丹凤花岗岩和基性捕虏体的地球化学和锆石U-Pb-Hf-O同位素：北秦岭超高压变质带两期构造抬升事件的记录*

张娟 程昭 张宏福, 2 杨港

1. 西北大学地质学系，大陆动力学国家重点实验室，西安 710069 2. 浙江大学地球科学学院，杭州 310058

秦岭造山带位于华北板块与华南板块之间，东连大别山、西接祁连山，是中国中央造山系的重要组成部分(Mattaueretal., 1985; Kröneretal., 1993; 张国伟等, 2001; Ratschbacheretal., 2003; Wu and Zheng, 2013)。20世纪80年代以来，国内外地质学家对该造山带构造演化开展了大量研究，确定秦岭造山带是一个复合型造山带，经历了多期构造演化(Zhangetal., 1995; Meng and Zhang, 1999; Dongetal., 2011a)。该造山带由北向南可划分为四个构造单元：华北板块南缘、北秦岭造山带、南秦岭造山带和华南板块北缘(图1a; 张国伟等, 2001; Meng and Zhang, 1999; Dongetal., 2011b)。而北秦岭造山带则是秦岭造山带中变形变质、岩浆活动最为强烈的地带，其形成与演化长期受到国际和国内地学界的广泛关注。

秦岭群是北秦岭的重要组成部分，以岩石普遍遭受中-高级变质作用改造为特征。近20年来，秦岭群最重要的研究进展之一是发现了大量的高压-超高压(HP-UHP)变质岩，包括榴辉岩、(石榴)角闪岩、橄榄岩和高压基性麻粒岩及它们的围岩片麻岩，并认为北秦岭曾在510～480Ma经历过一期陆壳深俯冲事件(Yangetal., 2003; Liuetal., 2010a; Wangetal., 2011; 张建新等, 2011; Chengetal., 2012; 刘良等, 2013; 陈丹玲等, 2015; Yuetal., 2016, 2019; 唐源等, 2022)。但对陆壳俯冲起始的时间和过程存在分歧。一种模型根据北秦岭HP-UHP岩石的详细研究，认为原特提斯洋(商丹洋)的闭合、板片断离和碰撞后拉张分别发生于500Ma、470～450Ma和420Ma(Liaoetal., 2016; Liuetal., 2016; 陈丹玲等, 2019)。另一种模型根据北秦岭早奥陶世-晚志留世基性岩和花岗岩的锆石U-Pb定年结果和地球化学特征，认为其形成于俯冲过程，提出原特提斯洋闭合发生在早泥盆世(～400Ma; Dongetal., 2011a, 2013; Xuetal., 2020)。Wangetal. (2013b)则根据古生代花岗岩的时空分布特征，认为初始的大陆碰撞发生在晚奥陶世(450～440Ma)，而有些学者认为华北板块与华南板块在早古生代尚未发生碰撞(Wu and Zheng, 2013; Huangetal., 2018)。

早古生代花岗质岩浆活动主要分布在北秦岭地区，前人对该区的花岗岩进行大量的年代学、地球化学和同位素研究(Zhangetal., 2013b; Qinetal., 2015, 2022; Wangetal., 2015, 2016; Chenetal., 2018; Liuetal., 2019, 2022; Huetal., 2021)，并认为花岗岩的形成与北秦岭早古生代构造演化密切相关。

丹凤地区位于北秦岭造山带东部，其秦岭群内广泛分布多个花岗岩体并发育基性捕虏体。尽管前人对该区出露的早古生代花岗岩进行了大量的年代学和地球化学工作(刘丙祥, 2014; 秦拯纬, 2016; 王江波, 2020; 惠争卜等, 2021)，但缺乏系统的同位素研究，其中分布的基性捕虏体研究程度低。秦岭群中广泛出露的早古生代花岗岩和其中的基性捕虏体，是研究该造山带早古生代地壳及构造演化过程的理想载体。本次工作选取丹凤地区出露的枣园二长花岗岩及其中的斜长辉石岩捕虏体与黄柏岔岩体中的斜长角闪岩捕虏体作为研究对象。在岩相学观察基础上，通过高精度原位微区锆石U-Pb-Hf-O同位素分析，结合全岩主、微量元素分析，探讨花岗岩和基性捕虏体源区物质组成和岩石成因，以期为北秦岭早古生代地壳及构造演化过程提供约束。

1 区域地质概况及样品描述

北秦岭造山带北侧以洛南-栾川断裂带为界与华北南缘毗邻，南侧以商丹断裂带为界与南秦岭相连(张国伟等, 2001; Dong and Santosh, 2016)。依据岩石组合与构造特征，北秦岭造山带自北向南依次划分为宽坪群、二郎坪群、秦岭群和丹凤群(图1b)。其中秦岭群是北秦岭造山带中变质变形最为强烈的前寒武纪结晶岩系，主体由长英质片麻岩、榴辉岩、麻粒岩、大理岩和少量斜长角闪岩组成(Kröneretal., 1993; Dongetal., 2008; Wangetal., 2013a)。锆石U-Pb年代学研究揭示秦岭群的形成时代可能为中-新元古代(杨力等, 2010; 万渝生等, 2011; Diwuetal., 2014; Shietal., 2018; Kangetal., 2022)。

