东秦岭丹凤地区钾长花岗岩年龄、地球化学特征及其地质意义

惠争卜， 赵如意， 王江波， 李卫红

(1.核工业二○三研究所，陕西 咸阳 712000；2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013)

大别-秦岭-祁连-昆仑造山带横亘于中国大陆的中部，被称为中央造山系。秦岭造山带是华北板块与扬子板块长期汇聚形成的复合造山带(张国伟等，2001；荆国强等，2017)，其缝合中国南北大陆，是区域地质演化、变质变形、构造活动、岩浆作用等研究的综合试验场。前人对工作区及其周边的岩浆岩进行了较为系统的研究，并将东秦岭构造岩浆活动划分为新元古代、古生代、早中生代和晚中生代等4个期次。但是对早古生代地质演化的阶段划分仍存在诸多争议，尤其是早古生代碰撞造山向后碰撞阶段的转换时间莫衷一是(王涛等，2005；陆松年等，2004；王晓霞等，2015；赵如意等，2014，2015)。

丹凤地区处于北秦岭、商丹构造混杂岩带和秦岭微地块的结合部位，构造变形与岩浆作用十分强烈。笔者曾在该区开展“陕西1∶5万龙驹寨、峦庄街幅区调”工作，结果表明该区构造岩浆活动以早古生代为主，是研究秦岭造山带最有利的地区之一。区内除发育蔡凹片麻状花岗闪长岩((889±10) Ma，张成立等，2004)、普陀片麻状闪长岩((448±2.3) Ma)、灰池子片麻状黑云母花岗岩、黑云母二长花岗岩、花岗闪长岩(440 Ma，Yuan et al., 2018)、枣园片麻状黑云母花岗岩、宽坪片麻状黑云母二长花岗岩((448.3±4.5) Ma，王江波等，2018)、黄龙庙、骡子坪和桃坪等含石榴石浅色花岗岩等较大的岩基、岩株(415 Ma，赵如意等，2014)外，还发育呈岩枝状产出的楸树坪、马莲滩等地的钾长花岗岩((430.8±2.6) Ma)，以及黑云母(二云母、白云母)花岗伟晶岩脉(415～405 Ma，Yuan et al., 2018; Chen et al., 2019;王江波等，2020)。钾长花岗岩的发育通常显示碰撞造山作用进入晚期，向后碰撞构造环境转换的过渡阶段，对于研究其成因具有重要的指示意义。本研究通过样品采集和测试等手段，对钾长花岗岩开展岩相学、地球化学、同位素年代学等研究，确定东秦岭丹凤地区钾长花岗岩年龄，探讨地球化学特征和构造意义，以进一步约束秦岭造山带东段早古生代后碰撞造山作用的开启时间。

1 区域地质

“三块夹两带”是秦岭造山带的构造格局(图1a)，研究区位于北秦岭地块、商丹蛇绿构造混杂岩带和秦岭微地块的结合部位。古元古界秦岭岩群是一套具有孔兹岩系特征的中深变质岩，是秦岭造山带结晶基底的重要组成部分(图1b)。丹凤岩群的主体是一套经历了绿帘角闪岩相变质作用的基性火山岩夹碎屑岩，它们是蛇绿构造混杂岩带中基体的主要组成部分，而秦岭岩群块体、碳酸盐岩、蛇绿岩等以构造块体的形式存在于基体之中。其南侧为下古生界罗汉寺岩组，是华北板块南部活动大陆边缘的弧前沉积楔(弧前盆地沉积)，岩性基本稳定，主要由杂砂岩、火山碎屑岩、泥砂质岩、碳酸盐岩及少量砾岩构成(陕西省地质矿产局，2013)。下古生界刘岭群池沟组分布于商丹断裂与牛耳川断裂之间，是一套强变形中等变质的副变质岩，岩性以石英片岩、绿片岩、大理岩和糜棱岩为主。山间拉分盆地中沉积的是中新生界砾岩、砂砾岩、砂岩和松散堆积物。

