新元古代-早古生代地壳的增生和演化
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发布时间：2022-04-24 09:24
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时间：2023-10-09 08:52
北秦岭壳源岩石（沉积岩、变沉积岩和花岗岩类）在Nd模式年龄方面，除2.2～1.8Ga范围内的样品集中分布区外，另一个样品集中分布区为1.4～0.8Ga，表明中元古代晚期至新元古代早期为北秦岭的第二个地壳强烈增生期。迄今在北秦岭尚未发现Nd模式年龄小于0.8Ga的岩石，甚至1.3～0.9Ga也是该区变镁铁质火山岩和侵入岩Nd模式年龄的集中分布区（张宏飞等，1995；张本仁等，1996）。这一事实说明北秦岭真正由地幔派生物质增生地壳的过程基本止于大约0.8Ga前，并且1.3～0.8Ga期间也是幔源岩浆强烈活动形成地壳的时期。该区大量幔源火山岩系，例如宽坪群变拉斑玄武岩（1015～1142Ma）、侵位于秦岭群底部的变镁铁质岩石（822～978Ma）、丹凤群变玄武岩（984±67Ma）、二郎坪群变基性火山岩（708±63～822±80Ma）（张宗清等，1994，1996），甚至松树沟蛇绿岩片中的MORB型变拉斑玄武岩（1000～1252Ma，李曙光，1997）等的Sm-Nd等时线年龄都集中于这一时期，就是很好的证据。虽然，该区也有形成于0.8Ga后的镁铁质岩石，例如形成于402Ma前的垃圾庙苏长-辉长岩，但是它们却具有0.99～1.18Ga的Nd模式年龄（李曙光等，1993），就说明形成这些岩石的岩浆并非当时直接由地幔派生，而应为壳内物质重熔产物。
至于这一期间地壳增生的方式，研究表明，既有板块会聚带活动*边缘地壳侧向增生的明显记录，又有幔源岩浆底侵垂直增生的地球化学线索。
9.1.3.1 侧向增生的地质-地球化学记录
多数研究者一般认为北秦岭在早古生代具有华北板块活动*边缘的发展历史，但是在商丹缝合带中却产出新元古代早晚不同时期形成和侵位的蛇绿岩——松树沟蛇绿岩（983Ma，李曙光等，1991b）与商州-夏馆蛇绿岩（832Ma，姜长义等，1997）。同时，在商丹缝合带北侧及北秦岭古元古代秦岭群基底上，还拼接和叠加着以下形成于不同时期和具有不同地球化学特征的岩石组合或岩套。
（1）新元古代早期丹凤群火山岩系（以变玄武岩为主），为商丹断裂带北缘的主要组成部分，其变玄武岩具有984±36Ma的全岩Sm-Nd等时线年龄（张宗清等，1996），与松树沟蛇绿岩的侵位年龄相近。经地球化学研究一致鉴别为岛弧火山岩（孙勇等，1988；张本仁等，1994；薛锋和张国伟，1993；张成立等，1994；周鼎武等，1995b；张旗等，1995）。
（2）新元古代晚期具岛弧地球化学特征的富水镁铁质岩侵入体（761Ma和561Ma，严正富等，19；张泽军1991），以及稍后形成的花岗岩类，其中年龄稍老的德河岩体（794±30Ma），属于S型花岗岩，显示同碰撞型花岗岩的地球化学特征（游振东等，1991b；张本仁等，1994），而形成较晚的蔡凹和黄柏峪花岗岩类，年龄分别为659±50Ma和670±40Ma，属于I型花岗岩，并具有岛弧花岗岩的地球化学特征（张宏飞等，1993）。这些岩体均侵入于秦岭群中。
