西秦嶺印支期花崗巖類巖體地球化學(xué)特征及其構(gòu)造屬性

秦嶺造山帶以寶成鐵路線分為東秦嶺造山帶（東秦嶺）和西秦嶺造山帶（西秦嶺）。東秦嶺造山帶是通過地質(zhì)、測井和地球物理多科的綜合研究，揭示了秦嶺北部構(gòu)造單元和南部秦嶺的構(gòu)造屬性。其基本組成包括：暴露的前寒武紀巖塊和新元古代底被注入下地殼的基性巖漿巖[1.3]。另一方面，西秦嶺的基本性質(zhì)及其構(gòu)造屬性尚未深入研究。這主要是因為西秦嶺缺乏暴露的基礎(chǔ)，表面系統(tǒng)被顯著性沉積蓋層覆蓋。結(jié)果表明，西秦嶺底板的性質(zhì)及其構(gòu)造屬性之間存在著重要的科學(xué)意義。結(jié)果表明，西秦嶺巖石的構(gòu)造發(fā)育、西秦嶺與東秦嶺基質(zhì)的組成關(guān)系，以及西秦嶺基地與周邊華北地塊和揚子地塊之間的關(guān)系具有重要的科學(xué)意義。花崗巖巖漿源區(qū)的地球化學(xué)輻射是揭示地殼基本組成和性質(zhì)的有效路徑。在西秦嶺地區(qū)，花崗巖巖石分布廣泛，但對這些花崗巖的地球化學(xué)研究不足。因此，在這項工作中，我們研究了西秦嶺花崗巖地球化學(xué)和pb-sr-nd相位的組成，并限制了花崗巖巖漿源區(qū)域的組成。本文論述了西秦嶺地殼的組成和性質(zhì)。1美武、菲爾德藏巖體寶成鐵路線以西的西秦嶺造山帶,北以唐藏-武山-臨夏-貴德斷裂為邊界與祁連造山帶相鄰,南以勉略-阿尼瑪卿縫合帶為邊界與巴顏喀拉-松潘造山帶和碧口塊體相鄰(圖1).西秦嶺顯生宙地層系統(tǒng)中主要由泥盆紀到白堊紀的沉積巖系組成,目前尚未見前寒武紀基底巖系暴露的報道.沿西秦嶺走向,花崗巖類巖體斷續(xù)分布,形成時代主要為印支期,巖體出露面積從不足1～500km2以上不等.本次研究考慮到西秦嶺花崗巖類巖體的空間分布和巖體的代表性,在沿西秦嶺走向約300km的范圍內(nèi),對糜署嶺、溫泉、羅壩、美武和達爾藏巖體進行了野外地質(zhì)觀察和樣品采集.這些巖體中,糜署嶺、溫泉和中壩巖體位于西秦嶺東部,它們主要侵入于泥盆系沉積系中(圖1);美武和達爾藏巖體位于西秦嶺中西部,它們侵入于三疊系沉積巖系中(圖1).以上5個巖體均以花崗閃長巖為其主要巖石類型.在達爾藏巖體中含有少量的石英閃長巖.從巖相學(xué)關(guān)系看,石英閃長巖形成于該巖體的早期階段;在美武、羅壩和溫泉巖體中含有少量的黑云母花崗巖,但與花崗閃長巖的接觸界線較為模糊,表明黑云母花崗巖和花崗閃長巖具有相近的巖漿侵位時間.花崗閃長巖和花崗巖一般為中粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,無變質(zhì)變形,巖石中常見有鉀長石斑晶,含量5%～20%不等.花崗閃長巖的主要礦物組成為:石英15%～20%,斜長石30%～45%,鉀長石15%～30%,黑云母3%～6%,角閃石1%～3%;黑云母花崗巖的主要礦物為:石英20%～25%,斜長石30%～40%,鉀長石25%～35%,黑云母3%～5%.以上巖體均見有數(shù)量不等和大小不一的閃長質(zhì)微粒(暗色)包體,其中以糜署嶺巖體最為顯著.糜署嶺和羅壩巖體的全巖Rb-Sr等時年齡分別為219和233Ma,溫泉巖體黑云母K-Ar年齡為223～226Ma,作者新近獲得的該巖體SHRIMPU-Pb鋯石年齡為223±7Ma(9個鋯石測定點,MSWD=1.4).美武巖體的黑云母K-Ar年齡為206～212Ma.