藏北羌塘早古生代岩浆作用及其地质意义

解超明,李 才,翟庆国,刘一鸣,王 明,胡培远,范建军

(1.吉林大学地球科学学院,吉林 长春 130061;2.吉林大学青藏高原地质研究中心,吉林 长春 130061;3.自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室,吉林 长春 130061;4.中国地质科学院地质研究所,北京 100037;5.中国海洋大学海洋地球科学学院海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100)

全球超大陆重建表明,早古生代以来,青藏高原南部长期处于冈瓦纳大陆北缘的大地构造背景,有关青藏高原的陆块早期生长、破坏以及大陆陆缘性质的研究,一直以来都是地学研究的前沿和热点(潘桂棠,1994;许志琴等,2005;Cawood et al.,2007;潘桂棠等,2012;Pan et al.,2012;Zhu et al.,2012)。尽管青藏高原南部已经发现和报道了大量早古生代构造-岩浆事件的物质记录,然而有关青藏高原早古生代的地壳构造演化及岩石圈的时代、组成和空间结构等仍不清楚(潘桂棠等,2006;Liu et al.,2020)。已有研究资料显示,冈瓦纳大陆北缘的性质存在较大分歧,一种观点认为冈瓦纳大陆北缘处于被动大陆边缘环境(Murphy et al.,1991;Miller et al.,2001),早古生代岩浆岩记录了泛非造山事件之后冈瓦纳大陆北缘的后碰撞伸展环境(Baig et al.,1988;Gaetani et al.,1991;Liu et al.,2009;Li et al.,2016;Liu et al.,2018)。而另一种观点则认为冈瓦纳大陆北缘处于活动大陆边缘环境,早古生代岩浆活动是原(古)特提斯洋沿环冈瓦纳大陆北缘新的俯冲作用导致的安第斯型造山事件的产物(Cawood et al.,2007;Zhu et al.,2012;Zhang ZM et al.,2014)。

羌塘地区在构造上处于冈瓦纳大陆的最北缘,对于深入认识冈瓦纳大陆北缘的性质至关重要。羌塘地区位于青藏高原北部无人区,构造上夹持于班公湖-怒江和金沙江缝合带之间(图1),被龙木错-双湖-澜沧江缝合带进一步分割为羌南-保山板块和羌北-昌都板块(李才等,2006)。近年来的研究显示,龙木错-双湖-昌宁-孟连-清迈缝合带是古特提斯洋主洋盆闭合的遗迹,可能代表了冈瓦纳大陆的北界(李才,1987,2008;王立全等,2008;Metcalfe,2013;Zhai et al.,2016;解超明等,2020;潘桂棠等,2020)。羌塘中部保留了可能与(原)古特提斯洋演化相关的早古生代蛇绿岩(李才,2008;翟庆国等,2010;吴彦旺,2013;胡培远等,2014;Zhai et al.,2016)、洋岛及海相沉积建造(Fan et al.,2015,2017)和晚古生代—三叠纪中高级变质岩(Zhai et al.,2011a,b;Zhang XZ et al.,2014)。近年来,地质调查和研究工作在羌塘中部陆续发现和报道了多处早古生代岩浆岩(胡培远等,2010;Pullen et al.,2011;彭智敏等,2014;解超明等,2015;Hu et al.,2015;Liu et al.,2016,2018,2020;Xie et al.,2017;Wang et al.,2020a,b),为认识羌塘中部的构造演化、青藏高原早期陆壳生长以及冈瓦纳大陆北缘的性质等问题提供了重要线索和证据。

图1 青藏高原大地构造单元及早古生代岩浆岩分布图数据来源(Liu et al.,2016,2019,2020及其参考文献):KKMSZ—康西瓦-坤南-玛沁板块缝合带;JSSZ—金沙江缝合带;LSLSZ—龙木错-双湖-澜沧江-昌宁-孟连-清迈缝合带;BNSZ—班公湖-怒江缝合带;YLZSZ—雅鲁藏布江缝合带Fig.1 Tectonic framework of the Tibetan Plateau showing the distribution of Early Paleozoic igneous rocks

本文在综述前人研究基础上,结合近年来1∶5万区域地质调查取得的研究进展,归纳和总结了藏北羌塘地区早古生代岩浆作用(不包含早古生代蛇绿岩)的产物及其形成期次,初步探讨了羌塘早古生代构造-岩浆演化及其地质意义。