（3）早古生代出露于商丹主缝合带北侧的秦王山-垃圾庙辉长-辉绿岩岩体，已经获得了402.6±17.4Ma的全岩Sm-Nd等时线年龄（李曙光等，19），根据地球化学特征被证明形成于岛弧或活动*环境（李曙光等，1993；周鼎武等1995b；韩松等1993）。
（4）早古生代S型漂池和安吉坪花岗岩（485～452Ma），具有同碰撞型花岗岩的地球化学特征（游振东等，1991b；张本仁等，1994，2002），以及具有I型花岗岩基本特征的花岗岩类，诸如，灰池子、大凹、太白等大型侵入体及丹凤地区的石门、许庄、枣园等小型岩体等，岩石的年龄介于444～380Ma（尚瑞钧等，1988；张本仁等，1994）。岩石地球化学研究一致证明，这些花岗岩类具有火山弧型的特征。它们多数侵入于秦岭群中，少数见于二郎坪群中（张本仁等，1994；张国伟等，2001）。
（5）新元古代晚期—早古生代二郎坪群火山-沉积岩系，分布于秦岭群北面，即弧后地区。对该群下部火山岩已获得708±63～822±80Ma的全岩Sm-Nd等时线年龄（张宗清等，1994），在上部块状熔岩之上的硅质岩中发现了时代属早、中奥陶世的牙形石类和放射虫类微体化石（孙勇等，1996）。根据变基性火山岩由具有岛弧型化学特征的玄武岩和MORB型化学特征的岩石的共同组成，以及变碎屑岩具有弧后沉积的地球化学特征，一致认为该火山-沉积岩套为弧后盆地中的产物（张本仁等，1994；夏林圻等，1991，邱家骧和张珠福，1994，1996；孙勇等，1996）。
特别有意义的是，近年研究取得了以下两方面的进展：其一是，较有根据地证明了丹凤群火山岩系属于洋内岛弧组成，在地球化学特征上，可同阿留申、新不列颠等洋内岛弧的玄武岩相对比，即玄武岩地幔源区基本无陆源沉积物污染（图9-2和图9-3）（张旗等，1995；张本仁等，2002），而垃圾庙苏长-辉长岩则显示安第斯型陆缘弧玄武质岩石的地球化学特征，岩石的地幔源区中有陆源沉积物的明显加入（图9-4）（李曙光，1993，1997），表明两者产出条件不同，也不可能为同时代和同源岩浆的产物。其次是，通过大比例尺详细填图发现了早古生代苏长-辉长岩侵入于丹凤群火山岩中的确凿接触关系（周鼎武等1995b；韩松等1993），这同样排除了以往认为的丹凤群玄武岩与垃圾庙苏长-辉长岩属于同时代岩浆产物的关系。
图9-2 丹凤群变玄武岩Th/Yb-Ta/Yb图解
（据Pearce，1983，引自张旗等，1995）
DM：亏损地幔；MORB：大洋中脊玄武岩；OIB：洋岛玄武岩；TH：拉斑玄武岩；CAB：钙碱性玄武岩；SHO：钾玄岩
○为三十里铺玄武岩；●为郭家沟玄武岩；×为LREE亏损型玄武岩
图9-3 丹凤群玄武岩εNd-Nb/Th、εNd-La/Nb和εNd-Ba/Nb图解
（据李曙光，1994）
基础数据引自张旗等，1995
上述这些新元古代和早古生代岩石组合和岩套及其地球化学特征，不仅能够有力地证明北秦岭在这一段时期内具有活动*边缘的发展历史，而且还暗示着由新元古代至早古生代可能不止一次发生洋壳的俯冲消减作用，应该是一个很漫长的洋陆相互作用过程，其中包括洋内岛弧和*岛弧的形成、可能的两次弧-陆碰撞（根据有两期少量同碰撞型花岗岩），以及陆缘弧和弧后盆地的形成与发展，并反映着北秦岭微陆块的侧向增生（张本仁等，2002）。当然这些构造的细节尚待进一步研究和检验。
9.1.3.2 垂直增生——底侵作用的信息
