南秦岭早古生代玄武岩的岩浆源区及演化过程*

张方毅 赖绍聪** 秦江锋 朱韧之 赵少伟 杨航 朱毓 张泽中

1. 西北大学大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系，西安 7100692. 长安大学地球科学与资源学院，西安 710054

秦岭造山带是分隔中国南北大陆的复合型碰撞造山带，北部的商丹缝合带及南部的勉略缝合带将其划分为北秦岭及南秦岭两个构造单元(张国伟等, 1996, 2001; 赖绍聪等, 2003)。南秦岭构造带处于秦岭造山带与扬子板块的接合部位，其构造位置的特殊性及构造演化的复杂性长久以来受到学者的广泛关注(赵国春等, 2003; Dongetal., 2017; Zhao and Asimow, 2018)。在南秦岭北大巴山地区早古生代地层中广泛出露一套由碱性超镁铁质-镁铁质岩脉、双峰式碱性火山杂岩(碱性玄武岩和粗面岩)及少量碳酸岩-正长岩杂岩组成的岩浆杂岩带，为秦岭造山带早古生代构造演化、深部地幔状态和地球动力学过程等问题的探讨提供了重要的地质载体(张成立等, 2002, 2007; Xuetal., 2008; 王存智等, 2009; 邹先武等, 2011; 陈虹等, 2014; 万俊等, 2016)。前人已对区内的基性岩墙、碱性玄武岩及其携带的幔源捕掳体开展了岩石学、矿物学及地球化学研究(黄月华等, 1992; 黄月华, 1993; 夏林圻等, 1994; 徐学义等, 1996, 1997, 2001; Wangetal., 2015)。多数学者认为该套岩系中的粗面岩与玄武岩为同期岩浆产物，共同构成了双峰式火山岩组合，代表了早古生代晚期南秦岭被动陆缘裂陷拉张作用的产物(黄月华等, 1992; 张成立等, 2002, 2007; Zhangetal., 2017)；部分学者则认为这套基性岩墙和碱质火山杂岩形成于弧后拉伸环境(王宗起等, 2009; Wangetal., 2015)；此外，还有学者认为碱质火山岩与伴生的沉积岩地层形成于大洋板内环境(向忠金等, 2010, 2016)。前人研究多聚焦于碱质火山岩及超镁铁质-镁铁质岩脉，但对同期产出的钙碱质/拉斑质岩浆岩却鲜有报道。共生岩石组合研究的缺失也是造成碱性岩石成因及构造属性争议的原因。本文以岚皋地区新发现的亚碱性玄武岩为研究对象，通过系统的矿物学及岩石地球化学研究来探讨火山岩的演化过程、源区属性及其深部动力学过程，为认识秦岭造山带早古生代岩浆作用及构造背景提供进一步的参考和制约。

1 地质背景及岩石学特征

南秦岭构造带北侧以商丹缝合带为界与北秦岭相接，南侧以勉略缝合带为界与扬子板块毗邻(张国伟等, 2001; Dong and Santosh, 2016)。南秦岭在晚古生代之前属于扬子板块北缘的一部分，并接受被动陆缘沉积(Dong and Santosh, 2016)。研究区位于南秦岭北大巴山造山带内部(图1a)，区内主要出露早古生代地层，局部出露郧西群与耀岭河群等中-新元古代浅变质岩系。研究区内发育有大量NWW-SEE向逆冲推覆断层，其中以红椿坝断裂和大巴山弧形断裂为主要断裂(图1b)。

