湘湘地区玄武岩类的时空分布及其成因

湘湘地区玄武岩类的时空分布及其成因

湘南大陆花岗岩与该地区许多白色、稀有和隐性金属矿床密切相关，因此引起了人们的广泛关注，但很少有人关注该地区中生代发育的玄武岩（包括辉绿岩）。近年来的研究表明，从侏罗纪到白牙的玄武岩种类繁多，其岩性包括带刺岩和碱性，通常包括各种地幔岩和下地壳带的性质。最重要的是，这些基性岩浆岩和该地区大型-大型矿床的时空关系非常密切。因此，该岩石条纹岩和地球化学特征具有重要的地质和地球化学特征。本文主要研究该地区大-大型矿床形成的地质地球化学背景。岩石学和发育年龄、岩石化学和地球化学，以及该地区中生代岩石圈地幔地球化学特征及其成矿意义。1裂谷化作用对玄武岩形成和分布的控制作用区内玄武质岩石主要以喷溢形式产出,次火山岩次之,常呈岩群、岩带产出,主要集中分布于新田-宁远-道县北东向断裂带和宜章长城岭一带,在水口山周围的老盟山、春江铺以及衡南冠市街也有小规模分布.本区位于华南加里东构造带,中泥盆世后进入了陆内作用阶段,区内不同地体、边界断裂的仰冲、酃县-郴州-临武复杂断裂中的拉张作用和A型俯冲、新田-宁远-道县-江永的裂谷化作用对区内玄武岩的形成和分布起了重要控制作用.沿新田-宁远-道县北东向分布主要有玻基辉橄岩、橄榄拉斑玄武岩、石英拉斑玄武岩和碱性玄武岩等[1～3],岩体500余个,出露面积不等,有的仅几平方米,虎子岩岩体较大(长1000m,宽25～300m).岩石多具块状构造,少数具杏仁状、气孔状构造,斑状结构,斑晶以橄榄石单斜辉石为主,斜长石较少.单斜辉石以透辉石为主,岩石受不同程度的碳酸盐化、绿泥石化蛇纹石化等蚀变作用.在碱性玄武岩中常见尖晶石二辉橄榄岩、二辉岩、单斜辉石岩及下地壳麻粒岩等包体.在柿竹园钨多金属超大型矿床南部的宜章县长城岭分布的玄武岩多具辉长或次辉绿结构.其中长城岭岩群为橄榄拉斑玄武岩和拉斑玄武岩;上池塘岩群为辉长辉绿岩、橄榄拉辉煌斑岩;脚踏水岩群为橄榄拉辉煌斑岩;平和岩群为玄武岩、橄榄拉辉煌斑岩、云煌岩等.水口山周围的衡南冠市街、春江铺分布的主要为拉斑玄武岩,以似层状赋存于下白垩统神皇山组.此外,区内大型-超大型矿床矿区内多分布有辉绿(玢)岩,如柿竹园超大型钨多金属矿、鹿井大型铀矿及邻区凡口超大型Pb,Zn矿等.1.1碱土金属na2a本区玄武质岩石SiO2含量范围39%～55%,与国际上研究的玄武岩范围基本一致(38%～58%).它们明显分为两大类,第一大类为拉斑玄武岩,SiO2范围45%～55%,K2O+Na2O≤4%.这类岩石分布较广,在长城岭、春江铺和道县均有分布.根据Na,K关系.可分为两类,一是Na质(Na2O—1.5>K2O),主要分布在长城岭和春江铺,二是K质(Na2O<K2O),主要分布于道县.第二大类为碱性系列(碱性玄武岩)主要分布于新田、宁远一带,SiO2<45%,Na2O+K2O>4%,Na2O>K2O(图1).在道县虎子岩发现的玻基辉橄岩,其SiO2是区内最低的(<40%),贫Al2O3,Na2O,富MgO,CaO,K2O>Na2O,在春江铺部分岩石属玄武安山岩,SiO250%～55%,Na2O>K2O.1.2地层-ar-4-3-ma本区玄武岩形成时代主要为侏罗纪和白垩纪.侏罗纪玄武岩类主要分布于新田-宁远-道县和宜章长城岭一带.道县虎子岩玻基辉橄岩40Ar-39Ar坪年龄为(204.30±4.09)Ma,等时线年龄(198.06±3.96)Ma;宁远保安圩碱性玄武岩K-Ar年龄为175～177Ma;宜章长城岭拉斑玄武岩40Ar-39Ar坪年龄为(178.03±3.57)Ma,等时线年龄为(181.53±3.6)Ma;道县拉斑玄武岩140～150Ma(钟孙霖个人通信).柿竹园超大型钨多金属矿区的辉绿玢岩40Ar-39Ar坪年龄为(142.34±2.85)Ma.位于湘赣交界的鹿井大型铀矿田中辉绿岩K-Ar年龄为(165.4±3.3)Ma(钟孙霖个人通信).白垩纪玄武岩主要分布于春江铺、冠市街一带,它们呈似层状赋存于下白垩统神皇山组上部或顶部,K-Ar年龄81Ma.2单元素地球化学2.1稀土元素特征本区玄武岩类稀土元素组成如表1,图2,这些岩石均具有轻稀土相对富集、Eu无亏损的右倾斜稀土分布模式,拉斑质(图2(a))和碱性玄武岩(图2(b))稀土元素组成差异明显,碱性玄武岩稀土元素总量高,轻稀土元素富集程度高,(La/Yb)N>10.