图1 秦岭造山带构造框架图(a, 据Dong et al., 2011b修改)和丹凤地区地质简图及采样位置(b, 据Zhang et al., 2013a修改)Fig.1 Geological sketch map of the Qinling Orogen (a, modified after Dong et al., 2011b) and Danfeng area (b, modified after Zhang et al., 2013a) and sample location

秦岭造山带是一个典型的复合型造山带，记录了多期次构造-岩浆热事件。在北秦岭构造带发育多期花岗岩(图1b)，按时代可分为新元古代、古生代和中生代三期。其中早古生代花岗质岩浆活动强烈，花岗质岩体广泛分布。现有研究显示，早古生代花岗岩质岩浆活动可以大致划分为507～469Ma、460～422Ma和420～400Ma三个演化阶段(Wangetal., 2009, 2013b; Zhangetal., 2013b; Dong and Santosh, 2016)。第一阶段(507～470Ma)主要发育于北秦岭东段秦岭群中，以漂池S型花岗岩为代表，锆石U-Pb定年结果显示其形成年龄为501～469Ma(Wangetal., 2009; Qinetal., 2014)，并认为其形成于北秦岭高压-超高压岩石的折返阶段。该时期还发育基性侵入岩，以富水基性杂岩体为代表，锆石U-Pb定年结果显示其形成年龄为511～476Ma(Suetal., 2004; Wangetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017; Xuetal., 2020; Zhengetal., 2020)；第二阶段(460～422Ma) 是秦岭古生代花岗质岩石的主体，主要发育于北秦岭的东部，侵位于秦岭群、二郎坪群和丹凤群(图1b)。以灰池子I型花岗岩为代表，年代学研究表明其形成于439～414Ma(Qinetal., 2015; Chenetal., 2018; 张元朔, 2019)，并认为其形成于弧-陆或陆-陆碰撞过程。第三阶段(415～400Ma)主要发育于北秦岭中段，岩石组合以I型花岗岩为主(Wangetal., 2020)。

研究区位于北秦岭东段丹凤地区秦岭群内部，该区早古生代花岗岩分布广泛，自北向南依次出露庾家河、留仙坪、黄柏岔、枣园、骡子坪、宽坪和桃花铺岩体(图1b)。前人对枣园、黄柏岔、骡子坪和宽坪岩体锆石U-Pb年代学研究表明这些岩体的形成时代为472～410Ma(Zhangetal., 2013a; 秦拯纬, 2016; 王江波等, 2018; Xuetal., 2020; 王江波, 2020)。本次研究采集基性捕虏体和围岩花岗岩样品共3件(HBY19-02、HBY19-03和HBY19-04)。样品HBY19-02和HBY19-03采自丹凤县新屋场村附近(图1b, 33°45′37″N、110°21′03″E)，HBY19-02花岗岩样品采自枣园岩体，HBY19-03为基性捕虏体，宽约2m，呈透镜状分布(图2a)。HBY19-02样品为二长花岗岩，主要由钾长石(～35%)、斜长石(～30%)、石英(～30%)及少量黑云母(～5%)构成(图2b)，副矿物主要为磷灰石、锆石和榍石。HBY19-03基性捕虏体岩性为斜长辉石岩，具有细粒变晶结构，主要矿物成分为斜长石(～35%)、辉石(～35%)、黑云母(～20%)及少量角闪石(～10%)(图2c)，副矿物由磷灰石、榍石和锆石构成。角闪石呈淡绿色，呈半自形-他形柱状，部分角闪石由辉石退变质而成。样品HBY19-04采自丹凤县黄柏岔村北侧(图1b, 33°47′20″N、110°30′05″E)，围岩为黄柏岔片麻状花岗岩。岩性为斜长角闪岩，具有细粒变晶结构，主要由角闪石(～60%)、斜长石(～35%)及少量单斜辉石(～5%)构成(图2d)，副矿物主要为磷灰石和锆石。

图2 丹凤地区早古生代花岗岩和基性捕虏体野外及显微照片(a)枣园二长花岗岩和斜长辉石岩捕虏体野外照片；(b)二长花岗岩(HBY19-02)；(c)斜长辉石岩(HBY19-03)和(d)斜长角闪岩(HBY19-04)显微照片. Pl-斜长石；Qz-石英；Kfs-钾长石；Bt-黑云母；Hb-角闪石；Cpx-单斜辉石Fig.2 Field outcrops and micrographs of the Early Paleozoic granite and mafic xenoliths in Danfeng area(a) field outcrop of the Zaoyuan monzogranite and mafic xenolith; (b) micrographs of the monzogranite (Sample HBY19-02); (c) the plagioclase pyroxenite (Sample HBY19-03) and (d) the amphibolite (Sample HBY19-04). Pl-plagioclase; Qz-quartz; Kfs-K-feldspar; Bt-biotite; Hb-hornblende; Cpx-clinopyroxene

