青藏高原南部碰撞造山過程中的大陸地殼生長作用

龍曉平, 閆浩瑜, 舒楚天, 吳 賓, 王敬宇, 朱 喜

(1.西北大學 地質學系/大陸動力學國家重點實驗室,陜西 西安 710069;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,廣州 510640)

大陸地殼是地球區別于其他星球的重要特征,其形成演化是地球科學研究的熱點之一[1-16]。盡管學界已經很好地建立了現今的大陸地殼的平均物質組成[17],可是由于大陸地殼漫長的演化歷史和復雜的地域性差別,大陸地殼演化過程中一些重要的科學問題依舊沒有解決。特別是大陸地殼的生長方式及生長機制,即:地幔物質如何進入大陸地殼并成為其中的一部分[3, 10, 18-22]。

青藏高原作為全球經典的陸-陸碰撞造山帶,經歷了早期的洋-陸俯沖到陸-陸碰撞,是現今還在碰撞、隆升的造山帶,具有獨特的構造演化過程,在地球科學研究中具有不可替代的地位[23-50]。青藏高原具有全球最厚的大陸地殼,分布有大量的碰撞前和碰撞后的中-酸性巖漿巖[24, 29, 34, 36-38, 44, 46, 51-100]。拉薩地體作為青藏高原重要組成部分,分布有大量的花崗質侵入巖(圖1),即岡底斯巖基,記錄了洋-陸俯沖到陸陸碰撞的過程[91-93, 99]。近同期的噴發相火山巖,即林子宗火山巖,形成于洋陸俯沖到陸陸碰撞的轉換過程中,精確記錄了印度-亞洲大陸碰撞的起始時間[20, 45, 69, 101-102]。近年來的研究揭示,青藏高原南部拉薩地體發育的岡底斯巖基和林子宗火山巖具有新生地殼的虧損同位素特征,其形成記錄了碰撞前至碰撞后的深部動力學過程,為揭示碰撞造山帶地殼生長過程及機制提供了絕佳的研究載體[23-25, 27-29, 31-32, 39-41, 56, 90, 103-107]。

圖1 拉薩地體地質簡圖(據文獻[108])Fig.1 Sketch geological map of the Lhasa terrane (from reference[108])

1 青藏高原地質概況

青藏高原被譽為“世界第三極”,整體位于我國西南部地區,介于東經75°～105°、北緯27°30′～40°之間,總面積約為240×104km2(圖1)。青藏高原北以西昆侖山、阿爾金山、祁連山與塔里木盆地、河西走廊為界,向東毗連秦嶺造山帶,東南以龍門山、貢嘎山-大雪山與四川盆地、云貴高原相鄰,西南部止于喜馬拉雅山一帶,是全球海拔最高(平均海拔可達到4 000m)、隆起時代最新、地殼厚度最大的高原[23-26]。據資料顯示,青藏高原是顯生宙以來由多個起源于岡瓦納大陸的微陸塊自北向南拼貼而成,以昆侖-阿尼瑪卿縫合帶、金沙江縫合帶、班公湖-怒江縫合帶和雅魯藏布江縫合帶為分界線劃分為4個地質單元(圖1),自北向南分別為松潘-甘孜地體、羌塘地體、拉薩地體和喜馬拉雅地體[41]。

松潘-甘孜地體位于青藏高原的東北部,北以昆侖-阿尼瑪卿縫合帶與柴達木地體相鄰,南以金沙江縫合帶與羌塘地體相鄰,東以龍門山構造帶與華南地體相鄰,總體呈三角形褶皺帶[109]。松潘-甘孜地體絕大部分被三疊系濁積巖覆蓋,僅在東部邊緣發現有震旦紀-古生代地層和前寒武紀雜巖體,基底可能為黑云母片麻巖,其模式年齡為中元古代晚期[110]。另外,松潘-甘孜地體內部還廣泛出露有花崗巖侵入體,呈面狀分布,形成時代主要集中在三疊紀末到侏羅紀時期[111-113]。

羌塘地體位于青藏高原腹地,北以金沙江縫合帶與松潘-甘孜地體相鄰,南以班公湖-怒江縫合帶與拉薩地體相連。羌塘地體東西兩側較窄,向西延伸到喀喇昆侖地區,向東延伸至三江地區,中部較寬約500 km,總面積達18×104km2[41]。羌塘地體分布有大量的三疊紀—侏羅紀的濱淺海相沉積和火山碎屑巖沉積,是我國最大的中新生代殘留盆地[114]。關于羌塘地體內部存在的一條高壓變質帶(龍木措—雙湖),部分學者認為此高壓變質帶是金沙江南向俯沖引起的羌塘地體的伸展而形成的變質核雜巖[115-116],也有學者認為此高壓變質帶是一條縫合帶,并根據此縫合帶把羌塘地體劃分為北羌塘和南羌塘[117]。另外,在羌塘地體內部發育有大量的二疊紀—白堊紀巖漿巖和新生代的富鉀火山巖[67],以及發育有少量的鈣堿性火山巖[66]。

