扬子板块西北缘碧口地块南一里花岗岩成因研究

骆金诚, 赖绍聪, 秦江锋, 胡瑞忠

1)中国科学院地球化学研究所, 矿床地球化学国家重点实验室, 贵州贵阳 550002;

2)西北大学大陆动力学国家重点实验室, 地质学系, 陕西西安 710069;

3)中国科学院研究生院, 北京 100049

扬子板块西北缘碧口地块南一里花岗岩成因研究

骆金诚1,3), 赖绍聪2), 秦江锋2), 胡瑞忠1)

1)中国科学院地球化学研究所, 矿床地球化学国家重点实验室, 贵州贵阳 550002;

2)西北大学大陆动力学国家重点实验室, 地质学系, 陕西西安 710069;

3)中国科学院研究生院, 北京 100049

本文对扬子板块西北缘南一里岩体进行了系统的地球化学研究, 探讨了该岩体的岩石成因、成岩物质来源及其地质意义。该岩体具有高SiO2(70.27%～71.21%)、Al2O3(14.97%～16.19%)、K2O(3.11%～3.83%)含量, A/CNK=1.04～1.08, 以低Y(＜10.01×10-6)和HREE(e.g.Yb＜0.70×10-6)为特征, 富集Rb、Th、U、K、Sr, 亏损 Ba、Nb、Ta、P和 Ti, 稀土总量 73.55×10-6～93.86×10-6。Eu异常不明显(0.67～0.83)。具有较高的Sr/Y(33.01～50.53)和(La/Yb)N(15.30～23.04)比值及强分异的稀土元素组成。结合岩体产出的时空位置, 表明南一里岩体形成于典型的后碰撞构造环境, 可能是三叠纪华北和扬子板块的碰撞作用导致该区地壳明显增厚,在伸展-减薄的构造体制下, 地壳中变玄武质和泥质岩石通过角闪岩脱水发生部分熔融形成。

南一里花岗岩; 地球化学; 岩石成因; 地壳深熔; 碧口地块

碧口地块呈NE-SW展布, 位于扬子板块西北缘,是东、西秦岭、龙门山、松潘造山带的交接转换地段(张国伟等, 2001)。主要涉及的科学问题为东、西秦岭交接与龙门造山带的关系。包括晚古生代到中三叠纪时期, 勉略洋盆的形成闭合与龙门山断裂、攀西裂谷发生发展的时空关系; 现今交汇的构造几何学问题(张国伟等, 2004)。在这一复杂地体内侵入了大量的花岗岩, 它们成为研究碧口地区侵入岩体及相关矿床成因的最直接物质记录。因此, 探究其形成构造环境、源区特征及动力学机制, 可为揭示秦岭地区大地构造演化及多金属成矿作用问题提供新的资料。前人对这些岩体的成因认识: (1)拆沉作用后幔源岩浆底侵下地壳熔融(秦江锋等, 2005);

(2)增厚下地壳富K玄武质岩类部分熔融形成的埃达克质岩(张宏飞等, 2007); (3)地壳加厚环境下, 砂屑岩部分熔融形成的 S型花岗岩(李佐臣等, 2009, 2010); (4)在增厚-伸展减薄的体制下, 混合源区脱水部分熔融形成的熔体进行一定程度的混合(骆金诚等, 2010a)。可以看出, 深部地壳物质的组成直接制约了碧口地区花岗岩的成因机制及其构造演化的认识。因此, 对南一里岩体的熔融机理和源区属性有进一步研究的必要。

1 地质背景和岩石学特征

图1 碧口地区南一里花岗岩体一带地质简图(据李佐臣等, 2009)Fig.1 Geological sketch map of Nanyili granite pluton around Bikou area (after LI Zuo-chen et al., 2009)

