北秦嶺早古生代海相火山巖地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境

北秦嶺早古生代海相火山巖地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境

秦嶺是中國(guó)巨大的山區(qū)帶的重要組成部分。它不僅是中國(guó)南北構(gòu)造的交叉點(diǎn)和分界區(qū)，也是中國(guó)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、火山巖活動(dòng)強(qiáng)烈的國(guó)內(nèi)外地方科學(xué)領(lǐng)域。關(guān)于秦嶺地質(zhì)的討論主要集中在北部的秦嶺上。因此，北秦嶺一直是研究秦嶺造山帶構(gòu)造環(huán)境和火山活動(dòng)的重要領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)要介紹了北秦嶺早古生代火山巖的構(gòu)造結(jié)晶實(shí)驗(yàn)、巖石成分的序列、結(jié)構(gòu)環(huán)境、開口定量等。結(jié)果如下。1實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論造山帶火山巖,尤其海相火山巖,雖然仍保留原巖的不少結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,但由于遭受了不同程度的蝕變交代、區(qū)域變質(zhì)等作用,多已變?yōu)榧?xì)碧角斑巖系巖石.與原巖相比,其礦物組成、化學(xué)成分,尤其是易溶及變價(jià)元素多已發(fā)生變化.為了恢復(fù)原巖成分,使成分分析可信,我們除了采用薄片觀察以精選盡量新鮮火山巖作測(cè)試樣品,以多種測(cè)試方法相互驗(yàn)證,并以惰性元素投點(diǎn)以核實(shí)主要元素分析結(jié)果的可靠性外,還首次進(jìn)行了海相玄武巖的熔融結(jié)晶實(shí)驗(yàn),以研究新鮮巖石的基本特征.以二郎坪群海相高鋁玄武巖的實(shí)驗(yàn)為例,該巖石仍保留拉斑玄武結(jié)構(gòu),但斜長(zhǎng)石多已鈉長(zhǎng)石化、輝石綠泥石化,橄欖石也蛇紋石化.該玄武巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,其液相線溫度為1270℃,固相線溫度為1050℃,與新鮮玄武巖相似.此外,由于玄武巖富鋁,因此首先晶出礦物是斜長(zhǎng)石,而且均為基性的拉、倍長(zhǎng)石;由于高溫晶出,因此可見三元長(zhǎng)石及富鉀斜長(zhǎng)石,并且結(jié)晶溫度愈高,斜長(zhǎng)石也愈富鉀(圖1).玄武巖中,由于斜長(zhǎng)石的晶出,使殘余巖漿中的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而Al2O3,CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低(圖2),使原來高鋁玄武巖演變?yōu)樾浒采綆r及拉斑玄武安山巖(冰島巖).這些特點(diǎn)也與新鮮玄武巖的首晶礦物、礦物成分及本區(qū)玄武巖漿的分離結(jié)晶及演化規(guī)律一致.實(shí)驗(yàn)結(jié)果還看出,斜長(zhǎng)石(Pl)形狀、成熟程度與結(jié)晶溫度(t)(反映過冷溫度)、成核密度(d)及生長(zhǎng)速度(v)有關(guān):t<1140℃(過冷溫度很大)時(shí),Pl的d>v,只能晶出纖維狀雛晶Pl;t=1140℃(過冷溫度中等)時(shí),Pl的d=v,晶出纖維狀雛晶+板狀中空骸晶Pl;t>1140℃(過冷溫度很小)時(shí),d<v,則晶出長(zhǎng)條狀中空骸晶與自形晶體Pl.從玄武巖的實(shí)驗(yàn)資料可知:對(duì)仍保留原巖部分結(jié)構(gòu)、構(gòu)造(尤其微觀結(jié)構(gòu))的火山巖,雖然礦物成分發(fā)生了變化,但整體化學(xué)成分與原巖主要成分相近,基本上屬等化學(xué)體系,只是礦物組合從原生變?yōu)榇紊?巖石中揮發(fā)分與鐵的價(jià)態(tài)發(fā)生變化而已.不難看出,對(duì)細(xì)碧巖化的玄武巖進(jìn)行高溫熔融結(jié)晶實(shí)驗(yàn),可以提供新鮮玄武巖液相線溫度、固結(jié)溫度、首晶礦物、結(jié)晶順序、礦物種屬、巖漿演化、礦物形態(tài)與巖石結(jié)構(gòu)等一系列重要信息.2寒武系火山巖形成機(jī)制本區(qū)為中部斷隆與南北斷陷(裂谷)組成的裂谷造山系.