喜馬拉雅地體位于印度板塊和印度河-雅魯藏布江縫合帶之間,被藏南拆離系、主中央逆沖斷裂和主邊界逆沖斷裂分為3個部分,自北向南分別為特提斯喜馬拉雅、高喜馬拉雅和低喜馬拉雅[41]。特提斯喜馬拉雅主要由特提斯海相沉積巖組成,地層發育齊全,包括有晚前寒武世—古生代及二疊—白堊紀沉積序列。高喜馬拉雅出露有大面積的中-新元古代結晶基底、古生代高級變沉積巖和中新世淡色花崗巖,局部出現高壓麻粒巖和榴輝巖[118],此外還發育有早古生代花崗巖[119]。低喜馬拉雅在地形上是相對最低的構造單元,主要由前寒武碎屑沉積巖、變沉積巖和古生代、中生代沉積巖組成[120]。

拉薩地體也稱岡底斯帶,位于班公湖-怒江縫合帶和印度河-雅魯藏布江縫合帶之間,東西延伸約2 500km,南北寬100km～300km,面積達45×104km2,西部以喀喇昆侖走滑斷裂為界與拉達克-科希斯坦地體相接,東部繞過東構造結并入三江造山帶[24, 121]。拉薩地體將會在下面著重介紹。

青藏高原的形成經歷了3個主要階段:古特提斯階段、新特提斯階段、印度-歐亞大陸碰撞與青藏高原的最終形成階段。金沙江-瀾滄江-怒江流域(三江地區)是我國古特提斯記錄最為完整的區域,而青藏高原則是新特提斯記錄最完整的區域。青藏高原新特提斯大洋主要由班公湖—怒江洋盆和雅魯藏布江洋盆構成,洋盆打開的時間一致不晚于晚三疊世,而碰撞、閉合的時間有所不同[122-123]。近年來,越來越多的證據認為青藏高原的構造-巖漿事件可劃分為:碰撞前(>65 Ma)、碰撞期(65～45 Ma)和后碰撞(<45 Ma)3個階段[25, 122]。關于青藏高原的形成,目前大家比較認可的是由新特提斯洋板片向北俯沖和印度-亞洲大陸沿著雅江縫合帶碰撞到這青藏高原的隆升[75, 124]。

2 拉薩地體的地質特征

拉薩地體夾持于班公-怒江縫合帶與印度-雅魯藏布江縫合帶之間[41, 44, 125-126]。它是一條東西長約2500km,南北150km～300km的超大型的巖漿-構造帶[20, 40, 68, 76-77, 79, 127]。基于地層和蛇綠巖的分布特征,拉薩地體分別被獅泉河-納木錯混雜巖帶和洛巴堆-米拉山斷裂帶劃分為3個亞地體,即:北拉薩、中拉薩和南拉薩地體[44, 125-126]。拉薩地體地殼呈現了兩邊年輕中間老的特征,北拉薩和南拉薩的地殼是年輕的,而中拉薩地體具有元古代—太古代的結晶基底[44, 125, 128]。北拉薩地體缺乏前寒武的結晶基地,區域出露最老的沉積地層為中-晚三疊紀的板巖、砂巖和放射蟲硅質巖[26]。在這地層之上出露有中晚侏羅的粗-細粒碎屑巖,兩個地層之間是不整合的關系[44, 125-126, 128]。在侏羅紀的地層之上連續沉積了早白堊的板巖、粉砂巖和灰巖,在這之間夾有大量的火山巖[44, 125, 128],在這些地層之上沉積了一套晚白堊陸源磨拉石[26, 129-130]。中拉薩地體曾經是個微陸塊拼貼到南北拉薩亞地體上,這個微陸塊包含了元古代—太古代的基底巖石,在這些基底巖石上沉積有石炭—二疊紀的變質沉積巖,這些變沉積巖中包含了弧火山巖和大量的冰漬巖。在這些沉積地層之上又沉積了晚侏羅—早白堊的沉積巖,這些沉積巖與大量的火山巖和少量的奧陶紀—三疊紀的灰巖互層[131]。南拉薩地體的前寒武基底巖石出露于該地體的東部。而火山-沉積巖蓋層序列主要是晚石炭—三疊紀碎屑沉積巖和大量的火山巖,這些火山-沉積巖大部分局限于該地體的東部。晚侏羅—白堊紀火山-沉積巖地層主要包含砂巖、板巖、灰巖和泥巖[131]。

