茫崖闪长岩的成因及对造山带构造演化的指示意义

徐楠,吴才来,赵苗苗,刘畅

1)安徽理工大学,深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽淮南,232001;2)中国地质科学院地质研究所,北京,100037; 3)河南省公平竞争审查事务中心,郑州,450000;4)核工业北京地质研究院,中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室,北京,100029

内容提要：南阿尔金造山带是中国西北地区重要的俯冲—碰撞杂岩带。笔者等对茫崖地区出露的闪长岩开展岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学和Lu—Hf同位素地球化学研究,探讨其岩石成因和成岩时的构造环境。研究表明,茫崖闪长岩亏损Nb、Ta、Ti、P、Th、U、HREEs、Ba、Sr等元素,富集Rb等大离子亲石元素及LREEs,显示与俯冲相关岛弧岩浆岩相似的地球化学特征。样品的锆石U-Pb年龄为494～461 Ma,εHf (t)为0.01～3.90,tDM2为1496～1447 Ma,少量εHf (t)为负值(-2.22～-0.03),tDM2为1453～1254 Ma,指示其物质来源以中元古代(1453～1254 Ma)新生地壳物质为主,混合少量中元古代(1496～1447 Ma)古老地壳物质。综上,该期岩浆活动是幔源岩浆的底侵作用导致下地壳熔融的产物,指示南阿尔金造山带在<494 Ma进入深俯冲陆壳断离—折返阶段,同时伴随着大规模幔源岩浆的底侵作用,茫崖闪长岩是深俯冲陆壳断离后折返作用的岩浆活动响应。

岩浆岩是研究大地构造演化历史的岩石学探针之一。众所周知,活动大陆边缘陆壳的形成和演化、陆内环境下的大陆再造都以形成大量岩浆岩为标志(Raimondo et al.,2010;邓晋福等,2015a,b;吴福元等,2017)。因此,岩浆岩多样性的原因及地球动力学意义是岩浆岩研究的重要科学问题(翟明国,2017)。

阿尔金造山带位于塔里木盆地和柴达木盆地之间,是青藏高原北缘的一部分。造山带经历了太古宙—古元古代陆核和结晶基底的形成(车自成等,1995;陆松年等,2003)、中元古代稳定大陆边缘沉积、新元古代末期—早古生代板块扩张(郭召杰等,1998)、加里东期板块俯冲—碰撞(刘良等,1998;Yin An et al.,2007)、晚古生代剥露夷平和局部浅海沉积、印支期伸展作用和碱性岩侵位(尹安,2001)、以及晚燕山期大规模左行走滑作用。近年来,南阿尔金岩浆岩和HP—UHP变质岩研究取得了重大进展(Wu Cailai et al.,2018;刘良等,2019;Dong Jie and Wei Chunjing,2021;Hong Tao et al.,2021;Li Xin et al.,2021;Ma Tuo et al.,2021;张建新等,2021;Gao Dong et al.,2021;Teng Xia et al.,2021; Yu Shengyao et al,2019a,b,2021)。现有研究表明,南阿尔金造山带在早古生代经历了洋壳俯冲、陆壳俯冲、深俯冲及折返事件,但洋壳俯冲及陆壳深俯冲的时限仍存争议。笔者等研究的茫崖闪长岩显示俯冲带弧花岗岩的特征,可能蕴含造山带构造演化的关键信息。因此,笔者等利用火成岩岩石学、岩石地球化学和同位素地球化学研究茫崖闪长岩的岩石成因及成岩构造环境,分析该期岩浆活动对南阿尔金造山带早古生代洋陆转换作用的指示意义。