图1 东秦岭丹凤地区大地构造位置(a)和区域地质(b)图

丹凤地区区域构造线以北西向为主(图1b)，受强烈的构造挤压作用，地层常见紧闭褶曲。断裂构造主要有商丹蛇绿构造混杂岩带与北秦岭地块分界的分水岭断裂带和与秦岭微地块分界的商丹断裂带。分水岭断裂带先发育韧性变形后叠加脆性破裂，沿断裂带常见有眼球状糜棱岩、千糜岩、变晶糜棱岩，并有多个超基性岩体沿断裂带分布。商丹断裂带总体为向南逆冲的叠瓦状构造系(张国伟等，1996)，平面上呈舒缓波状，以向北陡倾为主，断裂带宽约500～1 000 m。

丹凤地区及周边岩浆岩十分发育(图1b)，除松树沟超镁铁质杂岩外，晋宁期岩浆岩从早到晚发育牛角山S型花岗岩(王涛等，2005)、蔡凹I型花岗岩(张成立等，2004)和吐雾山A型花岗岩(卢欣祥等，1999)。早古生代(加里东期)是丹凤地区岩浆作用最为发育的时期，早期以I型花岗岩为主，如桃花铺英云闪长岩等，S型花岗岩次之，如漂池黑云母二长花岗岩等(王涛等，2005)。中期主要为I型片麻状花岗岩，如灰池子花岗闪长岩、宽坪黑云母二长花岗岩、枣园黑云母花岗岩等(胡能高，1990)。晚期则主要是S型花岗岩和伟晶岩，如黄龙庙、骡子坪和桃坪含石榴石二长花岗岩等(赵如意等，2014)。

2 样品特征与分析测试

砖红色钾长花岗岩主要出露于丹凤县城北部的马莲滩一带，呈北西向展布。地球化学分析所用样品采集于涌峪沟秋树坪南侧和瓦房沟马莲滩附近，用于挑选锆石的钾长花岗岩采集于马莲滩附近(图1b)。钾长花岗岩侵入至片麻状花岗岩(图2a)和黑云斜长片麻岩之中。钾长花岗岩呈岩脉状、岩枝状，块状构造、中粒-细粒花岗结构(图2b)，主要矿物有钾长石(50%～65%)、斜长石(15%～20%)、石英(25%～30%)和少量黑云母(1%左右)。矿物粒径以1～3 mm为主，个别钾长石颗粒达6 mm，石英粒径多小于1 mm，黑云母片径多为1 mm左右。钾长石以他形-半自形粒状产出为主，格子双晶发育(图2c)，个别发育有细小的钠长石条纹。斜长石多为板状半自形晶，双晶发育，部分发育绢云母化和黏土化。石英呈集合体产出于长石矿物粒间空隙之中。黑云母多已强烈绿泥石化，析出有粉尘状不透明矿物。另外，岩石中见有少量的白云母(图2d)，多数具有原生白云母的特征，有的则可能是由黑云母蚀变而来。

图2 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩岩石学特征

锆石挑选工作由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。同位素年龄测试是利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)锆石U-Pb定年，该工作由西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。实验采用的ICP-MS为美国Agilent公司生产的Agilent7500a，激光剥蚀系统为德国Microlas公司生产的Geolas200M，该系统由德国Lambda Physik公司的Compex102ArF准分子激光器(波长193 nm)与Microlas公司的光学系统组成。

镜下观察使用的是莱卡显微镜及配套照相系统，该工作由西北大学陆动力学国家重点实验室完成。主量和微量元素测试由核工业二〇三研究所分析测试中心完成。主量元素检测使用的是荷兰帕纳科公司制造的Axios X射线光谱仪。钾长花岗岩烧失量为0.56%～1.06%，分析总量为99.88%～100.01%。微量和稀土元素检测使用的是荷兰帕纳科公司制造的Axios X射线光谱仪和Thermo Flsher公司制造的Xseries2型ICP-MS。具体的测试方法、步骤、可靠性分析与执行标准参考文献中的方法(赵如意等，2014，2015)。

