章邦桐,吳俊奇,凌洪飛,陳培榮

(內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京大學(xué)),南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210093)

0 引言

南嶺地區(qū)花崗巖分布廣泛,并以極豐富的鎢、錫、鈮、鉭、鈾、稀土等礦產(chǎn)資源聞名于世。因此,自20世紀(jì)50年代以來,南嶺花崗巖一直是我國地球科學(xué)家所關(guān)注和研究的熱點(diǎn)之一。發(fā)生在三疊紀(jì)末的印支造山運(yùn)動(dòng)是華南地區(qū)中生代早期最重要的地質(zhì)構(gòu)造事件之一,它使華南全部隆起成陸,從而進(jìn)入一個(gè)以陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)為主的時(shí)期[1]。從世界范圍來看,每一次強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)都有相應(yīng)花崗巖類巖石形成,南嶺地區(qū)也不應(yīng)例外。早在1963年,徐克勤等在研究華南不同時(shí)代花崗巖時(shí),就根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、花崗巖體分布特征和 K-Ar年齡,推測在南嶺地區(qū)可能存在3條呈EW向展布的印支期花崗巖帶(圖1),自北而南分別為騎田嶺—九峰—諸廣巖帶、麻江源(九嶷山)—大東山—貴東巖帶和花山—姑婆山—連陽巖帶[2]?？墒?20世紀(jì)60—90年代開展的同位素定年(以Rb-Sr法為主)測定結(jié)果表明,它們并非印支期花崗巖,而屬于燕山早期[3]。為了進(jìn)—步驗(yàn)證南嶺地區(qū)是否存在大面積的印支期花崗巖,近年來,人們對(duì)南嶺地區(qū)許多大型花崗巖基主體采用精確的鋯石U-Pb同位素定年法(SHRIMP法,LAICPMS法)進(jìn)行了定年測定,但仍厘定南嶺地區(qū)呈EW向展布的大型復(fù)式花崗巖基主體為燕山早期花崗巖,如大東山巖體為155.9 Ma[4],金雞嶺巖體為156 Ma[5],騎田嶺巖體為 161 Ma[6],花山巖體為162 Ma[5],貴東巖體為 160[7]～189 Ma[8],寨背巖體為171.6 Ma[9],陂頭巖體為186.3 Ma[10]。

圖1 南嶺燕山早期花崗巖基分布示意圖Fig.1 Sketch map showing distribution of Early Yanshan granite batholiths in Nanling Range,South China

這就提出一個(gè)問題,即為什么在燕山造山運(yùn)動(dòng)期間南嶺地區(qū)的燕山早期花崗巖帶呈EW向分布,而華南地區(qū)燕山晚期(142～67 Ma)花崗巖帶則呈NE向展布的不協(xié)調(diào)地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象?南嶺地區(qū)存在的這種花崗巖形成時(shí)代(燕山早期)與強(qiáng)烈地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(印支運(yùn)動(dòng))不匹配的情形一直成為南嶺花崗巖及南嶺地質(zhì)構(gòu)造研究中難以解釋和令人困惑的現(xiàn)象。半個(gè)多世紀(jì)以來,我國構(gòu)造-巖石學(xué)者通過仔細(xì)分析研究,對(duì)這一現(xiàn)象提出3種可能的解釋:①徐克勤等(1981)認(rèn)為,這是南嶺花崗巖在形成時(shí)間上滯后于印支造山運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)[2];②黃汲清解釋為印支運(yùn)動(dòng)被較晚的、壓倒一切的燕山運(yùn)動(dòng)所隱蔽,即印支期花崗巖可能己被強(qiáng)烈的燕山早期巖漿活動(dòng)所掩蓋[11];③周新民等(2006)對(duì)華南中生代花崗巖和火山巖的344個(gè)同位素年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究并指出,早侏羅世(J1)時(shí)華南全區(qū)很少巖漿活動(dòng),為“巖漿活動(dòng)寧靜期”,其時(shí)間尺度約為25 Ma,認(rèn)為這是由于南嶺地區(qū)位處特提斯型與太平洋型兩大構(gòu)造域轉(zhuǎn)換區(qū)造成的,而早侏羅世的巖漿活動(dòng)平靜期也標(biāo)志著構(gòu)造格架的變換[12]。

我們注意到南嶺地區(qū)分布的花崗巖除了上述呈EW向分布及鋯石U-Pb年齡、全巖Rb-Sr等時(shí)線同位素年齡大多屬燕山早期的2個(gè)特點(diǎn)外,還有3個(gè)與花崗巖漿動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的重要特征:①南嶺地區(qū)存在的近EW向分布的燕山早期花崗巖體均為地表出露面積達(dá)數(shù)百乃至上千平方千米的大型花崗巖基(圖1);②南嶺花崗巖的U,Th放射性元素含量高,是世界花崗巖平均值的2～3倍[13];③花崗巖體的侵位年齡是指花崗巖熔體從源區(qū)(深部巖漿房)在地殼構(gòu)造(造山)運(yùn)動(dòng)過程中,上升侵位到達(dá)地殼中的高位巖漿房的時(shí)刻(tE),而現(xiàn)今獲得的全巖Rb-Sr等時(shí)線同位素年齡代表的是花崗巖的結(jié)晶(固化)年齡[14-15]。這就提出一個(gè)怎樣確定花崗巖(熔體)侵位年齡的問題。

關(guān)于花崗巖侵位年齡的確定,不少學(xué)者根據(jù)U-Pb同位素體系封閉溫度高 (≥850℃[16];＞900℃[17];＞1000℃[18])的特點(diǎn) ,提出“花崗巖鋯石U-Pb年齡可以代表花崗巖侵位年齡”的觀點(diǎn)[5,17,19-21],但這一觀點(diǎn)尚需作進(jìn)一步驗(yàn)證。