2 分析方法

本文对花岗岩样品HBY19-02、斜长辉石岩样品HBY19-03和斜长角闪岩样品HBY19-04进行了全岩主微量元素、锆石U-Pb-Hf-O同位素分析。

2.1 锆石U-Pb定年测定

首先采用常规重选、磁选手段分选出锆石颗粒，并在双目镜下进一步挑选具有代表性的锆石。将挑选的锆石与标准锆石(Plešovice、Penglai、Qinghu)颗粒粘在环氧树脂靶上，然后打磨抛光。锆石阴极发光(CL)在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。CL分析在载有Gatan CL3+检测器和Oxford能量色散光谱系统的FEI Quanta 400 FEG型扫描电镜拍摄完成。

锆石LA-ICP-MS U-Pb定年分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。分析在连接RESOlution 193nm准分子激光剥蚀系统的Agilent 7900a型ICP-MS上进行。测定过程中激光剥蚀斑束直径为30μm。使用ICPMSDataCal进行数据处理(Liuetal., 2010b)。

2.2 全岩主、微量元素分析

全岩主、微量元素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。对代表性样品进行细碎获得直径小于200目的粉末样品开展全岩地球化学分析。主量元素分析在X射线荧光光谱仪(XRF, Rugaku RIX 2100)上测定，分析相对误差一般低于5%。微量元素分析在Agilent 7500a电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析测试，分析精度和准确度一般优于10%。

2.3 锆石原位Lu-Hf和O同位素分析

锆石原位Lu-Hf同位素微区分析在中国科学技术大学中国科学院壳幔物质与环境重点实验室完成。选择在U-Pb年龄分析点上或者附近，利用脉冲速度为10Hz，直径为44μm的束斑进行分析。分析使用配备了Geolas-193型紫外激光剥蚀系统的Neptune型多接收电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS)。分析过程中用91500、GJ-1和Plešovice来监控仪器状态和数据质量。本次测试过程GJ-1标样176Hf/177Hf测试结果是0.282014±13(2σ, n=8)，Plešovice的176Hf/177Hf测试结果为0.282494±9(2σ, n=6)，2个标样的测试结果与标准值在误差范围内一致(Moreletal., 2008; Slámaetal., 2008)。计算εHf值使用176Lu衰变常数为1.865×10-11/yr (Schereretal., 2001)。计算亏损地幔模式年龄(tDM1)采用现今亏损地幔的(176Hf/177Hf)DM和 (176Lu/177Hf)DM比值分别为0.28325和0.0384(Griffinetal., 2000)，用于计算两阶段模式年龄(tDM2)的大陆地壳平均76Lu/177Hf值为0.015(Griffinetal., 2000)。

锆石氧同位素在中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室的CamecaIMS-1280型双离子源多接收器二次离子质谱仪上完成。详细的分析流程见Lietal. (2010a)。采用Cs+作离子源，通过10kV加速电压轰击样品表面，一次离子束斑直径约为20μm。SIMS的仪器质量分馏(IMF)校正采用Penglai标准锆石(δ18O=5.31±0.10‰)，测量的18O/16O比值通过VSMOW值(18O/16O=0.0020052)和IMF校正后为样品该点的δ18O值(Lietal., 2010b)。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年龄

花岗岩和基性捕虏体样品锆石U-Pb年代学测试结果见表1、表2和图3。大部分锆石颗粒为无色或淡黄色透明，多呈长柱状，自形-半自形。花岗岩样品HBY19-02中锆石颗粒粒径100～250μm，长宽比2︰1～5︰1，CL图像中显示清晰的振荡环带(图3a)，Th/U值为0.09～1.06(表1)，表明锆石为岩浆成因(Corfuetal., 2003)。采用LA-ICP-MS分析样品中的23颗锆石，得到206Pb/238U年龄值介于411～425Ma之间，大部分分析点落在一致曲线上，加权平均年龄为419±4Ma(MSWD=0.13)(图3b)，代表花岗岩的结晶年龄。

表1 丹凤地区花岗岩和斜长辉石岩捕虏体LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析结果

表2 丹凤地区斜长角闪岩捕虏体SIMS锆石U-Pb定年分析结果

斜长辉石岩样品HBY19-03中锆石颗粒粒径50～200μm，长宽比2︰1～6︰1(图3c)。CL图像多呈弱的扇状分带或内部结构不均匀，显示变质成因特点。采用LA-ICP-MS分析样品中的25颗锆石，所得206Pb/238U年龄值介于444～469Ma之间，大部分分析点落在一致曲线上，加权平均年龄为460±5Ma(MSWD=0.18)(图3d)。

