广东吴川–四会断裂带北段燕山期超基性岩的发现及其地质意义

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 62, No. 2 (Mar. 2026)

广东省地质勘查与城市地质专项(No.2024-02)、广东省 2021 年度自然资源事务管理–生态林业建设专项(2021GJGY001)和中国地质调查局区域地质矿产调查项目(12120114024301, 12120113063100)资助

黄建桦 1,2,3 李宏卫 4,† 严成文 4 张献河 4 李字青 1 周献清 4 吴维盛 4 张波 1

1.北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 2.广州市城市规划勘测设计研究院有限公司, 广州 510060; 3.中山大学土木工程学院, 珠海 519082; 4.广东省地质调查研究院, 广州 510080; †通信作者, E-mail: lihongw1981@126.com

摘要首次报道广东吴川–四会断裂带北段出露的超基性岩脉。该超基性岩位于粤北韶关市江湾镇, 岩性为橄榄辉石岩, 呈脉状侵入大东山晚侏罗世花岗岩体(约 160Ma)。橄榄辉石岩锆石 LA-ICPMS U-Pb 年龄为160±2Ma, 可以解释为岩脉侵入过程捕获的围岩花岗岩的锆石结晶年龄。岩石黑云母 40Ar/39Ar 坪年龄为135±1Ma, 表明岩脉侵位时代为早白垩世, 对应华南地区一期显著的伸展事件。岩石富集 K 和 Al, 具较高的Ti 和 P 含量以及中等的 Mg 含量, SiO2含量(43.78%～44.80%)小于 45%, 属于超基性岩, 具有碱性玄武岩的特征。全岩微量元素和稀土元素分析结果显示, 岩石富集 Nb, Ta, Th, U, LILE 和 LREE, 轻重稀土分异显著, 具有高 Nb 含量的 OIB 型基性岩特征, 表明其源区可能为被俯冲组分交代的软流圈地幔, 形成于板块内部拉张环境。结合区域断裂活动、岩石年代学和岩石地球化学特征可以认为, 华南地区早白垩世因俯冲古太平洋板块的撕裂而发生拆沉, 俯冲组分交代软流圈地幔形成 OIB 型基性岩的富集源区, 随后陆内伸展导致地壳减薄, 切割至岩石圈地幔的吴川–四会断裂带, 为岩浆运移提供通道, 诱发 OIB 型基性岩浆沿断裂快速上涌, 形成具有板内属性的江湾橄榄辉石岩。

关键词 吴川–四会断裂; 超基性岩脉; 锆石U-Pb年龄; 黑云母40Ar/39Ar年龄

华南地区毗邻太平洋西部, 位于太平洋构造域与特提斯构造域交接部位, 在中生代经历印支期东西向古特提斯构造域向燕山期北东向古太平洋构造域的构造体制转换, 区域构造应力场也从挤压环境转变为拉张环境[1–4], 表现为在华南地区广泛出露的 A 型花岗岩[5–7]、基性–超基性岩脉群[8–12]和一系列伸展构造(如拉分盆地[13–14]和变质核杂岩)[15–22]。由于印支运动和燕山运动两期构造事件的叠加, 华南板块内部保留大量印支期变形特征, 为系统地认识该区域的构造岩浆演化历史带来巨大的挑战。因此, 有关华南地区宽达 800km 的岩石圈伸展区域的伸展时限、构造背景以及动力学机制, 存在诸多争议。前人提出多种理论模型, 包括俯冲角度陡变模型[23]、平板俯冲模型[24]、斜向–正向俯冲转换模型[25]、板片撕裂模型[26]和岩石圈垂向分层差异伸展模型[27]等。

学界普遍认为华南板块内部在晚中生代普遍经历岩石圈伸展减薄作用[4,13,28–31], 但对其伸展构造背景和动力学模型存在不同的认识, 主要有两种观点, 一种观点认为是古太平洋板块的俯冲后撤造成华南板内弧后伸展[13,24,32–33], 另一种观点认为是陆内岩石圈伸展减薄的结果[27,34–37]。因此, 厘清华南中生代岩浆活动是弧岩浆作用还是陆内岩石圈伸展减薄的产物, 对于理解华南中生代构造演化具有重要意义[38]。

基性–超基性岩脉群常见于上涌地幔柱[39–41]、弧后伸展[42]、造山后垮塌[43–44]以及陆内裂谷[45–47]等多种构造环境, 蕴含地幔和壳幔相互作用的丰富信息, 为研究地幔源区属性、岩浆演化、壳幔相互作用和地球深部动力学过程提供了重要素材[48–52]。在华南板块内部, 尤其是南岭地区的燕山期岩体内, 存在多期次的基性岩脉就位。有关这些基性岩脉的成因, 存在不同的看法。例如, 李献华等[53]1997 年发现大部分粤北白垩纪基性岩脉具有板内玄武岩的地球化学特征, 但部分年龄约为 140Ma 的基性岩脉具有岛弧特征, 认为粤北白垩纪基性岩脉可能是在岩石圈伸展背景下, 由早期被俯冲带流体交代的地幔源重熔形成。许汉森等[12]2018 年分析粤东北地区两组基性岩脉的年代学和地球化学特征, 认为这些中生代岩脉具有大陆裂谷玄武岩特征, 指示陆内裂谷的构造环境。Liu 等[54]2025 年研究广西地区 54条代表性基性岩脉的年龄和地化特征, 发现它们具有典型的粗玄岩特征和层状结构, 认为这些基性岩形成于岩石圈伸展、软流圈上涌引发的地幔岩石圈的部分熔融, 并且其源区受到古太平洋俯冲板块衍生的流体交代作用。

