宁德—湖口地学断面下地壳的物质组成和时代——地球化学、Nd同位素和捕获锆石年龄证据
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发布时间：2022-04-28 21:31
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时间：2023-09-16 16:53
赵凤清 金文山 甘晓春
（天津地质矿产研究所，天津 300170）
孙大中
（中国科学院广州地球化学研究所，广州 510640）
摘要 宁德—湖口断面东起福建省宁德市，西至江西省湖口市，穿越了华夏地块和扬子地块东南缘。华夏地块出露的最老的结晶基底为2400～2000Ma古元古代岩石，扬子地块最老的结晶基底为2200～2000Ma的古元古代岩石。这些基底岩石已遭受角闪岩相（华夏地块）或高绿片岩相—低角闪岩相（扬子地块东南缘）变质作用的改造，大体代表了断面穿越两地块的中地壳特征。火成岩的tDM和火成岩中捕获和/或继承锆石年龄变化于2750～2500Ma，有些达3100Ma，揭示了下地壳的年龄信息。华夏地块的大量花岗质岩石为S型且具负的εNd值，表明下地壳物质组成主体为长英质成分。华夏地块加里东期花岗质岩石的εNd值为—11～—8，而燕山期花岗质岩石的εNd为—6～—1，显示出随着时代的演化，华夏地块下地壳的物质组成由“富花岗质”（富集型）向“贫花岗质”（贫瘠型）方向演化，这主要是受地壳分异作用以及地幔物质添加作用的影响。扬子地块东南缘的花岗质岩石和酸性火山岩虽然主体仍以过铝S型为主，但其εNd值变化于—6～＋4之间，表明扬子地块的下地壳有较多的地幔物质加入，造成其下地壳的成分成熟度低于华夏地块。
关键词 宁德—湖口断面 下地壳的成分和时代 华夏地块 扬子地块 tDM 捕获锆石年龄
1 引言
探讨*下地壳的时代和物质组成是一项十分艰难的研究工作，这主要是由于*地壳的形成具有十分复杂的历史和过程，同时人们也缺乏对深部地壳不均匀性的深入了解。近些年来在探讨下地壳信息方面已做了较多的尝试，如地震反射和衍射方法[4,14]、岩浆岩的深源包体的研究[12,13]以及对出露的深部地壳剖面的研究[1,2]。下地壳的物质组成和结构并不是一成不变的，往往随时代演化发生很大变化，那么怎样才能描绘这一动力学过程呢？地球化学，尤其是同位素地球化学，可以用作一种探针来剖析这个过程。本文主要通过地质、地球化学和地质年代学的综合研究来探讨宁德—湖口断面下地壳的性质。
2 宁德—湖口地学断面的地震波速结构
近些年来，华南已相继完成了宁德—湖口[15]、温州—屯溪[18]、泉州—黑水[11]数条地学断面（图1），其中宁德—湖口断面东起福建的宁德，经政和、崇安、乐平，至江西的湖口，穿越了华夏地块和扬子地块两大构造单元。地震波速结构揭示出断面走廊的地壳厚度约为30km，可划分出上、中、下地壳，界限约在10km和20km。上地壳的Vp为4.6～6.0km/s，密度为2.67～2.75g/cm3，主要由沉积岩、花岗质岩石和板岩、千枚岩之类的变质岩石组成。中地壳Vp由6.06km/s到6.25km/s，密度由2.79g/cm3到2.85g/cm3，主要由角闪岩相变质的岩石组成，其中在断面的东端（政和以东）在14km至17km深度之间，存在低速层（Vp≈5.9km/s），很可能属滑脱构造层性质。下地壳的Vp为6.30～7.15km/s，和长英质—镁铁质麻粒岩的Vp一致。下地壳的上部Vp≤7.0km/s，和酸性—中性麻粒岩的Vp吻合[14]，下地壳的底部Vp>7.0km/s，表明其成分偏镁铁质成分，指示有较强烈的地幔物质添加。
