幔源岩浆在南岭燕山早期花岗岩形成中的作用.doc

幔源岩浆在南岭燕山早期花岗岩形成中的作用:
锆石原位Hf-O 同位素制约
李献华①②*, 李武显②, 王选策①, 李秋立①, 刘宇①, 唐国强①
摘要 一些岩石学和同位素地球化学证据表明许多花岗岩是两种岩浆混合形成的, 但对于
是否有幔源岩浆参与大规模花岗岩的形成一直有不同意见. 对南岭3 个代表性的燕山早期
(~160 Ma)岩体进行了系统的锆石Hf-O 同位素分析, 结果显示清湖二长岩锆石具有非常一致
的锆石Hf-O 同位素组成, εHf(t) = 11.6 ± 0.3, δ 18O = (5.4 ± 0.3)‰, 结合全岩Sr-Nd 同位素和微量
元素地球化学特征, 表明清湖二长岩的母岩浆来源于受到近期地幔交代作用的含金云母岩石
圈地幔, 没有地壳物质的混染. 里松花岗岩及其中暗色微粒包体(MME)和佛冈花岗岩的锆石
Hf-O 同位素组成有很大的变化范围, 锆石Hf-O 同位素呈负相关关系, 里松MME 主要为幔源
岩浆(类似于清湖二长岩母岩浆)结晶的产物, 有少量壳源岩浆的加入; 里松和佛冈花岗岩是
幔源岩浆与沉积岩重熔岩浆不同比例混合形成的, 花岗岩的形成伴随着重要的陆壳增生和分
异.
1 岩体地质特征
1.1 清湖岩体
清湖岩体位于南岭西南部(广西陆川和广东化州
交界地区), 岩体呈北西-南东向的椭圆形, 出露面积
约105 km2 (图1). 岩体侵入寒武系及加里东期花岗
岩中, 外接触带有明显的热变质迹象. 清湖岩体中心
相主要为粗粒角闪二长岩, 向边部过渡为中粒(石英)
角闪二长岩, 到边缘相主要为细粒石英二长岩. 岩石
主要矿物成分为35%~60%钾长石、15%~40%斜长石
(An27-33)、15%~25%角闪石以及少量(<1%~2%)黑云母
和石英, 副矿物主要为锆石、磷灰石、铁钛氧化物和
少量榍石. 早期的常规锆石U-Pb 和LA-ICPMS 锆石
U-Pb 年龄测定分别获得该岩体的侵入年龄为~158
Ma[33]和(156±6) Ma[34].
本文分析的锆石样品(07QH-1)采自广东化州平
定乡与广西陆川清湖乡交界(广东境内)省际公路边的
大型采石场, 岩性为中粒石英角闪二长岩.
1.2 姑婆山岩体
姑婆山岩体位于南岭西部(桂东北), 总出露面积
约700 km2(图1), 岩体的边缘相为细粒黑云母(斑状)
花岗岩; 过渡相为岩体主体, 岩性主要为粗粒(斑状)
黑云母花岗岩, 主要由25%~30%石英、40%~50%钾
长石、20%~25%斜长石(An10-25)和4%~7%黑云母组成,
副矿物主要有锆石、磷灰石、榍石、褐帘石、钛铁氧
化物等; 中心相(即里松岩体)为中粒斑状角闪石黑云
母二长花岗岩, 出露面积约65 km2, 斑晶约占全岩的
15%~40%, 主要为钾长石, 其次微斜长石, 具定向排
列; 基质由18%~32% 石英、25%~50% 斜长石
(An16-30)、4%~12%黑云母、0~4%角闪石和0~4%钾长
石以及锆石、榍石、磷灰石和钛铁氧化物等副矿物组
成[35]. 里松岩体中富含形态多样的MME, 常见细粒
淬冷边和细小的花岗质反向脉, 并含有大小和数量
不等的钾长石斑晶, 表明MME 是偏基性的岩浆与寄
主花岗质岩浆发生混合时快速冷凝结晶的产物[35].
SHRIMP 锆石U-Pb 定年结果表明, 姑婆山主体黑云
母花岗岩、里松角闪石黑云母二长花岗岩以及MME
均形成于约162 Ma[36].
