秦嶺構(gòu)造雜帶內(nèi)兩期火山巖地球化學(xué)特征及其成因

秦嶺構(gòu)造雜帶內(nèi)兩期火山巖地球化學(xué)特征及其成因

1勉略結(jié)合帶與鞍子山向西緣構(gòu)造帶的分工在秦嶺-武進化古特地研究期間，初步確定了昆縣-武陽地區(qū)是一個蛇綠混合帶（laishangjongkaozhanggongetal.，1996；賴少聰?shù)龋?997，1998；徐繼峰等，1996）。在隨后的構(gòu)造中，必須確定它們是被破壞的狀態(tài)的。它必須成為秦嶺造山帶的第二個主要造山帶，在秦嶺造山帶的形成和發(fā)展中發(fā)揮重要作用和意義（張國偉等，1995）。但在“八五”重大項目后期未能進行深入系統(tǒng)研究,僅對勉縣-略陽等幾個點進行了初步解剖,遺留下很多重要問題急待解決,其中最突出的一個問題就是勉略結(jié)合帶的屬性及其東西延展,從而成為國家自然科學(xué)基金“九五”秦嶺重點項目的主要研究目標(biāo)。事實上,勉縣-略陽蛇綠構(gòu)造混雜帶自勉縣、鞍子山向東的延伸情況,目前尚無巖石地球化學(xué)方面的確切證據(jù),已有的研究工作僅達到鞍子山地區(qū),該結(jié)合帶是否延伸至巴山弧型構(gòu)造帶并繼而向東延伸至大別南緣(DongYunpengetal.,1999),仍是目前學(xué)術(shù)界有重大爭議的熱點議題。本文擬對巴山弧兩河巖區(qū)出露的火山巖殘片進行研究,從而提出勉略結(jié)合帶東延至巴山弧型構(gòu)造帶的火山巖巖石地球化學(xué)證據(jù)。2巖片及巖片巖相特征研究區(qū)位于略陽-勉縣蛇綠構(gòu)造混雜帶以東,處在秦嶺微板塊的南部邊緣與揚子板塊的北部邊緣,隸屬巴山弧型逆沖推覆構(gòu)造帶的轉(zhuǎn)折部位,它是分隔秦嶺微板塊與揚子板塊的重要分界線,實際為一寬500～1000m的狹窄的構(gòu)造混雜帶,總體呈北西-南東向狹長弧形展布。混雜帶由兩條主干逆沖推覆斷裂所夾持,帶內(nèi)包含了不同時期、不同性質(zhì)與不同變形特征的地層、巖體或構(gòu)造巖塊(王根寶等,1997)。本區(qū)揚子板塊北緣除缺失部分泥盆-石炭紀(jì)地層外,寒武-三迭系均為穩(wěn)定臺地型建造,秦嶺微板塊由于其構(gòu)造復(fù)雜,許多問題盡管尚有爭議,然而除泥盆系與志留系之間有地區(qū)性不整合外,其它地層基本連續(xù),但建造類型與巖石組合和揚子板塊北緣已截然不同;而構(gòu)造混雜帶內(nèi)則缺失中寒武到下泥盆統(tǒng),且泥盆-石炭系由邊緣陸相沖積扇群體系直接過渡為濁積巖及硅質(zhì)巖與鈣屑濁積巖,與兩側(cè)有明顯差異(王根寶等,1997)。兩河火山巖以構(gòu)造巖片的形式卷入該構(gòu)造帶內(nèi)(圖1)。兩河火山巖巖片分布在汶水河兩岸,呈寬約50～200m,長約3～5km的兩條火山巖構(gòu)造巖片。野外觀察表明,火山巖與混雜帶內(nèi)寒武、志留及泥盆-石炭系地層、巖體均為構(gòu)造接觸,界面為北傾的逆沖推覆構(gòu)造帶?；鹕綆r巖性變化不大,層序清楚。下部為深色塊狀玄武巖,上部為玄武巖與淺色英安巖、流紋巖互層,英安巖和流紋巖所占比例不大,呈薄層狀與玄武巖層交替出現(xiàn),淺色層單層厚大多10～20cm,個別厚達40cm,最薄的僅3～5cm,并見有流紋構(gòu)造(圖2)。