北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)堿性粗面巖地球化學(xué)特征:與輝綠巖的成因聯(lián)系

楊 航, 賴紹聰, 秦江鋒

北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)堿性粗面巖地球化學(xué)特征:與輝綠巖的成因聯(lián)系

楊 航, 賴紹聰*, 秦江鋒

(大陸動力學(xué)國家重點實驗室, 西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系, 陜西 西安 710069)

南秦嶺北大巴山地區(qū)發(fā)育大量早古生代堿性粗面?正長巖和堿性玄武?輝綠巖組合, 構(gòu)成了一套雙峰式火山巖。前人的研究主要集中在這套巖石的鎂鐵質(zhì)端元上, 目前關(guān)于長英質(zhì)端元的成因機制及構(gòu)造環(huán)境仍存在爭議。本次研究對北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)早古生代粗面巖進行了主微量元素分析, 結(jié)果顯示樣品高硅(SiO2>58.7%)、富堿(K2O>3.84%, Na2O>4.18%), 低鎂(MgO=0.06%~1.45%)和鈦(TiO2=0.80%~1.08%), 表明粗面巖經(jīng)歷了較高程度的演化。樣品富集輕稀土元素(LREE)和大離子親石元素(LILE), 具有輕微Eu負異常到正異常的變化(δEu=0.76~1.77), Sr強烈虧損, 指示了長石的分離結(jié)晶作用。地球化學(xué)特征和MELTS軟件模擬結(jié)果顯示粗面巖并非地殼物質(zhì)的部分熔融成因, 而是來自地幔巖漿的分離結(jié)晶作用。綜合區(qū)域上年代學(xué)、同位素地球化學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)資料, 粗面巖與同區(qū)輝綠巖在時空分布、同位素組成方面具有一致性, 在元素變化與礦物組合方面具有連續(xù)性。因此本文認為北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)早古生代粗面巖和輝綠巖都來源于上地幔初始玄武質(zhì)巖漿的分異, 是大陸裂谷背景下同源巖漿經(jīng)歷不同程度演化的結(jié)果。軟流圈中廣泛存在的熱對流事件可能是導(dǎo)致板塊裂解的重要原因。

北大巴山; 堿性巖; 粗面巖; 分離結(jié)晶; 地球化學(xué)

0 引 言

堿性巖是地殼中分布較為稀少且產(chǎn)出環(huán)境獨特的一類巖石, 在化學(xué)成分上通常硅酸不飽和(少數(shù)輕微硅酸過飽和), 富堿質(zhì)(K2O+Na2O)和不相容元素, 具有獨特的礦物組合和同位素組成。研究表明堿性巖通常形成于拉張背景, 物質(zhì)來源于較深部的上地幔(Tschegg et al., 2011; Hagen and Cottle, 2016), 因此能夠提供地球深部的物質(zhì)組成、演化、地球動力學(xué)、構(gòu)造和物理化學(xué)環(huán)境等重要信息(Simonetti et al., 1998; Dunworth and Bell, 2001; Zheng et al., 2001), 為探索地球更深部環(huán)境提供了有效途徑。

北大巴山地區(qū)位于南秦嶺造山帶與四川盆地的過渡地區(qū)。在北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)分布有大量早古生代堿性巖漿作用形成的巖脈(墻)群, 張成立等(2002, 2007)認為其是勉略洋擴張初期地幔在伸展?fàn)顟B(tài)下發(fā)生部分熔融的重要產(chǎn)物。堿性侵入巖的成分從堿性輝綠巖到正長巖變化, 并有少量火山巖(堿性玄武巖和粗面巖)。深入研究這些堿性巖漿巖, 是揭開勉略洋初始擴張過程及其深部動力學(xué)機制的關(guān)鍵。然而先前的工作主要集中在該套雙峰式火山巖的鎂鐵質(zhì)端元上, 關(guān)于粗面?正長巖類的成因機制缺乏深入研究且存在爭議。一些學(xué)者提出北大巴山地區(qū)粗面巖來源于初始玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶作用, 與區(qū)域上鎂鐵質(zhì)端元巖石可能具有潛在的成因聯(lián)系(滕人林和李育敬, 1990; 李夫杰, 2009; Wang et al., 2017); 也有學(xué)者認為粗面巖的同位素組成和礦物特征指示了較淺的巖漿源區(qū), 是俯沖導(dǎo)致的增厚下地殼部分熔融的產(chǎn)物(王剛, 2014)。前人對該套雙峰式火山巖形成的構(gòu)造環(huán)境也存在諸多分歧: 張成立等(2002)提出早古生代北大巴山地區(qū)的地幔柱活動是導(dǎo)致勉略洋擴張的主要原因; 鄒先武等(2011)認為北大巴山地區(qū)處于拉張狀態(tài)下的大陸裂谷環(huán)境; 王坤明(2014)則認為區(qū)域上早古生代為與俯沖活動相關(guān)弧后盆地環(huán)境。

