西秦嶺中—晚三疊世板塊碰撞事件的記錄：來自合作地區火山巖的鋯石U-Pb年齡和地球化學證據

楊維剛，李永勝，李通元，張 俊，任鵬飛

(1.甘肅省地質調查院，甘肅 蘭州 730000；2.中國地質調查局 發展研究中心，北京 100037；3.自然資源部礦產勘查技術指導中心，北京 100083)

0 引 言

秦嶺造山帶是典型的大陸復合造山帶，是由華北板塊與揚子板塊及其間的秦嶺微地塊沿兩縫合帶與斷裂帶長期相互作用、分裂與匯聚而導致的板塊俯沖造山與碰撞拼合造山和陸內造山共同形成的復合造山帶[1-3]。西秦嶺屬秦嶺造山帶的西延，夾持于揚子地塊西北緣、南祁連、東昆侖和青藏高原東北緣多個塊體之間[4-6]。三疊紀以來的印支運動，奠定了西秦嶺地區的構造格局[2]，印支期特提斯構造域與環太平洋構造域遠程效應的共同作用致使西秦嶺區域構造演化復雜[7]。隨著勉略洋盆的俯沖閉合及大陸碰撞的開始，西秦嶺發育了印支期高鉀、鈣堿性花崗巖占絕對優勢的巖漿活動[8-10]，前人對印支期巖漿巖的巖石成因、構造背景等認識存在較多爭議[11-15]，一部分學者認為與洋殼俯沖有關[14]，一部分學者認為與板片斷離和巖石圈拆沉有關[15]，還有學者認為與古特提斯洋的俯沖極性改變有關[16]。相較于花崗巖，西秦嶺地區印支期火山活動相對較弱[17-26]，前人對火山巖的研究工作相對較少。筆者通過參與中國地質調查局開展的調查項目，對甘肅省合作地區火山巖做了大量的野外調查及室內研究工作。本文提供了該地區火山巖的巖石學、巖石地球化學、U-Pb年代學等數據，分析了合作地區火山巖巖石成因及形成背景，探討了印支期西秦嶺造山帶的運動機制，這一研究將為西秦嶺地區構造地質背景研究提供重要依據。

1 區域地質背景

甘肅合作地處西秦嶺造山帶東段，屬羌塘—揚子—華南板塊Ⅰ級構造單元、秦嶺—大別新元古代—古生代造山帶Ⅱ級構造單元。2019年的《甘肅省區域地質志》(未出版)以夏河—合作區域斷裂為界，將北側劃歸中秦嶺夏河—禮縣陸緣沉積區Ⅳ級構造單元，南側劃歸南秦嶺澤庫—武都裂陷沉積區Ⅳ級構造單元。研究區經歷了多期次構造運動，構造格局及演化歷史極為復雜。斷裂主要方向為NWW向和NE向，出露地層包括石炭系巴都組，二疊系毛毛隆組，三疊系隆務河組、華日組、光蓋山組，新近系甘肅群和第四系。其中，石炭系巴都組、二疊系毛毛隆組、三疊系華日組均分布于夏河—合作區域斷裂帶北側，屬中秦嶺地層單元。

合作地區火山巖整體位于夏河—合作區域斷裂帶北東側，主要分布在德烏魯、扎油溝口一帶(圖1)，整體以安山質晶屑熔巖、安山質熔巖、玄武質熔巖為主，并含英安斑巖、英安巖、火山角礫巖、杏仁狀安山巖等中酸性火山巖組合。該火山巖角度不整合于下伏二疊系毛毛隆組之上，火山巖建造底部有古風化殼存在，局部有鐵質膠結礫巖，具沖刷、層面凹凸不平等現象?；鹕絿姲l規模大，分布范圍廣，同時伴隨著大規模的侵入巖發育，表明當時區內構造活動十分劇烈。1997年《甘肅省巖石地層》將德烏魯一帶火山巖劃歸侏羅系郎木寺組，甘肅省地礦局三勘院完成的合作—美武一帶礦調工作將其歸入三疊系華日組[9]。本次研究工作，筆者通過野外調查在德烏魯以西的扎油溝口一帶新發現了火山巖組合，二者的巖石學、巖石地球化學特征基本一致，鋯石U-Pb測年結果顯示為同期火山活動的產物。

