江西相山鈾礦田火山-侵入活動年代的確定

由于重要的含礦性（尤其是鋯），其時代一直是科學(xué)家關(guān)注的中心問題之一。贛杭構(gòu)造帶火山盆地中的火山巖系,根據(jù)火山噴發(fā)旋回,地層層序與接觸關(guān)系,可以劃分為打鼓頂組和鵝湖嶺組。打鼓頂組和鵝湖嶺組在贛中地區(qū)和北武夷山多個盆地都有分布,如相山盆地、盛源盆地、東鄉(xiāng)盆地、冷水坑盆地。對于相山盆地,含鈾火山盆地的時代歸屬性問題爭議已久。前人對相山地區(qū)的這一套火山侵入雜巖曾開展過較為詳細(xì)的同位素地質(zhì)年代學(xué)研究,最初大多采用K-Ar稀釋法、相山礦田如意亭剖面經(jīng)核工業(yè)261地質(zhì)大隊勘察實測之后,一直作為相山地區(qū)地質(zhì)填圖的指示性剖面。該剖面從底部到頂部分布有相山火山盆地最早噴發(fā)的熔結(jié)凝灰?guī)r,含赤鐵礦條帶的流紋英安巖,不含赤鐵礦條帶的流紋英安斑巖,以及碎斑熔巖(吳仁貴,1999)。熔結(jié)凝灰?guī)r的年代學(xué)研究此前還未有報導(dǎo)。為此,本文首次報導(dǎo)了相山如意亭剖面最底部的熔結(jié)凝灰?guī)r的形成年齡,同時對相山如意亭剖面的其他各種巖性進(jìn)行了系統(tǒng)的年代學(xué)研究,以驗證相山火山盆地的形成時代,并與冷水坑火山巖地層對比。1相山火山雜巖的形成時代相山鈾礦田位于江西省境內(nèi),在大地構(gòu)造位置上位于贛杭構(gòu)造帶(Gilderetal.,1996)上,接近于揚(yáng)子板塊和華夏板塊的構(gòu)造縫合帶上,礦體受相山火山侵入雜巖的控制。相山火山侵入雜巖體位于中國東南部火山侵入雜巖帶北西側(cè),平面上呈橢圓形,東西長約26.5km,南北寬約15km,面積約309km相山火山盆地總體上分為三層結(jié)構(gòu),基底主要為早-中元古代和震旦紀(jì)的變質(zhì)巖系,部分為下石炭統(tǒng)、上三疊統(tǒng);基底之上為火山巖;盆地火山巖之上有紅層覆蓋。中元古基底變質(zhì)巖主要由低綠片巖相-低角閃巖相的各類片巖、變粒巖夾斜長角閃巖組成。研究表明,片巖和變粒巖的原巖為沉積巖,而斜長角閃巖的原巖為火成巖(胡恭任和章邦桐,1998;胡恭任等,1999)。斜長角閃巖的Sm-Nd等時線年齡為1113Ma(胡恭任等,1999),與相山北部弋陽和余江地區(qū)斜長角閃巖的Sm-Nd等時線年齡(1199Ma)以及單顆粒鋯石Pb-Pb年齡(1190Ma)(余達(dá)淦等,1999)相一致。震旦紀(jì)變質(zhì)巖為一套淺變質(zhì)巖系,主要由千枚巖、板巖和變質(zhì)砂巖組成,出露在盆地北、東、南側(cè),屬綠片巖相-低角閃巖相,中低變質(zhì)程度。下石炭統(tǒng)、上三疊統(tǒng)沉積巖主要分布在相山地區(qū)東側(cè),巖性主要為砂巖。前人研究表明,相山火山活動具有明顯的旋回性和多階段的特征(方錫珩等,1982;王傳文等,1982;夏林圻等,1992;吳仁貴,1999),按巖漿作用方式及形成先后順序,相山火山侵入雜巖可劃分為火山噴發(fā)、火山侵出和淺成超淺成侵入三個巖漿活動期,并可分成兩個旋回,分別對應(yīng)于打鼓頂組和鵝湖嶺組(表1)。第一旋回呈裂隙式噴發(fā),形成打鼓頂組流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r以及流紋英安巖;第二旋回呈中心式噴發(fā),形成鵝湖嶺組侵出-溢流相的碎斑熔巖、次火山巖相的花崗斑巖、流紋英安斑巖、石英二長斑巖和煌斑巖(或輝綠巖),其中碎斑熔巖是構(gòu)成相山火山侵入雜巖的主體,在碎斑熔巖巖漿侵出的同時,火山口發(fā)生塌陷,形成一系列環(huán)狀斷裂,晚階段的次火山巖漿沿環(huán)狀斷裂上侵,形成環(huán)狀次火山巖巖墻(圖1),在次火山巖中含有淬冷包體(鎂鐵質(zhì)微粒包體)(范洪海等,2001b;Jiangetal.,2005)。