北秦嶺榴輝巖原巖地球化學(xué)特征及其成因

北秦嶺榴輝巖原巖地球化學(xué)特征及其成因

近年來，對秦嶺-大別造山帶大面積和東伸蘇魯?shù)貐^(qū)高壓和超高壓變質(zhì)作用的研究工作取得成效。作為造山帶的主體，北秦嶺的研究相對薄弱。1994年,在北秦嶺豫陜交界的官坡一帶發(fā)現(xiàn)了榴輝巖,之后又獲巖石礦物內(nèi)部Sm-Nd等時(shí)線年齡為(400±16)Ma,引起了人們的重視。本文比較系統(tǒng)地研究了北秦嶺官坡一帶榴輝巖的地球化學(xué)特征,以期探討其原巖性質(zhì)及其形成的古構(gòu)造環(huán)境。1地質(zhì)背景及地質(zhì)意義在大地構(gòu)造分區(qū)上,對秦嶺-大別造山一是劃分為南、中、北三帶;二是將南和中合并,分為南、北兩帶,各帶間均以區(qū)域性大斷裂帶為界(見圖1)。已有研究表明,秦嶺造山帶是經(jīng)歷了多期復(fù)雜變形的復(fù)合型大陸造山帶,剔除晚期構(gòu)造的疊加改造,重建的古構(gòu)造環(huán)境表明,晚元古宙末—早古生代達(dá)到大洋擴(kuò)張的鼎盛時(shí)期,形成了南秦嶺的古被動陸緣和北秦嶺的活動陸緣,其間發(fā)育古秦嶺大洋板塊。秦嶺造山帶代表華北與揚(yáng)子兩陸塊對接拼合的匯聚帶,是研究兩陸塊及其間南北秦嶺相互關(guān)系與發(fā)展、演化的關(guān)鍵地區(qū),而北秦嶺又是秦嶺造山帶的主體。北秦嶺官坡一帶榴輝巖出露于北秦嶺造山帶秦嶺巖群北側(cè)(見圖1),位于商丹斷裂帶之北,以朱夏斷裂與其北側(cè)的寬坪群、二郎坪群相接。2nb/y-zr/ti2提供的新正質(zhì)識別區(qū)內(nèi)10件榴輝巖樣品的主、微量元素分析結(jié)果列于表1。在SiO2-Zr/TiO2(圖略)和Nb/Y-Zr/TiO2圖解(見圖2)上,樣品的投影點(diǎn)均落在亞堿性玄武巖區(qū),Y/Nb值均大于1,應(yīng)屬亞堿性巖石系列。進(jìn)一步在AFM圖解(見圖3)和Nb/Y-Zr/P2O5圖解上(圖略),投影點(diǎn)均顯示拉斑玄武巖的演化趨勢。因此,可認(rèn)為區(qū)內(nèi)榴輝巖的原巖應(yīng)為基性火山巖。3稀土元素特征從表1可看出,區(qū)內(nèi)榴輝巖的SiO2,Al2O3,MgO,CaO和TiO2含量分別為46.52%～50.13%,11.14%～13.69%,5.91%～6.90%,9.34%～10.74%和1.72%～4.01%。其中,Al2O3,CaO含量偏低,TiO2含量較高(平均為2.69%)是其顯著特征。TiO2含量偏高顯然不同于島弧拉斑玄武巖(島弧拉斑玄武巖的TiO2含量平均為0.8%)。在TiO2-MnO-P2O5圖解(見圖4)、Ti/1000-V圖解(見圖5)中,絕大多數(shù)樣品均落在MORB區(qū),而在FeO/MgO-TiO2圖解(見圖6)中,大部分樣品的投影點(diǎn)落在OIB區(qū)內(nèi)。圖4不同構(gòu)造環(huán)境玄武巖的判別Fig.4DiscriminationdiagramforthetectonicsettingofbasaltsinnorthQinling表1顯示:榴輝巖稀土含量63.8×10-6～135.2×10-6,是球粒隕石的17～38倍,明顯大于N-MORB的稀土元素含量(N-MORB的稀土元素含量一般為球粒隕石的10～20倍);LREE/HREE和(La/Yb)N比值較高,分別為2.87～7.09和1.93～3.62,反映它們的輕、重稀土元素發(fā)生了分餾。上述值與N-MORB明顯不同(東太平洋隆起玄武巖的(La/Yb)N=0.59～0.97)。圖7為稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分型式圖,為LREE略富集型。樣品的δEu值小于1,為0.71～0.94,屬于輕微銪負(fù)異常,反映巖石的原巖曾發(fā)生了分異結(jié)晶作用。由表1知,微量元素Nb/La=0.68～0.92,Ce/Nb=2.11～3.62,Th/Yb=0.42～1.00,Ti/Zr=75.26～125.84,表明巖石源區(qū)具有N-MORB的特征,Th/Ta值(變化于1.40～2.15)近似相等,因此榴輝巖原巖的形成與消減作用無關(guān)。