赣南关西岩体成因：锆石U-Pb年龄和Sr-Nd同位素约束

Genesis of the Guanxi Pluton in Southern Jiangxi: Constraints from Zircon U-Pb Ages and Sr-Nd Isotopes

摘要: 关西岩体位于华南板块，为讨论关西岩体的岩石成因，文章进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年、岩石地化及Sr-Nd同位素研究。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄测定结果表明赣南关西岩体的年龄为199.3 ± 2.6 Ma (MSWD = 1.5, n = 9)。关西花岗岩高硅、富碱，贫铁、镁、钙，富集Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素，具有显著的Eu负异常并强烈亏损Ba、Sr、P、Ti等元素；具有较高的全岩锆饱和温度(TZr = 811℃~1074℃，平均值为966℃)，10,000 × Ga/Al > 2.6，表明关西岩体为A型花岗岩。关西花岗岩Sr-Nd同位素分析显示具有较低(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i值(0.703518~0.677420)和较高的ε_Nd(t)值(0.33~1.09)，强烈的Eu负异常和高Rb/Sr比值，结合全岩主微量元素特征，它的源区可能为亏损地幔演化形成的新生地壳。

Abstract: The Guanxi Pluton is situated within the South China Block. To discuss the petrogenesis of the Guanxi Pluton, this study conducted LA-ICP-MS zircon U-Pb dating, petrogeochemical analysis, and Sr-Nd isotopic investigations. LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic age determination results indicate that the age of the Guanxi Pluton in southern Jiangxi is 199.3 ± 2.6 Ma (MSWD = 1.5, n = 9). The Guanxi granite is characterized by high silica and alkali content, low iron, magnesium, and calcium, enrichment in high-field-strength elements such as Nb, Ta, Zr, and Hf, significant Eu negative anomalies, and strong depletion in elements like Ba, Sr, P, and Ti. It exhibits high whole-rock zircon saturation temperatures (T_Zr = 811˚C ~1074˚C, average of 966˚C) and 10,000 × Ga/Al ratios greater than 2.6, indicating that the Guanxi Pluton is an A-type granite. Sr-Nd isotopic analysis of the Guanxi granite reveals low initial (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i values (0.703518~0.677420) and high ε_Nd(t) values (0.33~1.09), along with strong Eu negative anomalies and high Rb/Sr ratios. Combined with the whole-rock major and trace element characteristics, its source region is likely juvenile crust formed through the evolution of depleted mantle.

1. 引言

近年来，稀土元素作为工业技术原材料之一，广泛应用于各行各业，被称作“关键金属”，然而稀土作为我国的传统优势矿产，资源现状并不乐观，中国稀土储量的全球比重已从本世纪初的绝对优势地位发生显著改变。最新数据显示，截至2021年底，我国稀土资源量所占比例已缩减至36.7% [1]。

目前，世界稀土资源主要来源于碳酸岩型和离子吸附型稀土矿床，离子吸附型稀土矿床是由富稀土的花岗岩、火山岩、变质岩、玄武岩和碳酸岩等岩石经历风化淋积作用而形成的，其中花岗岩为最主要的成矿母岩[2]。

赣南关西岩体作为花岗岩风化壳离子吸附型轻稀土矿床的原岩，近年来有诸多学者对其年代学、岩石学、矿物学及地球化学特征进行一定程度的分析[3]-[10]。本文对关西岩体进行了详细剖析，通过对岩体中岩石的矿物学、岩石学、锆石U-Pb年代学、地球化学、全岩Sr-Nd同位素、锆石Hf同位素的研究，并充分结合区域地质资料及野外地质，探讨其岩石成因和构造背景，为深入理解华南早中生代构造–岩浆演化提供新的依据。

2. 区域地质背景

研究区处于华南造山系南岭造山带赣南隆起，属于II级华南成矿省III级南岭成矿带的赣南隆起W-Sn-REE成矿亚带[11]。赣南地区发育前寒武纪结晶基底，其上面为沉积震旦–奥陶纪的砂岩、板岩等巨厚岩系，晚泥盆世地层呈角度不整合覆盖于前泥盆纪地层上[12]。志留纪发育有剧烈构造–热事件，形成规模巨大的花岗质岩浆侵位；晚泥盆世、石炭纪、二叠纪、早三叠世的地层主要由浅海相碳酸盐岩和泥砂质岩组成，晚三叠世、侏罗纪、白垩纪和古近纪地层主要为陆相碎屑岩–火山岩系[13] [14]。

