桂北龙胜吊竹山辉绿岩年代学及其地质意义

2020-06-01张成龙冯佐海李赛赛

桂林理工大学学报 2020年1期

张成龙,秦亚,冯佐海,万磊,吴杰,李赛赛

(桂林理工大学 a.广西有色隐伏金属矿产勘查与新材料开发协同创新中心; b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林 541006)

桂北龙胜地区位于新元古代江南造山带西南缘,广泛出露一套镁铁质-超镁铁质岩石[1-2]。长期以来,该套镁铁质-超镁铁质岩石成为讨论新元古代江南造山带西段构造演化的焦点[3-12],但其岩石成因和形成构造背景却存在诸多不同的认识[13-21]。自20世纪80年代提出该区存在蛇绿岩套以来,这套镁铁质-超镁铁质岩石的成岩构造背景先后出现了蛇绿混杂岩[13-15],地幔柱[10-12,16-20]和伸展构造背景[3,5,7-8,21-22]等不同的观点。上述认识的主要分歧体现在镁铁质-超镁铁质岩石的成因及形成时代上[11,15,22-25]。本文在详细的野外地质调查基础上,对桂北龙胜地区侵位于新元古界丹洲群中的吊竹山辉绿岩体进行高精度的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,为约束镁铁质-超镁铁质岩石的形成时代及成岩构造背景提供年代学依据。

1 地质背景

扬子陆块和华夏陆块于新元古代早期沿江南造山带碰撞拼贴成统一的华南大陆。而桂北龙胜地区位于华南大陆的中西部,扬子陆块的东南缘,江南造山带的西南端(图1a)。

区域上出露的最老地层为四堡群和丹洲群,其上覆盖南华纪、震旦纪和显生宙地层。四堡群变形较强,具线性紧闭褶皱,但变质级别低,称为褶皱基底;丹洲群变形相对较弱,变质级别低,但具有开阔宽缓褶皱,称为盖层。四堡群与丹洲群之间为结束于820 Ma±的四堡运动所形成的角度不整合界面。四堡群由下而上分为九小组、文通组和鱼西组,主要岩性为深绿色浅变质砂岩、浅变质粉砂岩、板岩、千枚岩和少量的变火山岩。丹洲群自下而上分为白竹组、合桐组、三门街组和拱洞组,由浅变质砂砾岩、板岩和少量的大理岩、细碧岩和火山岩组成。龙胜地区主要出露丹洲群,及少量南华纪、震旦纪和显生宙地层[1-2](图1b)。

图1 研究区大地构造位置(a,据文献 [26])及地质简图(b,据文献[1-2])Fig.1 Tectonic location map(a) and sketch map(b) of research area

区域岩浆活动强烈,花岗质和镁铁质-超镁铁质岩均有分布[11,19,26-29]。前人研究表明,桂北地区广泛出露两套镁铁质-超镁铁质岩石,一套产出于四堡群,另一套产出于丹洲群。桂北龙胜地区的镁铁质-超镁铁质岩石多呈NNE向岩墙或岩席分布于新元古代丹洲群三门街组中[1,2,22,29](图1b)。花岗质岩石产出于桂北三防、元宝山一带的四堡群中,而龙胜地区则分布较少[1-2]。

桂北龙胜地区以NNE向构造为主。自西向东分布有瓢里、龙胜和马海3个复式背斜,背斜呈NNE向展布,核部地层为丹洲群，两翼地层为南华系和震旦系。同时,一系列NNE向的断裂构造切割丹洲群、南华系、震旦系及早古生界,亦切割丹洲群三门街组中的镁铁质-超镁铁质岩石。前人研究认为,NNE向断裂多为韧性剪切带,为加里东期构造活动的产物,并与扬子和华夏陆块的加里东期陆内造山事件相联系[30-34]。Qin等[35]利用韧性剪切带中热液锆石U-Pb定年,限定韧性剪切变形时代为440 Ma±的加里东期。

