巖石形成構(gòu)造環(huán)境地球化學(xué)判別如何有效應(yīng)用-張本仁

1、第二章 巖石形成構(gòu)造環(huán)境地球化學(xué)判別如何有效應(yīng)用,張本仁（中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院）2006年11月,一、引言,1 研究簡況上世紀(jì)60年代中板塊構(gòu)造學(xué)說興起，使地質(zhì)學(xué)家視野首次擴(kuò)大到全球，大大促進(jìn)了地學(xué)及其下屬各們學(xué)科，包括地球化學(xué)的迅猛發(fā)展。上世紀(jì)60—70年代，集中研究近代各類板塊構(gòu)造環(huán)境中巖石的地球化學(xué)特征及形成機(jī)制，進(jìn)而探索構(gòu)造環(huán)境地球化學(xué)判別的標(biāo)志、方法和圖解，工作集中于洋域及其周邊。70年代中以來，研究逐步向大陸區(qū)

2、域和造山帶發(fā)展。通過蛇綠巖、火山巖、花崗巖、沉積巖和變質(zhì)巖等形成構(gòu)造環(huán)境的地球化學(xué)判別，進(jìn)而探索構(gòu)造性質(zhì)、格局和演化。這已經(jīng)成為現(xiàn)今地球化學(xué)研究區(qū)域和造山帶構(gòu)造的常規(guī)內(nèi)容,2.研究和運(yùn)用中存在的問題,雖然這種構(gòu)造地球化學(xué)研究已作出許多重要成果與貢獻(xiàn)，但由于大陸發(fā)展的長期和復(fù)雜性，這種研究途徑的本身和應(yīng)用上尚有待改進(jìn)和完善之處，具體為有：數(shù)據(jù)精確度不高； 選擇判別標(biāo)志和圖解帶有盲目性：巖石地球化學(xué)判別標(biāo)志本身存在多解性，例如，具有洋

3、脊玄武巖（MORB）化學(xué)特征的玄武巖可以產(chǎn)出于洋脊、弧后盆地及邊緣海盆等環(huán)境；巖石變質(zhì)或蝕變的影響等。 這些問題常常導(dǎo)致誤判。如何改進(jìn)，以下幾點(diǎn)值得注意。,二、改善應(yīng)用的建議,（一）正確理解構(gòu)造環(huán)境與巖石地球化學(xué)特征內(nèi)在聯(lián)系是，克服盲目性、是提高巖石構(gòu)造環(huán)境地球化學(xué)判別效果的首要因素。按地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中各種基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)形式的相互依存、相互制約和相互轉(zhuǎn)化的地學(xué)哲學(xué)觀，對(duì)各類巖石形成過程來說，構(gòu)造(環(huán)境)起著溝通物源、約束過程發(fā)生場所和運(yùn)

4、移途徑，以及制約熱動(dòng)力學(xué)條件的作用。具體說明如下：1.不同構(gòu)造切割殼幔的深度和部位不同洋脊可溝通地幔的軟流圈（虧損地幔源）；B型俯沖可導(dǎo)致俯沖洋殼與地幔的相互作用，即導(dǎo)致殼→ 幔→殼物質(zhì)的再循環(huán)，使某些不相容元素再次富集；,1 構(gòu)造環(huán)境與巖石地球化學(xué)特征內(nèi)在聯(lián)系（續(xù)）,A型俯沖可引起仰沖盤陸殼與俯沖盤地殼基底和地幔的相互作用、物質(zhì)交換，等等。由于地球各層圈及層圈內(nèi)不同部分均為化學(xué)成分差異的物質(zhì)庫，所以特定構(gòu)造和構(gòu)造環(huán)境就溝通著不

5、同物質(zhì)庫（源區(qū)）及其組合，使巖石一定程度上繼承源區(qū)的化學(xué)特征。2.不同構(gòu)造限定著巖石形成過程活動(dòng)場所與運(yùn)移途徑的不同，例如，洋脊構(gòu)造限定了玄武巖漿沿?cái)U(kuò)張脊活動(dòng)，形成的巖石只同海水作用，成分常受海水蝕變的影響；B型俯沖限定巖漿在島弧區(qū)自下而上運(yùn)移，穿過大洋巖石圈（洋內(nèi)島弧）或大陸巖石圈（大陸島?。蚨鴰r石會(huì)受洋或陸殼物質(zhì)影響而表現(xiàn)出成分差異。,3.不同構(gòu)造環(huán)境顯示出不同的熱動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)條件，影響著各類成巖過程的機(jī)制和特征,例如，洋

6、脊環(huán)境受制于地幔高熱流，使熱通過玄武巖漿向外逸散，只發(fā)生巖漿快速結(jié)晶或固結(jié)，一般不引起較大的成分分異。板內(nèi)裂谷構(gòu)造同樣是地幔軟流圈上隆或地幔熱柱作用引起巖石圈裂解的結(jié)果，幔源巖漿可以通過結(jié)晶分異突變、巖漿不混熔分層等方式形成雙模式巖套（機(jī)制未完全搞清），也可由于幔源巖漿熱的烘烤使下地殼部分熔融形成不同源的雙模式巖套，但不引起巖漿中高場強(qiáng)元素（HFSE）相對(duì)于大離子親石元素（LILE）的分異或虧損。,又如，B型俯沖帶中為地幔對(duì)流下降處，隨

7、俯沖洋殼下插溫度升高和脫水變質(zhì)，形成富水條件下的部分熔融，必然降低鈦酸鹽類、金紅石、鋯石等富含高場強(qiáng)元素（Nb、Ta、Zr、Hf、Ti、P）礦物熔融和溶解度，使HFSEs更多地留在源區(qū)的殘余固相中，而大離子親石元素（LILE:K、Rb、Ba、Th、U、REE）（多含于一般造巖礦物中，且具有不相容性）則傾向富集于形成的巖漿和溶液中，因此俯沖消減帶中的火山巖和侵入巖均顯示HFSE相對(duì)于LILE虧損的特征。這種特征被稱之為消減帶組分——SZC

