丹鳳花崗巖和基性捕虜體的地球化學和鋯石U-Pb-Hf-O同位素：北秦嶺超高壓變質帶兩期構造抬升事件的記錄*

張娟 程昭 張宏福, 2 楊港

1. 西北大學地質學系，大陸動力學國家重點實驗室，西安 710069 2. 浙江大學地球科學學院，杭州 310058

秦嶺造山帶位于華北板塊與華南板塊之間，東連大別山、西接祁連山，是中國中央造山系的重要組成部分(Mattaueretal., 1985; Kr?neretal., 1993; 張國偉等, 2001; Ratschbacheretal., 2003; Wu and Zheng, 2013)。20世紀80年代以來，國內外地質學家對該造山帶構造演化開展了大量研究，確定秦嶺造山帶是一個復合型造山帶，經(jīng)歷了多期構造演化(Zhangetal., 1995; Meng and Zhang, 1999; Dongetal., 2011a)。該造山帶由北向南可劃分為四個構造單元：華北板塊南緣、北秦嶺造山帶、南秦嶺造山帶和華南板塊北緣(圖1a; 張國偉等, 2001; Meng and Zhang, 1999; Dongetal., 2011b)。而北秦嶺造山帶則是秦嶺造山帶中變形變質、巖漿活動最為強烈的地帶，其形成與演化長期受到國際和國內地學界的廣泛關注。

秦嶺群是北秦嶺的重要組成部分，以巖石普遍遭受中-高級變質作用改造為特征。近20年來，秦嶺群最重要的研究進展之一是發(fā)現(xiàn)了大量的高壓-超高壓(HP-UHP)變質巖，包括榴輝巖、(石榴)角閃巖、橄欖巖和高壓基性麻粒巖及它們的圍巖片麻巖，并認為北秦嶺曾在510～480Ma經(jīng)歷過一期陸殼深俯沖事件(Yangetal., 2003; Liuetal., 2010a; Wangetal., 2011; 張建新等, 2011; Chengetal., 2012; 劉良等, 2013; 陳丹玲等, 2015; Yuetal., 2016, 2019; 唐源等, 2022)。但對陸殼俯沖起始的時間和過程存在分歧。一種模型根據(jù)北秦嶺HP-UHP巖石的詳細研究，認為原特提斯洋(商丹洋)的閉合、板片斷離和碰撞后拉張分別發(fā)生于500Ma、470～450Ma和420Ma(Liaoetal., 2016; Liuetal., 2016; 陳丹玲等, 2019)。另一種模型根據(jù)北秦嶺早奧陶世-晚志留世基性巖和花崗巖的鋯石U-Pb定年結果和地球化學特征，認為其形成于俯沖過程，提出原特提斯洋閉合發(fā)生在早泥盆世(～400Ma; Dongetal., 2011a, 2013; Xuetal., 2020)。Wangetal. (2013b)則根據(jù)古生代花崗巖的時空分布特征，認為初始的大陸碰撞發(fā)生在晚奧陶世(450～440Ma)，而有些學者認為華北板塊與華南板塊在早古生代尚未發(fā)生碰撞(Wu and Zheng, 2013; Huangetal., 2018)。

早古生代花崗質巖漿活動主要分布在北秦嶺地區(qū)，前人對該區(qū)的花崗巖進行大量的年代學、地球化學和同位素研究(Zhangetal., 2013b; Qinetal., 2015, 2022; Wangetal., 2015, 2016; Chenetal., 2018; Liuetal., 2019, 2022; Huetal., 2021)，并認為花崗巖的形成與北秦嶺早古生代構造演化密切相關。

丹鳳地區(qū)位于北秦嶺造山帶東部，其秦嶺群內廣泛分布多個花崗巖體并發(fā)育基性捕虜體。盡管前人對該區(qū)出露的早古生代花崗巖進行了大量的年代學和地球化學工作(劉丙祥, 2014; 秦拯緯, 2016; 王江波, 2020; 惠爭卜等, 2021)，但缺乏系統(tǒng)的同位素研究，其中分布的基性捕虜體研究程度低。秦嶺群中廣泛出露的早古生代花崗巖和其中的基性捕虜體，是研究該造山帶早古生代地殼及構造演化過程的理想載體。本次工作選取丹鳳地區(qū)出露的棗園二長花崗巖及其中的斜長輝石巖捕虜體與黃柏岔巖體中的斜長角閃巖捕虜體作為研究對象。在巖相學觀察基礎上，通過高精度原位微區(qū)鋯石U-Pb-Hf-O同位素分析，結合全巖主、微量元素分析，探討花崗巖和基性捕虜體源區(qū)物質組成和巖石成因，以期為北秦嶺早古生代地殼及構造演化過程提供約束。

1 區(qū)域地質概況及樣品描述

北秦嶺造山帶北側以洛南-欒川斷裂帶為界與華北南緣毗鄰，南側以商丹斷裂帶為界與南秦嶺相連(張國偉等, 2001; Dong and Santosh, 2016)。依據(jù)巖石組合與構造特征，北秦嶺造山帶自北向南依次劃分為寬坪群、二郎坪群、秦嶺群和丹鳳群(圖1b)。其中秦嶺群是北秦嶺造山帶中變質變形最為強烈的前寒武紀結晶巖系，主體由長英質片麻巖、榴輝巖、麻粒巖、大理巖和少量斜長角閃巖組成(Kr?neretal., 1993; Dongetal., 2008; Wangetal., 2013a)。鋯石U-Pb年代學研究揭示秦嶺群的形成時代可能為中-新元古代(楊力等, 2010; 萬渝生等, 2011; Diwuetal., 2014; Shietal., 2018; Kangetal., 2022)。

