北大巴山早古生代輝綠巖地球化學特征及其地質意義

張方毅，賴紹聰，秦江鋒，朱韌之，楊 航，朱 毓

(西北大學 大陸動力學國家重點實驗室，西北大學 地質學系，陜西 西安 710069)

鎂鐵質巖墻群是大規模伸展、裂解背景下深源巖漿沿張性裂隙上升就位的產物，可形成于裂谷、后碰撞造山帶及弧后盆地等多種構造環境下。在地質歷史時期，同一時期內大規模的巖墻群被視為超大陸的重建標志(Belicaetal., 2014)。這些產于伸展背景下的鎂鐵質巖墻可以為地球動力學機制、地幔源區屬性、地幔地殼相互作用及巖漿演化過程提供重要信息(Zhao and Asimow, 2018)。南秦嶺北大巴山地區發育一套由早古生代基性巖墻群及堿性火山巖組成并呈北西-南東向延伸的巖漿雜巖帶(夏林圻等，1994； 張成立等，2002)，該套巖系對研究秦嶺早古生代構造演化過程、堿性巖漿作用與早古生代期間揚子北緣大陸裂解事件提供了重要載體。前人已對區內的基性巖墻和堿性火山巖及其攜帶的幔源捕擄體進行了巖石學、礦物學及地球化學研究(黃月華等，1992； 黃月華，1993； 夏林圻等，1994； 徐學義等，1996，1997，2001； Wangetal., 2015)，然而由于堿性巖漿起源的多解性以及區域內巖漿-沉積作用的復雜性導致對該套堿性巖漿巖的具體形成背景仍存在爭議。部分學者認為它們是揚子板塊北緣被動大陸邊緣伸展作用的產物(黃月華等，1992； 夏林圻等，1994)，也有學者認為該套堿性巖系與早古生代地幔柱活動有關(張成立等，2002，2007； Zhangetal., 2017)，還有一些學者認為這套基性巖墻和堿質火山雜巖形成于弧后拉伸環境(王宗起等，2009； Wangetal., 2015)。本文對南秦嶺早古生代基性巖墻群中的輝綠巖進行了巖石學、地球化學、鋯石U-Pb年代學的系統研究，結合近年來的實驗巖石學研究成果及國際上對堿性巖漿起源的全新認識探討了巖石成因及其地球動力學意義，以期為深入認識秦嶺造山帶早古生代巖漿作用及構造背景提供進一步的參考和制約。

1 地質背景及樣品特征

秦嶺造山帶是由華北板塊與華南板塊長期碰撞匯聚而成的復合造山帶(張國偉等，1996； Dong and Santosh, 2016)，其與東側大別-蘇魯造山帶及西側的祁連-昆侖造山帶共同組成了中央造山帶(Xuetal., 2002)。秦嶺造山帶被北部的商丹縫合帶及南部的勉略縫合帶分隔為北秦嶺及南秦嶺兩部分(張國偉等，2001)。南秦嶺在晚古生代之前屬于揚子板塊北緣的一部分，并接受被動陸緣沉積(Dong and Santosh，2016)。

北大巴山位于南秦嶺造山帶與四川盆地的過渡地區(圖1a)，在北大巴山紫陽-嵐皋地區分布有大量早古生代堿性巖漿作用形成的巖脈。脈體寬數十米至百余米, 長達數百米到數公里不等，整體呈北西-南東向展布，與區域造構線方向一致。巖脈多呈順層侵入或小角度切割早古生代及之前地層。南秦嶺早古生代基性巖墻群主要由輝綠巖及輝長巖組成，集中出露于紫陽縣紅椿壩-瓦房店斷裂以南的早古生代地層中(圖1b)。

對侵入到紫陽縣南部早古生代地層中的4條代表性新鮮輝綠巖墻進行了樣品采集，共獲得8件輝綠巖脈樣品，采樣位置見圖1。對8件輝綠巖樣品進行了全巖主量、微量元素分析，并選取樣品GT-1-1及GT-8-1進行了LA-ICP-MS微區鋯U-Pb定年。