南秦岭构造带内岩浆活动主要包括新元古代与早古生代两期，新元古代岩浆活动以武当地块内的基性岩墙群以及凤凰山地区的花岗岩为主(李建华等, 2012; Zhao and Asimow, 2018)，而早古生代岩浆活动则以北大巴山紫阳-岚皋地区发育的碱性岩墙群及火山岩为代表(张成立等, 2002, 2007)。南秦岭早古生代碱性岩墙群主要由辉绿岩、闪长岩、正长岩及辉石岩组成，集中出露于紫阳县红椿坝-瓦房店断裂以南的早古生代地层中(图1b)，其结晶年龄为410～450Ma(王存智等, 2009; Wangetal., 2015; 向忠金等, 2016; Zhangetal., 2017)。脉体宽数十米至百余米，长达数百米到数千米不等，沿区域造构线呈北西-南东向展布。岩脉多呈顺层侵入或小角度切割早古生代及之前地层。岩脉以辉绿岩为主，多具辉绿结构，主要矿物包括斜长石、单斜辉石及角闪石，副矿物包括钛磁铁矿、磷灰石及榍石(张方毅等, 2020)。

碱质火山杂岩主要出露于北大巴山岚皋-平利地区，杂岩体呈NWW-SEE向展布，与区域内构造线及岩脉走向基本一致(图1b)。岩性主要包括基性火山岩及粗面岩两类。前人将出露于岚皋地区的碱性玄武质火山杂岩命名为滔河口组，时代为早志留世(李育敬, 1989)。滔河口组主要由碱性玄武岩、火山角砾岩及凝灰岩组成，内部夹少量正常海相沉积岩。该组与下伏奥陶系板岩、泥质灰岩及下志留统灰岩、页岩呈断层接触关系，与上覆中志留统笔石页岩呈整合接触关系(雒昆利和端木和顺, 2001)。垂向上具有下部为碱性玄武岩，上部为火山碎屑岩与碳酸盐岩组合的结构特征(向忠金等, 2010)。金云母Ar-Ar定年结果显示这套火山杂岩形成于446～408Ma之间，与碱性岩墙为同期岩浆活动(向忠金等, 2016; Wangetal., 2017)。

2 样品采集和岩相学特征

本文研究的玄武岩样品(TDW-2)采自岚皋县铜洞湾(图1b)。玄武岩整体呈暗灰绿色(图2a)，具斑状结构(图2c)，块状构造。斑晶矿物以单斜辉石为主，前人将该套玄武岩定名为辉石玢岩(图2c; 黄月华等, 1992)，仅在部分金伯利岩亚类及辉橄玢岩中发现少量橄榄石假象(徐学义等, 2001)，此外还在部分火山岩中发现少量钛闪石与斜长石斑晶(陈友章等, 2010; Wangetal., 2015)。本文所研究的玄武岩样品中单斜辉石为唯一的斑晶矿物，其含量为20%～40%，自形程度较高，粒径在0.5～4mm之间。单斜辉石发育环带结构，自核部至边部Mg含量逐渐降低，而Fe含量逐渐升高。单斜辉石富铁的边部会出现少量磁铁矿及榍石的包裹体，反映了辉石与熔体再平衡作用。玄武岩基质具间隐至间粒结构，主要由斜长石、单斜辉石微晶、玻璃质、磷灰石、榍石及绿泥石组成。部分样品中发育有杏仁构造，杏仁内部填充有方解石。

图2 南秦岭玄武岩岩相学特征玄武岩(a)和玄武质火山角砾(b)野外照片，玄武岩(c)和玄武质火山角砾(d) 正交偏光镜下照片.Cpx-单斜辉石；Chl-绿泥石Fig.2 Petrography of the basalts from the South Qinling BeltPhotographs of the basalt (a) and of the basaltic volcanic breccias (b), microscopic photos of the basalts (c) and the basaltic volcanic breccias (d) (under crossed polarized light). Cpx-clinopyroxene; Chl-chlorite

玄武质火山角砾样品(TDW-13)采自岚皋县方垭村(图1b)。火山角砾岩呈深灰色至灰黑色，角砾成分复杂，主要包括玄武质角砾、凝灰质角砾及少量地壳岩石捕掳体。角砾大小变化较大，粒径由1～20cm不等，多呈棱角状或不规则状，部分呈浑圆状，无分选，颗粒支撑。胶结物由细粒岩屑、单斜辉石晶屑及火山灰组成。本文所采火山角砾样品为大块的玄武质火山角砾(图2b)，角砾整体呈灰黑色，具斑状结构(图2d)。斑晶为单斜辉石，含量为25%～50%，自形程度高，粒径在0.5～8mm之间。基质主要由斜长石、单斜辉石微晶、磷灰石、榍石及绿泥石组成。