圖1 秦嶺造山帶構造框架圖(a, 據(jù)Dong et al., 2011b修改)和丹鳳地區(qū)地質簡圖及采樣位置(b, 據(jù)Zhang et al., 2013a修改)Fig.1 Geological sketch map of the Qinling Orogen (a, modified after Dong et al., 2011b) and Danfeng area (b, modified after Zhang et al., 2013a) and sample location

秦嶺造山帶是一個典型的復合型造山帶，記錄了多期次構造-巖漿熱事件。在北秦嶺構造帶發(fā)育多期花崗巖(圖1b)，按時代可分為新元古代、古生代和中生代三期。其中早古生代花崗質巖漿活動強烈，花崗質巖體廣泛分布?，F(xiàn)有研究顯示，早古生代花崗巖質巖漿活動可以大致劃分為507～469Ma、460～422Ma和420～400Ma三個演化階段(Wangetal., 2009, 2013b; Zhangetal., 2013b; Dong and Santosh, 2016)。第一階段(507～470Ma)主要發(fā)育于北秦嶺東段秦嶺群中，以漂池S型花崗巖為代表，鋯石U-Pb定年結果顯示其形成年齡為501～469Ma(Wangetal., 2009; Qinetal., 2014)，并認為其形成于北秦嶺高壓-超高壓巖石的折返階段。該時期還發(fā)育基性侵入巖，以富水基性雜巖體為代表，鋯石U-Pb定年結果顯示其形成年齡為511～476Ma(Suetal., 2004; Wangetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017; Xuetal., 2020; Zhengetal., 2020)；第二階段(460～422Ma) 是秦嶺古生代花崗質巖石的主體，主要發(fā)育于北秦嶺的東部，侵位于秦嶺群、二郎坪群和丹鳳群(圖1b)。以灰池子I型花崗巖為代表，年代學研究表明其形成于439～414Ma(Qinetal., 2015; Chenetal., 2018; 張元朔, 2019)，并認為其形成于弧-陸或陸-陸碰撞過程。第三階段(415～400Ma)主要發(fā)育于北秦嶺中段，巖石組合以I型花崗巖為主(Wangetal., 2020)。

研究區(qū)位于北秦嶺東段丹鳳地區(qū)秦嶺群內部，該區(qū)早古生代花崗巖分布廣泛，自北向南依次出露庾家河、留仙坪、黃柏岔、棗園、騾子坪、寬坪和桃花鋪巖體(圖1b)。前人對棗園、黃柏岔、騾子坪和寬坪巖體鋯石U-Pb年代學研究表明這些巖體的形成時代為472～410Ma(Zhangetal., 2013a; 秦拯緯, 2016; 王江波等, 2018; Xuetal., 2020; 王江波, 2020)。本次研究采集基性捕虜體和圍巖花崗巖樣品共3件(HBY19-02、HBY19-03和HBY19-04)。樣品HBY19-02和HBY19-03采自丹鳳縣新屋場村附近(圖1b, 33°45′37″N、110°21′03″E)，HBY19-02花崗巖樣品采自棗園巖體，HBY19-03為基性捕虜體，寬約2m，呈透鏡狀分布(圖2a)。HBY19-02樣品為二長花崗巖，主要由鉀長石(～35%)、斜長石(～30%)、石英(～30%)及少量黑云母(～5%)構成(圖2b)，副礦物主要為磷灰石、鋯石和榍石。HBY19-03基性捕虜體巖性為斜長輝石巖，具有細粒變晶結構，主要礦物成分為斜長石(～35%)、輝石(～35%)、黑云母(～20%)及少量角閃石(～10%)(圖2c)，副礦物由磷灰石、榍石和鋯石構成。角閃石呈淡綠色，呈半自形-他形柱狀，部分角閃石由輝石退變質而成。樣品HBY19-04采自丹鳳縣黃柏岔村北側(圖1b, 33°47′20″N、110°30′05″E)，圍巖為黃柏岔片麻狀花崗巖。巖性為斜長角閃巖，具有細粒變晶結構，主要由角閃石(～60%)、斜長石(～35%)及少量單斜輝石(～5%)構成(圖2d)，副礦物主要為磷灰石和鋯石。

圖2 丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖和基性捕虜體野外及顯微照片(a)棗園二長花崗巖和斜長輝石巖捕虜體野外照片；(b)二長花崗巖(HBY19-02)；(c)斜長輝石巖(HBY19-03)和(d)斜長角閃巖(HBY19-04)顯微照片. Pl-斜長石；Qz-石英；Kfs-鉀長石；Bt-黑云母；Hb-角閃石；Cpx-單斜輝石Fig.2 Field outcrops and micrographs of the Early Paleozoic granite and mafic xenoliths in Danfeng area(a) field outcrop of the Zaoyuan monzogranite and mafic xenolith; (b) micrographs of the monzogranite (Sample HBY19-02); (c) the plagioclase pyroxenite (Sample HBY19-03) and (d) the amphibolite (Sample HBY19-04). Pl-plagioclase; Qz-quartz; Kfs-K-feldspar; Bt-biotite; Hb-hornblende; Cpx-clinopyroxene