我們根據(jù)花崗巖熔體侵位在地殼較深部位而地殼巖石熱導(dǎo)率很低的特點(diǎn),推測體積巨大、放射性元素含量高的南嶺花崗巖冷卻-結(jié)晶所需時(shí)間較長,存在較大侵位-結(jié)晶時(shí)差的可能,因而提出,根據(jù)花崗巖體及圍巖的地質(zhì)及熱物理參數(shù),通過熱傳導(dǎo)理論計(jì)算獲得花崗巖的侵位-結(jié)晶時(shí)差,再結(jié)合同位素定年結(jié)果反演計(jì)算出花崗巖侵位年齡的方法。據(jù)此,本文選擇南嶺東段屬于燕山早期的2個(gè)花崗巖基(寨背巖體和陂頭巖體)作為研究對(duì)象,計(jì)算其侵位年齡并探討它們的構(gòu)造意義。

1 花崗巖鋯石U-Pb年齡表征的是花崗巖結(jié)晶年齡而非侵位年齡

長期以來,有關(guān)“鋯石U-Pb同位素體系封閉溫度較全巖Rb-Sr同位素體系封閉溫度高”的觀點(diǎn)已成為國內(nèi)外許多學(xué)者研究花崗巖熱歷史的重要理論依據(jù)。如果這一觀點(diǎn)確實(shí)客觀存在,那么就必然存在花崗巖鋯石U-Pb同位素年齡大于全巖Rb-Sr同位素年齡的規(guī)律。鑒于近年來已積累了大量有關(guān)花崗巖鋯石U-Pb同位素定年及全巖Rb-Sr同位素年齡的數(shù)據(jù),這就為采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法判明是否存在花崗巖鋯石U-Pb同位素年齡大于全巖Rb-Sr同位素年齡的規(guī)律提供了可能。近年來,我們通過對(duì)國內(nèi)外花崗巖體鋯石U-Pb年齡(tZr)與全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡(tRb)相關(guān)分析及其年齡差值(Δt=tZr-tRb)進(jìn)行的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析研究,擬合出相關(guān)系數(shù)很高(R=0.998),回歸系數(shù)接近l的線性回歸方程,發(fā)現(xiàn)Δt既有正值,也有負(fù)值,總體呈對(duì)稱正態(tài)分布,不存在花崗巖鋯石U-Pb同位素年齡大于全巖Rb-Sr同位素年齡的規(guī)律[22-23]。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)這一結(jié)論的科學(xué)性和可信性,本文將最新收集到的花崗巖鋯石U-Pb年齡與全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡53對(duì) 數(shù)據(jù)(表1)加入,使統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)N=164,對(duì)其差值(Δt)進(jìn)行了頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)Δt既有正值,也有負(fù)值,總體呈對(duì)稱正態(tài)分布,其中位值為0.0 Ma,眾數(shù)值為0.0 Ma(圖2),并擬合出相關(guān)系數(shù)很高(R=0.997)、回歸系數(shù)接近l的線性回歸方程(tRb=0.99577·tZr+0.317796)(圖3)。這些特征表明花崗巖體鋯石U-Pb定年的測定結(jié)果與全巖Rb-Sr等時(shí)線定年測定結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)是一致的,從而進(jìn)一步確證了花崗巖鋯石U-Pb年齡和全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡一樣表征的是花崗巖的結(jié)晶年齡(tC)。由此,我們認(rèn)為不能簡單地用花崗巖鋯石UPb年齡來表征花崗巖的侵位年齡,而必需另辟途徑,即根據(jù)花崗巖實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)原理和熱傳導(dǎo)理論,采用反演計(jì)算方法來確定花崗巖體的侵位年齡。

圖2 164個(gè)花崗巖鋯石 U-Pb年齡與全巖 Rb-Sr等時(shí)線年齡差值(Δt)直方圖及其正態(tài)分布曲線Fig.2 Histogram and PDF(probability density function)curve for age difference(Δt)between the zircon U-Pb age and the whole-rock Rb-Sr isochron age for the 164 granite plutons

2 花崗巖侵位年齡和侵位-結(jié)晶時(shí)差計(jì)算的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)根據(jù)

根據(jù)Dowty[24]有關(guān)花崗巖實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究資料分析,花崗巖熔體的冷卻-結(jié)晶過程可分為3個(gè)階段(圖4):

(1)結(jié)晶前的熔體降溫階段(液相),花崗巖熔體溫度由初始溫度(Tm)逐漸降低至結(jié)晶溫度(Tc),這階段的冷卻時(shí)間用Δtcol表示。

圖3 164個(gè)花崗巖體鋯石 U-Pb年齡值與全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡值的相關(guān)圖Fig.3 Correlation diagram of the zircon U-Pb age and the whole-rock Rb-Sr isochron age for the 164 granite plutons

(2)結(jié)晶固結(jié)階段(固液相共存),花崗巖熔體結(jié)晶是在過冷狀態(tài)下開始的,形成一定數(shù)量的晶核,其后在結(jié)晶生長過程中釋放出的結(jié)晶潛熱又將使溫度回升到Tc并形成一個(gè)結(jié)晶溫度平臺(tái),直到釋放出的結(jié)晶潛熱全部散失到圍巖中為止,才繼續(xù)降溫。釋放出的結(jié)晶潛熱將延長巖漿結(jié)晶的進(jìn)程,其延長結(jié)晶作用的時(shí)間用ΔtL表示(圖4)。

圖4 花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶的溫度(T)-時(shí)間(t)關(guān)系示意圖[22]Fig.4 Temperature(T)vs time(t)of cooling-crystallization process of a granitic melt

(3)結(jié)晶后的固相降溫階段。我們認(rèn)為,自然界中巨大的花崗巖侵入體(巖基)的冷卻-結(jié)晶過程也將遵循上述關(guān)于花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶過程的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)原理。這樣,花崗巖熔體到達(dá)、貯存在巖漿房 并開始降溫冷卻的時(shí)刻就相當(dāng)于花崗巖體的侵位年齡(tE),而全部結(jié)晶-固結(jié)的時(shí)刻則相當(dāng)于花崗巖體的結(jié)晶年齡(tC),花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶所需的時(shí)間應(yīng)等于Δtcol及ΔtL之和(圖4)。

