甘肅省文縣劉家坪薊縣系變基性火山巖地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境

毛艷麗，王 滔，李鴻睿，潘中奎

(甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

甘肅省劉家坪位于碧口地塊的東北部[1]，大地構(gòu)造位置處于南秦嶺造山帶、松潘—甘孜造山帶和揚(yáng)子地塊的匯聚交接部位，中國大陸東西向中央造山系與南北向賀蘭—龍門山造山帶、川滇構(gòu)造交接轉(zhuǎn)換區(qū)域[2-3]，具有復(fù)雜的構(gòu)造形跡和拼合歷史。不同學(xué)者對(duì)其變質(zhì)作用、形成時(shí)代、構(gòu)造環(huán)境有不同的觀點(diǎn)。前人對(duì)變質(zhì)作用的研究有藍(lán)片巖相和綠片巖相說[4]、綠片巖相-低角閃巖相說[5]。關(guān)于形成時(shí)代，李耀敏[6]1991年測得白水街北和康縣花巖溝托河陽壩組中變安山玄武巖和綠泥綠簾石巖的Rb-Sr等時(shí)線年齡分別為(933±152) Ma和(958±183) Ma；康縣銅錢北白楊組中變玄武巖和安山玄武巖的Rb-Sr等時(shí)線年齡為(1 231±68) Ma，推測其形成時(shí)代相當(dāng)于中元古代；閆全人等[7]2003年自碧口群采集3件不同巖性的火山巖進(jìn)行SHRIMP鋯石U-Pb測年，206Pb/238U年齡值分別為(790±15) Ma、(776±13) Ma和(840±10) Ma，表明碧口群火山巖形成時(shí)代為新元古代；賴紹聰?shù)萚8]2007年測得碧口火山巖西段的董家河蛇綠巖套中輝長巖的鋯石激光探針U-Pb年齡為(839.2±8.2) Ma，表明董家河蛇綠巖的形成時(shí)期應(yīng)為新元古代；胡安新等[9]2014年對(duì)劉家坪地區(qū)花崗巖巖體進(jìn)行了系統(tǒng)的鋯石U-Pb年代學(xué)研究，獲得花崗巖加權(quán)平均年齡值為(825.9±7.8) Ma，屬新元古代中期。前人對(duì)構(gòu)造環(huán)境的研究主要包括元古宙古陸塊[10]、島弧環(huán)境[11-13]、大陸裂谷環(huán)境[14-16]、弧內(nèi)裂谷環(huán)境[17]、洋中脊和大洋板內(nèi)環(huán)境[18]等觀點(diǎn)。對(duì)于具體的構(gòu)造屬性，大多學(xué)者認(rèn)為碧口地塊為龍門山?jīng)_斷構(gòu)造帶的一部分，北以勉略縫合帶為界，南東以龍門山前陸逆沖斷層和華南上揚(yáng)子地塊為界，應(yīng)屬于揚(yáng)子板塊的西北緣[19-20]。

基于前人的研究成果，本文在詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，選擇甘肅文縣劉家坪變基性火山巖進(jìn)行主量、微量、Sm-Nd同位素地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，探討其成因及構(gòu)造環(huán)境，以期為該區(qū)今后的研究提供基礎(chǔ)信息。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

甘肅省劉家坪位于揚(yáng)子地塊西北緣、龍門造山帶的北段，其南側(cè)為漢南—米倉山構(gòu)造帶，北東側(cè)與勉略帶和南秦嶺造山帶相鄰，西側(cè)與松潘—甘孜造山帶相接(圖1(a))[21]。根據(jù)1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查結(jié)果①，研究區(qū)地層屬摩天嶺地層分區(qū)碧口地層小區(qū)，出露地層主要為薊縣系。根據(jù)前人對(duì)研究區(qū)巖石地層單元?jiǎng)澐?，將薊縣系劃歸為碧口巖群，碧口巖群自下而上又劃分為白果樹巖組(Jxb)和陽壩巖組(Jxy),按巖性組合及變形變質(zhì)特征將兩個(gè)巖組各分為兩個(gè)巖段，即白果樹巖組一巖段(Jxb1)、白果樹巖組二巖段(Jxb2)和陽壩巖組一巖段(Jxy1)、陽壩巖組二巖段(Jxy2),各巖段均呈北東向展布，巖性主要為綠簾綠泥片巖、陽起綠泥片巖、石英綠簾石巖、變玄武巖、變流紋巖、變英安巖、變玄武質(zhì)角礫熔巖等。

