峨眉山大火成岩省内带中酸性岩浆岩对地幔柱岩浆过程及地壳熔融机制的启示

秦江锋,赖绍聪,张泽中,郑国顺

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

大火成岩省代表板内环境下，由于软流圈地幔物质上隆引发的快速(1～5 Ma)、超大规模的(超过106km2)玄武质岩浆喷发事件[1],形成规模巨大的溢流玄武岩。大火成岩省形成的地质背景及岩浆源区性质历来是岩石学家关注的焦点问题,不仅涉及地幔柱构造体制,而且对深部地幔物质循环及部分熔融机理都有重要意义。晚二叠世是全球大火成岩省集中形成的时期(见图1),包括西伯利亚大火成岩省(～251 Ma)、扬子地区西缘的峨眉山大火成岩省(～260 Ma) 、塔里木大火成岩省(～290 Ma)以及印度的Panjal Traps (～289 Ma)。同时，晚二叠世也是Pangea超大陆裂解[2]、古特提斯洋闭合及全球生物大灭绝事件。因此，是否存在全球规模的超级地幔柱引发的多个次一级的地幔柱岩浆事件[3],从而深刻影响全球的板块构造体制和生命-环境演化,成为当前全球科学家共同关注的前沿科学问题。

1 峨眉山大火成岩省的岩浆过程的研究及意义

大火成岩省岩浆事件一般伴随着规模巨大的金属矿矿床的形成,如南非 Bushveld杂岩体中规模巨大的Pt族元素矿床和钒钛磁铁矿床,西伯利亚大火成岩省中Noril′sk-Talnakh世界级超大型铜镍硫化物矿床[4-5],峨眉山大火成岩省内带攀西地区层状基性杂岩体中产出的世界级的钒钛磁铁矿矿床及铜镍硫化物矿床等[6],这些规模巨大的金属矿床被认为和大火成岩省中特殊的岩浆结晶过程和侵位机制有关(见文献[3]及其文中参考文献)。

岩浆过程被认为是控制峨眉山大火成岩省内带金属矿床形成的一个重要因素,如地幔柱来源的基性岩浆通道中，由于硫化物矿浆和早期橄榄石的堆晶形成规模不等的铜镍硫化物矿床和PGE元素矿床[7-9];或是演化程度较高的基性岩浆在侵位过程中[10-12],由于钛铁氧化物的饱和,形成规模巨大的钒钛磁铁矿矿床,如攀枝花、红格、白马等基性层状侵入体中的钒钛磁铁矿矿床[13-14]。同时,基性岩浆在侵位过程中,由于受到富S的地壳物质的混染,基性岩浆S含量和氧逸度明显升高,导致基性岩浆中硫化物饱和结晶,也是形成铜镍硫化物矿床的重要机制[15-16]。由此可见,大火成岩省岩浆结晶分异机制和侵位过程的精细研究,对于岩浆演化过程和金属元素成矿都具有十分重要的意义。

在峨眉山大火成岩省内带攀西—大理地区发育一套晚二叠世中性碱性岩-花岗岩-流纹岩组合,被普遍认为是基性岩浆结晶分异的产物[10-12,17-19]。在攀西地区过碱性花岗岩和正长岩脉中已经发现了相关的Nb-Ta 矿化点[6]。因此，从大火成岩省岩浆过程的视角,通过对这套晚二叠世中性碱性岩-花岗岩-流纹岩岩浆演化过程的精细研究,完善大火成岩省岩浆演化过程,对于探讨地幔柱背景下地壳物质的分异和增生机制,以及伴生的金属元素成矿机理具有重要意义。

本课题组近年来针对峨眉山大火成岩省内带攀西—大理地区发育的晚二叠世碱性岩-花岗岩,展开基础的岩石学、地球化学和年代学研究。在本文中试图从碱性岩-花岗岩成因的视角,探讨其在大火成岩省岩浆演化和金属成矿过程中的特殊角色和意义。

2 ELIP内带中酸性岩浆岩时空分布特征

峨眉山大火成岩省内带攀西地区由地幔柱溢流玄武岩-基性层状杂岩体(产出钒钛磁铁矿)-中酸性碱性杂岩体构成的“三位一体”的现象很早被人所识别[20-21]。近年来，大量的年代学研究表明，这3种岩石类型具有十分相近的形成年龄[17，20-21]，都集中于260 Ma左右，其中，碱性杂岩的形成年龄稍晚(ca. 251～259 Ma)。这些中酸性岩浆岩主要分布在其内带的攀西(攀枝花—西昌)—大理及越南北部地区，受区内大型走滑断裂的控制(见图2)。碱性花岗岩和霓霞岩等沿断裂带呈岩株产出[20，22-24]。主要的岩体包括猫猫沟正长岩[22]、艾朗河碱性花岗岩[24]、白马正长岩[12,25-26]、攀枝花正长岩[12]，以及越南北部的流纹岩-花岗岩-粗面安山岩组合[17]等。

