湖北鐘祥地區(qū)元古宙環(huán)斑花崗巖的成因來自鋯石u-pb年代學的約束

湖北鐘祥地區(qū)元古宙環(huán)斑花崗巖的成因來自鋯石u-pb年代學的約束

環(huán)斑巖是地殼中一種特殊類型的巖質(zhì)巖，屬于普通a型花崗巖。環(huán)蟲牙的輸出表明它是大規(guī)模生長的構造環(huán)境，通常與大陸的解體有關，并受到國內(nèi)外科學家的高度重視。根據(jù)這項研究，環(huán)蟲牙的發(fā)育區(qū)域暴露在世界上，尤其是在北美，形成了一條從北到西南的巨大環(huán)蟲巖帶?；◢弾r帶從北到南，從加拿大拉布拉多和格陵蘭以南，再到波羅的海地盾，從西伯利亞地臺到華北地臺的過程。9.14）這與columbia超大陸的解體有關。它對理解元古代宇宙巖石圈的發(fā)育具有重要意義。華北地塊和揚子地塊是中國最大的兩個前寒武紀克拉通塊體,華北地塊廣泛出露太古宙巖石,并記錄了與Columbia超大陸聚合和裂解有關的元古宙大規(guī)模構造熱事件[10,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24],其中包括北京密云元古宙典型環(huán)斑花崗巖.揚子地塊太古宙基底出露有限(如崆嶺雜巖)[25~28],但近年來的研究發(fā)現(xiàn),揚子地塊也存在1.8~2.1Ga構造熱事件的年代學記錄[29~38],部分研究認為可能與Columbia超大陸聚合和裂解有關[34~38].但迄今為止,在揚子地塊內(nèi)還沒有古元古代環(huán)斑花崗巖的報道.本文報道了在湖北省鐘祥市華山觀地區(qū)發(fā)現(xiàn)的環(huán)斑花崗巖體,提供了巖相學、LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學和全巖主量、微量元素地球化學資料,并討論了該巖體的發(fā)現(xiàn)對于認識揚子地塊古元古代構造演化的意義.1巖石學和礦物學特征華山觀花崗巖侵入體位于揚子地塊北緣鄂中鐘祥地區(qū)(圖1),總面積約37km2,由4個大小不等的花崗巖體組成,分別為華山觀、王家棚、花沖及肖家灣巖體,他們呈近南北向分布于冷水鋪背斜及次級小背斜核部.其中,華山觀巖體面積22km2,王家棚巖體12km2,花沖巖體2km2,肖家灣巖體1km2.據(jù)區(qū)域地質(zhì)志報道,該巖體侵入于古元古代楊坡巖組(相當于崆嶺群上巖組)中,且被南華紀-震旦紀地層不整合覆蓋,巖體內(nèi)部可見楊坡巖組成分的捕擄體.華山觀和王家棚巖體主要巖石類型為似斑狀正長花崗巖和中粒黑云母二長花崗巖(局部含有斑晶),二者呈漸變過渡關系,巖體局部有暗色鎂鐵質(zhì)包體;花沖巖體只見中粒黑云母二長花崗巖;肖家灣巖體全為似斑狀正長花崗巖.4個巖體內(nèi)還可見片巖、片麻巖及斜長角閃巖殘留體.受動力變質(zhì)作用的改造,巖體與圍巖都有一定程度的變形(據(jù)湖北省鐘祥幅1:20萬及雙河口幅1:5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告).本文報道的環(huán)斑花崗巖主要出露于華山觀巖體北部的似斑狀正長花崗巖中,用于鋯石定年的樣品采于31°17.261′N,112°24.607′E(圖1(b)).巖石具似斑狀結(jié)構,基質(zhì)為中粗粒結(jié)構,斑晶為具斜長石環(huán)邊的微斜條紋長石,基質(zhì)成分由微斜條紋長石、石英、斜長石、黑云母等組成.