斜长角闪岩样品HBY19-04中锆石颗粒粒径30～100μm，长宽比1︰1～3︰1(图3e)。CL图像中大部分锆石颗粒无分带或弱分带，也具有变质锆石的特点。部分锆石具有核边结构，核部比较亮边部比较暗(图3e)。采用SIMS分析样品中的15颗锆石，Th/U比值为0.04～0.37(表1)。其中14颗锆石206Pb/238U年龄值介于459～478Ma之间，大部分分析点落在一致曲线上，加权平均年龄为468±4Ma(MSWD=1.5)(图3f)，第8点锆石核部206Pb/238U年龄值为493±8Ma。

图3 丹凤早古生代花岗岩和基性捕虏体阴极发光图像及U-Pb年龄谐和图

3.2 全岩主、微量元素特征

丹凤地区早古生代花岗岩和基性捕虏体样品的主、微量元素分析结果见表3。花岗岩样品具有高的SiO2(70.11%)、K2O(4.77%)和Na2O(3.70%)，低的MgO(0.81%)、Fe2O3T(2.02%)、CaO(1.78%)和Mg#(48.31)，在TAS图解中样品落入花岗岩范围(图4a)。花岗岩样品的A/CNK值为1.01，表现为弱过铝质(图4b)；在K2O-SiO2图解中，样品落入了高钾钙碱性系列区域(图4c)。斜长角闪岩和斜长辉石岩样品具有较高的MgO(7.05%～9.37%)、Fe2O3T(9.08%～13.25%)、CaO(9.35%～10.25%)和Mg#(55.36～70.63)，低的SiO2(49.69%～50.73%)、K2O(0.56%～2.74%)和Na2O(1.45%～2.17%)，在TAS图解中落入辉石闪长岩和辉长岩区域(图4a)。在K2O-SiO2图解中， 斜长辉石岩落入钾玄岩系列， 斜长角闪岩样品落在了钙碱性系列区域(图4c)。

图4 丹凤地区早古生代花岗岩和基性捕虏体岩石分类图解(a)TAS图解(据Middlemost, 1994)；(b)A/NK-A/CNK图解(据Maniar and Piccoli, 1989)；(c)K2O-SiO2图解(据Peccerillo and Taylor, 1976). 枣园花岗岩数据来源：Qin et al., 2022; 王江波, 2020；图5和图8数据来源同此图Fig.4 Geochemical classification of the Early Paleozoic granite and mafic xenoliths in Danfeng area(a) total alkalisilica diagram (after Middlemost, 1994); (b) A/NK vs. A/CNK plot (after Maniar and Piccoli, 1989); (c) K2O vs. SiO2 diagram (after Peccerillo and Taylor, 1976). Data sources of Zaoyuan granite from Qin et al., 2022; Wang, 2020; also in Fig.5 and Fig.8

表3 丹凤地区早古生代花岗岩和基性捕虏体主量(wt%)和微量(×10-6)元素分析结果

3.3 微量元素

在球粒陨石标准化稀土元素配分图解上(图5a)，花岗岩样品富集LREE((La/Yb)N=36.2)，无明显的Eu异常(δEu=0.83)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图5b)，花岗岩样品富集LILEs(如Rb、K、Pb等)，亏损HFSEs(如Nb、Ta、Ti 等)。

在球粒陨石标准化稀土元素配分图解上(图5c)，斜长辉石岩轻、重稀土分馏明显((La/Yb)N=24.8)，无明显的Eu异常(δEu=0.83)。斜长角闪岩样品轻稀土弱富集((La/Yb)N=2.4)，无Eu异常(δEu=1.01)(图5c)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图5d)，斜长辉石岩样品富集LILEs(如Rb、Ba、K等)，亏损HFSEs(如Nb、Ta、Ti等)和Sr；斜长角闪岩样品相对富集Rb、Ba、K、Pb等，相对亏损Nb和Ta。

3.4 锆石原位Hf-O同位素

丹凤地区早古生代花岗岩和基性捕虏体样品锆石原位Hf-O同位素测定结果见表4。结果显示，枣园二长花岗岩锆石的176Hf/177Hf初始值分布在0.282514～0.282621。按照锆石结晶年龄t=419Ma计算，εHf(t)值为0.1～3.9，对应的Hf同位素两阶段模式年龄(tDM2)为1157～1397Ma。23个测试点的δ18O值变化范围为8.72‰～9.66‰，氧同位素组成均一，明显高于典型地幔锆石氧同位素值(5.3±0.6‰; Valleyetal., 1998)。

斜长辉石岩锆石的176Hf/177Hf初始值为0.282477～0.282659。按照t=460Ma计算，εHf(t)值为-0.3～6.1，对应的tDM1为827～1127Ma。25个测试点的δ18O值变化范围为0.21‰～8.20‰， 除了两点氧同位素值比较低， 其余测点的氧同位素组成也高于典型地幔锆石氧同位素值。

表4 丹凤地区早古生代花岗岩和基性捕虏体锆石Hf-O同位素组成

续表4

斜长角闪岩锆石的176Hf/177Hf初始值为0.282556～0.282695。按照t=468Ma计算，εHf(t)值为2.6～7.5，对应的tDM1为771～961Ma。25个测试点的δ18O值变化范围为5.61‰～7.32‰，大部分颗粒高于典型地幔锆石氧同位素值。

