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  中国地质 2020, Vol. 47 Issue (3): 709-724  
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李康宁, 刘伯崇, 狄永军. 2020. 三叠纪西秦岭西北部洋俯冲的记录:来自镁安山岩/高镁安山岩的证据[J]. 中国地质, 47(3): 709-724.  
Li Kangning, Liu Bochong, Di Yongjun. 2020. Triassic oceanic subduction in northwestern West Qinling Mountain: Evidence from Mg andesite and high-Mg andesite[J]. Geology in China, 47(3): 709-724. (in Chinese with English abstract).  

三叠纪西秦岭西北部洋俯冲的记录:来自镁安山岩/高镁安山岩的证据
李康宁1,2, 刘伯崇1, 狄永军2    
1. 甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院, 甘肃 兰州 730050;
2. 中国地质大学 (北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要:三叠纪以来,西秦岭地区构造-岩浆活动极为强烈,中酸性侵入岩呈北西向弧状分布,前人做了大量卓有成效的工作,但对出露较少的火山岩鲜有研究。本次工作选取青海省同仁县麦秀和甘肃省夏河县甘加、德乌鲁3个地区的安山岩,从岩石学、岩石地球化学、年代学等进行分析。结果显示安山岩均属于钙碱性系列,具有富钾火山岩的特征。其中,麦秀安山岩中既有高镁安山岩,也有镁安山岩,而甘加与德乌鲁安山岩属于镁安山岩,为洋壳俯冲作用形成的两种典型火山岩类型。西秦岭地区安山岩形成时间东早西晚,由西向东安山岩基性程度降低,K2O、Na2O、∑REE等含量增高,MF、FL、DI、La/Sm等值变大,SI、Mg#等值降低,并且呈明显的线性特征,构成同仁—合作镁安山岩(镁闪长岩)岩浆弧组合,和北部隆务峡蛇绿岩带一起,组成岩性分布极性,从而判断出西秦岭西北部在三叠纪存在隆务峡蛇绿岩代表的洋壳板块向南俯冲作用。
关键词镁安山岩    高镁安山岩    俯冲    地质调查工程    西秦岭    青海    
中图分类号:P542.4;P588.14+4            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2020)03-0709-16
Triassic oceanic subduction in northwestern West Qinling Mountain: Evidence from Mg andesite and high-Mg andesite
LI Kangning1,2, LIU Bochong1, DI Yongjun2    
1. Third Institute of Geology and Mineral Exploration of Gansu Bureau of Geology and Mineral Resources, Lanzhou 730050, Gansu China;
2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 10083, China
Abstract: Since the Triassic, tectono-magmatic activity in West Qinling Mountains has been very intense and the intermediate-acid intrusive rocks are distributed in a NW-trending arc. A lot of effective work has been done by previous researchers, but research on volcanic rocks with less exposure remain insufficient. Petrological, geochemical and chronologic analysis was used for andesite in Maixiu County and Tongren County of Qinghai Province and Ganjia and Dewulu areas in Xiahe County of Gansu Province. The results show that andesite belongs to calc-alkaline series and shows the characteristics of potassium-rich volcanic rocks. Maixiu andesite contains both high-magnesium andesite and magnesian andesite, while Ganga and Deuru andesite belongs to magnesian andesite, being two typical types of volcanic rocks formed by oceanic crust subduction. The formation of andesite in West Qinling area occurred early in the East and late in the west. From west to east, andesite in West Qinling Mountain presents the following characteristics:1) The values of SiO2 and alkali decrease; 2) The formation of andesite took place earlier; 3) The values of K2O, Na2O, ∑REE increase; 4) The values of MF, FL, DI, La/Sm is larger; 5) The values of SI, Mg# decrease, with significant linear features. The magmatic arc assemblage of Xiahe-cooperative magnesian andesite (mafic diorite) is composed of Tongren-Hezuo magnesian magmatic arc assemblage and Longwu gorge ophiolite belt in the north. Polarity indicates that the oceanic crust plate represented by Longwu gorge ophiolite subducted southward in the Triassic in the northwestern part of West Qinling Mountain.
Key words: Mg andesite    high Mg andesite    subduction    geological survey engineering    West Qinling Mountain    Qinghai    

