官文慧++汪洋??

摘要：應(yīng)用巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)定量、半定量估算巖漿弧地殼厚度的方法包括：鈣堿性巖套K2O含量、w（Sr）/w（Y）值、w（La）N/w（Yb）N值，玄武質(zhì)巖石Na2O含量、CaO含量、w（Ce）/w（Y）值等。目前提出的定量公式對(duì)厚度在20～45 km范圍內(nèi)的俯沖造山帶地殼厚度反演結(jié)果可靠性較高。中酸性巖w（Dy）/w（Yb）值可以指示造山帶是否存在加厚的地殼。應(yīng)用巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)定量、半定量反演造山帶地殼厚度的公式要求：明確其適用條件與應(yīng)用范圍；有足夠數(shù)量的樣本；進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選并且剔除離群值。藏南岡底斯弧的實(shí)例研究表明，w（La）N/w（Yb）N值能夠估算碰撞造山帶古地殼厚度，印度板塊與亞洲大陸碰撞引起的地殼顯著增厚導(dǎo)致岡底斯地體中酸性巖漿巖w（Sr）/w（Y）值、w（La）N/w（Yb）N值在40 Ma以來(lái)明顯躍升。三江地區(qū)三疊紀(jì)義敦島弧地殼厚度為60 km；福建長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶早白堊世時(shí)期巖漿弧的地殼厚度為42 km；遼西地區(qū)中侏羅世—早白堊世時(shí)期火山巖地殼厚度為50～65 km。

關(guān)鍵詞：地殼厚度；地球化學(xué)；巖漿?。辉焐綆?；岡底斯?。涣x敦島??；福建；遼寧

中圖分類號(hào)：P595文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Petrogeochemical Methods for Quantitative Estimation of the Crustal

Thickness of Orogenic Belt： Overview and Case Studies

GUAN Wenhui， WANG Yang

（School of Earth Sciences and Resources， China University of Geosciences， Beijing 100083， China）

Abstract： The petrogeochemical data， which include K2O content， w（Sr）/w（Y） and w（La）N/w（Yb）N of calcalkaline suite， and Na2O and CaO contents and w（Ce）/w（Y） of basaltic rocks， can be used to quantitatively or semiquantitatively estimate the crustal thickness of magmatic arc. The quantitative formulas are reliable to calculate the crustal thickness （2045 km） of subduction orogenic belt. w（Dy）/w（Yb） of intermediateacidic rocks can constrain the thick crust with more than 50 km. The proper application for quantitatively or semiquantitatively estimating the crustal thickness of orogenic belt requires that obeying the conditions and scopes of the method， gathering a dataset for analysis as large as possible， and doing data screen and outlier elimination. For the case of Gangdese in the southern Tibet， it concludes that w（La）N/w（Yb）N can be used to estimate the thickness of crustal thickness in the postcollisional environment. The remarkable jump of w（Sr）/w（Y） and w（La）N/w（Yb）N of intermediate magmatic rocks in Gangdese terrane since 40 Ma is due to the crust thickening caused by the collision between India plate and Asia continent. The crustal thickness of Triassic Yidun island arc in Sanjiang area is 60 km； that of Early Cretaceous magmatic arc in ChangleNanao tectonic zone of Fujian is 42 km； that of Middle JurassicEarly Cretaceous volcanic rocks in the western Liaoning is 5065 km.

Key words： crustal thickness； geochemistry； magmatic arc； orogenic belt； Gangdese arc； Yidun island arc； Fujian； Liaoning

0引言

定量或半定量地確定造山帶地殼厚度具有重要的理論意義，地殼厚度變化是造山過(guò)程中構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的直觀表現(xiàn)。基于Airy均衡理論，地殼厚度變化必然導(dǎo)致地表高程的變化，而地表高程的起伏會(huì)影響大陸的古氣候（行星風(fēng)系、溫度）、古環(huán)境，進(jìn)而對(duì)生物的演化產(chǎn)生影響[12]。Chiaradia研究認(rèn)為，斑巖銅礦的規(guī)模與島弧地殼厚度存在正相關(guān)關(guān)系[3]；因此，恢復(fù)造山帶（古）地殼厚度具有指導(dǎo)礦產(chǎn)勘探選區(qū)的重要意義。然而，由于造山事件之后的內(nèi)、外地質(zhì)作用（如裂陷伸展、剝蝕等）對(duì)造山帶的改造，加之地質(zhì)證據(jù)的匱乏，估算古造山帶在造山運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)期的地殼厚度是比較困難的。巖石學(xué)和地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，造山時(shí)期巖漿的地球化學(xué)成分特征能夠反映古地殼的厚度狀態(tài)[412]。

