西秦岭中—晚三叠世板块碰撞事件的记录：来自合作地区火山岩的锆石U-Pb年龄和地球化学证据
2021-02-16杨维刚李永胜李通元任鹏飞
杨维刚，李永胜，李通元，张 俊，任鹏飞
(1.甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000；2.中国地质调查局 发展研究中心，北京 100037；3.自然资源部矿产勘查技术指导中心，北京 100083)
0 引 言
秦岭造山带是典型的大陆复合造山带，是由华北板块与扬子板块及其间的秦岭微地块沿两缝合带与断裂带长期相互作用、分裂与汇聚而导致的板块俯冲造山与碰撞拼合造山和陆内造山共同形成的复合造山带[1-3]。西秦岭属秦岭造山带的西延，夹持于扬子地块西北缘、南祁连、东昆仑和青藏高原东北缘多个块体之间[4-6]。三叠纪以来的印支运动，奠定了西秦岭地区的构造格局[2]，印支期特提斯构造域与环太平洋构造域远程效应的共同作用致使西秦岭区域构造演化复杂[7]。随着勉略洋盆的俯冲闭合及大陆碰撞的开始，西秦岭发育了印支期高钾、钙碱性花岗岩占绝对优势的岩浆活动[8-10]，前人对印支期岩浆岩的岩石成因、构造背景等认识存在较多争议[11-15]，一部分学者认为与洋壳俯冲有关[14]，一部分学者认为与板片断离和岩石圈拆沉有关[15]，还有学者认为与古特提斯洋的俯冲极性改变有关[16]。相较于花岗岩，西秦岭地区印支期火山活动相对较弱[17-26]，前人对火山岩的研究工作相对较少。笔者通过参与中国地质调查局开展的调查项目，对甘肃省合作地区火山岩做了大量的野外调查及室内研究工作。本文提供了该地区火山岩的岩石学、岩石地球化学、U-Pb年代学等数据，分析了合作地区火山岩岩石成因及形成背景，探讨了印支期西秦岭造山带的运动机制，这一研究将为西秦岭地区构造地质背景研究提供重要依据。
1 区域地质背景
甘肃合作地处西秦岭造山带东段，属羌塘—扬子—华南板块Ⅰ级构造单元、秦岭—大别新元古代—古生代造山带Ⅱ级构造单元。2019年的《甘肃省区域地质志》(未出版)以夏河—合作区域断裂为界，将北侧划归中秦岭夏河—礼县陆缘沉积区Ⅳ级构造单元，南侧划归南秦岭泽库—武都裂陷沉积区Ⅳ级构造单元。研究区经历了多期次构造运动，构造格局及演化历史极为复杂。断裂主要方向为NWW向和NE向，出露地层包括石炭系巴都组，二叠系毛毛隆组，三叠系隆务河组、华日组、光盖山组，新近系甘肃群和第四系。其中，石炭系巴都组、二叠系毛毛隆组、三叠系华日组均分布于夏河—合作区域断裂带北侧，属中秦岭地层单元。
合作地区火山岩整体位于夏河—合作区域断裂带北东侧，主要分布在德乌鲁、扎油沟口一带(图1)，整体以安山质晶屑熔岩、安山质熔岩、玄武质熔岩为主，并含英安斑岩、英安岩、火山角砾岩、杏仁状安山岩等中酸性火山岩组合。该火山岩角度不整合于下伏二叠系毛毛隆组之上，火山岩建造底部有古风化壳存在，局部有铁质胶结砾岩，具冲刷、层面凹凸不平等现象。火山喷发规模大，分布范围广，同时伴随着大规模的侵入岩发育，表明当时区内构造活动十分剧烈。1997年《甘肃省岩石地层》将德乌鲁一带火山岩划归侏罗系郎木寺组，甘肃省地矿局三勘院完成的合作—美武一带矿调工作将其归入三叠系华日组[9]。本次研究工作，笔者通过野外调查在德乌鲁以西的扎油沟口一带新发现了火山岩组合，二者的岩石学、岩石地球化学特征基本一致，锆石U-Pb测年结果显示为同期火山活动的产物。
图1 西秦岭夏河—合作地区地质简图(据文献[9]修改)Fig.1 Simplified geological map of the Xiahe-Hezuo area in the West Qinling orogenic belt (modified after ref.[9])
合作地区火山岩岩石类型包括安山质晶屑熔岩、安山质岩屑晶屑熔岩、玄武质熔岩、英安斑岩、英安岩、火山角砾岩、蚀变安山岩、安山岩、杏仁状安山岩。德乌鲁、扎油沟口一带火山岩均以安山质晶屑熔岩、安山质岩屑晶屑熔岩、玄武质熔岩为主。
