北大巴山早古生代辉绿岩地球化学特征及其地质意义

张方毅，赖绍聪，秦江锋，朱韧之，杨 航，朱 毓

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

镁铁质岩墙群是大规模伸展、裂解背景下深源岩浆沿张性裂隙上升就位的产物，可形成于裂谷、后碰撞造山带及弧后盆地等多种构造环境下。在地质历史时期，同一时期内大规模的岩墙群被视为超大陆的重建标志(Belicaetal., 2014)。这些产于伸展背景下的镁铁质岩墙可以为地球动力学机制、地幔源区属性、地幔地壳相互作用及岩浆演化过程提供重要信息(Zhao and Asimow, 2018)。南秦岭北大巴山地区发育一套由早古生代基性岩墙群及碱性火山岩组成并呈北西-南东向延伸的岩浆杂岩带(夏林圻等，1994； 张成立等，2002)，该套岩系对研究秦岭早古生代构造演化过程、碱性岩浆作用与早古生代期间扬子北缘大陆裂解事件提供了重要载体。前人已对区内的基性岩墙和碱性火山岩及其携带的幔源捕掳体进行了岩石学、矿物学及地球化学研究(黄月华等，1992； 黄月华，1993； 夏林圻等，1994； 徐学义等，1996，1997，2001； Wangetal., 2015)，然而由于碱性岩浆起源的多解性以及区域内岩浆-沉积作用的复杂性导致对该套碱性岩浆岩的具体形成背景仍存在争议。部分学者认为它们是扬子板块北缘被动大陆边缘伸展作用的产物(黄月华等，1992； 夏林圻等，1994)，也有学者认为该套碱性岩系与早古生代地幔柱活动有关(张成立等，2002，2007； Zhangetal., 2017)，还有一些学者认为这套基性岩墙和碱质火山杂岩形成于弧后拉伸环境(王宗起等，2009； Wangetal., 2015)。本文对南秦岭早古生代基性岩墙群中的辉绿岩进行了岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学的系统研究，结合近年来的实验岩石学研究成果及国际上对碱性岩浆起源的全新认识探讨了岩石成因及其地球动力学意义，以期为深入认识秦岭造山带早古生代岩浆作用及构造背景提供进一步的参考和制约。

1 地质背景及样品特征

秦岭造山带是由华北板块与华南板块长期碰撞汇聚而成的复合造山带(张国伟等，1996； Dong and Santosh, 2016)，其与东侧大别-苏鲁造山带及西侧的祁连-昆仑造山带共同组成了中央造山带(Xuetal., 2002)。秦岭造山带被北部的商丹缝合带及南部的勉略缝合带分隔为北秦岭及南秦岭两部分(张国伟等，2001)。南秦岭在晚古生代之前属于扬子板块北缘的一部分，并接受被动陆缘沉积(Dong and Santosh，2016)。

北大巴山位于南秦岭造山带与四川盆地的过渡地区(图1a)，在北大巴山紫阳-岚皋地区分布有大量早古生代碱性岩浆作用形成的岩脉。脉体宽数十米至百余米, 长达数百米到数公里不等，整体呈北西-南东向展布，与区域造构线方向一致。岩脉多呈顺层侵入或小角度切割早古生代及之前地层。南秦岭早古生代基性岩墙群主要由辉绿岩及辉长岩组成，集中出露于紫阳县红椿坝-瓦房店断裂以南的早古生代地层中(图1b)。

对侵入到紫阳县南部早古生代地层中的4条代表性新鲜辉绿岩墙进行了样品采集，共获得8件辉绿岩脉样品，采样位置见图1。对8件辉绿岩样品进行了全岩主量、微量元素分析，并选取样品GT-1-1及GT-8-1进行了LA-ICP-MS微区锆U-Pb定年。

辉绿岩样品整体呈灰绿色，块状构造，具辉绿结构。矿物成分主要由斜长石(50%～60%)和单斜辉石(30%～40%)及少量角闪石(～5%)组成，副矿物有磁铁矿、榍石及磷灰石(图2a)。斜长石呈自形板条状，正低突起。单斜辉石呈半自形-它形，正高突起，部分辉石中包裹有自形板条状斜长石，构成辉绿结构。此外还有部分辉石呈孤岛状镶嵌于斜长石间隙中，构成岛状辉绿结构。部分样品轻微变质，斜长石发育黏土化，部分单斜辉石被绿泥石取代。样品GT-7-1(图2b)呈浅灰绿色，具岛状辉绿结构，与其余样品相比含更低的单斜辉石含量(～20%)及更高的磷灰石含量(～5%)。

