西秦嶺天水—黨川地區(qū)花崗巖的元素地球化學(xué)特征及成因

辛宇佳，黃德志，王顯瑩，劉 震

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083)

秦嶺造山帶是位于中國大陸中部并夾于華北克拉通及揚子克拉通之間的大陸造山帶，研究表明，秦嶺造山帶是加里東期至印支期的碰撞造山帶[1]。秦嶺造山帶以寶成鐵路劃分為東、西兩段，東段為東秦嶺造山帶，西段為西秦嶺造山帶。西秦嶺位于甘肅與青海交界，是秦嶺造山帶的組成部分，它西連東昆侖造山帶，北接祁連山造山帶，處于古亞洲構(gòu)造域、特提斯構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域交匯的特殊地段，是中國中央造山帶的關(guān)鍵部位，具有獨特的大地構(gòu)造位置[2]。西秦嶺中、新生代火山作用是秦嶺地區(qū)自中生代以來經(jīng)歷復(fù)雜的俯沖碰撞-陸內(nèi)疊復(fù)造山過程的重要指示，也承載了西秦嶺地區(qū)乃至中國大陸東西和南北地質(zhì)構(gòu)造演化的深部動力學(xué)機制和背景的大量信息[3]。

西秦嶺至少經(jīng)歷了 4個重要的地質(zhì)演化階段(構(gòu)造旋回)[4-5]：1) 晉寧運動南北大陸對接碰撞和原始中國古陸的形成。其時西秦嶺與東秦嶺為同一個復(fù)合造山帶；2) 中國古陸的裂解及古生代—早三疊紀古特提斯洋的形成。其時西秦嶺屬古特提斯洋的一部分；3)三疊紀末的印支運動，特提斯海消亡，南北大陸再次對接碰撞，西秦嶺褶皺造山；4) 晚中生代—新生代西秦嶺的陸內(nèi)造山作用，主要以強烈的夷平作用和一系列近南北向的中、新生代斷陷盆地的形成為特征。根據(jù)高原夷平面的發(fā)育情況以及中、新生代斷陷盆地的特征，推測晚中生代—新生代西秦嶺的陸內(nèi)造山作用與印度板塊與歐亞大陸的碰撞和青藏高原的強烈隆升有關(guān)[6]。

目前，對于東秦嶺造山帶研究較多，在造山帶構(gòu)造格局、巖石圈結(jié)構(gòu)特征、高壓-超高壓變質(zhì)作用及其地球動力學(xué)機制等方面取得了令人矚目的成果[7]，而西秦嶺地區(qū)由于交通及地形的限制，研究相對較薄弱。前人的研究主要集中于西秦嶺地區(qū)關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖套及具有縫合線意義的勉略帶等地區(qū)，對于西秦嶺地區(qū)的花崗巖的研究則相對較少。因此，對西秦嶺地區(qū)花崗巖進行詳細系統(tǒng)地研究，對于確定西秦嶺造山帶的構(gòu)造演化以及東、西秦嶺造山帶的對比具有重要意義。

1 地質(zhì)背景簡述

圖1 西秦嶺天水-黨川地區(qū)地質(zhì)簡圖[8]：Q+N—新生代；Mz—中生代；C—石炭系；D3dc—大草灘群；D2Sh—舒家壩群；D2x—西漢水群；D—泥盆系；Pt1C—草灘溝群；Pz1t—太陽寺巖組；Pz1l—李子園群；GzΦ—關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖；Pt1Q—秦嶺群；γ5—印支期花崗巖；γ4—加里東期花崗巖；δ4—加里東期閃長巖；δO4—加里東期石英閃長巖；△—馬家坪二長花崗巖取樣點；○—牛頭河群黑云母變粒巖取樣點Fig. 1 Simplified geological map of Tianshui-Dangchuan Area in West Qinling[8]: Q+N—Cenozoic; Mz—Mesozoic; C—Carboniferous; D3dc—Dacaotan Gr; D2Sh—Shujiaba Gr; D2x—Xihanshui Gr; D—Devonian; Pt1C—Caotangou Gr; Pz1t—Taiyangsi Fm; Pz1l—Liziyuan Gr; GzΦ—Guanzizhen ophiolite; Pt1Q—Qinling Gr; γ5—Granites of Indosinian; γ4—Granites of Caledonian; δ4—Diorites of Caledonian; δO4—Quartz diorites of Caledonian; △—Sampling point of Majiaping monzogranite; ○—Sampling point of Niutouhe Group biotite leptynite

