造山带岩浆作用的强度和旋回性:以东昆仑古特提斯花岗岩类岩基为例*

2015-03-15 12:00马昌前熊富浩尹烁王连训高珂
岩石学报 2015年12期
关键词:造山闪长岩锆石

马昌前 熊富浩 尹烁 王连训 高珂

MA ChangQian1,XIONG FuHao2,YIN Shuo1,WANG LiangXun1 and GAO Ke1

1. 中国地质大学地球科学学院,地质过程与矿产资源国家重点实验室,武汉 430074

2. 成都理工大学地球科学学院,成都 610059

1. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources,School of Earth Science,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China

2. College of Earth Sciences,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China

2015-09-09 收稿,2015-11-09 改回.

1 引言

造山带岩浆作用是大陆地壳生长和分异的重要机制,常常形成大型花岗质岩基,记录了大陆动力学过程中物质的运动与能量的转化,表征了造山带大陆动力学的过程(曾令森等,2006;Castro et al.,2013;Li et al.,2013;Wang et al.,2014)。因此,大的花岗岩基是揭示造山带的物质组成、形成演化和动力学过程的窗口。最近40 多年来的研究表明,造山带岩浆作用并不是均衡发展的,而是有强有弱。造山带的大型侵入体都可能是由数次甚至数十次的岩浆脉动渐进添加生长而成的(Pitcher and Berger,1972;Hutton,1982,1992;Lagarde et al.,1990;Paterson and Vernon,1995;McNulty et al.,1996;Vigneresse and Bouchez,1997;Paterson and Miller,1998;Wiebe and Collins,1998;Johnson et al.,1999;Miller and Paterson,2001)。随着造山带地质填图的展开,尤其是锆石U-Pb 年代学方法的广泛应用,越来越认识到侵入岩体内部组成和结构的复杂性,不仅形成时代表现出阶段性和旋回性,而且不同阶段壳幔物质的贡献也不相同(Gehrels et al.,2009;Holland et al.,2013;Qin et al.,2013;Clausen et al.,2014;Xiong et al.,2014)。在以往的研究中,往往根据一个地区的同位素测年结果来反映不同阶段岩浆作用的强弱,也就是用年龄直方图来体现。然而,年代学资料可以反映岩浆作用的时限,但并不能真正反映岩浆活动的强度。近年来,国外学者引入了岩浆通量(Magmatic flux)或岩浆添加速率(magma addition rate)的概念(Paterson and Ducea,2015),试图用这样的岩浆动力学参数来描述古岩浆作用的强度。对剥露的造山带,可以在估算岩浆添加速率的基础上,解剖大岩基的形成过程,深入分析大陆地壳生长和再循环的机制(Ducea,2001;Paterson and Ducea,2015)。对火山系统,则是通过计算岩浆喷发速率(magma eruption rate)(de Silva et al.,2015),作为火山系统周期性的预测工具(Gamble et al.,2003;Hora et al.,2007),以推断火山下面的岩浆房的行为(Bacon and Lanphere,2006;Scandone et al.,2007)。

