秦祁結合部清水-張家川基性巖形成時代和構造歸屬探討*

付長壘 閆臻 王秉璋

1. 中國地質科學院地質研究所，北京 1000372. 青海省地質調查院，青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 8100121.

圖1 中央造山系大地構造格架(a,據楊經綏等，2010修改)及秦嶺-祁連-阿爾金-東昆侖造山帶構造分區和早古生代蛇綠巖、島弧和弧后巖漿巖分布圖(b) 圖1b中邊界斷層據張二朋等，1992；張國偉等，2001；徐學義等，2008b；王宗起等，2009；Bader et al.，2013；Dong and Santosh，2016；李三忠等，2016；Fu et al.，2019b修改. 島弧和弧后盆地相關巖石年齡數據見表5Fig.1 Tectonic framework of the Chinese Central Orogenic Belts (a, modified after Yang et al., 2010) and tectonic framework of the Qinling-Qilian-Altun-East Kunlun orogenic belts showing the spatial distribution of the early Paleozoic ophiolite, island-arc and back-arc igneous rocks (b) Boundary lines inFig.1b are modified after Zhang et al., 1992, 2001; Xu et al., 2008b; Wang et al., 2009; Bader et al., 2013; Dong and Santosh, 2016; Li et al., 2016; Fu et al., 2019b. Age data of the back-arc basin and island-arc rocks are listed in Table 5

“中央造山系”是夾持于中國塔里木、華北和華南地塊之間的近東西展布長達5000km的巨型顯生宙造山系統(圖1a)，它西起昆侖山、阿爾金山和祁連山，向東經秦嶺和大別山延伸至蘇魯地區，被認為是原特提斯洋和古特提斯洋分別經歷早古生代和早中生代多期次俯沖-碰撞造山作用、并疊加白堊紀以來的陸內造山作用而構筑成的“復合造山帶”(姜春發，1993；殷鴻福和張克信，1998；姜春發等，2000；張國偉等，2001；陸松年等，2006；許志琴等，2006；王宗起等，2009；楊經綏等，2010)，以發育諸多前寒武紀微陸塊(包括西昆侖北地塊、西昆侖南地塊、中阿爾金地塊、東昆侖北地塊、東昆侖南地塊、中祁連地塊、歐龍布魯克地塊、北祁連地塊等；李懷坤等，2003；萬渝生等，2003；Wanetal.，2006；陸松年等，2006；許志琴等，2006； Tungetal.，2012；Yanetal.，2015；Wuetal.，2017；Lietal.，2018；Liuetal.，2018；Luetal.，2018；Fuetal.，2019a；Yuetal.，2019)以及夾持于其間的多條包含蛇綠巖帶、高壓-超高壓變質帶、島弧、弧后巖漿巖的早古生代和早中生代縫合帶(包括庫地-喀拉塔什、昆中、北阿爾金、南阿爾金、北祁連、南祁連、北秦嶺、柴北緣、阿尼瑪卿和勉略等；肖序常等，1978；宋志高等，1991；許志琴等，1994；張維吉等，1994；馮益民，1997；Zhangetal.，2001，2017；Xiaoetal.，2002，2009；楊經綏等，2003；張旗等，2003；Bianetal.，2004；索書田等，2004；陸松年等，2006；Tsengetal.，2007；裴先治等，2009；王宗起等，2009；張建新等，2009；Panetal.，2012；閆臻等，2012；Baderetal.，2013； Mengetal.，2013；Songetal.，2013；祁生勝等，2014；曹玉亭等，2015；Dong and Santosh，2016；Xiaetal.，2016；Caoetal.，2017；Yanetal.，2017，2019；Dongetal.，2018; Fuetal.，2018，2019b)為典型特征(圖1a, b)。它記錄了原特提斯和古特提斯洋盆擴張、俯沖消減和閉合全過程以及微陸塊離散、聚合歷史，是開展古板塊構造格局、造山帶結構和造山作用研究的天然實驗室。

近幾十年來，不同學者先后對秦嶺、祁連和昆侖造山帶開展了地質學、地球物理和地球化學等方面的研究，在造山帶結構組成、基礎地質理論和區域地質找礦等方面取得了一系列重要成果(姜春發，1993；殷鴻福和張克信，1998；姜春發等，2000；張國偉等，2001；馮益民等，2003；陸松年等，2006；許志琴等，2006；楊經綏等，2010；李三忠等，2016；Dong and Santosh，2016；Lietal.，2018)。已有的地質資料顯示，中央造山系北部(北秦嶺-祁連-柴北緣-阿爾金-東西昆侖北部)和南部(大別-南秦嶺-南昆侖)總體上分別為原特提斯洋和古特提斯洋演化的產物(圖1a)；中央造山系東段北秦嶺二郎坪群、秦嶺雜巖和商丹縫合帶可能分別與西段北祁連構造帶、中祁連地塊以及南祁連北緣拉脊山縫合帶相鏈接(圖1b和圖2a；宋志高等，1991；張維吉等，1994；趙生貴，1996；張國偉等，2001；許志琴等，2006；李王曄，2008；徐學義等，2008a；裴先治等，2009；Dong and Santosh，2016；李三忠等，2016；Lietal.，2018)。然而，由于中央造山系的結構復雜性、造山類型多樣性和活動長期性，人們對其構造演化歷史始終無法達成相對統一的共識。例如，中央造山系北緣發育完整的早古生代弧-盆體系，而該弧-盆體系形成時代和構造歸屬在不同構造帶存在認識上的差異：如北祁連弧-盆體系被認為形成于寒武紀-早奧陶世，屬于洋內弧-盆體系(張旗等，1997，1998；韓松等，2000；Xiaoetal.，2009；Xiaetal.，2012)；二郎坪弧-盆體系的形成時代則存在寒武紀-早奧陶世、寒武紀-中奧陶世、早奧陶世以及晚奧陶世等不同觀點，有關其構造屬性則存在洋內弧盆體系和陸緣弧盆體系兩種認識(Xueetal.，1996；Zhaietal.，1998；Ratschbacheretal.，2003，2006；Hackeretal.，2004；胡波，2005；何世平等，2007a，b；裴先治等，2007a，2009；丁仨平，2008；李王曄，2008；徐學義等，2008a；王濤等，2009；王宗起等，2009；Dongetal.，2011a, b; Wangetal.，2011，2013；Baderetal.，2013；魏方輝，2013; Dong and Santosh，2016；Yanetal.，2016a，2017；李三忠等，2016，2017；孟祥舒等，2017；Lietal.，2018)。這些認識分歧以及由此產生的東西方向差異性嚴重制約了人們對東亞原特提斯域古板塊構造格局和中央造山系區域銜接關系的認識。