关于粤北地区基性岩脉的成因, 主要存在以下3 种观点: 1)这些基性岩脉的源区受到古太平洋俯冲板块衍生的流体交代作用影响, 形成于岩石圈伸展和软流圈上涌引发的地幔岩石圈的部分熔融过程中[53–56]; 2)它们是后造山板内软流圈上涌和岩石圈伸展裂解作用过程中形成的, 与古太平洋板块的俯冲碰撞作用无关[57–58]; 3)基性岩脉的形成可能与华南地幔柱的岩浆活动有关[59–60]。

本次研究首次报道吴川–四会断裂带北段(韶关江湾镇)出露的超基性岩脉——橄榄辉石岩, 并对该超基性岩进行系统的野外地质、岩石学、年代学和岩石地球化学研究, 探讨超基性岩脉与吴川–四会断裂带的构造响应关系以及华南地区晚中生代岩石圈伸展减薄的动力机制, 为解决粤北地区基性岩脉的成因以及华南地区的地幔性质与演化等争议问题提供新的证据。

1 地质背景

华南板块由扬子地块和华夏地块在新元古代沿江山–绍兴断裂拼合而成, 其基底为古元古代至新元古代的变质岩系, 上覆新元古代晚期至古生代陆源和浅海沉积岩系[61]。华南板块自形成以来, 经历加里东运动、印支运动和燕山运动等多期构造运动, 岩浆活动频繁, 尤以晚中生代燕山期岩浆爆发为特征, 形成广泛的燕山期花岗岩岩体[1]。南岭构造–岩浆岩带位于华南板块东南缘, 大东山岩体为该带的重要组成部分。该构造–岩浆带由前加里东基底岩石以及晚古生代河流–滨海相沉积和浅海台地相碳酸盐岩沉积盖层组成, 侵位大量侏罗纪至白垩纪的岩浆岩, 这些晚中生代岩浆岩以酸性岩为主, 岩体大致沿着近东–西向展布, 局部沿着南–北向展布[4,30–31] (图 1(a))。除酸性岩浆作用外, 南岭构造–岩浆岩带内还发育大量具有多期次多旋回特征的中生代基性–超基性岩岩脉。李献华等[53]1997 年将粤北地区的基性岩脉划分为 3 个期次, 年龄分别约为140, 105 和 90Ma。马晓雄等[62] 2013 年将华南沿海地区中生代铁镁质岩石进一步划分为 6 个期次: 245～230Ma, 180～175Ma, 165～142Ma, 130～115Ma, 110～101Ma 和 95～85Ma。在广东省韶关市江湾镇, 可见超基性岩脉体侵位于大东山岩体中(图 1(b)和(c)), 岩体内还零星地就位不同规模的中基性岩脉, 包括辉绿岩、辉绿玢岩、煌斑岩、闪长岩和闪长玢岩等。这些中基性岩脉规模不等, 单条脉体的宽度一般为几十厘米至数十米, 走向以北东–北北东向为主, 少量呈北西西走向, 展布数米至数公里, 具有分支复合、尖灭等特征(图 1(b)), 多呈陡倾状(倾角以 70°左右为主)产出。

区内花岗岩岩体被多组断裂切割, 以区域性规模的北东向吴川–四会断裂带最为发育(图 1(b))。该断裂带向南延伸进入南海, 向北至南雄地堑, 总体走向为北东 20°～30°, 长度近 700km (图 1(a))。断裂带以四会为界分为两段, 四会以南称为南段, 四会以北称为北段[63–64]。吴川–四会断裂北段在韶关附近分为两支: 一支沿着大布–周田–南雄断裂组延伸, 与江西大余–兴国–南城深断裂相接; 另一支往北, 沿韶关–仁化断裂带插入江西遂川, 沿赣江断裂北行, 与郯城–庐江深断裂带会合。吴川–四会断裂北段以脆性破裂为主, 局部发育狭窄的韧性剪切带, 而南段以韧性剪切变形为主, 南段与北段的构造变形差异较为明显。在粤北大东山花岗岩体及邻区, 吴川–四会断裂带由 3 组近平行的断裂组成(图 1(b)), 呈现为具有一定宽度的脆性破裂带, 断裂带内兼具早期走滑兼逆冲作用的构造特征和后期走滑兼张性破裂的构造特征[63–65]。沿着主干断裂发育发散的束状次级断裂, 总体走向为北东 60°～70°(图 1(b)和(c))。脆性破裂切割大东山晚侏罗世黑云母二长花岗岩体以及泥盆纪和石炭纪地层(图 1(b)和(c))。沿该断裂带分布多个温泉或热泉(已发现温泉泉眼约10 处)(图 1(b))。

