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青藏高原南部謝通門侏羅紀埃達克質巖地球化學特征及其形成機制

2013-06-25 07:39:42呼建雄陳建林張占武姚勝王貝楊文許繼峰鄔建斌黃豐曾云川
大地構造與成礦學 2013年2期
關鍵詞:研究

呼建雄,陳建林,張占武,姚勝,王貝,楊文,許繼峰,鄔建斌,3,黃豐,3,曾云川,3

(1.陜西省地礦局區域地質礦產研究院,陜西 咸陽712000;2.中國科學院 廣州地球化學研究所,同位素地球化學國家重點實驗室,廣東廣州510640;3.中國科學院大學,北京100049)

0 前言

青藏高原作為大洋俯沖和陸–陸碰撞的典型實例,備受國內外地質學者的關注。過去幾十年,大量的研究工作主要集中在新生代以來的印度與歐亞大陸板塊碰撞以及青藏高原抬升的重大問題方面。隨著對青藏高原研究的不斷深入,人們逐漸意識到新生代以前的演化歷史對理解青藏高原在新生代的隆升有著十分重要的意義。一定時期的巖漿作用為同時期的地殼深部構造演化響應,因此青藏高原上廣泛發育的中生代巖漿巖為人們探討其大陸碰撞之前的深部構造演化和動力學機制提供了一個重要的途徑。雖然近年來,拉薩地塊南部中生代巖漿活動事件引起了人們的極大關注(Coulon et al.,1986;Pearce and Mei,1988;李才等,2003;翟慶國等,2005;和鐘鏵等,2006;董彥輝等,2006;張宏飛等,2007;Wen et al.,2008a,b;康志強等,2009;Ji et al.,2009;Zhu et al.,2009,2011,2012;Zhang et al.,2012),而且這些巖漿事件與北向俯沖的新特提斯洋有著十分緊密的關系,但目前對新特提斯洋的演化尚不清楚并存在一些不同的認識。如新特提斯洋是何時形成并開始俯沖等問題(董彥輝等,2006;張宏飛等,2007;Zhu et al.,2009,2012;Zhang et al.,2012),它們是以何種形式俯沖(Zhu et al.,2009;Zhang et al.,2012),等等。本文試圖通過對出露于拉薩地塊南部日喀則地區的中侏羅世閃長巖進行詳細的地球化學研究,探討其巖石成因以及構造背景,同時結合前人對拉薩地塊南部中侏羅世巖漿作用的研究成果以及世界上具有類似地球化學特征的火山巖,以期對拉薩地塊南部中侏羅世的構造演化加以約束。

1 區域地質概況

青藏高原是地球上抬升最高的構造單元,由一系列東西向延伸的地塊組成,由北向南分別為松潘-甘孜地塊、羌塘地塊、拉薩地塊(圖1a)。拉薩地塊的南北分別以雅魯藏布江縫合帶和班公-怒江縫合帶為界(常承法和鄭錫瀾,1973;Allègre et al.,1984;Pearce and Deng,1988;Dewey et al.,1988)(圖1b),它們分別形成于中晚侏羅世和晚白堊世-古近紀 (Dewey et al.,1988;潘桂棠等,2006)。

拉薩地塊的沉積地層由奧陶系-石炭系-三疊系淺海碎屑沉積序列組成(Yin et al.,1988)。其基底時代是中元古代至早寒武世,以沿拉薩地塊北部格爾木-拉薩公路分布的安多片麻巖為代表(Xu et al.,1985;Harris et al.,1988;Dewey et al.,1988)。沿著拉薩地塊南緣,其古生界和中生界地層被少量的侏羅紀和大量白堊紀–古近紀岡底斯巖基侵入,這些岡底斯巖基與新特提斯洋和印度板塊北向俯沖有著緊密的聯系(常承法和鄭錫瀾,1973;Allègre et al.,1984)。