3 分析结果

3.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

东秦岭丹凤地区钾长花岗岩中锆石呈粒状、柱状-长柱状，大多数锆石双锥发育，少量锆石锥顶较平呈柱状，锆石长约90～220 mm，宽约50～80 mm，长宽比为1.1～4.4。从CL图像可以看出，丹凤地区钾长花岗岩中锆石可以分两类：一类颜色较浅，呈浅灰色-灰色，锆石的震荡环带明暗相间细密发育(图3a)，内部结构单一，属于典型的岩浆锆石；另一类颜色较深，呈深灰色-黑色，少量可见明暗相间的环带或条纹，还见有少量退晶化形成的白色亮点(图3b)。浅色锆石6个测点在206Pb/238U-207Pb/235U谐和图(图3c)上，所有测点相对集中于谐和线附近，无明显的偏移，下点相交谐和年龄为(437.9±3.1) Ma(MSWD=1.4)。深色锆石10个测点在206Pb/238U-207Pb/235U谐和图(图3d)上，所有测点相对集中于谐和线附近，除3个点略有偏移外，大多数测点无明显的偏移，下点相交谐和年龄t=(430.8±2.6) Ma(MSWD=0.23)。从测点5和7与6和8的关系看，浅色锆石被深色锆石包裹；从谐和年龄来看，浅色锆石老于深色锆石；从CL图像的特征看，浅色锆石是典型的岩浆锆石，而深色锆石虽然震荡环带不发育，却符合碱性花岗岩中锆石环带发育较弱的特征；从锆石中Th、U含量看，浅色锆石的Th、U含量明显低于深色锆石。一般认为，较高的Th、U含量会导致阴极发光较弱，使得其图像较暗，同时较高的U、Th含量可能会产生退晶化现象，使得锆石结构遭到破坏，产生许多透明的小孔洞或充填一些其他矿物包体(图3e)，这些晶域可能会产生U、Th、Pb的不同程度丢失，在测试过程中已尽量避开，这也是有3个测点略有偏移的原因。因此，浅色锆石是钾长花岗岩的捕获锆石，而深色锆石才是其岩浆锆石，即丹凤地区钾长花岗岩侵位于(430.8±2.6) Ma。

图3 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩中锆石的CL图像(a,b,e)及其LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图(c,d)

浅色锆石6个测点中Th和U含量分别为57.9×10-6～148.0×10-6和162×10-6～261×10-6(表1)，平均值分别为121×10-6和229×10-6；Th/U值为0.36～0.60，平均值为0.52。深色锆石10个测点的Th含量为67.0×10-6～181.0×10-6，平均值为128.0×10-6；U含量为601×10-6～3 704×10-6，平均值为1 438×10-6；Th/U值为0.04～0.60，平均值为0.11。

表1 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果

3.2 地球化学特征

3.2.1 主量元素特征

东秦岭丹凤地区钾长花岗岩的主量元素测试结果及相关参数见表2。钾长花岗岩的SiO2含量为71.79%～72.99%，Na2O含量为1.93%～2.41%，K2O含量为7.29%～8.33%，(Na2O+K2O)为9.70%～10.59%， Na2O/K2O值为3.02～4.32。Al2O3的含量为14.03%～14.87%，A/CNK(铝饱和指数)的值为1.03～1.16，A/NK的值为1.12～1.25，FeO的含量为0.68%～0.96%，Fe2O3的含量为0.46%～0.88%。MgO含量为0.18%～0.40%。TiO2含量为0.14%～0.24%，CaO的含量为0.31%～0.60%，P2O5的含量为0.02%～0.17%。火成岩分类(TAS)图解(图4a)、A.R(碱度率)-SiO2图解(图4b)和Na2O-K2O图解(图4c)显示，丹凤地区钾长花岗岩属于过钾质碱性花岗岩，但是其碱性指数AI= (K2O+Na2O)/Al2O3(分子比)的值为(0.80～0.89)<0.90(洪大卫，1994)，所以只是偏碱性的过钾质花岗岩。A/CNK-A/NK图表明其具有过铝质特征(图4d)。

图4 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩TAS(a)、A.R-SiO2(b)、Na2O-K2O(c)和A/CNK-A/NK(d)图解

表2 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩中主量元素的含量

3.2.2 微量元素特征

东秦岭丹凤地区钾长花岗岩的微量元素含量及相关参数计算结果见表3。在原始地幔标准化微量元素蛛网图上(图5a)，钾长花岗岩相对富集大离子亲石元素Rb、Th、U、Pb，明显亏损Ba、Nb、Ta、Sr、Ti等元素，而Zr和Hf的含量变化较大。其中Rb、Pb、Sr和Ti的含量分别为160×10-6～318×10-6、47.4×10-6～64.0×10-6、65.1×10-6～436×10-6和556×10-6～1 250×10-6。