1 早古生代岩浆岩组合及产状

羌塘中部早古生代岩浆岩主要分布在都古尔、戈木日、日湾茶卡、黑白岭(图2)和本松错等地区,其中以都古尔和戈木日地区最为发育,岩体规模较大,岩石组合复杂,目前研究程度最高。

都古尔地区出露的岩石类型主要包括变质辉长岩、变质玄武岩、安山岩、花岗片麻岩等(Hu et al.,2015;Liu et al.,2016,2018,2019;Wang et al.,2020b)。变质辉长岩出露于都古尔以南,规模较小,侵位于前奥陶系云母石英片岩和变质石英砂岩中,中细粒辉长结构,块状构造,经历了后期绿片岩相的改造。变质玄武岩和安山岩出露于都古尔南,面积均较小,与围岩前奥陶系变质砂岩接触关系不清,均经历了绿片岩相改造。花岗质片麻岩在都古尔地区广泛发育,呈岩基状,与围岩呈侵入接触或构造接触,变形强,局部发育韧性变形带,主要岩性包括条带状花岗片麻岩、眼球状花岗片麻岩、片麻状花岗岩、花岗质糜棱岩。

戈木日地区以发育花岗片麻岩和花岗岩为主(Hu et al.,2015;Wang et al.,2020a,b),岩体规模较大,呈岩基状,岩性主要包括新鲜花岗岩、弱变形花岗岩、眼球状花岗岩、花岗质糜棱岩等,局部发生了强烈的韧性变形,片麻理发育,矿物定向明显,钾长石斑晶受后期韧性剪切作用呈眼球状,围岩主要为前奥陶系变质碎屑岩。

本松错花岗岩体位于本松错以北3 km,变形较强,岩性主要为花岗岩和眼球状花岗岩,发生了较明显的变形作用而呈现出片麻状构造,围岩为前奥陶纪变质碎屑岩,被晚三叠世花岗岩侵入。岩相学研究表明本松错地区的早奥陶世花岗岩为碱长花岗岩(彭智敏等,2014;Hu et al.,2015)。

日湾茶卡地区发育规模较大的中—晚奥陶世双峰式火山岩(解超明等,2015),主要出露在日湾茶卡以北的月亮湖、黑白岭地区(图2)。岩石组合主要为变质玄武岩和变质流纹岩,近东西向条带状呈夹层产于中—上奥陶统达瓦山组之中,岩石经历了低绿片岩相变质作用,变形较为强烈。围岩主要为变质石英砂岩、长石石英杂砂岩、石英杂砂岩、千枚岩与薄层变质砂岩等典型的深水复理石沉积(Xie et al.,2017)。

图2 青藏高原羌塘中部都古尔、戈木日、月亮湖及黑白岭地区早古生代岩浆岩地质图数据来源于表1中参考文献Fig.2 Geological map showing the distribution of the Early Palaeozoic magmatic rocks in Duguer,Gemuri,Yuelianghu and Heibailing area,central Qiangtang,Tibet

2 早古生代岩浆岩年代学格架与锆石Hf同位素特征

前人已对羌塘地区早古生代岩浆岩做了大量的锆石年代学工作(表1)。本文通过对羌塘地区已获得的早古生代岩浆锆石(1100点)统计分析,在都古尔地区已经获得的521颗锆石U-Pb定年结果显示,岩浆锆石的年龄峰值集中分布于～476 Ma(图3a);戈木日地区获得了162颗岩浆锆石,锆石U-Pb年龄出现多期年龄峰值,分别为～435 Ma、～456 Ma、～485 Ma(图3b);本松错地区获得74颗岩浆锆石,锆石U-Pb年龄出现～457 Ma和～483 Ma两期年龄峰值(图3c);月亮湖及黑白岭地区的变质火山岩中获得60颗岩浆锆石,年龄峰值集中在464 Ma(图3d)。综上所述,羌塘地区早古生代岩浆岩的时代可细分为5期,分别为～500 Ma、～482 Ma、～474 Ma、～455 Ma和～438 Ma(图4a),其时代整体略晚于青藏高原南部的早古生代花岗岩(刘一鸣,2017;Liu et al.,2020)。

表1 青藏高原羌塘中部早古生代岩浆岩年龄数据统计表Table 1 Summary of age data for the Early Paleozoic magmatic rocks from central Qiangtang