安山质晶屑熔岩：深灰色，斑状结构，块状、枕状构造(图2(a))。由斑晶、基质组成，并含有金属矿物。斑晶主要为斜长石、石英、角闪石、黑云母和岩屑等，粒径以0.2～3.0 mm为主，个别较大，薄片中见最大粒径达9 mm。斜长石以半自形板状为主，具不同程度的黏土化、绢云母化，大多双晶可见，个别具环带，含量为30%；石英为浑圆状，含量为1%；角闪石为柱状，具不同程度的绿泥石化，部分呈团状聚集，含量为4%；黑云母为片状，大多具强烈的绿泥石化，含量为1%；岩屑由(蚀变而来的)碳酸盐、绿泥石和角闪石等组成，含量为1%。基质由显微晶质的长英质和微粒长石、绿泥石、角闪石、黑云母等组成，其中，长英质含量为24%，长石含量为20%，绿泥石含量为10%，角闪石含量为5%，黑云母含量为2%。岩石中可见近圆状的杏仁，由长英质、绿帘石、黑云母等组成。金属矿物为小团点状、微粒状，较为均匀地分布于基质中，含量为1%(图2(b))。
安山质岩屑晶屑熔岩：斑状结构，块状构造，由斑晶、基质组成。斑晶主要为岩屑、斜长石、石英、角闪石等，粒径在0.1～12.0 mm之间，显拉长(图2(c)和(d))，略显定向性，零散分布，岩屑粒径相对较大，矿物的粒径相对较小。岩屑主要为具强烈绿泥石化碳酸盐化绿帘石化安山质岩屑(基质为隐晶质)，形状不规则，含量为20%；斜长石为半自形板状，具不同程度的蚀变，个别双晶清晰，含量为15%；石英为显拉长的它形粒状，个别具反应边，含量为4%；角闪石为柱状，黑云母为片状，具强烈的绿泥石化、碳酸盐化，多为绿泥石、碳酸盐的混合物，含量为1%。基质具显微晶质结构，由显微晶质的长英质、小板粒状长石、鳞片状-极小的片状绿泥石、不透明物等组成。金属矿物为小团点状，不均匀分布(主要分布于岩屑中)，其中长英质含量为42%，长石含量为10%，绿泥石含量为5%(图2(e))。
杏仁安山岩：紫红色，斑状结构，块状构造，由斑晶、基质组成。斑晶主要为杏仁和少量的岩屑、角闪石、斜长石、石英等。杏仁大小不等，形状呈不规则状，薄片中见最大粒径达8 mm，充填物以石英为主，其次为含量不等的碳酸盐、绿泥石等，含量约50%；岩屑主要为安山岩岩屑，基质中的小板条状斜长石定向排列或不含，含量为4%；斜长石为半自形板状，具不同程度的黏土化，含量为2%；角闪石为柱状，具极强烈的绿泥石化、碳酸盐化，几乎完全被其混合物取代，但保留了角闪石的柱状外形，含量为1%；石英显熔蚀，含量为1%。基质具安山结构，由小板条状斜长石(30%)、泥铁质(12%)等组成。岩石局部具碎裂，裂隙中有石英等充填。金属矿物为小点状，零星分布(图2(f))。
2 样品信息和分析方法
本次用于锆石U-Pb定年的样品包括2件安山质熔岩(D0085TW1、PM101TW2)；用于岩石地球化学分析的样品包括2件安山质熔岩(D0085YQ/WL/XT1、PM101YQ/WL/XT2)和1件玄武质熔岩(PM101YQ/WL/XT1)。
锆石U-Pb同位素定年在武汉上谱分析科技有限责任公司利用LA-ICP-MS分析完成。GeolasPro激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF 193 nm准分子激光器和MicroLas光学系统组成，ICP-MS型号为Agilent 7700e。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合，激光剥蚀系统配置有信号平滑装置[27]。本次分析的激光束斑直径和频率分别为32 μm和5 Hz。U-Pb同位素定年和微量元素含量处理中采用锆石标准91500和玻璃标准物质NIST610作外标分别进行同位素和微量元素分馏校正。每个时间分辨分析数据包括20～30 s空白信号和50 s样品信号。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal完成[28-29]。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot/Ex_ver3完成[30-31]。
全岩主量元素含量在武汉上谱分析科技有限责任公司利用日本理学 PrimusⅡ X射线荧光光谱仪(XRF)分析完成。用于XRF分析的样品处理流程如下：(1)将200目样品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；(2)称取1.0 g烘干样品置于恒重陶瓷坩埚中，在1 000 ℃马弗炉中灼烧2 h，取出待冷却至室温再称量，计算烧失量；(3)分别称取6.0 g助熔剂(Li2B4O7:LiBO2:LiF =9:2:1)、0.6 g样品、0.3 g 氧化剂(NH4NO3)置于铂金坩埚中，在1 150 ℃熔样炉中熔融14 min，取出坩埚转移到耐火砖上冷却，然后将玻璃片取出以备XRF测试。数据校正采用理论α系数法，测试相对标准偏差(RSD)<2%。