1 引言

西秦岭位于华北板块南缘祁连—北秦岭加里东构造带和扬子板块北缘海西构造带的拼结部位,是诸多地块和造山带汇聚交接地带(任纪舜等,1991闫臻,2002冯益民等,2003张旗等,2009)。三叠纪以来的印支运动,奠定了西秦岭地区的构造格局(张国伟等,1995),这一时期西秦岭岩浆活动强烈,火山岩发育,并产出有金、银、铜、铅、锌、钼等大量矿产资源。这些岩浆事件不仅是中生代复杂的俯冲-碰撞造山过程的重要记录,也是西秦岭地区乃至中国大陆中央造山带地质构造演化的深部动力学机制和背景的重要指示,并对成矿规律研究和指导矿产勘查具有实际意义。

西秦岭在印支期可能受到特提斯构造域以及环太平洋构造域远程效应的共同作用(殷勇等,2009),构造演化极为复杂,争议较大,主要聚焦于三点:一是进入三叠纪以来西秦岭有无洋盆:任纪舜等(1980, 1995)、冯益民等(2003)张国伟等(2001, 2004)、车自成等(2017)认为,处于华北板块与扬子板块之间的秦、祁、昆结合带的古特提斯洋在三叠纪之前已经闭合,三叠纪进入板内演化阶段。多数学者(潘国强等,1997潘桂棠等, 1997, 2016王清晨等,1998张克信等,2001Liu et al., 2011)均主张秦祁昆古特提斯洋在三叠纪才趋于闭合消亡,但洋盆闭合时限问题争议较大:刘树文(2011)则认为印支期勉略洋向北俯冲,并于248~216 Ma闭合;姜耀辉(2010, 2012)、秦江峰(2011)则认为秦岭造山带在晚三叠世Caiman阶段还处于活动大陆边缘环境,中国南北大陆的碰撞始于晚三叠世Norian阶段(~211 Ma)。第三个焦点是对于古洋盆俯冲方向认识不一,绝大数学者倾向于扬子地块与华北地块之间的特提斯洋向北俯冲,以勉略蛇绿岩的发育为标志。但是最新的侵入岩大地构造图(邓晋福等,2016)显示,研究区所在的西秦岭西北段更靠近同仁—武山—天水蛇绿岩带,这条蛇绿岩带所代表的洋在武山—天水一带为向南俯冲,西秦岭西段同仁—合作一带是否也具有这种趋势?显然,这些问题的解决均依赖于本区的岩浆事件。

高镁安山岩(HMA)、镁安山岩(MA)为与洋俯冲作用相关的两类典型的火成岩类型(邓晋福等,2010),一般认为产于洋俯冲带上面的弧盆系内,高镁安山岩是俯冲带上面的楔形地幔在俯冲洋壳放出H2O的条件下发生局部熔融的产物;镁安山岩则是俯冲洋壳脱水熔融产生的岩浆与上覆楔形地幔发生相互作用后形成的岩浆。它们比普通的岛弧安山岩具更高的Mg#值、MgO、Cr、Ni和较低的Al2O3和CaO含量及FeOT/MgO比值(甘成势等,2016)。本文选取西秦岭西北部具特殊构造意义的高镁安山岩、镁安山岩进行研究,从岩石组合与区域变化、年代学、地球化学特征等方面进行讨论。

2 地质背景

研究区位于西秦岭西北部甘、青交界处夏河—同仁一带(图 1a)。区域上出露的地层主要为早中三叠世果木沟组、江里沟组、古浪堤组,早三叠世果木沟组、江里沟组为半深海浊流沉积,而中三叠世古浪堤组则变为陆棚浅海-河流三角洲沉积(闫臻等,2008),为一套退积型海相复理石建造。各个时期的砂岩碎屑组成具有相似性,沉积物源主要来自研究区北部中秦岭隆起的增生杂岩及陆缘弧,是一套形成于活动大陆边缘背景的碎屑沉积组合,呈现出安第斯型大陆边缘弧前沉积的特征(Taylor et al., 1985邓晋福等,2007)。

