1、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*, 李武显, 王选策, 李秋立, 刘宇, 唐国强摘要 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, Hf( t) = 11.6 0.3, 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
2、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
3、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(7.5%)和富钾(K 2O/Na2O = 12)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/Na 2O=0.61.7)的特征, 非常类似于清湖二长岩
4、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=0.7030.704, Nd(t)=45)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
5、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+K 2O)-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
6、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 18O 值(6.28.1)的上、下限均超出了太古宙岩浆锆石 18O 值范围6.57.530, 表明其岩浆可能
7、含有幔源和表壳来源两种岩浆组分. 佛冈花岗岩锆石的 18O 值变化范围很大(5.69.0), 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 18O 值范围大约为 7.711.2, 涵盖了全球典型I 型花岗岩( 18O=610)和S 型花岗岩(1014)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
8、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 6265,15. 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
9、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Hf( t)12850(换算到160 Ma 时Hf (t) 1410, 平均为12);全岩18O 10.213.149 , 相当于锆石 18O8.511.3, 平均为10(用全岩 SiO270%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Hf(t)12,
10、 18O5.3,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Hf(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
11、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H 2O; (2) 花岗岩的SiO2 与P 2O5 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15,56,6669, 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
12、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(2
13、0 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23 km 、P 波速度从7.4 kms 1 增加到8.08.2 kms1 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Li72 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-
14、O 同位素组成(Hf (t)=11.6, 18O=5.4)和典型的亏损地幔Sr-Nd 同位素组成(ISr=0.7030.704, Nd (t)=45), 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._