本次的研究區(qū)域在地理位置上位于甘肅省天水市黨川縣至張家川縣之間(見圖1)；在構(gòu)造位置上處于西秦嶺造山帶內(nèi)。該區(qū)的北側(cè)以寶雞—天水?dāng)嗔褳榻缗c祁連造山帶的東段相鄰，南側(cè)—西南側(cè)為北西西向的唐藏—天水?dāng)嗔?，該斷裂被認為是東秦嶺地區(qū)商丹斷裂的西延，在天水以西尖滅，并與祁連山南緣斷裂相接[8-12]。

研究區(qū)出露的前寒武紀基底巖系為古元古代秦嶺巖群，該巖群受到高角閃石相的變質(zhì)作用，主要由含石榴石黑云斜長片麻巖組成，含少量斜長角閃巖、大理巖和變粒巖等[13]；顯生宙地層主要為早古生代牛頭河群、舒家壩群和草灘溝群(二郎坪群)及中生代陸相砂礫巖。

研究區(qū)域內(nèi)的黨川地區(qū)花崗巖類巖石廣泛分布，它們主要侵位于秦嶺巖群和草灘溝群中。黨川地區(qū)花崗巖先前稱之為黨川復(fù)式巖體[13]，根據(jù)近期的研究，黨川復(fù)式巖體“解體”為7個巖體，分別為：吳砦巖體、秦嶺大堡巖體、石門巖體、太碌巖體、黨川巖體、火炎山巖體及百花巖體[14]，其中，吳砦、大堡、石門為中生代巖體，而太碌、黨川、火炎山百花則為早古生代巖體。

本文作者研究的兩組樣品分別采自天水以北的牛頭河群中的黑云母變粒巖及花廟南部馬家坪附近的二長花崗巖(以下簡稱馬家坪二長花崗巖)。牛頭河群中的黑云母變粒巖主要由斜長石、石英和黑云母組成，黑云母富集成帶；馬家坪二長花崗巖位于黨川巖體南部，主要由石英、斜長石及鉀長石組成，暗色礦物主要為黑云母，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

2 樣品采集和分析方法

樣品的采集是沿著公路進行的，共采集樣品 12個。采集的樣品大多新鮮無風(fēng)化，少部分樣品表面有輕微風(fēng)化。經(jīng)薄片鑒定后，送樣進行分析測試。巖石主量、稀土、微量元素化學(xué)分析均在國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進行測試，主量元素采用X射線熒光光譜儀(XRF)法分析，分析精度優(yōu)于1%；稀土及微量元素用等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析，分析精度優(yōu)于5%，分析結(jié)果列于表1和2。