進入新生代之后,在拉薩地塊的林子宗火山巖和與之有聯系的最年輕的岡底斯深成巖在青藏高原南緣形成了一個東西向分布的線狀帶。林子宗火山巖為形成于60~45 Ma的具有安第斯大陸邊緣特征的鈣堿性安山巖和熔結凝灰巖(Coulon et al.,1986;Pearce and Deng,1988;Mo et al.,2007,2008)。在繼印度-亞洲大陸碰撞弧巖漿作用結束約20 Ma巖漿作用平靜期之后,岡底斯進入新近紀以來(25~10 Ma)出現了又一次巖漿作用高峰期。而在10 Ma之后,在拉薩地塊則無明顯的巖漿活動。

研究區位于日喀則以西東嘎鄉地區,采樣點周圍主要為中生代-新生代侵入巖,為岡底斯巖基的組成部分(圖1c)。侏羅紀地層主要為位于研究區西南部的葉巴組(J1-2);白堊紀地層主要為比馬組和昂仁組,該時期的侵入巖分布于研究區的大部分地區,分布面積約占侵入巖的一半。古近系分布在研究區的東部,主要為秋烏組和大竹卡組;其侵入巖主要分布在研究區的東部和西部。前人認為研究區內發育大規模白堊紀的侵入巖,最新的鋯石年齡研究顯示它們均形成于中晚侏羅世(170~150 Ma,呼建雄等,1∶5萬謝通門等四幅區調報告)。

圖1 拉薩地塊火山巖和侵入巖分布簡圖(圖1a,b據Lee et al.,2012)和研究區地質簡圖(圖1c)Fig.1 Simplified geologic map showing the distribution of the igneous rocks in the Lhasa Block(Fig.1a,b based on Lee et al.,2012)

本文所研究的樣品采集于謝通門縣東嘎鄉北部。采集的樣品新鮮,呈淺灰白色,礦物顆粒較粗,主要組成礦物為石英、斜長石、黑云母和角閃石。石英和斜長石均呈淺白色,二者礦物顆粒粒徑為1~5 mm,其中石英略帶淺灰紅色;角閃石和黑云母含量均大于5%;副礦物主要為鋯石、磷灰石和鐵鈦氧化物。

2 分析方法

本文對所采集的樣品進行的主、微量元素分別采用XRF和ICP-MS分析測試。分析測試在中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室完成。進行分析測試的樣品在處理前選取新鮮樣品,去除風化面,手工碎至1~5 mm(與杏仁體粒徑相當),用mill-Q水在超聲波清洗儀中清洗,以除去表面灰塵的影響,烘干后用不銹鋼缽粉碎至200目用于化學分析。主量元素采用堿熔玻璃片XRF法分析,微量元素采用高溫高壓消解并利用PE Elan 6000型ICP-MS分析。主量和微量元素元素的分析精度均好于5%。具體流程詳見劉穎等(1996)和李獻華等(2002)。

3 分析結果

3.1 主量元素

研究區樣品的主量和微量元素分析結果見表1。在SiO2-(K2O+Na2O)(TAS)圖(圖2a)中,本研究所采集的樣品主要為閃長巖;在SiO2-K2O(圖2b)和Na2O-K2O(圖2c),研究區的樣品屬于鈣堿性系列;在鋁飽和指數圖(圖2d)中,謝通門閃長巖A/CNK<1.0為鋁質系列。在SiO2與主量元素的相關圖中(圖3),研究區主量元素含量與同期拉薩地塊南部葉巴組以及太平洋西北部Bowers Ridge中基性火山巖有著相似的分布范圍。

表1 研究區謝通門閃長巖主量(%)和微量(μg/g)元素分析結果Table1 Major(%)and trace(μg/g)element concentrations of the diorite in Xietongmen

(續表1)

