湖南白石峰岩体的年代学、地球化学特征及其构造背景

Geochronology, Geochemical Characteristics and Tectonic Significance of the Baishifeng Pluton in Hunan

摘要: 白石峰岩体位于湖南衡山，是衡山复式岩体的组成部分，侵入到新元古代板溪群及泥盆—二叠纪地层中，岩性为二云母花岗岩。LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为157 ± 2 Ma与151 ± 2 Ma。白石峰岩体为强过铝质(A/CNK > 1.1)、镁质、高钾钙碱性系列花岗岩。微量元素含量较低(∑REE = 50.4 × 10−6~197.6 × 10−6)，轻稀土富集，Ba、Nb、Sr和Ti相对亏损，表现出明显的负Eu异常(δ Eu为0.32~0.62)。岩体的εHf(t)值分别在−13.14~−11.06与−18.76~+0.51之间，显示源区为壳源。综合分析表明，白石峰花岗岩形成时代为晚侏罗世，花岗岩类型属于S型花岗岩，可能为前寒武纪基底部分熔融形成。白石峰花岗岩形成于后碰撞环境，与华南地区晚中生代整体呈伸展的构造环境有关。

Abstract: The Baishifeng pluton, located in Hengshan, Hunan Province, is a component of the Hengshan complex. On the outcrops, the pluton invades into the Neoproterozoic Banxi Group and the Devonian-Permian strata. Petrographically, the pluton displays the characteristics of the two-mica granite. Two samples are analyzed by LA-ICP MS and yield the weighted mean 206Pb/238U age of 157 ± 2 Ma and 151 ± 2 Ma, respectively, suggesting Late Jurassic magmatic emplacement. The Baishifeng pluton is characterized by a strongly peraluminous (A/CNK > 1.1), magnesia, high-potassium calc-alkaline series. The content of trace elements is low (∑REE = 50.4 × 10−6 - 197.6 × 10−6), but shows high LREE with obvious negative Eu anomalies (δ Eu is 0.32 - 0.62). In the primitive mantle normalized spidergram, the samples exhibit relative depletion in Ba, Nb, Sr and Ti. The two samples have notably negative εHf(t) values (−13.14 - −11.06 and −18.76 - +0.51, respectively), indicating generation in crust. The granite samples show S-type granite affinity. Our results, combined with other geological evidence, indicate that the Baishifeng pluton may be formed by the melting of the Precambrian basement in the post-collision setting. We infer that the Baishifeng granitic pluton is more likely to be related to the overall extensional setting during Late Mesozoic in South China.

1. 引言

显生宙期间，中国南部的构造属几经转化，其中位于湖南中西部的雪峰山地区是解读华南大地构造演化及变形的关键纽带。前人在此地曾开展大量的研究工作，并取得了重要认识。但是对于加里东以来雪峰山地区的演化及构造属性仍然存在很多分歧，任纪舜 [1] 认为华南加里东褶皱系并不是一个碰撞造山带，江南复背斜带即雪峰山地区是华南加里东褶皱带与扬子准地台之间的构造过渡带。江南复背斜及其以东的中国南部地区经历了加里东、印支、燕山多旋回的构造作用，有大量的花岗岩分布，其时代包括加里东、印支、燕山三个旋回。印支运动以来，华南带转为滨太平洋构造域，属亚洲东部大陆边缘活化带的一部分 [2] [3] ，发生于侏罗-白垩纪的燕山造山作用对加里东、印支期的构造进行了强烈的改造，并伴随着大规模的花岗岩岩浆作用。

对于印支期的岩体前人进行了较多的研究 [4] [5] [6] [7] ，关于燕山期的大规模花岗岩岩浆作用研究总体较弱，本次研究选取的湖南中部白石峰岩体为衡山岩体的组成部分，马铁球等 [8] 测得衡山岩体中南岳岩体主体部分锆石U-Pb年龄为215.5 Ma。李建华 [4] 测得白石峰花岗岩岩体的年龄为151 Ma~150 Ma。除此之外，此地区的年龄数据较少，并且缺乏相应的地球化学研究，有待于进一步的工作。本文对白石峰岩体进行了详细野外观测，并对该岩体进行了锆石LA-ICP-MS测年、全岩地球化学与锆石Hf同位素测试 [9] ，并在此基础上简要分析花岗岩的年代学、地球化学特征与构造背景。