东昆仑造山带是青藏高原北部的巨型岩浆岩带,尤以晚古生代-早中生代古特提斯造山阶段花岗岩最为发育。巨型花岗岩带的出露为研究造山带花岗岩基的形成和陆壳生长演化机制提供了理想的天然实验室。研究表明,东昆仑造山带晚古生代-早中生代花岗岩浆活动起始于晚二叠世(~262Ma),一直持续至晚三叠世-早侏罗世(ca.200 ~185Ma)。然而,有关该期花岗岩形成的构造背景及其深部过程一直存在争议。有关构造环境的主要观点包括:①东昆仑古特提斯洋盆于晚二叠世闭合(袁万明等,2000;刘成东等,2002;罗照华等,2002;李荣社等,2008;陈守建等,2010),三叠纪花岗岩为碰撞-碰撞后环境产物;②早三叠世时期东昆仑处于活动大陆边缘环境,但到中晚三叠世时阿尼玛卿洋盆就已经闭合(杨经绥等,2005;朱迎堂等,2009;李瑞保等,2012;马昌前等,2013),晚二叠世-早三叠世花岗岩形成于洋壳俯冲环境,晚三叠世花岗岩形成于碰撞-碰撞后环境;③洋盆于晚三叠世仍未闭合,古特提斯洋壳持续俯冲,三叠纪岩浆作用均与洋壳俯冲有关(Liu,2005;Yuan et al.,2009)。厘定岩浆作用的峰期和强度,对阐明岩浆作用的旋回性和壳幔相互作用机理,进而深入认识岩浆作用的构造背景,具有重要意义。本文以东昆仑香日德三叠纪花岗岩岩基为例,通过岩浆通量的估算,厘定造山带出现岩浆潮(magmatic surges)或岩浆大爆发(magmatic flare-ups)的时间,进而讨论与古特提斯构造演化相关的岩浆活动过程。

2 区域地质背景

东昆仑造山带位于青藏高原北部,是青藏高原的重要组成单元(图1),该造山带向东与秦岭造山带相连,向西则以阿尔金断裂与西昆仑相隔,北面与柴达木盆地相邻,南面则以昆南断裂与巴颜喀拉-松潘甘孜地体隔开(许志琴等,2007,2013;Xu et al.,2015)。东昆仑造山带与秦岭和大别造山带构成了中国中央造山带,是划分中国南北地体的重要界限(殷鸿福和张克信,1998)。东昆仑造山带是典型的复合增生造山带(杨经绥等,2010),主要经历了早古生代原特提斯和晚古生代-早中生代古特提斯两期造山作用(Yang et al.,1996;Bian et al.,2004;杨经绥等,2004),其中,古特提斯造山事件基本奠定了东昆仑现今的地质构造格局。以昆中原特提斯蛇绿混杂岩带(Meng et al.,2012)和昆南-阿尼玛卿古特提斯蛇绿混杂岩带(杨经绥等,2004)为界,可将东昆仑划分为昆北地体和昆南地体。

图1 东昆仑造山带大地构造简图及岩浆岩时空分布简图Fig.1 Tectonic and magmatic sketches in Eastern Kunlun Orogen

研究表明,沿东昆仑南缘分布的布青山-阿尼玛卿古特提斯缝合带代表了消亡的古特提斯洋盆,其MORB 型玄武岩和辉长岩的年代学资料一致表明该洋盆于早石炭世开启扩张(陈亮等,2001;Yang et al.,2009)。而该古特提斯缝合带内及北部东昆仑地区二叠纪岛弧型玄武岩的发现(姜春发等,1992;Liu et al.,2014),则表明古特提斯洋壳于二叠纪开始向北俯冲。洋壳的俯冲及弧-陆碰撞导致东昆仑地区发育巨量岩浆活动,形成以三叠纪花岗岩类为主体的巨型岩浆岩带(图1b)(莫宣学等,2007;Chen et al.,2014;Xiong et al.,2014)。

东昆仑东段古特提斯域花岗岩体主要分布于昆北地体,昆南地体相对较少,昆南缝合带内的岩体更少。岩体规模不一,但大多为呈东西向带状展布的大型复式岩基,其空间展布与区域构造线一致。特别重要的是,大型复式岩基常常由数个岩性单元构成,各个单元之间或呈明显的侵入接触,或呈渐变接触。以香日德复式岩基为例,该岩基主要由石英闪长岩、二长花岗岩和花岗闪长岩等多个岩性单元构成,不同岩性单元具有不同的岩石学、年代学和地球化学组成。从东昆仑西部的祁漫塔格地区至东段邻近香日德的巴隆地区,晚三叠世的镁铁质岩墙群广泛出露,是研究造山后幔源岩浆活动的窗口。

