北秦岭早古生代海相火山岩地球化学特征及构造环境

北秦岭早古生代海相火山岩地球化学特征及构造环境

秦岭是中国巨大的山区带的重要组成部分。它不仅是中国南北构造的交叉点和分界区，也是中国地质环境复杂、火山岩活动强烈的国内外地方科学领域。关于秦岭地质的讨论主要集中在北部的秦岭上。因此，北秦岭一直是研究秦岭造山带构造环境和火山活动的重要领域。本文简要介绍了北秦岭早古生代火山岩的构造结晶实验、岩石成分的序列、结构环境、开口定量等。结果如下。1实验结果及讨论造山带火山岩,尤其海相火山岩,虽然仍保留原岩的不少结构、构造,但由于遭受了不同程度的蚀变交代、区域变质等作用,多已变为细碧角斑岩系岩石.与原岩相比,其矿物组成、化学成分,尤其是易溶及变价元素多已发生变化.为了恢复原岩成分,使成分分析可信,我们除了采用薄片观察以精选尽量新鲜火山岩作测试样品,以多种测试方法相互验证,并以惰性元素投点以核实主要元素分析结果的可靠性外,还首次进行了海相玄武岩的熔融结晶实验,以研究新鲜岩石的基本特征.以二郎坪群海相高铝玄武岩的实验为例,该岩石仍保留拉斑玄武结构,但斜长石多已钠长石化、辉石绿泥石化,橄榄石也蛇纹石化.该玄武岩实验结果表明,其液相线温度为1270℃,固相线温度为1050℃,与新鲜玄武岩相似.此外,由于玄武岩富铝,因此首先晶出矿物是斜长石,而且均为基性的拉、倍长石;由于高温晶出,因此可见三元长石及富钾斜长石,并且结晶温度愈高,斜长石也愈富钾(图1).玄武岩中,由于斜长石的晶出,使残余岩浆中的SiO2质量分数增加而Al2O3,CaO质量分数降低(图2),使原来高铝玄武岩演变为玄武安山岩及拉斑玄武安山岩(冰岛岩).这些特点也与新鲜玄武岩的首晶矿物、矿物成分及本区玄武岩浆的分离结晶及演化规律一致.实验结果还看出,斜长石(Pl)形状、成熟程度与结晶温度(t)(反映过冷温度)、成核密度(d)及生长速度(v)有关:t<1140℃(过冷温度很大)时,Pl的d>v,只能晶出纤维状雏晶Pl;t=1140℃(过冷温度中等)时,Pl的d=v,晶出纤维状雏晶+板状中空骸晶Pl;t>1140℃(过冷温度很小)时,d<v,则晶出长条状中空骸晶与自形晶体Pl.从玄武岩的实验资料可知:对仍保留原岩部分结构、构造(尤其微观结构)的火山岩,虽然矿物成分发生了变化,但整体化学成分与原岩主要成分相近,基本上属等化学体系,只是矿物组合从原生变为次生,岩石中挥发分与铁的价态发生变化而已.不难看出,对细碧岩化的玄武岩进行高温熔融结晶实验,可以提供新鲜玄武岩液相线温度、固结温度、首晶矿物、结晶顺序、矿物种属、岩浆演化、矿物形态与岩石结构等一系列重要信息.2寒武系火山岩形成机制本区为中部断隆与南北断陷(裂谷)组成的裂谷造山系.区内的早古生代火山岩系分布于秦岭群断隆的两侧裂谷中,呈南北两带产出(图3).北带火山岩系由东向西分别称为二郎坪群(以南阳盆地为界,又分别名为东或西二郎坪群)、云架山群、斜峪关群、草滩沟群;南带火山岩系均称为丹凤群.火山岩系东西长约1000km,每带宽不过25～40km.本区火山岩系主要为寒武—奥陶纪产物.由于该火山岩系从秦岭群与宽坪群中解体不很彻底及构造推覆混入等影响,不排除有新元古代火山岩系存在.火山岩系下部层位称为火神庙组、大栗树组、丹凤群(下部),相当于寒武系,以基性火山岩为主;上部层位称为大庙组、刘山岩组、丹凤群(上部),相当于奥陶系,则以中、酸性火山岩占优势.在上、下两组火山岩系间,我们发现了一层复成分砾岩组成的沉积间断.本区火山岩为裂隙多中心式喷发产物.喷发类型介于夏威夷类型与布里尼型之间.火山岩从南带到北带,每带从老到新,从东到西,喷发指数减少而爆发指数增大(图4).为了保证化学分析数据可信,笔者选用了w(CO2+H2O)小于5%以及玄武岩在w(Na2O)/w(K2O-Na2O+K2O)图中低于F线(次生变化少与钠长石化弱)的化分数据,进行了标准矿物、化学参数等计算.以火山岩计算结果统计为直方图(图5),本区南北两带火山岩的酸度与玄武岩种属均属双峰式,其特点近似肯尼亚与埃塞俄比亚裂谷.以主要元素与惰性元素,用Irvine等,IUGS,Winchester等方法及TAS图(图6),w(SiO2)-w(Zr)/w(TiO2)图(图7),确定并核实了本区火山岩的系列、类型、名称.可知区内除有钙碱性系列、拉斑玄武岩系列岩石外,还有碱性玄武岩系列;除钠质类型外,还有钾质类型岩石,并首次发现有钾玄岩系列(shoshoniteseries)岩石及高镁安山岩(boninite,sanukite)的存在,此特点与南祁连拉脊山相似.本区寒武纪火山岩以碱性与拉斑系列为多,奥陶纪则以钙碱性系列为主.本区火山岩中主要元素、微量元素、稀土元素及同位素统计、对比表明(图8),从南带到北带,每带从老到新,从东到西,其共同的变化规律是:酸度、钾、不相容(易熔)元素、壳源物质含量均顺序变大;而碱度、钠、相容(难熔)元素、幔源物质含量均依次减小.