川西金口河新元古代輝綠巖的時代、成因及構造意義

關鍵詞 新元古代；輝綠巖；地球化學；地幔源區；構造環境

第一作者簡介 劉龍宇，男，2000年出生，碩士研究生，巖石學、礦物學、礦床學，E-mail： lw2513@163.com

通信作者 崔曉莊，男，研究員，沉積大地構造與前寒武紀地質學，E-mail： cgscuixz@vip.126.com

中圖分類號 P597 文獻標志碼 A

0引言

揚子克拉通是東亞地區最大的前寒武紀克拉通之一，其新元古代及顯生宙巖石覆蓋嚴重，僅零散出露少量太古代結晶基底[1]。近年來，越來越多的研究工作揭示目前已確認的太古代基底巖系記錄了不同的地殼演化過程，可能代表當時分別獨立的微陸塊[2?3]。然而，它們普遍經歷了2.00～1.95 Ga碰撞相關的變質和巖漿作用[3?7]，伴隨大量～1.85 Ga A型花崗巖和基性巖脈的侵位[6]，被認為與全球Columbia超大陸的聚合有關。據此，有學者認為揚子克拉通自古元古代晚期以來一直是一個統一的塊體[2，8]。然而，最近在揚子克拉通內部識別出數套中元古代晚期的蛇綠巖，如廟灣[9]、石棉[10]和菜子園[11]蛇綠巖，指示其當時很可能存在幾個獨立的塊體[12]。

川西金口河新元古代輝綠巖發育于石棉蛇綠巖以東約120 km 處，恰好位于一些學者推測的石棉—廟灣一線的隱蔽縫合帶上（圖1）[13?14]。迄今為止，前人僅對金口河輝綠巖開展過少量同位素年代學研究工作[15]，其巖石成因及構造意義一直未得到有效約束。鑒于此，本文對金口河輝綠巖進行了系統的巖石學、鋯石U-Pb年代學和全巖地球化學研究，旨在進一步限定其侵位時代，揭示其巖石成因和構造環境，并討論其大地構造意義。研究成果有助于更好地理解Rodinia超大陸聚散背景下揚子克拉通的地質演化歷史。

1 地質背景與樣品描述

揚子克拉通北與華北克拉通以秦嶺—大別—蘇魯造山帶為界，西南與印支地塊以哀牢山—紅河斷裂帶為界，西北與松潘—甘孜地體以龍門山斷裂為界，東南以江南造山帶與華夏地塊為界[1]。由于被新元古代和顯生宙沉積蓋層覆蓋嚴重，揚子克拉通前新元古代地質記錄僅零星出露（圖1a）[13，16?18]。古元古代晚期至中元古代地層在揚子克拉通西南緣出露較為齊全，包括經歷了綠片巖相至低角閃巖相變質作用的大紅山群、河口群和東川群以及僅經歷了低綠片巖相變質作用的昆陽群、會理群和峨邊群[1，19]。區域上，這些地層普遍被中—新元古代花崗巖、輝綠巖、輝長巖以及少量閃長巖所侵入，彼此之間呈斷層接觸或完全分離（圖1b）[1，18?19]。

峨邊群主要分布于川西金口河地區，為一套以碎屑沉積巖為主，夾少量碳酸鹽巖及酸性—基性的火山巖、火山碎屑巖的地層，其上為蘇雄組、開建橋組、列古六組或震旦系不整合覆蓋（圖1c）[15，20-22]。傳統上，峨邊群被認為與川西會理—會東地區會理群和滇中地區昆陽群相當，均為中元古代晚期地層[1，18]。熊國慶等[23]報道的峨邊群上部凝灰巖鋯石U-Pb年齡為779±16 Ma，但其與侵入至其中的輝綠巖年齡813±8 Ma[15]和花崗巖年齡860±4 Ma[21]明顯沖突。峨邊群底部變玄武巖的鋯石U-Pb年齡為1 019±5 Ma[22]，但最近獲得的變質細粒巖屑砂巖最年輕一組碎屑鋯石的年齡峰值為～910 Ma[20]。因此，盡管峨邊群的沉積時代目前仍無定論，但可大致限定在1 020～860 Ma。