巖漿在結(jié)晶分離或部分熔融過(guò)程中，不同元素的地球化學(xué)行為不同。不同條件下，元素會(huì)選擇性地進(jìn)入固體相或者熔體相中。某些礦物相（如石榴石、角閃石、斜長(zhǎng)石）的穩(wěn)定性受壓力的影響較大[4]，相容或不相容于這些礦物相的元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）可以指示巖漿源區(qū)的壓力，從而反映巖漿的起源深度?？梢岳眠@些元素含量或其比值估算造山帶巖漿作用發(fā)育時(shí)期的地殼厚度[412]。

雖然應(yīng)用巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)估算造山帶古地殼厚度的實(shí)踐已有近50年歷史（以K60方法的提出為標(biāo)志），但是目前中國(guó)對(duì)這種方法的認(rèn)識(shí)存在一些誤解，在實(shí)際工作中還存在誤用的情況。本文系統(tǒng)總結(jié)了應(yīng)用巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)估算造山帶古地殼厚度的方法，指出其適用范圍，同時(shí)采用最新的w（Sr）/w（Y）值和w（La）N/w（Yb）N值統(tǒng)計(jì)公式恢復(fù)了中國(guó)若干造山帶的古地殼厚度，以期為造山帶古地殼厚度定量研究提供參考。其中，w（·）為元素或化合物含量，w（·）N為元素含量球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

1利用主量元素估算地殼厚度

1.1弧巖漿巖K2O含量

弧巖漿巖的化學(xué)極性是指在垂直于相同年齡的弧溝（Arctrench）體系走向的方向上，弧巖漿巖在相同SiO2含量條件下，其K2O、大離子親石元素（LILE）含量等隨著距離海溝的遠(yuǎn)近而顯示出系統(tǒng)的變化特征[1314]。這種組成極性是俯沖帶深度增加的函數(shù)[15]，也是地殼厚度的函數(shù)[5，16]。例如，弧巖漿巖在給定SiO2含量條件下，其K2O含量隨弧地殼厚度的增加而升高，巖性由拉斑玄武巖亞系列逐漸變化為（狹義的）鈣堿性亞系列和鉀玄巖亞系列[13]。

Condie等對(duì)全球26個(gè)巖漿弧的統(tǒng)計(jì)顯示，采用SiO2標(biāo)準(zhǔn)化的火山巖K2O含量（即SiO2含量固定時(shí)的K2O含量）與地殼厚度之間存在正相關(guān)關(guān)系，并且采用分組的數(shù)據(jù)處理方法給出了弧巖漿巖的K60值、K55值（K60、K55代表SiO2含量分別為60%、55%時(shí)K2O含量的100倍）與地殼厚度（H）的線性關(guān)系[5]。Condie給出的K60值與地殼厚度的關(guān)系式為[6，14]

H=18.2K60+0.45（1）

式中：K60為K60值。

萬(wàn)天豐認(rèn)為，Condie的K60值估算地殼厚度的式（1）對(duì)于估算太古宙和古元古代原始大陸地殼厚度是比較合適的[17]。但對(duì)于古元古代以后形成的陸殼，由于其多半與古老陸殼物質(zhì)再循環(huán)有關(guān)，巖漿巖K含量與地殼厚度的關(guān)系不清楚，所以不能用K60值來(lái)估算地殼厚度。

汪洋對(duì)K60值與地殼厚度關(guān)系的分析表明，Condie的K60值估算地殼厚度的式（1）只適用于島?。↖sland Arc）巖漿巖（K60值不高于25），同時(shí)

不能應(yīng)用于地殼厚度超過(guò)42 km的情況[18]。這是因?yàn)镃ondie構(gòu)建的K60值估算地殼厚度的關(guān)系式所依據(jù)的數(shù)據(jù)全部來(lái)自地殼厚度不大于42 km的島弧，而且這些島弧巖漿巖的K60值不高于25[5]；若K60值高于25，K60值與地殼厚度的線性關(guān)系明顯偏離Condie給出的關(guān)系式[18]。對(duì)前人應(yīng)用K60值估算中國(guó)大陸造山帶古地殼的檢驗(yàn)表明，K60值估算地殼厚度的關(guān)系式不適用于碰撞造山帶[18]。汪洋進(jìn)一步給出K60值與地殼厚度的對(duì)數(shù)關(guān)系式[18]

H=11.26ln K60+24.5（2）

式（2）的適用條件為：K60值介于06～25之間，地殼厚度為15～42 km。由于島弧被認(rèn)為是形成新生陸殼的場(chǎng)所[19]，所以應(yīng)用K60值可以估算太古宙和古元古代原始大陸地殼厚度。

