西秦岭印支期花岗岩类岩体地球化学特征及其构造属性

西秦岭印支期花岗岩类岩体地球化学特征及其构造属性

秦岭造山带以宝成铁路线分为东秦岭造山带（东秦岭）和西秦岭造山带（西秦岭）。东秦岭造山带是通过地质、测井和地球物理多科的综合研究，揭示了秦岭北部构造单元和南部秦岭的构造属性。其基本组成包括：暴露的前寒武纪岩块和新元古代底被注入下地壳的基性岩浆岩[1.3]。另一方面，西秦岭的基本性质及其构造属性尚未深入研究。这主要是因为西秦岭缺乏暴露的基础，表面系统被显著性沉积盖层覆盖。结果表明，西秦岭底板的性质及其构造属性之间存在着重要的科学意义。结果表明，西秦岭岩石的构造发育、西秦岭与东秦岭基质的组成关系，以及西秦岭基地与周边华北地块和扬子地块之间的关系具有重要的科学意义。花岗岩岩浆源区的地球化学辐射是揭示地壳基本组成和性质的有效路径。在西秦岭地区，花岗岩岩石分布广泛，但对这些花岗岩的地球化学研究不足。因此，在这项工作中，我们研究了西秦岭花岗岩地球化学和pb-sr-nd相位的组成，并限制了花岗岩岩浆源区域的组成。本文论述了西秦岭地壳的组成和性质。1美武、菲尔德藏岩体宝成铁路线以西的西秦岭造山带,北以唐藏-武山-临夏-贵德断裂为边界与祁连造山带相邻,南以勉略-阿尼玛卿缝合带为边界与巴颜喀拉-松潘造山带和碧口块体相邻(图1).西秦岭显生宙地层系统中主要由泥盆纪到白垩纪的沉积岩系组成,目前尚未见前寒武纪基底岩系暴露的报道.沿西秦岭走向,花岗岩类岩体断续分布,形成时代主要为印支期,岩体出露面积从不足1～500km2以上不等.本次研究考虑到西秦岭花岗岩类岩体的空间分布和岩体的代表性,在沿西秦岭走向约300km的范围内,对糜署岭、温泉、罗坝、美武和达尔藏岩体进行了野外地质观察和样品采集.这些岩体中,糜署岭、温泉和中坝岩体位于西秦岭东部,它们主要侵入于泥盆系沉积系中(图1);美武和达尔藏岩体位于西秦岭中西部,它们侵入于三叠系沉积岩系中(图1).以上5个岩体均以花岗闪长岩为其主要岩石类型.在达尔藏岩体中含有少量的石英闪长岩.从岩相学关系看,石英闪长岩形成于该岩体的早期阶段;在美武、罗坝和温泉岩体中含有少量的黑云母花岗岩,但与花岗闪长岩的接触界线较为模糊,表明黑云母花岗岩和花岗闪长岩具有相近的岩浆侵位时间.花岗闪长岩和花岗岩一般为中粒结构,块状构造,无变质变形,岩石中常见有钾长石斑晶,含量5%～20%不等.花岗闪长岩的主要矿物组成为:石英15%～20%,斜长石30%～45%,钾长石15%～30%,黑云母3%～6%,角闪石1%～3%;黑云母花岗岩的主要矿物为:石英20%～25%,斜长石30%～40%,钾长石25%～35%,黑云母3%～5%.以上岩体均见有数量不等和大小不一的闪长质微粒(暗色)包体,其中以糜署岭岩体最为显著.糜署岭和罗坝岩体的全岩Rb-Sr等时年龄分别为219和233Ma,温泉岩体黑云母K-Ar年龄为223～226Ma,作者新近获得的该岩体SHRIMPU-Pb锆石年龄为223±7Ma(9个锆石测定点,MSWD=1.4).美武岩体的黑云母K-Ar年龄为206～212Ma.达尔藏岩体尚缺乏年代学资料,但考虑到该岩体与上述印支期花岗岩类具有相似的地质特征和岩石学特征,推断该岩体的形成时代也应在印支期.西秦岭花岗岩类的形成时代与东秦岭花岗岩类的形成时代基本一致,它们的形成归结于华北板块与华南板块在印支期的大规模聚敛与碰撞作用.2西秦岭花岗岩的地球化学2.1微量元素特征西秦岭印支期花岗岩类的主量元素和微量元素资料见表1.由表1可见,西秦岭花岗岩类总体化学成分偏基性,5个岩体中作为主体的花岗闪长岩显示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;美武和罗坝岩体中黑云母花岗岩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.