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物探与化探, 2024, 48(3): 584-596 doi: 10.11720/wtyht.2024.1268

地质调查·资源勘查

皖南伏岭岩体岩石成因及对铷富集的指示

张军,1, 陶耐1, 齐尚星1, 王志强2, 笪昊翔2

1.安徽省勘查技术院,安徽 合肥 230031

2.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230002

Petrogenesis and rubidium enrichment indication of the Fuling rock mass in southern Anhui Province

ZHANG Jun,1, TAO Nai1, QI Shang-Xing1, WANG Zhi-Qiang2, DA Hao-Xiang2

1. Geological Exploration Technology Institute of Anhui Province, Hefei 230031, China

2. School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230002, China

第一作者: 张军(1991-),男,硕士,工程师,2019年毕业于中国地质大学(北京),主要从事地球化学及矿产勘查研究工作。Email:zhangjunmy302@163.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2023-06-19   修回日期: 2023-10-9  

基金资助: 安徽省自然资源科技项目(2020-K-12)

Received: 2023-06-19   Revised: 2023-10-9  

摘要

皖南伏岭岩体位于江南隆起带东段,为一复式花岗岩体经多阶段演化形成,主体主要分为两种岩性:二长花岗岩和钾长花岗岩。本文对皖南伏岭岩体进行了地质、岩相学、岩石地球化学特征研究,探讨了伏岭花岗岩体演化特征、成因类型、构造环境,试图阐明岩体对铷富集的指示意义。结果显示,伏岭岩体地球化学特征表现出较高的SiO2、Na2O、K2O、Al2O3含量和w(K2O)/w(Na2O)比值,铝饱和指数(A/CNK)为0.95~1.08,平均值为0.99,属于高钾钙碱性准铝质—过铝质花岗岩;Li、Rb、Nd、Ta等微量元素含量较高,Sr、Ba含量明显偏低,这可能与长石的分离结晶作用有关;微量元素w(Nb)/w(Ta)比值范围5.71~10.94,平均值8.41,Mg#范围0.02~0.31,平均值0.13,指示伏岭岩体可能主要来源于下地壳岩石的部分融熔,属于非造山伸展环境中的A型花岗岩;岩体中Rb含量随着岩浆演化程度的增加而升高,相对于二长花岗岩,演化程度高的钾长花岗岩具有更高的Rb含量,表明伏岭岩体Rb含量变化整体受控于岩浆演化过程。本次开展伏岭岩体的研究工作,对理解皖南燕山期成岩成矿作用具有一定的借鉴意义。

关键词： 花岗岩; 岩石成因; 地球化学; 铷; 伏岭岩体

Abstract

The Fuling rock mass in southern Anhui Province, located in the eastern section of the Jiangnan uplift zone, is a complex granitic rock mass that has experienced multi-stage evolution. It primarily comprises two lithologies: Monzogranite and K-feldspar granite. By investigating the geological, petrographic, and petrogeochemical characteristics of the Fuling rock mass, this study delved into its evolutionary characteristics, genetic types, and tectonic environment, aiming to clarify its indication significance for rubidium enrichment. The results of this study are as follows: ① The geochemical characteristics of the Fuling rock mass demonstrate high SiO2, Na2O, K2O, and Al2O3 contents, high w(K2O)/w(Na2O) ratios, and aluminum saturation indices (A/CNK) ranging from 0.95~1.08 (average: 0.99), suggesting high-K calc-alkaline quasi-aluminous to peraluminous granites; ② In terms of trace elements, the Fuling rock mass possesses high Li, Rb, Nd, and Ta contents and significantly low Sr and Ba contents, which may be associated with the fractional crystallization of feldspar; ③ The w(Nb)/w(Ta) ratios ranging from 5.71~10.94 (average: 8.41) and Mg# values ranging from 0.02~0.31 (average: 0.13) indicate that the Fuling rock mass was primarily derived from the partial melting of lower crust rocks, suggesting A-type granites in a non-orogenic extensional environment; ④ The Rb content in the Fuling rock mass increases with the magmatic evolution degree. Compared to monzogranites, K-feldspar granites with a higher evolution degree display higher Rb content, implying that the Rb content in the Fuling rock mass is generally controlled by magmatic evolution. Overall, this study holds some reference significance for understanding the Yanshanian diagenesis and mineralization of southern Anhui Province.

