南秦嶺早古生代玄武巖的巖漿源區(qū)及演化過程*

張方毅 賴紹聰** 秦江鋒 朱韌之 趙少偉 楊航 朱毓 張澤中

1. 西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，西安 7100692. 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，西安 710054

秦嶺造山帶是分隔中國南北大陸的復(fù)合型碰撞造山帶，北部的商丹縫合帶及南部的勉略縫合帶將其劃分為北秦嶺及南秦嶺兩個(gè)構(gòu)造單元(張國偉等, 1996, 2001; 賴紹聰?shù)? 2003)。南秦嶺構(gòu)造帶處于秦嶺造山帶與揚(yáng)子板塊的接合部位，其構(gòu)造位置的特殊性及構(gòu)造演化的復(fù)雜性長久以來受到學(xué)者的廣泛關(guān)注(趙國春等, 2003; Dongetal., 2017; Zhao and Asimow, 2018)。在南秦嶺北大巴山地區(qū)早古生代地層中廣泛出露一套由堿性超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)巖脈、雙峰式堿性火山雜巖(堿性玄武巖和粗面巖)及少量碳酸巖-正長巖雜巖組成的巖漿雜巖帶，為秦嶺造山帶早古生代構(gòu)造演化、深部地幔狀態(tài)和地球動(dòng)力學(xué)過程等問題的探討提供了重要的地質(zhì)載體(張成立等, 2002, 2007; Xuetal., 2008; 王存智等, 2009; 鄒先武等, 2011; 陳虹等, 2014; 萬俊等, 2016)。前人已對(duì)區(qū)內(nèi)的基性巖墻、堿性玄武巖及其攜帶的幔源捕擄體開展了巖石學(xué)、礦物學(xué)及地球化學(xué)研究(黃月華等, 1992; 黃月華, 1993; 夏林圻等, 1994; 徐學(xué)義等, 1996, 1997, 2001; Wangetal., 2015)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為該套巖系中的粗面巖與玄武巖為同期巖漿產(chǎn)物，共同構(gòu)成了雙峰式火山巖組合，代表了早古生代晚期南秦嶺被動(dòng)陸緣裂陷拉張作用的產(chǎn)物(黃月華等, 1992; 張成立等, 2002, 2007; Zhangetal., 2017)；部分學(xué)者則認(rèn)為這套基性巖墻和堿質(zhì)火山雜巖形成于弧后拉伸環(huán)境(王宗起等, 2009; Wangetal., 2015)；此外，還有學(xué)者認(rèn)為堿質(zhì)火山巖與伴生的沉積巖地層形成于大洋板內(nèi)環(huán)境(向忠金等, 2010, 2016)。前人研究多聚焦于堿質(zhì)火山巖及超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)巖脈，但對(duì)同期產(chǎn)出的鈣堿質(zhì)/拉斑質(zhì)巖漿巖卻鮮有報(bào)道。共生巖石組合研究的缺失也是造成堿性巖石成因及構(gòu)造屬性爭議的原因。本文以嵐皋地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的亞堿性玄武巖為研究對(duì)象，通過系統(tǒng)的礦物學(xué)及巖石地球化學(xué)研究來探討火山巖的演化過程、源區(qū)屬性及其深部動(dòng)力學(xué)過程，為認(rèn)識(shí)秦嶺造山帶早古生代巖漿作用及構(gòu)造背景提供進(jìn)一步的參考和制約。

1 地質(zhì)背景及巖石學(xué)特征

南秦嶺構(gòu)造帶北側(cè)以商丹縫合帶為界與北秦嶺相接，南側(cè)以勉略縫合帶為界與揚(yáng)子板塊毗鄰(張國偉等, 2001; Dong and Santosh, 2016)。南秦嶺在晚古生代之前屬于揚(yáng)子板塊北緣的一部分，并接受被動(dòng)陸緣沉積(Dong and Santosh, 2016)。研究區(qū)位于南秦嶺北大巴山造山帶內(nèi)部(圖1a)，區(qū)內(nèi)主要出露早古生代地層，局部出露鄖西群與耀嶺河群等中-新元古代淺變質(zhì)巖系。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有大量NWW-SEE向逆沖推覆斷層，其中以紅椿壩斷裂和大巴山弧形斷裂為主要斷裂(圖1b)。