2 分析方法

本文對花崗巖樣品HBY19-02、斜長輝石巖樣品HBY19-03和斜長角閃巖樣品HBY19-04進行了全巖主微量元素、鋯石U-Pb-Hf-O同位素分析。

2.1 鋯石U-Pb定年測定

首先采用常規(guī)重選、磁選手段分選出鋯石顆粒，并在雙目鏡下進一步挑選具有代表性的鋯石。將挑選的鋯石與標準鋯石(Ple?ovice、Penglai、Qinghu)顆粒粘在環(huán)氧樹脂靶上，然后打磨拋光。鋯石陰極發(fā)光(CL)在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。CL分析在載有Gatan CL3+檢測器和Oxford能量色散光譜系統(tǒng)的FEI Quanta 400 FEG型掃描電鏡拍攝完成。

鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。分析在連接RESOlution 193nm準分子激光剝蝕系統(tǒng)的Agilent 7900a型ICP-MS上進行。測定過程中激光剝蝕斑束直徑為30μm。使用ICPMSDataCal進行數(shù)據(jù)處理(Liuetal., 2010b)。

2.2 全巖主、微量元素分析

全巖主、微量元素分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。對代表性樣品進行細碎獲得直徑小于200目的粉末樣品開展全巖地球化學分析。主量元素分析在X射線熒光光譜儀(XRF, Rugaku RIX 2100)上測定，分析相對誤差一般低于5%。微量元素分析在Agilent 7500a電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)分析測試，分析精度和準確度一般優(yōu)于10%。

2.3 鋯石原位Lu-Hf和O同位素分析

鋯石原位Lu-Hf同位素微區(qū)分析在中國科學技術大學中國科學院殼幔物質與環(huán)境重點實驗室完成。選擇在U-Pb年齡分析點上或者附近，利用脈沖速度為10Hz，直徑為44μm的束斑進行分析。分析使用配備了Geolas-193型紫外激光剝蝕系統(tǒng)的Neptune型多接收電感耦合等離子體質譜儀(LA-MC-ICPMS)。分析過程中用91500、GJ-1和Ple?ovice來監(jiān)控儀器狀態(tài)和數(shù)據(jù)質量。本次測試過程GJ-1標樣176Hf/177Hf測試結果是0.282014±13(2σ, n=8)，Ple?ovice的176Hf/177Hf測試結果為0.282494±9(2σ, n=6)，2個標樣的測試結果與標準值在誤差范圍內一致(Moreletal., 2008; Slámaetal., 2008)。計算εHf值使用176Lu衰變常數(shù)為1.865×10-11/yr (Schereretal., 2001)。計算虧損地幔模式年齡(tDM1)采用現(xiàn)今虧損地幔的(176Hf/177Hf)DM和 (176Lu/177Hf)DM比值分別為0.28325和0.0384(Griffinetal., 2000)，用于計算兩階段模式年齡(tDM2)的大陸地殼平均76Lu/177Hf值為0.015(Griffinetal., 2000)。

鋯石氧同位素在中國科學院地質與地球物理研究所離子探針實驗室的CamecaIMS-1280型雙離子源多接收器二次離子質譜儀上完成。詳細的分析流程見Lietal. (2010a)。采用Cs+作離子源，通過10kV加速電壓轟擊樣品表面，一次離子束斑直徑約為20μm。SIMS的儀器質量分餾(IMF)校正采用Penglai標準鋯石(δ18O=5.31±0.10‰)，測量的18O/16O比值通過VSMOW值(18O/16O=0.0020052)和IMF校正后為樣品該點的δ18O值(Lietal., 2010b)。

3 分析結果

3.1 鋯石U-Pb年齡

花崗巖和基性捕虜體樣品鋯石U-Pb年代學測試結果見表1、表2和圖3。大部分鋯石顆粒為無色或淡黃色透明，多呈長柱狀，自形-半自形。花崗巖樣品HBY19-02中鋯石顆粒粒徑100～250μm，長寬比2︰1～5︰1，CL圖像中顯示清晰的振蕩環(huán)帶(圖3a)，Th/U值為0.09～1.06(表1)，表明鋯石為巖漿成因(Corfuetal., 2003)。采用LA-ICP-MS分析樣品中的23顆鋯石，得到206Pb/238U年齡值介于411～425Ma之間，大部分分析點落在一致曲線上，加權平均年齡為419±4Ma(MSWD=0.13)(圖3b)，代表花崗巖的結晶年齡。

表1 丹鳳地區(qū)花崗巖和斜長輝石巖捕虜體LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析結果

表2 丹鳳地區(qū)斜長角閃巖捕虜體SIMS鋯石U-Pb定年分析結果

斜長輝石巖樣品HBY19-03中鋯石顆粒粒徑50～200μm，長寬比2︰1～6︰1(圖3c)。CL圖像多呈弱的扇狀分帶或內部結構不均勻，顯示變質成因特點。采用LA-ICP-MS分析樣品中的25顆鋯石，所得206Pb/238U年齡值介于444～469Ma之間，大部分分析點落在一致曲線上，加權平均年齡為460±5Ma(MSWD=0.18)(圖3d)。