全岩微量元素和稀土元素含量在武汉上谱分析科技有限责任公司利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成。用于ICP-MS分析的样品处理如下：(1)将200目样品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；(2)准确称取粉末样品50 mg置于Teflon溶样弹中；(3)先后依次缓慢加入1 ml高纯HNO3和1 ml高纯HF；(4)将Teflon溶样弹放入钢套，拧紧后置于190 ℃烘箱中加热24 h以上；(5)待溶样弹冷却，开盖后置于140 ℃电热板上蒸干，然后加入1 ml HNO3并再次蒸干；(6)加入1 ml高纯HNO3、1 ml MQ水和1 ml内标In(浓度为1×10-6)，再次将Teflon溶样弹放入钢套，拧紧后置于190 ℃烘箱中加热12 h以上；(7)将溶液转入聚乙烯料瓶中，并用2% HNO3稀释至100 g以备ICP-MS测试。
3 结果分析
3.1 锆石U-Pb年龄
本次对德乌鲁安山质晶屑熔岩(D0085TW1)、扎油沟口安山质熔岩(PM101TW2)进行了锆石U-Pb年龄测试分析，具体结果见表1。样品D0085TW1和PM101TW2中锆石的Th含量分别为97.3×10-6～489.0×10-6和31.7×10-6～508.0×10-6，U含量分别为281×10-6～944×10-6和133×10-6～1 123×10-6，Th、U含量均较高，且呈正相关性。Th/U值分别为0.19～0.55和0.11～1.01，具岩浆成因锆石的特征，区别于变质锆石(Th/U值小于0.1)。
表1 合作地区火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果Table 1 LA-ICP-MS zircons U-Pb dating results of the volcanic rocks in the Hezuo area
样品D0085TW1中剔除较大分析点后，22个分析点的206Pb/238U加权平均年龄值为(237.7±1.9)Ma(MSWD=3.0)(图3)，样品PM101TW2中25个分析点的206Pb/238U的加权平均年龄值为(234.8±2.1)Ma(MSWD=3.6)(图4)。该年龄与前人在本区研究中取得的锆石U-Pb年龄(231.7±2.1 Ma)[9]近一致。此外，在青海泽库县临夏沟一带出露的英安岩锆石U-Pb年龄为(236.17±1.20)Ma[10]，在甘肃宕昌县一带出露的流纹岩锆石U-Pb年龄为(229.3±2.0)Ma[8]。即区域上中酸性火山岩具近一致的形成年代，为中—晚三叠世，应为印支期岩浆运动的产物。
图3 德乌鲁地区火山岩锆石U-Pb年龄谐和图(a)和206Pb/238U年龄权重分布图(b)Fig.3 Concordia diagram of zircon U-Pb(a)and distribution diagram of zircon 206Pb/238U weighted mean ages(b)of the volcanic rocks in the Dewulu area
图4 扎油沟口地区火山岩锆石U-Pb年龄谐和图(a)和206Pb/238U年龄权重分布图(b)Fig.4 Concordia diagram of zircon U-Pb(a)and distribution diagram of zircon 206Pb/238U weighted mean ages(b)of the volcanic rocks in the Zhayougoukou area
3.2 地球化学特征
3.3.1 主量元素
研究区火山岩的主量元素、微量元素及稀土元素分析数据见表2。在主量元素组成上：SiO2为50.35%～64.39%，CaO为3.42%～5.73%，Na2O为1.91%～3.63%，K2O为0.75%～2.40%，具相对较高的Al2O3(13.65%～16.16%)和MgO(2.35%～7.78%)和较低的TiO2(0.53%～0.57%)。岩石全碱含量(Na2O+K2O)为2.66%～6.03%，Na2O>K2O，σ值为0.97～1.69，说明岩石为钙碱性。岩石碱质特征系列分类如图5(a)所示。德乌鲁火山岩A/CNK值为1.09，大于1，反映岩石为过铝质。扎油沟口火山岩A/CNK值为0.947，反映岩石为亚碱性，为硅酸盐不饱和型。
