福建地处亚热带季风气候带, 岩石受到强化学风化作用的影响, 暗色矿物经风化后产生大量次生磁铁矿、褐铁矿、钛铁矿和白钛石等矿物, 与原生铁质矿物混合在一起, 无法准确辨认其真正来源。由于次生成因重矿物所占比例很高, 压制了真正能反映物源信息的透明重矿物所占比例, 对物源分析造成极大干扰, 是强烈化学风化作用地区重矿物研究中普遍存在的问题。据计算, 本研究中除孤立的海滩样品MW(约60%)之外, 其他样品的磁铁矿、褐铁矿、钛铁矿、黄铁矿、锐钛矿和白钛石之和均占重矿物含量的70%~80%, 含量极高且各样品之间差距小, 无法用其进行物源分析。一些学者基于这种情况, 在进行重矿物物源示踪时, 仅采用透明碎屑重矿物来进行母岩判别, 并根据不同重矿物形成及性质上的差异, 提出一些重矿物特征指数, 如ZTR指数, GZi指数, ATi指数。GZi指数=100× 石榴子石%/(石榴子石%+锆石%), 揭示母岩组成变化; ATi指数=100× 磷灰石%/(磷灰石%+电气石%), 指示风化程度; ZTR指数为锆石、电气石和金红石占透明碎屑重矿物的百分比, 代表重矿物的成熟度, 其值与矿物成熟度呈正相关(Hubert, 1962; Morton and Hallsworth, 1999)。基于以上原因, 本研究中采用重矿物物源分析中常用的方法, 剔除铁质重矿物及其表生衍生物等, 仅使用原生透明重矿物开展物源分析。研究区所有样品均包含较多数量的不稳定矿物如角闪石和绿帘石, 显示该区新生代以近源快速堆积为特征, 这种搬运沉积特点也有利于通过重矿物分析来揭示母岩区特性。

从重矿物组成上可以看出, 福建省母岩区可以明显分为西北部、西南部和东部3个区域(图 3):

图 3

Fig.3

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	图 3 福建省岩石类型及闽江和九龙江现代沉积物重矿物组成分布Fig.3 Composition of heavy minerals in modern sediments of Minjiang River and Jiulongjiang River and provenance rock types of Fujian Province

在福建北部(样品MJ5、MJ6、MJ7、MJ8和MJ9), 母岩以太古代— 元古代变质岩地层为主, 遭受加里东、印支期和燕山期构造运动的改造, 重矿物组合以各种中高级变质岩的副矿物为主。MJ8和MJ5分别接收富屯溪和建溪从西北部武夷山等地区带来的物源。武夷山的前寒武纪地层都经历了加里东期的改造, 发生强烈的变质作用和混合岩化作用(Wan et al., 2007; 徐先兵等, 2009, 2010), 产出细粒黑云片麻岩、角闪岩以及各种片岩、变粒岩等。样品MJ8含有含量极高的石榴石(32.15%), 较高的电气石(3.41%)、角闪石(7.37%)和十字石(1.36%), 以及少量的蓝晶石、矽线石和红柱石等, 反映出母岩经受中高级变质作用改造的特点(表 1; 图 3)。样品MJ5中含有较多的橄榄石和辉石(表 1), 推测来源于建溪沿岸的橄榄岩、辉橄岩及少量含辉纯橄岩(郑声俭等, 1999; 舒良树等, 2008; 张开毕, 2017)。样品MJ7位于金溪支流, 流域内产有各时期的花岗岩, 区内接触变质作用发育, 上游源头分布加里东期岩石, 造成样品MJ7中既包含一定含量的变质矿物如电气石(13.62%)、石榴石(3.34%)和角闪石(8.95%), 以及少量红柱石、十字石和蓝晶石, 也包含酸性岩浆岩中的副矿物如锆石、金红石、榍石和独居石等(表 1; 图 3)。样品MJ6和MJ9位于富屯溪2条支流的交汇处, 其重矿物组成与样品MJ8和MJ7的混合均值比较相近。但是, 它们还含有较为丰富的闪锌矿(约10%)(表 1), 而闪锌矿在地表极易风化, 稳定性差, 因此为近源产出的矿物, 可能来自于南平市建瓯区附近的花岗伟晶岩矿床(陈国建, 2014)。

