南秦嶺晚三疊世胭脂壩巖體的磁組構特征及意義

陶 威，梁文天，張國偉

1.西北大學地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，西安 710069

2.陜西省地礦局區域地質礦產研究院，陜西 咸陽 712000

0 引言

花崗巖是造山帶內最為常見的物質組成之一，也是造山帶地殼（巖石圈）深、淺部熱和物質交換的重要產物，記錄了造山帶的構造熱演化過程。大量的野外觀察及實驗模擬研究表明，花崗質巖漿的形成、上升和侵位過程與區域構造有密切的相互關系［1－4］。尤其巖體最終侵位的幾何學狀態，包括其形態和內部組構特征，明顯受區域變形場控制［1，5］。且巖體侵位于淺部地殼后，往往僅受小型脆性構造，如斷層、節理等影響［6］，并不改變其主體形態與內部特征。因此，巖體構造研究成為探索造山帶構造演化的一個重要手段。近年來，隨著利用磁組構探測巖體內部微弱各向異性方法的成熟，巖體內部組構特征的分析成為開展巖體構造、巖漿侵位與區域構造關系研究的重要方向［7－11］。

秦嶺造山帶是中國大陸華南、華北板塊間經長期復雜演化形成的復合型大陸造山帶［12］。造山帶形成演化的各階段均伴隨著強烈的構造巖漿作用，主要包括元古代、古生代和中生代3次大的構造巖漿熱事件［13］，成為秦嶺造山帶多期構造演化的一個明顯特點。其中，晚三疊世的構造巖漿作用在東、西秦嶺地區均形成了巨量的花崗巖及花崗閃長巖類，成為秦嶺造山帶內出露范圍最廣，同時也是自印支期碰撞造山以來最為顯著的地質記錄之一。近年來，針對秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖已開展了大量的年代學與地球化學工作［14－15］，年代學研究表明其時代為晚三疊世，然而關于巖體侵位的構造背景，地球化學分析卻得出了同碰撞擠壓、后碰撞伸展和板塊俯沖等諸多相互矛盾的結論，且均強調擠壓或者伸展等構造對巖體侵位的控制。并且，迄今為止并未有相關工作探討擠壓、伸展等構造與巖漿作用的直接關系。因此，從花崗巖巖體構造角度開展研究，將可能為晚三疊世巖漿侵位背景提供新的、最直接的構造地質學約束。

胭脂壩巖體位于東秦嶺寧陜斷裂西側，年代學、巖石學和地球化學研究程度較高，但關于巖體的侵位構造背景卻有著不同的認識。因此，筆者選擇胭脂壩巖體作為典型代表性巖體，運用磁組構方法開展巖體的內部組構研究，并結合區域構造分析，探索巖體的侵位機制及晚三疊世花崗巖的侵位背景。此外，由于秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖主要分布于寧陜斷裂帶以西，因此，該研究也有助于探索寧陜斷裂帶與晚三疊世花崗巖之間的關系。

1 地質背景

秦嶺造山帶現今大致呈近東西向展布，沿走向自西向東包括西秦嶺、東秦嶺和大別山3個主要組成部分。已有的研究表明，造山帶主體為“三板塊兩縫合帶”的基本構造格架［12，16］，即華北、華南及其間的南秦嶺微地塊，沿北側的商丹和南側的勉略縫合帶經長期拼合演化塑造了造山帶的基本地質面貌（圖1）。晚古生代，南秦嶺微地塊向北與華北板塊沿商丹一線拼合；晚三疊世，華南板塊、南秦嶺微地塊及華北板塊沿勉略構造帶完成最終的碰撞拼合。晚三疊世的造山作用使秦嶺造山帶地殼強烈縮短并變質變形，發育了大型的逆沖推覆及走滑剪切構造，同時也呈面狀廣泛發育了大量的花崗質巖石［14］。

秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖多為巖基，且構成幾個大的巖體群（東江口巖體群、五龍巖體群、光頭山巖體群等），主要分布在東秦嶺寧陜斷裂帶北西部的廣大地區，不同巖體群在時、空及成因上密切相關（圖1a）。巖體平面形態多為橢圓形、水滴形等，成分主要為花崗巖或花崗閃長巖等，并含有大量的閃長質暗色微粒包體。針對秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖，近年來已開展了大量的高精度單顆粒鋯石U－Pb年代學分析，結果表明，這些巖體主要發育于225～205Ma，代表了造山帶地殼約20Ma的廣泛熔融事件［14］。然而，眾多的巖體巖石學和地球化學分析卻得出了迥異的結果：多數研究者［17－21］認為這些巖體屬于典型的后碰撞花崗巖類，代表了碰撞造山所形成的加厚地殼向后碰撞伸展的轉換；部分研究者［22－24］則認為這些巖體具有同碰撞花崗巖的地球化學特征，是造山帶碰撞造山作用的產物，產出于擠壓碰撞的總體構造背景下；而一些研究者［25－26］近來又提出這些巖體可能是勉略洋向北連續俯沖作用的產物。

