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西秦岭上白垩统红层空间分布及其对青藏高原东北缘隆升的地质约束

郭进京, 向光娅, 王利晓, 惠浪波, 王丽丽

郭进京, 向光娅, 王利晓, 惠浪波, 王丽丽. 2016: 西秦岭上白垩统红层空间分布及其对青藏高原东北缘隆升的地质约束. 地质通报, 35(7): 1123-1133.
引用本文: 郭进京, 向光娅, 王利晓, 惠浪波, 王丽丽. 2016: 西秦岭上白垩统红层空间分布及其对青藏高原东北缘隆升的地质约束. 地质通报, 35(7): 1123-1133.
GUO Jinjing, XIANG Guangya, WANG Lixiao, HUI Langbo, WANG Lili天津. 2016: Spatial distribution of Upper Cretaceous red beds in the West Qinling Mountains on the northeastern margin of the Tibetan Plateau uplift and its geological constraints. Geological Bulletin of China, 35(7): 1123-1133.
Citation: GUO Jinjing, XIANG Guangya, WANG Lixiao, HUI Langbo, WANG Lili天津. 2016: Spatial distribution of Upper Cretaceous red beds in the West Qinling Mountains on the northeastern margin of the Tibetan Plateau uplift and its geological constraints. Geological Bulletin of China, 35(7): 1123-1133.

西秦岭上白垩统红层空间分布及其对青藏高原东北缘隆升的地质约束

基金项目: 

国家自然科学基金项目 41340002

国家自然科学基金项目 41072149

详细信息
    作者简介:

    郭进京(1962-),男,博士,教授,从事构造地质、沉积盆地等研究与教学。E-mail:gjj@tcu.edu.cn

  • 中图分类号: P534.53

Spatial distribution of Upper Cretaceous red beds in the West Qinling Mountains on the northeastern margin of the Tibetan Plateau uplift and its geological constraints

  • 摘要:

    通过对西秦岭上白垩统红层地层基本沉积特征的研究和空间高程分布的定量化分析,讨论了西秦岭晚白垩世时期可能的构造地貌状态及西秦岭新生代以来地壳隆升的空间变化规律。取得如下认识:①根据西秦岭上白垩统底部洪积-冲积砾岩层之上普遍存在一套厚度不等的具有风成砂岩特征的红色中细粒砂岩和上部出现以泥岩、泥质粉砂岩为主的湖相沉积,结合现今多分布在不同水系分水岭之上,以及西秦岭中部宕昌-岷县-临潭断裂带两侧上白垩统红层地层顶面高程和底部角度不整合面高程没有显著差异分析,认为西秦岭无论在晚白垩之前经历了何种构造过程,晚白垩世具有整体稳定的泛沙漠-湖盆的古构造地貌状态,且断裂带不具备控制上白垩统沉积的构造边界性质;②现今离散型分布在西秦岭的上白垩统沉积地层反映的原型盆地不是孤立的、受区域断裂控制的山间盆地,而是统一的泛沙漠-内陆湖盆,现今的离散型分布是新生代以来地壳不均匀隆升和侵蚀的结果;③西秦岭上白垩统底部的角度不整合面产状,虽然由于后期构造变动呈非完全水平状态,但总体产状平缓。从大区域尺度分析,可以近似看做原始近水平的古地貌面。通过对该角度不整合面高程信息提取和模拟分析,结果表明,其高程分布具有从南西到北东、从北西到南东逐渐降低,穿越区域断裂带没有显著梯度变化,指示了西秦岭新生代以来的隆升具有整体性和隆升幅度呈连续梯度变化的特征。这可能指示了西秦岭新生代以来的地壳隆升机制主要不是上地壳挤压逆冲缩短,而是在印度板块-欧亚板块碰撞汇聚的动力学背景下,下地壳或上地幔自西南向北东连续流变逐渐增厚,造成了青藏高原东北缘呈向北东突出的弧形扩展隆升。

    Abstract:

    Based on the research on sedimentary characteristics of Upper Cretaceous red bed strata in the West Qinling Mountains and its spatial elevation distribution analysis, this paper discusses possible tectonic geomorphology of the West Qinling Mountains in Late Cretaceous and spatial variation of crustal uplift in the West Qinling Mountains since Cenozoic. The following opinions are sug-gested:①According to existence of middle-fine grained red sandstones with aeolian sandstone features on the bottom of alluvial-allu-vial gravel layers and appearance of upmost mudstone and muddy siltstone with lake facies sedimentation characteristics in the Upper Cretaceous red bed strata in the West Qinling Mountains, in combination with their present distribution on the different river water-shed summit surfaces and similar elevation distributions between two sides of Tanchang-Minxian-Lintan faulted zone and north mar-gin fault of West Qinling Mountains, it is believed that no matter how West Qinling Mountains experienced geological evolution his-tory before Late Cretaceous period, West Qinling Mountains had the overall stability characterized by ancient tectonic geomorpholo-

  • 北山造山带地处甘、新、蒙交界位置, 西邻东天山, 东接阿拉善, 位于中亚造山带的南缘(图 1-a), 为塔里木板块(敦煌地块)、哈萨克斯坦板块和华北板块(阿拉善地块)结合部位[1-3]。关于北山造山带形成过程的研究,古生代增生造山的岩浆作用研究程度较高[4-10],对早中生代花岗质岩浆作用过程及性质的研究偏弱,可靠的锆石U-Pb年龄数据相对偏少。早中三叠世侵入岩零星出露于造山带中北部,刘明强等[11]在1:5万红岭等3幅区域地质调查中发现的二长花岗岩的锆石U-Pb年龄为237.8±4.3 Ma,并认为这套高钾钙碱性系列的偏铝质-弱过铝质花岗岩类形成于后造山环境;李舢等[12]在大豁落山南石英二长岩中获得的锆石U-Pb年龄为238±1 Ma。晚三叠世侵入岩在南部和北部均有出露,李舢等[13]在南部花牛山地区的高钾钙碱性正长花岗岩和花岗斑岩中分别获得了221±3 Ma和217±1 Ma的锆石U-Pb年龄,并认为其侵位于后造山的环境。目前未见造山带北部晚三叠世花岗岩的详细报道,且三叠纪岩浆岩研究工作相对薄弱,针对此种情况,为确定北山造山带三叠纪花岗岩的岩石成因、岩浆源区和构造背景,本文对北山造山带小红山地区广泛出露的花岗斑岩进行了岩石学、锆石U-Pb年龄和Hf同位素研究,并探讨三叠纪花岗岩的构造意义。