兩河地區(qū)兩條火山巖巖片巖石類型及巖性組合完全相同(圖2),玄武巖與英安巖、流紋巖的互層關(guān)系表明它們應(yīng)為同時代巖石組合,且玄武巖所占比例較大,英安巖和流紋巖出露較少。玄武巖鏡下可見斑狀結(jié)構(gòu)和無斑隱晶結(jié)構(gòu)兩種類型,對于斑狀結(jié)構(gòu)的巖石,斑晶含量低,主要斑晶礦物為具有聚片雙晶的基性斜長石和自形-半自形的輝石顆粒,斜長石斑晶有明顯的簾石化及絹云母化,輝石斑晶的邊緣大多綠泥石化,部分顆粒已全部蝕變?yōu)榫G泥石。巖石基質(zhì)為間粒結(jié)構(gòu),由斜長石微晶和輝石、磁鐵礦小顆粒組成,輝石小顆粒大多已綠泥石化,但仍可見部分新鮮的輝石小顆粒。英安、流紋巖類可見明顯的剪切片理化現(xiàn)象,礦物具明顯定向性排列,基質(zhì)已發(fā)生重結(jié)晶。巖石總體為斑狀結(jié)構(gòu),斑晶為正長石和具細(xì)密聚片雙晶的酸性斜長石,巖石隱約可見流紋構(gòu)造,并見流紋繞過斑晶的現(xiàn)象。暗色礦物主要為黑云母,均已綠泥石化,副礦物見有磁鐵礦和鋯石?；|(zhì)為霏細(xì)結(jié)構(gòu)-微晶結(jié)構(gòu),由長英質(zhì)微細(xì)晶粒組成。我們的樣品采自石泉縣水文站南側(cè),汶水河北岸,沿垂直火山巖巖片走向方向采集一組系統(tǒng)樣品,并經(jīng)鏡下觀察,挑選較新鮮的玄武巖和英安巖、流紋巖進行了室內(nèi)分析。結(jié)果表明,該組火山巖應(yīng)為弧內(nèi)裂陷的巖漿活動產(chǎn)物,形成于弧間盆地的大地構(gòu)造環(huán)境。3基性火山巖蝕變作用兩河火山巖巖片主要巖石類型為玄武巖和英安、流紋巖(圖3),其化學(xué)成分及微量元素和稀土元素分析結(jié)果列于表1中。從表中可以看到,本區(qū)玄武質(zhì)巖石H2O含量(H2O++H2O-)大多在1.70%～3.97%之間,平均為3.21%,表明本區(qū)基性火山巖遭受過一定的蝕變作用并可能受到過微弱的變質(zhì)作用影響,這與顯微鏡下的薄片觀察結(jié)果是一致的。這種蝕變/微弱變質(zhì)作用可能影響到部分活潑元素(如K、Na、Cs、Rb、Sr等)的地球化學(xué)行為,本文將重點對那些不活動元素(如Nb、Ta、Zr、Hf、Th、REE、Ti等)進行元素地球化學(xué)討論。3.1巖漿地球化學(xué)特征Nb、Y均為不活動痕量元素,較少受到蝕變和變質(zhì)作用的影響,對于堿性(alkaline)和非堿性(nonalkaline)系列火山巖,其Nb/Y值的區(qū)間范圍十分穩(wěn)定,尤其對于基性、中基性和中酸性火山巖,其堿性和非堿性系列的區(qū)分主要取決于Nb/Y值,而較少受到SiO2含量變化的影響。因此,SiO2-Nb/Y圖解可以有效地區(qū)分變質(zhì)/蝕變火山巖的系列。我們獲得的玄武巖樣品和英安巖、流紋巖樣品均落入非堿性區(qū)(圖4),說明本區(qū)火山巖屬非堿性系列。由于亞堿性鈣堿系列和亞堿性拉斑系列這兩個系列巖漿演化趨勢是截然不同的,變質(zhì)和蝕變作用只能使其演化趨勢變得模糊,而不能改變之。因而,對于它們的區(qū)分,一般的巖漿系列判別圖解仍然適用。AFM圖解(圖5)表明,本區(qū)玄武巖類均屬拉斑系列火山巖,具明顯的富鐵趨勢,即隨MgO的降低,Fe2O3和FeO迅速升高;而英安巖、流紋巖類屬鈣堿性系列,具有明顯的富堿趨勢。