Keywords： granite; petrolgenesis; geochemistry; rubidium; Fuling rock mass

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本文引用格式

张军, 陶耐, 齐尚星, 王志强, 笪昊翔. 皖南伏岭岩体岩石成因及对铷富集的指示[J]. 物探与化探, 2024, 48(3): 584-596 doi:10.11720/wtyht.2024.1268

ZHANG Jun, TAO Nai, QI Shang-Xing, WANG Zhi-Qiang, DA Hao-Xiang. Petrogenesis and rubidium enrichment indication of the Fuling rock mass in southern Anhui Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(3): 584-596 doi:10.11720/wtyht.2024.1268

0 引言

皖南地区处于多个构造单元交汇处,位于扬子陆块东北部,横跨下扬子前陆凹陷带、江南隆起带及皖浙褶断带[1],以出露中元古代—早古生代地层为主,广泛发育中生代中酸性复式岩体为特征的复合构造单元[2]。皖南中生代燕山期中酸性岩体与区域上钨多金属矿床具有成因联系[3]。近几年,一些研究成果显示,皖南燕山期花岗岩与稀有金属矿床的形成也具有一定成因联系[4]。前人对皖南花岗岩体的演化程度研究较深,但是至今在岩体的成因类型、物质来源等方面仍存在争议。赵玉琛[5]研究皖南两类花岗岩特征时认为,旌德岩体为同熔型,伏岭、姚村岩体为改造型。周涛发等[6]认为皖南燕山期花岗岩和斑岩体成岩物质以壳源为主,可能为上溪群或成分类似于上溪群的岩石部分熔融的产物,可能为S型花岗岩与Hs型[7]过渡类型。张虹等[8]研究认为伏岭岩体具有高硅、富铝、富碱,富集高场强元素,富集REE,高Rb,低Sr、Ba的特点,属于铝质A型花岗岩,主要来自地壳的熔融,但地幔的影响依然存在。翁望飞等[9]认为伏岭岩体属于A型花岗岩,形成于碰撞造山后的伸展环境,继承于埃达克岩形成之后。周洁等[10]在研究皖南旌德岩体时认为晚侏罗世—早白垩世挤压增厚事件结束后,江南隆起带东段区域内广泛发育135~120 Ma的A型花岗岩。李鹏举等[11]在研究皖南燕山期早晚两类花岗岩时认为燕山晚期伏岭岩体可能属于A型花岗岩或者高分异花岗岩,主要形成于板内环境。闫峻等[12]研究认为皖南地区燕山期阶段岩浆作用形成于相对较厚的地壳环境,温度较低;而晚阶段A型花岗岩起源深度较浅,形成温度更高,指示从燕山早期至晚期岩浆作用阶段从后造山转变为非造山,后者形成于弧后的拉张环境。

虽然皖南燕山期花岗岩的研究已取得了大量的成果,然而针对伏岭岩体本身的岩石学和地球化学方面的研究相对较少,特别是在稀有金属富集矿化方面,而这些是研究岩浆深部过程以及稀有金属成矿所需的基础性地质工作。前人研究数据显示,伏岭岩体花岗岩的Rb元素含量较高,具有良好的稀有金属Rb成矿潜力[8,13],但是对铷元素的富集规律研究相对较少。本文以皖南燕山期伏岭岩体为研究对象,通过对花岗岩地质、岩相学、岩石地球化学特征的深入研究,进一步探讨伏岭岩体花岗岩类型及其演化特征,初步总结稀有金属Rb富集的指示意义,以期揭示伏岭岩体岩石成因与Rb元素富集的相关性。

1 地质背景

中国扬子陆块和华夏陆块之间有一条NE向带状分布的元古宙浅变质的沉积地层和一系列岩浆岩单元,被称为“江南隆起带”[14]。伏岭花岗岩体位于皖南地区北东端,其大地构造位置处于扬子陆块东南缘、江南隆起带东段(图1a)。江南隆起带东段具有多期次的构造活动,亦呈现出多旋回的岩浆活动特征[15]。江南隆起带及周边发育有多个花岗质岩体,主要分为两期:晋宁期和燕山期。晋宁期代表性花岗岩体有休宁岩体、歙县岩体、许村岩体等,燕山期代表性花岗岩体有伏岭岩体、旌德岩体、姚村岩体等。

图1

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图1   伏岭岩体大地构造位置[16](a)及地质简图[8](b)

Fig.1   Tectonic location[16] (a) and geological map[8](b) of Fuling pluton


皖南地区燕山中、晚期中酸性岩浆岩分布广泛,多呈岩基状产出,受近EW向和NE向断裂控制,形成了伏岭、旌德、榔桥、庙西、仙霞、刘村、姚村等复式岩体;另外还有一系列以岩株状产出。燕山中期侵入岩主要岩性为似斑状黑云母二长花岗岩、花岗闪长岩、闪长玢岩,副矿物主要有磁铁矿、黄铁矿、榍石、磷灰石、锆石、萤石等,有关矿产主要有萤石矿、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、白钨矿、辉钼矿等。燕山晚期伴随强烈的断块运动而产生的侵入体,具有多阶段、多期次、活动范围大的特点,是皖南重要成矿期,主要岩性有中—粗粒花岗岩、似斑状花岗岩、花岗斑岩,副矿物主要有磁铁矿、白钨矿、黑钨矿、石榴石、榍石、磷灰石、萤石等,有关矿产主要有铍铌钨矿、铍钼矿、铷矿等。

