SUBDUCTION OF BACK-ARC BASIN AND RECYCLING OF CRUSTAL SUBSTANCE IN NORTHERN QINLING: GEOCHEMICAL EVIDENCE OF TAOYUAN INTRUSION AND HUANGGANG INTRUSIVE COMPLEX
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摘要: 对桐柏北部加里东期桃园岩体和黄岗杂岩体的地球化学研究表明, 桃园岩体形成于与洋壳消减作用有关的弧后盆地环境, 与二郎坪基性火山岩具有相同的岩浆来源.黄岗杂岩岩浆中含有一定比例的陆壳物质, 该物质来自俯冲板片上陆壳沉积物的再循环, 与二郎坪弧后盆地向北的俯冲消减有密切联系.Abstract: Major and trace element compositions and isotopic compositions for Taoyuan intrusion and Huanggang intrusive complex are presented in this paper. The geochemical research into the Taoyuan intrusion and Huanggang intrusive complex in the Caledonian stage, north of Tongbai shows that the Taoyuan granitic magma derived from the depleted mantle are similar to the Erlangping basic volcanic magma. The Taoyuan granites that occurred in the back-arc basin related to the subdcution of the ocean plate originated from the same magma as those of Erlangping basic volcanic rocks. The Huanggang intrusive complex, closely related to the northward subduction of the Erlangping back-arc basin, was formed in the island-arc tectonic environment. The magmas of Huanggang are mixed with a certain percentage of continental crustal substances, products of the partial melting of the mantle wedge enhanced by the fluid extracted from the subducted slab and the overlying crustal substance in the subduction process.
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对秦岭造山带的研究表明[1, 2], 沿商丹断裂带存在向北的早古生代板块消减, 即扬子板块向华北板块之下俯冲, 北秦岭(含桐柏北部) 为活动大陆边缘, 其中秦岭杂岩为岛弧基底, 二郎坪群为弧后盆地, 二郎坪基性火山岩具有N-MORB性质[3]; 然而新近的研究认为二郎坪群基性火山岩属岛弧型岩石, 华北克拉通作为被动大陆边缘俯冲叠置于北秦岭块体之下[4, 5].由于对二郎坪群火山岩的构造性质存在争论, 导致了秦岭造山带构造演化模型的多样性, 因此, 研究桐柏北部加里东期桃园岩体和黄岗杂岩体, 对确证二郎坪群火山岩的构造性质及研究秦岭造山带的构造演化具有重要意义.
1. 地质概况
桐柏地区的构造岩石单位可与南阳盆地以西的东秦岭对比[6] (图 1), 从南向北可划分为以下构造岩石单元: 桐柏变质杂岩、信阳群、秦岭杂岩(秦岭群)、二郎坪群和宽坪群.
图 1 北秦岭桐柏地区地质简图内插图指示桐柏地区在秦岭-大别造山带中的位置.1.第三系和第四系; 2.信阳群; 3.二郎坪群; 4.宽坪群; 5.中元古界; 6.秦岭杂岩; 7.桐柏杂岩; 8.燕山期花岗岩; 9.加里东期花岗岩; 10.加里东超基性-基性-中酸性侵入杂岩; 11.断层和地质界线Fig. 1. Geological sketch map of Tongbai area with insert showing the study area in Qinling-Dabie orogenic belt桃园岩体面积110 km2, 侵位于二郎坪群蛇绿岩片中(图 1).主要岩石类型为中粒斜长花岗岩, 岩石为块状构造, 主要矿物组成为: 石英28%~34%, 斜长石(更-钠长石) 45%~58%, 钾长石(微斜长石) 3%~6%, 黑云母4%~7%;副矿物为: 磁铁矿、磷灰石、锆石和榍石等.锆石U-Pb法上交点年龄为(451±5) Ma[7], 表明桃园岩体形成于加里东期.黄岗杂岩体面积294 km2, 北侧与宽坪群呈侵入接触, 南侧与二郎坪蛇绿岩片呈断层接触, 该杂岩体由超基性-基性-中性-中酸性岩石组成.超基性-中基性岩以岩块或捕虏体形式产于中酸性侵入岩中, 主要岩石类型有橄榄辉石岩、辉石岩和辉长岩等; 中性-中酸性侵入岩是杂岩体的主体, 主要岩石类型为辉石闪长岩、石英闪长岩和花岗闪长岩等.以上各岩类间无截然界线, 表明它们是在相近时间内形成的.本文获得6个样品的全岩Rb-Sr等时年龄为(429±35) Ma, 表明杂岩体亦为早古生代加里东期岩浆活动的产物.