秦嶺-祁連結合部(簡稱秦祁結合部)位于中央造山系東西鏈接的樞紐處，其北側清水-張家川地區出露大量與原特提斯洋俯沖作用相關的基性巖，對這些巖石的系統研究為解決上述科學問題提供了最佳窗口。本文在對秦祁結合部紅土堡基性巖開展鋯石U-Pb年齡、地球化學和Sr-Nd同位素分析基礎上，結合前人對北祁連、秦祁結合部和二郎坪群的研究成果，綜合分析北秦嶺-北祁連“弧-盆”體系活動時限和構造歸屬，并探討了東亞原特提斯洋北緣早古生代板塊構造格局。

1 地質背景

區域地質資料表明，中央造山系北部的北秦嶺和祁連造山帶具有相似的巖石組成單元和構造格架，均以發育兩條分布于中間前寒武地塊兩側的早古生代縫合帶為典型特征(圖1b)。其中，北秦嶺二郎坪群可與北祁連構造帶相對應，秦嶺雜巖與中祁連地塊相連接，而商丹縫合帶向西可與南祁連北緣拉脊山縫合帶相連(宋志高等，1991；張維吉等，1994；張國偉等，2001；徐學義等，2008a；裴先治等，2009；Lietal.，2018)。秦祁結合部位于北秦嶺和北祁連接觸部位，是北秦嶺和祁連原特提斯洋東西鏈接的關鍵地區。在綜合前人研究資料基礎上，Maoetal.(2017)將秦祁結合部自南向北劃分為三個構造單元：李子園俯沖雜巖帶、秦嶺弧變質-巖漿雜巖帶和清水-張家川弧后雜巖帶。

李子園俯沖雜巖帶主要由早古生代蛇綠巖和淺變質的火山-沉積巖系組成，天水-武山蛇綠巖中發育N-MORB、E-MORB型玄武巖和大洋斜長花崗巖，形成于534～489Ma，代表了寒武紀原特提斯洋殼殘片(裴先治等，2004，2009；李王曄等，2007；丁仨平等，2008)，它向東與商丹縫合帶相連(圖2a)。

秦嶺弧變質-巖漿雜巖帶與南側的俯沖雜巖帶呈斷層接觸，而與北側的弧后雜巖帶以韌性剪切帶接觸，主要由深變質的秦嶺雜巖、新元古代花崗片麻巖、早古生代花崗巖侵入體以及早古生代草灘溝群火山-沉積巖組成。其中，秦嶺雜巖包括花崗片麻巖、石榴夕線黑云片麻巖、石榴黑云變粒巖以及少量角閃二輝麻粒巖、大理巖、鈣硅酸鹽巖、石英巖和斜長角閃巖，麻粒巖相的變質時代為430～402Ma(Maoetal.，2017)；早古生代花崗巖具有C型埃達克巖(Zhangetal.，2006；王婧等，2008)和弧巖漿巖特征(裴先治等，2007b)；草灘溝群火山-沉積巖包括玄武巖、流紋巖、火山碎屑巖和少量安山巖，地球化學分析結果顯示這些火山巖形成于島弧環境(閆全人等，2007；Yanetal.，2017)。

圖2 秦嶺造山帶地質圖及研究區位置(a，據Yan et al.，2016b)和秦嶺-祁連結合部地質圖(b，據裴先治等，2009修改) 秦嶺-祁連結合部早古生代巖漿巖年齡數據見表4Fig.2 Geological sketch map of the Qinling Orogen and location of the study area (a, modified after Yan et al., 2016b) and geological map of the conjunction area between the Qinling and Qilian orogenic belts (b, modified after Pei et al., 2009) Data of the Early Paleozoic igneous rocks in the conjunction area between Qinling and Qilian orogenic belts are listed in Table 4

圖3 紅土堡基性巖野外露頭和顯微結構照片 (a)枕狀玄武巖(36°44′37″N、106°3′13″E)；(b)斑狀結構玄武巖(正交偏光)；(c)輝綠巖墻；(d)輝綠巖顯微結構(正交偏光). Pl-斜長石；Act-陽起石；Ep-綠簾石；Chl-綠泥石Fig.3 Outcrops and photomicrographs of mafic rocks in Hongtubao area (a) pillow basalts (36°44′37″N, 106°3′13″E); (b) pillow basalt with a porphyritic texture (crossed polars); (c) dolerite dykes; (d) dolerite (crossed polars). Pl-plagioclase; Act-actinolite; Ep-epidote; Chl-chlorite