4 讨论

4.1 年代学框架

本文获得的北秦岭丹凤地区枣园斜长辉石岩捕虏体LA-ICPMS锆石U-Pb定年和黄柏岔片麻状花岗岩中斜长角闪岩捕虏体的SIMS锆石U-Pb定年结果分别为460±5Ma和466±6Ma，在误差范围内是一致的。结合枣园二长花岗岩锆石U-Pb加权平均年龄为420±4Ma，显示出早古生代变质和岩浆活动，分别发生在中奥陶世和早志留世。

本文研究的斜长角闪岩和斜长辉石岩捕虏体记录了中奥陶世的变质事件。前人对北秦岭变基性岩做了大量年代学工作，锆石U-Pb定年结果表明北秦岭秦岭群中HP-UHP变基性岩(榴辉岩、斜长角闪岩/退变榴辉岩、麻粒岩和榴闪岩)记录了三期变质事件，分别发生于约497Ma、459Ma和425Ma(图6a)。并且继承锆石年龄显示这些变基性岩的原岩形成于新元古代(783±7Ma; 图6b)。其中第二期变质事件与本文研究斜长角闪岩和斜长辉石岩变质时代一致。本文研究的斜长角闪岩样品得到了493±8Ma的继承锆石年龄，表明其原岩可能形成于晚寒武世。北秦岭晚寒武世基性岩典型代表为商南地区的富水变辉长岩(Wangetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017; Zhengetal., 2020)。

前人研究表明枣园岩体是一个复式岩体，锆石U-Pb年龄表明其形成于458～408Ma(Zhangetal., 2013a; 刘丙祥, 2014; 秦拯纬, 2016; 王江波, 2020)。Qinetal. (2022)对枣园二长花岗岩进行锆石U-Pb定年，结果显示其形成于418±4Ma～415±7Ma，与本文定年结果一致。Zhangetal. (2013a)和Liuetal. (2019)对黄柏岔片麻状花岗岩进行锆石U-Pb定年，结果显示其形成于445～451Ma。王江波(2020)对本区宽坪、对窝、黄龙庙和骡子坪花岗岩体锆石U-Pb定年结果为453～410Ma，表明丹凤地区早古生代花岗岩形成于晚奥陶世至早泥盆世。前人对北秦岭早古生代花岗岩也进行了大量锆石U-Pb定年，结果显示，其主体形成于500～400Ma之间，主要集中在约454Ma和430Ma两期(图6c)，分别发生在晚奥陶世和晚志留世。

4.2 岩石成因

4.2.1 基性捕虏体

4.2.1.1 变质作用和陆壳混染影响

挖掘单表的频繁项集可以采用现有的经典关联规则挖掘算法Apriori算法、Fp-Growth算法，或者使用一些基于经典算法的改进算法。但是本文对挖掘出的频繁相项集的格式做如下规定。频繁项集包括键链表、频繁项集、支持计数三个域，如图2所示。其中键链表指的是包含该项集的键的链表，用于实现项集的虚拟连接。支持计数为键链表中结点的个数。

本文中的样品均为较新鲜的岩石，从薄片镜下观察虽然可见斜长辉石岩发生了一定程度的蚀变，但该样品的烧失量较小(LOI=2.81%)，指示蚀变对岩石总体化学成分影响不明显。由于斜长辉石岩和斜长角闪岩样品经历了角闪岩相变质作用。变质过程有可能改变活动性元素的含量(如碱金属元素(Na, K)和LILEs(Rb, Ba, Sr, Pb)(Verma, 1981; Hart and Staudigel, 1982)，而REEs、HFSEs和过渡金属元素元素相对不活动(Polat and Hofmann, 2003; Hastieetal., 2007)。因此，本文的讨论主要根据这些相对不活动元素的含量和比值。

首先，斜长辉石岩和斜长角闪岩样品具有较低的SiO2(49.69%～50.73%)、较高的Fe2O3T(9.08%～13.25%)、MgO(7.05%～9.37%)含量和Mg#(55～71)，明显区别于壳源物质(Rudnick and Gao, 2003)，表明其原岩来源于地幔部分熔融。斜长辉石岩和斜长角闪岩样品表现出富集LILEs(如Rb和Ba)和LREE、亏损HFSEs(如Nb和Ta)(图5c, d)，指示地幔交代过程或是大陆地壳的同化混染(Wilson, 1989)。

地幔来源的熔体在岩浆上升过程中易受到大陆地壳同化混染的影响(Castilloetal., 1999)。在微量元素蛛网图中(图5d)，斜长角闪岩样品具有微弱的Nb、Ta负异常和明显的Pb正异常，这些特征表明在岩浆上升过程中可能经历了地壳混染。但是该样品的La/Nb和Th/Nb值为1.15和0.14，接近原始地幔，说明地壳混染程度较低(Freyetal., 2002)。斜长辉石岩样品表现出Zr、Hf的负异常(图5d)，但地壳混染往往形成Zr、Hf正异常(Taylor and McLennan, 1985)。而且斜长辉石岩样品具有较高的MgO含量和Mg#(71)，也表明地壳混染程度较低。综上所述，基性捕虏体样品原岩受地壳混染程度较低，仍能反应其地幔源区的特征。