在金口河地區，大量輝綠巖脈侵入峨邊群中部枷擔橋組的灰白色硅化白云巖（圖2a，b），臨近輝綠巖脈的硅化白云巖明顯破碎，且沿巖脈侵入方向發生明顯拖曳變形，可見較為明顯的冷凝邊。這些輝綠巖脈大多呈NE—SW或E—W向展布，寬0.5～2.5 m不等，一般長30～50 m，表面已明顯風化，多呈灰黃色，新鮮面呈灰黑色（圖2a，b）。這些輝綠巖脈顯示塊狀構造、輝綠結構，主要組成礦物為斜長石（55%）和輝石（35%），少量石英（3%）、磁鐵礦和鈦鐵礦（3%）。斜長石自形程度較高，呈規則的長條狀或板狀，部分鏡下可見其定向排列，其格架中充填細粒輝石，輝石呈半自形—他形粒狀，部分晶體粗大，包含細小的自形斜長石（圖2c，d）。石英呈微細粒狀，磁鐵礦和鈦鐵礦多呈細粒狀，少數為條狀，不均勻分布。

2 分析方法

輝綠巖樣品的鋯石分選工作在廊坊巖拓地質服務有限公司完成。鋯石制靶及陰極發光（CL）照相在北京離子探針中心完成。樣品鋯石U-Pb同位素定年在北京離子探針中心利用SHRIMPⅡ分析完成。巖石樣品經破碎、淘洗、重液分離和電磁分離幾道工序后，在雙目鏡下挑選晶型完好、具有代表性的鋯石顆粒和標準鋯石TEMORA一起粘在樹脂臺上，打磨拋光，制成樣靶。離子探針測試之前，在電子探針上進行陰極發光（CL）照相，以確定鋯石的內部結構和成因。然后將樣品靶清洗、鍍金后，在SHRIMP Ⅱ離子探針上根據實驗室規范程序進行測定。一次離子為4 nA，測試孔徑約為32 μm。數據是以5次掃描為一組，通過Zr、Pb、U和Th同位素種類的測定，每測定3或4個分析點之后測定1塊標準鋯石。標樣為M257（U含量為840×10-6）[24]和TEM（年齡為417 Ma）[25]，分別用于U含量和年齡校正。標準鋯石TEM與未知樣品比例為1∶2～1∶3，以檢驗儀器狀態的穩定性，實現對未知樣品測定數據的同位素分餾校正。樣品鋯石采用206Pb/238U年齡，每個分析點數據均為5次掃描的加權平均值，年齡誤差為1σ絕對誤差，同位素比值為1σ相對誤差，詳細分析流程見文獻[26?27]。樣品的全巖主、微量元素分析在武漢上譜分析科技有限責任公司進行。其中，主量元素含量分析利用X射線熒光光譜儀（XRF）完成，測試相對標準偏差（RSD）小于2%；微量元素含量分析利用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）完成。

3 分析結果

3.1 鋯石U?Pb年代學

金口河輝綠巖樣品中鋯石主要呈自形—半自形的棱柱或短柱狀，少部分鋯石呈板片狀。鋯石長軸為80～150 μm不等，長寬比為1∶1～2∶1。大部分鋯石具有寬緩的震蕩環帶，少部分具有較為均勻的內部結構，表明為基性巖漿成因（圖3）。

對輝綠巖樣品JKHD2的12顆鋯石進行了12個點位的U-Pb定年分析（表1）。其中#1表現出明顯年輕的不諧和年齡，可能為后期熱事件所致；#10具有明顯較老的年齡，可能為捕獲鋯石。剩余10個分析點的Th含量介于31～348μg/g，U含量介于66～480 μg/g，Th/U比值介于0.46～1.22，206U/238Pb年齡介于838～798Ma，加權平均年齡為823.5±9.6 Ma（MSWD=1.3，n=10），與其諧和年齡825.1±8.5 Ma（MSWD=1.1，n=10）完全一致，解釋為輝綠巖樣品JKHD2的結晶年齡。

3.2全巖地球化學

對8件金口河輝綠巖樣品進行全巖主、微量地球化學測試，分析結果列于表2。由于輝綠巖樣品較高的燒矢量（LOI=2.97%～7.44%），因此表2中已將其主量元素含量在去除燒矢量后回算為100%。金口河輝綠巖樣品具有相對較低的SiO2 含量（47.48%～51.67%）以及相對較高的TiO₂ 含量（2.14%～3.38%）和Fe2O3t含量（12.74%～17.77%）。此外，其Al₂O₃含量介于14.28%～15.64%，MgO 含量介于5.71%～9.59%。在Zr/TiO2-Nb/Y巖性判別圖解中，幾乎所有樣品落入亞堿性玄武巖區域（圖4a）[28]；在FeOt/MgO-SiO2圖解中，所有樣品均落入拉斑玄武巖區域（圖4b）[28]。