样品MJ1、MJ2、MJ3和MJ4位于福建东部闽江中下游, 这部分流域则以大面积出露的晚侏罗— 早白垩世陆相火山岩地层和燕山期中酸性花岗岩占主导地位(图 3), 同时也继承了上游古老变质岩区的物质, 显示出以中酸性侵入岩和喷出岩为主、变质矿物为辅的重矿物组成。样品MJ4中的锆石(36.64%)、样品MJ2中的金红石(5.00%)和独居石(6.17%)皆为酸性火山岩的主要成分(图 3), 而MJ3以及下游区域普遍较高的绿帘石(可达70%左右)(表 1; 图 3), 推测由各期侵入的花岗岩和晚侏罗世岩浆岩绿帘石化产生。闽江下游样品中角闪石含量普遍较高, 应该与流域内大量发育的中性及中酸性侵入岩、喷出岩有关(图 3)。闽江入海口的马尾沙滩样品MJ1和MW中绿黝帘石和角闪石含量最高, 推测应为水动力浮选作用, 使较轻的绿帘石和角闪石等经过搬运至河口地区而富集, 严肃庄(1988)和徐茂泉(1996)认为闽江口沉积物重矿物组合也显示较高的绿帘石和角闪石含量。样品MW位于河道之外马尾沙滩, 受到海浪反复淘洗冲刷, 由于滨岸相水动力反复的筛选作用把不稳定重矿物破坏殆尽, 仅保留了稳定重矿物组分。

福建西部出露震旦纪至晚白垩世的浅变质岩、沉积岩及火山岩地层, 尤以晚古生代沉积地层发育较齐全, 部分经历华力西— 印支期花岗岩侵入改造; 闽西南则以燕山晚期各类花岗岩为主(图 3)。流经福建东北部的闽江与流经闽西南的九龙江在重矿物组成上有较大不同。中高级变质岩的产物如石榴石在闽江流域(2.26%~32.15%)比九龙江流域(0.00%~2.20%)含量明显丰富, 电气石、红柱石和十字石也集中出现在闽江流域, 而九龙江仅有北支上游出露的印支期片麻状花岗岩, 为样品JL3和JL4带来少量变质矿物; 相反锆石、金红石、角闪石在九龙江更为丰富, 显示其主要为燕山期中酸性火山岩物源。而绿帘石在九龙江和闽江下游含量普遍高于50%, 占绝对的主导地位。东南沿海在燕山期经历了频繁的构造运动和大规模岩浆活动(岩浆侵入和喷发), 并导致沿海及内地若干北东向热动力变质带的形成, 如长乐— 南澳热动力变质带(李根坤等, 1983; 陶于祥等, 1993; 韦德光等, 1997; 舒良树等, 2000)。由于侵入岩体与围岩普遍发育包括绿帘石化在内的蚀变变质作用(舒良树等, 2000), 使福建沿海地区绿帘石在晚中生代岩浆岩中平均含量可达337ig/t(徐茂泉, 1996)。因此, 九龙江高含量的绿帘石, 可能与燕山期不同期次的酸性、中酸性侵入岩与围岩普遍发生接触变质作用及次生蚀变作用有关。闽江下游的绿帘石含量的增高除有继承了上游区域变质作用来源外, 下游花岗岩区蚀变变质作用的贡献不容忽视。海滩样品MW中除了高含量的绿帘石外, 还包含极高含量的角闪石, 即反映了近源特点。

综上所述, 福建2条主要河流由于流域岩性组合的不同, 使两者沉积物在重矿物组合上存在明显差异。闽江上游主要为古老前寒武纪变质岩区, 使得闽江沉积重矿物组成中的变质成分显著高于九龙江; 闽江中下游流经燕山期侵入岩和喷出岩区域, 造成中酸性岩浆岩成因的重矿物的加入, 使重矿物组合表现出的中酸性岩浆矿物和变质矿物混合存在的特点; 而九龙江仅表现出以燕山期花岗岩为主的物源特征。