1 地质背景

阿尔金造山带是中国西北部一条重要的俯冲—碰撞杂岩带。由北至南划分为五个构造单元:北阿尔金地块、北阿尔金蛇绿混杂岩带、中阿尔金陆块、南阿尔金HP—UHP变质带和南阿尔金蛇绿混杂岩带(图1a)(许志琴等,1999;刘良等,1999;刘永顺等,2010)。南阿尔金HP—UHP变质带由表壳岩、花岗岩和榴辉岩组成,其中形成于M型洋中脊环境的变质基性火山岩是岛弧背景下的一套火山岩组合,原岩以大洋拉斑玄武岩为主(覃小锋等,2008),其中的超高压榴辉岩(500～504 Ma,Sm-Nd和U-Pb,张建新等,1999)被认为是陆壳深俯冲的产物,指示陆壳深俯冲深度可达300 km(刘良等,2005;Liu Liang et al.,2007,2012)。南阿尔金蛇绿混杂岩带是分割阿尔金造山带与祁漫塔格、柴南缘的构造边界,主要由与基性火山岩伴生的基性—超基性岩岩块及花岗岩类组成,超基性岩主要为蛇纹石化橄榄岩,基性岩主要为角闪辉长岩和拉斑玄武岩,这些基性—超基性岩与硅质岩、黑云斜长片麻岩、石英片岩、白云质大理岩等构成了蛇绿岩组合(Liu Liang et al.,2009;马中平等,2009)。

图1 阿尔金地区花岗岩分布图(a)和茫崖区域地质图(b)

茫崖地区出露新元古界地层、侏罗系、更新统和全新统,少量奥陶系(岩性主要为滩间山群灰绿色凝灰质砂岩,徐楠等,2018,2020)。该地区出露大量早古生代火成岩,包括石英二长岩(494～510 Ma,Xu Nan et al.,2020))、闪长岩(本文)、花岗闪长岩、正长花岗岩、碱长花岗岩(419～401 Ma,徐楠等,2020)等(图1b),局部出露少量玄武岩、辉长岩、辉绿岩、辉石角闪岩、英安岩、流纹岩等岩脉(吴才来等,2014,2016)。碱长花岗岩和石英二长岩位于研究区东南侧,前者侵入后者之中,二者沿NE向延伸大于20 km,围岩主要为奥陶系滩间山群凝灰质砂岩。二长花岗岩分布于研究区北侧,沿EW向延伸约20 km,侵入茫崖闪长岩体。花岗闪长岩和正长花岗岩等规模较小,分布于闪长岩体之中,多数为侵入接触关系。

2 岩体地质及岩相学特征

茫崖岩体分布于南阿尔金蛇绿混杂岩带之中,呈NE向分布,与区域构造线的走向一致。笔者等研究的闪长岩分布于研究区NE向断裂的两侧(图1b),围岩主要为晚侏罗系和晚更新统—全新统,呈不整合接触关系。岩体的岩相学如下:

样品CL 128(闪长岩):N 38°26.54′;E 90°11.47′;H 3407 m。岩石风化面灰黑色,新鲜面灰白—灰黑色。主要矿物为斜长石(65%)、角闪石(25%)、钾长石(<5%)和石英(<5%),副矿物主要为磁铁矿和锆石等(图2a)。斜长石呈他形粒状(0.6 mm)、板状,发育聚片双晶。角闪石呈柱状集合体。钾长石多呈他形粒状,发育卡式双晶。石英为他形粒状(0.4 mm)。

样品CL 125(角闪闪长岩):N 38°29.24′;E 90°15.965′;H 3787 m。岩石风化面灰色～灰黑色,新鲜面灰黑色。主要矿物为角闪石(50%)和斜长石(40%),副矿物主要为磷灰石和锆石(图2b)。斜长石呈他形粒状(0.15 mm),发育聚片双晶。角闪石结晶程度高,呈长柱状,粒径0.08 mm×0.3 mm,发育两组完全解理。次要矿物为磁铁矿和磷灰石等。

