文章编号：1004-0609(2013)05-1417-10
西秦岭天水—党川地区花岗岩的元素地球化学特征及成因
辛宇佳，黄德志，王显莹，刘 震
(中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083)
摘 要：西秦岭天水—党川地区的马家坪二长花岗岩和牛头河群黑云母变粒岩的元素地球化学的研究表明，马家坪二长花岗岩显示强烈的轻、重稀土元素分馏(∑LREE/∑HREE=11.62，w(La)N/w(Yb)N=46.2)，极度亏损重稀土元素以及具有极高的Sr(579×10-6~1 120×10-6)及Ba(2 350×10-6~2 470×10-6)，极低的Y(7.86×10-6~10.2×10-6)及Yb(0.72×10-6~0.98×10-6)，极高的w(Sr)/w(Y)(64.10~132.32)和w(La)/w(Yb)(56.33~75.19)的特点，其地球化学特征同Ⅱ型埃达克岩(C型)相类似，岩浆源于增厚的下地壳部分熔融，与晚三叠世陆内运动有关。而牛头河群黑云母变粒岩的地球化学特征则类似于大陆碰撞型花岗岩，其原岩为造山过程中因地壳部分熔融形成的S型花岗岩，是陆陆碰撞过程中的产物，与早古生代中秦岭和北秦岭与华北克拉通的碰撞密切相关。
关键词：西秦岭造山带；花岗岩；埃达克质岩；大陆碰撞型花岗岩
中图分类号：P588.121 文献标志码：A
Geochemical features and petrogenesis of granites from Tianshui—Dangchuan area in West Qinling orogenic belt, China
XIN Yu-jia, HUANG De-zhi, WANG Xian-ying, LIU Zhen
(College of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The study of the geochemical features of monzogranite in Majiaping and biotite leptynite in Niutouhe Group suggested that these two kinds of granites were formed in different tectonic environments. The monzogranite in Majiaping had strongly fractionated REE, high contents in Sr (579×10-6-1 120×10-6) and Ba (2 350×10-6-2 470×10-6), low contents in Y (7.86×10-6-10.2×10-6) and Yb (0.72×10-6-0.98×10-6), high w(Sr)/w(Y) (64.10-132.32) and w(La)/w(Yb) (56.33-75.19). The geochemical features show that the monzogranite in Majiaping is similar to C-type adakitic rock. It is formed by melting of basaltic lower crust under thickened setting. It is related to intracontinental tectonic movement in Triassic. The geochemical features of biotite leptynite in Niutouhe Group are similar to continental collision granites. Its protolith is S-type granites, which is formed by the melting of the crust in the process of orogenic. It is related to the collision of Middle Qinling and North Qinling terrane and North China Craton.