8、。,總之，上述有關(guān)構(gòu)造性質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境對(duì)巖石地球化學(xué)特征約束實(shí)質(zhì)的闡明，雖然只是結(jié)合巖漿作用討論的，但也適用于沉積作用。只是對(duì)沉積作用而言，物源應(yīng)是受構(gòu)造環(huán)境制約的剝蝕區(qū)的物質(zhì)成分，構(gòu)造限定的成巖條件則更多是風(fēng)化剝蝕速率及水動(dòng)力學(xué)條件。變質(zhì)作用物源則是卷入構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的巖漿巖或沉積巖，而構(gòu)造運(yùn)動(dòng)則限定著熱動(dòng)力學(xué)條件。,（二）選擇有效判別標(biāo)志和方法的原則,1.由物源看，地殼和地幔的各個(gè)結(jié)構(gòu)層均可視為化學(xué)上不同的物質(zhì)庫，在它們之間元素組成差別最明

9、顯的應(yīng)是強(qiáng)和較強(qiáng)不相容元素，即LILE(Rb、Th、K、Ba、LREE等）與HFSE(Ti、Ta、Nb、Zr、Hf、Y等），以及強(qiáng)相容元素（Cr、Ni、Co), 它們?cè)趲r漿與殘留固相巖石之間具有最強(qiáng)和較強(qiáng)分異能力，應(yīng)具有更好的判別意義。,2.由物理化學(xué)條件能引起的差異強(qiáng)度看，必須重視 LILE與HFSE的相對(duì)關(guān)系。因LILE一般為造巖礦物的組成，這些礦物的穩(wěn)定性較小（易熔和易溶），而HFSE則主要受穩(wěn)定性較大的副礦物（Ti、Nb、Ta復(fù)

10、雜氧化物, 鋯石等）的控制，所以這兩類元素的相對(duì)關(guān)系能較靈敏地反映物理化學(xué)條件不同的構(gòu)造環(huán)境。,3.從巖石中元素含量差別程度看，微量元素應(yīng)優(yōu)于主量元素。例如，洋脊玄武巖（MORB）與大洋裂谷玄武巖（洋島玄武巖OIB）和大陸裂谷玄武巖(CRB)相比，微量元素含量有些可相差1—2數(shù)量級(jí)，而主量元素含量相差甚微。所以微量元素標(biāo)志能有更顯著的判別效應(yīng)。,4.從元素在巖石變質(zhì)過程中的穩(wěn)定性看，REE、HFSE及Cr、Ni、Co也較為惰性，適合于在

11、大陸巖石多受變質(zhì)的條件下應(yīng)用；K、Rb、Cs、U、Sr、Ba和Pb等較活動(dòng)，只能在巖石未變質(zhì)或變質(zhì)輕微情況下應(yīng)用, 特別須注意避免遭受流體交代的蝕變巖石樣品。,5 注意區(qū)域性地幔不均一性的影響,例如，印度洋區(qū)和太平洋區(qū)地幔在地球化學(xué)上的長期差異，造成兩洋區(qū)的MORB型玄武巖在同位素和微量元素組成上的不同(下圖）。在給定的206Pb/ 204Pb的情況下，印度洋區(qū)（前身為特提斯洋區(qū)）蛇綠巖中MORBs的207Pb/ 204Pb一般高于太平

12、洋域蛇綠巖中的MORBs。依據(jù)這點(diǎn)可以鑒別古特提斯構(gòu)造域（Hamelin等，1984）。據(jù)此推測兩洋區(qū)MORBs的微量元素組成也應(yīng)是有區(qū)別的。,,,,Figure 5 (a) 207Pb/204Pb versus 206Pb/204Pb for MORB from three major ocean basins and marine sediments.(b) 208Pb/204Pb versus 206Pb/204Pb f

13、or MORB from three major ocean basins. Sediments are not plotted because of strong overlap with the basalt data. For data sources see Figure 4.,6.多元素綜合判別比少數(shù)元素構(gòu)成的判別圖解更有效，例如，近年發(fā)展起來的各種蛛網(wǎng)圖(spidergram), 即以LILE、HFSE等不相容元素為基礎(chǔ)，按

14、不相容性減弱趨勢排序，以球粒隕石、N-MORB、ORG、原始地幔等標(biāo)準(zhǔn)化，編制元素組成模式圖，其判別效果就優(yōu)于少數(shù)元素的二元和三元圖解。將世界已知構(gòu)造環(huán)境中巖石數(shù)據(jù)與待判巖石數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行多元判別分析與多元對(duì)應(yīng)分析，也是值得推薦的方法。 數(shù)據(jù)和編制圖解必須注意：（1）數(shù)據(jù)的測試方法與精度；（2）元素比值參數(shù)中的分子和分母元素?cái)?shù)據(jù)必須是由同種分析方法測定，以避免不同方法造成的誤差；（3）根據(jù)蛛網(wǎng)圖確定HFSE是否具有異常，必須注意兩

15、側(cè)應(yīng)是穩(wěn)定的LILE（REE),而不應(yīng)是K、Rb、Ba、U等易活動(dòng)元素，并須將元素嚴(yán)格按不相容性減弱的順序排列，縱坐標(biāo)采用適當(dāng)比例。,1 與蛇碌巖有關(guān)的玄武巖（MORB類型）,圖1 勉略蛇綠混雜巖帶玄武巖球粒隕石和N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素組成模式,圖9．6 松樹溝蛇綠巖和丹鳳群的變拉斑玄武巖主量元素對(duì)應(yīng)分析載荷平面點(diǎn)聚圖l-6．丹鳳群巖石；7-10．大洋中脊玄武巖；1l-17．島弧安山玄武巖；18-19．大陸玄武巖；20-29．

16、松樹溝巖石,圖6.26 南秦嶺晚古生代花崗巖類和世界典型造山帶花崗巖Q型對(duì)應(yīng)分析F1-F2因子載荷平面圖1、2和13. 島弧花崗巖；3-6. 板內(nèi)花崗巖；7-12和14-20. 同碰撞型花崗巖；21-23. 光頭山花崗巖；24-26. 華陽花崗巖；27-28. 胭脂壩花崗巖；29-31. 五龍花崗巖；32-34.老城花崗巖；35-36.東江口花崗巖。樣品1-18數(shù)據(jù)引自Pearce和Harris等(1984)；19-20引自Neiv

