西秦嶺甘青交界一帶晚三疊世火山巖巖石成因及構(gòu)造指示意義

劉伯崇，李康寧,2，史海龍，蒲萬(wàn)峰，汪宏濤，王舒恒

(1.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院 北京 100083)

0 引 言

西秦嶺位于華北板塊南緣祁連—北秦嶺加里東構(gòu)造帶和揚(yáng)子板塊北緣海西構(gòu)造帶的拼結(jié)部位，是諸多地塊和造山帶匯聚交接地帶[1-4]。三疊紀(jì)以來(lái)的印支運(yùn)動(dòng)，奠定了西秦嶺地區(qū)的構(gòu)造格局[5]，這一時(shí)期西秦嶺巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，火山巖發(fā)育，并產(chǎn)出有金、銀、銅 、銀 、鉛 、鋅、鉬等大量礦產(chǎn)資源。這些巖漿事件不僅是中生代復(fù)雜的俯沖-碰撞造山過(guò)程的重要記錄，也是西秦嶺地區(qū)乃至中國(guó)大陸中央造山帶地質(zhì)構(gòu)造演化的深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制和背景的重要指示，并對(duì)成礦規(guī)律研究和指導(dǎo)礦產(chǎn)勘查具有實(shí)際意義。本文選取西秦嶺甘肅、青海交界處三疊紀(jì)華日組各種類(lèi)型巖石單元開(kāi)展了詳細(xì)的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究，以期揭示西秦嶺三疊紀(jì)火山巖帶巖石組成、成因和成巖構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于西秦嶺西北部，區(qū)域地層呈北西向展布(圖1)[6]，主要為早中三疊世果木溝組、江里溝組、古浪堤組。早三疊世果木溝組、江里溝組為半深海濁流沉積，而中三疊世古浪堤組則變?yōu)殛懪餃\海-河流三角洲沉積，為一套退積型海相復(fù)理石建造[7]。各個(gè)時(shí)期的砂巖碎屑組成具有相似性，沉積物源區(qū)主要來(lái)研究區(qū)北部中秦嶺隆起的增生雜巖及陸緣弧，是一套形成于活動(dòng)大陸邊緣背景的碎屑沉積組合，呈現(xiàn)出安第斯型大陸邊緣弧前沉積的特征。區(qū)域上侵入巖呈弧形北西向展布，以石英閃長(zhǎng)玢巖、花崗閃長(zhǎng)巖組合為主，化學(xué)成分與火山巖相當(dāng)，均屬鈣堿性。多呈巖株、巖脈分布，具多期脈動(dòng)性。侵入巖時(shí)代集中在210～250 Ma(圖1)[8]。巖石組合類(lèi)似于陸緣弧或洋內(nèi)島弧的火成巖構(gòu)造組合[7-9]。

華日組火山巖主要分布在甘青交界的青海同仁縣麥秀、甘肅夏河縣甘加和德烏魯一帶，角度不整合于三疊紀(jì)江里組、古浪堤組砂板巖之上，為一套以安山巖、英安巖、流紋巖為主，局部夾陸源碎屑巖的組合，火山碎屑物較多，安山質(zhì)占比大(大于70%)，前人測(cè)得該套火山巖噴發(fā)時(shí)代為230～245 Ma[10-11]。本次研究區(qū)主要位于麥秀火山盆地東側(cè)青海省多哇鄉(xiāng)臺(tái)烏龍—甘肅省甘加?xùn)|一帶(圖2)， 區(qū)內(nèi)火山活動(dòng)強(qiáng)烈，尤以晚三疊世中—酸性火山巖最為發(fā)育，以中心式噴發(fā)為主，在臺(tái)烏龍—狼牙山、年支北、下毛娘—甘加灘南部一帶形成3個(gè)火山盆地。巖性主要有安山巖、安山質(zhì)角礫巖、流紋巖、英安巖、流紋質(zhì)火山角礫巖、流紋質(zhì)火山集塊巖等，其碎屑巖夾層中含有豐富的植物化石Cladophlebis.sp.(cf.kaoianaSze)，為晚三疊世陸相植物分子。