关西岩体位于赣南地区，侵位于赣南晚加里东隆起带南部，受EW向和NNE向断裂控制，呈岩基状产出，出露面积超过400 km²，与晚侏罗世足洞岩体被一侏罗纪花岗斑岩岩株隔开，为不同时期不同异源岩浆结晶的产物(见图1)。关西岩体花岗岩呈浅肉红色，中–粗粒结构至似斑状结构，块状构造，主要由钾长石(约45%)、石英(约17%)、斜长石(约14%)和少量黑云母(约5%)组成。根据其地质特征，镜下岩石定名为黑云母碱长花岗岩。根据其地质特征，镜下岩石定名为黑云母碱长花岗岩。

Figure 1. Geological map of the Guanxi granitic pluton [5]

图1. 关西花岗岩地质图[5]

3. 分析方法与结果

锆石采用重砂法分选，并用环氧树脂胶结、抛光，制成样品靶。制作完成的锆石靶在显微镜下进行透射光和反射光的观察和拍照，分析锆石的颜色、晶型、裂隙和包裹体等外观特征。然后进行阴极发光(CL)图像分析，进一步研究锆石的内部结构特征，CL图像拍摄在南京顺科检测科技有限公司完成。锆石U-Pb定年测试在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室进行，测试仪器为激光电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)，仪器型号为Agilent 7500，搭载193 nm ArF准分子激光器GeoLas HD激光系统，具体工作参数为：激光脉冲频率6 Hz，脉冲能量密度10 J/cm²，溶蚀微区直径为32 μm，仪器设置及分析流程参照Liu et al. [14]。对关西岩体GX22-04样品进行锆石U-Pb定年，锆石阴极发光图像多呈透明或浅黄色，柱状到长柱状，自行程度较好，振动环带明显。锆石Th/U比值变化范围为0.55~0.85之间，表现出岩浆锆石的特征。该样品的9个点数据在协和曲线图上呈现出很好的一致性，对其进行加权平均计算获得199.3 ± 2.6 Ma (MSWD = 2.6)的结晶年龄，由于锆石具有较高的封闭温度，其U-Pb体系封闭与成岩基本同时，表明关西岩体侵位于早侏罗世(见图2)。

Figure 2. LA-ICP-MS U-Pb concordia plots of zircons from the Guanxi granites

图2. 关西花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年谐和图

全岩主微量元素分析在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室进行。主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)分析，仪器型号为ZSX Primus II。测试前加热样品至1000℃测量每个样品的烧失量(LOI)，然后称取0.7 g焙烧后的样品和7.0 g硼酸锂混合物，经过高温熔融制成玻璃融片，分析各元素含量，分析精度优于0.5%。微量元素地球化学分析依托Agilent 7500cx型高分辨电感耦合等离子体质谱系统(ICP-MS)开展，使用USGS 标准BHVO、AGV、W-2和G-2以及国家岩石标样GSR-1、GSR-2、GSR-3来校正所测元素的含量，分析精度通常优于2%~5%。分析结果显示关西花岗岩主量元素总体呈高硅、富碱，贫铁、镁、钙的特点。SiO₂含量偏高，为典型的酸性岩。据Harker图解可大致看出，Al₂O₃、MgO、CaO、K₂O、Na₂O与SiO₂呈显著负相关关系，表明岩浆在演化过程中发生了明显的分异作用。基于K₂O-SiO₂构造地球化学判别图解，研究样品投点群集分布于高钾钙碱性区域，A/NK-A/CNK判别图解上投影点落于铝质–过铝质区域。TAS图落在花岗岩区。综上所述，关西岩体为铝质高钾钙碱性岩石。

