北秦岭元古宙地层层序划分的地球化学证据

中、新元古代构造反演的依据~

以板块构造体制进行华北克拉通南缘—北秦岭地区元古宙构造性质、构造更迭历史的反演，秦岭群和宽坪群等北秦岭变质地层的层序结构和北秦岭构造带的大地构造归属等，是关键性问题。归纳上文在前人资料和自己已工作基础上获得的认识，提出以下几点倾向性的看法。
1.北秦岭地层的层序结构
地层时代归属和层序划分最重要的依据，应当说是地层之间整合接触关系以及同位素年代及古生物资料。北秦岭地层均为断层接触，地层中也缺乏可以作为其时代证据的古生物资料。因此北秦岭地层的划分及时代确定唯有用同位素年代学方法。
对北秦岭地层150多个同位素年代数据综合分析的结果表明：秦岭群是北秦岭地区出露的最老地层，其形成时间大约为20亿年，即古—中元古代，有古老年代的地层为其提供物源，地层形成之后大约在13-7亿年间发生过三次变质变形事件；宽坪群地层的形成年龄大约为9-11亿年，有19-30亿年之间形成的老地层为其提供物源，在7-9亿年间经历两次变质和变形作用改造；二郎坪群地层有可能开始形成于7-9亿年，有9-11亿年的地层为其提供物源，在7亿年左右二郎坪经受第一期变质变形作用。秦岭群和宽坪群地层的同位素年代资料较丰富，数据的统计学规律较明显。二郎坪群同位素年代数据较少，其统计规律不甚明显，将其划归新元古代似乎并无充分理由。张宗清等最近在南召青石峡和西峡长探河两地区二郎坪群细碧岩中分别获得了708±63（2σ）Ma和822±80（2σ）Ma的Sm-Nd等时线年龄，并将二郎坪群的形成时代置于新元古代—早古生代。结合区域地层的相互关系分析，笔者同意这种观点。
2.北秦岭的大地构造归属
秦岭群、宽坪群的大地构造归属决定了北秦岭构造带的大地构造归属。张本仁等的研究发现：秦岭群和宽坪群沉积岩具有二元混合物源，太华群和秦岭群提供了宽坪群的沉积物源；在REE特征上秦岭群表现出与陡岭群有较大的差异而与铁铜沟组、嵩山群极大的相似性，反映秦岭群与华北克拉通南缘同时代地层沉积环境的相似。进一步的研究表明，Cr/Co-Ti/Cr图解也证明秦岭群与宽坪群沉积岩具有二元混合物源，华北克拉通的太华群和登封群可以作为秦岭群的物源之一，太华群和秦岭为宽坪群提供了物源。尽管Cr/Co-Ti/Cr图解表明宽坪群可能的物源区，除了太华群和登封群外还有崆岭群，但据以下理由可以认为崆岭群不能成为宽坪群的物源区：太华群与秦岭群已可以对宽坪群的物源提供解释，因而未必需要崆岭群参与提供物源；其二，崆岭群不能给秦岭群提供物源，很难想像它仅给宽坪群提供物源；另外，宽坪群变沉积岩的成熟度较低，其沉积物源区的距离不应太远。至此，笔者认为以碎屑岩及其源区特征反映的秦岭群和宽坪群以及其代表的北秦岭构造带与华北克拉同南缘在元古宙时期的隶属关系似乎不应再存在疑义。
3.商丹断裂是分隔华北与扬子两个元古宙大陆块的界线
商丹断裂作为北秦岭构造带南缘的深大断裂，与另一条较大规模的断裂—黑沟—栾川断裂作为分隔元古宙扬子、华北两古大陆界限问题一直存有争议。秦巴地区区域地球化学研究研究的成果表明：以商丹断裂为界，北侧太华、秦岭、宽坪等地层与其南侧同时代地层陡岭、武当、崆岭群等地层中，变碎屑岩中的Cu、Pb、Zn元素的含量及其比值存在系统的差别；以商丹断裂为界，南、北两侧基性火山岩及其幔源区特征在MgO、TiO2、Cu元素含量及MgO/TiO2比值等方面存在显著差别。进一步研究发现，商丹断裂北侧的北秦岭构造带与华北克拉南缘在元古宙期间有相似的构造型式及构造型式更迭的历史，是商丹断裂作为分隔元古宙华北—扬子两古大陆的宏观地质证据。以内源或生物源沉积物（硅质岩、碳酸盐岩等）的稀土组成反映的沉积水体化学组成，存在着从元古宙到显生宙以商－丹断裂为界南、北分区的格局：北侧华北克拉通和北秦岭以长期稳定的低La/Y比为特征，且与太华群低La/Y比值对应；南侧扬子克拉通和南秦岭前泥盆纪碳酸盐岩中La/Y比相对较高，与崆岭群中具相对较高的La/Y比对应。商丹断裂作为华北与扬子两大陆块之间的重要界限，在深部地球物理资料上也有所反映。航磁ΔT上延20km—化极偏移平面等值线图上，商－丹断裂表现为磁异常的密集带、异常轴向突变带和同形扭曲带，以商—丹断裂为界南、北出现不同的区域性磁异常特征，北秦岭的磁异常特征与华北克拉通南缘特征相似。
总之，地质、地球物理和地球化学资料一致反映商－丹断裂是长期分隔华北与扬子两大陆块的界面。
4.晋宁期构造性质
就位于商－丹断裂北侧秦岭群中的树树沟蛇绿岩，具有983±14Ma同位素龄，同位素组成特点、岩石化学及动力学特征表明其地幔源区质华北、扬子所具有的大陆壳石圈上地幔不同，它极大可能代表消失的古洋壳下的上地幔岩石组合残片。松树沟蛇绿岩套的存在，表明商－丹断裂带为俯冲或碰撞带性质。侵入在秦岭群内的德河、蔡凹花岗岩体分别具有793±32Ma（游振东1989）和695±50MaRb-Sr等时代年龄。德河、蔡凹花岗岩体均以岩株状产出，具有类似于碰撞造山带中的同碰撞和晚碰撞花岗岩的地质－地球化学特征，反映区域上存在类似于碰撞运动的构造性质。区域上存在新元古—早古生代丹凤群岛弧火山岩和450-380Ma期间侵位于秦岭群中的许庄、枣园等岛弧型花岗岩，一方面说明商－丹断裂带在新元古代—早古生代期间均为俯冲性质，俯冲方向应为自南向北，松树沟蛇绿岩侵位机制为类似于Dewey和Bird（1971）的C型上冲机制；另一方面，与北秦岭地层p-T-t轨迹对造山带隆起时间的约束一致表明沿商－丹断裂带向华北克拉通南部之下的俯冲造山作用应限于早古生代时期。
晋宁期构造对本区的深刻影响，主要表现在南、北大陆块之间的古洋壳自南向北的俯冲，并依次造成宽坪边缘海盆的关闭、秦岭群向北挤压产生类似碰撞运动即陆－弧碰撞运动等。