在Leeman研究工作[16]的基礎(chǔ)上，通過(guò)匯集123個(gè)西半球鈣堿性巖套及少量東半球鈣堿性巖套（共計(jì)超過(guò)6 000個(gè)鈣堿性中性巖）分析數(shù)據(jù)，Best等提出：①鈣堿性巖套的K57.5值（SiO2含量為575%時(shí)K2O含量的100倍）與巖漿弧地殼厚度存在正相關(guān)關(guān)系，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集的地殼厚度范圍為30～70 km，K57.5值為0.5～30；②安山巖（SiO2含量為57%～63%）的w（K2O）/w（Na2O）值與巖漿弧地殼厚度存在正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)?shù)貧ず穸瘸^(guò)52 km時(shí)，w（K2O）/w（Na2O）值不再具有增加的趨勢(shì)；③鈣堿性巖套（SiO2含量低于63%）的最小初始N（87Sr）/N（86Sr）值與巖漿弧地殼厚度存在正相關(guān)關(guān)系，其值從

0703～0704（巖漿弧地殼厚度為30 km）變化到0705～0.706（巖漿弧地殼厚度為70 km）；④鈣堿性巖套（SiO2含量為45%～75%）的平均初始N（87Sr）/N（86Sr）值與巖漿弧地殼厚度存在正相關(guān)關(guān)系，其值從0704～0705（巖漿弧地殼厚度為30 km）變化到0706～0708（巖漿弧地殼厚度為70 km）；⑤鈣堿性巖套（SiO2含量為45%～75%）的Ba、Rb含量與巖漿弧地殼厚度存在弱的正相關(guān)關(guān)系，但存在一些明顯的例外[8]。這些組合的線性判定系數(shù)（R2）為040～050[8]。通過(guò)對(duì)比美國(guó)西南部Great Basin新生代鈣堿性巖套的K57.5值、w（K2O）/w（Na2O）值、最小初始N（87Sr）/N（86Sr）值、平均初始N（87Sr）/N（86Sr）值、Ba含量和Rb含量，Best等將Great Basin地區(qū)在17～42 Ma時(shí)期的地殼厚度半定量地約束在60～70 km的數(shù)量級(jí)[8]。其中，N（·）/N（·）為同一元素同位素比值，N（·）為該元素的原子豐度。

綜上所述，鈣堿性巖套的K2O含量可以用來(lái)定量、半定量地約束造山帶的地殼厚度，但需要滿足其適用條件以及具有大的數(shù)據(jù)樣本。

1.2弧玄武巖Na6.0值和Ca6.0值

根據(jù)全球25個(gè)巖漿弧的100座活火山玄武巖分析數(shù)據(jù)，Plank等發(fā)現(xiàn)弧玄武巖的主量元素含量變化與巖漿弧地殼厚度之間存在相關(guān)關(guān)系[7]。其中，弧玄武巖的Na6.0、Ca6.0值與巖漿弧地殼厚度的相關(guān)性最強(qiáng)，Na6.0值與巖漿弧地殼厚度呈正相關(guān)關(guān)系，而Ca6.0值與巖漿弧地殼厚度則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖1）。其中，Na6.0表示弧玄武巖MgO含量為6%時(shí)的Na2O含量，Ca6.0表示弧玄武巖MgO含量為6%時(shí)的CaO含量。

圖中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[7]

在排除了高壓條件下分離結(jié)晶作用和同化混染結(jié)晶分離（AFC）過(guò)程對(duì)Na6.0、Ca6.0值與巖漿弧地殼厚度相關(guān)關(guān)系的影響之后，Plank等指出Na6.0、Ca6.0值與巖漿弧地殼厚度之間的相關(guān)關(guān)系是由于巖漿弧地殼厚度控制了地幔熔融過(guò)程的上邊界[7]。

本文根據(jù)Plank等的數(shù)據(jù)[7]對(duì)弧玄武巖Na6.0、Ca6.0值與巖漿弧地殼厚度的關(guān)系進(jìn)行線性回歸。其關(guān)系式分別為

H= 25.71N6.0-39.23R2=0.673 3（3）

H= 141.11-0.96C6.0R2=0.777 8（4）

式中：N6.0為Na6.0值；C6.0為Ca6.0值。

根據(jù)Plank等的數(shù)據(jù)篩選方法[7]，應(yīng)用弧玄武巖估算巖漿弧地殼厚度時(shí)，要求弧玄武巖的MgO含量為3%～10%（無(wú)揮發(fā)分歸一為100%時(shí)），符合該范圍的樣品數(shù)須大于3個(gè)，并且其中至少包含一個(gè)MgO含量大于55%的樣品。