3 样品分析方法

分析测试工作在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。单斜辉石的主量元素分析在JXA-8230型电子探针仪上完成，加速电压15kV，束流10nA，束斑半径1μm，标准样品由SPI公司提供。

分析测试全岩样品是在岩石薄片鉴定的基础上，选取新鲜的、无后期交代脉体贯入的样品，用小型颚式破碎机击碎成直径约5～10mm的细小颗粒，然后用蒸馏水洗净、烘干，最后用玛瑙研钵托盘在振动式碎样机中碎至200目。

主量和微量元素在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。主量元素采用XRF(RIX2100-XRF)法完成，分析相对误差一般低于5%。微量元素用Agilent 7500a ICP-MS进行测定，分析精度和准确度一般优于10%，详细的分析流程见文献(刘晔等, 2007)。

Sr-Nd同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。Sr、Nd同位素分别采用AG50W-X8(200～400mesh)和HDEHP(自制)AG1-X8(200～400mesh)离子交换树脂进行分离，同位素的测试则在该实验室的多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS，Nu Plasma HR，Nu Instruments，Wrexham，UK)上采用静态模式(Static mode)进行。

4 分析结果

4.1 全岩主量元素特征

南秦岭地区玄武岩和玄武质角砾的主量元素和微量元素分析结果列于表1。玄武岩样品SiO2含量在44.96%～45.62%之间，岩石TiO2含量较高，为3.26%～3.53%。Fe2O3T含量为11.63～12.10%，MgO含量为12.57%～13.20%，Mg#值为72。CaO含量高，为16.45～16.60%，CaO/Al2O3=2.65～2.68。与区域内广泛分布的碱性岩石不同，岩石全碱含量低，Na2O=0.68%～0.99%，K2O=0.27%～0.29%，在SiO2-(K2O+Na2O) 系列划分图解(图3)中，所有样品投影点均位于亚碱性系列范围内，总体上玄武岩具高镁、高钙、富钛、贫硅的特征。

表1 南秦岭玄武岩及玄武质火山角砾主量(wt%)及微量元素(×10-6)分析结果

图3 南秦岭玄武岩及玄武质角砾岩TAS分类图(据Le Bas et al., 1986)所有样品已标准化至100%.南秦岭早古生代碱性镁铁质岩石引自Wang et al. (2017)Fig.3 Total alkali vs. SiO2 (TAS) diagram for the basalts and basaltic volcanic breccias from the South Qinling Belt (after Le Bas et al., 1986)All samples are normalized to 100%. The data for Early Paleozoic mafic rocks in the South Qinling Belt from Wang et al. (2017)

玄武质角砾与玄武岩成分类似，SiO2含量在42.32%～42.97%之间，TiO2含量为2.92%～2.96%，MgO含量为11.14%～11.26%，Mg#值介于66～67之间。CaO为17.05%～17.29%，CaO/Al2O3=2.19～2.23。全碱含量低，Na2O=0.71%～0.73%， K2O=0.28%～0.33%， 在SiO2-(K2O+Na2O) 系列划分图解(图3)中，所有样品投影点也位于亚碱性系列范围内。总体上具高镁、高钙、更富钛、贫硅的特征。

4.2 全岩微量元素特征

南秦岭地区玄武岩稀土总量高，一般在191.6×10-6～205.0×10-6之间，平均值为197.9×10-6(表1)。岩石La/Yb介于28.7～31.5之间，平均值为30.5，轻重稀土分馏较为明显。Dy/Yb介于3.2～3.3之间，平均值为3.3。在球粒陨石标准化稀土元素配分图上表现为右倾的曲线(图4b)。样品无Eu异常，Eu/Eu*值在1.00～1.02之间。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图4a)，所有样品显示出富集强不相容元素Th、U、Nb和Ta，而亏损Rb、K、Sr、P、Zr和Hf的分布特点，总体上具有板内玄武岩微量元素的一般特征。

