殼幔相互作用深部過程的

殼幔相互作用深部過程的

地球化學(xué)論證以古洋殼和陸殼俯沖-再循環(huán)為例張本仁歐陽建平張宏飛趙志丹凌文黎一、引言殼幔相互作用是推動大陸發(fā)展的直接動力，是整個(gè)地球動力學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。殼幔物質(zhì)再循環(huán)是殼幔相互作用的重要表現(xiàn)，揭示殼幔物質(zhì)再循環(huán)是探討殼幔作用及其動力學(xué)的必經(jīng)途徑。已提出的殼幔再循環(huán)類型有：

1板塊會聚帶與B型俯沖有關(guān)的殼幔再循環(huán)；

2巖石圈的底侵和拆沉；

3陸殼俯沖有關(guān)的超高壓變質(zhì)巖的形成和折返。二、秦嶺商丹古會聚帶洋殼俯沖與殼幔再循環(huán)論證（一）研究基礎(chǔ)：

1會聚帶共存著能代表古洋巖石圈殘留的松樹溝蛇綠巖片（構(gòu)造侵位時(shí)代為983±140

Ma)與形成于洋內(nèi)島弧的丹鳳群以玄武巖為主的火山巖系（984±36

Ma)，它們的巖石可提供古洋巖石圈及島弧巖漿的化學(xué)組成信息，為研究設(shè)置本區(qū)域殼幔的具體約束；

2古洋巖石圈特征：

巖石圈地幔:

Y/Tb=36.5;206Pb/204Pb=18.248,207Pb/204Pb=15.699,208Pb/204Pb=38.441;εNd(t)=+7.3.

古洋殼玄武巖平均：Y/Tb=

40±；206Pb/204Pb=18.462，207Pb/204Pb=

15.579,208Pb/204Pb=38.293;εNd(t)=+6.8.（二）研究現(xiàn)狀與思路近代板塊會聚帶殼幔再循環(huán)已經(jīng)有了一些研究成功的實(shí)例，但古會聚帶殼幔再循環(huán)研究尚很少見有報(bào)道。一般論證的思路是：通過島弧玄武巖地幔源區(qū)中有俯沖洋殼物質(zhì)，尤其洋殼上沉積物參與的揭示，來證明洋殼俯沖和殼幔再循環(huán)的發(fā)生；一般采用Pb、Sr、Nd同位素，尤其10Be同位素為指示劑，其中宇宙成因短壽命10Be在近代島弧玄武巖中的高含量，成為海洋沉積物被帶入玄武巖地幔源區(qū)的令人信服的標(biāo)記。然而，10Be同位素的半衰期僅為1.5m.y.,不適用于古俯沖作用的研究，這給此問題研究帶來了難題。(三）新的示蹤標(biāo)記Y/Tb比值為克服上述困難，我們考慮應(yīng)用深海沉積物獨(dú)有的低Y/Tb比值（平均15，Turekian&Wedepohl,1961）作為代替10Be的標(biāo)志。Y和Tb化學(xué)行為彼此相近，在地幔巖石部分熔融過程中Y/Tb比值不受熔融程度影響，因此玄武巖的Y/Tb比值可以代表地幔源區(qū)的該比值（Bougaultetal..1980）?；谘髿こ练e物與洋殼玄武巖比較，具有相對低的Y/Tb和εNd(t)、相對高的87Sr/86Sr或εSr(t)，以及相對高的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值。因此，玄武巖地幔源區(qū)中若有深海沉積物隨俯沖洋殼的帶入地幔源區(qū)，必然導(dǎo)致玄武巖Y/Tb比值和εNd(t)的降低及Pb和Sr同位素比值的升高，并且隨加入的沉積物的數(shù)量增減，在玄武巖的Y/Tb和εNd(t)分別與Pb和Sr同位素比值之間均應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