    图  1  北山造山带小红山地区地质简图
    Figure  1.  Geological sketch map of Xiaohongshan area in Beishan orogenic belt

    北山造山带位于中亚造山带南缘(图 1-a),是调查中亚造山带构造演化的关键地区,也是中亚造山带研究的热点地区之一,以多条岩浆弧的侧向增生为主要特点。根据蛇绿混杂岩的时空分布和岩石组合特征,北山造山带东段由北向南依次划分为黑鹰山和雀儿山、红石山、公婆泉-东七一山、双阴山-花牛山4个不同时期的岩浆弧[1, 14-15](图 1-b)。

    研究区位于北山造山带东段的旱山地块和红石山晚古生代岩浆弧的交界位置(图 1-b), 主要由古元古界北山岩群、二叠纪和三叠纪花岗岩组成(图 1-c)。三叠纪花岗岩呈岩基产出,呈岩枝、岩脉状侵入二叠纪花岗岩和北山岩群(图 1-c),主要岩性为花岗斑岩(图 2-a),斑晶主要由钾长石(大于15%)、斜长石(小于5%)和石英(大于15%)组成,粒径一般为0.5~3.5 mm,星散状分布,部分呈聚斑状、联斑状分布。基质由钾长石(大于40%)、斜长石(小于10%)、石英(大于15%)和少量暗色矿物假像组成,粒度一般为0.05~0.2 mm(图 2-b)。

    图  2  小红山地区花岗斑岩野外(a)与镜下照片(b)
    Q—石英;Kf—钾长石
    Figure  2.  Field photo(a) and micrograph(b) of the granite-porphyry in Xiaohongshan area

    本次采集了2件花岗斑岩样品(TW730a、TW730b)用于锆石U-Pb同位素测试。原岩样品按常规方法粉碎、淘洗,经磁选和重液分离,然后在双目镜下人工挑选晶形完好且无明显裂痕的锆石。锆石样品靶的制备和透射光、反射光、阴极发光(CL)图像的采集在北京锆年领航科技有限公司完成。锆石U-Pb同位素测定在天津地质调查中心实验室完成,质谱仪选用Thermo Fisher公司的NEPTUNE[16-17],激光器是NEWWAVE 193 nmFX。测试中以氦气作为剥蚀物质的载气,采用的激光束斑直径为35 μm,测试流程见参考文献[18]。最终测试数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal[19]

    锆石Hf同位素测试在天津地质调查中心同位素实验室配有193 nm取样系统的NEPTUNE(MC-ICPMS)上进行,测定时选取的斑点部位与已完成的U-Pb同位素测定的相同或接近。测试的激光束斑直径为35 μm,激光脉冲频率为8~10 Hz。测试条件及流程见耿建珍等[16]εHf(t)值根据同一测点的206Pb/238U年龄计算,采用的176Lu衰变常数为1.867×10-11 a[20],球粒陨石176Lu/177Hf值为0.0336,176Hf/177Hf值为0.282785[21]。亏损地幔模式年龄(TDM)的计算参考现今亏损地幔176Lu/177Hf值(0.0384)和176Hf/177Hf值(0.28325)[22]。假设每颗锆石的母岩浆来自平均大陆地壳,采用176Lu/177Hf值为0.015[23]计算锆石Hf同位素的地壳模式年龄TDMC

    样品主量、微量元素测试在天津地质调查中心实验室完成。主量元素采用X射线荧光光谱仪(XRF)测定,FeO应用氢氟酸-硫酸溶样、重铬酸钾滴定的容量法,测试精度优于2%,微量元素采用ICP-MS进行测试,精度优于5%。