伏岭岩体侵入于由前南华系至寒武系所组成的绩溪复向斜的北东翼。在平面上呈NE-SW向的长条形展布于绩溪县的龙须岭—伏岭—荆墈岭—黄毛尖一带,出露面积约145 km2(图1b)[8]。伏岭岩体在区域上受控于绩溪—宁国墩断裂,与深大断裂的多其次岩浆活动有关,具多期次侵入特征,发育众多后期岩脉。沈渭洲等[17]通过岩体的全岩、矿物的Rb-Sr等时线获得伏岭岩体年龄在121 Ma。陈芳等[18]采用锆石U-Pb同位素测年,获得伏岭岩体主体形成年龄于129.95~133.9 Ma,属早白垩世。伏岭岩体为一复式花岗岩体,经多阶段分异演化形成,张虹等[8]经过详细的野外地质填图工作将伏岭岩体主体共分为4个侵入阶段,由早至晚分别为荆墈岭(γ53a)、鱼龙川(γ53b)、小昌溪(γ53c)、饭蒸尖(γ53d)。本文对伏岭岩体岩性进行了归纳,将伏岭岩体主体分为两种岩性,分别为早期的二长花岗岩和晚期的钾长花岗岩(图1b)。依据两种岩性特征分别对伏岭岩体花岗岩岩石成因、演化特征、构造环境等进行讨论。

2 岩石学特征

二长花岗岩:浅灰色、肉红色,花岗结构,块状构造,粒度为细粒—中粗粒,岩石新鲜。主要矿物为石英(20%~25%)、钾长石(30%~40%)、斜长石(25%~35%)、黑云母(5%~10%),斑晶主要为肉红色钾长石斑晶和灰白色斜长石斑晶,基质主要由细小的钾长石、斜长石、黑云母等副矿物组成。钾长石斑晶呈半自形至它形,主要类型为条纹长石;斜长石斑晶呈自形至半自形,聚片双晶发育,部分发育韵律环带构造;石英呈它形充填在斜长石和钾长石斑晶间隙中;云母呈它形,板片状,褐绿色,包裹少量的副矿物(图2a~d)。

图2

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图2   伏岭岩体手标本及显微镜下照片

a~d—二长花岗岩;e~h—钾长花岗岩。Qtz—石英;Kfs—钾长石;Pl—斜长石;Bt—黑云母

Fig.2   Hand specimen and microscopic photo of Fuling pluton

a~d—monzonite granite; e~h—moyite. Qtz—quartz; Kfs—K-feldspar; Pl—plagioclase; Bt—biotite


钾长花岗岩:浅肉红色,花岗结构,块状构造,矿物粒度为细粒—中粗粒,岩石新鲜。斑晶主要为钾长石、斜长石、石英,基质主要为钾长石、斜长石、石英及暗色矿物组成,主要矿物组成为石英(20%~25%)、钾长石(40%~60%)、斜长石(10%~20%)、黑云母等暗色矿物(1%~5%)。钾长石呈自形—半自形,以条纹长石和微斜长石为主,部分钾长石和石英构成蠕虫结构;斜长石呈自形至半自形,聚片双晶发育;石英呈它形充填于钾长石和斜长石颗粒之间;黑云母呈褐绿色,板片状(图2e~h)。

3 样品和测试方法

本次研究采集野外新鲜样品17件,均匀分布于伏岭岩体主体二长花岗岩和钾长花岗岩两种岩性内,其中二长花岗岩样品8件,主要分布于伏岭岩体北段及南段西侧,钾长花岗岩样品9件,主要分布于伏岭岩体南段东侧(图1b)。主量元素分析在安徽省地质实验研究所(自然资源部合肥矿产资源监督检测中心)完成,采用样品粉末熔成的玻璃饼,使用X射线荧光光谱(XRF)方法测定,分析误差在±5%范围内。微量元素分析在江苏省华东南工地质技术研究有限公司完成,采用封闭压力酸溶—电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定,测试仪器型号为iCAP RQ,分析精度小于10%。主微量元素分析测试数据符合规范要求,结果准确,满足分析质量要求。