上述分述結(jié)果表明,兩河火山巖由拉斑系列玄武巖類和鈣堿系列英安流紋巖類共同組成。本區(qū)基性巖類SiO2%含量穩(wěn)定,介于50.28%～53.28%之間,變化不大,平均為51.89%,屬玄武巖SiO2含量范疇。Fe2O3、FeO、MgO含量高,且絕大多數(shù)樣品FeO>Fe2O3。TiO2含量介于0.87%～1.47%之間,平均為1.19%,就TiO2含量而言,本區(qū)玄武巖類介于典型的洋脊拉斑玄武巖(1.5%)和典型的活動大陸邊緣及島弧拉斑玄武巖(0.83%)之間(Pearce,1983),具特殊的過渡性地球化學(xué)特征。而本區(qū)英安流紋巖類則具有高SiO2%含量(68.25%～80.75%,平均75.46%),低TiO2(0.34%～0.68%,平均0.47%),和Fe2O3+FeO,MgO含量低的地球化學(xué)特點。3.2稀土元素特征分析結(jié)果(表1)表明,本區(qū)玄武巖稀土總量較低,一般在90～150×10-6之間,平均為117.87×10-6,輕重稀土分異不明顯,ΣLREE/ΣHREE十分穩(wěn)定,在1.20～1.94之間變化,平均為1.52;巖石(La/Yb)N介于2.62～4.60之間,平均為3.42;(Ce/Yb)N大多介于2.30～4.09之間,平均為3.01;δEu趨近于1,且十分穩(wěn)定,變化很小,平均為1.03,表明巖石基本無Eu異常。本區(qū)英安流紋巖類稀土總量較高,且變化大,在108.77～303.60×10-6之間,平均為186.14×10-6,有較弱的輕重稀土分異,ΣLREE/ΣHREE平均為2.53;巖石(La/Yb)N介于2.29～10.38之間,平均為6.75;(Ce/Yb)N介于2.19～7.37之間,平均為5.30;巖石δEu變化大,樣品QL10具負(fù)Eu異常(δEu=0.50),樣品QL13基本無銪異常(δEu=0.96),而樣品QL15則具有正銪異常(δEu=1.56)。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分圖上(圖6),本區(qū)玄武質(zhì)巖石表現(xiàn)為一組較為平滑的右傾負(fù)斜率輕稀土弱富集型配分曲線,Eu處無異常。而英安流紋巖類則具有略強的輕重稀土分異,輕稀土部分負(fù)斜率較大,而重稀土部分負(fù)斜率小,曲線較為平緩,Eu處由正異?！鸁o異常→負(fù)異常。值得注意的是,本區(qū)玄武巖與流紋巖的稀土豐度和曲線很接近(圖6),這表明玄武巖和流紋巖并非同源巖漿分異演化的產(chǎn)物。因為,如果流紋巖與玄武巖為共源巖漿系列,則流紋巖的稀土總量應(yīng)當(dāng)明顯高于玄武巖類,且它們的稀土分布將顯示遞進演化的規(guī)律性變化,流紋巖通常有明顯的負(fù)銪異常。而本區(qū)流紋巖無銪異?；驗檎B異常。另外,本區(qū)英安巖的稀土豐度較流紋巖高(圖6),且具負(fù)銪異常和平坦型配分型式,而流紋巖則為輕稀土富集型。稀土特征暗示,本區(qū)玄武巖、英安巖和流紋巖三種巖性不是同源巖漿分異演化的產(chǎn)物,盡管它們在空間上密切相伴,且為同時代產(chǎn)物,然面它們的巖漿源區(qū)深度和源區(qū)物質(zhì)組成應(yīng)有明顯不同,應(yīng)為中下地殼和上地幔不同深度和壓力條件下局部熔融的產(chǎn)物。