2. 岩石地球化学特征
桃园岩体、黄岗杂岩体及二郎坪基性火山岩的主量元素、微量元素和同位素分析结果列于表 1和表 2.桃园花岗岩与世界典型地区产于蛇绿岩中的花岗岩化学成分比较[8], 在SiO2质量分数相近的条件下, TiO2, Al2O3, MgO, CaO质量分数相近, 而K2O偏高, Na2O略偏低.黄岗杂岩随着SiO2质量分数的增高, 岩石中TiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MnO, MgO和CaO逐渐降低, K2O逐渐增高, 在Harker图上呈线性变化趋势(图 2), 显示了黄岗杂岩同源岩浆演化的特征.在Harker图上, 桃园花岗岩和黄岗杂岩具有不同的化学成分变异趋势(图 2), 反映两岩体是两个独立的岩浆演化单元, 具有不同成因.桃园花岗岩稀土组成模式为平坦型, 存在明显的负Eu异常(图 3A).黄岗杂岩稀土组成模式为右倾型, 轻、重稀土强烈分异(图 3B); 黄岗杂岩由早到晚在岩石类型上依次出现辉长岩—辉石闪长岩—石英闪长岩—花岗闪长岩, 在岩石学上反映它们为同源岩浆的分异演化系列.
表 1 桃园岩体(TY)、黄岗杂岩体(HG)、二郎坪群(TB) 的主量元素、微量元素分析结果Table Supplementary Table Major elements, trace elements of Taoyuan (TY) intrusion, Huanggang (HG) intrusive complex and Erlangping (TB) Group
表 2 桃园岩体(TY)、黄岗杂岩体(HG)、二郎坪群(TB) 同位素分析结果*Table Supplementary Table Isotopic compositions of Taoyuan (TY) intrusion, Huanggang (HG) intrusive complex and Erlangping (TB) Group
图 2 桃园岩体(黑圆点) 和黄岗杂岩体(黑方块) 化学成分Harker图Fig. 2. Harker diagrams of Taoyuan intrusion (black dots) and Huanggang (black squares) intrusives complex桃园花岗岩样品的[w (87Sr) /w (86Sr)] t=0.703~0.704, 具有较低的w (87Sr) /w (86Sr) 初始值, 表明岩浆物质应源于地幔; 其εNd (t) =+0.64~+6.15, tDM=0.8~1.5 Ga, 反映岩浆中含有高度亏损的幔源物质.黄岗杂岩样品的[w (87Sr) /w (86Sr)] t= 0.705~0.707, εNd (t) =-5.2~-4.2, 说明源区混入了陆壳物质[9]; tDM=1.49~1.73 Ga, 明显高于岩石的形成年龄, 进一步说明岩浆中含有一定比例的陆壳物质.在图 4中桃园花岗岩位于第二象限的亏损地幔区, 黄岗杂岩则位于第四象限有陆壳物质参与的岛弧岩石范围.
图 4 εNd (t) -[w (87Sr) /w (86Sr)] t图解黑圆点为桃园花岗岩, t=451 Ma; 黑方块为黄岗杂岩, t=429 Ma; 黑三角为二郎坪基性火山岩[10]在相当于桃园岩体形成时的同位素特征Fig. 4. εNd (t) vs. [w (87Sr) /w (86Sr)] t diagram3. 讨论
桃园花岗岩形成时代与二郎坪基性火山岩相近, 根据二郎坪基性火山岩同位素资料[10]及所测斜长角闪岩同位素数据, 计算在相当于桃园岩体形成时(451 Ma) 二郎坪基性火山岩的εNd (t) 和[w (87Sr) /w (86Sr)] t值并做图(图 4), 可见桃园花岗岩与二郎坪基性火山岩具有非常相似的组成范围; 桃园花岗岩稀土元素组成模式与二郎坪基性火山岩相类似[7], 均为平坦型.以上分析表明, 桃园花岗岩与二郎坪基性火山岩应具有岩浆同源性, 两者均来自亏损地幔.图 5显示了桃园花岗岩浆的分异结晶作用, 同时也反映了二郎坪基性火山岩是部分熔融的产物.因此, 桃园花岗质岩浆与二郎坪基性岩浆分别来自同一源区岩浆的侵入单元和喷出单元, 它们均是蛇绿岩组合中的组成部分, 对桃园花岗岩的构造环境分析将有助于确证二郎坪蛇绿岩的构造环境.