这一变化,与本区火山喷发指数减少而爆发指数增多是吻合的,也暗示本区火山岩从南到北、从东到西,可能存在从寒武纪为主向奥陶纪为主的变化.3山活动环境北秦岭与其他地区造山带一样,对与火山活动有关的构造环境争论大、问题多的主要原因一是造山带火山活动构造环境复杂,经历过长期的开合过程,不能以单一的开或合环境概括;二是火山岩成分由于变质交代而变化,在成分与构造关系图中投点不准确,又缺乏地质分析.为此,笔者采用了地质分析与惰性成分投点结合的方法,不仅在构造环境方面,而且在演化过程方面,均取得了新的认识.3.1东东南角缘成岩阶段在大庙组与火神庙组之间存在间断,其中,大庙组主要为小洋盆蛇绿岩套,以较基性的碱性与拉斑玄武岩系列火山岩发育为特征;火神庙组主要为火山弧岩套,以中、酸性的钙碱性系列火山岩为主.对东二郎坪群变质岩的研究也表明,它经历两期变质作用:早期是升温、降压,为拉张小洋盆型的洋底变质作用;晚期是降温、升压,为洋盆闭合挤压型的区域变质作用.另据古生物群系资料,北秦岭地带有华北型与扬子型生物混生现象,一度为华北与扬子陆块之间的陆间海槽;又据古地磁资料也反映出北秦岭的开合过程:寒武纪为拉张期,而奥陶纪为闭合期.总之,本区寒武纪曾拉张(开)为陆间裂谷型小洋盆;奥陶纪曾闭合(合)成裂谷造山带.3.2构造环境演化方向以火山岩中相对稳定的成分——惰性元素,在多构造环境共存图(图9)上投点,并以火山岩的时代、层序为依据标绘箭头,以示其顺序先后与演化方向.综合研究表明,本区构造环境从老到新演化过程是:大陆板内(克拉通)→大陆裂谷→陆间裂谷(小洋盆)→火山弧(不成熟→较成熟)→造山带.它是一个完整的开合旋回,也是一个完整的威尔逊(Wilson)构造旋回.它体现了幔壳演化与地壳演化规律:岩浆的酸度加大,钾质增多,地壳厚度增加,地壳也日趋成熟.因此,北秦岭是在陆壳基础上,由开与合作用形成的一个陆间裂谷造山系.4构造岩脉拉张速度的可靠性分析本区构造环境经历了完整的开合旋回,但有关开合的时间、距离、速度尚未进行过定量估算,笔者拟定了开合定量方法并予以估算.估算的依据是以Harland等地质年代表中年龄作为年龄依据;以埃塞俄比亚、肯尼亚、坦桑尼亚等地裂谷玄武岩中的K2O质量分数与裂谷拉张速度关系制作相关图(图10A),以测定拉张速度,并以惰性元素(w(Zr)/w(Y)-w(Zr))图(图10B)核实拉张速度的可靠性;以安第斯、日本、千岛、阿留申群岛、伊朗火山弧高铝玄武岩、安山岩中w(K2O),θ值与闭合速度作图,可确定闭合速度的大小,θ=w(SiO2)-47(Na2O+K2O)/(Al2O3),式中w(SiO2)为质量分数,(Na2O+K2O)/Al2O3为分子数比值.已知速度、时间,则不难确定其距离.分不同带、段与不同时代估算如下.4.1带的平均距离和关闭率(1)底部碱性与拉斑玄武岩nd①拉张时间,以Harland等的寒武纪年龄跨度为准:570-510=60Ma;②拉张速度,以底部碱性与拉斑玄武岩中w(K2O),w(Zr),r平均值在图10中投点可知南带与北带平均值分别为0.26cm/a及0.22cm/a;③拉张距离,以拉张时间乘拉张速度,再乘以2求得(乘2的原因是裂谷两侧反向拉张),南北带拉张平均距离分别为312km及264km.(2)闭合速度-a①闭合距离,以拉张平均距离减去造山带平均宽度(南带25km,北带40km),可算出南北裂谷带闭合的平均最小距离分别为287km及224km;②闭合速度,以高铝玄武岩及安山岩的w(K2O)或θ值,投点于Sugisaki的w(K2O),θ与板块移动速度关系图上,可求出南北裂谷带平均闭合速度分别为4.15cm/a与4.80cm/a;③闭合时间,可以同位素年龄直接测定,也可以间接估算,估算闭合时间是以闭合距离除以2倍的闭合速度(裂谷两侧同时向中心闭合)求得.求出南北裂谷带闭合时间分别为3.46Ma及2.33Ma.4.2拉张速度、距离及裂谷构造的特征以上述估算方法,同样可估算出南北裂谷造山带从东到西不同地段的拉张速度、距离与闭合速度:(1)南带从东(丹凤)→西(黑河),拉张速度为0.28～0.23cm/a,拉张距离为336～276km;闭合速度为3.50～4.80cm/a.(2)北带从东→西,从东二郎坪群→西二郎坪群→云架山群,拉张速度从0.23cm/a→0.22cm/a→0.20cm/a,拉张距离从276km→264km→240km;闭合速度从4.50cm/a→4.80cm/a→5.00cm/a.由上述估算可知,南北裂谷拉张距离约为240～336km,拉张速度约为0.20～0.28cm/a,与红海裂谷特点相似;闭合速度约为3.50～5.00cm/a,则与安第斯的闭合速度近似.而且南、北裂谷从南带到北带,每带从东到西,均有拉张速度、距离变小,闭合速度变