2 宏观构造与岩相学特征

2.1 构造特征

在韶关江湾镇, 吴川–四会断裂切割晚侏罗世中–粗粒花岗岩(图 1(c))。断裂破碎带宽约 30m, 由两条硅化带及其夹持的蚀变中–粗粒花岗岩透镜体组成(图 2)。硅化带呈灰白色或乳白色, 由破碎的隐晶质长英质矿物组成, 被细小或超碎裂的基质胶结。断裂破碎带走向为 30°～60°, 倾向南东, 倾角为70°～80°(图 2), 发育碎裂岩、阶步和擦痕等, 擦痕和对应的阶步指示右行兼正断特征。发育多条与主断裂近似平行的次级小断裂, 碎裂岩宽度不等, 以北东走向为主, 亦见北北东或北东东走向。顺断裂发育宽 3～50cm 的石英脉, 其中见梳状对生石英晶簇, 指示拉张破裂性质。断层两盘为碎裂岩化蚀变中–粗粒斑状黑云母二长花岗岩, 常见硅化和绢云母化岩石, 东盘向硅化花岗岩渐变(图 2)。

在脆性断裂带内, 超基性岩脉及细粒花岗岩株沿断裂侵入(24°39′34.58″N, 113°18′36.04″E)。超基性岩脉出露宽度为 1～3m, 岩脉与围岩接触界线清晰, 北西侧与细粒花岗岩株的界面产状为 160°∠80°,南东侧与中–粗粒花岗岩围岩界面产状为 170°∠75° (图 2)。细粒花岗岩(157±2Ma①1:5万大布公社、罗坑圩、八宝山、横石塘幅区域地质矿产调查报告. 广东省地质调查院, 2017)出露宽度约为 15m, 与超基性岩脉直接接触, 局部超基性岩脉分支侵入细粒花岗岩内, 表明超基性岩脉侵位时间晚于细粒花岗岩(图 2)。

2.2 岩相学特征

超基性岩呈黑色或灰黑色, 具斑状结构, 块状构造。斑晶主要为鳞片状黑云母, 粒径为 0.5～2cm, 含量为 2%～5%, 基质呈隐晶质结构, 肉眼无法识别(图 3(a))。在显微镜下观察到样品由斑晶和基质两部分组成。斑晶由辉石和橄榄石假象组成, 可见自形的片状黑云母巨晶, 晶面光滑, 边界清晰, 粒径>1mm, 发育一组极完全节理(图 3(b))。斑晶中橄榄石呈半自形–它形粒状, 杂乱分布, 含量约为 30%, 粒度多数为 0.15～1mm, 少数为 1～3.6mm, 已全部被硅质、皂石及少量碳酸盐交代, 呈假象(图 3(c)), 显示后期经历热蚀变。辉石呈半自形柱状, 为单斜辉石, 粒度为 0.15～0.6mm, 含量为 5%～10%。基质由辉石、橄榄石假象及少量玻璃质组成(图 3(c)和(d)), 其中辉石呈微晶状和针状, 为单斜辉石, 含量约为 45%, 粒度<0.15mm(图 3(d))。橄榄石呈半自形–它形粒状, 含量约为 10%, 粒度<0.15mm, 已全部被硅质、皂石及少量碳酸盐交代, 呈假象。玻璃质含量少(5%～10%), 填隙状分布于辉石与橄榄石之间。在显微镜下, 将超基性岩标本鉴定为蚀变橄榄辉石岩。

3 分析方法

3.1 全岩主量元素和微量元素分析

全岩地球化学分析在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。主量元素的分析流程如下: 将岩石样品粉碎至 200 目以下, 将 Li2B4O7和 LiBO2作为助熔剂, 与样品粉末混合均匀, 在 1050℃条件下制成均匀的熔融玻璃片, 使用 AxiosmaxX 射线荧光光谱仪(XRF)对熔融玻璃片进行分析。烧失量和H2O 含量等采用电子分析天平称重法测定, 氧化亚铁采用滴定法测定, 检测方法执行国家标准 GB/T 14506.28—2010, 分析精度在 1%以内。微量元素(包括稀土元素)的分析流程如下: 将样品粉末与偏酸锂助熔剂均匀混合, 在 1000℃熔融, 熔体冷却后使用 4%的硝酸进行全消解, 最后采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测点方法对样品溶液进行分析。所用仪器为 X Serise2 电感耦合等离子体质谱仪, 分析精度在 5%以内, 使用 GSR-2 和 GSR-3 标样来监控样品前处理及测试流程的可靠性。

3.2 LA-ICP-MS锆石U-Pb分析

锆石颗粒通过标准挑选、制靶和阴极发光(CL)图像分析后, 在西北大学大陆动力学国家重点实验室采用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)进行 U-Pb 同位素测试, 所用仪器为 NWR193HE 高能量激光剥蚀系统和 Agilent 7900 等离子质谱仪。剥蚀束斑直径为 30μm, 用 GLITTER(ver 4.0, Macyuarie University)处理数据。在计算年龄时, 以标准锆石 91500 为外标进行同位素比值校正, 标准锆石 91500 的 U-Th-Pb 同位素比值采用 Wiedenbeck 等[66]的推荐值 1065.4±0.6Ma。样品加权平均年龄计算及谐和图的绘制采用 Isoplot (ver 4.15)。