A 亚洲大地构造简图；B 峨眉山大火成岩省分带特征图1 峨眉山大火成岩省地质简图(据文献[17]修改)Fig.1 Geological map of the ELIP (modified after references[17])

图2 峨眉山大火成岩省内带主要中酸性岩浆岩的分布简图 (据文献[22]修改)Fig.2 Distribution of intermediate-acid magmatic rocks in theinner zone of the ELIP (modified after references [22])

3 中酸性岩浆岩形成年龄以及对ELIP岩浆作用时限的约束

峨眉山大火成岩省岩浆作用的持续时限[11]是当前争论的焦点问题之一。Sun等根据峨眉山玄武岩下伏的茅口组中与牙形石相关的灰岩地层中Jinogondolellaaltudaensis和J.granti的出现,将熔岩的初始喷发时代限制在263～262 Ma[27-28]。关于地慢柱岩浆作用的持续时限，根据下部玄武岩与较年轻的上部玄武岩之间的磁极倒转,说明岩浆喷发的时限应在3 Ma以内[29-30]。然而,高精度的放射性同位素定年表明岩浆活动的持续时间可能超过3 Ma[24,31]。Zhong等通过宾川和普安的酸性凝灰岩中的锆石进行高精度CA-ID-TIMS年代学研究，结果表明，宾川凝灰岩的锆石CA-ID-TIMS年龄为259.1 ± 0.5 Ma,普安凝灰岩的锆石CA-ID-TIMS年龄为259.69 ± 0.72 Ma[32-33]。然而,镁铁质岩脉和酸性侵入岩的锆石CA-ID-TIMS年龄为259.6 ± 0.5 Ma到257.6 ± 0.5 Ma[24]之间,通过酸性侵入岩和凝灰岩的U-Pb年龄的总结(锆石和独居石),Huang等认为ELIP的岩浆作用可以持续到 257.79 ± 0.14 Ma[34],这与文献[31]在上寺地区(ELIP东北约300 km)凝灰岩定年的结果一致。因此,ELIP的岩浆作用结束的时限可能比宾川地区的凝灰岩晚数个百万年(见图3)。

图3 峨眉山大火成岩省中玄武岩和中酸性岩浆岩年龄分布频谱图(数据来源于表1)Fig.3 Age probability plots of basalt and intermediate-acid magmatic rocks in ELIP (data from Table 1)

越南北部(见图1)的凝灰岩和花岗岩被认为是峨眉山大火成岩省的重要组成部分，其形成时代可以精确限定ELIP岩浆作用时限，Shellnutt等通过高精度CA-ID TIMS锆石年代学研究，得出越南北部的Tu Le流纹岩的形成年龄为257.1±0.6 Ma 到 257.9±0.3 Ma之间[17]，而Muong Hum花岗岩的年龄为257.3±0.2 Ma，Phan Si Pan花岗岩的形成年龄为256.3±0.4 Ma，这是目前得出的最年轻的和ELIP有关的岩浆岩高精度年龄，从而表明ELIP岩浆的持续时间约6 Ma。也有研究者提出，攀西地区中酸性岩浆岩的活动时限集中于251～255 Ma左右[19,22,25,35]，比基性岩浆的活动晚5～8 Ma。因此，在ELIP中基性岩浆与中酸性岩浆活动时限的差异，可能是揭示ELIP中岩浆活动规律的一个重要线索[12]。最近在攀西米易—德昌地区发现了1套形成年龄为ca.250 Ma的角闪辉长岩和二长岩组合(待发表资料)。其中，角闪辉长岩具有OIB型玄武岩的地球化学特征，二长岩表现出典型的板内高温环境形成的A型花岗岩的特征，表明这套岩石组合和地幔柱岩浆作用密切相关。这与Zhong等发现的攀西德昌地区艾朗河S型花岗岩的形成年龄(ca.250 Ma)[19]基本一致，而这些花岗岩被认为是由于成熟地壳物质受地幔柱岩浆加热发生部分熔融形成。由此可见，关于峨眉山地幔柱岩浆作用的时限还需要更多的高精度年代学工作。

A Q-A-P-F 图解； B TAS 图解[41]；C A/CNK-A/NK 图解[42]图4 ELIP内带攀西米易地区部分中酸性岩浆岩的地球化学图解Fig.4 Geochemical diagram of some intermediate-acid magmatic rocks in Panxi Miyi area, ELIP inner belt