這表明,本區(qū)火山巖組合的成因及構(gòu)造環(huán)境有其特殊性,不同于通常的大陸裂谷雙峰式火山巖組合。3.3島弧火山巖地球化學(xué)特征近年來,火山作用過程中微量元素地球化學(xué)研究,已經(jīng)從以現(xiàn)代和新生代火山巖為主,擴展到中生代-古生代以至更老的造山帶火山巖。微量元素中的不活動元素由于具有相對的穩(wěn)定性,受后期熱事件影響較小,從而其豐度、組合、元素比值及演化特征已成為探討火山作用過程微量元素地球化學(xué)特征、恢復(fù)和重溯古火山事件的發(fā)生、演化及其構(gòu)造巖漿環(huán)境的重要地球化學(xué)指紋。微量元素的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解顯示,本區(qū)玄武質(zhì)巖石不相容元素具有以下特點(圖7a):有明顯的Nb、Ta谷,Nb<La,表明了顯著的Nb、Ta相對虧損;有元素Ba的峰,顯示了Ba的相對富集,這是島弧火山巖的典型地球化學(xué)特征(Francalancietal.,1993);同時,低Th、U特點也反映了該玄武巖漿體系可能受到了陸殼物質(zhì)的混染(Viramonteetal.,1999);有弱的Ti谷,在所有樣品中Ti都顯示了微弱的相對虧損狀態(tài)。而Ce、Nd、Hf、Zr、Sm、Tb、Y等不活動痕量元素在圖解中顯示為較為平滑的右傾負(fù)斜率曲線,既無明顯的相對虧損,也無顯著的相對富集。本區(qū)玄武質(zhì)巖石Th>Ta,Th/Ta大多在2.15～8.29之間,平均為4.78。Nb<La,Nb/La均小于0.31;Th/Yb介于0.15～0.67之間,平均為0.35;Ta/Yb介于0.05～0.10之間,且十分穩(wěn)定,平均為0.076?？傮w上仍然顯示為島弧火山巖的地球化學(xué)特征(Marlinaetal.,1999)。這與巖石在Hf/3-Th-Ta構(gòu)造環(huán)境判別圖解上所獲得的判別結(jié)果是一致的(圖8)。本區(qū)英安質(zhì)和流紋質(zhì)巖石不相容元素譜系圖(圖7b)總體顯示為斜率不大的右傾模式,隨元素不相容性的降低,富集度逐漸減弱。除此而外,巖石中依然保持了高Ba、低Th、U特征和Nb、Ta的顯著負(fù)異常,以及更強的Ti負(fù)異常。這表明本區(qū)酸性和基性兩組火山巖具有十分相似的微量元素地球化學(xué)指紋。Ta/Yb主要與地幔部分熔融及幔源性質(zhì)有關(guān),Th是不相容元素,它不象K、Ba、Rb、Sr等大離子親石元素那樣容易受到蝕變和變質(zhì)作用的影響,對于鑒別火山巖(玄武巖)的源區(qū)特征有重要意義。本區(qū)玄武巖在Th/Yb-Ta/Yb圖解中(圖9a)均位于MORB-OIB趨勢線的上方,處在鈣堿性區(qū)域與拉斑質(zhì)區(qū)域的過渡部位,且十分靠近MORB區(qū);這種特殊的地球化學(xué)指紋,表明該組玄武巖總體具有洋內(nèi)島弧的大地構(gòu)造環(huán)境,與一個虧損的地幔源區(qū)有密切成因聯(lián)系,但又受到了明顯的陸殼物質(zhì)的混染(張旗等,1995;Wilson,1989)。