所有样品A/CNK变化于0.90～1.05之间,绝大多数样品<1.0,表明西秦岭花岗岩类主要为准铝质岩石(图2),并属于I型花岗岩类.在SiO2-K2O图上(图3),西秦岭花岗岩类属于高钾系列-钾玄质系列岩石.西秦岭花岗岩类在微量元素组成上展现较大的含量变化: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,各岩体岩石具有相似的微量元素原始地幔标准化的分布模型(图4),它们均具有Ba,Nb,P和Ti的负异常,Zr和Hf无明显的异常.在稀土元素组成上,各岩体岩石同样具有相似的球粒陨石标准化的稀土元素组成模式(图5),它们均表现为轻稀土的富集和重稀土的亏损,(La/Yb)N=7.49～28.79,并存在中等程度到弱的负Eu异常,Eu*/Eu=0.39～0.76,反映岩浆源存在残留的斜长石或在岩浆结晶过程中斜长石的分离作用.2.2岩浆源区和分区西秦岭印支期花岗岩类的Sr-Nd同位素资料见表2.所有样品在87Rb/86Sr-87Sr/86Sr图上(图6),存在较好的线性关系,以此线性关系作等时年龄计算,获得的等时年龄为234±26Ma(MSWD=8),并获得ISr=0.70724±21.尽管该等时线样品来自不同的岩体不符合构作等时线的前提条件,其地质意义具有一定的不确定性,但该等时年龄与目前报道的这些岩体的同位素年龄相近,一个可能的解释是这些岩体应形成于同一构造岩浆事件,并具有相似的岩浆源区.以西秦岭花岗岩类的岩浆平均侵位年龄t=220Ma对西秦岭花岗岩类各样品的ISr和εNd(t)值作统一计算,获得的ISr变化于0.70682～0.70845之间,εNd(t)变化于-4.85到-9.17之间,岩体内部和岩体之间ISr和εNd(t)值具有一定的变化,反映西秦岭花岗岩类在岩浆源区组成上存在着一定程度的不均一性.在εNd(t)-ISr图上(图7),所在样品落于第Ⅳ象限,并且εNd(t)和ISr值无相关变化.较低的ISr值表明岩浆物质来自于成熟度较低的地壳物质,而εNd(t)和ISr无明显相关关系反映岩浆中地幔源物质无明显加入.Nd同位素亏损地幔模式年龄(TDM)变化于1.26～1.66Ga之间,明显大于这些岩体的岩浆侵位年龄,说明岩浆物质来自前寒武纪的存留地壳物质.西秦岭和东秦岭的南秦岭构造单元中的印支期花岗岩类在εNd(t)和ISr值上具一定程度的重叠(图7),但大多数南秦岭印支期花岗岩类具有更为偏低的ISr值.2.3全岩初始铅同位素西秦岭印支期花岗岩类全岩Pb同位素资料列于表3.由表可见,西秦岭花岗岩类具有相似的铅同位素组成,它们均以高放射成因的铅同位素组成为特征,其现今的铅同位素比值为206Pb/204Pb=18.432～19.138,207Pb/204Pb=15.591～15.713,208Pb/204Pb=38.482～40.075.根据全岩U,Th,Pb含量和铅同位素比值,以t=220Ma计算的初始铅同位素比值为:206Pb204Pb=17.996～18.468,207Pb/204Pb=15.565～15.677,208Pb204Pb=38.082～38.587.西秦岭印支期花岗岩类的全岩初始铅同位素比值与甘肃礼县地区印支期花岗岩类长石铅同位素比值较为相近,后者2个样品的平均值为206Pb/204Pb=18.358,207Pb/204Pb=15.622,208Pb/204Pb=38.391.说明经时间校正的全岩铅同位素比值与长石铅同位素比值均可有效地反映岩石初始铅同位素比值.西秦岭花岗岩类全岩初始铅同位素比值落于扬子块体中生代花岗岩类的铅同位素组成范围内但与南秦岭印支期花岗岩类长石铅同位素比值存在明显的差异,后者具有相对偏低的放射成因铅同位素组成(图8).3讨论3.1矿物的组成西秦岭花岗岩类地球化学和Sr-Nd同位素组成特征反映它们的岩浆来自地壳物质的部分熔融.