2利用微量元素估算地殼厚度

2.1弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值

Mantle等根據(jù)全球絕大多數(shù)火山弧的50個(gè)活動(dòng)火山1 100余個(gè)玄武巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)弧玄武巖的輕、重稀土元素分餾程度與火山弧地殼厚度（莫霍面深度）具有正相關(guān)關(guān)系[9]。采用w（Ce）/w（Y）值代表輕、重稀土元素分餾程度，弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值與地殼厚度的關(guān)系式為

H=18050 5ln（3301 4w（Ce）/w（Y））（5）

式（5）中弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值取數(shù)據(jù)集的最大值（圖2）。應(yīng)用式（5）的前提是：玄武巖為俯沖作用的產(chǎn)物；SiO2含量為44%～53%；MgO含量高于4%；燒失量低于4%；排除硅不飽和及富K的玄武質(zhì)巖石；統(tǒng)計(jì)w（Ce）/w（Y）值的樣品數(shù)量至少為10個(gè)[9]?；⌒鋷rw（Ce）/w（Y）值的高低與其分離結(jié)晶過(guò)程中石榴石結(jié)晶相是否存在及其含量有關(guān)，而石榴石的穩(wěn)定域受制于壓力。由于玄武質(zhì)巖漿的密度較大，往往底侵（Underplating）于火山弧地殼的底部，弧地殼厚度制約了這些玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶相中的石榴石，所以弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值可以指示弧地殼厚度。

圖中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[9]

圖2弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值與地殼厚度的關(guān)系

Fig.2Relationship Between the Crustal Thickness and

w（Ce）/w（Y） of Arc Basalts

根據(jù)上述弧玄武巖反演弧地殼厚度的統(tǒng)計(jì)公式，Mantle等指出新西蘭造山帶至少經(jīng)歷了3次地殼增厚階段[9]：晚泥盆世（360～370 Ma）時(shí)期，弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值最大達(dá)到2，指示了地殼增厚過(guò)程，地殼厚度達(dá)到約32 km；晚泥盆世—中二疊世（260～270 Ma）時(shí)期，弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值下降至1以下，反映新西蘭造山帶地殼厚度減薄至20 km；中二疊世—晚侏羅世（144～260 Ma）時(shí)期，弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值上升至2，新西蘭造山帶發(fā)生第2次地殼增厚，地殼厚度達(dá)到33 km；之后弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值持續(xù)增加，在120 Ma時(shí)達(dá)到峰值（37），此時(shí)新西蘭造山帶經(jīng)歷第3次地殼增厚，地殼厚度達(dá)到約50 km；至100 Ma時(shí)，弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值降至25，地殼厚度減薄至36 km。

2.2弧巖漿巖w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值

Mamani等應(yīng)用弧巖漿巖稀土元素含量比值刻畫的重稀土元素虧損程度作為反映造山帶地殼厚度的指標(biāo)[10，2022]。其原理是巖漿巖w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值的變化與巖漿源區(qū)殘留相的角閃石和石榴石含量密切相關(guān)：低w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值（即w（Sm）/w（Yb） 值低于4，w（Dy）/w（Yb）值低于2）指示殘留相中存在相當(dāng)數(shù)量的角閃石；高w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值（即w（Sm）/w（Yb） 值高于4，w（Dy）/w（Yb）值高于2）則指示殘留相中存在相當(dāng)數(shù)量的石榴石[10]；而角閃石和石榴石在殘留相組合中的穩(wěn)定性受壓力的制約，因此，造山帶巖漿巖w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值的變化可以反映地殼厚度的變化。Mamani等認(rèn)為：一個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)育的巖漿巖w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）最大值反映了巖漿的起源深度[10]；在一組樣品中有一個(gè)樣品具有高w（Sm）/w（Yb）值或w（Dy）/w（Yb）值，足以表明存在加厚的地殼（石榴石為穩(wěn)定殘留相），而同組其他樣品較低的w（Sm）/w（Yb）值或w（Dy）/w（Yb）值并不構(gòu)成否定加厚地殼存在的證據(jù)。

Mamani等應(yīng)用中安第斯火山巖帶（Central Volcanic Zone）與俯沖作用相關(guān)的火山巖微量元素含量比值追蹤該地區(qū)地殼厚度隨時(shí)間的變化[10]。通過(guò)繪制w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值隨成巖年齡變化圖，Mamani等指出[10]：90～100 Ma時(shí)期中安第斯火山巖帶地殼厚度較?。?0～90 Ma時(shí)期巖漿巖w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值緩慢增加，表明該地區(qū)地殼厚度逐步增厚，反映了弧地殼的成熟；10～30 Ma時(shí)期巖漿巖w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值顯著增高，是中安第斯火山巖帶地殼顯著增厚的第1階段；而1～10 Ma時(shí)期巖漿巖w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值增高幅度緩于上一階段，是中安地斯火山巖帶地殼顯著增厚的第2階段。