A (87Sr/86Sr)i-εNd(t)同位素图解；B 锆石Hf同位素图解图5 峨眉山大火成岩省内带基性岩、碱性岩和花岗岩-流纹岩的Sr-Nd、锆石Hf同位素图解Fig.5 Whole-rock Sr-Nd and Zircon Hf isotope diagrams with mafic rocks, alkaline rocks and granite-rhyolite from ELIP inner belt

4 关于ELIP内带中酸性岩浆岩成因争论及存在问题

中酸性岩浆岩是峨眉山大火成岩省的重要特征之一， 其成因机制的系统研究对于揭示地幔柱岩浆过程及地幔柱背景下地壳物质分异机制的关键问题[11,22]具有重要意义。目前，关于ELIP内带中酸性岩浆岩的成因机制主要有2种观点：①以Shellnutt为代表的一些学者认为，中性碱性岩是由于地幔柱玄武质岩浆经过橄榄石、单斜辉石等矿物的结晶分异形成的[12,37,40]；②徐义刚等则认为，地幔柱背景下地壳物质的高温部分熔融是形成这套中酸性岩浆岩的主要机制[19,21,37]。考虑到ELIP内带中酸性岩浆岩在岩石类型和形成时限上的复杂性(见图4, 表1)，上述2种机制可能都存在。因此，在这一部分将对这2种机制进行详细评述。

表1 峨眉山大火成岩省内带攀西地区岩浆岩形成年龄统计表Tab.1 Statistical table for the formation age of igneous rocks in the inner zone of the ELIP

4.1 地幔柱玄武质岩浆的结晶分异

峨眉山大火成岩省内带基性岩类和中性碱性岩具有相似的Sr-Nd同位素和锆石Lu-Hf同位素组成,暗示两者可能来源于共同的岩浆源区(见图5)。而且晚二叠世中酸性岩浆岩通常表现出Eu的负异常以及Sr、Ti等元素的强烈亏损,与基性岩石构成明显的镜像关系(见图6),这些特征都表明中酸性岩浆岩可能起源于地幔柱起源的基性岩浆的结晶分异。 微量元素模拟表明高Ti玄武质岩浆通过辉石、 斜长石和Fe-Ti氧化物等矿物的结晶分异, 可以形成类似于中性碱性岩的岩浆[21]。 以峨眉山典型高Ti玄武岩(Ry-7[43])作为母岩浆, 用MELTS程序进一步模拟可能的岩浆演化过程[44], 模拟使用相对较低的氧逸度值fO2=QFM-1.5[45],起始温度为1 400°C,结束温度为750°C,H2O含量为0.5 wt.%,压力设为1k bar(～3 km),模拟结果见图7。

注：球粒陨石标准化和原始地幔数据均引自文献[46]A，B 猴子山角闪正长岩；C，D 纪家湾正长岩；E，F 横山正长岩；G，H和平村角闪辉长岩图6 攀西地区典型晚二叠世碱性岩稀土元素球粒陨石标准化配分图和微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams of typical Late Permian alkaline rocks in Panxi area alkaline

A 模拟矿物在岩浆中的下降速度(见文献[47])； B 攀西地区晚二叠世中性碱性岩MgO-CaO图解图7 MELTS模拟结果及攀西地区晚二叠世中性碱性岩MgO-CaO趋势图解Fig.7 MELTS simulation results and the MgO-CaO trend diagram of Late Permian neutral alkaline rocks in Panxi area

模拟结果显示在900℃左右,高Ti玄武质岩浆经过 ～4% 橄榄石, ～11% 单斜辉石, ～11% 斜方辉石, ～40% 斜长石和 ～8% 氧化物的结晶分异,残余岩浆的成分接近于角闪正长岩。同时,这个模拟温度和计算的全岩Zr饱和温度较为接近(约850°～800℃)。唯一例外是，横山石英正长岩的SiO2含量(66.74 wt.%～70.63 wt.%)明显高于模拟结果,结合其同位素富集的特征(εHf(t)=-5.4 ～+1.3),表明其可能起源于地壳物质部分熔融,与其他的碱性岩明显不同。

然而,MELTS模拟结果缺少对矿物分异因素的考虑,需要考量矿物在岩浆房中运移机理[48]。采用Stoke公式计算玄武质岩浆中橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和斜长石几种矿物的沉降速率。

(1)