图4 南秦岭玄武岩及玄武质角砾原始地幔标准化微量元素蛛网图(a, 标准化值据 McDonough and Sun, 1995)和球粒陨石标准化稀土元素配分图解(b, 标准化值据Sun and McDonough, 1989)及其校正后的对应图(c、d) 单斜辉石成分据向忠金等, 2010Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams (a, normalization values after McDonough and Sun, 1995) and chondrite-normalized REE distribution patterns (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) for the basalts and basaltic volcanic breccias from the South Qinling Belt and their reconstructed diagrams (c, d)Cpx compositions after Xiang et al., 2010

玄武质角砾稀土总量也较高，在106.5×10-6～107.7×10-6之间。角砾La/Yb介于18.9～19.5之间，平均值为19.1，轻重稀土分馏较为明显。Dy/Yb平均值为2.9。在球粒陨石标准化稀土元素配分图上(图4b)，玄武质角砾显示为右倾负斜率轻稀土富集型配分模式，与典型的板内玄武岩稀土元素地球化学特征基本一致。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图4a)，所有样品显示出富集强不相容元素Ba、Nb和Ta，而亏损Rb、K、Th、U、Zr和Hf的分布特点，总体上也具有板内玄武岩微量元素的一般特征。与玄武岩相比，玄武质角砾微量元素含量相对较低，而强不相容元素Ba和Pb含量较高。

4.3 Sr-Nd同位素特征

南秦岭地区玄武岩和玄武质角砾的全岩Sr-Nd同位素分析结果列于表2中。各样品的初始87Sr/86Sr比值及εNd(t)以t=420Ma(黄月华等, 1992; Wangetal., 2017)计算。玄武岩的初始87Sr/86Sr比值为0.703995～0.704370，εNd(t)为2.0～3.5。玄武质角砾具与玄武岩类似的同位素组成，初始87Sr/86Sr比值为0.704036～0.704071，εNd(t)为2.8～3.0。在(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图解中(图5)，所有样品与南秦岭地区碱性岩浆相似，均显示了地幔起源的特征。

图5 南秦岭玄武岩及玄武质角砾(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图解南秦岭地区辉石岩类地幔捕掳体据Xu et al., 1999；南秦岭地区早古生代碱性镁铁质岩石数据引自张成立等, 2007; 陈虹等, 2014; Zhang et al., 2017Fig.5 The diagram of (87Sr/86Sr)i vs. εNd(t) for the basalts and basaltic volcanic breccias from the South Qinling BeltThe data for Early Paleozoic pyroxenite mantle xenoliths in South Qinling Belt from Xu et al., 1999, the compositions of Early Paleozoic alkaline mafic rocks in the South Qinling Belt from Zhang et al., 2007, 2017; Chen et al., 2014

表2 南秦岭玄武岩及玄武质角砾全岩Sr-Nd同位素分析结果

4.4 单斜辉石斑晶地球化学特征

本文选取南秦岭铜洞湾地区的玄武岩样品(TDW-2)进行电子探针分析测试，分析结果列于表3。单斜辉石斑晶SiO2含量在49.94%～53.82%之间，TiO2为0.89%～2.49%。CaO含量较高，在22.66%～23.35%之间。FeO含量为3.85%～6.55%，MgO含量为13.64%～17.37%，Mg#值在79～89之间。根据国际矿物学会辉石成分分类方案(Morimoto, 1988)，所有辉石均属于透辉石(En41-48Fs6-11Wo46-49)。部分单斜辉石斑晶发育有环带，由核部至边部SiO2、MgO含量降低，而TiO2、FeO、Al2O3含量逐渐升高。