圖1 秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖分布（a）及胭脂壩巖體地質、采樣簡圖（b）Fig.1 Late Triassic granites in Qinling orogen（a）and sketching geological map of Yanzhiba pluton with sampling sites（b）

胭脂壩巖體緊鄰寧陜斷裂帶，巖體呈長橢圓形，出露面積約530km2（圖1b）。圍繞胭脂壩巖體，一些花崗巖呈巖枝、巖株狀產出，構成一個小的巖體群。巖體長軸總體呈NE、NEE向展布，侵入于南秦嶺古生代圍巖中。巖體東部和南部侵位于志留、泥盆紀地層，北部圍巖為古生代地層，西部與晚三疊世老城巖體相接觸；巖體內部包含兩塊較大的圍巖殘留地層。圍巖普遍角巖化，碳酸鹽巖圍巖多變質為大理巖。已有的單顆粒鋯石U－Pb年齡表明其侵位時代為晚三疊世［25－28］，巖石地球化學分析得出了后碰撞伸展［29］、俯沖［25］、同碰撞［26］和同碰撞向后碰撞過渡［27］等不同的結論。

2 巖體特征及采樣

胭脂壩巖體主要包括田灣、鷹咀石2個巖相單元。田灣單元主要位于巖體西部，為灰白色細粒黑云二長花崗巖，花崗結構，塊狀構造。主要礦物為斜長石（28%）、鉀 長 石（42%）、石 英（25%）、云 母（5%），云母多呈細小片狀。本次野外觀察發現，在田灣單元西部發育極少量的暗色包體，寧陜縣城北可見一小閃長巖巖枝。鷹咀石單元主要位于巖體東部區域，主要為淺肉紅色細粒黑云斑狀鉀長花崗巖，似斑狀結構，基質為花崗結構，塊狀構造。主要礦物為斜長石（20%）、鉀長石（45%）、石英（30%）、云母（5%）。斑晶體積分數為5%～10%，主要為鉀長石，斑晶顆粒大小一般為5～10mm。

胭脂壩地區地形十分復雜，植被覆蓋嚴重，因此樣品采集主要沿深切河谷開展，并盡量保證采樣點在整個巖體范圍內均勻分布（圖1）。此次工作共布置采樣點80個，每個采樣點最少5個樣品，以使實驗結果更為客觀真實，共得540個圓柱形標準樣品（直徑2.5cm，高度2.2cm）。磁組構測試在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成，使用捷克AGICO公司的Kappabrige磁化率儀（KLY－4S，測試場強300A/m，工作頻率875Hz，檢出限2×10－8SI，測試精度0.1%）測試，共有51個采點、348個樣品獲得高質量測試數據。磁組構矢量和標量參數均采用Tarling and Hrouda［30］推薦公式計算，測試值如表1所示。此外，為查明樣品中主要載磁礦物及磁組構可靠性，選擇代表性樣品開展了巖石磁學分析。巖石磁學測試在中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室完成，χ－t曲線使用MFK1磁化率儀完成，磁滯回線使用 MicroMag 3900型振動樣品磁力儀完成。

表1 胭脂壩巖體磁組構參數表Table 1 Magnetic fabric parameters of individual samples of Yanzhiba granite pluton

表1（續）

3 實驗結果與分析

3.1 平均磁化率

平均磁化率Km反映了樣品中礦物磁化率的綜合特征，與磁性礦物類型、分布等密切相關。胭脂壩巖體Km為17～342μSI（表1），平均值約為92μSI。有18個采點的Km值高于100μSI，僅有3個樣品（K04、E14和K01）的Km值高于200μSI。Km值直方圖顯示，其大致呈單峰分布，并在75～100μSI附近形成峰值（圖2）。因此，胭脂壩巖體總體顯示了較低的Km值特征，這與多數順磁性花崗巖低Km值的總體特征相一致［31－32］。

