东秦岭及邻区地壳三维地球化学结构

QB-1剖面是近南北向横切东秦岭及相邻陆缘的综合地球物理剖面，由原地质矿产部物化探局、第二综合物探大队和成都地质学院于1995年协同完成（袁学诚等，1994；董颐珍，1997）。剖面测线东起河南伊川，经嵩县、栾川、西峡和淅川，止于湖北房县，全长约280km。研究方法综合了人工折射地震、大地电磁、航空磁测与重力测量。
图3-1为QB-1剖面综合地球物理断面图。断面显示出以下基本特征（袁学诚等，1994；董颐珍，1997；张国伟等，2001）：
（1）QB-1剖面所穿过的东秦岭地壳厚度相对较薄，没有地壳加厚现象，即无造山带山根。莫霍面呈叠瓦状分布，其深度由北向南从栾川-嵩县段的约34km增加到商丹断裂以南的约40km。
（2）嵩县以北地壳波速向深部连续递增，但电性不均一，存在形态明显南倾的低阻带，被推断为华北陆块南缘与秦岭造山带的俯冲接触界线。本段内地壳可分为三层，其中上地壳厚度约14.3km（波速约5.89km/s），中地壳约8.9km（波速约5.92km/s），下地壳约7.6km（波速约6.60km/s）。

图3-1 QB-1剖面综合地球物理断面图

（据袁学诚等，1994）
表3-1 秦岭造山带及邻区地壳各结构层的岩石组成


（据张本仁等，2002，略做修改）
（3）嵩县以南至栾川断裂附近，上地壳可分为两层，其厚度和波速分别为9.7km和5.68km/s及5.7km和6.07km/s，中、下地壳特征类似于嵩县以北地壳。
（4）在嵩县以南的栾川断裂附近及其以南地区存在深度（10～20km）和厚度（8～17km）不均一的、但连续的中地壳低速带，其中以商丹断裂至郧县以北区段厚度最大，并在栾川-商丹断裂段存在明显的低电阻带；栾川断裂以南低速层的出现和商丹断裂以南低速层厚度的突然增厚被视为华北陆块南缘与北秦岭及北秦岭与南秦岭分界线的重要地球物理标志。
（5）栾川断裂至商丹断裂段，在宽坪群地层出露的偏北区段，上、中、下地壳的厚度分别为12km、11.6km和8.8km，其波速分别为6.06km/s、5.70km/s和6.81km/s。在秦岭群出露的偏南区段，上地壳分为两层，其厚度和波速分别为3.4km、8.6km和5.21km/s、6.06km/s，区段内的低速层中地壳也可分为两层，其厚度和波速分别为7.4km、5.7km和5.94km/s、5.72km/s，区段下地壳的厚度为8.4km，波速为6.66km/s。
（6）商丹断裂至淅川断裂段，上地壳厚度约13.2km，并分为三个速度层，由上至下速度分别为5.39km/s、6.18km/s和5.99km/s；厚度分别为4.5km、5.0km和3.7km。低速中地壳亦由两个速度层组成，速度和厚度分别为5.94km/s、5.72km/s和6.2km、5.7km。下地壳厚度约8.4km，波速为6.66km/s。
（7）淅川断裂至郧县可分为南、北两个区段。北段上地壳分为三个速度层，波速分别为5.30km/s、6.21km/s和5.71km/s，其厚度分别为42km、6.4km和4.2km，中地壳可分为厚度和速度分别为6.1km、5.0km和6.05km/s、6.00km/s的两个速度层。下地壳为8.2km，波速为6.49km/s。南段上地壳也可分为三层，波速分别为5.55km/s、5.92km/s和6.21km/s，厚度分别为6.0km、5.0km和4.0km；中地壳上、下层波速和厚度分别为6.03km/s、5.88km/s和6.3km、5.0km，下地壳厚度8.0km，速度为6.51km/s。
为建立地球物理断面与地壳剖面的三维地球化学结构之间的联系，基于岩石变质相组合与其形成温度-压力之间的对应关系，赵志丹（1995）、高山等（1995，1996）、Gao et al.（1998）对东秦岭及邻区出露于地表的不同变质相（分别代表不同地壳深度）岩石进行了不同温压条件下的实验室地震波速测量，并与地球物理实测数据进行对比，对QB-1地学断面及邻区的地壳结构模型进行了拟合和约束，进而为建立断面的三维地球化学结构模型进行了探讨。本次研究充分参考了上述成果，并结合近期关于研究区内深源捕虏体的岩石学-地球化学研究进展（路凤香等，2002，2003），提出了东秦岭QB-1地学断面岩石圈的组成和结构模型修改图（图3-2），其体现出以下特点：显示造山带的花状构造；南秦岭下地壳和地幔向北俯冲越过栾川断裂进入华北地块；南秦岭中地壳垫置于北秦岭地壳之下；南秦岭向北形成拆离俯冲的总格局；栾川断裂以北后期有太古宙穹窿构造发育；可以与国外造山带的模型对比（详见第六章）。
基于上述地球物理、实验地球化学和地表地质与构造研究成果而提出的QB-1及邻区地壳地质剖面图示于图3-3（张国伟等，1996），其中华北陆块南缘、北秦岭、南秦岭和扬子陆块北缘，分别以栾川断裂带、商丹断裂带和襄广断裂带为地表标志。各构造界面均以较缓角度北倾，其中前两断裂带切割莫霍面，扬子陆块下地壳向北延伸至南秦岭，而北秦岭的中下地壳被南秦岭物质替换。