本文分析的锆石样品采自里松岩体的1 个中粒
李献华等: 幔源岩浆在南岭燕山早期花岗岩形成中的作用
874
斑状角闪石黑云母花岗岩样品(08HS42)和 1 个闪长质
MME 样品(08HS53), 该闪长质包体含有~20%自形至
半自形钾长石斑晶(1~1.5 cm × 2~3 cm), 与寄主花岗
岩中的钾长石斑晶类似, 少数斑晶横跨于花岗岩和
MME 边界.
1.3 佛冈岩基
佛冈花岗岩基位于南岭中南部(粤中地区), 总出
露面积约6000 km2(图1), 是南岭出露面积最大和最
有代表性的花岗岩基. 佛冈岩基的岩性多样, 以粗粒
黑云母二长花岗岩和钾长花岗岩为主(约占岩基出露
面积的85%), 主要造岩矿物为25%~40%石英、
25%~45%钾长石、20%~45%斜长石(An15-35)、2%~8%
黑云母以及0~5%角闪石; 副矿物包括锆石、磷灰石、
褐帘石、榍石和钛铁氧化物等. 岩体局部可见
MME[37]. 此外, 岩基还含有少量角闪石黑云母花岗
图1 华南燕山早期花岗岩(红色)与碱性岩(绿色)分布图
闪长岩、细粒黑云母花岗岩、二云母花岗岩以及花岗
斑岩. 岩体侵入的最新地层为下侏罗统, 并被(137±2)
Ma 恶鸡脑霞石正长岩侵入[38]. SHRIMP 锆石U-Pb 年
龄测定结果表明佛冈岩基主体形成于约160 Ma[15].
本文分析的锆石为Li 等[15]用于U-Pb 定年和Hf
同位素分析的两个样品MR42 和2KSC3.
4 讨论
华南燕山早期大规模的侵入岩在很短的时间(约
(160±5) Ma)内形成, 被称之为中侏罗世“大火成岩事
件”[15], 岩石类型以黑云母二长花岗岩和钾长花岗岩
为主, 以及少量的花岗闪长岩、二(白)云母花岗岩、
碱性(A 型)花岗岩和碱性岩, 并伴随爆发式金属成矿
作用[51]. 有关这些花岗岩的成因及其形成的地球动
力学背景是学术界长期关注和争论的问题, 甚至对
一些花岗岩的成因类型也完全不同的认识.
本文分析的南岭中-西部的三个约160 Ma 的岩
体为该时期花岗岩和碱性岩的代表. 佛冈和姑婆山-
里松花岗岩以高硅(大多数样品SiO2≥70%)、高碱(大
多数样品K2O + Na2O >7.5%)和富钾(K2O/Na2O = 1~2)
为特征(图8(a)), K2O 与Na2O 呈正相关关系(图8(b)),
与澳大利亚Lachlan 褶皱带部分富钾I 型花岗岩类
似[52], 但明显不同于北美Cordilleran中生代岩浆弧花
岗岩[53]. 值得注意的是里松花岗岩中的MME 具有高
碱(K2O+Na2O=7.1%~10.3%) 和富钾(K2O/Na2O=
0.6~1.7)的特征, 非常类似于清湖二长岩及邻近的同
安和牛庙钾质碱性岩[54].
在Sr-Nd 同位素相关图上, 清湖二长岩、姑婆山-
里松MME和寄主花岗岩以及佛冈花岗岩的样品构成
明显的负相关关系(图9), 其中清湖二长岩具有低放
射成因Sr 和高放射成因Nd 同位素组成
(ISr=0.703~0.704, εNd(t)=4~5)以及高Nb/La 比值(>1.3),
与湘南~175 Ma 碱性玄武岩一致[54], 锆石Hf-O 同位
素组成与典型的地幔组成一致. 这些同位素和元素
地球化学组成特征指示清湖岩体的母岩浆来自于长
期亏损大离子亲石元素和REE 的地幔, 没有受到地
壳物质的混染, 其全岩Sr-Nd 和锆石Hf-O 同位素组
成可以代表华南陆内燕山早期幔源岩浆的端元组成.
清湖二长岩明显富钾, 指示其地幔源区可能为受到
近期地幔交代作用的含金云母岩石圈地幔[54,57], 或
者是软流圈来源的熔体与富集岩石圈地幔熔体混合
岩浆结晶形成[58].