輝綠巖樣品整體呈灰綠色，塊狀構造，具輝綠結構。礦物成分主要由斜長石(50%～60%)和單斜輝石(30%～40%)及少量角閃石(～5%)組成，副礦物有磁鐵礦、榍石及磷灰石(圖2a)。斜長石呈自形板條狀，正低突起。單斜輝石呈半自形-它形，正高突起，部分輝石中包裹有自形板條狀斜長石，構成輝綠結構。此外還有部分輝石呈孤島狀鑲嵌于斜長石間隙中，構成島狀輝綠結構。部分樣品輕微變質，斜長石發育黏土化，部分單斜輝石被綠泥石取代。樣品GT-7-1(圖2b)呈淺灰綠色，具島狀輝綠結構，與其余樣品相比含更低的單斜輝石含量(～20%)及更高的磷灰石含量(～5%)。

2 分析方法

在巖石薄片鑒定的基礎上，選取新鮮的、無后期交代脈體貫入的樣品，用小型顎式破碎機擊碎成直徑約5～10 mm 的細小顆粒，然后用蒸餾水洗凈、烘干，最后用瑪瑙研缽托盤在振動式碎樣機中碎至200目。

主量和微量元素在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。主量元素采用XRF法完成，分析相對誤差一般低于5%。微量元素用ICP-MS測定，分析精度和準確度一般優于10%，詳細的分析流程見劉曄等(2007)。

鋯石按常規重力和磁選方法分選，最后在雙目鏡下挑純，將鋯石樣品置于環氧樹脂中，然后磨至約一半，使鋯石內部暴露，鋯石樣品在測定之前用濃度為3% 的稀HNO3清洗樣品表面，以除去樣品表面的污染。鋯石的CL 圖像分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室的掃描電鏡上完成。鋯石U-Pb 同位素組成分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室激光剝蝕電感耦合等離子體質譜(LA-ICP-MS)儀上完成。激光剝蝕系統為配備有193nmArF-excimer 激光器的Geolas200 M(Microlas Gottingen Germany)，分析采用激光剝蝕孔徑為30 μm，激光脈沖為10 Hz，能量為32～36 mJ，同位素組成用鋯石91500 進行外標校正。LA-ICP-MS 分析的詳細方法和流程見Yuan 等(2010)。

圖 1 秦嶺造山帶構造簡圖(a，據Dong and Santosh, 2016)及北大巴山地區區域地質簡圖(b，據陜西省地質局區域地質測量大隊十二分隊，1966(1) 陜西省地質局區域地質測量大隊十二分隊. 1966. 1∶200 000紫陽幅區域地質圖(I-49-XXXI). )Fig. 1 Geographical location of the Qinling area, tectonic framework of the Qinling Orogenic Belt (a, modified after Dong and Santosh, 2016) and the sketch geological map of North Daba Mountain (b, modified after No. 12 Geological Branch Party of Regional Geological Surveying Party, Shaanxi Bureau of Geology, 1966(2) 陜西省地質局區域地質測量大隊十二分隊. 1966. 1∶200 000紫陽幅區域地質圖(I-49-XXXI). )

圖 2 北大巴山輝綠巖正交偏光鏡下照片Fig. 2 Crossed nicols microscopic photos of the diabases from North Daba Mountain Cpx—單斜輝石； Pl—斜長石； Ap—磷灰石； Mt—磁鐵礦Cpx—clinopyroxene； Pl—plagioclase； Ap—apatite； Mt—magnetite

3 分析結果

3.1 鋯石U-Pb年代學

選取高灘地區的2個輝綠巖脈樣品(圖1b)用于LA-ICP-MS微區鋯石U-Pb定年分析,分析的結果列于表1,鋯石的CL圖像及U-Pb年齡諧和圖如圖3所示。

輝綠巖GT-1-1： 鋯石顆粒多呈破碎的長柱狀，粒徑為50～150 μm，長寬比為1∶1～3∶1。在CL圖像中，鋯石顆粒呈深灰色，并未發育明顯韻律環帶，少量鋯石顆粒具條帶結構，具基性巖漿鋯石的特征(圖3a)。共進行了22個數據點分析，其Th=166.88×10-6～5 818.94×10-6，U=190.34×10-6～3 392.06×10-6，Th/U值介于0.88～2.63之間，為巖漿成因鋯石(Hoskin and Black, 2000； Griffinetal., 2004)。大部分數據點都位于諧和線上，這22個點得到的206Pb /238U加權平均年齡為433.5±0.9 Ma(MSWD=0.87，2σ)(圖3b)，代表了南秦嶺輝綠巖的結晶年齡。