3.3 云母40Ar/39Ar分析

将待测的云母样品用铝箔包封, 与标准物质黑云母 ZBH-25 一起, 按空间梯度布设于石英管内, 经真空熔封后, 置于中国核动力设计研究院 HFETR反应堆中进行 50 小时的中子辐照。将辐照后的样品转移至核工业北京地质研究院, 采用 Argus VI 型惰性气体质谱仪进行分析。采用双真空钽片加热炉阶段升温法提取气体, 释放的气体经液氮 U 型冷阱及两组(分别为 450℃和室温)锆–铝吸气剂泵纯化后, 只保留惰性气体进入质谱检测系统。Ca 和 K 的干扰校正采用辐照纯净的 CaF2和 K2SO4标样, 获取反应堆内的特征校正因子: (36Ar/37Ar)Ca=1.998×10−4, (39Ar/37Ar)Ca=5.072×10−4, (40Ar/39Ar)K=6.305×10−3, 通过全熔石英管内黑云母 ZBH-25 确定中子通量梯度, 据此计算不同位置样品的辐照常数 J。结合大气氩同位素组成, 标定质谱的质量校正因子, 衰变常数取推荐值 5.543×10−10[67]。通过 ArArCALC 2.40 软件, 计算样品的 40Ar/39Ar 年龄。

4 分析结果

4.1 地球化学分析结果

4.1.1 主量元素特征

江湾橄榄辉石岩样品主量元素分析结果见附录1。样品整体烧失量较高(5.32%～11.01%), 平均值为6.93%, 可能与橄榄石蚀变以及含有较多的云母巨晶等含水矿物有关。经去除烧失量的校正处理后, 样品的 SiO2含量在 43.78～44.80%之间, 小于 45%, 属于超基性岩系列。在超镁铁质岩 Opx-Cpx-Ol(斜方辉石–单斜辉石–橄榄石)三角分类图上, 除样品G05 落在二辉辉石岩区域外, 其余样品均落在橄榄二辉岩区域内(图 4(a))。在全碱–二氧化硅(TAS)图解上, 样品全部落在副长石和辉长岩区域内, 属碱性玄武岩系列(图 4(b))。由于样品经历了一定程度的蚀变, 活动性元素 K 和 Na 等可能存在丢失。为进一步确定样品的火山岩系列划分, 使用蚀变过程中不活泼元素 Ti, Zr, Y 和 Nb 做进一步的判别, 用Zr/TiO2-Nb/Y 图解判断岩石类型。在该图解中, 除样品 G05 落在副长石岩区域外, 其余样品均落在碱性玄武岩区域(图 4(c))。结合手标本和显微镜下矿物特征, 我们认为江湾超基性岩为橄榄辉石岩, 属碱性玄武岩系列。

样品中 Na2O 的含量为 0.58%～1.30%, K2O 含量为 3.56%～4.99%, 全碱(Na2O+K2O)的含量为 4.14%～ 5.94%, K2O/Na2O 值为 3.58～6.20, 表现出富钾低钠的特点。样品富铝, Al2O3含量为 13.65%～13.98%。P2O5 和 TiO2含量较高, 分别为 1.37～1.42%和 3.84～ 3.90%。FeOT 含量介于 11.97%～13.88%之间, 平均值为 12.62%, 与 OIB 型玄武岩(10.86%)相似。MgO含量为 7.85%～8.66%, 平均值为 8.34%。Mg#指数为 52.04～55.61, 具有中等 Mg 含量的特点。固结指数 SI 介于 29.24～32.10 之间。总体而言, 江湾橄榄辉石岩主量元素表现出富钾富铝、较高钛和磷含量和中等镁含量的特点。

4.1.2 稀土元素和微量元素特征

超基性岩脉样品的全岩微量元素及稀土元素含量分析结果见附录 1。原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 5(a))显示, 相对于原始地幔, 江湾橄榄辉石岩内大离子亲石元素(LILE)中 Rb, Ba 和 K 等明显富集, 高场强元素(HFSE)中 Nb, Ta, Th 和 U 相对富集, Zr, Hf 和 Ti 等相对亏损。稀土元素总量(∑REE)较高, 为 317.7～358.5μg/g, 平均 349.7μg/g, 显著高于原始地幔(∑REE 约为 1～10μg/g), 富集程度与洋岛玄武岩相当(图 5(b))。在稀土元素球粒陨石标准化图解(图 5(b))中, 所有样品的配分曲线均呈现轻稀土富集的右倾型, 其轻重稀土比值(LREE/HREE)为11.01～12.27, 平均 11.41, (La/Sm)N值为 3.65～3.95, (Gd/Yb)N 值为 3.50～4.25, (La/Yb)N值为 19.87～26.21, 表明样品的轻重稀土之间、轻稀土内部和重稀土内部元素分异明显。除一个样品表现为轻微 Eu 负异常外(δEu 为 0.80)外, 其余样品均无明显 Eu 异常, δEu 在 1.03～1.05 之间, 反映岩石形成过程中未经历明显的斜长石结晶分异。

从整体上看, 样品的微量元素和稀土元素特征以及标准化配分曲线与典型的洋岛玄武岩(OIB)曲线[70]类似(图 5)。根据 Guo 等[26]的分类, 中国东南地区的镁铁质岩石可分为 3 种: 高 Nb(Nb>50μg/g)OIB 型基性岩、低 Nb(Nb<40μg/g)OIB 型基性岩和岛弧型基性岩。本文报道的江湾橄榄辉石岩样品的Nb 值超过 100μg/g, 远高于 50μg/g, 因此属于高 Nb的 OIB 型基性岩。