拉薩地體包含了兩大地質單元(圖1),這兩大地質單元為岡底斯巖基和林子宗火山巖序列,這兩大地質單元主要局限于南拉薩地體[20, 40, 44, 69, 76-77, 79, 102, 105, 125-126, 132-133]。廣泛出露的岡底斯巖基主要為一套晚三疊—早第三紀的鈣堿性中酸性閃長巖、花崗閃長巖和花崗巖,這些花崗質巖石記錄了大洋俯沖-陸陸碰撞的過程[40, 76-77, 79, 106]。晚白堊之前的岡底斯花崗質巖石形成于一個安第斯型俯沖增生造山系統,隨后印度-亞洲陸陸碰撞導致了大量碰撞相關的花崗質巖基和廣泛的林子宗火山巖序列的侵位和噴發[20, 40, 69, 76-77, 79, 102, 105, 134]。這些岡底斯花崗質巖石具有兩個峰期的巖漿活動,分別為晚白堊世(95～85 Ma)和始新世(52～48 Ma)[75, 85, 91-93, 99, 135-138], 其他時期的花崗質侵入巖主要為晚三疊世、早侏羅世和早白堊世[77, 79, 98, 107, 128, 139-142],岡底斯花崗巖的形成蘊含了新特提斯洋的整個演化過程,由初始的俯沖—成熟的俯沖—大洋的消失,整個過程涉及了不同的動力學過程,板片回撤、脊俯沖和板片斷離。這些特殊的動力學過程造成了地幔物質的上涌導致殼幔的相互作用[98, 139, 140-142, 143]。

林子宗火山巖構成了拉薩地塊的另一主要單元(圖2),其形成的時代主要為65～40Ma,即所謂的印度-亞洲碰撞的同碰撞期[20, 69, 82, 144]。該套火山巖序列西到獅泉河，東到拉薩地區岡底斯弧分布,總的厚度達到5 000m。該套火山巖不整合的沉積在強烈褶皺化的晚白堊世和更老的海相沉積地層上,但又被漸新世的紅層不整合覆蓋,這在地層上約束了林子宗火山巖序列的噴發時間,該火山巖序列與下覆的晚白堊系之間的不整合接觸被廣泛認為是印度-亞洲碰撞的主期[20, 69]。林子宗火山巖記錄了新特提斯洋殼俯沖、印度板塊與歐亞板塊碰撞過程的大量信息[20, 145]。早期研究認為林子宗火山巖主要為一套晚白堊—早始新世[65～45 Ma]的中酸性火山巖,根據巖性的不同及其接觸關系,林子宗火山巖從下而上被劃分為三個組,即下部典中組、中部年波組、上部帕那組[20, 52, 69]。典中組厚度大約為2 400m,其組成巖性主要為底部的流紋質凝灰巖、中部的安山質熔巖和上部的安山質凝灰巖夾雜紅色的碎屑巖,該套火山巖被鎂鐵質巖墻所侵入[20, 69]。典中組形成的時代主要為69～60Ma[102, 144, 146-151]。中部年波組厚度大約為700m,該組包含了大約500m厚的沉積巖序列,即灰巖、泥質灰巖和凝灰質砂巖和頁巖,也包含了大約200m厚的互層的熔巖流。年波組火山巖主要為流紋質熔巖/凝灰巖、鉀玄質粗面安山巖以及同期的輝綠巖和鉀玄質巖墻,該組形成的時代主要為55Ma[82, 144-145, 147-148, 151-153]。上部帕那組厚度超過2 000m,其主要組成為流紋質凝灰巖和熔巖,這些熔巖被同期的火山質流紋質和鉀玄質巖墻所侵入,其形成的時代大約為50Ma[82, 101, 144-145, 147-148, 151, 154]。

3 碰撞前岡底斯花崗巖與地殼生長

在匯聚板塊邊緣,大陸地殼往往由于弧巖漿作用造成其顯著的生長,這些弧巖漿巖往往是多源的,包括了地幔楔、俯沖洋殼及其上覆沉積物、巖石圈地幔,這些物質發生熔融形成的巖漿底侵于大陸地殼造成生長[124, 155-156]。

岡底斯帶指分布于班公湖-怒江縫合帶與印度-雅魯藏布江縫合帶之間的巖漿巖帶[26, 44],它自北向南依次可劃分為北、 中、 南3個亞帶[25, 75]。 岡底斯巖漿巖帶的主體為南岡底斯帶, 以出現大規模的初生陸殼為特征。 南岡底斯帶大量發育巖漿活動,巖漿期次主要為三疊—侏羅世、 早白堊—晚白堊巖世以及晚古近紀—始新世的花崗質巖基(圖3), 出露的侵入巖的鋯石多具有正的Nd-Hf值以及年輕的模式年齡(圖4), 指示這些具有正的同位素組成的巖漿主要起源于地幔[24-25, 44, 75, 91-93, 99, 124, 135-138, 142, 157]。這些三疊-侏羅巖漿巖主要為角閃輝長巖、二長巖、花崗閃長巖以及花崗巖,這些巖漿巖在區域出露較多[79, 44, 136, 139, 142]。這些巖漿巖具有虧損的同位素組成,這指示了地幔來源的巖漿侵入到拉薩大陸地殼中促進了其大陸地殼的生長[44, 79, 136, 139, 142, 157]。白堊紀巖漿巖主要集中在晚白堊世,這期巖漿巖在區域上出露規模較大,研