本區(qū)玄武質(zhì)巖石Ti/Zr比值大多介于27～120之間,平均為58.2;Ti/Y比值較為穩(wěn)定,介于180～300之間,平均為248.4;而英安質(zhì)和流紋質(zhì)巖石具有較低的Ti/Zr(15～80,平均為43.4)和Ti/Y比值(45～150,平均97.7)。Zr和Y是蝕變及變質(zhì)過程中十分穩(wěn)定的不活動痕量元素,而火山巖中Ti豐度與火山巖源區(qū)物質(zhì)組成及火山巖的形成環(huán)境有十分密切的關(guān)系(Pearce,1983)。因此,根據(jù)Ti/Zr、Ti/Y比值特征及Ti/Zr、Ti/Y圖解(圖9b),同樣可以證明本區(qū)英安質(zhì)和流紋質(zhì)巖石主要來自于殼源巖石的局部熔融,而本區(qū)玄武巖類除2個樣品落在MORB型源區(qū)附近外,大多數(shù)樣品投影點位于殼源與MORB型源區(qū)之間,說明這套玄武巖漿具有其特殊性,既帶有洋內(nèi)島弧環(huán)境虧損地幔源區(qū)的地球化學(xué)烙印,又體現(xiàn)了明顯的陸殼物質(zhì)的參與(Hergeetal.,1991)。4島弧巖漿的構(gòu)造作用綜合上述微量元素地球化學(xué)特征可以看出,兩河火山巖以其高Ba,低Th、U,顯著的Nb、Ta虧損和Ti的負(fù)異常為特征,充分表明它們應(yīng)為一套島弧型巖漿活動的產(chǎn)物(Marlinaetal.,1999;Wilson,1989)。且玄武質(zhì)巖石的Th/Yb-Ta/Yb和Ti/Zr-Ti/Y不活動痕量元素組合特征,指示它們應(yīng)來源于一個洋內(nèi)島弧的大地構(gòu)造環(huán)境,巖漿起源與一個虧損的地幔源區(qū)有直接成因聯(lián)系,然而又顯示了顯著的陸殼物質(zhì)參與的地球化學(xué)烙印。更值得注意的是,本區(qū)火山巖與典型的大陸邊緣弧以安山質(zhì)中性巖漿活動為特色的大地構(gòu)造環(huán)境明顯不同,而是以玄武質(zhì)—英安流紋質(zhì)火山巖組合為特色,缺乏中性巖類,從巖石類型和組合看,類似于雙峰式火山巖套。表明它們是一套裂陷環(huán)境中的巖漿活動產(chǎn)物(Viramonteetal.,1999)。然而,本區(qū)火山巖組合的稀土元素和痕量元素特征表明,它們與通常的大陸裂谷雙峰式火山巖明顯不同,玄武巖、英安巖和流紋巖三種巖類不具有同源巖漿分異演化的特征,而屬于地殼和上地幔不同深度、不同壓力和不同源區(qū)性質(zhì)下局部熔融的產(chǎn)物。在全球大地構(gòu)造環(huán)境中,只有弧內(nèi)裂陷環(huán)境才有這種特殊的較為復(fù)雜的巖漿活動特征(Wilson,1989)?；?nèi)裂陷環(huán)境具有過渡殼或不成熟陸殼基底,這與大陸裂谷環(huán)境有所不同,它的形成與深部巖漿上升使弧地殼隆起而產(chǎn)生的拉張構(gòu)造有關(guān),并同火山和構(gòu)造原因的局部沉降有關(guān),常常是弧間盆地發(fā)育初期階段的產(chǎn)物。由于巖漿弧地殼深處的擴張作用,使得弧內(nèi)裂陷環(huán)境的巖漿活動具有類似于雙峰式巖石組合的特點(圖10)。