2 巖石學(xué)特征

薊縣系火山巖主要分布于劉家坪黑石頭山至阿陀咀的南部，巖石類型以基性火山巖為主，少量酸性火山巖分布在陽壩巖組二巖段(Jxy2)，即大坪梁上至阿陀咀一帶。巖石變質(zhì)普遍發(fā)育，大部分具強(qiáng)綠簾石化，部分樣品的巖相學(xué)特征簡單描述如下。

圖1 甘肅省文縣劉家坪地質(zhì)簡圖((a)據(jù)李佐臣等[21]修編；(b)據(jù)《1∶50 000劉家坪幅、三河幅、楚家壩幅區(qū)調(diào)報(bào)告》修編①) Fig.1 Regional geologic map in Liujiaping of Wenxian County, Gansu Province ((a) after LI et al.[21]; (b) modified fromthe 1∶50,000 regional geologic map of the Liujiaping, Sanhe, and Chujiaba areas)1.第四系；2.清白口系；3.薊縣系白果樹巖組一巖段；4.薊縣系白果樹巖組二巖段；5.薊縣系陽壩組一巖段；6.薊縣系陽壩組二巖段；7.石英脈；8.斷層角礫巖；9.地質(zhì)界線；10.早期構(gòu)造面理接觸界線；11.實(shí)測逆斷層；12.早期韌性剪切面理接觸界線；13.韌性剪切帶；14.背形構(gòu)造；15.向形構(gòu)造；16.S-C組構(gòu)；17.斷層編號(hào)；18.韌性剪切帶編號(hào)；19.硅化；20.剖面線；21.同位素年齡測試采樣點(diǎn)及編號(hào)；22.巖石地球化學(xué)測試采樣點(diǎn)

灰綠色變玄武巖(圖2(a))呈斑狀結(jié)構(gòu)、基質(zhì)具顯微雛晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由斑晶(約16%)和基質(zhì)(約84%)兩部分組成。斑晶主要為輝石和微量斜長石，輝石為半自形晶柱狀、粒狀，粒徑在1 mm以下，呈不均勻狀廣泛分布于其中，有不同程度的次生變化?；|(zhì)由顯微隱晶質(zhì)組成，其中隱晶質(zhì)約占39%，纖閃石約占15%，斜長石約占30%。顯微鏡下見變質(zhì)重結(jié)晶形成一部分顯微纖柱狀、柱粒狀的斜長石雛晶集合體，其雜亂分布，間隙內(nèi)大部分充填隱晶質(zhì)(圖2(c))。

灰綠色綠泥綠簾石巖(圖2(b))呈顯微粒狀-顯微鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。受變質(zhì)作用改造，由變晶礦物構(gòu)成，主要有綠泥石(約40%)、綠簾石(約35%)、石英(約15%)和微量方解石(小于10%)等，原巖組構(gòu)無法恢復(fù)。綠泥石呈顯微鱗片狀集合體聚集態(tài)不均勻分布，單體粒徑在0.03×0.10 mm以下，與綠簾石混雜鑲嵌分布。綠簾石呈顯微隱晶-顯微粒狀集合體聚集態(tài)分布，粒徑在0.04 mm以下，具鮮艷的異常干涉色。石英為它形晶粒狀，與方解石呈鋸齒狀鑲嵌分布，單體粒徑在0.2 mm以下，各類變晶礦物基本均一分布，彼此緊密鑲嵌(圖2(d))。

圖2 劉家坪薊縣系變基性火山巖野外和顯微照片(正交偏光)Fig.2 Field photos and thin section micrographs (crossed polar) of the Jixian meta-basalts in Liujiaping(a)變玄武巖；(b)綠泥綠簾石巖；Aug.普通輝石；Pl.斜長石；Q.石英；Ep.綠簾石；Chl.綠泥石

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 樣品采集與測試

本次研究所需樣品分別從白果樹巖組一巖段(Jxb1)、白果樹巖組二巖段(Jxb2)、陽壩巖組一巖段(Jxy1)、陽壩巖組二巖段(Jxy2)采集，樣品編號(hào)及采樣位置見圖1。樣品送至國土資源部蘭州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行分析。主量和微量元素采用日本理學(xué)ZSX PrimusⅡX熒光光譜儀測定，測定標(biāo)準(zhǔn)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14506.28-1993執(zhí)行，分析精度和準(zhǔn)確度優(yōu)于2%；稀土元素采用X Series2等離子質(zhì)譜儀測定，分析精度和準(zhǔn)確度優(yōu)于10%，樣品分析結(jié)果分別見表1和表2。