17、a等(1987)。,7 這里所討論的構(gòu)造環(huán)境是自大約1.8 Ga以來板塊構(gòu)造體制下的，不應(yīng)直接搬用于地球出現(xiàn)板塊構(gòu)造體制之前，尤其太古宙構(gòu)造。例如，一些太古宙的巖石也顯示SZC的化學(xué)特征，但不應(yīng)說它們就與洋殼俯沖消減有關(guān)，就是產(chǎn)于島弧環(huán)境，因?yàn)槟菚r(shí)如果發(fā)生下地殼拆沉也可能造成類似SZC的特征。,8.各類巖石形成機(jī)制、條件等的復(fù)雜程度不同，用于板塊構(gòu)造環(huán)境判別的研究深度也有差異。一般火山巖，尤其玄武巖研究最多，應(yīng)用最廣；其次為花崗巖類，研

18、究較多，應(yīng)用也較廣；而沉積巖則相對(duì)研究得弱些，但也有一定的應(yīng)用。應(yīng)分別了解它們?cè)诟鞣N構(gòu)造環(huán)境中的地球化學(xué)特征和鑒別標(biāo)志，以便較好地應(yīng)用。,9．隨研究的深入，某些構(gòu)造環(huán)境鑒別已不能滿足于大類確定，還需區(qū)分細(xì)的類型。例如，島弧環(huán)境需進(jìn)一步鑒別出洋內(nèi)島弧、大陸島弧和陸緣弧；在洋脊玄武巖中需區(qū)分正常型洋脊玄武巖(N-MORB)、過渡型洋脊玄武巖(T-MORB)和異常型洋脊玄武巖(E-MORB)；板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境需要區(qū)分大洋裂谷與大陸裂谷，等等。詳細(xì)

19、區(qū)分的原理與標(biāo)志說明如下。,（1）洋內(nèi)島?。ㄈ绨⒘羯辏?、大陸島弧（如巽他）和陸緣?。ò驳谒剐停┑牡厍蚧瘜W(xué)區(qū)別。根據(jù)：按上列順序，島弧玄武巖的地幔源區(qū)中陸源沉積物的影響依次增強(qiáng)（洋殼俯沖帶入）。標(biāo)志為：雖共同具有虧損HFSE的特征，但洋內(nèi)島弧基本無大陸物質(zhì)影響，大陸島弧至陸緣弧大陸物質(zhì)影響逐漸增大。具體表現(xiàn)：相對(duì)洋內(nèi)島弧，不相容元素（含REE）增富，(La/Yb)N增大，La/Nb、Ba/Nb、Th/Nb等增高。,（2）N-型、T-型和E

20、-型MORB的地球化學(xué)區(qū)別。三種MORB均產(chǎn)于洋脊，在大陸上均與蛇綠巖有關(guān)。N–MORB來源于虧損地幔（DM）， E-MORB巖漿源自地幔深部地幔柱源區(qū)，而T-MORB為上述兩種地幔源巖漿的混合產(chǎn)物。相對(duì)于DM,地幔柱源巖漿明顯富集不相容元素（含REE）, (La/Yb)N >> (6.6 — 13.6), Ti≈Ta; Th/Yb、Ta/Yb、Ba/Nb、Ba/Th、Ba/La等偏高，Zr/Nb偏低。,（3）大洋裂谷OIB

21、和大陸裂谷CRB的區(qū)分。兩種裂谷環(huán)境中產(chǎn)出的玄武巖均多為地幔柱源巖漿形成，一致顯示上述地幔柱源巖漿的地球化學(xué)特征，并且常與長英質(zhì)巖石組成堿性雙峰巖套，一般不易區(qū)別，只是OIB有時(shí)更富集Nb-Ta(在蛛網(wǎng)圖中顯示正異常)，CRB常顯示陸殼污染特征。區(qū)分時(shí)，應(yīng)注意反映洋和陸的其他標(biāo)志，如共生沉積巖海相和陸相的特征、有無蛇綠巖相伴等。,（三）各類板塊構(gòu)造環(huán)境中巖漿巖的化學(xué)特征及其應(yīng)用的實(shí)例,下面將以不同構(gòu)造環(huán)境中產(chǎn)出的玄武巖類（含長英質(zhì)火山巖

22、）花崗巖類的地球化學(xué)特征、鑒別標(biāo)志及其用于判別的情況，以圖表方式說明之，以期能夠加深對(duì)上述原理和原則的理解，改善在研究中的應(yīng)用。 I 玄武巖類構(gòu)造環(huán)境地球化學(xué)判別,1 與蛇碌巖有關(guān)的玄武巖（MORB類型）,圖1 勉略蛇綠混雜巖帶玄武巖球粒隕石和N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素組成模式,,圖3 大洋中脊玄武巖 N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化不相容元素組成模式（引自Condie,1989),圖4 松樹溝變拉斑玄武巖Nb/Th-Nb(a)和NbN-T

23、hN-LaN(b)圖解(據(jù)Jochum et al., 1991)(引自周鼎武等, 1995a)MORB: 大洋中脊玄武巖(注: N- MORB), OIB: 洋島玄武巖, PM: 原始地幔, CC: 大陸地幔. 倒三角為第一組巖石; 正三角為第二組巖石; 空心方塊為第三組巖石.,圖5 松樹溝變拉斑玄武巖Th/Yb-Ta/Yb(a)和Ta-Th-Hf(b)圖解(引自周鼎武等, 1995a)a: MORB(注N-MORB)、OI

24、B、SHO、CAB、IAT和DM分別為正常洋脊玄武巖、洋島玄武巖、鉀玄巖、鈣堿性玄武巖、島弧拉斑玄武巖和虧損地幔(數(shù)據(jù)根據(jù)Pearce, 1983); b:N-MORB-正常型洋脊玄武巖, E-MORB-異常型洋脊玄武巖, WPB-板內(nèi)玄武巖(數(shù)據(jù)根據(jù)Wood, 1980). 圖例同圖3.,圖6 板內(nèi)玄武巖N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化不相容元素組成模式CRB-大陸裂谷玄武巖；OIB-洋島玄武巖。（引自Condie,1989)。,2 板