南一里岩体近三角形(图 1), 似“葫芦状”, 分布面积约 140 km2, 出露于碧口地块南缘平武县北部, 是碧口地块中最大的岩体, 该岩体北侧与碧口群变基性火山熔岩、火山碎屑岩、凝灰岩等呈侵入接触关系。南侧与泥盆纪变质细砂岩、粉砂质板岩等呈侵入接触关系, 色纳路-铜钱断裂和卓龙断裂被岩体切断。野外观察岩体与围岩的界线清楚, 岩体边缘见有少量捕虏体, 有典型的岩浆侵蚀围岩的港湾状、不规则界面。在岩体中可见沿岩体节理贯入的长英质脉体, 脉体多相互穿切呈 X形。没有明显的构造变形, 表明这些脉体不是韧性剪切作用的产物, 而是岩浆期后热液作用的产物。该岩体岩性比为黑云母二长花岗岩, 岩石呈灰白色, 中-细粒花岗结构, 块状构造。主要矿物组成为石英, 它形粒状,含量25%～30%; 斜长石, 自形柱状, 含量30%～35%;钾长石, 不规则板状, 含量±30%。暗色矿物以黑云母为主, 含量±8%。副矿物以榍石和磷灰石为主, 其次为锆石、褐帘石、磁铁矿等。在斜长石边缘可见蠕英石。

2 地球化学特征

对野外采集新鲜样品进行详细的岩相学观察后,选择没有脉体贯入的样品进行主、微量元素分析。分析测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。主量元素用XRF光谱测定, 分析精度一般优于5%, 微量元素分析精度一般优于10%。南一里花岗岩的主量及微量元素分析结果见表1。

花岗岩 SiO2=70.27%～71.21%, 平均为 70.76%,低 Ti(TiO2=0.24%～0.27%); MgO=0.67%～0.97%, Mg#=47～52, 富 Al2O3(14.97%～16.19%), 铝饱和指数 A/CNK=1.04～1.08, 属于准铝-弱铝系列(图 2); CaO=1.62%～2.20%, 富 碱 (Na2O=4.22%～4.90%, K2O=3.11%～3.83%), K2O+Na2O介于7.68%～8.21%,属于高钾钙碱性系列(图3)。

图2 南一里花岗岩A/CNK-A/NK图Fig.2 A/CNK-A/NK plot of Nanyili granite

在球粒陨石标准化稀土元素配分图(图 4a)中,可以看出样品具有一致稀土配分曲线, 富集轻稀土(LREE)。轻重稀土高度分异, (La/Yb)N=15.30～23.04,强烈亏损重稀土 Yb=0.56×10-6～0.69×10-6, 平均为0.63×10-6＜1.8×10-6, 也表现强分异的元素分配模式,稀土含量偏低 ΣREE=73.55×10-6～93.86×10-6。Eu异常不明显, δEu=0.67～0.83。在微量元素蛛网图中(图4b), 南一里花岗岩不同程度地富集大离子亲石元素(LILE)Rb、Sr、K 等和轻稀土, 亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ta、P、Ti和Y(Y=7.92×10-6～10.001×10-6,平均为8.74×10-6), 由此导致南一里花岗岩具有高的Sr/Y比值(33.01～50.53)。

3 问题讨论

3.1 岩浆源区性质

在很多陆-陆撞造山带中, 都形成了大量后碰撞准铝质高钾钙碱性花岗岩类, 其成因还存在很多争论,目前主要认识: (1)高钾钙碱性花岗岩源于富K安山岩的部分熔融作用(Roberts et al., 1993); (2)高铝玄武质岩浆在上升过程中同化泥质岩石(Patiño Douce, 1995); (3)源自沉积岩的长英质岩浆和镁铁质岩浆的混合作用(Davis et al., 1993); (4)幔源钾质岩浆在上升过程中发生结晶分异并同化了大量地壳物质(Schaltegger et al., 1992)。而南一里高钾钙碱性花岗岩地球化学特征相对于 I型和 S型花岗岩(White et al., 1977), 亏损Y(7.92×10-6～10.01×10-6)和强烈亏损重稀土(HREE) Yb=0.56×10-6～0.69×10-6, 富集 Sr(405×10-6), 使该岩体具有高的Sr/Y比值(51)和(La/Yb)N比值(23)。在目前用于鉴别埃达岩的地球化学特征的图中(图5), 样品都落于典型埃达克岩范围内, 显示该岩体具有部分类似埃达克质岩的属性。但与典型埃达克岩相比, 具有低Sr(314×10-6)、较低 Cr、Ni含量, 高 Rb/Sr、CaO/Na2O(0.38～0.55＞0.3)比值及较高的 K2O、铝饱和指数A/CNK(1.04～ 1.14＞1), 这种特性不可能简单地用岩浆分离结晶作用来解释。