圖2 研究區中侏羅世謝通門閃長巖SiO2-K2O+Na2O(a),SiO2-K2O(b),Na2O-K2O(c),A/CNK-A/NK(d)圖解(數據來源:謝通門斑巖:郎興海等(2010),黃勇等(2011),曲曉明等(2007);葉巴組火山巖:董彥輝等,(2006);早侏羅世花崗巖:Chu et al.(2006),楊志明等(2008);青藏高原南部早白堊世埃達克質巖:Zhu et al.(2009);Bowers Ridge新生代埃達克質巖:Wanke et al.(2012))Fig.2 SiO2vs.K2O+Na2O(a),SiO2vs.K2O(b),Na2O vs.K2O(c),A/CNK vs.A/NK(d)diagrams for the diorite from Xietongmen(data sources,porphyry rocks from Lang et al.(2010),Huang et al.(2011),Qu et al.(2007);the volcanic rocks of the Yeba group from Dong et al.(2006);the Early Jurassic granite from Chu et al.(2006),Yang et al.(2008);the Early Cretaceous adakite of Southern Tibet from Zhu et al.(2009);Cenozoic adakitic rocks in Bowers Ridge from Wanke et al.(2012))

圖3 研究區中侏羅世謝通門閃長巖主量元素相關圖(數據來源同圖2)Fig.3 Harker diagrams of major element concentrations vs.SiO2for the diorite in Xietongmen(data source same as in Fig.2 )

3.2 微量元素

謝通門閃長巖球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(圖4a,b)表現為輕稀土富集型,Eu表現出無明顯的異常。輕、重稀土分異比較明顯(4.4<(La/Yb)N<19.2,平均值為10.3)。謝通門閃長巖同葉巴組中基性火山巖、Bowers Ridge中基性火山巖相比有著相似的輕稀土元素含量和相對較低的重稀土元素含量,卻有著比青藏高原南部早白堊世埃達克質巖相對較低LREE和相對較高的HREE含量。在微量元素蛛網圖中(圖4c,d),謝通門閃長巖具有富集不相容性元素Rb、Ba、U和虧損高場強元素Nb、Ta、Ti的特點,并且具Sr正異常;謝通門閃長巖同同期葉巴組中基性火山巖、Bowes Ridge中基性火山巖相比,除了HREE具有較低的含量外,其他微量元素有著相似的分布范圍和分布形式;而與青藏高原南部早白堊世埃達克質巖相比,除HREE含量相對較高外,其余的微量元素雖然有著相似的分布特征,但卻有著相對較低的含量。

4 巖石成因

4.1 埃達克質巖地球化學特征

研究區中侏羅世謝通門閃長巖具有一定的類似于埃達克巖的地球化學特征,如高的SiO2(>59%)、Sr含量(771~798 μg/g),高 Sr/Y 比值(>64)(圖5),低 HREE 和Y(<12 μg/g),LREE 和HREE 分異明顯(圖4,5),具有一定Sr正異常和無明顯Eu負異常(圖4);以及具有相對較高的MgO(3.02% ~3.17%)和Mg#(>46)。同時它們有著類似于源于大洋俯沖環境中的青藏高原南部早白堊世埃達克質巖和太平洋西北部Bowers Ridge地區新生代埃達克質巖相似的主量元素分布范圍(圖2)和類似的微量元素分布特征(圖3,4,5)。

4.2 埃達克質巖的巖石成因

自從Defant and Drummond(1990)提出埃達克巖是俯沖大洋殼在石榴子石的穩定區域內部分熔融的產物之后,隨后的研究顯示埃達克(質)巖同樣可以通過幔源玄武質巖漿的結晶分異(Castillo et al.,1999;Macpherson et al.,2006;Richards and Kerrich,2007)以及部分熔融加厚或拆沉的下地殼(Atherton and Petford,1993;Xu et al.,2002;Gao et al.,2004;Chung et al.,2003;Hou et al.,2004)而形成。

圖4 研究區中侏羅世謝通門閃長巖稀土元素和微量元素標準化配分圖(標準化數據為Sun and McDonough,(1989),數據來源同圖2)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns(a,b)and primitive mantle normalized spider diagrams(c,d)for the diorite in Xietongmen(normalizing values are from Sun and McDonough(1989),data sources same as in Fig.2 )

圖5 研究區中侏羅世謝通門閃長巖Sr/Y-Y和(La/Yb)N-YbN圖(據Castillo,2012.數據來源同圖2)Fig.5 Sr/Y vs.Y and(La/Yb)Nvs.YbNdiagrams for the diorite from Xietongmen(data sources are as Fig.2.Based on Castillo,2012)