為了解決以上分歧, 本文在前人研究的基礎(chǔ)上, 通過對紫陽?嵐皋地區(qū)的粗面巖進行主、微量元素地球化學(xué)分析, 結(jié)合區(qū)域上相關(guān)輝綠巖資料與MELTS模擬結(jié)果, 探討粗面巖的巖漿成因、形成的構(gòu)造環(huán)境以及與區(qū)域上輝綠巖的成因聯(lián)系, 為北大巴山地區(qū)早古生代大陸的裂解以及勉略洋盆的擴張機制提供新思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及巖相學(xué)特征

秦嶺造山帶為華北板塊與揚子板塊匯聚碰撞形成的復(fù)合型造山帶(圖1a), 西與昆侖造山帶相連, 東與大別?蘇魯三疊紀(jì)超高壓變質(zhì)帶相連, 構(gòu)成了我國中央造山帶(張國偉等, 1996; 易鵬飛等, 2017)。秦嶺造山帶沿商丹斷裂帶可分為北秦嶺和南秦嶺造山帶。其中北秦嶺造山帶廣泛發(fā)育古生代島弧型巖漿作用和變質(zhì)作用(Sun et al., 2002; 路鳳香, 2006), 而南秦嶺造山帶是華北板塊與揚子板塊會聚、增生、碰撞過程的主要場所(王宗起等, 2009), 以發(fā)育大范圍三疊紀(jì)花崗質(zhì)巖體為特征(Mattauer et al., 1985; Dong et al., 2011)。

作為南秦嶺構(gòu)造帶的重要組成部分, 北大巴山以城口?房縣斷裂為南界, 以安康斷裂為北界, 東西兩側(cè)分別為武當(dāng)山隆起和漢南雜巖體。區(qū)域內(nèi)出露的地層主要為寒武系?奧陶系黑色硅質(zhì)巖、碳質(zhì)灰?guī)r、碳質(zhì)泥巖和薄層灰?guī)r組合(王剛, 2014)。北大巴山地區(qū)堿性火山作用十分發(fā)育, 除局部出露少量與正長巖伴生的火成碳酸巖外(Xu et al., 2015), 粗面巖類、堿性玄武巖類及相關(guān)火山碎屑巖巖石組合最為發(fā)育(郭現(xiàn)輕等, 2017)。北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)堿性巖脈(墻)群大多呈北西向展布(圖1b), 與區(qū)域造構(gòu)線方向一致, 向東可延伸至鄂西北的竹溪等地。已有研究表明, 這些巖石主要以巖脈(墻)群及小規(guī)模巖床形式產(chǎn)出, 巖石組成比較復(fù)雜, 主要有兩套巖石組合類型: ①輝綠巖?堿性輝綠巖組合。巖石類型包括橄欖輝綠巖、二長輝綠巖、石英輝綠巖、輝長輝綠巖、堿性輝綠巖、堿性輝長輝綠巖等, 侵入到早古生代地層中。在一些輝綠質(zhì)基性巖脈中發(fā)現(xiàn)有地幔交代作用成因的金云角閃輝石巖捕虜體, 軟流圈地幔熱流的上升可能是導(dǎo)致區(qū)域熱異常以及形成這種獨特捕擄體的主要因素(徐學(xué)義等, 1997)。 ②正長巖?粗面巖組合。主要巖石類型有正長巖、堿性正長巖、榍石粗面巖、黑云粗面巖、石英粗面巖、鈉閃粗面巖、鈉閃黑云粗面巖等, 偶見粗面質(zhì)火山碎屑巖類, 主要產(chǎn)出于奧陶紀(jì)?志留紀(jì)地層中(王云斌, 2007; 李夫杰, 2009; 張欣, 2010)。