此外,從巖石地球化學(xué)研究得知,在各種巖漿巖中,花崗巖類巖石的U,Th,K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,因此花崗巖熔體在冷卻-結(jié)晶過程中產(chǎn)生的放射成因熱將比基性-超基性巖高1～2個(gè)數(shù)量級(jí),這意味著花崗巖熔體在冷卻-結(jié)晶過程中產(chǎn)生的放射成因熱延長花崗巖熔體的冷卻-結(jié)晶時(shí)間(ΔtA)也是一個(gè)不可忽視的、影響花崗巖體冷卻結(jié)晶時(shí)間的重要因素。

3 寨背和陂頭花崗巖基地質(zhì)概況

寨背花崗巖基位于南嶺東西向構(gòu)造巖漿帶東段的贛南定南縣,地表出露面積約480 km2,巖性為黑云母鉀長花崗巖,主要礦物成分(平均)為:石英28%,鉀長石 50%,斜長石 17%,黑云母 3%,偶見角閃石。主要副礦物為磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、褐簾石、磷灰石和獨(dú)居石。陂頭巖基出露于龍南縣陂頭鎮(zhèn)一帶,面積約470 km2,主要巖性為含角閃石的黑云母鉀長花崗巖,主要造巖礦物為:石英 28%～39%,鉀長石58%～66%,斜長石12%～22%,黑云母1%～3%,局部出現(xiàn)角閃石0～4%。副礦物主要為磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、螢石和電氣石,有少量磷灰石和獨(dú)居石。

圖5 寨背和陂頭花崗巖基地質(zhì)簡圖(據(jù)范春方等,2000)[71]Fig.5 Geological sketch of the Zhaibei and Pitou granite batholiths

寨背和陂頭花崗巖基侵入于震旦—寒武系及泥盆—二疊系中(圖5),接觸帶上熱變質(zhì)現(xiàn)象強(qiáng)烈,熱變質(zhì)帶寬100～2 000 m,表明它們屬巖漿成因。

寨背花崗巖體的的全巖-礦物Rb-Sr等時(shí)線年齡為176 Ma[69],鋯石U-Pb年齡為171.6 Ma[70],平均值為173.8 Ma。陂頭巖體的全巖-礦物Rb-Sr等時(shí)線年齡為178.2 Ma[71],鋯石U-Pb同位素年齡為186.3 Ma[72],平均值為182.3 Ma。表明它們均屬燕山早期形成的花崗巖體。寨背花崗巖體的放射性元素平均值為:w(U)=10.32×10-6,w(Th)=46.9×10-6,w(K2O)=5.38%。陂頭花崗巖體的放射性元素平均值為:w(U)=6.28×10-6,w(Th)=29.7×10-6,w(K2O)=5.37%[73]。

4 寨背和陂頭花崗巖基侵位年齡的計(jì)算

花崗巖巖石學(xué)研究表明,出露面積大、呈全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、具均勻塊狀構(gòu)造等地質(zhì)特征的花崗巖體,其形成時(shí)的埋深(距古地表深度)較大,約為 6.5～13 km[74-75]。從地球?qū)尤Φ臒峤Y(jié)構(gòu)角度分析,花崗巖的這一侵位尺度位于傳熱效應(yīng)明顯的熱傳導(dǎo)層范圍內(nèi)[76]。這意味著花崗巖熔體的冷卻-結(jié)晶過程將明顯受地殼巖石熱傳導(dǎo)的制約,即花崗巖熔體熱量將通過熱傳導(dǎo)機(jī)制而散失。所以,花崗巖熔體侵位到地殼內(nèi)巖漿房后的冷卻-結(jié)晶過程實(shí)質(zhì)上是花崗巖熔體從初始溫度(Tm)通過熱傳導(dǎo)向周圍地質(zhì)體傳遞(散失)熱量而逐漸降溫的熱動(dòng)力學(xué)地質(zhì)過程。鑒于近數(shù)十年來巖石熱物理性質(zhì)、熱傳導(dǎo)理論及花崗巖實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究方面取得了長足進(jìn)展并積累了大量數(shù)據(jù),因此本文將根據(jù)地質(zhì)-地球物理資料建立花崗巖基的數(shù)學(xué)計(jì)算模型,再按照熱傳導(dǎo)原理及巖石熱物理性質(zhì)參數(shù)計(jì)算出侵位后的花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶所需要的時(shí)間,即“侵位-結(jié)晶時(shí)差”,然后,將其與代表花崗巖結(jié)晶年齡的同位素年齡值相加,可得出花崗巖基的侵位年齡。

因此,為了確定寨背和陂頭花崗巖基的侵位年齡,本文將在確定巖體熱物理及有關(guān)地球化學(xué)參數(shù)的前提下,分別計(jì)算出寨背和陂頭花崗巖熔體溫度由初始溫度(Tm)逐漸冷卻降低至結(jié)晶溫度(Tc)的冷卻時(shí)間(Δtcol)、結(jié)晶潛熱釋放延長結(jié)晶作用的時(shí) 間(ΔtL)及花崗巖熔體在冷卻-結(jié)晶過程中產(chǎn)生的放射成因熱延長花崗巖熔體的冷卻-結(jié)晶時(shí)間(ΔtA),由此得出侵位-結(jié)晶時(shí)差。然后再根據(jù)巖體的結(jié)晶年齡反演計(jì)算得出巖體的侵位年齡。