表3 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩中微量元素的含量

3.2.3 稀土元素特征

东秦岭丹凤地区钾长花岗岩的稀土元素含量及相关参数计算结果见表4。结果显示，钾长花岗岩的稀土总量(ΣREE)为42.25×10-6～193.64×10-6，轻稀土总量(ΣLREE)为39.82×10-6～189.60×10-6，轻重稀土比值(LREE/HREE)为15.20～42.90，铕异常值(δEu)为0.27～0.51。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(图5b)上呈现轻稀土元素分馏较强和重稀土元素分馏较弱的“左端倾斜、右端平缓、Eu谷发育”的特征。

图5 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(b)(标准化数值据文献Sun et al.，1989)

表4 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩中稀土元素的含量

4 讨论

4.1 岩石成因

K是一种最常见的低场强大离子亲石元素。在岩浆结晶过程中，钾长石主要在岩浆结晶晚期晶出，而在结晶作用的中、早期晶出很少。即使在结晶作用的晚期，侵入岩的中下部依然会有较多钾质残浆的存在。反之，在部分熔融过程中，富含钾长石组分的岩浆也是最先熔融形成的(牟保垒，1999)。岩浆结晶作用晚期产出的多为高分异花岗岩。高分异花岗岩可以产出白云母、石榴石等富铝矿物，在地球化学组分上表现为高Si、Al、K，低Ca、Mg、Fe、Ti等特点，绝大多数高分异花岗岩的铝饱和指数A/CNK>1.0，属于弱过铝到强过铝质。

东秦岭丹凤地区砖红色钾长花岗岩的长石以钾长石为主，石英含量较高，但未见有碱性暗色矿物。虽然其全碱含量很高((Na2O+K2O)为9.70%～10.59%)，但只是偏碱性的花岗岩。其A/CNK值为1.03～1.16，又可见少量的原生白云母，用CIPW标准矿物计算的刚玉含量为0.72%～2.41%，具有S型花岗岩和高分异花岗岩的共同特征。微量元素含量与高分异花岗岩相似，同样富集大离子亲石元素Rb、K和U，相对亏损Ba、Nb、Ta、Sr、Ti等元素，但是丹凤地区钾长花岗岩的Nb/Ta(13.7～24.9)和Zr/Hf(27.1～44.5)比值与高分异花岗岩Nb/Ta(3.6～15.3)和Zr/Hf(17.3～38.9)比值(陈璟元等，2015)相差甚远。同时，球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图为轻稀土元素分馏较强而重稀土元素分馏较弱的Eu谷发育模式，明显不同于高分异花岗岩的“海鸥式”和“四分组效应”配分模式图。因此，东秦岭丹凤地区砖红色钾长花岗岩更可能是部分熔融早期形成的花岗岩。这一点可以在La-La/Sm图解(图6a)得到印证，所有样品落入部分熔融趋势线附近。进而使用Rb/Sr-Rb/Ba(图6b)、C/MF-A/MF(图6c)和Al/Ti-Ca/Na(图6d)图解对其源岩进行研究，可以看出该钾长花岗岩主要是由富含黏土质矿物沉积岩或变质泥岩部分熔融形成的岩浆岩。

图6 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩的La-La/Sm图 (a)和源岩判别图 (b，d，c)

4.2 地质意义

从现有的资料看，在漫长的地质演化历史中，钾长花岗岩广泛发育。如古元古代蚌埠隆起区(杨德彬等，2009)、新元古代扬子板块西缘的安顺场地区(朱毓等，2017)、新元古代扬子板块北缘吐雾山地区(魏国安等，2019)、古生代阿尔金构造带红柳沟地区(康磊等，2011)、中生代安徽繁昌浮山地区(庞振山等，2017)、新生代浙江普陀山地区(张晓琳等，2005)。这些钾长花岗岩全部是在后碰撞-伸展构造背景下，由泥质-黏土质岩石部分熔融所形成的，标志着每个构造旋回中碰撞造山作用的结束。东秦岭丹凤地区钾长花岗岩块状构造、中-细粒花岗结构，不发育片麻状构造及其他矿物的定向排列或变质变形特征。因此，其产于构造应力相对舒张的地质背景，且其后没有遭遇强烈的变质变形作用；东秦岭丹凤地区钾长花岗岩过钾、偏碱、过铝的特征，也显示为陆相伸展环境产出的花岗岩。在(Y+Nb)-Rb(图7a)和R1-R2(图7b)构造环境判别图上，所有样品均落入后碰撞构造环境。因此，东秦岭丹凤地区钾长花岗岩的产出，标志着该区早古生代碰撞造山作用的结束，由此进入后碰撞伸展阶段。

