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  中国地质 2017, Vol. 44 Issue (6): 1140-1158  
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孙转荣, 董国臣, 赵作新, 王伟清, 刘圣强. 2017. 滇西来利山花岗岩年代学、地球化学特征及其壳源部分熔融成因[J]. 中国地质, 44(6): 1140-1158.  
SUN Zhuanrong, DONG Guochen, ZHAO Zuoxin, WANG Weiqing, LIU Shengqiang. 2017. Petrological, geochemical and geochronological features of Lailishan ganitoids in western Yunnan and their genesis of partial melting of crustal soure[J]. Geology in China, 44(6): 1140-1158. (in Chinese with English abstract).  

滇西来利山花岗岩年代学、地球化学特征及其壳源部分熔融成因
孙转荣1, 董国臣1, 赵作新2, 王伟清1, 刘圣强1    
1. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 云南省地质矿产勘查院, 云南 昆明 650011
摘要: 与锡矿有关的花岗岩成因一直是地学界关注的焦点。来利山花岗岩位于云南省腾冲—梁河地区(花岗岩带上),构造上属于腾梁花岗岩带。该花岗岩带总体呈北北东向带状展布,构成冈底斯的南延部分。来利山岩体主要由似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒黑云母正长花岗岩组成。本次工作在前人研究的基础上对来利山花岗岩进行了岩石学、地球化学和年代学研究,获得二长花岗岩(14L-4)锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为(52.34±0.68)Ma(MSWD=1.4,n=26)。地球化学数据显示二长花岗岩相对富铝(Al2O3=14.70%~15.27%)、碱(K2O+Na2O=8.07%~8.50%)、钙(CaO=1.64%~2.56%)、REE、Ba。铝饱和度(A/CNK)为0.97~1.12,平均为1.04,属偏铝质到弱过铝质岩石。正长花岗岩相对富硅(SiO2=74.57%~76.69%)、Rb,强烈亏损Ba、Sr、P、Ti、Eu,铝饱和度(A/CNK)为1.05~1.18,平均为1.09,属弱过铝质岩石。两类花岗岩系同源岩浆于不同阶段侵位形成,二者在矿物学、地球化学、年代学等方面表现出良好的演化关系,均显示S型花岗岩的特征。其形成与印度大陆和亚洲大陆碰撞过程中地壳物质部分熔融有关。
关键词: 岩石学    地球化学    锆石U-Pb定年    来利山花岗岩    滇西    
中图分类号:P597+.3;P584            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2017)06-1140-19
Petrological, geochemical and geochronological features of Lailishan ganitoids in western Yunnan and their genesis of partial melting of crustal soure
SUN Zhuanrong1, DONG Guochen1, ZHAO Zuoxin2, WANG Weiqing1, LIU Shengqiang1    
1. School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China;
2. Exploration Institute of Geology and Mineral Resources of Yunnan, Kunming 650011, Yunnan, China
Abstract: Granites genetically related to tin ore deposits always constitute the focus of geological studies. The Lailishan granitoids are located in the Tengchong-Lianghe area of western Yunnan and belong tectonically to Tengliang granitoids. These granites extend in NNE direction as a belt, connected with Gangdise belt on the north. The Lailishan granitoids are mainly composed of porphyaceous biotite monzogranite and medium to coarse-grained biotite syenogranite. Based on the data available, the authors conducted petrological, geochemical and geochronological studies of the Lailisahn granitoids. The zircon LA-ICP-MS U-Pb age of the monzogranite (14L-4) is 52.34 ±0.68Ma (MSWD=1.4, n=26). Geochemically, the monzogranite is relatively rich in Al (Al2O3=14.70%-15.27%), alkalis (K2O+Na2O=8.07%-8.50%), Ca (CaO=1.64%-2.56%), REE, and Ba. The ASI values range from 0.97 to 1.12, 1.04 on average, indicating that monzogranite is from metaluminous to weakly peraluminous. The syenogranite is relatively rich in Si (SiO2=74.57%-76.69%) and Rb, and strongly depleted in Ba, Sr, P, Ti, and Eu. The ASI values range from 1.05 to 1.18, 1.09 on average, indicating weakly peraluminous features. The monzogranite and syenogranite originated from the same magma reservoir but emplaced at different stages; the evolution of them in mineralogy, geochemistry and chronology was obvious, suggesting S-type granites. It is therefore held that the Lailishan granitoids originated from crust partial melting in deep crust during main Indian-Euro-Asian collision period, responding to the interaction between the Indian-Euro-Asian continents.
Key words: petrology    geochemistry    zircon U-Pb dating    Lailishan granitoids    western Yunnan    