25、內(nèi)玄武巖類,3. 與俯沖消減帶有關(guān)的火山巖（1）島弧構(gòu)造環(huán)境,產(chǎn)出部位：板塊會(huì)聚帶, 隨部位不同分洋內(nèi)島弧、大陸島弧和陸緣弧。 物質(zhì)來源：洋內(nèi)島弧包括俯沖洋殼、遠(yuǎn)洋沉積物和大洋巖石圈地幔；大陸島弧包括俯沖洋殼、陸源沉積物與洋或陸巖石圈地幔；陸緣弧包括俯沖洋殼、陸源沉積物與大陸巖石圈地幔。 共同特征：虧損（相對(duì)于LILE) Nb、Ta、Zr、Hf、Ti、P等高場強(qiáng)元素。,圖2 各類玄武巖N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素組成模式N-M

26、ORB-正常洋脊玄武巖； IAB-島弧拉斑玄武巖； CABI-島弧鈣堿性玄武巖； CABM-陸緣弧鈣堿性玄武巖；WPB-板內(nèi)玄武巖。據(jù)BVTP(1981)數(shù)據(jù)。,圖7 丹鳳群變玄武巖的Th/Yb-Ta/Yb圖解（Pearce,1983) (引自張旗等，1995）DM: 虧損地幔；MORB：洋脊玄武巖（N型）；OIB：洋島玄武巖； TH：拉斑玄武巖； CAB：鈣堿性玄武巖；SHO：鉀玄巖?？杖槿镤佇鋷r；黑圓點(diǎn)為郭家溝玄武巖

27、；×：LREE虧損型玄武巖.,圖8 丹鳳群玄武巖εNd-Nb/Th、εNd-La/Nb和εNd-Ba/Nb圖解(據(jù)李曙光, 1994)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引自張旗等(1995).,圖9 垃圾廟蘇長-輝長巖εNd-Nb/Th、εNd-La/Nb和εNd-Ba/Nb圖解(引自李曙光, 1997),(2)弧后盆地構(gòu)造環(huán)境 產(chǎn)出部位：島弧后近大陸一側(cè)，拉張環(huán)境。物質(zhì)來源：復(fù)雜，早階段有俯沖消減物質(zhì)， 甚至地幔柱物質(zhì)加入，晚期

28、主要來自虧損地幔。 玄武巖的化學(xué)特征：早期的類似島弧玄武巖，晚期的與N-MORB相同。,圖10 二郎坪群變玄武巖Zr-Ti-Sr圖解(據(jù)Pearce & Cann., 1973)和Zr/Y-Zr圖解(據(jù)Pearce, 1982)(引自邱家驤和張珠福, 1994)MORB：洋脊玄武巖；LKT：島弧低鉀玄武巖；CAB：島弧鈣堿性玄武巖；WPB：板內(nèi)玄武巖；1—6：樣品所屬的地層組。,II、花崗巖類1 花崗巖類型與構(gòu)

29、造環(huán)境 （1） M型花崗巖：巖石為斜長花崗巖，一般產(chǎn)于弧后盆地或不成熟的洋內(nèi)島弧，為幔源玄武巖漿分異結(jié)晶產(chǎn)物，常與蛇綠巖共生；Al2O3/(Na2O+K2O+CaO)介于<1.1與0.6之間, Ba、Ti、P虧損小，SZC可變，δ18O = 5.5~6。 （2） A型花崗巖：高鉀花崗巖（±正長巖），富堿、REE和HFSE， Al2O3/(Na2O+K2O+CaO)=0.9~1.1, 強(qiáng)烈虧損Sr、P和T

30、i，具有高的初始87Sr/86Sr值,δ18O = 8~10, 不具有SZC；下地殼部分熔融產(chǎn)物，形成于后構(gòu)造階段、大陸裂谷（？）或非造山環(huán)境。,（3） I型花崗巖類: 主要為英云閃長巖、花崗閃長巖等，Ba 、Ti、P虧損中等，SZC顯著， Al2O3/(Na2O+K2O+CaO) = 0.5-1.1, δ18O = 8- 10；為 CAB或IAB巖漿結(jié)晶分異產(chǎn)物，或由未經(jīng)風(fēng)化的偏基性巖漿巖部分熔融形成，形成于造山前到同造山期，產(chǎn)出于陸

31、緣弧或碰撞帶。（4）S型花崗巖：為具有化學(xué)成分變化不大的淡色花崗巖，Ba、 Ti、P虧損中等，SZC變化不定， Al2O3/(Na2O+K2O+CaO) > 1.1， δ18O > 10；主要為變沉積巖部分熔融產(chǎn)物，產(chǎn)出于碰撞造山帶中同構(gòu)造到后構(gòu)造期。（5）近年又提出埃達(dá)克巖（adakite）型花崗巖，其化學(xué)特征為：高AL2O3(>15%)、Mg#(Mg/Mg+Fe原子比值 >40)、Sr和高Sr/Y比值

32、（ > 20 – 40)；富集LREE,貧于HREE(Yb ≦ 1-1.5 X 10-6) 和Y（≦15-18 X 10-6)，La/Yb > 20.在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化不相容元素組成模式圖上顯示Nb-Ta的負(fù)異常和Sr的正異常。一般認(rèn)為此類花崗巖的形成與洋殼俯沖消減有關(guān)，由洋殼部分熔融形成巖漿與巖石圈地幔楔橄欖巖相互作用的結(jié)果，因此將此類巖石作為俯沖消減帶或島弧構(gòu)造環(huán)境的典型標(biāo)志（圖）。,,,2.花崗巖類構(gòu)造環(huán)境的地球化學(xué)判

33、別,由于同一類型花崗巖類。如，I和S型花崗巖類均可產(chǎn)出于多種構(gòu)造環(huán)境，必需進(jìn)一步鑒別它們形成的具體環(huán)境，下列地球化學(xué)判別標(biāo)志與方法是比較有效的：（1）花崗巖類洋脊花崗巖（M型花崗巖)標(biāo)準(zhǔn)化不相容元素組成模式（Pearce et al., 1984)基本可以區(qū)分與洋殼俯沖消減有關(guān)及與碰撞造山有關(guān)的兩類花崗巖。 （2）LILE vs HFSE圖解，例如， Rb vs Y+Nb和 Rb vs Yb+Ta圖解可區(qū)別火山弧型與同碰撞型或板內(nèi)