3 結(jié)果

3.1 主量元素

馬家坪二長花崗巖及牛頭河群黑云母變粒巖的主量元素數(shù)據(jù)見表1。

由表 1可見，馬家坪二長花崗巖的w(SiO2)為68.14%～69.92%，SiO2含量較高。w(K2O) 為 4.21%～4.53%，w(Na2O) 為 4.29%～5.57%，w(Na2O+K2O) 為8.8%，富堿，K2O與 Na2O的含量相差不大，w(Na2O)/w(K2O)= 1.01，略顯富Na。馬家坪二長花崗巖的w(Al2O3)為15.08%～15.36%，Al2O3含量高，鋁指數(shù)A/CNK= 0.97～1.03，平均0.99＜1.1，樣品在ANK—ACNK圖解(見圖2)中基本位于偏鋁質(zhì)區(qū)域內(nèi)，表明馬家坪二長花崗巖為偏鋁質(zhì)巖石。馬家坪二長花崗巖的里特曼指數(shù)σ為2.84～3.07，均小于3.3，屬鈣堿性系列。牛頭河群黑云母變粒巖的w(SiO2)為 69.3%～71.17%，SiO2含量很高，具有秦嶺地區(qū)新元古代早期花崗巖高SiO2含量高的特點。牛頭河群黑云母變粒巖A/CNK比值(分子數(shù)比值)明顯大于1.1，且在ANK—ACNK 圖解均落入過鋁質(zhì)區(qū)域中(圖 2)，屬過鋁質(zhì)巖石。樣品的w(K2O)/w(Na2O)大于1，說明樣品相對富集 K。樣品的w(Al2O3)/w(Ti2O)比值較小，小于 67，而w(CaO)/w(Na2O)比值較大，明顯大于 0.3，樣品的w(MgO)/w(TFeO)為 0.24，w(MgO)/w(MnO)為 15.57，w(Al2O3)/w(Na2O+K2O)為 2.29，大于 1.1，類似于“高溫型”碰撞帶花崗巖類巖石的成分特點，樣品的σ值(里特曼指數(shù))平均為1.42，明顯小于3.3，屬鈣堿性巖系。

表1 馬家坪二長花崗巖和牛頭河群黑云母變粒巖主量元素數(shù)據(jù)Table 1 Major element compositions of Majiaping monzogranite and Niutouhe Group biotite leptynite (mass fraction, %)

表2 馬家坪二長花崗巖和牛頭河群黑云母變粒巖微量及稀土元素成分Table 2 Trace and rare earth element compositions of Majiaping monzogranite and Niutouhe Group biotite leptynite (10-6)

主量元素對比可以看出，馬家坪二長花崗巖的Al2O3及Na2O+K2O含量明顯偏高，Na、K含量相差不大，而牛頭河群的黑云母變粒巖的SiO2含量很高，并明顯富鉀，二者均為鈣堿性巖石，但馬家坪二長花崗巖為偏鋁質(zhì)，牛頭河群黑云母變粒巖則為過鋁質(zhì)。

圖2 ANK—ACNK圖解Fig. 2 ANK—ACNK diagram(A—Al2O3，CNK— CaO+Na2O+K2O)

3.2 微量及稀土元素

馬家坪二長花崗巖及牛頭河群黑云母變粒巖的微量及稀土元素數(shù)據(jù)見表2。

從馬家坪二長花崗巖及牛頭河群黑云母變粒巖的微量元素分布圖(見圖3和4)上可以看出，在微量元素組成上，馬家坪二長花崗巖和牛頭河群黑云母變粒巖均富集La、Th、K等大離子親石元素，而貧P、Ti、Nb、Ta等高場強元素，Ti、Nb、Ta的虧損為典型的“TNT異?！?，顯示二者可能形成于島弧環(huán)境或可能存在某種構(gòu)造熱事件(拆沉作用或底侵巖漿作用)[15-16]。兩者不同的是馬家坪二長花崗巖具有極高含量的 Sr(579×10-6～1 120×10-6)和 Ba(2 350×10-6～2 470×10-6)，而牛頭河群黑云母變粒巖則明顯的貧 Sr和 Ba。馬家坪二長花崗巖的 Y(7.86×10-6～10.2×10-6)和 Yb(0.72×10-6～0.98×10-6)含量極低，w(Sr)/w(Y)(64.10～132.32)和w(La)/w(Yb) (37.97～50.69)極高，這也明顯地區(qū)別于牛頭河群黑云母變粒巖。