图 1 西秦岭同仁—合作地区岩浆岩分布图(据冯益民等,2002修改) 1—新近系、第四系;2—白垩系;3—晚三叠世火山岩;4—三叠系;5—石炭系、二叠系;6—花岗岩;7—蛇绿岩;8—断裂;9—岩体名称及年龄;10—地名;11—采样点;12—武山南英云闪长岩—奥长花岗岩-花岗闪长岩岩浆弧;13—同仁—岷县花岗岩—花岗闪长岩岩浆弧;14—同仁—武山—天水蛇绿岩 Fig. 1 The distribution of magmatic rocks in Tongren-Hezuo area of West Qinling Mountain (modified from Feng Yiming et al; 2002) 1-Neogene and Quaternary; 2-Cretaceous; 3-Late Triassic volcanic rocks; 4-Triassic; 5- Carboniferous and Permian; 6-Granite; 7-Ophiolite; 8- Fault; 9-Rock body name and age; 10-Place name; 11-Sampling point; 12-South Wushan quartz-dolomitic diorite-syenite-granodiorite magmatic arc; 13-Tongren-Minxian granite-granodiorite magmatic arc; 14-Tongren-Wushan-Tianshui ophiolite

西秦岭北部侵入岩呈弧形北西向展布,以石英闪长玢岩、花岗闪长岩组合为主,也有少量花岗斑岩、英云闪长岩分布,其化学成分与火山岩相当,均属钙碱性系列。多呈岩株、岩脉分布。岩石组合类似于陆缘弧或洋内岛弧的火成岩构造组合(邓晋福等, 2007, 2015),侵入岩时代集中在210~250 Ma(图 1b)。花岗质侵入岩的形成来源于古元古——中元古代基性下地壳的部分熔融及俯冲沉积物熔体——地幔楔的相互反应(徐学义等,2014黄雄飞,2016)。

3 样品特征与测试方法

本次分析的样品主要取自甘青交界的青海同仁县麦秀、甘肃夏河县甘加以及合作市德乌鲁岩体东部一带的火山岩(图 1b),主要岩性有辉石安山岩、角山安山岩、杏仁状安山岩等(表 1)。

表 1 西秦岭安山岩主量元素(%)、微量元素(10-6)含量及主要参数 Table 1 The content of major elements (%), trace elements (10-6) and main parameters of andesite in West Qinling Mountain
3.1 火山岩地质特征

麦秀火山岩主要分布于青海省同仁县麦秀—多哇东一带,角度不整合于三叠纪砂板岩之上,火山岩岩石组合主要为玄武岩、玄武安山岩、安山岩、英安岩等。局部地区火山碎屑岩与陆源碎屑岩互层,偶夹煤线,可见植物化石Cladophlebis.sp.,(cf. kaoiana Sze)。

甘加火山岩主要分布于甘肃省夏河县西北侧甘加一带,角度不整合于早、中三叠世地层之上,主要岩石组合为安山岩、流纹岩、英安岩、熔结凝灰岩、火山角砾岩、集块岩等。

德乌鲁火山岩主要分布于德乌鲁岩体和美仁岩体之间,与下二叠统呈角度不整合接触,德乌鲁花岗闪长岩体与其呈侵入接触关系,以中酸性的安山岩、英安岩、流纹英安岩为主,局部见中酸性火山碎屑岩,以熔结凝灰岩居多,火山角砾岩次之。

3.2 安山岩岩石学特征

辉石安山岩:主要分布于青海省同仁县麦秀地区。灰黑色,斑状结构,块状构造,主要由斑晶(30% ~50%)和基质(50%~70%)组成。斑晶主要为斜长石、辉石、角闪石;其中辉石为短柱状,长轴0.2~2 mm,体积百分比10%~20%,多已蚀变为绿泥石、阳起石;基质具交织结构,主要为斜长石、绢云母、绿泥石等。