達爾藏巖體尚缺乏年代學(xué)資料,但考慮到該巖體與上述印支期花崗巖類具有相似的地質(zhì)特征和巖石學(xué)特征,推斷該巖體的形成時代也應(yīng)在印支期.西秦嶺花崗巖類的形成時代與東秦嶺花崗巖類的形成時代基本一致,它們的形成歸結(jié)于華北板塊與華南板塊在印支期的大規(guī)模聚斂與碰撞作用.2西秦嶺花崗巖的地球化學(xué)2.1微量元素特征西秦嶺印支期花崗巖類的主量元素和微量元素資料見表1.由表1可見,西秦嶺花崗巖類總體化學(xué)成分偏基性,5個巖體中作為主體的花崗閃長巖顯示SiO2=62.28%～70.32%,Al2O3=13.57%～16.02%,CaO=2.11%～4.86%,MgO=0.83%～3.24%,K2O=2.82%～4.89%,K2O/Na2O=1.04～1.85;美武和羅壩巖體中黑云母花崗巖SiO2=72.07%～74.91%,Al2O3=12.57%～14.16%,CaO=1.42%～2.71%,K2O=3.87%～4.77%,K2O/Na2O=1.24～1.86.所有樣品A/CNK變化于0.90～1.05之間,絕大多數(shù)樣品<1.0,表明西秦嶺花崗巖類主要為準鋁質(zhì)巖石(圖2),并屬于I型花崗巖類.在SiO2-K2O圖上(圖3),西秦嶺花崗巖類屬于高鉀系列-鉀玄質(zhì)系列巖石.西秦嶺花崗巖類在微量元素組成上展現(xiàn)較大的含量變化:Rb=67～242μg/g,Sr=188～488μg/g,Ba=350～1040μg/g,Y=15.8～30.5μg/g,Zr=63～298μg/gHf=2.35～7.39μg/g,Nb=8.69～24.33μg/g,Ta=0.65～3.0μg/g.然而,各巖體巖石具有相似的微量元素原始地幔標準化的分布模型(圖4),它們均具有Ba,Nb,P和Ti的負異常,Zr和Hf無明顯的異常.在稀土元素組成上,各巖體巖石同樣具有相似的球粒隕石標準化的稀土元素組成模式(圖5),它們均表現(xiàn)為輕稀土的富集和重稀土的虧損,(La/Yb)N=7.49～28.79,并存在中等程度到弱的負Eu異常,Eu*/Eu=0.39～0.76,反映巖漿源存在殘留的斜長石或在巖漿結(jié)晶過程中斜長石的分離作用.2.2巖漿源區(qū)和分區(qū)西秦嶺印支期花崗巖類的Sr-Nd同位素資料見表2.所有樣品在87Rb/86Sr-87Sr/86Sr圖上(圖6),存在較好的線性關(guān)系,以此線性關(guān)系作等時年齡計算,獲得的等時年齡為234±26Ma(MSWD=8),并獲得ISr=0.70724±21.盡管該等時線樣品來自不同的巖體不符合構(gòu)作等時線的前提條件,其地質(zhì)意義具有一定的不確定性,但該等時年齡與目前報道的這些巖體的同位素年齡相近,一個可能的解釋是這些巖體應(yīng)形成于同一構(gòu)造巖漿事件,并具有相似的巖漿源區(qū).以西秦嶺花崗巖類的巖漿平均侵位年齡t=220Ma對西秦嶺花崗巖類各樣品的ISr和εNd(t)值作統(tǒng)一計算,獲得的ISr變化于0.70682～0.70845之間,εNd(t)變化于-4.85到-9.17之間,巖體內(nèi)部和巖體之間ISr和εNd(t)值具有一定的變化,反映西秦嶺花崗巖類在巖漿源區(qū)組成上存在著一定程度的不均一性.在εNd(t)-ISr圖上(圖7),所在樣品落于第Ⅳ象限,并且εNd(t)和ISr值無相關(guān)變化.