样品CL 139(石英二长闪长岩):N 38°26.263′;E 90°9.153′;H 3217 m。岩石风化面灰—灰绿色,新鲜面灰黑色。主要矿物为斜长石(65%)、钾长石(10%)、角闪石(10%)和石英(5%),少量微斜长石(<5%),副矿物主要为锆石和磷灰石(图2c)。石英多呈他形粒状(0.4～0.7 mm)。斜长石呈不规则半自形板状、粒状,发育聚片双晶。钾长石他形粒状(1 mm)。微斜长石呈他形粒状(1～2 mm),发育格子双晶。角闪石结晶较好,沿斜长石裂隙发育。

样品CL 138(石英闪长岩):N 38°26.12′;E 90°9.183′;H 3296 m。岩石风化面灰绿色,新鲜面灰黑色。主要矿物为石英(5%)、斜长石(70%)、角闪石(15%)和微斜长石(<5%),副矿物主要为钛铁矿、磁铁矿和磷灰石(图2d)。石英多呈不规则他形粒状(0.3～0.8 mm)。斜长石呈半自形板状、粒状,发育聚片双晶。角闪石多呈不规则粒状或柱状,少量结晶较好,呈短柱状(0.05 mm×0.1 mm)。微斜长石呈他形粒状(0.4 mm),发育格子双晶。

3 分析方法

3.1 地球化学全分析

地球化学全分析在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成。氧化物分析利用 X 荧光光谱仪(仪器型号3080E),Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3、FeO的标准根据GB/T14506.28-1993;H2O+的标准为GB/T14506.2-1993;CO2的标准为GB 9835-1988;LOI的标准为LY/T1253-1999;稀土元素和微量元素 Cu、Pb、Th、U、Hf、Ta、Sc、Cs、V、Co、Ni 利用等离子质谱测试,执行标准为 DZ/T0223-2001;Sr、Ba、Zn、Rb、Nb、Zr、Ga 利用 X 荧光光谱仪测试,执行标准为JY/T016-1996。结果见表1。

表1 茫崖闪长岩主量元素(%)和微量元素(×10-6)分析结果表

3.2 锆石U-Pb测年

锆石U-Pb年代学测试在中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学实验室完成。LA-ICP-MS为Neptune Plus型多接收等离子体质谱仪;LA-MC-ICP-MS为GeoLasPro193 nm;剥蚀物质的载气为氦气;束斑直径为32 μm;能量密度为10 J/cm2;频率为8 Hz;气体背景采集时间为4 s;信号采集时间为23 s;标样选择锆石标样91500,调试仪器达到最大灵敏度、最小氧化物产率(ThO+/Th+<2%)和最低的背景值;利用辅助标样GJ-1验证数据的准确性;每测5～10件样品,测定一组标样;利用ICPMS DataCal和Isoplot处理数据;年龄计算过程以91500 为外标进行同位素比值校正。结果如表2。

表2 茫崖闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学分析结果表

3.3 锆石Hf同位素

锆石Hf同位素分析在中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学实验室完成。仪器型号为Neptunep Plus多接收等离子质谱和Compex Pro193 nm激光剥蚀系统;剥蚀物质的载气为氦气;剥蚀直径为44 μm;测定过程的参考物质为锆石标样GJ-1;GJ-1在分析过程中的n(176Hf)/n(177Hf)测试加权平均值为0.282007±0.000025 (2σ),计算Lu衰变常数时采用的初始n(176Hf)/n(177Hf)值为1.865×10-11×a-1;计算εHf(t)时采用的球粒陨石Hf同位素值为n(176Lu)/n(177Hf)=0.0336和n(176Hf)/n(177Hf)=0.282785。结果如表3。

表3 茫崖石英二长岩Lu-Hf同位素分析结果表

4 分析结果

4.1 全岩地球化学

4.1.1主量元素

茫崖闪长岩的SiO2含量为44.79%～64.16%;K2O+Na2O=3.15%～6.79%;K2O/Na2O=0.54～2.01;Fe2O3/FeO=0.20～0.74;A/CNK=0.75～1.15(表1)。在A/CNK—A/NK图解中,样品分布于铝质—弱过铝质范围(图3a)。在硅碱图中,样品主要分布于高钾钙碱性系列和钾玄岩系列范围,少量分布在中钾钙碱性系列范围(图3b)。