圖1 西秦嶺夏河—合作地區地質簡圖(據文獻[9]修改)Fig.1 Simplified geological map of the Xiahe-Hezuo area in the West Qinling orogenic belt (modified after ref.[9])

合作地區火山巖巖石類型包括安山質晶屑熔巖、安山質巖屑晶屑熔巖、玄武質熔巖、英安斑巖、英安巖、火山角礫巖、蝕變安山巖、安山巖、杏仁狀安山巖。德烏魯、扎油溝口一帶火山巖均以安山質晶屑熔巖、安山質巖屑晶屑熔巖、玄武質熔巖為主。

安山質晶屑熔巖：深灰色，斑狀結構，塊狀、枕狀構造(圖2(a))。由斑晶、基質組成，并含有金屬礦物。斑晶主要為斜長石、石英、角閃石、黑云母和巖屑等，粒徑以0.2～3.0 mm為主，個別較大，薄片中見最大粒徑達9 mm。斜長石以半自形板狀為主，具不同程度的黏土化、絹云母化，大多雙晶可見，個別具環帶，含量為30%；石英為渾圓狀，含量為1%；角閃石為柱狀，具不同程度的綠泥石化，部分呈團狀聚集，含量為4%；黑云母為片狀，大多具強烈的綠泥石化，含量為1%；巖屑由(蝕變而來的)碳酸鹽、綠泥石和角閃石等組成，含量為1%?；|由顯微晶質的長英質和微粒長石、綠泥石、角閃石、黑云母等組成，其中，長英質含量為24%，長石含量為20%，綠泥石含量為10%，角閃石含量為5%，黑云母含量為2%。巖石中可見近圓狀的杏仁，由長英質、綠簾石、黑云母等組成。金屬礦物為小團點狀、微粒狀，較為均勻地分布于基質中，含量為1%(圖2(b))。

安山質巖屑晶屑熔巖：斑狀結構，塊狀構造，由斑晶、基質組成。斑晶主要為巖屑、斜長石、石英、角閃石等，粒徑在0.1～12.0 mm之間，顯拉長(圖2(c)和(d))，略顯定向性，零散分布，巖屑粒徑相對較大，礦物的粒徑相對較小。巖屑主要為具強烈綠泥石化碳酸鹽化綠簾石化安山質巖屑(基質為隱晶質)，形狀不規則，含量為20%；斜長石為半自形板狀，具不同程度的蝕變，個別雙晶清晰，含量為15%；石英為顯拉長的它形粒狀，個別具反應邊，含量為4%；角閃石為柱狀，黑云母為片狀，具強烈的綠泥石化、碳酸鹽化，多為綠泥石、碳酸鹽的混合物，含量為1%?；|具顯微晶質結構，由顯微晶質的長英質、小板粒狀長石、鱗片狀-極小的片狀綠泥石、不透明物等組成。金屬礦物為小團點狀，不均勻分布(主要分布于巖屑中)，其中長英質含量為42%，長石含量為10%，綠泥石含量為5%(圖2(e))。

杏仁安山巖：紫紅色，斑狀結構，塊狀構造，由斑晶、基質組成。斑晶主要為杏仁和少量的巖屑、角閃石、斜長石、石英等。杏仁大小不等，形狀呈不規則狀，薄片中見最大粒徑達8 mm，充填物以石英為主，其次為含量不等的碳酸鹽、綠泥石等，含量約50%；巖屑主要為安山巖巖屑，基質中的小板條狀斜長石定向排列或不含，含量為4%；斜長石為半自形板狀，具不同程度的黏土化，含量為2%；角閃石為柱狀，具極強烈的綠泥石化、碳酸鹽化，幾乎完全被其混合物取代，但保留了角閃石的柱狀外形，含量為1%；石英顯熔蝕，含量為1%?；|具安山結構，由小板條狀斜長石(30%)、泥鐵質(12%)等組成。巖石局部具碎裂，裂隙中有石英等充填。金屬礦物為小點狀，零星分布(圖2(f))。