區(qū)內(nèi)的早古生代火山巖系分布于秦嶺群斷隆的兩側(cè)裂谷中,呈南北兩帶產(chǎn)出(圖3).北帶火山巖系由東向西分別稱為二郎坪群(以南陽(yáng)盆地為界,又分別名為東或西二郎坪群)、云架山群、斜峪關(guān)群、草灘溝群;南帶火山巖系均稱為丹鳳群.火山巖系東西長(zhǎng)約1000km,每帶寬不過25～40km.本區(qū)火山巖系主要為寒武—奧陶紀(jì)產(chǎn)物.由于該火山巖系從秦嶺群與寬坪群中解體不很徹底及構(gòu)造推覆混入等影響,不排除有新元古代火山巖系存在.火山巖系下部層位稱為火神廟組、大栗樹組、丹鳳群(下部),相當(dāng)于寒武系,以基性火山巖為主;上部層位稱為大廟組、劉山巖組、丹鳳群(上部),相當(dāng)于奧陶系,則以中、酸性火山巖占優(yōu)勢(shì).在上、下兩組火山巖系間,我們發(fā)現(xiàn)了一層復(fù)成分礫巖組成的沉積間斷.本區(qū)火山巖為裂隙多中心式噴發(fā)產(chǎn)物.噴發(fā)類型介于夏威夷類型與布里尼型之間.火山巖從南帶到北帶,每帶從老到新,從東到西,噴發(fā)指數(shù)減少而爆發(fā)指數(shù)增大(圖4).為了保證化學(xué)分析數(shù)據(jù)可信,筆者選用了w(CO2+H2O)小于5%以及玄武巖在w(Na2O)/w(K2O-Na2O+K2O)圖中低于F線(次生變化少與鈉長(zhǎng)石化弱)的化分?jǐn)?shù)據(jù),進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)礦物、化學(xué)參數(shù)等計(jì)算.以火山巖計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)為直方圖(圖5),本區(qū)南北兩帶火山巖的酸度與玄武巖種屬均屬雙峰式,其特點(diǎn)近似肯尼亞與埃塞俄比亞裂谷.以主要元素與惰性元素,用Irvine等,IUGS,Winchester等方法及TAS圖(圖6),w(SiO2)-w(Zr)/w(TiO2)圖(圖7),確定并核實(shí)了本區(qū)火山巖的系列、類型、名稱.可知區(qū)內(nèi)除有鈣堿性系列、拉斑玄武巖系列巖石外,還有堿性玄武巖系列;除鈉質(zhì)類型外,還有鉀質(zhì)類型巖石,并首次發(fā)現(xiàn)有鉀玄巖系列(shoshoniteseries)巖石及高鎂安山巖(boninite,sanukite)的存在,此特點(diǎn)與南祁連拉脊山相似.本區(qū)寒武紀(jì)火山巖以堿性與拉斑系列為多,奧陶紀(jì)則以鈣堿性系列為主.本區(qū)火山巖中主要元素、微量元素、稀土元素及同位素統(tǒng)計(jì)、對(duì)比表明(圖8),從南帶到北帶,每帶從老到新,從東到西,其共同的變化規(guī)律是:酸度、鉀、不相容(易熔)元素、殼源物質(zhì)含量均順序變大;而堿度、鈉、相容(難熔)元素、幔源物質(zhì)含量均依次減小.這一變化,與本區(qū)火山噴發(fā)指數(shù)減少而爆發(fā)指數(shù)增多是吻合的,也暗示本區(qū)火山巖從南到北、從東到西,可能存在從寒武紀(jì)為主向奧陶紀(jì)為主的變化.3山活動(dòng)環(huán)境北秦嶺與其他地區(qū)造山帶一樣,對(duì)與火山活動(dòng)有關(guān)的構(gòu)造環(huán)境爭(zhēng)論大、問題多的主要原因一是造山帶火山活動(dòng)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜,經(jīng)歷過長(zhǎng)期的開合過程,不能以單一的開或合環(huán)境概括;二是火山巖成分由于變質(zhì)交代而變化,在成分與構(gòu)造關(guān)系圖中投點(diǎn)不準(zhǔn)確,又缺乏地質(zhì)分析.為此,筆者采用了地質(zhì)分析與惰性成分投點(diǎn)結(jié)合的方法,不僅在構(gòu)造環(huán)境方面,而且在演化過程方面,均取得了新的認(rèn)識(shí).3.1東東南角緣成巖階段在大廟組與火神廟組之間存在間斷,其中,大廟組主要為小洋盆蛇綠巖套,以較基性的堿性與拉斑玄武巖系列火山巖發(fā)育為特征;火神廟組主要為火山弧巖套,以中、酸性的鈣堿性系列火山巖為主.對(duì)東二郎坪群變質(zhì)巖的研究也表明,它經(jīng)歷兩期變質(zhì)作用:早期是升溫、降壓,為拉張小洋盆型的洋底變質(zhì)作用;晚期是降溫、升壓,為洋盆閉合擠壓型的區(qū)域變質(zhì)作用.