图1 华南构造格架及地学断面位置略图
断面1、2、3分别代表温州—屯溪、宁德—湖口和泉州—黑水断面
3 断面走廊的变质基底
华夏地块的变质基底包括了三大构造层（图2）：古元古代的麻源群、中元古代的马面山群和新元古代—早古生代的长汀超群（或称之为长汀浅变质岩系）。
图2 宁德—湖口地学断面走廊地质略图，主要表示变质基底的分布及特点
1—古元古代地层；2—中元古代地层；3—新元古代地层；4—新元古代—早古生代地层；5—寒武纪—白垩纪地层；6—第四纪；7—花岗质岩石
麻源群主要由黑云斜长片麻岩、石榴黑云斜长片麻岩、石榴云母片岩、云母石英片岩、夹斜长角闪岩和大理岩。这套岩石已遭受角闪岩相变质作用的改造，其p=400～650MPa,T=550～680℃[7]，表明其埋深大致由16km至24km。麻源群上部的岩石流体包裹体以H2O为主，而下部则主要为CO2+H2O。麻源群地层至少遭受四期变形，前两期为韧性—塑性流变机制共轴叠加的平卧（或等斜）褶皱，大量的颗粒锆石U-Pb测年数据表明其时代为2400～2000Ma[3]。
马面山群与麻源群多呈构造接触关系，主要由变质的双峰式细碧—角斑岩（岩性为绿帘斜长角闪岩和钠长变粒岩）、十字石榴云母片岩、云母石英片岩、大理岩和石英岩。这套地层已遭受高绿片岩相—低角闪岩相变质作用的改造。同位素年龄值显示马面山群成岩时代为1400～1000Ma。
长汀超群呈构造关系和麻源群接触，为一套绿片岩相变质的岩石组合，下部岩性为斜长云母石英片岩、石英黑云片岩，上部为浅变质的粉砂岩、长石石英砂岩、板岩、千枚岩和杂砂岩。
综上所述，麻源岩的岩石组合大致反映了宁德—湖口断面东段华夏地块的中地壳的特点，长汀超群可能代表上地壳褶皱基底的特点，马面山群分布比较局限，从特点上看可能处于中地壳和上地壳的过渡带。
在扬子地块的东南缘，变质基底包括古元古代的星子群和中元古代的双桥山群（图2）。星子群出露于庐山附近，主要由十字石榴黑云片岩、石榴云母片岩、云母石英片岩和黑云斜长变粒岩组成，夹有斜长角闪岩、石英岩和不纯大理岩。岩石的变质程度为高绿片岩相—低角闪岩相，其T=530～600℃，p=400～570MPa，估计埋深大约在15～20km，由此推测星子群岩石组合反映了扬子地块东南块东南缘中地壳的特点。颗粒锆石U-Pb年龄表明其时代为2200～2000Ma。
双桥山群和星子群呈构造接触，主要由绢云母板岩、千枚状板岩、变质粉砂岩、杂砂岩和凝灰质板岩为主，夹有双峰式细碧角斑岩建造，岩石主体遭受低绿片岩相变质，局部达高绿片岩相，年龄为1700（?）～1000Ma。
4 断面的下地壳时代
沿断面走廊未见麻粒岩地体出露，因此下地壳的时代主要依靠Nd的模式年龄（tDM）和火成岩的捕获锆石年龄进行示踪研究。锆石是一种硅酸岩矿物，从理论上它应从SiO2饱和—过饱和岩浆中结晶，因此岩浆岩中捕获/或继承锆石时代揭示出深*英质基底的时代信息。基性岩的tDM可以用来粗略估计“早期造壳时代（early crust formation age）”，而长英质火成岩的tDM可以解释为源岩的地壳滞留年龄（residence age）。
4.1 华夏地块下地壳的时代
前人对该区火成岩的同位素测年工作已发现一些大于2500Ma的年龄，朱玉磷（1985）发表的新桥花岗闪长岩的微量锆石U-Pb年龄为2713Ma，尔后，又相继报道了一些老的U-Pb年龄信息：汤湖花岗岩年龄2516Ma[9]，清湖岩体2642Ma[10]，德化花岗岩3051Ma年龄[17]。最近周新华（1992）在江绍断裂附近陈蔡群斜长角闪岩中获得了（3125±184）Ma的全岩Sm-Nd等时线年龄，这些年龄值多落在2750～2500Ma区间内，少数点达到3100Ma，揭示出华夏地块下地壳形成时代的信息。使用颗粒锆石U-Pb测年也发现华夏地块存在2415～2589Ma的年龄（表1），进一步佐证在华夏地块深部存在2750～2500Ma的长英质基底。