斜長角閃巖樣品HBY19-04中鋯石顆粒粒徑30～100μm，長寬比1︰1～3︰1(圖3e)。CL圖像中大部分鋯石顆粒無分帶或弱分帶，也具有變質鋯石的特點。部分鋯石具有核邊結構，核部比較亮邊部比較暗(圖3e)。采用SIMS分析樣品中的15顆鋯石，Th/U比值為0.04～0.37(表1)。其中14顆鋯石206Pb/238U年齡值介于459～478Ma之間，大部分分析點落在一致曲線上，加權平均年齡為468±4Ma(MSWD=1.5)(圖3f)，第8點鋯石核部206Pb/238U年齡值為493±8Ma。

圖3 丹鳳早古生代花崗巖和基性捕虜體陰極發(fā)光圖像及U-Pb年齡諧和圖

3.2 全巖主、微量元素特征

丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖和基性捕虜體樣品的主、微量元素分析結果見表3。花崗巖樣品具有高的SiO2(70.11%)、K2O(4.77%)和Na2O(3.70%)，低的MgO(0.81%)、Fe2O3T(2.02%)、CaO(1.78%)和Mg#(48.31)，在TAS圖解中樣品落入花崗巖范圍(圖4a)?；◢弾r樣品的A/CNK值為1.01，表現(xiàn)為弱過鋁質(圖4b)；在K2O-SiO2圖解中，樣品落入了高鉀鈣堿性系列區(qū)域(圖4c)。斜長角閃巖和斜長輝石巖樣品具有較高的MgO(7.05%～9.37%)、Fe2O3T(9.08%～13.25%)、CaO(9.35%～10.25%)和Mg#(55.36～70.63)，低的SiO2(49.69%～50.73%)、K2O(0.56%～2.74%)和Na2O(1.45%～2.17%)，在TAS圖解中落入輝石閃長巖和輝長巖區(qū)域(圖4a)。在K2O-SiO2圖解中， 斜長輝石巖落入鉀玄巖系列， 斜長角閃巖樣品落在了鈣堿性系列區(qū)域(圖4c)。

圖4 丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖和基性捕虜體巖石分類圖解(a)TAS圖解(據(jù)Middlemost, 1994)；(b)A/NK-A/CNK圖解(據(jù)Maniar and Piccoli, 1989)；(c)K2O-SiO2圖解(據(jù)Peccerillo and Taylor, 1976). 棗園花崗巖數(shù)據(jù)來源：Qin et al., 2022; 王江波, 2020；圖5和圖8數(shù)據(jù)來源同此圖Fig.4 Geochemical classification of the Early Paleozoic granite and mafic xenoliths in Danfeng area(a) total alkalisilica diagram (after Middlemost, 1994); (b) A/NK vs. A/CNK plot (after Maniar and Piccoli, 1989); (c) K2O vs. SiO2 diagram (after Peccerillo and Taylor, 1976). Data sources of Zaoyuan granite from Qin et al., 2022; Wang, 2020; also in Fig.5 and Fig.8

表3 丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖和基性捕虜體主量(wt%)和微量(×10-6)元素分析結果

3.3 微量元素

在球粒隕石標準化稀土元素配分圖解上(圖5a)，花崗巖樣品富集LREE((La/Yb)N=36.2)，無明顯的Eu異常(δEu=0.83)。在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖5b)，花崗巖樣品富集LILEs(如Rb、K、Pb等)，虧損HFSEs(如Nb、Ta、Ti 等)。

在球粒隕石標準化稀土元素配分圖解上(圖5c)，斜長輝石巖輕、重稀土分餾明顯((La/Yb)N=24.8)，無明顯的Eu異常(δEu=0.83)。斜長角閃巖樣品輕稀土弱富集((La/Yb)N=2.4)，無Eu異常(δEu=1.01)(圖5c)。在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖5d)，斜長輝石巖樣品富集LILEs(如Rb、Ba、K等)，虧損HFSEs(如Nb、Ta、Ti等)和Sr；斜長角閃巖樣品相對富集Rb、Ba、K、Pb等，相對虧損Nb和Ta。

3.4 鋯石原位Hf-O同位素

丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖和基性捕虜體樣品鋯石原位Hf-O同位素測定結果見表4。結果顯示，棗園二長花崗巖鋯石的176Hf/177Hf初始值分布在0.282514～0.282621。按照鋯石結晶年齡t=419Ma計算，εHf(t)值為0.1～3.9，對應的Hf同位素兩階段模式年齡(tDM2)為1157～1397Ma。23個測試點的δ18O值變化范圍為8.72‰～9.66‰，氧同位素組成均一，明顯高于典型地幔鋯石氧同位素值(5.3±0.6‰; Valleyetal., 1998)。

斜長輝石巖鋯石的176Hf/177Hf初始值為0.282477～0.282659。按照t=460Ma計算，εHf(t)值為-0.3～6.1，對應的tDM1為827～1127Ma。25個測試點的δ18O值變化范圍為0.21‰～8.20‰， 除了兩點氧同位素值比較低， 其余測點的氧同位素組成也高于典型地幔鋯石氧同位素值。

表4 丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖和基性捕虜體鋯石Hf-O同位素組成

續(xù)表4

斜長角閃巖鋯石的176Hf/177Hf初始值為0.282556～0.282695。按照t=468Ma計算，εHf(t)值為2.6～7.5，對應的tDM1為771～961Ma。25個測試點的δ18O值變化范圍為5.61‰～7.32‰，大部分顆粒高于典型地幔鋯石氧同位素值。