    样品TW730a和TW730b的LA-ICP-MS锆石U-Pb测试结果见表 1

    表  1  小红山地区花岗斑岩LA-MC-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素数据表
    Table  1.  Zircon LA-MC-ICP-MS U-Th-Pb dating result of the granite-porphyry in Xiaohongshan area
    样品号 含量/10-6 同位素比值 年龄/Ma
    Pb U 206Pb/238U 207Pb/235U 207Pb/206Pb 208Pb/232Th 232Th/238U 206Pb/238U 207Pb/235U 207Pb/206Pb
    TW730a
    1 9 188 0.0320 0.0004 0.2261 0.0070 0.0513 0.0012 0.0161 0.0005 1.4923 0.013 202.8 2.6 207 6 255 54
    2 34 907 0.0331 0.0005 0.2277 0.0076 0.0499 0.0011 0.0107 0.0002 0.8336 0.026 209.9 3.5 208 7 191 51
    3 15 352 0.0342 0.0003 0.2370 0.0055 0.0503 0.0011 0.0105 0.0002 1.2178 0.003 216.6 2.2 216 5 210 51
    4 46 1294 0.0340 0.0004 0.2312 0.0036 0.0493 0.0007 0.0096 0.0002 0.5697 0.003 215.4 2.2 211 3 164 31
    5 25 710 0.0336 0.0004 0.2365 0.0040 0.0510 0.0008 0.0096 0.0002 0.6125 0.007 213.2 2.5 216 4 241 34
    6 126 3287 0.0327 0.0004 0.2288 0.0036 0.0508 0.0007 0.0114 0.0004 0.8537 0.018 207.2 2.5 209 3 232 34
    7 20 459 0.0326 0.0003 0.2320 0.0044 0.0517 0.0008 0.0167 0.0004 0.8994 0.015 206.6 2.2 212 4 270 36
    8 14 413 0.0338 0.0004 0.2375 0.0046 0.0510 0.0009 0.0104 0.0002 0.4067 0.004 214.2 2.4 216 4 240 38
    9 74 2012 0.0332 0.0005 0.2356 0.0036 0.0514 0.0006 0.0119 0.0002 0.6266 0.003 210.6 3.0 215 3 260 28
    10 185 5542 0.0338 0.0003 0.2325 0.0031 0.0499 0.0006 0.0153 0.0003 0.2024 0.000 214.5 2.1 212 3 188 27
    11 23 539 0.0325 0.0004 0.2268 0.0059 0.0506 0.0010 0.0104 0.0002 1.5112 0.026 206.1 2.7 208 5 224 44
    12 30 762 0.0339 0.0004 0.2367 0.0036 0.0507 0.0007 0.0076 0.0002 1.3465 0.031 214.7 2.7 216 3 227 32
    13 373 10106 0.0329 0.0004 0.2289 0.0074 0.0504 0.0013 0.0097 0.0003 0.8127 0.004 209.0 2.7 209 7 213 58
    14 45 1136 0.0337 0.0004 0.2354 0.0034 0.0507 0.0006 0.0109 0.0002 0.9680 0.007 213.5 2.4 215 3 227 29
    15 84 2402 0.0341 0.0004 0.2333 0.0031 0.0496 0.0006 0.0104 0.0002 0.4158 0.001 216.4 2.3 213 3 174 30
    16 12 351 0.0336 0.0004 0.2358 0.0046 0.0509 0.0009 0.0104 0.0003 0.3604 0.001 213.1 2.3 215 4 235 41
    17 71 1950 0.0336 0.0005 0.2362 0.0032 0.0510 0.0007 0.0175 0.0004 0.3685 0.006 212.9 2.9 215 3 241 33
    18 38 1104 0.0336 0.0004 0.2387 0.0034 0.0515 0.0007 0.0102 0.0002 0.4598 0.004 213.1 2.3 217 3 264 29
    19 162 4089 0.0323 0.0005 0.2222 0.0078 0.0500 0.0012 0.0297 0.0007 0.4002 0.013 204.7 3.4 204 7 193 54
    20 7 203 0.0341 0.0004 0.2350 0.0108 0.0500 0.0021 0.0115 0.0003 0.5562 0.007 215.9 2.7 214 10 197 100
    21 85 2321 0.0334 0.0004 0.2319 0.0047 0.0503 0.0008 0.0130 0.0003 0.5382 0.007 211.9 2.3 212 4 210 37
    22 44 1262 0.0335 0.0003 0.2380 0.0033 0.0515 0.0006 0.0102 0.0002 0.4742 0.002 212.5 2.2 217 3 264 28
    23 137 3624 0.0327 0.0003 0.2243 0.0031 0.0498 0.0006 0.0142 0.0003 0.6596 0.011 207.3 2.1 205 3 184 27
    24 258 7808 0.0337 0.0003 0.2377 0.0032 0.0512 0.0006 0.0097 0.0002 0.2790 0.003 213.7 2.2 217 3 248 27
    TW730b
    1 10 254 0.0334 0.0004 0.2334 0.0104 0.0507 0.0022 0.0097 0.0005 0.8374 0.010 211.7 2.7 213 9 227 102
    2 6 159 0.0335 0.0004 0.2305 0.0085 0.0499 0.0017 0.0093 0.0002 0.7434 0.006 212.4 2.4 211 8 191 81
    3 25 723 0.0330 0.0003 0.2321 0.0034 0.0511 0.0007 0.0094 0.0002 0.5787 0.002 209.1 2.1 212 3 243 30
    4 21 568 0.0334 0.0004 0.2301 0.0044 0.0499 0.0008 0.0103 0.0002 0.7694 0.006 211.9 2.4 210 4 191 39
    5 14 408 0.0316 0.0003 0.2343 0.0067 0.0537 0.0015 0.0073 0.0002 0.9380 0.004 200.6 2.0 214 6 360 63
    6 18 644 0.0236 0.0002 0.2485 0.0036 0.0763 0.0010 0.0088 0.0002 0.7061 0.008 150.5 1.5 225 3 1103 26
    7 48 1377 0.0321 0.0003 0.2305 0.0034 0.0521 0.0007 0.0097 0.0002 0.6871 0.004 203.6 2.0 211 3 289 31
    8 46 1104 0.0311 0.0003 0.2244 0.0034 0.0523 0.0007 0.0171 0.0004 0.9075 0.002 197.6 2.0 206 3 299 33
    9 6 178 0.0330 0.0004 0.2328 0.0109 0.0512 0.0023 0.0100 0.0002 0.6029 0.009 209.1 2.4 213 10 251 106
    10 15 384 0.0333 0.0008 0.2283 0.0074 0.0498 0.0011 0.0150 0.0004 0.6090 0.023 211.0 5.1 209 7 185 50
    11 6 155 0.0326 0.0004 0.2314 0.0107 0.0515 0.0023 0.0109 0.0003 0.8014 0.009 206.8 2.7 211 10 263 101
    12 2 64 0.0325 0.0005 0.2277 0.0216 0.0508 0.0048 0.0090 0.0003 1.0395 0.016 206.5 2.9 208 20 230 218
    13 9 255 0.0326 0.0004 0.2245 0.0071 0.0500 0.0015 0.0108 0.0002 0.6784 0.003 206.7 2.3 206 6 194 69
    14 9 264 0.0326 0.0003 0.2303 0.0062 0.0512 0.0013 0.0113 0.0003 0.5415 0.008 207.1 2.2 210 6 249 59
    15 15 440 0.0319 0.0003 0.2224 0.0036 0.0506 0.0007 0.0115 0.0003 0.6077 0.003 202.4 2.1 204 3 221 34
    16 11 307 0.0321 0.0003 0.2273 0.0046 0.0514 0.0009 0.0123 0.0003 0.6260 0.004 203.6 2.1 208 4 258 42
    17 5 132 0.0319 0.0003 0.2245 0.0089 0.0511 0.0020 0.0112 0.0003 0.8566 0.003 202.4 2.1 206 8 243 91
    18 6 130 0.0328 0.0004 0.2248 0.0071 0.0497 0.0015 0.0152 0.0003 0.9640 0.005 207.9 2.3 206 6 183 71
    19 15 436 0.0319 0.0003 0.2252 0.0038 0.0512 0.0008 0.0115 0.0002 0.5955 0.003 202.4 2.0 206 3 250 36
    20 12 319 0.0327 0.0003 0.2299 0.0048 0.0510 0.0010 0.0123 0.0003 0.6949 0.003 207.3 2.2 210 4 242 45
    21 9 236 0.0326 0.0003 0.2292 0.0061 0.0510 0.0013 0.0124 0.0003 0.6929 0.003 206.7 2.1 210 6 242 59
    22 22 583 0.0326 0.0003 0.2210 0.0038 0.0492 0.0008 0.0128 0.0003 0.7479 0.011 206.7 2.1 203 4 157 39
    23 15 350 0.0328 0.0003 0.2276 0.0046 0.0503 0.0009 0.0101 0.0002 1.5071 0.007 208.0 2.2 208 4 210 43
    24 14 386 0.0327 0.0003 0.2258 0.0051 0.0500 0.0011 0.0139 0.0004 0.6345 0.008 207.6 2.2 207 5 197 52
    注:测试单位为天津地质调查中心实验室
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    2件样品锆石自形程度较好,呈长柱状,部分为短柱状,长轴100~180 μm,长宽比为1.2:1~4:1。锆石CL图像显示出岩浆型锆石的振荡/韵律环带结构(图 3),属于岩浆结晶的产物。样品TW730a和TW730b锆石Th/U值分别为0.20~1.51和0.54~1.51,高于变质成因锆石(一般小于0.1),反映其为岩浆成因[24-25]

