华南陆块南岭地区中生代花岗岩地球化学研究

摘要

华南陆块在中生代时期经历了强烈的构造-岩浆活动，产生了遍布全区的岩浆岩，其中发育最广泛的是花岗岩。过铝质花岗岩占据了其中的主体，然而它们是当今花岗岩研究中的一个难点。实验岩石学资料表明，过铝质花岗质熔体既可以由变沉积岩部分熔融产生（对应S型花岗岩），也可以由变火成岩部分熔融产生（对应I型花岗岩）。研究华南中生代花岗岩的形成时代、地球化学特征和源区物质来源，不仅对认识区域构造演化具有重要的意义，而且对于理解过铝质花岗岩的岩石成因很有价值。尽管前人对华南中生代花岗岩开展了大量的工作，但鉴于这些花岗岩成因复杂且大多不同于那些典型的S型或I型花岗岩，因此对它们的岩石成因认识还存在着争议。本学位论文以南岭地区部分中生代花岗岩为研究对象，重点研究三叠纪年龄的花岗岩。
　　本文对贵东复式岩体中的鲁溪、下庄和高栋岩体以及富城岩体进行了锆石U-Pb定年以及Hf-O同位素和微量元素研究、全岩主微量元素和Sr-Nd同位素研究以及黑云母岩相学和主量元素研究。结果证实这些过铝质花岗岩为变沉积岩部分熔融的产物，即属于S型花岗岩，而非I型花岗岩。LA-ICPMS锆石U-Pb定年结果表明，它们的形成年龄为230±4～237±4Ma。这些花岗岩中都含有数量不等的残留锆石核，其U-Pb年龄变化范围较大，为355-2379 Ma，年龄峰值为～440 Ma、～800 Ma和～2355 Ma，表明它们的源区中含有多个地质时期形成的地壳物质，其中前两个峰值的时间分别与华南早古生代和新元古代岩浆活动的时间吻合。SIMS原位O同位素分析表明，三叠纪岩浆锆石的δ18O值都较高，为8.8-11.4‰，与通过激光氟化法对全颗粒锆石的O同位素分析结果9.2-10.6‰一致，表明这些花岗岩的源岩为经历过地表化学风化的表壳物质。残留锆石的δ18O值变化较大，为5.1-10.3‰，但其中～440 Ma的残留锆石δ18O值为8.6-10.3‰，与三叠纪岩浆锆石的O同位素组成相似;老于600 Ma的残留锆石δ18O值为5.1-7.9‰，表现为相对低的O同位素组成。这个差别表明，～440 Ma的残留锆石和其它残留锆石的源岩具有不同的岩石成因，其中～440Ma残留锆石的源岩可能与三叠纪过铝质花岗岩具有相似的成因。三叠纪岩浆锆石的微量元素组成具有很大的变化范围，且Hf与Ti、Th、U、Th/U、Eu/Eu*和(Gd/Yb)N之间存在明显的相关性，反映了分离结晶的作用。不过在锆石的Hf含量与δ18O值之间无相关性，说明岩浆结晶过程中岩石同位素组成没有明显改变。残留锆石的微量元素组成变化相对较小，且落在三叠纪岩浆锆石的组成范围之内。在锆石REE分配型式图中，所有残留锆石都具有类似于三叠纪岩浆锆石的分配型式，且～440 Ma残留锆石与三叠纪岩浆锆石间几乎无法区分，进一步证实了二者的源岩具有相似的成因。三叠纪岩浆锆石的Hf同位素组成表现出富集的特征，εHf(t=230 Ma)值为-12.6～-5.4，两阶段Hf模式年龄T2DM为1603-2031 Ma。富城花岗岩εHf(t）值和T2DM分别略高于和年轻于其它花岗岩，指示它们的源岩可能存在一定差别。
　　三叠纪鲁溪、下庄、高栋和富城花岗岩都具有高的SiO2含量(＞65wt.％)。在TAS图中，鲁溪花岗岩位于花岗闪长岩的范围内，而其余花岗岩主要位于花岗岩的范围内。所有花岗岩都表现出高K钙碱性的特征。富城花岗岩主要为铁质，而其余花岗岩主要为镁质。花岗岩SiO2含量和大部分主微量元素含量和比值之间都呈较好的线性关系。值得注意的是，SiO2和P2O5之间呈负相关，而SiO2和A/CNK之间呈正相关，这两个特征都与I型花岗岩类似。本文研究的花岗岩都为过铝质(A/CNK＞1.0)，具有高的K2O/Na2O比值(＞1.0)。在球粒陨石标准化REE分配图中，表现出右倾的型式，具有不同程度的Eu负异常。在原始地幔标准化蛛网图中，Rb、Th、U、K和Pb呈正异常，而Ba、Sr、Nb、Ta、P程Ti呈负异常，为弧型微量元素特征。