前人对结构单元划分的主要依据是地表地质特征，可称为二维结构单元划分。近年来，地质学家十分重视地球物理与岩石地球化学有关的深部成果，在进行构造研究时考虑了深部因素，注重三维结构的划分。如张国伟等在《秦岭造山带与大陆动力学》中提出了立交桥模型；任继舜等在《从全球看中国大地构造—中国及邻区大地构造图简要说明》也提出了中国及邻区地壳-上地幔结构，以平面上的镶嵌构造和三维空间上的立交桥式结构为基础，同时将东亚与北美大陆进行对比。马宗晋等（1999）根据山川大（态）势和新构造断裂、地震活动、重力和地壳厚度、地磁异常、壳内和幔内高导层等各方面的表现，以银川—昆明一线为界将中国大陆划分为东西两部分。邓晋福等（1997）依据“根柱构造”概念提出新生代以来中国大陆岩石圈尺度的大地构造分区。这些都为秦岭-大别造山带的构造归属及其构造单元的进一步划分提供了很好的依据和借鉴。
以前人的研究为基础，依据最新研究成果，在秦岭造山带内部以商丹缝合带为界划分为北秦岭和南秦岭，南、北秦岭具有不同的岩石地层组成、结构构造和变质作用特征（张国伟等，2001），同时在区域磁场方面南、北秦岭也有差异。龟梅剪切带和五莲-烟台剪切带（商丹带的东延）以南的桐柏-大别-苏鲁带的组成与结构，有很多可以与南秦岭对比的地方，但考虑到该高压、超高压带的出露以及大兴安岭-太行山重力梯度带以东中、新生代构造强烈活化的特殊性，将桐柏-大别-苏鲁部分单独划分。即将秦岭-大别-苏鲁造山带内部划分为三个单元：北秦岭、南秦岭和桐柏-大别-苏鲁带。为了在地质、地球化学及地球物理等特征方面与两侧陆块进行对比，将F1与F3之间的华北克拉通（陆块）南缘与扬子克拉通（陆块）北缘也作为本项目研究的内容（图1-1）。
从现今岩石圈三维结构的角度观察，商丹断裂（构造）带及其东延的龟梅断裂带、烟台-五莲断裂带可以看作是中国东部南北两大块体的重要分界线。
除了平面上的构造分区，秦岭-大别-苏鲁造山带岩石圈还显示出明显的纵向流变分层。以秦岭造山带为例，其浅层为脆性-韧性的上部地壳变形层，以保存的古东西向构造为主，中下地壳则是水平流变变形的过渡带，而深部地幔则是最新流变调整造成的南北向“异常”结构和状态。总体上形成现今结构上部呈东西走向深部呈南北走向的“立交桥”式的三维结构模型（张国伟等，1996b）。