图5 丹凤地区早古生代花岗岩(a、b)和基性捕虏体(c、d)球粒陨石标准化稀土元素配分图与原始地幔标准化微量元素蛛网图(MORB、OIB及标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized multi-element diagrams for the Early Paleozoic granite (a, b) and the mafic xenoliths (c, d) in Danfeng area (Data of MORB, OIB and normalizing values after Sun and McDonough, 1989)

图6 北秦岭早古生代变基性岩变质年龄(a)、原岩年龄(b)和花岗岩结晶年龄(c)直方图变基性岩锆石U-Pb定年数据来源：Chen et al., 2004; Su et al., 2004; 陈丹玲和刘良, 2011; Cheng et al., 2011, 2012; Wang et al., 2011, 2014a; 张建新等, 2011; 刘良等, 2013; Li et al., 2014; 宫相宽等, 2016; Liao et al., 2016; Tang et al., 2016; 王亚伟等, 2016; Yu et al., 2016; Mao et al., 2017; Dong et al., 2022; Kang et al., 2022; 唐源等, 2022. 花岗岩锆石U-Pb定年数据来源：Zhang et al., 2006, 2013b; 王洪亮等, 2009; Wang et al., 2009, 2016, 2017, 2020; 雷敏, 2010; 吕星球等, 2014; Qin et al., 2014, 2015, 2022; Yan et al., 2014; Chen et al., 2018; Li et al., 2018; Liu et al., 2019, 2022; 徐通等, 2018; 李开文等, 2019; 张元朔, 2019; 张志华, 2019; Hu et al., 2021; 惠争卜等, 2021; Ren et al., 2021; 王江波, 2020; 王永等, 2021; 胡鹏等, 2022; 木热地力·买合苏提等, 2022Fig.6 Histograms of metamorphic ages (a) and protolith age (b) for the Early Paleozoic meta-mafic rocks, the crystallization age of the Early Paleozoic granite (c) in the North Qinling Belt

4.2.1.2 地幔源区特征

斜长辉石岩和斜长角闪岩样品具有高MgO、Cr、Ni含量和Mg#(表3)，同时具有不同程度的LILEs和LREE的富集(图5c, d)，表明其原岩可能来源于被俯冲板片改造的地幔源区。

图7显示斜长辉石岩和斜长角闪岩样品大部分锆石显示高于地幔锆石的δ18O值和较高的εHf(t)值，继承锆石也具有较高的δ18O值(6.28‰)和εHf(t)值(6.8)，可能代表变质过程对Hf-O同位素影响较小。高的δ18O值表明其原岩形成过程可能有高δ18O值流体/熔体加入。一般来说，在俯冲带有两种交代介质，板片释放的流体和含水熔体(Zheng, 2012)。俯冲板片释放的流体对水溶性元素携带能力强，对非水溶性元素携带能力弱，而板片释放的含水熔体对这两种元素的携带能力都强(Kepezhinskasetal., 1997; Zheng, 2012)。斜长角闪岩样品具有相对较低的 (Hf/Sm)N和 (Ta/La)N值，其源区很可能受到流体的交代作用(La Flècheetal., 1998; Zhuetal., 2012)。斜长辉石岩样品大部分锆石具有更高的δ18O值(图7)、(La/Yb)N和K2O含量(图4c)，这些特征可能指示其地幔源区可能存在再循环洋壳沉积物的贡献。此外，斜长辉石岩样品锆石个别点具有低的δ18O值(图7)，表明其地幔源区组成不均一，其源区也可能存在经历高温热液蚀变的洋壳组分。

图7 丹凤地区早古生代花岗岩和基性捕虏体锆石Hf-O同位素特征Fig.7 Zircon Hf-O isotope characteristics of the Early Paleozoic granite and xenoliths in the Danfeng area

此外，实验岩石学研究表明，基性熔体稀土元素配分模式主要受制于地幔源区中石榴石和尖晶石含量(Kelemenetal., 1993; Greenetal., 2000)。本文研究斜长角闪岩样品具有相对较低的 (La/Yb)N比值(2.4)和相对较平坦的HREE，表明其可能来源于尖晶石相地幔源区。与斜长角闪岩相比较，本文研究斜长辉石岩样品具有相对较高的 (La/Yb)N比值(24.8)和较陡峭的HREE，表明其可能来源于尖晶石相-石榴石相过渡的地幔源区。