图3 青藏高原羌塘中部都古尔、戈木日、本松错以及月亮湖和黑白岭地区早古生代岩浆岩锆石U-Pb年龄相对概率图数据来源于表1中参考文献Fig.3 Relative probability diagrams of the zircon U-Pb age data for the Early Paleozoic magmatic rocks from Duguer,Gemuri,Yuelianghu and Heibailing areas,central Qiangtang,Tibet

在羌塘中部已经获得早古生代岩浆锆石Hf同位素测试点450点,锆石Hf同位素特征基本一致(图4b),仅3点的εHf(t)为正,其余447点均为负值,二阶段模式年龄均为新元古代以前,远远大于锆石的结晶年龄。反映了这些早古生代岩浆岩具有大致相同的岩浆源区,为羌塘地区基底属性的研究提供了重要信息。

图4 羌塘中部早古生代岩浆锆石U-Pb相对概率图及εHf(t)-锆石U-Pb图解数据来源于表1中参考文献Fig.4 Diagrams of relative probability andεHf(t)-zircon U-Pb ages of Early Paleozoic magmatic rocks from central Qiangtang

3 早古生代岩浆岩的构造意义

3.1 羌塘基底性质

羌塘是否存在古老结晶基底一直存在着较大分歧(李才,2003;Liu et al.,2016)。一种观点认为:羌塘地区存在前寒武纪基底(王成善等,2001;黄纪钧,2001;李永铁,2001;谭富文等,2008,2009;王剑,2020),并可能存在太古宙陆核(Wang et al.,2001)。认为羌塘盆地基底由元古代变质岩系构成并具双层结构,其下为结晶“刚性基底”,上部为变质“塑性基底”,“刚性基底”和“塑性基底”之间为角度不整合接触(王成善等,2001;Wang et al.,2001)。另一种观点认为羌塘南北具有不同基底,羌南-保山板块具有冈瓦纳型泛非—早古生代结晶基底,羌北具有扬子型晋宁期基底(李才,2003;王鸿祯等,2007)。李才等结合多年野外调查和研究工作,将羌塘中部过去认为的上太古—元古界戈木日群、果干加年山群、玛依岗日群和阿木岗群解体为晚石炭世—早二叠世和晚三叠世的地层(李才等,2005,2010)。玛依岗日以南的下古拉地区发现了含化石的早古生代地层,存在早奥陶世阿伦尼克期沉积(李才等,2004;程立人等,2007)。碎屑锆石研究表明,羌塘地区的浅变质碎屑岩具有亲冈瓦纳大陆的特征,碎屑锆石年龄分布可以与安多、滇西怒江、保山以及印度板块内部和喜马拉雅造山带中发育的大量580～470 Ma早古生代花岗质岩石相对比,记录了冈瓦纳大陆北缘泛非运动晚期岩浆活动(DeCelles et al.,2000;Cawood et al.,2007;Pullen et al.,2008;宋述光等,2007;董春燕等,2011)。

本文系统总结了羌塘中部发育的早古生代岩浆岩,在羌塘中部日湾茶卡、都古尔、戈木日以及本松错地区发育了以辉长岩、玄武岩、安山岩、花岗岩、流纹岩以及花岗片麻岩为主要岩石组合的岩浆记录,年代学研究结果已经表明,早古生代发生了5期岩浆作用,分别为～500 Ma、～482 Ma、～474 Ma、～455 Ma和～438 Ma。结合前人地球化学及同位素的研究(Pullen et al.,2011;Hu et al.,2015;Liu et al.,2016,2018,2019,2020;Xie et al.,2017;Wang et al.,2020a,b),本文初步认为,羌塘中部的早古生代岩浆作用构成了羌南-保山板块早古生代的结晶基底。