2. 区域地质概况

衡山复式岩体位于湖南中东部地区，南岳衡山风景区。区内岩浆活动频繁，从早志留世开始至早白垩世均有岩浆活动记录，其中南岳岩体与白石峰岩体均呈穹隆状产出(图1)。

Figure 1. Geological sketch of Baishifeng pluton (modified after [10] )

图1. 白石峰岩体地质简图(改自文献 [10] )

白石峰岩体作为衡山复式岩体的组成部分，位于华南地区江南复背斜即雪峰山地区北东部位。关于雪峰山地区构造演化目前存在争议，晚中生代燕山造山旋回，该地区的构造演化主要受到古太平洋影响，早期的挤压作用(中晚侏罗世)造成地壳的广泛缩短加厚，地表形成大规模褶皱与逆冲推覆沟造；晚期伸展作用(白垩纪)导致大规模断陷盆地和伸展穹隆构造的形成 [10] 。

衡山复式岩体侵入到新元古代板溪群及泥盆–二叠纪地层中，西侧与晚白垩世红层沉积为断层接触关系。其中东部的南岳岩体主要为花岗闪长岩，白石峰岩体主要为二云母花岗岩为主，发育较大的钠长石脉体，白石峰岩体与西侧白垩纪地层接触关系为断层接触 [11] ，为一近南北向的拆离断层，起止时间为136 Ma~97 Ma [12] 。

3. 野外和岩相学特征

衡山岩体呈较大的岩基出露，主要由南岳、白石峰岩体及其北侧琵琶山、庙湾、金宝冲和福田铺等小岩体组成，出露面积约420 km² [13] 。岩体侵入到板溪群及泥盆–二叠纪地层中，西侧与晚白垩世红层沉积为断层接触关系(图2(a)、图2(b))。

a, b——白石峰岩体与白垩纪地层断层接触；c——二云母花岗岩；d——岩体上发育擦痕线理；e, f——二云母花岗岩镜下照片(正交偏光)；Q——石英；Bi——黑云母；Mc——白云母；Kf——钾长石；Pl——斜长石

Figure 2. Field and microscopic photographs of Baishifeng pluton

图2. 白石峰岩体野外和镜下照片

白石峰岩体主要为二云母花岗岩，岩石表面为灰白色，中–粗粒结构(图2(c))，靠近断层面附近花岗岩及钠长岩糜棱岩化显著，矿物定向排列，线理发育(图2(d))。显微镜下，可见花岗结构，主要矿物为石英(25%)，钾长石(35%~40%)，斜长石(20%~25%)，黑云母(5%~8%)和白云母(5%)，含少量副矿物如黄铁矿，锆石等。其中，石英为它形粒状，颗粒大小不一，常见于长石和云母三角缝中。云母和长石较自形，云母粒度在2 mm~5 mm不等，长石粒度在1 mm~5 mm不等。

4. 分析测试方法

本次研究样品均采自白石峰岩体，采集2个二云母花岗岩样品(H1122-1和H1123-4)进行精确锆石U-Pb测年和锆石原位Hf同位素测试，5个样品进行全岩地球化学测试。采样位置见图1。

锆石的挑选、制靶与阴极发光照相在河北省廊坊市诚信地质服务有限公司进行。锆石U-Pb同位素定年分析在北京科荟测试技术有限公司进行，利用LA-ICPMS同时分析完成。实验所用的激光剥蚀系统为ESI NWR 193 nm，ICP-MS仪器为Analytikjena Plasma Quant MS Elite ICP-MS，激光剥蚀过程采用氦气作为载体，用氩气作为补偿气来调节灵敏度。对分析数据的离线处理采用软ICPMS Data Cal [14] 完成。定年中采用锆石标准GJ-1外部校正法进行同位素素分馏校正。而对于分析时间有关的U-Th-Pb的同位素比值漂移，利用GJ-1的变化采用线性内插的方式完成校正。锆石样品的U-Pb年龄协和图绘制和年龄权重平均计算采用了Isoplot完成。