Key words: West Qinling orogenic belt; granite; adakitic; continental collision granites
秦岭造山带是位于中国大陆中部并夹于华北克拉通及扬子克拉通之间的大陆造山带，研究表明，秦岭造山带是加里东期至印支期的碰撞造山带[1]。秦岭造山带以宝成铁路划分为东、西两段，东段为东秦岭造山带，西段为西秦岭造山带。西秦岭位于甘肃与青海交界，是秦岭造山带的组成部分，它西连东昆仑造山带，北接祁连山造山带，处于古亚洲构造域、特提斯构造域和滨太平洋构造域交汇的特殊地段，是中国中央造山带的关键部位，具有独特的大地构造位置[2]。西秦岭中、新生代火山作用是秦岭地区自中生代以来经历复杂的俯冲碰撞-陆内叠复造山过程的重要指示，也承载了西秦岭地区乃至中国大陆东西和南北地质构造演化的深部动力学机制和背景的大量信息[3]。
西秦岭至少经历了4个重要的地质演化阶段(构造旋回)[4-5]：1) 晋宁运动南北大陆对接碰撞和原始中国古陆的形成。其时西秦岭与东秦岭为同一个复合造山带；2) 中国古陆的裂解及古生代—早三叠纪古特提斯洋的形成。其时西秦岭属古特提斯洋的一部分；3) 三叠纪末的印支运动，特提斯海消亡，南北大陆再次对接碰撞，西秦岭褶皱造山；4) 晚中生代—新生代西秦岭的陆内造山作用，主要以强烈的夷平作用和一系列近南北向的中、新生代断陷盆地的形成为特征。根据高原夷平面的发育情况以及中、新生代断陷盆地的特征，推测晚中生代—新生代西秦岭的陆内造山作用与印度板块与欧亚大陆的碰撞和青藏高原的强烈隆升有关[6]。
目前，对于东秦岭造山带研究较多，在造山带构造格局、岩石圈结构特征、高压-超高压变质作用及其地球动力学机制等方面取得了令人瞩目的成果[7]，而西秦岭地区由于交通及地形的限制，研究相对较薄弱。前人的研究主要集中于西秦岭地区关子镇蛇绿岩套及具有缝合线意义的勉略带等地区，对于西秦岭地区的花岗岩的研究则相对较少。因此，对西秦岭地区花岗岩进行详细系统地研究，对于确定西秦岭造山带的构造演化以及东、西秦岭造山带的对比具有重要意义。
图1 西秦岭天水-党川地区地质简图[8]
Fig. 1 Simplified geological map of Tianshui-Dangchuan Area in West Qinling[8]
1 地质背景简述
本次的研究区域在地理位置上位于甘肃省天水市党川县至张家川县之间(见图1)；在构造位置上处于西秦岭造山带内。该区的北侧以宝鸡—天水断裂为界与祁连造山带的东段相邻，南侧—西南侧为北西西向的唐藏—天水断裂，该断裂被认为是东秦岭地区商丹断裂的西延，在天水以西尖灭，并与祁连山南缘断裂相接[8-12]。
研究区出露的前寒武纪基底岩系为古元古代秦岭岩群，该岩群受到高角闪石相的变质作用，主要由含石榴石黑云斜长片麻岩组成，含少量斜长角闪岩、大理岩和变粒岩等[13]；显生宙地层主要为早古生代牛头河群、舒家坝群和草滩沟群(二郎坪群)及中生代陆相砂砾岩。
研究区域内的党川地区花岗岩类岩石广泛分布，它们主要侵位于秦岭岩群和草滩沟群中。党川地区花岗岩先前称之为党川复式岩体[13]，根据近期的研究，党川复式岩体“解体”为7个岩体，分别为：吴砦岩体、秦岭大堡岩体、石门岩体、太碌岩体、党川岩体、火炎山岩体及百花岩体[14]，其中，吴砦、大堡、石门为中生代岩体，而太碌、党川、火炎山百花则为早古生代岩体。
本文作者研究的两组样品分别采自天水以北的牛头河群中的黑云母变粒岩及花庙南部马家坪附近的二长花岗岩(以下简称马家坪二长花岗岩)。牛头河群中的黑云母变粒岩主要由斜长石、石英和黑云母组成，黑云母富集成带；马家坪二长花岗岩位于党川岩体南部，主要由石英、斜长石及钾长石组成，暗色矿物主要为黑云母，粗粒结构，块状构造。
2 样品采集和分析方法
样品的采集是沿着公路进行的，共采集样品12个。采集的样品大多新鲜无风化，少部分样品表面有轻微风化。经薄片鉴定后，送样进行分析测试。岩石主量、稀土、微量元素化学分析均在国土资源部中南矿产资源监督检测中心进行测试，主量元素采用X射线荧光光谱仪(XRF)法分析，分析精度优于1%；稀土及微量元素用等离子体质谱仪(ICP-MS)分析，分析精度优于5%，分析结果列于表1和2。
3 结果
3.1 主量元素
马家坪二长花岗岩及牛头河群黑云母变粒岩的主量元素数据见表1。
表1 马家坪二长花岗岩和牛头河群黑云母变粒岩主量元素数据
Table 1 Major element compositions of Majiaping monzogranite and Niutouhe Group biotite leptynite (mass fraction, %)