3 岩体地质特征

出露于香日德镇东南约2km 的香日德复式岩基,是东昆仑造山带东端的一个代表性侵入体(图1b),研究程度较高(如,罗明非等,2014)。该岩体处于昆中断裂带以北,构造位置属于昆北地体,出露面积超过1000km2。该岩基岩石类型复杂,具有多次侵入的特征,岩体侵入元古代小庙群及古生代地层。岩石类型包括石英闪长岩、二长花岗岩和(斑状)花岗闪长岩等(图2)。野外地质研究发现,二长花岗岩呈脉状侵入石英闪长岩(图3a),石英闪长岩具有强烈的岩浆混杂和混合现象(图3b),局部可见花岗闪长岩呈网状分割石英闪长岩或捕获石英闪长岩团块(图3d,e)。花岗闪长岩与二长花岗岩截然接触(图3c),可见花岗闪长岩具有冷凝边,接触边界的矿物定向明显,矿物沿接触边界走向分布,以此可推知花岗闪长岩晚于二长花岗岩。综上分析,香日德复式岩基的岩浆侵位次序依次为石英闪长岩-二长花岗岩-(斑状)花岗闪长岩。此外,石英闪长岩和(斑状)花岗闪长岩内部可见大量闪长质暗色微粒包体,但在二长花岗岩中则少见或不见暗色微粒包体(图3d-f)。

图2 东昆仑东段香日德花岗岩基地质简图Fig.2 Geological sketch of Xiangride granitoid batholith in Eastern Kunlun Orogen

石英闪长岩位于香日德复式岩基中部(图2),岩石为中细粒结构,块状构造,主要矿物为斜长石(45% ~50%)、角闪石(25% ~30%)、石英(5% ~10%)和黑云母(5% ~10%)。岩体中发育暗色微粒包体。二长花岗岩零星分布,多为中粒结构,块状构造,局部可见似斑状结构,斑晶为钾长石,岩石中可见极少量的暗色微粒包体。二长花岗岩的主要矿物为斜长石(30% ~35%)、条纹长石(35% ~40%)和石英(25%~30%),暗色矿物主要为黑云母(5%),极少出现角闪石。花岗闪长岩为岩基的主体(图2),为中细粒花岗结构,块状构造,矿物主要为石英(20% ~25%)、斜长石(40% ~45%)、钾长石(15% ~20%)、角闪石(5% ~10%)和黑云母(5%)。暗色微粒包体大量分布于花岗闪长岩之中,最大者可达1m×1m,包体中可见角闪石和长石斑晶。

锆石U-Pb 年代学分析表明(熊富浩,2014),石英闪长岩的锆石206Pb/238U 年龄值变化范围较宽(239 ~258Ma),其加权平均年龄分约为247.8 ±3.7Ma。二长花岗岩共分析了三件样品,其锆石206Pb/238U 变化于231 ~244Ma 之间,加权平均年龄约为236.0 ±3.7Ma。(斑状)花岗闪长岩的锆石206Pb/238U 表面年龄变化于218 ~227Ma 之间,加权平均年龄为223.6 ±1.1Ma。

综上可见,香日德岩基各单元之间是不同时间先后侵位结晶的,石英闪长岩侵位相对较早,主体属于早三叠世岩浆活动产物(258Ma),而二长花岗岩的侵位结晶作用紧随其后,侵位时间约231 ~244Ma 左右,属中三叠世岩浆活动产物,(斑状)花岗闪长岩侵位结晶时间约为224Ma 左右,为晚三叠世岩浆活动产物。

4 岩浆活动强度的估算

岩浆活动强度,用岩浆通量或称为岩浆的体积添加速率来表示,指的是每百万年(m.y. )的时间内从深部添加到地壳浅部的岩浆物质的体积。有的定义为每千米长的岩浆带内每百万年的时间内从深部添加到地壳浅部的岩浆物质的体积(DeCelles et al.,2009;Gehrels et al.,2009;Paterson et al.,2011;Caricchi et al.,2014)。如果只计算每百万年(m.y. )的时间内从深部添加到地壳浅部的岩浆物质的面积,则称为视岩浆通量或面积添加速率(Paterson et al.,2011)。

