陇县白家沟辉绿岩地球化学及构造环境研究

2022-06-25南芷妍赵旭坤任英桥刘军峰

能源与环保 2022年6期

徐欢，南芷妍，赵旭坤，任英桥，刘军峰

(陕西铁路工程职业技术学院测绘与检测学院，陕西渭南 714000)

华北克拉通在古元古代晚期到中元古代初分别在南北边缘和中部地区发生了碰撞造山—整体抬升—伸展裂解等一系列构造事件[1]。裂解事件大概发生于1.8 Ga之后，对此前人进行大量的研究工作，并找到了相应的地质证据，如华北克拉通南缘熊耳拗拉谷发育了以熊耳群为主的火山岩系[2-3]，还发育有同期花岗闪长岩和斑岩[4-5]及基性岩墙群[6]，北缘燕山—太行拗拉谷发育大规模基性岩墙群和碱性侵入岩[7-9]。这次裂解事件以后，在华北克拉通内部形成了一系列的裂陷，如南缘的熊耳古裂陷、中部的燕山—太行古裂陷和西缘的贺兰—六盘古裂陷等[1，10]。这期裂解事件已经得到地学界的普遍认可，但对于裂解的动力机制还存在疑问。Peng等[11]认为这次裂解事件可能与地幔柱活动有关，并推测华北板块南缘(熊耳群火山岩系)为地幔柱活动中心。另外，目前主要的岩石学、年代学证据集中于克拉通南缘、中部以及北缘，但对于克拉通西缘、西南缘的贺兰山拗拉槽，由于元古宙的地质记录，特别是元古宙岩浆岩的地质记录很少，相关研究主要集中在石油勘探地震资料[12-13]和少量的露头沉积学方面[14-15]，且主要集中于北部贺兰山地区，南部直接的岩浆岩岩石学，年代学证据很少。由此导致了地学界目前对华北克拉通西缘、西南缘古元古代的地质构造研究还很薄弱，这种状况可能会制约对华北克拉通在古元古代整体演化历史的认识。

在华北板块西南缘的六盘山断裂带内，在陇县段家峡水库西北端白家沟地区出露一套辉绿岩和钾长花岗斑岩组合(图1)。

图1 陇县白家滩地质略图(据1∶5万固关镇幅地质图改9)Fig.1 Geological sketch of Baijiatan，Longxian county(changed to 9 according to 1∶50 000 Guguan town geological map)

这套具有“双峰式”特点的岩浆岩组合有可能为华北板块西南缘古元古代的地质演化提供相应的信息。车自成等[16]根据岩浆岩与围岩的接触关系将其形成时代确定为白垩纪晚期到古近纪早期，并推断其形成可能与六盘山断裂的活动有关。《1∶5万固关镇幅地质图及其区域地质调查报告》采纳车自成等[16]的意见，认为陇县固关镇东部的辉绿岩和花岗斑岩岩脉形成于古近纪。尤佳等[17]对白家沟花岗岩进行了锆石U-Pb LA-ICP-MS测年，得出了(1 846±32) Ma的上交点年龄，确定该花岗岩体形成于古元古代，但未对辉绿岩做任何测试、研究。通过野外实际考察发现，该区出露沉积地层为上奥陶统背锅山组砾屑灰岩、上三叠统延长组碎屑岩、下白垩统紫红色砂岩和第四纪松散沉积物，区域内断裂发育。辉绿岩与钾长花岗斑岩直接接触，局部在钾长花岗斑岩中见辉绿岩捕虏体，在辉绿岩中见钾长花岗斑岩脉。岩体多以面状或点状零星出露与河流冲刷部，最大出露面约30 m2，接触围岩为上奥陶统背锅山组砾屑灰岩(未发生变质作用)和第四纪河流沉积物，接触关系为沉积不整合，局部为断层接触。作者根据野外发现，推测白家沟辉绿岩和钾长花岗斑岩可能为同一期岩浆活动的产物且形成时代早于奥陶统砾屑灰岩。因此，本文对白家沟辉绿岩地球化学分析，试图确定其形成时代和对应的大地构造环境，并探讨其区域构造意义。