表2 马家坪二长花岗岩和牛头河群黑云母变粒岩微量及稀土元素成分
Table 2 Trace and rare earth element compositions of Majiaping monzogranite and Niutouhe Group biotite leptynite (10-6)
由表1可见，马家坪二长花岗岩的w(SiO2)为68.14%~69.92%，SiO2含量较高。w(K2O) 为4.21%~ 4.53%，w(Na2O) 为4.29%~5.57%，w(Na2O+K2O) 为8.8%，富碱，K2O与Na2O的含量相差不大，w(Na2O)/w(K2O)= 1.01，略显富Na。马家坪二长花岗岩的w(Al2O3)为15.08%~15.36%，Al2O3含量高，铝指数A/CNK= 0.97~1.03，平均0.99<1.1，样品在ANK—ACNK图解(见图2)中基本位于偏铝质区域内，表明马家坪二长花岗岩为偏铝质岩石。马家坪二长花岗岩的里特曼指数σ为2.84~3.07，均小于3.3，属钙碱性系列。牛头河群黑云母变粒岩的w(SiO2)为69.3%~ 71.17%，SiO2含量很高，具有秦岭地区新元古代早期花岗岩高SiO2含量高的特点。牛头河群黑云母变粒岩A/CNK比值(分子数比值)明显大于1.1，且在ANK—ACNK图解均落入过铝质区域中(图2)，属过铝质岩石。样品的w(K2O)/w(Na2O)大于1，说明样品相对富集K。样品的w(Al2O3)/w(Ti2O)比值较小，小于67，而w(CaO)/w(Na2O)比值较大，明显大于0.3，样品的w(MgO)/w(TFeO)为0.24，w(MgO)/w(MnO)为15.57，w(Al2O3)/w(Na2O+K2O)为2.29，大于1.1，类似于“高温型”碰撞带花岗岩类岩石的成分特点，样品的σ值(里特曼指数)平均为1.42，明显小于3.3，属钙碱性岩系。
主量元素对比可以看出，马家坪二长花岗岩的Al2O3及Na2O+K2O含量明显偏高，Na、K含量相差不大，而牛头河群的黑云母变粒岩的SiO2含量很高，并明显富钾，二者均为钙碱性岩石，但马家坪二长花岗岩为偏铝质，牛头河群黑云母变粒岩则为过铝质。
图2 ANK—ACNK图解
Fig. 2 ANK—ACNK diagram
3.2 微量及稀土元素
马家坪二长花岗岩及牛头河群黑云母变粒岩的微量及稀土元素数据见表2。
从马家坪二长花岗岩及牛头河群黑云母变粒岩的微量元素分布图(见图3和4)上可以看出，在微量元素组成上，马家坪二长花岗岩和牛头河群黑云母变粒岩均富集La、Th、K等大离子亲石元素，而贫P、Ti、Nb、Ta等高场强元素，Ti、Nb、Ta的亏损为典型的“TNT异常”，显示二者可能形成于岛弧环境或可能存在某种构造热事件(拆沉作用或底侵岩浆作用)[15-16]。两者不同的是马家坪二长花岗岩具有极高含量的Sr(579× 10-6~1 120×10-6)和Ba(2 350×10-6~2 470×10-6)，而牛头河群黑云母变粒岩则明显的贫Sr和Ba。马家坪二长花岗岩的Y(7.86×10-6~10.2×10-6)和Yb(0.72× 10-6~0.98×10-6)含量极低，w(Sr)/w(Y)(64.10~132.32)和w(La)/w(Yb) (37.97~50.69)极高，这也明显地区别于牛头河群黑云母变粒岩。
在稀土元素组成上，马家坪二长花岗岩和牛头河群黑云母变粒岩的稀土元素总量均较高(分别为227.9×10-6和233.9×10-6)，从稀土元素球粒陨石标准化分配图(见图5和6)可以看出，二者均为明显的轻稀土元素富集型，所不同的是马家坪二长花岗岩更强烈的亏损重稀土元素，其∑LREE/∑HREE= 11.62(远大于地球平均值1.15)及w(La)N/w(Yb)N=46.2，远大于牛头河群黑云母变粒岩的∑LREE/∑HREE=4.26和w(La)N/w(Yb)N=9.83，显示更加强烈的轻重稀土元素分馏的特征。马家坪二长花岗岩δEu=0.93，铕异常不明显，而牛头河群黑云母变粒岩δEu为0.5，铕具负异常。
图3 马家坪二长花岗岩球粒陨石标准化后的微量元素分布图[17]
Fig. 3 Chondrite-normalized trace elements patterns for Majiaping monzogranite (Chondrite data from Tompson, 1982) [17]