2 樣品信息和分析方法

本次用于鋯石U-Pb定年的樣品包括2件安山質熔巖(D0085TW1、PM101TW2)；用于巖石地球化學分析的樣品包括2件安山質熔巖(D0085YQ/WL/XT1、PM101YQ/WL/XT2)和1件玄武質熔巖(PM101YQ/WL/XT1)。

鋯石U-Pb同位素定年在武漢上譜分析科技有限責任公司利用LA-ICP-MS分析完成。GeolasPro激光剝蝕系統由COMPexPro 102 ArF 193 nm準分子激光器和MicroLas光學系統組成，ICP-MS型號為Agilent 7700e。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節靈敏度，二者在進入ICP之前通過一個T型接頭混合，激光剝蝕系統配置有信號平滑裝置[27]。本次分析的激光束斑直徑和頻率分別為32 μm和5 Hz。U-Pb同位素定年和微量元素含量處理中采用鋯石標準91500和玻璃標準物質NIST610作外標分別進行同位素和微量元素分餾校正。每個時間分辨分析數據包括20～30 s空白信號和50 s樣品信號。對分析數據的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Pb同位素比值和年齡計算)采用軟件ICPMSDataCal完成[28-29]。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡加權平均計算采用Isoplot/Ex_ver3完成[30-31]。

全巖主量元素含量在武漢上譜分析科技有限責任公司利用日本理學 PrimusⅡ X射線熒光光譜儀(XRF)分析完成。用于XRF分析的樣品處理流程如下：(1)將200目樣品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；(2)稱取1.0 g烘干樣品置于恒重陶瓷坩堝中，在1 000 ℃馬弗爐中灼燒2 h，取出待冷卻至室溫再稱量，計算燒失量；(3)分別稱取6.0 g助熔劑(Li2B4O7:LiBO2:LiF =9:2:1)、0.6 g樣品、0.3 g 氧化劑(NH4NO3)置于鉑金坩堝中，在1 150 ℃熔樣爐中熔融14 min，取出坩堝轉移到耐火磚上冷卻，然后將玻璃片取出以備XRF測試。數據校正采用理論α系數法，測試相對標準偏差(RSD)<2%。

全巖微量元素和稀土元素含量在武漢上譜分析科技有限責任公司利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成。用于ICP-MS分析的樣品處理如下：(1)將200目樣品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；(2)準確稱取粉末樣品50 mg置于Teflon溶樣彈中；(3)先后依次緩慢加入1 ml高純HNO3和1 ml高純HF；(4)將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱24 h以上；(5)待溶樣彈冷卻，開蓋后置于140 ℃電熱板上蒸干，然后加入1 ml HNO3并再次蒸干；(6)加入1 ml高純HNO3、1 ml MQ水和1 ml內標In(濃度為1×10-6)，再次將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱12 h以上；(7)將溶液轉入聚乙烯料瓶中，并用2% HNO3稀釋至100 g以備ICP-MS測試。

3 結果分析

3.1 鋯石U-Pb年齡

本次對德烏魯安山質晶屑熔巖(D0085TW1)、扎油溝口安山質熔巖(PM101TW2)進行了鋯石U-Pb年齡測試分析，具體結果見表1。樣品D0085TW1和PM101TW2中鋯石的Th含量分別為97.3×10-6～489.0×10-6和31.7×10-6～508.0×10-6，U含量分別為281×10-6～944×10-6和133×10-6～1 123×10-6，Th、U含量均較高，且呈正相關性。Th/U值分別為0.19～0.55和0.11～1.01，具巖漿成因鋯石的特征，區別于變質鋯石(Th/U值小于0.1)。