在火山盆地的北西側(cè),由于區(qū)域性伸展拉張作用,形成晚白堊世紅色碎屑沉積盆地,堆積了紅色砂巖、砂礫巖,與下伏的上侏羅統(tǒng)火山巖系呈不整合接觸關(guān)系,厚度約300m。如意亭剖面位于相山盆地的西北部,該剖面從底部到頂部分布有相山火山盆地最早噴發(fā)的熔結(jié)凝灰?guī)r,含赤鐵礦條帶的流紋英安巖,不含赤鐵礦條帶的流紋英安斑巖,以及碎斑熔巖(圖2)。詳細(xì)的剖面巖性組合特征見吳仁貴(1999)。本文鋯石U-Pb定年選取了如意亭剖面最底部的熔結(jié)凝灰?guī)r(樣品RYT-03),熔結(jié)凝灰?guī)r頂部的流紋英安巖(即流紋英安巖的最底部,樣品RYT-04),第一采石場的流紋英安巖(樣品RYT-05),第四采石場的流紋英安斑巖(樣品RYT-06)以及剖面最東南端的碎斑熔巖(樣品RYT-06)。2流紋英安巖的巖石學(xué)特征屬火山灰流凝灰?guī)r,熔結(jié)程度中等,巖石具假流動構(gòu)造,火山灰流膠結(jié)物具熔結(jié)珍珠構(gòu)造,巖石中晶屑含量約10%~20%,主要為石英,鉀長石和少量黑云母組成。熔結(jié)凝灰?guī)r分布范圍較為局限,主要分布于破火山口的北部和東部。是相山火山侵入雜巖第一期巖漿活動即火山噴發(fā)活動的產(chǎn)物。塊狀構(gòu)造,頂?shù)撞砍＞哂辛鲃訕?gòu)造。流紋英安巖中含有赤鐵礦條帶,赤鐵礦條帶常見膝折式褶皺和斷裂。顯微鏡下斑狀結(jié)構(gòu),斑晶含量20%~30%,大小0.2~3mm,主要成分有斜長石、鉀長石、石英、以及少量的黑云母,斜長石常發(fā)生水云母化、碳酸鹽化,黑云母遭受不同程度的綠泥石化。副礦物見鋯石、磷灰石、磁鐵礦等,基質(zhì)具微晶或霏細(xì)結(jié)構(gòu)。流紋英安巖厚度較大,分布面積較廣,主要分布于礦田的北部,西部及東北部,是礦田的含礦主巖之一。分布非常廣泛,出露面積占盆地內(nèi)火山巖的約80%,是礦田內(nèi)主要含礦巖性之一,厚度大于1380m。與下伏巖層接觸面由盆地四周向中心傾斜,傾斜度南北對稱,東陡西緩,并向深部逐漸變陡。碎斑熔巖以侵出相為主,局部為溢流相。根據(jù)巖石中所含的巖屑、碎斑晶的數(shù)量及基質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化情況,可將碎斑熔巖劃分為底板相(邊緣相)、過渡相(中間相)和中心相,在邊緣相常含一些巖屑或角礫,中心相的碎斑熔巖常含有電氣石結(jié)核。它們之間呈漸變過渡關(guān)系。巖性為淺灰色、淺紅色,呈中粒碎斑結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。碎斑含量40%~50%,碎斑粒度1~5mm,碎斑具有碎裂但不分散的特點。碎斑礦物是低透長石(20%)、斜長石(10%)、石英(20%~30%)、黑云母(1%~2%)等,斜長石主要是更-中長石(王傳文等,1982)。副礦物主要是鋯石、磷灰石等。碎斑有時見溶蝕港灣狀,常見六方雙錐的高溫假象β石英。碎斑流紋巖的基質(zhì)占全巖的50%~60%,由微晶石英,長石和少量微晶黑云母組成。碎斑熔巖是本區(qū)最強(qiáng)烈的一次火山活動的產(chǎn)物,構(gòu)成了整個火山侵入雜巖體的主體,由于快速大體積的噴出而產(chǎn)生塌陷形成了破火山口。巖性特征同流紋英安巖較為相似,只是不含赤鐵礦條帶。