4.2 年代学分析结果

4.2.1 锆石U-Pb定年结果

橄榄辉石岩样品的 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 同位素测试结果见附录 2。锆石阴极发光(CL)图像显示, 锆石多呈半自形–自形结构, 长柱状, 少量浑圆状, 部分锆石形态不完整(图 6(a))。锆石粒度较小, 长50～120μm, 宽 40～80μm, 长宽比在 1:1～2:1 之间。锆石颗粒内部亮度较高, 均发育典型的生长振荡环带, 显示典型的岩浆锆石特征(图 6(a))。锆石样品的 Th 和 U 含量变化较大, 分别介于 141～947μg/g 和225～3104μg/g 之间。Th/U 比值为 0.31～0.85, 除测点 11 的 Th/U 比值小于 0.4 外, 其余测点均大于 0.4。Th 含量与 U 含量呈现较明显的正相关关系, 亦显示其为岩浆成因锆石[71–76]。

在橄榄辉石岩样品中挑选出 19 颗锆石, 并分析其中 20 个点位。分析结果显示, 样品的锆石年龄具有非常高的谐和度, 除测点 7 的谐和度<90%外, 其余测点的谐和度在 95%～100%之间。剔除一些可能为捕获的老锆石的年龄和变质年龄的异常值后, 选择其中 13 个测点进行锆石 U-Pb 谐和图和加权平均年龄计算, 计算结果均为 160±2Ma(MSWD 分别为0.55 和 2.0)(图 6(b)和(c)), 时代属晚侏罗世。

4.2.2 云母40Ar/39Ar定年结果

因橄榄辉石岩样品中可见黑云母巨晶, 所以对样品中的单矿物黑云母进行 40Ar/39Ar 阶段加温年代学测试, 分析结果见附录 3。黑云母样品经历 800～ 1300℃区间内 9 个阶段的加热, 测试结果构成一条较为平坦的 40Ar/39Ar 年龄谱线(图 7(a))。在第一个加热阶段(800℃)表现为一个相对较低的视年龄值(126±1Ma), 在最后一个加热阶段(1300℃)则呈现一个相对略低的视年龄值(134±1Ma)(图 7(a)), 这可能是受到核反冲及测量误差的影响。900～1200℃之间 7 个加热阶段的数据非常稳定, 其年龄谱均匀而平坦, 有效的坪年龄值为 135±1Ma(MSWD=0.4) (图7(a)), 其 39Ar 析出量占样品总量的 93.1%, 表明黑云母形成之后未受到明显的热事件扰动。在 40Ar/ 36Ar-39Ar/36Ar 图解中, 9 个加热阶段获得的所有数据基本上落在同一条直线上, 对应的等时线年龄值为134±1Ma(MSWD=0.25), 获得的 40Ar/36Ar 初始值为487.6±163.1(图 7(b))。在 36Ar/40Ar-39Ar/40Ar 图解中, 除第一个加热阶段和最后一个加热阶段外, 其余 7个加热阶段的测试结果大致落在同一条直线上, 对应的反等时线年龄值为 134±1Ma (MSWD=0.24), 获得的 40Ar/36Ar 初始值为 476.4± 153.1(图 7(c))。

5 讨论

5.1 年代学解释

本研究获得的橄榄辉石岩脉锆石 U-Pb 年龄为160±2Ma, 与广东省地质调查院测定的围岩岩体形成年龄 157.2～163.7Ma①同329页脚注一致。张敏等[77] 2003 年用单颗粒锆石 U-Pb 法测得大东山中部岩体中黑云母二长花岗岩的年龄为 156±1Ma。马铁球等[78] 2006年采用黑云母 40Ar/39Ar 法获得大东山岩体北部黑云母花岗岩的坪年龄为 162±1Ma。黄会清等[79] 2008年获得大东山岩体中西部黑云母钾长花岗岩和东部黑云母二长花岗岩的 SHRIMP 锆石 U-Pb 年龄分别为 165±2 和 159±2Ma, 可能暗示中西部岩体形成时代略晚。前人研究结果表明, 大东山岩体形成于约160Ma, 与南岭地区大规模花岗岩的形成时间基本上一致[80–81]。锆石结晶的前提条件是岩浆中 ZrO2和 SiO2同时过饱和, 而超基性和基性岩浆中 SiO2是不饱和的, 因此通常难以结晶出大量锆石, 加上超基性和基性岩浆在上涌过程中常常捕获基底和围岩中的锆石, 故超基性和基性岩脉中锆石 U-Pb 年龄能否代表其结晶年龄尚不确定[65]。本次测试中的锆石表现出半自形–自形结构、内部亮度高以及震荡性生长环带发育等典型的岩浆锆石特征, 其年龄与围岩岩体形成时间在误差范围内基本上一致, 所以我们认为这些锆石是超基性岩浆在上升侵位过程中捕获的围岩锆石, 获得的锆石年龄应为围岩岩体的形成年龄。

由等时线获得的 40Ar/36Ar 初始值与现代大气氩同位素的初始值(298.56±0.31[82])在误差范围内基本上一致, 表明黑云母形成时没有捕获过剩氩, 故样品的坪年龄可以代表矿物的结晶年龄。本次测试中, 黑云母 40Ar/39Ar 坪年龄图中形成平坦而稳定的坪年龄, 且坪年龄、等时线年龄和反等时线年龄具有较好的一致性, 表明这些年龄是可靠的, 可以代表黑云母的同位素体系封闭时间。本次采用黑云母40Ar/39Ar 法获得江湾橄榄辉石岩的坪年龄为 135±1Ma, 与南岭地区早白垩世早期基性岩浆的活动时限接近一致(表 1), 因此我们认为江湾橄榄辉石岩脉的形成年龄为约 135Ma, 属早白垩世早期。