2 岩体地质特征

龙胜吊竹山辉绿岩体呈NNE向展布于瓢里复式背斜核部的丹洲群三门街组中(图1b),与三门街组呈侵入接触关系(图2a),而非构造侵位的“冷接触”。辉绿岩体的围岩为三门街组的板岩,板理产状288°∠53°,可见变余层理构造,层理产状为279°∠23°(图2b)。接触带附近的辉绿岩显示冷凝边的特征(图2c); 接触带附近的围岩(炭质板岩),由于辉绿岩的热侵位使其遭受热变质,炭质板岩显示斑点状构造(图2d),斑点为新生的绢云母。由于受到后期热液作用的影响,炭质板岩发生碳酸盐化蚀变。远离接触带,辉绿岩体显示中粗粒结构(图2e)。

在吊竹山辉绿岩体的北东侧接触部位,可见明显的变形和片理化现象(图2f)。详细的野外地质调查和显微组构研究表明，片理化的镁铁质岩石为韧性剪切带,其中S-C组构、旋转碎斑和书斜构造等糜棱组构非常发育。

图2 龙胜吊竹山辉绿岩体的岩相学照片Fig.2 Petrographic photos of Diaozhushan diabase in Longshenga—吊竹山辉绿岩体与三门街组板岩呈侵入接触关系; b—三门街组板岩的板理与变余层理; c—辉绿岩体的冷凝边; d—斑点状炭质板岩(+); e—中粗粒结构的辉绿岩; f—变形和片理化的辉绿岩; g—块状构造的辉绿岩,具有透闪石化和碳酸盐化蚀变(+); h—片理化的辉绿岩,具有绿泥石化和碳酸盐化蚀变(+); Qtz—石英;Pl—斜长石; Cb—碳酸盐矿物; Chl—绿泥石

辉绿岩样品呈辉绿结构,块状构造,部分地段呈糜棱组构。主要造岩矿物为辉石和斜长石,斜长石呈自形-半自形的板状,粒径0.5～2 mm,含量60%±; 辉石颗粒呈半自形-他形的短柱状、粒状,充填于斜长石颗粒之间,粒径0.05～1 mm,含量35%±,辉石颗粒具有较强的蚀变,常呈透闪石化、绿泥石化和碳酸盐化蚀变。

在块状构造的辉绿岩样品中,辉石颗粒具有较强的透闪石化蚀变(图2g)。此外,有一宽约0.5 mm的石英脉充填,石英具有波状消光、扭折带、变形带等消光现象,显示较强的变形;在变形的石英脉中,充填有碳酸盐矿物,总体显示受多期热液蚀变作用影响的特征。

在片理化的辉绿岩中,辉石颗粒被强烈的绿泥石化改造,绿泥石显示塑性变形的特点,被定向拉长;斜长石呈半自形的板状,显示书斜构造的特征。此外,该样品具有强烈的碳酸盐化蚀变(图2h)。

块状构造和片理化的辉绿岩,以及炭质板岩的显微组构特征均指示该岩体及其围岩遭受了强烈的多期次的后期热液蚀变作用(图2d、g、h)。

3 样品采集和分析测试

为讨论龙胜吊竹山辉绿岩体的年代学特征,分别采集了呈块状构造的辉绿岩样品(DZH01)和围岩板岩样品(GB1801-7)进行锆石U-Pb年代学研究。样品DZH01,采集了近30 kg,分选出近80粒锆石; 样品GB1801-7，采集了近5 kg,分选出近150粒锆石。

锆石单矿物的挑选、制靶和照相委托北京锆年领航科技有限公司完成；单颗粒锆石的LA-ICP-MS U-Pb测试在桂林理工大学广西隐伏金属矿床勘查重点实验室完成。锆石年龄测试采用的束斑直径为24 μm,利用标准锆石GJ-1和Plesovice作为外标物质进行校正,每隔8个分析点,加测2个标样各2次。原始数据处理采用ICPMSDataCal 10.7程序[36],锆石年龄谐和图和年龄分布频谱图采用Isoplot 3.00程序完成[37]。锆石CL图像、年龄谐和图及频谱图采用CorelDRAW X3进行完善。对大于1 000 Ma的锆石年龄采用207Pb/206Pb年龄,小于1 000 Ma的锆石年龄采用206Pb/238U年龄。