吳仁貴等(2003)對兩種流紋英安巖的接觸關(guān)系進(jìn)行實地追索,發(fā)現(xiàn)不含赤鐵礦條帶的流紋英安斑巖與早期的流紋英安巖呈侵入關(guān)系相接觸,認(rèn)為流紋英安斑巖的形成晚于流紋英安巖。在野外可見流紋英安斑巖呈侵入關(guān)系穿插流紋英安巖,或者直接超覆在早期流紋英安巖之上。同時,深部鉆探資料揭示的流紋英安斑巖產(chǎn)狀變異很大,但能明顯反映出流紋英安斑巖與碎斑熔巖呈典型的侵入接觸關(guān)系,即流紋英安斑巖侵入到碎斑熔巖之中(吳仁貴等,2003),這些野外地質(zhì)特征表明流紋英安斑巖是本區(qū)火山侵入活動晚期的產(chǎn)物。3鋯石u-pb年齡測定結(jié)果本文選取5個樣品,首先把樣品破碎,經(jīng)浮選和電磁選等方法后,經(jīng)淘洗、挑純挑出單顆粒鋯石。手工挑出晶形完好、透明度和色澤度好的鋯石用環(huán)氧樹脂固定于樣品靶上。樣品靶表面經(jīng)研磨拋光,直至鋯石新鮮截面露出。對靶上鋯石進(jìn)行鏡下透射光、反射光照相后,對鋯石進(jìn)行陰極發(fā)光(CL)分析,鋯石CL實驗是在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室完成,最后根據(jù)陰極發(fā)光照射結(jié)果選擇典型的巖漿鋯石進(jìn)行U-Pb測年分析。在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室LA-ICP-MS實驗室完成的鋯石U-Pb定年測試,所使用的193nmArF準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)由德國哥廷根LamdaPhysik公司制造,型號為GeoLasPro。電感耦合等離子體質(zhì)譜由日本東京安捷倫公司制造,型號為Agilent7700x。準(zhǔn)分子激光發(fā)生器產(chǎn)生的深紫外光束經(jīng)勻化光路聚焦于鋯石表面,能量密度為10J/cm4鋯石u含量和年齡如意亭剖面各種巖性中的鋯石均為無色透明或淺黃色,從鋯石的透射光和顯微鏡下鑒定分析,大部分鋯石結(jié)晶較好,呈長柱狀晶形,少數(shù)為等粒,自形程度高。在陰極發(fā)光圖像中,絕大多數(shù)鋯石具有明顯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和典型的巖漿振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖3),顯示為巖漿成因鋯石。少數(shù)鋯石可能是受到后期熱液活動的改造,其陰極發(fā)光圖像顯示為黑色(圖3)。如意亭剖面各種巖性中鋯石的Th和U含量的變化范圍和平均值匯總在表2上,具體的分析結(jié)果見表3。從測試結(jié)果可以看出,如意亭剖面各種巖性中鋯石的Th和U的含量變化很大,但Th/U值變化較小,大部分位于0.2~0.8之間,均大于0.1。從鋯石的CL圖像和定年結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),相山火山侵入雜巖體中鋯石的繼承核很少。部分測試點因為測得的年齡不在諧和線上,或者與大部分巖漿鋯石的年齡相差較遠(yuǎn),這些測試點均未統(tǒng)計在內(nèi)。各個樣品測試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果見圖3,定年結(jié)果表明,各個樣品所選取的測試點的分析結(jié)果在諧和圖上組成密集的一簇(碎斑熔巖除外)(圖3)。碎斑熔巖的年齡比較分散,部分鋯石的陰極發(fā)光圖像顯示為黑色,可能是碎斑熔巖經(jīng)歷過后期的熱液蝕變導(dǎo)致測試出來的年齡比較分散。