揚子陸塊西北緣早白堊世花崗巖pb-sr-nd同位素地球化學特征及其地質意義

碧口塊體位于揚子地塊的西北部。同時，該塊體也是秦嶺造山帶的重要組成部分。長期以來，人們對碧口地塊進行了大量的地質調查，但研究主要僅限于碧口群火山巖，并提出了各種模式的模式，如島拱、大陸裂谷、海岸帶、洋島等（見文獻和參考文獻）。在現有的研究中，人們對碧口群的深層地殼性質及其深部影響了解較少，這對一定程度上阻礙了碧口群體構造發育的討論。花崗巖是揭示深層地殼組成和地殼動態過程的有效手段。最近，秦江峰等人對碧口群中楊水庫閃長巖中的u-pb一代和元素地球化學進行了研究。他們認為，該巖體的形成與秦嶺造山帶在主造山期后巖石圈的遷移和對幔源巖漿的底部侵蝕有關。然而，現有的研究僅限于單個巖石，缺乏深入研究相位地球化學。在本研究中，我們對碧口塊體中的幾種巖石巖石進行了系統的主要元素、元素和pb-sr-nd-worm地球化學的研究。本文論述了巖石成因及其巖漿產生的地殼動力學背景，并通過其巖漿起源區的組成來限制碧口塊體的深部地殼性質。1巖石學和年代學位于揚子陸塊西北緣的碧口塊體總體上呈南西西-北東東向分布,并夾持于的北側勉略縫合帶和南側的青川-陽平關斷裂之間(圖1).碧口塊體出露最古老的巖石單元是太古宙魚洞子群,它分布在該塊體的東北緣,主要由片麻巖類和少量斜長角閃巖類巖石組成.碧口塊體地表暴露的主體是碧口群火山巖系和橫丹群濁積巖系.碧口群火山巖系分布在碧口塊體的南部,主要由變基性火山熔巖、火山碎屑巖和火山凝灰巖組成,U-Pb鋯石SHRIMP定年將它們的形成時代確定為840～776Ma,近期的研究成果認為碧口群火山巖系形成于島弧構造背景.橫丹群濁積巖系分布在碧口塊體的北部,早先認為該巖系的形成時代為震旦紀,但新近的研究認為該巖系的形成時代可能在晚古生代,是發育于揚子板塊被動陸緣上的弧前盆地充填物.碧口塊體中發育有新元古代片麻狀花崗巖類和印支期花崗巖類,后者中包括陽壩巖體、南一里巖體和木皮巖體(圖1).本次研究中,對上述3個巖體進行了地質觀察和樣品采集.陽壩巖體(～30km2)分布在碧口塊體的中部,侵位于碧口群火山巖系中,主要巖石類型為中粒花崗閃長巖,其主要礦物組成為石英(15%～20%)、斜長石(30%～45%)、鉀長石(10%～20%)、黑云母(8%～12%)和角閃石(5%～8%).該巖體中含有豐富的閃長質微粒包體,包體形態多樣,大小一般為2×3～4×10(cm×cm),大者可達1m×1.5m以上.該巖體巖漿結晶年齡為(215.4±8.3)Ma,并且巖石具有埃達克質的地球化學特征.南一里和木皮巖體分布在碧口塊體的西部,其中南一里巖體(～60km2)侵位于橫丹群濁積巖系中,木皮巖體(～8km2)侵位于碧口群火山巖系中.南一里巖體的主要巖石類型為中粒黑云母花崗巖,其主要礦物組成為石英(23%～27%)、斜長石(30～45%)、鉀長石(25%～35%)、黑云母(5%～10%).本次工作中對該巖體(樣品N-1)進行了鋯石U-PbSHRIMP定年(表1),7個自形巖漿鋯石測定點位于U-Pb年齡諧和線上或其附近(圖2),其206Pb/238U年齡的加權平均值為(224±5)Ma(MSWD=0.97),代表該巖體的巖漿結晶年齡.該樣品少量鋯石發育核-邊結構,核部為混園狀或不規則狀的繼承鋯石.3個繼承鋯石測定點的207Pb/206Pb年齡變化于1647～1824Ma之間,反映該巖體的巖漿含有較為古老的地殼物質組分.