角闪安山玢岩:主要分布于甘、青交界多哇乡—甘加乡一带。灰黑、灰绿色,斑状结构,块状构造,主要由斑晶(20%~40%)和基质(60%~70%)组成。斑晶主要为斜长石和角闪石组成;角闪石呈长柱状,长轴0.24~1.6 mm,体积百分比10%~20%,部分角闪石已蚀变为绿泥石;基质具交织结构,成分主要为斜长石、绢云母、绿泥石等。

杏仁状安山岩:主要分布于甘肃省合作市德乌鲁一带,灰绿色,斑状结构,基质具交织结构,气孔-杏仁构造。气孔形态以长条形、椭圆形为主,具定向性,大小在0.1~0.5 mm,体积百分比约10%,斑晶为斜长石(中长石),具环带结构,体积百分比20%~30%,长轴主要介于0.15~0.6 mm;大多数斜长石被次生物绢云母和方解石集合体完全交代,角闪石和辉石微量。基质(70%~80%)具霏细-显微嵌晶结构,主要组成为斜长石、暗色矿物。岩石具较强的绿泥石化、阳起石化。

3.3 测试方法

样品测试由国土资源部中南矿产资源监督检测中心完成。主量元素采用X-射线荧光光谱法(XRF)分析,分析仪器为X荧光光谱仪(型号RIX2100),采GB/T4506.28~93硅酸盐岩石化学分析方法,FeO采用容量滴定法测定,分析精度优于1%且误差小于5%。稀土元素和微量元素采用等离子体质谱法(ICP-MS),仪器为Agi-lent公司等离子体质谱仪(型号Agilent 7500a),分析误差为5%~10%。

锆石U-Pb年代测试工作在西北大学大陆动力学国家重点实验室激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)上完成。采用Plesovice和Qinghu标准锆石作为外标进行基体校正;成分标样采用NIST SRM 612,其中29Si作为内标元素。样品的同位素比值及元素含量计算采用GLITTER_ ver 4.0程序,普通铅校正采用ComPbCorr#3.17校正程序(Andersen,2002),U-Pb谐和图、年龄分布频率图绘制和年龄权重平均计算采用Isoplot/Exver3程序(Ludwig,2003)完成。

样品测试结果见表 1

4 岩石地球化学特征 4.1 主量元素

研究区安山岩SiO2含量52.33%~62.15%,平均57.26%,在经典的TAS火山岩岩石类别判别图解中(图 2),绝大数样点落入安山岩区域,个别样品落在流纹岩区域。由于部分样品的烧失量较高,笔者选择受蚀变作用较弱,活动性不强的高场强微量元素比值进一步对岩石名称提供约束。在Nb/Yb-Zr/TiO2-图解中(图 3),麦秀安山岩绝大多数样品落入安山岩区,以及安山玄武岩界线附近;甘加安山岩落在英安岩与粗安岩的界线附近;德乌鲁安山岩落点较为分散,但也基本在安山岩-英安岩-粗安岩区域。

图 2 安山岩TAS分类图解 (据Le Maitre,1989 Fig. 2 TAS classification of andesite in the study area (after Le Maitre, 1989)
图 3 安山岩Nb /Y-Zr /TiO2-分类图解 (据Winchester,1977 Fig. 3 Nb/Y-Zr /TiO2-classification of andesite in the study area (after Winchester, 1977)

研究区安山岩全碱(Na2O+K2O)变化范围较大,为1.61%~6.17%,平均4.3%,Na2O/K2O比值较大,为0.9%~5.96%,平均1.89%;Al2O3含量较高,为14.72% ~18.48%,平均16.75%;TiO2含量少,为0.58% ~0.83%,平均0.67%;MgO含量1.34%~8.05%,平均3.88%。

研究区火山岩样品在硅碱图中主要落于亚碱性系列,据火山岩碱度率异变图(图 4)可知,研究区火山岩具有钙碱岩浆系列的演化趋势,属于钙碱性系列。在SiO2-K2O图解(图 5)中,样品主要落于中高钾钙碱性-中钾钙碱性区域。