計算出來的5討論5.1流紋英安斑巖的年齡對于相山中酸性火山侵入雜巖的形成時期,最早前人認(rèn)為是從中侏羅世至早白堊世(114~163Ma,方錫珩等,1982;147~163Ma,劉家遠(yuǎn),1985;李坤英等,1989)。如意亭剖面最底部的熔結(jié)凝灰?guī)r(樣品RYT-03)代表了相山火山侵入活動的開始時間,本文的鋯石U-Pb定年結(jié)果為137.3±0.9Ma,表明相山火山-侵入活動開始于早白堊世。最先對流紋英安巖成因的認(rèn)識僅局限于火山溢出作用(劉家遠(yuǎn),1985),并據(jù)此將流紋英安巖劃分為含赤鐵礦條帶的流紋英安巖和不含赤鐵礦條帶的流紋英安斑巖(或塊熔巖)(徐海江和單林,1984)。吳仁貴等(2003)通過從地質(zhì)產(chǎn)狀、巖石學(xué)和同位素年齡等特征出發(fā),對相山鈾礦田的兩套英安巖進(jìn)行了厘定,指出流紋英安巖為溢出相巖石,而流紋英安斑巖為淺成侵入相巖石,兩者系不同時期形成的產(chǎn)物,在時間序列上,流紋英安斑巖形成于碎斑熔巖和花崗斑巖之后。本文對如意亭剖面的兩個流紋英安巖樣品的定年結(jié)果分別是136.8±2.5Ma和136.4±1.5Ma,對采自居隆安礦床的流紋英安巖樣品的定年結(jié)果是135.1±1.7Ma(Yangetal.,2010)。這三個年齡很好的限定了流紋英安巖的形成時代在135~137Ma之間。本文對采自如意亭剖面的流紋英安斑巖的定年結(jié)果是135.0±2.0Ma,而Yangetal.(2010)對采自居隆安礦床的流紋英安斑巖樣品的定年結(jié)果是134.8±1.1Ma,這兩個年齡與余達(dá)淦(2001)測得的相山如意亭剖面的流紋英安斑巖的單顆粒鋯石U-Pb法(稀釋法)的年齡一致。范洪海等(2005)在相山西部的鄒家山礦區(qū),在兩期火山旋回的界面之間也發(fā)現(xiàn)了潛火山巖,巖性同樣為流紋英安斑巖,利用單顆粒鋯石的U-Pb稀釋法測年,確定其形成年齡為136.0±2.6Ma,這些年齡結(jié)果十分一致。這些定年工作表明流紋英安斑巖的年齡在誤差范圍內(nèi)和流紋英安巖是一致的,代表流紋英安巖和流紋英安斑巖是同一期火山作用的產(chǎn)物。根據(jù)吳仁貴等(2003)和范洪海等(2005)分析,這類次火山-侵入巖往往介于打鼓頂組與鵝湖嶺組之間,并呈舌狀體穿插到碎斑熔巖中。因此,這一類次火山-侵入巖可能屬于相山火山噴發(fā)旋回晚期的次火山-侵入巖,從野外地質(zhì)產(chǎn)狀上來看,流紋英安巖應(yīng)該是形成于流紋英安斑巖之前,流紋英安斑巖應(yīng)代表同一期次巖漿活動的晚階段潛火山巖的侵入,兩者隸屬同一期巖漿活動不同階段的產(chǎn)物,這也預(yù)示著相山大規(guī)模的火山-侵入活動是一次集中而短暫的活動。本文對采自如意亭剖面的碎斑熔巖的定年結(jié)果是134.1±1.6Ma,雖然在諧和圖上年齡比較分散,但是得出來的年齡與在相山云際礦床、居隆安礦床和油坊村所選取的三個碎斑熔巖樣品得出來的定年結(jié)果一致(分別為134.1±1.6Ma、135.6±1.3Ma、132.4±1.1Ma、135.1±1.2Ma,Yangetal.,2011)。此外,Yangetal.(2011)還得出采自沙洲礦床和居隆安礦床的兩個花崗斑巖樣品的定年結(jié)果分別為136.6±1.1Ma和136.8±1.1Ma,這些實測數(shù)據(jù)顯示出碎斑熔巖和花崗斑巖兩者的年齡在誤差范圍內(nèi)是基本一致的,表明它們應(yīng)為近似同時期形成。這種關(guān)系在野外同樣可以找到證據(jù):在相山西部及其北部,可見花崗斑巖侵位于碎斑熔巖之中;與此同時,在邊緣相的碎斑熔巖中,可以見到花崗斑巖的團(tuán)塊。