5 讨论

5.1 单斜辉石与熔体的平衡状态及熔体成分的重建

全岩地球化学组分是各种深部岩浆动态过程叠加的结果，在实际应用时往往很难区分岩浆成因过程(Moyen, 2019)。在熔体产生至就位过程中，熔体成分会受到分离结晶、携带捕掳体、矿物堆晶及地壳同化混染等多种因素的影响产生变化。在利用全岩地球化学组分讨论岩浆起源时，确

单斜辉石与熔体之间的平衡状态可由辉石与熔体之间的Fe-Mg分配系数(Cpx-liqKdFe-Mg)来评估。在基性岩浆体系中，与熔体平衡的单斜辉石Cpx-liqKdFe-Mg一般介于0.22～0.36之间(Putirka, 2008)。南秦岭玄武岩单斜辉石斑晶Cpx-liqKdFe-Mg为0.30～0.55，平均值为0.44，绝大多数单斜辉石斑晶处于与熔体平衡的范围之外(图6)。斑晶与熔体的不平衡可能由矿物尺度的不均一性造成，结晶于早期的斑晶核部通常会具更高的Mg#值而与全岩成分不平衡。然而玄武岩中大部分单斜辉石的核部则是由于其Mg#值低而与全岩成分不平衡，这说明矿物尺度的不均一性并非是造成矿物与熔体不平衡的原因。单斜辉石统一较高的Cpx-liqKdFe-Mg表明单斜辉石斑晶结晶于更加分异的熔体之中，结合玄武岩中的高单斜辉石斑晶含量，本文认为玄武岩全岩中高Mg#及CaO/Al2O3比值是由于单斜辉石的堆晶作用造成的。尽管高Mg#及CaO/Al2O3比值还有可能由碳酸盐化橄榄岩、榴辉岩或受碳酸岩熔体交代形成的异剥橄榄岩部分熔融产生，但是实验岩石学结果表明碳酸盐化地幔岩石产生的硅酸盐熔体(Si>35%)的CaO/Al2O3比值并不能超过2(Dasguptaetal., 2006, 2007; Médardetal., 2006)，所以单斜辉石的堆晶作用是造成南秦岭玄武岩中高Mg#及CaO/Al2O3比值的主要原因。

图6 玄武岩中单斜辉石 Mg#-Cpx-liqKdMg-Fe图解(据Giacomoni et al., 2016)Fig.6 Mg# in Cpx vs. Cpx-liqKdMg-Fe for the basalt from the South Qinling Belt (after Giacomoni et al., 2016)

由于单斜辉石堆晶作用的存在，在使用玄武岩全岩地球化学成分时需要校正其影响。本文根据质量守恒定律，用全岩成分逐步减去观测到的平均单斜辉石成分。在校正过程中，每一步减去5%的单斜辉石，然后验证校正后的全岩成分与单斜辉石是否达到平衡。如此循环往复，直到校正后的熔体成分与单斜辉石平衡。计算结果表明减去40%单斜辉石组分可以使绝大多数辉石与全岩成分达到平衡，这也与岩相学观察结果相一致(图6)。由于单斜辉石中不仅包含主量元素，其晶格中还能容纳大量的微量元素(Adam and Green, 2006)，在重建熔体成分时还需将全岩微量元素进行校正。通过对比本文中单斜辉石成分与前人分析结果，我们选用了向忠金等(2010)中Mg#值最高的单斜辉石样品ZJ10的微量元素成分对全岩微量元素进行校正。校正后的熔体成分见表4，下文岩浆源区讨论中也将采用校正后的熔体成分为研究对象。