钾质拉斑玄武岩稀土总量高于钠质拉斑玄武岩,轻稀土富集.玄武安山岩的稀土组成与拉斑玄武岩相似,稀土元素总量较低,Eu无异常、轻稀土中度富集((La/Yb)N—5).虎子岩的玻基辉橄岩以稀土元素总量高、轻稀土明显富集((La/Yb)N为18)、Eu弱亏损(Eu/Eu*为0.88)为特征,属富轻稀土型碱性超镁铁质特征.不相容元素比值是估价源区成分的最好指标,与原始地幔比较(表2),La/Ce,Sm/Nd,Ce/Nd,Zr/Nb等有较明显的差异.轻稀土元素的富集反映了源区受到富集作用.而性质相似的高场强元素含量变化不明显.2.3岩石cr、ni含量本区岩石的相容元素V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu的球粒陨石标准化图为右倾的“W”形,Cr,Ni呈明显亏损.按理论计算,二辉橄榄岩1%-20%部分熔融所形成岩浆中的Cr,Ni浓度分别为(27～80)×10-6和(9.0～6.7)×10-6,本区岩石的Cr,Ni变化范围与其基本一致,分别为(37～52)×10-6和(43～710)×10-6.亏损明显的Cr,Ni在碱性玄武岩中含量较高,其它相容元素在拉斑质玄武岩中含量较高.反映了拉斑质玄武岩形成时的部分熔融程度高于碱性玄武岩,而玻基辉橄岩成分更接近于源区2.2岩石地球化学特征本区玄武岩Nb/Ta比值16.03～18.50,与原始地幔值17.5±2.0相似,Zr/Hf比值39.60～44.41,略高于原始地幔值36.27,但远高于大陆壳值(11),表明本区岩石受地壳污染的可能性很小.碱性玄武岩比拉斑玄武岩相对富集Zr,Hf,Ta,Sr,Ba,Th,U贫Rb.在以原始地幔为标准的图解中(图3),高场强元素Ta,Nb比稀土元素富集,碱性玄武岩K,Rb比相邻元素Sr,Ba亏损,反映了其形成过程中在残留地幔中金云母相的存在,玻基辉橄岩(DXB-2)与上述不同,Nb,Ta,Zr,Hf,Ti显示比相邻微量元素“亏损”,在Rb,Ba,Ce,Sm等形成的“高峰”,显示了与本区包体相似的特征,可能代表了本区地幔发生交代作用后的特征.2.4拉斑质玄武岩地球化学特征根据上述微量元素和同位素组成特征,本区玄武岩类的源区受到富集交代作用.以源区物质组成中轻、中、重稀土分别采用5～3倍球粒陨石浓度,矿物组成为Cpx15%,Opx25%,Ol55%,Gar5%,采用部分熔融模型模拟计算表明,形成本区拉斑质玄武岩的部分熔融程度为10%～15%,碱性玄武岩为3%～5%.3sr/84sr初始值本区玄武岩类的Sr,Nd,Pb同位素组成列于表3中,主要特征概括如下:87Sr/86Sr初始值变化于0.704221～0.708673之间,εSr(T)值-1.00～+62.23,以拉斑质玄武岩为高(0.705848～0.708673);碱性玄武岩为低(0.704221～0.704625).4碱在以洋中脊玄武岩为标准的图式中,本区玄武岩类的Rb,Ba,Th,明显富集.Nb,Ce,P,Zr,Hf,Sm也显示较明显富集,Yb,Y与洋中脊玄武岩相近,碱性玄武岩的Zr,Hf,Sm富集程度高于拉斑质玄武岩.表明它们属板内玄武岩(拉斑质的和碱质的).在Th-Hf/3-Ta图解中,本区碱性玄武岩位于C区,属板内碱性玄武岩,而拉斑质玄武岩位于D区与B区交界,属破坏性板块边缘或板内的拉斑玄武岩.可以认为本区碱性玄武岩形成于板内(或地体内)环境(深断裂或裂谷性环境),拉斑质玄武岩形成于地体边部断裂带.5地球化学特征(2)Pb同位素组成明显与亏损地幔(DM)不同,而与EMⅡ地幔相似,在Nd-Pb同位素图解中(图6),本区岩石位于流行地幔(PREMA)与EMⅠ,EMⅡ过渡区,与中国新生代玄武岩有明显差异,指示了源区的富集特征.(4)本区玄武岩类不相容元素与Th,La及Nb的比值(表3),均处于EMI和EMⅡ范围内.