锆石原位Lu-Hf同位素分析在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成，实验使用的激光剥蚀系统为193 nm ArF激光器GeoLas HD，MC-ICP-MS型号为Neptune Plus。具体工作参数为：激光脉冲频率6 Hz，脉冲能量10 J/cm²，溶蚀孔径24 μm。在计算(176Hf/177Hf)_i和ε_Hf(t)值时，176Lu的衰变常数采用1.867 × 10⁻¹¹ a⁻¹ [15]，ε_Hf(t)的计算采用Bouvier et al.推荐的球粒陨石Hf同位素值，即176Lu/177Hf = 0.0336，176Hf/177Hf = 0.282785 [16]。Hf模式年龄计算中，亏损地幔176Hf/177Hf现在值采用0.28325，176Lu/177Hf为0.0384，模式年龄采用平均地壳的(176Lu/177Hf)C = 0.015 [17]。用于Lu-Hf同位素分析的锆石与用于U-Pb定年的锆石相同，且选取CL图像特征完全一致的临近或对应区域进行测试。关西GX22-04样品的ε_Hf(t)变化于+3.42~+7.52，对应的两阶段Hf模式年龄为0.88~1.02 Ga。

本文对GX22-01、GX22-02、GX22-03、GX22-04四个样品进行Sr-Nd同位素分析，测量仪器为Nu Plasama II MC-ICP-MS (Nu Instruments)，进样方式采用DSN-100膜去溶(干法)。全岩Sr-Nd同位素分析结果显示，关西花岗岩具有较低(87Sr/86Sr)_i值，其变化范围为(0.703518~0.677420)和较高的ε_Nd(t)值(0.33~1.09) (见表1)。

Table 1. Sm-Nd isotopic compositions and parameters of the Guanxi granites

表1. 关西花岗岩Sm-Nd同位素测定结果及Nd、Sr同位素参数

样品	Sr (×10^−6)	Nd (×10^−6)	^147Sm/^144Nd	^143Nd/^144Nd	±2σ	(^87Sr/^86Sr)i	εNd(t)	T2DM (Ma)
GX01	66.58	312.2	0.0848	0.512548	0.0000037	0.703518	1.09	893
GX02	17.23	17.14	0.1137	0.512549	0.0000043	0.677420	0.37	951
GX03	37.08	192.3	0.1246	0.512566	0.0000045	0.699941	0.43	946
GX04	42.76	162.7	0.1392	0.512567	0.0000044	0.702120	0.33	954

4. 讨论

4.1. 成岩时代

关于赣南关西岩体的侵位年龄有以下几种不同观点：(1) 吴典豪等人测得关西岩体锆石U-Pb不一致法线年龄为170 Ma，与全岩Rb-Sr等时线年龄(176 Ma)基本相同[4] [5]。(2) He等人在2017年测得关西岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为198.8 ± 1.4 Ma [3]；(3) 杨玉元在2024年测得关西岩体为碱性长石花岗岩，其LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为190.0 ± 0.7 Ma [2]。

本文对关西花岗岩GX04样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学测试，其结果显示的锆石U-Pb协和年龄为199.3 ± 2.6 Ma (n = 9, MSWD = 2.6)，锆石成因为岩浆锆石，年龄数据可代表关西岩体的侵位年龄，表明关西花岗岩的侵位时代为早侏罗世，丰富了中国东南部早侏罗世岩浆活动的高精度年龄数据。

关于华南地区早侏罗世的动力学机制一直备受争议。目前主要存在以下几种观点：(1) 华南地区缺少早侏罗世的岩浆岩，即205 Ma~180 Ma为岩浆活动的“间歇期”，被认为是古特提斯构造域和古太平洋构造域的转换期[18]；(2) 与古太平洋板块俯冲无关或受其影响不大，更主要是一种板内造山作用的延续，是印支造山运动后的后造山伸展[19]；(3) 构造域转换前移论则提出，华南板块自早侏罗世已完全进入太平洋构造运动主导期，其构造域转换节点应早于该地质时段[20] [21]。