南秦嶺構(gòu)造帶內(nèi)巖漿活動(dòng)主要包括新元古代與早古生代兩期，新元古代巖漿活動(dòng)以武當(dāng)?shù)貕K內(nèi)的基性巖墻群以及鳳凰山地區(qū)的花崗巖為主(李建華等, 2012; Zhao and Asimow, 2018)，而早古生代巖漿活動(dòng)則以北大巴山紫陽-嵐皋地區(qū)發(fā)育的堿性巖墻群及火山巖為代表(張成立等, 2002, 2007)。南秦嶺早古生代堿性巖墻群主要由輝綠巖、閃長巖、正長巖及輝石巖組成，集中出露于紫陽縣紅椿壩-瓦房店斷裂以南的早古生代地層中(圖1b)，其結(jié)晶年齡為410～450Ma(王存智等, 2009; Wangetal., 2015; 向忠金等, 2016; Zhangetal., 2017)。脈體寬數(shù)十米至百余米，長達(dá)數(shù)百米到數(shù)千米不等，沿區(qū)域造構(gòu)線呈北西-南東向展布。巖脈多呈順層侵入或小角度切割早古生代及之前地層。巖脈以輝綠巖為主，多具輝綠結(jié)構(gòu)，主要礦物包括斜長石、單斜輝石及角閃石，副礦物包括鈦磁鐵礦、磷灰石及榍石(張方毅等, 2020)。

堿質(zhì)火山雜巖主要出露于北大巴山嵐皋-平利地區(qū)，雜巖體呈NWW-SEE向展布，與區(qū)域內(nèi)構(gòu)造線及巖脈走向基本一致(圖1b)。巖性主要包括基性火山巖及粗面巖兩類。前人將出露于嵐皋地區(qū)的堿性玄武質(zhì)火山雜巖命名為滔河口組，時(shí)代為早志留世(李育敬, 1989)。滔河口組主要由堿性玄武巖、火山角礫巖及凝灰?guī)r組成，內(nèi)部夾少量正常海相沉積巖。該組與下伏奧陶系板巖、泥質(zhì)灰?guī)r及下志留統(tǒng)灰?guī)r、頁巖呈斷層接觸關(guān)系，與上覆中志留統(tǒng)筆石頁巖呈整合接觸關(guān)系(雒昆利和端木和順, 2001)。垂向上具有下部為堿性玄武巖，上部為火山碎屑巖與碳酸鹽巖組合的結(jié)構(gòu)特征(向忠金等, 2010)。金云母Ar-Ar定年結(jié)果顯示這套火山雜巖形成于446～408Ma之間，與堿性巖墻為同期巖漿活動(dòng)(向忠金等, 2016; Wangetal., 2017)。

2 樣品采集和巖相學(xué)特征

本文研究的玄武巖樣品(TDW-2)采自嵐皋縣銅洞灣(圖1b)。玄武巖整體呈暗灰綠色(圖2a)，具斑狀結(jié)構(gòu)(圖2c)，塊狀構(gòu)造。斑晶礦物以單斜輝石為主，前人將該套玄武巖定名為輝石玢巖(圖2c; 黃月華等, 1992)，僅在部分金伯利巖亞類及輝橄玢巖中發(fā)現(xiàn)少量橄欖石假象(徐學(xué)義等, 2001)，此外還在部分火山巖中發(fā)現(xiàn)少量鈦閃石與斜長石斑晶(陳友章等, 2010; Wangetal., 2015)。本文所研究的玄武巖樣品中單斜輝石為唯一的斑晶礦物，其含量為20%～40%，自形程度較高，粒徑在0.5～4mm之間。單斜輝石發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu)，自核部至邊部Mg含量逐漸降低，而Fe含量逐漸升高。單斜輝石富鐵的邊部會(huì)出現(xiàn)少量磁鐵礦及榍石的包裹體，反映了輝石與熔體再平衡作用。玄武巖基質(zhì)具間隱至間粒結(jié)構(gòu)，主要由斜長石、單斜輝石微晶、玻璃質(zhì)、磷灰石、榍石及綠泥石組成。部分樣品中發(fā)育有杏仁構(gòu)造，杏仁內(nèi)部填充有方解石。

圖2 南秦嶺玄武巖巖相學(xué)特征玄武巖(a)和玄武質(zhì)火山角礫(b)野外照片，玄武巖(c)和玄武質(zhì)火山角礫(d) 正交偏光鏡下照片.Cpx-單斜輝石；Chl-綠泥石Fig.2 Petrography of the basalts from the South Qinling BeltPhotographs of the basalt (a) and of the basaltic volcanic breccias (b), microscopic photos of the basalts (c) and the basaltic volcanic breccias (d) (under crossed polarized light). Cpx-clinopyroxene; Chl-chlorite