(5)粤北白垩纪基性岩脉的地球化学特征也显示其源区具有EMⅡ特点.6岩浆活动对矿床形成的控制由上述,本区玄武岩类在时间、空间上与区内大-超大型矿床有密切联系.区内许多大-超大型矿区内分布有基性岩类:柿竹园超大型钨多金属矿矿区内分布有辉绿玢岩,矿区南部分布有长城岭拉斑玄武岩群;水口山大型Pb,Zn矿和康家湾大型Au矿矿区内分布有英安玢岩、矿区东北部分布有拉斑玄武岩;鹿井大型铀矿矿区内分布有辉绿岩.邻区凡口超大型Pb,Zn矿分布有辉绿岩锡矿山超大型锑矿区有长达的云斜煌斑岩深部见有橄榄煌斑岩脉上述基性岩类的形成时间与本区大-超大型矿床一致.对本区玄武岩中地幔包体分析表明,W,Sb,Bi,Pb,U,Cu等本区密集成矿的金属含量高,分别为原始地幔的03～30,73～14,43～13.716～47,2.8～48和4.5～5倍,反映了本区大-超大型矿床是在富集成矿元素的上地幔背景上形成的.对区内一些大-超大型矿床的地质、地球化学研究揭示了深源物质对矿床形成的控制.如柿竹园超大型矿床:矿区及周围的深源岩石组合(玄武岩、辉石正长岩、辉绿玢岩)、相关花岗岩源岩具深源特征(较低的Sr初始值0.710,低δ18O值(<10‰),高143Nd/144Nd(>0.5120),以及富深源元素Co,Cr,Ni,高Nb/Ta比值,低Rb/Sr、Rb/Ba、Rb/Th比值,富F,Cl等挥发份等).上述特征均一致说明,本区中生代以玄武岩类活动为代表的深源岩浆活动对区内大-超大型矿床的形成具有重要意义.7微量元素组成综上所述,湘南地区玄武岩类形成于198～81Ma之间,属侏罗纪-白垩纪,主要岩石类型包括碱性玄武岩和拉斑玄武岩,它们形成于大陆板块内部环境,在时间、空间和成矿元素含量上与密集分布的有色、稀有、放射性元素矿床有密切关系.对本区玄武岩类的微量元素和Sr,Nd,Pb同位素组成研究揭示了其地幔源区熔融前经历了富集作用.这种受富集作用的地幔源区的3%～5%部分熔融形成本区碱性玄武岩,10%～15%部分熔融形成本区拉斑玄武岩.地幔源区的富集作用对本区密集的大-超大型矿床的形成有重要意义.上述同位素年龄与邻区中生代脉岩活动时间基本一致,如粤北基性脉岩同位素年龄为4个主要期为140,124,105,90Ma.143Nd/144Nd比值变化于0.512733～0.512955之间,εNd(T)+0.31～+6.78,以辉绿玢岩为最高,碱性玄武岩较高,拉斑质玄武岩为最低.更为特征的是,本区玄武岩类的fSm/Nd值均为负值,变化范围-0.166～-0.381,与εNd(T)呈正值变化不“匹配”,这种不一致变化表现在εNd(T)-εSr(T)图解(图4)中,本区玄武岩类位于第一象限,偏离大多数玄武岩构成的地幔排列,表明其源区地幔受到了富集作用.本区玄武岩206Pb/204Pb和208Pb/204Pb变化范围较大,207Pb/204Pb变化范围小.208Pb/204Pb,207Pb/204Pb,206Pb/204Pb比值均高于现代地壳值.在207Pb/204Pb～206Pb/204Pb图解中(图5),位于零等时线右侧和北半球大洋玄武岩参考线(NHRL)之上,靠近EMⅡ区,与Sr,Nd同位素组成提供的信息一致,表明了源区的富集特征.206Pb/204Pb与143Nd/144Nd呈正相关变化,与87Sr/86Sr呈负相关变化.上述特点与洋中脊玄武岩(MORB)的Pb-Nd负相关,Pb-Sr正相关变化明显不同.上述微量元素及同位素组成特点反映本区地幔经历了熔融前的富集作用,主要依据如下:(1)同位素体系的亏损与包括其母体与子体不相容微量元素的富集存在明显不和谐:例如本区玄武岩类的εNd(T)值均大于零(+0.31～+6.78),但其fSm/Nd<0(-0.17～-0.38),按Nd同位素演化规律,如果源区fSm/Nd<0保持较长时间演化,则在CHUR系统中形成的143Nd/144Nd比值应较低,即εNd应小于零,这显然与本区基性岩类实际情况不符(εNd>0),这种矛盾现象不能用地幔源区简单的演化解释;微量元素比值特征排除了地壳污染的可能,合理的解释应是其地幔源区经历了近期富集(交代)作用.这种近期富集作用可能发生在地幔熔融前.在虎子岩碱性橄榄玄武岩的地幔岩包