4.1.2微量元素

根据样品的稀土配分型式,茫崖闪长岩可以分为三组:第一组无Eu异常(图4b)、第二组显示弱Eu负异常(图4d)、第三组显示Eu正异常(图4f)。第一组样品亏损Ba、Nb、Ta、Ti、P、Sr等元素,富集Rb和LREEs(图4a)。第二组样品显示Ba、Nb、Ta、Ti和Sr弱负异常,富集LREEs(图4c)。第三组样品的微量元素蛛网图变化较大,整体亏损Ba、Nb、Ta、Ti、P等元素,富集LREEs,其中样品CL143-1和CL128富集Sr(图4e)。三组样品LREE/HREE为7.48～10.58,LaN/YbN为10.23～14.53(表1),表明轻重稀土分馏较强烈。茫崖闪长岩的稀土配分型式较为相似,Eu异常的差异是不同岩浆结晶过程造成的,微量元素蛛网图变化较大,微量元素特征与俯冲相关岛弧岩浆岩的地球化学特征相似。

4.2 锆石U-Pb年代学

笔者等选择样品CL140、CL128、CL125、CL139、CL143-1和CL119-2进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,分析结果见表2。

镁铁质熔体结晶形成的锆石比长英质熔体具有更高的Th/U值(分别为1∶3和1∶7)(Kirkland et al.2015)。高温变质作用与岩浆作用形成的锆石具有相似的化学组分,Th/U值是区别二者的唯一化学特征(分别为<0.07和>0.14)。茫崖闪长岩样品中的锆石多呈短柱状—长柱状,具有清晰的振荡环带(图5),Th/U值介于0.15～1.91之间,因此,样品中的锆石显示岩浆成因特征。

图5 茫崖闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图

样品CL140(闪长岩)测定了40颗锆石,Th含量为38×10-6～2149×10-6,U含量为99×10-6～5496×10-6,Th/U值为0.14～2.42。除去偏离谐和线较远的测点,其余27个测点的加权平均年龄为493.9±3.5 Ma,代表样品的结晶年龄(图5a)。

样品CL128(闪长岩)测定了40颗锆石,Th含量为39×10-6～1588×10-6,U含量为64×10-6～3682×10-6,Th/U值为0.13～1.71。除去偏离谐和线较远的测点,其余23个测点的加权平均年龄为483.7±3.2 Ma,代表样品的结晶年龄(图5b)。

样品CL125(角闪闪长岩)测定了40颗锆石,Th含量为227×10-6～2413×10-6,U含量为391×10-6～2006×10-6,Th/U值为0.30～1.20。除去偏离谐和线较远的测点,其余22个测点的加权平均年龄为480.8±3.2 Ma,代表样品的结晶年龄(图5c)。

样品CL143-1(角闪闪长岩)测定了30颗锆石,Th含量为36×10-6～1044×10-6,U含量为67×10-6～723×10-6,Th/U值为0.45～1.10。除去偏离谐和线较远的测点,其余21个测点的加权平均年龄为474.9±2.6 Ma,代表样品的结晶年龄(图5e)。

样品CL119-2(角闪闪长岩)测定了30颗锆石,Th含量为95×10-6～1938×10-6,U含量为760×10-6～4882×10-6,Th/U值为0.05～1.02。除去偏离谐和线较远的测点,其余20个测点的加权平均年龄为461.3±3.6 Ma,代表样品的结晶年龄(图5f)。

样品CL139(石英二长闪长岩)测定了30颗锆石,Th含量为124×10-6～1222×10-6,U含量为412×10-6～1568×10-6,Th/U值为0.17～1.46。除去偏离谐和线较远的测点,其余21个测点的加权平均年龄为469.7±3.2 Ma,代表样品的结晶年龄(图5d)。