34、型花崗巖。：,圖11 北秦嶺早古生代花崗巖類洋脊花崗巖標(biāo)準(zhǔn)化元素組成模式 (據(jù)Pearce, et al., 1984)智利和牙買加花崗巖均產(chǎn)于島弧構(gòu)造環(huán)境,圖12 南秦嶺印支期碰撞型花崗巖類洋脊花崗巖標(biāo)準(zhǔn)化元素組成模式(據(jù)Pearce et al., 1984)1.華陽; 2.五龍; 3.胭脂壩; 4.西南歐洲海西褶皺帶碰撞型花崗巖; 5.沙河灣; 6. 東江口; 7.老城; 8.阿爾卑斯帶碰撞型花崗巖.,

35、（2）Rb-Y+Nb和 Rb-Yb+Ta可區(qū)別火山弧型、同碰撞型和板內(nèi)型花崗巖（圖13）：,圖13 北秦嶺早古生代花崗巖類Rb-(Y+Nb)和Rb-(Yb+Ta)圖解(據(jù)Pearce, et al., 1984)Syn-COLG-同碰撞型花崗巖; VAG-島弧型花崗巖; WPG-板內(nèi)型花崗巖; ORG-洋脊型花崗巖. 丹鳳區(qū)小巖體包括棗園、許莊和石門巖體; 漂池花崗巖為與弧-陸碰撞有關(guān)的S型花崗巖.,（3）花崗巖多陽離子判別圖解能

36、大致區(qū)分同碰撞型和晚碰撞型花崗巖,圖14 北秦嶺(a)和南秦嶺(b)晚海西-支期花崗巖多陽離子判別圖解( de la Roche., 1977)1.地幔斜長花崗巖；2破壞性活動(dòng)板塊邊緣（碰撞前）；3碰撞后隆起區(qū)；4造山晚期區(qū)；5非造山區(qū)；6同碰撞區(qū)。a中的巖體代號(hào)：▲寶雞；■寬坪；●翠華山、蟒嶺、高山寺和鐵峪鋪。b中的巖體代號(hào)：▲曹坪和沙河灣；■光頭山、西壩、老城和東江口；●華陽、五龍、胭脂壩和柞水.,（4）與消減作用有關(guān)的花崗巖常

37、顯示成分穿弧極性,主要組分含量單位: 重量%; 微量元素含量單位: n×10-6.,表2 丹鳳地區(qū)早古生代小巖體花崗巖類成分空間分帶,（四）沉積巖類的地球化學(xué)特征與構(gòu)造環(huán)境,1. 細(xì)粒碎屑沉積巖的地球化學(xué)特征與構(gòu)造環(huán)境 實(shí)質(zhì)是：構(gòu)造環(huán)境控制著物源區(qū)的巖石和化學(xué)組成、地殼的成熟度，物源區(qū)的巖層風(fēng)化剝蝕程度，以及剝蝕區(qū)和沉積區(qū)的水動(dòng)力條件與物質(zhì)分選程度。此外，尚需考慮元素在沉積作用中化學(xué)行為的不同。例如，洋內(nèi)島弧區(qū)盆地源

38、區(qū)主要由玄武巖組成，成熟度低，SiO2含量低，水動(dòng)力強(qiáng)分選差。而以被動(dòng)大陸邊緣或由克拉通高地為源的沉積作用，因剝蝕區(qū)為多次沉積再循環(huán)的成熟地殼、由于K易被吸附，Na易被淋濾， SiO2因石英耐風(fēng)化而相對(duì)富集，加之水動(dòng)力弱分選強(qiáng)，因而沉積物以高SiO2含量與高K2O/Na2O比值為特征。,圖15二郎坪群和丹鳳群變雜砂巖K2O/Na2O-SiO2圖解(據(jù)Roser and Korsh, 1986)ARC-大洋島弧區(qū); ACM活動(dòng)大陸

39、邊緣區(qū); PM-被動(dòng)大陸邊緣區(qū). ● 二郎坪群，弧后盆地沉積，由南側(cè)島弧區(qū)和北側(cè)華北克拉通提供碎屑； ○ 丹鳳群，產(chǎn)于陸緣弧區(qū)盆地。,（（,(1) K2O/Na2/O-SiO2圖解（Roser and Korsh, 1986),圖16 秦嶺與鄰區(qū)各時(shí)代碎屑巖K2O/Na2O -SiO2圖解(據(jù)Roser and Korsch, 1986)PM-被動(dòng)大陸邊緣區(qū); ACM-活動(dòng)大陸邊緣區(qū); ARC-大洋島弧區(qū). 年代代號(hào):

40、Pt-元古宙; C-寒武紀(jì); O-奧陶紀(jì); S-志留紀(jì); D-泥盆紀(jì); C-P-石炭-二疊紀(jì).。構(gòu)造單元與地層小區(qū): NC-華北陸塊南緣, YC- 揚(yáng)子陸塊北緣, NQ-北秦嶺; LY和BZ:南秦嶺留壩-鄖縣和白云-柞水小區(qū), ZZ: 南秦嶺紫陽-竹溪小區(qū), WXC: 南秦嶺淅川小區(qū)西部, EXC: 南秦嶺淅川小區(qū)東部。,,應(yīng)用結(jié)果的討論K2O/Na2/O-SiO2圖解反映的更主要是剝蝕源區(qū)巖石的成分，然而，仍可起判別沉積盆

41、地構(gòu)造環(huán)境的作用，例如，區(qū)別火山弧區(qū)的丹鳳群及弧后盆地二郎坪群雜砂巖；K2O/Na2/O-SiO2圖解判別結(jié)果存在著相對(duì)于實(shí)際構(gòu)造發(fā)展的某種程度的滯后，例如，南秦嶺于震旦紀(jì)已進(jìn)入被動(dòng)陸緣發(fā)展期，但是還有相當(dāng)多寒武紀(jì)甚至奧陶紀(jì)的樣品點(diǎn)落于活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境區(qū)。這點(diǎn)需在應(yīng)用時(shí)注意，并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展加以合理的解釋。,( 2) 稀土元素判別準(zhǔn)則（Bhatia, 1985) 應(yīng)用細(xì)粒碎屑沉積巖稀土元素組成特征能區(qū)別