锆石Hf同位素测试在北京科荟测试技术有限公司的激光剥蚀多接收器电感耦合等离子体质谱仪上进行，用NWR 213 nm固体激光器对锆石进行剥蚀，激光剥蚀的斑束直径一般为25 μm。测试点在U-Pb定年测定点附近，且位于同一锆石晶体内。采用¹⁷⁹Hf/¹⁷⁷Hf = 0.7325对Hf同位素比值进行指数归一化质量歧视校正，采用¹⁷³Yb/¹⁷²Yb = 1.35274。对Yb同位素比值进行指数归一化质量歧视校正。在计算¹⁷⁶Lu的衰变常数时采用1.867 × 10⁻¹¹/a [15] [16] 。球粒陨石的¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf和¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf值分别为0.0332和0.282772 [17] ，亏损地幔的¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf和¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf值分别为0.0384和0.28325 [18] ，(¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf)平均地壳为0.015。

全岩地球化学测试在中核集团核工业北京地质研究院分析测试研究所测定。选取新鲜的样品经切割去掉表皮、蒸馏水洗净、自然干燥三步后粉碎至200目待检。测定主量元素组分时，FeO含量依据重铬酸钾滴定法测定，其余组分的分析在飞利浦PW2404-X型XRF上完成，分析精度优于3 wt%，具体实验流程见Norrish和Hutton [19] ；微量元素组成分析在Finningan MAT的HR-ICP-MS (Element I)型ICP-MS上进行，分析精度优于6 wt%，分析方法详见文献 [20] 。

5. 测试结果

5.1. 锆石U-Pb年龄

测年锆石均选取自形，无裂痕和包裹体的锆石。H1122-1样品中锆石的Th/U比值大部分大于0.1，平均值为0.15，另外所有锆石见明显的震荡环带(图3)，表明这些锆石均为岩浆锆石。H1122-1样品锆石U-Pb测试的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄为151 Ma~160 Ma之间(表1)，加权平均值为157 ± 2 Ma (MSWD = 1.12，图4(a))。H1123-4样品的所有锆石也具有明显的震荡环带，Th/U比值大部分大于0.1，平均值为0.38，可以说明这些锆石为岩浆成因。本次实验给出的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄为148 Ma~156 Ma之间(表1)，加权平均值为151 ± 2 Ma (MSWD = 1.9，图4(b))。

5.2. 锆石Hf同位素结果

两个花岗岩样品的锆石初始¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值较一致，大部分集中在0.282304~0.282366之间。样品H1122-1的ε_Hf(t)值在−13.14~−11.06之间，变化范围较小，可能显示其源区相对均一；两阶段模式年龄(t_DM2)为1910 Ma~2041 Ma (平均值 = 1966 Ma)。样品H1123-4的ε_Hf(t)值在−18.76~0.51之间，变化范围较大，可能显示其源区物质不均一；两阶段模式年龄(t_DM2)为1172 Ma~2393 Ma (平均值 = 1935 Ma)。两个样品ε_Hf(t)值均为负值，反映其源区为壳源 [16] 。

Figure 3. Zircon cathodoluminescence image and ²⁰⁶Pb/²³⁸U age of two-mica granite

图3. 二云母花岗岩锆石阴极发光图像及²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄

Figure 4. U-Pb concordia diagrams showing zircon ages for two-mica granites in Baishifeng