2 分析方法

在岩石薄片鉴定的基础上，选取新鲜的、无后期交代脉体贯入的样品，用小型颚式破碎机击碎成直径约5～10 mm 的细小颗粒，然后用蒸馏水洗净、烘干，最后用玛瑙研钵托盘在振动式碎样机中碎至200目。

主量和微量元素在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。主量元素采用XRF法完成，分析相对误差一般低于5%。微量元素用ICP-MS测定，分析精度和准确度一般优于10%，详细的分析流程见刘晔等(2007)。

锆石按常规重力和磁选方法分选，最后在双目镜下挑纯，将锆石样品置于环氧树脂中，然后磨至约一半，使锆石内部暴露，锆石样品在测定之前用浓度为3% 的稀HNO3清洗样品表面，以除去样品表面的污染。锆石的CL 图像分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室的扫描电镜上完成。锆石U-Pb 同位素组成分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)仪上完成。激光剥蚀系统为配备有193nmArF-excimer 激光器的Geolas200 M(Microlas Gottingen Germany)，分析采用激光剥蚀孔径为30 μm，激光脉冲为10 Hz，能量为32～36 mJ，同位素组成用锆石91500 进行外标校正。LA-ICP-MS 分析的详细方法和流程见Yuan 等(2010)。

图 1 秦岭造山带构造简图(a，据Dong and Santosh, 2016)及北大巴山地区区域地质简图(b，据陕西省地质局区域地质测量大队十二分队，1966(1) 陕西省地质局区域地质测量大队十二分队. 1966. 1∶200 000紫阳幅区域地质图(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) 陕西省地质局区域地质测量大队十二分队. 1966. 1∶200 000紫阳幅区域地质图(I-49-XXXI). )

图 2 北大巴山辉绿岩正交偏光镜下照片Fig. 2 Crossed nicols microscopic photos of the diabases from North Daba Mountain Cpx—单斜辉石； Pl—斜长石； Ap—磷灰石； Mt—磁铁矿Cpx—clinopyroxene； Pl—plagioclase； Ap—apatite； Mt—magnetite

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年代学

选取高滩地区的2个辉绿岩脉样品(图1b)用于LA-ICP-MS微区锆石U-Pb定年分析,分析的结果列于表1,锆石的CL图像及U-Pb年龄谐和图如图3所示。

辉绿岩GT-1-1： 锆石颗粒多呈破碎的长柱状，粒径为50～150 μm，长宽比为1∶1～3∶1。在CL图像中，锆石颗粒呈深灰色，并未发育明显韵律环带，少量锆石颗粒具条带结构，具基性岩浆锆石的特征(图3a)。共进行了22个数据点分析，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之间，为岩浆成因锆石(Hoskin and Black, 2000； Griffinetal., 2004)。大部分数据点都位于谐和线上，这22个点得到的206Pb /238U加权平均年龄为433.5±0.9 Ma(MSWD=0.87，2σ)(图3b)，代表了南秦岭辉绿岩的结晶年龄。

辉绿岩GT-8-1： 锆石颗粒多呈长柱状自形晶，粒径为50～180 μm，长宽比为1∶1～3∶1。在CL图像中，锆石颗粒呈深灰色，无明显的振荡环带结构，少量锆石颗粒具条带结构，具基性岩浆锆石的特征(图3c)。共进行了17个数据点分析，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之间，为岩浆成因锆石。大部分数据点都位于谐和线上，这17个点得到的206Pb /238U加权平均年龄为435.3±1.4 Ma(MSWD=1.4，2σ)(图3d)，代表了南秦岭辉绿岩的结晶年龄。

3.2 主量元素特征

北大巴山地区辉绿岩脉的主量元素和微量元素分析结果列于表2，辉绿岩样品SiO2含量在39.47%～50.14%之间，岩石TiO2含量较高，为2.45%～5.86%。Fe2O3T含量为11.41%～18.34%，MgO含量为3.11%～9.85%。岩石全碱含量高，Na2O = 1.52%～5.14%，K2O = 0.59%～1.54%, Na2O/K2O =1.90～4.35。在( K2O + Na2O)- SiO2系列划分图解(图4) 中，所有样品投影点均位于碱性系列范围内。