金口河輝綠巖樣品的稀土元素總量介于111.75～183.45 μg/g。在球粒隕石標準化稀土元素配分圖中（圖5a）[29]，所有樣品的稀土元素配分曲線均顯示出右傾的特征，（La/Yb）_N 比值介于2.40～3.67，（Gd/Yb）N 比值介于1.38～1.65。所有樣品均顯示出一定程度的Eu負異常（Eu/Eu^*=0.76～0.85），表明其在巖漿演化過程中經歷了一定程度的斜長石分離結晶作用。在原始地幔標準化蛛網圖中（圖5b）[29]，這些樣品表現出一定程度的Nb-Ta虧損。

4 討論

4.1形成時代

選擇1件金口河輝綠巖樣品進行了SHRIMP鋯石U-Pb年代學分析。CL圖像顯示，樣品的鋯石顆粒形態較為均一，內部多發育寬緩的振蕩環帶，少量可見均勻的內部結構，表明其為基性巖漿成因。其Th/U比值介于0.46～1.22，均高于0.1，也指示其為巖漿成因。測得的鋯石U-Pb年齡的諧和度高，且較為一致，諧和年齡為825.1±8.5 Ma（MSWD=1.1，n=10），加權平均年齡為823.5±9.6 Ma（MSWD=1.3，n=10）（圖3），與前人報道的SHRIMP 鋯石U-Pb 年齡813.4±8.2 Ma在誤差范圍內基本一致[15]。因此，金口河輝綠巖的侵位時代可以限定為～820 Ma。

4.2巖石成因

4.2.1蝕變作用的影響

輝綠巖樣品具有較高的燒失量（2.97%～7.44%），表明可能受到了一定程度的后期蝕變作用影響。因此，在使用地球化學數據討論其巖石成因之前，有必要討論蝕變作用的影響。鋯（Zr）作為最不易遷移的元素之一，其與特定微量元素的雙變量圖被廣泛應用于評估這些元素在后期巖漿過程中的活性[30]。本文分析結果表明，高場強元素（HFSEs；如Nb、Ta、Th和Hf）、稀土元素（REEs；如Nd、Yb）、相容元素（如Cr和Ni）、大部分的大離子親石元素（LILEs；如Mg、Ca、Pb 和Ba）以及Y 都與樣品中的Zr 具有良好的相關性。因此，這些元素在后期巖漿過程中相對不易遷移，可以用于后續的巖石成因的解釋和討論。

4.2.2地殼混染與分離結晶

地幔來源的巖漿在演化過程中可能受到地殼物質的混染作用[31]，由于地殼中Nb-Ta-Ti等元素的劇烈虧損，一定程度的地殼混染作用往往會導致巖石具有島弧巖漿巖的地球化學特征[32?33]。金口河輝綠巖表現出輕微的Nb-Ta虧損，表明其可能受到了一定程度的地殼混染作用。但是，這些樣品的La/Nb比值（1.35～1.53）和Th/Nb比值（0.14～0.18）較低，顯著低于大陸地殼的比值（La/Nb=2.20，Th/Nb=0.440），并接近原始地幔的比值（La/Nb=0.94，Th/Nb=0.117）[34]。此外，少量的地殼混染通常會產生正的Zr-Hf異常[32]，但在金口河輝綠巖樣品中未觀察到這些特征（圖5）。因此，金口河輝綠巖在巖漿上升侵位過程中受到的地殼混染作用可以忽略不計。