图3 香日德岩基的野外地质关系(a)二长花岗岩侵入切割石英闪长岩;(b)石英闪长岩内部分异现象;(c)二长花岗岩与花岗闪长岩截然接触;(d)石英闪长岩与花岗闪长岩发生局部混合;(e)花岗闪长岩内部不均一的闪长质包体和团块;(f)花岗闪长岩侵入二长花岗岩,且花岗闪长岩内部出现大量包体,而二长花岗岩中包体含量极少Fig.3 Geological relations of Xiangride granitoid batholith

岩浆体积添加速率的估算方法,目前还在探索之中。Gehrels et al.(2009)在对北美西部海岸岩基的研究中,提出的岩浆通量的估算方法是:先将岩基大致划分为若干个性质相对均匀而互相平行的片区,分别估算每个片区中每一阶段的岩浆通量(MF,km3/m.y. 沿走向每km 的长度,其中m.y. 是百万年的缩写)。MF 的计算公式是:

MF=片区面积×某个阶段岩体所占面积% ×古侵位深度/该阶段岩体沿走向的长度/侵位阶段的年龄间隔

如果某一阶段岩体分布在多个片区中,则先分别计算每个片区的岩浆通量(km3/m.y.)。然后将所有区片同时代岩浆岩的计算结果加和,就得到这一阶段该区域总的岩浆通量或称为总通量。

Paterson et al.(2011)和Paterson and Ducea(2015)对比了岩浆添加速率的多种定义(表1)。本文中,我们主要计算岩浆的体积添加速率(km3/m.y. )。即先估算岩基中每个单元的面积,结合锆石U-Pb 年龄数据的范围,得到面积添加速率。然后再依据对岩体厚度的假定或估算,初步得到岩浆的体积添加速率。计算中,因采用不同的假定所带来的误差情况,Paterson et al.(2011)的文章有详尽的分析讨论。计算体积添加速率时,分别统计了每个单元的出露面积,并假定各单元岩石具有相同的岩体厚度。由于对岩体的真实形态和岩体厚度缺乏有效约束,这种计算不一定能反映岩浆侵位时的真实状况。此外,由于没有考虑同时期的火山岩,计算得到的岩浆添加的量是一个偏低的数值。

近年来,有关上地壳花岗岩的侵位机制和动力学的研究表明,大的花岗岩基一般都是平板状侵入体,单个岩体的最大厚度为2.5km。一般,岩体的长度(L)和厚度(T)具有相关关系(McCaffary and Petford,1997)。可以表示为:

表1 有关岩浆添加速率的术语比较(据Paterson et al.,2011;Paterson and Ducea,2015)Table 1 Commonly used quantities about magma additions rates (after Paterson et al.,2011;Paterson and Ducea,2015)

图4 香日德岩基的岩浆体积添加速率随岩浆活动时间的变化图Fig.4 Variation of magmatic volume addition rate vs. Time of Xiangride granitoid batholith

其中,对于岩盖,c =0.12,而a =0.88;而对岩基,c =0.29,a=0.6(Petford et al.,2000)。

根据Paterson et al.(2011)的计算方法(表1),采用香日德岩基各岩性单元的出露面积、U-Pb 锆石年龄和假定的岩体厚度(按2.5km 计算)进行了体积添加速率(岩浆通量)计算,结果表示于图4 中。可见,岩浆的体积添加速率的变化存在着旋回性特征。其中,早三叠世石英闪长岩的岩浆体积添加速率最低,而晚三叠世花岗闪长岩的岩浆体积添加速率则最高,中三叠世介于其间。计算表明,香日德岩基经历了三个阶段的体积添加过程,第一阶段持续时间约19Myr,其峰期的添加速率约33km3/m.y.,第二阶段持续时间约13Myr,其峰期添加速率约50km3/m.y.,第三阶段持续时间约9Myr,其峰期添加速率达到了99km3/m.y.。