4 討論

4.1 年代學框架

本文獲得的北秦嶺丹鳳地區(qū)棗園斜長輝石巖捕虜體LA-ICPMS鋯石U-Pb定年和黃柏岔片麻狀花崗巖中斜長角閃巖捕虜體的SIMS鋯石U-Pb定年結果分別為460±5Ma和466±6Ma，在誤差范圍內是一致的。結合棗園二長花崗巖鋯石U-Pb加權平均年齡為420±4Ma，顯示出早古生代變質和巖漿活動，分別發(fā)生在中奧陶世和早志留世。

本文研究的斜長角閃巖和斜長輝石巖捕虜體記錄了中奧陶世的變質事件。前人對北秦嶺變基性巖做了大量年代學工作，鋯石U-Pb定年結果表明北秦嶺秦嶺群中HP-UHP變基性巖(榴輝巖、斜長角閃巖/退變榴輝巖、麻粒巖和榴閃巖)記錄了三期變質事件，分別發(fā)生于約497Ma、459Ma和425Ma(圖6a)。并且繼承鋯石年齡顯示這些變基性巖的原巖形成于新元古代(783±7Ma; 圖6b)。其中第二期變質事件與本文研究斜長角閃巖和斜長輝石巖變質時代一致。本文研究的斜長角閃巖樣品得到了493±8Ma的繼承鋯石年齡，表明其原巖可能形成于晚寒武世。北秦嶺晚寒武世基性巖典型代表為商南地區(qū)的富水變輝長巖(Wangetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017; Zhengetal., 2020)。

前人研究表明棗園巖體是一個復式巖體，鋯石U-Pb年齡表明其形成于458～408Ma(Zhangetal., 2013a; 劉丙祥, 2014; 秦拯緯, 2016; 王江波, 2020)。Qinetal. (2022)對棗園二長花崗巖進行鋯石U-Pb定年，結果顯示其形成于418±4Ma～415±7Ma，與本文定年結果一致。Zhangetal. (2013a)和Liuetal. (2019)對黃柏岔片麻狀花崗巖進行鋯石U-Pb定年，結果顯示其形成于445～451Ma。王江波(2020)對本區(qū)寬坪、對窩、黃龍廟和騾子坪花崗巖體鋯石U-Pb定年結果為453～410Ma，表明丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖形成于晚奧陶世至早泥盆世。前人對北秦嶺早古生代花崗巖也進行了大量鋯石U-Pb定年，結果顯示，其主體形成于500～400Ma之間，主要集中在約454Ma和430Ma兩期(圖6c)，分別發(fā)生在晚奧陶世和晚志留世。

4.2 巖石成因

4.2.1 基性捕虜體

4.2.1.1 變質作用和陸殼混染影響

挖掘單表的頻繁項集可以采用現(xiàn)有的經(jīng)典關聯(lián)規(guī)則挖掘算法Apriori算法、Fp-Growth算法，或者使用一些基于經(jīng)典算法的改進算法。但是本文對挖掘出的頻繁相項集的格式做如下規(guī)定。頻繁項集包括鍵鏈表、頻繁項集、支持計數(shù)三個域，如圖2所示。其中鍵鏈表指的是包含該項集的鍵的鏈表，用于實現(xiàn)項集的虛擬連接。支持計數(shù)為鍵鏈表中結點的個數(shù)。

本文中的樣品均為較新鮮的巖石，從薄片鏡下觀察雖然可見斜長輝石巖發(fā)生了一定程度的蝕變，但該樣品的燒失量較小(LOI=2.81%)，指示蝕變對巖石總體化學成分影響不明顯。由于斜長輝石巖和斜長角閃巖樣品經(jīng)歷了角閃巖相變質作用。變質過程有可能改變活動性元素的含量(如堿金屬元素(Na, K)和LILEs(Rb, Ba, Sr, Pb)(Verma, 1981; Hart and Staudigel, 1982)，而REEs、HFSEs和過渡金屬元素元素相對不活動(Polat and Hofmann, 2003; Hastieetal., 2007)。因此，本文的討論主要根據(jù)這些相對不活動元素的含量和比值。

首先，斜長輝石巖和斜長角閃巖樣品具有較低的SiO2(49.69%～50.73%)、較高的Fe2O3T(9.08%～13.25%)、MgO(7.05%～9.37%)含量和Mg#(55～71)，明顯區(qū)別于殼源物質(Rudnick and Gao, 2003)，表明其原巖來源于地幔部分熔融。斜長輝石巖和斜長角閃巖樣品表現(xiàn)出富集LILEs(如Rb和Ba)和LREE、虧損HFSEs(如Nb和Ta)(圖5c, d)，指示地幔交代過程或是大陸地殼的同化混染(Wilson, 1989)。

地幔來源的熔體在巖漿上升過程中易受到大陸地殼同化混染的影響(Castilloetal., 1999)。在微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖5d)，斜長角閃巖樣品具有微弱的Nb、Ta負異常和明顯的Pb正異常，這些特征表明在巖漿上升過程中可能經(jīng)歷了地殼混染。但是該樣品的La/Nb和Th/Nb值為1.15和0.14，接近原始地幔，說明地殼混染程度較低(Freyetal., 2002)。斜長輝石巖樣品表現(xiàn)出Zr、Hf的負異常(圖5d)，但地殼混染往往形成Zr、Hf正異常(Taylor and McLennan, 1985)。而且斜長輝石巖樣品具有較高的MgO含量和Mg#(71)，也表明地殼混染程度較低。綜上所述，基性捕虜體樣品原巖受地殼混染程度較低，仍能反應其地幔源區(qū)的特征。