Morton等(1990, 1999)认为水动力条件和埋藏成岩作用是影响物源信息的2个主要因素。因此, 在相似水动力条件和成岩作用下, 稳定重矿物的比值可以更好地反映物源特征, 诸如ATi(磷灰石— 电气石指数)、RZi(含TiO₂矿物— 锆石指数)、MZi(独居石— 锆石指数)和CZi(铬尖晶石— 锆石指数)等重矿物特征指数, 都可以用来指示物源特点(Morton and Hallsworth, 1994):

ATi指数=100× 磷灰石%/(磷灰石%+电气石%);

GZi指数=100× 石榴石%/(石榴石%+锆石%);

MZi指数=100× 独居石%/(独居石%+锆石%);

CZi指数=100× 铬尖晶石%/(铬尖晶石%+锆石%);

ZTR指数=锆石%+电气石%+金红石%。

MZi指数表示独居石与独居石和锆石之和的比值, 一定程度上反映花岗岩的分布区域(Morton and Hallsworth, 1994)。闽江及九龙江的MZi指数普遍大于5%(图 4), 在闽东的闽侯地区高达18%, 在九龙江的郭坑也有着10%的高值, 显示出闽东和九龙江流域的酸性深成花岗岩的类型较为普遍。GZi指数也是对物源敏感的指标, 数值特征反映石榴石的稳定性和高级变质岩的分布区域, 主要是角闪岩和麻粒岩的变化。GZi指数在闽江样品中普遍有着较高数值, 为10%~50%(图 4), 尤其在前寒武纪变质岩区域样品MJ8达到最高值, 为52%。而在九龙江流域含量不足10%, 体现出闽江受到闽西北中高级变质岩的影响十分明显, 而九龙江流域没有大面积的深变质岩存在。

图 4

Fig.4

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	图 4 福建闽江和九龙江现代沉积物中重矿物GZi指数与MZi指数的相关性Fig.4 Correlation of GZi index with MZi index of heavy minerals in modern sediments of Minjiang River and Jiulongjiang River, Fujian Province

由于绿帘石在闽江流域含量颇丰, 是独特的特征性矿物, 含量通常在35%~70%, 并呈现出由西向东逐步增高的趋势, 显示出其一部分来自闽西北古老高级变质岩, 另一部分与福建广泛分布的燕山期岩浆岩发生的蚀变以及与围岩发生的接触变质有关。因此, 针对该地区特殊的地质特征和矿物组合, 提出绿帘石指数(Epi)=100× 绿帘石%/(十字石%+电气石%+绿帘石%+石榴石%), 即用绿帘石除以其与闽北地区发现的典型中高级变质副矿物之总和, 来凸显只与燕山期岩浆岩有关的绿帘石产出情况。结果显示缺乏变质岩源区的九龙江所有样品JL1— JL4的Epi值均高于90%(图 5), 显著高于闽江流域。而闽江位于前寒武纪及加里东期变质岩区域的几个样品MJ6— MJ9的Epi值则不足70%, 一定程度上代表了来自区域变质岩区的绿帘石含量, 而位于闽江东部的样品MJ1— MJ5的Epi值则明显较大, 为70%~90%, 但由于继承了上游来源的低Epi值重矿物组合的特点, 使总体Epi值略低于九龙江的样品。可以看出, Epi值与福建省燕山期花岗岩的分布有密切的关系, Epi高值与MZi高值有很好的相关性, Epi低值则往往与GZi高值相重合, 显示绿帘石受岩浆岩热液交代后发生的绿帘石化的影响很大。

图 5

Fig.5

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	图 5 福建闽江和九龙江现代沉积物中重矿物Epi指数柱状图Fig.5 Histogram of Epi index of heavy minerals in modern sediments of Minjiang River and Jiulongjiang River, Fujian Province