主要礦物成分:微斜條紋長石65%,斜長石10%,石英23%,黑云母2%,其中斜長石多發(fā)生絹云母化.由于華山觀環(huán)斑花崗巖出露規(guī)模有限(<1km2),本次研究只采集了2個樣品(ZX21-1和09ZX03)進行分析;為便于對比,本次研究還在華山觀環(huán)斑花崗巖體附近采集了一個含斑黑云母二長花崗巖樣品(09ZX01-1),該巖石類型具中粒等粒結(jié)構,含少量斑晶,主要礦物含量:微斜條紋長石49%,斜長石27%,石英22%,黑云母2%.2環(huán)斑巖石學特征環(huán)斑結(jié)構(Rapakivitexture)這一術語是1891年由芬蘭地質(zhì)學家Sederholm引入國際地質(zhì)學界的,具該結(jié)構的花崗巖有經(jīng)風化后呈巖塊剝落而呈礫石狀的習性,在芬蘭語中“Rapakivi”又有“剝落巖塊”的含義,“環(huán)斑花崗巖”因此而得名.華山觀環(huán)斑花崗巖呈灰白色至肉紅色,似斑狀結(jié)構.斑晶為鉀長石,多呈卵球狀,外面包有更長石-中長石薄殼,且?guī)r石中的堿性長石和石英一般為兩個世代的產(chǎn)物,屬典型環(huán)斑結(jié)構,符合環(huán)斑花崗巖的定義.華山觀環(huán)斑花崗巖環(huán)斑直徑介于1~5cm之間,個別達8cm以上,其中以2~3cm最為常見(圖2),其體積百分含量占巖石的45%左右.鉀長石(Kfs)斑晶除少部分由單一晶體組成外,多數(shù)是由3~5個光性方位不同、粒度多在5~10mm、呈扇形的鉀長石晶體構成,它們互為嵌晶狀自核部向外生長為卵球形(圖3(a)).鉀長石卵球內(nèi)常包裹有斜長石(pl)、石英(Qtz)以及黑云母(Bi)、磁鐵礦(Mt)等的小晶體,這些包裹體礦物疏密不均地嵌布在主晶內(nèi)(圖3(b)),并呈環(huán)狀展布.而在呈扇形的鉀長石連晶結(jié)合面之間,可出現(xiàn)黑云母、磁鐵礦、石英等組成的脈狀充填物(圖3(a)).鉀長石斑晶條紋構造及格子雙晶發(fā)育,為微斜條紋長石,且大部分鉀長石與石英共生,部分具顯微文象結(jié)構(圖3(c)).基質(zhì)主要由堿性長石、斜長石、石英、黑云母組成.巖石中的堿性長石和石英,都可以明顯地分為兩期甚至多期,早期結(jié)晶的顆粒較大,晚期結(jié)晶粒徑較小.從圖3(d)中可以明顯看出石英大小相差懸殊,而且石英大晶體多呈圓形.副礦物主要為螢石、磷灰石、磁鐵礦和鋯石.這些特征均與芬蘭以及北京密云等地元古宙典型環(huán)斑花崗巖特征相似[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,41,42].(a)和(b)均可見到暗色的斜長石包裹鉀長石卵斑由于動力作用的改造,巖石多有不同程度的變形和蝕變,黑云母具綠泥石化,斜長石多發(fā)生絹云母化.在變形帶中,石英的波狀消光、黑云母的扭折變形及長石的脆性碎裂和晶內(nèi)變形都比較明顯(圖3(d)~(f)).3分析方法及樣品用于全巖主量元素和微量元素分析的樣品,無污染粉碎至200目以下.樣品主量元素分析在湖北省地質(zhì)實驗研究所用Regaku3080E1型光譜儀進行X射線熒光光譜分析(XRF),樣品分析精度為1%.微量元素在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,Agilent7500a)分析.