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素特征

岩体各岩性岩石主量元素测试结果见表1。主量元素中,伏岭岩体整体具有高硅、高碱、富铝、低镁铁等特征,表现为碱性花岗岩特征。其中,二长花岗岩SiO2含量71.06%~73.99%,平均值72.89%;Al2O3含量11.95%~13.55%,平均值12.63%;Na2O含量3.10%~3.69%,平均值3.32%;K2O含量5.00%~5.62%,平均值5.24%;CaO含量0.68%~1.33%,平均值0.90%;MgO含量0.05%~0.47%,平均值0.24%;TiO2含量0.08%~0.27%,平均值0.18%。

表1   伏岭岩体岩石主量元素、微量元素分析结果及相关参数特征

Table 1  Analysis results of major elements, trace elements and characteristics of related parameters of Fuling pluton

样号FL67FL112FL66FL19FL47FL111FL61FL115FL70FL71FL72FL77FL12FL14FL54FL56FL74
花岗岩
岩性		二长二长二长二长二长二长二长二长钾长钾长钾长钾长钾长钾长钾长钾长钾长
主量元素/%
SiO273.3273.3171.0673.6673.9972.3672.4372.9974.8074.8375.5174.6176.7475.8174.0574.5474.39
Al2O312.4312.5512.6413.5512.4812.7511.9512.7111.6411.6512.1312.4412.3812.5712.4712.6911.68
TFe2O31.791.552.052.041.361.721.641.761.111.101.050.970.810.860.880.961.14
TFeO1.611.401.841.841.221.551.481.581.000.990.940.870.730.770.790.861.03
K2O5.105.275.065.485.195.195.005.624.594.604.294.894.454.394.624.614.64
Na2O3.403.323.103.183.693.363.223.293.593.613.993.853.994.124.093.933.63
CaO1.070.681.330.780.730.891.020.700.640.640.550.660.350.240.520.280.61
MgO0.230.220.470.200.050.290.200.230.050.050.020.040.030.020.020.010.05
P2O50.050.040.080.050.020.050.050.050.020.020.020.020.020.020.020.020.02
TiO20.180.130.270.210.080.180.170.190.050.050.020.040.020.010.010.010.06
MnO0.040.030.040.040.030.040.030.040.060.050.060.050.050.060.070.060.07
烧失量1.552.131.712.281.202.292.202.242.752.161.172.921.332.882.951.241.53
总量100.77100.6297.81101.47100.0499.1299.3899.8299.3098.7698.81100.49100.17100.9899.7098.3597.81
Mg#0.200.220.310.160.070.250.190.210.080.080.040.080.070.040.040.020.08
A/NK1.121.121.201.211.071.141.121.111.071.071.081.071.091.091.061.111.06
A/CNK0.951.010.971.080.961.000.951.000.970.960.990.971.031.050.981.060.97
R124342429239124392368236524662330260525972582243426332538237724672551
R2370330414359325360353336299299298317282273301279297
样号FL67FL112FL66FL19FL47FL111FL61FL115FL70FL71FL72FL77FL12FL14FL54FL56FL74
花岗岩
岩性		二长二长二长二长二长二长二长二长钾长钾长钾长钾长钾长钾长钾长钾长钾长
微量元素/10-6
Li57.7027.0047.2033.1033.0050.9046.3049.70109.0019.9031.8079.4093.2091.00202.00149.0020.50
Be2.804.222.871.731.633.143.543.274.805.016.543.062.681.591.560.9411.40
Co1.931.893.185.547.211.841.981.810.630.460.590.556.006.161.902.350.76
Ni10.4022.5015.7012.107.9814.9015.5018.905.737.8112.2010.9015.5022.708.237.2413.00
Rb220.00255.00243.00209.00268.00230.00208.00228.00386.00348.00421.00340.00416.00571.00708.00605.00427.00
Sr75.3049.80124.30103.3030.4073.3080.9058.2014.4014.209.6017.4010.106.204.605.1011.30
Zr158.90138.10192.30228.90153.20143.40151.20147.70101.10101.40119.3090.1080.10113.2050.70113.3095.30
Nb14.9012.2014.8016.3014.2012.1011.6012.7023.8022.2044.8025.7039.6056.0053.5049.4048.70
Sn4.685.156.493.173.564.953.933.328.785.9512.005.373.983.172.361.634.67
Ba338.50276.20539.10374.10189.50361.00353.10204.7052.4056.7050.1065.6053.9052.7042.9046.0056.60
Ta2.301.941.551.491.461.371.321.173.122.594.862.846.938.285.217.466.30
W0.605.200.591.310.410.950.811.221.952.714.612.620.690.3910.200.367.96
Th21.8028.3026.607.368.5219.1018.9021.1032.4037.8041.2019.9013.408.174.914.6640.20