4.1 寨背和陂頭花崗巖地質(zhì)-熱物理參數(shù)的選擇和計(jì)算

4.1.1 花崗巖熔體初始溫度、結(jié)晶溫度的選定

(1)花崗巖熔體初始溫度。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明,巖石熔融一般在過熱狀態(tài)(即高于液相線溫度)下才會(huì)發(fā)生。對(duì)現(xiàn)代長英質(zhì)火山熔巖流溫度的測試結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。Dowty(1980)[24]所作的花崗巖熔融實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,w(H2O)=3.5%的花崗閃長巖液相線溫度為950℃。據(jù)此,我們?cè)O(shè)定花崗巖漿的初始溫度Tm為950℃。

(2)花崗巖熔體結(jié)晶溫度。鑒于花崗巖主要由石英、長石、云母等造巖礦物所組成,當(dāng)花崗巖造巖礦物全部結(jié)晶固結(jié)時(shí),其Rb-Sr同位素體系也將停止擴(kuò)散交換。因此,花崗巖全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡能較好地表征花崗巖的結(jié)晶年齡。全巖Rb-Sr同位素封閉溫度較低,—般為600～650℃。據(jù)此,我們?cè)O(shè)定花崗巖漿的結(jié)晶溫度Tc為600℃。

4.1.2 寨背和陂頭花崗巖基的空間尺度(巖體邊長、侵位深度)及圍巖初始溫度、圍巖熱傳導(dǎo)率的確定

(1)巖體邊長估算。根據(jù)寨背和陂頭花崗巖基地表出露面積,將其簡化為1/2邊長(d)為10.9 km和10.8 km的立方體模型。

(2)侵位深度估算。寨背和陂頭花崗巖基的侵位深度根據(jù)巖體侵位時(shí)的上覆地層厚度進(jìn)行估算:寨背和陂頭巖基侵位于震旦—二疊系中,因而用震旦—二疊系地層的厚度估算巖基侵位深度是合理的。根據(jù)贛南地區(qū)地層資料統(tǒng)計(jì),巖基所在地區(qū)的震旦—二疊系地層總厚度約為7 500 m,可作為寨背和陂頭巖基侵位的深度。

(3)圍巖熱傳導(dǎo)率。根據(jù)現(xiàn)有地?zé)豳Y料,地殼中各種沉積巖的平均熱導(dǎo)率分別為:板巖為 6.2 TCU,灰?guī)r為5.28 TCU,黏土為5.3 TCU,砂巖為7.75 TCU,平均值為6.13 TCU(1TCU=0.4187 Jm-1s-1K-1)。據(jù)此,我們?cè)O(shè)寨背和陂頭花崗巖基沉積圍巖的熱導(dǎo)率為6.13 TCU。

(4)圍巖初始溫度(Tw)。設(shè)地表溫度值為20℃,根據(jù)中-新生代造山區(qū)的大地?zé)崃髌骄?1.92 HFU)及沉積巖的平均導(dǎo)熱率(6.13 TCU)求得圍巖初始溫度Tw=250℃。

4.1.3 寨背和陂頭花崗巖基放射性產(chǎn)熱率(QA)

U,Th,40K放射性產(chǎn)熱率計(jì)算。本文根據(jù)Van Schmus(1984)[77]的參數(shù),得出寨背和陂頭花崗巖基初始放射性生熱率(QA)的計(jì)算公式如下:

式中,CU,CTh,CK分別為巖石中U,Th,K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(量的單位:w(U,Th)/10-6,w(K)/%),NU,NTh,NK分別為U,Th,K的校正系數(shù)。

將寨背和陂頭花崗巖基的U,Th,K平均值及校正系數(shù)代入式(1),得出寨背和陂頭的放射性產(chǎn)熱率QA分別為 77.7×10-6Jg-1a-1和 50.4×10-6Jg-1a-1。

將計(jì)算寨背和陂頭花崗巖基侵位-結(jié)晶時(shí)差及侵位年齡的有關(guān)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果列于表2,寨背和陂頭花崗巖基數(shù)學(xué)計(jì)算模型示于圖6。

圖6 寨背和陂頭花崗巖基的數(shù)學(xué)計(jì)算模型Fig.6 Mathematic calculating model for the Zhaibei and Pitou granite batholiths

4.2 寨背和陂頭花崗巖基冷卻時(shí)間Δtcol的計(jì)算

寨背和陂頭花崗巖基在地表出露的形態(tài)為不規(guī)則多邊形(圖5),華南地區(qū)重力場研究結(jié)果表明,華南花崗巖重力異常為-10～-30 mGal(-10×10-3～-30×10-3cm/s2),巖體地下形態(tài)大多呈近似透鏡體或板狀體,厚度為5～15 km[78]。這說明本文采用簡化的立方體模型進(jìn)行計(jì)算是合理的。因此,本文根據(jù)簡化的立方體數(shù)學(xué)模型,采用Buntebarth(1984)提出的花崗巖熔體冷卻時(shí)間公式[79]計(jì)算寨背和陂頭巖體從初始溫度(Tm)冷卻到結(jié)晶溫度(Tc)的冷卻時(shí)間Δtcol:

表2 計(jì)算寨背和陂頭花崗巖基侵位年齡有關(guān)的參數(shù)Table 2 Parameters used in calculation of emplacement age of the Zhaibei and Pitou granite batholiths

式中,k為熱擴(kuò)散率;Tm為初始溫度(K);Tc為結(jié)晶溫度;Tw為圍巖溫度;d為1/2邊長。

將有關(guān)參數(shù)值代入公式(2),計(jì)算得出寨背和陂頭花崗巖基冷卻結(jié)晶時(shí)間(Δtcol)分別為4.04 Ma和3.97 Ma。

4.3 寨背和陂頭花崗巖熔體結(jié)晶潛熱延長結(jié)晶時(shí)間(ΔtL)的計(jì)算

本文采用章邦桐等(2008)根據(jù)花崗巖熔體結(jié)晶過程中所釋放出的結(jié)晶潛熱(QL)將延長結(jié)晶(保持結(jié)晶溫度)的時(shí)間(ΔtL),直到這部分熱量散失到圍巖中后才繼續(xù)降溫冷卻的原理,推導(dǎo)出ΔtL的計(jì)算公式[80]:

式中,QL為花崗巖熔體結(jié)晶潛熱;Δtcol為花崗巖熔體由溫度Tm降低到Tc需要的時(shí)間;Cp為花崗巖熔體比熱容;Tc為花崗巖結(jié)晶溫度;Tm為花崗巖熔體初始溫度。

將寨背和陂頭花崗巖體有關(guān)參數(shù)代入公式(3),獲得該巖體結(jié)晶潛熱延長花崗巖熔體結(jié)晶的時(shí)間(ΔtL)分別為 3.02 Ma和 2.96 Ma。

4.4 寨背和陂頭花崗巖熔體放射性成因熱延長結(jié)晶時(shí)間(ΔtA)的計(jì)算

本文采用章邦桐等(2007)根據(jù)花崗巖放射性元素(U,Th,40K)的產(chǎn)熱率等有關(guān)參數(shù),推導(dǎo)出由于放射成因熱延長花崗巖熔體結(jié)晶時(shí)間(ΔtA)的計(jì)算公式[81]:

式中,ΔtA為放射成因熱延長花崗巖熔體結(jié)晶時(shí)間;Δtcol為花崗巖熔體由初始溫度(Tm)降至結(jié)晶溫度(Tc)所需的時(shí)間;ΔtL為由于結(jié)晶潛熱釋放而延長的結(jié)晶時(shí)間;QA為花崗巖熔體放射性元素的產(chǎn)熱率;Cp為花崗巖熔體比熱容。

將寨背和陂頭花崗巖基有關(guān)參數(shù)及上述計(jì)算結(jié)果代入公式(4),獲得放射成因熱延長寨背和陂頭花崗巖基的結(jié)晶時(shí)間為14.3 Ma和5.16 Ma。

4.5 寨背和陂頭花崗巖基侵位-結(jié)晶時(shí)差(ΔtECTD)和侵位年齡(tE)計(jì)算

設(shè)ΔtECTD為花崗巖的侵位年齡與結(jié)晶年齡之差(簡稱侵位-結(jié)晶時(shí)差),則花崗巖熔體冷卻-結(jié)晶所需的時(shí)間應(yīng)等于Δtcol,ΔtL及ΔtA之和:

式中,ΔtECTD為花崗巖的侵位-結(jié)晶時(shí)差;tE為花崗巖侵位年齡;tC為花崗巖結(jié)晶年齡;Δtcol為花崗巖熔體由初始溫度降低到結(jié)晶溫度需要的時(shí)間;ΔtL為結(jié)晶潛熱延長結(jié)晶的時(shí)間;ΔtA為放射性成因熱延長冷卻-結(jié)晶過程的時(shí)間。

將公式(5)移項(xiàng),得出花崗巖侵位年齡(tE)的計(jì)算公式:

式中符號(hào)說明同公式(5)。

將寨背和陂頭花崗巖基的ΔtECTD和tC值代入公式(6),獲得寨背和陂頭花崗巖基的侵位年齡tE為195.16 Ma和194.39 Ma。

5 討論及小結(jié)

(1)寨背和陂頭花崗巖基現(xiàn)今的U,Th含量經(jīng)過校正可以代表該巖基的初始U,Th含量。U,Th地球化學(xué)研究表明,雖然各種巖漿巖(從超基性巖到花崗巖)中 Th,U含量變化可達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí),但未經(jīng)巖漿期后熱液作用或表生作用改造的各種巖漿巖的Th/U比值卻穩(wěn)定地保持在3～5之間。由此可以根據(jù)所研究花崗巖的Th/U比值來判斷其Th,U含量能否代表熔體的初始 U,Th含量,即花崗巖的Th/U＞3則表明其 Th,U值可以代表所研究花崗 巖的初始含量。根據(jù)表2中的Th,U含量計(jì)算得出寨背和陂頭花崗巖基的 Th/U為4.54和4.72。這表明寨背和陂頭花崗巖基現(xiàn)今的U,Th含量經(jīng)過時(shí)間(tc)校正能代表該巖基的初始U,Th含量。

(2)放射成因熱延長花崗巖熔體結(jié)晶時(shí)間的計(jì)算公式是可信的。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出,寨背花崗巖由于放射成因熱延長花崗巖熔體的結(jié)晶時(shí)間長達(dá)14.3 Ma,這一時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于寨背花崗巖的冷卻時(shí)間(4.04 Ma)和結(jié)晶時(shí)間(3.02 Ma)。為了檢驗(yàn)該計(jì)算結(jié)果的可信性,我們假設(shè)寨背花崗巖的放射性元素含量和世界平均花崗巖的的放射性元素含量(w(U)=5×10-6,w(Th)=20×10-6,w(K2O)=2.66%)[82]一樣,而其他所有參數(shù)均不改變的條件下,將其代入公式(4),計(jì)算得出的放射成因熱延長花崗巖熔體的結(jié)晶時(shí)間僅為3.06 Ma。這說明放射成因熱延長花崗巖熔體的結(jié)晶時(shí)間是影響花崗巖侵位結(jié)晶時(shí)差長短的主要因素,從而也佐證了該計(jì)算公式的可信性。

(3)寨背和陂頭花崗巖基侵位年齡為其屬印支造山期侵位提供了重要佐證。根據(jù)巖體地質(zhì)構(gòu)造特征(地表出露面積、侵位深度等)、有關(guān)的熱物理參數(shù)及主體花崗巖的放射性元素含量,計(jì)算得出寨背和陂頭花崗巖基冷卻-結(jié)晶時(shí)間長達(dá)21.36 Ma和12.09 Ma,結(jié)合其同位素結(jié)晶年齡(173.8 Ma和182.3 Ma)得出寨背和陂頭花崗巖基巖體從深部巖漿源上升侵位進(jìn)入高位巖漿房的時(shí)刻,即侵位年齡為195.2 Ma和194.4 Ma。這意味著寨背和陂頭花崗巖基的侵位時(shí)間為印支構(gòu)造旋回(230～195 Ma),是印支造山運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。這也同周新民等(2006)研究華南中生代花崗巖和火山巖時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的“巖漿活動(dòng)寧靜期”(205～180 Ma)[12]大致相吻合,很有可能就是大面積分布的華南花崗巖冷卻-結(jié)晶期的反映。

[1] 莫柱孫,葉伯丹,潘維祖,等.南嶺花崗巖地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1980:7-18.