岩石Mg#值及SiO2含量变化范围较大(分别为38.8～60.5和39.47%～50.14%)，表明岩石经历了不同程度的分离结晶作用。样品GT-7-1具有最高的SiO2含量及低Mg#值，代表了更加分异的熔体。岩相学观察表明该样品中含较少辉石及较多磷灰石(图2b)，这也造成了其含有较高P2O5含量及更为富集的微量元素组成。为了更好地约束岩石的源区属性，在随后的讨论中Mg#值小于40的样品会被排除。

3.3 微量元素特征

由表2所列数据可见，北大巴山地区辉绿岩稀土元素总量高，一般在96.9×10-6～286.6×10-6之间，平均值为159.9×10-6。 岩石(La/Yb)N值介于9.0～10.8之间，平均值为9.6，轻重稀土元素分馏较为明显。(Tb/Yb)N值介于2.3～2.6之间，平均值为2.4。具微弱Eu正异常，Eu/Eu*值在1.07～1.25之间。

表1 高滩地区辉绿岩脉样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据表Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data for diabases from North Daba Mountain

图 3 北大巴山辉绿岩锆石阴极发光(CL)图(a、c)和U-Pb年龄谐和图(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)

图 4 北大巴山地区辉绿岩TAS分类图(据Middlemost, 1994)Fig. 4 Total alkali versus SiO2 (TAS) diagram for SQB diabases (after Middlemost, 1994)

在球粒陨石标准化配分图(图5a)上，本区辉绿岩具右倾负斜率轻稀土元素富集型配分模式，与典型的板内玄武岩稀土元素地球化学特征基本一致。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图5b)中，所有样品显示出富集强不相容元素Ba、Sr、Nb和Ta，而亏损Rb、K、Zr和Hf的分布特点，总体上具有板内玄武岩微量元素的一般特征。

4 讨论

4.1 岩浆起源和源区性质

北大巴山早古生代辉绿岩墙具有明显的贫SiO2(<45%)富Na2O(>1.5%)同时富TiO2(>2%)及不相容元素的碱性岩浆特征。实验岩石学结果表明，在高压下地幔橄榄岩趋向于更低程度的部分熔融进而产生富碱贫硅的熔体(Kushiro，1996； Wasylenkietal., 2003)，低程度熔体同时也会导致大量强不相容元素进入熔体中。地幔橄榄岩的低程度熔融可以解释南秦岭碱质基性岩脉富碱及富集不相容元素的特征，然而Ti为中度不相容元素，其在岩浆中的含量更多地受源区含量控制。正常的地幔橄榄岩(亏损地幔、原始地幔)中含有较低的TiO2含量，即使是极低程度的部分熔融也不能产生高钛的岩浆(Prytulak and Elliott, 2007)。要产生富钛的岩浆就需要源区含有特殊的富集组分(如辉石岩或角闪石岩)。在微量元素蛛网图中，所有样品均出现K的负异常暗示源区存在富钾角闪石或金云母的残留(Panteretal., 2006，2018； Sprungetal., 2007)。部分熔融实验结果表明与角闪石平衡的熔体为钠质，而与金云母平衡的熔体则为富钾熔体(Médardetal., 2006； Piletetal., 2008； Condamine and Médard, 2014)，南秦岭基性岩脉富钠(Na2O/K2O =1.90～4.35)的特征指示角闪石是更可能的源区组分。在地幔中，角闪石储存着大量的不相容元素(大离子亲石元素及高场强元素)和Ti，源区存在角闪石也为南秦岭辉绿岩富集强不相容元素，富Ti及富Nb、Ta的特征提供了解释。黄月华等(1992)在南秦岭岚皋地区碱质基性-超基性潜火山杂岩中发现了含大量含水矿物的金云角闪辉石岩类捕掳体，这些地幔捕掳体的发现也为南秦岭辉绿岩源区存在角闪石提供了支持。矿物学研究结果表明角闪石及金云母等含水矿物具较低的熔点，并不能在高温的软流圈地幔中稳定存在(Greenetal., 2010)，因此部分熔融发生于温度较低的岩石圈地幔内。

表2 北大巴山辉绿岩主量(wB/%)及微量元素(wB/10-6)分析结果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

图 5 北大巴山辉绿岩稀土元素配分图解(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle (PM) normalized trace element spidergrams (b) for the diabases from North Daba Mountain 球粒陨石标准化值据Sun and McDonough(1989)，原始地幔标准化值据 McDonough and Sun(1995) chondrite and primitive mantle data after Sun and McDonough (1989) and McDonough and Sun (1995) respectively