較低的ISr值表明巖漿物質(zhì)來自于成熟度較低的地殼物質(zhì),而εNd(t)和ISr無明顯相關(guān)關(guān)系反映巖漿中地幔源物質(zhì)無明顯加入.Nd同位素虧損地幔模式年齡(TDM)變化于1.26～1.66Ga之間,明顯大于這些巖體的巖漿侵位年齡,說明巖漿物質(zhì)來自前寒武紀的存留地殼物質(zhì).西秦嶺和東秦嶺的南秦嶺構(gòu)造單元中的印支期花崗巖類在εNd(t)和ISr值上具一定程度的重疊(圖7),但大多數(shù)南秦嶺印支期花崗巖類具有更為偏低的ISr值.2.3全巖初始鉛同位素西秦嶺印支期花崗巖類全巖Pb同位素資料列于表3.由表可見,西秦嶺花崗巖類具有相似的鉛同位素組成,它們均以高放射成因的鉛同位素組成為特征,其現(xiàn)今的鉛同位素比值為206Pb/204Pb=18.432～19.138,207Pb/204Pb=15.591～15.713,208Pb/204Pb=38.482～40.075.根據(jù)全巖U,Th,Pb含量和鉛同位素比值,以t=220Ma計算的初始鉛同位素比值為:206Pb204Pb=17.996～18.468,207Pb/204Pb=15.565～15.677,208Pb204Pb=38.082～38.587.西秦嶺印支期花崗巖類的全巖初始鉛同位素比值與甘肅禮縣地區(qū)印支期花崗巖類長石鉛同位素比值較為相近,后者2個樣品的平均值為206Pb/204Pb=18.358,207Pb/204Pb=15.622,208Pb/204Pb=38.391.說明經(jīng)時間校正的全巖鉛同位素比值與長石鉛同位素比值均可有效地反映巖石初始鉛同位素比值.西秦嶺花崗巖類全巖初始鉛同位素比值落于揚子塊體中生代花崗巖類的鉛同位素組成范圍內(nèi)但與南秦嶺印支期花崗巖類長石鉛同位素比值存在明顯的差異,后者具有相對偏低的放射成因鉛同位素組成(圖8).3討論3.1礦物的組成西秦嶺花崗巖類地球化學(xué)和Sr-Nd同位素組成特征反映它們的巖漿來自地殼物質(zhì)的部分熔融.因此,西秦嶺花崗巖類的源區(qū)組成可用來指示西秦嶺地殼基底的組成.實驗巖石學(xué)已證明地殼中基性巖類(玄武質(zhì)成分)的部分熔融形成化學(xué)成分偏基性的準鋁質(zhì)的花崗巖類[16～19],而地殼中碎屑沉積巖類部分熔融形成偏酸性的過鋁質(zhì)花崗巖類.西秦嶺花崗巖類總體化學(xué)成分偏基性及巖石主體屬于準鋁質(zhì)的特征一致于由基性巖類部分熔融實驗所形成的花崗巖類與被認為來源于下地殼基性巖類部分熔融形成的花崗巖類相比,西秦嶺花崗巖類與之具有相近的主量元素組成(除K2O外)、稀土元素組成模式及ISr值.這反映西秦嶺花崗巖類的巖漿源區(qū)物質(zhì)應(yīng)為地殼中的基性火成巖類(斜長角閃巖).該類源巖的部分熔融作用一般需要較高的溫度條件.根據(jù)花崗巖類鋯石飽和溫度的計算方法,計算獲得的西秦嶺花崗巖類的巖漿溫度變化于831℃～970℃之間(表1)平均為906℃,明顯高于黑云母發(fā)生脫水反應(yīng)的溫度(760℃～830℃).由此反映西秦嶺花崗巖類的源巖物質(zhì)部分熔融作用可能起因于角閃石的脫水反應(yīng).這方面同樣得到實驗巖石學(xué)的證明.玄武質(zhì)成分巖石通過角閃石脫水反應(yīng)誘發(fā)部分熔融形成的熔體是英云閃長質(zhì)的,其熔融殘留體的礦物組合為:斜長石、輝石和Fe-Ti礦物;而流體飽和的部分熔融,熔體成分以富Si和Al為特征,其熔融殘留體的礦物組合為:角閃石、單斜輝石、Fe-Ti礦物和少量斜長石.因此,在這兩種情況下形成的熔體成分具有明顯的差異.由角閃石脫水反應(yīng)而誘發(fā)的部分熔融作用形成的中酸性熔體具有一定程度的負Eu異常.