2 火山巖巖石學(xué)特征

2.1 巖石組合特征

研究區(qū)華日組火山巖以安山(玢)巖、流紋(斑)巖為主，局部含大量的火山碎屑巖(火山角礫巖、集塊巖、凝灰?guī)r等)，少數(shù)火山機(jī)構(gòu)后期出露侵出相的安山玢巖、英安斑巖及花崗閃長(zhǎng)斑巖等?？蓜澐譃?個(gè)巖相組合：安山質(zhì)火山巖夾陸源碎屑巖組合(華日組一段)、流紋質(zhì)火山巖組合(華日組二段)、安山質(zhì)火山巖組合(華日組三段)。

安山質(zhì)火山巖夾碎屑巖組合整體呈東西向展布，分布于下毛娘北一帶，為早期火山作用產(chǎn)物，其特點(diǎn)是火山噴發(fā)速率低，時(shí)噴時(shí)停，形成一套與河湖相共存的砂礫巖、粉砂巖、板巖夾火山碎屑巖，熔巖等，偶夾煤線的組合。從火山巖巖性上看是以安山質(zhì)為主，流紋質(zhì)、英安質(zhì)少量，并且有互層(交替噴發(fā))的特點(diǎn)，表明其巖漿分異作用較為明顯。

流紋質(zhì)火山巖分布較廣，與早期火山巖及碎屑巖組呈噴發(fā)不整合接觸。由華日、馬尼庫(kù)、恰烏欽等多個(gè)火山的噴發(fā)物組成，其巖性為流紋-英安質(zhì)，巖相與巖石組合有爆發(fā)相的火山碎屑巖、噴溢相的熔巖、火山通道相的角礫巖、角礫狀熔巖及侵出相的斑狀巖石。根據(jù)巖性、巖相及產(chǎn)狀等特點(diǎn)可大致判斷火山活動(dòng)的期次：早期火山活動(dòng)強(qiáng)烈，巖漿噴出火口，形成爆發(fā)相的碎屑巖、噴溢相的熔巖；后期火山活動(dòng)能量降低，熔漿依靠機(jī)械壓力擠出管道堆積于火口，形成侵出相的角礫熔巖等。地貌上多形成四周較陡、中央突起的山峰。

安山質(zhì)火山巖在調(diào)查區(qū)分布廣，為臺(tái)烏龍、孔果雄和狼牙山等火山機(jī)構(gòu)的噴發(fā)物組成，是三疊紀(jì)火山活動(dòng)后期的產(chǎn)物，與早期形成的火山巖呈噴發(fā)不整合接觸。其巖性為安山巖及同質(zhì)火山碎屑巖，巖石組合有：早期形成大面積噴溢相安山巖與爆發(fā)相火山碎屑巖呈互層產(chǎn)出；形成于火山作用期后塌陷的火山口湖、火山洼地中的噴發(fā)-沉積相沉火山碎屑巖(沉火山角礫巖、沉火山集塊巖夾沉角礫凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r)。

2.2 火山巖巖石學(xué)特征

圖3 研究區(qū)典型火山巖照片F(xiàn)ig.3 Photographs of typical volcanic rocks in the study areaA.安山巖中的氣孔構(gòu)造;B.流紋質(zhì)角礫集塊巖;C.層狀凝灰?guī)r;D.層狀凝灰?guī)r與英安巖互層;E.蝕變安山巖斜長(zhǎng)石斑晶(Pl)被絹云母和方解石集合體代替，僅具假象，基質(zhì)中斜長(zhǎng)石(Pl)具交織結(jié)構(gòu)，正交鏡10×10;F.蝕變英安巖斑晶石英(Q)和斜長(zhǎng)石(Pl)熔蝕明顯，黑云母(Bi)則強(qiáng)烈暗化，正交鏡10×2.5;G.蝕變流紋巖方解石(Cal)脈體發(fā)育，正交鏡10×5;H.蝕變角閃安山玢巖斑晶，包括斜長(zhǎng)石(Pl)和角閃石(Hb)，正交鏡10×2.5

安山巖(圖3A、C、I)分布在下毛娘一帶，為華日組一段、三段的主要組成巖石，占全區(qū)火山巖的60%以上?；揖G色，斑狀結(jié)構(gòu)，氣孔-杏仁構(gòu)造。斑晶為斜長(zhǎng)石(中長(zhǎng)石)，具環(huán)帶結(jié)構(gòu)，含量為20%～35%，大小主要介于0.15～0.60 mm之間，角閃石長(zhǎng)柱狀，大小為0.24～1.60 mm，含量為5%～15%，輝石微量。