里松MME 在化学成分上与清湖二长岩相似, 其
Sr-Nd-Hf-O 同位素组成均介于清湖二长岩和里松二
中国科学 D 辑: 地球科学 2009 年 第39 卷 第7 期
883
图8
(a) 侵入岩(Na2O+K2O)-SiO2 岩石分类图解[55]; (b) 佛冈与姑婆山-
里松花岗岩Na2O-K2O 相关关系图. 清湖、姑婆山-里松和佛冈岩
体的数据分别引自Li 等[54]、朱金初等[35]和Li 等[15]; 澳大利亚
Lachlan 褶皱带I 型花岗岩引自文献[52]、北美Cordilleran 中生代
岩浆弧花岗岩引自文献[53]
图9 清湖、姑婆山-里松和佛冈岩体Sr-Nd 同位素相关图
数据分别引自Li 等[54]、朱金初等[56]、Li 等[15]; 湘南碱性玄武岩和
大容山堇青石花岗岩数据分别引自Li 等[54]和祁昌实等[50]
长花岗岩之间, 我们推测这些MME 的母岩浆与清湖
二长岩具有相似的地幔源区, 其同位素组成的变化
是这些幔源岩浆与共生花岗质岩浆相互作用的结果,
与岩相学和元素地球化学的结论一致[35,59]. 里松花
岗岩样品08HS42 锆石δ 18O 值(6.2‰~8.1‰)的上、下
限均超出了太古宙岩浆锆石δ 18O 值范围6.5‰~
7.5‰[30], 表明其岩浆可能含有幔源和表壳来源两种
岩浆组分. 佛冈花岗岩锆石的δ 18O 值变化范围很大
(5.6‰~9.0‰), 跨越了从接近幔源岩浆到沉积岩的氧
同位素范围[30]. 根据相应全岩的SiO2 含量可以估算
出其全岩δ 18O 值范围大约为7.7‰~11.2‰, 涵盖了全
球典型I 型花岗岩(δ 18O=6‰~10‰)和S 型花岗岩
(10‰~14‰)的全岩氧同位素组成变化范围[60,61].
本文的锆石Hf-O 同位素分析结果表明, 幔源岩
浆均不同程度地参与了佛冈和姑婆山-里松花岗岩的
形成. 里松花岗岩中含有大量的MME, 为基性岩浆
参与花岗岩的形成提供了直接的岩石学证据. 根据
里松岩体MME 和寄主花岗岩锆石Hf-O 同位素相关
关系, 我们推测参与里松花岗岩的基性岩浆很可能
和清湖二长岩来自相同或相似的岩石圈地幔. 佛冈
花岗岩基MME 很少(局部偶见MME)[37], 且以强分异
的高硅花岗岩为主, 但其锆石Hf-O 同位素结果仍显
示幔源岩浆可能参与了花岗岩的形成.
目前, 学术界对南岭燕山早期花岗岩的成因类
型有许多不同的观点, 例如, 对佛冈花岗岩就有S-
型、I-型和铝质A-型等不同认识[62~65,15]. 这些不同的
认识反映了南岭燕山早期花岗岩在矿物组成、地球化
学和同位素组成特征上和典型的S, I 和A型花岗岩相
比存在明显的“过渡”特征. 锆石氧同位素分析结果显
示佛冈和里松花岗岩均有沉积岩组分的加入, 这些
花岗岩很可能是幔源岩浆侵入地壳导致(变质)沉积岩
重熔、壳幔源岩浆不同比例混合形成, 类似于澳大利
亚Lachlan 褶皱带的I 型花岗岩的成因[28]. 我们采用
二端元混合模式计算了幔源岩浆参与里松和佛冈花
岗岩的比例. 地壳沉积物端元采用大容山堇青石花
岗岩的平均同位素组成. 大容山花岗岩是华南印支
期典型的S 型花岗岩, 大多数锆石的εHf(t)≈−12~
−8[50](换算到160 Ma 时εHf(t) ≈ −14~−10, 平均为−12);
全岩δ18O ≈ 10.2‰~13.1‰[49], 相当于锆石δ 18O≈
8.5‰~11.3‰, 平均为10‰(用全岩SiO2≈70%换算).
李献华等: 幔源岩浆在南岭燕山早期花岗岩形成中的作用
884
地幔端元的同位素组成为εHf(t)≈12‰, δ 18O≈5.3‰,
类似于清湖二长岩的组成. 锆石Hf-O 同位素混合模
式计算结果表明, 里松MME 锆石含亏损地幔来源的
岩浆比例约70%~90%, 而寄主花岗岩锆石所含的壳、
幔源物质比例大约为1:1. 佛冈花岗岩锆石的εHf(t)值
明显低于清湖二长岩和里松花岗岩, 花岗岩锆石中
幔源岩浆的比例约10%~30%. 需要指出的是, 上述
混合模式计算假设所有的地壳物质都来源于表壳沉
积岩的重熔(没有壳内火成岩的参与), 因此计算获得
的幔源岩浆比例是最大估计值.