注:Mg#=MgO/(MgO+FeO);A/CNK= Al2O3/(K2O+Na2O+CaO);A/NK= Al2O3/(K2O+Na2O);R1=4Si-11(Na+K)-2(Fe+Ti);R2=6Ca+2Mg+Al;式中各氧化物为分析所得氧化物含量,R1、R2中各元素为根据其氧化物和分子式计算所得的原子含量。

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钾长花岗岩SiO2含量74.05%~76.74%,平均值75.03%;Al2O3含量11.64%~12.69%,平均值12.18%;Na2O含量3.59%~4.12%,平均值3.87%;K2O含量4.29%~4.89%,平均值4.56%;CaO含量0.24%~0.66%,平均值0.50%;MgO含量0.01%~0.05%,平均值0.03%;TiO2含量0.01%~0.06%,平均值0.03%。相比于二长花岗岩,钾长花岗岩整体具有较低的SiO2、MgO、TiO2、CaO、K2O含量,略低的Al2O3含量,以及较高的Na2O含量。从主量元素特征来看,相对于二长花岗岩,钾长花岗岩可能具有更高的演化程度。伏岭岩体岩石样品整体富钾,K2O含量均高于Na2O含量,w(K2O)/w(Na2O)=1.05~1.72。岩体Mg#介于0.02~0.31之间,平均值0.13。

4.2 微量元素特征

伏岭岩体二长花岗岩和钾长花岗岩的微量元素测试结果见表1。微量元素中,伏岭岩体整体具有高Li、Rb、Nb、Ta、Th,低Sr、Ba、Zr的特征,显示出高度分异演化的特点。二长花岗岩整体Li含量范围(27.00~57.70)×10-6,平均值43.11×10-6;Rb含量范围(208.00~268.00)×10-6,平均值232.63×10-6;Ta含量范围(1.17~2.30)×10-6,平均值1.58×10-6;Nb含量范围(11.60~16.30)×10-6,平均值13.60×10-6;Sr含量范围(30.40~124.30)×10-6,平均值74.44×10-6;Ba含量范围(189.50~539.10)×10-6,平均值329.53×10-6;Zr含量范围(138.10~228.90)×10-6,平均值164.21×10-6。

钾长花岗岩整体Li含量范围(19.90~202.00)×10-6,平均值88.42×10-6;Rb含量范围(340.00~708.00)×10-6,平均值469.11×10-6;Ta含量范围(2.59~8.28)×10-6,平均值5.29×10-6;Nb含量范围(22.20~56.00)×10-6,平均值40.41×10-6;Sr含量范围(4.60~17.40)×10-6,平均值10.32×10-6;Ba含量范围(42.90~65.60)×10-6,平均值52.99×10-6;Zr含量范围(50.7~119.30)×10-6,平均值96.06×10-6。伏岭岩体微量元素Sr、Ba含量的降低可能与长石的分离结晶有关。前人研究数据显示,伏岭岩体岩石整体REE丰度较高,范围(171.6~280.5)×10-6,平均值220.7×10-6,轻、重稀土比值w(LREE)/w(HREE)为0.91~4.66,轻、重稀土分馏程度较低,δEu范围0.04~0.31,具有强烈的负Eu异常,且负Eu异常早阶段至晚阶段越来越强[8],说明可能有斜长石的分离结晶作用产生[19]。

5 讨论

5.1 岩石成因

5.1.1 成因类型

伏岭复式花岗岩体主体锆石U-Pb同位素成岩年龄为129.95~133.9 Ma[17],属于典型的皖南燕山期花岗岩体,本次研究对伏岭岩体相关主量元素进行了相应的投图分析。其中在w(SiO2)-w(K2O)图解上大部分样品落入高钾钙碱性系列,少量落在了钾玄岩系列(图3a)。在w(SiO2)-[w(Na2O)+w(K2O)]图中,伏岭岩体样品整体位于花岗岩区域内(图3b)。伏岭岩体铝饱和指数A/CNK值0.95~1.08,平均值0.99;A/NK范围在1.06~1.21之间,平均值为1.11;在A/NK-A/NKC图解中,数据点落在了准铝质和过铝质的过渡区域,属于准铝质、过铝质岩石(图4a)。在w(K2O)-w(Na2O)图解中,数据点都集中在A型花岗岩区域内,显示了伏岭岩体的A型花岗岩地球化学特征(图4b),这也与前人的研究结果相一致[8-9]。由花岗岩岩石类型相关图解可知,伏岭岩体花岗岩属于准铝质—过铝质高钾钙碱性A型花岗岩。