Tibaldi et al.(2013)对阿根廷奥陶纪Famatinian 岩浆弧的地壳剖面的研究表明,在地壳剖面内,对不同深度内的岩石进行年代学测定,都得到了相近的年龄分布。因此,我们可以以现在地表的侵入体露头定年来反映岩基整体的年龄分布状况。还需要指出的是,要提高计算结果的可靠性,就需要结合地球物理资料进一步约束地下主要地质体的几何形状,同时,也需要在野外更加精细的划分岩石单元,并提供更详细的年代学和地球化学资料。此外,还可以采用热模拟的方法来计算岩浆通量(Paterson et al.,2011)。

岩浆大爆发(magmatic flare-up)指的是岩浆添加到地壳的体积显著大于平均值的时期,而岩浆宁静期(magmatic lull)是加入到地壳中的岩浆体积远低于平均值的时期。所有的北美大陆弧都记录了高岩浆通量被岩浆宁静期所分隔的情况(Armstrong,1998;Paterson et al.,2011)。在岩浆大爆发时期,岩浆添加到中上地壳的速率为75 ~100km3/km m.y. ,而岩浆宁静期的添加速率只有10 ~20km3/km m.y.(Coleman et al.,1992;Ducea and Barton,2007)。根据Paterson et al. (2011)的资料,当体积添加速率达到100 ~106km3/m.y. 时,就属于岩浆潮或岩浆大爆发阶段。由于缺乏花岗岩类岩石在深部分布情况的细节,目前还难以准确估算东昆仑造山带单位弧长的体积添加速率,但香日德地区晚三叠世时期加入到中上地壳的岩浆体积是巨大的,接近岩浆大爆发状态,这也与岩基内晚三叠世花岗闪长岩大量出露的事实一致。

5 岩浆旋回与源区特征

锆石Th/U 比值反映了岩浆源区的性质,也是鉴定岩浆源区是否存在变质流体贡献的有力工具(Belousova et al.,2002;Hoskin and Schaltegger,2003)。样品的Th/U 比值呈现出三个阶段性演化趋势,且总体具有降低的趋势(图5)。所有锆石分析点具有的Th/U 比值,第一阶段的Th/U 比值为0.83 ~2.20,第二阶段的Th/U 比值为0.28 ~1.27,第三阶段的Th/U 比值为0.44 ~0.67。同时,不同阶段的锆石具有不同的Th 和U 含量,其中具有最高Th/U 比值的第一阶段样品具有较高的Th 和U 含量,其Th 含量主要变化于431×10-6~2702 ×10-6,U 含量变化于522 ×10-6~1726 ×10-6,而具有最低Th/U 比值的第三阶段样品则具有较低的Th 和U 含量,其Th 含量主要变化于112 × 10-6~585 ×10-6,U 含量变化于252 ×10-6~1149 ×10-6。Th 和U 与流体性质密切相关(Tatsumi et al.,1986;Saunders et al.,1991),板片沉积物携带的流体常常富集Th 和U 等大离子亲石元素(LILE),而板片熔体常常亏损LILE。香日德岩基不同样品的Th 和U 含量的逐渐降低,反映了源区富集LILE 的流体贡献逐渐减弱,表明第一阶段石英闪长岩岩浆源区存在大量的板片流体的贡献。

图5 香日德岩基中锆石Th/U 比值与岩浆体积添加速率对比图Fig.5 Zircon Th/U ratios and volume addition rate of of Xiangride granitoid batholith