清水-張家川弧后雜巖帶主要發育隴山雜巖、葫蘆河群碎屑巖、陳家河群火山-沉積巖和紅土堡基性巖，同時可見大量前寒武紀、早古生代、晚古生代、中生代花崗巖和少量超基性巖(圖2b；裴先治等，2009)。隴山雜巖主要由副片麻巖、花崗片麻巖、斜長角閃巖和大理巖組成，向東與寬坪群相對應，它與秦嶺雜巖的時代均為古元古代，共同代表了北秦嶺古老變質基底(何艷紅等，2005；王銀川等，2012)。葫蘆河群為一套低角閃巖相-綠片巖相變質碎屑巖，發育不完整鮑馬序列，碎屑鋯石定年顯示其主體可能形成于志留紀，鋯石年齡峰值有479Ma、887Ma、1499Ma和448Ma，總體表現出陸緣復理石沉積特征(裴先治等，2012)。陳家河群為一套低綠片巖相中酸性火山巖和陸緣碎屑巖組合，中酸性火山巖以英安巖、流紋巖和流紋斑巖為主夾英安質、流紋質熔結角礫巖和凝灰巖，局部有少量玄武巖和安山巖，這些中酸性火山巖被認為形成于448～447Ma大陸邊緣弧(胡波，2005；何世平等，2007b)或弧后盆地初始拉張環境(李王曄，2008)。紅土堡基性巖組是長安大學地質調查研究院(2004[注]長安大學地質調查研究院. 2004. 天水市幅1:25萬區域地質調查(修測)報告)從原葫蘆河群解體出的一套低綠片巖相基性火山巖、輝綠巖夾少量硅質巖組合，主要沿秦安縣北楊家寺-清水縣紅土堡-南頭河一帶斷續分布，基性巖具有拉斑玄武巖特征，被認為形成于商丹洋向北俯沖形成的陸緣弧后盆地環境(張二朋等，1992；胡波，2005；何世平等，2007b；李王曄，2008；魏方輝，2013)，與北秦嶺造山帶二郎坪群形成環境一致(Dongetal.，2011a；Yanetal.，2017)，前人對該基性巖進行全巖Rb-Sr、Sm-Nd和鋯石LA-ICP-MS分析獲得了484～386Ma年齡(胡波，2005；何世平等，2007a, b)，認為其與陳家河群酸性火山巖時代相近。侵入于弧后雜巖帶中的早古生代、晚古生代花崗巖分別被認為形成于原特提斯洋俯沖和碰撞造山階段(Zhangetal.，2006；陳雋璐等，2007；裴先治等，2007a；魏方輝等，2012；孟祥舒等，2017)，而中生代花崗巖則被認為是古特提斯洋俯沖-閉合過程的產物(Zhangetal.，2006)。這些研究結果共同表明，秦祁結合部與北秦嶺和北祁連構造帶均保存相對較完整的溝-弧-盆體系，共同記錄了原特提斯洋演化歷史(宋志高等，1991；張二朋等，1992；徐學義等，2008a；Baderetal.，2013；李三忠等，2016；Lietal.，2018)。

2 紅土堡基性巖地質特征

在秦祁結合部清水-張家川一帶，基性巖主要為紅土堡基性巖組和陳家河群玄武巖。紅土堡基性巖組與其南、北兩側志留紀葫蘆河群和奧陶紀陳家河群呈斷層接觸(圖2b)，被早古生代和中生代花崗巖侵入，且多被第四系覆蓋，僅在清水縣紅土堡一帶發育良好。這些基性巖主要為灰綠色玄武巖，通常有少量灰白色-灰黑色薄層或透鏡狀硅質巖夾層。由于遭受后期構造作用改造，普遍發育NWW向片理，僅在局部露頭可見保留相對良好的枕狀構造(圖3a)；巖枕多為橢球狀，長軸約50～60cm。同時，野外可見少量輝綠巖墻(圖3c)侵入玄武巖。

紅土堡基性巖普遍發生綠片巖相變質，顯微鏡下可見綠簾石、陽起石和綠泥石等變質礦物。玄武巖具變余斑狀結構和間粒-間隱結構(圖3b)；斑晶主要為斜長石，呈他形-半自形板狀，發育簡單雙晶和聚片雙晶，粒徑變化于0.5～1mm，含量約5%。基質主要由斜長石微晶、綠簾石和綠泥石共同組成。

輝綠巖具輝綠結構，主要礦物為斜長石(55%)、陽起石(40%)以及少量綠泥石(圖3d)。斜長石呈板狀自形-半自形晶，發育卡鈉復合雙晶，粒度為0.5～1mm；陽起石呈纖維狀，充填于斜長石圍成的三角格架內，未見殘余輝石。

3 輝綠巖鋯石U-Pb年齡

為確定紅土堡基性巖形成構造環境，野外采集1件輝綠巖大樣(樣品16CJH9；～15kg)供LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年。鋯石分選在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成，共分離出143粒鋯石。LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測試在北京科薈測試技術有限公司使用ESI NWR 193nm激光剝蝕系統和Analytikjena PlasmaQuant MS Elite電感耦合等離子體質譜儀完成，詳細實驗測試流程可參見侯可軍等(2009)，數據處理采用軟件ICPMSDataCal(Liuetal.，2010)完成，并使用Isoplot(ver3.0)程序繪制諧和圖和計算加權平均年齡(Ludwig，2003)，分析測試結果見表1和圖4。

圖4 紅土堡輝綠巖墻鋯石陰極發光圖像(a)和LA-ICP-MS U-Pb年齡諧和圖(b)Fig.4 Cathodoluminescence (CL) images (a) and LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram (b) of zircons from dolerite dykes in Hongtubao area

鋯石為無色透明、半自形-自形粒狀或柱狀，粒度較小，長度為40～120μm，長寬比率為1～3。陰極發光(CL)圖像顯示，鋯石呈灰白色-灰黑色，發育清晰的巖漿震蕩環帶，部分鋯石同時具有扇狀和板狀分帶特征(圖4a)，顯示出基性巖鋯石特征。分析結果顯示，16粒鋯石Th和U含量變化較大，分別為46×10-6～858×10-6和96×10-6～820×10-6，Th/U比值介于0.46～1.94之間，這些鋯石U-Pb年齡諧和度較好， 在207Pb/235U-206Pb/238U諧和圖中均落在諧和線上，且206Pb/238U年齡較集中，變化于491～510Ma之間，獲得206Pb/238U加權平均年齡為500±3Ma(N=16；MSWD=0.75)(圖4b)，該年齡代表了輝綠巖的巖漿結晶年齡。

表1紅土堡輝綠巖墻鋯石LA-ICP-MSU-Pb測年數據

Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of dolerite dyke in Hongtubao area

測點號PbThU(×10-6)Th/U同位素比值年齡(Ma)207Pb206Pb1σ207Pb235U1σ206Pb238U1σ207Pb206Pb1σ207Pb235U1σ206Pb238U1σ諧和度-152851850.460.055920.001180.618210.015090.080320.00130450144899498898-2851513090.490.059270.001030.659920.022270.081370.0031257637515145041997-32846960.480.056780.001640.629120.019130.080400.001094836549612499799-4661201750.690.060590.001490.673250.020420.080350.000976335252312498695-5671861851.010.055400.002410.611520.026100.080060.001074289848516497697-61475323481.530.058300.003030.632080.031180.079200.0010954310849719491798-71222984120.720.059330.001830.654710.019600.079940.000905897351112496596-81193743381.110.058310.001920.668600.023700.082300.001185436852014510798-92537446181.200.055990.001420.631960.016280.081260.000784505649710504598-102648584421.940.058970.001890.653110.021930.079700.000835657051013494596-11611651830.900.059370.002480.671370.028400.081650.0011658912352217506796-122427228200.880.059200.001580.672640.018290.081630.000715765752211506496-131404384580.960.058620.001770.652970.018500.080750.000795546551011501598-141865705321.070.058420.001650.643400.017380.079860.000755466150411495498-15982812691.040.059940.002360.669410.025150.081440.001026118152015505696-161435023681.370.054540.002760.602470.030090.080570.00162394113479195001095

