大陆地壳的生长和再造是大陆动力学研究的核心内容之一。华南是世界上发生大陆再造最显著的地区之一,其中又以燕山期形成的大火成岩省特别引人关注。此外,华南也是全球最大的多金属成矿区之一,其中W、Sb、Sn、Cu、Mo、Pb、Zn、Au、Ag、 Ta、Nb、HREE和U等多金属储量居世界前列。所以,华南是研究大陆再造和多金属成矿的宝贵天然实验室。然而,目前对于华南大陆再造和多金属成矿机制的认识还存在激烈争论。
湘南上堡位于华南板块内部,扬子和华夏地块的交界带,区域内出露有晚中生代的花岗岩和镁铁质岩墙,同时伴生有W-Sn-Nb-Ta和黄铁矿等金属矿化。本文选择了上堡地区晚中生代花岗岩、镁铁质岩墙以及伴生的硫黄铁矿床为研究对象,通过详细的野外地质考察、岩相学、元素地球化学、同位素地球化学(Sr-Nd-Hf-Os-B)、年代学(40Ar-39Ar和锆石U-Pb)等综合研究,来揭示上堡花岗岩、镁铁质岩墙和伴生的金属矿床的的成因机制,并进一步探讨其形成的深部动力学过程,为华南大陆再造和多金属成矿的研究提供背景资料和理论支持。
本学位论文已经取得以下主要进展:
1.识别出了上堡花岗岩为含电气石二云母花岗岩(MPG),并确定了该花岗岩及伴生的镁铁质岩墙形成于晚白垩世(ca.80 Ma)。上堡两个花岗岩样品的锆石U-Pb年龄分别为80.1±0.3 Ma和80.0±0.5 Ma,而闪长岩样品形成于80.5±0.5 Ma,三个样品都显示出有一期94 Ma的继承锆石年龄。辉绿岩中的锆石为继承锆石,时代为152.5±1.0 Ma。结合花岗岩和镁铁质岩墙的野外接触关系,我们确定上堡含电气石二云母花岗岩和伴生的镁铁质岩墙同时形成于晚白垩世。
2.结合上堡含电气石二云母花岗岩(MPG)和伴生镁铁质岩墙的元素地球化学、Sr-Nd-Hf同位素组成的研究,确定了两者之间的成因关系。上堡MPG的全岩Sr-Nd同位素组成显示具有高的εNd(t)值(-2.84~-1.37),和几乎为正的εHf(t)值(-1.01~+6.16)。花岗岩的二阶段Nd模式年龄为0.98~1.10Ga,明显低于华夏地块基底变质岩的Nd模式年龄(1.8Ga~2.2Ga),暗示了幔源物质对花岗岩的形成有着重要的贡献。辉绿岩墙具有弱的-无Nb亏损((Nb/La)N=0.9~1.0),其全岩Sr-Nd同位素组成为:(87Sr/86Sr)i=0.7041~0.7054,εNd(t)=+3.43~+5.08。这表明辉绿岩的源区具有亏损地幔的同位素组成,并很可能起源于软流圈地幔的部分熔融。传统上,MPG被认为是代表了纯的地壳熔体。但是,在本次研究中,通过对上堡二云母花岗岩及伴生的镁铁质岩墙这对罕见的岩石共生组合的研究,显示上堡含电气石二云母花岗岩的形成中,除了地壳沉积物外,有幔源组分的重要贡献,这改变对MPG的物质来源的传统认识。
3.确定了上堡MPG及其析离体中电气石B同位素的物质来源。LA-MC-ICP-MS电气石原位微区B的研究显示,绝大部分电气石的δ11B在-13.5~-12‰之间,与来自壳源沉积物的花岗岩中的原生电气石有着非常类似,与平均地壳值接近,说明上堡MPG和析离体中的电气石B同位素来自邻近花岗岩体的石炭—二叠纪的沉积地层或深埋在地壳中的沉积物质。从中心相到边缘相,整个体系B同位素几乎没有发生分馏,说明岩体形成时成分均一并没有经历较远距离的搬运。少部分电气石的δ11B分别集中在-15.5~-13.5‰和-11.5~-9.29‰之间,暗示其除了地壳沉积物外,地幔物质在其形成中可能也发挥了作用。
4.通过单颗粒黄铁矿的Re-Os同位素研究,限定了上堡黄铁矿床的成矿时代,确定了其成矿物质来源,并初步探讨了矿床形成和再造的模型。早期黄铁矿为同沉积型矿床,形成时代为279±12 Ma,与矿床产出的早二叠纪地层时代一致,初始187Os/188Os比值为0.39±0.71,暗示壳源物质对黄铁矿的形成有重要贡献。晚期黄铁矿为岩浆热液型黄铁矿,矿床的形成时代为75.2±4.3 Ma,接近上堡侵入岩的成岩年龄,暗示其为岩浆晚热液晚期结晶的产物,其初始187Os/188Os比值0.141±0.030,说明幔源岩浆活动在晚期成矿作用中发挥了重要作用。
综上所述,我们认为,在晚白垩世处于板内裂谷的环境下,上堡辉绿岩可能起源于软流圈地幔的部分熔融,幔源岩浆沿着郴州-临武深大断裂带上侵至中上地壳中的石炭-二叠沉积地层中,加热并诱发地层发生部分熔融,并可能与形成的地壳熔体混合,之后岩浆就近上侵形成了上堡二云母花岗岩。幔源岩浆在同化壳源物质时脱硫,成矿热液逃逸并对邻近早期黄铁矿床进行了改造。因此,幔源基性岩浆作用在对华南大陆进行广泛再造的同时,也导致重要的地壳垂向生长作用和多金属成矿作用。