42、大洋島弧、大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣（安第斯型）與被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。其規(guī)律為：自大洋島弧→大陸島弧→活動(dòng)陸緣→被動(dòng)陸緣, La、Ce、Nd等輕稀土含量和∑REE逐步增高，LaN/YbN與LREE/HREE漸次增大（輕重稀土分餾增強(qiáng)），Eu/Eu*依次減?。‥u虧損增大）。 此規(guī)律是Bhatia研究澳大利亞不同構(gòu)造環(huán)境中產(chǎn)出的碎屑巖得出的結(jié)果。見下表：,表3 南秦嶺及揚(yáng)子陸塊北緣砂質(zhì)和泥質(zhì)沉積巖稀土元素組成特征,澳大利亞各種

43、構(gòu)造環(huán)境中巖石的數(shù)據(jù)引自Bhatia,1985.,結(jié)果討論,震旦紀(jì)開始，揚(yáng)子已克拉通化，南秦嶺已近入被動(dòng)大陸邊緣發(fā)展時(shí)期，然而揚(yáng)子和南秦嶺震旦紀(jì)細(xì)粒碎屑巖均顯示出介于大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣碎屑巖之間的REE組成特征。寒武和奧陶紀(jì)細(xì)粒碎屑巖，在揚(yáng)子區(qū)和南秦嶺均顯克拉通區(qū)或被動(dòng)大陸邊緣特征。此后，南秦嶺的志留紀(jì)和泥盆紀(jì)細(xì)粒碎屑巖又復(fù)顯近似活動(dòng)大陸邊緣的特征，而揚(yáng)子同時(shí)代的細(xì)粒碎屑巖則仍顯示克拉通區(qū)成熟地殼的特征。表明：（1）細(xì)粒碎屑巖REE

44、組成特征基本是繼承剝蝕區(qū)的巖石化學(xué)成分；（2）判別結(jié)果也存在較構(gòu)造發(fā)展滯后一個(gè)節(jié)拍的現(xiàn)象；（3）南秦嶺志留-泥盆紀(jì)細(xì)粒碎屑巖復(fù)顯活動(dòng)大陸邊緣特征，暗示與南北物質(zhì)混合沉積有關(guān)，反映被動(dòng)和活動(dòng)大陸邊緣之間的洋盆已趨近封閉（見后）。,（3）細(xì)粒碎屑沉積巖陸源碎屑物質(zhì)源區(qū)的判別原理： Th、 Sc、 Co、 REE、 Nb、 Ta等在巖石風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積、成巖和變質(zhì)過程中為較穩(wěn)定的元素，細(xì)粒碎屑沉積巖的這些元素含量和比值能近似定量

45、代表源區(qū)各該元素的含量和比值（Taylor & McLennan,1955)。 二元混合的一般方程為雙曲線函數(shù)： Ax+Bxy+Cy+D=0 據(jù)此式進(jìn)行推導(dǎo)，當(dāng)以細(xì)粒碎屑巖穩(wěn)定元素比值-比值作 圖判別時(shí)，二源混合沉積方式成立的條件為： A.當(dāng)兩元素對(duì)比值的分母元素相同時(shí)，圖上投點(diǎn)應(yīng)呈一直線分布； B.當(dāng)兩元素對(duì)比值的分母元素不同時(shí)，圖上投點(diǎn)呈雙曲線的一支分布； C

46、. 曲線上下端點(diǎn)巖石的成分可分別近似代表巖石兩個(gè)源區(qū)的平均成分。,圖17 秦嶺群(左)及寬坪群和二郎坪群(右)變雜砂巖的La/Co-Sc/Th和LA/Co-Th/Co聯(lián)合圖解右圖: 1-二郎坪群, 2-寬坪群, 3-秦嶺群平均成分, 4-太華群平均成分。 混合曲線兩端的元素濃度分別相當(dāng)兩端元巖石各該元素最小含量的極限, 并以之作為兩端點(diǎn)樣品的平均成分。,碎屑巖物源區(qū)研究的意義,判斷沉積盆地所處的構(gòu)造環(huán)境：例如，根據(jù)秦嶺群

47、雜砂巖屬于由雙模式堿性巖套兩端元巖石提供碎屑物質(zhì)混合形成的證明，可判斷該沉積盆地處于裂谷型構(gòu)造環(huán)境，判斷陸塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和位置、揭示盆地的性質(zhì)及陸塊的開、合與其時(shí)限：例如，通過二郎坪群雜砂巖源區(qū)判別，證明巖石是南側(cè)秦嶺群和北側(cè)華北克拉通高地物質(zhì)的二元混合產(chǎn)物，表明該盆地不可能為開闊洋盆；又如南秦嶺細(xì)粒碎屑巖物源研究征明，志留-泥盆紀(jì)之前碎屑物質(zhì)來自揚(yáng)子單一來源，此后轉(zhuǎn)變?yōu)槟媳鼻貛X物質(zhì)混合來源，從而證明南北秦嶺之間的洋盆應(yīng)于志留-泥盆紀(jì)期

48、間基本閉合,以及此時(shí)南、北秦嶺塊體應(yīng)基本對(duì)接。,2 海相內(nèi)源(生源)沉積巖化學(xué)特征的指示意義 根據(jù)的原理：海相內(nèi)源化學(xué)或生物化學(xué)沉積物（主要純碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖-燧石）沉積時(shí)與海水是平衡的，因此此類沉積巖的化學(xué)特征能反映沉積條件和沉積水體的化學(xué)特征，尤其REE等穩(wěn)定元素更適于作為指示劑。（1）硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征與沉積環(huán)境： Satoshi Yamamoto（1986）研究揭示：深海燧石富集重金屬元素，Mg和Fe具有很高的相關(guān)性，而淺