其中,稀土元素測試分析精度優(yōu)于5%,其他微量元素分析精度在5%~15%之間,詳細的分析方法見文獻.樣品ZX21-1中的鋯石采用標準重礦物分離技術(包括磁選和重液分選等)分選,然后在雙目顯微鏡下盡量選擇透明、無裂隙且具有代表性的鋯石顆粒制成環(huán)氧樹脂樣品靶,磨去約1/3后拋光,樣品拋光后進行CL顯微結(jié)構觀察,在此基礎上選擇合適的鋯石顆粒和區(qū)域進行U-Pb年齡測定.鋯石的CL照像在北京離子探針中心采用日立S3000-N型掃描電子顯微鏡外接GATAN公司的Chroma陰極發(fā)光探頭完成.鋯石原位微區(qū)U-Pb同位素和REE組成分析在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室利用LA-ICP-MS完成,激光剝蝕系統(tǒng)為配備有193nm激光器的GeoLas2005.分析采用的激光剝蝕孔徑為32μm,激光脈沖為10Hz,能量為110mJ.ICP-MS為美國安捷倫公司生產(chǎn)的Agilent7500a,實驗中采用氦氣作為剝蝕物質(zhì)的載氣,同位素組成用鋯石91500作為外標進行校正,元素含量用NIST610作外標、29Si作內(nèi)標進行標定,鋯石分析的原始數(shù)據(jù)采用ICPMSD-ATACAL(ver5.8)軟件處理.普通鉛校正采用Andersen的方法,鋯石加權平均年齡的計算及諧和圖的繪制采用ISOPLOT_3.23程序.4分析的結(jié)果4.1含斑黑云母質(zhì)巖微量元素特征華山觀環(huán)斑花崗巖(樣品ZX21-1和09ZX03)及含斑黑云母二長花崗巖(樣品09ZX01-1)的主量元素和微量元素組成列于表1.從表1可以看出,華山觀環(huán)斑花崗巖具有富硅(SiO2=69.92%~74.42%)(%,質(zhì)量分數(shù),下同)、富堿(Na2O+K2O=8.84%~9.23%)、富鉀(K2O/Na2O=1.92%~2.52%)、富鐵FeO*/(FeO*+MgO)=0.876%~0.88%)(FeO*為全鐵)、貧鈣(CaO=0.22%~1.15%)、貧鎂(MgO=0.21%~0.42%)的特征.鋁飽和指數(shù)(A/CNK)接近1.1,屬過鋁質(zhì)巖石,而北京密云環(huán)斑花崗巖為準鋁質(zhì)到過鋁質(zhì),華山觀含斑黑云母二長花崗巖A/CNK等于1,但都落于芬蘭典型環(huán)斑花崗巖成分區(qū)內(nèi)(圖4(a)).FeO*/(FeO*+MgO)-SiO2圖解(圖4(b))表明,與北京密云典型環(huán)斑花崗巖相似,華山觀環(huán)斑花崗巖具較高的Fe/Mg比值,并都落于芬蘭典型環(huán)斑花崗巖成分區(qū)內(nèi).而華山觀含斑黑云母二長花崗巖的Fe/Mg比值相對較低,位于芬蘭環(huán)斑花崗巖成分區(qū)域之外.華山觀環(huán)斑花崗巖Ce含量123~256μgg-1,Ga含量19.1~23.0μgg-1,10000Ga/Al介于2.8~3.0之間,(La/Sm)N大于5.76,屬輕稀土富集型,銪為負異常(δEu=0.35~0.63),中等虧損.含斑黑云母二長花崗巖δEu=0.07,強烈虧損.華山觀環(huán)斑花崗巖微量元素具高Th(40.0~61.8μgg-1)、Rb(249~294μgg-1)、Ba(915~1228μgg-1)等的特點,而含斑黑云母二長花崗巖的Ba含量很低,僅為86.2μgg-1.