5.2 岩石成因

江湾超基性岩脉的岩性为橄榄辉石岩, 其中暗色矿物含量高, 具有典型的斑状结构。全岩主量和微量元素地球化学特征为高 K2O 含量, LREE, Nb, Ta, Rb, Sr 和 Ba 等元素富集, 标准化配分曲线与OIB 型玄武岩类似, 呈现强烈的轻重稀土分异特征, 反映岩浆来源于熔体(流体)交代的富集地幔, 在石榴石稳定域经历低程度的部分熔融(<10%)。同时, 橄榄辉石岩脉沿吴川–四会断裂带延伸, 断裂带的减压作用也可以促进地幔的部分熔融。样品中 La/ Nb 值(0.71～0.76)均小于 1.5, La/Ta 值(9.81～10.18)均小于 22, Zr/Ba 值(0.40～0.44)均大于 0.2, 类似源于软流圈地幔的玄武岩[90–91], 表明橄榄辉石岩的源区为富集的软流圈地幔。正常的软流圈地幔部分熔融通常形成洋中脊玄武岩(MORB), 具有亏损 LREE 和LILE 的特征[92–93], 而江湾橄榄辉石岩富集 LREE 和LILE, 显然不大可能是正常软流圈地幔部分熔融形成的。但是, 当软流圈地幔受到俯冲组分衍生熔体(如再循环洋壳、俯冲沉积物或辉长岩质熔体)交代时, 可富集 LILE 和 LREE, 因此新生成的岩石圈地幔部分熔融可以形成类似 OIB 型的玄武岩[25,94–99]。江湾橄榄辉石岩样品的 Ti2O 和 P2O5的含量较高, 指示源区含钛铁矿和磷灰石等副矿物, 可能与熔体交代组分有关; Nb 含量为 104～129μg/g, 属于高 Nb型玄武岩; Sr 含量为 1029～1621μg/g, 远高于地幔值17.8μg/g[100], 表明源区可能受到俯冲板片熔体交代作用的影响[101–102]; 具有较低的 Th/Yb 比值(4.07～ 8.45, 平均 4.98), 在 Th/Yb-Nb/Yb 图解中数据投点均明显偏离 MORB-OIB 演化线, 并落在 OIB 区域的下方[103](图 8), 暗示其源区交代的俯冲熔体可能以蚀变洋壳为主, 而非沉积物熔体主导, 熔体中 Th 含量较低, 使得样品的 Th/Yb 比值偏低。综上所述, 我们认为江湾橄榄辉石岩的源区可能为被俯冲组分交代的富集软流圈地幔。

样品富 K2O 低 Na2O, 并且未伴随显著的 SiO2和(或)Al2O3升高, 指示橄榄辉石岩未遭受大规模的陆壳混染。样品的 Mg#指数中等, 更可能是分离结晶作用导致的, 与地壳混染无关。地壳混染通常稀释 Ti 和 P, 导致其含量降低, 但样品中 Ti2O 和 P2O5含量较高, 反映地幔源区的特征, 暗示断裂带作为导浆通道, 促使岩浆快速上升和侵位, 来不及遭受地壳混染。样品较高的 Al2O3含量可能与岩石中含黑云母巨晶和后期蚀变有关, 而非地壳混染导致。Zeng 等[105]认为大陆玄武岩经大陆地壳混染后, 会造成(Th/Nb)N>1 和 Nb/La<1, 本文样品的(Th/Nb)N值为 0.87～0.95, Nb/La 值为 1.32～1.41, 也说明岩石未受陆壳混染。低 Nb/U 值反映地壳同化混染[106], 本文样品的 Nb/U 值为 34.75～38.19, 远高于陆壳平均值(约为 6.2)[107], 接近原始地幔的 Nb/U 值(34)[70]; 在原始地幔标准化蛛网图解中, 样品的 Nb 和 Ta 相对富集(图 5(a)), Nb/Ta 值(13.05～14.37)和 Zr/Hf 值(40.19～42.48)接近地幔(分别为 17.5±2.0 和 36.3), 明显大于大陆地壳平均值(分别为 11 和 33)[100,108]; 样品中 Sr 含量为 1408～1621μg/g, 远高于上陆壳和下陆壳平均值(分别为 350 和 230μg/g)。上述地球化学特征均表明岩石受到陆壳混染的可能性较小。

江湾橄榄辉石岩中的斑晶主要为橄榄石和辉石, 偶见少量黑云母巨晶。样品未出现明显的 Eu 异常(δEu=1.03～1.05), 表明岩浆演化过程中未发生显著的斜长石分离结晶作用[109]。这一结论与岩相学观察结果一致——样品中未发现斜长石晶体, 暗示岩浆在快速上升过程中因停留时间过短而抑制了斜长石的结晶作用。这种岩浆输运特征与吴川–四会断裂带的高效通道机制相耦合, 反映深部岩浆沿构造薄弱带快速侵位的动力学过程。样品中 MgO 含量和 Mg#指数中等, 固结指数 SI 较小(29.24～32.10), Ni 含量<250μg/g, Cr 含量<300μg/g, 表明岩浆在上升过程中经历了有限的橄榄石和辉石等的分离结晶作用[110], 暗示断裂带通道缩短了岩浆停留时间。