玄武質(zhì)火山角礫樣品(TDW-13)采自嵐皋縣方埡村(圖1b)?；鹕浇堑[巖呈深灰色至灰黑色，角礫成分復(fù)雜，主要包括玄武質(zhì)角礫、凝灰質(zhì)角礫及少量地殼巖石捕擄體。角礫大小變化較大，粒徑由1～20cm不等，多呈棱角狀或不規(guī)則狀，部分呈渾圓狀，無分選，顆粒支撐。膠結(jié)物由細(xì)粒巖屑、單斜輝石晶屑及火山灰組成。本文所采火山角礫樣品為大塊的玄武質(zhì)火山角礫(圖2b)，角礫整體呈灰黑色，具斑狀結(jié)構(gòu)(圖2d)。斑晶為單斜輝石，含量為25%～50%，自形程度高，粒徑在0.5～8mm之間?；|(zhì)主要由斜長石、單斜輝石微晶、磷灰石、榍石及綠泥石組成。

3 樣品分析方法

分析測試工作在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。單斜輝石的主量元素分析在JXA-8230型電子探針儀上完成，加速電壓15kV，束流10nA，束斑半徑1μm，標(biāo)準(zhǔn)樣品由SPI公司提供。

分析測試全巖樣品是在巖石薄片鑒定的基礎(chǔ)上，選取新鮮的、無后期交代脈體貫入的樣品，用小型顎式破碎機(jī)擊碎成直徑約5～10mm的細(xì)小顆粒，然后用蒸餾水洗凈、烘干，最后用瑪瑙研缽?fù)斜P在振動(dòng)式碎樣機(jī)中碎至200目。

主量和微量元素在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素采用XRF(RIX2100-XRF)法完成，分析相對(duì)誤差一般低于5%。微量元素用Agilent 7500a ICP-MS進(jìn)行測定，分析精度和準(zhǔn)確度一般優(yōu)于10%，詳細(xì)的分析流程見文獻(xiàn)(劉曄等, 2007)。

Sr-Nd同位素分析在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。Sr、Nd同位素分別采用AG50W-X8(200～400mesh)和HDEHP(自制)AG1-X8(200～400mesh)離子交換樹脂進(jìn)行分離，同位素的測試則在該實(shí)驗(yàn)室的多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS，Nu Plasma HR，Nu Instruments，Wrexham，UK)上采用靜態(tài)模式(Static mode)進(jìn)行。

4 分析結(jié)果

4.1 全巖主量元素特征

南秦嶺地區(qū)玄武巖和玄武質(zhì)角礫的主量元素和微量元素分析結(jié)果列于表1。玄武巖樣品SiO2含量在44.96%～45.62%之間，巖石TiO2含量較高，為3.26%～3.53%。Fe2O3T含量為11.63～12.10%，MgO含量為12.57%～13.20%，Mg#值為72。CaO含量高，為16.45～16.60%，CaO/Al2O3=2.65～2.68。與區(qū)域內(nèi)廣泛分布的堿性巖石不同，巖石全堿含量低，Na2O=0.68%～0.99%，K2O=0.27%～0.29%，在SiO2-(K2O+Na2O) 系列劃分圖解(圖3)中，所有樣品投影點(diǎn)均位于亞堿性系列范圍內(nèi)，總體上玄武巖具高鎂、高鈣、富鈦、貧硅的特征。

表1 南秦嶺玄武巖及玄武質(zhì)火山角礫主量(wt%)及微量元素(×10-6)分析結(jié)果

圖3 南秦嶺玄武巖及玄武質(zhì)角礫巖TAS分類圖(據(jù)Le Bas et al., 1986)所有樣品已標(biāo)準(zhǔn)化至100%.南秦嶺早古生代堿性鎂鐵質(zhì)巖石引自Wang et al. (2017)Fig.3 Total alkali vs. SiO2 (TAS) diagram for the basalts and basaltic volcanic breccias from the South Qinling Belt (after Le Bas et al., 1986)All samples are normalized to 100%. The data for Early Paleozoic mafic rocks in the South Qinling Belt from Wang et al. (2017)

玄武質(zhì)角礫與玄武巖成分類似，SiO2含量在42.32%～42.97%之間，TiO2含量為2.92%～2.96%，MgO含量為11.14%～11.26%，Mg#值介于66～67之間。CaO為17.05%～17.29%，CaO/Al2O3=2.19～2.23。全堿含量低，Na2O=0.71%～0.73%， K2O=0.28%～0.33%， 在SiO2-(K2O+Na2O) 系列劃分圖解(圖3)中，所有樣品投影點(diǎn)也位于亞堿性系列范圍內(nèi)。總體上具高鎂、高鈣、更富鈦、貧硅的特征。