圖2 林子宗火山巖主要巖性端元和化學組成(引自文獻[69])Fig.2 The lithological unites and geochemical composition of the Linzizong volcanic sequence (from reference[69])

究也較成熟,其巖性組成主要為輝長巖、輝長閃長巖、閃長巖、花崗閃長巖和花崗巖。這期巖漿巖也包含了大量的埃達克質侵入巖,這些巖漿巖的同位素組成也基本是虧損的,其形成的過程中有不同物質參與了反應,包含了地幔楔橄欖巖、巖石圈地幔橄欖巖、新特提斯洋殼等,這些組成熔融形成的巖漿侵入到大陸地殼中促進了拉薩大陸地殼的生長[76-77, 79, 91-94, 135, 137-138, 158-165]。對于在俯沖增生造山過程中拉薩地殼的生長,近幾十年來有大量的研究,這些研究主要結合同位素的組成來探討在俯沖帶大陸地殼的生長過程[76-77, 79, 91-94, 135, 137-138, 158-165]。大規模晚白堊巖漿巖的形成的動力學背景目前為止爭議較大,主要劃分為3個:①正常角度俯沖—平板俯沖[76, 164];②低角度俯沖—板片回撤[91-93, 135, 158, 160-161, 165];③洋脊俯沖[94, 137-138, 159, 166]。不管是晚白堊巖漿巖形成于哪種動力學背景,地幔來源的巖漿底侵入到拉薩大陸地殼,成為大陸地殼的組成部分,造成了拉薩大陸地殼的生長。在幔源巖漿侵入的大陸地殼并造成拉薩大陸地殼生長的過程中,拉薩大陸地殼也會受到幔源來源熱的侵蝕導致拉薩大陸地殼發生重熔[76, 138, 158]。三疊紀—晚白堊紀巖漿作用為新特提斯洋俯沖階段,指的是初始俯沖到成熟俯沖的過程,這與碰撞過程中形成的岡底斯花崗巖是有區別的[75, 124]。這期間形成的巖漿巖要么是來源于俯沖洋殼部分熔融,要么是被交代的地幔楔熔融,要么是新生的玄武質地殼熔融[24-25, 44, 75, 91-93, 99, 124, 135-138, 142, 151, 157]。無論是來自于交代的地幔楔熔融還是俯沖的洋殼熔融,其形成的巖漿底侵于拉薩地體的大陸地殼之中并顯著促進了大陸地殼的生長。

圖3 岡底斯帶巖漿巖形成年齡分布圖(引自文獻[124])Fig.3 The age distribution of magmatic rocks in the Gangdese belt (from reference[124])

綜合前人研究,從三疊紀新特提斯洋開始俯沖到晚白堊這漫長的地質過程中,拉薩大陸地殼受到了多次的生長事件,主要為三疊紀—侏羅紀和晚白堊兩期,這兩期巖漿巖對拉薩地體大陸地殼的生長發揮了重要作用(圖4)。

4 碰撞過程中的岡底斯花崗巖與大陸地殼生長

傳統觀點認為大陸碰撞過程只是導致地殼重融和再造,沒有地殼生長,或即使有也是只是少量的地殼生長[167-168]。然而，近些年隨著研究的深入,越來越多的地質學家認為大陸碰撞造山過程中也會造成顯著的大陸地殼生長[20-21, 169-172]。如同碰撞時期形成的巖漿巖,很多都具有較高的εHf(t)值特征,并且這些巖石的成分可以與整體大陸地殼成分(BCC)對比[20, 170-172]。這表明大陸碰撞造山過程也可能和大陸地殼生長有密切聯系。

分布在拉薩地體之上的岡底斯巖基中,大部分與印度-亞洲碰撞相關的花崗巖也具有虧損的εNd(t)和εHf(t)值(圖4),暗示碰撞過程中可能有地殼生長。并且岡底斯巖漿活動峰期在古新世-始新世(65～41 Ma)[45, 79],即同碰撞階段。另外,在此階段形成的巖漿巖中與俯沖相關的巖漿巖不同,在前者中有大量的鎂鐵質包體[25, 44, 53-54, 68-69, 75, 141, 146, 173],其巖性組成主要為輝長巖、花崗閃長巖、石英閃長巖、石英二長巖和二長花崗巖。但是在此階段形成的巖漿巖的成因解釋較多,有人認為是交代的富集地幔源部分熔融且經歷了一定的分離結晶[136],或是巖漿混合的產物[24-25, 54, 99, 174-175],也有人認為是角巖相的殘余洋殼部分熔融經歷不同程度分離結晶形成[21]。無論這期巖漿巖形成于哪種方式,地幔熔融、或殼幔混合、或俯沖板片熔融,這期巖漿巖總體具有虧損同位素組成,指示了一定的地幔或洋殼物質對拉薩地體大陸地殼的生長的貢獻。