木皮巖體的主要巖石類型為中粗粒黑云母斜長花崗巖,主要礦物組成為石英(20%～25%)、斜長石(45%～60%)、鉀長石(5%～10%)、黑云母(5%～12%).該巖體尚未有年代學資料,但考慮到該巖體沒有變形和碧口塊體中尚未發現有后印支期的巖漿活動,并且在巖石地球化學特征上(見下),與碧口塊體其他印支期花崗巖類相似,因此,推定該巖體也應形成于印支期.2碧口腫瘤印花期的花崗巖地球化學和pb-sr-nd指數的組成2.1微量元素含量由于陽壩、南一里和木皮巖體在巖性學上的差異它們表現出不同的主量元素組成特征(表2).陽壩巖體化學成分偏于基性,其SiO2含量變化于65.44%～69.08%之間,而南一里巖體和木皮巖體化學成分偏于酸性,它們的SiO2含量分別變化于69.82%～73.41%和70.52%～71.69%之間.上述3個巖體具有相近的Al2O3含量,所有樣品的Al2O3含量均大于14.5%絕大多數樣品的Al2O3含量大于15%,但鋁指數(A/CNK)顯示陽壩花崗閃長巖為準鋁質巖石(A/CNK=0.95～1.01),南一里和木皮花崗巖為過鋁質巖石(A/CNK分別為1.09～1.14和1.07～1.12).圖3表明陽壩巖體屬高鉀鈣堿性巖系,南一里巖體屬中鉀到高鉀鈣堿性巖系,木皮巖體為中鉀鈣堿性巖系,但它們的K2O/Na2O比值均小于1,其中陽壩巖體K2O/Na2O=0.65～0.85,南一里巖體K2O/Na2O=0.63～0.94,木皮巖體K2O/Na2O=0.29～0.39.陽壩、南一里和木皮巖體均顯示高Sr、低Y型花崗巖類的微量元素組成.所有樣品的Sr含量大于350μg/g,Y含量小于16μg/g,其中:陽壩巖體Sr=905～1047μg/g,Y=9.5～14.5μg/g,Sr/Y=69.2～95.2南一里巖體Sr=352～506μg/g,Y=7.6～9.2μg/gSr/Y=39.9～60.0;木皮巖體Sr=570～932μg/gY=6.2～15.7μg/g,Sr/Y=36.3～150.另一方面,上述3個巖體均以低HREE為特征,所有樣品的Yb含量小于1.61μg/g,絕大多數樣品的Yb含量小于1μg/g.在元素原始地幔標準化的圖上(圖4),陽壩、南一里和木皮巖體均明顯顯示Sr的正異常和Nb,P負異常,而Zr和Hf無明顯虧損.在稀土元素球粒隕石標準化圖上(圖5),陽壩、南一里和木皮巖體均顯示較為強分異的稀土元素組成模式,它們以富集輕稀土和虧損重稀土為特征,大部分樣品出現微弱的負Eu異常(Eu/Eu*=0.74～0.9),個別樣品出現微弱的正Eu異常,如木皮巖體樣品M-4,其Eu/Eu*=1.11.陽壩、南一里和木皮巖體的(La/Yb)N比值分別為23.2～36.3,17.0～25.0和7.8～14.1,表明陽壩和南一里巖體輕、重稀土分異程度強于木皮巖體.上述微量元素地球化學特征顯示陽壩、南一里和木皮巖體花崗巖類具有埃達克質巖石的地球化學屬性,在Sr/Y-Y(圖6)和(La/Yb)N-YbN(圖7)圖解上,樣品均落入埃達克巖范圍內.2.2南一里巖體樣品isr,nd,tdm陽壩、南一里和木皮巖體的全巖Sr-Nd同位素資料見表3.考慮到在10Ma時間范圍內計算的巖石初始Sr和初始Nd同位素比值只有微小的變化,本文為便于各巖體的對比,以陽壩巖體(215Ma)和南一里巖體(224Ma)巖漿結晶年齡的平均值(220Ma)對巖石初始87Sr/86Sr比值(ISr)和εNd(t)值進行統一計算.