(续)表1 合作地区火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果(Continued)Table 1 LA-ICP-MS zircons U-Pb dating results of the volcanic rocks in the Hezuo area
表2 火山岩主量元素(%)、稀土元素(10-6)和微量元素(10-6)分析结果Table 2 Analysis results of major elements (%),REE (10-6),and trace elements (10-6)of the volcanic rocks
岩石化学分区分类图解如图5(b)所示。德乌鲁火山岩(D0085YQ/WL/XT1)在分类图解中落入英安岩区，σ值均<3.3(0.28～2.15)，为钙碱性系列。碱度指数A.R.较低，σ为1.50～2.00，反映岛弧和活动大陆边缘火山岩的特点。扎油沟口火山岩在分类中分别落入玄武岩区(PM101YQ/WL/XT1)和安山岩区(PM101YQ/WL/XT2)，后者的碱度指数AR较低，σ为1.32，反映活动大陆边缘火山岩的特点。
图5 火山岩分类图解((a)A.R.图解；(b)TAS图解)Fig.5 Classification diagrams for the volcanic rocks ((a)A.R.diagram；(b)silica vs.total alkalis diagram)
综合来看，合作地区火山岩整体(Na2O-2)
3.3.2 微量及稀土元素
微量元素原始地幔标准化蛛网图显示，合作地区火山岩总体呈显著不对称型右倾(图6(a))。与原始地幔比较，Rb、Ba、Th、U、La、Ce、Sr元素强烈富集，Ti、Y、Yb等元素略显富集。德乌鲁一带火山岩中Nb元素强烈富集，标准配分型式与区域上新近系牛顶山组火山岩分布型式一致，总体显示以强烈富集亲石元素为特征，且与克拉通内部或边缘的钾质火山岩接近。而扎油沟口一带火山岩中Sm元素强烈富集，与岛弧富钾玄武岩的配分型式相似。Ti/Y值反映其为ARCB、N-MORB特征，Hf/Th值反映其为WPB、T-MORB、P-MORB特征，Zr/Y值反映其为大陆边缘钙碱性玄武岩特征，Zr/Nb值反映其为标准型洋中脊玄武岩(N-MORB)、过渡型洋中脊玄武岩(T-MORB)特征，Nb/La值反映其为碰撞型弧区玄武岩特征。
稀土元素总量REE为81.75×10-6～199.14×10-6，LREE为71.25×10-6～128.93×10-6，HREE为10.37×10-6～10.97×10-6，LREE/HREE值为6.79～17.15。总体来看，合作地区火山岩稀土元素总量偏低，变化范围较大，含量不稳定，轻重稀土元素分馏明显。δEu为0.76～0.86，略显负铕异常。稀土元素配分图为明显的右倾平滑型(图6(b))。结合微量元素与稀土元素的分布特征认为，合作地区火山岩可能源于曾经历过交代作用的岩石圈板块的富集地幔，成岩过程或成岩后有壳源物质的强烈混染。
4 讨 论
4.1 锆石U-Pb年龄
本次在德乌鲁安山质晶屑熔岩(D0085TW1)中取得的锆石U-Pb年龄为(237.7±1.9)Ma，在扎油沟口安山质熔岩(PM101TW2)中取得的锆石U-Pb年龄为(234.8±2.1)Ma。与青海泽库县临夏沟英安岩(236.17±1.20 Ma)[10]及甘肃宕昌县流纹岩(229.3±2.0 Ma)[8]的形成年代近一致，皆为中—晚三叠世岩浆运动的产物。
中三叠世晚期至晚三叠世早期，西秦岭发生了由伸展向挤压过渡的深部动力学转换[8]。挤压阶段即为扬子板块与华北板块之间大陆碰撞作用的开始，两大板块间小洋盆与微板块的挤压、俯冲作用达到顶峰。而在后碰撞松弛阶段，发生强烈的壳幔物质的交换、热场作用传递、地壳物质的部分熔融和岩浆上升[1-5]。多次的碰撞挤压—后碰撞松弛运动，在区域上形成了一系列中—晚三叠世不同时间段的火山岩。
