隴山雜巖變沉積巖的沉積時代、物源及構(gòu)造意義:來自地球化學(xué)、碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)和Lu-Hf同位素的證據(jù)*

李玉婷 盧俊生 孔旭 劉剛 封強 張藝一

大陸動力學(xué)國家重點實驗室,西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,西安 710069

中央造山帶呈東西向橫亙中國中部(姜春發(fā)等,1992),是中國大陸內(nèi)部由揚子、華夏等陸塊為代表的南方陸塊群和華北克拉通、阿拉善及塔里木等陸塊組成的北方陸塊群拼合而成的一條東西向巨型造山系,其主要組成自東向西包括大別-蘇魯造山帶、秦嶺造山帶、祁連造山帶和昆侖造山帶(楊經(jīng)綏等,2010;許志琴等,2012;Dongetal., 2021)。祁連造山帶作為中央造山帶的重要組成部分,從北到南又分為北祁連造山帶、中祁連地塊和南祁連地塊(Songetal., 2013)。狹義的秦嶺造山帶以北部的洛南-欒川-方城斷裂和南部的勉略-巴山-大別斷裂為界被早古生代的商丹縫合帶分為北秦嶺造山帶和南秦嶺造山帶(Dongetal., 2011a, b, c)。位于北祁連造山帶和北秦嶺造山帶之間的秦-祁結(jié)合部,是兩個造山帶的過渡、轉(zhuǎn)換地帶,記錄了不同塊體拼合及銜接轉(zhuǎn)換關(guān)系等重要信息,具有重大的研究價值(張國偉,2001;張國偉等,2004)。然而以往的研究大多數(shù)集中于北祁連造山帶的中西部(肖序常等,1978;許志琴等,1994;張建新等,1998;萬渝生等,2003;Songetal., 2009, 2013; Xiaoetal., 2009; Xuetal., 2010; Yanetal., 2010; Yuetal., 2012; 李三忠等,2017;Gaoetal., 2021)和北秦嶺造山帶的中東部(Gaoetal., 1996; Meng and Zhang, 2000; 張國偉,2001;Yangetal., 2003; Dongetal., 2011a, 2014; Liuetal., 2011a, b, 2012, 2015; Wangetal., 2011a, 2013, 2014; 陳丹玲和劉良,2011;Wu and Zheng, 2013; 劉良等,2013;Yuetal., 2015; Zhaoetal., 2015, 2017, 2021; Caoetal., 2016, 2017; 李三忠等,2016a, b;趙淑娟等,2016)等地區(qū),相對忽略了這一結(jié)合部位的研究。為此,本文選擇了該地區(qū)的隴山雜巖作為研究對象,希望能對秦-祁結(jié)合部位構(gòu)造演化歷史的重建提供依據(jù)。

目前對于隴山雜巖的形成時代有多種看法,其時間跨度自早古生代至中元古代-新元古代;而關(guān)于其歸屬也有多種觀點,部分學(xué)者認(rèn)為其可與小秦嶺進行對比為其西延部分,部分學(xué)者認(rèn)為其與北秦嶺造山帶的寬坪巖群及秦嶺巖群具有相似的特征,被后期構(gòu)造改造形成了現(xiàn)在的狀態(tài),也有學(xué)者將其歸為華北克拉通基底的一部分(張維吉等,1994;周鼎武等,1994;霍福臣和李永軍,1995;陳雋璐等,2002;董俊剛,2004;何艷紅等,2005)。此外,關(guān)于隴山雜巖中副變質(zhì)巖的形成時代,目前僅有單個樣品黑云母石英片巖中的碎屑鋯石U-Pb年齡將其限定為539～454Ma之間,而對其物源的判斷也少有報道,即認(rèn)為其來自華北克拉通南緣基底以及北祁連造山帶東段和北秦嶺造山帶(徐可心等,2018) 。

鋯石是地殼巖石中常見的副礦物,其U-Th-Pb系統(tǒng)具有很高的封閉溫度(>900℃),可抵抗熱液蝕變、風(fēng)化和其它次級過程(Hawkesworth and Kemp, 2006; Kempetal., 2010),即使經(jīng)過多次沉積旋回的改造,仍可記錄相應(yīng)的構(gòu)造熱事件(Thomas, 2011)。年輕碎屑鋯石顆粒群體的年齡(YGC1σ, YGC2σ),或者碎屑鋯石中最年輕峰值年齡(YSP)逐漸被用于限制沉積巖系的沉積時代。此外,碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)還可以提供沉積物來源、造山帶構(gòu)造演化歷史、沉積盆地構(gòu)造環(huán)境等重要信息,具有重大的研究價值(Richardsetal., 2005; Cawoodetal., 2012; Guoetal., 2017; Couttsetal., 2019)。同時,鋯石Lu-Hf同位素體系高度穩(wěn)定,在構(gòu)造熱事件中不易重置(Hoskin and Ireland, 2000; Fedoetal., 2003),可以提供有關(guān)原生巖漿性質(zhì)的重要信息(Hawkesworth and Kemp, 2006; Yangetal., 2007; Kempetal., 2009)。因此,隨著技術(shù)手段的成熟,鋯石U-Pb年代學(xué)和Lu-Hf同位素分析的結(jié)合成為了限定沉積年齡、示蹤鋯石源區(qū)的重要手段而被廣泛應(yīng)用。

本次研究對隴山雜巖中的變沉積巖開展了系統(tǒng)的全巖地球化學(xué)、碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)和Lu-Hf同位素研究,希望能夠恢復(fù)隴山雜巖中變沉積巖的原巖類型,更好地限定其形成時代、物源以及構(gòu)造環(huán)境。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

秦-祁結(jié)合部位以寶雞-天水?dāng)嗔褳榻?分為北部北祁連造山帶東端和南部西秦嶺造山帶北緣,以此斷裂帶為界線兩側(cè)的物質(zhì)組成存在顯著差異(徐學(xué)義等,2008;裴先治等,2009)。西秦嶺造山帶北緣主要組成部分為寬坪巖群、秦嶺巖群、上奧陶統(tǒng)草灘溝群和丹鳳巖群,受加里東晚期巖漿活動影響,區(qū)域發(fā)育大面積花崗巖(圖1a, b)。北祁連造山帶東端自北向南發(fā)育有隴山雜巖、中-上奧陶統(tǒng)陳家河群、下志留統(tǒng)紅土堡巖組以及下志留統(tǒng)葫蘆河群,受古生代-早中生代巖漿活動的強烈改造,發(fā)育晚奧陶世閻家店石英閃長巖體、王家岔石英閃長巖體、黃門川花崗巖體、掃帚灘基性巖墻群和印支期碰撞型花崗巖(圖2;馮益民等,2002;Zhangetal., 2006; 陳雋璐等,2007;魏方輝,2013;李桐等,2017)。