流紋巖、英安巖(圖3D、F、H)分布在研究區(qū)東部色日欠一帶，為華日組二段的主要組成巖石，主要為流紋巖，約占全區(qū)的30%?；野咨?紫紅色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶的礦物主要有斜長(zhǎng)石、石英、鉀長(zhǎng)石和黑云母等，晶體大小主要介于0.2～3.0 mm之間。

火山集塊巖(圖3B)主要分布于火山口，具有火山集塊結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造?；鹕剿樾嘉?40%～50%)以大于64 cm的集塊為主(>30%)，火山角礫次之，含少量晶屑。集塊次棱角—次圓狀，成分復(fù)雜，有英安巖、安山巖、流紋巖、凝灰?guī)r等，以壓結(jié)和熔巖膠結(jié)為主，膠結(jié)物有凝灰質(zhì)和熔巖。

火山角礫巖為大多數(shù)火山機(jī)構(gòu)的組成巖石，火山角礫結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造?；鹕剿樾嘉?50%～80%)以巖屑、晶屑為主，大小主要介于1～30 mm之間。晶屑包括斜長(zhǎng)石和石英等，巖屑的成分復(fù)雜，有英安巖、安山巖、流紋巖等。

凝灰?guī)r(圖3C、D)分布在火山機(jī)構(gòu)之間的洼地中，灰白色、灰綠色，晶屑玻屑凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造?；鹕剿樾嘉?30%～50%)和隱晶狀火山灰(50%～70%)組成?；鹕剿樾嘉锇úＰ己途純刹糠?，大小主要介于0.05～2.00 mm之間。晶屑有斜長(zhǎng)石、石英和黑云母。

3 分析方法

本文研究的樣品采自甘加鄉(xiāng)火山巖剖面(圖2)，巖性有流紋巖、英安巖、安山巖以及火山碎屑巖?；鹕綆r主量元素、稀土元素、微量元素由國(guó)土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成。主量元素采用X-射線熒光光譜法(XRF)分析，分析儀器為X熒光光譜儀(型號(hào)RIX2100)，采用GB/T4506.28—93硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法，F(xiàn)eO采用容量滴定法測(cè)定，分析精度優(yōu)于1%且誤差小于5%。稀土元素和微量元素采用等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)，儀器為Agilent公司等離子體質(zhì)譜儀(型號(hào)Agilent 7500a)，微量稀土元素分析誤差為5%～10%。

鋯石U-Pb測(cè)年樣品取自研究區(qū)安山巖，測(cè)試工作在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)上完成。采用Plesovice和Qinghu標(biāo)準(zhǔn)鋯石作為外標(biāo)進(jìn)行基體校正；成分標(biāo)樣采用NIST SRM 612，其中29Si作為內(nèi)標(biāo)元素。樣品的同位素比值及元素含量計(jì)算采用GLITTER_ver 4.0程序，普通鉛校正采用Anderson提出的ComPbCorr#3.17校正程序[12]，U-Pb諧和圖、年齡分布頻率圖繪制和年齡權(quán)重平均計(jì)算采用Isoplot/Ex_ver3[13]程序完成。

4 火山巖地球化學(xué)特征

4.1 火山巖主量元素特征

研究區(qū)火山巖SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.67%～78.17%，平均69.78%，可分為明顯的兩組：一組SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.67%～61.05%，平均59.15%；一組SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.41%～78.17%，平均74.33%，兩端巖石分別為安山質(zhì)火山巖、流紋質(zhì)火山巖。

全堿(Na2O+K2O)變化范圍較大，為1.60%～8.27%，平均5.89%。MgO含量低，為0.10%～4.22%，平均0.96%。Al2O3含量較高，為12.77%～17.29%，平均14.64%。Na2O/K2O含量較小，為0.03%～2.68%，平均0.65%，并且安山質(zhì)火山巖中含量高于流紋巖，屬于鉀質(zhì)火山巖。TiO2含量介于0.02%～0.75%之間，平均0.22%，同樣安山質(zhì)火山巖也高于流紋質(zhì)火山巖。