1 引言

来利山花岗岩位于滇西腾冲—梁河花岗岩带西段(陈吉琛等,1991),大地构造位置位于腾冲微陆块,其东侧以怒江缝合带与保山地块相连,西侧以密支那缝合带与东缅地块相连(图 1a)(高永娟等,2014),主要岩性为似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒黑云母正长花岗岩,因该区产出锡矿而备受地质学家关注(金灿海等,2013)。20世纪80-90年代,前人对该地区进行过大量工作,多集中于花岗岩和成矿关系的研究(李景略,1984施琳等,1984毛景文等, 1987, 1988陈吉琛等,1991罗君烈,1991)。近年来,部分学者对该区花岗岩的岩石学、年代学、地球化学及其所反映的地质意义做了一定的工作(董方浏等,2006杨启军等,2009),但是仍然存在很多问题。例如对于花岗岩的年代学特征,前人测得研究区正长花岗岩的年龄范围主要为50~ 54 Ma(李景略,1984陈吉琛等, 1987, 1991吕伯西等,1993董方浏等,2006林清茶等,2009金灿海等,2013Chen et al., 2015),较为集中,而主体的二长花岗岩年龄则为41~58 Ma(李景略,1984陈吉琛等,1987吕伯西等,1993董方浏等,2006Xu et al., 2012林进展,2013Chen et al., 2015),变化范围较大,且测年方法多以Rb-Sr、K-Ar法为主。对于花岗岩的成因类型,部分学者认为是S型花岗岩(陈吉琛等,1991罗君烈,1991陈晓翠, 2011, 金灿海等,2013),也有学者认为是A型花岗岩(林进展, 2013, Chen et al., 2015)。因此,本文以来利山岩体为研究对象,报道了滇西来利山地区花岗岩的LA-ICPMS锆石U-Pb年龄,全岩主微量数据,进一步约束该地区花岗岩的成岩年龄,探讨该地区花岗岩的成因类型并限定其形成的构造背景。

图 1 腾冲地块大地构造位置图(a)(据金灿海等,2013修改)和腾梁花岗岩(b)(据董方浏等,2006修改)及来利山花岗岩(c)(据金灿海等,2013修改)分布图 Figure 1 Tectonic position (a) (after Jin et al., 2013) of Tengchong Block, distribution of Tengchong-Lianghe granites (b) (after Dong et al., 2006) and Lailishan granites (c) (after Jin et al., 2013)
2 区域地质背景

腾冲—梁河地区属腾冲地块,构造位置位于印度板块和亚洲板块的碰撞缝合部位(金灿海等,2013林进展,2013),属弧后大陆陆缘地带(施琳等,1984徐恒,2007张苗红,2010)。腾梁地区广泛分布的花岗岩属于那加山俯冲形成的弧后岩浆带,由于俯冲带的位置由早到晚自东向西迁移,腾冲—梁河地区形成3个近南北向、相互平行的自东向西年龄逐渐减小的花岗岩带(施琳等,1984),分别为早白垩世东河花岗岩带(143.0~111.7 Ma)、晚白垩世古永花岗岩带(84.3~65.9 Ma)、古近纪槟榔江花岗岩带(66.4~41.2 Ma)(陈吉琛等,1991吕伯西等,1993),它们共同组成腾梁弧后花岗岩带。来利山花岗岩体位于云南省梁河县西北向约13 km处,属于槟榔江花岗岩带南段(图 1b)(林文信,1987),来利山锡矿分布(图 1c),位于槟榔江断裂和大盈江断裂之间(李景略,1984),为喜山早期形成的复式岩体。来利山花岗岩体主要由似斑状黑云母二长花岗岩组成,其东南侧发育中粗粒黑云母正长花岗岩。

3 岩石学特征

来利山花岗岩大体呈北东向带状展布,其中F1断裂以西主要为伟晶花岗岩,但在本次野外工作中并未见到;位于F2断裂和F3断裂之间的为构成来利山花岗岩主体的似斑状黑云母二长花岗岩,其中局部发育小型花岗闪长岩及辉绿玢岩岩脉;F3断裂以东为中粗粒黑云母正长花岗岩,在三个硐和淘金处较为发育,其东南侧见少量细粒黑云母正长花岗岩,分布不连续。本次工作以构成来利山花岗岩主体的二长花岗岩和正长花岗岩为研究对象,其主要特征如下:

二长花岗岩(图 2ab):似斑状结构,块状构造。斑晶矿物主要为正长石,少量微斜长石、斜长石、石英及黑云母,斑晶大小多为1.5 cm×1 cm左右,基质主要由斜长石、钾长石、石英、黑云母等组成;副矿物主要由锆石、磷灰石、独居石、榍石等组成。镜下鉴定其矿物含量分别为:斜长石40%左右,钾长石35%左右,石英20%左右,黑云母5%左右,可见少量绢云母。其中钾长石以正长石为主,板状,柱状,大小1 mm×0.5 mm左右,发育卡式双晶。斜长石主要为更长石,板状,大小1 mm×0.5 mm左右,发育聚片双晶和卡钠复合双晶,部分斜长石可见环带。石英呈不规则粒状广泛分布于长石缝隙中,大小0.2 mm左右。黑云母大小0.5 mm× 0.2 mm左右,板状,长条状。

图 2 来利山花岗岩岩石学特征 a—似斑状黑云母二长花岗岩;b—二长花岗岩镜下照片;c—中粗粒黑云母正长花岗岩;d—正长花岗岩镜下照片;Or—正长石;Qz—石英;Bi—黑云母;Pl—斜长石 Figure 2 Petrologic characteristics of Lailishan granites a-Porphyraceous biotite monzogranite; b-Microphotograph of monzogranite; c-Medium to coarse-grained biotite syenogranite; dMicrophotograph of syenogranite; Or-Orthoclase; Qz-Quartz; Bi-Biotite; Pl-Plagioclase

正长花岗岩(图 2cd):中粗粒结构,块状构造。主要组成矿物为钾长石、石英、斜长石、黑云母,副矿物主要为锆石、磷灰石、独居石、榍石等。镜下鉴定其矿物含量分别为:钾长石40%左右,斜长石25%左右,石英30%左右,黑云母3%左右,可见少量白云母。其中钾长石以正长石为主,多数为板状,少量为块状,大小0.5 mm×0.25 mm左右,主要发育卡式双晶,还可见少量发育格子双晶的微斜长石。斜长石主要是更长石,板状,长条状,大小0.5 mm×0.25 mm左右,主要发育聚片双晶和卡钠复合双晶。石英为不规则粒状,大小为0.2~0.25 mm,主要分布于长石缝隙之间。黑云母大小为0.6 mm× 0.2 mm左右,板状。细粒正长花岗岩矿物成分与中粗粒正长花岗岩相近,仅粒度较小,部分黑云母出现白云母化现象。

4 分析方法 4.1 全岩主量元素和微量元素分析

用于主量元素和微量元素测试的200目无污染粉碎样及锆石单矿物的分选均由河北省欣航测绘院完成。主要的操作步骤:原样整理、表面去污、人工捣碎、清洗烘干、机械细碎、球磨和入袋等。首先用清洗过的钢锤将样品碎成小块,取其中约1 cm以上粒径小块,放入纯净水中利用超声波清洗干净,再将其放入干净清洁的环境中烘干,最后利用球磨机磨成粉末。

全岩主量元素测试在中国地质大学(北京)科学研究院地球化学实验室完成。采用X射线荧光光谱仪进行元素测定,分析精读优于1%,具体测试方法及流程见李怀坤等(2009)。全岩微量元素测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成,测试方法为溶液稀释法电感耦合等离子质谱(ICP-MS),测试过程中的分析精度优于5%,具体测试方法和分析流程见Gao et al.(2002)。在测试过程中每隔10个样品选取测试第十一个进行重复测定,以确定实验的精密度。并选取AGV-2、BHVO-2、BCR-2及RGM-2等四份标准样来监测测试的准确度。同时利用空白分析来控制流程污染。

4.2 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年

在进行锆石U-Pb测年前,先将原岩样品进行粉碎,按常规重力和磁选分选出锆石,然后在双目镜下挑出锆石颗粒。将大约150颗完整的典型锆石颗粒置于环氧树脂中,等固结后抛磨,使锆石内部充分暴露,然后进行锆石阴极发光、透射光和反射光照相。锆石单矿物分离在河北省欣航测绘院完成,锆石的阴极发光等照相在北京锆石领航科技有限公司完成。

利用锆石阴极发光图像,重点选择环带清晰,无包体,形态相似的锆石进行U-Pb定年。锆石激光剥蚀测年在中国科学院青藏高原研究所进行,通过Neptune质谱仪利用LA-ICP-MS方法完成测定,利用193 nm FX激光仪对锆石进行剥蚀,激光斑束设为30 μm,每六个样品点对应一个91500点,使用标准硅酸盐玻璃NIST610优化仪器,采用Andersen(2002)方法对普通铅进行校正,具体分析方法及仪器参数见李怀坤等(2010),年龄计算和谐和年龄图是通过Isoplot软件完成。