圖1 研究區(qū)位置簡圖(a, 據(jù)Liang et al., 2020)及秦-祁結(jié)合部位及鄰近地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖(b,據(jù)Zhao et al., 2020)

圖2 隴山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)封強等,2023修改)

西秦嶺造山帶寬坪巖群主體上由一套變質(zhì)火山巖、陸源碎屑巖及碳酸鹽巖組成,變質(zhì)程度為低綠片巖相到低角閃巖相。前人研究結(jié)果表明,分布于秦嶺造山帶的寬坪巖群中基性火山巖的形成時代為1827～611Ma(張宗清和張旗,1995;李靠社等,2002;何世平等,2007a;閆全人等,2008;第五春榮等,2010;Dongetal., 2014),變碎屑巖的最年輕碎屑鋯石年齡變化于640～500Ma(第五春榮等,2010;Zhuetal., 2011; Liuetal., 2013; 高勝等,2015;Caoetal., 2016)。此外,在寬坪巖群中還發(fā)現(xiàn)有奧陶紀(jì)化石(王宗起等,2009)。秦嶺巖群由正片麻巖和變質(zhì)表殼巖組成。變質(zhì)表殼巖包括含石榴(夕線)黑云二長片麻巖、石榴石黑云斜長片麻巖、黑云斜長變粒巖、斜長角閃巖、條帶狀斜長角閃(片)巖、(石墨)大理巖、透輝大理巖等,區(qū)域上發(fā)育混合巖化,局部夾雜有角閃二輝麻粒巖(毛小紅等, 2017),年代學(xué)數(shù)據(jù)表明其形成于中元古代-新元古代或新元古代中晚期(楊力等,2010;萬渝生等,2011;Diwuetal., 2014b; Shietal., 2018)。草灘溝群以火山碎屑巖和火山熔巖為主,為一套綠片巖相的沉積-火山巖系,其形成時代為奧陶紀(jì)(王洪亮等,2007a),其中的酸性-基性火山巖顯示出島弧火山巖特征(閆全人等,2007;解世雄等,2020)。侵入其中的中-酸性巖體主要形成于志留紀(jì),少部分為三疊紀(jì)(裴先治等,2007b;王婧等,2008)。丹鳳巖群沿商丹斷裂帶呈狹長窄條狀從西向東展布于關(guān)子鎮(zhèn)-唐藏-太白-周至-商州-丹鳳-商南一帶,是南北秦嶺的構(gòu)造縫合帶,在西秦嶺天水地區(qū)又被稱為李子園群,主要為一套中-淺變質(zhì)的沉積-火山巖系(丁仨平等,2004),由蛇綠混雜巖、與島弧相關(guān)的變質(zhì)火山巖和變質(zhì)沉積巖以及弧前盆地沉積物組成(張成立等,1994;張國偉等,1995)。蛇綠巖鋯石U-Pb年齡顯示其形成于早古生代(534～500Ma;閆臻等,2009;Dongetal., 2011a; Lietal., 2015),分布于關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖中的變質(zhì)基性火山巖具有N-MORB的地球化學(xué)特征,其中輝長巖的結(jié)晶年齡為499.7±1.8Ma(裴先治等,2004,2007d,2009)。

北祁連造山帶東端陳家河群是由張維吉等(1994)從葫蘆河群中解體出的一套低綠片巖相變質(zhì)巖系,其原巖為中酸性火山巖-碎屑巖系,經(jīng)前人研究限定其形成時代為中-晚奧陶世,且具有“雙峰式”火山巖的特征(李王曄,2008;魏方輝,2013)。紅土堡變基性巖為一套低綠片巖相變質(zhì)巖系,原巖為基性火山巖和輝綠巖。最新鋯石LA-ICP-MS分析結(jié)果表明其形成年齡為500±3Ma,形成于小洋盆/洋內(nèi)弧-盆體系(付長壘等,2019)。巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)顯示紅土堡基性火山巖形成于弧后盆地環(huán)境,與弧后拉張作用有關(guān)(尚淵甲和陳亮,2021)。葫蘆河群主要分布在秦安縣葫蘆河下游后川-楊家寺、清水牛頭河-北道元龍一帶,為一套淺變質(zhì)碎屑巖(裴先治等,2012)。北側(cè)以韌性剪切帶與紅土堡組相鄰,南側(cè)以寶雞-天水?dāng)嗔褞榻缗c古元古代秦嶺巖群相連。葫蘆河群形成時代被限定為447～434Ma,其主體形成于早志留世,而碎屑鋯石年代學(xué)研究顯示其具有埃迪卡拉紀(jì)-早古生代(595～426Ma)、新元古代(981～738Ma)、中元古代(1913～1000Ma)以及古元古代-新太古代四個年齡譜峰(2872～2053Ma)(裴先治等,2012)?？傮w上,葫蘆河群碎屑沉積物質(zhì)來源復(fù)雜,即祁連造山帶和西秦嶺北緣構(gòu)造帶為其主要源區(qū),但華北克拉通基底巖系也有少量貢獻。

隴山雜巖最早稱之為“隴山群”,為宋志高等(1991)從祁連山東段原“牛頭河群”下部分解出來的變質(zhì)巖系,總體呈北西-南東向展布,由長英質(zhì)片麻巖、斜長角閃巖、富鋁質(zhì)片麻巖和硅鎂質(zhì)大理巖組成(陳雋璐等,2002)。該套地層主要分布于陜西省境內(nèi)的隴縣關(guān)山地區(qū)、寶雞香泉地區(qū),以及甘肅省的清水-張家川地區(qū)(圖2)。宋志高(1995)最早得到隴山雜巖中片麻巖的一組構(gòu)造變質(zhì)熱事件年齡值 為813～811Ma,并且根據(jù)該巖群的出露和展布認(rèn)為隴山雜巖在構(gòu)造體系上屬于祁連造山帶的基底隆起部分。吳茂炳等(2000,2002)認(rèn)為斜長角閃為后期侵入于隴山雜巖中元古代片麻巖中的輝綠巖墻或基性巖脈,形成于983～756Ma。隨著研究的深入,一些學(xué)者從隴山雜巖中解體出一套變沉積-火山巖系,并將其中的斜長角閃巖形成時代大體限定為452～444Ma(何世平等,2006;孟祥舒,2017;賈明輝等,2021),徐可心等(2018)則將隴山雜巖黑云母石英片巖的形成時代限定于寒武紀(jì)早期到早-中奧陶世(539～454Ma)。然而,何艷紅等(2005)得到的隴山雜巖中TTG的形成年齡約為2.5Ga。因此,目前研究認(rèn)為隴山雜巖應(yīng)解體為早古生代變沉積-火山巖系(吳茂炳等,2000;何世平等,2006;孟祥舒,2017;徐可心等,2018;賈明輝等,2021)和古元古代-新元古代基底巖系兩部分(宋志高,1995;吳茂炳等,2002;何艷紅等,2005;徐可心,2018),而并非前人所認(rèn)為的基底巖系。