4 测年结果

辉绿岩样品DZH01，共测试分析43粒锆石,取其中36粒谐和度较高的锆石进行年龄分析；板岩样品GB1801-7，共测试分析58粒碎屑锆石,取其中46粒谐和度较高的锆石进行年龄分析。样品的锆石U-Pb年龄分析测试结果见表1,稀土微量元素测试结果见表2。

(1)根据辉绿岩样品DZH01的锆石U-Pb年龄和CL图像特征(图3),36粒锆石可分为6组:

A组包含7粒锆石,在CL图像中,锆石呈短柱状、椭圆状的形态特征,粒径50～150 μm;具有清晰的内部环带;其206Pb/238U加权平均年龄为216.0±3.3 Ma(MSWD=0.26,n=7)。

图3 辉绿岩样品DZH01锆石阴极发光图像Fig.3 Zircon CL images of diabase sample DZH01

表1 龙胜吊竹山辉绿岩及其围岩年代学数据Table 1 Chronological data of Dianzhushan diabase and its surrounding rocks in Longsheng

续表1

注： “-”表示未检出，下同。

表2 龙胜吊竹山辉绿岩及其围岩锆石稀土元素含量Table 2 Rare earth elements content of zircon in Diaozhushan diabase and its surrounding rocks in Longsheng

续表2

B组包含9粒锆石,在CL图像中,锆石颗粒呈不规则状、椭圆状的形态特征,粒径50～150 μm; 具有清晰的内部环带,但环带特征多样; 其206Pb/238U加权平均年龄为276.1±4.3 Ma(MSWD=0.048,n=9)。

C组包含6粒锆石,具有短柱状的形态特征,粒径50～100 μm;在CL图像中,内部环带多样,明暗程度不一;其206Pb/238U加权平均年龄为441.7±8.0 Ma(MSWD=0.005 8,n=6)。

D组包含7粒锆石,具有较暗的CL图像和有较宽的岩浆振荡环带;锆石呈短柱状、长柱状的形态特征,粒径60～120 μm,部分锆石边缘具有较亮的增生边;其206Pb/238U加权平均年龄为774.8±7.5 Ma(MSWD=0.008,n=7)。

E组含有2粒锆石,其具有短柱状、长柱状的形态特征,粒径50～120 μm;具有较暗的CL图像,在颗粒边部可见零星的增生边,其206Pb/238U年龄为820 Ma±。

F组含有5粒锆石,锆石形态特征多样,呈椭圆状、柱状及不规则状,CL图像明暗程度不一,内部环带多样,其207Pb/206Pb年龄为1 201～2 517 Ma。

(2)根据板岩样品GB1801-7的锆石U-Pb年龄和CL图像特征(图4),46粒锆石可分为7组:

A组包含6粒锆石,锆石的形态特征多样,呈短柱状或不规则状,粒径40～80 μm;CL图像较暗,内部环带不一;其206Pb/238U加权平均年龄为215.8±5.2 Ma(MSWD=0.004 2,n=6)。

B组含有6粒锆石,锆石的形态特征多样,CL图像较暗,内部环带不一; 其206Pb/238U加权平均年龄为274.8±5.8 Ma(MSWD=0.071,n=6)。

图4 锆石阴极发光图像(板岩样品GB1801-7)Fig.4 Zircon CL images of slate sample GB1801-7

C组包含5粒锆石,锆石多呈椭圆状、不规则状,CL图像明暗程度不一,内部环带多样,其206Pb/238U加权平均年龄为441.6±8.1 Ma(MSWD=0.017,n=5)。

D组含有1粒锆石,锆石呈短柱状的形态特征,CL图像显示岩浆振荡环带,同时含有较暗的古老锆石继承核,其206Pb/238U年龄为772±14 Ma。

E组包含4粒锆石,锆石粒径较小,CL图像明暗不一,可见岩浆振荡环带,其206Pb/238U加权平均年龄为822.0±15.0 Ma(MSWD=0.004 8,n=4)。