锆石Lu-Hf 同位素的研究表明,香日德岩基的Lu-Hf 同位素存在着系统的变化规律(图6):第一阶段的石英闪长岩具有较宽和偏低的Hf 同位素组成,而第三阶段花岗闪长岩具有较高的Hf 同位素组成,这反映了源区组成的差异性变化。结合Th 和U 元素组成所提供的信息,第一阶段岩浆存在大量板片流体贡献,而板片流体主要来自板片沉积物。因此,可以推测,第一阶段石英闪长岩岩浆源区存在大量的板片沉积物同位素贡献,而玄武质板片熔体的贡献较弱,这与石英闪长岩的Hf 同位素组成特征一致,与此不同,第三阶段的花岗闪长岩具有较高的Hf 同位素组成、较低的Th 和U 组成,表明板片沉积物的贡献较弱,而玄武质熔体的贡献较强。

图6 香日德岩基中锆石Hf 同位素组成变化图Fig.6 Diagram showing Zircon Hf isotopic composition of Xiangride granitoid batholith

香日德岩基样品的Sr 和Y 等元素组成也具有规律性变化特征(图7)。第一阶段和第二阶段样品具有较低的Sr 和较高的Y 组成,具有较低的Sr/Y 和La/Yb 比值,而第三阶段样品则明显具有较高的Sr 和较低的Y 组成,其Sr/Y 和La/Yb 比值较高(图7)。这种规律性变化特征表明第一阶段和第二阶段岩浆主要发生了斜长石等分离结晶或源区残留,而第三阶段岩浆则发生了石榴石或角闪石分离结晶或源区残留。源区不同类型矿物的稳定存在反映了不同的地壳深度(肖龙等,2004;Castillo,2012)。以分离结晶或源区残留的主要矿物相为依据,可以推测第一和第二阶段岩浆起源于正常地壳厚度,而第三阶段岩浆则是在加厚地壳产生的岩石基础上形成的。这种差异性特征反映了香日德岩基的构建过程中经历了碰撞前和碰撞加厚的构造过程。

图7 香日德岩基内部各单元的Sr/Y-Y 和La/Yb-Yb 图Fig.7 Sr/Y vs. Y and La/Yb vs. Yb diagrams of Xiangride granitoid batholith

图8 香日德岩基内部各单元的岩浆源区分析图解Fig.8 Geochemistry and magma sources of Xiangride granitoid batholith

岩浆体积添加速率的初步估算表明,香日德岩基存在着三个旋回性发展的阶段。这种阶段性不仅与构造背景的转变密切相关,也与源区性质的变化紧密联系。实验岩石学对大陆下地壳不同源岩的大量熔融实验研究表明,来自变基性岩熔融的岩浆比来自变沉积岩熔融的岩浆具有更低的(Na2O+K2O)/(FeOT+ MgO + TiO2)、CaO/(FeOT+ MgO +TiO2)和Al2O3/(FeOT+ MgO)比值,更高的CaO/(MgO +FeOT)和CaO + FeOT+ MgO + TiO2比值(Patiño Douce and Johnston,1991;Rapp et al.,1991;Rapp and Watson,1995)。香日德岩基第一阶段岩浆岩具有与变基性岩部分熔融产生的岩浆相似的特征(图8),指示岩浆可能来源于基性下地壳的部分熔融。然而,岩体内还发育镁铁质暗色微粒包体,可以认为,第一阶段石英闪长岩既与基性下地壳熔融有关,也存在幔源玄武质岩浆的叠加和混合作用。

与第一阶段岩石相比,第二阶段高硅花岗岩类具有相似的CaO/(MgO+FeOT)比值,但Al2O3/(MgO +FeOT)、K2O/Na2O 和(Na2O+K2O)/(FeOT+MgO +TiO2)等的比值却显著升高,反映了源区具有类似变质硬砂岩的特征(图8)。第三阶段岩浆岩具有较低的(Na2O + K2O)/(FeOT+ MgO +TiO2)和K2O/Na2O 比值,其特征与1.6GPa 条件下变玄武岩熔融产生的熔体成分相似,也与1 ~4.0GPa 条件下变玄武岩和榴辉岩熔融产生的熔体成分相似(Rapp et al.,1991)。如图7 所示,香日德第三阶段岩石具有类似于加厚地壳熔融的地球化学特征。实验岩石学研究表明,在高压条件下(>1GPa),变玄武岩、榴辉岩和角闪岩等岩石将发生熔融,形成以石榴石为主要残余矿物相的熔体,熔体具有高Sr 低Y等埃达克岩特征。以上资料表明,香日德第三阶段岩浆岩主要起源于加厚下地壳熔融,其较低的(Na2O +K2O)/(FeOT+MgO+TiO2)比值和较高的CaO/(MgO +FeOT)比值则表明其源区为下地壳角闪岩。