圖5 丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖(a、b)和基性捕虜體(c、d)球粒隕石標準化稀土元素配分圖與原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(MORB、OIB及標準化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized multi-element diagrams for the Early Paleozoic granite (a, b) and the mafic xenoliths (c, d) in Danfeng area (Data of MORB, OIB and normalizing values after Sun and McDonough, 1989)

圖6 北秦嶺早古生代變基性巖變質年齡(a)、原巖年齡(b)和花崗巖結晶年齡(c)直方圖變基性巖鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)來源：Chen et al., 2004; Su et al., 2004; 陳丹玲和劉良, 2011; Cheng et al., 2011, 2012; Wang et al., 2011, 2014a; 張建新等, 2011; 劉良等, 2013; Li et al., 2014; 宮相寬等, 2016; Liao et al., 2016; Tang et al., 2016; 王亞偉等, 2016; Yu et al., 2016; Mao et al., 2017; Dong et al., 2022; Kang et al., 2022; 唐源等, 2022. 花崗巖鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)來源：Zhang et al., 2006, 2013b; 王洪亮等, 2009; Wang et al., 2009, 2016, 2017, 2020; 雷敏, 2010; 呂星球等, 2014; Qin et al., 2014, 2015, 2022; Yan et al., 2014; Chen et al., 2018; Li et al., 2018; Liu et al., 2019, 2022; 徐通等, 2018; 李開文等, 2019; 張元朔, 2019; 張志華, 2019; Hu et al., 2021; 惠爭卜等, 2021; Ren et al., 2021; 王江波, 2020; 王永等, 2021; 胡鵬等, 2022; 木熱地力·買合蘇提等, 2022Fig.6 Histograms of metamorphic ages (a) and protolith age (b) for the Early Paleozoic meta-mafic rocks, the crystallization age of the Early Paleozoic granite (c) in the North Qinling Belt

4.2.1.2 地幔源區(qū)特征

斜長輝石巖和斜長角閃巖樣品具有高MgO、Cr、Ni含量和Mg#(表3)，同時具有不同程度的LILEs和LREE的富集(圖5c, d)，表明其原巖可能來源于被俯沖板片改造的地幔源區(qū)。

圖7顯示斜長輝石巖和斜長角閃巖樣品大部分鋯石顯示高于地幔鋯石的δ18O值和較高的εHf(t)值，繼承鋯石也具有較高的δ18O值(6.28‰)和εHf(t)值(6.8)，可能代表變質過程對Hf-O同位素影響較小。高的δ18O值表明其原巖形成過程可能有高δ18O值流體/熔體加入。一般來說，在俯沖帶有兩種交代介質，板片釋放的流體和含水熔體(Zheng, 2012)。俯沖板片釋放的流體對水溶性元素攜帶能力強，對非水溶性元素攜帶能力弱，而板片釋放的含水熔體對這兩種元素的攜帶能力都強(Kepezhinskasetal., 1997; Zheng, 2012)。斜長角閃巖樣品具有相對較低的 (Hf/Sm)N和 (Ta/La)N值，其源區(qū)很可能受到流體的交代作用(La Flècheetal., 1998; Zhuetal., 2012)。斜長輝石巖樣品大部分鋯石具有更高的δ18O值(圖7)、(La/Yb)N和K2O含量(圖4c)，這些特征可能指示其地幔源區(qū)可能存在再循環(huán)洋殼沉積物的貢獻。此外，斜長輝石巖樣品鋯石個別點具有低的δ18O值(圖7)，表明其地幔源區(qū)組成不均一，其源區(qū)也可能存在經(jīng)歷高溫熱液蝕變的洋殼組分。

圖7 丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖和基性捕虜體鋯石Hf-O同位素特征Fig.7 Zircon Hf-O isotope characteristics of the Early Paleozoic granite and xenoliths in the Danfeng area

此外，實驗巖石學研究表明，基性熔體稀土元素配分模式主要受制于地幔源區(qū)中石榴石和尖晶石含量(Kelemenetal., 1993; Greenetal., 2000)。本文研究斜長角閃巖樣品具有相對較低的 (La/Yb)N比值(2.4)和相對較平坦的HREE，表明其可能來源于尖晶石相地幔源區(qū)。與斜長角閃巖相比較，本文研究斜長輝石巖樣品具有相對較高的 (La/Yb)N比值(24.8)和較陡峭的HREE，表明其可能來源于尖晶石相-石榴石相過渡的地幔源區(qū)。