綜合上述的示蹤結(jié)果應(yīng)能得出較為可信的結(jié)論。（四）丹鳳玄武巖及地幔源區(qū)的地球化學(xué)特征丹鳳玄武巖顯示洋內(nèi)島弧玄武巖的地球化學(xué)特征，表現(xiàn)為源區(qū)中基本無陸源碎屑沉積物的混入（圖1），以及在Ti、Nb、Ta、Zr、Hf、Th、La、Y等組成上類似洋內(nèi)島弧玄武巖（圖2）。丹鳳玄武巖系巖石多種組分對DI(分異指數(shù)）和SI（固結(jié)指數(shù)）的關(guān)系，尤其Ti對Mg含量的協(xié)變關(guān)系明顯地反映出兩種源區(qū)巖漿的演化趨勢(圖3)。其中一種巖漿(A)顯示相對低Ti的特征,其演化線(a)以此類巖石中的鎂鐵質(zhì)巖石包體的成分為起點(diǎn),后者已被證明屬于該巖漿早期結(jié)晶巖石的碎片。另一種巖漿(B)具有相對高Ti的特征,其演化線(b)以該類巖石中所含的鎂鐵質(zhì)巖石包體的成分為起點(diǎn),后者根據(jù)成分與結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征已被鑒別為可能屬于洋殼的組成巖石,但已受到巖漿熔蝕和改造的影響。Y/Tb–Y圖解判別表明（圖4），丹鳳玄武巖應(yīng)具有Y/Tb值波動于36.5和29的兩個(gè)巖漿源區(qū)。經(jīng)樣品數(shù)據(jù)關(guān)系核查：丹鳳玄武巖具有高Ti-低Y/Tb比值與低Ti-高Y/Tb比值兩個(gè)巖漿源區(qū)。圖1丹鳳群玄武巖εNd-Nb/Th、εNd-La/Nb和εNd-Ba/Nb圖解(據(jù)李曙光,1994)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引自張旗等(1995).圖2丹鳳群變玄武巖的Th/Yb-Ta/Yb圖解（Pearce,1983)(引自張旗等，1995）DM:虧損地幔；MORB：洋脊玄武巖（N型）；OIB：洋島玄武巖；TH：拉斑玄武巖；CAB：鈣堿性玄武巖；SHO：鉀玄巖。空圈為三十里鋪玄武巖；黑圓點(diǎn)為郭家溝玄武巖；×：LREE虧損型玄武巖.圖3丹鳳群基性火山巖Ti/1000(×10-6)對Mg(%)圖解,顯示巖漿的演化趨勢a:巖漿A;b:巖漿B;c:混合巖漿C.演化線a起點(diǎn)處的斷線圈代表早期結(jié)晶巖石的包體;演化線b起點(diǎn)處的實(shí)線圈代表具有接近N-MORB化學(xué)成分的鎂鐵質(zhì)巖石包體.圖4丹鳳群和二郎坪群基性火山巖Y/Tb-Y圖解1.丹鳳群;2.二郎坪群.

（五）玄武巖地幔源區(qū)——（1）Y/Tb比值示蹤

洋內(nèi)島弧產(chǎn)于洋殼之上，其上必然存在低Y/Tb比值的深海沉積物。低Ti-高Y/Tb的源區(qū)，由于Y/Tb比值波動于36.5左右，十分接近于商丹古洋巖石圈地幔，推測應(yīng)為俯沖板片之上地幔楔。高Ti-低Y/Tb的源區(qū)，由于Y/Tb比值波動于29左右，且這部分樣品的Y/Tb與Pb同位素比值之間存在規(guī)律的反相關(guān)關(guān)系，推測巖漿來自加入了俯沖洋殼和深海沉積物的地幔源區(qū)；