4.2 火山岩的物源
合作地区火山岩微量元素及稀土元素分析结果显示，标准配分型式与元素富集特征和区域上陆内碰撞火山岩(新近系牛顶山组)分布型式一致，总体显示以强烈富集亲石元素为特征。Rb、Ba、Th、U、Ce、Sr等大离子亲石元素明显高于中国东部新生代碱性玄武质火山岩，也高于藏北一带新生代钾玄质系列火山岩，而与克拉通内部及边缘的钾质火山岩极为接近，低于钾镁煌斑岩。相容元素的含量高于地壳克拉克值，其中过渡元素含量明显高于大洋脊同类岩石，接近于洋岛玄武岩。由于大离子亲石元素主要富集于岩石圈板块顶层或地壳上部层、而相容元素富集于其下部层或壳幔过渡层。因此，根据以上微量元素分布与变化特征推测，研究区火山岩可能源于曾交代岩石圈板块的富集地幔，成岩过程或成岩后有壳源物质的强烈混染。
4.3 构造环境
从合作火山岩岩石地球化学特征方面分析，火山岩的里特曼指数(σ)值为0.97～1.69，属钙性系列；碱度指数AR均较低，为1.32～2.00，反映岛弧和活动大陆边缘火山岩的特点。(K2O/Na2O)>0.5，属钾质类型，整体为富钾富铝钙碱性系列，具壳幔双重地球化学组合特征。德乌鲁、扎油沟口火山岩的戈蒂里指数(τ)分别为23.55、20.3，代表强烈活动的大陆边缘(造山带)环境。在lgτ-lgσ图解(图7)上，德乌鲁(样品D0855)、扎油沟口(样品PM101)两处火山岩投点均落入了造山带区，说明火山岩形成于造山环境。
图7 合作地区火山岩构造环境判别图解(底图据文献[18-20])Fig.7 Discriminant diagram of tectonic environment of the volcanic rocks in the Hezuo area(base map after refs.[18-20])
据微量元素原始地幔标准化蛛网图显示，德乌鲁一带火山岩中Nb元素强烈富集，总体显示以强烈富集亲石元素为特征，且与克拉通内部或边缘的钾质火山岩接近。而扎油沟口一带火山岩中Sm元素强烈富集，与岛弧富钾玄武岩的配分形式相似。Zr/Y值反映其具有大陆边缘钙碱性玄武岩特征，Zr/Nb值反映其具有标准型洋中脊玄武岩、过渡型洋中脊玄武岩特征，Nb/La值反映其为碰撞型弧区玄武岩特征。稀土元素总量总体偏低，变化范围较大，含量不稳定，轻重稀土元素分馏明显。
前人对富钾火山岩已有了深入的研究，主体认为是地壳物质加入所致，而主要动力机制为地壳的深俯冲作用。区域上青海泽库县临夏沟地区三叠纪安山岩均具富钾特征[9-11]，对应于研究区以东宕昌地区的富钾流纹岩[8]，呈现较为特殊的地球化学特征，表明研究区火山岩的形成主体受俯冲洋壳析出流体交代作用的影响，还叠加了俯冲地壳析出流体的交代作用。同时研究区火山岩具较高的Al2O3和MgO及较低的TiO2含量，部分学者将该高镁的火山岩归入隆务峡蛇绿岩，认为是同仁—武山—天水蛇绿岩带的西延部分。而这一时期，西秦岭处于多个小洋盆与微板块挤压、俯冲的构造背景，使得研究区火山岩具有了特殊的地球化学特征。
5 结 论
(1)在合作地区德乌鲁、扎油沟口火山岩中获得锆石U-Pb年龄分别为(237.7±1.9)Ma、(234.8±2.1)Ma，表明研究区火山岩形成于晚三叠世早期。
(2)合作地区火山岩具相对较高的Al2O3、MgO和较低的TiO2，K2O/Na2O>0.5，属于富钾高铝高镁钙碱性系列，反映活动大陆边缘火山岩的特点。
(3)合作地区火山岩与原始地幔比较，Rb、Ba、Th、U、La、Ce、Sr元素强烈富集，Ti、Y、Yb等元素略显富集，标准配分型式与克拉通内部或边缘的钾质火山岩接近。火山岩稀土元素总量偏低，LREE/HREE值为6.79～17.15，轻重稀土元素分馏明显。δEu为0.76～0.86，略显负铕异常。指示火山岩可能源于曾经历过交代作用的岩石圈板块的富集地幔，成岩过程或成岩后有壳源物质的强烈混染。
(4)中三叠世晚期至晚三叠世早期，扬子板块与华北板块开始发生碰撞，两大板块间小洋盆与微板块之间出现强烈的挤压、俯冲。在后碰撞松弛阶段，发生了强烈的壳幔物质的交换和岩浆上升。多次的碰撞挤压-后碰撞松弛运动，在区域上形成了一系列晚三叠世不同时间段的火山岩。
致谢：本文的研究工作得到了甘肃省地质调查院李通国教授级高级工程师、丁仨平教授级高级工程师及中国地质科学院勘探技术研究所吴纪修博士的多次指导，在此一并表示最诚挚的感谢！