图3 南一里花岗岩K2O-SiO2图Fig.3 K2O-SiO2diagram of Nanyili granite

表1 南一里黑云母岗岩主量(%)、微量元素(×10-6)分析结果Table 1 Analytical results of major (%) and trace elements (×10-6) for Nanyili granite

图4 南一里花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式(a)和不相容元素原始地幔标准化蛛网图(b)(标准化数据引自Sun et al., 1989)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized incompatible element spidergrams of Nanyili granites(b) (normalization values after Sun et al., 1989)

图5 南一里花岗岩Y-Sr/Y图(a)和YbN-(La/Yb)N图(b) (据Defant et al., 1990)Fig.5 Y-Sr/Y(a) and YbN-(La/Yb)N(b) diagrams for Nanyili granite (after Defant et al., 1990)

目前研究表明: 区内这些岩体的地球化学特征主要显示准铝-弱过铝的高钾钙碱性I型花岗岩及高K 埃达克质岩的特性(秦江峰等, 2005; 张宏飞等, 2005, 2007); 李佐臣等(2009)认为由杂砂岩熔融形成 S型花岗岩。实验岩石学证实: 地壳中基性岩类(玄武质成分)部分熔融形成化学成分偏基性的准铝质花岗岩类(Johannes et al., 1996; Sisson et al., 2005),而源岩为泥质岩石的熔融, 无论水是否饱和, 形成的花岗质岩浆Al总是过饱和A/CNK＞1.1(Sen et al., 1994; Rapp et al., 1995; Winther, 1996; Montel et al., 1997; Stevens et al., 1997), 硬砂岩熔融也形成铝饱和的花岗闪长岩和过饱和的花岗岩(Montel et al., 1997; Stevens et al., 1997)。当A/CNK均小1.1时, 不可能是由泥质岩或是硬砂岩部分熔融形成。角闪岩在水饱和的条件下熔融形成的岩浆也是过铝的(Beard et al., 1991), 但角闪岩在水不饱和的条件下,随着水压的降低, 脱水熔融形成岩浆的A/CNK逐渐从大于1变为小于1, 而且铝的含量随着熔融压力的增加而增加, 因为其中斜长石的 An组分在高压下变得不稳定(基性的斜长石比酸性的斜长含铝高)。由此看来, 南一里岩体的源岩可能在水压不高的条件下, 通过角闪岩的脱水作用导致部分熔融。

岩体的 w(La)/w(Yb)为 21.32～31.67, 平均为28.42, (La/Yb)N为15.30～23.04, 平均为20.40, 表明是在陆壳底部较深源区岩石脱水熔融形成。明显亏损Y(7.92×10-6～10.01×10-6)和HREE (Yb=0.56×10-6～0.69×10-6＜1.8×10-6), 具有低 Yb/Lu(6～7)和 Dy/Yb (2.2～2.8)比值, 表明其源区残留相主要为石榴石+角闪石(Moyen, 2009), 这些特征表明玄武质地壳在高温高压条件下达到石榴石角闪岩相发生脱水部分熔融(Rapp et al., 1995)。Nb、P的亏损说明斜长石作为熔融残留相或结晶分离相存在, 即熔融过程中斜长石没有耗尽(Patiño Douce, 1995)。Cr(7×10-6～20×10-6)和 Ni(5×10-6～13×10-6)较低, Nb/U 比值为 1.6～3.9, Ce/Pb比值为 1.3～1.6, 均和大陆上地壳非常接近。同时该岩体 U(1.9×10-6～2.4×10-6)、Th(6.8×10-6～8.6×10-6)等元素的含量较高, 其 Th/U比值介于 2.3到 4.4之间, 与上地壳接近(U=2.8×10-6, Th=10.7× 10-6, Th/U=3.8; Taylor et al., 1985), 表明源区有一定量上地壳沉积物的参与。岩石的 Rb=126×10-6～145×10-6, Sr=314×10-6～405×10-6, Ba=55×10-6～1017× 10-6, Rb/Sr比值介于0.32到0.45之间, 表明源区由含不成熟地壳物质的部分熔融, 与图 5中显示含有泥质熔体加入一致。同时全岩Sr-Nd-Pb同位素表明这些花岗岩的岩浆源应为存留于下地壳的元古宙玄武质岩类(张宏飞等, 2007), 该区元古宙下地壳主要为玄武质岩石, 可能包含一定量砂岩、泥岩等沉积岩。在CaO/Na2O-Al2O3/TiO2图中(图6b), 岩石具有低的CaO/Na2O比值和高Al2O3/TiO2比值, 表明源区可能包含一定量富 Al2O3的沉积岩(图 5)。Rb-Sr图解(图6a)反映源岩存在泥质熔融体的加入。

