第3章 区域壳幔化学组成、化学演化及地质块体的构造地球化学分区

第三章区域壳幔化学组成、化学演化及地质块体的构造地球化学分区地球化学进展课程2000年8月一、区域壳、幔化学组成研究及其意义意义：区域壳、幔化学组成为区域壳幔系统的重要状态参数之一，对区域中发生的地球化学作用特征及构造分区具有重要约束作用。在区域中地壳是由地幔提供物质组成的，区域地壳的地球化学特征归根结底是继承区域地幔的，故区域地幔的地球化学特征对区域中所发生的作用过程更具有约束力。（一）地壳化学组成研究难点为：地壳深部组成研究，现今最佳的研究途径是岩石物性（主要地震波速）约束、出露的下地壳麻粒岩和麻粒岩包体研究以及花岗岩类源区地球化学示踪等综合研究途径。1、秦岭地区地壳结构-岩石-化学组成研究A.研究方法与步骤：（1）以目前公认的华北陆块南缘、北秦岭、南秦岭和扬子陆块北缘四个构造块体为四个地壳组成计算单元；（2）主要以横跨秦岭的QB-1折射地震测深获得的Vp观察值为基础,构筑各单元的地壳地震波速结构（图1）；（3）在各单元中采集各类基底岩石及花岗岩类样品，进行岩石（传导）地震波速的高温高压实验测定；（4）首先在各单元内，按岩层变质相——麻粒岩相（含高角闪岩相）、角闪岩相及绿片岩相和未变质岩层，设定下、中、上地壳的可能的岩石组成；—波速度值(km/s)。NC—华北克拉通；NQ—北秦岭；SQ—南秦岭。图1横穿秦岭的伊川—郧县断面综合地质—地球物理解释剖面(据张国伟等，1991)1.低速带；2.低电阻率(＜100Ωm)带;3.电阻率等值线(Ωm)；4.P—波速度值(km/s)。NC—华北克拉通；NQ—北秦岭；SQ—南秦岭（5）通过岩层地震波速实验测定的计算值与地震测深波速的观察值相互拟合、麻粒岩包体研究、花岗岩类源区地球化学示踪等检验、修改和建立各单元的地壳结构-岩石组成模型；（6）按照每个单元的地壳结构-岩石组成模型，以单元内各类岩石的元素和组分测定数据为基础，加权计算出上、中、下地壳的化学成分和元素丰度。现以华北陆块南缘为例，说明研究的具体情况：B.华北陆块南缘地壳化学成分和元素丰度•出露于河南登封—鲁山一带的高角闪岩相—麻粒岩相太华群(下地壳)、角闪岩相登封群(中地壳)及上覆绿片岩相到未变质的古元古代—显生宙岩层(上地壳)已被证明为代表华北克拉通南缘现今出露于地表的一条地壳剖面(Gaoetal.1990,1992;刘庆生等，1993)。以下从多方面的新证据能够再次确认这一推断。•岩层地震波速(Vp)约束将太华群和登封群岩石的高压实验VP测定结果分别通过温度校正至下地壳和中地壳的P、T条件，得到它们的VP分别为6.5—6.8km/s和5.8—6.0km/s；花岗岩高温高压实验Vp结果在上和中地壳条件下平均分别为5.47和5.96km/s。相比之下，QB-1折射地震测深给出的VP值在华北克拉通南缘下地壳为6.1—6.9km/s(平均6.6km/s),中地壳为5.9—6.2km/s(平均5.92km/s)，上地壳为5.6—6.07km/s(袁学诚，1991)。波速对比证明(图2)，太华群和登封群应分别代表下地壳和中地壳，而花岗岩则应是中、上地壳的组成部分。•本构造单元内木龙沟产出的燕山早中期(150—130Ma)中酸性斑岩中，已发现含有下地壳二辉麻粒岩包体，其岩石学特征与化学成分同出露于地表的太华群二辉麻粒岩相一致(王晓霞等，1986)。表明本块体下地壳确实由太华岩群组成。•豫西燕山早中期中酸性斑岩(产于八宝山、后瑶峪、柳关等岩体)，经Pb、Nd、Sr同位素示踪，证明岩浆是以太华群岩石部分熔融产物为主体、混入数量不等的少量幔源物质形成，甚至太华群岩石的平均Nd模式年龄(TDM=2.78Ga)及其换算至140Ma斑岩类形成时的εNd值(平均为－24.23)均分别接近于柳关二长花岗斑岩的Nd模式年龄(2.47Ga)和初始εNd(t)值(－25.3)，表明柳关斑岩岩浆基本是以太华岩群为源层(陈岳龙和张本仁，1994)。