依据南、北秦岭造山带变玄武岩组成特征（表5-2）可以看出，在相对富Li、Rb、Be、Sc、Cu、Nb和贫∑FeO、MgO、Mo及相对高Ba/Sr、Ba/La、Nb/La、Nb/Ta比值和低Zr/Hf比值方面，这两个构造单元的地幔源区完全与扬子北缘一致，而同华北南缘明显不同。南、北秦岭与扬子北缘在地幔源区特征稍稍差异之处表现为，两个造山带构造单元地幔更富于Rb、Nb、Ta和贫于Sr，以及显示更高的Rb/Sr、Ba/Sr和Nb/La比值。然而，北秦岭地幔源区却具有自己的独特之处，即它具有全区中最高的CaO和Sc含量及最高的Sc/Th、Ba/La、Th/La和Yb/Hf比值，表明北秦岭块体成因具有一定的特殊性。
表5-3 秦岭-大别山不同岩类铅同位素组成特征


注：a据张理刚等（1995）；b其中7个样品资料据郑祥身等（2000）；其余均为本课题资料。秦岭数据引自张本仁等（2002）。北大别核杂岩包括花岗质片麻岩和表壳斜长角闪岩；南大别超高压变质杂岩包括UHP榴辉岩和UHP片麻岩；北秦岭包括秦岭群、宽坪群、丹凤群和二郎坪群岩石及新元古代和早古生代花岗岩类（长石）铅同位素数据。

北秦岭地区，以铁炉子—确山断裂和商丹断裂围限的呈近东西向分布的带状区域内，出露有秦岭群、宽坪群、二郎坪群和丹凤群等地层。由于缺少化石，并且地层普遍遭受多期强度不等的变质、变形作用的改造以及岩浆侵入作用的影响，地层的原岩的面貌和产状发生了很大的变化，可谓是“面目皆非”。经对前人的研究成果的分析和研究，北秦岭地层的以下层序划分关系似能为多数人所接受：