图4 牛头河群黑云母变粒岩球粒陨石标准化微量元素分布图[17]
Fig. 4 Chondrite-normalized trace elements patterns of Niutouhe Group biotite leptynite (Chondrite data from Tompson, 1982) [17]
图5 马家坪二长花岗岩球粒陨石标准化后的稀土分布模式图[17]
Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns for Majiaping monzogranite (Chondrite data from Taylor et al., 1985)[17]
图6 牛头河群黑云母变粒岩球粒陨石标准化稀土分布模式图[17]
Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns for Niutouhe Group biotite leptynite (Chondrite data from TAYLOR et al, 1985)[17]
4 讨论
天水-党川地区马家坪二长花岗岩和牛头河群黑云母变粒岩主量元素及微量稀土元素的差异，反映它们可能有着不同的成因或岩浆源区组成。
马家坪二长花岗岩具有强烈的亏损重稀土元素，极高含量的Sr(579×10-6~1 120×10-6)及Ba(2 350× 10-6~2 470×10-6)，极低含量的Y(7.86×10-6~10.2× 10-6)及Yb (0.72×10-6~0.98×10-6)，极高的w(Sr)/ w(Y) (64.10~132.32)和w(La)/w(Yb)(56.33~ 75.19)，略富Na，富Al2O3等特征，这与近年来广泛受关注的埃达克岩的特征(w(SiO2)≥56.0%，富Na，w(Na2O)/w(K2O)≥1，w(Al2O3)≥15.0%，亏损Y和重稀土元素，w(Y)≤18×10-6，w(Yb)≤1.9×10-6，高Sr，很少≤400×10-6，w(La)/w(Yb)≥10.0~20.0，w(Sr)/w(Y)≥40.0[17-19])极其相符。在w(La)/w(Yb)N—(Yb)N和w(Sr)/w(Y)—w(Y)图解(见图7和8)上，马家坪二长花岗岩均落入埃达克岩的范围内，表明其应具有埃达克岩的地球化学属性，而其所具有的Na、K含量相当，略富Na(w(Na2O)/w(K2O)=1.01)以及低Mg#(Mg#=34.3＜50.0)的特征，显示马家坪二长花岗岩明显区别于由俯冲板片的熔融形成的Ⅰ型埃达克岩(O型)，基本与Ⅱ型埃达克岩(C型)相类似，在Mg#—w(SiO2)图解(见图9)中，马家坪二长花岗岩均落入地壳来源的Ⅱ型埃达克岩 (C型)区域内，显示其形成与增厚的下地壳的熔融有关[21-23]。
马家坪二长花岗岩的地球化学特征显示，其岩浆源区应残留有石榴石且部分熔融的压力很高(高Sr，低Y及HREE)，而没有或很少斜长石(Eu异常不明显)，而高Al和Na且偏铝质的特征显示其源区岩石应为玄武质岩石组成[26-29]，因而其应为造山作用晚期后碰撞阶段因幔源岩浆的底侵作用导致地壳增厚而使地热梯度增大导致新底侵玄武质岩石部分熔融所形成。
图7 w(La)N/w(Yb)N—w(Yb)N构造环境判别图[24]
Fig. 7 w(La)N/w(Yb)N—w(Yb)N discrimination diagrams for tectonic settings[24]
图8 w(Sr)/w(Y)—w(Y) 构造环境判别图[25]
Fig. 8 w(Sr)/w(Y)—w(Y) discrimination diagrams for tectonic settings[25]
图9 Mg#—w(SiO2) 构造环境判别图[31]
Fig. 9 Mg#—w(SiO2) discrimination diagrams for tectonic settings[31] (Mg#=100n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe)])
图10 w(Nb)—w(Y)构造环境判别图[32-34]
Fig. 10 w(Nb)—w(Y) discrimination diagrams for tectonic settings[32-34]