圖4 岡底斯帶巖漿巖鋯石Hf同位素隨年齡分布圖(引自文獻[44])Fig.4 The Hf isotopic variation of zircons from magmatic rocks in the Gangdese belt (from reference[44])

我們最近對南拉薩地體仁欽則侵入雜巖開展鋯石 U-Pb 定年表明其形成時代為50～46 Ma,為典型的同碰撞時期產物[99]。仁欽則侵入雜巖中的花崗質巖石和閃長質包體中的不平衡結構,針狀磷灰石、反環帶斜長石、輝石和斜長石的骸晶,以及主微量元素在P2O5-SiO2圖和比值圖中呈混合趨勢分布,表明它們形成于殼源和幔源巖漿的混合過程。為了分析殼源屬性,我們搜集了南拉薩地體仁欽則附近區域(88°E～91°E)的晚三疊世以來的侵入巖的Sr-Nd同位素和其鋯石的Hf同位素,并繪制了εNd(t)-t和εHf(t)-t圖(圖5)[99]。從圖中可以看出,仁欽則花崗質巖石的εNd(t)和εHf(t)值都比俯沖階段新生地殼物質的εNd(50 Ma)和εHf(50 Ma)的下限都低,這表明貢獻這些花崗質巖石的主要地殼組分不是新生地殼物質,而是拉薩地體上更老的地殼物質。二元混合模擬計算揭示這些花崗巖的地幔物質的貢獻比例超過40%。考慮到整個岡底斯巖漿帶上的同碰撞時期的花崗質巖石中都含有大量的鎂鐵質包體以及前對這期巖漿巖的研究,它們很可能都是巖漿混合作用形成的[53-54, 69, 98, 173-174]。

為了進一步證明這一猜想,我們搜集了岡底斯帶88°E到91°E這一段地體(謝通門-拉薩段)前人發表的73個Nd同位素數據,超過2 000個鋯石Hf同位素和鋯石年齡數據。有意思的是,與新特提斯洋俯沖階段相關的侵入巖相比,～50 Ma的侵入巖具有范圍非常大的εNd(t)和εHf(t)范圍(圖5),而且在～50 Ma 時突然變化。最低的εNd(t)和εHf(t)值都超出了俯沖過程中形成的巖漿巖同位素組成演化到～50 Ma 的值,這說明俯沖過程中形成的新生地殼物質重熔再造不能形成這些巖石。這些具有如此富集εNd(t)和εHf(t)值的樣品肯定是有富集端元的物質貢獻。同時最高的εNd(t)值也超過了代表新生地殼物質的演化區域,并且接近虧損地幔同位素組成,指示有地幔物質的加入。而且,當把整個岡底斯帶同碰撞侵入巖(65～40 Ma)集的 Sr-Nd 同位素投到εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖(圖6)中我們發現,這些數據基本上是沿著仁欽則鎂鐵質巖墻和桑桑地殼麻粒巖包體為端元的二元混合線上[53-54, 173, 176]。這些證據都支持整個岡底斯帶的同碰撞侵入巖是富集的殼源熔體和虧損的幔源熔體混合形成的這一解釋。根據二元混合計算顯示,這些巖石的地幔物質的貢獻比例介于35%到90%之間,而大多數樣品的地幔物質貢獻比例超過 50%[99]。通過鋯石 Hf-O同位素計算(圖6)得到相似的結果,可以看出,這些同碰撞時期的侵入巖地幔物質貢獻至少為 35%,大部分巖石的地幔物質貢獻大于 50%。該結果也與Zhu等[44]得出的結果相近。

圖5 岡底斯巖基88°E～91°E段上侵入巖的εNd(t)-age和εHf(t)-age圖(引自文獻[99])Fig.5 εNd(t)-age and εHf(t)-age plots for the magmatic rocks in the Gangdese belt between 88～91°E (from reference[99])

圖6 岡底斯巖基同碰撞侵入巖的εNd(t)-(87Sr/86Sr)i和鋯石εHf(t)-δ18O簡單二元混合模擬(引自文獻[99])Fig.6 εNd(t)-(87Sr/86Sr)i plot and simple two endmembers mixing model of εNd(t)-δ18O for the sys-collisional intrusive rocks in the Gangdese belt (from reference[99])