4.3 锆石Lu—Hf同位素

在锆石U-Pb年代学测试的基础上,笔者等对样品CL140、CL128、CL125、CL143-1、CL138、CL139和CL119-2进行锆石Lu—Hf同位素分析,分析结果见表3,Hf同位素演化见图6。

图6 茫崖闪长岩Hf同位素演化图(文献数据参考吴才来等,2014;康磊,2015;康磊等,2016;徐楠等,2018,2020;Xu Nan et al.,2020)

样品CL140(闪长岩)和CL125(角闪闪长岩)的εHf(t)全部为正值(0.37～3.65),tDM2为1426～1214 Ma。样品CL128(闪长岩)、CL143-1(角闪闪长岩)、CL138(石英闪长岩)和CL139(石英二长闪长岩)的εHf(t)以正值为主(0.01～3.05),tDM2为1453～1254 Ma,少量负值εHf(t)的变化范围为-0.67～-0.05,tDM2为1498～1447 Ma。样品CL119-2(角闪闪长岩)的εHf(t)以负值为主(-2.02～-0.11),tDM2为1596 Ma～1448 Ma,少量εHf(t)正值的变化范围为0.27～2.64,tDM2为1424～1408 Ma)。

5 讨论

5.1 岩石成因

岛弧是俯冲相关的板片熔融形成的硅质熔体与洋壳脱水释放的流体共同作用于地幔楔和地壳,使其发生熔融形成的洋内弧前玄武岩家族与钙碱性火成岩组合。由于地幔楔橄榄岩与洋中脊橄榄岩都亏损活动性元素(或比后者更为亏损),而俯冲板片的流体可以携带大量LILE,但对HFSE携带能力较弱,因而一般认为岛弧岩浆岩的高LILE/HFSE值源自俯冲板片的流体交代(Elliott et al,1997; Manning,2004)。因此,俯冲带岛弧岩浆作用是蚀变的洋壳玄武岩及其上覆沉积物在俯冲至榴辉岩相的过程中的脱水流体与熔融产生的硅质熔体由俯冲带上升进入地幔楔,导致地幔楔发生熔融和交代作用形成的(Winter,2014),而俯冲洋壳由于释放大量富水流体而强烈亏损活动性元素。茫崖闪长岩亏损Nb、Ta、Ti、P、Th、U、HREEs等高场强元素和Ba、Sr等大离子亲石元素,富集Rb等大离子亲石元素及轻稀土元素,显示与俯冲相关岛弧岩浆岩相似的地球化学特征(图7c和d,McCulloch and Gamble,1991)。

图7 茫崖闪长岩Ta/Yb与Ce/Yb关系图(a);Ta/Yb与Th/Yb关系图(b);Sr—Y图解(c);(La/Yb)N—YbN图解(d)

中性火成岩是岛弧/大陆弧岩浆作用的主要产物,其成因包括幔源岩浆分异、壳源岩石的部分熔融或壳源—幔源岩浆的混合(Bachmann and Huber,2016)。茫崖闪长岩的Zr/Hf值(33.76～42.83)与地壳平均值(≈37)接近;Nd/Th值(0.49～5.62)与上地壳平均值(≈3)接近;Sm/Nd值(0.17～0.21)接近地壳初始值(≈0.208)及壳源花岗岩(0.10～0.31)(表1)(Collins et al.,1982;Gao Shan et al.,1998),显示壳源物源的特征。样品CL128、CL143和CL119-2的Nb/U值(1.01～7.69)接近上地壳平均值(≈9),CL138(32)介于下地壳(≈25)和OIB/MORB(47±10)之间,CL140、CL125和CL139(9.15～17.99)介于上地壳和下地壳之间(Taylor and McLennan,1985)。样品的Th/U值(3.51～14.18)高于上地壳平均值(≈4.2);Cr(44.7×10-6～197.1×10-6)和Ni(28.2×10-6～171.3×10-6)含量介于原始地幔岩浆(Cr>400×10-6,Ni>235×10-6,Sun and McDonough,1989)和大陆上地壳(Cr=35×10-6,Ni=25×10-6,Rudnick and Gao,2003)之间;同时,样品CL140和CL143的Rb/Sr值(0.08～0.10)与上地幔(0.06～0.10)一致,其余样品(0.12～0.57)介于地壳(35)和上地幔之间(Taylor and McLennan,1985);Nb/Ta值(15.16～22.87)接近地幔平均值(≈17.5),表明茫崖闪长岩的物源可能有幔源物质的参与。同时,样品的Mg#值(41.03～69.99)指示其岩浆源区可能有幔源物质(Mg#>40)的参与(Rapp and Watson,1995)。在图8a和b中,样品基本都靠近下地壳范围和变质中基性岩部分熔融区域。因此,茫崖闪长岩的源区可能来自下地壳,同时有幔源岩浆的参与。