輝綠巖GT-8-1： 鋯石顆粒多呈長柱狀自形晶，粒徑為50～180 μm，長寬比為1∶1～3∶1。在CL圖像中，鋯石顆粒呈深灰色，無明顯的振蕩環帶結構，少量鋯石顆粒具條帶結構，具基性巖漿鋯石的特征(圖3c)。共進行了17個數據點分析，其Th=704.39×10-6～4 837.81×10-6，U=495.70×10-6～2 926.10×10-6，Th/U值介于1.37～2.76之間，為巖漿成因鋯石。大部分數據點都位于諧和線上，這17個點得到的206Pb /238U加權平均年齡為435.3±1.4 Ma(MSWD=1.4，2σ)(圖3d)，代表了南秦嶺輝綠巖的結晶年齡。

3.2 主量元素特征

北大巴山地區輝綠巖脈的主量元素和微量元素分析結果列于表2，輝綠巖樣品SiO2含量在39.47%～50.14%之間，巖石TiO2含量較高，為2.45%～5.86%。Fe2O3T含量為11.41%～18.34%，MgO含量為3.11%～9.85%。巖石全堿含量高，Na2O = 1.52%～5.14%，K2O = 0.59%～1.54%, Na2O/K2O =1.90～4.35。在( K2O + Na2O)- SiO2系列劃分圖解(圖4) 中，所有樣品投影點均位于堿性系列范圍內。

巖石Mg#值及SiO2含量變化范圍較大(分別為38.8～60.5和39.47%～50.14%)，表明巖石經歷了不同程度的分離結晶作用。樣品GT-7-1具有最高的SiO2含量及低Mg#值，代表了更加分異的熔體。巖相學觀察表明該樣品中含較少輝石及較多磷灰石(圖2b)，這也造成了其含有較高P2O5含量及更為富集的微量元素組成。為了更好地約束巖石的源區屬性，在隨后的討論中Mg#值小于40的樣品會被排除。

3.3 微量元素特征

由表2所列數據可見，北大巴山地區輝綠巖稀土元素總量高，一般在96.9×10-6～286.6×10-6之間，平均值為159.9×10-6。 巖石(La/Yb)N值介于9.0～10.8之間，平均值為9.6，輕重稀土元素分餾較為明顯。(Tb/Yb)N值介于2.3～2.6之間，平均值為2.4。具微弱Eu正異常，Eu/Eu*值在1.07～1.25之間。

表1 高灘地區輝綠巖脈樣品的LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年數據表Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data for diabases from North Daba Mountain

圖 3 北大巴山輝綠巖鋯石陰極發光(CL)圖(a、c)和U-Pb年齡諧和圖(b、d)Fig. 3 Zircon cathodoluminescene (CL) images for the diabases from the North Daba Mountain (a, c) and zircon U-Pb concordia diagram for the diabases from North Daba Mountain (b, d)

圖 4 北大巴山地區輝綠巖TAS分類圖(據Middlemost, 1994)Fig. 4 Total alkali versus SiO2 (TAS) diagram for SQB diabases (after Middlemost, 1994)

在球粒隕石標準化配分圖(圖5a)上，本區輝綠巖具右傾負斜率輕稀土元素富集型配分模式，與典型的板內玄武巖稀土元素地球化學特征基本一致。在微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖5b)中，所有樣品顯示出富集強不相容元素Ba、Sr、Nb和Ta，而虧損Rb、K、Zr和Hf的分布特點，總體上具有板內玄武巖微量元素的一般特征。