4.2.2 花岗岩

本文研究的枣园二长花岗岩样品矿物组合为斜长石+石英+钾长石+黑云母，副矿物为磷灰石、锆石和磁铁矿，缺少特征矿物如堇青石(S型)、角闪石(I型)和碱性矿物(A型)，需要我们运用各项地球化学指标来进行综合判断。本文样品与前人研究枣园岩体花岗岩样品具有高度相似的主微量元素特征(图4、图5)，表明二者具有强烈的亲缘关系，且经历了相似的演化过程。在Nb-10000×Ga/Al图中(图8a)，样品均落入I和S型花岗岩区域。本文研究的枣园二长花岗岩A/CNK值为1.01，前人研究也表明该岩体大部分样品A/CNK值小于1.10(图4b)，符合I型花岗岩的地球化学特征。在P2O5-SiO2图中(图8b)，样品表现出明显的负相关关系，与I型花岗岩的演化趋势较一致。此外，枣园花岗岩样品也表现出同典型I型花岗岩极为相似的地球化学特征，如高Si、高钾钙碱性等。综上所述，丹凤地区枣园二长花岗岩为弱过铝质钙碱性I型花岗岩。

图8 枣园二长花岗岩类型判别图(a)Nb-10000×Ga/Al图(据Whalen et al., 1987)；(b)P2O5-SiO2图Fig.8 Discrimination diagrams of the granite in the Zaoyuan pluton(a) Nb vs. 10000×Ga/Al diagram (after Whalen et al., 1987); (b) P2O5 vs. SiO2 diagram

枣园花岗岩具有较高的SiO2含量(图4a; 67.15%～73.84%)、较低的MgO含量(0.50%～1.36%)和Mg#(<49)(秦拯纬, 2016; 王江波, 2020)，表明其源区地幔物质的贡献有限。本文获得的枣园二长花岗岩锆石εHf(t)值为0.1～5.7，指示其源区主要为中元古代到新元古代新生地壳，与前人对枣园花岗岩Hf同位素特征研究结果一致(图9; 秦拯纬, 2016; Qinetal., 2022)。此外，枣园二长花岗岩锆石具有非常均一的较高的O同位素组成(δ18O=8.72‰～9.66‰)，Hf-O同位素无相关性(图7)，也表明不存在幔源岩浆的明显加入。锆石中氧扩散速率极慢(Watson and Cherniak, 1997; Zheng and Fu, 1998)，且氧同位素组成不受后期亚固相热液蚀变和高级“干”麻粒岩相变质作用的影响(Valley, 2003; Zhengetal., 2004)，所以锆石δ18O值能够反映其岩浆氧同位素组成。一般认为，低温水岩作用使岩石具有较重的O同位素组成(Zhao and Zheng, 2003)。因此，枣园二长花岗岩锆石较高的氧同位素组成表明其源区可能经历过低温水岩作用。此外，在εHf(t)-锆石U-Pb年龄图中(图9)，北秦岭早古生代花岗岩源区显示出古老地壳组分逐渐增加的趋势，晚奥陶世花岗岩源区主要以新生地壳为主，晚志留世花岗岩源区显示出古元古代-太古宙古老地壳物质的重要贡献。

图9 北秦岭早古生代花岗岩锆石Hf同位素特征花岗岩锆石Hf同位素数据来自：雷敏, 2010; 刘丙祥, 2014; Qin et al., 2014, 2015; 秦拯纬, 2016; Wang et al., 2016, 2020; Chen et al., 2018; Ren et al., 2021; 王永等, 2021; 胡鹏等, 2022Fig.9 Zircon Hf isotope characteristics of the Early Paleozoic granite in the North Qinling Belt

微量元素特征方面，枣园花岗岩样品Eu的异常不明显(0.83; 图5a)，指示岩浆演化过程中斜长石分离结晶的影响可能较小。结合前人数据，依据锆饱和温度计(Watson and Harrison, 1983)计算的枣园花岗岩的锆饱和温度(TZr)为784～845℃(本文样品TZr=798℃)。这一温度与黑云母脱水熔融反应温度条件一致(Weinberg and Hasalová, 2015)。

综上所述，早古生代枣园二长花岗岩可能是蚀变的中元古代-新元古代年轻地壳黑云母脱水熔融形成。

4.3 地质意义

一般认为，商丹洋向北俯冲早于510Ma(Dongetal., 2011a; Wangetal., 2014b)，但是510～400Ma秦岭造山带的构造演化仍然存在争议，尤其是陆壳俯冲起始的时间和过程等问题。北秦岭早古生代构造演化过程对于理解秦岭造山带的形成和演化具有重要意义(Meng and Zhang, 1999; 张国伟等, 2001; Dong and Santosh, 2016)。秦岭岩群作为北秦岭造山带变质变形最为强烈的单元，长期受到国际和国内地学界的广泛关注和持续研究。大量锆石U-Pb年代学研究表明，秦岭群中HP-UHP岩石的峰期变质时代为510～480Ma，并认为其形成是陆壳俯冲-深俯冲作用的产物(Chenetal., 2004; 陈丹玲和刘良, 2011; Chengetal., 2011, 2012; Wang and Wu, 2013; 向华等, 2014; Wangetal., 2011, 2014a; Liuetal., 2016; 宫相宽等, 2016; Yuetal., 2016; Dongetal., 2022; Kangetal., 2022)。

