7.13, 形成于(442.7±3.1) Ma的εHf(t)值集中于-4.10 ～ -7.16。一階段 Hf模式年齡TDM1為 1204～2950 Ma(集中于 1204～1668 Ma),二階段Hf模式年齡TDM2為1682～4522 Ma(集中于1682～1880 Ma)。

4.2.3 黑云母花崗巖-二長花崗巖(中志留世, 435—425 Ma)

二長花崗巖(H0404-1)測試 10點, (176Hf/177Hf)初始比值為0.282 339～0.282 396,εHf(t)值為-3.22 ～-6.55, 一階段 Hf模式年齡TDM1為 1222～1309 Ma,二階段Hf模式年齡TDM2為1654～1818 Ma。鎂鐵質微粒包體(H0404-1-1)測試18點, (176Hf/177Hf)初始比值為 0.281 49～0.282 430,εHf(t)值為-2.20 ～ -35.20,一階段Hf模式年齡TDM1為1160～2455 Ma, 二階段Hf模式年齡TDM2為1577～2600 Ma(圖8)。

圖8 鋯石Hf同位素及εHf(t)與年齡關系圖(據(jù)吳福元等, 2007修改)Fig.8 Diagram of the relationship between Hf isotopes and εHf(t) and age of the rocks from Guidong Batholith(modified from WU et al., 2007)

4.2.4 角閃石黑云花崗巖-黑云母花崗巖(早泥盆世,415—411 Ma)

角閃黑云花崗巖(H0404-2-1)測試 16點,(176Hf/177Hf)初始比值為 0.282 271～0.282 420,εHf(t)值為-3.87 ～ -8.90(點 23 為-6.34), 一階段Hf模式年齡TDM1為1192～1407 Ma, 二階段Hf模式年齡TDM2為 1448～1969 Ma(圖 8)。

綜上, 桂東巖體的εHf(t)值分布在-2.20 ～-35.20之間, 主要集中于-2.20 ～ -9.84之間, 模式年齡TDM1分布于 1156～2398 Ma之間, 以1156～1455 Ma為主,TDM2為1577～3554 Ma, 集中于1969～1577 Ma之間。其中, 474～464 Ma之間的樣品εHf(t)值在-2.20 ～ -35.20之間; 452～442 Ma之間的樣品εHf(t)值在-2.08 ～ -23.56之間; 435～425 Ma之間的樣品εHf(t)值在-3.14 ～ -18.84之間; 415～410 Ma之間的樣品εHf(t)值在-6.34 ～ -8.58之間; 暗示桂東巖體主要由太古代—古元古代的下地殼-地幔物質重熔或部分重熔形成, 以古太古宙的物質重熔為主,地幔物質參與程度較高, 并且侵入越晚地幔物質參與度可能越高。

5 討論

5.1 桂東巖體的形成時代

本次研究表明, 桂東巖體形成于 474～411 Ma之間, 其巖漿活動可能開始于～474 Ma, 結束于～411 Ma, 巖漿活動峰期為452～425 Ma。以往研究認為, 華南加里東期花崗巖質巖漿巖成巖年齡為464～381 Ma(李獻華和桂訓唐, 1991; 吳富江和張芳榮, 2003; 李光來, 2011; Chu et al., 2012; Zhang et al., 2012; Zhao et al., 2013; 徐文景, 2017; Zhang et al., 2020; 郭春麗和劉澤坤, 2021), 諸廣山巖基北段成巖年齡集中于 450～420 Ma(徐文景, 2017), 南段集中于 462～424 Ma(李光來等, 2010), 這與本次研究的巖漿活動峰期時間相一致, 但首次巖漿活動提前～10 Ma。在系統(tǒng)研究其年代學及巖相學特征基礎上, 結合諸廣山—萬洋山及鄰區(qū)加里東期巖漿巖成巖年齡分布特征(圖9), 將其巖漿活動分為4個階段(圖2):