以上两点既能说明太华群应为华北克拉通南缘下地壳的组成，又能暗示斑岩具有深源浅成成因。总之，综合研究的结果可以肯定关于华北陆块南缘地壳各结构层的岩石组成的原来设定。采用类似的方法和步骤，分别建立见了其余三个构造块体的地壳结构岩石组成模型（见下表），据之得出了各块体上、中、下地壳的化学成分和元素丰度。接上表3.6秦岭造山带及邻区地壳各结构层的岩石组成模型地壳结构层华北克拉通南缘北秦岭造山带南秦岭造山带扬子克拉通北缘上地壳元古宙和显生宙沉积盖层，花岗岩元古宙秦岭群和宽坪群，新元古代—早古生代丹凤群和二郎坪群，花岗岩震旦纪—显生宙沉积盖层，花岗岩震旦纪—显生宙沉积盖层，花岗岩中地壳新太古代登封群新太古代—元古宙火山—沉积岩系(鱼洞子、陡岭、碧口、武当、郧西、耀岭群)新太古代—元古宙火山—沉积岩系(后河、火地垭、西乡、神农架等群)下地壳新太古代太华群俯冲垫置的南秦岭元古宙火山—沉积岩系崆岭群,桐柏-大别杂岩太古宙崆岭群鉴于北秦岭中-下地壳为印支期通过碰撞造山晚期扬子大陆北缘俯冲而垫置于北秦岭上地壳之下的南秦岭基底岩层（证明见后），现今其地壳的上部和中、下部不具有亲缘关系，对比意义不大，故仅对比其余三个构造单元地壳各结构层的化学成分(表2)。C.各构造单元上、中、下地壳的化学组成华北克拉通南缘南秦岭扬子克拉通北缘上地壳中地壳下地壳上地壳中地壳下地壳上地壳中地壳下地壳SiO26460.858.56563.565.766.162.765.7K2O2.471.981.862.452.172.392.542.32.39Rb715351765793857593Li15141422.4161820.81818Be1.791.71.41.982.141.962.283.071.96Ba823616585749619652653590652Th9.38.17.77.86.29.29.38.29.2∑REE146123120125150174155129174MgO2.863.363.772.883.22.72.323.422.7∑FeO5.966.845.245.245.274.764.625.27V108120139106971049597104Cr747979109101826610182Ni39.8495049474836.847.249Co20.2232516.216.419.315.616.419.3Cu29343834344234.63442表3.7不同构造单元地壳上、中、下结构层化学成分特征表中上地壳元素丰度是扣除碳酸盐后的计算值；∑FeO为换算为FeO的全铁含量；主量元素氧化物含量单位为wt％；微量和稀土元素丰度单位为10－6(下同)。对比揭示出以下规律：•华北克拉通南缘地壳表现出由下至上∑FeO、MgO和相容元素V、Cr、Ni、Co等含量的逐渐降低，而SiO2、K2O和不相容元素Rb、Li、Be、Ba、Th、∑REE等含量逐步增长，表明这里地壳分异属于正常类型，即中、上地壳主体是由下地壳派生演化形成。单颗粒锆石年龄研究表明，2.5Ga前形成的登封群英安流纹岩中含有来自太华群的老锆石(Kroneretal.,1988);中元古代熊耳群火山岩主体基本继承了太华群的Nd、Pb同位素系统的特征。这些均可支持上述推断。接上•扬子克拉通北缘和南秦岭则表现出中地壳SiO2、K2O、Rb、Li、Ba、Th、∑REE等不相容元素的含量低于下地壳和上地壳，MgO、∑FeO、Cr、Ni等相容元素的含量高于或接近下地壳，但均高于上地壳的规律。这点很可能与这两个构造单元的中地壳主体为幔源新生地壳而非由下地壳物质派生有关，至于上地壳则应是由中和下地壳物质派生分异形成。后面讨论的这两个构造单元的地壳增生历史可以支持这一论断D.区域地壳显示的侧向化学不均一性对比东秦岭及邻区各构造单元地壳化学组成（以下两个表），可以揭示出以下地壳侧向化学不均一性：•华北克拉通南缘上地壳和中-下地壳，相对于扬子克拉通北缘上和中-下地壳，一致显示高∑FeO、Sr含量和高Sc/Th比值的特征；仅就中-下地壳而言，华北尚显示高MgO、CaO、Mo含量和高Nb/La、Ba/La、Zr/Hf比值的特点，仅就上地壳而言，还具有高Ba含量的特点。