图9 东昆仑古特提斯域花岗岩类的锆石U-Pb 年龄统计图Fig.9 Zircon U-Pb age charts of Paleo-Tethyan granitoid rocks in Eastern Kunlun

6 地质和成矿意义

锆石年代学统计资料表明,东昆仑古特提斯域岩浆活动出现于270 ~200Ma 之间,存在着多个峰期(图9),其中最高峰的年龄为早三叠世(约240Ma),而晚三叠世岩浆活动年龄的峰最低。然而,根据岩浆体积添加速率的估算结果,东昆仑花岗岩浆的大规模侵位结晶发生在晚三叠世,而早三叠世岩浆添加速率较低,这表明东昆仑造山带巨量花岗岩浆大爆发发生在碰撞后环境,而俯冲阶段产生的岩浆通量较低,可能与冈底斯巨型花岗岩基的成因机制相近(Mo et al.,2009;Niu et al.,2013)。

表2 昆北地体中代表性的成岩成矿年龄对比Table 2 Timing of magmatic crystallization and mineralization in representative granitoids and their ore deposits,Northern Kunlun Terrain

香日德岩基岩浆通量的研究表明,自早三叠世到晚三叠世,发生了三次强烈的岩浆活动,但从早到晚,岩浆体积添加速率增加,这与区域构造演化和深部动力学背景密切相关。早三叠世岩浆体积添加速率较低,其锆石Th/U 比值偏高,且Hf 同位素组成较低(图6),这与源区发生富集改造和初始熔融有关。即晚二叠世阿尼玛卿板片向北俯冲,导致源区发生富集改造作用,板片沉积物或流体使源区强烈富Th,并触发了地幔楔的熔融作用,形成具有弧岩浆化学属性的玄武质岩浆作用(熊富浩等,2011;Xiong et al.,2013;Liu et al.,2014)。玄武质岩浆的底侵作用,导致地壳熔融和早三叠世花岗质岩浆作用。因此,早三叠世深部过程涉及到下地壳熔融-壳幔混合-岩浆分异与均一化等过程。与早三叠世相比,中三叠世时期,岩浆体积添加速率略微升高,其Hf 同位素组成较为均一,且岩体中不发育镁铁质暗色微粒包体,这表明这一阶段的岩浆活动起源于陆壳熔融。晚三叠世时期,花岗岩浆体积添加速率最大,其Hf 同位素组成范围很宽,但部分岩石中软流圈地幔物质的贡献明显增多,同时也具有加厚地壳的微量元素特征(高Sr 低Y),普遍发育暗色微粒包体。这表明,这一时期的岩浆活动是在前期加厚的背景下,陆壳岩石发生熔融的产物,熔融过程中受到了地幔物质的添加和贡献。

以往提出过多种岩浆大爆发的机制,可大致归为两类。一是岩石圈伸展和(或)拆沉导致软流圈地幔熔体的加入(Kay and Mahlburg-Kay,1991;Lee et al.,2006);二是地壳和(或)岩石圈的缩短引起大规模的熔融作用(Ducea,2001;Ducea and Barton,2007)。例如,根据地质记录和同位素地球化学资料,北美西部大岩基的形成都发生于挤压时期,因而认为加州弧岩浆大爆发是由地壳(岩石圈)加厚引起的(Ducea and Barton,2007)。与北美西部不同,东昆仑地区侵入岩锆石Hf 同位素的统计表明(图10),全区的同位素特征不仅具有与香日德复式岩基相似的特点,即从早到晚Hf 同位素组成升高,而且从230Ma 开始,锆石的Hf 同位素组成范围变宽,部分岩体尤其是含矿岩体具有相当高的Hf 同位素组成(εHf高达+7.7)(图10)。这表明,青藏高原北部的晚三叠世大规模岩浆活动,与软流圈地幔的活动和相关熔体的加入有关。