4.2 全巖微量元素特征

南秦嶺地區(qū)玄武巖稀土總量高，一般在191.6×10-6～205.0×10-6之間，平均值為197.9×10-6(表1)。巖石La/Yb介于28.7～31.5之間，平均值為30.5，輕重稀土分餾較為明顯。Dy/Yb介于3.2～3.3之間，平均值為3.3。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖上表現(xiàn)為右傾的曲線(圖4b)。樣品無Eu異常，Eu/Eu*值在1.00～1.02之間。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖4a)，所有樣品顯示出富集強(qiáng)不相容元素Th、U、Nb和Ta，而虧損Rb、K、Sr、P、Zr和Hf的分布特點(diǎn)，總體上具有板內(nèi)玄武巖微量元素的一般特征。

圖4 南秦嶺玄武巖及玄武質(zhì)角礫原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(a, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù) McDonough and Sun, 1995)和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖解(b, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)及其校正后的對(duì)應(yīng)圖(c、d) 單斜輝石成分據(jù)向忠金等, 2010Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams (a, normalization values after McDonough and Sun, 1995) and chondrite-normalized REE distribution patterns (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) for the basalts and basaltic volcanic breccias from the South Qinling Belt and their reconstructed diagrams (c, d)Cpx compositions after Xiang et al., 2010

玄武質(zhì)角礫稀土總量也較高，在106.5×10-6～107.7×10-6之間。角礫La/Yb介于18.9～19.5之間，平均值為19.1，輕重稀土分餾較為明顯。Dy/Yb平均值為2.9。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖上(圖4b)，玄武質(zhì)角礫顯示為右傾負(fù)斜率輕稀土富集型配分模式，與典型的板內(nèi)玄武巖稀土元素地球化學(xué)特征基本一致。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖4a)，所有樣品顯示出富集強(qiáng)不相容元素Ba、Nb和Ta，而虧損Rb、K、Th、U、Zr和Hf的分布特點(diǎn)，總體上也具有板內(nèi)玄武巖微量元素的一般特征。與玄武巖相比，玄武質(zhì)角礫微量元素含量相對(duì)較低，而強(qiáng)不相容元素Ba和Pb含量較高。

4.3 Sr-Nd同位素特征

南秦嶺地區(qū)玄武巖和玄武質(zhì)角礫的全巖Sr-Nd同位素分析結(jié)果列于表2中。各樣品的初始87Sr/86Sr比值及εNd(t)以t=420Ma(黃月華等, 1992; Wangetal., 2017)計(jì)算。玄武巖的初始87Sr/86Sr比值為0.703995～0.704370，εNd(t)為2.0～3.5。玄武質(zhì)角礫具與玄武巖類似的同位素組成，初始87Sr/86Sr比值為0.704036～0.704071，εNd(t)為2.8～3.0。在(87Sr/86Sr)i-εNd(t)圖解中(圖5)，所有樣品與南秦嶺地區(qū)堿性巖漿相似，均顯示了地幔起源的特征。

圖5 南秦嶺玄武巖及玄武質(zhì)角礫(87Sr/86Sr)i-εNd(t)圖解南秦嶺地區(qū)輝石巖類地幔捕擄體據(jù)Xu et al., 1999；南秦嶺地區(qū)早古生代堿性鎂鐵質(zhì)巖石數(shù)據(jù)引自張成立等, 2007; 陳虹等, 2014; Zhang et al., 2017Fig.5 The diagram of (87Sr/86Sr)i vs. εNd(t) for the basalts and basaltic volcanic breccias from the South Qinling BeltThe data for Early Paleozoic pyroxenite mantle xenoliths in South Qinling Belt from Xu et al., 1999, the compositions of Early Paleozoic alkaline mafic rocks in the South Qinling Belt from Zhang et al., 2007, 2017; Chen et al., 2014

表2 南秦嶺玄武巖及玄武質(zhì)角礫全巖Sr-Nd同位素分析結(jié)果

4.4 單斜輝石斑晶地球化學(xué)特征

本文選取南秦嶺銅洞灣地區(qū)的玄武巖樣品(TDW-2)進(jìn)行電子探針分析測試，分析結(jié)果列于表3。單斜輝石斑晶SiO2含量在49.94%～53.82%之間，TiO2為0.89%～2.49%。CaO含量較高，在22.66%～23.35%之間。FeO含量為3.85%～6.55%，MgO含量為13.64%～17.37%，Mg#值在79～89之間。根據(jù)國際礦物學(xué)會(huì)輝石成分分類方案(Morimoto, 1988)，所有輝石均屬于透輝石(En41-48Fs6-11Wo46-49)。部分單斜輝石斑晶發(fā)育有環(huán)帶，由核部至邊部SiO2、MgO含量降低，而TiO2、FeO、Al2O3含量逐漸升高。