圖1 秦嶺造山帶(a, 據(jù)向忠金等, 2016修改)和北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)地質(zhì)簡圖(b, 據(jù)1∶20000紫陽幅地質(zhì)圖簡化)

北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)粗面巖的手標(biāo)本呈灰色?灰黑色斑狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。顯微鏡下可以看到基質(zhì)中的鉀長石微晶呈大致平行排列并繞過鉀長石斑晶, 具典型的粗面結(jié)構(gòu)(圖2)。斑晶主要為自形程度高的鉀長石(80%)和斜長石(10%), 還有少量的黑云母(5%)、磷灰石(3%)以及黃鐵礦(2%)。鉀長石自形程度較好, 呈板條狀和長柱狀, 發(fā)育卡式雙晶, 粒徑較大(長度可達1 cm)。斜長石粒徑較小, 發(fā)育聚片雙晶。磷灰石具有比長石更高的突起, 自形柱狀, 具有一組不完全的解理?；|(zhì)主要由半自形?它形的鉀長石、黑云母以及不透明礦物組成。

2 實驗方法

樣品的主微量元素分析均在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室完成。在元素地球化學(xué)測試之前, 對野外采集的新鮮樣品進行詳細的巖相學(xué)觀察, 選擇沒有脈體貫入的樣品進行主、微量元素分析。首先將巖石樣品洗凈、烘干, 用小型顎式破碎機破碎至粒度為5.0 mm左右, 然后用瑪瑙研缽?fù)斜P在振動式碎樣機中碎至200目以下。主量元素采用XRF法完成, 分析精度一般優(yōu)于5%。微量元素測試用VG Plasma-Quad Excell ICP-MS完成, 對美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)國際標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)BHVO-1(玄武巖)、BCR-2(玄武巖)和AGV-1(安山巖)的同步分析結(jié)果表明, 微量元素分析的精度一般優(yōu)于10%, 詳細的分析流程見劉曄等(2007)。

(a) 鉀長石卡式雙晶(正交偏光); (b) 磷灰石(單偏光); (c) 黃鐵礦(反射光); (d) 粗面結(jié)構(gòu)(正交偏光); (e) 黑云母, 黃鐵礦(單偏光); (f) 斜長石聚片雙晶(正交偏光)。礦物代號: Kfs. 鉀長石; Ap. 磷灰石; Py. 黃鐵礦; Bt. 黑云母; Pl. 斜長石。

3 地球化學(xué)特征

北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)粗面巖的主微量元素含量見表1。樣品具有高SiO2(58.76%~66.75%), Na2O(4.06%~7.77%)和K2O(5.03%~9.08%)含量, 低MgO(0.06%~1.45%)、TiO2(0.80%~1.08%)和CaO (0.07%~3.51%)含量, 指示其經(jīng)歷了較高程度的演化,里特曼指數(shù)δ在5.09~8.66之間, 屬堿性巖系列。在火山巖TAS圖解中(圖3), 樣品落入堿性粗面巖系列。在主量元素哈克圖解中(圖4), 隨著SiO2含量的升高, 從輝綠巖到粗面巖的MgO、Fe2O3T、CaO和TiO2含量具有相似的線性降低趨勢, Al2O3、Na2O、K2O隨著SiO2含量的升高呈近似線性升高趨勢, 暗示著分離結(jié)晶作用可能在巖漿演化中起主導(dǎo)作用。從輝綠巖端元到粗面巖端元可能經(jīng)歷了橄欖石、單斜輝石、Fe-Ti氧化物、磷灰石的分離結(jié)晶。

表1 紫陽?嵐皋粗面巖主量元素(%)和微量元素(×10–6)分析結(jié)果

續(xù)表1:

注: *為重復(fù)樣品。

圖3 紫陽?嵐皋粗面巖TAS圖解

粗面巖樣品的稀土元素含量高且變化范圍大(∑REE=209.06×10–6~856.48×10–6), 明顯富集輕稀土元素(圖5a), 具有高的(La/Yb)N值。王家坪(WJP)巖體和大道河(DDH)巖體的樣品具有明顯的Eu正異常(δEu=1.44~1.77), 指示源區(qū)可能存在斜長石的堆晶。其余樣品顯示出Eu負異常到弱正異常的變化(δEu=0.76~1.09), 結(jié)合樣品鏡下觀察的特征(存在少量斜長石), 說明斜長石在巖漿演化過程中經(jīng)歷了一定程度的分離結(jié)晶作用。