5.3 构造环境分析

样品的 Hf/Th 值(0.62～1.04)小于 8.00, Ta/Hf 值(0.66～0.77)大于 0.10, 具有板内玄武岩的特征[111]。样品中无俯冲带相关元素分异(如 Nb 和 Ta 亏损), 反而 TiO2, Nb 和 Ta 含量相对较高, 明显不同于俯冲和碰撞环境下的火山弧玄武岩[112]。稀土元素球粒陨石标准化曲线显示轻稀土和不相容元素富集(图 5 (a)), 原始地幔标准化微量元素蛛网图显示没有明显的 Nb 和 Ta 亏缺(图 5(b)), 均反映板内玄武岩的典型特征[113]。在 Hf-Th-Ta 构造环境判别图解中, 江湾橄榄辉石岩脉样品主要落在板内碱性玄武岩区域(图 9(a)), 在 Th/Yb-Ta/Yb 图解中, 所有样品落在板内玄武岩区域(图 9(b)), 表明产生于板内环境。在 TiO2/Yb-Nb/Yb 图解中, 所有样品落入洋岛玄武岩(OIB)的碱性系列区域(图 9(c)), 表明其起源于板块内部的拉张环境。在 Th/Hf-Ta/Hf 构造环境图解中, 样品落在陆内裂谷或地幔柱区域(图 9(d))也表征了这一结果。早白垩世阶段, 伴随古太平洋板块的俯冲后撤作用, 华南地区岩石圈发生伸展减薄, 并诱发软流圈物质上涌, 形成典型的板内裂谷构造环境。这一时期的华南地区同样可见显著的地质响应, 包括大面积出露的 A 型花岗岩[116–118]和碱性玄武岩[26,54,89], 且发育断陷盆地[22,119–123]。这些地质记录共同揭示研究区当时处于活跃的伸展构造背景中, 印证了区域性拉张应力场主导的构造环境。因此, 综合岩石地球化学特征以及不同的构造环境判别图解和地质背景来看, 江湾橄榄辉石岩产生于板块内部的伸展环境。

5.4 地质意义

江湾橄榄辉石岩形成于早白垩世(约 135Ma), 其黑云母 Ar-Ar 年龄与南岭地区各区域早白垩世基性岩浆活动的年龄接近一致(表 1), 并且与华南地区岩石圈伸展阶段高度吻合, 揭示古太平洋板块后撤引发的板内伸展背景, 与样品地球化学特征反映的板内伸展环境一致。一般认为, 华南板块晚中生代以伸展事件与挤压事件的幕式交替演化为特征, 与俯冲板片的动力学调整(如前进式和后撤式俯冲)密切相关[13,21,62,124–125]。研究表明, 华南地区中生代的三叠纪至白垩纪(245～65Ma)可以识别出 6～8 期伸展事件[17,53,62,116–117,126–127], 其中白垩纪(145～65Ma)最为活跃, 包括 140～125Ma 这一关键期次, 并且以约 140Ma 为转折点, 构造体制由挤压转为伸展, 同时燕山期岩浆活动也由早期的花岗闪长岩为主转变为晚期的以花岗岩为主[128–130]。这一时期, 长江中下游和钦杭构造带也广泛出露北东走向的 A 型花岗岩(135～123Ma) [116–118], 大云山、衡山和浒坑等变质核杂岩内部广泛发育韧性剪切带、拆离断层和核部穹窿构造(136～132Ma)[22,122–123], 华南内陆发育的永安和茶永等断陷盆地伴随同沉积正断层活动和快速堆积粗碎屑岩[22,119–123], 同样表明华南地区此时处于拉张伸展环境。

江湾橄榄辉石岩具有 OIB 型玄武岩的特征, 其源区可能为被俯冲组分交代的富集软流圈地幔, 与华南内陆地区的吉安晚白垩世玄武岩[98]、安塘侏罗纪玄武岩[97]以及吉泰盆地中生代玄武岩[96]等表现出来的 OIB 型玄武岩特征接近一致。研究表明, 根据地球化学特征, 可以将中生代华南地区的基性岩划分为岛弧基性岩和 OIB 型基性岩, 整体上有从内陆向沿海地区由 OIB 型逐渐转变为岛弧型的趋势[26,99,131–132], 并与古太平洋板块的俯冲有关[99]。江湾橄榄辉石岩位于华南内陆的南岭地区, 其表现出的 OIB 型玄武岩特征符合这一趋势。尽管有关华南地区中生代从古特提斯构造域向古太平洋构造域的构造体制转换时限存在争议, 但是学界普遍认为早白垩世时期华南地区已经完全进入古太平洋构造域[1,24,57,133]。早白垩世古太平洋板块的俯冲导致沿俯冲通道形成广泛的脱水和熔融, 东南沿海地区所处地幔楔位于较浅的深度, 该处富集沉积物熔体, 形成岛弧型基性岩浆源区[132,134], 而内陆地区受到俯冲板块深部的回滚和撕裂影响, 俯冲组分发生熔融, 并在板块撕裂边缘与上涌的软流圈地幔相互交代, 形成 OIB 型基性岩浆源区[98–99]。因此, 我们认为位于华南内陆地区的江湾橄榄辉石岩与俯冲古太平洋板块的回滚和撕裂有关。早白垩世时期的华南地区, 由于俯冲古太平洋板块的撕裂并发生拆沉, 俯冲组分交代软流圈地幔, 形成 OIB 型基性岩的富集源区。