表4 南秦岭玄武岩及玄武质火山角砾主量(wt%)及微量元素(×10-6)校正后结果

校正后的玄武岩成分与校正前相比，其SiO2(43.09%～44.11%)与MgO(11.39%～12.37%)含量略有降低，而TiO2(4.63%～5.06%)、Na2O(1.01%～1.54%)及K2O(0.46%～0.50%)含量升高。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中，所有样品微量元素配分模式并无明显变化，仅含量略有升高(图4)。玄武质角砾的校正结果与玄武岩类似，校正后的SiO2(39.71%～40.43%)与MgO(9.04%～9.26%)含量降低，而TiO2(4.10%～4.16%)、Na2O(1.08%～1.11%)及K2O(0.49%～0.58%)含量升高。在校正后的成分在SiO2-(K2O+Na2O)系列划分图解(图3)中，所有样品均属于碱性系列。本文研究的南秦岭地区玄武岩与玄武质角砾的岩相学特征及微量元素组成与区域内碱性镁铁质岩浆类似(向忠金等, 2010)，均表现为单斜辉石斑晶为主，具板内玄武岩微量元素组成。此外，玄武岩同位素特征与区域内的碱性镁铁质岩浆一致，均表现为略为亏损的地幔组成(图5)，同位素特征的一致性指示了玄武岩与碱性镁铁质岩石的成因联系，也验证了全岩成分校正的合理性。

5.2 单斜辉石结晶温压条件

对与校正后全岩成分达到平衡单斜辉石斑晶，本文采用了Putirka (2008)提出的单斜辉石-熔体平衡压力计32c和单斜辉石温度计32d来确定辉石结晶的温压条件。在计算时所需要输入的温压参数则通过Putirkaetal. (1996)提出的单斜辉石温压计来计算。计算结果表明单斜辉石斑晶结晶压力为7.6～14.0kbar，温度为1201～1268℃(图7)。单斜辉石平衡温度与压力说明南秦岭玄武岩经历了自46km开始至25km结束的变压分离结晶作用，且单斜辉石的堆晶作用可能发生于25km左右的岩浆房中。

图7 玄武岩中单斜辉石形成的温压条件Fig.7 Temperature and pressure of the crystallization of Cpx from the basalts

正常镁铁质岩浆分异过程是以橄榄石分离结晶为首要晶出相，随后根据岩浆含水量的不同会先后晶出单斜辉石或斜长石等矿物(Herzberg and Asimow, 2008)。然而在南秦岭地区玄武岩中，单斜辉石却是占主导地位的分离结晶矿物，本文认为这种造成这种现象主要有两个原因：(1)随着压力的升高，单斜辉石的稳定区间会逐渐增大而橄榄石的稳定区间会逐渐减小(O’Hara, 1968)。在压力大于1.2GPa时，单斜辉石会取代橄榄石成为首要的晶出矿物(Rankenburgetal., 2004)。单斜辉石温压计结果表明南秦岭玄武岩自1.4GPa时开始结晶，在此压力条件下单斜辉石会成为首先结晶的矿物，而非橄榄石；(2)校正后的熔体成分具高CaO(13.15%～14.94%)及高CaO/Al2O3(1.22～1.47)的特征，高钙的原始熔体也会稳定单斜辉石，使其成为主要的晶出矿物(如 Rooneyetal., 2017)。这两者共同作用造就了南秦岭玄武岩以单斜辉石分离结晶为主导的岩浆分异过程。

5.3 岩浆起源及源区性质

南秦岭早古生代玄武岩具明显的贫SiO2(<45%)，高MgO(>9%)、FeO(>14%)，富CaO(>13%)、TiO2(>4%)及不相容元素的HIMU型板内岩浆特征(Jackson and Dasgupta, 2008)。实验岩石学结果表明在高压下石榴石橄榄岩低程度的部分熔融可产生富碱贫硅的熔体(Kushiro, 1996; Wasylenkietal., 2003)，石榴石作为残留相也可提高熔体的CaO含量。然而部分熔融实验及理论计算结果显示无挥发份的石榴石橄榄岩并不能产生南秦岭玄武岩中如此高的CaO含量(Jackson and Dasgupta, 2008)。在CO2挥发分存在的部分熔融过程中，CO2会稳定斜方辉石，产生贫SiO2富CaO的熔体。碳酸盐化地幔橄榄岩部分熔融可以解释南秦岭玄武岩的大多数地球化学特征，然而部分熔融过程中Ti为中度不相容元素，其在岩浆中的含量更多的受源区含量控制。正常的地幔橄榄岩中含有较低的TiO2含量，即使是极低程度的部分熔融也不能产生高Ti的岩浆(Prytulak and Elliott, 2007)。要产生富Ti的岩浆则需要源区含有特殊的富集组分。当前研究认为再循环洋壳形成的碳酸盐化榴辉岩或岩石圈地幔中存在的单斜辉石岩或异剥橄榄岩是可以产生高TiO2高CaO玄武质岩浆的潜在源区(Dasguptaetal., 2006; Médardetal., 2006; Piletetal., 2008)。