在微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5b), 粗面巖與輝綠巖表現(xiàn)出相似的分布特征, 而Zr和Hf含量存在較大差異。粗面巖樣品與輝綠巖都具有異常明顯的Ba正異常, 反映了巖漿源區(qū)可能經(jīng)歷了某種富集Ba的流體交代作用(張成立等, 2007), 粗面巖樣品中Pb的變化范圍也很大, 同樣指示了流體作用的參與。樣品中Sr表現(xiàn)出明顯的虧損, 因為Sr在鉀長石中表現(xiàn)為相容性(White et al., 2003), 推測鉀長石的分離結(jié)晶可能是導(dǎo)致樣品Sr虧損的主要原因。粗面巖樣品中普遍存在的鉀長石斑晶(圖2)也證實了這一推論。

4 討論

4.1 巖漿成因

地幔橄欖巖直接部分熔融難以產(chǎn)生SiO2含量大于55%的巖漿(Baker et al., 1995), 目前關(guān)于粗面巖的成因主要有以下幾種認識: ①基性端元的幔源鎂鐵質(zhì)巖漿分離結(jié)晶(Skridlaite et al., 2003; Peccerillo et al., 2007; Lucassen et al., 2013)。這種情況下基性端元與中酸性端元火山巖來自于相同的母巖漿并顯示出相似的微量元素和同位素特征; ②高壓環(huán)境下增厚下地殼部分熔融作用產(chǎn)生(Trua et al., 1999; Su et al., 2007; 孟凡超等, 2013); ③幔源鎂鐵質(zhì)巖漿與殼源花崗質(zhì)巖漿混合產(chǎn)生(Zhao, 1995; Mingram et al., 2000; Avanzinelli et al., 2004; Chen et al., 2012)。

圖4 紫陽?嵐皋粗面巖主量元素哈克圖解及MELTS模擬結(jié)果(輝綠巖數(shù)據(jù)引用自陳虹等, 2014; 王坤明, 2014)

球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDoungh, 1989; 原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)McDonough and Sun, 1995。

普通的地殼巖石經(jīng)過部分熔融作用難以形成粗面質(zhì)巖漿(Montel and Vielzeuf, 1997; Litvinovsky et al., 2000), 但實驗巖石學(xué)證據(jù)表明下地殼在高壓(>1.5 GPa)條件下部分熔融可以產(chǎn)生粗面質(zhì)巖漿(孟凡超等, 2013), 要求構(gòu)造環(huán)境為增厚的下地殼(Wylllie, 1977)。前人研究得出紫陽?嵐皋地區(qū)粗面巖年齡集中在410~430 Ma(王剛, 2014), 屬于早古生代。區(qū)域內(nèi)同時代構(gòu)造活動資料顯示北大巴山地區(qū)堿性巖體為勉略洋擴張初期的產(chǎn)物(張成立等, 2007), 當(dāng)時研究區(qū)整體處于伸展?fàn)顟B(tài), 壓力較低, 缺乏增厚下地殼及其熔融產(chǎn)物的記錄。北秦嶺地區(qū)一些具有高Sr/Y值的埃達克質(zhì)花崗巖, 被認為產(chǎn)生于增厚下地殼背景(張宏飛等, 2007)。然而北大巴山地區(qū)粗面巖在主微量元素和同位素組成上與其表現(xiàn)出較大的差異, 指示二者在成因上無明顯相似性。此外, 研究區(qū)粗面巖的微量元素分布也不符合殼源巖漿的特征。粗面巖的Nb/U除了WJP-1-2樣品小于20之外, 其余均分布在37.1~48.8之間, 平均為44.2, 該值與原始地幔(34)以及洋島玄武巖(46)的Nb/U比值較為接近, 遠遠高于大陸地殼值(9.7; Sun and McDonough, 1989; Rudnick and Fountain, 1995)。Ce/Pb值也可以作為區(qū)分地殼與地幔物質(zhì)的標(biāo)志, 地幔具有高的Ce/Pb值, 而地殼的Ce/Pb值通常<5(Wedepohl, 1995), 紫陽?嵐皋粗面巖具有極高的Ce/Pb值(平均56.2)。這些特征均說明粗面巖漿幾乎沒有地殼組分的加入, 并非起源于地殼或是殼幔巖漿混合。