2 樣品特征

本次研究對隴山雜巖中5個變沉積巖樣品進行了全巖主微量元素分析、碎屑鋯石U-Pb定年和Lu-Hf同位素分析工作,具體采樣位置見圖2。5個樣品均呈灰黑色,發(fā)育有較好的片麻理(圖3),未經(jīng)歷過顯著的風(fēng)化作用。樣品21LS03含石榴長英質(zhì)片麻巖采自碾盤村附近公路旁(34°39′25″N、106°46′02″E),鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,片麻理產(chǎn)狀:115°∠45°,主要由石英(30%～40%)、斜長石(20%～25%)、綠泥石(15%～20%)、黑云母(10%～20%)以及極少量的石榴子石組成(圖4a, b),鏡下可見黑云母轉(zhuǎn)變?yōu)榫G泥石現(xiàn)象(圖4a)。樣品21LS09黑云斜長片麻巖采自關(guān)山牧場內(nèi)西洼里附近(34°44′24″N、106°41′23″E),鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,主要由石英(30%～40%),黑云母(25%～35%)、斜長石(25%～30%)以及極少量的鉀長石(<1%)組成(圖4c)。樣品21LS12黑云斜長片麻巖采自關(guān)山牧場內(nèi)(34°49′45″N、106°39′55″E),鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,主要由斜長石(20%～30%)、石英(20%～30%)以及黑云母(30%～40%)組成(圖4d)。樣品21LS27含石榴石二云斜長片麻巖,采自固關(guān)林場內(nèi)公路旁,采樣位置位于坐標(biāo)點34°55′20″N、106°32′40″E正南約20m處,斑狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,主要由石英(30%～40%)、黑云母(20%～30%)、斜長石(10%～20%)、白云母(10%～15%)以及石榴子石(5%)組成(圖4e)。樣品21LS57含石榴黑云斜長片麻巖,采自付莊附近(34°54′17″N、106°15′58″E),斑狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,主要由黑云母(30%～40%)、石英(30%～40%)以及斜長石(20%～30%)組成,含有極少量的石榴子石(圖4f)。

圖3 隴山雜巖變沉積巖野外及手標(biāo)本照片

圖4 隴山雜巖變沉積巖巖相學(xué)照片

3 分析方法

主、微量元素含量分析在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室進行。主量元素分析按照相應(yīng)比例稱取并均勻混合巖石粉末、氟化鋰、四硼酸鋰和硝酸銨,隨后加入少量溴化鋰助溶劑,放置在高頻熔樣機中融化并冷卻成玻璃片,之后用RIX-2100熒光質(zhì)譜儀上使用XRF法進行測試,燒失量使用濕化學(xué)法進行測定。微量元素分析時稱取50mg巖石樣品放入溶樣彈中,并加入一定量的高純硝酸、高氯酸及氫氟酸。隨后在140℃電熱板上蒸至濕鹽狀,分別加入1.5mL氫氟酸和硝酸,密封于鋼套中并置于190℃烘箱中。待樣品溶解后拆除鋼套將溶樣彈置于電熱板繼續(xù)蒸干并加入3mL硝酸蒸至濕鹽狀。繼續(xù)加入3mL硝酸加鋼套封閉后放至烘箱約10h以確保樣品充分提取,待溫度降低后將樣品轉(zhuǎn)入PET瓶中并加入1g Rh 內(nèi)標(biāo)液,用超純水稀釋至80g,使用 Agilent 7500a等離子質(zhì)譜儀測定。

鋯石單礦物分選分別在廊坊市地科勘探技術(shù)服務(wù)有限公司實驗室(21LS03、21LS09和21LS12)以及廊坊宇能巖石礦物分選技術(shù)服務(wù)有限公司(21LS27和21LS57)完成。鋯石制靶以及CL (Cathodoluminescence)圖像拍攝在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。儀器為高真空掃描電子顯微鏡JSM-IT 1000,配備有GA TAN MINICL系統(tǒng)。工作場電壓為10.0～13.0kV,鎢燈絲電流為80～85μA。

碎屑鋯石U-Pb同位素測定在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室進行。采用的ICP-MS儀器是Hewlettpackard公司生產(chǎn)的帶有ShieldTorch的Agilient 7500a,并結(jié)合使用德國LambdaPhysik公司生產(chǎn)的波長為193nm的ArF的Compex 102 Excimer激光器。測試方法為單點激光剝蝕,束斑24μm。采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500對鋯石年齡進行分餾校正,人工硅酸鹽標(biāo)樣物質(zhì) NIST 610作為外標(biāo),29Si作為內(nèi)標(biāo)進行元素含量校正。

鋯石微區(qū)原位Lu-Hf同位素分析在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室進行。激光剝蝕系統(tǒng)是包含一臺193nm ArF準(zhǔn)分子激光器,一個雙室樣品室和電腦控制的高精度X-Y樣品臺移動、定位系統(tǒng)的193nm準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)(RESOlutionM-50, ASI),激光能量密度為6J/cm2,頻率為5Hz,束斑為43μm,載氣為高純氦氣,280mL/min。Lu-Hf同位素分析采用Nu Instrument公司的最新一代雙聚焦多接收等離子體質(zhì)譜儀(Nu PlasmaⅡ MC-ICPMS),該設(shè)備Lu-Hf同位素分餾校正采用指數(shù)法則計算,為獲得準(zhǔn)確的176Hf信號值,采用176Lu/175Lu=0.02656和176Yb/173Yb=0.78696比值來扣除176Lu和176Yb對176Hf的干擾。Hf和Lu同位素比值及Yb同位素比值分別采用179Hf/177Hf=0.7325,173Yb/171Yb=1.12346進行儀器質(zhì)量歧視效應(yīng)校正。在分析過程中,國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石樣品91500和Mudtank作為監(jiān)控樣品,每8個樣品插入一組國際標(biāo)樣,數(shù)據(jù)采集模式為TRA模式,積分時間為0.2s,背景采集時間為30s,樣品積分時間為50s,吹掃時間為40s,詳細(xì)的分析方法和儀器參數(shù)見Yuanetal. (2008)和Baoetal. (2017)。

4 分析結(jié)果

4.1 地球化學(xué)