根據(jù)上述實(shí)例，弧巖漿巖的w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值適合于約束經(jīng)歷了顯著增厚過(guò)程的造山帶古地殼厚度（最大古地殼厚度大于50 km，對(duì)應(yīng)壓力大于15 GPa）。

2.3弧巖漿巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值

基性巖部分熔融或分異過(guò)程中，壓力較低（低于10 GPa）時(shí)，斜長(zhǎng)石是穩(wěn)定相，Sr是相容元素，當(dāng)壓力增高（高于1.2 GPa）時(shí)，斜長(zhǎng)石變得不穩(wěn)定，Sr優(yōu)先進(jìn)入熔體相，變?yōu)椴幌嗳菰?；與之相反，低壓條件下，不相容元素Y、Yb由于高壓下石榴石和角閃石的存在而變?yōu)橄嗳菰豙20，23]?；r漿巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值受制于其源區(qū)殘留相或分離結(jié)晶相中斜長(zhǎng)石、石榴石和角閃石的比例，分離結(jié)晶相中斜長(zhǎng)石、石榴石和角閃石的穩(wěn)定域則受到壓力的制約，故而弧巖漿巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值可以指示巖漿弧地殼厚度[4]。Chiaradia指出弧巖漿巖w（Sr）/w（Y）值與弧地殼厚度之間存在正相關(guān)關(guān)系[4]。Chapman等根據(jù)全球巖漿弧地殼厚度和中性巖巖石地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)，分別回歸得到w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值與弧地殼厚度的相關(guān)關(guān)系（圖3、4），為利用w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值定量估算與俯沖作用相關(guān)的造山帶古地殼厚度提供了基礎(chǔ)[1112]。

圖中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11]

圖3弧巖漿巖w（Sr）/w（Y）中位值與地殼厚度的關(guān)系

Fig.3Relationship Between the Crustal Thickness and

the Median w（Sr）/w（Y） of Arc Magmatic Rocks

圖中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[12]

圖4弧巖漿巖w（La）N/w（Yb）N中位值與地殼厚度的關(guān)系

Fig.4Relationship Between the Crustal Thickness and

the Median w（La）N/w（Yb）N of Arc Magmatic Rocks

Chapman等歸納的w（Sr）/w（Y）值與地殼厚度的回歸關(guān)系式為[11]

H=1.11w（Sr）/w（Y）+8.05（6）

應(yīng)用式（6）的要求是：弧巖漿巖SiO2含量為55%～70%，MgO含量為1%～6%，w（Rb）/w（Sr）值為005～020；數(shù)據(jù)集要排除由蝕變洋殼部分熔融形成的埃達(dá)克巖，還要采用改進(jìn)的Thompsontau統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法剔除w（Sr）/w（Y）的離群值（Outlier）；計(jì)算中采用的w（Sr）/w（Y）值為數(shù)據(jù)集的中位值（Median）。

Profeta等歸納的w（La）N/w（Yb）N值與地殼厚度的回歸關(guān)系式為[12]

H=21.277ln（1.020 4w（La）N/w（Yb）N）（7）

應(yīng)用式（7）的要求是：弧巖漿巖SiO2含量為55%～68%，MgO含量小于4%，w（Rb）/w（Sr）值為005～020；數(shù)據(jù)集要排除由蝕變洋殼部分熔融形成的埃達(dá)克巖，還要采用改進(jìn)的Thompsontau統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法剔除w（La）N/w（Yb）N的離群值；w（La）N/w（Yb）N值采用McDonough等提出的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素?cái)?shù)據(jù)[24]；計(jì)算中采用的w（La）N/w（Yb）N值為數(shù)據(jù)集的中位值。

Chapman等應(yīng)用w（Sr）/w（Y）值研究了美國(guó)科迪勒拉西南部盆嶺省的地殼厚度變化，得到了與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、古海拔高程研究相符的結(jié)果[11]。Profeta等應(yīng)用w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值約束了新生代中安第斯火山帶、不列顛哥倫比亞海岸巖基（Coastal Batholith）、內(nèi)華達(dá)巖基和MojaveTransverse Range地區(qū)中生代巖漿弧的地殼厚度變化，得到了與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究相符的結(jié)果[12]。同時(shí)，這些實(shí)例中w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值反演的地殼厚度變化趨勢(shì)相同。據(jù)此，Profeta等認(rèn)為，式（6）、（7）可以用于定量估算長(zhǎng)壽命（Long Term）巖漿弧古地殼厚度，但能否用于估算短壽命巖漿?。ㄈ绲刂泻５貐^(qū)巖漿?。┖团鲎苍焐綆У墓诺貧ず穸?，尚待進(jìn)一步驗(yàn)證[12]。