綜上, 紫陽?嵐皋粗面巖更可能是由基性玄武質(zhì)巖漿經(jīng)歷分離結(jié)晶而形成。前人研究顯示玄武質(zhì)巖漿需經(jīng)歷55%分離結(jié)晶作用才能產(chǎn)生粗面玄武質(zhì)巖漿, 而從粗面玄武質(zhì)巖漿到粗面質(zhì)巖漿只需經(jīng)歷15%的分離結(jié)晶作用(Clague, 1978), 因此分離結(jié)晶作用可能是區(qū)域堿性巖系列中Daly gap產(chǎn)生的原因。利用巖石的微量元素特征也可以進行成巖過程識別: 相容性接近的兩個不相容元素在部分熔融作用和分離結(jié)晶作用過程的變化特征不同, 因此可以用來區(qū)分部分熔融和分離結(jié)晶過程(孟凡超等, 2013)。以Nb和Zr為例, 結(jié)果顯示隨著Nb元素含量的增加, Nb/Zr值變化不大(圖6), 符合分離結(jié)晶作用的趨勢。此外, 不相容性較強的元素在巖漿演化中表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的行為, 因此一些不相容元素的比值(Nb/Ta、Th/Ta、Th/U)可以用來代表源區(qū)巖漿的性質(zhì)。粗面巖的Nb/Ta、Th/Ta、Th/U值分別為15.58、1.27、3.37, 與區(qū)域上輝綠巖(14.89、1.22、4.11; 陳虹等, 2014)相近, 暗示二者很有可能具有相同的源區(qū), 進一步指示粗面巖來源于幔源玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶過程。

利用MELTS軟件可模擬一定條件下的分離結(jié)晶過程(Ghiorso and Sack, 1995)。本次研究選擇區(qū)域上經(jīng)歷演化程度低的輝綠巖樣品11GTN3(SiO2=41.9%, MgO=11.2%; 王坤明, 2014)代表初始巖漿成分。根據(jù)鋯石飽和溫度將分離結(jié)晶溫度設(shè)置在950~1200 ℃之間, 含水量和壓力分別為0.5%和100 MPa。將MELTS主量元素模擬結(jié)果表示在哈克圖解(圖4)中, 除P2O5和Na2O外, 其他主量元素變化均顯示出較高的吻合度。綜上, 我們認為北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)粗面巖來源于初始玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶作用。

圖6 紫陽?嵐皋地區(qū)粗面巖Nb/Zr-Nb圖解

4.2 與同區(qū)輝綠巖的成因聯(lián)系

粗面巖與輝綠巖可由同源巖漿演化形成, 也可以來源于兩種獨立起源的巖漿(賀振宇等, 2007)。本文認為北大巴山輝綠巖和粗面巖在成因上關(guān)系緊密, 很可能具有相同的源區(qū), 原因如下: ①輝綠巖與粗面巖在空間分布和時間上具有一致性: 研究區(qū)內(nèi)普遍出露兩種巖石, 巖體都呈現(xiàn)狹長的帶狀、北西走向, 具有伴生關(guān)系; 前人研究得到的輝綠巖年齡多在399~470 Ma, 峰值在430 Ma左右(黃月華等, 1992;夏林圻等, 1994; 王存智等, 2009; 向忠金等, 2016), 粗面巖年齡主要分布在410~440 Ma(王剛, 2014; 萬俊等, 2016), 二者基本屬于同一時期的巖漿產(chǎn)物, 代表北大巴山地區(qū)早古生代一次大規(guī)模的巖漿活動。②原始巖漿演化早期的產(chǎn)物通常多于演化晚期的產(chǎn)物, 研究區(qū)內(nèi)玄武?輝綠巖類出露范圍相比于演化程度較高的粗面?正長巖類更廣泛。③黃月華等(1992)指出輝綠巖和粗面巖具有相近的初始87Sr/86Sr比值(分別為0.705995和0.705096); 郭現(xiàn)輕等(2017)對區(qū)域上堿性玄武質(zhì)巖石和粗面巖類進行了全巖 Sm-Nd 同位素分析, 結(jié)果顯示玄武巖類和粗面巖類的Nd()值分別為+2.55~+3.32和+1.60~+3.07, 相似的同位素組成指示二者可能來自相同的源區(qū), 且主要來自HIMU地幔源區(qū)。④輝綠巖和粗面巖同屬于堿性巖系列。哈克圖解中輝綠巖和粗面巖的主量元素變化具有連續(xù)性, 與MELTS模擬結(jié)果契合。二者的稀土元素配分模式圖和微量元素蛛網(wǎng)圖均具有相似的特征, 相近的Nb/Ta、Th/Ta、Th/U值指示二者可能是同源巖漿的產(chǎn)物。⑤主量元素以及Sc、V、Cr、Ni、Sr和Eu等元素在兩類巖石中的含量差異指示在巖漿演化過程中發(fā)生了礦物分離結(jié)晶, 指示二者在演化過程上的連續(xù)性。