佛冈和里松花岗岩的幔源岩浆与沉积岩重熔岩
浆的混合成因对我们理解华南大规模燕山早期花岗
岩的成因提供了新的思路. 南岭这个时期的许多花
岗岩具有一些共同的岩相学和地球化学特征: (1) 花
岗岩富含黑云母, 表明花岗岩岩浆中富H2O; (2) 花
岗岩的SiO2 与P2O5 呈明显的负相关关系, 表明母岩
浆总体上应为准铝质-弱过铝质[51]; (3) 一些花岗岩具
有较高含量的高场强元素和较高的锆饱和温
度[15,56,66~69], 与板内非造山型或A 型花岗岩相似. 这
些特征与单一的沉积岩或火成岩熔融形成的S 型和I
型岩浆均有所不同. 根据本文的锆石Hf-O 同位素体
系特征, 幔源岩浆和沉积岩重熔的酸性岩浆之间的
不均匀混合很可能是这些花岗岩的主要成因. 这个
混合模式有利于解释上述一些介于I 型、A 型和S 型
花岗岩之间的“过渡性”特征. 当沉积岩重熔岩浆比例
较高时, 岩浆显示出较为明显的S 型特征; 板内幔源
岩浆在热和物质(含较高的高场强元素)两个方面的贡
献使得岩浆或多或少地显示出一些A 型特征; 表壳
沉积岩和地幔来源岩浆的混合使岩浆总体上呈准铝
质-弱过铝质成分, 与I 型花岗岩类似.
值得注意的是华南燕山早期花岗岩活动非常广
泛和强烈, 如果幔源岩浆参与花岗岩的形成是一个
普遍现象, 则要求同时代有大规模的基性岩活动. 但
是, 除了里松花岗岩等少数岩体具有较多的MME 外,
目前还较少有直接的基性-酸性岩浆混合以及大规模
基性岩出露的地质记录. 最近, Zhang 等[70,71]通过综
合地球物理资料解译了华夏块体的地壳结构, 发现
华夏中地壳下部(~20 km)存在一个厚~5 km 的辉长岩-
玄武岩层, 在下地壳底部存在一个厚2~3 km、P 波速
度从7.4 km·s−1 增加到8.0~8.2 km·s−1 的过渡层, 表
明华夏地块有可能存在时代较新的大规模基性岩的
底侵和侵入. 根据Li 和Li[72]提出的印支期水平俯冲
大洋岩石圈在燕山早期的破裂-拆沉、软流圈地幔上
涌和大陆岩石圈伸展的模式, 这个中地壳下部的辉
长岩-玄武岩层很可能是燕山早期软流圈地幔岩浆上
涌侵入的结果. 如果这个模式是正确的话, 那么华南
燕山早期大范围花岗岩的形成很可能与这个时期幔
源岩浆侵入提供的巨大热源和部分岩浆物质的参与
密切相关.
5 小结
(1) 清湖二长岩具有非常均一的锆石Hf-O 同位
素组成(εHf(t)=11.6, δ 18O=5.4‰)和典型的亏损地幔
Sr-Nd 同位素组成(ISr=0.703~0.704, εNd(t)=4~5), 结合
其他元素地球化学特征, 表明其母岩浆来源于受到
近期地幔交代作用的含金云母岩石圈地幔, 没有地
壳物质的混染. 其全岩Sr-Nd 和锆石Hf-O 同位素组
成大致可以代表华南陆内燕山早期幔源岩浆的端元
组成.
(2) 里松和佛冈花岗岩的锆石Hf-O 同位素体系
特征表明这些花岗岩是由幔源岩浆与沉积岩重熔岩
浆不同比例混合形成的, 其中幔源岩浆与清湖二长
岩的母岩浆相似. 里松MME 主要由幔源岩浆结晶并
同化混染少量壳源物质形成. 幔源岩浆在热源和物
质两方面对花岗岩的形成起着非常重要的作用.
(3) 和澳大利亚Lachlan 褶皱带I 型花岗岩一样,
南岭燕山早期I 型花岗岩在形成时伴随着重要的陆壳
增生和分异.
__