[2] 南京大學(xué)地質(zhì)學(xué)系.華南不同時(shí)代花崗巖類及其與成礦關(guān)系[M].北京:科學(xué)出版社,1981:36-43.

[3] 王德滋.華南花崗巖研究的回顧與展望[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2004,10(3):305-314.

[4] 張敏,陳培榮,張文蘭,等.南嶺中段大東山花崗巖體的地球化學(xué)特征和成因[J].地球化學(xué),2003,32(6):529-539.

[5] 付建明,馬昌前,謝才富.湖南九嶷山復(fù)式花崗巖體SHRIMP鋯石定年及其地質(zhì)意義[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué),2004,28(4):379-387.

[6] 朱金初,王汝成,張佩華,等.南嶺中段騎田嶺花崗巖基的鋯石U-Pb年代學(xué)格架[J].中國科學(xué)(D輯),2009,39(8):1112-1127.

[7] 徐夕生,鄧平,O’Reilly S Y,等.華南貴東雜巖體單顆粒鋯石激光探針I(yè)CPMS U-Pb定年及其成巖意義[J].科學(xué)通報(bào),2003,48(12):1328-1334.

[8] 凌洪飛,沈渭洲,鄧平,等.粵北筍洞花崗巖的形成時(shí)代、地球化學(xué)特征與成因[J].巖石學(xué)報(bào),2004,20(3):413-424.

[9] Li Xianhua,Liu Dunyi,Sun Min et al.Precise Sm-Nd and UPb isotopic dating of the supergiant Shizhuyan polymetallic deposit and its host granite,SE China[J].Geol.Mag.,2004,141(2):225-231.

[10] 陳培榮,周新民,張文蘭,等.南嶺東段燕山早期正長巖-花崗巖雜巖的成因和意義[J].中國科學(xué)(D輯),2004,34(6):493-503.

[11] 任紀(jì)舜.印支運(yùn)動(dòng)及其在中國大地構(gòu)造演化中的意義[J].中國地質(zhì)科學(xué)院院報(bào),1984,第9號(hào):31-44.

[12] Zhou X M,Sun T,Shen W Z,et al.Petrogenesis of Mesozoic granitoids and volcanic rocks in South China:A response to tectonic evolution[J].Episodes,2006,29(1):26-33.

[13] 張祖還,章邦桐.華南產(chǎn)鈾花崗巖及有關(guān)鈾礦床研究[M].北京:原子能出版社,1991:1-258.

[14] Faure G.Principles of isotope geology[M].New York:John Wiley and Sons,1986:132-156.

[15] Faure G Mensing T M.Isotopes Principles and Applications[M].2nd ed.New York:JohnWiley&Sons,2005:321-343.

[16] Hirt W H.Petrology of the Mount Whitney intrusive suite,estern Serra Nevada,California:Implication for the emplacement and differentiation of composite felsic intrusions[J].Geol.Soc.Am.Bull.,2007,119(9/10):1185-1200.

[17] Hourigan J K,Solov’ev,Ledneva G V,et al.Timg of syenite intrusions on the eastern slope of the Sredinnyi Range,Kamchatka:Rate of accretionary structure exhumation[J].Geochemistry International,2004,42(2):131-141.

[18] Flowers R M,BowringS A,Tulloch A J,et al.Tempo of burial and exhumation within the deep roots of a magmatic arc,Fiordland,NewZealand[M].Geology,2005,33(1):17-20.

[19] 吳福元,楊進(jìn)輝,柳小明.遼東半島中生代花崗質(zhì)巖漿作用的年代學(xué)格架[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2005,11(3):305-317.

[20] 孫景貴,陳雷,趙俊康,等.延邊小西南岔富金銅礦田燕山晚期花崗雜巖的鋯石年齡及其地質(zhì)意義[J].礦床地質(zhì),2008,27(3):319-328.

[21] 雍擁,肖文交,袁超等.中祁連東段古生代花崗巖的年代學(xué)、地球化學(xué)特征及其大地構(gòu)造意義[J].巖石學(xué)報(bào),2008,24(4):855-866.

[22] 章邦桐,吳俊奇,凌洪飛,等.“花崗巖鋯石 U-Pb年齡能代表花崗巖侵位年齡”質(zhì)疑——花崗巖鋯石U-Pb年齡與全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡對(duì)比證據(jù)[J].地質(zhì)論評(píng),2008,54(6):775-785

[23] 章邦桐,吳俊奇,凌洪飛,等.花崗巖漿侵位與結(jié)晶固化時(shí)差的研究與構(gòu)造意義:以南嶺騎田嶺花崗巖基為例[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2010,16(1):12-21.

[24] Dowty E.Crystal growth and nuclieation theory and the numerical simulation of igneous crystallization[M]∥Hargraves R B.Physics of Magmatic Processes.Priceton,New Jersey:Priston University Press,1980:419-485.

[25] 吳俊奇,章邦桐,凌洪飛,等.花崗巖鋯石U-Pb年齡與全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡對(duì)比研究及其地球化學(xué)意義[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2007,13(2):272-281.

[26] 張東陽,張招崇,艾羽,等.西天山萊歷斯高爾一帶銅鉬礦成礦班巖年代學(xué)、地球化學(xué)及其意義[J].巖石學(xué)報(bào),2009,25(6):1319-1331.