图 4 安山岩AR-SiO2图解 (据Wright,1969 Fig. 4 SiO2-AR diagram of andesite in the study area (after Wright, 1969)
图 5 安山岩SiO2-K2O图解 (据Peccerillo,1976 Fig. 5 SiO2-K2O diagram of andesite in the study area (after Peccerillo, 1976)
4.2 稀土、微量元素特征

安山岩的稀土总量(∑REE)为69.46 × 10-6~207.97×10-6,(La/Yb)N =5.46~22.03,(La/Sm)N =2.85~4.59,(Ce/Yb)N=4.7~16.72,轻重稀土分异不明显;具有Eu负异常,δEu=0.48~~0.93,平均0.76,显示岩浆演化过程中可能存在斜长石分离结晶作用或部分熔融过程中有斜长石的残留。在稀土元素球粒陨石标准化配分型式图解(图 6)上,配分曲线呈右倾型,轻稀土元素(LREE)富集,重稀土相对亏损。

图 6 稀土元素球粒陨石标准化分布型式图 (球粒陨石标准化值据Sun,1989 Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns (after Sun, 1989)

在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 7)中,表现为高场强元素Nb、Ta、P、Ti、HREE等相对亏损,而大离子亲石元素K、Rb、Th等则相对富集。这些特征指示该火山岩源区为来自于斜长石分离结晶后的地壳残余岩浆。Sr强烈负异常表明岩浆发生了明显的斜长石分离结晶作用,P和Ti亏损说明岩浆经历了磷灰石以及钛铁矿等矿物的分离结晶作用或部分熔融过程中有这些矿物的残留。Nb、Ta明显亏损, 形成Nb-Ta谷地,但较浅,与岛弧环境的深谷不同,可能与岩浆源区岩石中陆壳组分的参与有关(夏林圻等,2007)。由于Ba离子与Ca离子的半径相近,Ba可能替代Ca进入钾长石中,随着钾长石在源区的残留,岩石显示了比较明显的Ba亏损。

图 7 微量元素原始地幔标准化蛛网图 (原始地幔标准化值据Sun,1989 Fig. 7 Primitive mantle-normalized trace clement spider diagram (after Sun, 1989)
4.3 安山岩岩浆演化

原生岩浆是指地幔部分熔融形成的未经明显分离结晶作用的原始岩浆,并且在岩浆上升过程中未受到地壳明显混染(路凤香等,2001)。研究区安山岩镁值(Mg#)除1个样品为69.33外,其余均介于32.61~64.67,低于原生岩浆(68~73)(邓晋福等,1987)。麦秀安山岩固结指数(SI)为22.09~44.27,平均31.84,接近(少数样品大于)原始岩浆(SI≥40),岩浆分异程度较差。而甘加安山岩(平均20.89)、德乌鲁安山岩(平均23.65)的固结指数均小于40。安山岩长英指数(FL)为19.72~65.29,铁镁指数(MF)为45.06~79.22,所有样品的长英指数和镁铁指数小于90,表明安山岩岩浆分离结晶作用程度较低。研究区晚三叠世安山岩并非来源于幔源的原生岩浆,而是在岩浆演化过程中发生了明显的熔融、分异以及混染作用。

研究区安山岩中MgO与SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、MF、FL、SI、DI、Mg#、∑REE、La/Sm等都具有明显的相关性。从图 8可看出,随着MgO含量的增高(德乌鲁安山岩(东)→麦秀安山岩(西)),SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、K2O+Na2O、MF、FL、DI、∑REE、La/Sm等含量明显降低,呈线性负相关性;而SI、Mg#等参数随MgO含量的增高而增高,呈现出明显的正相关性。说明研究区岩石在化学演化上是连续的,为同源岩浆演化的结果,并在演化过程中有陆壳物质的参与。

图 8 安山岩主要元素/参数-MgO哈克图解 Fig. 8 Major elements/parameters-MgO Hack diagrams
5 讨论 5.1 安山岩形成时代