    图  3  小红山地区花岗斑岩锆石阴极发光(CL)图像及206Pb/238U年龄
    (实线圈为U-Pb测点,虚线圈为Hf同位素测点)
    Figure  3.  CL images and 206Pb/238U ages of zircons for the granite-porphyry in Xiaohongshan area

    样品TW730a(图 4-a)测得24个数据,其206Pb/238U年龄为203±3~217±2 Ma,加权平均值为211.8±1.6 Ma(置信度95%),MSDW=2.4。

    图  4  小红山地区花岗斑岩样品TW730a(a)和TW730b(b)锆石U-Pb谐和图
    Figure  4.  Zircons U-Pb concordia diagrams of the granite-porphyry TW730(a) and TW730b(b) in Xiaohongshan area

    样品TW730b测得24个数据,剔除离谐和线较远的6号点,其余23个点的206Pb/238U年龄为198±2~212±3 Ma(图 4-b),其加权平均值为205.9±1.7 Ma(置信度95%),MSWD=2.9。

    上述锆石为岩浆锆石,且测点均位于锆石振荡环带,故所有年龄均代表样品锆石的结晶年龄,花岗斑岩的侵位时代为晚三叠世晚期。

    主量和微量元素测定结果、CIPW标准矿物及主要岩石化学参数见表 2。样品在成分上属正长花岗岩(图 5-a),为亚碱性系列向碱性系列过渡(图 5-b),里特曼指数σ为2.06~2.22,属于钙碱性岩系。

    表  2  小红山地区花岗斑岩主量、微量和稀土元素测试结果
    Table  2.  Major, trace elements and REE compositions of the granite-porphyry in Xiaohongshan area
    样号 YQ730.a YQ730.b YQ730.c YQ730.d YQ730.e YQ730.f YQ730.g YQ730.h
    SiO2 76.38 76.27 76.34 76.18 75.82 75.71 75.59 75.99
    Al2O3 12.40 12.49 12.45 12.46 12.31 12.35 12.51 12.31
    Fe2O3 0.36 0.46 0.49 0.64 0.67 0.72 0.62 0.85
    FeO 0.57 0.39 0.49 0.42 0.62 0.55 0.67 0.46
    CaO 0.70 0.66 0.67 0.69 0.76 0.82 0.66 0.68
    MgO 0.14 0.11 0.16 0.14 0.14 0.14 0.14 0.18
    K2O 4.76 4.94 4.49 4.86 5.33 5.42 5.44 5.38
    Na2O 3.67 3.66 3.86 3.58 3.01 2.96 3.01 2.87
    TiO2 0.12 0.12 0.13 0.16 0.13 0.14 0.14 0.14
    P2O5 0.015 0.015 0.021 0.024 0.017 0.018 0.019 0.018
    MnO 0.045 0.037 0.03 0.04 0.055 0.048 0.052 0.049
    灼失量 0.78 0.80 0.83 0.75 1.07 1.07 1.06 1.03
    Pb 41.2 42.1 46.7 42.4 63.2 45.4 59.8 53.3
    Cr 1.68 1.22 1.45 0.87 1.37 1.32 1.13 1.65
    Ni 0.81 0.41 0.69 0.44 0.5 0.63 0.49 0.58
    Co 0.58 0.46 0.54 0.58 0.68 0.60 0.69 0.73
    Rb 952 987 902 984 790 779 801 808
    Cs 6.18 6.31 6.27 6.79 7.24 7.65 7.45 7.77
    Sr 21.5 23.6 24.4 29.6 34.2 34.1 37.5 58.0
    Ba 47.8 77.8 67.9 95.4 93.1 95.0 108 104
    V 2.95 2.68 3.85 4.20 3.82 4.72 4.81 4.73
    Sc 4.56 4.76 4.66 4.82 4.74 4.75 4.79 4.91
    Nb 52.9 52.6 45.0 51.8 29.7 29.3 30.0 30.4
    Ta 6.67 6.61 5.96 6.12 4.22 4.19 4.18 4.24
    Zr 218 157 142 142 155 155 148 148
    Hf 10.7 7.41 6.23 5.51 7.20 7.12 7.06 7.13
    Ga 10.1 10.5 10.6 11.4 10.9 12.4 11.9 12.1
    U 40.1 40.0 26.9 35.6 10.4 10.2 15.5 15.7
    Th 75.0 58.0 51.3 54.6 57.5 54.9 58.5 63.6
    La 24.5 23.0 24.4 31.2 38.3 36.5 42.1 45.0
    Ce 43.0 40.0 41.6 52.1 57.8 51.7 64.4 114
    Pr 6.64 6.12 6.43 8.20 8.63 8.16 9.51 10.5
    Nd 24.4 22.5 23.1 29.6 28.0 26.9 31.6 34.6
    Sm 5.89 5.37 5.40 6.86 5.32 5.05 5.87 6.76
    Eu 0.30 0.32 0.30 0.41 0.27 0.26 0.31 0.33
    Gd 5.76 5.22 5.20 6.56 5.10 4.86 5.58 6.35
    Tb 1.24 1.12 1.05 1.34 0.93 0.90 1.00 1.13
    Dy 8.21 7.40 6.72 8.52 5.67 5.73 6.12 6.98
    Ho 1.74 1.55 1.41 1.76 1.15 1.20 1.25 1.46
    Er 5.57 4.79 4.45 5.44 3.60 3.86 4.01 4.57
    Tm 0.99 0.82 0.76 0.92 0.63 0.68 0.68 0.81
    Yb 6.79 5.61 5.21 6.10 4.33 4.81 4.71 5.50
    Lu 1.06 0.87 0.83 0.94 0.67 0.78 0.74 0.84
    Y 49.6 43.9 40.7 49.0 31.4 35.2 35.9 42.1
    ΣREE 186 169 168 209 192 187 214 281
    LREE 105 97.3 101 128 138 129 154 211
    HREE 31.4 27.4 25.6 31.6 22.1 22.8 24.1 27.6
    LREE/
    HREE
    3.34 3.55 3.95 4.06 6.26 5.63 6.38 7.64
    注:测试工作由天津地质调查中心实验室完成,主量元素采用XRF测试,其中FeO采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法,微量元素采用ICP-MS测试;主量元素含量单位为%,微量和稀土元素含量单位为10-6
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    图  5  小红山地区花岗斑岩主量元素图解
    (a中:Q’=Q×100/(Q+Or+Ab+An), ANOR=An×100/(Or+ An))
    IAG—岛弧花岗岩类;CAG—大陆弧花岗岩类;CCG—大陆碰撞花岗岩类;POG—后造山花岗岩类;RRG—与裂谷有关的花岗岩类
    Figure  5.  Major element diagrams of the granite-porphyry in Xiaohongshan area