5 地球化学 5.1 主量元素特征

从来利山花岗岩主量元素含量(表 1)可以看出,二长花岗岩的SiO2含量为66.32%~67.87%,平均为67.44%,属酸性岩。在TAS图解中,所有样品均落入碱性花岗岩-亚碱性花岗岩区域(图 3a)。将CIPW标准矿物计算结果在Q-ANOR图解中投图,多数样品落入二长花岗岩区(图 3b)。二长花岗岩的里特曼指数σ为2.91~3.2,平均为3.05(<3.3),为钙碱性岩系列。Al2O3的含量为14.70%~15.27%,Na2O和K2O的含量分别为2.53%~2.94%和5.37%~ 5.97%,全碱ALK(K2O + Na2O)含量为8.07% ~ 8.50%,样品相对富钾,在K2O-SiO2图解上落入钾玄岩系列(图 3c),K2O/Na2O>1(1.83~2.36),为钾质-超钾质系列。Al2O3饱和度A/CNK(Al2O3 / (CaO+ Na2O + K2O))为0.97~1.12,平均为1.04>1,为弱过铝质岩石(图 3d)。

表 1 来利山花岗岩主量元素(%)、稀土元素(10-6)及微量元素(10-6)分析结果 Table 1 Composition of major elements (%), rare earth elements (10-6) and trace elements (10-6) for Lailishan granites
图 3 来利山花岗岩分类图解 (a底图据Wilson, 1989;b虚线底图据Le Maitre et al., 1989, 阴影部分底图据Rickwood, 1989;c底图据Streckeisen & Le Maitre, 1979;d底图据Maniar & Piccoli, 1989
c图:2—碱长花岗岩;3a—正长花岗岩/花岗岩;3b—二长花岗岩;4—花岗闪长岩;5—英云闪长岩;6*—石英碱长正长岩;7*—石英二长岩;8*—石英二长闪长岩;9*—石英二长闪长岩/石英二长辉长岩;10*—石英闪长岩/石英辉长岩/石英斜长岩;6—碱长正长岩;7—正长岩;8—二长岩;9—二长闪长岩/二长辉长岩;10—闪长岩/辉长岩/斜长岩
Figure 3 Classification of Lailishan granites (a, after Wilson, 1989; b, imaginary line after Le Maitre et al., 1989, dash area after Rickword, 1989; c, after Streckeisen&Le Maitre, 1979; d, after Maniar&Piccoli, 1989)
b: 2-Alkalic feldspar granite; 3a-Syenogranite/granite; 3b-Monzogranite; 4-Granodiorite; 5-Tonalite; 6*-Quartz alkali feldspar syenite; 7*-Quartz monzonite; 8*-Quartz monzodiorite; 9*-Quartz monzodiorite/quartz monzogabbro; 10*-Quartz diorite/quartz gabbro/quartz anorthosite; 6-Alkali feldspar syenite; 7-Syenite; 8-Monzonite; 9-Monzodiorite/monzogabbro; 10-Diorite/gabbro/anorthosite

正长花岗岩的SiO2含量为74.57%~76.69%,平均为75.38%,属酸性岩。在TAS图解中,所有样品均落入碱性花岗岩-亚碱性花岗岩区域(图 3a)。将CIPW标准矿物计算结果在Q-ANOR图解中投图,样品落入花岗岩和碱长花岗岩的过渡区(图 3b)。正长花岗岩的里特曼指数σ为1.94~2.37,平均为2.13(<3.3),为钙碱性岩系列。Al2O3的含量为12.25%~12.90%,Na2O和K2O的含量分别为2.64%~ 3.82%和4.14%~5.17%,全碱ALK(K2O+Na2O)含量为7.81%~8.46%,样品相对富钾,CaO含量为0.34% ~0.6%,具高碱、低钙的特点。在K2O-SiO2图解中落入高钾钙碱性系列(图 3c),K2O/Na2O>1(1.08~ 1.96),为钾质系列。Al2O3饱和度A/CNK(Al2O3 / (CaO+ Na2O + K2O))为1.05~1.18,平均为1.09(>1),为弱过铝质岩石到强过铝质岩石(图 3d)。

5.2 微量元素特征

来利山花岗岩稀土和微量元素分析结果(表 1)显示,二长花岗岩稀土总量较高(Σ REE为330.77×10-6~369.11×10-6),轻稀土和重稀土含量分别为302.92×10-6~340.99×10-6和24.95×10-6~28.12×10-6,轻重稀土比值为10.88~13.07,(La/Yb)N=13.57~ 18.79,δEu变化范围为0.45~0.49,具有较明显的负Eu异常,从稀土元素球粒陨石标准化分布图(图 4a)可以看出,二长花岗岩表现为轻稀土陡倾,重稀土平缓的L型右倾模式,且轻重稀土分馏相对比较明显,表现为轻稀土富集重稀土亏损的特征。从原始地幔标准化蛛网图(图 4b)可以看出,二长花岗岩亏损Ba、Sr、P、Ti,相对富集Rb、Th、La、Nd、Sm等元素。δCe为0.95~0.99,基本不存在Ce异常。