茫崖闪长岩的εHf(t)以正值为主,包括少量负值(图6),物源以中元古代(1453～1254 Ma)新生地壳物质为主,混合少量的中元古代(1496～1447 Ma)古老地壳物质。样品的tDM2与南阿尔金长沙沟花岗岩(497 Ma,1659～1437 Ma,少量1342～1020 Ma,孙吉明等,2012;康磊,2015)和茫崖石英二长岩(510～494 Ma,1684～1473 Ma,少量1416～1363 Ma,Xu Nan et al.,2020)接近。同时,样品显示钾玄质(shoshonitic)岩石的地球化学特征(图7a和b),部分样品具有高Sr/Y值等高锶低钇质(aidakitic)特征(图7c和d),表明这些岩体可能与具有高锶低钇质特征的长沙沟花岗岩和茫崖钾玄质石英二长岩具有相似的岩浆源区。根据作者的前期研究成果,南阿尔金俯冲洋壳到达角闪岩相边界时释放大量水并上升进入地幔楔,诱导地幔楔橄榄岩发生角闪石化交代作用,随着俯冲的进行,幔楔沿俯冲带向下拖曳而温度升高,角闪石化橄榄岩熔融形成的熔体在上升过程诱发上地壳物质部分熔融,二者混合形成的母岩浆上升侵位过程随着熔体的不断演化形成了具有钾玄岩特征的茫崖石英二长岩和具有高锶低钇质特征的长沙沟花岗闪长岩。因此,这些具有高Sr/Y值等高锶低钇质特征的茫崖闪长岩可能是洋壳俯冲过程交代地幔形成的熔体底侵下地壳的产物。在图8 c和d中,样品落在角闪岩派生的岩浆和变玄武岩熔体范围,玄武岩派生岩浆的比例介于30%～90%和70%～90%之间(图8e和f),整体高于长沙沟花岗岩(10%～90%)和茫崖石英二长岩(20%～80%),且后者的εHf(t) 以负值为主,混合少量正值。样品的地球化学和Hf同位素特征的差异可能指示着该区在494 Ma发生了幔源岩浆底侵作用,下地壳熔融形成的熔体和幔源熔体形成的混合岩浆补给早期岩浆房,混合岩浆上升侵位形成了茫崖闪长岩。