圖9 諸廣山一帶花崗巖體的年齡分布圖Fig.9 Distribution of crystallization age in Zhuguangshan area

早奧陶世末—中奧陶世末(474—464 Ma)階段,呈不規(guī)則條帶狀或者脈狀分布于巖體的北西和南東兩側, 巖性以黑云母花崗巖-花崗閃長巖為主, 基本不含白云母, 巖漿侵入后期可見石英閃長巖脈體,斷裂帶附近常見暗色鎂鐵質微粒包體長軸略具定向性, 且與斷裂帶走向一致; 中奧陶世末—晚奧陶世末(452—442 Ma)階段, 呈巖基狀分布于巖體西南側, 構成巖體西南段的主體部分, 巖性以黑云母花崗巖-二云母花崗巖為主, 巖體邊部具有片麻狀構造; 中志留世初—晚志留世初(435—425 Ma)階段,巖體邊部略呈片麻狀構造特征, 構成了巖體東北段的主體部分, 巖性以黑云母花崗巖-二長花崗巖為主, 具有典型的塊狀構造; 晚志留世末(415—411 Ma)階段, 多呈巖株狀、巖脈、巖墻狀產(chǎn)出, 零星分布在巖體內部, 巖性以含角閃石黑云母花崗巖-黑云母花崗巖為主。系統(tǒng)年代學特征表明加里東造山運動可能在早奧陶世之前開始影響諸廣山—萬洋山一帶, 早奧陶世—中奧陶世產(chǎn)生了首次巖漿活動;隨著加里東造山運動的推進, 中奧陶世末—晚奧陶世末產(chǎn)生第二次巖漿活動, 中志留世初達到高峰;晚志留世初巖漿活動開始減弱, 到晚志留世末期巖漿活動再次加強, 從而形成了一個多階段、多成分的巖漿巖復合體。4個巖性單元既有獨特性又有相關性, 巖性相似又稍有變化, 但總體表現(xiàn)出由酸性向中酸性演化的微弱趨勢。

5.2 物質來源的探討

鑒于研究區(qū)內加里東期巖漿活動分不同階段侵入, 因此, 巖漿物質來源將按不同活動階段進行探討。

早奧陶世—中奧陶世(474—464 Ma)階段, 巖石εHf(t)值、TDM1、TDM2總體具有遞變趨勢: 474 Ma的樣品的εHf(t)集中于-2.20 ～ -9.53, 少量樣品＜ -10,Hf模式年齡TDM1=1160～2455 Ma,TDM2=1577～3668 Ma; 471 Ma的樣品εHf(t)集中于-3.25 ～ -7.06,TDM1=1179～1779 Ma,TDM2=1639～2621 Ma; 464 Ma的樣品εHf(t)= -4.21 ～ -6.78,TDM1=1204～2398 Ma,TDM2=1642～3554 Ma。暗色鎂鐵質微粒包體邊部往往具有淬火邊結構(圖 3-a1), 反映其幔源來源屬性(Jiang et al., 2018), ～474 Ma期間的包體較小且含量較少, 與寄主巖石界線較模糊, ～464 Ma花崗巖中含量明顯增多, 與寄主巖石接觸邊界較清晰, 粒徑大小不一。繼承鋯石以泛非期巖漿巖鋯石居多, 早期繼承鋯石含量高, 來源復雜, 中晚期含量較低。因此, 該階段的巖漿物質可能由中下地殼物質的一次或多次重熔形成, 巖漿性質隨著侵入時間推移由酸性逐漸向中酸性演化, 尤其是巖漿活動后期, 隨著幔源物質參與程度地不斷增強, 巖漿性質由殼源型逐漸向混合源型過渡。

中奧陶世末—晚奧陶世末(452—442 Ma)階段,εHf(t)值由于遭受后期構造熱事件改造變化較大, 集中于-2.08 ～ -15.65之間: 早期形成的花崗巖εHf(t)=-3.36 ～ -14.29; 晚期εHf(t)= -2.59 ～ -15.65。部分鋯石具核邊結構(如, H0405-3-09、H0405-3-12、H0405-3-14等), 捕獲的繼承鋯石以太古代、泛非期及加里東早期巖漿鋯石為主。巖體的片麻理方向往往與圍巖接觸帶展布方向一致, 與前一階段相比,其邊部礦物呈細粒-微粒集合體狀(圖3c), 可排除來源于圍巖捕擄體的可能。因此, 該階段花崗質巖石源巖具有多源性, 以中下地殼物質的一次或多次重熔為主, 并隨幔源物質持續(xù)加入, 形成了混合源型的巖漿巖, 但主體仍為殼源型。