在經(jīng)典的TAS火山巖巖石類(lèi)別判別圖解中(圖4(a))，樣點(diǎn)分別落入安山巖和流紋巖所在區(qū)域。在Zr/TiO2-SiO2圖解(圖4(b))中，絕大多數(shù)樣品落入?yún)^(qū)域與TAS相同，只有一個(gè)樣品落入堿流巖區(qū)域。在硅堿圖中火山巖樣品主要落于亞堿性系列，據(jù)火山巖堿度率異變圖(圖4(c))可知，研究區(qū)火山巖具有鈣堿巖漿系列的演化趨勢(shì)，屬于鈣堿性系列。在K2O-SiO2圖解(圖4(d))中，樣品點(diǎn)主要落于中高鉀鈣堿性-中鉀鈣堿性區(qū)域。

圖4 研究區(qū)火山巖分類(lèi)圖解Fig.4 Classification diagrams for volcanic rocks in the study area(a)TAS火山巖分類(lèi)圖解[14]；(b)Zr /TiO2-SiO2分類(lèi)圖解[15]；(c)AR-SiO2堿率圖[16]；(d)K2O-SiO2圖解[17]；數(shù)據(jù)據(jù)表1

圖5 研究區(qū)火山巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(a)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b)[18]Fig.5 Chondrite-normalized REE pattern (a)and primitive mantle-normalized multi-element spider diagram (b) [18] for the West Qinling volcanic rocks

4.2 稀土元素和微量元素特征

安山質(zhì)火山巖的∑REE介于164.18×10- 6～207.97×10-6之間，在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分型式圖解上，配分曲線呈右傾的“海鷗型”(圖5(a)) 。 (La/Yb)N=9.92～14.73，(La/Sm)N=3.79～3.95，(Ce/Yb)N=8.35～12.44，輕重稀土分異明顯。流紋質(zhì)火山巖的ΣREE在68.10×10-6～236.32×10-6之間，球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的REE 配分曲線顯示與安山巖相似的LREE富集的稀土配分型式，但輕重稀土分異更加明顯。(La/Yb)N=52.94～162.17，(La/Sm)N=1.91～4.03，(Ce/Yb)N=49.74～202.31。二者均具有弱的Eu負(fù)異常，顯示巖漿演化過(guò)程中可能存在斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用或部分熔融過(guò)程中有斜長(zhǎng)石的殘留。(Dy/Yb)N=1.20～5.83，說(shuō)明源區(qū)部分熔融很可能存在石榴子石的源區(qū)殘留。安山質(zhì)火山巖與流紋質(zhì)火山巖重稀土元素的分餾程度差異較大，暗示安山質(zhì)巖漿與流紋質(zhì)巖漿可能產(chǎn)于不同源區(qū)。

微量元素的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖5(b))整體呈右傾，除流紋質(zhì)火山巖中的Ti、Y、Lu等元素虧損外，其他元素均相對(duì)原始地幔富集。高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta、P、Ti、HREE等相對(duì)虧損，大離子親石元素K、Rb、Th等則相對(duì)富集，這些特征指示該火山巖源區(qū)為來(lái)自于斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶后的地殼殘余巖漿。Sr強(qiáng)烈負(fù)異常表明巖漿發(fā)生了明顯的斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用，P和Ti虧損說(shuō)明巖漿經(jīng)歷了磷灰石以及鈦鐵礦等礦物的分離結(jié)晶作用或部分熔融過(guò)程中有這些礦物的殘留。尤其流紋英安質(zhì)火山巖中，Ti嚴(yán)重虧損，可能發(fā)生了較嚴(yán)重的地殼熔融作用。Nb-Ta谷地較淺，與島弧環(huán)境的深谷不同，Nb、Ta虧損可能與巖漿源區(qū)巖石中陸殼組分的參與有關(guān)[17]。由于Ba離子與Ca離子的半徑相近，Ba元素可能替代Ca元素進(jìn)入鉀長(zhǎng)石中，隨著鉀長(zhǎng)石在源區(qū)的殘留，巖石顯示了比較明顯的Ba虧損。

表1 西秦嶺甘加一帶火山巖主量元素(%)、微量元素(10-6)含量

(續(xù))表1西秦嶺甘加一帶火山巖主量元素(%)、微量元素(10-6)含量

(Continued)Table1Compositionsofmajorelements(%)andtraceelements(10-6)oftheWestQinlingvolcanicrocksinGanjia