[27] 李華芹,王登紅,萬閾.新疆萊歷斯高爾銅鉬礦床的同位素年代學(xué)研究[J].巖石學(xué)報(bào),2006,22(10):2437-2443.

[28] 陳富文,李華芹,陳毓川,等.東天山土屋—延?xùn)|斑巖銅礦田成巖時(shí)代精確測定及其地質(zhì)意義[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2005,79(2):256-260.

[29] 芮宗瑤,王龍生,王義夫,等.東天山土屋和延?xùn)|斑巖銅礦床時(shí)代討論[J].礦床地質(zhì),2002,21(1):16-22.

[30] 劉玉琳,郭麗爽,宋會(huì)俠,等.新疆西準(zhǔn)噶爾包古圖斑巖銅礦年代學(xué)研究[J].中國科學(xué)D輯,2009,39(10):1466-1472.

[31] 沈遠(yuǎn)超,金成偉.西準(zhǔn)噶爾地區(qū)巖漿活動(dòng)與金礦化作用[M].北京:科學(xué)出版社,1993:1-235.

[32] 唐功建,王強(qiáng),趙振華.西準(zhǔn)噶爾古圖成礦斑巖年代學(xué)與地球化學(xué)[J].地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,34(1):56-74.

[33] 蘇玉平,唐紅峰,侯廣順,等.新疆西準(zhǔn)噶爾達(dá)拉布特構(gòu)造帶鋁質(zhì)A型花崗巖的地球化學(xué)研究[J].地球化學(xué),2006,35(1):55-67.

[34] Chen Bin,Jahn Boming.Genesis of post-collisional granitoids and basement nature of the Junggar terrane,NW China:Nd-Sr isotope and trace element evidence[J].Journal of Asian Earth Sci.,2004,23(5):691-703.

[35] 韓寶福,季建清,宋彪,等.新疆準(zhǔn)噶爾晚古生代陸殼垂向生長-后碰撞深成巖漿活動(dòng)的時(shí)限[J].巖石學(xué)報(bào),2006,22(5):1077-1086.

[36] Chen B,Arakana Y.Elemental and Nd-Sr isotopic geochemistry of granitoids from the West Junggar fold belt(NW China),with the implications for Phanerozoic continantal growth[J].Geochemi.et Cosmochi.Acta,2005,69(5):1307-1320.

[37] 劉家遠(yuǎn),袁奎榮.新疆東準(zhǔn)噶爾富堿花崗巖類及成礦作用[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社,1995:1-140.

[38] 陳富文,李華芹,蔡紅,等.新疆干梁子錫礦田成巖成礦作用同位素年代學(xué)研究及礦床成因探討[J].礦床地質(zhì),1999,18(1):91-97.

[39] 王中剛,趙振華,鄒天人.阿爾泰花崗巖類地球化學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1988:1-187.

[40] 鄒天人,曾惠志,吳柏青.新疆阿爾泰造山花崗巖和非造山花崗巖及其判別標(biāo)志[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),1988,(3):228-245.

[41] Li Huaqin,Chen Fuwen,Lu Yuanfa,et al.New chronological evidence for Indosinian diagenetic mineralization in Eastern Xinjing,NW China[J].Acta Geologica Sinica(English edition),2005,79(2):264-275.

[42] 陳岳龍.東天山—北秦嶺花崗巖類地球化學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1999:1-140.

[43] 劉園園,馬昌前,張超,等.安徽月山閃長巖的成因探討:UPb定年及Hf同位素證據(jù)[J].地質(zhì)科技情報(bào),2009,28(5):22-30.

[44] 李波,陳江峰,鄭永飛,等.安徽月山石英閃長巖氧同位素分餾、Rb-Sr等時(shí)線定年與礦物蝕變之間的關(guān)系[J].巖石學(xué)報(bào),2004,20(5):1185-1192.

[45] 陳江峰,周泰禧,李學(xué)明,等.安徽南郭燕山期中酸性侵入巖的源區(qū)鍶釹同位素制約[J].地球化學(xué),1993(3):261-268.

[46] 董樹文,邱瑞龍.安徽月山地區(qū)構(gòu)造作用與巖漿活動(dòng)[M].北京:地質(zhì)出版社,1993:1-164.

[47] 余達(dá)淦,王勇.鉛山—廣豐晚中生代巖漿巖來源及與鈾礦化關(guān)系[J].地質(zhì)論評(píng),1999(增刊):768-777.

[48] 王強(qiáng),趙振華,簡平,等.德興花崗閃長斑巖SHRIMP鋯石U-Pb年代學(xué)和Nd-Sr同位素地球化學(xué)[J].巖石學(xué)報(bào),2004,20(2):315-324.

[49] 朱訓(xùn),黃崇軻,芮宗瑤,等.德興斑巖銅礦[M].北京:地質(zhì)出版社,1983:1-336.

[50] 華仁民,董忠泉.德興地區(qū)兩個(gè)系列花崗巖類的特征對(duì)比及成因探討[M]∥花崗巖地質(zhì)和成礦關(guān)系.南京:江蘇科技出版社,1984:224-235.

[51] 金章東,朱金初,李福春,等.德興斑巖銅礦成礦過程的氧、鍶、釹同位素證據(jù)[J].礦床地質(zhì),2002,21(4):341-349.

[52] 陸慧娟,華仁民,毛光周,等.贛東北地區(qū)巖漿巖同位素年代學(xué)研究及地質(zhì)演化[J].地質(zhì)論評(píng),2007,52(2):165-172.

[53] 芮宗瑤,黃崇軻,齊國明,等.中國斑巖銅(鉬)礦床[M].北京:地質(zhì)出版社,1984:1-187.

[54] 陳小明,陸建軍,劉昌實(shí),等.桐廬、相山火山-侵入雜巖單顆粒鋯石U-Pb年齡[J].巖石學(xué)報(bào),1999,15(2):272-278.