3實(shí)例檢驗(yàn)

3.1三江地區(qū)三疊紀(jì)義敦島弧

三江構(gòu)造成礦帶義敦地區(qū)是三疊紀(jì)時(shí)期發(fā)育的古島弧[2528]。根據(jù)Wang等得出的數(shù)據(jù)[27]，剔除w（Sr）/w（Y）值大于60的數(shù)據(jù)[12]，對(duì)剩余數(shù)據(jù)采用改進(jìn)的Thompsontau統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法剔除w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N的離群值后，義敦地區(qū)三疊紀(jì)卡尼期—諾利期（215～230 Ma）中酸性侵入巖（SiO2含量為55%～70%）的w（Sr）/w（Y）中位值為4840，估算地殼厚度為62 km，w（La）N/w（Yb）N中位值為1567，估算地殼厚度為59 km。采用兩種方法得到的古地殼厚度在誤差范圍內(nèi)完全一致，表明估算結(jié)果是可信的。篩選后，適合于估算地殼厚度的數(shù)據(jù)集w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）最大值分別為380和229，w（Dy）/w（Yb）值大于2，指示巖漿源區(qū)殘留相中存在石榴石[10]，這同樣表明義敦島弧三疊紀(jì)時(shí)期存在加厚地殼（厚度大于50 km，對(duì)應(yīng)壓力大于15 GPa）。

3.2東南沿海侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)巖漿弧

福建長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶在早侏羅世—白堊紀(jì)發(fā)育俯沖環(huán)境下的鈣堿性巖漿活動(dòng)，是晚中生代時(shí)期中國(guó)東南沿海巖漿弧的組成部分[2931]。根據(jù)Xu等的分析數(shù)據(jù)[3234]，采用改進(jìn)的Thompsontau統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法剔除w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N的離群值，結(jié)果顯示長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶早白堊世時(shí)期（115～131 Ma）中酸性侵入巖的w（Sr）/w（Y）中位值為193，估算地殼厚度為29 km，w（La）N/w（Yb）N中位值為70，估算地殼厚度為42 km。篩選后，適合于估算地殼厚度的數(shù)據(jù)集w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）最大值分別為205和163，w（Dy）/w（Yb）值小于2，指示巖漿源區(qū)的殘留相中缺少石榴石[10]，這也表明長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶早白堊世時(shí)期的地殼厚度小于50 km。

角閃石全鋁壓力計(jì)指示長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶早白堊世鈣堿性中酸性侵入巖的結(jié)晶壓力為035～070 GPa[29，3334]，對(duì)應(yīng)于原始侵位深度（10～25 km）。同時(shí)，長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶早白堊世發(fā)育含巖漿成因綠簾石的花崗閃長(zhǎng)巖[34]，巖漿成因綠簾石的結(jié)晶壓力不低于08 GPa[35]，指示含綠簾石花崗閃長(zhǎng)巖的起源深度大于28 km。福建沿海地區(qū)現(xiàn)今地殼厚度約為30 km[36]，據(jù)此可以估算長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶早白堊世時(shí)期的古地殼厚度為40～50 km。這與w（La）N/w（Yb）N值估算的古地殼厚度（42 km）結(jié)果一致。采用w（Sr）/w（Y）值估算的古地殼厚度偏低，這是由于長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶早白堊世侵入巖經(jīng)歷了區(qū)域變質(zhì)作用的改造[34]，活潑元素Sr在變質(zhì)作用過(guò)程中流失，導(dǎo)致w（Sr）/w（Y）值降低。

3.3藏南中生代—新生代岡底斯弧

藏南岡底斯巖基帶在中生代島弧巖漿作用基礎(chǔ)上發(fā)育而成，印度板塊與亞洲大陸發(fā)生碰撞之后又疊加了與碰撞造山過(guò)程有關(guān)的中酸性巖漿活動(dòng)[30，3740]。岡底斯巖基保留了從弧巖漿活動(dòng)到后碰撞（Postcollisional）巖漿活動(dòng)的連續(xù)記錄。在全面收集Chuang等的分析數(shù)據(jù)[4156]基礎(chǔ)上，對(duì)弧巖漿作用發(fā)育時(shí)期（60 Ma之前）的樣品剔除w（Sr）/w（Y）值大于60的數(shù)據(jù)[12]，對(duì)剩余數(shù)據(jù)采用改進(jìn)的Thompsontau統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法剔除w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N的離群值，得到岡底斯弧晚中生代—新生代時(shí)期地殼厚度變化（圖5）。