    花岗斑岩主量元素特征可归结为:①具有高硅、高分异特点,SiO2含量为75.59%~76.38%,分异指数DI为93.84~95.44;②A/CNK-A/NK图解(图 5-c)显示,本文样品为准铝质-弱过铝质,且A/CNK均小于1.1,Al2O3含量为12.31%~12.51%。③全碱含量较高,全碱ALK为8.25%~8.60%;过碱指数AKI值为0.86~0.91;④K2O含量较高,为4.49%~5.44%,Na2O含量为2.87%~3.86%,SiO2-K2O图解(图 5-d)显示,本文样品整体为高钾钙碱性系列-钾玄岩系列;⑤TFeO、MgO和CaO含量均较低,TFeO/(TFeO+MgO)值较低,在SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)图解(图 5-e)上, 花岗斑岩显示铁质岩石特征,在SiO2-(Na2O+ K2O-CaO)图解(图 5-f)中,花岗斑岩样品投点位于钙碱性系列向碱钙性系列过渡区域。

    花岗斑岩样品在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图(图 6-a)上呈海鸥型分布的特征。表 2中数据显示,岩体的稀土元素总量(ΣREE)较高,为167.6×10-6~280.9×10-6;富集轻稀土元素,LREE/HREE=3.3~7.6;轻稀土元素的分馏较重稀土元素明显,(La/Sm)N为2.7~4.7,(Gd/Yb)N=0.7~1.0;负Eu异常明显,δEu值均为0.2。

    图  6  小红山地区花岗斑岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)
    Figure  6.  Chondrite-normalized rare earth element patterns(a)and primitive mantle-normalized trace elemets spider diagrams(b)of the granite-porphyry in Xiaohongshan area

    在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 6-b)中,花岗斑岩样品富集Rb、Th、U等大离子亲石元素(LILE),富集La、Ce等轻稀土元素,亏损Nb、P、Ti等高场强元素(HSFE)和Ba、Sr,表现为低Sr(21.5×10-6~58.0×10-6),高Yb(4.3×10-6~6.8×10-6)和Y(31.4×10-6~49.6×10-6)的特点。

    2个花岗斑岩样品的锆石各选取16个已完成U-Pb同位素测试的测点,测定其Lu-Hf同位素,数据见表 3。各点的176Lu/177Hf值介于0.0007~0.0057之间,均小于0.02,说明锆石形成之后几乎没有放射性成因Hf积累[26]。2个样品TW730a和TW730b的176Hf/177Hf值分别为0.282615~0.282940和0.282646~0.282801,位于下地壳与亏损地幔演化线之间(图 7-a);Hf同位素组成相对于球粒陨石的万分偏差εHf(t)值较高,分别为-1.43~9.93和-0.15~5.45,除2个测点外,其他测点均位于球粒陨石与亏损地幔演化线之间(图 7-b),显示源区以新生地壳为主。TW730a和TW730b Hf同位素模式年龄TDM分别为610~1335 Ma和894~1247 Ma,主要集中于新元古代。