5件隴山雜巖變沉積巖樣品的全巖主、微量元素分析結(jié)果見表1。樣品SiO2含量較高集中在64.77%～72.86%,Al2O3、Fe2O3T、MgO、CaO、K2O、TiO2含量分別集中于11.47%～14.45%、4.85%～6.36%、2.01%～3.79%、1.44%～3.57%、2.39%～3.29%和0.64%～0.79%,K2O/Na2O比值在0.98～2.06之間。在(al+fm)-(c+alk)-Si原巖恢復(fù)圖解中(Simonen, 1953),樣品投影點均落入沉積巖區(qū)域(圖5a)。與粘土和長石含量相比,SiO2/Al2O3的比率反映了石英的相對豐度(Potter, 1978),Fe2O3/K2O的比率可以用來度量礦物的穩(wěn)定性(Herron, 1988)。隴山雜巖變沉積巖分別投入雜砂巖(圖5b)、砂質(zhì)巖和雜砂巖區(qū)域(圖5c),這表明這些變沉積巖的原巖可能為雜砂巖。此外,在后太古宙澳大利亞頁巖(PAAS)標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖及微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖6a, b),樣品富集Th (15.7×10-6～21.0×10-6)、La (37.5×10-6～51.0×10-6)、Ce (77.3×10-6～97.3×10-6)、Hf (5.83×10-6～8.00×10-6)及Sm (5.97×10-6～8.17×10-6)等元素,虧損Eu (1.10×10-6～1.40×10-6)、U (2.48×10-6～3.64×10-6)、Nb (12.0×10-6～19.2×10-6)、Sr (118×10-6～216×10-6)等元素(圖6b)。樣品LREE含量在160.3×10-6～210.1×10-6之間,(La/Sm)N比值為0.90～0.95,HREE較為平坦(39.8×10-6～54.7×10-6),(Gd/Yb)N比值為1.38～1.79,顯示出與后太古宙澳大利亞頁巖(PAAS)相似的分配特征(Taylor and McLennan, 1985)。

表1 隴山雜巖變沉積巖主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析數(shù)據(jù)

圖5 隴山雜巖變沉積巖原巖判別圖解(a,據(jù)Simonen, 1953;b,據(jù)Herron, 1988;c,轉(zhuǎn)引自王仁民等,1987)

圖6 隴山雜巖變沉積巖PAAS標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a)和微量元素蛛網(wǎng)圖(b)(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)McLennan, 1989)

4.2 碎屑鋯石U-Pb年齡

5個樣品碎屑鋯石LA-ICP-MS U-Pb測年數(shù)據(jù)見電子版附表1。本文選擇諧和度在90%～110%的鋯石年齡作為有效數(shù)據(jù)進行討論。對于年齡小于1.0Ga的鋯石取206Pb/238U年齡,大于1.0Ga的鋯石取207Pb/206Pb年齡。具體分析結(jié)果如下:

樣品21LS03中鋯石顆粒呈柱狀或粒狀(圖7a),鋯石長軸直徑在30～200μm之間。對90顆鋯石顆粒進行了分析,其中23顆鋯石諧和度不符合要求,4個點信號異常,不參與計算與作圖。大多數(shù)鋯石Th/U比值介于0.14～1.48之間,并顯示出明顯的振蕩環(huán)帶,為巖漿鋯石(Rubatto, 2017)。5顆鋯石具有明顯的核邊結(jié)構(gòu),且Th/U比值 <0.1(0.01～0.02),為變質(zhì)增生邊,年齡為364～445Ma。諧和圖顯示(圖8a)巖漿鋯石年齡分布于2673～486Ma之間,具有～495Ma和～974Ma兩個主要年齡峰值(圖8c),以及1690Ma、2450Ma兩個次要年齡峰值。同時,樣品中最年輕的6顆巖漿成因的碎屑鋯石年齡介于499～486Ma,加權(quán)平均年齡為490.6±9Ma(圖8b)。

圖7 隴山雜巖變沉積巖典型鋯石CL圖像

圖8 隴山雜巖變沉積巖碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖、加權(quán)平均年齡及頻率分布直方圖

樣品21LS09中大部分鋯石顆粒呈圓形或者次圓形,少量鋯石呈短柱狀(圖7b),鋯石長軸直徑在30～150μm之間,大多數(shù)鋯石Th/U比值介于0.1～3.39之間,具有較為清晰的振蕩環(huán)帶,為典型的巖漿鋯石(Rubatto, 2017)。1顆鋯石具有明顯的核邊結(jié)構(gòu),Th/U比值小于0.1,變質(zhì)增生邊年齡為339±6Ma。所測82顆鋯石中除了1個點年齡信號異常、19個點諧和度不符合要求之外,其余61個測點諧和度均在90%～110%之間。在諧和圖上巖漿鋯石年齡分布于2587～591Ma之間(圖8d, e);頻譜圖顯示出965Ma一個主要年齡峰值,以及788Ma一個次要年齡峰值(圖8f),此外在2500～1800Ma范圍內(nèi)零星分布有幾個鋯石顆粒。樣品中最年輕單顆粒巖漿成因碎屑鋯石年齡為591Ma。

樣品21LS12中大部分鋯石顆粒呈粒狀,少量鋯石呈柱狀(圖7c);鋯石長軸直徑在30～180μm之間;大多數(shù)鋯石Th/U比值介于0.13～3.00之間,顯示出清晰的巖漿振蕩環(huán)帶,為巖漿鋯石(Rubatto, 2017);1顆鋯石Th/U比值為0.01,具有明顯的核邊結(jié)構(gòu),變質(zhì)增生邊年齡為465±10Ma。90個分析測試點中,剔除10個諧和度不符合要求的點后對剩余的80個巖漿鋯石年齡進行了統(tǒng)計,結(jié)果顯示其年齡分布于3529～538Ma之間(圖8g, h);主要年齡峰值為985Ma,次要年齡峰值為570Ma、1850Ma以及2480Ma (圖8i)。樣品中最年輕的5顆巖漿成因碎屑鋯石年齡介于572～538Ma之間。

樣品21LS27中大部分鋯石顆粒呈圓形或者次圓形,少量鋯石呈柱狀(圖7d),鋯石長軸直徑在30～190μm之間。對樣品中的90顆鋯石顆粒進行了分析,得到78個諧和度符合要求的巖漿鋯石數(shù)據(jù)。樣品中大多數(shù)鋯石Th/U比值介于0.11～1.62之間,并顯示出明顯的振蕩環(huán)帶,表明為巖漿鋯石(Rubatto, 2017),2顆鋯石具有明顯的核邊結(jié)構(gòu),Th/U比值<0.1,變質(zhì)增生邊年齡分別為462±10Ma、382±8Ma。在諧和圖上(圖8j, k),巖漿鋯石年齡分布于2646～534Ma之間;主要峰值年齡為987Ma,三個次要峰值年齡為653Ma、794Ma以及2430Ma (圖8l)。樣品中最年輕的2顆巖漿成因的碎屑鋯石年齡為534Ma和559Ma。