4.2.2 花崗巖

本文研究的棗園二長花崗巖樣品礦物組合為斜長石+石英+鉀長石+黑云母，副礦物為磷灰石、鋯石和磁鐵礦，缺少特征礦物如堇青石(S型)、角閃石(I型)和堿性礦物(A型)，需要我們運用各項地球化學指標來進行綜合判斷。本文樣品與前人研究棗園巖體花崗巖樣品具有高度相似的主微量元素特征(圖4、圖5)，表明二者具有強烈的親緣關系，且經(jīng)歷了相似的演化過程。在Nb-10000×Ga/Al圖中(圖8a)，樣品均落入I和S型花崗巖區(qū)域。本文研究的棗園二長花崗巖A/CNK值為1.01，前人研究也表明該巖體大部分樣品A/CNK值小于1.10(圖4b)，符合I型花崗巖的地球化學特征。在P2O5-SiO2圖中(圖8b)，樣品表現(xiàn)出明顯的負相關關系，與I型花崗巖的演化趨勢較一致。此外，棗園花崗巖樣品也表現(xiàn)出同典型I型花崗巖極為相似的地球化學特征，如高Si、高鉀鈣堿性等。綜上所述，丹鳳地區(qū)棗園二長花崗巖為弱過鋁質鈣堿性I型花崗巖。

圖8 棗園二長花崗巖類型判別圖(a)Nb-10000×Ga/Al圖(據(jù)Whalen et al., 1987)；(b)P2O5-SiO2圖Fig.8 Discrimination diagrams of the granite in the Zaoyuan pluton(a) Nb vs. 10000×Ga/Al diagram (after Whalen et al., 1987); (b) P2O5 vs. SiO2 diagram

棗園花崗巖具有較高的SiO2含量(圖4a; 67.15%～73.84%)、較低的MgO含量(0.50%～1.36%)和Mg#(<49)(秦拯緯, 2016; 王江波, 2020)，表明其源區(qū)地幔物質的貢獻有限。本文獲得的棗園二長花崗巖鋯石εHf(t)值為0.1～5.7，指示其源區(qū)主要為中元古代到新元古代新生地殼，與前人對棗園花崗巖Hf同位素特征研究結果一致(圖9; 秦拯緯, 2016; Qinetal., 2022)。此外，棗園二長花崗巖鋯石具有非常均一的較高的O同位素組成(δ18O=8.72‰～9.66‰)，Hf-O同位素無相關性(圖7)，也表明不存在幔源巖漿的明顯加入。鋯石中氧擴散速率極慢(Watson and Cherniak, 1997; Zheng and Fu, 1998)，且氧同位素組成不受后期亞固相熱液蝕變和高級“干”麻粒巖相變質作用的影響(Valley, 2003; Zhengetal., 2004)，所以鋯石δ18O值能夠反映其巖漿氧同位素組成。一般認為，低溫水巖作用使巖石具有較重的O同位素組成(Zhao and Zheng, 2003)。因此，棗園二長花崗巖鋯石較高的氧同位素組成表明其源區(qū)可能經(jīng)歷過低溫水巖作用。此外，在εHf(t)-鋯石U-Pb年齡圖中(圖9)，北秦嶺早古生代花崗巖源區(qū)顯示出古老地殼組分逐漸增加的趨勢，晚奧陶世花崗巖源區(qū)主要以新生地殼為主，晚志留世花崗巖源區(qū)顯示出古元古代-太古宙古老地殼物質的重要貢獻。

圖9 北秦嶺早古生代花崗巖鋯石Hf同位素特征花崗巖鋯石Hf同位素數(shù)據(jù)來自：雷敏, 2010; 劉丙祥, 2014; Qin et al., 2014, 2015; 秦拯緯, 2016; Wang et al., 2016, 2020; Chen et al., 2018; Ren et al., 2021; 王永等, 2021; 胡鵬等, 2022Fig.9 Zircon Hf isotope characteristics of the Early Paleozoic granite in the North Qinling Belt

微量元素特征方面，棗園花崗巖樣品Eu的異常不明顯(0.83; 圖5a)，指示巖漿演化過程中斜長石分離結晶的影響可能較小。結合前人數(shù)據(jù)，依據(jù)鋯飽和溫度計(Watson and Harrison, 1983)計算的棗園花崗巖的鋯飽和溫度(TZr)為784～845℃(本文樣品TZr=798℃)。這一溫度與黑云母脫水熔融反應溫度條件一致(Weinberg and Hasalová, 2015)。

綜上所述，早古生代棗園二長花崗巖可能是蝕變的中元古代-新元古代年輕地殼黑云母脫水熔融形成。

4.3 地質意義

一般認為，商丹洋向北俯沖早于510Ma(Dongetal., 2011a; Wangetal., 2014b)，但是510～400Ma秦嶺造山帶的構造演化仍然存在爭議，尤其是陸殼俯沖起始的時間和過程等問題。北秦嶺早古生代構造演化過程對于理解秦嶺造山帶的形成和演化具有重要意義(Meng and Zhang, 1999; 張國偉等, 2001; Dong and Santosh, 2016)。秦嶺巖群作為北秦嶺造山帶變質變形最為強烈的單元，長期受到國際和國內地學界的廣泛關注和持續(xù)研究。大量鋯石U-Pb年代學研究表明，秦嶺群中HP-UHP巖石的峰期變質時代為510～480Ma，并認為其形成是陸殼俯沖-深俯沖作用的產(chǎn)物(Chenetal., 2004; 陳丹玲和劉良, 2011; Chengetal., 2011, 2012; Wang and Wu, 2013; 向華等, 2014; Wangetal., 2011, 2014a; Liuetal., 2016; 宮相寬等, 2016; Yuetal., 2016; Dongetal., 2022; Kangetal., 2022)。