图10 东昆仑古特提斯含矿与不含矿岩浆岩锆石Hf 同位素组成Fig. 10 Zircon Hf isotope of ore-bearing and barren granitoid rocks,Eastern Kunlun

在东昆仑地区尤其是在昆北地体与柴达木盆地邻接区,产出了一系列大-中型矽卡岩-斑岩型铁铜(钼铅锌)多金属矿床,与成矿有关的岩体如肯得可克、野马泉、尕林格、五龙沟、双庆和白石崖等闪长岩-花岗闪长岩体等,大都形成于晚三叠世时期(熊富浩,2014;Yuan et al.,2013)。部分成矿年代学资料也表明,成矿作用大多发生在晚三叠世(表2)。例如,祁漫塔格的野马泉、都兰县的白石崖矽卡岩型铁多金属矿床的形成年龄分别为225 ±2Ma 和230 ±2Ma(均为矿石金云母的40Ar-39Ar 年龄,本项目组未刊资料)。可以认为,由于晚三叠世时期东昆仑处于碰撞后伸展环境,深部地幔岩浆上涌,就促使原先加厚的地壳发生熔融,在减压环境下形成大体积的花岗质岩浆,导致陆壳生长,也有利于矿床的形成。尤其是在盆山结合部,地幔物质对岩浆活动的贡献更大(图10),导致岩浆大爆发,也为成矿提供了巨量的热和物质,有利于矿床形成,而且由于剥露较浅,矿体容易保留下来。

7 结论

(1)岩浆从深部添加到中上地壳的速率是当前岩浆动力学研究的一个新主题。深入研究其变化规律,对于认识大陆地壳生长和演化机理,探索大型花岗岩基的产生机制,认识岩浆活动与成矿的关系,具有重要意义。

(2)东昆仑造山带研究活动强烈,尤以与古特提斯构造演化相关的晚二叠世-晚三叠世岩浆活动最为集中,其形成年龄跨度大(多介于270 ~200Ma 之间)、岩石类型多,分别代表了从洋壳俯冲、大陆碰撞到碰撞后阶段的岩浆记录,其中,晚三叠世还广泛发育了镁铁质岩墙群。

(3)位于东昆仑东段的香日德岩基是东昆仑古特提斯岩浆活动的缩影。锆石U-Pb 定年表明,岩体结晶年龄介于258~218Ma 之间。早三叠世的石英闪长岩是在俯冲板片流体的作用下主要由基性下地壳部分熔融的岩浆结晶产物,中三叠世的二长花岗岩具有地壳变沉积岩熔融形成的岩石的化学特征,而晚三叠世的花岗闪长岩是在软流圈地幔的影响下,下地壳角闪岩熔融和与幔源岩浆相互作用的产物。

(4)对岩浆的体积添加速率的估算表明,从早到晚,该岩基的岩浆体积添加速率存在着旋回性的变化特征。其中,早三叠世石英闪长岩的岩浆体积添加速率最低,而晚三叠世花岗闪长岩的岩浆体积添加速率最高,中三叠世介于其间。添加速率的变化,主要与壳幔相互作用和构造体制的转换有关。

(5)东昆仑造山带昆北地体内,产出了一系列晚三叠世大-中型斑岩型-矽卡岩型铁多金属矿床。在伸展背景下,软流圈地幔及其熔体的参与、以及地壳岩石大规模熔融作用,有利于成矿的发生。

致谢 中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室许志琴院士对研究工作给予了指导,并邀请第一作者为《岩石学报》专辑撰文;研究生姚杰参与了讨论。特此感谢。

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