樣號104213

Y/Tb23.5225.1526.7128.8730.42

206Pb/204Pb18.28318.24018.19718.14218.011（五）源區(qū)——（2）Pb、Nd、Sr同位素示蹤

高Y/Tb源區(qū)：樣品εNd(t)值均大于+7，十分接近該區(qū)巖石圈地幔值（+7.3),且Pb同位素比值均較高，波動于巖石圈地幔巖石的Pb同位素比值左右，與εNd(t)值缺少明顯相關(guān)性（圖5）；在εNd(t)-εSr(t)圖解中，這部分樣品在保持εNd(t)值大于+7的情況下，εSr(t)值沿水平線增長（圖6），即εSr(t)同εNd(t)值之間不存在相關(guān)性。綜合表明此源區(qū)應(yīng)為大洋巖石圈地幔楔，玄武巖Sr同位素組成的變化應(yīng)為海相火山巖遭受海水蝕變的結(jié)果。低Y/Tb源區(qū)：樣品εNd(t)值均小于+7，εNd(t)值與三個(gè)Pb同位素比值之間均呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5）；在εNd(t)-εSr(t)圖解中（圖6）樣品點(diǎn)則沿著水平的海水蝕變線與島弧玄武巖和沉積物混合線構(gòu)成的夾角的近平分線分布,并且樣品的εNd(t)值和εSr(t)值之間顯示出很清楚的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這進(jìn)一步支持了形成這部分玄武巖的巖漿,應(yīng)來自有相當(dāng)數(shù)量俯沖洋殼和深海沉積物質(zhì)加入的地幔源區(qū),只是由于這部分玄武巖的Sr同位素組成受到沉積物加入和海水蝕變的雙重影響,以至巖石的εNd(t)值和εSr(t)值之間的變異趨勢線既未沿海水蝕變線、也未沿沉積物影響線,而沿兩者夾角的近平分線(代表兩種作用的共同效應(yīng))演變。圖5丹鳳群變玄武巖εNd(t)對206Pb/204Pb、207Pb/204Pb

和208Pb/204Pb圖解圖6丹鳳群變玄武巖εNd(t)-εSr(t)圖解（六）結(jié)論

丹鳳島弧玄武巖至少有一個(gè)地幔源區(qū)被確證有俯沖洋殼和深海沉積物質(zhì)的卷入，可以證明秦嶺商丹古會聚帶曾發(fā)生過洋殼的俯沖，丹鳳玄武巖應(yīng)為與俯沖消減作用有關(guān)的巖漿作用的產(chǎn)物，是殼幔再循環(huán)的表現(xiàn)。丹鳳玄武巖所顯示的自南而北的成分極性應(yīng)能指示，洋殼是向北俯沖于北秦嶺巖石圈之下的?；『笈璧刂械亩善饺盒鋷r同樣顯示巖漿來自Y/Tb高、低不同的兩個(gè)源區(qū)（圖4），表明洋殼俯沖消減作用的影響已波及到弧后地區(qū)。三、秦嶺大別造山帶陸殼深俯沖的

地球化學(xué)論證（一）問題的提出大別碰撞造山期間陸殼深俯沖是基于所出露的超高壓變質(zhì)巖，尤其含柯石英和金剛石微粒的榴輝巖而推定的，并未涉及陸殼深俯沖的直接證據(jù)。在大別地區(qū)關(guān)于超高壓變質(zhì)巖的原始巖層最可能為揚(yáng)子北緣新元古代雙模式火山-沉積巖系的認(rèn)識，也只是根據(jù)變質(zhì)巖研究提出的推測，并無與揚(yáng)子地殼巖層對比的可靠證據(jù)。

這些均造成陸殼深俯沖及超高壓變質(zhì)巖形成和折返邊界條件的不確定性，不利于爭論的消除。（二）研究設(shè)想

秦嶺-大別本是統(tǒng)一造山帶，但在碰撞造山后，兩地段經(jīng)歷了不同的抬升剝蝕，致使大別地區(qū)出露的是造山帶的深部或根部截面，相當(dāng)揚(yáng)子北緣（南秦嶺）的震旦系-顯生宙蓋層（上地殼）在造山帶主體部分已剝蝕殆盡，大量超高壓變質(zhì)巖石見于地表；東秦嶺地區(qū)見到的是造山帶中深截面，這里中深部和淺部地質(zhì)構(gòu)造層次交互出現(xiàn)。