樣品21LS57中大部分鋯石顆粒呈圓形或者次圓形,少量鋯石呈柱狀(圖7e);鋯石長軸直徑在30～210μm之間;對樣品21LS57中的90顆鋯石顆粒進行了分析,其中5個點的諧和度不符合要求,5個點信號異常,3個點可能受到了后期熱液蝕變的影響,導(dǎo)致了U-Pb體系的重置,顯示出與地層沉積時限相近或小于地層沉積時限的年齡(Zietal., 2022),因此共得到了77個有效數(shù)據(jù)點。大多數(shù)鋯石Th/U比值介于0.11～1.93之間,并顯示出明顯的振蕩環(huán)帶,表明為巖漿鋯石(Rubatto, 2017)。在諧和圖上巖漿鋯石年齡分布于1703～487Ma之間(圖8m),包含一個497Ma的主要峰值年齡,以及一個915Ma的次要峰值年齡。同時,樣品中最年輕的23顆碎屑鋯石年齡加權(quán)平均值為490.7±4Ma(圖8n)。

4.3 碎屑鋯石Lu-Hf同位素

5個分析樣品中,對符合年齡要求的218顆碎屑鋯石進行了Lu-Hf同位素分析,分析結(jié)果見附表2。

5個樣品的鋯石Lu-Hf同位素測試結(jié)果中176Lu/177Hf均小于0.002,表明鋯石中放射性成因的176Hf積累較少。應(yīng)用相關(guān)參數(shù)及計算公式計算各樣品的εHf(t)、tDM1和tDM2。相關(guān)計算參數(shù)如下:176Lu的衰變常數(shù)為1.867×10-11/yr (S?derlundetal., 2004)被用來計算初始176Hf/177Hf比值。ΕHf(t)值計算參數(shù)使用球粒隕石176Hf/177Hf=0.282785和176Lu/177Hf= 0.0336 (Bouvieretal., 2008)。tDM1參考現(xiàn)今176Hf/177Hf=0.28325和虧損地幔176Lu/177Hf= 0.0384計算(Griffinetal., 2002),tDM2通過假設(shè)平均大陸地殼的176Lu/177Hf值為0.015計算(Griffinetal., 2002)。

樣品21LS03中碎屑鋯石的176Hf/177Hf值范圍為0.280710～0.282759,εHf(t)值為-41.01～20.74,二階段模式年齡tDM2分布于4798～670Ma之間。樣品21LS09碎屑鋯石的176Hf/177Hf值范圍為0.281294～0.282366,εHf(t)值為-22.10～5.51,二階段模式年齡tDM2在3072～1493Ma之間。樣品21LS12碎屑鋯石的176Hf/177Hf值范圍為0.280930～0.282502,εHf(t)值范圍為-21.69～10.34,二階段模式年齡tDM2為3616～1198 Ma,樣品21LS27碎屑鋯石的176Hf/177Hf值范圍為0.281249～0.282485,εHf(t)值-28.52～6.58,二階段模式年齡tDM2為3739～1383Ma。21LS57碎屑鋯石的176Hf/177Hf值范圍為0.281971～0.282739,εHf(t)值-12.31～8.99,二階段模式年齡tDM2為2259～887Ma。

5 討論

5.1 源區(qū)特征

主量元素通常用于解釋碎屑沉積巖的來源(Roser and Korsch, 1986; Fralick and Kronberg, 1997)。不同的火成巖可能具有不同的TiO2/Al2O3比值并且Fe和Ti通常存在于鎂鐵質(zhì)礦物中(Nesbitt and Wilson, 1992; Sugitanietal., 1996)。在Fe2O3T/Al2O3-TiO2/Al2O3和TiO2/Fe2O3T-TiO2/Al2O3兩個圖解 (圖9a, b) 中,樣品投影點主要集中于安山巖平均值附近,表明其源區(qū)主要由安山巖組成。Al2O3/TiO2比值小于14的樣品最有可能來自鎂鐵質(zhì)源區(qū),而比值從19到28的樣品則來源于酸性或古老的大陸上地殼(Nesbitt and Wilson, 1992)。本文中5個變沉積巖樣品的Al2O3/TiO2比值在16.87～18.83之間,再次表明其源區(qū)以中性火山巖為主;此外,5個變沉積巖樣品具有較低的La/Th比值和較高的Hf含量,說明變沉積巖的源區(qū)受到了古老沉積組分的影響(圖9c)。

在化學(xué)風(fēng)化過程中,長石容易受影響而轉(zhuǎn)化為伊利石、高嶺土等粘土礦物。因此,長石中的Ca、Na、K等堿金屬元素和大離子親石元素極易丟失,導(dǎo)致其與Al2O3和TiO2的比值增大(McLennanetal., 1993; Nesbittetal., 1980)。根據(jù)Al2O3相對于其他主要陽離子的豐度計算獲得的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA; Nesbitt and Young, 1982)和成分變化指數(shù)(ICV; Coxetal., 1995)可以用來定量評估源區(qū)風(fēng)化的強度。前人研究認(rèn)為,未風(fēng)化火成巖的CIA值通常低于50;典型頁巖的CIA平均值約為70～75;殘余粘土的CIA值則接近100 (McLennanetal., 1993)。本次分析的5個樣品的CIA值介于53.52～59.59,平均值為56.26 (表1),高于大陸上地殼值(UCC)(46; Sun and McDonough, 1989),但遠(yuǎn)低于后太古宙澳大利亞頁巖值(PAAS) (74; Taylor and McLennan, 1985),表明源區(qū)經(jīng)歷了比較弱的風(fēng)化作用(圖8c)。成分變化指數(shù)(ICV)可以用來評估風(fēng)化程度和原始來源成分(Coxetal., 1995)。ICV值較高,即大于1,表明源區(qū)成分成熟度低,風(fēng)化對沉積物的影響有限;而ICV<1代表源區(qū)成分成熟度高,經(jīng)歷了強烈的風(fēng)化作用。本研究中5個樣品的ICV值在1.48～1.90之間,平均值為1.63,表明其成分成熟度低、所受到的風(fēng)化影響有限(圖9d)。同樣,在Al2O3-TiO2-Hf三元圖解中(圖9e)中,樣品顯示出較窄的TiO2-Hf范圍,進一步說明了變沉巖經(jīng)歷了較差的分選作用,成分成熟度低。

Zr在鋯石中強烈富集,易于再循環(huán),而Sc存在于相對不穩(wěn)定的礦物之中,因此Zr/Sc比值可以作為判斷沉積物再循環(huán)程度的有效指標(biāo)(McLennanetal., 1993)。Th/Sc比值對平均物源組成特別敏感,在沉積過程中,這兩種元素可定量地轉(zhuǎn)移到陸源沉積物中(Taylor and McLennan, 1985)。結(jié)合Zr/Sc比值與Th/Sc比值可以充分反映出礦物的分選和再循環(huán)特征:若Zr/Sc與Th/Sc呈正相關(guān),則說明沉積巖未發(fā)生明顯的分選作用;反之則表明經(jīng)歷了強烈的分選和再循環(huán)(McLennanetal., 1993; Asieduetal., 2000)。在Th/Sc-Zr/Sc圖解中(圖9f),本文5個變沉積樣品顯示出良好的正相關(guān)性,再次表明隴山雜巖變沉積巖原巖直接來源于巖漿巖源區(qū),未經(jīng)歷顯著的沉積分選及再循環(huán)過程。