在相同SiO2含量时，富城花岗岩比其它花岗岩具有更高的TiO2和P2O5含量及TiO2/MgO比值，但更低的Na2O含量和Mg＃。富城花岗岩主量元素组成与实验岩石学获得的高温条件下A型花岗质熔体类似。同时，富城花岗岩的LREE含量、104*Ga/Al比值和Zr+Nb+Ce+Y总量都较高，符合A型花岗岩的特征。所有的三叠纪花岗岩样品都具有一致的初始Nd同位素组成，εNd(t=230 Ma)值为-11.0～-9.5，但初始Sr同位素组成变化较大，(87Sr/86Sr)i为0.6007-0.7246，但大部分都大于0.7100。全岩SiO2含量和εNd(t)值及锆石的δ18O值之间没有相关性。
　　鲁溪、下庄和富城花岗者中黑云母的组成都符合过铝质花岗岩的黑云母组成特征，即相对富Al2O3。同时，黑云母的Mg＃及A/CNK和全岩的相应组成一致，鲁溪花岗岩的全岩和黑云母都具有最高的Mg＃和最低的A/CNK，而富城花岗岩的全岩和黑云母则具有最高的A/CNK和最低的Mg＃，下庄花岗岩全岩和黑云母的这两项组成都介于中间。此外，富城花岗岩中的黑云母还具有高的F含量。
　　综合这些结果，本文认为尽管南岭地区三叠纪花岗岩在SiO2-P2O5和SiO2-A/CNK图中都表现出类似于I型花岗岩的特征，但这些花岗岩的其它重要特征，如过铝质、高K2O/Na2O比值、高的(87Sr/86Sr)i、高的锆石δ18O值和富含残留锆石等，都与变沉积岩来源的S型花岗岩相吻合。后面这些特征才能真正反映花岗岩的源岩性质，而前面那些特征更多的是与岩浆过程有关，因此南岭地区三叠纪花岗岩是由变沉积岩部分熔融产生的，应属于S型花岗岩。富城花岗岩的主微量元素组成和黑云母的组成都符合A型花岗岩的特征，它们来自于变沉积岩在高温条件下的部分熔融。对于南岭三叠纪花岗岩的成分变化，采用岩浆混合、同化混染和残留体或转熔矿物携带等模型都无法解释。组成不均一的变沉积岩在不同条件的部分熔融以及花岗岩浆在侵位之后的分离结晶作用是造成这些花岗岩成分变化的主要原因。本文研究表明，变沉积岩在相对低温条件下的部分熔融产生强过铝质S型花岗岩;经历了S型花岗质熔体提取后的残留岩在温度升高条件下部分熔融就会产生弱过铝质特征乃至A型花岗岩。不同阶段的熔融产物在侵位之后通过分离结晶作用使得全岩的主微量元素之间表现出规则的组成变化，甚至会产生类似于I型花岗岩的组成特征，但它们的源岩并没有本质的变化，仍然为变沉积岩，只是经历了不同程度的熔体提取。
　　岩浆混合在花岗岩的成因中是一个常见的过程，不同壳源岩浆之间的混合对过铝质花岗岩的形成尤为重要。本文通过对中生代龙源坝花岗岩中黑云母包裹体的研究证实了壳源岩浆间的混合作用。黑云母的主量元素组成主要受控于它们结晶时岩浆的组成。花岗岩中石英和长石所包裹的黑云母包体自它们形成之后就受到了寄主矿物的保护，从而它们能够免于外界的影响，其原始组成得以保存，可以用于示踪岩浆混合。本研究从龙源坝花岗岩中选择了三个样品，分别为三叠纪二云母花岗岩(10SC74A)、三叠纪黑云母花岗岩(10SC71)和侏罗纪黑云母花岗岩(10SC77)。LA-ICPMS锆石U-Pb定年表明，这三个样品的结晶年龄分别为:240±3 Ma、239±2 Ma和147±2 Ma。全岩地球化学分析表明，这三个样品都为高硅、过铝质，SiO2含量≥68.0 wt.％。二云母花岗岩10SC74A具有最低的εNd(t)值和最高的T2DM，分别为-11.3和1.93 Ga，以及最高的A/CNK值1.18和锆石δ18O值9.5‰（激光氟化法）;黑云母花岗岩10SC77则具有最高的εNd(t)值-8.0和最低的T2DM年龄1.58 Ga，以及最低的锆石δ18O值8.4‰，A/CNK值为1.07;黑云母花岗岩10SC71具有εNd(t)值-9.4和T2DM年龄1.78 Ga，δ18O值8.9‰介于其中，A/CNK值为1.06。