結果表明,陽壩巖體2個樣品ISr=0.70419～0.70607,εNd(t)=-4.0～-3.1,TDM=1.06～1.09Ga;南一里巖體5個樣品ISr=0.70615～0.70752,εNd(t)=-4.7～-7.2,TDM=1.27～1.50Ga;木皮巖體4個樣品具有較為相似Sr和Nd同位素組成,ISr=0.70539～0.70597,εNd(t)=-7.2～-8.4TDM=1.50～1.83Ga.上述Sr和Nd同位素組成特征指示,陽壩、南一里和木皮巖體的巖漿源區應主要來自于陸殼物質,因為所有樣品均具有較低的εNd(t)值(-3.1～-8.5)和較高的TDM值(1.06～0.83Ga),但它們具有較低的ISr值(0.70419～0.70752),結合它們的元素地球化學特征,反映它們的巖漿源應為存留于下地殼的元古宙玄武質巖類.各巖體之間所呈現的Sr和Nd同位素組成的有限差異指示它們巖漿源區組成上的不均一性.陽壩、南一里和木皮巖體巖石具有較為相似的全巖Pb同位素組成(表4),它們現含的Pb同位素比值為:206Pb/204Pb=18.039～18.203,207Pb/204Pb=15.501～15.582,208Pb/204Pb=38.215～38.567.以t=220Ma,對巖石初始Pb同位素比值進行統一計算,獲得(206Pb/204Pb)t=17.891～18.250,(207Pb/204Pb)t=15.494～15.575,(208Pb/204Pb)t=37.788～38.335.與華北陸塊和揚子陸塊中生代花崗巖類長石Pb同位素組成相比碧口塊體印支期花崗巖類的初始Pb同位素組成明顯區別于前者,而與后者相似,表明碧口塊體具有揚子型陸塊的構造屬性.3討論3.1德物源區的德石學特征陽壩、南一里和木皮巖體巖石具有富Al,Na和Sr,低Y和HREE,高Sr/Y和La/Yb比值,一致于埃達克巖的地球化學特征.因此,陽壩、南一里和木皮巖體巖石應屬埃達克質巖石.現有對埃達克巖研究具有較高的研究程度,人們發現埃達克質巖漿的產生具有多種地質背景:俯沖洋殼的部分熔融[11,12,13,14,15,16]、下地殼底侵玄武質巖石部分熔融、增厚下地殼的部分熔融和拆沉下地殼的部分熔融.根據埃達克質巖石的地球化學特征,可將埃達克巖石劃分為兩類:Ⅰ型(或O型)埃達克巖(巖漿主要產生于俯沖洋殼的部分熔融)和Ⅱ型(或C型)埃達克巖(巖漿主要產生于下地殼底侵玄武質巖石的部分熔融或增厚下地殼的部分熔融).實驗巖石學研究表明,埃達克質的巖漿產生的壓力相當于地殼增厚到大于50km的條件下,玄武質巖石轉變為石榴角閃巖或角閃榴輝巖而發生的部分熔融作用,源區殘留礦物包含石榴子石而無斜長石.因此,產在大陸背景的埃達克質巖石,地殼增厚作用是埃達克質巖漿產生的關鍵,而并不要求其源巖是否為底侵成因的玄武質巖石.陽壩、南一里和木皮巖體巖石具有較高的K含量、演化的Nd同位素組成和較高的Nd同位素模式年齡,因此,它們的總體地球化學特征明顯不同于俯沖洋殼部分熔融形成的Ⅰ型埃達巖和底侵玄武質下地殼熔融所產生的埃達克質巖,而應為增厚下地殼非底侵成因的玄武質下地殼部分熔融的產物,地殼的增厚作用起因于華北板塊與華南板塊在印支早期的碰撞.3.2巖漿源區性質對陽壩、南一里和木皮巖體巖漿的限定可進一步指示碧口塊體下地殼的性質.根據它們埃達克質巖石的地球化學特征及Sr-Nd同位素的組成,已判斷它們的巖漿源區為玄武巖質巖石,但在碧口塊體中暴露的前寒武紀巖石是否作為它們的巖漿源區需要作進一步討論.