夏祖春和夏林圻(1992)使用輝石壓力計進行礦物溫壓計算, 得出輝石斑晶主要形成于3個深度, 暗示初始巖漿形成于77 km以下或40~77 km之間, 并在27~33 km和6~20 km的位置停留過; 徐學(xué)義等(1997)通過對輝石巖中捕擄體的研究得出原始巖漿起源于90 km深處。基于區(qū)域資料和前文討論, 我們認為北大巴山地區(qū)初始玄武質(zhì)巖漿具有較深的源區(qū), 且?guī)r漿上升過程中在次一級巖漿房中有過停留和儲積。不同深度、構(gòu)造環(huán)境的巖漿房中的巖漿具有不同的演化環(huán)境(溫度、壓力、活動性等), 可形成種類多樣的巖石組合。因此粗面巖與輝綠巖可能是同源巖漿經(jīng)歷不同程度演化的產(chǎn)物, 相比于輝綠巖, 高硅低鎂的粗面巖經(jīng)歷了更高程度的演化。

4.3 構(gòu)造環(huán)境及動力機制

北大巴山地區(qū)的堿性火山巖組合(基性的玄武巖類與中酸性的粗面巖類)構(gòu)成了一套雙峰式火山巖組合, 代表了古生代揚子板塊北緣的裂解事件(張成立, 2002)。區(qū)域上堿性巖中單斜輝石和全巖微量成分分析結(jié)果(向忠金等, 2010)以及構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖7)顯示北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)早古生代為巖石圈拉張減薄的板內(nèi)環(huán)境。研究區(qū)沉積巖以灰黑?黑色薄層狀板巖、碳質(zhì)板巖及砂質(zhì)板巖為主(王剛, 2014), 缺乏與俯沖作用相關(guān)的沉積序列, 因此弧后盆地模式不能很好地解釋研究區(qū)早古生代的構(gòu)造環(huán)境。區(qū)域上早古生代化石資料暗示為深海還原環(huán)境(倪世釗和楊德驪, 1994), 指示了裂谷環(huán)境。張成立等(2002)認為區(qū)域內(nèi)的堿性玄武巖與我國西南三省由地幔柱頭部熔融形成的峨眉山高Ti玄武巖性質(zhì)相似, 推測北大巴山地區(qū)也存在地幔柱活動; 晏云翔(2005)、李夫杰和楊駿(2011)也認為這套巖石代表早古生代晚期揚子地塊北緣的地幔柱巖漿活動, 地幔柱導(dǎo)致地殼伸展, 并對勉略洋的擴張具有重要意義。然而區(qū)域上鎂鐵質(zhì)巖多呈北西向、狹長帶狀侵位于地層中, 缺乏大面積中心式噴發(fā)的玄武巖記錄(Wang et al., 2017), 不符合地幔柱模式的噴發(fā)特征。在成分上, 區(qū)域上玄武質(zhì)巖石多為堿性巖系列, 缺乏地幔柱頭部特征的拉斑玄武質(zhì)組分(王剛, 2014), 因此地幔柱活動并非研究區(qū)早古生代裂谷形成的主要機制。