　　本文研究花岗岩中的黑云母具有多种多样产状。在二云母花岗岩10SC74A中，黑云母既出现在基质中，为主要的造岩矿物之一，也以包裹体的形式出现在石英和钾长石中。基质和包体黑云母都有相同的共生矿物组合，即白云母和钛铁矿，此样品中的黑云母被统称作Bt-Ⅰ。类似的，在黑云母花岗岩10SC71中，黑云母有三种产状:在基质中、包裹于长石中和包裹于石英中。长石中的黑云母包裹体通常较为自形，呈板状，宽度约为30-200μm，长宽比大约为3∶1，将其称作Bt-ⅡA;而石英中的黑云母包裹体(Bt-ⅡB)和基质中的黑云母(Bt-Ⅲ)一般为半自形鳞片状。在黑云母花岗岩10SC77中，不考虑已被绿泥石化的黑云母，石英中的新鲜黑云母包裹体可以被分为两组:组A为自形板状，长度约为50μm，与原生的白云母和钛铁矿共生(Bt-ⅡA);组B为半自形至它形，宽度约为30-40μm，长度约为60-80μm，它们无共生矿物，而是单独地被石英包裹(Bt-ⅡB)。二云母花岗岩10SC74A中不同产状的黑云母之间没有组成上的差别，且与典型S型花岗岩中的黑云母具有一致的组成，比黑云母花岗岩中的黑云母更加富Al2O3但更加贫MgO。黑云母花岗岩10SC77中的Bt-ⅡA和Bt-ⅡB相比于Bt-Ⅰ具有更低的A/CNK值和更高的Mg＃。同时，Bt-ⅡA和Bt-ⅡB的组成落在典型的S型和I型花岗岩中黑云母的组成区域之间，但Bt-ⅡA比Bt-ⅡB含更低的MgO和TiO2但更高的Al2O3、K2O和A/CNK值。Bt-ⅡA的组成更加接近于Bt-Ⅰ。黑云母花岗岩10SC71中包裹体黑云母的组成变化范围比基质黑云母大。同时，Bt-ⅡB的Mg＃比 Bt-ⅡA更高，但A/CNK值更低。基质黑云母(Bt-Ⅲ)的组成介于两种包体黑云母(Bt-ⅡA和Bt-ⅡB)之间。
　　此外，黑云母花岗岩10SC77中的锆石根据阴极发光图像可以分为两组。第一组锆石较亮，显示出清晰的振荡环带;第二组锆石在CL图像中为黑色，没有可识别的环带。两组锆石都可以单独出现，但当二者共同出现在同一个锆石颗粒中时，CL图像较黑的锆石总是以生长边的形式出现在有振荡环带的锆石之外，表明前者的结晶晚于后者。两组锆石具有相同的U-Pb年龄，但不同的δ18O值和微量元素组成。第一组锆石的δ18O值为8.0±0.3‰(2σ)至8.3±0.2‰(2σ);第二组锆石的δ18O值较低，为7.4±0.3％(2σ)至7.6±0.3‰(2σ)。第一组锆石的Hf、U、Th和Y含量比第二组低，但(Gd/Yb)N比值比第二组高。锆石的U-Pb年龄和微量元素组成与δ18O值之间没有明显的相关性。
　　本文研究的黑云母都是岩浆结晶形成的，它们保存了原始成分。综合分析表明，二云母花岗岩10SC74A的源区物质为变沉积岩，属于S型花岗岩。而黑云母花岗岩10SC71和10SC77的源岩虽然主要为变沉积岩，但也含有少量的变火成岩。在黑云母花岗岩的形成过程中，早期为较还原的岩浆，来自变沉积岩的部分熔融，其过铝质程度高，δ18O值也较高，这种岩浆侵位后结晶出具有振荡环带的锆石、Bt-ⅡA、白云母和钛铁矿。随后有新岩浆注入，其中有来自变火成岩的部分熔融，这些岩浆的铝饱和指数没有前一种高，δ18O值也略低，从这种岩浆中生长的矿物为CL图像中黑色的锆石和Bt-ⅡB。两期岩浆混合之后结晶出Bt-Ⅲ。由于这两期岩浆都来自地壳岩石，它们可能具有相似的物理和化学性质，因此它们之间的混合比较充分，没有留下宏观的岩石学证据，但能够被黑云母包裹体和锆石所记录。
　　本文研究表明，过铝质花岗岩的成因主要涉及到大陆地壳岩石的部分熔融，尚未发现幔源岩浆的直接参与，因此过铝质花岗岩记录的是大陆地壳的再造，而不是大陆地壳的生长。全岩地球化学组成它们受岩浆过程的影响很大，有时难以限定花岗岩的源岩性质。单矿物如黑云母包裹体和锆石能够用于识别花岗岩的源岩性质和岩浆过程。源区物质组成对过铝质花岗岩的组成变化起到关键的控制作用，但熔融条件、熔融程度和岩浆结晶分异等也会影响花岗岩的组成。