4 地球化學特征

為確定紅土堡基性巖形成構造環境，在室內顯微結構觀察基礎上，選擇5件玄武巖和3件輝綠巖樣品進行地球化學分析。主量、微量和稀土元素含量測試工作均在中國地質科學院國家地質實驗測試中心完成，分析結果見表2。主量元素利用Phillips 4400 X-熒光光譜儀測試，檢測限<0.01%，分析精度優于1%且誤差小于5%；FeO含量利用重鉻酸鉀滴定法測定；微量元素和稀土元素利用VG Elemental PQⅡPlus電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)來測定，檢測限為(1～0.05)×10-6，分析誤差為5～10%。

紅土堡基性巖普遍發生綠泥石化作用，Cs、Ba、K等大離子親石元素含量易于受蝕變作用影響。為此，本文主要選取相對穩定元素來分析基性巖巖石類型和形成構造環境。

表2紅土堡玄武巖和輝綠巖主量(wt%)和微量(×10-6)元素分析結果

Table 2 Major (wt%) and trace (×10-6) element data for the basalts and dolerites in Hongtubao area

樣品號16CJH316CJH416CJH516CJH1016CJH1116CJH616CJH716CJH8巖性玄武巖輝綠巖SiO246.9950.8348.4549.0947.8853.1752.9849.59TiO21.931.861.551.921.811.881.832.29Al2O316.3614.1315.0714.8314.9513.7914.1813.83Fe2O36.136.375.565.545.374.984.435.56FeO7.536.36.387.067.427.27.318.39MnO0.20.180.180.220.190.170.20.24MgO4.453.816.124.474.823.773.54.27CaO8.088.969.358.3510.195.65.827.63Na2O3.73.662.863.873.345.265.173.89K2O0.780.590.470.450.370.420.40.37P2O50.230.220.180.220.220.270.260.33LOI2.411.682.62.6422.693.192.37Total98.7998.5998.7798.6698.5699.2099.2798.76FeOT13.0512.0311.3812.0412.2511.6811.3013.39Mg#3836494041373636La13.112.610.21312.815.915.314.9Ce32.230.424.930.730.937.937.237.1Pr4.864.623.774.714.635.615.585.71Nd25.223.71923.923.928.827.429.3Sm6.566.165.096.216.157.267.197.69Eu2.252.131.842.192.12.422.482.68Gd7.466.995.837.116.958.48.268.91Tb1.31.191.021.211.21.471.421.49Dy7.777.186.077.387.258.778.519.03Ho1.541.441.211.431.461.761.691.76Er4.554.243.574.214.35.195.155.18Tm0.680.640.550.650.650.80.790.79Yb4.294.143.474.14.165.055.035.05Lu0.640.620.50.60.620.760.760.74δEu0.980.991.031.010.980.950.980.99REE112.4106.187.02107.4107.1130.1126.8130.3LREE/HREE2.983.012.923.023.033.043.012.96(La/Yb)N2.192.182.112.272.212.262.182.12Li8.064.177.115.934.524.114.954.78Sc40.536.243.840.139.531.528.738.5V420409381411418286264365Cr18.716.540.819.4101.232.191.91Ni22.317.929.120.415.60.781.080.78Co38.536.840.438.937.426.327.531.8Cu53.177.480.197612.382.312.57Pb3.13.223.272.543.281.021.221.37Cs0.810.390.090.320.111.521.453.07Ga23.319.518.820.922.51819.624.2Rb21.112.97.87.994.228.768.7613.8Ba231148155246138216185204Sr299209418242378175180293Th1.311.241.081.271.521.931.991.52U0.350.490.310.360.420.480.520.35Nb3.693.442.813.463.594.514.524.38Ta0.30.250.240.270.270.320.320.31Zr127120103122124159162140Hf3.683.482.963.663.814.64.613.98Y39.737.631.336.938.145.745.749.2Th/Nb0.360.360.380.370.420.430.440.35

表3紅土堡基性巖Sr-Nd同位素分析結果

Table 3 Sr-Nd isotopic composition of the mafic rocks in Hongtubao area

樣品號巖性年齡(Ma)87Rb86Sr87Sr86Sr2σ87Sr86Sr()t147Sm144Nd143Nd144Nd2σ143Nd144Nd()tεNd(0)εNd(t)fSm/Nd16CJH316CJH516CJH616CJH8玄武巖玄武巖輝綠巖輝綠巖5000.20430.7055650.0000060.704110.15740.5127360.0000040.5122201.94.4-0.200.05400.7047850.0000060.704400.16200.5127470.0000050.5122172.14.4-0.180.14490.7048480.0000050.703820.15240.5127360.0000050.5122371.94.8-0.230.13640.7047660.0000060.703790.15870.5127460.0000040.5122262.14.5-0.19

圖5 秦祁結合部清水-張家川基性巖Zr/TiO2×0.0001-Nb/Y(a，據Winchester and Floyd，1977)和SiO2-FeOT/MgO(b，據Miyashiro，1974)圖解 紅土堡和望家坡基性巖屬于紅土堡基性巖組；新城和后川玄武巖屬于陳家河群；后文數據來源及圖例同此圖Fig.5 Zr/TiO2×0.0001 vs. Nb/Y (a, after Winchester and Floyd, 1977) and SiO2 vs. FeOT/MgO diagrams (b, after Miyashiro, 1974) of mafic rocks from Qingshui-Zhangjiachuan within the conjunction area between the Qinling and Qilian orogenic belts Mafic rocks in Hongtubao and Wangjiapo areas belong to Hongtubao Formation; Basalts in Xincheng and Houchuan areas belong to Chenjiahe Group; Data sources and legends are same as in this figure