5 討論

5.1 單斜輝石與熔體的平衡狀態(tài)及熔體成分的重建

全巖地球化學(xué)組分是各種深部巖漿動(dòng)態(tài)過程疊加的結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往很難區(qū)分巖漿成因過程(Moyen, 2019)。在熔體產(chǎn)生至就位過程中，熔體成分會(huì)受到分離結(jié)晶、攜帶捕擄體、礦物堆晶及地殼同化混染等多種因素的影響產(chǎn)生變化。在利用全巖地球化學(xué)組分討論巖漿起源時(shí)，確

單斜輝石與熔體之間的平衡狀態(tài)可由輝石與熔體之間的Fe-Mg分配系數(shù)(Cpx-liqKdFe-Mg)來評(píng)估。在基性巖漿體系中，與熔體平衡的單斜輝石Cpx-liqKdFe-Mg一般介于0.22～0.36之間(Putirka, 2008)。南秦嶺玄武巖單斜輝石斑晶Cpx-liqKdFe-Mg為0.30～0.55，平均值為0.44，絕大多數(shù)單斜輝石斑晶處于與熔體平衡的范圍之外(圖6)。斑晶與熔體的不平衡可能由礦物尺度的不均一性造成，結(jié)晶于早期的斑晶核部通常會(huì)具更高的Mg#值而與全巖成分不平衡。然而玄武巖中大部分單斜輝石的核部則是由于其Mg#值低而與全巖成分不平衡，這說明礦物尺度的不均一性并非是造成礦物與熔體不平衡的原因。單斜輝石統(tǒng)一較高的Cpx-liqKdFe-Mg表明單斜輝石斑晶結(jié)晶于更加分異的熔體之中，結(jié)合玄武巖中的高單斜輝石斑晶含量，本文認(rèn)為玄武巖全巖中高M(jìn)g#及CaO/Al2O3比值是由于單斜輝石的堆晶作用造成的。盡管高M(jìn)g#及CaO/Al2O3比值還有可能由碳酸鹽化橄欖巖、榴輝巖或受碳酸巖熔體交代形成的異剝橄欖巖部分熔融產(chǎn)生，但是實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果表明碳酸鹽化地幔巖石產(chǎn)生的硅酸鹽熔體(Si>35%)的CaO/Al2O3比值并不能超過2(Dasguptaetal., 2006, 2007; Médardetal., 2006)，所以單斜輝石的堆晶作用是造成南秦嶺玄武巖中高M(jìn)g#及CaO/Al2O3比值的主要原因。

圖6 玄武巖中單斜輝石 Mg#-Cpx-liqKdMg-Fe圖解(據(jù)Giacomoni et al., 2016)Fig.6 Mg# in Cpx vs. Cpx-liqKdMg-Fe for the basalt from the South Qinling Belt (after Giacomoni et al., 2016)

由于單斜輝石堆晶作用的存在，在使用玄武巖全巖地球化學(xué)成分時(shí)需要校正其影響。本文根據(jù)質(zhì)量守恒定律，用全巖成分逐步減去觀測到的平均單斜輝石成分。在校正過程中，每一步減去5%的單斜輝石，然后驗(yàn)證校正后的全巖成分與單斜輝石是否達(dá)到平衡。如此循環(huán)往復(fù)，直到校正后的熔體成分與單斜輝石平衡。計(jì)算結(jié)果表明減去40%單斜輝石組分可以使絕大多數(shù)輝石與全巖成分達(dá)到平衡，這也與巖相學(xué)觀察結(jié)果相一致(圖6)。由于單斜輝石中不僅包含主量元素，其晶格中還能容納大量的微量元素(Adam and Green, 2006)，在重建熔體成分時(shí)還需將全巖微量元素進(jìn)行校正。通過對(duì)比本文中單斜輝石成分與前人分析結(jié)果，我們選用了向忠金等(2010)中Mg#值最高的單斜輝石樣品ZJ10的微量元素成分對(duì)全巖微量元素進(jìn)行校正。校正后的熔體成分見表4，下文巖漿源區(qū)討論中也將采用校正后的熔體成分為研究對(duì)象。