岡底斯巖漿巖帶幾乎在整個南拉薩地體地體上都有分布,而且前人研究發現岡底斯巖漿帶的巖漿活動峰期在 65 ～ 41 Ma(即同碰撞時期)[79, 177],因此同碰撞期的侵入巖的體積是相當巨大的。但岡底斯帶65～40 Ma的巖漿巖幔源巖漿加入的地球動力學背景有兩種不同的模型,分別是:①新特提斯洋板片的回撤和斷離[45, 79, 82, 144, 178-179];②碰撞后未斷離的新特提斯洋殼在角閃巖相部分熔融形成安山質熔體底侵于南拉薩地體中[20-21]。越來越多的研究證明前者似乎更合理[45, 99, 178]。而且這一期的侵入巖至少有 35%的地幔物質貢獻,說明在同碰撞時期的大陸地殼生長量也是相當可觀的。

Mo等[69]假設碰撞前地殼厚度為～35 km,根據地球化學和地震資料中估計,在碰撞作用誘發下的地幔物質對拉薩地體輸入的地殼凈增厚貢獻約為40%(～15 km厚)。最近,Zhu等[75]認為在板片回撤和斷離過程中巖漿通過底侵作用增加了岡底斯地殼約20 km。因此,同碰撞期可能是南拉薩地塊主要的地殼生長階段[75]。

5 林子宗火山巖與地殼生長

據目前古地磁及沉積等方面的研究進展,印度與亞洲板塊初始碰撞的時間為65～55 Ma[45, 49, 75, 123, 180-184]。林子宗火山巖在拉薩地體內呈東西向展布(>1 000 km),其形成時間跨越了印度-歐亞初始碰撞時間,被認為是一套同碰撞的火山巖,記錄了新特提斯洋殼俯沖、印度板塊與歐亞板塊碰撞過程的大量信息[20, 145],一直受到大量學者的關注和討論[20-21, 69]。

前人近幾十年來對于遍布在整個岡底斯帶的巨厚林子宗火山巖的年代學、地球化學以及巖石成因等方面做了大量的研究[20-21, 52, 69, 82, 101-102, 144-145, 148-149, 151-154, 179, 185]。雖然說近半個世紀以來對于亞洲-印度板塊碰撞的時限問題依然沒有統一的認識,但是對于林子宗火山巖的形成,前人把這套火山巖形成的時期歸為主碰撞期或軟碰撞階段,這個時期印度板塊和亞洲碰撞開始提斯樣并沒有消失依然在繼續俯沖[20, 27-28, 69, 82, 144]。早期研究認為林子宗火山巖主要為一套晚白堊—早始新世(～65～45 Ma)的中酸性火山巖[20, 24, 69, 82, 144-145, 186-187]。早期形成的林子宗火山巖具有弧巖漿巖的性質,可能與殘留的新特提斯洋部分熔融相關,晚期形成的林子宗火山巖是在陸內環境下形成的[55, 145]。此后研究顯示,林子宗火山巖噴發于～69～43 Ma期間并呈現向南的遷移特征,其火山活動峰期為～50 Ma,峰期火山巖呈現由低鉀拉斑質向鈣堿性-鉀玄質轉變的特征,可能與俯沖的新特提斯板片的回撤和斷離有關[82]。這一解釋與達孜地區東西向展布的中-基性巖墻所記錄的南北向伸展背景一致[188]。Lee et al[144]的進一步研究揭示林子宗火山巖峰期巖石組合非常復雜,不局限于中酸性火山巖,可以劃分出5個不同成因系列:普通鈣堿性組合、低鉀低稀土組合、鉀玄質組合、高稀土組合、高演化酸性組合,分別對應地幔楔、軟流圈、交代巖石圈、新生下地殼和拉薩地塊基底巖石的部分熔融。

林子宗火山巖從下部典中組到上部帕那組巖性存在較大的變化因此有著不一樣的地球化學特征,從主量元素來看,典中組-年波組-帕那組分別向中鉀鈣堿性-高鉀鈣堿性到鉀玄巖-高鉀鈣堿性及鉀玄質系列過度的地球化學特征;微量元素特征為早期的典中組火山巖主要顯示為弧火山巖特征,隨著時間的變化,年波到帕那組逐步顯示為陸內或板內火山巖地球化學特征[182]。莫宣學等[145, 182]認為林子宗火山巖具有俯沖的新特提斯樣殼、大陸巖石圈地幔以及大陸地殼同位素組成的三元Sr-Nd-Pb混合趨勢同位素特征。從下部典中組到中部年波組到上部帕那組雖然巖性差異較大,早先年認為它們同位素組成是相似的,這指示了林子宗火山巖來自于同一源區[20, 69]。但是這些年通過對林子宗火山巖系統的研究和對比認為從下部典中組到中部年波組再到上部帕那組同位素組成是不一樣的,從底部到上部同位素組成有越來越富集的趨勢,這可能指示了地殼成分占比越來越大[150]。這套東西分布的火山巖在同位素組成上也是有差異的,西部分布的火山巖具有的同位素特征比東部的火山巖同位素組成更富集,因此一些研究指出岡底斯帶地殼組成具有差異性,并非都是由新生地殼組成[150]。根據地球化學特征,對于這套火山巖的成因機制主流觀點認為新特提斯洋板片及其上覆沉積物在角閃巖相熔融形成,而中上部的年波組和帕那組是由先前形成的典中組重融形成[20, 69]。也有一些其他的觀點認為林子宗火山巖是來自于俯沖帶的地幔源區基性巖漿和地殼源區酸性巖漿混合形成[185]或地幔楔部分熔融形成,巖漿在上升的過程中受到了地殼不同程度的混染[179],以及巖石圈地幔及其下地殼熔融[101]。