F组含有3粒锆石,具有短柱状或不规则状的形态特征,CL图像明暗不一,可见岩浆振荡环带,其206Pb/238U年龄为864～913 Ma。

G组包含21粒锆石,具有椭圆状、短柱状及不规则状的形态特征;锆石颗粒具有一定程度的磨圆,粒径为40～150 μm;锆石内部环带复杂,部分锆石内部含古老锆石的继承核,其207Pb/206Pb年龄为1 748～3 135 Ma。

5 锆石地球化学特征及成因

锆石成因具有复杂性,同一样品不同锆石颗粒可具有不同的成因,即便同一锆石，不同晶域也可以具有不同的成因[38-40]。因此,只有识别出不同成因的锆石,才能给出具有地质意义的合理解释。已有研究表明,锆石具有岩浆锆石、变质锆石和热液锆石等3种主要的成因类型[41-43]。关于3种类型锆石的识别,主要是从锆石形态[40-41、43]、内部结构[41]、稀土元素[41,44-45]、微量元素及比值[41,44-45]、包裹体[41,44-45]和同位素[41,45]等方面进行区分。

(1)样品GB1801-7中,215 Ma±的锆石颗粒La含量为(0.18～852.94)×10-6,LREE为(47.47～3 411.54)×10-6,LREE/HREE值为0.01～1.89,具有中等的负铕异常(δEu=0.10～0.59)。样品DZH01中,215 Ma±的锆石颗粒La含量为(0.38～6.72)×10-6,LREE为(41.26～565.13)×10-6,LREE/HREE值为0.03～0.25,具有中等的负铕异常(δEu=0.05～0.45)。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式中(图5a),具有215 Ma±年龄值的锆石显示轻稀土相对平坦,重稀土相对陡倾斜的配分模式。

(2) 样品GB1801-7中,275 Ma±的锆石颗粒La含量为 (2.35～20.58)×10-6,LREE为(27.62

图5 锆石稀土元素球粒陨石标准化配分模式(球粒陨石值据文献[46])Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of zircon

～192.87)×10-6,LREE/HREE值为0.03～0.10,具有中等的负铕异常(δEu=0.05～0.99)。样品DZH01中,275 Ma±的锆石颗粒La含量为(0.29～38.08)×10-6,LREE为(3.52～192.47)×10-6,LREE/HREE值为0.01～0.17,具有中等的铕异常(δEu=0.08～2.86)。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式中(图5b),具有275 Ma±年龄值的锆石显示轻稀土相对平坦,重稀土相对陡倾斜的配分模式。

(3) 样品GB1801-7中,441 Ma±的锆石颗粒La含量为(0.52～6.67)×10-6,LREE为(35.59～78.14)×10-6,LREE/HREE值为0.03～0.10,具有中等的负铕异常(δEu=0.06～0.68)。样品DZH01中,441 Ma±的锆石颗粒La含量为(0.38～1.63)×10-6,LREE为(28.90～206.42)×10-6,LREE/HREE值为0.02～0.23,具有中等的负铕异常(δEu=0.08～0.52)。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式中(图5c),具有441 Ma±年龄值的锆石显示轻稀土相对平坦,重稀土相对陡倾斜的配分模式。

(4) 在样品DZH01中,具有775 Ma±的锆石颗粒La含量为(0.86～3.97)×10-6,LREE为(288.44～1 131.83)×10-6,LREE/HREE值为0.26～0.64,具有强烈的负铕异常(δEu=0.01～0.08)和强烈的正铈异常(δCe=10.41～20.14)。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式中(图5d),该年龄值的锆石显示轻稀土呈锯齿状,重稀土缓倾斜的配分模式。

(5) 样品GB1801-7中,772 Ma的锆石颗粒具有典型的岩浆振荡环带和古老锆石的继承核,其Th、U含量分别为757.11×10-6和760.26×10-6,Th/U值为1,该粒锆石应为岩浆成因的碎屑锆石。而样品DZH01中的775 Ma±锆石颗粒呈短柱状、长柱状的形态特征;相对较宽的内部环带; 其Th、U含量分别为(2 620.26～5 184.17)×10-6和(1 404.70～2 215.62)×10-6,Th/U值为1.35～3.44; 轻稀土呈锯齿状,重稀土缓倾斜的稀土配分模式; 以及相对较高的δCe值(10.41～20.14)和较高的(Sm/La)N值(28.63～350.32),上述特征表明样品DZH01中具有775 Ma±的锆石颗粒为岩浆锆石(图6)。样品GB1801-7中772 Ma的碎屑锆石的存在，表明三门街组沉积成岩过程中存在与辉绿岩体侵位时代相同的火山岩，也与前人对三门街组流纹岩的测年结果一致[47-48]。