图 4 来利山花岗岩稀土元素球粒陨石标准化分布型式图及微量元素原始地幔标准化蛛网图(球粒陨石及原始地幔标准化值据Sun & McDonough, 1989, 上地壳稀土元素组成据Rudnick & Gao, 2014) Figure 4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams of Lailishan granites (chondrite-normalized and primitive mantle-normalized data from Sun & McDonough, 1989, REE composition of upper crust from Rudnick & Gao, 2014)

正长花岗岩稀土总量相对于二长花岗岩较低(Σ REE为76.73×10-6~233.69×10-6),变化范围较大,轻稀土和重稀土含量分别为50.27×10-6~146.86×10-6和24.87×10-6~86.83×10-6,轻重稀土比值为1.63~ 5.83,(La/Yb)N=1.03~5.26,δEu变化范围为0.03~ 0.2,Eu强烈亏损,从稀土元素球粒陨石标准化分布图(图 4c)可以看出,正长花岗岩表现为轻重稀土分馏不明显,负Eu异常严重的V形稀土分布型式,具有明显的四分组效应,即La-Ce-Pr-Nd、Pm-SmEu-Gd、Gd-Tb-Dy-Ho、Er-Tm-Yb-Lu组成四条上凸曲线,而Ce、Sm、Dy、Yb分别是四条上凸曲线的最高点,其中Ce和Eu由于负异常而偏离曲线,Ce负异常可能和岩石风化有关,因为风化可以把Ce3+变成Ce4+从而流失(牟保磊,1999)。从原始地幔标准化蛛网图(图 4d)可以看出,正长花岗岩强烈亏损Ba、Sr、P、Ti,相对富集高场强元素(Ta、Zr、Hf、Th、HREE、U)和大离子亲石元素(Rb、K)。

6 锆石U-Pb年代学及微量元素特征 6.1 锆石U-Pb年代学特征

为了确定来利山花岗岩的形成时代,本文选取似斑状黑云母二长花岗岩样品14L-4进行锆石LAICP-MS U-Pb定年。样品中锆石多数呈无色半透明,以自形-半自形短柱状-柱状为主,长100~200 μm,长宽比为1:1至2.5:1。从锆石阴极发光(CL)图像可以看出,多数锆石发育清晰的同心环带,少数发育板状环带,为典型的岩浆锆石。本次研究选取30个锆石颗粒进行测年,以获得花岗岩体的侵位年龄。除去一些年龄较大的点,可能为继承锆石的数据点,其余26颗锆石落于谐和线上(表 2图 5),它们的206Pb/238U加权年龄平均值为(52.34±0.68)Ma(MSWD=1.4,n= 26),说明来利山二长花岗岩大约于52 Ma上升侵位。

表 2 来利山花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试结果 Table 2 Zircon U-Pb isotopic data analyzed by LA-ICP-MS for Lailishan granites
图 5 来利山花岗岩锆石U-Pb谐和图及年龄平均值图 Figure 5 Zircon U-Pb concordia diagram and average age of Lailishan granites
6.2 锆石微量元素特征

锆石微量元素特征对于研究主岩的成分演化、熔融源区性质具有重要作用。微量元素如U、Th、Hf、REE等是识别源区性质极其重要的示踪元素。它们具有离子半径大和价态高的特征,在多数硅酸盐类造岩矿物中不容易存在,但是可以广泛存在于锆石中(Hoskin et al., 2003)。锆石微量元素记录了寄主岩石的成因等丰富信息(Hoskin et al., 2000, 2003Belousova et al., 2002Griffin et al., 2002Rubatto et al., 2002吴元保等,2004Hanchar et al., 2007),所以近年来其广泛被用于鉴定岩浆岩的源区性质(Hoskin et al., 2000Belousova et al., 2002Rubatto et al., 2002)。尽管不同类型锆石的稀土元素含量有一定差异,但由于重稀土的离子半径更加接近Zr的离子半径,所以锆石大体上均亏损轻稀土元素,富集重稀土元素,同时Ce正异常和Eu负异常也相对较明显(Belousova et al., 2002)。通过近年来对锆石稀土元素的分析,发现岩浆锆石稀土元素从La到Lu含量急剧增加,重稀土强烈富集,其稀土元素配分模式呈陡左倾型(赵振华,2010)。