無論林子宗火山巖來自于洋殼熔融、地幔楔熔融、幔源巖漿和殼源巖漿混合、巖石圈地幔及其下地殼熔融還是混雜巖熔融,它都具有虧損地幔的同位素組成,指示了地幔來源的巖漿侵入拉薩地體大陸地殼,并引發了顯著的地殼生長。Mo et al[20]根據Sr-Nd同位素的組成模擬計算得出林子宗火山巖中地幔的組分占70～90% (安多片麻巖為地殼端元,雅魯藏布江MORB為地幔端元),這指示了大量的地幔巖漿進入地殼促進了地殼的生長(圖7)。這個觀點直接證實了碰撞造山帶是大陸地殼生長得理想場所[20-21, 69, 102, 170, 172]。這跟典型的中亞造山帶地殼生長模式類似,中亞造山帶地殼就是一系列陸陸或弧陸碰撞導致其顯著的地殼生長[189]。

圖7 林子宗火山巖Sr-Nd同位素組成 (引自文獻[102])Fig.7 The Sr-Nd isotopic compositions of the Linzizong volcanic sequence in the Gangdese belt (from reference[102])

南拉薩地體不僅僅出露大規模的林子宗火山巖,也出露其他時期的火山巖,包括了中晚三疊、早侏羅、早白堊、晚白堊的火山巖,這些火山巖雖沒有林子宗火山巖規模巨大,但是不可忽略這些火山巖對拉薩大陸地殼生長的貢獻,這些火山巖的同位素組成是正的且主要來源于地幔楔部分熔融[128, 138, 140, 190-191]。總之,林子宗火山巖和其他時期形成的火山巖對拉薩大陸地殼的生長起到了不可磨滅的作用。

6 大陸地殼生長機制

大陸地殼是地球歷史演化的記錄,見證了地球演化和生長的過程[192],但是關于大陸地殼的生長機制一直是地質學家關注和討論的熱點[9, 193-194]。已有研究表明,大陸地殼的總體成份為“安山質”[2, 195],具有島弧巖漿巖的地球化學特征,以富集大離子親石元素(如:Ba, Rb, Cs, K和Pb)和虧損高場強元素(如:Nb,Ta和Ti)為特征[17, 196]。正是由于這些“島弧型”地球化學特征,一些學者提出大陸地殼形成的“島弧模式”,認為大陸地殼是通過俯沖帶巖漿作用形成[1],并被此后的研究廣泛接受[17, 197-198]。盡管這一觀點可以很好地解釋大陸地殼的“島弧型”地球化學特征,但卻無法合理解釋以下3個基本的地質觀察現象[10, 20-21, 170-171, 199-200]:①大陸地殼為“安山質”而俯沖帶巖漿成份更基性。俯沖帶巖漿主要由俯沖板片脫水導致的地幔楔部分熔融形成,因而其初始的巖漿成份為玄武質,并以低硅高鎂為特征[201],完全不同于大陸地殼“安山質”的組成及其高硅低鎂的特征[2, 17]。②島弧體系陸殼物質的生長與俯沖消減總體平衡,與地質演化過程中大陸地殼總量的顯著增長不一致。大量的模擬顯示,顯生宙以來島弧地區大陸地殼物質的生長速率與俯沖帶消減進入地幔的物質速率基本一致[202-203]。③島弧巖漿巖顯著富Sr,而大陸地殼則明顯虧損Sr[171]。

鑒于上述矛盾,此后逐漸出現了一些修正版的大陸地殼形成“島弧模式”,如:島弧深部鎂鐵質組分拆沉[204]、早期形成的俯沖板片部分熔融形成的長英質巖石與后期幔源巖漿的同化混染或巖漿混合[205]、島弧俯沖物質的堆疊[206]。盡管這些修正模型有不同程度的進步,但仍舊存在一些無法解釋的基本地質現象[21, 207],如:含石榴子石榴輝巖相的拆沉將不可避免的導致島弧熔體強烈虧損重稀土元素,這與平均大陸地殼特征不一致[10];地質演化過程中大陸地殼呈現顯著的幕式生長特征且總量顯著增加,說明俯沖帶并非大陸地殼生長的唯一關鍵地區[3, 208]。