圖5藏南岡底斯弧地殼厚度隨時(shí)間的變化

Fig.5Change of Crustal Thickness of Gangdese Arc in the Sourthern Tibet with Time

從圖5可以看出：岡底斯弧中侏羅世—早白堊世時(shí)期（135～180 Ma）地殼厚度由30 km增加到約60 km；晚白堊世—始新世早期（45～90 Ma）地殼厚度介于40～60 km，采用w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值得到的地殼厚度基本一致；在45～180 Ma時(shí)期，岡底斯弧中酸性巖漿巖w（Dy）/w（Yb）值不高于2，表明殘留相中制約重稀土元素分餾的礦物以角閃石為主；始新世中期（40 Ma），岡底斯地體所處大地構(gòu)造環(huán)境變?yōu)榕鲎苍焐綆38]；自40 Ma以來(lái)，岡底斯弧中酸性巖漿巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值顯著增高，采用w（La）N/w（Yb）N中位值估算的地殼厚度為70～85 km，對(duì)應(yīng)的w（Dy）/w（Yb）值大于2，表明殘留相中制約重稀土元素分餾的礦物以石榴石為主，指示岡底斯弧地殼明顯加厚。采用式（6），根據(jù)w（Sr）/w（Y）值求得的40 Ma以來(lái)岡底斯弧地殼厚度大于120 km，顯然不代表真實(shí)的地殼厚度。但是，w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N、w（Dy）/w（Yb）值的協(xié)同變化表明：這些地球化學(xué)指標(biāo)能夠很好地指示岡底斯地體從島弧轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒?dòng)大陸邊緣巖漿弧，再到碰撞造山帶過(guò)程的古地殼厚度變化趨勢(shì)；印度板塊與亞洲大陸碰撞導(dǎo)致的地殼擠壓變形與增厚可以很好地解釋岡底斯弧中酸性巖漿巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N、w（Dy）/w（Yb）值在40 Ma之后的顯著增高。

岡底斯地體的實(shí)例表明，可以應(yīng)用式（6）、（7）估算特提斯域巖漿弧的古地殼厚度，w（La）N/w（Yb）N值可以用來(lái)估算碰撞造山帶的古地殼厚度。雖然式（6）無(wú)法給出岡底斯地體在碰撞造山階段古地殼厚度的合理數(shù)值，但中酸性巖漿巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N、w（Dy）/w（Yb）值相結(jié)合仍然可以定性地表征碰撞造山帶古地殼厚度的變化趨勢(shì)。

3.4遼西地區(qū)中侏羅世—早白堊世火山巖

遼西地區(qū)在中侏羅世—早白堊世時(shí)期（125～180 Ma）發(fā)育了3套鈣堿性火山巖，依次為海房溝組、髫髻山組（藍(lán)旗組）和義縣組火山巖[5758]，是華北克拉通北緣燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期巖漿活動(dòng)的典型代表。在收集陳義賢等的分析數(shù)據(jù)[5964]基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的Thompsontau統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法剔除w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N的離群值，得到遼西地區(qū)侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)時(shí)期火山巖地殼厚度變化（圖6）。

圖6遼西地區(qū)火山巖地殼厚度隨時(shí)間的變化

Fig.6Change of Crustal Thickness of Volcanic Rocks in

the Western Liaoning Area with Time

從圖6可以看出：遼西地區(qū)中侏羅世時(shí)期海房溝組火山巖（年齡為（175±5）Ma）的w（Sr）/w（Y）中位值為48.0，估算地殼厚度為61 km，w（La）N/w（Yb）N中位值為18.3，估算地殼厚度為62 km；晚侏羅世時(shí)期髫髻山組（藍(lán)旗組）火山巖（年齡為（160±5）Ma）的w（Sr）/w（Y）中位值為39.4，估算地殼厚度為52 km，w（La）N/w（Yb）N中位值為167，估算地殼厚度為60 km；早白堊世時(shí)期義縣組火山巖（年齡為（125±5）Ma）的w（Sr）/w（Y）中位值為479，估算地殼厚度為61 km，w（La）N/w（Yb）N中位值為224，估算地殼厚度為67 km。篩選后，適合于估算各組火山巖地殼厚度的數(shù)據(jù)集w（Dy）/w（Yb）中位值依次為231、2.17和2.28，w（Dy）/w（Yb）值大于2，指示巖漿源區(qū)的殘留相中存在石榴石[10]，表明遼西地區(qū)中侏羅世—早白堊世時(shí)期火山巖存在厚度大于50 km的地殼。