中志留世初—晚志留世初(435—425 Ma)階段,巖石的εHf(t)值為-3.22 ～ -6.55。這一階段的繼承鋯石以泛非期(500—480 Ma)及加里東早階段(469—440 Ma)巖漿鋯石為主。與前兩階段相比, 暗色鎂鐵質微粒包體具有典型巖漿成因特征, 數(shù)量多、粒徑大(大多10～30 cm, 個別＞100 cm), 大多與寄主巖石接觸邊界清晰, 長軸基本沿 NE向展布, 且包體成巖年齡及遭受后期巖漿改造時間與主巖一致(如,H0404-1及其中的微粒包體), 證實了暗色微粒包體來源于地幔深部的可能性。同時, 徐文景(2017)認為430～400 Ma花崗質巖漿存在巖漿混合作用, 賈小輝等(2021)認為距離桂東巖體～20 km 橫市輝長巖(423.3 Ma)可能源自古俯沖改造的富集型大陸巖石圈地幔部分熔融且受地殼混染影響較小。因此, 該期巖漿物質存在大量幔源物質參與, 可能屬于以殼源物質為主的混合源型巖漿物質。

晚志留世末(415—411 Ma)階段, 巖石中含少量的角閃石, 巖石的εHf(t)值為-3.87 ～ -8.90, 繼承巖漿鋯石主要為晉寧期、早志留世, 部分鋯石具有核邊結構(如, 部分鋯石核部年齡998～762 Ma)。推測該期巖漿物質可能來源于地殼物質的一次或多次重熔。

以往研究認為, 華南早古生代造山運動可能始于奧陶紀晚期, 終于早石炭世, 東部造山帶形成于460—410 Ma之間, 在 450—430 Ma期間(峰值為435 Ma)伴生了巖漿活動、變形與變質作用, 形成了準鋁質-過鋁質S型或I型花崗巖(黃標等, 1993; 張芳榮等, 2009, 2010; Charvet et al., 2010; Li et al.,2010; Yang et al., 2010; Wang et al., 2011, 2012;Chen et al., 2012; Yao et al., 2012; 趙芝等, 2012;Zhang et al., 2012; Zhao et al., 2013; 朱清波等, 2015;劉松峰, 2018)。其中440—460 Ma花崗巖以片麻狀構造為主, 410—440 Ma期間以塊狀構造為主(張芳榮等, 2010; 王麗麗, 2015; 朱清波等, 2015; 徐文景,2017), 巖漿物質主要來源于成熟度比較高的變質沉積巖(趙風清等, 1995), 源巖可能為前寒武系基底巖系或新元古代大陸裂谷系(李獻華和桂訓唐, 1991;Li et al., 2010), 有學者認為是中下地殼變質巖系及部分加里東期地殼再循環(huán)的物質(Wang et al., 2011;Chu et al., 2012; 朱清波等, 2015)。這與本次研究的諸廣山—萬洋山地區(qū)主成巖期結果基本一致。因此,該巖漿巖帶的加里東期花崗質巖石源巖可能由華南造山帶的下地殼物質部分熔融, 甚至由下地殼物質經(jīng)多次重熔后形成, 巖漿演化總體呈螺旋形演化發(fā)展, 早期階段的巖漿活動存在極少量地幔物質參與,到中后期的幔源物質參與程度加強, 最終形成混合源型巖漿巖。