表1薊縣系變基性火山巖主量元素含量(wB/%)及相關(guān)參數(shù)

Table1Majorelementcontents(%)andparametersoftheJixianmeta-basalts

樣品編號(hào)SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMnOMgOCaOPM26-2350.021.6014.702.198.580.207.5810.59PM26-3548.780.9614.122.758.530.177.7312.44PM26-5848.531.1313.542.199.830.207.9111.72PM26-7646.931.0513.122.3910.280.228.1110.42PM26-8249.131.0913.485.007.930.185.6212.75PM26-11048.161.1114.273.489.770.196.4211.60樣品編號(hào)Na2OK2OP2O5燒失量總量A/CNKFeOTMg#PM26-232.220.020.183.04100.920.6410.5556.15PM26-351.440.010.092.3899.390.5611.0055.60PM26-581.450.030.092.6999.310.5711.8054.44PM26-761.570.020.085.5799.750.6112.4353.77PM26-820.470.010.085.10100.820.5612.4344.63PM26-1101.690.020.103.60100.400.6012.9047.01

3.2 主量元素地球化學(xué)特征

從薊縣系變基性火山巖主量元素測試結(jié)果(表1)中可以看出，樣品燒失量(LOI)介于2.38%～5.57%之間，平均為3.73%，變化范圍較大；樣品PM26-76、PM26-82的燒失量較高，可能與巖石普遍發(fā)生綠泥綠簾石化及風(fēng)化作用有關(guān)，顯示巖石后期的蝕變作用存在著一定的差異。A/CNK值為0.56%～0.64%，平均為0.59%，顯示鋁不飽和特征； FeOT含量為10.78%～13.33%,平均為12.31%，含量較低；全堿(Na2O+K2O)含量介于0.48%～2.25%之間，相對(duì)較低；Na2O/K2O為47.00～144.00，表現(xiàn)為鈉質(zhì)特征；Al2O3的含量為13.12%～14.70%，平均為13.87%>5.02%，具有明顯的島弧拉斑玄武巖的特征[22]；MgO含量為5.62%～8.11%，平均為7.23%；Mg#值介于44.63%～56.15%之間，均值為51.93%，暗示該區(qū)變質(zhì)火山巖未經(jīng)歷明顯的巖漿分異[23]；SiO2含量為46.93%～50.02%，平均為48.59%，較為穩(wěn)定；TiO2含量為0.96%～1.60%，平均為1.16%(≤1.25%)，接近島弧和活動(dòng)大陸邊緣玄武巖的特征[24]。在TAS圖(圖3(a))中[25]，樣品全部落入亞堿性玄武巖中，表明變質(zhì)火山巖的原巖為亞堿性系列；在AFM圖解(圖3(b))中[26]，樣品點(diǎn)均落入拉斑玄武巖系列。綜上所述，劉家坪薊縣系變基性火山巖原巖為亞堿性拉斑玄武巖，形成于島弧環(huán)境。

3.3 稀土、微量元素地球化學(xué)特征

稀土元素分析結(jié)果(表2)表明，研究區(qū)變質(zhì)火山巖稀土總量∑REE為58.22×10-6～95.59×10-6，平均為67.81×10-6，相對(duì)較低?！艭e/∑Y值為1.92～2.44，平均為2.07；(Ce/Yb)N為0.92～1.33，平均為1.05；(La/Yb)N為0.92～1.39，平均為1.07；顯示該區(qū)輕重稀土元素的分餾程度不明顯。δEu為0.83～1.17，平均為1.04，δCe為0.88～0.95，平均為0.92。在研究區(qū)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(圖4(a))中[27]，變基性火山巖基本上具有一致的平坦型稀土配分模式。

圖3 薊縣系變基性火山巖TAS圖解和AFM圖解(底圖分別據(jù)LE BAS等[25]和IRVINE等[26])Fig.3 Plots of TAS and AFM for the Jixian meta-basalts (base map after LE BAS et al.[25] and IRVINE et al.[26])(a)中：Pc.苦橄玄武巖；B.玄武巖；O1.玄武安山巖；O2.安山巖；O3.英安巖；R.流紋巖；S1.粗面玄武巖；S2.玄武質(zhì)粗面安山巖；S3.粗面安山巖；T.粗面巖、粗面英安巖；F.副長石巖；U1.堿玄巖、碧玄巖；U2.響巖質(zhì)堿玄巖；U3.堿玄質(zhì)響巖；Ph.響巖；Ir.Irvine 分界線，上方為堿性，下方為亞堿性。(b)中：A=K2O+Na2O;F=FeO+0.9Fe2O3；M=MgO