岩石中稀土元素的La/Yb及Tb/Yb值的相关关系可以有效地判别岩浆起源的相对深度及熔融程度。在地幔部分熔融过程中，轻稀土元素与重稀土元素比值(La/Yb)主要受部分熔融程度控制，而中稀土元素与重稀土元素(Tb/Yb)比值则主要受控于源区是否残留石榴子石。为了确定岩浆的起源深度及部分熔融程度，本文采用了批次部分熔融模拟算法(Shaw，1970)，源区成分采用岚皋地区角闪石岩捕掳体，而部分熔融反应则参考了Pilet等(2008)角闪石岩部分熔融实验结果。计算结果表明南秦岭辉绿岩为尖晶石相角闪石岩高程度部分熔融产物(≈60%，图6)。部分熔融实验表明角闪石会在固相线上约50℃被完全耗尽(60%熔融)，这与本文的模拟结果十分吻合，也验证了计算结果的合理性。

4.2 构造环境与大地构造意义

北大巴山辉绿岩富碱富钛及微量元素配分模式表现出了板内碱性玄武岩的特征，在Zr/Y-Zr图解(图7a)中，南秦岭地区辉绿岩样品落入板内玄武岩区域内。在2 Nb-Zr/4-Y 图解(图7b)中，样品落在板内裂谷玄武岩区，这些特征表明南秦岭辉绿岩形成于板内构造环境。

南秦岭区域内早古生代岩浆活动主要由基性岩墙群(王存智等，2009； 邹先武等，2011； 陈虹等，2014)、碱性玄武岩(向忠金等，2010)及粗面岩(万俊等，2016)组成，后两者构成了该区域内双峰式火

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

山岩组合(黄月华等，1992)。目前对于这套南秦岭构造带南缘内广泛分布的碱性岩石组合的形成背景仍没有统一的认识。本文研究认为北大巴山辉绿岩产自富角闪石的地幔源区，而富含角闪石的交代岩石圈地幔具有很低的熔点(Foleyetal., 1999)，地幔柱活动背景下极高的地温不止会诱发交代岩石圈地幔的熔融，同时也会导致地幔橄榄岩的熔融从而产生大规模拉斑玄武岩系列。南秦岭早古生代的岩浆活动明显缺失大陆拉斑玄武岩系列，说明该套碱性岩浆并非大规模地幔柱活动的产物。

北大巴山辉绿岩脉的野外产状体现了大规模顺层侵位的特点，而碱性岩浆脉体顺构造薄弱层侵位则与伸展或裂谷活动密切相关(Gudmundsson and Loetveit，2005； 陈虹等，2014)。前人研究表明自新元古代中期开始，南秦岭区及扬子北缘由总体的汇聚转向大规模的伸展裂解，代表了全球性的Rodinia 超大陆裂解事件在中国大陆的响应(张国伟等，2001)。这一伸展拉张作用在南秦岭构造带内一直持续到早古生代末，表现为勉略缝合带和武当地块的新元古代中晚期基性岩墙群(Zhao and Asimow, 2018)，在其上又叠加了早古生代镁铁质岩脉(赵国春等，2003； Nieetal., 2016)。在北大巴山岚皋地区与火山岩互层的沉积岩中发现丰富的笔石及牙形石化石也证明在早古生代南秦岭地区发育有富碳富硅裂谷盆地(雒昆利等，2001)，这些证据指示早古生代南秦岭地区处于大规模伸展裂陷背景下。交代的岩石圈地幔由于其富水富挥发分的特性具有较低的熔点，在岩石圈的伸展导致岩石圈地幔中的“交代体”熔融从而产生富碱富钛的基性岩浆(Pilet，2015)。这些碱性熔体沿着断裂带侵入地壳并形成了南秦岭这条颇具规模的基性岩墙群带。

5 结论

(1) 南秦岭辉绿岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为435～433 Ma，形成于早志留世晚期。

图 7 北大巴山辉绿岩Zr/Y -Zr (a，据Pearce, 1982) 和2 Nb -Zr/4-Y (b，据Meschede, 1986) 构造环境判别图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—板内碱性玄武岩； AⅡ+ C—板内拉斑玄武岩； B—富集型洋中脊玄武岩； D—N型洋中脊玄武岩； C+D—火山弧玄武岩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岭辉绿岩为富角闪石的岩石圈地幔高程度部分熔融产物。

(3) 南秦岭地区早古生代碱性岩浆活动并非由地幔柱活动引发，而是由岩石圈伸展背景下受交代的岩石圈地幔低温下部分熔融形成。

致谢匿名审稿人及编辑在文章修改过程中提供了建设性的意见，在此致以诚挚的感谢。