1 岩石学和岩相学特征

辉绿岩在白家沟一带的多个剖面上出露，露头较多，但是单个露头的规模都相对不大。在几乎所有观察到的露头上，都可以看到辉绿岩与钾长花岗岩相伴产出(图2(a))。岩石在手标本上看似比较新鲜，但是镜下观察蚀变比较严重。辉绿岩整体灰绿色，块状构造。镜下辉绿结构十分明显(图2(b))，主要矿物有基性斜长石，自形长柱状，含量占整个岩石的45%，斑晶表面蚀变不干净，出现绢云母等蚀变矿物，聚片双晶发育；辉石含量约为35%，呈它形填充于斜长石空隙内，多以蚀变为云母类矿物；次要矿物为角闪石、黑云母等，含量为15%，半自形；副矿物为磁铁矿。

图2 辉绿岩照片Fig.2 Diabase photo

2 分析方法

全岩的主量元素分析采用RIX2100XRF仪测定，元素分析误差小于5%。微量和稀土元素分析采用Elan 6100DRC型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)进行，分析精度误差一般小于5%。采用PetroGraph和Geoplot进行数据处理和作图。

3 主量和微量元素地球化学特征

3.1 辉绿岩主量元素地球化学

白家沟辉绿岩的主量和微量元素地球化学测试结果显示，样品的烧失量较大，说明样品经历了比较强烈的蚀变作用。辉绿岩明显显示2种不同的主量元素地球化学特征。其中，第一类辉绿岩的主量元素特点为：较高的SiO2(48.81%～54.01%)，相对富P2O5(0.4%～0.43%)和Al2O3(14.37%～16.29%)，有较低的TiO2(1.41%～1.54%)、FeO(10.10%～11.86%)、MnO(0.14%～0.15%)以及CaO(3.15%～5.58%)；第二类辉绿岩相对更偏超基性SiO2(45.91%～51.19%)，相对较低的P2O5(0.14%～0.20%)和Al2O3(12.23%～13.99%)，较富的TiO2(1.61%～2.26%)、FeO(12.42%～16.14%)、MnO(0.11%～0.32%)以及CaO(5.37%～13.34%)。另外2类辉绿岩样品的K2O含量较低，平均为1.57%；Na2O含量较高，平均为3.65%。MgO/(Mg+FeO)的比值为0.21～0.31，而一般大陆溢流玄武岩的MgO/(Mg+FeO)值小于0.7(Wilson M，1989)，AFM图解也显示出岩石属于拉斑系列(图3)。

图3 白家沟辉绿岩AFM图解Fig.3 AFM diagram of Baijiagou diabase

3.2 辉绿岩微量元素特征

白家沟辉绿岩的稀土元素球粒陨石化配分曲线显示，2类辉绿岩都富集轻稀土，低钛型呈明显右倾型，重稀土平坦；高钛型与富集地幔特征类似，但是重稀土略微亏损。δEu为0.76～1.10，低钛型表现为Eu负异常，高钛型呈轻微Eu负异常或无异常。稀土总量分别为210×10-6～230.9×10-6和66.4×10-6～96.5×10-6，前者稀土总量明显大于后者。稀土配分曲线与大陆裂谷玄武岩和地幔柱玄武岩相似。

依据不相容元素活动性和非活动性排列的微量元素比值的蛛网图解，白家沟辉绿岩相对于MORB富集K、Rb、Ba、Th、Ce等活动性元素，与典型张性背景下的大陆溢流玄武岩不相容元素性质相类似[18]。另外相对于高钛型辉绿岩，低钛型显示了明显的Ta、Nb和Ti的负异常，可能有地壳物质的加入，表明受地壳混染作用的影响[19]。

