造山后与后造山花岗岩类的高场强元素特征及原因浅析

摘 要：造山后与后造山构造阶段是碰撞造山的后续阶段。大别造后山与后造山花岗岩类为晚侏罗世—早白垩世岩浆活动的产物，其岩性以高钾钙碱性系列为特征，高场强元素较地壳而言相对亏损，较造山后相对富集；造山后花岗岩类岩性以碱性—钙碱性系列、准铝质为特征，高场强元素较后造山类花岗岩类相对亏损。后造山与造山后花岗岩类高场强元素的差异与流体中卤族元素的还原性与氧化性、岩浆源区以及矿物相有密切的关系。

关键词：造山后；后造山；花岗岩类；高场强元素

0 引言

自上个世纪八十年代以来，众多学者对造山带及造山运动进行了研究，并对造山带及造山运动的构造格架、构造单元、其所处的构造环境和其岩浆组合以及碰撞后及其后续阶段所形成岩石的地球化学特征做出了较为全面阐述。但是研究对碰撞后的构造阶段（尤其是后造山与造山后）的划分均未达成统一的认识，也未对其高场强元素特征进行系统的总结。笔者通过对诸多文献的阅读并结合数据分析与总结，以大别造山带花岗岩类为例，对造山后与后造山花岗岩类的地球化学特征，尤其是高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf的特征做出系统的归纳整理，对其所出现差异的原因做出简要分析，对花岗岩类构造环境的研究以及造山后期阶段的演化具有重要意义。

1 关于后造山与造山后

在近二十年的研究中，各专家学者对于造山的构造阶段有不同的认识。造山运动的结束通常以伸展构造的发育为标志。本文研究的构造阶段是在陆—陆碰撞完成之后很快就开始的后造山与造山后阶段。后造山为陆—陆碰撞后阶段，此时地壳处于隆升—走滑环境，岩浆组合以高钾钙碱性—钾玄岩系列演讲为主，晚期可分异形成少量碱性花岗岩。碰撞后，构造活动逐渐减弱，转为板内造山后阶段，此时地壳发生伸展塌陷、拆沉等作用，地幔物质上涌，造山后岩浆组合以钙碱性—碱性的准铝质岩浆为主，少量为基性[1]。

2 大别造山后与后造山花岗岩类

在我国，秦岭—大别—苏鲁造山带为华北与华南陆块三叠纪俯冲-碰撞造山带，大别造山带为其中段。大别造山带西起河南桐柏山，东侧到郊城—庐江断裂带。大别造山带的造山后与后造山火成岩类主要在燕山期形成，该期岩体约占基岩出露面积的三分之一，形成时代大致为中侏罗世—晚白垩世，但绝大多数酸性侵入岩类形成于晚侏罗世—早白垩世[2]。本文着重研究的是后造山与造山后花岗岩类，因此现只关注大别造山带的后造山与造山后构造阶段的花岗岩类。

2.1 大别后造山花岗岩类

后造山花岗岩类形成于碰撞造山后的地壳隆升—走滑环境，主要以高钾钙碱性花岗岩类为主。花岗岩类型多样，以I型为主，A型和S型花也较常见，与后碰撞花岗岩类同期甚至可以出现镁铁—超镁铁质岩石，显示出后碰撞深成岩浆作用的多样性和复杂性。

20多年的研究资料表明，大别造山带后造山花岗岩类岩体主要以西熊文、小寨、石鼓尖、姚河、古碑、以及灵山等为主，多分布在北大别一带，出露面积小且较为分散。岩性为二长花岗岩、二长岩与钾长花岗岩等组成，相对富钾且多数属于偏铝质、亚碱性系列。

2.2 大别造山后花岗岩类

造山后花岗岩类是紧接着挤压造山作用和钙碱性岩基侵位结束之后形成于伸展环境。造山后岩浆组合一般为低钾富钠的成分，既有基性岩也有酸性岩，以A型为主。岩石系列上包括碱钙性的准铝质到碱性和过碱性的岩石，取决于斜长石和角闪石所起的作用。造山后组合以准铝质为主，岩石更富Cao和MgO[3]。

据大量的同位素资料及研究表明，大别地区代表性的造山后花岗岩类多形成于早白垩世，期间缺乏火山作用，表明拉伸作用的加强或者快速拉伸已经出现。岩石系列表现为基性—超基性（超镁铁质）和酸性岩浆活动基本同时的双峰式。代表性花岗岩类主要有白马尖、天柱山、九资河及天堂寨等，岩性主要由花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩等组成，以钙碱性—碱性，准铝质为特点，少量为过铝质。

3 造山后与后造山花岗岩类中的Nb、Ta、Zr、Hf含量对比

3.1 高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf丰度

Nb、Ta、Zr、Hf属于高场强元素（亦属于不相容元素），地球化学性质一般较稳定，不易受变质、蚀变和风化作用等的影响，因此常用来恢复遭后期变化岩石的原岩性质。Nb、Ta、Zr、Hf在地球及其各圈层的丰度大不相同，以在地壳中富集，上地幔较为富集为特征[4]。

地壳中，铌平均含量约为20ppm，钽则在2—3.4ppm范围内，Nb/Ta比值近于10，Nb/Ta可作为形成条件的地球化学指示剂。Zr的克拉克值较高（160ppm），比Cu、Pb、Zn、Sn高很多；Hf的含量很低，只有3ppm，Zr/Hf约为50，Zr/Hf可指示岩石的成因及演化。因此，研究岩石中的高场强元素含量对研究岩石的成因和演化具有重要意义。