底侵，也称板底垫托（underplating）是陆壳增生的一种方式。由于底侵岩层位于地壳底部，也较少受构造作用被抬升至地表，因此对它不仅难以进行直接观察研究，甚至通过沉积岩Nd模式年龄也很少可能反映出这种底侵物质。一般只能通过基性火山岩和其中的麻粒岩包体及壳源岩浆岩（如花岗岩类）源区的地球化学示踪进行揭示。底侵岩层的鉴别标志是，位于地壳底部，年龄较上覆岩层晚的镁铁质岩石。下面我们将根据以往的研究（张本仁等，2002），就有关北秦岭中、新元古代过渡期间地壳曾通过幔源岩浆底侵增生的依据问题，做一简略论述。
图9-4 垃圾庙苏长-辉长岩εNd-Nb/Th、εNd-La/Nb和εNd-Ba/Nb图解
（引自李曙光，1997）
前文已经提到，北秦岭最老陆壳基底（秦岭群）中曾有新元古代晚期和早古生代两个时代的花岗质岩浆活动。其中早古生代的岩浆活动规模和强度远大于新元古代的岩浆活动，而且每期岩浆活动，均表现为先形成具有同碰撞型化学特征的S型花岗岩，而后形成岩石为具有岛弧型化学特征的I型花岗岩类。所有这些花岗质岩石（长石）均以显著富集放射成因铅为特征，在Pb同位素比值上均同北秦岭各类基底岩石的Pb同位素比值相接近，表明它们岩浆的源区都限于北秦岭地壳基底岩石的范围内。经地球化学研究证明，两期碰撞型花岗岩均应为秦岭群岩层深熔形成岩浆的结晶产物，因为它们均继承了秦岭群岩层（总体）特有的Pb、Nd、Sr同位素系统（张本仁等，2002）。然而，新元古代（670～659Ma）和早古生代（440～382Ma）岛弧（I）型花岗岩类就不可能以秦岭群为主要源岩。其主要根据为：①新元古代和早古生代花岗岩类的Nd模式年龄介于0.93～1.3Ga之间，平均值为1.183Ga，明显小于秦岭群副片麻岩及其所夹有的斜长角闪岩（1987Ma）的Nd模式年龄（2.02～1.77Ga）；②秦岭群副片麻岩在670Ma和400Ma时（大致相当两期花岗岩类的形成年代）εNd计算值（分别为-8.19和-10.80）明显低于新元古代和早古生代花岗岩类的初始εNd值（分别为+1.12～+2.97和+2.53～-4.45），而87Sr/86Sr计算值（分别为0.7199和0.7366）又显著高于两期花岗岩类的初始87Sr/86Sr比值（分别为0.7041～0.70和0.7055～0.7085）；③秦岭群主体为变质沉积岩系，不可能形成具有I型特征的花岗岩类。秦岭群岩系在Nd和Sr同位素系统及岩性上同花岗岩类源区岩石的需要条件不吻合，排除了它作为此类花岗岩类主要源岩的可能。那么这些花岗岩类的主要源岩究竟是什么呢？
对于这两期的岛弧型花岗岩类的源区与成因类型已有不少的讨论，其中对早古生代岛弧型花岗岩类，尤其灰池子岩体的论述较为详细。诸如，谢红接等（1993）通过Pb、Nd、Sr同位素示踪，结合北秦岭活动*边缘的构造背景，提出灰池子花岗质岩体的岩浆可能是1.0～1.2Ga前自地幔分异出来的岛屿和（或）洋壳玄武岩经高程度部分熔融而形成；张宏飞等（1994）认为新元古代蔡凹和黄柏峪岩体及早古生代灰池子和枣园等岩体的岛弧型花岗岩类的岩浆主要应来自地幔，属于幔壳同熔类型；而陈岳龙等（1995）则根据此类早古生代岛弧型花岗岩在εNd（t）-εSr（t）图解（t=400Ma）中的成分点基本落于秦岭群底部产出的变镁铁质岩石（斜长角闪岩，978Ma）成分区与秦岭群片麻岩成分区之间，提出了这些花岗类岩石是秦岭群变玄武质岩石和片麻岩以不同程度和不同方式部分熔融形成熔体混合的产物，等等。