表1 合作地區火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析結果Table 1 LA-ICP-MS zircons U-Pb dating results of the volcanic rocks in the Hezuo area

樣品D0085TW1中剔除較大分析點后，22個分析點的206Pb/238U加權平均年齡值為(237.7±1.9)Ma(MSWD=3.0)(圖3)，樣品PM101TW2中25個分析點的206Pb/238U的加權平均年齡值為(234.8±2.1)Ma(MSWD=3.6)(圖4)。該年齡與前人在本區研究中取得的鋯石U-Pb年齡(231.7±2.1 Ma)[9]近一致。此外，在青海澤庫縣臨夏溝一帶出露的英安巖鋯石U-Pb年齡為(236.17±1.20)Ma[10]，在甘肅宕昌縣一帶出露的流紋巖鋯石U-Pb年齡為(229.3±2.0)Ma[8]。即區域上中酸性火山巖具近一致的形成年代，為中—晚三疊世，應為印支期巖漿運動的產物。

圖3 德烏魯地區火山巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和206Pb/238U年齡權重分布圖(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

圖4 扎油溝口地區火山巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和206Pb/238U年齡權重分布圖(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 地球化學特征

3.3.1 主量元素

研究區火山巖的主量元素、微量元素及稀土元素分析數據見表2。在主量元素組成上：SiO2為50.35%～64.39%，CaO為3.42%～5.73%，Na2O為1.91%～3.63%，K2O為0.75%～2.40%，具相對較高的Al2O3(13.65%～16.16%)和MgO(2.35%～7.78%)和較低的TiO2(0.53%～0.57%)。巖石全堿含量(Na2O+K2O)為2.66%～6.03%，Na2O>K2O，σ值為0.97～1.69，說明巖石為鈣堿性。巖石堿質特征系列分類如圖5(a)所示。德烏魯火山巖A/CNK值為1.09，大于1，反映巖石為過鋁質。扎油溝口火山巖A/CNK值為0.947，反映巖石為亞堿性，為硅酸鹽不飽和型。

(續)表1 合作地區火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析結果(Continued)Table 1 LA-ICP-MS zircons U-Pb dating results of the volcanic rocks in the Hezuo area

表2 火山巖主量元素(%)、稀土元素(10-6)和微量元素(10-6)分析結果Table 2 Analysis results of major elements (%),REE (10-6),and trace elements (10-6)of the volcanic rocks

巖石化學分區分類圖解如圖5(b)所示。德烏魯火山巖(D0085YQ/WL/XT1)在分類圖解中落入英安巖區，σ值均<3.3(0.28～2.15)，為鈣堿性系列。堿度指數A.R.較低，σ為1.50～2.00，反映島弧和活動大陸邊緣火山巖的特點。扎油溝口火山巖在分類中分別落入玄武巖區(PM101YQ/WL/XT1)和安山巖區(PM101YQ/WL/XT2)，后者的堿度指數AR較低，σ為1.32，反映活動大陸邊緣火山巖的特點。

圖5 火山巖分類圖解((a)A.R.圖解；(b)TAS圖解)Fig.5 Classification diagrams for the volcanic rocks ((a)A.R.diagram；(b)silica vs.total alkalis diagram)