按元素不相容性减小排列的微量元素比值的蛛网图解，低钛型辉绿岩相对球粒陨石出现明显Sr低谷，可能为低压斜长石分离结晶作用的产物[20]，显示其形成于伸展扩张的构造环境，微量元素分布模式类似于东非裂谷西部的大陆溢流玄武岩，反映了其构造背景的相似性[18]；高钛型辉绿岩Sr的亏损不太明显，反应其相对于低钛型具有更深的源区。

白家沟辉绿岩的Th/Nb分别为0.29～0.28和0.08～0.10，Th/Ta分别为5.83～5.58和1.33～1.65，与陆内裂谷和地幔柱玄武岩特征相似[21-22]。

4 讨论

4.1 白家沟辉绿岩形成时代分析

前人根据岩浆岩与“围岩”的接触关系将白家沟辉绿岩的形成时代确定为白垩纪晚期到古近纪早期[16]；通过野外观察发现，白家沟辉绿岩以“基底”形式与上奥陶统背锅山组砾屑灰岩呈沉积不整合关系接触；局部为断层接触。上奥陶统背锅山组砾屑灰岩机械破碎明显，但未发生大理岩化变质作用，也说明岩体形成时代早于上奥陶系。后期六盘山断裂带活动，大型逆冲断层使“基底”岩体局部抬升出露地表，经流水作用改造，与上覆沉积岩呈现疑似岩脉与围岩的关系。

另外研究区向北，依次出露陇县保家山铁马河钾长花岗斑岩(1 814±12 Ma)[23]和宁夏泾源石咀子钾长花岗岩(1 778±14 Ma，1 803 ± 15 Ma)[24-25]。以上岩体与白家沟辉绿岩及花岗斑岩出露区相据不远，呈线性沿六盘山断裂分布，在误差范围之内，可认为是同一期岩浆事件的产物。因此，白家沟辉绿岩和与其相伴产生的钾长花岗斑岩都是古元古代构造热事件的产物，并非形成于中新生代。

4.2 物质来源分析

一般认为大陆背景下的玄武岩浆成分取决于地幔温度、岩石圈厚度、部分融入程度、源区成分以及在上升过程中的地壳混染和结晶分异作用等，上述因素在特定的区域和时间对玄武岩浆的最终形成所起的作用是不同的，同一地区，同时代的辉绿岩地球化学特征表现出复杂性和差异，说明它们在形成过程中受到不同因素的作用和影响。

白家沟辉绿岩根据地球化学特征可分为2种类型，第1类辉绿岩相对更富SiO2(48.81%～54.01%)，富P和Al，贫Ti、Fe、Mn以及Ca；具有更高的稀土总量，明显的Eu负异常，轻稀土富集，重稀土平坦，富集K、Rb、Ba等大离子亲石元素，亏损Ta、Nb和Ti等。第2类辉绿岩相对贫SiO2(45.91%～51.19%)，低P、Al，高Ti、Fe等；富集轻稀土，重稀土轻微亏损，不显Eu异常，稀土配分曲线明显区别于MORB，而与OIB相似。与OIB型岩石最大的区别在于富集K、Rb、Ba等大离子亲石元素，具有一定的陆源特征，与峨眉山大火成岩省高钛玄武岩的地化性质类似[26]。按照峨眉山玄武岩的划分方式，将其分为低钛(LT)和高钛型(HT)。

低钛型辉绿岩的地球化学特征显示明显的地壳混染性质，可能是由于早期地幔物质上升过程中提供热源，使富集的岩石圈地幔及下地壳发生部分熔融，使一些大离子亲石元素富集，而高场强元素就出现相对的亏损；由于地壳物质的加入，Al和P的含量相对于原始岩浆也相对偏高。高钛型辉绿岩地壳混染作用已不明显，可能因为早期低钛型形成时消耗了大量的地壳富集组分，后期成分主要由地幔柱物质提供，显示出类似于OIB的地球化学特征，但又相对富集K、Rb、Ba等大离子亲石元素，表现出一定的地壳特征。因此，高钛型辉绿岩的母岩浆可能为富集型地幔低程度部分熔融产生的(图4)，在上升地表过程中，发生轻微地壳混染。