微量元素在MORB標(biāo)準(zhǔn)化的蛛網(wǎng)圖(見圖8)上,表現(xiàn)出強(qiáng)不相容元素(K,Rb,Ba,Th,Ta,Nb)較之中等不相容元素(Ce,P,Zr,Hf,Sm)富集,并從Sm到Cr呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,有些樣品的Y,Yb與N-MORB的型式相似,沒有Nb(Ta),Ti的明顯負(fù)異常。另外,巖石中Sm-Nd礦物對的εNd=3.6,說明其原巖起源于虧損的軟流圈地幔,并暗示有富集地幔物質(zhì)的加入。圖8北秦嶺榴輝巖的微量元素配分型式圖Fig.8Mantle-normalizedtraceelementdiagramofeclogitesinnorthQinling在所分析的樣品中:區(qū)內(nèi)榴輝巖Nb含量近于一致,變化于9～13μg/g之間,與OIB的Nb含量比較接近,而明顯高于N-MORB的Nb含量(N-MORB的Nb含量為4.6μg/g,OIB的Nb含量為13.0μg/g);Zr/Nb為10.8～18.0,相當(dāng)于N-MORB和OIB之間的過渡類型(N-MORB的Zr/Nb平均為27,OIB的Zr/Nb平均為4);Zr/Y為4.24～6.92,顯示OIB的特征(OIB的Zr/Y為5.7)。因此,可以認(rèn)為該榴輝巖兼具N-MORB和OIB的特征,巖石源區(qū)應(yīng)是N-MORB端元和OIB混合的結(jié)果,但OIB的組分可能更多一些。綜上所述,北秦嶺官坡地區(qū)榴輝巖地球化學(xué)特征既不同于典型N-MORB的地球化學(xué)特征,又與典型OIB的地球化學(xué)特征有所區(qū)別,而是兼有二者的特征。因此,有理由認(rèn)為巖石源區(qū)是N-MORB端元和OIB端元的混合。4榴輝巖的形成環(huán)境本文所述榴輝巖中Sm-Nd礦物對的εNd=3.6,說明巖石起源于虧損的軟流圈地幔,并暗示有富集地幔物質(zhì)的加入。前已述及,該榴輝巖又具有OIB的地球化學(xué)特征。據(jù)文獻(xiàn)對赤道附近東太平洋脊(EPR)附近的海山玄武巖樣品的分析,海山玄武巖樣品在微量元素蛛網(wǎng)圖上表現(xiàn)出很大的變化范圍,可以從類似OIB的熔巖變化到極端虧損的、類似從EPR采集到的最虧損MORB的樣品,說明赤道附近東太平洋脊附近海山下的地幔存在兩種端元,一種為虧損的上地幔物質(zhì),一種為富集的地幔柱物質(zhì),二者在熔融作用之前或熔融作用時(shí)以不同比例混合在一起,然后上涌、熔融,從而形成微量元素組成從虧損至富集變化很大的海山玄武巖。因此,可以推測北秦嶺榴輝巖的原巖可能是洋盆中的海山玄武巖,因而具有洋殼性質(zhì),當(dāng)洋盆消減閉合時(shí),洋殼俯沖消減到下地殼或地幔深處,經(jīng)高壓變質(zhì)形成榴輝巖。在區(qū)域構(gòu)造上,本文所述榴輝巖與二郎坪蛇綠巖同處于北秦嶺造山帶之中,并以朱夏斷裂相分離(見圖1)。從20世紀(jì)80年代至今,許多學(xué)者對北秦嶺蛇綠巖進(jìn)行了多方面的研究,大多認(rèn)為二郎坪蛇綠巖套是東秦嶺造山帶中保存最好的古蛇綠巖[8,9,10,11,12,13,14,15,16]。張國偉等已通過區(qū)域構(gòu)造綜合研究,提出二郎坪蛇綠巖代表弧后擴(kuò)張小洋盆的模式。文獻(xiàn)對二郎坪弧后盆地沉積建造、巖漿活動及變形變質(zhì)特征進(jìn)行了綜合分析,指出隨古商丹洋在早奧陶世擴(kuò)張至極限,從中奧陶世開始向華北板塊之下俯沖,由于板塊間相互作用及深部次級地幔對流柱的形成,引起弧后地殼擴(kuò)張、伸展變薄,地幔物質(zhì)上侵就位,出現(xiàn)了洋殼并進(jìn)一步擴(kuò)展為弧后小洋盆,發(fā)育弧后小洋盆型蛇綠巖。但是,文獻(xiàn)則認(rèn)為盡管二郎坪群中存在少量具有N-MORB性質(zhì)的基性熔巖,但缺少變質(zhì)橄欖巖,二郎坪不是蛇綠巖?！岸善荷呔G巖”的存在雖然是有爭議的,但本文通過對北秦嶺官坡地區(qū)榴輝巖的地球化學(xué)特征的研究表明,其主要表現(xiàn)為OIB的特征,因此其原巖應(yīng)該是具有洋殼性質(zhì)的玄武巖,這預(yù)示著該區(qū)曾經(jīng)有過洋盆的存在。5原巖源區(qū)地球化學(xué)特征1)北秦嶺造山帶榴輝巖的原巖是基性火山巖,其Y/Nb均大于1,應(yīng)屬于拉斑玄武巖系列。微量元素比值Nb/La=0.68～0.92,Ce/Nb=2.11～3.62,Th/Yb=0.42～1.00,Ti/Zr=75.26～125.84,表明巖石源區(qū)具有N-MORB的特征。Nb含量近于一致,介于9～13μ