西秦嶺花崗巖類具有中等程度的負Eu異常(圖5)和化學(xué)組成偏于基性的特征一致于巖漿產(chǎn)生玄武質(zhì)成分巖石角閃石的脫水反應(yīng).西秦嶺花崗巖類屬于高鉀到鉀玄質(zhì)巖系,大部分巖石的K2O/Na2O>1,Rb含量大于150μg/g.K和Rb是強不相容元素,源巖物質(zhì)的部分熔融和巖漿的分異結(jié)晶都將導(dǎo)致K和Rb在熔體相中富集.新近基性巖類的熔融實驗研究表明,低K鎂鐵質(zhì)巖石部分熔融所產(chǎn)生的花崗質(zhì)熔體具有低K組分,而高K鎂鐵質(zhì)巖石部分熔融所產(chǎn)生的花崗質(zhì)熔體具有高K組分.因此,源區(qū)物質(zhì)的K組分很大程度上決定了花崗質(zhì)熔體中的K組分特征.為了進一步說明西秦嶺花崗巖類富K(Rb)的原因,假定一般玄武巖質(zhì)巖石經(jīng)部分熔融形成英云閃長質(zhì)巖漿的Rb為30μg/g.此巖漿再經(jīng)分異結(jié)晶,巖漿分離相具有閃長巖質(zhì)的成分,分離礦物相組合為:50%斜長石+30%角閃石+15%黑云母+5%Ti-Fe礦物.應(yīng)用Rb在上述礦物中的分配系數(shù),并根據(jù)巖漿分異結(jié)晶中微量元素分配的定量模型計算,當熔體的Rb含量達到西秦嶺花崗巖類平均Rb含量180μg/g時,其剩余巖漿的質(zhì)量分數(shù)(F值)小于50%.適當調(diào)整分離礦物的比例及巖漿中的初始Rb含量,其F值變化不大.這表明要使一般玄武質(zhì)巖石部分熔融形成英云閃長質(zhì)成分的母巖漿分異形成具有西秦嶺花崗巖類Rb含量的巖漿,其巖漿分異結(jié)晶程度(1-F值)必須達50%以上,并存在大于50%左右的巖漿分異產(chǎn)物(閃長巖質(zhì)).然而,西秦嶺花崗巖類在總體主量元素組成(除K2O外)上接近于英云閃長巖;另外,區(qū)域上缺乏與西秦嶺花崗巖類伴生的高比例基性巖漿分異物.這表明巖漿分異作用應(yīng)不是導(dǎo)致西秦嶺花崗巖類富Rb的原因.K和Rb是兩個密切共生的元素.因此,有理由認為西秦嶺花崗巖類高K(Rb)含量反映巖漿源區(qū)具有較高的K(Rb)組成,反映其巖漿源區(qū)主要應(yīng)為高K玄武質(zhì)巖石.西秦嶺花崗巖類Sr-Nd同位素組成特征(ISr=0.70682～0.70845,εNd(t)=-4.85到-9.17,TDM=1.26～1.66Ga)反映作為其巖漿源區(qū)的高K玄武質(zhì)巖石在地殼中具有較長的存留時間.雖然目前尚難以確定富K玄武質(zhì)巖石精確的形成時間,但通過Nd同位素的研究,可以對其形成時代加以限制.以西秦嶺花崗巖類εNd(t)平均值(-6.5)代表高K玄武質(zhì)巖石在220Ma時的εNd(t)值,假設(shè)富K玄武質(zhì)巖石與西秦嶺花崗巖類具有相同的147Sm/144Nd比值(平均值為0.109),據(jù)此計算高K玄武質(zhì)巖石在εNd=0時的時間約為900Ma,此年齡應(yīng)代表高K玄武質(zhì)巖石形成的最小年齡.一般殼源型花崗巖的TDM大于其原巖物質(zhì)的形成年齡.因此,西秦嶺花崗巖類平均TDM為1.4Ga,該年齡可作為高K玄武質(zhì)巖石的最老年齡估計.這表明西秦嶺基底中的高K玄武質(zhì)巖石的形成年齡可能介于900～1400Ma之間.這與揚子陸塊北緣的南秦嶺構(gòu)造單元中廣泛發(fā)育中、新元古代火山巖的形成時代基本一致.