本次对甘加安山岩进行了锆石U-Pb测年。锆石为粉色,半自形双锥柱状,晶体长0.01~0.16 mm。部分锆石晶型不完整,棱角显钝,少数晶棱、晶面模糊不清,表明锆石在后期可能遭受了热液溶蚀作用。阴极发光图像(图 9)显示出典型的岩浆韵律环带和明暗相间的条带构造,核幔结构较为清晰,核部颜色较暗,幔部有较清晰的震荡环带,属于岩浆结晶的产物。从CL图像上观察可以看出这些测点多位于明显的岩浆环带上,测年结果代表了岩浆锆石的年龄。安山岩锆石U-Pb谐和图和年龄权重平均值分布图见图 10。安山岩锆石的206Pb/238U数据点基本集中分布在谐和线附近,其下交点年龄为(249±10)Ma,206Pb/238U年龄的加权平均值为(243.3± 2.6)Ma,即可代表火山岩浆喷发时代。

图 9 甘加安山岩锆石阴极发光图像 Fig. 9 Zircon cathodoluminescence photos of Ganjia andesite
图 10 甘加安山岩锆石U-Pb年龄谐和图和206Pb/238 U年龄权重分布图 Fig. 10 Concordia diagram of zircon U-Pb and distributiondiagram of zircon 206Pb/238 U weighted mean ages of Ganjia andesite

青海省地质矿产局在本区火山岩及碎屑岩组采到植物化石Cladophlebis. sp.,(cf.kaoiana Sze),其时代为晚三叠世。李小伟等(2013)获得麦秀安山岩40Ar-39Ar同位素年龄为(234±5)Ma,侵入该套火山岩的马尼库岩体,其Rb-Sr等时线年龄为(220.99±0.83)Ma,锆石U-Pb年龄平均值为(223.0± 1.5)Ma,属于晚三叠世中期。李注苍等(2016)获取的德乌鲁火山岩的锆石U-Pb同位素年龄为(245± 5)Ma,与火山岩相邻产出的德乌鲁花岗闪长岩的锆石U-Pb同位素年龄为(239.2±3.2)Ma,说明德乌鲁火山岩与侵入岩近于同期形成,为中三叠世。综合对比区域测年可知,西秦岭地区三叠纪安山岩喷发时代为234~245 Ma,并具有东早西晚的特点。

5.2 安山岩构造环境

钙碱性安山岩是板块聚敛边缘的典型岩石类型,为活动陆缘环境和岛弧岩浆杂岩的重要组成部分,是洋盆存在的关键证据之一。Condie(1986)对世界上不同板块边缘安山岩进行了详细研究,进一步统计出不同构造环境安山岩的微量元素特征(表 2)。通过对比分析可以看出,研究区安山岩的微量元素组成更接近于安第斯山安山岩,又具有大陆边缘弧的某些特点,尤其是麦秀安山岩。这与安山岩构造环境La/Yb-Th/Yb图解(图 11)的投图的结果基本一致。

表 2 不同构造环境安山岩主要参数(据Condie, 1986; 元素含量单位10-6) Table 2 Andesite in different tectonic settings (after Condie, 1986; unit10-6)
图 11 安山岩构造环境La/Yb-Th/Yb判别图解 Fig. 11 La/Yb-Th/Yb discriminant diagram of tectonic environment of andesite

对比安山岩化学组成特征,研究区绝大多数安山岩为富钾火山岩(Muller et al., 1992)(SiO2=41.6% ~62.1%,Na2O=0.7% ~4.9%,K2O=0.4% ~8.4%,0.4 < K2O/Na2O < 8.9),可按照Muller et al., (1992)提出的联合图解来判别富钾火山岩的产出构造环境。