5.2 沉積時間的限定

鋯石U-Pb同位素體系具有內(nèi)在的穩(wěn)定性,在多次搬運過程中都能保留下來(Grimesetal., 2007),目前最常用最年輕單顆粒鋯石U-Pb年齡、最年輕峰值年齡、最年輕鋯石U-Pb年齡的加權(quán)平均值等方法來約束沉積巖的最大沉積年齡(Dickinson and Gehrels, 2009)。本文5個樣品所獲得的最年輕的碎屑鋯石形成了一個明顯的峰值,用其加權(quán)平均年齡作為變沉積巖系的最大沉積年齡比用最年輕的單顆粒鋯石年齡來限制其沉積年齡更為可靠(Andersen, 2005)。

本文5個變沉積巖樣品中,21LS03和21LS57兩個樣品中具有最年輕的兩個峰值年齡為495Ma和497Ma。其中,21LS03樣品中最年輕的6顆巖漿成因的碎屑鋯石年齡為486±11Ma、489±10Ma (2顆)、490±11Ma、492±11Ma和499±11Ma,加權(quán)平均年齡為490.6±9Ma (MSWD=0.18) (圖8b)。21LS57樣品中有大量年齡接近于500Ma的巖漿成因的碎屑鋯石,其中最年輕的23顆巖漿成因的碎屑鋯石的年齡分布于497～487Ma之間,加權(quán)平均年齡為490.7±4Ma (MSWD=0.04)(圖8n),可以代表隴山雜巖變沉積巖最大的沉積年齡。

此外,隴山雜巖中發(fā)育有約434Ma的草川鋪花崗巖(Zhangetal., 2006; 張志華,2019)、441～418Ma的閻家店閃長巖(Zhangetal., 2006; 裴先治等,2007e;孟祥舒等,2017)、454.7±1.7Ma的王家岔石英閃長巖(陳雋璐等,2007)、436±3.8Ma的掃帚灘輝長巖(李桐等,2017)和431.5±1.4Ma的馬鹿輝石閃長巖侵入體(Zhangetal., 2019)。近年來,張佳瑤等(2019)得到侵入于隴山雜巖中的長河溝閃長質(zhì)片麻巖的形成年齡為463.3±2.3Ma。綜上,結(jié)合隴山雜巖變沉積巖中最年輕的巖漿成因碎屑鋯石的加權(quán)平均年齡以及最老侵入體年齡,本文將隴山雜巖變沉積巖的沉積時限進一步限定在491～463Ma之間。

5.3 物源分析

秦-祁結(jié)合部位的葫蘆河群中碎屑鋯石具有埃迪卡拉紀(jì)-早古生代、新元古代、中元古代以及古元古-新太古代四個年齡組,其物源復(fù)雜,具有明顯的多元性,其物源區(qū)包括祁連造山帶、西秦嶺造山帶北緣和華北克拉通南緣基底巖系三個(裴先治等,2012)。同樣,位于秦-祁結(jié)合部位的大草灘群、太陽寺巖組、伯陽鎮(zhèn)中泥盆統(tǒng)碎屑巖以及西秦嶺臨潭地區(qū)十里墩組均顯示出復(fù)雜的物源特征,即祁連造山帶、西秦嶺造山帶北緣和華北克拉通南緣基底巖系均為其提供物源(吳樹寬等,2012;陳偉男等,2014;劉圖杰等,2014;李亦飛等,2017;高翔宇等,2019)。近年來,Lietal. (2022)分析得到位于秦-祁結(jié)合部位的祁連造山帶東南部寒武紀(jì)至志留紀(jì)沉積地層的碎屑物源主要由早古生代俯沖相關(guān)的火成巖、祁連地塊新元古代基底巖石和前寒武紀(jì)單元的再循環(huán)沉積物組成?？梢?由于秦-祁結(jié)合部位所處構(gòu)造位置特殊,此處各沉積單元均顯示出復(fù)雜的物源。

前人研究表明,隴山雜巖黑云母石英片巖碎屑鋯石具有新元古代(1097～795Ma)、新太古代-古元古代(2713～2265Ma)兩個主要年齡峰值和中元古代(1864～1539Ma)、早古生代(575～471Ma)兩個次要年齡峰值(徐可心等,2018)。本文通過對5個變沉積巖樣品的碎屑鋯石分析,得到5個樣品中存在593～486Ma、1294～634Ma兩個主要年齡群和1876～1528Ma、2594～2027Ma兩個次要年齡群。下面將結(jié)合碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)及Hf同位素特征,綜合討論隴山雜巖變沉積巖的物源。

5.3.1 古生代碎屑鋯石來源

碎屑鋯石年齡為593～486Ma的年齡群組中主要的峰值年齡為～495Ma,其相應(yīng)的εHf(t)值為-21.69～11.48,且大多數(shù)為負(fù)值,表明這些碎屑鋯石的母巖漿主要來源于古老的大陸地殼,但也有部分年輕地殼物質(zhì)的輸入,且Hf同位素特征與祁連及秦嶺造山帶基本一致(圖10)。北祁連造山帶發(fā)育有南北兩條蛇綠巖帶,其中南帶的玉石溝蛇綠巖、東草河蛇綠巖、九個泉蛇綠巖、查巴峽蛇綠混雜巖以及水洞峽蛇綠巖形成于550～490Ma(史仁燈等,2004;曾建元等,2007;Xia and Song, 2010; 王國強等,2018;韓奎等,2019;郭晶等,2021)。北祁連造山帶中段及西段發(fā)育有與祁連洋殼早期俯沖有關(guān)的506～481Ma雷公山英云閃長巖及北嶺溝黑云母二長花崗巖(Chenetal., 2022)和509～490Ma托勒花崗巖、大白石頭花崗巖體(Chenetal., 2021a)。區(qū)域上,柴達諾花崗巖、柯柯里閃長巖、拉東溝二長花崗巖也分布于此帶,它們分別形成于516～505Ma、495Ma和505Ma(Chenetal., 2014; 彭銀彪等,2017;Panetal., 2020)。而北祁連造山帶南緣也存在509～498Ma的花崗巖,說明在此期間該地區(qū)的巖漿活動也可提供相應(yīng)的物質(zhì)來源(Fuetal., 2020)。此外,西秦嶺北緣發(fā)育有與李子園-關(guān)子鎮(zhèn)-武山洋盆擴張有關(guān)的549～500Ma關(guān)子鎮(zhèn)蛇綠巖(裴先治等,2005,2007a;李王曄等,2007;李王曄,2008;高景民等,2012;Yangetal., 2018)。因此,北祁連造山帶和西秦嶺造山帶中的巖漿巖均可能為隴山雜巖提供碎屑物質(zhì)。