我们考虑到，新元古代晚期和早古生代两期岛弧型花岗岩类具有相同的0.9～1.2Ga的Nd模式年龄，反映两者均应与北秦岭中新元古代之交的那次地壳增生物质有关。因此，如果认为早古生代的岛弧型花岗岩类是以当时的俯冲洋壳为源，就会遇到1.0～1.2Ga前自地幔分出、且已经是少量新元古代晚期岛弧花岗岩类源区的洋壳（表明那时已发生俯冲），怎么会保存到早古生代再发生部分熔融的问题。同时在εNd（t）-εSr（t）图解（t=400Ma）中，新元古代晚期岛弧型花岗岩类Nd和Sr同位素组成演化到400Ma时的计算值，均与早古生代同型岩石成分点一样分布于秦岭群底部产出的变镁铁质岩石（斜长角闪岩，978Ma）成分区与秦岭群片麻岩（主要为石榴黑云斜长片麻岩）成分区之间，并且多靠近变镁铁质岩石端元（图9-5），表明花岗岩类岩浆主要由变镁铁质岩石部分熔融形成，只是不同岩体的岩浆上侵时受到秦岭群岩层不同程度的混染，造成同位素组成的一定变化。这也同样说明两期岛弧型花岗岩类的源区岩石是同一的。此外，同中新元古代之交地壳增生事件有关的宽坪群和丹凤群基性火山岩系，虽然在Pb、Nd、Sr同位素体系
图9-5 北秦岭新元古代和早古生代岛弧（I）型花岗岩类与有关基底岩石εNd（t）-εSr（t）图解（t=400Ma）
岩体名称代号：ZY—枣园；HBY-CO—黄柏峪-蔡凹；HBC—黄柏岔；SM—石门；HCZ—灰池子；XZ—许庄。QL1—秦岭群黑云斜长片麻岩；QL2—秦岭群石榴黑云斜长片麻岩；QL3—侵位于秦岭群底部形成年龄为978Ma的变镁铁质岩石（斜长角闪岩）.小■、●和▲分别代表QL1、QL2和QL3单个样品的成分点；大■、●和▲分别代表QL1、QL2和QL3的平均成分点上也能与两期岛弧型花岗岩类相接近，但它们的变质作用最高只达低角闪岩相，排除了它们发生部分熔融的可能。综合分析以上资料，可以认为秦岭群底部产出的变镁铁质岩石应为两期岛弧型花岗岩类的最合理的源岩。
秦岭群为北秦岭最老的陆壳基底岩层，迄今在其之下尚未发现更古老的陆壳岩石。鉴于秦岭群的岩石变质已高达高角闪岩相，局部甚至达麻粒岩相，变质过程TPt轨迹研究证明该群变质杂岩应形成于地下约26km深处（游振东等，1991a；刘良等，1996），因此秦岭群曾应是下地壳的组成。于是这种产出于秦岭群底部的镁铁质岩石的主体更应位于下地壳偏下部的部位。再者，这种侵位于秦岭群底部的变镁铁质岩石的形成年龄（978Ma）又远较上覆秦岭群（约2000Ma）年轻。因此，这种岩石很可能是底侵镁铁质岩浆形成的岩层的顶部组成部分，并且这次底侵作用很可能同中元古代晚期至新元古代早期北秦岭发生的强烈地壳增生事件有着紧密联系。
近年，李伍平等（2001）通过元素和同位素地球化学详细研究，提出北秦岭早古生代灰池子岩体花岗岩类具有与adakitic质岩石相似的特征，应是由深部下地壳新元古代玄武质岩石部分熔融形成的adakitic质岩石。这一观点同我们上述得出的该类花岗岩以中、新元古代之交的底侵镁铁质岩石为源的认识不谋而合。
至于北秦岭块体后来通过碰撞造山发生强烈抬升，并由于扬子板块北缘（南秦岭）中、下地壳向北深层滑脱俯冲而垫置于北秦岭上地壳之下，使秦岭群及其以上岩层构成现今北秦岭上地壳，以及原底侵岩层被丢失等的转变过程，将在后面论述。这里仅顺便指出，前面已证明北秦岭具有洋岛成因微陆块的性质，据此推测其延伸应该是有限的，并且本研究表明它向东已经延至大别地区，所以关于它是否还能延伸到东面的苏-鲁地区与西部的西秦岭，是很值得注意的。