同時,從微量元素蛛網(wǎng)圖(圖5(a))也可以看出華山觀環(huán)斑花崗巖與芬蘭以及北京密云典型環(huán)斑花崗巖特征相近,具Ba,Th,U,La,Ce,Nd和Sm相對富集,Nb,Sr,Zr和Y相對虧損的特征;但華山觀含斑黑云母二長花崗巖Ba含量明顯偏低,顯示了其與華山觀環(huán)斑花崗巖化學組成上的差異.從球粒隕石標準化稀土模式圖(圖5(b))可以看出華山觀環(huán)斑花崗巖與芬蘭以及北京密云典型環(huán)斑花崗巖的稀土配分模式較一致,銪負異常,輕重稀土分異明顯,輕稀土富集,重稀土相對虧損,屬右傾型.4.2不同號的不諧和年齡環(huán)斑花崗巖樣品ZX21-1中的鋯石顏色較單一,主要為淡黃色,多為半自形柱狀,少數(shù)等軸粒狀,大部分鋯石呈破裂殘缺狀,長度為80~200μm,長寬比約為1.5:1~2:1.鋯石CL圖像(圖6)顯示絕大部分鋯石具有巖漿振蕩環(huán)帶,但由于部分鋯石Th,U含量較高,CL圖像相對較暗.鋯石的Th/U比值為0.78~1.64,亦符合巖漿型鋯石的特征.用LA-ICP-MS對樣品ZX21-1中的21顆鋯石進行了21個分析點的U-Pb年齡測定,獲得的鋯石U-Th-Pb同位素比值及年齡結(jié)果見表2,鋯石稀土元素(REE)分析結(jié)果見表3.21個分析點中,10號分析點發(fā)生了信號波動,反向不諧和,數(shù)據(jù)未采用.剩余20個點的不諧和年齡構成一條不一致線(圖7),并給出上下交點年齡分別為(1901±45)和(803±170)Ma(MSWD=2.9).由于9,12,18和19號分析點不諧和度及Th,U含量較高,且207Pb/206Pb的諧和年齡明顯偏低,說明可能發(fā)生了207Pb和206Pb的不等比例的丟失;8號分析點較諧和,但年齡明顯偏低,在CL圖像上可以看出,分析點位于鋯石的邊部,可能因受后期改造所致.因此,除去8,9,10,12,18,19這6個分析點,對剩余15個諧和度較高的數(shù)據(jù)207Pb/206Pb加權平均,獲得的年齡為(1851±18)Ma(95%置信限,MSWD=1.2;圖7).該年齡與不一致線上交點年齡在誤差范圍內(nèi)相同,應代表了華山觀巖體的侵位年齡.從鋯石CL圖像(圖6)可見,華山觀環(huán)斑花崗巖鋯石振蕩環(huán)帶比較模糊,這是否是流體交代所致?從鋯石的球粒隕石標準化REE分配模式圖(圖8)中可以看出,華山觀環(huán)斑花崗巖鋯石LREE含量低,Ce正異常明顯,顯然是巖漿成因的.而熱液流體成因鋯石則一般表現(xiàn)出LREE含量高,Ce弱正異常的特征.可見,華山觀環(huán)斑花崗巖鋯石樣品的REE特點與流體成因鋯石特征不同.部分鋯石環(huán)帶模糊的現(xiàn)象可能與變質(zhì)重結(jié)晶的影響有關,但從鋯石U-Pb年齡諧和曲線(圖7)可見,測點多位于諧和線上及其附近,說明大多數(shù)鋯石U-Pb體系仍保持封閉.因此,可提供可靠的207Pb/206Pb年齡.從鋯石U-Pb年齡資料也可以看到,部分鋯石發(fā)生了Pb丟失,這可能主要與后期熱事件(特別是新元古代強烈的巖漿作用)所導致的變質(zhì)重結(jié)晶有關,這一過程也可能導致這些鋯石中巖漿環(huán)帶的模糊.因此,~800Ma的下交點年齡可能代表了巖體遭受了后期構造熱事件改造的時代,這也與區(qū)域上甚至整個華南地區(qū)廣泛發(fā)育的新元古代構造熱事件時代一致[54~63].5討論5.1環(huán)斑火山巖的地球化學特征環(huán)斑結(jié)構的成因是100多年來地質(zhì)學領域長期爭論的問題,Haapala等人和R?m?