玄武質巖石的初始巖漿通常具有較高Cr（gt;1 000 μg/g）、Ni（gt;400 μg/g）含量和Mg#值（Mg#是巖石中鎂鐵之間的比例，即Mg²⁺和Fe（t）²⁺的比值，大于73）[35?36]。金口河輝綠巖樣品則具有相對較低的Cr（lt;600 μg/g）、Ni（gt;200 μg/g）以及較低的Mg#值（平均值為53），表明其在巖漿演化過程中經歷了一定程度的鐵鎂質礦物（如單斜輝石和橄欖石）的分離結晶作用。如Harker圖解所示，MgO與Cr和Ni均表現較強的正相關性（圖6a，b），指示橄欖石和單斜輝石分離結晶；MgO與CaO和CaO/Al₂O₃ 表現負相關性（圖6c，d），同樣指示單斜輝石分離結晶；Fe₂O₃和TiO₂與MgO呈負相關（圖6e，f），表明Fe-Ti氧化物的分離結晶。此外，金口河輝綠巖樣品還表現出明顯的Eu負異常（Eu/Eu^*=0.76～0.85），表明在巖漿上涌和演化過程中發生了斜長石分離結晶。

4.2.3幔源巖漿屬性

研究表明，鐵鎂質巖漿一般來源于地幔橄欖巖的部分熔融。金口河輝綠巖具有虧損高場強元素（如Nb，Ta，Ti），并富集輕稀土元素（如La，Ce，Pr，Nd）和大離子親石元素（如Ba，Rb，Sr，Pb）的地球化學特征，在排除顯著地殼混染情況下，表明其巖漿源區可能被俯沖板片的熔體或流體交代富集。在Th/Yb-Nb/Yb圖解中，顯示出金口河輝綠巖的地幔源中加入了2%～3%的俯沖帶成分（圖7a）[37]。同樣，較低的Nb/La比值（0.65～0.74）表明它們可能來源于一個混合的地幔源區，包含軟流圈和巖石圈成分（圖7b）[38]。由板片熔體改造的地幔源區很可能表現出比由流體改造的地幔更低的Th/Zr比值[39]。輝綠巖樣品均表現出較低的Th/Zr比值和較高的Nb/Zr比值（圖7c）[40]，表明Nb的富集與俯沖作用產生的熔體有關，而非流體。因此，金口河輝綠巖的巖漿源區受到了俯沖熔體交代富集作用。

稀土元素Sm和Yb被普遍用于限定幔源巖漿起源[41]。根據不同類型地幔源區的部分熔融模型，這些輝綠巖分布于尖晶石—石榴石二輝橄欖巖和尖晶石二輝橄欖巖熔融曲線之間，5%～10%水平（圖7d）[42]。這表明軟流圈地幔上升到相對較淺的深度，即小于85 km，導致減壓熔融，其中地幔中的石榴石向尖晶石的過渡可能發生[43]。因此，金口河輝綠巖可能起源于淺層尖晶石—石榴石二輝橄欖巖的部分熔融，其原始巖漿遭受了俯沖熔體的交代。

4.3構造環境

區域上，廣泛發育同時期的花崗巖，與金口河輝綠巖構成了雙峰式巖漿組合，屬于伸展環境中的典型產物。伸展環境可能由弧后伸展[44?45]、造山后伸展[46?47]或大陸裂谷[48?49]引起。在弧后環境中，玄武巖通常顯示出從N-MORB到島弧或鈣堿性玄武巖的地球化學特征過渡[50]，可能是由于在地幔楔中的俯沖板塊相關流體交代作用導致的[51]；而在造山后伸展環境中的玄武巖通常屬于鈣堿性和拉斑玄武巖系列，并由于來自先前交代作用的巖石圈地幔的部分熔融而表現出明顯的Nb-Ta負異常[47，52]。相比而言，在大陸裂谷中，玄武巖由于未受到俯沖物質或交代作用的影響，通常沒有明顯的Nb-Ta-Ti虧損。如上所述，金口河輝綠巖樣品具有拉斑玄武巖的地球化學特征，并表現出較為明顯的Nb-Ta虧損（圖5b），這些特征均與造山后伸展環境的玄武巖類似。