重矿物中碎屑锆石U-Pb年龄谱系显示, 闽江的锆石年龄主要峰值为约110ma和400— 460ma, 分别对应燕山期和加里东期, 也有2个略低的峰值为约222ma和约1910ma, 分别对应印支期和晋宁期, 而九龙江仅表现为约¹03ma和约¹34ma的燕山期峰值和略低的约226ma的印支期峰值(Lan et al., 2016; Zhang et al., 2017); 徐勇航和陈坚(2010)对闽江口和九龙江口的研究也发现这2条河流沉积物碎屑锆石除了具有相同的印支期(236ma)、燕山早期(155ma)和燕山晚期(110ma)3个峰值, 闽江还具有明显的加里东期(465ma)和前寒武纪(553— 2765ma)的峰值, 显示出沉积物重矿物中的碎屑锆石完全能反映出河流流域内母岩的地质特征(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 福建省构造层类型和闽江与九龙江重矿物含量分布以及现代沉积物锆石U-Pb年龄 A— 福建省构造层类型分布和重矿物组合含量; B— 华夏板块锆石U-Pb年龄均值, 数据来自Enkelmann等, 2007; C, D, G, H— 闽江和九龙江锆石U-Pb年龄, 数据来自Zhang等, 2007; E, F— 闽江口和九龙江口锆石U-Pb年龄, 数据来自徐勇航和陈坚, 2010; I, J— 闽江和九龙江重矿物组合含量均值Fig.6 Structural layer types of Fujian Province and content distribution of heavy minerals and detrital zircon U-Pb Age of modern sediments of Minjiang River and Jiulongjiang River

将碎屑锆石U-Pb年龄分布特征和重矿物组合对比分析发现, 燕山期锆石高峰值往往与酸性岩浆岩重矿物组合峰值对应, 而印支期及加里东期峰值和变质矿物较多的样品对应(图 6)。研究显示, 燕山期岩石类型与前燕山期有较大的差别, 燕山期属于太平洋板块俯冲构造阶段, 前燕山期属华夏古陆演化阶段, 形成的岩石组合差异明显(Charvet et al., 1996, 1999; 舒良树, 2006; Zhou et al., 2006; 毛建仁等, 2014; 张开毕, 2017)。加里东造山作用引发扬子与华夏板块的陆内俯冲, 同时伴有地壳部分熔融和高级变质作用(Shu et al., 2008)。强烈的挤压褶皱使前寒武纪结晶基底隆升出露, 遭受叠加改造, 这期褶皱造山作用伴随的区域变质和韧性变形作用都很明显, 形成各种变质岩, 包括板岩、片岩、片麻岩、花岗片麻岩和一部分混合岩, 并发生糜棱岩化作用, 属于区域动力变质作用性质(舒良树, 2006)。闽江流域大量产出的区域变质矿物如石榴石、矽线石、十字石和蓝晶石均来自于上游加里东构造层。福建省印支期的岩石主要出露在九龙江上游的闽西地区, 早中生代主要发生板内伸展减压熔融, 引发大范围陆内变形与强烈的岩浆活动(Wang et al., 2005; Xiao and He, 2005), 多数印支期花岗岩起源于稳定的古老时代的变质岩, 在其形成过程中较少有年轻地幔组分加入, 形成S型花岗岩(含白云母、电气石和石榴石)(王岳军等, 2002; 周新民, 2003; 郭春丽等, 2012; 毛建仁等, 2014), 年龄范围为220— 240ma(王岳军等, 2005)。九龙江下游少量的电气石和石榴石等则来源于龙岩地区的印支期构造层。在华南地区, 燕山期晚中生代花岗质岩浆活动规模大, 形成巨量花岗岩, 研究区的绝大多数花岗岩体形成于早白垩世, 年龄峰期为140— 110ma(Wang and Shu, 2012)。

因此, 闽江样品大量的锆石、金红石、榍石、独居石主要来自于燕山期构造层, 部分来自印支期和加里东期构造层。九龙江样品重矿物大部分来自燕山期构造层, 少部分来自闽西印支期构造层。可以看出, 锆石U-Pb年龄谱系与重矿物组合的联合比对分析, 为福建地区的物源示踪提供了更为精确的证据。