    表  3  小红山地区花岗斑岩锆石Lu-Hf同位素数据
    Table  3.  Zircon Lu-Hf isotopic data of the granite-porphyry in Xiaohongshan area
    点号 年龄/Ma 176Yb/177Hf 176Lu/177Hf 176Hf/177Hf 176Hf/177Hfi εHf(0) εHf(t) TDM /Ma TDMC/Ma
    TW730a
    2 210 0.0536 0.0016 0.282695 0.000021 0.282689 -2.71 1.68 801 1136
    4 215 0.0818 0.0023 0.282730 0.000017 0.282721 -1.49 2.92 766 1061
    5 213 0.1539 0.0041 0.282615 0.000028 0.282599 -5.54 -1.43 981 1335
    7 207 0.0464 0.0015 0.282712 0.000021 0.282706 -2.12 2.21 775 1100
    8 214 0.0303 0.0009 0.282718 0.000020 0.282714 -1.92 2.65 755 1077
    9 211 0.0933 0.0027 0.282701 0.000015 0.282690 -2.51 1.73 818 1133
    10 214 0.1344 0.0045 0.282711 0.000019 0.282693 -2.16 1.92 844 1124
    12 215 0.0388 0.0013 0.282741 0.000018 0.282736 -1.09 3.45 729 1027
    13 209 0.1373 0.0043 0.282940 0.000021 0.282923 5.93 9.93 485 610
    14 214 0.0519 0.0017 0.282795 0.000021 0.282788 0.80 5.25 661 912
    16 213 0.0364 0.0011 0.282795 0.000020 0.282791 0.81 5.34 649 906
    17 213 0.0755 0.0023 0.282749 0.000018 0.282740 -0.81 3.54 738 1020
    18 213 0.0575 0.0016 0.282737 0.000018 0.282731 -1.23 3.22 742 1040
    21 216 0.0288 0.0010 0.282754 0.000022 0.282750 -0.65 3.96 706 996
    22 212 0.0420 0.0014 0.282692 0.000015 0.282687 -2.82 1.65 800 1139
    24 214 0.1892 0.0057 0.282892 0.000021 0.282869 4.24 8.14 583 728
    TW730b
    3 209 0.0274 0.0009 0.282722 0.000020 0.282718 -1.77 2.69 750 1071
    7 204 0.0458 0.0013 0.282711 0.000017 0.282706 -2.17 2.13 774 1103
    11 207 0.0459 0.0013 0.282704 0.000022 0.282699 -2.40 1.96 782 1115
    12 206 0.0539 0.0018 0.282736 0.000023 0.282729 -1.28 3.00 748 1049
    13 207 0.0247 0.0007 0.282801 0.000021 0.282798 1.01 5.45 635 894
    14 207 0.0244 0.0008 0.282690 0.000019 0.282687 -2.91 1.53 791 1143
    15 202 0.0487 0.0015 0.282724 0.000017 0.282719 -1.69 2.56 757 1074
    16 204 0.0391 0.0013 0.282646 0.000017 0.282641 -4.44 -0.15 866 1247
    17 202 0.0305 0.0009 0.282693 0.000019 0.282689 -2.80 1.53 790 1140
    18 208 0.0402 0.0012 0.282736 0.000018 0.282731 -1.29 3.11 737 1044
    19 202 0.0479 0.0014 0.282753 0.000018 0.282748 -0.66 3.60 714 1008
    20 207 0.0280 0.0009 0.282756 0.000019 0.282753 -0.56 3.87 701 995
    21 207 0.0300 0.0009 0.282699 0.000021 0.282695 -2.58 1.83 782 1124
    22 207 0.0434 0.0014 0.282773 0.000015 0.282767 0.02 4.37 686 962
    23 208 0.0599 0.0017 0.282754 0.000022 0.282747 -0.65 3.69 720 1007
    24 208 0.0348 0.0010 0.282700 0.000018 0.282696 -2.56 1.86 782 1123
    注:测试单位为天津地质调查中心实验室,该表中点号与表 1对应
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    图  7  小红山地区花岗斑岩锆石206Pb/238U年龄-176Hf/177Hf(a)和206Pb/238U年龄-εHf(t)(b)图解
    Figure  7.  206Pb/238U age-176Hf/177Hf(a) and 206Pb/238U age-εHf(t)(b) diagrams of the granite-porphyry in Xiaohongshan area

    研究区花岗斑岩的分异程度普遍较高(分异指数DI=93.84~95.44)。所有样品在SiO2-TFeO/MgO图解(图 8-a)中位于Ⅰ型和S型花岗岩区,在SiO2-Ce图解(图 8-b)中均位于Ⅰ型花岗岩区。本文花岗岩样品均未见白云母、堇青石、石榴子石等S型花岗岩矿物,且所有样品均显示准铝质、弱过铝质特征(A/CNK < 1.1),因此,本文花岗岩排除S型花岗岩的可能。

    图  8  小红山地区花岗斑岩成因类型判别图解
    Ⅰ、S、A—Ⅰ型、S型、A型花岗岩;OGT—未分异的Ⅰ、S型花岗岩区;FG—分异的Ⅰ型花岗岩区
    Figure  8.  Various chemical discrimination diagrams for the granite-porphyry in Xiaohongshan area

    Whalen等[27]提出以过碱指数AKI=0.85,总碱含量ALK=8.5%作为A型花岗岩的下限。本次采集的花岗斑岩样品的AKI值(0.86~0.91)均大于A型花岗岩下限,但普遍小于碱性花岗岩的AKI值下限(AKI=1),ALK(8.34~8.67)部分达到A型花岗岩的下限值。A型花岗岩往往具有较高的Zr、Nb、Ce、Y含量,本文碱长花岗岩虽然ALK、AKI较高,但Zr、Ce、Y及Zr+Nb+Ce+Y含量均低于A型花岗岩下限值(Zr=250×10-6,Ce=148×10-6,Zr+Nb+Ce+Y=350×10-6),显示Ⅰ型花岗岩特征。在(Zr+Nb+Ce+Y)-(Na2O+K2O)/CaO图解(图 8-c)中,所有样品点均落入分异的花岗岩区域。

    同时,Whalen等[27]发现,A型花岗岩具有低Al,高Ga、Zr的特征,以10000Ga/Al=2.6作为A型花岗岩的下限值,本文花岗斑岩样品的10000Ga/Al(1.53~1.88)均低于该值(图 8-d)。本文样品的锆石饱和温度(TZr)为782~819℃(表 4),只有1个样品的TZr大于800℃,平均温度(791.5℃)小于A型花岗岩的下限值(800℃)[28]。Zr/Hf-Nb/Ta图解(图 8-e),花岗斑岩落入高分异花岗岩和A型花岗岩重叠区域,但仍然显示分异的特征。本文碱长花岗岩的MgO、TFeO、TiO2含量均较低,在100*(MgO+TFeO+TiO2)/SiO2-(Al2O3+CaO)/(TFeO+Na2O+K2O)图解(图 8-f)中,样品均落入高分异钙碱性岩区。鉴于此,笔者认为本次采集的花岗斑岩样品为高分异的Ⅰ型花岗岩。