羌北-昌都板块还未发现确切的古老基底,研究程度依然较低。西昆仑、柴达木等地的前寒武地层与塔里木陆块具有很好的相似性(陆松年,2001,2004)。1∶25万地质调查在青海省玉树地区的长青可、江达、小苏莽、罗麦等,到巴塘以西的金沙江西岸所出露的中元古界和新元古界(姚宗富,1992;刘世坤,1992),获得了一批具有晋宁期年龄信息的资料,并指出沿龙木错—西金乌兰湖—金沙江—哀牢山一带断续出露的元古界地层,基本都属于扬子古陆的基底,位于扬子古陆西缘的一个活动带上。这些零星出露的地层应该是扬子板块晋宁期基底碎块(潘桂棠等,2004)。在昌都地区宁多岩群变质碎屑岩中发现了3981±9 Ma的碎屑锆石,2854～3505 Ma碎屑锆石具有负的εHf(t)值和3784～4316 Ma的两阶段Hf模式年龄,暗示宁多岩群物源区残留可能有少量更古老(冥古宙)的地壳物质(何世平等,2013;Ding et al.,2015)。青海玉树县小苏莽一带宁多岩群黑云斜长片麻岩(副变质岩)的最新蚀源区年龄为1044±30 Ma,代表宁多岩群形成时代的下限;侵入宁多岩群的片麻状黑云母花岗岩(古侵入体)的形成年龄为991 Ma±4 Ma,可代表宁多岩群形成时代的上限。相当于中元古代末—新元古代初(Ding et al.,2015)。上述研究也进一步表明,羌北-昌都板块应具有扬子板块晋宁期基底,而与羌南-保山板块的基底存在着明显的差异。

3.2 早古生代冈瓦纳大陆北缘陆缘性质

目前对冈瓦纳大陆北缘早古生代的陆缘性质存在两种不同的认识,一些学者认为冈瓦纳大陆北缘处于活动大陆边缘环境,早古生代岩浆活动是原特提斯洋沿环冈瓦纳大陆北缘新的俯冲作用导致的安第斯型造山事件的产物(Cawood et al.,2007;Zhu et al.,2012;Zhang ZM et al.,2014),青藏高原南部的早古生代岩浆作用与原(古)特提斯洋的俯冲消减作用有关(Hu et al.,2013,2015;Ding et al.,2015;Wang et al.,2020a,b;),并发生了随后的微陆块的碰撞拼贴(王晓先等,2011;Zhu et al.,2012)。该观点的主要依据是这期岩浆事件的时代比典型泛非造山带年轻30～50 Ma(Cawood et al.,2007),而且基本分布在冈瓦纳大陆的北缘,其大地构造位置不在典型泛非造山带之中。另外,泛非造山运动代表了各地块之间最终碰撞焊接形成冈瓦纳大陆,而不是在冈瓦纳大陆北缘。碎屑锆石资料表明拉萨地块应起源于澳大利亚北缘(Zhu et al.,2011),这一古地理重建表明早古生代岩浆岩在冈瓦纳大陆北缘是广泛存在的。拉萨地块上发育的早古生代岩浆岩被解释为安第斯型岩浆岩(Zhu et al.,2012;Hu et al.,2013;Ding et al.,2015),在现今的喜马拉雅造山带中还识别出了同时代的变质和变形记录(Zhu et al.,2011;许志琴等,2015;Argles et al.,1999;Gehrels et al.,2003,2006a,b)。在羌南-保山和拉萨地块发现了寒武系和奥陶系之间的不整合(李才等,2010;杨耀等,2014),这些不整合的特征与喜马拉雅板块上发育的同时期的不整合相似,表明这一不整合广泛存在于冈瓦纳大陆北缘。