清水縣紅土堡組和陳家河群中基性巖在Nb/Y-Zr/Ti圖解中均投在玄武巖范圍內(圖5a)；在SiO2-FeOT/MgO圖解中(圖5b)，除望家坡2個樣品落入鈣堿性系列范圍，其它均落入拉斑玄武巖系列區域內。

主量元素測試結果(表2)顯示，紅土堡玄武巖樣品SiO2含量為46.99%～50.83%，MgO含量為3.81%～6.12%，FeOT為11.38%～13.05%，TiO2含量較高且為1.55%～1.93%，Mg#值為36～49；輝綠巖樣品SiO2含量為49.59%～53.17%，MgO含量為3.5%～4.27%，FeOT為11.30%～13.39%，TiO2含量較高且為1.83%～2.29%，Mg#值為36～37。

紅土堡基性巖稀土元素含量較高，玄武巖ΣREE為87.02×10-6～112.4×10-6，LREE/HREE=2.92～3.03，(La/Yb)N=2.11～2.27，δEu=0.98～1.03；輝綠巖ΣREE為126.8×10-6～130.3×10-6，LREE/HREE=2.96～3.04，(La/Yb)N=2.12～2.26，δEu=0.95～0.98。玄武巖和輝綠巖具有一致的稀土和微量元素配分模式，球粒隕石標準化稀土元素配分曲線為弱的右傾型(圖6a)，輕、重稀土分餾較弱，位于島弧和弧后擴張脊熔巖之間；N-MORB標準化微量元素蛛網圖中基性巖明顯富集Th和輕稀土元素而虧損Nb、Ta、Zr、Hf和Ti(圖6b)，與馬里亞納島弧熔巖更具相似性(Pearceetal.，2005；Ishizukaetal.，2010)。

圖6 清水-張家川基性巖球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(a、c、e)和N-MORB標準化微量元素蛛網圖(b、d、f)(標準化值據Sun and McDonough，1989) 馬里亞納弧后擴張脊和島弧熔巖數據引自Pearce et al.(2005)和Ishizuka et al.(2010)Fig.6 Chondrite-normalized REE diagrams (a, c, e) and N-MORB-normalized spider diagrams (b, d, f) of mafic rocks from Qingshui-Zhangjiachuan (normalization values after Sun and McDonough, 1989) Data of the Mariana Trough lavas are from Pearce et al. (2005) and Ishizuka et al. (2010)

5 Sr-Nd同位素特征

紅土堡基性巖Sr-Nd同位素組成分析在北京科薈測試技術有限公司完成，Sr和Nd同位素經分離和提純后，使用Neptune plus型多接收電感耦合等離子體質譜儀進行Sr、Nd同位素組成測試，Sr、Nd同位素比值分別采用88Sr/86Sr=8.375209和146Nd/144Nd=0.7219進行質量分餾校正，實驗過程中同時測得標樣NBS-987的87Sr/86Sr值為0.710247±0.000013(2σ；N=6)，標樣GSB的143Nd/144Nd值為0.512187±0.000013(2σ；N=7)，標樣數據結果與推薦值十分吻合。紅土堡輝綠巖呈巖墻侵入玄武巖中，相似的全巖和Sr-Nd同位素組成特征表明，輝綠巖和玄武巖近同期形成。因此，基性巖同位素初始比值根據輝綠巖墻年齡(500Ma)計算，Sr-Nd同位素測試數據和計算結果見表3和圖7。

圖7 清水-張家川基性巖εNd(t)-(87Sr/86Sr)t圖解 地幔演化線據DePaolo and Wasserburg(1977)；MORB和OIB據DePaolo and Wasserburg(1977)和Zindler and Hart(1986)；弧后擴張脊和洋內弧熔巖據Gamble and Wright(1995)，Stern et al.(2004)和Ishizuka et al.(2007，2009，2010)；基性巖同位素初始比值根據紅土堡輝綠巖墻年齡(500Ma)計算(數據來源見表4)；晚奧陶世酸性火山巖Sr-Nd同位素數據引自胡波(2005)和李王曄(2008)Fig.7 εNd(t) vs. (87Sr/86Sr)t diagram for mafic rocks from Qingshui-Zhangjiachuan Mantle array after DePaolo and Wasserburg (1977); MORB and OIB fields after DePaolo and Wasserburg (1977), Zindler and Hart (1986); Back-arc spreading center and intra-oceanic arc lavas fields are compiled from Gamble and Wright (1995), Stern et al. (2004), Ishizuka et al. (2007, 2009, 2010); Initial isotopic ratios of the mafic rocks are calculated based on the age of dolerite dyke (500Ma) (data from literatures listed in Table 4); Sr-Nd isotopic composition of the late Ordovician felsic rocks are from Hu (2005), Li (2008)

玄武巖初始87Sr/86Sr比值為0.70411～0.70440，可能與海水蝕變有關(Nohdaetal.，1992)，初始143Nd/144Nd介于0.512217～0.512220之間，εNd(t)值為+4.4；輝綠巖初始87Sr/86Sr比值為0.70379～0.70382，初始143Nd/144Nd介于0.512226～0.512237之間，εNd(t)值介于+4.5～+4.8之間，基性巖與洋內島弧玄武巖同位素組成一致，顯示具有相似的地幔源區特征(圖7；Sternetal.，2004；Ishizukaetal.，2010)。

6 討論

6.1 基性巖形成時代

秦祁結合部清水-張家川地區基性巖最早于1963年被甘肅西秦嶺地質隊劃歸為“牛頭河群”，并根據巖性對比認為其屬于前寒武紀；宋志高等(1991)將基性巖劃歸為葫蘆河群淺變質巖系，雖然未獲得相關年齡數據，根據區域對比認為其形成于早古生代；裴先治等(2009，2012)在開展天水市幅1:25萬區域地質調查基礎上將葫蘆河群解體為三部分：(1)志留紀葫蘆河群深變質陸緣碎屑巖系；(2)早古生代紅土堡基性巖組；(3)早古生代陳家河群火山-沉積巖系。本文討論的基性巖樣品賦存于陳家河群(新城和后川)和紅土堡基性巖組中(圖2；表4)。