    表  4  小红山地区花岗斑岩锆石饱和温度测试结果
    Table  4.  Result from saturated Zr thermometer of the granite-porphyry in Xiaohongshan area
    样品 Zr/10-6 M Tzr/℃
    YQ730.a 218 1.4 819
    YQ730.b 157 1.4 789
    YQ730.c 142 1.4 782
    YQ730.d 142 1.4 782
    YQ730.e 155 1.4 791
    YQ730.f 155 1.4 790
    YQ730.g 148 1.3 789
    YQ730.h 148 1.3 790
    注:TZr = 129000 /[2.95 + 0.85M + ln(469000 /Zrsample)],M为岩石中阳离子的比值, M =(Na + K + 2Ca)/(Al × Si)
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    本文花岗斑岩样品内未见继承锆石,可能反映花岗斑岩岩浆经历了高分异的高程度演化。本文样品的锆石饱和温度(782~819℃)相对较高,暗示花岗斑岩成岩前的温度应该更高,较热的岩浆可能熔解了先存的继承锆石[29]。花岗斑岩体中发育丰富的岩枝,反映其可能侵位于较浅层次。

    地球化学特征主要由源区成分、物理条件(如温度、压力)、部分熔融、分离结晶等控制。本文花岗斑岩具有高硅(75.59%~76.38%)、高钾(4.49%~5.44%)的特征,说明其可能形成于中上地壳。且样品具有较高的全碱含量(8.25%~8.60%),TFeO(0.81%~1.24%)、MgO(0.11%~0.18%)和CaO(0.66%~0.82%)含量均较低。SiO2与TFe2O3、TiO2、CaO和P2O5呈负相关,可能存在角闪石、黑云母等基性矿物,以及磷灰石、钛铁矿的分离结晶。SiO2与K2O呈强烈的负相关,暗示存在黑云母的分离结晶。LaN-(La/Yb)N变异图解(图 9-a)显示,花岗斑岩显示较弱的独居石和褐帘石的分离结晶。本文花岗斑岩显示强烈的负Eu异常(δEu=0.2)和较低的Sr含量(21.5×10-6~58.0×10-6),显示钾长石和斜长石分离结晶较强烈(图 9-b);较高的Rb含量(779×10-6~987×10-6)显示主要发生斜长石的分离结晶(图 9-c);Ba含量偏低(47.8×10-6~108×10-6),显示发生了强烈的钾长石分离结晶作用,同时伴随黑云母的分离结晶(图 9-d);TiO2含量(0.12%~0.16%)较低,显示角闪石、黑云母-榍石等的分离结晶(图 9-e);Cr(0.87×10-6~1.68×10-6)、Ni(0.41×10-6~0.81×10-6)含量极低,显示单斜辉石、角闪石、黑云母等基性矿物的分离结晶(图 9-f)。CaO/Al2O3值与SiO2呈负相关也支持单斜辉石、斜长石等富钙矿物的分离结晶,Sc/Y值不受橄榄石和斜长石分离结晶的影响,也随着SiO2的升高而降低,进一步说明存在单斜辉石的分离结晶。综上所述,本文花岗斑岩的上述地球化学特征显示了单斜辉石、角闪石、黑云母、榍石、斜长石和钾长石的分离结晶。TFe2O3、CaO、TiO2、Sc/Y的降低,以及极低的Cr和Ni含量,均可能由源区残留的单斜辉石和角闪石造成。由于花岗斑岩中SiO2含量高,且比较集中,稀土元素总量偏低,且存在明显的负Eu异常,表明花岗斑岩的形成过程中,分离结晶作用并不是最重要的,部分熔融过程中必定发生过基性矿物的残留。

    图  9  小红山地区花岗斑岩LaN-(La/Yb)N(a)、δEu-Sr(b)、Sr-Rb(c)、Sr-Ba(d)、Zr-TiO2(e)和Ni-Cr(f)关系图及分离结晶趋势
    Zr—锆石;Ap—磷灰石;Mon—独居石;Allan—褐帘石;PlAn15—斜长石(An=15);PlAn50—斜长石(An=50);Pl—斜长石;Kf—钾长石;Bi—黑云母;Ms—白云母;Amp—角闪石;Hb—角闪石;Grt—石榴子石;Mgt—磁铁矿;Tit—榍石;Cpx—单斜辉石
    Figure  9.  LaN-(La/Yb)N(a), δEu-Sr(b), Sr-Rb(c), Sr-Ba(d), Zr-TiO2(e) and Ni-Cr(f)diagrams showing the fractional crystallization trends for the granite-porphyry in Xiaohongshan area

    锆石稳定性较强,形成后几乎没有放射性成因Hf的积累,使锆石Hf同位素研究成为目前示踪岩浆源区的重要手段之一[20, 26, 30]。本文花岗斑岩样品中εHf(t)值变化较大,分别为-1.43~9.93和-0.15~5.45,除2个测点外,其余样品均位于球粒陨石与亏损地幔演化线之间。一般认为,正εHf(t)值代表岩石源自亏损地幔,但本文花岗斑岩具有较低的Mg#值、极低的Cr、Ni含量,因而排除亏损地幔源区的可能性,说明其可能来源于亏损地幔中新增生的年轻地壳物质的部分熔融[31]。Hf同位素地壳模式年龄TDMC分别为610~1335 Ma和894~1247 Ma,大于岩浆结晶年龄,反映它们的岩浆可能起源于中新元古代地壳的部分熔融。同时,本文花岗斑岩样品中锆石Hf同位素组成显示出明显的不均一性(变化范围达11.36),由于锆石Hf同位素比值不会随部分熔融或分离结晶而变化,因此其较大的变化范围可能与地幔本身的不均一性有关,也可能是前寒武纪地壳重熔过程中幔源物质的加入导致[32-33]。如果岩石源区有地幔物质的加入,则Hf同位素模式年龄仅反映一种平均的混合年龄[26, 34]。壳幔混合模型也经常被用来解释Ⅰ型花岗岩的源区。