圖6 研究區中侏羅世謝通門閃長巖La-La/Sm(a),La-La/Yb(b)(據 Chung et al.,2009),SiO2-Sr/Y(c),SiO2-Dy/Yb(d)相關圖(數據來源同圖2)Fig.6 La vs.La/Sm(a),La vs.La/Yb(b)(based on Chung et al.,2009),SiO2vs.Sr/Y(c),SiO2vs.Dy/Yb(d)diagrams for the diorite from Xietongmen(data sources are as Fig.2)

謝通門閃長巖可能不是玄武質巖漿結晶分異的產物,因為:(1)在研究區沒有發現同時期的超鎂鐵質巖或者玄武質巖;(2)缺乏明顯的Sr、Eu負異常;(3)La-La/Sm和La-La/Yb圖(圖6a,b)可知,研究區閃長巖類的巖漿主要是通過部分熔融形成;(4)在SiO2-Sr/Y和SiO2-Dy/Yb圖(圖6c,d)中,沒有明顯的結晶分異特征。

Kay et al.(1991,1994),Kay and Mpodozis(2001)認為La/Yb比值可用來指示地殼厚度并反映巖漿來源的深度(Haschke et al.,2002;Chung et al.,2009),La/Yb比值大于30其巖漿產生于較厚的地殼 (50~60 km)背景,巖漿源區較深;而La/Yb<15的巖漿產于地殼厚度30~35 km,巖漿源區較淺。而且前人的研究結果表明,在深度為30~45 km,石榴子石可能成為一種重要的殘留相。Chung et al.(2003)、Hou et al.(2004)等認為青藏高原南部形成于中新世的埃達克質巖其物質源區的深度大于40 km;而Xu et al.(2002)等認為中國東部在中生代發生拆沉時地殼的厚度大于40 km。由La-La/Yb圖可知,研究區大部分樣品形成的深度小于40 km。雖然研究區閃長巖在Y-Sr/Y,La-La/Yb和SiO2-Dy/Yb圖中均顯示出其物質源區存在有一定的石榴子石,但其并非是加厚下地殼或者拆沉下地殼發生部分熔融的產物。

圖7 研究區中侏羅世謝通門閃長巖構造環境判別圖(數據來源和圖例同圖2)Fig.7 Tectonic discrimination diagrams for the diorite from Xietongmen(data sources are as Fig.2 )

在微量元素蛛網圖(圖4c,d)和構造成因判別圖上(圖7),研究區中侏羅世閃長巖均與火山弧環境有著密切的聯系。另外由于Nb、Ta地球化學性質相似而在部分熔融和結晶分異過程中不會造成大分異,可以指示巖漿源區特征及其演化過程,其中源于地幔的巖漿的Nb/Ta比值為17.5±2,而殼源巖漿的Nb/Ta比值為11~12(Green,1995)。謝通門閃長巖有著較高的 MgO(3.02% ~3.17%)和Mg#(46~48)以及Cr、Ni含量,變化范圍較寬的Nb/Ta值(10.4~20.2),暗示它們很可能為俯沖洋殼發生部分熔融并與上覆殼-幔物質發生反應的結果;由此看來,研究區具有埃達克質巖特征的謝通門閃長巖很可能是北向俯沖的新特提斯洋殼發生部分熔融的產物。