綜合來看，合作地區火山巖整體(Na2O-2)0.5，屬鉀質類型，即該套火山巖屬富鉀高鋁高鎂鈣堿性系列。

3.3.2 微量及稀土元素

微量元素原始地幔標準化蛛網圖顯示，合作地區火山巖總體呈顯著不對稱型右傾(圖6(a))。與原始地幔比較，Rb、Ba、Th、U、La、Ce、Sr元素強烈富集，Ti、Y、Yb等元素略顯富集。德烏魯一帶火山巖中Nb元素強烈富集，標準配分型式與區域上新近系牛頂山組火山巖分布型式一致，總體顯示以強烈富集親石元素為特征，且與克拉通內部或邊緣的鉀質火山巖接近。而扎油溝口一帶火山巖中Sm元素強烈富集，與島弧富鉀玄武巖的配分型式相似。Ti/Y值反映其為ARCB、N-MORB特征，Hf/Th值反映其為WPB、T-MORB、P-MORB特征，Zr/Y值反映其為大陸邊緣鈣堿性玄武巖特征，Zr/Nb值反映其為標準型洋中脊玄武巖(N-MORB)、過渡型洋中脊玄武巖(T-MORB)特征，Nb/La值反映其為碰撞型弧區玄武巖特征。

稀土元素總量REE為81.75×10-6～199.14×10-6，LREE為71.25×10-6～128.93×10-6，HREE為10.37×10-6～10.97×10-6，LREE/HREE值為6.79～17.15?？傮w來看，合作地區火山巖稀土元素總量偏低，變化范圍較大，含量不穩定，輕重稀土元素分餾明顯。δEu為0.76～0.86，略顯負銪異常。稀土元素配分圖為明顯的右傾平滑型(圖6(b))。結合微量元素與稀土元素的分布特征認為，合作地區火山巖可能源于曾經歷過交代作用的巖石圈板塊的富集地幔，成巖過程或成巖后有殼源物質的強烈混染。

4 討 論

4.1 鋯石U-Pb年齡

本次在德烏魯安山質晶屑熔巖(D0085TW1)中取得的鋯石U-Pb年齡為(237.7±1.9)Ma，在扎油溝口安山質熔巖(PM101TW2)中取得的鋯石U-Pb年齡為(234.8±2.1)Ma。與青海澤庫縣臨夏溝英安巖(236.17±1.20 Ma)[10]及甘肅宕昌縣流紋巖(229.3±2.0 Ma)[8]的形成年代近一致，皆為中—晚三疊世巖漿運動的產物。

中三疊世晚期至晚三疊世早期，西秦嶺發生了由伸展向擠壓過渡的深部動力學轉換[8]。擠壓階段即為揚子板塊與華北板塊之間大陸碰撞作用的開始，兩大板塊間小洋盆與微板塊的擠壓、俯沖作用達到頂峰。而在后碰撞松弛階段，發生強烈的殼幔物質的交換、熱場作用傳遞、地殼物質的部分熔融和巖漿上升[1-5]。多次的碰撞擠壓—后碰撞松弛運動，在區域上形成了一系列中—晚三疊世不同時間段的火山巖。

4.2 火山巖的物源

合作地區火山巖微量元素及稀土元素分析結果顯示，標準配分型式與元素富集特征和區域上陸內碰撞火山巖(新近系牛頂山組)分布型式一致，總體顯示以強烈富集親石元素為特征。Rb、Ba、Th、U、Ce、Sr等大離子親石元素明顯高于中國東部新生代堿性玄武質火山巖，也高于藏北一帶新生代鉀玄質系列火山巖，而與克拉通內部及邊緣的鉀質火山巖極為接近，低于鉀鎂煌斑巖。相容元素的含量高于地殼克拉克值，其中過渡元素含量明顯高于大洋脊同類巖石，接近于洋島玄武巖。由于大離子親石元素主要富集于巖石圈板塊頂層或地殼上部層、而相容元素富集于其下部層或殼幔過渡層。因此，根據以上微量元素分布與變化特征推測，研究區火山巖可能源于曾交代巖石圈板塊的富集地幔，成巖過程或成巖后有殼源物質的強烈混染。