表4 南秦嶺玄武巖及玄武質(zhì)火山角礫主量(wt%)及微量元素(×10-6)校正后結(jié)果

校正后的玄武巖成分與校正前相比，其SiO2(43.09%～44.11%)與MgO(11.39%～12.37%)含量略有降低，而TiO2(4.63%～5.06%)、Na2O(1.01%～1.54%)及K2O(0.46%～0.50%)含量升高。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中，所有樣品微量元素配分模式并無明顯變化，僅含量略有升高(圖4)。玄武質(zhì)角礫的校正結(jié)果與玄武巖類似，校正后的SiO2(39.71%～40.43%)與MgO(9.04%～9.26%)含量降低，而TiO2(4.10%～4.16%)、Na2O(1.08%～1.11%)及K2O(0.49%～0.58%)含量升高。在校正后的成分在SiO2-(K2O+Na2O)系列劃分圖解(圖3)中，所有樣品均屬于堿性系列。本文研究的南秦嶺地區(qū)玄武巖與玄武質(zhì)角礫的巖相學(xué)特征及微量元素組成與區(qū)域內(nèi)堿性鎂鐵質(zhì)巖漿類似(向忠金等, 2010)，均表現(xiàn)為單斜輝石斑晶為主，具板內(nèi)玄武巖微量元素組成。此外，玄武巖同位素特征與區(qū)域內(nèi)的堿性鎂鐵質(zhì)巖漿一致，均表現(xiàn)為略為虧損的地幔組成(圖5)，同位素特征的一致性指示了玄武巖與堿性鎂鐵質(zhì)巖石的成因聯(lián)系，也驗(yàn)證了全巖成分校正的合理性。

5.2 單斜輝石結(jié)晶溫壓條件

對(duì)與校正后全巖成分達(dá)到平衡單斜輝石斑晶，本文采用了Putirka (2008)提出的單斜輝石-熔體平衡壓力計(jì)32c和單斜輝石溫度計(jì)32d來確定輝石結(jié)晶的溫壓條件。在計(jì)算時(shí)所需要輸入的溫壓參數(shù)則通過Putirkaetal. (1996)提出的單斜輝石溫壓計(jì)來計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明單斜輝石斑晶結(jié)晶壓力為7.6～14.0kbar，溫度為1201～1268℃(圖7)。單斜輝石平衡溫度與壓力說明南秦嶺玄武巖經(jīng)歷了自46km開始至25km結(jié)束的變壓分離結(jié)晶作用，且單斜輝石的堆晶作用可能發(fā)生于25km左右的巖漿房中。

圖7 玄武巖中單斜輝石形成的溫壓條件Fig.7 Temperature and pressure of the crystallization of Cpx from the basalts

正常鎂鐵質(zhì)巖漿分異過程是以橄欖石分離結(jié)晶為首要晶出相，隨后根據(jù)巖漿含水量的不同會(huì)先后晶出單斜輝石或斜長石等礦物(Herzberg and Asimow, 2008)。然而在南秦嶺地區(qū)玄武巖中，單斜輝石卻是占主導(dǎo)地位的分離結(jié)晶礦物，本文認(rèn)為這種造成這種現(xiàn)象主要有兩個(gè)原因：(1)隨著壓力的升高，單斜輝石的穩(wěn)定區(qū)間會(huì)逐漸增大而橄欖石的穩(wěn)定區(qū)間會(huì)逐漸減小(O’Hara, 1968)。在壓力大于1.2GPa時(shí)，單斜輝石會(huì)取代橄欖石成為首要的晶出礦物(Rankenburgetal., 2004)。單斜輝石溫壓計(jì)結(jié)果表明南秦嶺玄武巖自1.4GPa時(shí)開始結(jié)晶，在此壓力條件下單斜輝石會(huì)成為首先結(jié)晶的礦物，而非橄欖石；(2)校正后的熔體成分具高CaO(13.15%～14.94%)及高CaO/Al2O3(1.22～1.47)的特征，高鈣的原始熔體也會(huì)穩(wěn)定單斜輝石，使其成為主要的晶出礦物(如 Rooneyetal., 2017)。這兩者共同作用造就了南秦嶺玄武巖以單斜輝石分離結(jié)晶為主導(dǎo)的巖漿分異過程。

5.3 巖漿起源及源區(qū)性質(zhì)

南秦嶺早古生代玄武巖具明顯的貧SiO2(<45%)，高M(jìn)gO(>9%)、FeO(>14%)，富CaO(>13%)、TiO2(>4%)及不相容元素的HIMU型板內(nèi)巖漿特征(Jackson and Dasgupta, 2008)。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果表明在高壓下石榴石橄欖巖低程度的部分熔融可產(chǎn)生富堿貧硅的熔體(Kushiro, 1996; Wasylenkietal., 2003)，石榴石作為殘留相也可提高熔體的CaO含量。然而部分熔融實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果顯示無揮發(fā)份的石榴石橄欖巖并不能產(chǎn)生南秦嶺玄武巖中如此高的CaO含量(Jackson and Dasgupta, 2008)。在CO2揮發(fā)分存在的部分熔融過程中，CO2會(huì)穩(wěn)定斜方輝石，產(chǎn)生貧SiO2富CaO的熔體。碳酸鹽化地幔橄欖巖部分熔融可以解釋南秦嶺玄武巖的大多數(shù)地球化學(xué)特征，然而部分熔融過程中Ti為中度不相容元素，其在巖漿中的含量更多的受源區(qū)含量控制。正常的地幔橄欖巖中含有較低的TiO2含量，即使是極低程度的部分熔融也不能產(chǎn)生高Ti的巖漿(Prytulak and Elliott, 2007)。要產(chǎn)生富Ti的巖漿則需要源區(qū)含有特殊的富集組分。當(dāng)前研究認(rèn)為再循環(huán)洋殼形成的碳酸鹽化榴輝巖或巖石圈地幔中存在的單斜輝石巖或異剝橄欖巖是可以產(chǎn)生高TiO2高CaO玄武質(zhì)巖漿的潛在源區(qū)(Dasguptaetal., 2006; Médardetal., 2006; Piletetal., 2008)。