等人曾對其進行過總結(jié).歸納起來可以分為兩類,即巖漿成因模式和巖漿期后的出溶-成分調(diào)整模式.從現(xiàn)有資料來看,巖漿混合與晶體飽和花崗質(zhì)巖漿的亞等溫減壓成因模式(即巖漿成因模式)得到了較廣泛的支持.巖漿混合模式強調(diào)長英質(zhì)巖漿與鎂鐵質(zhì)巖漿混合過程中導致的結(jié)構的不平衡;而亞等溫減壓模式強調(diào)巖漿上升后的減壓和緩慢冷卻作用而導致的鉀長石和石英的部分溶解和斜長石在溶蝕的鉀長石外圍的結(jié)晶,而且這一成因模式得到了Eklund等人的證實.經(jīng)巖相學觀察,華山觀環(huán)斑花崗巖也應為巖漿結(jié)晶成因的.例如,從礦物之間的包裹關系可見,鉀長石斑晶內(nèi)部幾乎包裹了主巖中所有的造巖礦物,細小的包裹體礦物在巨晶中多呈環(huán)狀展布,并與巨晶晶面平行.說明在鉀長石斑晶生長過程中,那些生長較慢的礦物是在旋轉(zhuǎn)、定向的同時,拼貼到鉀長石斑晶之上的.這種條件,只有在對流巖漿中才能滿足.這說明華山觀的環(huán)斑長石為巖漿結(jié)晶產(chǎn)物.Haapala等人把環(huán)斑花崗巖定義為具有環(huán)斑結(jié)構的A型花崗巖,而那些雖具環(huán)斑結(jié)構但巖石類型屬于S型和I型的花崗巖則不屬于環(huán)斑花崗巖范圍.事實上,環(huán)斑花崗巖在時代上從晚太古代到三疊紀都有,在巖性上包括中酸性到酸性的巖石.但從現(xiàn)有資料來看,具有這種特殊結(jié)構的巖石,且最普遍、最典型的仍是元古宙AMCG(斜長巖,紋長二長巖,紫蘇花崗巖和環(huán)斑花崗巖)組合中的花崗質(zhì)巖石.AMCG組合形成于伸展的構造環(huán)境,在巖石成因模式上強調(diào)它們與大陸地殼克拉通化后的地幔上涌、上地幔減壓熔融和底侵作用有關.巖相學和地球化學研究表明,華山觀環(huán)斑花崗巖不僅具有典型的環(huán)斑結(jié)構,而且其化學成分完全可與A型花崗巖相對比,符合環(huán)斑花崗巖的定義.華山觀環(huán)斑花崗巖主、微量元素判別圖(圖9)表明,華山觀環(huán)斑花崗巖屬于亞堿性系列的A型花崗巖,并落于芬蘭典型環(huán)斑花崗巖成分區(qū)內(nèi),且與北京密云環(huán)斑花崗巖的成分相近.華山觀環(huán)斑花崗巖主量元素富硅、堿(尤其富鉀)和鐵,具高FeO*/MgO比值,貧鈣和鎂.微量元素富Th,U,La,Ga,Ce和Sm,貧Sr,Nb和Y;輕稀土富集,重稀土虧損及銪負異常,亦符合環(huán)斑花崗巖的特點.盡管本區(qū)還未發(fā)現(xiàn)相當于AMCG的巖石組合,但華山觀環(huán)斑花崗巖體附近就存在同期基性巖漿活動的證據(jù).如彭敏等人在距華山觀巖體不遠的揚子崆嶺高級變質(zhì)地體中發(fā)現(xiàn)了同時代(~1.85Ga)的基性巖脈,表明存在雙峰式巖石組合.但正如R?m?所言,“環(huán)斑花崗巖具有共性,但每一個環(huán)斑花崗巖體又有其獨特性”.與芬蘭、北京密云等地典型環(huán)斑花崗巖不同的是,本區(qū)的環(huán)斑花崗巖出露規(guī)模較小,且并未像芬蘭以及北京密云等地常見到角閃石,而主要出現(xiàn)黑云母等暗色礦物,反映了巖漿房結(jié)晶時的水壓比一般的環(huán)斑花崗巖要高,這可能就是本區(qū)環(huán)斑花崗巖分布局限的原因所在.