基于這種難得的地質(zhì)條件，我們設(shè)想對該造山帶不同深度截面進(jìn)行綜合對比研究，以期獲得陸殼俯沖深、淺部特征的全貌，充實(shí)和提高俯沖巖層及俯沖邊界條件的信息與確定性，為碰撞造山和陸殼深俯沖過程研究提供依據(jù)。這里僅側(cè)重陸殼深俯沖的研究。（三）東秦嶺陸殼深俯沖論證的構(gòu)思地表地質(zhì)觀察及地球物理測深成果分析,提出了印支期陸－陸碰撞造山晚期曾發(fā)生揚(yáng)子板塊北緣（南秦嶺）陸殼基底俯沖疊置于北秦嶺上部地殼之下的推斷。顯然這種推斷尚需直接證據(jù)的支持。分布于南、北秦嶺的印支期碰撞型花崗巖類，為通過巖漿源區(qū)示蹤解決這一問題，提供了基礎(chǔ)。北秦嶺印支期碰撞型花崗巖類(蟒嶺、翠華山、寶雞巖體)長石的鉛同位素比值顯著低于該單元中的新元古代和早古生代花崗巖類的長石鉛(表1)。這種違反地殼鉛同位素系統(tǒng)正常演化規(guī)律的現(xiàn)象,強(qiáng)烈地暗示作為花崗質(zhì)巖漿源區(qū)的北秦嶺深部地殼在印支期可能發(fā)生了變化。這啟發(fā)我們產(chǎn)生了如下研究構(gòu)想，即試圖通過證明北秦嶺碰撞型花崗巖類是否是以南秦嶺地殼基底為源的途徑,來證明南秦嶺地殼基底是否俯沖疊置北秦嶺上地殼之下。表1南秦嶺和北秦嶺花崗巖長石和有關(guān)巖石Pb同位素組成年代與巖石類型樣品數(shù)206Pb/204Pb207Pb/204Pb208Pb/204Pb北秦嶺新元古和早古生代島弧花崗巖1218.23415.57838.172晚海西-印支碰撞型花崗巖817.61715.44237.658燕山期花崗巖417.85315.53738.193元古宙基底巖石3818.35215.58038.366南秦嶺新元古代花崗巖317.33015.44937.446早古生代花崗巖317.48915.44137.408印支期碰撞型花崗巖2217.73715.48637.701元古宙基底巖石2317.82315.48638.319耀嶺河群玄武巖1117.77615.47138.407注：花崗巖測定的樣品全部為長石；基底巖石為全巖樣品。（四）北秦嶺碰撞型花崗巖以南秦嶺基底巖層為源的地球化學(xué)證據(jù)1北秦嶺碰撞型花崗巖在Pb同位素組成上基本與南秦嶺碰撞型花崗巖和元古宙基底巖層，尤其耀嶺河群火山巖系相似，而與北秦嶺元古宙基底巖層不同（表1）；2南、北秦嶺碰撞型花崗巖的Nd同位素組成和演化范圍基本與南秦嶺耀嶺河群變玄武巖Nd同位素組成一致或重疊（圖7）；3在εNd(t)-εSr(t)圖解(t=200Ma)南、北秦嶺碰撞型花崗巖（除受上覆巖層明顯污染的巖體）均接近耀嶺河群變玄武巖的平均成分點(diǎn)（圖8）；圖7南、北秦嶺晚華力西-印支期花崗巖類及有關(guān)基底巖石εNd-t(Ga)圖解

1.北秦嶺晚海西-印支期花崗巖類;2.南秦嶺印支期花崗巖類;3.耀嶺河群變玄武巖;4.佛坪群片麻巖;5.魚洞子群片麻巖.

圖8南、北秦嶺晚華力西-印支期花崗巖類及有關(guān)基底巖石εNd(t)-εSr(t)圖解(t=200Ma)巖體名稱代號:北秦嶺(NQ)—ML-蟒嶺,BJ-寶雞,CH-翠華山;南秦嶺(SQ)—DJK-東江口,XH-小河口,YZ-胭脂壩,LC-老城,DH-東河臺子,WL-五龍,HY-華陽,XB-西壩,LB-留壩,GTS-光頭山.大倒黑三角(YLH):耀嶺河群變玄武巖平均成分;大正黑三角(YDZ):魚洞子群變質(zhì)雜巖平均成分;大空心菱形(FP):佛坪群片麻巖平均成分.2.右上角小插圖為南秦嶺印支期花崗巖類投點(diǎn)區(qū)的放大,表示花崗巖類的εNd(t)值和εSr(t)值隨巖體侵位的位置自東而西的變化。4微量元素的證據(jù)