岩石中关于稀土元素的参数Dy/Dy*可以有效的反映源区的矿物组成成分(Davidsonetal., 2013)。Dy/Dy*是显示稀土元素配分曲线凹凸程度的指标。在地幔条件下，单斜辉石、角闪石及磷灰石是重要的稀土及微量元素富集矿物。相对于轻稀土(LREE)和重稀土(HREE)元素，这些矿物晶格倾向于容纳更多的中稀土(MREE; Adam and Green, 2006; Prowatke and Klemme, 2006; Tiepoloetal., 2007)。当源区残留这些矿物时，熔体的稀土元素配分曲线会有凹向下的趋势。无论校正单斜辉石堆晶作用与否，南秦岭玄武岩的Dy/Dy*值均小于1(表1、表4)，指示该特征为熔体的原生特征，证明了岩浆源区残留有富集中稀土的矿物。岩石的高CaO及富FeO的特征指示单斜辉石是源区的重要组成矿物。在微量元素蛛网图中，南秦岭玄武岩具明显的K的负异常，暗示源区存在残留的角闪石或金云母矿物。部分熔融实验结果表明与角闪石产生的熔体为富钠质，而与金云母产生的熔体则为富钾质(Médardetal., 2006; Piletetal., 2008; Condamine and Médard, 2014)，南秦岭玄武岩钠质(Na2O/K2O=2.0～3.2)的特征指示角闪石是更可能的源区组分。然而全岩中Na2O含量比较低，暗示源区角闪石含量较低。磷灰石是控制地幔中REE及Th-U含量的重要矿物，南秦岭玄武岩中Sr和P的负异常及高的Th/U比值(图4c)指示磷灰石也是岩浆源区重要的残留相矿物之一。

玄武质火山角砾具有与玄武岩类似的主量及微量元素地球化学特征。与玄武岩相比，火山角砾MgO含量较低，更加富集Ba和Ti(图4c)，表明其源区存在更多的角闪石(Piletetal., 2008)。整体微量元素含量更低，Sr和P的负异常并不明显，暗示其源区的磷灰石含量较少。

岩浆起源的相对深度及熔融程度可以用稀土元素的比值La/Yb及Dy/Yb的相关关系判别。在地幔部分熔融过程中，轻稀土与重稀土比值La/Yb主要受部分熔融程度控制，而中稀土与重稀土Dy/Yb比值则主要受控于残留石榴子石。在La/Yb-Dy/Yb图解中(图8)，南秦岭玄武岩接近石榴石交代岩脉部分熔融曲线，而玄武质角砾则接近尖晶石交代岩脉熔融曲线，指示其形成于更浅部的岩石圈地幔内。

图8 南秦岭玄武岩及玄武质火山角砾Dy/Yb-La/Yb图解(底图据Zhang et al., 2020)Fig.8 Dy/Yb vs. La/Yb for the basalts and basaltic volcanic breccias from the South Qinling Belt (base map after Zhang et al., 2020)