根據張宗清等的資料計算,分布在碧口塊體東北緣的太古宙魚洞子群各類巖石在相當于上述巖體形成時,它們的εNd值變化于-20～-45.很明顯,魚洞子群各類巖石不能作為碧口塊體中印支期花崗巖類的巖源區.碧口塊體中大面積分布的新元古代碧口群基性火山巖類在Sr-Nd-Pb同位素組成上也明顯不同于本文研究的印支期花崗巖類(圖8和9),因此,碧口群基性火山巖類同樣不適合作為碧口塊體中印支期花崗巖類的巖漿源.由于陽壩和木皮巖體侵入于碧口群火山巖中而侵位于橫丹群濁積巖系中的南一里巖體與陽壩巖體和木皮巖體在巖石地球化學特征和Sr-Nd-Pb同位素組成存在一定的可比性,因此,它們的巖漿應均起源于在碧口群火山巖之下玄武質巖類的部分熔融花崗巖類Nd同位素組成(εNd(t)=-3.1～-8.5)、Nd同位素模式年齡(TDM=1.06～1.83Ga)及在南一里巖體中獲得的繼承鋯石207Pb/206Pb年齡信息(1647～1803Ma)指示在碧口群火山巖之下的玄武巖類在地殼中具有較長的地殼存留時間,這些玄武巖類可能形成于新元古代或中元古代.陽壩和南一里巖體具有較高的K含量,而木皮巖體具有較低的K含量.考慮到這種差異不能用不同的巖體巖漿分異結晶作用程度來解釋并且實驗證明低K玄武巖的部分熔融作用不可能產生高鉀的巖漿,因此,陽壩、南一里巖體與木皮巖體在K含量上的差異,反映它們玄武質巖源區在K含量上的差異.陽壩和南一里巖體的巖漿源可能為下地殼高K質玄武巖類,而木皮巖體的巖漿源區可能為下地殼低K質玄武巖類.結合各巖體所呈現的Sr和Nd同位素組成的有限差異,反映區域下地殼組成在有限程度上的不均一性,或由于巖漿在下地殼產生的深度不同,指示下地殼組成在垂向上的有限變化.上述陽壩、南一里和木皮巖體的巖漿源區性質指示在碧口群火山巖之下含有大陸型地殼基底.如果碧口群火山巖形成之后未受到后期的構造變動,則碧口群火山巖是在大陸地殼基底上噴發形成的,由此不支持碧口群火山巖形成于大洋盆地或洋島環境的認識,而更可能為大陸邊緣島弧環境;如果碧口群火山巖形成之后與下覆巖系受到后期的構造變動,則碧口群火山巖是一個無根的巖片.由于區域上沒有地質證據表明碧口群火山巖與下覆巖系存在大規模滑移的構造形跡,因此,前一種可能性較大.從碧口塊體印支期花崗巖類與勉略略縫合帶北側東秦嶺和西秦嶺印支期花崗巖類在Sr-Nd-Pb同位素組成上的對比看(圖8和9),位于碧口塊體東部的陽壩巖體與東秦嶺印支期花崗巖類相似,而位于碧口塊體西部的南一里巖體和木皮巖體與西秦嶺印支期花崗巖類相似或接近,由此反映碧口塊體的地殼基底組成總體上位于東秦嶺和西秦嶺地殼基底組成的過渡帶.3.3地質構造演化巖漿的形成與深部動力學背景存在密切的聯系.秦江鋒等根據對陽壩巖體的年代學和巖體中含有豐富的閃長質微粒包體的研究,結合區域構造事件的分析,認為該巖體巖漿的產生起因于秦嶺造山帶在主造山期后發生的巖石圈拆沉作用,由此導致地幔軟流圈物質上涌并底侵于下地殼誘發的下地殼物質的部分熔融.如果這是一個合理的模式,那么該模式同樣適用于南一里和木皮巖體,因為陽壩、南一里和木皮巖體具有相近的形成時代、巖石在總體上具有類似的地球化學特征,如均為埃達克質巖石.為了驗證這一可能的形成模式,本文進一步作如下討論.從增厚下地殼部分熔融產生花崗質巖漿的機制看,有以下幾種可能性:(1)在大陸主造山期,由于大陸板塊間發生強烈的碰撞作用,地殼受到強烈的構造擠壓和縮短,導致下地殼增厚和殼內構造剪切作用.