南、北秦嶺碰撞型花崗巖類還一致顯示出較高的Nb/Th、Nb/La、Nb/U、Nb/Pb、Ba/Th、Ba/U和Ba/Pb比值及較低的U和Th含量,而不同于北秦嶺的新元古代和早古生代花崗巖類,并且這種差別同南、北秦嶺元古宙基底變基性火山巖平均成分的差別正好是一致的(圖9和表2)。這同樣表明南秦嶺的基底巖層應(yīng)為南、北秦嶺晚海西-印支期晚碰撞型花崗巖類巖漿的共同源區(qū)。表2北秦嶺(NQ)和南秦嶺(SQ)元古宙基底變玄武巖的地球化學(xué)特征圖9南、北秦嶺花崗巖類微量元素比值-含量圖解1北秦嶺新元古代和早古生代花崗巖類;2北秦嶺晚海西－印支期花崗巖類;3南秦嶺印支期花崗巖類.5秦嶺群變質(zhì)相和隆升證據(jù)

秦嶺群為北秦嶺出露的古元古代最老結(jié)晶基底，巖石變質(zhì)主體達(dá)角閃巖相，局部達(dá)麻粒巖相，變質(zhì)溫壓條件研究證明該變質(zhì)核雜巖形成深度為26km（游振東等，1991）,鑒于秦嶺群已成為現(xiàn)今上地殼的主要組成，表明該變質(zhì)巖層形成后已由原中地殼底部或下地殼上部被抬升到上地殼。

這種大幅度抬升應(yīng)與碰撞造山期間陸殼深俯沖，南秦嶺基底疊置于其下有關(guān)。

結(jié)論：北秦嶺碰撞型花崗巖以南秦嶺基底巖層為源的確定，為碰撞造山期間曾發(fā)生揚(yáng)子板塊北緣基底巖層深俯沖疊置于北秦嶺之下的推斷提供了重要證據(jù)，表明陸殼深俯沖在莫霍面之上的地殼范圍內(nèi)表現(xiàn)特征為，造成地殼結(jié)構(gòu)的重大改變，使俯沖盤基底成為仰沖盤中-下地殼組成，以及仰沖盤中原中下地殼巖層抬升為現(xiàn)今上地殼組成。東秦嶺地質(zhì)構(gòu)造研究還表明，（1）陸殼的深俯沖是滑脫性的，南秦嶺基底不整合面以上的震旦紀(jì)-顯生宙蓋層并未卷入俯沖體系；（2）南秦嶺碰撞型花崗巖多數(shù)侵位于泥盆系蓋層中，因此它們在南北大別應(yīng)被剝蝕而未能保存。（五）大別超高壓變質(zhì)單元原巖對比研究1問題的提出在大別地區(qū)，如能證明超高壓變質(zhì)單元原巖是否相當(dāng)秦嶺俯沖陸殼單元中的某一巖層，則可將兩地區(qū)的陸殼深俯沖遺跡聯(lián)系起來揭示其總體運(yùn)動和特征。已有資料初步揭示，大別超高壓變質(zhì)單元的原始巖層極可能同南秦嶺耀嶺河群變火山-沉積巖系相對比。2初步依據(jù)

(1)大別超高壓變質(zhì)單元由含柯石英或金剛石微粒的榴輝巖、長英質(zhì)片麻巖（以正片麻巖為主）、硬玉石英巖和大理巖等組成。經(jīng)研究，其原巖組合類似于雙模式火山-沉積巖系，形成于新元古代，這點(diǎn)與耀嶺河群的形成時(shí)代和巖石組成是吻合的。2依據(jù)（續(xù)）(2)超高壓榴輝巖與耀嶺河群變玄武巖具有相似的Pb同位素組成：巖石類型樣品數(shù)206Pb/204Pb207Pb/204Pb208Pb/204Pb206Pb/208PbUHP變質(zhì)巖1717.83015.48238.2390.4663

YLH火山巖1617.85815.48138.5690.4629(3)超高壓榴輝巖與耀嶺河群變玄武巖的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素組成模式基本相似（圖10、11）；（4）兩者的Nd同位素模式年齡(二階段)也是可以對比的，分別平均為：1.10Ga和1.13Ga（5）在南秦嶺耀嶺河群是卷入俯沖體系的最上部巖層，其下伏有中元古代過渡基底巖層和古元古代結(jié)晶基底巖層。大別地區(qū)，以折離面為界墊于