[55] 周金城,王德滋,汪湘,等.對(duì)桐廬白堊世火山-侵入巖成因的兒點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].巖石學(xué)報(bào).1999,(2):263-271.

[56] 張成立,王濤,王曉霞.秦嶺造山帶早中生代花崗巖成因及其構(gòu)造環(huán)境[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,15(4):304-316.

[57] 盧欣祥,尉向東,肖慶輝,等.秦嶺環(huán)斑花崗巖的年代學(xué)研究及其意義[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),1999,5(4):372-377.

[58] Wang Fei,Lu Xinxiang,Lo Chinghua,et al.Post-collisional,potassic monzonite-minette complex(Shahewan)in the Qinling Mountains(central China):40Ar/39Ar thermochronlogy,petrogenesis and implications for the dynamic setting of the Qinling orogen[J].Jour.of Asian Earth Sciences,2007,31:153-166.

[59] 弓虎軍,朱賴民,孫博亞,等.南秦嶺沙河灣、曹坪和柞水巖體鋯石U-Pb年齡、Hf同位素特征及其地質(zhì)意義[J].巖石學(xué)報(bào),2009,25(2):248-264.

[60] Zhang H F,Zhang B R,Harris N,et al.U-Pb zircon SHRIMP ages,geochemical and Sr-Nd-Pb isotopic compositions of intrusive rocks from the Longshan-Tianshui area in the southeastern corner of the Qilian orogenic belt,China:Constraints on petrogenesis and tectonic affinity[J].J.Asian Earth Sci.,2006,27:751-764.

[61] 張宏飛,王婧,徐旺春,等.俯沖陸殼部分熔融形成埃達(dá)克質(zhì)巖漿[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2007,13(2):224-234.

[62] 嚴(yán)陣.陜西省花崗巖[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1985:1-321.

[63] 朱賴民,張國偉,郭波,等.東秦嶺金堆城大型斑巖鉬礦床LA-ICPMS鋯石U-Pb定年及成礦動(dòng)力學(xué)背景[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,82(2):204-220.

[64] 李先梓,嚴(yán)陣,盧欣祥.秦嶺—大別山花崗巖[M].北京:地質(zhì)出版社,1993:1-218.

[65] 凌文黎,高山,程建萍,等.揚(yáng)子陸核與陸緣新元古代巖漿事件對(duì)比及其構(gòu)造意義:來自黃陵和漢南侵入雜巖 ELAICPMS鋯石 U-Pb同位素年代學(xué)的約束[J].巖石學(xué)報(bào),2006,22(2):387-396.

[66] 馬大銓,杜紹華,肖志發(fā).黃陵花崗巖基的成因[J].巖石礦物學(xué)雜志,2002,21(2):151-161.

[67] 馬國干,李華芹,張自超.華南地區(qū)震旦紀(jì)時(shí)限范圍的研究[J].中國地質(zhì)科學(xué)院宜昌地質(zhì)礦產(chǎn)研究所所刊,1984,第8號(hào):1-29.

[68] 李志昌,王桂華,張自超.鄂西黃陵花崗巖基同位素年齡譜[J].華南地質(zhì)與礦產(chǎn),2002(3):19-28.

[69] 陳培榮,章邦桐,孔興功,等.贛南寨背A型花崗巖體的地球化學(xué)特征及其構(gòu)造地質(zhì)意義[J].巖石學(xué)報(bào),1998,14(3):163-173.

[70] Li Xianhua,Chen Zhigang,Liu Dunyi,et al.Jurrassic gabbro-granite-syenite suites from Southern Jingxi provience,SE China:Age,origin and tectonic significance[J].International Geology Review,2003,45:898-921.

[71] 陳培榮,周新民,張文蘭,等.南嶺東段燕山早期正長巖-花崗巖雜巖的成因和意義[J].中國科學(xué)(D輯),2004,34(6):493-503.

[72] 范春方,陳培榮.贛南陂頭A型花崗巖的地質(zhì)地球化學(xué)特征及其形成的構(gòu)造環(huán)境[J].地球化學(xué),2000,29(4):358-366.

[73] 周新民.南嶺地區(qū)晚中生代花崗巖成因與巖石圈動(dòng)力學(xué)演化[M].北京:科學(xué)出版社,2007:566-575.

[74] Buddington A F.Granite emplacement with special reference to North American[J].Bull.Geol.Soc.Amer.,1959,70:671-747.

[75] Hyndman D W.Petrology of igneous and metamorphic rocks[M].2nd ed.New York:McGraw-Hill,1985:125-142.

[76] Sleep N H.Mantle plumes from top to bottom[J].Earth-Science Reviews,2006,77:231-271.

[77] Van Schmus W R.Radioactivity propertties of minerals and rocks[M]∥Carmichael R S.Handbook of physical properties of rocks,Vol.Ⅲ.Boca Raton,Florida:CRC Press,1984:281-293.

[78] 王懋基.華南花崗巖重磁場研究及其地質(zhì)意義[C]∥國際交流地質(zhì)學(xué)術(shù)論文集(6).北京:地質(zhì)出版社,1985:95-104.

[79] Buntebarth G.Geothermics:An introduction[M].Berlin:Springer-Verlag,1984:26-42.

[80] Zhang Bangtong,Wu Junqi,Ling Hongfei,et al.Estimating influence ofCrystallizing latent heat on cooling-crystallizing process of a granitic melt and its geological implications[J].Acta Geologica Sinica(English Edition),2008,82(2):438-443.

[81] 章邦桐,吳俊奇,凌洪飛,等.U-Th-K放射成因熱對(duì)花崗巖冷卻-結(jié)晶過程影響的計(jì)算及地質(zhì)意義[J].中國科學(xué)(D輯),2007.37(2):155-159.

[82] Krauskopf K B.Introduction to Geochemistry[M].2nd ed.New York:McGraw-Hill Book Co,1979:554-548.