Sisson et al.(2005)证实低钾的玄武质岩石部分熔融不可能产生高钾岩浆, 岛弧玄武质下地壳的部分熔融作用可以形成大量中钾到高钾钙碱性长英质岩浆, 熔融反应为角闪石和黑云母裂解。Clemens(2009)研究后碰撞型高钾钙碱性花岗岩的成因机制可能为: 碰撞后阶段岩石圈的减薄作用导致岩石圈地幔部分熔融形成大量镁铁质岩浆, 这些镁铁质岩浆底侵岛弧地壳底部, 在地壳深部富 K的镁铁质岩浆和源自地壳的长英质岩浆发生混合作用,花岗岩中的暗色微粒包体就代表来自地幔的镁铁质岩浆, 岩石富K的原因是其源区有富K的镁铁质岩浆参与。野外地质工作中并没有发现这类包体, 地球化学特征也没有显示明显的幔源贡献。因此, 源岩可能为沉积岩和玄武质岩的互层, 当角闪岩脱水其富K流体诱发部分熔融形成混合花岗质岩浆或源自沉积岩的长英质熔体和富K的镁铁质熔体发生岩浆混合作用。Moyen(2009)研究表明源岩成分对于熔体的Sr/Y和La/Yb比值也具有重要控制作用, 与洋壳玄武岩相比陆壳岩石本身具有高 Sr/Y 比值和Al2O3含量, 在一定压力条件下发生部分熔融作用时, 其残留相很容易出现石榴子石, 这时大陆下地壳起源的长英质岩浆一般也具有高Sr/Y比值和和亏损重稀土。加上该区域火山岩系具有高Sr和La及低Y和Yb含量(Sr=550×10-6, La=20×10-6, Y=4×10-6, Yb=2×10-6; 闫全人等, 2004), 反映源区本身可能具有这种性质, 从而造成该区花岗岩显示了部分埃达克质岩的地球化学特征。

3.2 大地构造意义

图6 南一里花岗岩Rb-Sr图解(图a据高利娥等, 2010)和源岩成分判别图解(图b据Sylvester, 1998)Fig.6 Diagram for Rb versus Sr (Fig.a, after GAO Li-e et al., 2010) and discriminating compositions of source rocks (Fig.b, after Sylvester, 1998) for Nanyili granite

秦岭-大别-苏鲁造山带东西延伸2000 km, 它标志着中国大陆最终成为统一体(张国伟等, 2001)。到目前为止, 纵观前人对秦岭地区三叠纪花岗岩进行的年代学研究, 发现 U-Pb锆石年龄主要集中在245～200 Ma(金维浚等, 2005; 张宏飞等, 2005; 秦江锋等, 2005; Zhang et al., 2006a, b; 李佐臣等, 2007;骆金诚等, 2010b; Qin et al., 2010a, b), 这些岩体多具后碰撞花岗岩的特征, 其形成时代较为集中, 暗示了这一时期内整个秦岭地区存在大面积地壳熔融事件, 而且不受某一个构造单元严格控制的特征。碧口地块中南一里岩体的侵位时间约 225 Ma(李佐臣等, 2007; 张宏飞等, 2007), 稍晚于秦岭造山带的主造山期(242±21 Ma)(李曙光等, 1996), 构造形式也显示出一种相对拉张环境下岩体的被动侵位, 没有明显的变形和岩浆面理, 边界也没有接触变形带(图1)。在lg[CaO/(K2O+Na2O)]-SiO2图解中(图7a),显示该岩体形成于挤压环境向伸展环境转变的后造山期。在Rb/30-Hf-3Ta图解上(图7b), 数据点主要落入后碰撞花岗岩区内。