另一些学者认为早古生代岩浆岩可能形成于泛非造山运动之后的后碰撞伸张拆离环境主要证据有:(1)早古生代岩浆作用的同位素年龄相较于冈瓦纳大陆内典型的泛非造山带普遍年轻30～50 Myr,例如东非造山带为570～520 Ma,Piniarra造山带为560～520 Ma,Kuunga造山带为560～520 Ma(Cawood et al.,2007);(2)在原特提斯冈瓦纳大陆边缘缺乏早古生代安第斯型的岩浆作用和变质变形作用;(3)喜马拉雅板块上的Mandi玄武岩(496 Ma)形成于板内伸展环境(Miller et al.,2001);(4)拉轨岗日变质核杂岩中花岗片麻岩形成于泛非运动由同碰撞向后碰撞转化的阶段(辜平阳等,2013),都古尔花岗片麻岩具有后碰撞的亲缘性(Liu et al.,2016);(5)寒武系和奥陶系之间的角度不整合在羌南、拉萨、喜马拉雅和保山板块上广泛发育(Garzanti et al.,1986;Gehrels et al.,2003,2006a,b;Cawood et al.,2007;李才等,2010),角度不整合的特征显示其更倾向形成于伸展拆离环境而不是碰撞造山环境(张天羽,2018);(6)龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带中寒武纪蛇绿岩的发现(吴彦旺,2013;胡培远等,2014),说明在寒武纪时该洋盆已经在羌南和羌北之间形成,早古生代,羌南-保山板块是冈瓦纳大陆北缘的重要组成部分;(7)通过对早古生代多期岩浆作用形成的锆石Lu-Hf同位素的分析,主体呈现εHf(t)为负的特征,二阶段模式年龄揭示了羌南-保山板块是以古—中元古代的古老地壳为主。对古老地壳的改造一般主要发生在俯冲增生造山带和碰撞造山带的形成过程中。然而,与俯冲有关的岩浆活动,由于洋壳的参与,常常会导致锆石Hf同位素组成明显向亏损的地幔状特征漂移,而且会产生正εHf(t)值。相反,与拆离作用、造山带塌陷或岩石圈伸展有关的碰撞后岩浆作用导致拆沉的大陆碎块的熔融,从而驱动εHf(t)呈现负值趋势(Liu et al.,2019)。大陆地壳的崩塌和最终的裂陷通常伴随着相对少量的镁铁质岩浆作用和地壳生成,这与羌塘中部早古生代的岩浆岩组合相一致。挤压和伸展之间是相辅相成的,在现今的喜马拉雅造山带已得到证实(杨文采等,2019),所以东西冈瓦纳大陆之间的泛非期陆陆碰撞造山运动,势必会引起南北向的伸展运动。因此,羌塘中部的早古生代岩浆岩也可能是在泛非造山运动结束后,发生陆陆碰撞后的伸展构造环境中形成的,甚至是在伸展拉张的裂谷构造环境中形成(Liu et al.,2020)。羌南板块发育新元古代晚期(548 Ma)的玄武岩(Wang et al.,2015),所以推测在新元古代晚期冈瓦纳大陆北缘很可能已经存在伸展运动。伴随着岩石圈去跟作用,幔源岩浆的上涌导致了岩石圈的部分熔融和相应的岩浆活动(图5),但这期岩浆活动在冈瓦纳大陆北缘相对较少。大规模的伸展拆离事件主要发生在早古生代,主要在羌南、拉萨、喜马拉雅、保山和贡山板块上广泛发育的多期大规模酸性岩浆作用和少量的基性岩浆作用(杨学俊等,2012)。寒武系和奥陶系之间的不整合可能形成于伸展背景下的断陷盆地中。

图5 青藏高原南部早古生代构造-岩浆演化模式图Fig.5 Tectonic-magmatic evolution model of southern Qinghai-Tibet Plateau during the Early Paleozoic

综上所述,尽管目前已经识别出了青藏高原南部早古生代岩浆岩形成于伸展构造背景,但羌塘中部早古生代岩浆岩形成的伸展构造背景究竟是由于原(古)特提斯洋的俯冲所导致,还是泛非造山运动结束后陆陆碰撞后岩石圈去根作用所导致,目前尚无定论。早古生代冈瓦纳大陆北缘性质的研究程度依然很低,还有待寻找更多的地质证据去佐证。

4 结论

(1)藏北羌塘地区早古生代岩浆岩包括变质辉长岩、玄武岩、安山岩、变质流纹岩、花岗岩及花岗片麻岩等。岩浆作用可以划分为5期,分别为～500 Ma、～482 Ma、～474 Ma、～455 Ma、～438 Ma。

(2)藏北羌塘地区早古生代岩浆岩可能是泛非造山运动结束后,冈瓦纳大陆北缘岩石圈伸展减薄的产物,构成了羌南-保山板块早古生代的结晶基底。

(3)藏北羌塘地区早古生代岩浆岩记录了冈瓦纳大陆北缘形成演化的关键信息,多样的岩石类型和多期次的岩浆作用反映了其形成构造背景的复杂性。随着对其研究工作的不断深入,有望获得冈瓦纳大陆北缘陆缘性质及形成演化的关键信息。

几十年来,我们的青藏高原基础地质研究团队始终得到潘桂棠先生的关心指导、支持和帮助,我们取得的成果同样也凝聚着潘先生心血。潘先生八十华诞之际,谨以此文向先生致以衷心的感谢和诚挚的祝福,祝潘先生健康长寿!