在此背景下,地溫梯度導致增厚下地殼地溫升高,加上構造剪切作用所產生的熱,可誘發下地殼物質的部分熔融,其中可能有外來流體的加入;(2)在主造山期后,增厚地殼的構造減壓作用(地殼塊體往上擠出)導致下地殼含水礦物(如云母類和/或角閃石)發生脫水反應而誘發地殼物質的部分熔融;(3)在主造山期后,增厚地殼的重力不穩定性而發生巖石圈(包括下地殼下部)的拆沉作用,地幔軟流圈物質上涌并底侵于下地殼底部而誘發的下地殼物質的部分熔融,在巖石圈構造應力性質上為伸展構造體制.對于上述(1)機制形成的花崗巖類一般稱之為同碰撞型花崗巖.然而,本文研究的碧口塊體中印支期花崗巖類形成時代為215～225Ma,明顯晚于秦嶺造山帶及鄰區華北板塊與華南板塊的發生大規模碰撞的時代(晚二疊紀—早三疊紀).區域上在碧口塊體北側的東秦嶺區和西秦嶺區,大規模印支期花崗巖類的形成時代也主要在200～220Ma,特別是秦嶺環斑花崗巖的形成時代為214～217Ma,標志著秦嶺造山帶主造山期的結束.因此,秦嶺造山帶及其鄰區在華北板塊與華南板塊的大陸碰撞期實際上沒有有真正意義上的同碰撞型花崗巖類,從而對過去認為的所謂秦嶺地區同碰撞型花崗巖類需要修正.同樣,在喜馬拉雅造山帶,在印度板塊與歐亞板塊的碰撞階段(大約50Ma左右),實際上也沒有同碰撞花崗巖的產出,而過去認為的該區所謂典型同碰撞型花崗巖(如淡色花崗巖),它們的形成時代主要在10～20Ma,該類花崗巖的巖漿產生于陸內構造演化階段.事實上,大陸板塊碰撞的構造擠壓時期是不利于地殼物質的部分熔融,而大量花崗巖質巖漿的產生應主要出現于從碰撞的構造擠壓體制向構造伸展體制的轉折時期.基于上述分析,包括碧口塊體在內的秦嶺造山帶印支期花崗巖類應主要形成于華北板塊和華南板塊碰撞后的陸內構造演化階段.對于上述(2)機制形成的花崗巖類,需要地殼塊體呈構造楔往上快速擠出,因而至少在塊體周邊形成如圖10所示兩個大型的構造斷裂系統,并類似于高喜馬拉雅結晶巖系擠出的構造減壓作用和淡色花崗巖的形成.然而,根據對碧口塊體構造學研究圖10所示的斷裂系統在碧口塊體的南、北邊界并不存在,但局部塊體的逆沖擠出是可能的.再者,如果是碧口塊體構造擠出減壓誘發碧口塊體下地殼部分熔融形成其中的印支期花崗巖類的話,那么也難以解釋碧口塊體北側的秦嶺帶呈面型分布的印支期花崗巖類的形成機制,同樣也難以解釋碧口塊體南側松潘帶呈面型分布的印支期花崗巖類的形成機制因此,對碧口塊體中印支期花崗巖類的形成機制的分析,還必需要從區域上加以統一考慮.由此看來塊體擠出導致的構造減壓機制不適合包括碧口塊體在內的秦嶺帶印支期花崗巖類形成的構造動力學模式.對于上述(3)機制形成的花崗巖類,其巖漿主要來自未拆沉部分下地殼的部分熔融、下地殼部分熔融產生的巖漿與上升的軟流圈物質混合(殼、幔巖漿混合)和拆沉部分下地殼的部分熔融(巖漿升過程中可能受到地幔物質的污染導致巖石具有高Mg,Cr和Ni等元素組成特征).巖石圈拆沉作用不但為下地殼的熔融作用提供熱源,而且還可能有地幔物質參與下地殼的熔融作用,或幔源巖漿注入到下地殼熔融的巖漿中,形成殼/幔巖漿的混合.在秦嶺造山帶,根據地殼化學組成的推斷,巖石圈存在明顯的拆沉作用從現有下地殼熔融形成花崗巖類的機制看,用巖石圈拆沉作用可以較好地解釋碧口塊體印支期花崗巖類巖漿的產生.由于碧口塊體受到大陸板塊的強烈碰撞,下地殼將發生增厚作用,由此導致下地殼密度增大,發生重力不穩定性及其后的巖石圈拆沉作用巖石圈拆沉后,地幔軟流圈物質將充填已拆沉的巖石圈部分空間或地幔巖漿底