碧口地块在该时期的演化过程中, 位于勉略缝合带以南, 龙门山构造带以西。勉略洋板块在早三叠世沿勉略缝合带向北插入微秦岭陆块之下,华北和扬子发生大规模陆-陆碰撞, 碧口地块内的地壳受到强烈的横向缩短和构造挤压变形, 导致明显地壳增厚。野外地质特征显示, 碧口地区花岗岩的侵位不仅控制了印支期的变形过程, 而且花岗岩体直接侵入到已发生断裂和褶皱的地层中,岩体的分布总体沿着 NEE方向, 与区内的构造断裂带几乎平行。Meng等(2005)通过对四川盆地西北缘中生代沉积大地构造演化的研究表明, 扬子地块在晚三叠世发生顺时针的旋转作用, 秦岭造山带的西段在岩石圈深部处于相对挤压的环境而地壳部分可能仍为张性环境。伸展—减压的构造作用易诱发下地壳含水矿物(如云母类和/或角闪石)发生脱水反应而导致地壳物质的部分熔融。实验表明, 玄武质或玄武安山质岩石在水不饱和的条件下脱水熔融是形成地壳中酸性岩石的重要原因, 但是正常厚度地壳的下地壳部并没有足够高的温度使下地壳发生部分熔融。文中采用锆石饱和温度计得出约 750℃, 从角闪石的固相曲线看,达到了角闪石脱水熔融的温度650℃。笔者认为可能在三叠纪地壳处于伸展-减薄的构造体制, 该区中-基性下地壳减压增温, 由角闪岩脱水部分熔融形成。

目前对碧口地块的基底认识: (1)基底是一个古老的硬块(任纪舜等, 1980); (2)缺失大陆基底(Şengör, 1984); (3)具有扬子地块的属性, 其基底为陆壳组分(许志琴等, 1992; 姜春发等, 2000; 张国伟等, 2001; 张季生等, 2007; 赵永久等, 2007; 张宏飞等, 2007; 李佐臣等, 2009, 2010; 骆金诚等, 2010a)。结合南一里花岗岩体的空间位置, 张宏飞等(2007)认为碧口地块内太古宙鱼洞子群及新元古代碧口群基性火山岩类的 Sr-Nd-Pb同位素组成均不能作为碧口块体中印支期花岗岩的直接来源。张季生等(2007)运用地球物理方法表明基底岩石由前南华纪变质地层组成。赵永久等(2007)认为基底岩石可能是黑云母片麻岩, 其原岩主要是变质中性火成岩或杂砂岩。综上所述, 笔者认为碧口基底的地壳并不均一, 其源岩可能为变质的沉积岩和玄武质岩石的互层, 正因这一复杂组构导致对其基底的认识尚不统一。

图7 南一里花岗岩lg[CaO/(K2O+Na2O)]-SiO2图(a)(据Brown, 1982)和微量元素构造环境判别图(b)(据Harris et al., 1986)Fig.7 Diagrams of lg[CaO/(K2O+Na2O)]-SiO2(Fig.a, after Brown, 1982) and tectonic setting of trace elements (Fig.b, after Harris et al., 1986) for Nanyili granite

4 结论

1)研究表明南一里花岗岩为富SiO2、Al2O3、K2O的高钾钙碱性系列, 富集LILE、Sr及高Sr/Y(33.01～50.53)和(La/Yb)N比值, Eu异常不明显, 明显亏损Y和 Yb, 表现出部分类似埃达克质岩的地球化学特征。可能主要受其源岩控制, 而非拆沉作用下地幔软流圈物质底侵下地壳物质熔融形成。

2)三叠纪华北—扬子两大板块发生大规模陆-陆碰撞导致碧口地块内的地壳明显增厚, 在伸展-减薄减压增温的构造体制下, 地壳中角闪岩脱水富 K流体诱发互层的变玄武质和泥质沉积岩部分熔融形成。由此进一步限定了碧口地区深部地壳的属性。

致谢: 匿名审稿人和编辑部细致认真地审阅了全文,并提出了启发性的修改意见, 在此表示衷心感谢!