49、海生物成因的燧石則僅富集Mn。 Martin,J.M.,1976及Shimizu & Masuda（1977）等研究證明， 深海硅質(zhì)巖顯示負(fù)Ce異常、較高的REE,而形成于廣闊陸架的硅質(zhì)巖（燧石）無明顯的負(fù)Ce異常、 REE含量較低.,表4 南秦嶺古生代硅質(zhì)巖化學(xué)組成特征,A-紫陽地區(qū)寒武-奧陶紀(jì)塊狀硅質(zhì)巖; B-鎮(zhèn)安小木嶺結(jié)核狀硅質(zhì)巖. L/H-∑LREE/∑HREE. 括弧中數(shù)字為樣品數(shù).規(guī)律：淺海相—無Ce負(fù)異常，低

50、REE和重金屬元素，高M(jìn)n 深海相—具Ce負(fù)異常，高REE和重金屬元素，低Mn,Murray,R.W. et al.,(1990)研究加州沿海地區(qū)侏羅-白堊紀(jì)燧石 和頁巖，發(fā)現(xiàn)巖石的Ce/Ce*能區(qū)分三類構(gòu)造環(huán)境： 燧石 頁巖

51、Ce/Ce* ∑REE Ce/Ce* ∑REE洋脊附近 0.29 11.77 0.28 ----洋盆底部 0.55 ------ 0.56 ----大陸邊緣 0.93~1.08 6.7~1

52、4.9 0.84~0.93 56 ± 29.2 解釋：河流是海洋REE的主要來源。河流中REE組成特征為Ce不同其他REE明顯分離，所以大陸架上的海水不顯示負(fù)Ce異常。大洋中部氧飽和的水中， Ce3+被氧化為相對(duì)難溶解的Ce4+，使Ce優(yōu)先隨氧化錳自海水析出，從而深洋水具有明顯負(fù)Ce異常和貧于Mn，錳結(jié)核則顯示明顯正Ce異常。洋脊附近，常受富重金屬的熱液影響，尤其其中的Fe和Mn可將更多的Ce清除

53、出海水，使之負(fù)Ce異常更為明顯。,（2）純碳酸鹽巖,反映沉積水體化學(xué)特征和環(huán)境的原理，與硅質(zhì)巖類似。但必須清除樣品中陸源碎屑、黏土物質(zhì)等對(duì)碳酸鹽巖中微量元素含量的嚴(yán)重影響。辦法是：限制碳酸鹽巖中SiO295%。這種樣品就可近似地作為純碳酸鹽巖。例如： La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er I 2.1 5.5 0.06

54、2.4 0.39 0.06 0.26 0.05 0.2 0.04 0.11 II 2.0 3.5 0.40 1.3 0.23 0.04 0.14 0.03 0.11 0.02 0.06 Tm Yb Lu ∑REE Ce/Ce* Eu/Eu* La/Yb I 0.05 0.14 0.03 11.32 1.91

55、 0.54 14.64 II 0.01 0.04 0.005 7.83 0.89 0.67 48.78,說明：,I是華北克拉通南緣洛南縣寒武系三川組碳酸鹽巖平均成分，顯示出較高的∑REE 、較低的La/Yb比值、及明顯的正Ce異常（Ce/Ce*=1.91)和中等強(qiáng)度的負(fù)Eu 異常(Eu/Eu*=0.54）。II是南秦嶺紫陽地區(qū)寒武系箭竹壩組碳酸鹽巖，產(chǎn)于裂

56、陷深海槽中，巖石平均成分顯示出較低的∑REE（可能由于共生的黑色巖系沉積時(shí)將大量REE夾帶出海水） 、明顯高的La/Yb比值、以及清楚的負(fù)Ce異常（Ce/Ce* =0.89)和中等偏弱的負(fù)Eu 異常(Eu/Eu*=0.67）。對(duì)比表明：兩地寒武系盆地水體具有不同的化學(xué)特征，應(yīng)產(chǎn)于不同的海盆；三川組巖石缺少負(fù)Ce異常，與其陸表海沉積環(huán)境相符；箭竹壩組巖石顯示清楚的負(fù)Ce異常與其產(chǎn)出于裂陷深海槽中的環(huán)境吻合。,三、巖類和巖套配套綜合判別

57、 為了克服單巖類研究存在的多解性與模糊性，我們認(rèn)為：應(yīng)采取巖套內(nèi)巖類配套及同構(gòu)造期巖套時(shí)空配套綜合研究的途徑。例如，具有MORB化學(xué)特征的玄武巖可以產(chǎn)出于大洋中脊、弧后盆地、甚至邊緣海槽中，僅根據(jù)玄武巖化學(xué)特征判別其構(gòu)造環(huán)境，往往出現(xiàn)誤判和爭論。如果將所研討巖套中的沉積巖的性質(zhì)與特征考慮進(jìn)去，則可得出有關(guān)盆地性質(zhì)的確切判斷。例如，如果MORB與具有島弧或活動(dòng)大陸邊緣化學(xué)特征的碎屑巖共生，則可判斷該MORB產(chǎn)出于

58、弧后盆地。,（1） 巖套內(nèi)巖類配套的研究實(shí)例*寬坪群玄武巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE組成模式 由早期的大陸裂谷型演化到后來的MORB型（圖18）；*寬坪群雜砂巖為南側(cè)秦嶺群和北側(cè)太華群碎屑物質(zhì)混合形成，表明盆地為非開闊類型。當(dāng)時(shí)北秦嶺塊體與華北陸塊南緣應(yīng)相距不會(huì)太遠(yuǎn)，因沉積具有近源特征（圖17）。*寬坪群硅質(zhì)巖化學(xué)特征和 演化表明：沉積為深水環(huán)境，且水深逐步增大（表5）。結(jié)論：盆地屬深水邊緣海盆，具有由大陸裂谷向初始洋盆過渡的特征。

59、,圖18 寬坪群變拉斑玄武巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE組成模式在剖面中的變化 1、2和3表示樣品在剖面中由下至上（由早到晚）的相對(duì)位置。,表5 寬坪群硅質(zhì)巖微量元素成分的變化,表6 二郎坪群硅質(zhì)巖化學(xué)組成特征,2.新元古-早古生代北秦嶺活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造發(fā)展南面主縫合帶：新元古代蛇綠巖的N-MORB和E-MORB；緊鄰縫合帶北側(cè)：新元古代丹鳳群洋內(nèi)島弧型火山巖系；主縫合帶北側(cè)古元古代秦嶺群基底上： 新元古代