图3

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图3   伏岭岩体花岗岩w(SiO2)-w(K2O)图解(a)与TAS分类图解(b)

b中:1—橄榄辉长岩;2a—碱性辉长岩;2b—亚碱性辉长岩;3—辉长闪长岩;4—闪长岩;5—花岗闪长岩;6—花岗岩;7—硅英岩;8—二长辉长岩;9—二长闪长岩;10—二长岩;11—石英二长岩;12—正长岩;13—副长正长岩;14—副长石二长正长岩;15—副长石二长闪长岩;16—副长辉长岩;17—副长深成岩;18—霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩。图a底图据文献[21];图b底图据文献[22]。

Fig.3   w(SiO2)-w(K2O) diagram (a) and TAS classification diagram (b) of granite in Fuling pluton

Fig.b: 1—olivine-gabbro; 2a—alkaline gabbro; 2b—subalkaline gabbro; 3—gabbro-diorite; 4—diorite; 5—granodiorite; 6—granite; 7—quartzolite; 8—monzogabbro; 9—monzodiorite; 10—monzonite; 11—quartz-monzonite; 12—syenite; 13—subsyenite; 14—foid-monzosyenite; 15—foid-monzodiorite; 16—foid-gabbro; 17—foidolite; 18—aegironite/phosphonephelin/coarse leucoite. Fig.a base image according to references [21]; Fig.b base image according to references [22].


图4

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图4   伏岭岩体A/CNK-A/NK(a)与w(K2O)-w(Na2O)(b)图解

图a底图据文献[23];图b底图据文献[24]。图例同图3

Fig.4   Diagram of A/CNK-A/NK (a) and w(K2O)-w(Na2O) (b) of Fuling pluton

Fig.a base image according to references [23]; Fig.b base image according to references [24]. The legend is the same as Fig.3


5.1.2 岩浆源区

岩浆源区的研究对于理解和讨论岩浆深部过程具有很好的指示意义,伏岭岩体花岗岩具有较高的SiO2(w(SiO2)>71.06%,平均值74.02%)和较低的MgO(w(MgO)<0.47%,平均值0.13%),暗示伏岭岩体可能主要来源于地壳物质的部分熔融。此外,Mg#是判断花岗岩源区是否存在壳幔混染的指标之一。前人研究表明,由下地壳岩石部分熔融形成的熔体Mg#小于0.45[25],原生幔源岩浆的Mg#变化范围在0.68~0.75之间[26]。前人认为伏岭岩体主要来自地壳的熔融,但依然有地幔的影响[8]。本次研究结果显示伏岭岩体花岗岩Mg#变化范围在0.02~0.31之间,平均值为0.13,表明伏岭岩体主要来源于下地壳岩石的部分融熔作用,在岩浆形成和演化过程中,可能未受地幔物质的混染。主量元素数据显示,伏岭岩体总体具有高硅、高碱、富铝、低镁铁等壳源特征。微量元素w(Nb)/w(Ta)比值可以作为指示壳—幔体系地球化学作用指标[27]。下地壳w(Nb)/w(Ta)值为8.33[28],而原始地幔w(Nb)/w(Ta)比值为17.39[29],伏岭岩体w(Nb)/w(Ta)比值范围5.71~10.94,平均值8.41,更接近下地壳w(Nb)/w(Ta)比值,指示伏岭岩体的壳源特征。

前人通过研究稀土元素地球化学特征认为皖南地区燕山期花岗岩类属于典型的壳源岩浆岩[30]。上溪群作为皖南地区的变质基底,为一套中—新元古代浅变质火山—沉积岩系。相关研究表明上溪群是皖南地区燕山期岩浆岩的重要源区之一,皖南地区花岗质岩石的Nd同位素组成与上溪群在燕山期的εNd相近,认为皖南岩体源于上溪群的部分熔融[31-32]。下地壳成岩物质部分熔融所形成的原始岩浆与上溪群部分熔融产生的岩浆混合[3]或者是类似上溪群成岩物质的围岩混染作用[12]是形成皖南中生代岩浆岩的主要原因。周涛发等[6]利用Sr、Nd同位素岩浆岩成岩物质来源示踪,研究结果显示皖南地区燕山期花岗岩类成岩物质以壳源为主,其源岩为上溪群千枚岩或成分类似于上溪群的变质沉积岩。伏岭岩体花岗岩主微量数据、Mg#以及w(Nb)/w(Ta)比值指示了伏岭岩体的壳源特征,表明上溪群千枚岩或成分类似于上溪群的变质沉积岩可能是伏岭岩体的可能来源。

5.1.3 岩浆分异演化

通常,随着花岗岩岩浆演化程度的升高,花岗岩体稀有金属含量(如Rb、Nb、Ta、Li、Be、Cs等)也呈升高趋势[33⇓-35]。因此,伏岭岩体中Rb的富集成矿与其岩浆体系发生高度分异演化密切相关。皖南地区燕山期发育多个高Rb花岗岩体(黄山岩体、伏岭岩体等),这些岩体均为复式花岗岩体,经多阶段演化形成,具有高度分异演化的特征[8,36]。其中,黄山岩体岩石地球化学特征表现为高硅、高碱、富铝、低镁铁,富集Zr、Hf、Nb等高场强元素和Rb,低Sr、Ba、Ni,具有A型花岗岩的特点[36],这与伏岭岩体在岩石地球化学特征上有一定的相似性。