地震反演剖面以及 He 同位素特征均揭示, 吴川–四会断裂带为切割深至地幔的深大断裂[135–136]。该断裂带的主要活动时期为中生代[137], 在早侏罗世主要表现为拆离断层特征, 发育以糜棱岩为主的韧性剪切带, 如粤北诸广地区的南雄断裂和塘洞断裂, 其糜棱岩 40Ar/39Ar 年代学结果显示形成时间分别为 189 和 209Ma[33]。至早白垩世, 伴随华南地区的陆内伸展, 地壳发生减薄, 切割至岩石圈地幔的吴川–四会断裂带, 为岩浆运移提供通道, 诱发 OIB型基性岩浆沿断裂快速上涌, 从而形成具有板内属性的江湾橄榄辉石岩(图 10)。

6 结论

本文对吴川–四会断裂北段新发现的江湾超基性岩——橄榄辉石岩开展锆石 U-Pb 定年、黑云母40Ar/39Ar 测年和全岩主量和微量元素分析, 探讨该超基性脉岩的形成时代、岩石成因和地质意义, 得出以下主要结论。

1 )江湾橄榄辉石岩的锆石 U-Pb 年龄和黑云母40Ar/39Ar 坪年龄分别为 160±2 和 135±1Ma。锆石 U-Pb 年龄与围岩大东山岩体年龄相近, 可以解释为超基性岩脉侵位时捕获的围岩锆石年龄。黑云母40Ar/39Ar 年龄指示橄榄辉石岩脉的侵位年龄为早白垩世, 对应华南地区一期显著的岩石圈伸展事件。

2 )江湾橄榄辉石岩的元素地球化学特征为富钾富铝、较高的钛和磷含量以及中等镁含量, 属碱性玄武岩系列。全岩微量元素富集 LREE 和 LILE, 属 OIB 型基性岩, 表明其源区可能为被俯冲组分交代的软流圈地幔, 并形成于板内伸展环境。

3 )江湾橄榄辉石岩的岩浆源区与俯冲古太平洋板块的回滚和撕裂有关。早白垩世时期, 伴随华南地区的陆内伸展, 地壳发生减薄, 切割至岩石圈地幔的吴川–四会断裂带, 诱发 OIB 型基性岩浆沿着断裂快速上涌, 形成具有板内属性的江湾橄榄辉石岩。

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Discovery and Geological Significance of Yanshanian Ultrabasic Rocks in the Northern Segment of Wuchuan-Sihui Fault, Guangdong

HUANG Jianhua1,2,3, LI Hongwei4,†, YAN Chengwen4, ZHANG Xianhe4, LI Ziqing1, ZHOU Xianqing4, Wu Weisheng4, ZHANG Bo1

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510060; 3. School of Civil Engineering, Sun Yat-Sen University, Zhuhai 519082; 4. Guangdong Geological Survey Institute, Guangzhou 510080; † Corresponding author, E-mail: lihongw1981@126.com

Abstract This paper reports the first documentation of ultramafic rocks exposed in the northern segment of Wuchuan-Sihui fault in Guangdong. These ultramafic rocks, classified as olivine pyroxenite, occur as a dike within early Late Jurassic (≈160 Ma) granites of the Dadongshan pluton. Zircon U-Pb LA-ICPMS analysis of the olivine pyroxenite yields an age of 160±2 Ma, suggesting that zircons were captured from the surrounding granite during dike intrusion. Additionally, the 40Ar/39Ar plateau age of biotite from the olivine pyroxenite is 135±1 Ma, indicating that the dike emplacement occurred at the Early Cretaceous, corresponding to a significant extensional event in South China. Whole-rock major element geochemical analysis reveals enrichment in K and Al, relatively high Ti and P contents, and moderate Mg. SiO2 content (43.78%–44.80%) of the sample is less than 45%. These features classify the rock as an ultramafic rock, predominantly exhibiting characteristics of alkaline basalt. Whole-rock trace and rare earth element (REE) analyses show enrichment of Nb, Ta, Th, U, LILE (large ion lithophile elements), and LREE (light REE), along with pronounced fractionation between light and heavy REE. The rock displays signatures of high-Nb OIB-type mafic rocks (Ocean Island Basalts), suggesting a metasomatized asthenospheric mantle source modified by subduction components, primarily forming in an intraplate extensional tectonic setting. Combining fault activity, geochronological and geochemical characteristics, we propose that during the Early Cretaceous, the tearing and delamination of the subducted Paleo-Pacific Plate beneath South China created metasomatized asthenospheric mantle sources enriched for OIB-type mafic rocks. Subsequently, intracontinental extension caused crustal thinning, while the lithosphere-penetrating Wuchuan-Sihui Fault facilitated rapid ascent of OIB-type mafic magmas along the frac-ture system. These magmas ultimately crystallized to form the Jiangwan olivine pyroxenite, with intraplate geoche-mical affinities.

Key words Wuchuan-Sihui fault; ultrabasic dikes; zircon U-Pb age; biotite 40Ar/39Ar age