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究表明，包括遼西地區(qū)在內(nèi)的燕山造山帶在180 Ma之前經(jīng)歷了一次上盤向南運(yùn)動(dòng)的大規(guī)模逆沖推覆事件，到上侏羅統(tǒng)髫髻山組發(fā)育時(shí)期發(fā)生了小規(guī)模的伸展活動(dòng)，而晚侏羅世—早白堊世早期（125～150 Ma）燕山造山帶處于持續(xù)的擠壓變形狀態(tài)，同時(shí)推覆巖片又被快速剝蝕，形成土城子組磨拉石建造[5758]。根據(jù)w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值估算的遼西地區(qū)火山巖地殼厚度顯示出厚→（略減）薄→厚的變化趨勢(shì)，與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究結(jié)果不謀而合。同時(shí)，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究還表明，燕山造山帶發(fā)育的科迪勒拉型變質(zhì)核雜巖形成時(shí)代在125 Ma之后，科迪勒拉型變質(zhì)核雜巖是加厚陸殼在自生重力勢(shì)能作用下發(fā)生伸展變形的結(jié)

果[57，65]。在義縣組火山巖發(fā)育時(shí)期（125 Ma），燕山造山帶具有厚度大于50 km的地殼是合理的。

遼西地區(qū)的實(shí)例表明，中酸性巖漿巖的w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N、w（Dy）/w（Yb）值相結(jié)合可以指示碰撞造山帶古地殼厚度的變化趨勢(shì)，可以應(yīng)用式（6）、（7）定量估算碰撞造山帶的古地殼厚度。

4結(jié)語(yǔ)

（1）不斷增長(zhǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)是應(yīng)用巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)定量、半定量估算造山帶古地殼厚度的基礎(chǔ)。其理論依據(jù)是元素在熔體與殘留相或結(jié)晶相之間的分餾。對(duì)于巖漿弧，可以應(yīng)用鈣堿性巖套K2O含量，玄武質(zhì)巖石Na2O含量（Na6.0）、CaO含量（Ca6.0）、w（Ce）/w（Y）值，中酸性巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值等估算其地殼厚度。對(duì)于其他類型的造山帶，鈣堿性巖套K2O含量、Sr同位素初始比值、w（Sm）/w（Yb）值、w（Dy）/w（Yb）值等可以半定量地約束其地殼厚度范圍。

（2）由于參與統(tǒng)計(jì)的大部分巖漿弧地殼厚度在45 km以下，所以目前提出的定量公式對(duì)厚度在20～45 km范圍內(nèi)俯沖造山帶的地殼厚度反演結(jié)果可靠性較高。對(duì)于厚度在60～75 km范圍內(nèi)的巖漿弧，只能采用玄武巖Na6.0值、Ca6.0值，以及中性巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值估算地殼厚度。K60值以及弧玄武巖w（Ce）/w（Y）值估算地殼厚度的公式只適用于地殼厚度不超過(guò)50 km的情況，而中酸性巖w（Sm）/w（Yb）、w（Dy）/w（Yb）值可以約束巖漿弧是否存在超過(guò)50 km（壓力大于1.5 GPa）的加厚地殼。

（3）對(duì)三江地區(qū)義敦島弧及福建長(zhǎng)樂(lè)—南澳構(gòu)造帶中生代俯沖造山作用巖漿巖的檢驗(yàn)結(jié)果顯示，中酸性巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值可以估算俯沖造山帶的古地殼厚度。對(duì)藏南岡底斯弧中生代—新生代巖漿巖的檢驗(yàn)結(jié)果顯示，中酸性巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值均可估算岡底斯弧在中生代時(shí)期的古地殼厚度，w（La）N/w（Yb）N值可估算岡底斯弧在碰撞造山階段（40 Ma以來(lái)）的古地殼厚度。岡底斯地體中酸性巖漿巖w（Sr）/w（Y）、w（La）N/w（Yb）N值在40 Ma以來(lái)的明顯躍升對(duì)應(yīng)于印度板塊與亞洲大陸碰撞導(dǎo)致的地殼顯著增厚。

（4）運(yùn)用巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)定量、半定量反演造山帶地殼厚度時(shí)必須注意：要有足夠數(shù)量的樣本；要嚴(yán)格遵循原始作者提出的數(shù)據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)，剔除不合格數(shù)據(jù)；在必要時(shí)要采用適合的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法剔除數(shù)據(jù)集的離群值；明確計(jì)算公式的適用條件與應(yīng)用范圍；考慮到回歸公式的誤差，估算出的地殼厚度具體數(shù)值常常僅具有數(shù)量級(jí)的意義，不宜做過(guò)度解釋。

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