首先,根据钾质火山岩的成分范围对研究区的火山岩进行筛选,选取其中钾质火山岩进行初步投图(图 12),样品全部落入了大陆弧(CAP)和后碰撞弧(PAP)区域,可以得出研究区钾质火成岩应该形成于大陆弧或后碰撞弧的环境中,与洋弧(IOP+LPO)和板内环境(WIP)无关。在Zr×3-Nb×50-Ce/P2O5图解(图 13)中,绝大多数样品落入了大陆弧(CAP)区域,研究区富钾火山岩(安山岩)的形成环境应该相当于Muller提出的大陆弧(安第斯型),又由于这些样品落点靠近后碰撞弧,说明研究区安山岩弧成熟度较高,具有向后碰撞弧演化的趋势。

图 12 Zr/Al2O3-TiO2/Al2O3判别图 Fig. 12 Zr/Al2O3-TiO2/Al2O3discriminant diagram of tectonic environment
图 13 Zr×3-Nb×50-Ce/P2O5判别图 Fig. 13 Zr×3-Nb×50-Ce/P2O5discriminant diagram of tectonic environment
5.3 安山岩成因机制

研究区安山岩具有低铁钙碱特征,为一类特殊的高镁/镁安山岩,依据识别镁安山岩的SiO2-MgO图解(图 14a)、FeO*/MgO-SiO2图解(图 14b),可以看出,麦秀安山岩既有高镁安山岩,也有镁安山岩,而甘加与德乌鲁安山岩均属于镁安山岩。

图 14 高镁/镁安山岩SiO2-MgO(a)、SiO2-FeO*/MgO(b)判别图解(据邓晋福等, 2010, 2015 HMA—高镁安山岩;MA—镁安山岩;LF-CA—低铁钙碱性系列;CA—钙碱性系列;TH—拉斑玄武系列 Fig. 14 SiO2-MgO(a), SiO2-FeO*(b)/MgO discriminant diagram of HMA/MA (after Deng Jinfu et al., 2010, 2015) HMA—High magnesia andesite; MA—Magnesia andesite; LF-CA—Low iron calc-alkaline series; CA—Calc-alkaline series; TH—Tholeiite series

研究区安山岩稀土元素总量较高,轻稀土元素富集,具负铕异常;微量元素方面,富集大离子亲石元素(Ba、K、Rb等),相对亏损高场强元素(Nb、Ta和Ti),以及相容元素(Cr、Ni、Co等)强烈亏损,表明该火山岩可能产出于陆壳混染的板内构造环境或者与洋壳俯冲作用有关的构造环境(Lassiter et al., 1997Rudnick et al., 2003龙晓平等,2006)。

如果岩浆在上升过程中受到了陆壳物质的混染,则La/Sm比值会迅速增高,一般在5以上(Muller,2000)。研究区除麦秀安山岩中有3个样品La /Sm比值小于5外,其余均大于5,加之微量元素原始地幔标准化配分模式图上较浅的Nb-Ta谷以及与上地壳相似的配分曲线,都说明安山岩在形成过程发生过明显的陆壳混染作用。

另外,富钾火山岩是一类兼具壳幔双重地球化学特征的特殊岩石组合,成岩过程中必须有地壳物质的参与,将地壳物质引入富钾火山岩成岩过程的主要动力机制即是地壳深俯冲作用,俯冲地壳物质析出流体对地幔岩石的交代作用是导致富钾火山岩具特殊地球化学特征的主要原因(O’Connor,1965)。研究区三叠纪富钾安山岩与大别—苏鲁造山带南北两侧晚中生代富钾火山岩具有良好的对应性(邱检生等,2003),表明该区安山岩的形成受到了俯冲洋壳析出流体的交代作用,同时还叠加了俯冲陆壳析出流体的交代作用,是多次富集事件综合作用的结果。