4 討論

4.1 巖漿起源和源區性質

北大巴山早古生代輝綠巖墻具有明顯的貧SiO2(<45%)富Na2O(>1.5%)同時富TiO2(>2%)及不相容元素的堿性巖漿特征。實驗巖石學結果表明，在高壓下地幔橄欖巖趨向于更低程度的部分熔融進而產生富堿貧硅的熔體(Kushiro，1996； Wasylenkietal., 2003)，低程度熔體同時也會導致大量強不相容元素進入熔體中。地幔橄欖巖的低程度熔融可以解釋南秦嶺堿質基性巖脈富堿及富集不相容元素的特征，然而Ti為中度不相容元素，其在巖漿中的含量更多地受源區含量控制。正常的地幔橄欖巖(虧損地幔、原始地幔)中含有較低的TiO2含量，即使是極低程度的部分熔融也不能產生高鈦的巖漿(Prytulak and Elliott, 2007)。要產生富鈦的巖漿就需要源區含有特殊的富集組分(如輝石巖或角閃石巖)。在微量元素蛛網圖中，所有樣品均出現K的負異常暗示源區存在富鉀角閃石或金云母的殘留(Panteretal., 2006，2018； Sprungetal., 2007)。部分熔融實驗結果表明與角閃石平衡的熔體為鈉質，而與金云母平衡的熔體則為富鉀熔體(Médardetal., 2006； Piletetal., 2008； Condamine and Médard, 2014)，南秦嶺基性巖脈富鈉(Na2O/K2O =1.90～4.35)的特征指示角閃石是更可能的源區組分。在地幔中，角閃石儲存著大量的不相容元素(大離子親石元素及高場強元素)和Ti，源區存在角閃石也為南秦嶺輝綠巖富集強不相容元素，富Ti及富Nb、Ta的特征提供了解釋。黃月華等(1992)在南秦嶺嵐皋地區堿質基性-超基性潛火山雜巖中發現了含大量含水礦物的金云角閃輝石巖類捕擄體，這些地幔捕擄體的發現也為南秦嶺輝綠巖源區存在角閃石提供了支持。礦物學研究結果表明角閃石及金云母等含水礦物具較低的熔點，并不能在高溫的軟流圈地幔中穩定存在(Greenetal., 2010)，因此部分熔融發生于溫度較低的巖石圈地幔內。

表2 北大巴山輝綠巖主量(wB/%)及微量元素(wB/10-6)分析結果Table 2 Major (wB/%) and trace (wB/10-6) element concentrations of the diabases from North Daba Mountain

Tb0.920.920.700.690.901.701.690.880.89Dy4.984.993.793.744.939.279.214.864.86Ho0.890.890.670.670.891.681.670.880.89Er2.222.221.671.662.244.284.292.272.28Tm0.280.290.220.210.300.560.560.300.30Yb1.641.641.221.231.723.313.321.761.76Lu0.230.230.170.170.240.470.460.250.25Hf3.843.882.892.983.537.347.384.104.20Ta2.082.111.341.331.473.103.081.591.60Pb2.482.418.288.289.3110.6011.508.648.76Th1.831.861.231.342.234.934.922.272.38U0.420.440.300.360.521.211.200.570.60∑REE134.9133.598.096.9135.1286.6285.8133.3135.1(La/Yb)N9.69.59.29.09.310.810.79.19.3(Tb/Yb)N2.62.52.62.62.42.32.32.32.3Eu/Eu?1.191.191.231.251.081.091.081.081.07

圖 5 北大巴山輝綠巖稀土元素配分圖解(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle (PM) normalized trace element spidergrams (b) for the diabases from North Daba Mountain 球粒隕石標準化值據Sun and McDonough(1989)，原始地幔標準化值據 McDonough and Sun(1995) chondrite and primitive mantle data after Sun and McDonough (1989) and McDonough and Sun (1995) respectively

巖石中稀土元素的La/Yb及Tb/Yb值的相關關系可以有效地判別巖漿起源的相對深度及熔融程度。在地幔部分熔融過程中，輕稀土元素與重稀土元素比值(La/Yb)主要受部分熔融程度控制，而中稀土元素與重稀土元素(Tb/Yb)比值則主要受控于源區是否殘留石榴子石。為了確定巖漿的起源深度及部分熔融程度，本文采用了批次部分熔融模擬算法(Shaw，1970)，源區成分采用嵐皋地區角閃石巖捕擄體，而部分熔融反應則參考了Pilet等(2008)角閃石巖部分熔融實驗結果。計算結果表明南秦嶺輝綠巖為尖晶石相角閃石巖高程度部分熔融產物(≈60%，圖6)。部分熔融實驗表明角閃石會在固相線上約50℃被完全耗盡(60%熔融)，這與本文的模擬結果十分吻合，也驗證了計算結果的合理性。