5.3 地質意義

桂東巖體年代學及 Lu-Hf同位素特征表明, 諸廣山—萬洋山加里東巖漿巖帶形成于早奧陶世—早泥盆世, 主體形成時間(454—426 Ma)與華南加里東期巖漿活動主峰期一致; 所經(jīng)歷的早奧陶世末—中奧陶世末、中奧陶世末—晚奧陶世末、中志留世初—晚志留世初、晚志留世的4個階段由弱—強—弱巖漿活動過程, 與華南加里東造山運動的“幕”式作用相一致(任紀舜, 1990)。巖體兩側部位成巖年齡早于中部, 西南部早于東北部, 這與華南早古生代造山運動可能“由南向北”推進特征相吻合(李獻華和桂訓唐, 1991; 吳富江和張芳榮, 2003; 李光來等, 2010; Chen et al., 2012; Chu et al., 2012; Zhang et al., 2012; Zhao et al., 2013; 徐文景, 2017)。但其巖漿活動時間比華南造山帶甚至華南大部更早也更加寬泛(延續(xù)時長＞60 Ma), 基本與華南加里東運動的作用時間相吻合, 這是首次在華南造山帶上發(fā)現(xiàn)形成于早奧陶世末—中奧陶世末的花崗質巖石, 這一發(fā)現(xiàn)為詳細研究加里東造山運動第一幕相關課題提供了基礎。該研究區(qū)加里東期巖漿物質可能主要來源于華南造山帶下地殼物質部分熔融, 甚至多次重熔, 地幔物質加入程度與巖漿活動時間有關, 總體呈現(xiàn)由弱到強趨勢: 474—464 Ma階段幔源物質加入較少, 452—442 Ma階段參與程度開始增強,435—425 Ma階段參與程度最高, 需要注意的是,435—425 Ma階段暗色鎂鐵質微粒包體中, 大多包體的長軸展布方向與 NE斷裂帶走向相一致, 基本平行于橫市輝長巖脈群的NNE向展布方向(賈小輝等, 2021), 推測與 NE-NNE深大斷裂有一定相關性。到晚志留世末(415—411 Ma)又開始變弱。

本文首次發(fā)現(xiàn)諸廣山—萬洋山地區(qū)乃至華南造山帶上存在早奧陶世—中奧陶世巖漿巖并探討了其物質來源問題。該地區(qū)的巖漿活動罕見的持續(xù)時長、首次巖漿活動啟動時間早及其與加里東三幕造山運動的契合性, 不僅較完整地反映了加里東造山運動的關鍵地質信息, 也涵蓋了加里東構造-巖漿活動事件的幾乎全部過程, 為進一步研究華南加里東造山運動影響程度、影響范圍、大地構造背景特征、殼幔相互作用程度等關鍵地質問題, 特別是加里東造山運動早期的相關課題提供了典型對象。

6 結論

(1)桂東巖體是形成于早奧陶世晚期—晚志留世末期(474—411 Ma)的復式巖體, 經(jīng)歷了 474—464 Ma、452—442 Ma、435—425 Ma、415—411 Ma等 4階段的巖漿侵位過程, 各階段巖漿活動間隔10～20 Ma。

(2)諸廣山—萬洋山加里東期巖漿巖帶的物質來源以華南造山帶的中、下地殼物質部分熔融, 甚至多次重熔為主。早期階段巖漿物質包含幔源物質成分較少, 其余階段參與程度均較高, 尤以 435—425 Ma間參與程度最高。

(3)桂東巖體的4個巖漿侵位階段較完整、典型地反映了華南加里東造山運動呈幕式發(fā)展的特點,它為進一步研究華南加里東期大地構造背景演化、加里東運動特點等重要課題提供了一個天然實驗室,同時為研究加里東早期的巖漿活動提供了一個直接研究對象。

致謝: 首先感謝各位評審老師的建設性建議及意見, 感謝中國地質科學院地質研究所趙磊研究員及朱俊賓博士在論文寫作過程中的指導與幫助, 野外工作由中國地質科學院地質研究所碩士徐騰達、中國地質地質大學(北京)碩士田野及中國地質科學院地質研究所司機師傅江敦剛的不辭辛勞地協(xié)助并歷時數(shù)月完成, 在此一并表示衷心的感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.D1912), Natural Science Foundation of Hebei Province (Nos.D2019403015 and D2020403101),and Hebei GEO University (Nos.2014J17 and 2016J19).

本文附有增強材料(附表1、附表2), 請通過本文網(wǎng)絡版閱讀或下載。

附表1 桂東巖體花崗質質巖石LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素數(shù)據(jù)Supplement Table 1 LA-ICP-MS U-Pb isotope data of zircon from the granitic rocks in Guiding batholith

續(xù)附表1

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附表2 桂東巖體花崗質質巖石LA-ICP-MS鋯石原位Lu-Hf同位素數(shù)據(jù)Supplement Table 2 LA-MC-ICP-MS in-situ analyses of zircon Lu-Hf isotopic composition of the granitic rocks in Guiding batholith

續(xù)附表2

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