5 研究區中侏羅世區域構造演化

李文霞等(2012)最近通過對沿著雅魯藏布江縫合帶分布的形成于侏羅紀-早白堊世的蛇綠巖研究之后認為,其形成的構造環境至少存在大陸島弧、地幔柱-洋內熱點、洋中脊-大洋島弧和典型的島弧等多種洋殼類型,表明拉薩地塊南部的新特提斯洋演化過程存在多種復雜的構造環境。早期研究認為蛇綠巖形成時代為侏羅紀-白堊紀,主體時代為晚侏羅世-早白堊世(吳浩若,1984;Girardeau and Mercier,1988;肖序常和李廷棟,2000)。然而最近的研究表明,雅魯藏布江縫合帶蛇綠巖形成時代為中晚三疊世-早白堊世(Mahéo et al.,2002;Miller et al.,2003;Malpas et al.,2003,鐘立峰等,2006;鐘立峰,2006;韋振權等,2006;韋棟梁等,2004;張宏飛等,2007;徐德明等,2007;李建峰等,2009;Zhu et al.,2011,2012)。由此可以認為,新特提斯洋洋殼的俯沖早于早中侏羅世(裴樹文,1999;董彥輝等,2006;和鐘鏵等,2006;曲曉明等,2007;唐菊興等,2009,2010),因此研究區在中侏羅世為新特提斯洋北向俯沖時期。

俯沖大洋板片的熔融暗示其具有異常高的溫度(Defant and Drummond,1990),發生俯沖洋殼部分熔融的機制有:(1)年輕的熱的俯沖洋殼(如:Peacock et al.,1994);(2)高角度的俯沖導致其俯沖板片前緣在島弧底部有足夠的時間被加熱(Kelemen et al.,2003);(3)俯沖板片的撕裂(Yogodzinski et al.,2001)。如果新特提斯洋形成于中晚三疊世,那么謝通門閃長巖可能并非是年輕的熱的洋殼發生部分熔融的產物。另一方面,青藏高原南部不僅發育有中侏羅世的中酸性和中基性巖漿作用(葉巴組火山巖,董彥輝等(2006)),而且也發育有形成于俯沖環境下的研究區最大斑巖型礦床——雄村Cu-Au斑巖礦床(唐菊興等,2009,2010),而 Richards(2009)認為斑巖型Cu-Au礦床的物質源區在地殼深部需要部分軟流圈物質的加入或熱反彈(如板片斷離等)。而且,謝通門閃長巖具有太平洋西北部Bowes Ridge地區中基性埃達克質巖十分相似的地球化學特征,而后者形成于中新世俯沖大洋板片斷離的構造環境之中。因此謝通門閃長巖很可能為北向俯沖的新特提斯洋板片斷離并發生部分熔融所致,而并非是俯沖前緣因殘留時間比較長而被加熱熔融的結果。

中侏羅世,北向俯沖的新特提斯洋很可能發生高角度俯沖進而發生板片斷離,其底部的軟流圈物質沿著板片窗的上升而引起兩側俯沖洋殼發生熔融,它們在上升過程中與上覆的殼-幔物質發生反應并侵入到地殼淺部從而形成謝通門閃長巖;軟流圈的上升因其減壓而發生部分熔融從而形成高原南部的基性巖漿作用;軟流圈的上升以及中基性巖漿的侵入和噴發,導致前期形成的中下地殼發生部分熔融,從而形成研究區部分中酸性巖漿。另外,因前期新特提斯洋的俯沖而形成的底侵玄武質巖漿也很可能因軟流圈的上升而發生部分熔融,從而形成研究區大規模的成礦作用。

6 結論

青藏高原南部謝通門地區出露一些形成于中侏羅世的閃長巖,它們具有類似于埃達克巖的地球化學特征,如高的SiO2(>59%)、Sr(771 ~798 μg/g)含量,低 HREE和Y(<12 μg/g),LREE和HREE分異明顯,高Sr/Y值(>64),具有一定Sr正異常和無明顯Eu負異常。結合青藏高原南部同期發育的中侏羅世從基性到酸性的巖漿作用和形成于中侏羅世的雄村斑巖Cu-Au礦床,以及研究區閃長巖具有與太平洋西北部Bowes Ridge地區新生代中基性埃達克質巖相類似的地球化學特征,我們認為謝通門閃長巖很可能為北向俯沖的新特提斯洋板片斷離并發生部分熔融產物。

致謝:野外工作期間得到西藏地質調查院劉鴻飛院長、徐開峰高工的幫助;審稿人提出了不少具體的、建設性的修改意見,在此一并表示衷心感謝!

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