    研究区发育大量古元古界北山岩群(Pt1B),而花岗斑岩的Hf同位素地壳模式年龄TDMC分为中元古代—新元古代,结合源区幔源组分的加入,推测研究区三叠纪花岗质岩浆可能是本区古元古界北山岩群的古老地壳的重熔与新元古代—古生代的新生地壳部分熔融的岩浆混合后形成。同时,本文花岗斑岩与研究区古生代弧花岗岩具有较一致的Hf同位素组成,表明它们的源区可能相同,新元古代—古生代的新生地壳可能代表这个时期的滞留岩浆弧。大量研究表明,北山地区所处的中亚造山带在中元古代末期开始增生演化[35],是全球显生宙陆壳增生与改造最显著的地区之一[1, 36-40],在元古宙—晚古生代经历的多期大洋俯冲增生作用过程中,发生了大规模的幔源物质底侵形成新生地壳。这些新生地壳就是本文花岗斑岩的源区之一。综合上述主量、微量元素及锆石Hf同位素讨论,认为小红山三叠纪花岗斑岩岩浆可能为古元古界北山岩群及新元古代—古生代的滞留岩浆弧部分熔融形成的混合岩浆,地幔物质(新生地壳)比例较大。

    目前普遍认为北山造山带的各个岩浆弧,以及各岩浆弧与旱山微陆块在二叠纪均完成了拼合,北山地区三叠纪整体处于伸展构造体制,受造山后地壳伸展减薄影响,在北山北部大红山一带形成中三叠世碱长花岗岩,年龄为239.8±1.8 Ma,代表北山北部进入板内演化阶段。北山地区中晚三叠世发育的由Ⅰ型向A型花岗岩过渡的一系列高钾钙碱性和钾玄岩系列花岗岩,均显示该地区处于后造山伸展体制[13],伸展体制触发了软流圈上涌和基性岩浆底侵,这个过程产生的热导致新元古代—古生代的新生地壳(滞留岩浆弧)部分熔融,并遭受了古元古代古老地壳重熔的岩浆混染,之后经过分离结晶作用,最终在中上地壳侵位形成了本文晚三叠世花岗斑岩。

    (1) 锆石U-Pb定年结果表明,北山造山带小红山地区的花岗斑岩年龄分别为211.8±1.6 Ma、205.9±1.7 Ma,表明其侵位时代为晚三叠世晚期,形成于后造山伸展环境。

    (2) 花岗斑岩富集Rb、Th、U、La、Ce等大离子亲石元素,亏损Nb、P、Ti等高场强元素和Ba、Sr,表现出低Sr,高Yb、Y的特点,并具有明显的负Eu异常;岩石化学组成上具有高硅、富碱、准铝,贫钙、镁、铁的特征,属于高钾钙碱性-钾玄岩系列,分异程度较高,属高分异Ⅰ型花岗岩。

    (3) 花岗斑岩的εHf(t)值为-1.43~9.93, Hf同位素地壳模式年龄TDMC为610~1335 Ma,指示花岗斑岩均来源于具有幔源烙印的新生地壳并混有重熔的古老地壳。在后造山伸展体制下,基性岩浆底侵带来的热导致新元古代—古生代的新生地壳(滞留岩浆弧)部分熔融,并遭受了古元古界古老地壳重熔的岩浆混染,形成的母岩浆经过分离结晶作用,最终在中上地壳侵位形成了晚三叠世花岗斑岩。

    致谢: 成文过程中得到天津城建大学韩文峰教授的指导帮助,天津城建大学赵海涛老师、硕士生马春田和刘林参加了部分野外工作,论文评审专家提出了建设性的意见,在此一并表示感谢。
  • 图  1   西秦岭上白垩统红层分布

    F1—西秦岭北缘断裂带北边界断层;F2—西秦岭北缘断裂带漳县-车厂断层;F3—临潭-岷县-宕昌断层;ORDSB—鄂尔多斯地块;SCB—四川地块;QDMB—柴达木地块;TRMB—塔里木地块;NQT—祁连山北缘逆冲带;NQS—北祁连缝合带;SDS—商丹缝合带;QNS—柴北缘缝合带;MLS—勉略缝合带;AKS—阿尼玛卿-东昆仑缝合带;JS—金沙江缝合带;BNS—班公湖-怒江缝合带;ALT—阿尔金走滑断层;LMT—龙门山逆冲带

    Figure  1.   Simplified map showing distribution of Upper Cretaceous red bed strata in the West Qinling Mountains

    图  2   西秦岭上白垩统与下伏地层之间的角度不整合

    a—岷县北梅川乡洮河东岸上白垩统(K2)角度不整合覆盖在下伏石炭系(C)之上;b—岷县申都乡西分水岭上白垩统(K2)角度不整合在二叠系(P)之上

    Figure  2.   Unconformity between Upper Cretaceous and underlying strata in western Qinling

    图  3   西秦岭腹地上白垩统综合地层柱状图(以哈达铺上白垩统为例)

    Figure  3.   Integrated stratigraphic column of Upper Cretaceous strata in the hinterland area, Western Qinling Mountains

    图  4   西秦岭山体阴影图与上白垩统红层地层分布

    F1—西秦岭北缘断裂带北边界断层;F2—西秦岭北缘断裂带漳县-车厂断层;F3—临潭-岷县-宕昌断层

    Figure  4.   Hillshade map of the West Qinling Mountains and distribution of Upper Cretaceous red bed strata

    图  5   西秦岭上白垩统红层地层高程分布

    F1—西秦岭北缘断裂带北边界断层;F2—西秦岭北缘断裂带漳县-车厂断层;F3—临潭-岷县-宕昌断层

    Figure  5.   Elevation distribution of Upper Cretaceous red bed strata in the West Qinling Mountains

    图  6   西秦岭上白垩统分区及底部角度不整合面高程采样点分布

    F1—西秦岭北缘断裂带北边界断层;F2—西秦岭北缘断裂带漳县-车厂断层;F3—临潭-岷县-宕昌断层

    Figure  6.   Subregion of Upper Cretaceous strata and elevation sampling sites of angular unconformity in the West Qinling Mountains

    图  7   图 6中的A-B线角度不整合面高程变化

    Figure  7.   Elevation of the angular unconformity plane along A-B line in Fig. 6

    图  8   图 6中的C-D线角度不整合面高程变化

    Figure  8.   Elevation of the angular unconformity plane along C-D line in Fig. 6

    图  9   图 6中A-B线和C-D线地形剖面和角度不整合面高程分布

    Figure  9.   Topography of A-B line and C-D line (in Fig. 6) and elevation distribution of the angular unconformity plane

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-01-04
  • 修回日期:  2016-03-28
  • 网络出版日期:  2023-08-16
  • 刊出日期:  2016-06-30

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