在稀土元素組成上，馬家坪二長花崗巖和牛頭河群黑云母變粒巖的稀土元素總量均較高(分別為227.9×10-6和 233.9×10-6)，從稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分配圖(見圖5和6)可以看出，二者均為明顯的輕稀土元素富集型，所不同的是馬家坪二長花崗巖更強烈的虧損重稀土元素，其∑LREE/∑HREE= 11.62(遠大于地球平均值1.15)及w(La)N/w(Yb)N=46.2，遠大于牛頭河群黑云母變粒巖的∑LREE/∑HREE=4.26和w(La)N/w(Yb)N=9.83，顯示更加強烈的輕重稀土元素分餾的特征。馬家坪二長花崗巖δEu=0.93，銪異常不明顯，而牛頭河群黑云母變粒巖 δEu為 0.5，銪具負異常。

圖3 馬家坪二長花崗巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的微量元素分布圖[17]Fig. 3 Chondrite-normalized trace elements patterns for Majiaping monzogranite (Chondrite data from Tompson, 1982) [17]

圖4 牛頭河群黑云母變粒巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化微量元素分布圖[17]Fig. 4 Chondrite-normalized trace elements patterns of Niutouhe Group biotite leptynite (Chondrite data from Tompson, 1982) [17]

圖5 馬家坪二長花崗巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的稀土分布模式圖[17]Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns for Majiaping monzogranite (Chondrite data from Taylor et al., 1985)[17]

圖6 牛頭河群黑云母變粒巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土分布模式圖[17]Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns for Niutouhe Group biotite leptynite (Chondrite data from TAYLOR et al, 1985)[17]

4 討論

天水-黨川地區(qū)馬家坪二長花崗巖和牛頭河群黑云母變粒巖主量元素及微量稀土元素的差異，反映它們可能有著不同的成因或巖漿源區(qū)組成。

馬家坪二長花崗巖具有強烈的虧損重稀土元素，極高含量的 Sr(579×10-6～1 120×10-6)及 Ba(2 350×10-6～2 470×10-6)，極低含量的 Y(7.86×10-6～10.2×10-6)及 Yb (0.72×10-6～0.98×10-6)，極高的w(Sr)/w(Y)(64.10～132.32)和w(La)/w(Yb)(56.33～ 75.19)，略富 Na，富 Al2O3等特征，這與近年來廣泛受關(guān)注的埃達克巖的特征(w(SiO2)≥56.0%，富 Na，w(Na2O)/w(K2O)≥1，w(Al2O3)≥15.0%，虧損 Y 和重稀土元素，w(Y)≤18×10-6，w(Yb)≤1.9×10-6，高 Sr，很少≤400×10-6，w(La)/w(Yb)≥10.0～20.0，w(Sr)/w(Y)≥40.0[17-19])極其相符。在w(La)/w(Yb)N—(Yb)N和w(Sr)/w(Y)—w(Y)圖解(見圖7和8)上，馬家坪二長花崗巖均落入埃達克巖的范圍內(nèi)，表明其應(yīng)具有埃達克巖的地球化學(xué)屬性，而其所具有的 Na、K 含量相當(dāng)，略富Na(w(Na2O)/w(K2O)=1.01)以及低Mg#(Mg#=34.3＜50.0)的特征，顯示馬家坪二長花崗巖明顯區(qū)別于由俯沖板片的熔融形成的Ⅰ型埃達克巖(O型)，基本與Ⅱ型埃達克巖(C型)相類似，在Mg#—w(SiO2)圖解(見圖9)中，馬家坪二長花崗巖均落入地殼來源的Ⅱ型埃達克巖(C型)區(qū)域內(nèi)，顯示其形成與增厚的下地殼的熔融有關(guān)[21-23]。

圖7 w(La)N/w(Yb)N—w(Yb)N構(gòu)造環(huán)境判別圖[24]Fig. 7 w(La)N/w(Yb)N—w(Yb)N discrimination diagrams for tectonic settings[24]