图7 东秦岭丹凤地区钾长花岗岩Y+Nb-Rb(a)和R1-R2(b)图解

综合前人的研究成果可以看出，东秦岭地区经历的多期多阶段区域地质演化如下：受全球Rodinia超大陆聚合-裂解作用的影响，秦岭地区新元古代(979～711 Ma)经历了强烈的区域变质变形及可能存在的高压变质作用，之后发育的花岗岩具有S→I→A型趋势(王涛等，2002)。此时的秦岭造山带从同碰撞向后碰撞及碰撞后演化(第一期，张成立等，2004；裴先治等，2007；王晓霞等，2011)。700～540 Ma之间，东秦岭地区构造岩浆活动较为平静。早至540 Ma(第二期第一阶段)，古商丹洋已经发育了广阔的洋盆，同时洋壳向北秦岭下猛烈俯冲(裴先治等，2006，2007；李王晔等，2007；董云鹏等，2008)。古商丹洋铁镁质洋壳和沉积物在俯冲过程中不断脱水，说明古商丹洋俯冲带与北秦岭南缘之间的弧前地带形成了早期不成熟的岛弧(赵如意等，2015)。古商丹洋俯冲阶段产出的花岗岩(507～470 Ma)主要分布于秦岭杂岩之中。470～455 Ma(第二期第二阶段)是东秦岭地区构造岩浆活动不甚发育的时期，可能是俯冲作用结束至碰撞作用相对较弱的阶段，即俯冲-碰撞转换阶段。早古生代碰撞造山阶段(455～431 Ma，第二期第三阶段)产出了灰池子、枣园、宽坪等片麻状花岗岩。随着区域构造应力的减弱，强烈变质变形的泥质、黏土质岩石开始部分熔融，形成钾长花岗质岩浆。它们多数沿副片麻岩的层间分布，小规模聚集在副片麻岩发育区，其多数为原地、半原地低熔融岩浆岩。随着构造应力的进一步减弱，后碰撞阶段(431～400 Ma，第二期第四阶段)产出了大量含石榴石白云母浅色花岗岩(王涛等，2009；王江波等，2018)，由于舒张的构造应力，东秦岭地区抬升、冷却、剥蚀速度较慢。S型花岗岩分异出的残浆、热液在岩体周边形成分带性较好的伟晶岩脉，控制了该区伟晶岩型铀矿、钾长石矿及稀有金属矿产的产出。早中生代(第三期)是华南板块与华北板块碰撞造山作用在秦岭的显示，而晚古生代(第四期)则是古太平洋消亡产生碰撞造山作用的反映。

5 结论

(1)东秦岭丹凤地区产出的砖红色钾长花岗岩是高硅、过钾质、偏碱的过铝质花岗岩，它具有大离子亲石元素Rb、Th、U、Pb相对富集，Ba、Nb、Ta、Sr、Ti明显亏损，轻稀土元素分馏较强、重稀土元素分馏较弱且铕异常发育的岩石地球化学特征。

(2)丹凤地区钾长花岗岩中有浅色和深色两种锆石，LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果表明，浅色和深色锆石的谐和年龄分别为(437.9±3.1) Ma和(430.8±2.6) Ma，深色锆石是钾长花岗岩的岩浆锆石，而浅色锆石是捕获锆石。

(3)东秦岭丹凤地区钾长花岗岩是由泥质、黏土质岩石低熔融形成的原地、半原地S型花岗岩，它标志早古生代碰撞造山作用进入后碰撞阶段(第二期第四阶段)。其侵位时代为早泥盆世，该期地壳熔融事件形成于后碰撞构造环境，可能是秦岭微地块和华北板块在早古生代碰撞造山晚期造山带由挤压向伸展转换阶段的产物。