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亚洲地下水资源与环境地质编图等项目顺利通过评审

按照中国地质调查局水环部委托和统一安排, 中国地质科学院水文地质环境地质研究所于2011年8月17—19日在北京组织召开了亚洲地下水资源与环境地质编图、江西萍乐坳陷带水文地质环境地质调查、地下水科学与工程大型试验基地水文地质环境地质参数研究、华北平原地下水安全与可持续利用和工程地质学科发展战略及对策研究等5个工作项目成果评审验收会议。

评审专家组由来自中国地质调查局、中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质科学院岩溶地质研究所、中国地质科学院地质研究所、国家自然基金委员会、清华大学及中国地质科学院水文地质环境地质研究所的12位专家和学者组成。

与会专家在认真听取各项目承担单位的项目汇报的基础上, 经专家组评议, 全部成果都获得通过, 其中亚洲地下水资源与环境地质编图和工程地质学科发展战略及对策研究评为优秀级。专家一致认为, 亚洲地下水资源与环境地质编图项目在洲际专题编图领域做出了有益的探索, 统一了跨国界编图方法和要求, 首次编制了亚洲地下水资源图和亚洲地热图, 并初步建立了亚洲地下水资源与环境地质数据库, 能够与国际社会实现信息共享, 便于及时更新信息数据。工程地质学科发展战略及对策研究项目提出了工程地质学科现阶段所面临的问题及发展方向, 提炼出8个方面的工程地质前沿科学问题, 系统地提出了工程地质学科应优先研究发展的领域, 为开展工程地质战略研究奠定扎实的基础。

本刊编辑部 采编

Genesis of Nanyili Granite in Bikou Block, Northwest Margin of Yangtze Plate

LUO Jin-cheng1,3), LAI Shao-cong2), QIN Jiang-feng2), HU Rui-zhong1)
1) Institute of Geochemistry, State Key Laboratory of Ore Deposit Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang, Guizhou 550002;
2) State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an, Shaanxi 710069; 3) Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

The Nanyili granite pluton is located in Bikou block on the northwestern margin of the Yangtze Plate.This paper reports the geochemistry of the Nanyili granite and discusses its genesis, ore-forming material source and geological significance.The granite has high SiO2(70.27%～71.21%), Al2O3(14.97%～16.19%) and K2O (3.11%～3.83%) content with its A/CNK being 1.04～1.08, low Y (＜10.01×10-6) and HREE (e.g., Yb＜0.70×10-6).The ∑REE has a range of 73.55×10-6～93.86×10-6, characterized by enrichment of Rb, Th, U, K, Sr and depletion of Ba, Nb, Ta, Ti and P, slightly negative Eu anomalies (δEu=0.67～0.83) and high Sr/Y(33.01～50.53) and (La/Yb)N(15.30～23.04) ratios with strongly fractionated REE patterns.According to these properties, in combination with a comprehensive analysis of the regional geological-tectonic settings, it is thought that the Nanyili granite pluton was formed in a typical post-collsional tectonic environment.It is probable that the collision between the North China and Yangtze plates during the Triassic resulted in obvious thickening of the crust.Under the extension and thinning tectonic mechanism, the metabasaltic and metapelitic rocks of the crust were partially melted through the amphibolitic dehydration.

Nanyili granite; geochemistry; petrogenesis; crustal anatexis; Bikou block

P588.121; P594.1; P541

A

10.3975/cagsb.2011.05.06

本文由国家自然科学基金(编号: 40872060)、教育部博士点基金(编号: 20096101110001)和西北大学地质学系国家基础科学人才培养基地创新基金(编号: XDCX08-08)联合资助。

2011-06-29; 改回日期: 2011-08-09。责任编辑: 魏乐军。

骆金诚, 男, 1986年生。硕士研究生。从事地球化学研究。E-mail: luojincheng027@126.com。