图4. 白石峰岩体二云母花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图

5.3. 全岩地球化学结果

全岩的主微量元素结果如表2所示，分析结果表明白石峰岩体花岗岩样品中SiO₂含量72.22 wt%~74.62 wt%，平均值为73.34 wt%，具有酸性岩的特征(图5(a))；Al₂O₃的含量为14.37~15.80 wt%，平均值为14.94 wt%，含量较高。Na₂O + K₂O含量为7.14 wt%~9.16 wt%，K₂O/Na₂O在1.22~2.12之间，为高钾钙碱性系列(图5(b))；A/CNK值在1.07~1.61(平均值为1.25 > 1.1)之间，显示强过铝质特征(图5(c))；样品还均有高的MgO含量为0.178 wt%~0.37 wt%，显示为镁质花岗岩特征(图5(d))。

样品二云母花岗岩∑REE含量较低(50.4 × 10⁻⁶~197.6 × 10⁻⁶) (表3)，稀土配分图显示明显的轻稀土富集和重稀土亏损的特征(图6(a))。其中(La/Yb)_N在1.7~48.6之间，同时表现出明显的负Eu异常(δ Eu为0.32~0.62)。此外，样品中微量元素表现出Ba、Nb、Sr和Ti相对亏损和Cs与Pb相对富集的特征(图6(b)、表4)。

Figure 5. TAS diagram of two-mica granite (a, after [21] ); MALi-SiO₂ diagram (b, after [22] ); A/CNK-A/NK diagram (c, after [23] ); FeO/(FeO+MgO)-SiO₂ diagram (d, after [24] )

图5. 二云母花岗岩TAS图解(a，据文献 [21] )；MALi-SiO₂图解(b，据文献 [22] )；A/CNK-A/NK图解(c，据文献 [23] )；FeO/(FeO+MgO)-SiO2图解(d，据文献 [24] )

Figure 6. Chondrite-normalized REE and primitive mantle normalized spider diagrams for two-mica granites (value of chondrite and primitive mantle after [25] )

图6. 二云母花岗岩稀土元素配分图和微量元素蛛网图(球粒陨石和原始地幔的值据文献 [25] )

6. 讨论

6.1. 岩石成因

根据野外观测与室内研究表明，白石峰岩体的岩石组成较为简单，为二云母花岗岩，白云母含量较高，根据全岩地球化学结果显示，该花岗岩的SiO₂含量较高(72.22 wt%~74.62 wt%)，为酸性岩。通过主量元素图解判别可知，该岩体为强过铝质、镁质花岗岩，为高钾钙碱性系列。对白石峰花岗岩类型的判别时，贾大成等 [26] 将白石峰花岗岩判定为A型花岗岩，但本文数据表明，虽然在个别A型花岗岩判别图解(图7(a))中白石峰花岗岩落入A型花岗岩区域，并且该岩体的Ga/Al × 10,000 > 2.6，但是该岩体不符合A型花岗岩含较高的Zr值(>250 ppm)和较高的FeO_t/MgO比值的等特征 [27] 。同时在Whalen等 [28] 提出的Zr + Nb + Ce + Y为横坐标的A型花岗岩判别图解中，白石峰花岗岩并未落入A型花岗岩区域内(图7(b))，所以白石峰花岗岩并非A型花岗岩。根据全岩地球化学特征，白石峰岩体为强过铝质(A/CNK > 1.1)、矿物组成中白云母含量较高、稀土元素中轻稀土富集及Ba、Nb、Sr和Ti相对亏损、Hf同位素显示壳源等特征，结合S型与I型花岗岩判别图解(图7(c))绝大多数点落入S型花岗岩区域。马铁球等 [3] 对将该地区进行研究时，并未区分白石峰岩体与南岳岩体，在对测得的早白垩世花岗岩(140.6 ± 0.8 Ma)进行主微量元素分析后，认为其属于S型花岗岩，其测得的早白垩世花岗岩与本文中白石峰花岗岩同样具有强过铝质、镁质花岗岩，为高钾钙碱性等特征，可能为白石峰岩体的一部分。因此，综合判断白石峰岩体为S型花岗岩。