4.2 構造環境與大地構造意義

北大巴山輝綠巖富堿富鈦及微量元素配分模式表現出了板內堿性玄武巖的特征，在Zr/Y-Zr圖解(圖7a)中，南秦嶺地區輝綠巖樣品落入板內玄武巖區域內。在2 Nb-Zr/4-Y 圖解(圖7b)中，樣品落在板內裂谷玄武巖區，這些特征表明南秦嶺輝綠巖形成于板內構造環境。

南秦嶺區域內早古生代巖漿活動主要由基性巖墻群(王存智等，2009； 鄒先武等，2011； 陳虹等，2014)、堿性玄武巖(向忠金等，2010)及粗面巖(萬俊等，2016)組成，后兩者構成了該區域內雙峰式火

圖 6 (Tb/Yb)N - (La/Yb)N 圖解Fig. 6 (Tb/Yb)N versus (La/Yb)N for the diabases from the North Daba Mountain

山巖組合(黃月華等，1992)。目前對于這套南秦嶺構造帶南緣內廣泛分布的堿性巖石組合的形成背景仍沒有統一的認識。本文研究認為北大巴山輝綠巖產自富角閃石的地幔源區，而富含角閃石的交代巖石圈地幔具有很低的熔點(Foleyetal., 1999)，地幔柱活動背景下極高的地溫不止會誘發交代巖石圈地幔的熔融，同時也會導致地幔橄欖巖的熔融從而產生大規模拉斑玄武巖系列。南秦嶺早古生代的巖漿活動明顯缺失大陸拉斑玄武巖系列，說明該套堿性巖漿并非大規模地幔柱活動的產物。

北大巴山輝綠巖脈的野外產狀體現了大規模順層侵位的特點，而堿性巖漿脈體順構造薄弱層侵位則與伸展或裂谷活動密切相關(Gudmundsson and Loetveit，2005； 陳虹等，2014)。前人研究表明自新元古代中期開始，南秦嶺區及揚子北緣由總體的匯聚轉向大規模的伸展裂解，代表了全球性的Rodinia 超大陸裂解事件在中國大陸的響應(張國偉等，2001)。這一伸展拉張作用在南秦嶺構造帶內一直持續到早古生代末，表現為勉略縫合帶和武當地塊的新元古代中晚期基性巖墻群(Zhao and Asimow, 2018)，在其上又疊加了早古生代鎂鐵質巖脈(趙國春等，2003； Nieetal., 2016)。在北大巴山嵐皋地區與火山巖互層的沉積巖中發現豐富的筆石及牙形石化石也證明在早古生代南秦嶺地區發育有富碳富硅裂谷盆地(雒昆利等，2001)，這些證據指示早古生代南秦嶺地區處于大規模伸展裂陷背景下。交代的巖石圈地幔由于其富水富揮發分的特性具有較低的熔點，在巖石圈的伸展導致巖石圈地幔中的“交代體”熔融從而產生富堿富鈦的基性巖漿(Pilet，2015)。這些堿性熔體沿著斷裂帶侵入地殼并形成了南秦嶺這條頗具規模的基性巖墻群帶。

5 結論

(1) 南秦嶺輝綠巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為435～433 Ma，形成于早志留世晚期。

圖 7 北大巴山輝綠巖Zr/Y -Zr (a，據Pearce, 1982) 和2 Nb -Zr/4-Y (b，據Meschede, 1986) 構造環境判別圖Fig.7 Zr/Y -Zr (a，after Pearce, 1982) and 2 Nb -Zr/4-Y (b，after Meschede, 1986) tectonic discrimination diagrams for the diabases from North Daba MountainAⅠ+ AⅡ—板內堿性玄武巖； AⅡ+ C—板內拉斑玄武巖； B—富集型洋中脊玄武巖； D—N型洋中脊玄武巖； C+D—火山弧玄武巖AⅠ+ AⅡ—ultraplate alkaline basalt； AⅡ+ C—ultraplate tholeiitic basalt； B—E-MORB； D—N-MORB； C+D—island arc basalt

(2) 主量元素及微量元素特征表明南秦嶺輝綠巖為富角閃石的巖石圈地幔高程度部分熔融產物。

(3) 南秦嶺地區早古生代堿性巖漿活動并非由地幔柱活動引發，而是由巖石圈伸展背景下受交代的巖石圈地幔低溫下部分熔融形成。

致謝匿名審稿人及編輯在文章修改過程中提供了建設性的意見，在此致以誠摯的感謝。