圖8 w(Sr)/w(Y)—w(Y) 構(gòu)造環(huán)境判別圖[25]Fig. 8 w(Sr)/w(Y)—w(Y) discrimination diagrams for tectonic settings[25]

馬家坪二長花崗巖的地球化學(xué)特征顯示，其巖漿源區(qū)應(yīng)殘留有石榴石且部分熔融的壓力很高(高Sr，低Y及HREE)，而沒有或很少斜長石(Eu異常不明顯)，而高Al和Na且偏鋁質(zhì)的特征顯示其源區(qū)巖石應(yīng)為玄武質(zhì)巖石組成[26-29]，因而其應(yīng)為造山作用晚期后碰撞階段因幔源巖漿的底侵作用導(dǎo)致地殼增厚而使地?zé)崽荻仍龃髮?dǎo)致新底侵玄武質(zhì)巖石部分熔融所形成。

牛頭河群黑云母變粒巖在(La/Yb)N—(Yb)N和w(Sr/Y)—w(Y)圖解(見圖 7和 8)中，落入了經(jīng)典島弧巖石的范圍內(nèi)，顯示其原巖形成可能與弧環(huán)境有關(guān)。其主量元素特征顯示，牛頭河群黑云母變粒巖原巖可能形成于碰撞環(huán)境。牛頭河群黑云母變粒巖微量元素的標(biāo)準(zhǔn)化圖解的顯著特征是元素Ba、Nb、Sr、P、Ti顯示明顯負異常，Nb的負異常反映該花崗巖更具大陸殼的特征，推測樣品應(yīng)為具大陸弧背景的造山花崗巖[30]，Sr和Ba的異?？赡苁菐r漿演化早期斜長石的結(jié)晶分離的結(jié)果。根據(jù)w(Nb)—w(Y)及w(Rb)—w(Yb+Nb)及R1—R2圖解(見圖10、11和12)可發(fā)現(xiàn)，牛頭河群的黑云母變粒巖均落入同碰撞花崗巖(Syn-CLOG)和火山弧花崗巖(VAG)區(qū)域內(nèi)；而根據(jù)w(FeOt)/w(FeOt+MgO)—w(SiO2)、w(FeOt)—w(MgO)及w(FeOt+MgO)—w(CaO)圖解(見圖 13、14和 15)可見，牛頭河群黑云母變粒巖基本都落入IAG+CAG+CCG(造山環(huán)境)區(qū)域內(nèi)，而根據(jù)其A/CNK比值大于1.1可知，牛頭河群黑云母變粒巖的原巖應(yīng)屬 CCG類花崗巖，即大陸碰撞花崗巖[29]。

圖9 Mg#—w(SiO2) 構(gòu)造環(huán)境判別圖[31]Fig. 9 Mg#—w(SiO2) discrimination diagrams for tectonic settings[31] (Mg#=100n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe)])

圖10 w(Nb)—w(Y)構(gòu)造環(huán)境判別圖[32-34]：Syn-CLOG—同碰撞花崗巖；VAG—島弧花崗巖；ORG—洋脊花崗巖；WGP—板內(nèi)花崗巖Fig. 10 w(Nb)—w(Y) discrimination diagrams for tectonic settings[32-34]

圖11 w(Rb)—w(Yb+Nb)構(gòu)造環(huán)境判別圖[32-34]：Syn-CLOG—同碰撞花崗巖；VAG—島弧花崗巖；ORG—洋脊花崗巖；WGP—板內(nèi)花崗巖Fig. 11 w(Rb)—w(Yb+Nb) discrimination diagrams for tectonic settings[32-34]