因此,西秦岭花岗岩类的源区组成可用来指示西秦岭地壳基底的组成.实验岩石学已证明地壳中基性岩类(玄武质成分)的部分熔融形成化学成分偏基性的准铝质的花岗岩类[16～19],而地壳中碎屑沉积岩类部分熔融形成偏酸性的过铝质花岗岩类.西秦岭花岗岩类总体化学成分偏基性及岩石主体属于准铝质的特征一致于由基性岩类部分熔融实验所形成的花岗岩类与被认为来源于下地壳基性岩类部分熔融形成的花岗岩类相比,西秦岭花岗岩类与之具有相近的主量元素组成(除K2O外)、稀土元素组成模式及ISr值.这反映西秦岭花岗岩类的岩浆源区物质应为地壳中的基性火成岩类(斜长角闪岩).该类源岩的部分熔融作用一般需要较高的温度条件.根据花岗岩类锆石饱和温度的计算方法,计算获得的西秦岭花岗岩类的岩浆温度变化于831℃～970℃之间(表1)平均为906℃,明显高于黑云母发生脱水反应的温度(760℃～830℃).由此反映西秦岭花岗岩类的源岩物质部分熔融作用可能起因于角闪石的脱水反应.这方面同样得到实验岩石学的证明.玄武质成分岩石通过角闪石脱水反应诱发部分熔融形成的熔体是英云闪长质的,其熔融残留体的矿物组合为:斜长石、辉石和Fe-Ti矿物;而流体饱和的部分熔融,熔体成分以富Si和Al为特征,其熔融残留体的矿物组合为:角闪石、单斜辉石、Fe-Ti矿物和少量斜长石.因此,在这两种情况下形成的熔体成分具有明显的差异.由角闪石脱水反应而诱发的部分熔融作用形成的中酸性熔体具有一定程度的负Eu异常.西秦岭花岗岩类具有中等程度的负Eu异常(图5)和化学组成偏于基性的特征一致于岩浆产生玄武质成分岩石角闪石的脱水反应.西秦岭花岗岩类属于高钾到钾玄质岩系,大部分岩石的K2O/Na2O>1,Rb含量大于150µg/g.K和Rb是强不相容元素,源岩物质的部分熔融和岩浆的分异结晶都将导致K和Rb在熔体相中富集.新近基性岩类的熔融实验研究表明,低K镁铁质岩石部分熔融所产生的花岗质熔体具有低K组分,而高K镁铁质岩石部分熔融所产生的花岗质熔体具有高K组分.因此,源区物质的K组分很大程度上决定了花岗质熔体中的K组分特征.为了进一步说明西秦岭花岗岩类富K(Rb)的原因,假定一般玄武岩质岩石经部分熔融形成英云闪长质岩浆的Rb为30µg/g.此岩浆再经分异结晶,岩浆分离相具有闪长岩质的成分,分离矿物相组合为:50%斜长石+30%角闪石+15%黑云母+5%Ti-Fe矿物.应用Rb在上述矿物中的分配系数,并根据岩浆分异结晶中微量元素分配的定量模型计算,当熔体的Rb含量达到西秦岭花岗岩类平均Rb含量180µg/g时,其剩余岩浆的质量分数(F值)小于50%.适当调整分离矿物的比例及岩浆中的初始Rb含量,其F值变化不大.这表明要使一般玄武质岩石部分熔融形成英云闪长质成分的母岩浆分异形成具有西秦岭花岗岩类Rb含量的岩浆,其岩浆分异结晶程度(1-F值)必须达50%以上,并存在大于50%左右的岩浆分异产物(闪长岩质).然而,西秦岭花岗岩类在总体主量元素组成(除K2O外)上接近于英云闪长岩;另外,区域上缺乏与西秦岭花岗岩类伴生的高比例基性岩浆分异物.这表明岩浆分异作用应不是导致西秦岭花岗岩类富Rb的原因.K和Rb是两个密切共生的元素.因此,有理由认为西秦岭花岗岩类高K(Rb)含量反映岩浆源区具有较高的K(Rb)组成,反映其岩浆源区主要应为高K玄武质岩石.西秦岭花岗岩类Sr-Nd同位素组成特征(ISr=0.70682～0.70845,εNd(t)=-4.85到-9.17,TDM=1.26～1.66Ga)反映作为其岩浆源区的高K玄武质岩石在地壳中具有较长的存留时间.虽然目前尚难以确定富K玄武质岩石精确的形成时间,但通过Nd同位素的研究,可以对其形成时代加以限制.