图 5 岩石w (La) /w (Sm) -w (La) 图解图中黑圆点为桃园花岗岩, 黑方块为二郎坪基性火山岩[3], 黑三角为所测二郎坪斜长角闪岩Fig. 5. w (La) /w (Sm) vs. w (La) diagram桃园花岗岩的地球化学特征与北秦岭岛弧型花岗岩有明显差别[2], 与世界典型地区产于蛇绿岩中的大洋型花岗岩相接近[8].根据Forster等[11]对Pearce的w (Rb) -w (Y+Nb) 图解的评估与检验, 对于与洋壳消减作用有关的弧后盆地中产出的花岗岩类应落于岛弧型(VAG)、洋脊型(ORG) 和板内型(WPG) 花岗岩的混合区(图 6中的虚线区).以上综合分析表明, 桃园花岗岩形成于与消减作用有关的弧后盆地环境是可以接受的, 由此可以限定二郎坪蛇绿岩亦形成于与桃园岩体类似的构造环境.这可以较好地解释二郎坪基性火山岩同时具有N-MORB型性质[7]和岛弧性质[4], 而不支持二郎坪基性火山岩形成于岛弧构造环境的认识[5].
从黄岗杂岩超基性-基性-中酸性的岩石组合特征和同源岩浆的分异演化看, 岩浆应起源于深部莫霍面以下, 同位素示踪显示其岩浆中含有一定比例的陆壳物质, 这种陆壳物质的来源有两种可能: (1) 幔源岩浆上升过程中有陆壳物质的混染; (2) 俯冲板片上的沉积物析出流体作用于上部地幔楔.
黄岗杂岩体的北界为宽坪群火山岩和碎屑岩, 根据同位素资料计算[10], 在相当于黄岗杂岩(429 Ma) 形成时, 宽坪群火山岩的εNd (t) 在+2到+7之间, [w (87Sr) /w (86Sr)] t在0.699到0.706之间, 如果宽坪群火山岩对黄岗岩浆有混染, 只能向着εNd (t) 增高和[w (87Sr/w (86Sr)] t降低的方向进行, 这与黄岗杂岩较低的εNd (t) 和较高的[w (87Sr) /w (86Sr)] t不符.至于宽坪群碎屑岩, 尽管其εNd (t) 较低(-12 ~ -8), 具有混染黄岗岩浆的可能, 但其[w (87Sr) /w (86Sr)] t值很高(0.729~0.751), 也不可能混染黄岗杂岩.
黄岗杂岩南界为二郎坪群蛇绿岩片, 由于其形成时代与黄岗杂岩相近, 黄岗杂岩体有可能是与二郎坪群基性岩浆同源的岩浆侵入单元.然而, 黄岗杂岩与时代相近、产于二郎坪弧后盆地并与二郎坪蛇绿岩有成因联系的桃园岩体相比, 具有明显不同的岩石学和地球化学特征, 由此可以排除黄岗杂岩是由二郎坪基性岩浆分异而侵位于宽坪群中的可能.
以上分析表明, 黄岗杂岩岩浆中含有的陆壳物质并非岩浆上侵过程中同化混染围岩的结果.由于黄岗杂岩形成于岛弧构造环境[12], 它们应是俯冲板片及其上的陆壳沉积物在消减过程中析出流体并作用于上方地幔楔从而诱发地幔楔部分熔融的结果[13].从秦岭造山带的构造发展看, 在二郎坪弧后盆地的发展过程中, 曾一度发展成小洋盆, 出现过渡性洋壳[7], 并作双向俯冲消减[1].因此, 黄岗杂岩岩浆中陆壳物质的再循环与二郎坪弧后盆地向北的消减作用有着直接的联系, 这同时说明多级次的俯冲消减作用是秦岭造山带演化的基本特征.
4. 结论
(1) 桃园岩体与黄岗杂岩体在时间上均为加里东期岩浆作用的产物, 两者在岩石学、主量元素、微量元素和同位素组成特征上存在明显差异, 反映它们形成于不同的构造背景.
(2) 桃园花岗岩与二郎坪群基性岩具有共同的岩浆来源, 两者均来自亏损地幔.桃园花岗质岩浆由基性岩浆分异而成, 组成二郎坪蛇绿岩片中的岩浆侵入单元; 构造环境分析表明, 桃园花岗岩形成于与洋壳板块消减作用有关的弧后盆地, 从而支持了二郎坪蛇绿岩片形成于弧后盆地的认识.
(3) 同位素示踪显示, 岩浆中含有较高比例的陆壳物质, 这种陆壳物质是俯冲板片及其上的陆壳沉积物在消减过程中析出流体并作用于上方地幔楔从而诱发地幔楔部分熔融的结果, 这显示了在岛弧岩浆中陆壳物质的再循环.