圖12 R1—R2構(gòu)造環(huán)境判別圖[17]：1—幔源花崗巖；2—板塊碰撞前消減地區(qū)花崗巖；3—板塊碰撞后隆起花崗巖；4—晚造山期花崗巖；5—非造山期花崗巖；6—地殼熔融的花崗巖；7—造山后期A型花崗巖Fig. 12 R1—R2 discrimination diagrams for tectonic settings[17]:1—Mantle fractionates; 2—Pre-plate collision; 3—Post-collision uplift; 4—Late-orogenic; 5—Anorogenic; 6—Syn-collision; 7—Post-orogenic; R1=4n(Si)-11[n(Na)+n(K)]-2[n(Fe)+n(Ti)]; R2=6n(Ca)+2n(Mg)+n(Al)

圖13 w(FeOt)/w(FeOt+MgO)—w(SiO2)構(gòu)造環(huán)境判別圖[35]：IAG—島弧花崗巖；CAG—大陸弧花崗巖；CCG—大陸碰撞花崗巖；POG—后造山花崗巖；RRG—與裂谷有關(guān)的花崗巖；CEUG—與大陸的造陸抬升有關(guān)的花崗巖Fig. 13 w(FeOt)/w(FeOt+MgO)—w(SiO2) discrimination diagrams for tectonic settings[35]

圖14 w(FeOt)—w(MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖[35]Fig. 14 w(FeOt)—w(MgO) discrimination diagrams for tectonic settings[35]

圖15 w(FeOt+MgO)—w(CaO)構(gòu)造環(huán)境判別圖[35]Fig. 15 w(FeOt+MgO)—w(CaO) discrimination diagrams for tectonic settings[35]

結(jié)合各圖解及主量稀土微量元素特征可知，牛頭河群黑云母變粒巖的原巖為過鋁質(zhì)的鈣堿性花崗巖，形成于大陸碰撞環(huán)境，可能為造山過程中因地殼中碎屑沉積巖類部分熔融而形成的S型花崗巖[36-37]，為造山過程的產(chǎn)物。

由前人資料可知，牛頭河群黑云母變粒巖的時代大致為早古生代[13]。在早古生代，由于南華紀裂解作用而從揚子克拉通北緣裂離的中秦嶺和北秦嶺同向南漂移的華北克拉通相拼貼[1]，牛頭河群黑云母變粒巖則是在中秦嶺和北秦嶺同華北克拉通碰撞過程中形成的，是陸陸碰撞過程中造山作用的產(chǎn)物。而馬家坪二長花崗巖前人資料中并未詳述其形成時代，但通過同黨川地區(qū)出露的各種花崗巖體對比可知，其形成時代應(yīng)與秦嶺大堡巖體相近，秦嶺大堡巖體的Rb-Sr等時線年齡為212 Ma(晚三疊世)[14]。在早、中三疊世，揚子克拉通與已于早古生代統(tǒng)一的華北-北秦嶺-中秦嶺地塊相拼合，晚三疊世，整個秦嶺造山帶已進入陸內(nèi)發(fā)展階段，產(chǎn)生大規(guī)模推覆和滑移[1]，馬家坪二長花崗巖可能就是于此過程中因地殼增厚而使下地殼部分熔融所形成的。

5 結(jié)論

1) 馬家坪二長花崗巖具有Ⅱ型埃達克巖(C型)的地球化學(xué)特征，是造山作用晚期后碰撞階段地殼增厚而使地?zé)崽荻仍龃髮?dǎo)致新底侵玄武質(zhì)巖石部分熔融形成的，地殼的增厚則與晚三疊世秦嶺造山帶陸內(nèi)大規(guī)模推覆和滑移有關(guān)。

2) 牛頭河群黑云母變粒巖屬大陸碰撞花崗巖，可能為造山過程中因地殼中碎屑沉積巖類部分熔融而形成，其形成與早古生代中秦嶺和北秦嶺同華北克拉通強烈碰撞相關(guān)聯(lián)，是陸陸碰撞過程中造山作用的產(chǎn)物。

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