一直以来,人们普遍认为中国南北大陆的拼合是特提斯洋向北俯冲,扬子板块与华北板块碰撞拼接的结果,以勉略蛇绿岩缝合带为标志。但是邓晋福等(2016)最新的侵入岩大地构造图显示,麦秀—甘加—德乌鲁高镁/镁安山岩更靠近同仁—武山—天水蛇绿岩带,其西北侧的隆务峡蛇绿岩(张克信等,2007)为同仁—武山—天水蛇绿岩带西延部分(图 1,Ⅳ-3-2(Oφ))。通过前面讨论,麦秀—甘加—德乌鲁高镁/镁安山岩为洋壳俯冲的产物,其对应的结晶岩石为英云闪长岩、花岗闪长岩组合(图 15)。事实上,在麦秀火山岩周围有大面积的英云闪长岩(斜长花岗斑岩)分布,时代为中三叠世,为岩浆弧外带的典型组合,即同仁—合作TTG岩浆弧(图 1,Ⅳ-3-3-1-1(TTG))。这样就构成了隆务峡蛇绿岩—同仁合作TTG岩浆弧俯冲极性,进一步说明麦秀—甘加—德乌鲁一带高镁/镁安山岩为隆务峡蛇绿岩代表的洋壳板块向南俯冲造成,而不是阿尼玛卿洋壳板块向北俯冲的结果。西秦岭是一条复合型造山带,该造山带是由一系列微板块与许多小洋盆组成的多岛小洋盆,具有多幕俯冲(Yin et al., 2004)。

图 15 安山岩An-Ab-Or图解(据O’Connor,1965 Fig. 15 An-Ab-Or classification diagram of andesite in the study area (after O'Connor, 1965)

西秦岭西北部的洋壳俯冲具有明显的俯冲极性:由西而东,安山岩基性程度降低,安山岩形成时间越早,K2O、Na2O、∑REE等含量增高,MF、FL、DI、La/Sm等值变大,SI、Mg#等值降低,并且呈明显的线性特征。西秦岭安山岩东早西晚的特征,亦与中国南北大陆由东向西、剪刀式拼合相一致(卢欣祥,1998姜耀辉等,2010)。

综上本文认为,研究区高镁安山岩/镁安山岩的形成与隆务峡蛇绿岩代表的洋壳板块的向南俯冲有关,为洋壳俯冲过程中岩浆在不同深度、不同演化阶段的产物,并在上升过程中受到岩石圈地壳物质的同化混染作用。俯冲隧道内的板片-地幔相互作用是形成火山岩地幔源区的关键过程,俯冲地壳物质是形成板块边界火山岩重要的组分来源(代富强等,2015肖庆辉等,2016),俯冲洋壳板片脱水,使地幔楔橄榄岩加水熔融,形成高镁安山质岩浆,通过火山通道溢出地表,最后冷凝结晶形成高镁安山岩;俯冲洋壳板片脱水部分熔融,形成的熔体上升与地幔楔橄榄岩发生反应,形成镁安山质岩浆,溢流出地表冷凝形成的镁安山岩。

6 结论

(1)西秦岭西北段安山岩均属于钙碱性系列,总体高Al2O3,低TiO2。稀土元素中等富集,轻、重稀土元素分馏不明显,具Eu负异常。微量元素中,K、Ba、Th、Rb等大离子亲石元素明显富集,Ta、Ti、Nb、P等高场强元素相对亏损,Nb-Ta谷明显但较浅,岩石的形成受到陆壳混染影响。

(2)西秦岭西北段富钾火山岩(包括高镁安山岩/镁安山岩)具有安第斯型活动大陆边缘弧火山岩的特征,为俯冲洋壳在地幔深部发生高程度部分熔融作用的产物。西秦岭西北段高镁安山岩/镁安山岩的存在,说明在西秦岭西北段一个很长的时间内(249~234 Ma),存在洋壳俯冲作用,至少在晚三叠世早期((234±5) Ma),西秦岭地区的洋盆仍未完全闭合。

(3)本次研究结合区域调查资料,西秦岭西北部不但发育代表洋壳俯冲的镁安山岩/高镁安山岩组合,也发育TTG岩套,从中国侵入岩大地构造图上很容易判读出洋的俯冲方向:即隆务峡蛇绿岩代表的洋壳板块向南俯冲。

注释

❶青海省地质矿产局.1991.多福顿幅、温库河幅区域地质调查报告[R].

致谢: 刘晓箫女士帮助绘制了相关图件,甘肃省地调院黄增宝博士仔细阅读了初稿,并提出许多有益的建议,在此表示感谢。

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