对锆石Hf同位素的测定结果分析可知，白石峰岩体两个样品H1122-1与H1123-4的ε_Hf(t)值为分别在−13.14~−11.06之间与在−18.76~−0.51之间，且相对较为集中(表5)。并根据ε_Hf (t)-Age图解(图7(d))可知，除一个点外所有点均在球粒陨石线的下方，反映其源岩主要来自地壳。通过其两段模式年龄可以看出，白石峰花岗岩可能是华南前寒武纪的基底岩石部分熔融形成的

Figure 7. A-type granite discrimination diagram (a, b, after [28] ); Zr vs. TiO₂ diagram (c); ε_Hf(t)-Age diagram (d); Y + Nb vs. Rb and Y vs. Ta diagrams (e.f, after [29] ). VAG—volcanic arc granite; WPC—intraplate granite; S-COLG—collisional granite; ORG—mid-ocean ridge granite

图7. A型花岗岩判别图解(a, b,据文献 [28] )；S型与I型花岗岩判别图解(c)；ε_Hf(t)-Age 图解(d)；花岗岩微量元素构造环境判别图解(e, f,据文献 [29] ) VAG——火山弧花岗岩；WPC——板内花岗岩；S-COLG——同碰撞花岗岩；ORG——洋中脊花岗岩；A-ORG——异常洋中脊花岗岩

Table 5

6.2. 构造意义

白石峰二云母花岗岩，本次锆石U-Pb定年结果分别为157 ± 2 Ma与151 ± 2 Ma，考虑误差等因素，两个样品测年结果差距不大。此外，李建华 [10] 测得白石峰花岗岩岩体的年龄为151 Ma~150 Ma，与本文年龄差别不大。综合考虑，可以确定白石峰岩体为燕山期岩体，年代为晚侏罗世。

花岗岩地球化学特征既可以反映其源区性质，也可提供构造环境方面信息。在微量元素构造环境判别图解中(图7(e)、图7(f))，白石峰二云母花岗岩落入后碰撞花岗岩的区域，指示花岗岩形成于碰撞作用后的后碰撞造山环境，应力状态为伸展 [30] 。汪洋等 [31] 在分析湘东北晚燕山期强过铝质花岗岩时，同样指出该地区的花岗岩形成于后造山的背景中，并且根据其提出的该地区晚燕山期强过铝质花岗岩分类，本文中的白石峰花岗岩基本属于Frost等 [22] 定义的镁质的钙碱性–碱钙质过铝花岗岩类，属于高钾钙碱性系列。

华南地区的构造环境在燕山期主要受到古太平洋的影响，周新民等 [32] 等在对南岭地区研究时提出，洋对陆的消减过程中的伸展造山作用形成了晚中生代燕山期的花岗岩。许志琴等 [33] 认为中晚中生代(170 Ma~135 Ma)大规模的地壳伸展发生在中国东部。在晚中生代，古太平洋板块由斜向俯冲转为平行于欧亚大陆边缘，并且造成了大规模的地壳伸展、岩石圈减薄以及软流圈物质上涌 [34] 。综上，该区域在晚中生代，区域上的构造环境以伸展为主，结合白石峰岩体的年龄与主微量元素特征，白石峰花岗岩为后碰撞花岗岩，产生于区域伸展的构造环境之下，来自软流圈地幔的平流热传递和基性岩浆对地壳的加热作用形成了白石峰花岗岩。

7. 结论

1) 样品花岗岩测得锆石LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为157 ± 2 Ma与151 ± 2 Ma，显示白石峰岩体形成于晚侏罗世。

2) 白石峰花岗岩具有强过铝质、镁质、高钾钙碱性等特征。其岩石组成与全岩地球化学特征均具有S型花岗岩的特征，其源岩主要来自地壳，可能来源于该地区前寒武纪基底的部分熔融。

3) 结合地球化学特征显示，白石峰花岗岩形成于后碰撞造山环境。华南地区晚中生代以来构造转入伸展的环境，而白石峰花岗岩的形成受区域伸展作用的影响，与地壳伸展和岩石圈减薄有关。

基金项目

中国地质调查项目(121201102000150009)。