樣品編號(hào)SrRbBaThTaNbZrHfTiScCrPM26-2386.306.0010.508.004.008.20108.007.509 968.0033.60254.00PM26-35230.009.0022.8010.105.0014.0051.008.106 394.0035.00184.00PM26-58133.0016.6025.107.804.3010.1059.002.806 498.0040.40214.00PM26-76125.0045.9028.009.905.309.9048.005.607 067.0037.20131.00PM26-82226.0072.308.308.403.808.6056.109.707 493.0031.40130.00PM26-110164.0077.3010.507.804.4012.0058.008.807 329.0036.60170.00樣品編號(hào)LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErPM26-237.2017.802.9014.804.301.204.590.925.911.153.29PM26-353.909.601.608.202.600.922.830.624.070.822.39PM26-584.8011.401.909.702.901.083.200.684.370.892.55PM26-763.609.501.608.302.601.042.880.634.120.852.46PM26-823.409.401.608.202.500.952.750.613.980.812.31PM26-1104.1010.701.709.002.800.942.990.664.310.882.56樣品編號(hào)TmYbLuY∑REE∑Ce/∑YδEuδCe(La/Yb)N(Ce/Yb)NPM26-230.493.020.4227.6095.592.440.830.911.391.33PM26-350.362.360.3419.9060.511.941.040.900.960.92PM26-580.372.280.3420.9067.362.161.090.881.221.13PM26-760.362.240.3220.2060.701.921.170.920.930.96PM26-820.352.150.3118.9058.221.961.110.940.920.98PM26-1100.382.410.3620.7064.492.011.000.950.991.00

圖4 薊縣系變基性火山巖稀土元素球粒隕石配分模式和微量元素N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(底圖分別據(jù)SUN等[27]和PEARCE等[30])Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns and N-MORB normalized multi-element spider diagram of the Jixian meta-basalts (base map after SUN et al.[27] and PEARCE et al.[30])

微量元素分析結(jié)果(表2)顯示，Zr/Y比值為2.38～3.91，平均為2.91，小于3；Ti/Zr比值為92.30～147.23，平均為122.49，大于85；Th的含量為7.80×10-6～10.10×10-6，平均為8.67×10-6，Ta的含量為3.80×10-6～5.30×10-6，平均為4.47×10-6，Th/Ta比值為1.77～2.21，大于1.60，具有典型島弧玄武巖地球化學(xué)特征[28-29]。在MORB標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖4(b))[30]中，高場強(qiáng)元素Zr、P、Y、Yb相對(duì)虧損，Th、Hf、Nb相對(duì)富集，低場強(qiáng)元素K虧損明顯，Rb、Ba則相對(duì)富集。經(jīng)原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化后，Nb*值(Nb*=2NbN(KN+LaN))為0.11～0.43，平均為0.21，小于1，表明Nb具有負(fù)異常；K*(K*=2KN/(TaN+LaN))值0.006～0.019，平均0.012，表明K虧損；(Rb/Yb)N值1.54～2.17，平均為1.96，大于1，表明強(qiáng)不相容元素富集，熔融程度低，分離結(jié)晶程度強(qiáng)[31]。

4 討 論

4.1 形成時(shí)代

研究區(qū)經(jīng)強(qiáng)烈的構(gòu)造變形和改造，已不能恢復(fù)其原始層序，故同位素年齡對(duì)其時(shí)代的確定起關(guān)鍵性作用。Sm、Nd具有相似的晶體化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)147Sm衰變產(chǎn)生143Nd時(shí)，沒有改變晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，即使在變質(zhì)、風(fēng)化過程中有少量的Sm、Nd遷移，也不會(huì)造成Sm-Nd體系的分餾。Sm-Nd體系的這種強(qiáng)封閉性是測年的一種常用有效手段[32-34]。

圖5 白果樹巖組變玄武巖Sm-Nd等時(shí)線分布圖Fig.5 Sm-Nd isochron diagram of the Baiguoshu Formation meta-basalts

圖6 白果樹巖組變玄武巖143Nd/144Nd-1/Nd圖解Fig.6 143Nd/144Nd-1/Nd diagram of the Baiguoshu Formation meta-basalts