目录

声明

摘要

第一章 导论

1．1 花岗岩的研究背景

1．1．1 研究现状

1．1．2 存在闻题

1．2 华南中生代花岗岩

1．3 本学位论文研究的内容和意义

1．4 工作量小结

第二章 区域地质背景

2．1 华南陆块

2．1．1 前寒武纪

2．1．2 古生代

2．1．3 中生代

2．2 南岭地区

2．2．1 地质概况

2．2．2 本文研究岩体

第三章 样品描述

3．1 贵东花岗岩

3．1．1 鲁溪花岗岩

3．1．2 下庄花岗岩

3．1．3 高栋花岗岩

3．2 富城花岗岩

3．3 龙源坝花岗岩

3．4 小结

第四章 分析方法

4．1 全岩主量和微量元素分析

4．2 全岩Sr-Nd同位素分析

4．3 单矿物氧同位素分析

4．4 矿物主量元素分析

4．5 锆石内部结构分析

4．6 锆石SIMS氧同位素分析

4．7 锫石LA-ICPMS U-Pb定年和微量元素分析

第五章 贵东和富城花岗岩地球化学

5．1 引言

5．2 结果

5．2．1 锆石U-Pb年龄

5．2．2 全岩主微量元素

5．2．3 全岩Sr-Nd同位素

5．2．4 激光氟化法锫石O同位素

5．2．5 锫石Lu-Hf同位素

5．2．6 SIMS原位锆石O同位素

5．2．7 锆石微量元素

5．2．8 黑云母主量元素

5．3 讨论

5．3．1 花岗岩中残留锆石的来源

5．3．2 花岗岩类型

5．3．3 源区不均一性

5．3．4 过铝质A型兹岗岩

5．3．5 鲁溪花岗岩组成变化的原因

5．3．6 部分熔融温度

5．3．7 部分熔融程度的影响

5．4 对华南三叠纪花岗岩岩石成因的指示意义

5．5 对花岗岩地球化学多样性的指示意义

5．6 小结

第六章 龙源坝花岗岩地球化学

6．1 引言

6．2 岩相学

6．2．1 样品选择和岩裙学

6．2．2 黑云母的岩相学

6．2．3 锆石的岩相学

6．3 分析结果

6．3．1 LA-ICPMS锆石U-Pb年龄

6．3．2 全岩地球化学

6．3．3 SIMS锆石原位O同位素和微量元素

6．3．4 黑云母主量元素

6．4 讨论

6．4．1 黑云母结晶之后原始成分的保存

6．4．2 黑云母的来源

6．4．3 黑云母成分与岩浆混合

6．5 岩石成因指示意义

6．6 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

博士期间发表论文