表4清水-張家川地區早古生代巖漿巖特征對比

Table 4 Comparison of the Early Paleozoic igneous rocks in Qingshui-Zhangjiachuan area

構造單元采樣位置巖性測試方法年齡εNd(t)參考文獻紅土堡組紅土堡玄武巖和輝綠巖墻LA-ICP-MS鋯石U-Pb500±3Ma+4.4～+4.8本文紅土堡基性火山巖全巖Rb-Sr和Sm-Nd484±38Ma;463±380Ma+2.9～+4.2胡波,2005紅土堡和望家坡枕狀玄武巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb443±2Ma;17824±34Ma(捕獲鋯石)+2.4～+4.3何世平等,2007a, b紅土堡輝綠巖墻LA-ICP-MS鋯石U-Pb386±8Ma;1697～2692Ma(捕獲鋯石)何世平等,2007a紅土堡玄武巖+2.8～+3.5李王曄,2008陳家河群新城玄武巖+3.5何世平等,2007b新城和后川玄武巖+2.0～+2.8李王曄,2008新城酸性火山巖全巖Rb-Sr413±16Ma(變質年齡)-3.8～+0.8胡波,2005新城英安巖SHRIMP鋯石U-Pb447±8Ma;448±8Ma-4.0～-3.0李王曄,2008早古生代花崗巖黃門川花崗閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb441±4Ma魏方輝等,2012閻家店閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb440±1Ma裴先治等,2007a閻家店閃長巖SHRIMP鋯石U-Pb441±10Ma-8.2～-7.5Zhang et al.,2006王家岔石英閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb455±2Ma陳雋璐等,2007草川鋪花崗巖SHRIMP鋯石U-Pb434±10Ma-8.4～-5.7Zhang et al.,2006

注：基性巖εNd(t)值根據紅土堡輝綠巖墻年齡(500Ma)計算

圖8 清水-張家川基性巖不同元素相關性圖解Fig.8 Correlation diagrams of different elements for mafic rocks from Qingshui-Zhangjiachuan

前人已對陳家河群和紅土堡組中的酸性火山巖和基性巖進行了年代學分析測試。其中胡波(2005)和李王曄(2008)根據新城酸性火山巖SHRIMP鋯石U-Pb和全巖Rb-Sr等時線分析結果，認為酸性火山巖成巖年齡和變質年齡分別為447～448Ma和413Ma(表4)。然而，該地區基性巖已有的年齡數據則相對分散(表4)，如484±38Ma(基性巖全巖Rb-Sr等時線年齡；胡波，2005)、463±380Ma(基性巖全巖Rb-Sr等時線年齡；胡波，2005)、386±8Ma(輝綠巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡；何世平等，2007b)和443±2Ma(玄武巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡；何世平等，2007b)，由于上述基性巖同位素等時線年齡和輝綠巖鋯石年齡誤差較大，僅有玄武巖的鋯石U-Pb年齡(443Ma)與陳家河群酸性火山巖年齡(447～448Ma)一致，被認為大體反映了該地區基性巖的形成時代(何世平等，2007b)。同時，清水-張家川地區發育大量與陳家河酸性火山巖同時期的早古生代(434～455Ma)花崗巖(圖2b；表4)，而且這些花崗巖也侵入于紅土堡組基性巖中，表明紅土堡組基性巖為早期巖漿作用產物。顯然，這一基本地質事實與玄武巖鋯石U-Pb年齡相矛盾。同位素分析結果顯示，清水-張家川地區基性巖εNd(t)值(+2.0～+4.7；圖7；表4)明顯高于晚奧陶世陳家河群酸性火山巖(-4.0～+0.8)和晚奧陶-早志留世花崗巖(-8.4～-5.7)，這些資料說明基性巖與后期酸性巖巖漿源區存在差異，它們是否為同期巖漿作用產物有待進一步確定。本文最新獲得紅土堡輝綠巖墻中的鋯石206Pb/238U加權平均年齡500±3Ma(N=16；MSWD=0.75)(圖4b)明顯早于晚奧陶-早志留世酸性巖漿巖，與區域巖石地層格架分析結果相吻合。這進一步表明，清水-張家川一帶紅土堡組和陳家河群基性巖形成時代較早，以寒武紀為主，酸性火山巖主要形成于晚奧陶世，而該地區是否發育寒武紀酸性火山巖或晚奧陶世基性巖仍有待進一步研究。

6.2 巖石成因

綜合前人資料，秦祁結合部紅土堡、望家坡、新城和后川地區紅土堡組和陳家河群基性巖，均表現出一致的主量元素、微量元素和Sr-Nd同位素組成特征(圖4、圖5和圖7)，而且其TiO2、FeOT和CaO含量隨MgO含量的增加而增加并呈現正相關性特征，顯示基性巖形成過程中巖漿發生了一定程度的結晶分異作用(圖8a-c)。MgO和Al2O3表現出弱正相關性特征(圖8d)，說明斜長石結晶分異較弱。MgO和Ni、Cr含量具有良好的正相關性(圖8e, f)，表明形成這些基性巖的巖漿曾經歷了橄欖石或單斜輝石的分離結晶作用。

圖9 清水-張家川基性巖Th/Yb-Sr/Nd(a,據Woodhead et al.，1998)、Th/Nb-Ta/Nd(b,據Aldanmaz et al.，2008)、Th/Yb-Nb/Yb(c,據Pearce，2008)和Th-Ta-Hf/3(d,據Wood，1980)圖解 弧后擴張脊和弧后裂谷熔巖數據引自Pearce et al.(2005)和Ishizuka et al.(2010)Fig.9 Th/Yb vs. Sr/Nd (a, after Woodhead et al., 1998), Th/Nb vs. Ta/Nd (b, after Aldanmaz et al., 2008), Th/Yb-Nb/Yb (c, after Pearce, 2008) and Th-Ta-Hf/3 (d, after Wood, 1980) diagrams for mafic rocks from Qingshui-Zhangjiachuan Data of lavas in the back-arc spreading center and back-arc rift are from Pearce et al. (2005), Ishizuka et al. (2010)