图1-1 秦岭大别苏鲁造山带构造略图

（据张国伟等，2001；索书田等，2000，修改）
SNC—华北陆块南缘：Ⅱ—NYZ扬子陆块北缘：NQL—北秦岭；SQL—南秦岭；F1—宝鸡西安潼关宜阳鲁山舞阳淮南断裂带；F2—勉略巴山房县襄广断裂带；F3—洛南栾川罗山肥西断裂带SHDF1商丹缝合带；QHF—确山合肥断裂带；WYF—五莲烟台断裂带；JXF—嘉山响水断裂带；BXMF—八里畈晓天磨子潭断裂带；TLF—郯庐断裂带；NYF—南阳断裂；CC—核部杂岩单元；UHP—超高压单元；HP—高压单元；EB—绿帘蓝片岩单元；SC—沉积盖层

在1987～1991年期间，曾从170条典型地层剖面、181条通过花岗岩类岩体的路线和42条通过镁铁质-超镁铁质岩体的路线中采集的4800件岩石样品的分析数据为基础，估算和发表了东秦岭及邻区——华北克拉通南缘、北秦岭、南秦岭和扬子克拉通北缘四个构造单元上、中、下地壳的平均化学成分与元素的丰度（Gao et al.，1992）。在“八五”期间，为了检验和改善有关秦岭区域地壳化学成分的估计，采用上述新建立的东秦岭及邻区的地壳结构-岩石组成模型为基础，并对以往采集的4800件岩石单个样品组合为380个组合样，采用中子活化法（INAA）、X射线荧光光谱法（XRF）、原子吸收法（AA）、原子荧光光谱法（AF）、催化波极谱法（POL）、分光光度法（COL）等15种可靠分析方法进行了63种主量、微量和稀土元素的测定。各元素所采用的测试方法及标准样测试的平均相对误差和重复样的平均相对偏差见鄢明才等（1996）论文。新获得的秦岭与邻区的地壳平均化学成分和元素丰度（Gao Shan et al.，1998）同以前取得的结果是完全可对比的，特别主量和稀土元素两次估计的丰度值差别是很小的，除以前的结果中Ba、Cr、Ni、Sr系统偏低和Pb系统偏高外，其余元素丰度两次的估计值绝大多数相差小于15%。现以东秦岭及邻区新的地壳元素丰度估计值（表3-2）为基础，分析和展示该区域地壳三维

图3-2 QB-1剖面及邻区地质断面图

（据张国伟等，1996）

图3-3 东秦岭QB-1地学断面岩石圈结构-组成模型

（据赵志丹，1995，修改）

表3-2 秦岭造山带及邻区各构造单元地壳化学成分

续表

续表

注：UC—上地壳；MC—中地壳；LC—下地壳；TC—地壳整体。化学结构（垂向和侧向化学不均匀性）。

（据Gao Shan et al.，1998）

3.1.2.1 各构造单元地壳上、中、下结构层的化学组成特征

鉴于北秦岭现今中-下地壳是印支期通过碰撞造山晚期扬子陆块北缘（南秦岭）俯冲垫置于其上地壳之下的南秦岭基底岩层，其现今地壳的上部和中、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3-3）。对比揭

表3-3 不同构造单元地壳上、中、下结构层化学成分特征

由表3-2数据编制；主量元素氧化物含量单位为%；微量和稀土元素丰度单位为10^-6。代号同表3-2。示出：华北陆块南缘地壳表现出由下至上∑FeO、MgO和V、Cr、Ni、Co等相容元素含量逐渐降低，而SiO₂、K₂O和Rb、Li、Be、Ba、Th、∑REE等不相容元素含量逐步增长，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的。单颗粒锆石年龄研究表明，2.5Ga的登封群变英安流纹岩中含有来自太华群的老锆石（Kroner et al.，1988）；中元古代熊耳群火山岩主体基本继承了太华群的Nd、Pb同位素组成的特征。这些均可支持上述推断。然而，扬子陆块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，而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的。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。

3.1.2.2 不同构造单元地壳显示的侧向化学不均一性

北秦岭现今由秦岭群、宽坪群、丹凤群、二郎坪群及花岗岩类为主组成的上地壳具有原地地壳的性质，它既能代表北秦岭的现今上地壳，又能代表印支期以前未隆升的北秦岭的中-下地壳。所以在分别对比区域四个构造单元上地壳和中-下地壳化学组成时，对北秦岭均采用了上地壳的数据（表3-4和表3-5）。