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图 1 北秦岭桐柏地区地质简图
内插图指示桐柏地区在秦岭-大别造山带中的位置.1.第三系和第四系; 2.信阳群; 3.二郎坪群; 4.宽坪群; 5.中元古界; 6.秦岭杂岩; 7.桐柏杂岩; 8.燕山期花岗岩; 9.加里东期花岗岩; 10.加里东超基性-基性-中酸性侵入杂岩; 11.断层和地质界线
Fig. 1. Geological sketch map of Tongbai area with insert showing the study area in Qinling-Dabie orogenic belt
图 2 桃园岩体(黑圆点) 和黄岗杂岩体(黑方块) 化学成分Harker图
Fig. 2. Harker diagrams of Taoyuan intrusion (black dots) and Huanggang (black squares) intrusives complex
图 4 εNd (t) -[w (87Sr) /w (86Sr)] t图解
黑圆点为桃园花岗岩, t=451 Ma; 黑方块为黄岗杂岩, t=429 Ma; 黑三角为二郎坪基性火山岩[10]在相当于桃园岩体形成时的同位素特征
Fig. 4. εNd (t) vs. [w (87Sr) /w (86Sr)] t diagram
图 5 岩石w (La) /w (Sm) -w (La) 图解
图中黑圆点为桃园花岗岩, 黑方块为二郎坪基性火山岩[3], 黑三角为所测二郎坪斜长角闪岩
Fig. 5. w (La) /w (Sm) vs. w (La) diagram
表 1 桃园岩体(TY)、黄岗杂岩体(HG)、二郎坪群(TB) 的主量元素、微量元素分析结果
Table 1. Major elements, trace elements of Taoyuan (TY) intrusion, Huanggang (HG) intrusive complex and Erlangping (TB) Group
表 2 桃园岩体(TY)、黄岗杂岩体(HG)、二郎坪群(TB) 同位素分析结果*
Table 2. Isotopic compositions of Taoyuan (TY) intrusion, Huanggang (HG) intrusive complex and Erlangping (TB) Group
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[1] 张国伟, 孟庆任, 于在平, 等. 秦岭造山带的造山过程及其动力学特征[J]. 中国科学(D辑), 1996, 26(3): 194-195. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JDXK199603000.htm [2] 张本仁, 骆庭川, 高山, 等. 秦巴岩石圈构造及成矿规律地球化学研究[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 1994. 446. [3] 孙勇, 卢欣祥, 韩松, 等. 北秦岭早古生代二郎坪蛇绿岩片的组成和地球化学[J]. 中国科学(D辑), 1996, (增刊): 49-55. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JDXK1996S1007.htm [4] Xue F, Kroner A, Reischmann T, et al. Paleozoic pre-and post-collision calcalkaline magmatism in the Qinling orogenic belt, central China, as documented by zircon ages on granitoid rocks[J]. Journal of Geological Society, 1996, 153(3): 409 -417. doi: 10.1144/gsjgs.153.3.0409 [5] SunW, Li S. Comment on: Pb isotopes of granitoids suggest Devonian accretion of Yangtze(South China) craton to North China craton[J]. Geology, 1998, 26(9): 859-860. doi: 10.1130/0091-7613(1998)026<0859:PIOGSD>2.3.CO;2 [6] 张宏飞, 张利, 高山, 等. 桐柏地区变质杂岩和侵入岩类Pb同位素组成特征及其地质意义[J]. 地球科学———中国地质大学学报, 1999, 24(3): 269-273. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQKX903.011.htm [7] 卢欣祥, 肖庆辉, 董有, 等. 秦岭花岗岩大地构造图[Z]. 西安: 地图出版社, 1998. 16. [8] Pearce J A, Harriss N B W, Tindle A G. Trace element discrimination diagrams for the tectonic interpretation of granitic rocks[J]. Journal of Petrology, 1984, 25: 956-983. doi: 10.1093/petrology/25.4.956 [9] Faure G. Principles of isotope geology[M]. [s. l. ]: Wiley, 1986. 299. [10] 张宗清, 刘敦一, 付国民. 北秦岭变质地层同位素年代学研究[M]. 北京: 地质出版社, 1994. 199. [11] Forster H J, Tischendorf G, Trumbull R B. An evaluation of the Rb vs. (Y+ Nb)discrimination diagram to infer tectonic setting of sillicic igneous rocks[J]. Lithos, 1997, 40: 261-293. doi: 10.1016/S0024-4937(97)00032-7 [12] Zhang L, Zhang H F. Huanggang intrusive complex in northern Tongbai area: island-arc tectonic environment and its geological significance[J]. Journal of China University of Geosciences, 1998, 9(3): 223-227. [13] Nelson D R. Isotopic characteristics of potassic rocks: evidence for the involvement of subducted sediments in magma genesis[J]. Lithos, 1992, 26: 408-420. -
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