3.2 巖石磁學

按照樣品的磁化率值從低到高的順序，選擇代表性樣品分別開展了磁滯回線和熱磁曲線分析。磁滯回線特征（圖3）表明：低Km值樣品的磁滯回線顯示為一條斜線的特征（樣品G04、E04和G16），隨外加磁場增、減，其磁感應強度曲線疊加為一條直線，因此，樣品的磁化率主要來自順磁性礦物的貢獻，且質量磁化率值均較小；磁化率較高的樣品（樣品E14）在斜線中部出現了部分彎曲，暗示了鐵磁性礦物的存在，但該樣品的總體質量磁化率仍然較小，經順磁性校正后發現，其在約0.3T之前即已飽和，說明了軟磁性組分（磁鐵礦）的存在。

圖2 Km，PJ和T頻數直方圖Fig.2 Frequency histograms of Km，PJand T

樣品的熱磁曲線（χ－t曲線）對磁性礦物非常敏感，成為確定磁性礦物類型及其隨溫度升高而可能存在的礦物相轉變的重要手段。為了更好地確定巖體中高磁化率樣品中鐵磁性礦物的類型，進一步開展了樣品磁化率隨溫度變化曲線的研究（圖4）。結果表明，隨溫度升高，樣品E14的磁化率值并沒有明顯變化，但在580℃左右突然出現了快速的磁化率降低，這是典型的磁鐵礦的居里溫度。

3.3 磁化率標量參數

磁化率標量參數PJ和T分別指示了磁化率橢球體的各向異性度和磁化率橢球形態參數，進而與應變橢球體類比，反映應變特征［33－35］。胭脂壩巖體所有樣品的PJ值為1.016～1.207，平均值為1.060。僅有9個采點大于1.1，其中1個采點（G24）大于1.2；其余所有樣品的PJ值均低于1.1（表1），頻數直方圖顯示其峰值為1.04～1.05（圖2）。因此，胭脂壩巖體磁化率各向異性度PJ值總體較小。胭脂壩巖體T值為－0.491～0.757，平均值為0.150，對應于頻數直方圖的峰值（圖2）。巖體磁化率橢球以扁球體為主。

Km－PJ－T協變關系圖解顯示，三者之間并無明顯的相關關系（圖5）。PJ值并未隨著Km值升高而增大，高和低Km值樣品中也均有扁球和長球體，因此，磁化率各向異性度應更多地反映了巖體內部組構特征的差異。笛卡爾坐標下的PJ和T協變圖（圖5）及Borradaile［34］推薦的低PJ值樣品PJ－T圖解（圖6A）均顯示二者并無明顯關聯，僅體現了隨PJ值增大磁化率橢球向扁球體偏移的微弱趨勢。磁面、線理的Ramsay圖解和構造巖分類圖解（圖6B）顯示磁化率橢球多處于K＝1線（平面應變狀態）及其兩側，但以具壓扁特征的磁化率橢球為主。

圖4 樣品熱磁曲線（E14）特征及磁滯參數比值（K01，E14）圖解Fig.4 Temperature dependence of magnetic susceptibility of sample E14and the graphic of hysteresis parameters ratio of sample K01，E14

圖5 Km－PJ，Km－T 和PJ－T 圖解Fig.5 Km－PJ，Km－Tand PJ－Tdiagram

3.4 巖體磁組構特征

大量的研究表明，磁化率橢球體主軸方位與應變橢球體之間有良好的一致性，反映了巖石的內部組構特征，且在給定巖石類型的情況下具有一定的量值關系［34，36－37］。胭脂壩巖體磁組構所反映出的巖體內部組構特征具有非常明顯的規律性，其磁面理極點總體呈一個大圓環帶分布（圖7A），顯示了北傾和南傾的磁面理特征，少部分樣品具有東或者西傾的面理特征?？臻g上，巖體邊緣的采樣點樣品大都有與巖體邊界近平行的磁面理方向，且傾角較陡；而巖體中心部位具有西傾或者NEE、NWW傾向的面理。磁線理同樣具有非常好的優勢產狀，總體呈現中、低角度的東、西傾伏特征（圖7B），以向西傾伏的磁線理為主，空間上，巖體邊緣樣品的磁線理與磁面理走向近于平行，側伏角較小；而北西部樣品磁線理則明顯具有較大的側伏角（圖7B）。巖體的磁面理和磁線理軌跡，大致反映了巖體內部組構的空間展布特征。