图4 白家沟辉绿岩Th/Yb对Ta/Yb相关图Fig.4 Th/Yb to Ta/Yb correlation diagram of Baijiagou diabase

4.3 岩体成因及环境

白家沟高钛型和低钛型辉绿岩不同的地球化学特征反映其可能经历了不同的岩浆分异过程。白家沟辉绿岩分离结晶作用如图5所示。由图5可以发现，低钛型辉绿岩的Mg和Al2O3均与Sr呈现明显的正相关性，说明随着岩浆的结晶分异，Sr出现了明显的消耗，进而说明低钛型辉绿岩岩浆演化过程中存在斜长石分离结晶。据稀土配分模式及微量元素分布蛛网图显示，低钛型辉绿岩出现明显的Eu和Sr负异常，表明其源区可能存在斜长石残留相。另外，重稀土相对平坦，不显示异常，表明其来自于一有斜长石残留相而无石榴石残留相的熔融源区。高钛型辉绿岩为平衡部分熔融的产物，岩浆演化过程中未发生分离结晶作用，Sr的含量不随着岩浆演化而改变，说明无斜长石的分离结晶是因为白家沟高钛型辉绿岩的形成压力至少大于1.2 GPa，对应的岩浆深度>40 km。

图5 白家沟辉绿岩分离结晶作用Fig.5 Fractional crystallization of the Baijiagou diabase

岩相学和地球化学数据表明，与白家沟辉绿岩相伴产出的钾长花岗岩为A型花岗岩，研究表明，A型花岗岩往往要满足低压、相对贫水和高温的物理化学条件。一般要求压力<0.8 GPa、温度>800 ℃，才能满足形成A型花岗岩的条件。锆石饱和温度可近似代表花岗质岩石近液相线的温度，依据岩石全岩化学组分计算获得的锆饱和温度，将花岗岩分为热和冷花岗岩。温度高于800 ℃为热花岗岩，常由于缺少残留继承锆石而锆不饱和；温度低于800 ℃的冷花岗岩，由于温度较低，常出现残留继承锆石处于锆饱和状态。依据锆饱和温度计算公式：

TZr=129 000[2.95 + 0.85M+ln(496 000/Zr熔体)]-273.15

计算获得的白家沟钾长花岗岩的形成平均温度为886 ℃，同时该岩体中未发现任何继承锆石或捕获锆石，而锆不饱和岩浆的结晶温度往往代表岩浆结晶最低温度，因此白家沟钾长花岗岩的形成温度应大于880 ℃。依据地温梯度计算，0.8 GPa的压力下，正常情况该区地温不会超过700 ℃，但如果有地幔热流的加入，地壳30 km深度处的地温可达到900 ℃。所以钾长花岗斑岩形成过程中必定存在热异常，而异常热可能由地幔物质上涌提供。

以上特征指示，白家沟的岩石组合与大陆裂谷环境的岩石组合类似，且裂谷可能为主动型裂谷，由深部地幔上涌或地幔柱引起。另外，在玄武岩类大地构造环境的Th/Hf-Ta/Hf判别图和2Nb-Zr/4-Y构造环境判别图很好地支持这一推测(图6)。地幔柱的上升引起区域性的地壳隆升、拉伸、减薄。同时，地幔柱上升带来的高热流使下地壳发生部分融入，下地壳的熔融产物以A型花岗岩岩浆为主；而早期的地幔柱物质会在上升过程中受到地壳混染，形成低钛型辉绿岩岩浆。低钛型辉绿岩和A型花岗岩应该为相伴产出的，并无先后顺序。后期，壳源成分消耗殆尽，岩浆作用直接由地幔柱提供物质，形成高钛型辉绿岩。随着岩浆作用的进行，地壳、岩石圈进一步撕裂，形成裂谷。