随着岩浆分异演化程度的升高,岩石主、微量元素组合能够呈现不同的变化趋势。在主量元素哈克图解中,伏岭岩体花岗岩Al2O3、MgO、CaO、TiO2、K2O等含量与SiO2含量呈明显负相关关系,Na2O含量与SiO2含量呈正相关关系,表明有镁铁质矿物的分离结晶产生,主量元素变化与岩浆分异演化趋势一致(图5)。

图5

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图5   伏岭岩体主量元素哈克图解

Fig.5   Harker diagram of major elements of Fuling pluton


伏岭岩体微量元素哈克图解显示(图6),从演化早期到晚期,随着分异演化程度的提高,Sr、Ba、Zr等微量元素逐渐降低,总体上显示负相关关系;Rb、Nb、Ta等微量元素含量随着演化程度的提高逐渐升高,总体呈正相关关系,整体符合岩浆演化过程中微量元素的变化规律,与分异演化趋势一致。

图6

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图6   伏岭岩体微量元素哈克图解

Fig.6   Harker diagram of trace elements of Fuling pluton


由伏岭岩体主、微量哈克图解可知,伏岭岩体整体符合岩浆分异演化过程,且钾长花岗岩表现出与二长花岗岩明显的继承演化关系,表明钾长花岗岩是二长花岗岩连续分异演化的产物。

5.2 构造背景

伏岭岩体花岗岩主体形成年龄为早白垩世[17],皖南地区受早—中侏罗世印支期构造旋回的影响,在强烈的逆冲推覆中,变质基底岩系逐渐隆升成山,出现岩石圈加厚的特征[37]。晚侏罗世,印支运动逐渐停止,皖南的大地构造环境开始由板内挤压造山转变为伸展变形阶段[9]。早白垩世(约141 Ma)发生地幔岩浆底侵,使得增厚的下地壳发生部分熔融,产生岩浆混合作用,从而形成埃达克质岩石[10]。皖南地区在埃达克质岩石形成之后,花岗岩形成的构造环境完全转变为造山后伸展阶段,并广泛发育120~135 Ma的A型花岗岩[38]。

主量元素在岩石形成过程中表现最为活跃,它受源区成分和成岩过程的地球化学、物理化学环境影响,是划分岩石类型、系列的重要依据[15]。利用主量元素之间的相关性能够对花岗岩系列形成的构造环境进行判别。在R1-R2图解[39]中,皖南伏岭岩体样品点主要投在造山后及非造山边界过渡区域,展现出非造山的地球化学特征(图7a)。Maniar等[23]利用花岗岩岩石矿物学和主量元素特征对花岗岩体形成的构造环境进行了判别,主要将花岗岩形成的构造环境分为造山带和非造山带两大类。伏岭岩体样品在w(SiO2)-w(Al2O3)(图7b)和w(SiO2)-w(TFeO)/w[(TFeO)+w(MgO)](图7c)判别图解上,数据点主要投在POG区域、RRG+CEUG区域以及两者边界区域,指示伏岭复式岩体花岗岩具有非造山带花岗岩地球化学特征。主量元素大地构造环境判别图解显示,伏岭复式花岗岩体形成于燕山晚期非造山伸展构造环境。

图7

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图7   伏岭岩体构造环境判别图解

RRG—与裂谷有关的花岗岩类;CEUG—与大陆的造陆抬升有关的花岗岩类; POG—后造山花岗岩类;IAG—岛弧花岗岩类;CAG—大陆弧花岗岩类;CCG—大陆碰撞花岗岩类。图a底图据文献[39];图b、c底图据文献[23]。

Fig.7   Tectonic environment discriminant diagram of Fuling pluton

RRG—granites associated with rift valley; CEUG—granitoids associated with continental uplift; POG—postorogenic granites; IAG—island arc granites; CAG—continental arc granites; CCG—continental collision granites. Fig.a base image according to references [39]; Fig.b and Fig.c base image according to references [23].