本次在白果樹巖組采集8件變玄武巖樣品，利用陳岳龍等[35]提供的方法進(jìn)行預(yù)處理后，由國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心用Triton固體質(zhì)譜儀檢測，獲得同位素Sm-Nd等時(shí)年齡數(shù)據(jù)如圖5、圖6、表3所示。從表3中可以看出，Sm含量為2.343×10-6～8.951×10-6，平均為4.122×10-6，Nd含量為7.46×10-6～40.17×10-6，平均為16.05×10-6，147Sm/144Nd比值范圍為0.132 2～0.191 1，143Nd/144Nd比值范圍為0.512 3～

表3 白果樹巖組(Jxb)變玄武巖Sm-Nd含量及同位素組成

圖7 薊縣系變基性火山巖的構(gòu)造環(huán)境的F1-F2和F2-F3關(guān)系圖(底圖據(jù)PEARCE [37])Fig.7 F1-F2 and F2-F3 tectonic discrimination diagrams for the Jixian Group meta-basalts (base map after PEARCE[37])WPB.板內(nèi)玄武巖；OFB.洋底(洋中脊)玄武巖；SHO.鉀玄巖；CAB.鈣堿性玄武巖；LKT.低鉀(島弧)拉斑玄武巖

0.512 8，等時(shí)線年齡圖解見圖5。在147Sm/144Nd-143Nd/144Nd圖解中，樣品分布較均勻，呈線性分布特征。在143Nd/144Nd-1/Nd圖解(圖6)中，樣品沒有線性分布的趨勢，表明147Sm/144Nd-143Nd/144Nd圖解中的直線并非混合線，具有等時(shí)線意義[36]。因此，利用ISOPLOT求得的Sm-Nd等時(shí)線年齡(1 387±32)Ma可以代表該期火山巖的噴發(fā)時(shí)代。

圖8 薊縣系火山巖w(Zr)-w(Zr)/w(Y)圖解(底圖據(jù)PEARCE等[38])Fig.8 Plot of Zr vs.Zr/Y for the Jixian Group meta-basalts (base map after PEARCE et al.[38])

4.2 構(gòu)造環(huán)境

火山巖地球化學(xué)特征是判別其形成環(huán)境的重要標(biāo)志之一。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)分析，結(jié)合巖石地球化學(xué)特征，薊縣系變基性火山巖原巖為亞堿性拉斑玄武巖，推測其形成于島弧的構(gòu)造環(huán)境。在F1-F2圖解(圖7)中[37]，樣品投落到鈣堿性玄武巖和低鉀(島弧)拉斑玄武巖區(qū)內(nèi)，根據(jù)前述TAS圖解及Na2O/K2O比值可知，樣品屬于亞堿性玄武巖且表現(xiàn)為低鉀的特征，通過F2-F3圖解進(jìn)一步對(duì)樣品投點(diǎn)，樣品均投落到低鉀(島弧)拉斑玄武巖區(qū)；在w(Zr)-w(Zr)/w(Y)圖解(圖8)中[38]，樣品投落到洋中脊玄武巖和島弧玄武巖的公共區(qū)域，根據(jù)樣品微量元素特征顯示，Al2O3>5.02%， Th/Ta >1.60，樣品應(yīng)屬于島弧玄武巖；在TiO2-MnO-P2O5圖解中(圖9)[39]，樣品投點(diǎn)落入島弧拉斑玄武巖系列。因此，薊縣系變基性火山巖主要形成于與島弧相關(guān)的構(gòu)造環(huán)境。

圖9 TiO2-MnO-P2O5圖解(底圖據(jù)ELLEN等[39])Fig.9 Ternary plot of TiO2-MnO-P2O5 for the Jixian Group meta-basalts (base map after ELLEN et al.[39])

5 結(jié) 論

(1)劉家坪薊縣系變基性火山巖中SiO2含量46.93%～50.02%，較為穩(wěn)定，F(xiàn)eOT、TiO2、全堿(Na2O+K2O)的含量相對(duì)較低，通過TAS、AFM圖解投影顯示，研究區(qū)變基性火山巖原巖為亞堿性拉斑玄武巖，形成于島弧環(huán)境。

(2)通過對(duì)研究區(qū)變玄武巖進(jìn)行Sm-Nd測年，獲得等時(shí)線年齡為(1 387±32) Ma，該年齡可作為研究區(qū)火山巖的噴發(fā)年齡。

(3)通過地質(zhì)調(diào)查和微量元素地球化學(xué)構(gòu)造環(huán)境判別表明，劉家坪薊縣系變基性火山巖具島弧拉斑玄武巖的性質(zhì)，指示研究區(qū)火山巖主要形成于與島弧相關(guān)的構(gòu)造環(huán)境。