巖性樣號(hào)CsRbTbDyHoErTmYbLuYΣREELREE/HREEδEuLa/Sm安山巖灰綠色角閃安山玢巖淺灰色流紋巖流紋質(zhì)角礫(熔)巖凝灰?guī)r2014Ⅳ-114.8048.40.603.520.701.910.3001.9600.28017.40194.98 13.68 0.69 5.87 2014Ⅳ-26.6768.50.030.180.030.090.0130.0880.0111.0706.28 8.76 0.58 5.35 2014Ⅳ-1011.7139.00.683.820.742.020.3002.1000.30018.50164.18 10.06 0.66 6.12 2014Ⅳ-195.17114.00.733.850.731.960.2901.8800.26017.50186.24 11.34 0.71 6.12 2014Ⅳ-206.46172.00.894.960.972.640.3902.6600.36023.60207.97 9.91 0.48 6.08 2014Ⅳ-2114.50121.00.703.670.681.770.2601.6900.23016.70170.89 11.06 0.71 5.91 2014Ⅳ-74.21137.00.401.270.120.260.0200.1060.0183.38104.09 20.80 0.26 3.79 2014Ⅳ-89.63244.00.351.200.120.230.0210.1600.0193.2168.56 13.37 0.30 3.68 2014Ⅳ-96.59255.00.431.480.140.250.2200.1600.0204.3374.94 14.23 0.22 3.10 2014Ⅳ-113.90228.00.521.800.180.320.0300.2100.0245.3886.06 11.65 0.17 3.20 2014Ⅳ-129.89312.00.581.960.190.330.0280.2200.0275.64102.69 12.22 0.17 2.96 2014Ⅳ-136.3097.70.281.770.0740.170.0120.1000.0122.2798.76 17.85 0.64 4.39 2014Ⅳ-169.19368.00.260.610.050.140.009 0.0920.0131.52105.26 24.65 0.76 4.54 2014Ⅳ-147.37220.00.201.500.050.130.0120.0980.0141.3968.10 15.47 0.79 3.63 2014Ⅳ-33.30181.00.330.980.120.310.0320.2200.0263.36129.73 22.05 0.64 4.99 2014Ⅳ-157.62321.00.250.600.560.150.0120.1100.0161.5896.94 20.55 0.81 4.23 2014Ⅳ-46.87195.00.702.580.340.760.0780.5000.0649.23236.32 19.64 0.48 6.24 2014Ⅳ-55.78236.00.421.340.120.250.0200.1600.0213.6597.63 18.84 0.31 3.56 2014Ⅳ-65.11247.00.521.680.160.320.0270.2100.0274.92110.39 14.28 0.29 3.55 2014Ⅳ-188.44254.00.210.60.060.140.0140.1200.0181.58118.53 35.16 0.64 3.07 2014Ⅳ-175.96208.00.270.690.050.140.010 0.0820.0121.7185.86 20.16 0.73 3.91

① 青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局.青海省多福頓幅、溫庫(kù)河幅1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告.1991.

5 討 論

5.1 火山巖形成時(shí)代

本次對(duì)研究區(qū)安山巖進(jìn)行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測(cè)年，測(cè)試所選鋯石為粉色，半自形雙錐柱狀，晶體長(zhǎng)0.01～0.16 mm。陰極發(fā)光圖像顯示出典型的巖漿韻律環(huán)帶和明暗相間的條帶構(gòu)造(圖6)，核幔結(jié)構(gòu)較為清晰，核部顏色較暗，幔部有較清晰的震蕩環(huán)帶，屬于巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物。從CL圖像上觀察可以看出這些測(cè)點(diǎn)多位于明顯的巖漿環(huán)帶上，測(cè)年結(jié)果可以巖漿鋯石的結(jié)晶年齡。

測(cè)定安山巖鋯石U-Pb同位素有效數(shù)據(jù)(表2)，并繪制鋯石U-Pb諧和圖(圖7(a))和年齡權(quán)重平均值分布圖(圖7(b))。安山巖鋯石的206Pb/238U數(shù)據(jù)點(diǎn)基本集中分布在諧和曲線附近，其下交點(diǎn)年齡為(236±1.7) Ma，206Pb/238U年齡的加權(quán)平均值為(236±1.2) Ma，可代表火山巖漿噴發(fā)時(shí)代。青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局在本區(qū)火山巖及碎屑巖組采到植物化石Cladophlebis.sp.(cf.kaoianaSze)，其時(shí)代為晚三疊世。LI等[20]獲得研究區(qū)西側(cè)麥秀安山巖40Ar-39Ar同位素年齡為(234±5) Ma，測(cè)年時(shí)代基本一致，說(shuō)明研究區(qū)華日組火山巖的噴發(fā)時(shí)代為晚三疊世早期(卡尼期)。