4 討論

4.1 磁組構的本質及可靠性

巖石磁化率是巖體內部各組成部分磁化率的綜合特征，包括了順磁性、抗磁性和鐵磁性等不同磁化率分量的貢獻［30］?；◢弾r樣品中，順磁性和鐵磁性礦物磁化率分量往往決定了樣品的磁化率大小及各向異性方向。而順磁性和鐵磁性礦物的磁化率各向異性往往又與巖體中順磁和鐵磁性礦物的形態、大小和空間分布等密切相關。因此，查明不同磁化率分量對巖石磁化率的貢獻，即巖石磁化率的來源，成為建立由磁化率各向異性所決定的物理組構與真實礦物組構之間對應關系的關鍵，也是對磁組構方法有效性的重要約束。胭脂壩巖體的手標本和薄片分析表明，巖體主要造巖礦物為石英、長石、黑云母、白云母，副礦物主要有石榴子石、鋯石和磷灰石，不透明礦物較少見。其中，云母類礦物是該巖體最主要的順磁性礦物，副礦物中極為少見的磁鐵礦顆粒是鐵磁性礦物。石英和長石是該巖體最主要的抗磁性礦物。

圖6 磁組構PJ－T（A）圖解（底圖據文獻［35］）及 Ramsay圖解（B）Fig.6 PJ－T（A）（base map from reference［35］）and ramsy diagram（lnF－lnL）（B）

圖7 胭脂壩巖體磁組構特征Fig.7 Magnetic fabric patterns in Yanzhiba pluton

通常情況下，平均磁化率值低于500μSI的樣品，其磁化率主要來自順磁性礦物組分的貢獻［30］。胭脂壩巖體詳細的巖石磁學研究也表明了這一點，絕大部分樣品磁滯回線隨外加磁場增、減，其磁感應強度曲線疊加為較好的直線，這是典型的順磁性礦物的特征，即云母類礦物的磁化率貢獻主導了樣品的磁組構。少數幾個采點的磁化率值較高，χ－t曲線均表明，這些采點的樣品中存在鐵磁性礦物，且該礦物應為磁鐵礦，但其濃度極低，這與巖相學觀察結果耦合。薄片觀察表明，樣品中存在不透明礦物，但其含量極低，順磁性礦物對磁化率的貢獻仍然主導了樣品的磁化率。通常情況下，極少量磁鐵礦的存在不影響磁組構的總體結果。且磁滯參數比值（Mrs/Ms，Hcr/Hc）的圖解［38］表明磁鐵礦為多疇磁鐵礦（圖4），研究表明，多疇磁鐵礦的磁化率各向異性與黑云母礦物組構大致耦合［39］。

綜合巖石磁學和巖相學分析，胭脂壩巖體的磁組構應該主要反映云母類礦物所構成的礦物組構特征，即胭脂壩巖體磁組構與云母礦物組構的物理意義近似，可以用來約束巖體的內部組構特征。但由于磁化率各向異性來自所有礦物的貢獻，因此，可以認為胭脂壩巖體的磁組構更好地反映了巖體的內部幾何學特征。此外，磁化率標量參數Km－PJ－T的協變關系圖解顯示，三者之間并無明顯相關關系（圖5）。PJ值并未隨著Km值升高而增大，高和低的Km值樣品中也均有扁球和長球體，因此，磁化率各向異性度和磁化率橢球形態更多地反映了巖體內部組構特征的差異。

花崗巖的內部組構記錄了巖體從巖漿侵位流動至再次變質變形（花崗質片麻巖）的全過程，先期組構可能被后期固態變形所改造［40］。因此，判斷巖體組構的成因對解釋巖體組構特征具有重要意義。通常情況下，經歷固態變形的花崗巖，其PJ值較高（至少大于1.2）［30］。胭脂壩巖體除一個采點（G24）外，其余所有樣品的PJ值均較低，絕大部分低于1.1，反映了極弱的各向異性，這與未變形花崗巖表面上各向同性的特征吻合，也與已有的大量巖漿組構花崗巖類似［31］，甚至更低。此外，野外觀察也表明，胭脂壩巖體內除少量脆性斷層和節理外，并無明顯透入性固態變形特征。因此，巖體內部組構為典型的巖漿組構，記錄了巖漿的侵位流動過程。