表3.8四个构造单元上地壳化学组成特征SNCNQSQNYCSNCNQSQNYCSiO264.0063.5065.0066.10Co20.221.216.215.6TiO20.680.710.750.65Cu29413434.6∑FeO5.905.745.244.76Be1.791.821.982.28MgO2.863.012.882.32Li14.629.722.420.8CaO4.254.133.022.72V10812810695Na2O2.832.852.902.90Mo0.80.60.730.88K2O2.472.712.452.54Y17191818Ba823791749653∑REE146147125155Sr317296204263Ba/Sr2.602.673.682.48Rb711157685Rb/Sr0.220.390.370.32Nb13161412Nb/Ta1612.21616Ta0.781.310.840.73Nb/La0.370.440.480.32Th9.314.77.89.3Ba/La23.521.7925.717.2Sc19.820.615.113.5Th/La0.270.410.270.25Zr185167194196Sc/Th2.131.401.941.45Hf5.154.85.145.42Ni/Co1.792.093.032.36Cr7410810966Y/Tb20.4822.6221.6920.00Ni39.844.349.036.8Yb/Hf0.440.460.500.43SNC—华北克拉通南缘，NQ—北秦岭，SQ—南秦岭，NYC—扬子克拉通北缘。全部为扣除碳酸盐的上地壳成分。表3.9四个构造单元中-下地壳化学组成特征组分SNCNQSQNYCSNCNQSQNYCSiO259.7063.5064.4064.00Cu36413838TiO20.700.710.700.65V12912810092∑FeO6.405.745.264.89Mo0.860.600.540.53MgO3.553.012.993.11Be1.541.822.062.60CaO6.724.133.323.54Li13.829.716.918.0Na2O2.942.853.213.28Y16191717K2O1.922.712.262.34∑REE135147136147Ba601791633617K/Na0.650.950.700.71Sr359296249247Ba/Sr1.672.672.542.50Rb521157275Rb/Sr0.140.390.290.30Nb10161110Nb/Ta18.5212.2017.4617.24Ta0.541.310.630.58Nb/La0.320.440.330.27Th7.914.77.58.2Ba/La19.021.819.016.7Sc18.820.614.813.7Th/La0.250.410.230.22Zr164167189187Sc/Th2.381.401.971.67Hf4.534.805.075.23Ni/Co2.072.092.722.22Cr791089364Yb/Hf0.510.460.450.42Ni49444836Y/Tb18.622.920.720.9Co23.821.217.616.2Zr/Hf36.234.837.2835.76构造单元代号同前表接上•扬子克拉通北缘上地壳和中-下地壳，相对于华北南缘上地壳和中-下地壳，一致显示高SiO2、Na2O、Zr、Hf、Li、Be、Cu、∑REE含量及高Rb/Sr、Ni/Co比值的特征，中–下地壳尚有相对高K2O、Rb含量及高Ba/Sr比值的特点。•南、北秦岭造山带相对于两侧克拉通区，上地壳和中-下地壳一致显示高