锆石微量元素(表 3)共分析了30颗锆石,其稀土总量为669×10-6~3512×10-6,变化范围较大,平均含量为1350×10-6,轻稀土LREE含量为17×10-6~ 252×10-6,除去含量极高的1392×10-6,其它29颗锆石的轻稀土含量平均为41×10-6,重稀土HREE含量为299×10-6~1020×10-6,平均含量为557×10-6,轻重稀土比值为0.03~0.46,除去较高的1.56,其29颗锆石的轻重稀土比值平均为0.08,(Sm/La)N=0.48~ 154.33,平均为34.97,轻稀土亏损,重稀土明显富集,且轻稀土含量较高,为壳源岩浆锆石的特征(吴元保等,2003)。δCe平均为18.27(0.62~108.83),δEu平均为0.24(0.09~0.63),且变化范围较大,但均在壳源锆石的Ce异常和Eu异常范围内(Li et al., 2000),为典型的岩浆锆石(Belousova et al., 2002Hoskin et al., 2003吴元保等,2004)。通过锆石稀土元素球粒陨石标准化分布型式图(图 6a)(数据异常点未在图中表示)同样可以看出,锆石稀土元素具有轻稀土亏损、重稀土呈阶梯状富集、Ce正异常和Eu负异常都比较明显的特征,显示典型的岩浆岩锆石特征(丛峰等,2010)。大量研究表明,不同成因的锆石其Th、U含量以及Th/U比值也有所不同,其中岩浆锆石通常Th、U含量较高,Th/U比值也较大(一般大于0.4)(Rubatto et al., 2000Mller et al., 2003)。锆石微量元素分析结果显示:30颗锆石的Th含量为77×10-6~562×10-6,平均为216×10-6,U含量为96×10-6~1703×10-6,平均为372×10-6。Th/U比值除去两颗小于0.4的0.33和0.36,其它全部大于0.4,为0.40~1.13,30颗锆石的Th/U平均比值为0.66,具有高Th、U以及高Th/U(图 6b)的特征,显示了典型的壳源岩浆锆石特征(吴元保等,2003)。

表 3 来利山花岗岩的锆石稀土元素数据(10-6 Table 3 Rare earth elements data (10-6) of zircon from Lailishan granites
图 6 来利山花岗岩及稀土元素球粒陨石标准化分布型式图(a)及锆石Th/U比值图(b) Figure 6 chondrite-normalized REE patterns and Zircon Th/U ratio of Lailishan granites
7 讨论 7.1 来利山花岗岩形成时代

前人利用Rb-Sr、K-Ar等时线法对来利山岩体的年龄进行了大量研究,给出来利山花岗岩的年龄范围为41~59 Ma(表 4)(李景略,1984陈吉琛等, 1987, 1991吕伯西等,1993董方浏等,2006林清茶等,2009Xu et al., 2012金灿海等,2013林进展,2013Chen et al., 2015)。将这些年龄数据进行统计分析(图 7)可以看出,正长花岗岩形成时代相对集中,而二长花岗岩则较分散。16个正长花岗岩年龄主要集中于51~54 Ma,以53 Ma居多,结合近年来高精度的锆石U-Pb年龄52.53和52.7 Ma(金灿海等,2013Chen et al., 2015),可以认为正长花岗岩形成于52~53 Ma;15个二长花岗岩年龄主要集中于三个阶段,分别为42~44 Ma、52~54 Ma及58~60 Ma,以52~54Ma居多。为了精确厘定二长花岗岩的年龄,本次工作针对矿区代表性样品(14L-4)进行锆石U-Pb定年,其结果显示,二长花岗岩的形成年龄为(52.34±0.68)Ma(MSWD=1.4,n=26)。结合前人高精度的锆石U-Pb年龄值53.0和53.2 Ma(Xu et al., 2012Chen et al., 2015),可以确定来利山二长花岗岩形成于53 Ma左右。因此来利山二长花岗岩和正长花岗岩的侵位年龄在误差范围内一致,正长花岗岩略晚于二长花岗岩。

表 4 来利山花岗岩年龄统计表 Table 4 Statistics of age data of Lailishan granites
图 7 来利山花岗岩年龄直方图 Figure 7 Age histogram of Lailishan granites
7.2 岩浆演化