吴才来等(2014)报道的两个闪长岩岩体(469 Ma)的εHf(t)变化范围很大,其中一个岩体的εHf(t)主要为正值(1.0～11.4,tDM2=1451～1107 Ma),包括少量负值(-4.7～-0.9,tDM2=1744～1422 Ma),另一个岩体的εHf(t)主要为负值(-5.8～-0.2,tDM2=1813～1460 Ma,少量正值0.6～1.9,tDM2=1406～1373 Ma)。两个岩体与钾玄质岩石的地球化学特征相符(Al2O3=14%～19%,TiO2<1.3%,K2O+Na2O>5%,当SiO2含量为50%和55%时,K2O/Na2O分别大于0.6和1.0,Müller and Groves,1995),其地球化学特征、εHf(t)(图6)和二阶段模式年龄与茫崖钾玄质石英二长岩相似(-3.51～-0.08,tDM2=1684～1473 Ma,少量正值介于0.04～1.69,tDM2=1466～1363 Ma)(Xu Nan et al.,2020),表明两期花岗岩具有相似的岩浆源区。两个闪长岩岩体的Mg#=42.6～45.5,指示着母岩浆有幔源岩浆的参与。因此,这些岩体的岩石成因和岩浆源区可能与笔者等研究的茫崖闪长岩相似。吴才来等(2016)报道的茫崖花岗岩(466 Ma)的εHf(t)值相对集中,且全部为正值(0.6～3.6,tDM2=1364～1191 Ma),Mg#=41.86,该岩体的锆石Hf同位素特征与笔者等研究的闪长岩相似,同样具有钾玄质岩石的地球化学特征(图7a、b),然而,其母岩浆受到玄武岩派生的岩浆的影响较小(20%,图8e),且样品分布于变质杂砂岩范围(图8b、c、d和f),可能是由于随着早期上涌的幔源岩浆的不断消耗,壳源熔体逐渐占主导地位,导致幔源岩浆的比例减少。康磊等(2016)报道的茫崖二长花岗岩(472 Ma)的εHf(t)值比较集中,正值和负值相当(-2.28～-0.06,tDM2=1371～1259 Ma和0.14～1.86,tDM2=1246～1162 Ma),微量元素蛛网图和稀土元素配分型式图与茫崖钾玄质石英二长岩相似(Xu Nan et al.,2020),且地球化学特征与钾玄质岩石相符(图7a和b),但具有较高的SiO2含量(74.33%～76.52%)。该岩体全部落在上地壳(图8a)和变质杂砂岩(图8b、c和d)范围,Mg#=27.89～34.07,指示其源自上地壳,可能未受到幔源岩浆的影响。在图9a和b中,样品主要分布在火山弧花岗岩和大洋岛弧范围。以上特征指示着该岩体属于大陆板内高硅钾玄质岩石,而该类岩石常与软流圈地幔上涌和岩石圈伸展减薄有关(Müller and Groves,1995;贾小辉等,2017)。南阿尔金HP—UHP变质岩榴辉岩相峰期变质年龄(500～490 Ma,张建新等,1999;刘良等,2005;Dong Jie et al.,2020; Gai Yongsheng et al.,2022a,b)指示着造山带在490 Ma以后进入陆陆碰撞的挤压环境。472 Ma花岗岩可能是深俯冲陆壳断离后折返作用导致造山带处于相对伸展的环境,同时伴随大规模幔源熔体上涌,造成上地壳物质熔融,形成的熔体上升侵位形成了这一期花岗岩。

图9 茫崖闪长岩Rb/30—Hf—Ta×3图解(a)(底图据邓晋福等,2017);Ta/Yb—Th/Yb图解(b)(据Gorton &Schandl,2000);R1—R2判别图(c)(据Batchelor &Bowden,1985);Rb—(Y+Nb)判别图(d)(据Pearce et al.,1984)

因此,南阿尔金洋在>500 Ma俯冲过程,俯冲板片脱水释放的大量流体上升进入地幔楔,导致地幔楔发生交代作用和熔融,形成的幔源岩浆的底侵作用导致下地壳熔融,形成的混合岩浆上升侵位在中—下地壳形成岩浆房,形成了南阿尔金≈500 Ma花岗岩(Xu Nan et al.,2020)。随着造山带构造演化,深俯冲板片断离及折返过程伴随大规模幔源岩浆上涌,幔源岩浆的底侵作用导致下地壳熔融,形成的混合岩浆补给早期形成的岩浆房,形成了笔者等研究的茫崖闪长岩及吴才来等(2016)研究的花岗岩。断离板片折返作用,导致上地壳减压熔融,形成了康磊等(2016)研究的大陆板内高硅钾玄质花二长花岗岩。