圖10 隴山雜巖變沉積巖εHf(t)對年齡圖(據(jù) Chen et al., 2021b修改)

5.3.2 新元古代-中元古代碎屑鋯石來源

5個樣品中,介于1294～634Ma的碎屑鋯石構(gòu)成了987～965Ma的年齡峰值。其對應(yīng)的εHf(t)值為-28.52～20.74,其中80%以上為負(fù)值,表明這一時期碎屑鋯石的母巖漿主要來源于古老地殼,但也有少量新生地殼的成分,并且Hf同位素特征與秦嶺造山帶及祁連造山帶基本一致(圖10)。區(qū)域上,新元古代的巖漿作用在祁連造山帶和秦嶺造山帶均廣泛發(fā)育。就祁連造山帶而言,北祁連造山帶東段發(fā)育有1192Ma馬銜山花崗巖(王洪亮等,2007b),以及與羅迪尼亞超大陸裂解有關(guān)的～770Ma雷公山英云閃長巖及牛心山片麻狀花崗巖(Tsengetal., 2006);此外,中祁連日月山及尕海等地區(qū)也報道了一系列新元古代花崗巖(Tungetal., 2007, 2013);而南祁連化隆雜巖中也發(fā)現(xiàn)了942～908Ma的花崗巖(Yanetal., 2015)。對于秦嶺造山帶,研究區(qū)周邊的西秦嶺北緣發(fā)育有與羅迪尼亞超大陸匯聚事件有關(guān)的981～915Ma新陽花崗質(zhì)片麻巖及元龍花崗質(zhì)片麻巖、953.4±14Ma郭家坪花崗巖(陸松年等,2005;丁仨平等,2006;劉會彬等,2006;裴先治等,2007c);北秦嶺發(fā)育有948～925Ma德河花崗巖(陳志宏等,2004;Wangetal., 2011b; 劉丙祥等,2013;宮相寬,2017)、889Ma蔡凹花崗巖(張成立等,2004)、925Ma石槽溝花崗巖(Chenetal., 2004)、953Ma牛角山花崗巖(王濤等,2005;宮相寬,2017)以及929Ma馬山口花崗閃長巖(宮相寬等,2022)。因此,結(jié)合以上年齡信息及Hf同位素特征,隴山雜巖新元古代-中元古代的碎屑物質(zhì)可能主要來源于祁連造山帶和秦嶺造山帶。

5.3.3 中元古代-新太古代碎屑鋯石來源

5個樣品中,介于1876～1528Ma、2594～2027Ma年齡段的數(shù)據(jù)點較少,其峰值年齡分別為～1690Ma、～1850Ma和～2450Ma。對應(yīng)的εHf(t)分別為-11.88～8.81、-7.97～5.99,其中,約70%為負(fù)值,表明碎屑鋯石的母巖漿主要來源于古老地殼的部分熔融,但也有少量年輕地殼物質(zhì)的加入,而且碎屑鋯石Hf同位素與祁連造山帶及華北克拉通南緣Hf同位素分布區(qū)域相重合(圖10)。區(qū)域上,王銀川等(2012)在北祁連造山帶東端隴山雜巖中識別出了年齡約為1765Ma的中元古代長寧驛花崗質(zhì)片麻巖,可為其提供相應(yīng)的物源。何艷紅等(2005)從隴山雜巖TTG質(zhì)片麻巖中獲得2.5Ga、2.35Ga以及1.9Ga的巖漿年齡和變質(zhì)年齡,認(rèn)為其屬于華北克拉通南緣基底。此外,華北克拉通南緣發(fā)育有～1.78Ga的熊耳群火山巖和零星的1.8～1.53Ga A型花崗巖露頭(Heetal., 2009; Dengetal., 2016; Zhao and Deng, 2016; Xueetal., 2018),均指示華北克拉通南緣存在此時期的巖漿活動,可提供相應(yīng)的碎屑物質(zhì)。綜上,華北克拉通南緣也為潛在的物源供給區(qū)。

5.4 構(gòu)造意義

研究區(qū)位于兩造山帶交接、轉(zhuǎn)換部位,構(gòu)造背景復(fù)雜。隴山雜巖的沉積時限明顯老于周邊的奧陶紀(jì)紅土堡陸內(nèi)裂谷-小洋盆基性巖(胡波等,2005)、陳家河群島弧型中酸性火山巖(何世平等,2007b),暗示二者可能形成于不同的構(gòu)造環(huán)境。前人研究認(rèn)為隴山雜巖變沉積-火山巖系可能形成于裂谷環(huán)境,即與俯沖作用開始之前伸展作用相關(guān)的裂谷或弧后盆地構(gòu)造環(huán)境(吳茂炳等,2000,2002;何世平等,2006;徐可心等,2018)。

北祁連造山帶中榴輝巖相變沉積巖最大沉積年齡被限定至475Ma,包含～500Ma和1800Ma兩個主要峰值年齡、一個～750Ma的次要峰值年齡以及極少量>1.9Ga鋯石年齡(Zhangetal., 2012),并未發(fā)現(xiàn)隴山雜巖變沉積巖中的～977Ma主要峰值年齡。此外,北祁連造山帶早志留世地層顯示1800～1540Ma和930～830Ma兩個主要年齡區(qū)間,泥盆紀(jì)地層顯示～406Ma和～433Ma兩個主要年齡峰值及～1595Ma、～1786Ma兩個次要年齡峰值(Qinetal., 2021)。而本文隴山雜巖變沉積巖的主要年齡峰值為～495Ma和977Ma,次要年齡峰值為～1850Ma和～2450Ma,與上述峰值年齡具有明顯的差異。

北秦嶺寬坪巖群中變碎屑巖的最年輕鋯石年齡變化于640～500Ma(第五春榮等,2010; Zhuetal., 2011; Liuetal., 2013; 高勝等,2015;Caoetal., 2016; 王海杰,2021),二郎坪巖群中碎屑鋯石年代學(xué)研究指示其沉積時代晚于～550Ma(楊敏等,2016)。通過對比前人研究發(fā)現(xiàn),寬坪巖群與二郎坪巖群的碎屑鋯石譜峰非常相似,均在850～750Ma、1.0～0.9Ga、～2.5Ga形成三個鋯石年齡的高頻集中區(qū)(第五春榮等,2010;Zhuetal., 2011; Liuetal., 2013; Shietal., 2013; 高勝等,2015;Caoetal., 2016; 楊敏等,2016;王海杰,2021)。以往對寬坪巖群的研究主要是集中在北秦嶺的中部及東部,西部因?qū)捚簬r群出露較少研究程度相對較低。高勝等(2015)對分布于北秦嶺造山帶西段天水東岔地區(qū)的寬坪巖群碎屑巖進行了研究,發(fā)現(xiàn)其有中部及東部寬坪巖群中1000～600Ma的新元古代年齡峰值,但其能指示華北克拉通物源區(qū)的～1800Ma和2500～2300Ma的峰值年齡并不明顯,只有零星幾個分布。本文所研究的隴山雜巖變沉積巖碎屑鋯石譜峰與北秦嶺造山帶中部及東部的寬坪巖群和二郎坪巖群碎屑鋯石譜峰及其相似,同時,也因其處于北秦嶺造山帶西段,其中能指示華北地塊物源的譜峰也并不明顯。