岩浆中Ti的含量对Nb、Ta的地球化学行为影响很大，钛矿物含量高时，Nb、Ta就以类质同象的形式分散在这些矿物中，不利于岩浆期后的富集。锆、铪含量由超基性岩到酸性岩增加，碱性岩中增加显著，Zr/Hf比值向岩浆演化的后期降低。Zr的分布与岩石成因有关，地幔成因的岩石含Zr低。

3.2 Nb、Ta、Zr、Hf在后造山与造山后花岗岩类中的含量差别

结合大量研究资料表明，高场强元素在后造山与造山后花岗岩类中的含量微有差异，通过对高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf含量的对比，结合其它地球化学分析以及年代学资料，可以对花岗岩类是否形成于后造山或造山后阶段具有一定的指示作用。

本文挑选了姚河、石鼓尖、西熊文、古碑四个后造山花岗岩类岩体以及白马尖、天柱山两个岩体的Nb、Ta、Zr、Hf数据[5-6]，其中后造山花岗岩类Nb、Ta、Zr、Hf的平均含量分别约为12、3、210、6ppm，而造山后花岗岩类的平均含量分别约为11、1、116、3ppm。

对比可发现造山后花岗岩类中Nb、Ta、Zr、Hf含量均较低于后造山花岗岩类中的含量，即后造山花岗岩类Nb、Ta、Zr、Hf相对富集。

4 原因浅析

笔者通过对多地的碰撞造山过程进行研究，总结出Nb、Ta、Zr、Hf在后造山与造山后花岗岩类中存在的这种含量上的差异原因有三方面。

4.1 流体中卤族元素的氧化性与还原性

造山后挤压环境，流体富F，具有较强的氧化性，利于角闪石分离，岩浆向过铝方向演化，Al3+的含量影响高场强元素在金红石中的分配系数，两者呈正相关关系；后造山伸展环境流体富Cl，具有较强的还原性有利于斜长石分离，岩浆向碱性方向演化，Nb、Ta、Zr、Hf在碱性岩浆中较为富集。造山后的伸展构造环境与后造山挤压环境相比，富F贫Cl，有利于Nb、Ta、Zr、Hf元素在残留相中富集，而岩浆熔体中的高场强元素则亏损。

4.2 岩浆源区

Nb、Ta、Zr、Hf在地壳中具有强烈富集的趋势，地幔中相对亏损。后造山挤压环境下所形成的花岗岩类多为壳源亦或混染；而造山后的伸展环境导致地壳减薄，地幔抬升，软流圈物质上涌，地幔发生减压熔融作用，形成玄武岩，玄武岩底侵，使下地壳熔融形成花岗岩。造山后形成的花岗岩类中的物质多为壳幔混源，因此Nb、Ta、Zr、Hf含量相对亏损。

4.3 矿物相的影响

下地壳底部最常见的岩石为斜长角闪岩、 麻粒岩和榴辉岩，麻粒岩和榴辉岩中也可以有少量角闪石产出（ 如角闪麻粒岩、 角闪榴辉岩等） 。

后造山碰撞环境下，由于挤压造山，地壳增厚，高压变质作用显著，碰撞挤压释放的热导致温度升高，下地壳熔融，残留相由富高场强元素的石榴石+辉石+金红石等组成，岩浆熔体则强烈亏损Nb、Ta，Zr、Hf含量较地壳亏损。因此，岩浆作用所形成的花岗岩类相对亏损这些元素。

但在造山后伸展环境下，由于伸展作用，地壳减薄，地幔物质上涌，花岗岩类是岩浆结晶作用和流体共同作用形成的。榴辉岩等变质岩发生退变质作用，石榴石、辉石、金红石等分解为斜长石和角闪石等，在HF和HCl的影响下，熔体中高场强元素含量又相对增加，但由于壳幔混源的影响，Nb、Ta、Zr、Hf含量亦亏损。笔者认为，造山后所发生的退变质时间短，不足以使高场强元素在熔体中富集，因而与后造山碰撞后构造阶段相比，岩石中高场强元素相对亏损，而后造山花岗岩类中则相对富集。

参考文献：

[1]马昌前.大陆地壳造山—非造山构造转换及岩浆作用响应[A]. 2004年全国岩石学与地球动力学研讨会论文摘要集，2004.

[2]戴圣潜，邓晋福，吴宗絮.大别造山带燕山期造山作用的岩浆岩石学证据[J].中国地质，2003，30（02）：159—165.

[3]马昌前，佘振兵，张金阳.地壳根、造山热与岩浆作用[J]. 地学前缘，2006，13（02）：130—138.

[4]黎彤.化学元素的地球丰度[J].地球化学，1976（03）：167—174.

[5]王超，赵展，焦若鸿.大别造山带晚造山期花岗岩类[J].华南地质与矿产，2010（04）.

[6]徐小军，赵子福，郑永飞等.大别造山带天柱山燕山期中酸性岩浆岩元素和同位素地球化学研究[J].岩石学报，2005，21（03）：607—622.

作者简介：姜珊（1988-），女，山东临沂人，长安大学2013级矿产普查与勘探专业硕士研究生，研究方向：矿床学、区域成矿学。

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