在早古生代，北秦岭造山带经历了复杂的演化过程，形成了大量的花岗岩和基性岩，这些岩石也保存了与地壳形成和演化有关的重要构造事件的信息(Wangetal., 2013b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017)。在晚寒武世-早奥陶世，本文研究的斜长角闪岩和斜长辉石岩的原岩形成于这一时期。秦岭群中出露典型基性岩体为富水杂岩，锆石U-Pb定年结果显示其主体形成于510～470Ma(Wangetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017; Zhengetal., 2020)。这些辉长岩大部分锆石具有富集的εHf(t)值和高的δ18O值，认为其来源于俯冲洋壳和/或陆源沉积物交代的富集地幔源区(Wangetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Shietal., 2017; Zhengetal., 2020)。本文研究斜长角闪岩和斜长辉石岩具有较高的锆石εHf(t)值和δ18O值，富集LREE和LILEs，表明其原岩也可能来源于俯冲板片交代的地幔楔。由于富水杂岩形成时代与其围岩秦岭群中HP-UHP岩石的峰期变质时代一致，表明其可能形成于陆壳俯冲过程(Zhangetal., 2015)。这一时期形成的花岗岩集中发育于秦岭群中，锆石U-Pb定年结果表明其形成于501±8Ma～487±10Ma(图6c; 陆松年等, 2003; 王涛等, 2005; Wangetal., 2009; 雷敏等, 2010; Zhangetal., 2013b; 刘丙祥, 2014), 并认为其可能形成于俯冲陆壳的部分熔融(Wangetal., 2009; Zhangetal., 2013b)。

中-晚奥陶世(470～443Ma)，本文研究的斜长角闪岩和斜长辉石岩经历了角闪岩相变质作用、形成了黄柏岔岩体(Zhangetal., 2013a; Liuetal., 2019)。这一时期形成的花岗岩主体形成于～454Ma，也与前人研究秦岭群中大量HP-UHP岩石麻粒岩-角闪岩相退变质作用时代一致(图6)。这些HP-UHP岩石在晚寒武世经历了峰期变质作用后，在中-晚奥陶世遭受了麻粒岩-角闪岩相退变质作用的叠加，说明北秦岭超高压变质带经历了由陆壳俯冲-深俯冲-抬升的构造演化过程(刘良等, 2013)。中-晚奥陶世北秦岭超高压变质带花岗岩可能是抬升过程中陆壳发生部分熔融的产物(Qinetal., 2014)。

晚志留世是北秦岭花岗岩最发育的时期(图6c)，并且花岗岩的源区组成发生了很大变化(图9)，在此之前的花岗岩源区主体为较年轻的地壳，这一时期的花岗岩显示出较复杂的源区组成并包括大量古老陆壳组分的参与。本文研究花岗岩样品具有亏损的锆石εHf(t)值和高的δ18O值，表明其来源于经历低温水岩反应的年轻地壳。秦岭群HP-UHP岩石也记录了～425Ma的第二期退变质作用(图6a)，并认为其代表了造山后伸展，HP-UHP岩石发生第二次构造抬升。抬升过程中俯冲陆壳物质发生大规模部分熔融，形成北秦岭最为广泛的花岗岩。

综上，北秦岭超高压变质带在早古生代可能经历了晚寒武世的陆壳深俯冲，之后分别在中-晚奥陶世和晚志留世发生两次构造抬升事件。丹凤地区早古生代花岗岩记录了第二次构造抬升过程中的陆壳减压熔融；其中的基性捕虏体记录了第一次抬升过程中的变质事件。

5 结论

基于北秦岭丹凤地区早古生代花岗岩和基性捕虏体的岩石学、全岩地球化学和锆石U-Pb-Hf-O同位素研究，可以得到以下几点认识：

(1)枣园岩体和黄柏岔岩体中的基性捕虏体变质时代为中奥陶世(460±5Ma～468±4Ma)，枣园二长花岗岩形成于晚志留世(419±4Ma)；

(2)斜长角闪岩和斜长辉石岩捕虏体富集大离子亲石元素，亏损高场强元素，具有高的锆石εHf(t)值和δ18O值，表明其原岩可能形成于俯冲板片交代地幔楔部分熔融；

(3)枣园二长花岗岩呈现高硅碱、贫铁镁和弱过铝等特征，属于I型花岗岩。具有亏损的锆石εHf(t)值和高的δ18O值。元素与同位素地球化学特征表明花岗岩是由蚀变年轻地壳经黑云母脱水熔融形成；

(4)北秦岭超高压变质带在早古生代可能经历了晚寒武世的陆壳深俯冲，之后分别在中-晚奥陶世和晚志留世发生两次构造抬升。丹凤地区早古生代花岗岩记录了第二次构造抬升过程中的陆壳减压熔融；其中的基性捕虏体记录了第一次抬升过程中的变质事件。

致谢感谢唐欢和李乐倩在野外和实验工作中的帮助!匿名评审专家提出了诸多宝贵意见，在此表示衷心感谢!