這些野外證據(jù)也表明碎斑熔巖和花崗斑巖是近同時期形成。上述分析數(shù)據(jù)顯示相山火山侵入雜巖的定年結(jié)果變化范圍在137~132Ma之間,表明相山火山侵入雜巖體的各種巖性形成于早白堊世,是近似同時期形成的。5.2u-pb年代學(xué)及巖石學(xué)特征已有的研究表明相山盆地中的火山侵入雜巖在成因類型上屬于A型花崗巖,形成于拉張環(huán)境。白堊紀(jì)時期該區(qū)域持續(xù)的拉張作用導(dǎo)致地殼和巖石圈地幔逐漸減薄,上涌并底侵的軟流圈地幔引發(fā)了事先經(jīng)過脫水作用發(fā)生麻粒巖化的中元古代變質(zhì)巖(包括正變質(zhì)巖和副變質(zhì)巖)的部分熔融形成這些A型花崗巖的初始巖漿(Jiangetal.,2005;Yangetal.,2011;YangandJiang,2013),這些初始巖漿遭受到不同程度的地幔組分的加入,并發(fā)生了廣泛的不同程度的分離結(jié)晶作用,從而形成贛杭構(gòu)造帶上早白堊世的A型花崗巖帶。在贛杭構(gòu)造帶,除了相山盆地中的火山侵入雜巖之外,位于浙江省西部的大橋塢花崗斑巖、楊梅灣花崗巖、大洲流紋巖的形成時代在137~127Ma之間(Yangetal.,2012,2013),并且都具有A型花崗巖的地球化學(xué)特征。Wongetal.(2009)研究表明白菊花尖花崗巖的形成時代為126Ma,也具有A型花崗巖的地球化學(xué)特征。Jiangetal.(2011)對贛東北的大茅山花崗巖和浙西的銅山花崗巖也展開了研究,得出大茅山花崗巖的形成時代在126~122Ma之間,而銅山花崗巖的形成時代為129Ma,并且這兩個花崗巖體都具有A型花崗巖的地球化學(xué)特征。最近,Zhouetal.(2013)對大茅山巖體東邊的三清山花崗巖以及南邊的靈山花崗巖也開展了研究,得出三清山花崗巖的形成時代為135Ma,靈山花崗巖的形成時代為132~131Ma,這兩個巖體同樣也具有A型花崗巖的地球化學(xué)特征。綜合這些研究可以得出,贛杭構(gòu)造帶上存在一條早白堊世(137~122Ma)的A型花崗巖帶。此外,本文對相山盆地最早噴發(fā)的打鼓頂組熔結(jié)凝灰?guī)r的鋯石U-Pb定年結(jié)果是137.3±0.9Ma,表明相山火山巖地層應(yīng)屬于早白堊世。對于盛源盆地,張萬良(2000)和吳俊奇等(2011)等通過研究盛源盆地火山巖測年數(shù)據(jù),認(rèn)為盛源盆地火山巖地層應(yīng)歸屬早白堊世。這些已有的研究表明,贛杭構(gòu)造帶火山盆地的火山巖地層應(yīng)歸屬于早白堊世。但是對于北武夷地區(qū)的冷水坑盆地,孟祥金等(2012)采用SHRIMP鋯石U-Pb測年技術(shù),對冷水坑礦田鵝湖嶺組晶屑凝灰?guī)r進(jìn)行了年代學(xué)研究,3個晶屑凝灰?guī)r的鋯石U-Pb年齡都集中在158Ma左右,因此認(rèn)為冷水坑盆地火山巖地層應(yīng)歸屬侏羅系。邱駿挺等(2013)運(yùn)用LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年技術(shù),對冷水坑礦區(qū)兩套火山巖地層(打鼓頂組和鵝湖嶺組)進(jìn)行了年代學(xué)測試,得出打鼓頂組流紋質(zhì)含角礫熔結(jié)凝灰?guī)r形成于160.8±1.9Ma,鵝湖嶺組含角礫熔結(jié)凝灰?guī)r則具有間歇性和多期噴發(fā)特點,其最初活動時間為159Ma,而鵝湖嶺組下段流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r的形成年齡為146.6±2.2Ma?？梢钥闯?/p>