所分析的基性巖樣品的稀土和微量元素配分曲線表現出島弧火山巖特有的地球化學特征(LREE、Th富集，Nb、Ta、Zr、Hf和Ti虧損；Pearce，2014)；同時，具有較高的εNd(t)(+2.0～+4.7)，也表明其巖漿來自虧損地幔源區(Sternetal.，2004；Ishizukaetal.，2010)。地幔楔容易受到洋殼沉積物的混染，使基性巖漿具有較高的Th和LREE含量(Pearce，1982；Pearceetal.，2005)。此外，秦祁結合部基性巖較高的Th(0.74×10-6～8.32×10-6；數據來源見圖4和表1)和LREE(51.69×10-6～146.0×10-6)含量以及Th/Yb和Th/Nb比值，這些數據均顯示基性巖源區存在不同程度俯沖沉積物的加入(圖9a-c；Pearce and Peate，1995；Woodheadetal.，1998；Aldanmazetal.，2008)。

6.3 基性巖形成構造環境

前人根據地球地球化學分析結果認為紅土堡基性巖形成于弧后盆地或弧后裂陷-小洋盆環境(胡波，2005；何世平等，2007b；Dongetal.，2011a；魏方輝，2013)，由于陳家河群中存在類似陸緣弧巖漿巖特征的酸性火山巖，紅土堡基性巖和陳家河酸性火山巖被認為是晚奧陶世商丹洋向北俯沖時弧后盆地初始拉張階段形成的“雙峰式”火山巖(李王曄，2008)。本文新獲得年齡和地球化學數據顯示，清水-張家川地區基性巖和酸性火山巖具有不同的年齡和Sr-Nd同位素組成，它們的形成構造環境需要進一步分析。

本次研究及前人地球化學數據顯示，紅土堡組和陳家河群基性巖屬于拉斑玄武巖系列，具有右傾的球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(圖6)，明顯區別于弧后擴張脊熔巖近水平或左傾的稀土配分曲線(Pearceetal.，2005)。在N-MORB標準化微量元素蛛網圖中，基性巖具有明顯富集Th、LREE而虧損Nb、Ta、Zr、Hf和Ti元素(圖6b)，與馬里亞納島弧熔巖微量元素地球化學特征相似。在Th/Yb-Nb/Yb和Th-Ta-Hf/3構造判別圖中(圖9c, d)，2個樣品落在弧后擴張脊范圍內，一部分較富集Th的紅土堡基性巖樣品(圖6d；胡波，2005)落在島弧區域，而其他大部分樣品則位于島弧和弧后盆地重疊區域(弧后裂谷)。

成熟弧后盆地的形成經歷了弧后裂谷和弧后擴張過程，并伴隨著俯沖沉積物熔融所產生富Th流體影響的減弱，從而導致演化過程中形成的島弧、弧后裂谷和弧后擴張脊熔巖Th/Nb比值逐漸降低(Pearceetal.，2005)。清水-張家川基性巖Th/Nb比值可分為1.09～2.04和0.18～0.73兩組(表2)，分別與馬里亞納島弧(0.53～1.87)和弧后裂谷熔巖(0.24～0.68)相一致(Pearceetal.，2005；Ishizukaetal.，2010)。

表5北秦嶺-北祁連島弧和弧后巖石年齡數據

Table 5 The age data of back-arc and island-arc rocks within the North Qinling and North Qilian orogenic belts

位置巖性測試方法年齡構造屬性解釋參考文獻二郎坪縫合帶斜峪關玄武巖SHRIMP鋯石U-Pb472±11Ma島弧閆全人等,2007灣潭枕狀熔巖SHRIMP鋯石U-Pb467±7Ma弧后盆地陸松年等,2003灣潭硅質巖和泥巖牙形石、放射蟲和藻類早寒武-中奧陶世古海盆王學仁等,1995秦祁結合部紅土堡輝綠巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb500±3Ma弧后裂解本文北祁連構造帶九個泉輝長巖SHRIMP鋯石U-Pb490±5Ma弧后擴張夏小洪和宋述光,2010大岔大坂輝長巖SHRIMP鋯石U-Pb517±4Ma島弧Xia et al.,2012大岔大坂輝長巖SHRIMP鋯石U-Pb487±9Ma弧后裂解Xia et al.,2012扁都口輝長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb479±2Ma弧后盆地Song et al.,2013

大部分基性巖Th/Nb比值較低，位于島弧拉斑玄武巖(IAT)和弧后擴張脊玄武巖(BABB)之間，呈現出島弧和弧后巖漿混合趨勢(圖9b)。此外，清水-張家川基性巖初始同位素比值較高，總體位于洋內弧范圍內(圖7)，顯示其地幔源區尚未發生較大變化。綜合野外巖石組合和地球化學特征，清水-張家川基性巖具有島弧和弧后裂谷玄武巖特征，形成于洋內弧弧后盆地初始裂解階段。

6.4 北秦嶺-北祁連原特提斯洋內寒武紀板塊構造格局

北秦嶺二郎坪-北祁連構造帶夾持于華北地塊和中祁連-秦嶺地塊之間，是中央造山系和原特提斯洋北緣的重要組成部分(圖1a, b；Lietal.，2018)，該構造帶保存有原特提斯洋最初俯沖消減過程中形成的高壓-超高壓變質巖、蛇綠巖、島弧和弧后巖漿巖。

北祁連構造帶發育寬闊的俯沖-增生雜巖和蛇綠巖，自南向北可將其劃分為四個構造單元：(1)玉石溝-川刺溝MOR型蛇綠巖帶(左國朝等，1996；張旗等，1997；史仁燈等，2004；Tsengetal.，2007；Songetal.，2013)，表現為放射蟲硅質巖、N-MORB型玄武巖、輝長輝綠巖和地幔橄欖巖組合，形成于550～497Ma；(2)走廊南山弧前俯沖-增生雜巖帶(許志琴等，1994；張建新和許志琴，1995)，發育高壓低溫變質巖、滑塌堆積和基性-超基性巖塊等；(3)大岔大坂島弧帶(張旗等，1998；韓松等，2000；孟繁聰等，2010；Xiaetal.，2012)，以具玻安巖地球化學特征的枕狀熔巖和侵入其中的輝長輝綠巖為主，形成于517～487Ma(表5)；(4)九個泉弧后盆地蛇綠巖帶(張旗等，1997；夏林圻等，1998；錢青等，2001a，b)，為大陸邊緣硅質巖、E-MORB和N-MORB型玄武巖、堆晶輝長巖和地幔橄欖巖組合，形成于490～479Ma(表5)。增生雜巖、島弧和弧后蛇綠巖共同構成了寒武紀-早奧陶世原特提斯洋向北俯沖形成的類似馬里亞納的完整“溝-弧-盆”體系(左國朝等，1996；馮益民，1997；Xiaoetal.，2009；張建新等，2015)。