4.2 巖體侵位機制及構造意義

胭脂壩巖體西部的NE向延伸部分，磁面理主要向W、SW或者NW傾斜，與巖體邊界基本一致，而磁線理則總體向 W傾伏，且側伏角較大；巖體NEE向延伸部分磁面理總體向巖體西部中心傾斜，磁線理側伏角較小。此外，巖體NEE向延伸部分的外圍磁面理多向巖體外側傾斜，值得注意的是，其傾角較大。通常，向心的磁面理展布特征指示巖漿侵位中心的位置［41］，因此，胭脂壩巖體巖漿侵位中心可能在巖體西側，磁面理軌跡空間展布驗證了這一區域（圖7A）。盡管由于原始森林的覆蓋，這一區域目前未采集到樣品，但巖體NE向延伸部分的磁線、面理特征可能暗示該巖體存在一個NE向的線狀巖漿上升侵位區域，巖漿自西向東侵位流動。

胭脂壩巖體位于東秦嶺弧形向南的大規模逆沖推覆構造的西翼（圖1a），巖體切割主要的推覆構造形跡。因此，巖體侵位應是同構造或于構造后侵位的。然而，巖體地表出露的形態特征與巖體內部組構顯然與典型的同擠壓構造條件下的巖體形態和內部組構有較大差異［42－43］，后者通常局限發育于斷坡部位且具有與推覆擠壓一致的線、面理，而胭脂壩巖體與圍巖的逆沖推覆構造并不協調。由于胭脂壩巖體在時代上與晚三疊世碰撞造山一致，因此，其侵位應略晚于現有的碰撞擠壓構造。已有的大量研究均表明，在碰撞造山的晚期階段，秦嶺造山帶進入走滑擠壓的調整階段［12］，塊體及物質的側向滑移成為這一時期構造的主要特點［44－45］。Liang等［46］提出碰撞造山晚期階段存在秦嶺蜂腰部位物質向東、西的有限擠出調整，這與胭脂壩巖體自西向東的巖漿侵位耦合。此外，胭脂壩及其鄰區并無后碰撞伸展構造存在。因此，胭脂壩巖體的侵位時代應屬同碰撞晚期，造山帶轉入陸內走滑調整階段。

秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖空間上位于寧陜斷裂帶以西，因此，斷裂帶是否對晚三疊世巖漿作用具有明顯的控制作用是另一個值得關注的問題。Meng等［47］和胡健民等［48］認為，以寧陜斷裂帶為界，秦嶺造山帶東、西基底和蓋層變質變形、沉積演化、巖漿作用均具有顯著差異，因此，該帶是一個分割性轉換斷裂，晚三疊世碰撞造山時將西秦嶺勉略構造帶與東秦嶺商丹構造帶連接。斷裂帶與巖漿作用的緊密時空關系已有大量的模擬和野外觀察研究，研究者多認為斷裂帶常作為巖漿上升的通道［8］。晚三疊世胭脂壩巖體緊鄰寧陜斷裂，但其內部組構特征顯然與寧陜斷裂帶并無直接關聯，后者作為同巖漿期的分割性斷裂對巖體的侵位沒有表現出控制作用。此外，已有的地質填圖和本次野外觀察也表明，寧陜斷裂帶以東仍有大量晚三疊世未變形花崗質脈體存在。因此，該斷裂帶可能并未對秦嶺晚三疊世巖漿起到明顯控制作用，至少緊鄰斷裂帶的晚三疊世巖體并未受到影響。

胭脂壩巖體的內部組構特征研究表明，該巖體應侵位于同碰撞造山作用階段，但這一結論仍需更多巖體幾何學、運動學，包括其內部組構、巖體三維形態及其與圍巖構造耦合關系的分析，當然，這一初步結論是否適用所有的晚三疊世巖漿仍需更多巖體的進一步研究。

5 結論

胭脂壩巖體的平均磁化率總體較低，與順磁性礦物控制的花崗巖類一致，云母類礦物應是其主要磁性載體。絕大部分樣品的校正磁化率各向異性度小于1.1，顯示了低各向異性度的特征。巖體的磁組構是典型的巖漿組構，可以用來約束巖體的流動及侵位過程。磁化率特征還表明大部分樣品顯示了壓扁作用特征。巖體磁組構顯示了明顯的規律性，以東、西向中低角度傾伏的磁線理和南北向傾伏的磁面理為總體特征，巖體磁線、面理軌跡顯示了一個自西向東的巖漿流動及侵位機制。這樣的巖漿侵位過程應與同碰撞造山過程中側向的擠出滑動構造相關，胭脂壩巖體侵位時，秦嶺造山帶，至少其中、淺部地殼仍處于同碰撞走滑擠壓環境。

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