5.3 Rb富集指示

伏岭岩体为一复式花岗岩体,主体由两种花岗岩岩性组成。由主、微量哈克图解可知,钾长花岗岩与二长花岗岩具有一定的继承演化关系,从演化早期至演化晚期,随着伏岭岩体岩浆演化程度逐渐升高,Rb含量整体呈升高趋势。

Rb元素作为不相容元素,在岩浆分异演化过程中趋向进入熔体,在残余岩浆中富集[40-41]。因此,可以通过分析花岗岩体各阶段的演化关系和演化程度来研究花岗岩Rb的富集规律。此外,碱金属或碱土金属元素及其比值可以用来指示花岗岩岩浆的结晶、分异和演化过程[42-43]。微量元素比值w(K)/w(Rb)、w(Rb)/w(Sr)通常是表征花岗岩熔体演化的常用指标[44⇓⇓⇓-48],随着演化程度的提高,w(K)/w(Rb)比值迅速降低,而w(Rb)/w(Sr)比值显著升高。在高度演化的岩浆体系中,w(K)/w(Rb)比值通常小于50[40]。在伏岭岩体w(Rb)-w(K)/w(Rb)二元协变图解中(图8a),随着w(K)/w(Rb)比值的降低,Rb逐渐升高,整体呈负相关关系,符合岩浆演化规律。在w(Rb)-w(Rb)/w(Sr)二元协变图解中(图8b),随着w(Rb)/w(Sr)比值的升高,Rb逐渐升高,整体呈正相关关系,与花岗岩岩浆演化规律一致。

图8

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图8   伏岭岩体各阶段w(Rb)-w(K)/w(Rb)及w(Rb)-w(Rb)/w(Sr)协变图解

Fig.8   w(Rb)-w(K)/w(Rb) and w(Rb)-w(Rb)/w(Sr) covariation diagrams of different stages of Fuling pluton


伏岭岩体钾长花岗岩相对富Rb,贫Sr、Ba,而二长花岗岩则贫Rb,富Sr、Ba,指示二者很有可能是同一岩浆房演化的产物,表明分离结晶可能是伏岭岩体演化的主要机制(图6)。前人通过Sr、Ba、Rb含量变化,利用模拟实验来研究分析同一岩浆房内不同演化阶段岩石的分离结晶程度及相关性[49]。本文为进一步验证分离结晶作用是否可以解释伏岭岩体的成因机制,使用Sr、Ba、Rb对伏岭岩体进行模拟计算。选择演化程度较低的样品(FL19,w(SiO2)=73.66%)作为初始熔体,FL19样品微量元素作为初始值(w(Sr)=103.3×10-6,w(Rb)=209×10-6,w(Ba)=374.1×10-6),Rb、Sr、Ba 分配系数参考前人数据[50]。当分离矿物相为斜长石为主时,选择由35%石英+40%斜长石+15%钾长石+5%黑云母组成矿物相(FC1)。模拟结果表明(图9),初始熔体经过约60%的分离结晶,残余熔体可以达到正长花岗岩的成分含量,具有较好的一致性。由于花岗岩浆粘度大,部分学者认为不能发生分离结晶作用[51],也有学者认为可以发生分离结晶作用[52-53],分离结晶模型还是花岗岩的主要演化方式。伏岭岩体Sr、Rb、Ba模拟表明,正长花岗岩经过二长花岗岩约60%的分离结晶后形成。

图9

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图9   伏岭花岗岩基于瑞利分离结晶的微量元素模拟

由于Rb、Sr、Ba主要受控于主要矿物,此处分离相不考虑副矿物的影响,FC1分离矿物相组合:35%石英+40%斜长石+15%钾长石+5%黑云母;分离结晶演化趋势线以10%为间隔。各矿物的Rb、Sr、Ba 分配系数引自文献[50]。

Fig.9   Simulation of trace elements in Fuling granite based on Rayleigh separation crystallization

Since Rb, Sr and Ba are mainly controlled by major minerals, the effect of accessory minerals is not considered in the separated phase here, and FC1 separates the mineral phase combination: 35% quartz + 40% plagioclase + 15% K-feldspar + 5% biotite; The trend line of separation crystallization evolution is spaced by 10%. The distribution coefficients of Rb, Sr and Ba for each mineral are quoted from references [50].


6 结论

1)伏岭岩体具有高硅、高碱、低铁镁的特征,属于准铝质—过铝质高钾钙碱性A型花岗岩。

2)伏岭岩体的成岩物质主要来源于下地壳岩石的部分熔融,经多阶段分异演化作用形成,可能未受地幔物质的混染,其源岩可能为上溪群千枚岩或成分类似于上溪群的变质沉积岩,形成于燕山晚期非造山伸展构造环境。

3)伏岭岩体从二长花岗岩至钾长花岗岩,随着演化程度的提高,Rb含量升高,表明伏岭岩体Rb的富集主要受控于岩浆分异演化过程。

致谢

感谢项目组成员对论文编写提供的帮助与支持,衷心感谢编辑部及审稿专家对本文提出的诸多宝贵意见及建议!

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