圖6 西秦嶺安山巖鋯石陰極發(fā)光照片F(xiàn)ig.6 Zircon cathodoluminescence (CL) images of the West Qinling andesite

數(shù)據(jù)類(lèi)別編號(hào)207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ208Pb/232Th1σU-Pb同位素分析數(shù)據(jù)U-Pb同位素表面年齡數(shù)據(jù)30.054 170.002 280.287 220.008 870.038 460.000 540.012 440.000 2340.054 740.002 510.287 260.010 240.038 060.000 560.012 090.000 2350.051 880.002 760.242 500.010 740.033 900.000 540.010 810.000 2490.050 400.003 000.252 190.013 030.036 300.000 620.011 860.000 34100.0553 100.002 180.290 390.007 910.038 080.000 520.012 890.000 22140.051 340.002 200.269 970.008 600.038 140.000 540.012 500.000 28150.053 100.004 230.278 240.020 440.038 020.000 760.012 350.000 52160.080 480.004 560.417 030.020 010.037 590.000 690.016 480.000 473377.891.42256.46.99243.33.35249.84.674401.699.12256.48.08240.83.50243.04.615280.0117.21220.58.78214.93.35217.34.739213.2132.43228.410.56229.83.84238.26.7710424.685.35258.96.22240.93.22258.94.3214256.295.43242.76.87241.33.34251.15.5715332.8170.86249.316.24240.54.73248.110.28161 208.7107.68353.914.34237.94.30330.49.29

注：U-Pb同位素表面年齡單位為Ma。

圖7 西秦嶺安山巖U-Pb同位素年齡諧和圖(a)及206Pb/238 U加權(quán)平均年齡(b)分布圖Fig.7 Zircon U-Pb concordia diagram (a) and age distribution of the West Qinling andesite

5.2 巖漿演化作用

研究區(qū)華日組火山巖中斑晶含量較多，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)幔源包裹體，火山巖中基性端元(安山質(zhì)火山巖)的Mg#值介于37.3～53.4之間，小于幔源原生巖漿的成分范圍(68～73)[21]，說(shuō)明巖漿來(lái)源并非幔源的原生巖漿，而是巖漿演化過(guò)程中發(fā)生了分異、熔融或混染作用。

圖8 西秦嶺火山巖La-La/Sm圖解Fig.8 La vs.La/Sm diagram of the West Qinling volcanic rocks

研究區(qū)華日組火山巖多為斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為石英、斜長(zhǎng)石、角閃石和少量的黑云母。這些斑晶礦物的存在，證實(shí)巖漿演化過(guò)程中經(jīng)歷了明顯分離結(jié)晶作用。從La-La/Sm圖解(圖8)中可以發(fā)現(xiàn)，安山質(zhì)火山巖La-La/Sm趨勢(shì)線基本呈水平，即安山質(zhì)火山巖在演化過(guò)程中主要受分異結(jié)晶作用控制。流紋質(zhì)火山巖La-La/Sm趨勢(shì)線傾斜，說(shuō)明流紋質(zhì)火山巖主要受部分熔融作用控制[22]?？傮w來(lái)看，從安山質(zhì)火山巖-流紋英安質(zhì)火山巖，均受部分熔融的控制，安山質(zhì)火山巖的La/Sm比值和La含量較高，而流紋質(zhì)火山巖的La/Sm比值和La含量較低，這說(shuō)明形成流紋質(zhì)火山巖部分熔融程度較小，而形成安山質(zhì)火山巖部分熔融程度則較大。

La/Nb比值在巖漿演化過(guò)程中基本穩(wěn)定，比值大小不受流體的控制。研究區(qū)晚三疊世火山巖中性端元安山巖中La/Nb=2.19～3.22，高于原始地幔的La/Nb比值(0.94)，接近地殼的La/Nb比值(2.2)[23]，顯然發(fā)生了明顯的陸殼混染作用。

5.3 巖石成因與構(gòu)造環(huán)境

研究區(qū)火山巖稀土元素總量較高，輕稀土元素富集，具負(fù)銪異常；富集大離子親石元素(Ba、K、Rb等)，相對(duì)虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(Nb、Ta和Ti)，相容元素(Cr、Ni、Co等)強(qiáng)烈虧損，表明該火山巖可能產(chǎn)出于由于陸殼混染的板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境或者與洋殼俯沖作用有關(guān)的構(gòu)造環(huán)境[24-26]。