5.2 构造环境

现有研究表明,南阿尔金造山带在早古生代经历了洋壳俯冲、陆壳深俯冲及折返等地质过程。南阿尔金蛇绿混杂岩带中具有蛇绿岩性质的变基性火山岩(481±53 Ma,刘良等,1998)、镁铁超镁铁岩(501 Ma,李向民等,2009)和辉石橄榄岩(511 Ma,郭金城等,2014)指示着“南阿尔金洋”在>511 Ma已经开始俯冲。茫崖494～460 Ma闪长岩具有岛弧火成岩的地球化学属性,指示着造山带在早古生代存在洋壳俯冲。俯冲带火成岩的地球化学属性可以反映地幔楔、洋壳、沉积岩及俯冲形成的流体等不同源区的贡献(Bartoli et al.,2013)。俯冲板片脱水形成的流体进入地幔楔后导致地幔楔发生交代作用,从而导致与弧相关的火成岩具有更高的LREE/HFSE和LILE/HFSE值(Hawkesworth et al.,1997)。一般来说,HFSE和HREE不易受到俯冲过程流体活动的影响,而LILE和LREE活动性较强,常通过熔融或脱水作用进入俯冲过程形成的熔体中(Pearce and Peate,1995)。然而,Th在弧环境中的活动性较强,并且与弧岩浆中的Ta关系密切,从而导致与弧相关的火成岩中Th/Ta值随弧成分的增加而增加,因此,其Th/Ta值比板内火成岩更高(Hawkesworth et al.,1997)。茫崖闪长岩的Th/Ta值(7～24)与活动大陆边缘一致(6～20,Gorton et al.,2000),而康磊等(2016)研究的二长花岗岩(472 Ma)的Th/Ta值(40～53)与大洋岛弧一致(>20～90,Gorton et al.,2000)。在图9b中,样品主要落在大洋岛弧和活动大陆边缘范围,指示着岩浆活动的构造环境从大洋岛弧向活动大陆边缘过渡。

如上文所述,494～467 Ma火成岩的岩石成因表明该区下地壳经历了大规模幔源熔体的底侵作用。南阿尔金HP—UHP变质带榴辉岩相峰期变质年龄(504～475 Ma)代表陆壳深俯冲的时代(Liu Liang et al.,2012)。因此,大规模幔源岩浆的上涌可能是深俯冲陆壳断离及折返作用的产物。在图9c中,样品基本上全部落在板块俯冲/碰撞前范围,472 Ma花岗岩分布在同碰撞花岗岩范围(图9d),表明南阿尔金造山带在494 Ma之后可能已经进入陆—陆碰撞阶段。472 Ma钾玄质花岗岩显示与同期花岗岩不同的地球化学特征和岩石成因,却具有相似的二阶段模式年龄,表明二者具有相似的物质来源,但前者显示上地壳的源区特征,而后者形成于中—下地壳,可能是深俯冲陆壳断离后折返导致造山带抬升,中—下地壳物质被抬升至上地壳,同时柴达木地块与南阿尔金陆块发生陆—陆碰撞(Wu Cailai et al.,2018),上地壳减压熔融形成了472 Ma花岗岩的母岩浆。因此,南阿尔金造山带在494～467 Ma可能处于深俯冲陆块断离后折返阶段,南阿尔金494～461 Ma花岗岩是造山带深俯冲陆壳断离及折返作用的岩石学响应。

6 结论

(1)茫崖闪长岩的锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为494～461 Ma,εHf(t)以正值为主(0.01～3.90),包含少量负值(-0.67～-0.03),物质来源主要为中元古代(1453～1254 Ma)新生地壳物质,混合少量的中元古代(1496～1447 Ma)古老地壳物质。

(2)茫崖闪长岩是幔源岩浆的底侵作用导致下地壳熔融,形成的熔体与幔源熔体补给早期形成的岩浆房,混合岩浆上升侵位的产物。

(3)南阿尔金造山带在500～490 Ma可能已进入深俯冲陆壳断离后折返阶段,茫崖闪长岩是深俯冲陆壳断离后折返的岩浆活动响应。

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