4.3 構造環境

從合作火山巖巖石地球化學特征方面分析，火山巖的里特曼指數(σ)值為0.97～1.69，屬鈣性系列；堿度指數AR均較低，為1.32～2.00，反映島弧和活動大陸邊緣火山巖的特點。(K2O/Na2O)>0.5，屬鉀質類型，整體為富鉀富鋁鈣堿性系列，具殼幔雙重地球化學組合特征。德烏魯、扎油溝口火山巖的戈蒂里指數(τ)分別為23.55、20.3，代表強烈活動的大陸邊緣(造山帶)環境。在lgτ-lgσ圖解(圖7)上，德烏魯(樣品D0855)、扎油溝口(樣品PM101)兩處火山巖投點均落入了造山帶區，說明火山巖形成于造山環境。

圖7 合作地區火山巖構造環境判別圖解(底圖據文獻[18-20])Fig.7 Discriminant diagram of tectonic environment of the volcanic rocks in the Hezuo area(base map after refs.[18-20])

據微量元素原始地幔標準化蛛網圖顯示，德烏魯一帶火山巖中Nb元素強烈富集，總體顯示以強烈富集親石元素為特征，且與克拉通內部或邊緣的鉀質火山巖接近。而扎油溝口一帶火山巖中Sm元素強烈富集，與島弧富鉀玄武巖的配分形式相似。Zr/Y值反映其具有大陸邊緣鈣堿性玄武巖特征，Zr/Nb值反映其具有標準型洋中脊玄武巖、過渡型洋中脊玄武巖特征，Nb/La值反映其為碰撞型弧區玄武巖特征。稀土元素總量總體偏低，變化范圍較大，含量不穩定，輕重稀土元素分餾明顯。

前人對富鉀火山巖已有了深入的研究，主體認為是地殼物質加入所致，而主要動力機制為地殼的深俯沖作用。區域上青海澤庫縣臨夏溝地區三疊紀安山巖均具富鉀特征[9-11]，對應于研究區以東宕昌地區的富鉀流紋巖[8]，呈現較為特殊的地球化學特征，表明研究區火山巖的形成主體受俯沖洋殼析出流體交代作用的影響，還疊加了俯沖地殼析出流體的交代作用。同時研究區火山巖具較高的Al2O3和MgO及較低的TiO2含量，部分學者將該高鎂的火山巖歸入隆務峽蛇綠巖，認為是同仁—武山—天水蛇綠巖帶的西延部分。而這一時期，西秦嶺處于多個小洋盆與微板塊擠壓、俯沖的構造背景，使得研究區火山巖具有了特殊的地球化學特征。

5 結 論

(1)在合作地區德烏魯、扎油溝口火山巖中獲得鋯石U-Pb年齡分別為(237.7±1.9)Ma、(234.8±2.1)Ma，表明研究區火山巖形成于晚三疊世早期。

(2)合作地區火山巖具相對較高的Al2O3、MgO和較低的TiO2，K2O/Na2O>0.5，屬于富鉀高鋁高鎂鈣堿性系列，反映活動大陸邊緣火山巖的特點。

(3)合作地區火山巖與原始地幔比較，Rb、Ba、Th、U、La、Ce、Sr元素強烈富集，Ti、Y、Yb等元素略顯富集，標準配分型式與克拉通內部或邊緣的鉀質火山巖接近?；鹕綆r稀土元素總量偏低，LREE/HREE值為6.79～17.15，輕重稀土元素分餾明顯。δEu為0.76～0.86，略顯負銪異常。指示火山巖可能源于曾經歷過交代作用的巖石圈板塊的富集地幔，成巖過程或成巖后有殼源物質的強烈混染。

(4)中三疊世晚期至晚三疊世早期，揚子板塊與華北板塊開始發生碰撞，兩大板塊間小洋盆與微板塊之間出現強烈的擠壓、俯沖。在后碰撞松弛階段，發生了強烈的殼幔物質的交換和巖漿上升。多次的碰撞擠壓-后碰撞松弛運動，在區域上形成了一系列晚三疊世不同時間段的火山巖。

致謝：本文的研究工作得到了甘肅省地質調查院李通國教授級高級工程師、丁仨平教授級高級工程師及中國地質科學院勘探技術研究所吳紀修博士的多次指導，在此一并表示最誠摯的感謝！