其中：V是晶体的下降速度(m/yr),橄榄石(3.27 g/cm3[48]),单斜辉石(3.19 g/cm3[47]),斜方辉石(3.15 g/cm3[49])和斜长石(2.63 g/cm3[47])；岩浆黏度η为10 Pa·s[50]。不同矿物在玄武质岩浆中沉降速度随粒径的关系见图7A, 橄榄石分离导致残余岩浆MgO含量降低,CaO含量升高;辉石和斜长石的分离导致残余岩浆MgO和CaO降低,这一演化趋势也与MELTS的模拟结果一致。

4.2 地幔柱背景下地壳物质的高温部分熔融

另外一种观点认为，ELIP内带的中酸性岩浆岩起源于地壳物质的高温部分熔融[12,18,22,38],涉及如下问题:①扬子地块西缘ELIP内带地壳的物质组成是什么?在地幔柱背景下地壳物质发生部分熔融的机制和造山过程中地壳物质的部分熔融机理有哪些不同？②ELIP的地幔柱岩浆作用对该区的地壳结构和物质组成是否有明显的改造？这又对中酸性岩浆岩的成因有哪些启示?

Xu等人通过总结ELIP内带晚二叠世中酸性岩浆岩的年代学和地球化学特征,提出这些中酸性岩浆岩大致可以分为3期[22]:①霞石正长岩和A型花岗岩(～260 Ma)锆石Hf同位素(εHf(t)=-1.4 ～+13.4)组成变化范围较大, 最高的εHf(t)值接近亏损地幔值,表明其源区为底侵的玄武质岩浆形成的新生地壳,伴有少量富集物质的混染。② I型花岗岩(255～251 Ma)富集的锆石Hf同位素组成,其源区主要为相对富集的中元古代地壳物质。③最年轻的(238 Ma)的凝灰岩同样具有十分富集的同位素组成,表明其源区也为富集的古元古代地壳物质。这表明：地壳物质熔融对ELIP内带中酸性岩浆的形成同样具有重要意义,而且根据不同时期中酸性岩石的同位素演化规律,可以初步推断出地幔柱演化过程中地壳物质结构的演化规律,早期以亏损地壳熔融为主,晚期以富集地壳熔融为主；峨眉山地幔柱岩浆形成过程中地壳结构可能存在反转,即下地壳为底侵形成的新生地壳；地幔柱岩浆作用可以导致明显的地壳物质增生[51],这个结论也被最近的地球物理资料所证实[52]。

5 结语

由此可见,晚二叠世的中酸性岩浆岩在ELIP内带是个很特殊的存在,目前，对这些中酸性岩浆岩已经展开了大量的年代学和全岩地球化学分析,而且，对其成因机制也有了一定程度的认识,但是，还有一些关键问题没有解决:

1) 中酸性岩浆岩与溢流玄武岩、基性层状杂岩在形成时限方面的差异是什么?是否是同时的?还是中酸性岩浆岩具有更长的岩浆活动时限;抑或是中酸性岩浆岩的活动时限稍晚于溢流玄武岩的活动时限。目前的年龄测试方法多数集中于锆石LA-ICP MS U-Pb年龄,只有少量CA ID-TIMS等高精度年龄的报道,而且缺少对中酸性岩浆岩中锆石来源和结晶机理的详细研究,这些限制了对中酸性岩浆活动时限的有效约束。因此，锆石成因矿物学结合高精度年代学研究是未来的一个主要研究方向。

2) 另外一个问题，则是中酸性岩浆岩成因的问题。目前，通过地球化学和同位素地球化学研究，确认存在玄武质岩浆的结晶分异或是地壳物质熔融两种机制。如果是结晶分异,怎样确定其母岩浆？是高Ti玄武岩，还是低Ti玄武岩？结晶分异的机理是什么?挥发分在结晶分异过程中的作用是什么?这些问题都没有很好地解决。如果是地壳物质熔融,扬子西缘在二叠纪时地幔柱岩浆事件对地壳物质结构会有怎样的改造？这又会怎样影响岩浆作用的性质？对于上述两个问题,目前多是集中于全岩地球化学的视角来研究;而中酸性岩浆岩中,特别是碱性岩中存在的大量碱性暗色矿物和副矿物中，可能包含了大量关于原始岩浆性质和岩浆演化过程的关键信息,还需要进一步地发掘。

3) 中酸性岩浆岩的金属成矿问题。ELIP内带攀西地区是我国重要的钒钛磁铁矿、铂族元素矿床和铜镍硫化物矿床的产地,这些金属矿产都和基性岩浆的演化有关;而关于中酸性岩浆岩的成矿则较少受到关注,只有少量的Nb-Ta矿化和稀土矿化的报道;ELIP内带中酸性岩浆演化过程中,金属元素的成矿类型和成矿机理也是今后应该关注的重点方向。