60、晚期大陸島弧型基性侵入巖； 新元古代晚期同碰撞型和島弧型花崗巖； 早古生代陸緣弧型基性侵入巖； 早古生代同碰撞型和陸緣弧型花崗巖；秦嶺群北側(cè)：新元古代晚期-早古生代弧后盆地型二郎坪群火山-沉積巖系。,結(jié)果表明： 這種不同構(gòu)造環(huán)境的巖石和巖套的時(shí)空配置有力地說明：新元古代至早古生代北秦嶺具有活動(dòng)大陸邊緣的性質(zhì)，顯示出溝-弧-盆系的基本格架，揭示了洋殼不只一次俯沖，以及有由洋內(nèi)

61、島弧形成向大陸島弧和陸緣弧發(fā)展的歷史，其間相伴著弧-陸碰撞與弧后擴(kuò)張。這表明采用巖類和巖套配套的綜合研究途徑，不僅能增強(qiáng)判別的確切性，而且還能提供造山帶構(gòu)造發(fā)展的細(xì)節(jié)。,（一）應(yīng)用細(xì)粒碎屑沉積巖物源區(qū)地球化學(xué)判別方法約束古洋盆封閉的時(shí)限 1、思路：在有較開闊洋盆阻隔條件下，一側(cè)大陸的陸源碎屑物質(zhì)難以漂洋過海到達(dá)另一側(cè)陸緣，所以這時(shí)一側(cè)陸緣海盆沉積的碎屑物質(zhì)只能來自它所屬的大陸。然而，當(dāng)洋盆趨近閉合或封閉時(shí)，則一個(gè)大陸陸緣海盆沉積則可獲

62、得兩側(cè)大陸的碎屑物質(zhì)的供應(yīng)，顯示出二元混合的化學(xué)特征。因此，通過一側(cè)陸緣碎屑巖物源區(qū)的判別，根據(jù)碎屑物質(zhì)來源隨時(shí)間由本大陸的單源變?yōu)閮蓚?cè)大陸物質(zhì)的混源時(shí)，則該時(shí)期就應(yīng)為兩大陸趨近或洋盆基本封閉的時(shí)限。這樣就可將地質(zhì)問題轉(zhuǎn)化為地球化學(xué)性質(zhì)的問題，以利于發(fā)揮地球化學(xué)學(xué)科的專長和優(yōu)勢。,四、洋盆閉合及陸塊對(duì)接的地球化學(xué)論證,2、應(yīng)用條件：必須首先確定兩大陸上地殼或剝蝕區(qū)（可以用碎屑巖為代表）特征元素成分的差異，然后利用其差異進(jìn)行判別。特征元素

63、為Th、Sc、Co、REE(Ti、Nb、Ta)等在風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積過程穩(wěn)定的元素。例如：古秦嶺洋盆兩側(cè)揚(yáng)子和北秦嶺存在如下差異： La/Th Sc/Th Th/Co揚(yáng)子 碎屑巖 3.5 ~ 10 1.4 ~ 4.0 0.2 ~ 1.5 上地殼 4

64、.38 2.13 0.52北秦嶺 碎屑巖 1.0 ~2.0 0.5 ~2.0 0.2 ~3.0 上地殼 2.64 1.27 0.91,圖19 南秦嶺各構(gòu)造-地層小區(qū)不同時(shí)代細(xì)粒碎屑巖的La/Co-Sc/Th和La/Co-Th/Co聯(lián)合圖解3、結(jié)果：南秦嶺震旦、寒武和奧陶紀(jì)屑巖顯示揚(yáng)

65、子型相對(duì)高La/Th和Sc/Th比值及低Th/Co比值；而志留紀(jì)，尤其泥盆紀(jì)碎屑巖則具有相對(duì)低La/Th和Sc/Th比值及高Th/Co比值，而且這些比值均介于揚(yáng)子和北秦嶺之間，或更接近北秦嶺的數(shù)值，表明為兩者的混合。從而說明古秦嶺洋盆應(yīng)于志留紀(jì)，尤其泥盆紀(jì)基本封閉。,（二）純碳酸鹽巖REE指示海水的化學(xué)特征,a.華北克拉通南緣Pt2—O的純碳酸鹽巖La/Y絕大多數(shù)穩(wěn)定于0.5～1.0; b.揚(yáng)子克拉通北緣Pt2至全部古生代的純碳酸鹽

66、巖La/Y穩(wěn)定于1.5～2.5, 一半樣品〉1.5; c.北秦嶺Pt1—O的純碳酸鹽巖La/Y絕大多數(shù)穩(wěn)定于0.5～1.0，即與華北近似； d.南秦嶺震旦、寒武和奧陶紀(jì)的純碳酸鹽巖La/Y穩(wěn)定于1.5～2.5, 即與揚(yáng)子一致；但是泥盆紀(jì)的樣品的La/Y絕大多數(shù)穩(wěn)定于0.5～1.0，接近于北秦嶺和華北。 e.華北的太古宙基底太華群碳酸鹽巖和全巖群La/Y平均值分別為1.12和1.58，揚(yáng)子的太古宙基底崆嶺群碳酸鹽巖和全巖群La

67、/Y平均值分別為1.99和2.88。,圖20 華北克拉通南緣、北秦嶺和揚(yáng)子克拉通北緣不同時(shí)代純碳酸鹽巖La-Y圖解a. 華北克拉通南緣元古宇; b. 華北克拉通南緣古生界; c. 北秦嶺元古宇和奧陶系; d. 揚(yáng)子克拉通北緣元古宇。e. 揚(yáng)子克拉通北緣顯生宙巖石; f.南秦嶺留壩-鄖縣小區(qū)震旦、寒武、奧陶、石炭、二疊和三疊系及紫陽-隨縣小區(qū)寒武系; g. 淅川小區(qū)西部泥盆系(劉嶺群)及留壩-鄖縣小區(qū)和白云-柞水小區(qū)泥盆系; h