此外,本區(qū)的巖石Rb/Sr以及Rb/Ba比值較高,指示巖石的形成過程中經(jīng)歷了較高程度的巖漿結(jié)晶分異.5.2巖石學和巖漿事件古元古代期間發(fā)生了一系列全球性的超級事件,如全球性的碰撞造山事件和Columbia超級大陸的形成、大陸地殼的快速生長、超級地幔柱活動等.在揚子地塊,古元古代構造巖漿事件的研究程度相對較低,但近年來隨著研究工作的深入,越來越多的古元古代地質(zhì)事件的記錄被發(fā)現(xiàn),并對這些地質(zhì)事件的演化序列及其全球構造背景和意義開展了討論.古元古代Columbia超大陸的存在已經(jīng)得到較為廣泛的認可,華北地塊有著與Columbia超大陸聚合和裂解有關的的元古代大規(guī)模構造熱事件的記錄[10,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24].最新研究表明,揚子地塊也廣泛存在2.1~1.8Ga構造熱事件的年代學記錄.(1)2.1~2.0Ga的巖漿事件.該時期的巖漿巖體目前在揚子地塊尚未發(fā)現(xiàn).但碎屑鋯石年代學研究顯示,在揚子地塊新元古代沉積巖中廣泛出現(xiàn)了2.1~2.0Ga的鋯石,它們顯示振蕩環(huán)帶,且具有很高的Th/U比值(~1.0),顯然是巖漿成因的.此外,在揚子地塊各地的鉀鎂煌斑巖中獲得了~2000Ma的鋯石捕虜晶年齡(LA-ICPMS法,多數(shù)鋯石Th/U>1);在安徽銅陵地區(qū)中生代巖體中也測得了2091~2025Ma的古鋯石年齡(SHRIMP法,Th/U為0.15~0.46,具振蕩環(huán)帶),都表明揚子地塊可能存在2.1~2.0Ga的巖漿事件.(2)2.0~1.9Ga的變質(zhì)事件.如大別山的黃土嶺麻粒巖(1992Ma,鋯石蒸發(fā)法;(1998±35)Ma,石榴石逐步溶解法;(2052±100)Ma,LA-ICPMS;(2002±17)Ma,SIMS)以及崆嶺變質(zhì)地體中的崆嶺群副片麻巖和角閃巖((1939±44)和(1958±15)Ma,Sm-Nd等時線)、奧長花崗巖和變泥質(zhì)巖((1990±16)和(1930±50)Ma,SHRIMP;(1992±16)和(1928±18)Ma,SHRIMP)、變泥質(zhì)巖和角閃巖((1950±50),(1980±20)和(1940±40)Ma,LA-ICPMS)、混合巖(1980~2013Ma,SHRIMP).這些年代學記錄似乎集中分布于揚子地塊北部,它很可能代表了揚子地塊北緣2.0~1.9Ga的一次碰撞造山事件,并且可能與Columbia超大陸的聚合有關.(3)~1.85Ga的伸展裂解事件.環(huán)斑花崗巖形成于非造山或造山后的構造環(huán)境,被認為是伸展構造的標志之一.本次報道的華山觀巖體為典型的環(huán)斑花崗巖體,測年結(jié)果顯示該巖體形成于古元古代晚期~1850Ma.而揚子地塊與Columbia超大陸聚合作用有關的造山事件發(fā)生在2.0~1.9Ga,恰早于華山觀環(huán)斑花崗巖巖體形成的時間.此外,在崆嶺高級變質(zhì)地體中發(fā)現(xiàn)的區(qū)域伸展作用標志的基性巖脈形成時代也約為1.85Ga.最近報道的圈椅埫A型花崗巖形成時代亦為~1.85Ga,且鋯石Hf同位素研究表明其源巖可能來自揚子大陸深部太古宙地殼,并可能與Columbia超大陸聚合后