北秦嶺-北祁連結合部清水-張家川一帶發育輝綠巖墻、玄武巖和硅質巖組合，被認為是二郎坪群西部延伸(Dongetal.，2011a)。這些基性巖明顯富集LREE、Th，虧損Nb、Ta、Zr、Hf和Ti元素，Th/Nb比值介于島弧和弧后擴張脊玄武巖之間，呈現島弧和弧后裂谷玄武巖地球化學特征(圖6、圖7和圖9)。本文新獲得的年齡數據和區域巖石地層格架分析結果顯示清水-張家川一帶基性巖主體可能形成于晚寒武世(圖4；表4)，基性巖與晚奧陶世酸性火山巖和侵入巖為不同期次巖漿作用產物，而是形成于寒武紀原特提斯洋洋內弧-盆體系早期演化過程。

原特提斯洋北緣東段的北秦嶺二郎坪群為一套硅質巖、安山巖、玄武巖、輝長輝綠巖和超基性巖組合，沿秦嶺群北側草涼驛、鸚鴿咀和灣潭連續出露，玄武巖和安山巖富集大離子親石元素Cs、K、Ba、Sr，虧損高場強元素Nb、Ta、Zr和Ti，呈現出與俯沖作用相關的島弧火山巖地球化學特征，并被認為形成于島弧或弧后盆地環境(Xueetal.，1996；Zhaietal.，1998；Ratschbacheretal.，2003；陸松年等，2003；閆全人等，2007；Dongetal.，2011a；Dong and Santosh，2016；Yanetal.，2017)。前人對二郎坪群形成時代進行了研究，陸松年等(2003)和閆全人等(2007)分別獲得灣潭枕狀熔巖和斜峪關玄武巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡467±7Ma和472±11Ma，與王學仁等(1995)報道的二郎坪群中硅質巖和泥巖中微體古生物時代(早寒武-中奧陶世)相一致(圖1b；表5)；Sunetal.(1996)和雷敏(2010)分別獲得侵入二郎坪群中的花崗巖U-Pb年齡為480±7Ma和486±7Ma，這些年齡限定了二郎坪群形成時代下限；另外，秦嶺群北側含金剛石片麻巖和榴輝巖中變質鋯石年齡為507±37Ma(楊經綏等，2002)、505±12Ma(劉良等，2003)和485.9±3.8Ma(Wangetal.，2011)，指示秦嶺群經歷了早古生代深俯沖超高壓變質作用。這些年齡數據表明，二郎坪古洋盆形成時代早于510Ma，洋殼俯沖時限約為510～490Ma，島弧或弧后巖漿作用可能持續至早奧陶世。

雖然前人認為二郎坪群基性巖具有弧后盆地火山巖地球化學特征，但是這些基性巖究竟是形成于商丹洋向北俯沖而形成的陸緣弧后盆地還是洋內弧后盆地仍存在爭議。商丹洋向北俯沖形成早古生代陸緣弧巖漿作用疊加于新元古代秦嶺群，早古生代巖漿作用以晚寒武世和晚奧陶世-志留紀為主(王濤等，2009；王宗起等，2009；閆全人等，2009；Dong and Santosh，2016)。目前報道的晚寒武世巖漿巖僅出露于富水巖體附近，而晚奧陶世-志留紀巖漿巖在秦嶺群中廣泛發育。若秦嶺群北側發育因商丹洋向北俯沖形成的陸緣弧后盆地，其時代應以晚奧陶世-志留紀為主，這與二郎坪群主體形成時代(寒武紀-早奧陶世)相矛盾。結合二郎坪群巖石組合類型、地球化學特征以及形成時代，它們更可能代表寒武紀-早奧陶世古洋盆、洋內島弧和弧后盆地殘片(Xueetal.，1996；Ratschbacheretal.，2003；Hackeretal.，2004；Dongetal.，2011a；Wangetal.，2011，2013；Baderetal.，2013；Yanetal.，2017)。根據秦嶺群北側發育陸殼深俯沖形成的高壓-超高壓變質巖，Hackeretal.(2004)、Wangetal.(2011)和Baderetal.(2013)認為二郎坪洋內弧-盆體系與原特提斯洋向北俯沖有關，高壓-超高壓變質巖形成于隨后的弧陸碰撞過程。

綜上所述，北秦嶺二郎坪、秦祁結合部清水-張家川和北祁連構造帶均發育寒武紀-早奧陶世洋內弧和弧后盆地相關巖漿巖，這些巖石構造單元共同構成了原特提斯洋北緣類似馬里亞納的弧-盆體系，表明中央造山系北部北秦嶺-北祁連構造帶早古生代具有相似的構造演化。

7 結論

(1)秦祁結合部清水-張家川塊狀和枕狀玄武巖、輝綠巖墻具有島弧和弧后裂谷熔巖地球化學特征，形成于洋內弧弧后盆地初始裂解階段，巖漿來自受到洋殼沉積物混染的虧損地幔源區。

(2)最新LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結果顯示輝綠巖墻形成于500±3Ma，結合區域巖石地層格架資料，綜合分析表明清水-張家川一帶基性巖主體形成于寒武紀。

(3)北祁連、北秦嶺以及秦祁結合部早古生代洋內弧-盆體系是原特提斯洋演化的產物。

致謝審稿專家和本刊編輯對本文提出了建設性修改意見，在此表示感謝！

肖序常院士長期從事大地構造學方面的研究，建立了祁連造山帶蛇綠巖剖面，為國家找礦和青藏高原構造演化研究作出了重要貢獻，作者有幸受其“蛇綠巖學”的指引。謹以此文恭祝肖先生九十華誕！