表3-4 四个构造单元上地壳化学组成特征

依据表3-2数据编制；SNC—华北陆块南缘；NQ—北秦岭；SQ—南秦岭；YC—扬子陆块；主量元素氧化物含量单位为%，微量和稀土元素丰度单位为10^-6。

表3-5 四个构造单元中-下地壳化学组成特征

续表

注同表3-4。

对比分析表3-4和表3-5中的数据，可以看出东秦岭区域地壳所具有的如下侧向化学不均一性：①华北陆块南缘上地壳和中-下地壳，相对于扬子陆块上地壳和中-下地壳，一致显示高∑FeO、Sr含量和高Sc/Th比值的特征；仅就中-下地壳而言尚显示高MgO、CaO、Mo含量和高Zr/Hf比值的特点；仅就上地壳而言还具有高Ba含量的特点。②扬子陆块上地壳和中-下地壳，相对于华北南缘上和中-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，此外中地壳的Mg′值则明显高于华北。③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Ti、Cr、Ni含量及高Nb/La、Ba/La比值的特征。④但北秦岭地壳同其余三构造单元上地壳和中-下地壳相比均显示富Nb、Ta、Th、Sc、Y及高Th/La、Y/Tb比值和低Nb/Ta比值的明显特征。北秦岭地壳在绝大多数元素丰度及元素比值方面明显与华北南缘地壳不同，但是却与南秦岭和扬子北缘上和中-下地壳共同显示相对富集Be、Li、Cu及高Rb/Sr、Ni/Co比值和低Sc/Th比值的特征。北秦岭现今中-下地壳化学成分的特征与南秦岭中地壳相同。

扬子陆块北缘上地壳的化学特征在东段（神农架-宜昌地区）和西段（西乡-碑坝地区）之间也显示出一定的差异（表3-6，表现为东段相对富MgO、Cr、Ni、Co、Th、Rb及高Ni/Co、Zr/Hf比值；西段相对富Ba、Be、Li、Zr、Hf、Nb、Ta、Sc、Y及相对高Nb/Ta、Nb/La、Ba/La、Ba/Sr、Y/Tb、Y/La、Yb/Hf、Sm/Nd和Sc/Th比值。然而，其中多数元素含量与比值的差别一般较小，均仍保持上述扬子陆块地壳的基本特征。

3.1.2.3 东秦岭地壳区域性化学特征

为了揭示东秦岭地壳形成过程的特征与地壳化学组成相对于全球大陆地壳平均化学组成的差异，我们编制了秦岭各构造单元地壳各结构层原始地幔标准化元素组成图（图3-4）及大陆地壳标准化元素组成图（图3-5）。原始地幔化学组成数据引自Sun and McDonough（1989）；大陆地壳化学组成引自Rudnick and Fountain（1995）。图3-4显示出，东秦岭各构造单元地壳不同结构层，相对于原始地幔，均表现出强不相容元素的明显富集，而高场强元素（Nb、Ta、P、Ti等）相对于相邻亲石大离子元素不同程度亏损的特征；同时还具有Pb和Sb高丰度的区域特征。此外，能代表北秦岭原来地壳的上地壳还显示较其他构造单元地壳富集Th和U的特征，表明其地壳形成有一定的特殊性。图3-5显示出，相对于全球陆壳，东秦岭地壳仍在整体上表现出高场强元素（Nb、Ta、Ti、P和Y）不同程度亏损的特征，并且在秦岭地壳中众多的亲石大离子元素（如Rb、Ba、Th、Li、LREE等）也较全球陆壳平均成分富集。这些特征一致表明秦岭造山带及相邻两陆块缘区地壳经历了较全球陆壳平均演化程度更高的分异。此外，大陆地壳标准化元素组成模式也显示出北秦岭上地壳具有全区地壳最富Th、U的特征，并且其上地壳与中-下地壳元素组成之间有较大的差异，同样可表明它们之间仅是构造叠加关系而无成因联系。

表3-6 扬子陆块北缘东段和西段上地壳化学组成特征

图3-4 东秦岭不同构造单元地壳各结构层原始地幔标准化元素组成图

图3-5 不同构造单元地壳各结构层全球地壳标准化元素组成特征图

（图例同图3-4）