图11 w(Rb)—w(Yb+Nb)构造环境判别图[32-34]
Fig. 11 w(Rb)—w(Yb+Nb) discrimination diagrams for tectonic settings[32-34]
图12 R1—R2构造环境判别图[17]
Fig. 12 R1—R2 discrimination diagrams for tectonic settings[17]
牛头河群黑云母变粒岩在(La/Yb)N—(Yb)N和w(Sr/Y)—w(Y)图解(见图7和8)中，落入了经典岛弧岩石的范围内，显示其原岩形成可能与弧环境有关。其主量元素特征显示，牛头河群黑云母变粒岩原岩可能形成于碰撞环境。牛头河群黑云母变粒岩微量元素的标准化图解的显著特征是元素Ba、Nb、Sr、P、Ti显示明显负异常，Nb的负异常反映该花岗岩更具大陆壳的特征，推测样品应为具大陆弧背景的造山花岗岩[30]，Sr和Ba的异常可能是岩浆演化早期斜长石的结晶分离的结果。根据w(Nb)—w(Y)及w(Rb)—w(Yb+Nb)及R1—R2图解(见图10、11和12)可发现，牛头河群的黑云母变粒岩均落入同碰撞花岗岩(Syn-CLOG)和火山弧花岗岩(VAG)区域内；而根据w(FeOt)/w(FeOt+ MgO)—w(SiO2)、w(FeOt)—w(MgO)及w(FeOt+MgO)—w(CaO)图解(见图13、14和15)可见，牛头河群黑云母变粒岩基本都落入IAG+CAG+CCG(造山环境)区域内，而根据其A/CNK比值大于1.1可知，牛头河群黑云母变粒岩的原岩应属CCG类花岗岩，即大陆碰撞花岗岩[29]。
图13 w(FeOt)/w(FeOt+MgO)—w(SiO2)构造环境判别图[35]
Fig. 13 w(FeOt)/w(FeOt+MgO)—w(SiO2) discrimination diagrams for tectonic settings[35]
图14 w(FeOt)—w(MgO)构造环境判别图[35]
Fig. 14 w(FeOt)—w(MgO) discrimination diagrams for tectonic settings[35]
图15 w(FeOt+MgO)—w(CaO)构造环境判别图[35]
Fig. 15 w(FeOt+MgO)—w(CaO) discrimination diagrams for tectonic settings[35]
结合各图解及主量稀土微量元素特征可知，牛头河群黑云母变粒岩的原岩为过铝质的钙碱性花岗岩，形成于大陆碰撞环境，可能为造山过程中因地壳中碎屑沉积岩类部分熔融而形成的S型花岗岩[36-37]，为造山过程的产物。
由前人资料可知，牛头河群黑云母变粒岩的时代大致为早古生代[13]。在早古生代，由于南华纪裂解作用而从扬子克拉通北缘裂离的中秦岭和北秦岭同向南漂移的华北克拉通相拼贴[1]，牛头河群黑云母变粒岩则是在中秦岭和北秦岭同华北克拉通碰撞过程中形成的，是陆陆碰撞过程中造山作用的产物。而马家坪二长花岗岩前人资料中并未详述其形成时代，但通过同党川地区出露的各种花岗岩体对比可知，其形成时代应与秦岭大堡岩体相近，秦岭大堡岩体的Rb-Sr等时线年龄为212 Ma(晚三叠世)[14]。在早、中三叠世，扬子克拉通与已于早古生代统一的华北-北秦岭-中秦岭地块相拼合，晚三叠世，整个秦岭造山带已进入陆内发展阶段，产生大规模推覆和滑移[1]，马家坪二长花岗岩可能就是于此过程中因地壳增厚而使下地壳部分熔融所形成的。
5 结论
1) 马家坪二长花岗岩具有Ⅱ型埃达克岩(C型)的地球化学特征，是造山作用晚期后碰撞阶段地壳增厚而使地热梯度增大导致新底侵玄武质岩石部分熔融形成的，地壳的增厚则与晚三叠世秦岭造山带陆内大规模推覆和滑移有关。
2) 牛头河群黑云母变粒岩属大陆碰撞花岗岩，可能为造山过程中因地壳中碎屑沉积岩类部分熔融而形成，其形成与早古生代中秦岭和北秦岭同华北克拉通强烈碰撞相关联，是陆陆碰撞过程中造山作用的产物。
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(编辑 何学锋)
基金项目：中国地质调查局资助项目(1212011120157)
收稿日期：2012-09-20；修订日期：2013-03-25
通信作者：黄德志，副教授，博士：电话：13687340390；E-mail:dzhuang_01@163.com