上述西秦嶺花崗巖類巖漿源區(qū)性質(zhì)的研究表明在西秦嶺地殼基底中含有時代為中-新元古代的富K質(zhì)玄武巖層.本文研究的西秦嶺花崗巖類具有較大的分布范圍,這表明高K質(zhì)玄武巖層在西秦嶺的地殼基底中同樣具有較大的分布范圍.高K質(zhì)玄武巖一般屬于堿性玄武巖類,通常形成于裂谷帶的構(gòu)造環(huán)境或與地幔柱的活動相聯(lián)系,這是否意味著在西秦嶺顯生宙沉積蓋層之下埋藏一個中新元古代的古裂谷或存在中新元古代地幔柱活動需要在今后的研究中加以考慮.3.2南秦后南秦基底巖塊及基底西秦嶺帶與東秦嶺帶至少在顯生宙具有統(tǒng)一的構(gòu)造演化.沿商丹-唐藏—武山-臨夏斷裂,早古生代蛇綠巖塊斷續(xù)分布.在該斷裂以南的南秦嶺和西秦嶺,泥盆系地層呈東西向連續(xù)分布,存在大規(guī)模的印支期花崗質(zhì)巖漿活動,但缺乏早古生代花崗質(zhì)巖漿活動.因此,西秦嶺帶應(yīng)相當于東秦嶺的南秦嶺構(gòu)造單元.在南秦嶺構(gòu)造單元,有較多的前寒武紀基底巖塊的暴露,如魚洞子群、佛坪群、陡嶺群、武當群、耀嶺河群和隕西群等.根據(jù)張宗清等對上述巖群的同位素年代學(xué)研究,這些巖群的形成時代從新太古代、古元古代到新元古代.另一方面,從南秦嶺花崗巖類所揭示的深部地殼組成看,南秦嶺基底地殼中存在大量的新元古代底侵基性巖層,類似于暴露的耀嶺河群基性火山巖.在西秦嶺,無前武紀基底巖塊暴露,但東部南秦嶺的基底巖塊是否可以作為西秦嶺類花崗巖的巖漿源區(qū)需要考慮.從西秦嶺花崗巖類與東部南秦嶺前寒武紀基底巖系的Nd同位素組成的對比看(表4),這些前寒武紀基底巖系沒有一個適合作為西秦嶺花崗巖類的巖漿源區(qū).另外,從西秦嶺和南秦嶺印支期花崗巖類Sr-Nd-Pb同位素組成的對比看(圖7和8),兩者存在明顯的差異.由此認為,盡管西秦嶺和南秦嶺具有統(tǒng)一的顯生宙沉積蓋層,但兩者具有不同的地殼基底組成,反映秦嶺造山帶的基底是多塊體的拼合.根據(jù)花崗巖的地球化學(xué)特征及其分布,西秦嶺與南秦嶺基底的分界應(yīng)位于西秦嶺糜署嶺巖體和南秦嶺的光頭山巖體之間,并且寶成鐵路線可作為西秦嶺與南秦嶺基底組成差異的大致界線(圖1).3.3地殼基底結(jié)構(gòu)西秦嶺基底在構(gòu)造歸屬上是屬于華北塊體還是屬于揚子塊體可由地殼增生歷史和鉛同位素組成兩方面進行約束.根據(jù)華北陸塊和揚子陸塊殼源巖石的Nd同位素模式年齡研究,華北塊體地殼主體形成于太古宙,并以2.8～2.6Ga為最強烈的地殼增生期,其次為1.8～2.2Ga的地殼增生期,中元古代后華北塊體主要以殼內(nèi)物質(zhì)的再循環(huán);而揚子陸塊地殼主體形成于0.8Ga前的古元古代和中元古代,同時也存在少量太古宙陸核.由此可見,華北塊體和揚子塊體在地殼增長歷史上存在著明顯的差異.西秦嶺印支期花崗巖類Nd同位素模式年齡為1.26～1.66Ga.反映西秦嶺的地殼增長期與揚子塊體一致.從而表明西秦嶺地殼基底具有揚子塊體的構(gòu)造屬性.在鉛同位素組成上,華北塊體和揚子塊體也存在著明顯的差異.根據(jù)張理剛對中國東部大尺度的中生代花崗巖類鉛同位素地球化學(xué)填圖,華北塊體中生代花崗巖類以低放射成因鉛同位素組成為特征(206Pb/204Pb<17.8);而揚子塊體中生代花崗巖類主要以高放射成因的鉛同位素組成(206Pb/204Pb>17.8)但揚子塊體同時含有低放射成因鉛同位素組成的花崗巖類,如地質(zhì)和地球化學(xué)已證明歸屬于揚子塊體的南秦嶺構(gòu)造單元和大別山超高壓