来利山岩体具有一定的相带特征,其中似斑状花岗岩相带不明显,而正长花岗岩呈粗粒结构、中粒结构及细粒结构变化特征,相带比较完整。岩石化学计算显示,二长花岗岩的分异指数为80.35~ 83.02,平均为81.35,正长花岗岩的分异指数为92.58~95.72,平均为94.04,呈现高度分异的特征。从二长花岗岩到正长花岗岩,岩石的酸性程度升高,分异程度也升高,K2O/Na2O值降低,镁、铁含量降低,暗色矿物含量减少,Al2O3、CaO、P2O5含量减少,碱性长石含量增加。稀土元素数据显示,正长花岗岩相对二长花岗岩稀土总量降低,Eu亏损更加强烈,表明存在富含Eu、Al及LREE的斜长石的分离结晶。主微量数据表明,SiO2和Al2O3、CaO、Sr、Ba、Eu呈负相关,由于Al、Eu、Sr、Ca、Ba等元素主要存在于斜长石中,该变化趋势可能与斜长石的分离结晶有关。正长花岗岩Sr和P的强烈亏损是由斜长石和磷灰石的分离结晶导致的,而Ba的亏损则是残余岩浆的体现。

从稀土元素配分曲线可以看出,二长花岗岩的稀土元素分布特点和上地壳的非常相似(Rudnick and Gao, 2014),为轻稀土较陡、重稀土较缓的L型模式,暗示其源区可能与上地壳物质有关。正长花岗岩相对二长花岗岩和上地壳有较大差异,具体表现为轻稀土含量降低,重稀土含量升高,稀土元素分布型式为近V型模式,具有明显的四分组效应,可能是由花岗质熔体和富挥发分的流体相互作用形成的(赵振华等,1992)。据赵振华研究,具有稀土元素四分组效应的花岗岩几乎都是岩浆作用晚阶段残余熔体的产物。强烈的结晶分异会使得挥发分在残余熔体中富集,为流体-熔体相互作用提供物质基础。富挥发分的流体对熔体中的稀土元素具有很大的萃取能力,稀土元素在熔体和流体之间的分配,使得残余熔体形成稀土元素四分组效应(赵振华等,1999)。该正长花岗岩稀土元素四分组效应表明上地壳物质部分熔融形成初始岩浆,然后上升侵位经过高度的结晶分异,形成富挥发分的流体和熔体,熔体和流体之间发生相互作用,形成正长花岗岩稀土元素四分组效应。正长花岗岩的Nb、Ta含量远大于二长花岗岩,也暗示岩浆经历了结晶分异和流体相互作用(李凤宪等,2015)。

综合以上研究,来利山二长花岗岩和正长花岗岩为同源岩浆作用的产物,源区物质部分熔融形成花岗质岩浆后,在53 Ma上升侵位形成似斑状二长花岗岩,残余岩浆随后结晶形成中粗粒正长花岗岩,两者为一个侵位过程的两个阶段,其侵入时间是连续的。

7.3 源岩及成因类型

对于花岗岩的研究,其源区一直存在较大争议。来利山正长花岗岩和二长花岗岩均显示Rb、Th、U的富集和Ba、Sr、P、Ti的亏损,具有极高的Th(正长花岗岩为37.0×10-6~59.8×10-6,二长花岗岩为38.8×10-6~43.9×10-6)、U(正长花岗岩为8.88×10-6~ 26.3×10-6,二长花岗岩为3.89×10-6~7.62×10-6)、Pb(正长花岗岩为61.8~69.1,二长花岗岩为28.9~45.7)含量以及强烈的负Eu异常(正长花岗岩的δEu为0.03~0.2,二长花岗岩的δEu为0.45~0.49),表明其源岩是典型的上地壳岩石(Rudnick et al., 1995)。这一结论与区内Sr同位素研究结果一致。已有研究表明,来利山二长花岗岩和正长花岗岩的87Sr/86Sr比值比较接近且较高,均大于0.7120(林文信,1987毛景文,1987罗君烈,1991张琪等,2008),说明两者同源,且来源较浅,为上地壳部分熔融的产物。

研究认为,花岗岩成因类型主要取决于源岩(Brown et al., 1984毛建仁等,1990李兆鼐等,2003),S型花岗岩的母岩是变质沉积岩,而I型花岗岩的母岩是变质火成岩(Chappell and White, 1974)。其中I型花岗岩Nd同位素初始比值较高,Sr同位素初始比值较低,而S型花岗岩Nd同位素初始比值较低,Sr同位素初始比值较高(张琪等,2008)。来利山岩体Sr同位素初始比值较高,其Rb/ Sr均>0.9,显示S型花岗岩的特征(王德滋等,1993)。二长花岗岩的地球化学特征与沉积岩区熔融的S型花岗岩(SiO2<74%,Al2O3/TiO2<100,CaO/ Na2O>0.3,K2O/Na2O>1)非常相似(路凤香和桑隆康,2002),其SiO2含量较高且变化范围较窄、碱含量中等且相对富钾,不同于I型、A型花岗岩,其P2O5和TiO2含量高,有别于A型花岗岩(Whalen et al., 1987);随SiO2含量增加,岩石P2O5含量变化不大(Chappell, 1999),轻重稀土分馏较明显,配分模式为轻稀土富集,重稀土亏损的右倾型,均显示S型花岗岩的特征;其锆石稀土配分模式(图 6a)也显示S型花岗岩特征(Wang et al., 2012)。而正长花岗岩呈现高分异特征。高度分异的花岗岩,不论是S型、I型还是A型,其矿物特征和化学成分都接近低共结花岗岩,难以区分其成因类型(吴福元等,2007a)。但本次研究表明,来利山正长花岗岩和二长花岗岩具有同源岩浆演化关系,应属于S型花岗岩。