金口河輝綠巖形成于造山后伸展環境還得到了以下證據的支持：（1）相較于在地質過程中較為活躍的大離子親石元素，高場強元素（如Nb、Ta、Zr、Hf等）在巖漿巖的生成和演化中相對穩定，因此常用于推斷巖漿巖的成因環境[53?55]。在Hf/3-Th-Ta圖解中（圖8a）[56]，樣品大部分落在島弧鈣堿性玄武巖區；在Nb*2-Zr-Y圖解中（圖8b）[53]，所有樣品落入板內拉斑和火山弧玄武巖區域；而在Zr-TiO₂ 和Zr-Zr/Y 圖解中，所有樣品都位于板內區域（圖8c，d）[37，57?58]。這些特征表明，金口河輝綠巖同時具有島弧巖漿巖和板內玄武巖的地球化學特征。（2）金口河地區侵入枷擔橋組中的～860 Ma花崗巖，具有高鉀鈣堿性、富鋁S型花崗巖的地球化學特征，可能形成于與碰撞相關的構造環境[22]。（3）最新的碎屑鋯石研究表明，新元古代早期的峨邊群枷擔橋組在沉積時期接受了同沉積巖漿活動的輸入，同時有相當比例來自相鄰板塊較老物源的加入，可能沉積于碰撞相關的構造背景[20]。

4.4大地構造意義

最近，在揚子克拉通內部識別出兩套近東西向展布的中元古代晚期蛇綠混雜巖，～1.12 Ga廟灣蛇綠巖[9，59]和～1.07 Ga石棉蛇綠巖[10]。根據二者具有相似的巖石組合、形成時代和地球化學特征，有學者推測當時可能存在一個橫貫目前揚子克拉通內部的大洋盆地，將其分割為南、北兩個部分（圖1）[10，13?14]。其他地質事實也支持這一認識：（1）前新元古代巖石分布不均，目前已確認的太古代巖石多出露于揚子北部，而南部以出露大量古—中元古代巖石為特征[1，13?14]；（2）揚子北緣與東南緣細粒沉積巖的Nd 同位素組成，表明中元古代時期二者具有截然不同的物源，指示當時揚子內部可能為一個陸內裂陷或洋盆[60]；（3）重力異常和航磁異常顯示四川盆地沿重慶—華鎣一線可分為兩個微地塊[61]，可能代表揚子內部隱蔽縫合帶的中間部位。此外，在川西會理地區還識別出一套近東西向展布的中元古代菜子園蛇綠巖[11]，其兩側在中元古代晚期經歷了截然不同的構造演化過程[62-63]，指示揚子克拉通中元古代時期很可能分為多個微陸塊。

金口河～820 Ma輝綠巖脈發育位置獨特，分布于石棉蛇綠混雜巖以東約120 km處，恰好位于推測的揚子克拉通內部的隱蔽縫合帶上[13?14]（圖1）?！?.07 Ga石棉蛇綠巖顯示SSZ型蛇綠巖的地球化學特征，被認為形成于洋殼沿揚子北緣向南俯沖導致的石棉—廟灣弧后盆地環境[10]。如前所述，該地區910～860 Ma枷但橋組碎屑物源顯示碰撞相關構造背景的特征[20]，而侵入其中的S型花崗巖則可能形成于碰撞相關構造環境[22]?？梢詫Ρ鹊氖?，廟灣地區小溪口沉積巖形成時代為900～850 Ma，顯示弧前盆地的物源特征，而侵入其中的～850 Ma淡色巖脈具有碰撞后花崗巖體的同位素組成[13]?？梢钥闯觯绻蕖獜R灣洋盆存在，其閉合時代可以大致限定為910～850 Ma?？紤]到金口河輝綠巖兼具島弧巖漿巖和板內玄武巖的地球化學特征（圖8），推測其形成很可能與石棉—廟灣洋盆的閉合有關。因此，金口河輝綠巖脈可能是與揚子克拉通新元古代早期拼合形成有關的后碰撞巖漿作用的產物，響應于全球Rodinia超大陸的聚合。

5結論

（1） 川西金口河地區輝綠巖樣品的SHRIMP鋯石U-Pb定年結果為823.5±9.6 Ma，限定其侵位時代為～820 Ma。

（2） 金口河輝綠巖具有拉斑玄武巖的地球化學特征，并顯示出一定程度的Nb-Ta虧損和Eu負異常，可能起源于淺層尖晶石—石榴石二輝橄欖巖的部分熔融，其原始巖漿遭受了俯沖熔體的交代。

（3） 金口河輝綠巖同時具有島弧巖漿巖和板內玄武巖的地球化學特征，為俯沖流體交代富集的巖石圈地幔在伸展環境下部分熔融的產物，其形成很可能與中元古代石棉—廟灣洋盆的閉合有關。

致謝 兩位審稿專家和專輯主編提出了很多建設性修改意見，謹致謝忱！