将吊竹山辉绿岩样品(DZH01)和围岩样品(GB1801-7)中具有215 Ma±、275 Ma±和441 Ma±年龄值的锆石进行成因判别,在(Sm/La)N-La(图6a)和δCe-(Sm/La)N(图6b)图解中,多数锆石落入热液锆石区域。结合锆石形态特征、稀土元素配分模式和微量元素特征(表2),综合判别两样品中具有215 Ma±、275 Ma±和441 Ma±年龄值的锆石为热液改造锆石。多组热液锆石的存在表明,研究区经历了多期热液蚀变作用,这也与吊竹山辉绿岩及其围岩样品遭受多期热液蚀变作用影响的岩相学特征一致。

图6 锆石成因判别图解(底图据文献[44])Fig.6 Discriminant diagrams of zircon genesis

6 讨论

桂北龙胜地区镁铁质-超镁铁质岩石的成岩时代和成岩构造背景颇具争议。葛文春等[11]通过单颗粒锆石U-Pb年代学研究获得龙胜塘头辉长辉绿岩的岩浆侵位结晶年龄为761±8 Ma,并认为镁铁质岩石侵位过程中遭受地壳物质混染,其岩浆侵位可能与Rodinia超大陆825 Ma±裂解之后的另一次裂解事件有关；林木森等[22-23]认为龙胜地区丹洲群镁铁质-超镁铁质岩石形成于新元古代晚期(770～750 Ma),受全球Rodinia超大陆裂解及俯冲洋壳板片后撤拉张的影响,暗示江南造山带西段可能直到750 Ma仍处于俯冲造山阶段；朱安汉等[25]通过LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得湘桂交界地区张里村变辉长辉绿岩的形成年龄(421.9±7.8 Ma),并认为扬子陆块和华夏陆块结合带西南段可能存在从新元古代至早古生代持续的双向洋陆俯冲碰撞过程；寇彩化等[24]通过LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得湘西通道地区长界橄榄辉石岩的加权平均年龄为701±11 Ma,其形成可能与700 Ma时期江南造山带西段裂谷作用导致软流圈物质上涌并发生熔融有关；Yao等[15]认为龙胜地区镁铁质-超镁铁质岩石为蛇绿混杂岩,其中的辉长岩、辉绿岩形成于865 Ma±。

上述关于桂北龙胜地区镁铁质-超镁铁质岩石的成因和成岩构造背景的不同认识,其分歧很大程度上是对成岩时代的认识不同。在本文所测的吊竹山辉绿岩年龄样品中,存在多组年龄信息,只有正确判别出锆石成因，才能够对各组年龄数据给出合理的地质解释，进而准确地识别出岩体的成岩时代。

在锆石U-Pb年龄谐和图解中(图7),两样品中谐和度较高的锆石年龄均落在谐和线上及其附近。吊竹山辉绿岩(DZH01)及围岩(GB1801-7)样品的锆石U-Pb年龄频谱图中(图7),均含有215 Ma±、275 Ma±和441 Ma±的3个峰值。结合锆石的形态特征、内部结构、稀土配分模式和微量元素比值等判定,具有215 Ma±、275 Ma±和441 Ma±年龄值的锆石为热液改造锆石,应为后期构造热事件的产物,而非辉绿岩体的侵位时代。

在吊竹山辉绿岩年代学样品中,除上述热液锆石外,还有一组锆石年龄为775 Ma±。根据锆石成因判别,具有775 Ma±年龄值的锆石为岩浆锆石,且为该样品中最年轻的一组岩浆锆石,因此该年龄值可代表吊竹山辉绿岩体的侵位时代。此外,该样品还含有2粒年龄值为820 Ma的锆石和5粒年龄值为1 201～2 517 Ma的锆石,这些锆石应为成岩过程中捕获的锆石。