早古生代

二郎坪群、丹凤群

新元古代

宽坪群

中元古代

秦岭群

古元古代

1.稀土元素及其组成模式证据

W.B.Nance和S.R.Taylor等系统研究了澳大利亚太古宙、元古宙到三叠纪的沉积岩，发现太古宙岩石的稀土组成具有这样的特点：稀土丰度比后太古宙沉积岩类岩石低、轻稀土富集程度不如后太古宙沉积岩高，更为重要的区别是太古宙沉积岩没有Eu的亏损。太古宙以后的沉积岩稀土组成模式相互平行，δEu值和∑LREE/∑HREE比值均比较恒定，而且Eu均显负异常（Eu/Eu＊约为0.67±0.05）（图1-2）。

秦岭群、宽坪群、二郎坪群等地层的沉积碎屑岩在（La/Yb）N、∑LREE/∑HREE和Eu/Eu＊等比值方面，基本同澳州后太古宙沉积碎屑岩相似，完全不同于澳州太古宙及本区新太古代太华群变碎屑岩的稀土组成特征（表1-1，图1-2、3），表明秦岭群等地层均为后太古宙地层单位。

图1-2　太古宙（▲）和后太古宙（●）沉积岩稀土元素球粒陨石标准化模式对比

（泰勒，1979）

2.同位素年代学证据

从50年代起，同位素测年方法就被应用于北秦岭变质地层的研究。至今，陕西省区测队、河南省区测队、西北大学、中科院地质所、地科院地质所等科研和教学单位，在北秦岭地层研究中测定了许多同位素年代学样品，取得了大量的北秦岭地层的同位素年代数据。这些数据为北秦岭地层及其层序划分和对比提供了有力的证据。

表1-1

PAAS—澳州后太古宙页岩平均值（Wance和Taylor,1982）；AAS—澳州太古宙平均值（Taylo ret.al.,1980）。

图1-3　太华群、秦岭群等地层变碎屑岩稀土元素组成模式

经对北秦岭变质地层150多个同位素年龄数据的统计分析，其结果（图1-4）反映以下几个特征：①秦岭群的同位素年龄主要集中在2-5、7-13、19-23、29-30亿年等四个年龄段，其中2-5亿年和7-13亿年两年龄段主要集中的是U-Pb不一致线下交点年龄值、Rb-Sr年龄值和K-Ar同位素年龄值等，而Sm-Nd模式年龄和碎屑锆石的年龄主要集中在20-23亿年、29-30亿年年龄段；②宽坪群年龄值主要集中在2-5亿年、7-11亿年和19-23亿年等三个年龄区间，仅有一个33亿年的例外，在2-5亿年年龄段集中的主要是Rb-Sr、U-Pb和U-Th不一致线下交点年龄值，9-11亿年年龄段主要集中的是Sm-Nd等时线年龄值，U-Pb和U-Th不一致等时线年龄和碎屑锆石的年龄主要集中在16-22亿年年龄段；③二郎坪群同位素年龄主要集中在3-7亿年和9-11亿年两年龄段，其中大量的K-Ar同位素年龄和Rb-Sr等时线年龄值主要集中在3-6亿年龄值间，7亿年左右集中了Rb-Sr和Sm-Nd同位素年龄值，9-11亿年年龄段主要集中的是U-Pb年龄值。与K-Ar、Rb-Sr和U-Pb同位素测年方法相比，Sm-Nd方法受交代或变质作用的影响小。而且由于子体与母体的性质相似，¹⁴³Nd形成后自然地会继承晶格中母体的位置而不易逃逸，Sm-Nd系统在沉积成岩及成岩后的变质作用过程中均能保持封闭，因而Sm-Nd年龄一般可作为变质岩的原岩年龄。因此北秦岭地层的同位素年代数据及其统计学特征表明秦岭群、宽坪群和二郎坪群等地层应具有如下时代、层序关系及变质年代：

图1-4　北秦岭地层、岩石同位素年龄时间分布频图

A—秦岭群；B—宽坪群；C—二郎坪群；N—样品数

●K－Ar；×U-Th、U-Pb、Pb-Pb；▲Rb-Sr；○Sm-Nd；□锆石

（1）秦岭群是北秦岭地区的最老地层，其形成年龄大约为19-23亿年，即早—中元古代，其物源区岩系的年龄大约为29亿年左右。

（2）宽坪群形成年龄大约为9-11亿年，其物质来源区岩系的年龄段为19-23亿年，有部分更老时代的地层也可能为其提供物源。

（3）二郎坪群形成时代大约为4.5-7亿年左右，其物源区主要为年龄为9-12亿年的老岩系。

（4）4亿年左右是北秦岭地层普遍受到影响的一次变质事件。

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