對此,近年來一些新的大陸地殼形成觀點被提出來,如:①年輕的俯沖洋殼或加厚的洋殼部分熔融[208-209]；②地幔柱相關熔體[7, 19]；③)弧-陸碰撞拼貼[6]。太古代石英閃長巖-英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖組合 (TTG巖系)是目前已知最早的大陸地殼記錄,其地球化學特征類似現今的埃達克巖[209]。已有研究揭示,TTG巖系是年輕的俯沖洋殼或加厚洋殼的部分熔融[4, 208]。TTG巖系強烈虧損重稀土(HREE),然而現今大陸地殼并不具有這樣的地球化學特征,說明至少顯生宙的大陸地殼不是由這一機制主導形成[21]。地幔柱相關熔體主要為玄武質巖漿巖,具有洋島玄武巖(OIB)的地球化學特征[210],明顯不同于大陸地殼“安山質”的特征,顯示地幔柱也不是大陸地殼形成的主導機制。弧-陸碰撞主要導致大陸地殼的水平側向增生,如中亞造山帶[211-214],大陸地殼總量的增長并不顯著[215]。

傳統觀點認為，碰撞過程中陸殼主要發生重融和改造作用,地幔物質實質上沒有進入地殼或者即使有也只是少量地幔物質的加入,地殼生長作用不顯著[167-168, 211]。近年來隨著造山帶研究的深入,國內外學者陸續發現陸-陸碰撞造山過程中形成的大量長英質巖漿巖具有虧損的Nd-Hf同位素特征,指示碰撞造山過程中可能有大量的地幔物質進入地殼并造成了顯著的大陸地殼生長[20-21, 69, 169]。據此,一些學者提出碰撞造山帶是大陸地殼凈生長的一個主要地區,指出同碰撞期間大洋地殼的部分熔融可以形成類似大陸地殼平均組成的安山質巖石,如青藏高原岡底斯花崗巖帶[20-21, 69, 99, 102, 171]、東昆侖造山帶早侏羅世花崗巖帶[170, 216]、祁連山造山帶[22, 207, 217]。這一觀點認為在碰撞造山過程中,早期的洋殼被卷入造山帶底部發生角閃巖相變質并部分熔融形成同造山的“安山質”新生大陸地殼。盡管這一模型可以很好地解釋新生大陸地殼的“安山質”地球化學特征,并能在地質演化時間上與超大陸的匯聚結合起來解釋大陸地殼形成的幕式特點,但是這些洋殼如何卷入造山帶底部、其動力學機制及過程等關鍵科學問題卻并不清楚。

圖8 碰撞造山帶混雜巖底辟熔融導致大陸地殼生長示意圖(修改自文獻[218-219])Fig.8 A model of continental crust growth in collisional orogenic belt caused by melting of mélange diapir (modified from references[218-219])

由于洋殼的拖拽,兩個大陸板塊碰撞開始時早期的洋殼的俯沖作用并未停止,俯沖的大洋板片會在地幔中殘留一段時間,甚至很長時間。最近,我們注意到在俯沖帶混雜巖底辟熔融可以形成弧巖漿巖[218-222]。混雜巖熔融模型形成弧巖漿巖目前已經很好地被實驗巖石學和地球化學方法所證明[218-222]。Mo et al[20, 69]解釋林子宗火山巖典中組為俯沖的新特提斯洋板片及其上覆沉積物在角閃巖相形成。而我們結合元素和同位素證據闡釋了林子宗火山巖下部典中組安山巖更可能是由混雜巖底辟熔融而形成,這個巖石成因觀點和全球各個大陸邊緣弧巖漿巖是由混雜巖底辟熔融形成的觀點是一致的[102]。因此,我們提出混雜巖底辟熔融可能是碰撞造山帶大陸地殼生長不可忽視的一種潛在新機制(圖8)。這里所定義的混雜巖為由大洋板片玄武巖、大洋沉積物和地幔楔橄欖巖三部分組成,這些組分在俯沖隧道機械混合形成均勻的混雜巖,這些混雜巖底辟熔融形成了典中組安山巖。這與傳統的被流體或溶體交代地幔楔熔融模型相反,混雜巖底辟熔融強調了是三組分先機械混合然后熔融[102, 218-222]。

7 結 語

碰撞造山過程不同于俯沖增生過程,相關大陸地殼生長作用近年來受到了國內外學者的關注。隨著碰撞造山過程研究的不斷深入,經典碰撞造山帶地區殼幔巖漿作用將越來越清晰明朗并最終實現完全定量化,這必然促進碰撞過程大陸地殼生長過程和生長速率的研究。相信隨著國內外學者對于青藏高原南部地區的持續研究,在不遠的未來碰撞造山過程中大陸地殼的生長機制終將被清晰揭示。

由于作者水平有限,難以全面評述前人已經取得的進展,文中不當之處敬請批評指正!

致謝: 感謝審稿專家和編輯部在本文修改過程中提出的建設性意見和建議!感謝過去五年期間中國科學院廣州地球化學研究所王強、袁超研究員給予的科研項目和野外工作的幫助。