7.4 构造背景

前人研究表明,青藏高原南部地区的花岗岩类记录着印度-亚洲大陆作用过程的大量信息(Patriat and Achache, 1984Yin and Harrison, 2000莫宣学等,2003),导致了一系列的花岗岩类岩浆活动(毛景文等,1987),因此,对这些岩浆岩的研究可以确定印度-亚洲大陆碰撞时限及其发育的构造背景。前人研究成果显示,新特提斯洋向北俯冲的时间为75 Ma(钟大赉,1999),印度板块和亚洲板块初始碰撞时间为65Ma(Patriat and Achache, 1984Beck et al., 1995Yin and Harrison, 2000莫宣学等,2003王成善等,2003),主碰撞时间为55~50Ma(Besse et al., 1984Beck et al., 1995王成善等,2003朱弟成等,2004Ding et al., 2005莫宣学等,2011)。对比来利山花岗岩及腾冲地块内其他新生代岩浆岩,其侵位时间与印度-亚洲大陆主碰撞时间相近,应属于印度和亚洲大陆主碰撞期的岩浆响应。

来利山二长花岗岩在Pearce等(1984)的Y+ Nb-Rb判别图解(图 8a)中主要集中在同碰撞及后碰撞构造区域,显示大陆碰撞作用阶段产物;Batchelor等(1985)R1-R2图解涉及8个元素,充分考虑了岩石地球化学总体特征。在该图解(图 8b)中,二长花岗岩均落入同碰撞花岗岩区域。而正长花岗岩因为其高分异特征,这些判别图解难以确定其形成的构造背景。因此来利山花岗岩是印度-亚洲大陆主碰撞构造背景下,地壳物质发生熔融形成的。

图 8 来利山花岗岩构造环境判别图解(图a据Pearce et al., 1984;图b据Batchelor et al., 1985 VAG—火山弧花岗岩;Syn−COLG—同碰撞花岗岩;WPG—板内花岗岩;ORG—洋中脊花岗岩 Figure 8 Tectonic setting discrimination diagrams of Lailishan granites (a, after Pearce et al., 1984; b, after Batchelor et al., 1985) VAG-Volcanic arc granites; Syn-COLG-Syn-collision granites; WPG-Within plate granites; ORG-Ocean ridge granites
8 结论

本次工作通过详细的野外调查和岩石学研究,结合地球化学、锆石U-Pb年代学数据,探讨了来利山岩体的岩石成因、源区特征,对岩体形成的地球动力学背景进行约束。

(1)来利山二长花岗岩锆石LA-ICP-MS UPb年龄为(52.34±0.68)Ma,核定了该地区二长花岗岩的年龄,正长花岗岩与二长花岗岩形成年龄一致,两者属于同源岩浆作用先后侵位结晶的产物。

(2)岩石学、地球化学及同位素特征显示二长花岗岩和正长花岗岩源于陆壳物质的熔融,具同源岩浆演化关系,为上地壳物质部分熔融形成的S型花岗岩。

(3)来利山花岗岩是印度-亚洲大陆主碰撞构造背景下,由地壳物质发生部分熔融形成。致谢:董美玲、杨洋、王伟清、刘圣强等在野外期间给予的帮助,中国科学院青藏高原研究所岳雅惠老师在锆石U-Pb测年实验中的指导,中国地质大学(北京)科学研究院秦红老师在岩石主量元素测试方面给予的帮助,在此一并感谢。

注释

❶云南省地矿局区域地质调查大队. 1985.1:5万腾冲幅、朗蒲寨幅区域地质调查报告.

致谢: 董美玲、杨洋、王伟清、刘圣强等在野外期间给予的帮助,中国科学院青藏高原研究所岳雅惠老师在锆石U-Pb测年实验中的指导,中国地质大学(北京)科学研究院秦红老师在岩石主量元素测试方面给予的帮助,在此一并感谢。

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