南秦岭岚皋地区早古生代碱性玄武岩内发育有大量金云角闪辉石岩类地幔捕掳体(黄月华等, 1992; 徐学义等, 1996, 1997)，这些地幔捕掳体主要由单斜辉石、角闪石及金云母组成，副矿物包括磷灰石、榍石及钛铁矿，部分捕掳体具很高的磷灰石含量，可达到主要造岩矿物级别(徐学义等, 1997)。这类特殊的地幔捕掳体的发现也支持了南秦岭早古生代岩石圈地幔内存在大量受强烈交代的富磷灰石、角闪石及单斜辉石的区域，同时印证了本文的观点。

综合这些特征，本文认为南秦岭玄武岩形成于石榴石相地幔源区，其源区主要包含单斜辉石、少量角闪石及副矿物磷灰石。玄武质火山角砾则形成于浅部尖晶石相地幔源区，其源区矿物组成主要有单斜辉石、角闪石及少量磷灰石。

5.4 构造意义

南秦岭玄武岩样品在原始地幔标准化蛛网图中表现出Nb、Ta和Ti的正异常的典型板内玄武岩的特征，其主量元素特征也与HIMU型板内岩浆类似。这些地球化学特征表明这期岩浆活动可能发生于洋岛或裂谷环境中。本文研究认为南秦岭玄武岩起源于富单斜辉石的交代岩石圈地幔部分熔融，这种富集高场强元素的交代岩石圈地幔往往形成于硅酸盐熔体侵入岩石圈地幔内，随之冷却、固结、分离结晶成为具不同矿物组分的地幔交代体的过程中(Piletetal., 2011)。在熔体交代岩石圈的过程中，随着深度的降低，会逐渐结晶出早期以单斜辉石+少量橄榄石及石榴石的为代表到晚期以角闪石+单斜辉石+金云母为代表的堆晶体(Piletetal., 2010)。微量元素特征表明南秦岭玄武岩为富单斜辉石，磷灰石，含少量角闪石及石榴石的岩石圈地幔部分熔融产物，而玄武质角砾的源区则为富单斜辉石、含更多角闪石，更少磷灰石的尖晶石相岩石圈地幔，结合玄武岩与玄武质角砾同位素特征的一致性，我们认为玄武岩与玄武质角砾代表了同一期次、不同深度下形成的地幔交代体熔融产物。这种富集单斜辉石及含挥发分矿物的岩石圈地幔交代体往往发现于与裂谷活动有关的地质背景中(Davies and Lloyd, 1989; Panteretal., 2018)。南秦岭内与玄武岩同时期的辉绿岩脉表现了大规模顺层侵位的特点，这种脉体顺构造薄弱层侵位则与伸展或裂谷活动密切相关(Gudmundsson and Loetveit, 2005; 陈虹等, 2014)。在滔河口组中与火山岩互层的沉积岩中发现丰富的笔石及牙形石化石证明了在早古生代南秦岭地区发育有富碳富硅裂谷盆地(雒昆利和端木和顺, 2001)。这些证据都指示大规模伸展裂陷背景下交代岩石圈地幔的熔融是造成南秦岭地区早古生代岩浆活动的主要原因。

6 结论

本文通过对南秦岭地区的玄武岩及玄武质火山角砾进行详细的矿物学、岩石学和地球化学等方面的研究，主要得出以下结论：

(1)南秦岭玄武岩单斜辉石斑晶属于透辉石，其成分与全岩地球化学成分并不平衡。全岩成分受单斜辉石堆晶作用的影响。

(2)单斜辉石斑晶结晶温度为1201～1268℃，压力为7.6～14.0kbar。单斜辉石为主导的分离结晶作用是由高的结晶压力及全岩高CaO含量共同造成。

(3)校正后的主量元素及微量元素特征表明南秦岭玄武岩为富单斜辉石，磷灰石，含少量角闪石及石榴石的岩石圈地幔部分熔融产物。而玄武质角砾的源区则为富单斜辉石、含更多角闪石，更少磷灰石的尖晶石相岩石圈地幔。

致谢三位匿名审稿人对本文提出了建设性修改意见，在此致以衷心的感谢