此外,唐源等(2022)在秦-祁結(jié)合部位的北秦嶺造山帶西段的天水地區(qū)的秦嶺巖群中發(fā)現(xiàn)了一套石榴子石斜長角閃巖(榴閃巖),且得到了～500Ma、～450Ma、～420Ma三階段變質(zhì)年齡,認(rèn)為北秦嶺造山帶西段與東段經(jīng)歷了相似的俯沖和折返過程,共同構(gòu)成了一條統(tǒng)一的早古生代高壓-超高壓變質(zhì)巖帶。封強等(2023)得到隴山雜巖中副變質(zhì)巖的變質(zhì)年齡為435～407Ma,初步推測隴山雜巖與秦嶺巖群在早古生代經(jīng)歷了相似的變質(zhì)作用事件。本文也得到了～426Ma和465～442Ma的變質(zhì)年齡,與北秦嶺變質(zhì)年齡相吻合。此外,本文還得到了390±8Ma (21LS03樣品)、382±8Ma (21LS27樣品)的變質(zhì)年齡,與楊立明等(2018)在天水李子園地區(qū)得到的石榴石單輝麻粒巖384±1.6Ma鋯石增生邊諧和年齡相近,可能與商丹洋閉合之后碰撞造山階段的地殼加厚過程有關(guān)。綜上所述,隴山雜巖似乎與北秦嶺造山帶更具有相關(guān)性,因此推測其可能為北秦嶺造山帶的西延部分。

秦嶺造山帶經(jīng)歷了4次主要的陸塊間的增生和碰撞事件,包括北秦嶺地體與華北克拉通之間的格林維爾期造山作用、南秦嶺新元古代的俯沖/增生作用、南北秦嶺之間商丹縫合帶的古生代造山作用、南秦嶺與勉略縫合帶及華南北緣之間的三疊紀(jì)碰撞造山作用。隨后,疊加中生代的陸內(nèi)造山作用(Dong and Santosh, 2016)。在古生代,秦嶺造山帶沿著商丹縫合帶及北秦嶺造山帶形成了一套完整的與俯沖相關(guān)的海溝-弧-弧后盆地體系,該溝-弧-盆體系的發(fā)育過程如下:大約在540Ma,商丹洋向北俯沖于北秦嶺之下形成二郎坪弧后盆地與北秦嶺島弧;在515Ma,北秦嶺形成了大量與俯沖相關(guān)輝長巖及花崗巖侵入體,與此同時,二郎坪弧后盆地向南俯沖于北秦嶺地塊之下導(dǎo)致HP/UHP巖石的形成,直至450Ma二郎坪弧后盆地關(guān)閉;隨后商丹洋持續(xù)俯沖,形成約458～434Ma輝長巖及花崗巖,最終至約400Ma商丹洋關(guān)閉(Dongetal., 2011a; Dong and Santosh, 2016)。

變沉積巖中的稀土及高場強元素,如Th、Sc、Zr等穩(wěn)定性元素的化學(xué)特征不易受影響,可以用來分析構(gòu)造背景及沉積環(huán)境(Bhatia and Crook,1986; Tayloretal., 1986)。在Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10構(gòu)造環(huán)境判別圖解中,隴山雜巖變沉積巖大部分落入大陸島弧區(qū)域(圖11a, b),因此本次研究初步推斷隴山雜巖變沉積巖為商丹洋向北俯沖過程中所形成的大陸邊緣弧。此外,何艷紅等(2005)在隴山雜巖中識別出了一套 TTG質(zhì)花崗片麻巖,LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡顯示其形成于2.5Ga,并經(jīng)歷了1.9Ga變質(zhì)事件的強烈改造,認(rèn)為其為華北克拉通南緣基底巖系的一部分。通過本次研究,發(fā)現(xiàn)隴山雜巖變沉積巖系分布面積較廣,相比之下古老基底出露面積較小,推測2.5Ga TTG片麻巖可能為卷入到北秦嶺造山帶中的華北克拉通南緣基底,但這還需要進一步的研究。

圖11 隴山雜巖變沉積巖構(gòu)造分類圖解(底圖據(jù)Bhatia and Crook, 1986)

6 結(jié)論

(1)隴山雜巖中變沉積巖原巖可能主要為雜砂巖,5個樣品的CIA及ICV值指示隴山雜巖變沉積巖受風(fēng)化作用影響弱,分選性差,成熟度低。此外,樣品Zr/Sc與Th/Sc比值顯示出良好的正相關(guān)性,表明其原巖直接來自于巖漿源區(qū),未經(jīng)歷顯著的沉積與再循環(huán)過程。

(2)隴山雜巖5個變沉積巖中最年輕巖漿成因碎屑鋯石的加權(quán)平均年齡約為491Ma,結(jié)合最老侵入體的年齡,本次研究將隴山雜巖變沉積巖的沉積時限限定為491～463Ma。

(3)隴山雜巖變沉積巖中碎屑鋯石有～495Ma、～977Ma兩個主要年齡峰值和～1850Ma、～2450Ma兩個次要年齡峰值。碎屑鋯石εHf(t)值從-41.01至20.74,約70%均為負(fù)值,表明碎屑鋯石的母巖漿主要來源于古老地殼的部分熔融,有少量年輕地殼物質(zhì)的加入。根據(jù)碎屑鋯石年齡和Hf同位素特征,推測隴山雜巖變沉積巖的物源主要來自于祁連造山帶和秦嶺造山帶,有少量華北克拉通南緣結(jié)晶基底的貢獻。

(4)隴山雜巖變沉積巖碎屑鋯石年齡譜峰與北秦嶺造山帶寬坪巖群及二郎坪巖群相似,三階段變質(zhì)年齡390～338Ma、～426Ma、465～442Ma與北秦嶺古生代變質(zhì)年齡基本一致,初步推測隴山雜巖為北秦嶺造山帶的西延,形成于商丹洋向北俯沖的大陸邊緣弧環(huán)境。

致謝西北大學(xué)大陸動力學(xué)實驗室王建其高級工程師在全巖主、微量元素分析工作中給予了幫助;戴夢寧高級工程師和包志安高級工程師在鋯石分析測試中給予了指導(dǎo);閆全人教授、左鵬飛副教授、石夢巖博士提出了寶貴的修改建議;作者謹(jǐn)向他們致以誠摯的感謝。