在Rb/30-Hf-3×Ta(圖9(a))與Rb-(Y+Nb)構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖9(b))上，安山質(zhì)火山巖均落入火山弧區(qū)域，流紋質(zhì)火山巖落在火山弧與同碰撞環(huán)境的界線附近，即相比安山巖而言，流紋巖更傾向于碰撞環(huán)境。Rb-(Y+Nb)構(gòu)造環(huán)境判別圖解中不僅可以區(qū)分構(gòu)造環(huán)境，而且根據(jù)投影位置可以推斷成巖途徑及其源區(qū)特點(diǎn)：流紋質(zhì)火山巖趨于落在弧陸碰撞環(huán)境，其形成與俯沖板片熔融形成的熔體有關(guān)；安山質(zhì)火山巖落在火山弧上部環(huán)境，其形成與俯沖流體有關(guān)。二者落點(diǎn)全部位于上地殼附近，反映其源區(qū)成分有陸殼物質(zhì)的參與。

圖9 西秦嶺火山巖Rb/30-Hf-3×Ta(a)、Rb-(Y+Nb)(b)構(gòu)造環(huán)境判別圖解[27-28]Fig.9 Tectonic discrimination diagrams of Rb/30-Hf-3×Ta(a)and Rb vs.(Y+Nb)(b) of the West Qinling volcanic rocks[27-28]

高鎂安山巖(HMA)、鎂安山巖(MA)為與洋俯沖作用相關(guān)的兩類(lèi)典型火成巖類(lèi)型[23]。一般認(rèn)為產(chǎn)于洋俯沖帶上面的弧盆系內(nèi)，高鎂安山巖是俯沖帶上面的楔形地幔在俯沖洋殼放出H2O的條件下發(fā)生局部熔融的產(chǎn)物；鎂安山巖則是俯沖洋殼脫水熔融產(chǎn)生的巖漿與上覆楔形地幔發(fā)生相互作用后形成的巖漿[29-30]。它們比普通的島弧安山巖具更高的Mg#值、MgO、Cr、Ni和較低的 Al2O3和CaO含量及FeO*/MgO比值[31]。依據(jù)識(shí)別鎂安山巖的SiO2-MgO圖解(圖10(a))、SiO2-FeO*/MgO圖解(圖10(b)) ，研究區(qū)安山質(zhì)火山巖為具有低鐵鈣堿系列特征的鎂安山巖。

研究區(qū)火山巖以安山質(zhì)、流紋質(zhì)為主，安山質(zhì)火山巖在火山活動(dòng)的3個(gè)階段均有出現(xiàn)，以初期和末期為主，并且二者在時(shí)間上相繼、空間上毗鄰或疊置，說(shuō)明安山質(zhì)火山巖與流紋質(zhì)火山巖為同一次巖漿事件的結(jié)果，即二者的形成均與洋殼俯沖有關(guān)，為洋陸俯沖過(guò)程中巖漿在不同深度、不同演化階段的產(chǎn)物。俯沖隧道內(nèi)的板片-地幔相互作用是形成火山巖地幔源區(qū)的關(guān)鍵過(guò)程，俯沖地殼物質(zhì)是形成板塊邊界火山巖重要的組分來(lái)源[31]。

5.4 火山巖形成模式

圖10 西秦嶺高鎂/鎂安山巖SiO2-MgO(a)、SiO2-FeO*/MgO(b) 判別圖解[29-30]Fig.10 SiO2 vs.MgO(a) and SiO2 vs.FeO*/MgO(b) discrimination diagrams of the West Qinling (high)-Mg andesite[29-30]