表1 断面走廊火成岩的捕获锆石U-Pb分析
① 误差为2σ；②对空白和稀释剂已作校正；③对空白、稀释剂和初始铅已作校正。
华夏地块的花岗岩分布非常广泛，侵位时代从古元古代延续至中生代，其元素地球化学和同位素地质化学特点显示出S型花岗岩特征，表明这些花岗岩主体是由深*英质基底深熔作用的产物。因此花岗岩可以视为一种探针来分析下地壳时代和成分。
中条期花岗质岩石（1900士100）Ma的tDM为2602～2674Ma（表2，图3），其fsm/Nd和εNd变化很小，表明其同位素组成基本上没受到后期AFC过程的明显影响，因此2600～2700Ma大致可看作中条期花岗质岩石的源岩时代。
表2 华夏地块Sm、Nd同位素分析数据
加里东期花岗质岩石（400～450Ma）的tDM年龄多数落在1800～2500Ma区间内（表2，图3），这一时限和麻源群的时代大体吻合。野外证据表明加里东期花岗岩体与麻源群之间多呈侵入关系，并非麻源群分熔作用的产物，因此加里东期花岗质岩石的源岩时代应大于2500Ma。
燕山期花岗质岩石（100～120Ma）的tDM变化较大，但总体上小于2000Ma（表2，图3）。燕山期花岗质岩石具高的εNd值，暗示其源岩已遭受较强烈的地幔物质添加作用的影响，幔源物质添加作用可能是造成tDM年龄偏低的主要原因。
图3 华夏地块tDM年龄直方图
1—中条期花岗岩；2—加里东期花岗岩；3—燕山期花岗岩
图4 华夏地块斜长角闪岩的tDM年龄直方图（原始数据见赵凤清等，1995）
1—古元古代；2—中元古代
变质基性火山岩（斜长角闪岩）的tDM年龄已归纳于图4中，麻源群的斜长角闪岩的tDM主体在2400～2600Ma以及2000～2300Ma两个时间段内，马面山群的tDM为2000～2300Ma，揭示出华夏地块早期多期次地幔岩浆的底板垫托时代多发育在2000～2300Ma以及2400～2600Ma。
4.2 扬子地块（东南缘）下地壳的时代
扬子地块（东南缘）岩浆岩中许多捕获锆石的颗粒锆石U-Pb年龄大于2.2Ga（表1），大致可划分为2700～2800Ma和2200～2450Ma两个时间段内，揭示出扬子地块东南缘深部地壳长英质基底的时代信息，一些酸性火成岩的tDM年龄也佐证这一认识（表3）。
表3 扬子地块赣东北火成岩的Sm、Nd同位素分析数据
① 全岩；②斜长角闪岩；③角闪石。
基性火山岩的tDM变化很大，多数变化于2000～2400Ma和1300～1700Ma两个区间内，有一些tDM达2600～2800Ma（表3），指示了扬子地块东南缘发生了深部地壳的底板垫托作用的时代。
5 断面走廊下地壳的成分
火成岩的元素地球化学和同位素地球化学揭示出下地壳主体由长英质岩石组成，但成分变化十分复杂，两个地块下地壳成分存在较明显差异，在下地壳的不同深度层次成分也不尽相同，随着地质的演化下地壳的成分也发生一定程度的变化。
5.1 华夏地块下地壳的成分
中条期花岗质岩石类型为花岗闪长岩、二长花岗岩和钾长花岗岩，主体为S型，少量为I型或I型和S型的过渡型。花岗质岩石的εNd为-3.1～-2.6,147Sm/144Nd值为0.10～0.14，表明源岩应以长英质岩石为主。