以西秦岭花岗岩类εNd(t)平均值(-6.5)代表高K玄武质岩石在220Ma时的εNd(t)值,假设富K玄武质岩石与西秦岭花岗岩类具有相同的147Sm/144Nd比值(平均值为0.109),据此计算高K玄武质岩石在εNd=0时的时间约为900Ma,此年龄应代表高K玄武质岩石形成的最小年龄.一般壳源型花岗岩的TDM大于其原岩物质的形成年龄.因此,西秦岭花岗岩类平均TDM为1.4Ga,该年龄可作为高K玄武质岩石的最老年龄估计.这表明西秦岭基底中的高K玄武质岩石的形成年龄可能介于900～1400Ma之间.这与扬子陆块北缘的南秦岭构造单元中广泛发育中、新元古代火山岩的形成时代基本一致.上述西秦岭花岗岩类岩浆源区性质的研究表明在西秦岭地壳基底中含有时代为中-新元古代的富K质玄武岩层.本文研究的西秦岭花岗岩类具有较大的分布范围,这表明高K质玄武岩层在西秦岭的地壳基底中同样具有较大的分布范围.高K质玄武岩一般属于碱性玄武岩类,通常形成于裂谷带的构造环境或与地幔柱的活动相联系,这是否意味着在西秦岭显生宙沉积盖层之下埋藏一个中新元古代的古裂谷或存在中新元古代地幔柱活动需要在今后的研究中加以考虑.3.2南秦后南秦基底岩块及基底西秦岭带与东秦岭带至少在显生宙具有统一的构造演化.沿商丹-唐藏—武山-临夏断裂,早古生代蛇绿岩块断续分布.在该断裂以南的南秦岭和西秦岭,泥盆系地层呈东西向连续分布,存在大规模的印支期花岗质岩浆活动,但缺乏早古生代花岗质岩浆活动.因此,西秦岭带应相当于东秦岭的南秦岭构造单元.在南秦岭构造单元,有较多的前寒武纪基底岩块的暴露,如鱼洞子群、佛坪群、陡岭群、武当群、耀岭河群和陨西群等.根据张宗清等对上述岩群的同位素年代学研究,这些岩群的形成时代从新太古代、古元古代到新元古代.另一方面,从南秦岭花岗岩类所揭示的深部地壳组成看,南秦岭基底地壳中存在大量的新元古代底侵基性岩层,类似于暴露的耀岭河群基性火山岩.在西秦岭,无前武纪基底岩块暴露,但东部南秦岭的基底岩块是否可以作为西秦岭类花岗岩的岩浆源区需要考虑.从西秦岭花岗岩类与东部南秦岭前寒武纪基底岩系的Nd同位素组成的对比看(表4),这些前寒武纪基底岩系没有一个适合作为西秦岭花岗岩类的岩浆源区.另外,从西秦岭和南秦岭印支期花岗岩类Sr-Nd-Pb同位素组成的对比看(图7和8),两者存在明显的差异.由此认为,尽管西秦岭和南秦岭具有统一的显生宙沉积盖层,但两者具有不同的地壳基底组成,反映秦岭造山带的基底是多块体的拼合.根据花岗岩的地球化学特征及其分布,西秦岭与南秦岭基底的分界应位于西秦岭糜署岭岩体和南秦岭的光头山岩体之间,并且宝成铁路线可作为西秦岭与南秦岭基底组成差异的大致界线(图1).3.3地壳基底结构西秦岭基底在构造归属上是属于华北块体还是属于扬子块体可由地壳增生历史和铅同位素组成两方面进行约束.根据华北陆块和扬子陆块壳源岩石的Nd同位素模式年龄研究,华北块体地壳主体形成于太古宙,并以2.8～2.6Ga为最强烈的地壳增生期,其次为1.8～2.2Ga的地壳增生期,中元古代后华北块体主要以壳内物质的再循环;而扬子陆块地壳主体形成于0.8Ga前的古元古代和中元古代,同时也存在少量太古宙陆核.由此可见,华北块体和扬子块体在地壳增长历史上存在着明显的差异.西秦岭印支期花岗岩类Nd同位素模式年龄为1.26～1.66Ga.反映西秦岭的地壳增长期与扬子块体一致.从而表明西秦岭地壳基底具有扬子块体的构造属性.在铅同位素组成上,华北块体和扬子块体也存在着明显的差异.根据张理刚对中国东部大尺度的中生代花岗岩类铅同位素地球化学填图,华北块体中生代花岗岩类以低放射成因铅同位素组成为特征(206Pb/204Pb<17.8);而扬子块体中生代花岗岩类主要以高放射成因的铅同位素组成(206Pb/204Pb>17.8)但扬子块体同时含有低放射成因铅同位素组成的花岗岩类,如地质和地球化学已证明归属于扬子块体的南秦岭构造单元和大别山超高压