巖石中關(guān)于稀土元素的參數(shù)Dy/Dy*可以有效的反映源區(qū)的礦物組成成分(Davidsonetal., 2013)。Dy/Dy*是顯示稀土元素配分曲線凹凸程度的指標(biāo)。在地幔條件下，單斜輝石、角閃石及磷灰石是重要的稀土及微量元素富集礦物。相對(duì)于輕稀土(LREE)和重稀土(HREE)元素，這些礦物晶格傾向于容納更多的中稀土(MREE; Adam and Green, 2006; Prowatke and Klemme, 2006; Tiepoloetal., 2007)。當(dāng)源區(qū)殘留這些礦物時(shí)，熔體的稀土元素配分曲線會(huì)有凹向下的趨勢。無論校正單斜輝石堆晶作用與否，南秦嶺玄武巖的Dy/Dy*值均小于1(表1、表4)，指示該特征為熔體的原生特征，證明了巖漿源區(qū)殘留有富集中稀土的礦物。巖石的高CaO及富FeO的特征指示單斜輝石是源區(qū)的重要組成礦物。在微量元素蛛網(wǎng)圖中，南秦嶺玄武巖具明顯的K的負(fù)異常，暗示源區(qū)存在殘留的角閃石或金云母礦物。部分熔融實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與角閃石產(chǎn)生的熔體為富鈉質(zhì)，而與金云母產(chǎn)生的熔體則為富鉀質(zhì)(Médardetal., 2006; Piletetal., 2008; Condamine and Médard, 2014)，南秦嶺玄武巖鈉質(zhì)(Na2O/K2O=2.0～3.2)的特征指示角閃石是更可能的源區(qū)組分。然而全巖中Na2O含量比較低，暗示源區(qū)角閃石含量較低。磷灰石是控制地幔中REE及Th-U含量的重要礦物，南秦嶺玄武巖中Sr和P的負(fù)異常及高的Th/U比值(圖4c)指示磷灰石也是巖漿源區(qū)重要的殘留相礦物之一。

玄武質(zhì)火山角礫具有與玄武巖類似的主量及微量元素地球化學(xué)特征。與玄武巖相比，火山角礫MgO含量較低，更加富集Ba和Ti(圖4c)，表明其源區(qū)存在更多的角閃石(Piletetal., 2008)。整體微量元素含量更低，Sr和P的負(fù)異常并不明顯，暗示其源區(qū)的磷灰石含量較少。

巖漿起源的相對(duì)深度及熔融程度可以用稀土元素的比值La/Yb及Dy/Yb的相關(guān)關(guān)系判別。在地幔部分熔融過程中，輕稀土與重稀土比值La/Yb主要受部分熔融程度控制，而中稀土與重稀土Dy/Yb比值則主要受控于殘留石榴子石。在La/Yb-Dy/Yb圖解中(圖8)，南秦嶺玄武巖接近石榴石交代巖脈部分熔融曲線，而玄武質(zhì)角礫則接近尖晶石交代巖脈熔融曲線，指示其形成于更淺部的巖石圈地幔內(nèi)。

圖8 南秦嶺玄武巖及玄武質(zhì)火山角礫Dy/Yb-La/Yb圖解(底圖據(jù)Zhang et al., 2020)Fig.8 Dy/Yb vs. La/Yb for the basalts and basaltic volcanic breccias from the South Qinling Belt (base map after Zhang et al., 2020)

南秦嶺嵐皋地區(qū)早古生代堿性玄武巖內(nèi)發(fā)育有大量金云角閃輝石巖類地幔捕擄體(黃月華等, 1992; 徐學(xué)義等, 1996, 1997)，這些地幔捕擄體主要由單斜輝石、角閃石及金云母組成，副礦物包括磷灰石、榍石及鈦鐵礦，部分捕擄體具很高的磷灰石含量，可達(dá)到主要造巖礦物級(jí)別(徐學(xué)義等, 1997)。這類特殊的地幔捕擄體的發(fā)現(xiàn)也支持了南秦嶺早古生代巖石圈地幔內(nèi)存在大量受強(qiáng)烈交代的富磷灰石、角閃石及單斜輝石的區(qū)域，同時(shí)印證了本文的觀點(diǎn)。