随着调查工作的不断进行，越来越多的华南早侏罗世岩浆岩被识别，主要发育A型花岗岩、双峰式侵入岩、双峰式火山岩和碱性玄武岩、碱性正长岩、基性岩墙群等岩石组合，以及本文侵位于早侏罗世的关西花岗岩(~199 Ma)，表明华南早侏罗世并非两大构造域转换过程中的岩浆活动“间歇期”，且该时期总体处于伸展的构造背景下[18] [20]-[22]。陈培荣等认为此岩石组合是继印支造山运动以后的一种后造山大陆裂解地球动力背景下的产物[23]。谢昕等和刘潜等认为古太平洋板块的俯冲于早侏罗世开始，板片并没有俯冲延伸至南岭地区，没有影响到上地幔的性质，且在南岭带的中至东段，岩石圈减薄作用相对剧烈，大量软流圈地幔上涌，下地壳物质熔融，形成岩浆温度高、源区深度较深的A型花岗岩，因此这些岩浆岩仍表现为板内岩浆岩的特征[20] [21]。上述观点与关西花岗岩具有高全岩Zr饱和温度、呈板内花岗岩特征相吻合。

4.2. 岩浆来源

元素地球化学研究表明，关西花岗岩高硅，贫铁、镁、钙，强烈亏损Ba、Sr、P、Ti等元素，表明其岩浆分异演化程度较高(见图3)。在主量元素Harker图解中，全岩Al₂O₃、MgO、CaO、K₂O、Na₂O与SiO₂呈显著负相关关系，表明岩浆演化过程可能发生了辉石、角闪石、斜长石、磷灰石、钛铁矿等矿物的分离结晶。具有较高的全岩锆饱和温度(T_Zr = 811℃~1074℃，平均值为966℃)，10,000 × Ga/Al > 2.6，表明关西岩体为A型花岗岩[24]-[26]。在(Nb + Y)-Rb图解中所有样品全部投影于板内花岗岩范围，表明关西花岗岩具有板内构造环境特质[27] [28]。

Figure 3. (a) Chondrite-normalized REE patterns and (b) mantle-normalized spidergrams of the Guanxi granites

图3. 关西花岗岩(a) 球粒陨石标准化稀土配分图，(b) 原始地幔标准化蛛网图

关于A型花岗岩的成因主要有以下几种认识：① 幔源碱性玄武质或拉斑质岩浆的高度分异[29]；② 幔源岩浆和壳源岩浆的混合[30]；③ 地壳物质的部分熔融[31]。

关西花岗岩的物源是探讨关西花岗岩成因的核心问题之一。目前关西花岗岩岩浆源区的研究较为薄弱，已有研究大多认为其源区为地壳物[2] [3] [5] [7]，可见前人研究大多依据全岩地球化学组成，而缺乏同位素方面的证据。

由于锆石具有较高的封闭温度和较强的抗风化能力，常作为U-Pb测年重要的副矿物，锆石受放射性176Lu同位素影响较小，锆石Hf同位素可很好的约束源区性质[32]。关西花岗岩GX22-04样品锆石Hf 同位素数据统计结果显示：锆石ε_Hf(t)值均为正值，范围在+3.42~+7.52之间，地壳两阶段模式年龄T_DM2(_Hf)值为0.88~1.02 Ga，明显亏损于地壳基底Hf同位素演化区域，表明其源区有亏损物质的加入。研究发现基性成分的岩浆分离结晶仅能产生少量(约5%)中酸性物质，而关西花岗岩出露面积大于400 km²，不可能主要来自地幔物质的分异，表明关西花岗岩源区的亏损物质主要来自地壳，其地壳源区可能为亏损地幔演化形成的新生地壳。此外，Sr-Nd同位素分析结果显示关西花岗岩具有较低(87Sr/86Sr)_i值，较高的ε_Nd(t)值，且ε_Nd(t)值大于0，表明关西花岗岩来源于亏损物质。综上，关西花岗岩的物源可能主要为具有板内构造环境特质的亏损地幔演化形成的新生地壳由于幔源岩浆的底侵作用造成的分离结晶作用而形成的岩浆。

5. 结论

关西花岗岩形成于约199 Ma，岩浆侵位时代为早侏罗世，具有较高的全岩锆饱和温度(T_Zr = 811℃~1074℃，平均值为966℃)，10,000 × Ga/Al > 2.6，表明关西岩体为A型花岗岩。结合较高的ε_Hf(t)值和ε_Nd(t)值，表明关西花岗岩的物源可能主要为具有板内构造环境特质的亏损地幔演化形成的新生地壳由于幔源岩浆的底侵作用造成的分离结晶作用而形成的岩浆。