在早古生代，北秦嶺造山帶經(jīng)歷了復雜的演化過程，形成了大量的花崗巖和基性巖，這些巖石也保存了與地殼形成和演化有關的重要構造事件的信息(Wangetal., 2013b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017)。在晚寒武世-早奧陶世，本文研究的斜長角閃巖和斜長輝石巖的原巖形成于這一時期。秦嶺群中出露典型基性巖體為富水雜巖，鋯石U-Pb定年結果顯示其主體形成于510～470Ma(Wangetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017; Zhengetal., 2020)。這些輝長巖大部分鋯石具有富集的εHf(t)值和高的δ18O值，認為其來源于俯沖洋殼和/或陸源沉積物交代的富集地幔源區(qū)(Wangetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017; Zhengetal., 2020)。本文研究斜長角閃巖和斜長輝石巖具有較高的鋯石εHf(t)值和δ18O值，富集LREE和LILEs，表明其原巖也可能來源于俯沖板片交代的地幔楔。由于富水雜巖形成時代與其圍巖秦嶺群中HP-UHP巖石的峰期變質時代一致，表明其可能形成于陸殼俯沖過程(Zhangetal., 2015)。這一時期形成的花崗巖集中發(fā)育于秦嶺群中，鋯石U-Pb定年結果表明其形成于501±8Ma～487±10Ma(圖6c; 陸松年等, 2003; 王濤等, 2005; Wangetal., 2009; 雷敏等, 2010; Zhangetal., 2013b; 劉丙祥, 2014), 并認為其可能形成于俯沖陸殼的部分熔融(Wangetal., 2009; Zhangetal., 2013b)。

中-晚奧陶世(470～443Ma)，本文研究的斜長角閃巖和斜長輝石巖經(jīng)歷了角閃巖相變質作用、形成了黃柏岔巖體(Zhangetal., 2013a; Liuetal., 2019)。這一時期形成的花崗巖主體形成于～454Ma，也與前人研究秦嶺群中大量HP-UHP巖石麻粒巖-角閃巖相退變質作用時代一致(圖6)。這些HP-UHP巖石在晚寒武世經(jīng)歷了峰期變質作用后，在中-晚奧陶世遭受了麻粒巖-角閃巖相退變質作用的疊加，說明北秦嶺超高壓變質帶經(jīng)歷了由陸殼俯沖-深俯沖-抬升的構造演化過程(劉良等, 2013)。中-晚奧陶世北秦嶺超高壓變質帶花崗巖可能是抬升過程中陸殼發(fā)生部分熔融的產(chǎn)物(Qinetal., 2014)。

晚志留世是北秦嶺花崗巖最發(fā)育的時期(圖6c)，并且花崗巖的源區(qū)組成發(fā)生了很大變化(圖9)，在此之前的花崗巖源區(qū)主體為較年輕的地殼，這一時期的花崗巖顯示出較復雜的源區(qū)組成并包括大量古老陸殼組分的參與。本文研究花崗巖樣品具有虧損的鋯石εHf(t)值和高的δ18O值，表明其來源于經(jīng)歷低溫水巖反應的年輕地殼。秦嶺群HP-UHP巖石也記錄了～425Ma的第二期退變質作用(圖6a)，并認為其代表了造山后伸展，HP-UHP巖石發(fā)生第二次構造抬升。抬升過程中俯沖陸殼物質發(fā)生大規(guī)模部分熔融，形成北秦嶺最為廣泛的花崗巖。

綜上，北秦嶺超高壓變質帶在早古生代可能經(jīng)歷了晚寒武世的陸殼深俯沖，之后分別在中-晚奧陶世和晚志留世發(fā)生兩次構造抬升事件。丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖記錄了第二次構造抬升過程中的陸殼減壓熔融；其中的基性捕虜體記錄了第一次抬升過程中的變質事件。

5 結論

基于北秦嶺丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖和基性捕虜體的巖石學、全巖地球化學和鋯石U-Pb-Hf-O同位素研究，可以得到以下幾點認識：

(1)棗園巖體和黃柏岔巖體中的基性捕虜體變質時代為中奧陶世(460±5Ma～468±4Ma)，棗園二長花崗巖形成于晚志留世(419±4Ma)；

(2)斜長角閃巖和斜長輝石巖捕虜體富集大離子親石元素，虧損高場強元素，具有高的鋯石εHf(t)值和δ18O值，表明其原巖可能形成于俯沖板片交代地幔楔部分熔融；

(3)棗園二長花崗巖呈現(xiàn)高硅堿、貧鐵鎂和弱過鋁等特征，屬于I型花崗巖。具有虧損的鋯石εHf(t)值和高的δ18O值。元素與同位素地球化學特征表明花崗巖是由蝕變年輕地殼經(jīng)黑云母脫水熔融形成；

(4)北秦嶺超高壓變質帶在早古生代可能經(jīng)歷了晚寒武世的陸殼深俯沖，之后分別在中-晚奧陶世和晚志留世發(fā)生兩次構造抬升。丹鳳地區(qū)早古生代花崗巖記錄了第二次構造抬升過程中的陸殼減壓熔融；其中的基性捕虜體記錄了第一次抬升過程中的變質事件。

致謝感謝唐歡和李樂倩在野外和實驗工作中的幫助!匿名評審專家提出了諸多寶貴意見，在此表示衷心感謝!