綜合這些特征，本文認(rèn)為南秦嶺玄武巖形成于石榴石相地幔源區(qū)，其源區(qū)主要包含單斜輝石、少量角閃石及副礦物磷灰石。玄武質(zhì)火山角礫則形成于淺部尖晶石相地幔源區(qū)，其源區(qū)礦物組成主要有單斜輝石、角閃石及少量磷灰石。

5.4 構(gòu)造意義

南秦嶺玄武巖樣品在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖中表現(xiàn)出Nb、Ta和Ti的正異常的典型板內(nèi)玄武巖的特征，其主量元素特征也與HIMU型板內(nèi)巖漿類似。這些地球化學(xué)特征表明這期巖漿活動(dòng)可能發(fā)生于洋島或裂谷環(huán)境中。本文研究認(rèn)為南秦嶺玄武巖起源于富單斜輝石的交代巖石圈地幔部分熔融，這種富集高場強(qiáng)元素的交代巖石圈地幔往往形成于硅酸鹽熔體侵入巖石圈地幔內(nèi)，隨之冷卻、固結(jié)、分離結(jié)晶成為具不同礦物組分的地幔交代體的過程中(Piletetal., 2011)。在熔體交代巖石圈的過程中，隨著深度的降低，會(huì)逐漸結(jié)晶出早期以單斜輝石+少量橄欖石及石榴石的為代表到晚期以角閃石+單斜輝石+金云母為代表的堆晶體(Piletetal., 2010)。微量元素特征表明南秦嶺玄武巖為富單斜輝石，磷灰石，含少量角閃石及石榴石的巖石圈地幔部分熔融產(chǎn)物，而玄武質(zhì)角礫的源區(qū)則為富單斜輝石、含更多角閃石，更少磷灰石的尖晶石相巖石圈地幔，結(jié)合玄武巖與玄武質(zhì)角礫同位素特征的一致性，我們認(rèn)為玄武巖與玄武質(zhì)角礫代表了同一期次、不同深度下形成的地幔交代體熔融產(chǎn)物。這種富集單斜輝石及含揮發(fā)分礦物的巖石圈地幔交代體往往發(fā)現(xiàn)于與裂谷活動(dòng)有關(guān)的地質(zhì)背景中(Davies and Lloyd, 1989; Panteretal., 2018)。南秦嶺內(nèi)與玄武巖同時(shí)期的輝綠巖脈表現(xiàn)了大規(guī)模順層侵位的特點(diǎn)，這種脈體順構(gòu)造薄弱層侵位則與伸展或裂谷活動(dòng)密切相關(guān)(Gudmundsson and Loetveit, 2005; 陳虹等, 2014)。在滔河口組中與火山巖互層的沉積巖中發(fā)現(xiàn)豐富的筆石及牙形石化石證明了在早古生代南秦嶺地區(qū)發(fā)育有富碳富硅裂谷盆地(雒昆利和端木和順, 2001)。這些證據(jù)都指示大規(guī)模伸展裂陷背景下交代巖石圈地幔的熔融是造成南秦嶺地區(qū)早古生代巖漿活動(dòng)的主要原因。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)南秦嶺地區(qū)的玄武巖及玄武質(zhì)火山角礫進(jìn)行詳細(xì)的礦物學(xué)、巖石學(xué)和地球化學(xué)等方面的研究，主要得出以下結(jié)論：

(1)南秦嶺玄武巖單斜輝石斑晶屬于透輝石，其成分與全巖地球化學(xué)成分并不平衡。全巖成分受單斜輝石堆晶作用的影響。

(2)單斜輝石斑晶結(jié)晶溫度為1201～1268℃，壓力為7.6～14.0kbar。單斜輝石為主導(dǎo)的分離結(jié)晶作用是由高的結(jié)晶壓力及全巖高CaO含量共同造成。

(3)校正后的主量元素及微量元素特征表明南秦嶺玄武巖為富單斜輝石，磷灰石，含少量角閃石及石榴石的巖石圈地幔部分熔融產(chǎn)物。而玄武質(zhì)角礫的源區(qū)則為富單斜輝石、含更多角閃石，更少磷灰石的尖晶石相巖石圈地幔。

致謝三位匿名審稿人對(duì)本文提出了建設(shè)性修改意見，在此致以衷心的感謝