图7 辉绿岩及其围岩锆石年龄谐和图解(a、c)和锆石年龄分布频谱图(b、d)Fig.7 Zircon U-Pb concordia diagrams(a,c) and frequency histograms(b,d) of diabase and its surrounding rocks

吊竹山辉绿岩具有775 Ma±的侵位时代,与龙胜塘头辉长辉绿岩(761±8 Ma)[11]、三门街组流纹岩(765±14 Ma)和湘西的辉绿岩(768±28 Ma)等[47-48]的形成时代一致。也与笔者最近对龙胜金车辉长岩(773.0±11.0 Ma)、金结辉绿岩(774.6±4.7 Ma,774.9±4.2 Ma)、华美辉绿岩(773.0±10.0 Ma)和古桃山辉长辉绿岩(774.3±3.4 Ma)的测年结果一致(待发表数据)。上述测年结果表明,展布于丹洲群三门街组中的镁铁质-超镁铁质岩石的形成时代为775 Ma±。775 Ma±的侵位时代表明其成岩构造背景既非蛇绿混杂岩[15],也非从新元古代至早古生代的持续洋陆俯冲的产物[22-23,25],而可能与Rodinia超大陆的裂解有关[24]。

华南大陆自新元古代由扬子陆块和华夏陆块碰撞拼合成统一的大陆块体后,经历了多期次的构造岩浆活动[4],主要表现为广泛的加里东期浅变质岩系、大规模的岩浆活动[49-50]以及成矿作用[51-54],海西期、印支期构造岩浆事件及成矿事件。本文所测的桂北龙胜吊竹山辉绿岩和围岩的年代学样品中,均有多期构造岩浆热液活动的年代学记录。

加里东期扬子陆块和华夏陆块的碰撞拼贴,致使早古生代地层发生浅变质作用和剧烈的花岗质岩浆活动及成矿作用,同时产生华南一系列近NNE向的韧性剪切带[49-54]。桂北龙胜地区镁铁质-超镁铁质岩石与围岩呈侵入接触关系,一些接触部位可见明显的变形和片理化现象,这些变形和片理化的镁铁质-超镁铁质岩石实为韧性剪切带。吊竹山辉绿岩样品和围岩样品中441 Ma±的热液锆石年龄,应记录着岩体边部变形和片理化岩石的变形时间。这与Qin等[35]通过热液锆石测年获得寿城-瓢里韧性剪切带的活动年龄(441.0±2.0 Ma)以及张雪锋等[33]获得四堡韧性剪切带的活动年龄(453±9 Ma)一致。关于桂北地区韧性剪切带的活动时间,前人通过40Ar/39Ar法获得与热液锆石年龄一致的结论[31，34]。因此,吊竹山辉绿岩样品和围岩样品中441 Ma±的热液锆石年龄记录着桂北地区韧性剪切带的活动时间,反映着加里东期扬子陆块和华夏陆块再碰撞的时限。

桂北龙胜地区吊竹山辉绿岩及围岩中二叠纪(275 Ma±)热液锆石年龄的存在,表明海西期的岩浆构造热事件对该区亦有影响。尽管区域上该时期的岩浆构造热事件报道较少,但李青等[55]研究桂东早古生界碎屑锆石时发现,寒武纪地层中存在强烈的250 Ma±和100 Ma±的热液改造锆石年龄记录。

三叠纪(215Ma±)热液锆石的存在,表明印支期的岩浆构造热事件对桂北地区亦有广泛的影响。区域上在桂北地区广泛存在该时期的岩浆事件,如桂北栗木岩体[56-57],以及湘桂交界的猫儿山岩体[58-61]、越城岭岩体[61-62]和五团岩体[63]等。

综合吊竹山辉绿岩样品及其围岩样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果,桂北龙胜地区镁铁质-超镁铁质岩石形成于775 Ma±的新元古代;成岩过程中捕获有820 Ma±和1 201～2 517 Ma的锆石;成岩后受加里东运动的影响,于441 Ma±在岩体边缘发生韧性剪切变形,后期再次遭受海西运动(275 Ma±)和印支运动(215 Ma±)等构造热事件的影响。