另?yè)?jù)古生物群系資料,北秦嶺地帶有華北型與揚(yáng)子型生物混生現(xiàn)象,一度為華北與揚(yáng)子陸塊之間的陸間海槽;又據(jù)古地磁資料也反映出北秦嶺的開合過程:寒武紀(jì)為拉張期,而奧陶紀(jì)為閉合期.總之,本區(qū)寒武紀(jì)曾拉張(開)為陸間裂谷型小洋盆;奧陶紀(jì)曾閉合(合)成裂谷造山帶.3.2構(gòu)造環(huán)境演化方向以火山巖中相對(duì)穩(wěn)定的成分——惰性元素,在多構(gòu)造環(huán)境共存圖(圖9)上投點(diǎn),并以火山巖的時(shí)代、層序?yàn)橐罁?jù)標(biāo)繪箭頭,以示其順序先后與演化方向.綜合研究表明,本區(qū)構(gòu)造環(huán)境從老到新演化過程是:大陸板內(nèi)(克拉通)→大陸裂谷→陸間裂谷(小洋盆)→火山弧(不成熟→較成熟)→造山帶.它是一個(gè)完整的開合旋回,也是一個(gè)完整的威爾遜(Wilson)構(gòu)造旋回.它體現(xiàn)了幔殼演化與地殼演化規(guī)律:巖漿的酸度加大,鉀質(zhì)增多,地殼厚度增加,地殼也日趨成熟.因此,北秦嶺是在陸殼基礎(chǔ)上,由開與合作用形成的一個(gè)陸間裂谷造山系.4構(gòu)造巖脈拉張速度的可靠性分析本區(qū)構(gòu)造環(huán)境經(jīng)歷了完整的開合旋回,但有關(guān)開合的時(shí)間、距離、速度尚未進(jìn)行過定量估算,筆者擬定了開合定量方法并予以估算.估算的依據(jù)是以Harland等地質(zhì)年代表中年齡作為年齡依據(jù);以埃塞俄比亞、肯尼亞、坦桑尼亞等地裂谷玄武巖中的K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)與裂谷拉張速度關(guān)系制作相關(guān)圖(圖10A),以測(cè)定拉張速度,并以惰性元素(w(Zr)/w(Y)-w(Zr))圖(圖10B)核實(shí)拉張速度的可靠性;以安第斯、日本、千島、阿留申群島、伊朗火山弧高鋁玄武巖、安山巖中w(K2O),θ值與閉合速度作圖,可確定閉合速度的大小,θ=w(SiO2)-47(Na2O+K2O)/(Al2O3),式中w(SiO2)為質(zhì)量分?jǐn)?shù),(Na2O+K2O)/Al2O3為分子數(shù)比值.已知速度、時(shí)間,則不難確定其距離.分不同帶、段與不同時(shí)代估算如下.4.1帶的平均距離和關(guān)閉率(1)底部堿性與拉斑玄武巖nd①拉張時(shí)間,以Harland等的寒武紀(jì)年齡跨度為準(zhǔn):570-510=60Ma;②拉張速度,以底部堿性與拉斑玄武巖中w(K2O),w(Zr),r平均值在圖10中投點(diǎn)可知南帶與北帶平均值分別為0.26cm/a及0.22cm/a;③拉張距離,以拉張時(shí)間乘拉張速度,再乘以2求得(乘2的原因是裂谷兩側(cè)反向拉張),南北帶拉張平均距離分別為312km及264km.(2)閉合速度-a①閉合距離,以拉張平均距離減去造山帶平均寬度(南帶25km,北帶40km),可算出南北裂谷帶閉合的平均最小距離分別為287km及224km;②閉合速度,以高鋁玄武巖及安山巖的w(K2O)或θ值,投點(diǎn)于Sugisaki的w(K2O),θ與板塊移動(dòng)速度關(guān)系圖上,可求出南北裂谷帶平均閉合速度分別為4.15cm/a與4.80cm/a;③閉合時(shí)間,可以同位素年齡直接測(cè)定,也可以間接估算,估算閉合時(shí)間是以閉合距離除以2倍的閉合速度(裂谷兩側(cè)同時(shí)向中心閉合)求得.求出南北裂谷帶閉合時(shí)間分別為3.46Ma及2.33Ma.4.2拉張速度、距離及裂谷構(gòu)造的特征以上述估算方法,同樣可估算出南北裂谷造山帶從東到西不同地段的拉張速度、距離與閉合速度:(1)南帶從東(丹鳳)→西(黑河),拉張速度為0.28～0.23cm/a,拉張距離為336～276km;閉合速度為3.50～4.80cm/a.(2)北帶從東→西,從東二郎坪群→西二郎坪群→云架山群,拉張速度從0.23cm/a→0.22cm/a→0.20cm/a,拉張距離從276km→264km→240km;閉合速度從4.50cm/a→4.80cm/a→5.00cm/a.由上述估算可知,南北裂谷拉張距離約為240～336km,拉張速度約為0.20～0.28cm/a,與紅海裂谷特點(diǎn)相似;閉合速度約為3.50～5.00cm/a,則與安第斯的閉合速度近似.而且南、北裂谷從南帶到北帶,每帶從東到西,均有拉張速度、距離變小,閉合速度變