图6 玄武岩类大地构造环境的Th/Hf-Ta /Hf、2Nb-Zr/4-Y判别Fig.6 Th /Hf-Ta /Hf、2Nb-Zr/4-Y discrimination of basalt like tectonic environment

4.4 区域大地构造分析

对于华北克拉通在古元古代晚期的伸展事件前人已做了大量的论述，目前对于1.8 Ga以来的裂解事件达成基本共识。华北克拉通内部的一系列岩浆岩组合(华北克拉通北缘的斜长环斑花岗岩、京晋冀辽地区古元古代晚期花岗岩组合、华北克拉通南缘偏碱性的熊耳群火山岩系以及碱性花岗岩组合等)，也都表明古元古代晚期整个华北克拉通处于区域性的伸展环境。伸展作用的结果在华北克拉通内部发育一系列坳拉槽，以南缘的熊耳坳拉槽和中部—北部的太行—燕辽坳拉槽研究比较成熟，对于西缘的贺兰坳拉槽研究比较少。对古古代晚期裂解事件的动力背景目前仍然存在争议，翟明国等[27]认为这次裂解事件可能与地幔柱活动有关，主要表现为：①地幔大规模上涌，下部地壳整体抬升至地表，伴随有强烈的混合岩化和网格状韧性变形，面状分布的麻粒岩相—角闪岩相；②在华北多处出露的高压麻粒岩岩墙的中压麻粒岩相和角闪岩相退变质作用，时代为1 820～1 800 Ma和1 790～1 760 Ma，P-T-t轨迹为等温降压和降温降压型；③基底抬升被裂谷事件紧随，熊耳—安沟—中条裂谷和燕山裂谷可能属同一体系；④古老地幔从2000Ma的亏损在1 900～1 760 Ma快速变为富集。由此推测18亿年事件的实质是在地幔规模性上隆引导下，基底整体抬升，而后紧随陆内裂陷槽发育，在时代与成因上与哥伦比亚超级大陆的裂解事件相关联。这一观点也被其他学者提出，他们认为，熊耳群火山岩与镁铁质岩墙和1.75～1.68 Ga 的斜长岩—纹长二长岩—碱性花岗岩—环斑花岗岩系列一起，代表了地幔柱或哥伦比亚超大陆的裂解[1]。

识别地幔柱的环境依据主要体现为大规模火山岩在短期内喷发所造成的各种效应和地幔柱长期作用对于构造环境的巨大变化，包括：①区域性的地壳隆升及随后的大陆裂解事件；②新生命的爆发；③大面积甚至是全球性的古气候突然变化。但一般来说，250 Ma以来形成的地幔柱地质体保存较好，250 Ma之前尤其是元古代以前的地幔柱产物很可能已经受到明显的后期改造，在识别时难度很大。因此，需要借助于岩石学物质成分方面的研究，与地幔柱有关的火成岩表现为富含下地幔甚至地核来源的物质成分，高Ti、高Nb是与现代地幔柱有关的岩浆岩的常见特征。本文研究区位于华北板块西南缘，处于贺兰坳拉槽向南与秦岭—熊耳海槽连接部位。对于研究区2类辉绿岩及钾长花岗岩的研究表明，该套岩石组合类似于裂谷环境的“双峰式”组合；辉绿岩分为高钛型和低钛型，钾长花岗岩为与裂解作用有关的A型花岗岩。二者的形成时代都约为1.8 Ga，说明这一时期华北板块西缘同样处于拉张的陆内裂谷环境。结合对2类辉绿岩的岩石学研究，以及前人对华北克拉通古元古代末至中元古代初构造事件的认识，本文作者推测研究区裂谷作用的形成可能与地幔柱活动有关，其在时代和成因上与1.8 Ga华北克拉通、哥伦比亚超级大陆的裂解相关联。