但由于洋內(nèi)島弧常常被弧后次級海底擴張形成的邊緣海盆所分隔,而弧后的次級海底擴張造成洋內(nèi)弧火山前鋒后側(cè)的一個局部虧損楔型地幔源區(qū),當(dāng)俯沖洋殼進入100～150km深處,洋殼中角閃巖大量脫水轉(zhuǎn)變?yōu)槭⒘褫x巖,水進入上部部分虧損的地幔楔而引發(fā)含水部分熔融,產(chǎn)生含水橄欖拉斑玄武巖漿,這種巖漿在上升過程中可能產(chǎn)生部分橄欖石、鉻尖晶石的分離結(jié)晶,結(jié)果派生出具有洋內(nèi)島弧特征的拉斑質(zhì)巖石類型。顯然,這種巖漿從源區(qū)特征看,與MORB型玄武巖漿有某些相似之處,在很大程度上都是由于一個部分虧損的地幔橄欖巖局部熔融產(chǎn)生的。但是,由于它們的局部熔融是在含水條件下發(fā)生的,而與洋脊之下基本無水的熔融不同,而且來自俯沖洋殼的SiO2、K2O,LILE和LREE參與了巖漿的起源過程,從而將使得這種巖漿帶有顯著的陸殼物質(zhì)混染的地球化學(xué)信息(圖10)。這種巖漿作用和巖漿的底劈上隆,使得弧內(nèi)裂陷進一步發(fā)育,并由于高熱流而引起島弧地殼的局部熔融,這種局部熔融產(chǎn)生的酸性巖漿,其熔融機制在一定程度上類似于地殼的深熔作用,但其局部熔融程度和范圍卻遠(yuǎn)不如地殼深熔機制廣泛,所產(chǎn)生的酸性巖漿數(shù)量也較為有限。島弧地殼的局部熔融產(chǎn)生的酸性巖漿將具有顯著的弧巖漿系列地球化學(xué)特征(如Nb、Ta的強烈虧損等),而流紋巖和英安巖則是低成熟度的島弧地殼不同深度位置上局部熔融的產(chǎn)物,從而構(gòu)成本區(qū)具有特殊地球化學(xué)指紋的弧內(nèi)裂陷火山巖組合(圖10)。秦嶺造山帶勉略縫合帶的發(fā)現(xiàn)和初步厘定是近年來秦嶺造山帶研究中的一項重大進展,它使得對秦嶺造山帶的認(rèn)識由過去簡單的華北與揚子兩大陸塊碰撞構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變?yōu)槿A北、秦嶺微板塊和揚子三個陸塊碰撞構(gòu)造體制。勉略縫合帶從勉略向西經(jīng)文縣、瑪曲、花石峽連接昆侖,向東經(jīng)巴山弧形帶而直通大別南緣,成為縱貫大別-秦嶺-昆侖的巨型斷裂構(gòu)造(混雜)帶(張國偉等,1995)。本區(qū)兩河火山巖巖片就處在這個巨型斷裂構(gòu)造(混雜)帶內(nèi)。在勉縣-略陽-巴山弧結(jié)合帶中發(fā)育有泥盆系深水濁積巖系,表明當(dāng)時洋盆已打開,在略陽三岔子、石家莊一帶采集的、與蛇綠巖密切共生的硅質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)了放射蟲動物群,其地質(zhì)時代為早石炭世(殷鴻福等,1996)。說明在古生代中期(D-C)沿勉略一帶出現(xiàn)了古特提斯洋北側(cè)新的分支。勉縣-略陽結(jié)合帶黑溝峽變質(zhì)火山巖系的Sm-Nd等時線年齡為(242±21)Ma,Rb-Sr全巖等時線年齡為(221±13)Ma,指示了火山巖的變質(zhì)年齡(李曙光等,1996),它表明勉略洋盆在三疊紀(jì)已閉合。兩河火山巖總體顯示為洋內(nèi)島弧弧內(nèi)裂陷及初始弧間盆地的大地構(gòu)造環(huán)境,其基性端元所顯示的島弧火山巖的特征與勉縣—略陽地區(qū)橋梓溝島弧火山巖和三岔子島弧火山巖具有明顯的可對比性(賴紹聰,1997,1998),它們的形成應(yīng)與勉