在研究區(qū)北側(cè)隆務(wù)峽一帶(圖1b) ，出露一套寬度約500 m且呈 NW—SE 向展布的橄欖輝石巖、輝石橄欖巖、橄長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖、輝綠巖、枕狀玄武巖組合，它們以構(gòu)造巖片形式與二疊紀(jì)海山礁灰?guī)r和深海濁積巖相互共生。王繪清等[33]認(rèn)為這些巖石組合屬于典型 SSZ 型蛇綠巖，輝長(zhǎng)巖 LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 測(cè)年結(jié)果為(250.1±2.2) Ma，形成于晚二疊世—早三疊世。在空間上，合作、臨潭一帶石炭紀(jì)、二疊紀(jì)碳酸鹽巖中的碎屑巖塊體與超基性巖塊相混雜，具有混雜巖的特征。這些共同構(gòu)成了西秦嶺楔內(nèi)部的一條晚二疊世—早三疊世蛇綠混雜帶[33]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，從西向東，青海麥秀—甘肅甘加—德烏魯一線的安山巖均為特征的高鎂安山巖/鎂安山巖(另文刊發(fā))，為典型的洋殼俯沖的產(chǎn)物，并有TTG組合出露，構(gòu)成即同仁—合作TTG巖漿弧(圖1b，Ⅳ-3-3-1-1(TTG))，與北側(cè)的隆務(wù)峽蛇綠混雜巖帶構(gòu)成明顯的俯沖極性。說(shuō)明研究區(qū)晚三疊世華日組火山巖的形成與隆務(wù)峽蛇綠混雜巖所代表的洋殼向南俯沖有關(guān)，而不是阿尼瑪卿洋殼板塊向北俯沖的結(jié)果。這也證明了西秦嶺造山帶是由一系列微板塊與許多小洋盆組成的具有多幕俯沖的多島洋盆[34-37]。

通過(guò)以上討論，研究區(qū)華日組火山巖的形成與隆務(wù)峽蛇綠混雜巖所代表的洋殼向南俯沖有關(guān)，這些巖石應(yīng)為俯沖洋殼在地幔深部發(fā)生高程度部分熔融作用的產(chǎn)物，并在上升過(guò)程中受到巖石圈地殼物質(zhì)的同化混染作用。俯沖洋殼板片脫水形成熔體上升過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)地幔楔，誘發(fā)地幔楔橄欖巖發(fā)生部分交代熔融作用，導(dǎo)致其高鎂，形成具有富鎂的安山質(zhì)巖漿，溢流或噴發(fā)出地表形成的鎂安山巖和相應(yīng)的火山碎屑巖；富鎂的安山質(zhì)巖漿底侵，加熱陸殼物質(zhì)部分熔融，形成花崗質(zhì)巖漿，通過(guò)火山通道溢出地表或噴出至空中，最后冷凝結(jié)晶形成流紋巖及其相應(yīng)的火山碎屑巖(圖11)。

圖11 研究區(qū)流紋質(zhì)/安山質(zhì)火山巖形成示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[29-30]修改) Fig.11 Schematic diagram showing formation of the West Qinling andesitic and rhyolitic volcanic rocks(Modified after reference[29-30])

6 結(jié) 論

(1)西秦嶺甘青交界處火山巖均屬于高鉀鈣堿性系列，其中安山質(zhì)火山巖屬于鎂安山巖?？傮w高Al2O3，低TiO2，Na2O/K2O含量較小。稀土元素中等富集，輕、重稀土元素分餾明顯，具Eu負(fù)異常。K、 Ba、Th、 Rb等大離子親石元素明顯富集，Ta、Ti、Nb、P等高場(chǎng)強(qiáng)元素相對(duì)虧損。Nb-Ta谷明顯但較淺，火山巖的形成受到陸殼混染影響。

(2)研究區(qū)安山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素定年結(jié)果為(236±1.2) Ma，火山噴發(fā)時(shí)代為中三疊世早期，形成于活動(dòng)大陸邊緣弧(安第斯型)環(huán)境，為印支期隆務(wù)峽蛇綠巖洋殼向南俯沖的產(chǎn)物，二者巖漿產(chǎn)生的源區(qū)不同：安山質(zhì)巖漿來(lái)源于俯沖洋殼板片脫水部分熔融形成的熔體上升與地幔楔橄欖巖發(fā)生反應(yīng)。流紋質(zhì)巖漿來(lái)源于俯沖洋殼板片脫水部分熔融形成的熔體上升底侵加熱陸殼物質(zhì)部分熔融。巖漿演化過(guò)程中安山質(zhì)火山巖主要受控于分異結(jié)晶作用，而流紋質(zhì)火山巖受部分熔融作用較大。

致謝：在論文寫(xiě)作過(guò)程中得到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院狄永軍副教授的指導(dǎo)，甘肅省地質(zhì)調(diào)查院黃增寶博士提出了許多有益的建議，在此一并表示感謝。