加里东期花岗岩为高钾的钙碱性钾长花岗岩、碱长花岗岩和花岗闪长岩，主体以S型花岗岩为主。花岗质岩石具负的εNd值（-11～-8）和低的147Sm/144Nd值（0.1～0.14），表明它们应来源于“花岗质富集”的源岩。
燕山期花岗质岩石包括碱长花岗岩、钾长花岗岩以及二长花岗岩，在燕山晚期出现碱性花岗岩，元素地球化学显示这期花岗质岩石主体仍以S型为主，但较之前两期花岗岩其A型和I型相对于S型的比例增生。燕山期花岗岩的εNd为-6～-1，也明显高于前两期花岗岩。碱性花岗岩的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb值类似燕山期其它类型的花岗岩[20]，表明它们的源岩是相似的，应来源于古老的地壳岩石的分熔作用，碱性花岗岩具有较高εNd，意味着有较强烈的地幔物质添加。
图5表示的是εNd随时代的演化过程，由此反映出中条期的下地壳成分演化程度要高于中条期（前者更富长英质），加里东期下地壳成分演化程度要高于燕山期。加里东期花岗岩的εNd值的特点表明其源岩基本上没受到地幔物质添加，因此由中条期至加里东期下地壳成分变化可能是受地壳分异作用影响的结果。燕山期花岗质岩石具较高的εNd值，其源岩很可能是地壳和受地幔物质添加的混合体，表明由加里东期至燕山期下地壳成分变化是受地幔物质添加的影响。
图5 华夏地块花岗岩的εNd—t图解
反映εNd随时代演化特点
5.2 扬子地块下地壳的组成
扬子地块东南缘晋宁期花岗质岩石（900Ga±500Ma）主要为钙碱性岩浆岩，岩石类型包括二长花岗岩、花岗岩、花岗闪长岩和钾长花岗岩，在有些岩体中含有富铝矿物（堇青石、石榴子石、黑云母）包体以及夕线片岩岩石包体[25]。地球化学特点也显示出S型特点。晋宁期花岗岩具较高的εNd值（-6～+4）（图6）和低的87Sr/86Sr值，表明其源岩中有大量的地幔物质加入。此外在扬子地块和华夏地块结合带，出露有M型花岗岩，也佐证扬子地块东南缘较之华夏地块在物质组成上更偏基性。
新元古代的流纹岩（800～900Ma）从矿物组成和地球化学特征上也具有S型特征，然而其εNd值为-1.9～+2.8，显示出与晋宁期花岗岩相似的地球化学特征。
6 结论
通过对宁德—湖口地学断面的地质、地球化学和地质年代学研究，可能获取到断面走廊下地壳性质的一些信息，将其归纳为：
① 花岗质岩石和酸性火山岩的元素和同位素地球化学特征表明华夏地块下地壳的成分主体由长英质组成，尤其是在地壳形成的早期阶段。地球物理资料也显示出同样的信息，宁德—湖口断面的地震波速结构反映下地壳除在局部地段的底部外，主体上Vp＜7.0km/s,这一特征和酸性—中性麻粒岩的Vp值范围吻合。
图6 扬子地块岩浆岩的εNd—t图解
② 两个地块下地壳的物质组成存在较大差异，扬子地块下地壳在物质成分上较之华夏地块演化程度较差，表明扬子地块的下地壳有更为强烈的地幔物质加入。
③ 同位素地球化学示踪研究结果显示出下地壳的成分随着地质演化发生较大的变化，总体的演化趋势由“富花岗质”向“贫花岗质”方向转化，其原因可能是受地壳分异作用以及地幔物质添加作用改造的结果。
④ 通过对火成岩的tDM年龄和捕获锆石的年龄详细研究，断面走廊下地壳可能形成于2750～2500Ma，有些于3100～3000Ma已形成。尔后，地幔物质添加（以底板垫托方式为主）比较发育，华夏地块的时限为2400～2600Ma和2200～2300Ma，扬子地块则发生于2000～2400Ma和1300～1600Ma两个时间段内。
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