本文認為軟流圈中普遍存在的熱對流事件可能是板塊裂解的重要原因。Turner et al. (1992)曾提出在熱量平衡的驅(qū)動下, 地幔巖石圈之下將會產(chǎn)生對流下涌導(dǎo)致巖石圈減薄; 喬彥超等(2013)通過數(shù)值模擬方法證實了在底部溫度擾動升高后, 地幔小尺度熱對流加劇能夠使巖石圈發(fā)生大規(guī)模減薄。北大巴山裂谷的成因機制如圖8所示: 軟流圈物質(zhì)熱量增加導(dǎo)致密度減小, 進而上涌產(chǎn)生向上的熱流。熱流上升過程中溫度逐漸降低, 隨著密度的增加又沉降到下方的地幔中形成熱對流。對流使上方的巖石圈受到單方向或是相反方向的橫向牽引力, 可能是導(dǎo)致巖石圈減薄、產(chǎn)生裂谷的原因。當(dāng)巖石圈減薄大陸開始裂解, 在應(yīng)力釋放的作用下, 巖石圈地幔中減壓熔融產(chǎn)生玄武質(zhì)巖漿并向上侵位并經(jīng)歷了不同程度的分離結(jié)晶作用, 最終形成區(qū)域內(nèi)這套早古生代堿性粗面?輝綠巖組合。

WPG. 板內(nèi)花崗巖; ORG. 洋脊花崗巖; VAG. 火山弧花崗巖; syn-COLG. 同碰撞花崗巖。

圖8 北大巴山裂谷成因機制簡圖

5 結(jié) 論

(1) 北大巴山紫陽?嵐皋地區(qū)早古生代粗面巖高硅(SiO2>58.7%)、富堿(K2O>3.84%、Na2O>4.18%), 低鎂(0.06%~1.45%)、鈦(0.80%~1.08%), 富集LREE和LILE, 巖石經(jīng)歷了較高程度的演化。

(2) 地球化學(xué)特征和MELTS模擬結(jié)果指示了粗面巖并非來自下地殼的部分熔融, 而是來自地幔巖漿的分離結(jié)晶過程。

(3) 綜合區(qū)域上年代學(xué)、同位素地球化學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)背景, 本文認為紫陽?嵐皋地區(qū)早古生代粗面巖與輝綠巖都來源于上地幔初始玄武質(zhì)巖漿的分異, 是大陸裂谷背景下同源巖漿經(jīng)歷不同程度演化的產(chǎn)物。軟流圈中廣泛存在的熱對流事件可能是導(dǎo)致板塊裂解的重要原因。

致謝:西北大學(xué)劉良教授和另一位匿名審稿人對本文提出了許多建設(shè)性修改建議, 在此致以誠摯的謝意！

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Geochemical Characteristics of Alkali Trachytes in Ziyang-Langao Area, North Daba Mountains and Petrogenetic Relation with the Diabases

YANG Hang, LAI Shaocong*and QIN Jiangfeng

(State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, Shaanxi, China)

The voluminous Early Paleozoic alkaline basalt-diabase and trachyte-syenite volcanic rocks in the North Daba Mountains constitute a set of bimodal volcanic rocks. Previous works focused predominantly on the mafic end-members of the bimodal volcanism, but the petrogenesis and tectonic implication of the felsic end-members remain ambiguous. Here, we report the geochemical features of the trachytes in the Ziyang-Langao area of the North Daba Mountains. The Ziyang-Langao trachytes show relatively high SiO2(>58.7%) and enriched alkali (K2O>3.84%, Na2O>4.18%), with low and variable MgO (0.06% – 1.45%) and TiO2(0.80% – 1.08%), showing that the trachytes are highly evolved.They are characterized by enrichment of LREEs and depletion of HREEs, slightly negative to positive Eu anomalies, and significantly negative Sr anomalies. Combined with the microscopic features, K-feldspar is the main crystal phase in trachyte samples. The geochemical features and modeling results from MELTS suggest that the Ziyang-Langao trachytes share a common source region with the coeval diabases in the North Daba Mountains, and were results of fractional crystallization of the primary alkaline basaltic magma. Taking into account the previous studies in the North Daba Mountains, we argue that the Ziyang-Langao trachytes were formed in a rift setting at low pressure and underwent high degree evolution. The asthenospheric thermal convection may have important effects on the continental cracking and expansion of the Mianlue ocean basin in the North Daba Mountains.

North Daba Mountains; alkaline rock; trachyte; fractional crystallization; geochemistry

2019-06-09;

2019-10-21

國家自然科學(xué)基金項目(41772052)資助。

楊航(1996–), 男, 碩士研究生, 巖石學(xué)、礦物學(xué)、礦床學(xué)專業(yè)。Email: yanghang6768@163.com

賴紹聰(1963–), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事巖石地球化學(xué)研究。Email: shaocong@nwu.edu.cn

P595

A

1001-1552(2021)02-0413-012

10.16539/j.ddgzyckx.2021.02.010