秘鲁北部奇克拉约地区始新世-渐新世侵入岩时代、成因和构造环境

姚春彦,郭维民,刘君安,李汉武,王天刚

(中国地质调查局 南京地质调查中心, 江苏 南京 210016)

大陆边缘岩浆弧以巨大的岩基和各种类型岩浆岩出露为主要特征,其在时间和空间上的演变反映了板块边缘俯冲带动力学机制的改变,研究大陆边缘岩浆弧体系对于揭示俯冲板片深部动力学过程、壳幔相互作用、岩浆演化过程等有着巨大的学术意义。南美洲西缘安第斯地区是全球研究中、新生代的热点地区,发育大量岛弧岩浆岩,并以巨型岩基的形式展布,包括秘鲁海岸岩基(Peruvian Coastal Batholith,18°～6°S)、智利中部海岸岩基(Central Chilean Coastal Batholith, 35°～18°S)、巴塔哥尼亚岩基(Patagonian Batholith,55°～42°S)等(Paradaetal., 1988, 1999, 2007; Herveetal., 2007)。与南美洲西缘其他地区不同,秘鲁陆缘自俯冲作用开始之后,未受到地体增生作用的改造(Loewyetal., 2004; Miskovicetal., 2009),自550 Ma年左右即开始间歇性的岩浆活动 (Cawood, 2005) ,被认为是一种长期活动的大陆边缘(Mukasa, 1986; Pindell and Tabbutt, 1995; Chewetal., 2007),因而是研究和建立安第斯地区与俯冲有关的年代格架最为良好的研究场所之一。然而,该地区记录与俯冲有关的区域岩浆活动的精确地质历史(>30 Ma)仍然知之甚少(Mamanietal., 2010)。本次研究通过对秘鲁海岸岩基北部奇克拉约地区开展系统的野外调查、岩石地球化学和年代学研究,探讨该地区岛弧岩浆岩的时空演化、岩石成因及其构造背景。

1 区域地质背景

秘鲁海岸岩基带位于南美洲西缘6°～18°S之间,总体属于中安第斯构造区,由1 000多个深成岩体组成,出露长度约1 600 km,宽度约60 km,侵入时代主体介于侏罗纪至古新世之间(Pitcheretal., 1985; Mukasa, 1986; Hildebrand and Whalen, 2014;许志琴等, 2019)。根据岩石类型、岩石结构、相对侵入关系、捕虏体特征以及与不同时代岩脉群的关系等野外特征和岩石地球化学特征,秘鲁海岸岩基被划分为数个具有成因联系的岩套,常被称为“超单元”(Cobbing and Pitcher, 1972; Cobbingetal., 1977; Athertonetal., 1979; McCourt, 1981)。根据这些“超单元”分布特征,秘鲁海岸岩基带从北西至南东,被划分为5个不同的段,分别为Piura段、Trujillo段、Lima段、Arequipa段和Toquepala 段(图1, Cobbingetal., 1977; Cobbing and Pitcher, 1983)。

本文研究的奇克拉约(Chiclayo)地区位于秘鲁西北部海岸岩基Trujillo段最北端。研究区内最古老的地层为古生代变质岩基底(Salas 组),广泛发育中生代—新生代火山-侵入杂岩。其中,火山岩以中基性熔岩、火山碎屑岩和凝灰质角砾熔岩为主,侵入岩以基性-中酸性钙碱性系列侵入岩为主。区域构造以断裂为主,构造线展布与科迪勒拉山脉走向一致,主要由北西-南东向断裂带组成。沿着北西走向断裂带发育一系列串珠状的穹窿和火山喷发机构(图2)。

2 研究区侵入岩及岩石特征

2.1 Patapo-La Cria地区侵入岩

该地区位于Chongoyape镇西部,侵入岩侵入Oyotun 组火山岩,在构造上以穹窿形式产出。侵入岩成分较为复杂,主体为中粗粒花岗岩,次为花岗斑岩、中细粒花岗岩和英云闪长岩,并有少量的闪长玢岩。中粗粒花岗岩,新鲜面颜色为肉红色,主要由钾长石(35%～45%)、石英(约30%)、斜长石(20%～25%)组成,有少量角闪石、黑云母暗色矿物。花岗斑岩主要分布于靠近接触带的部位,主要由钾长石、石英、斜长石以及角闪石组成,斑晶主要为石英(约20%)、钾长石(15%)和少量斜长石,基质主要由隐晶质物质组成(图3)。花岗斑岩成分与中粗粒花岗岩相似,为其边缘相。中细粒花岗岩主要出露岩体边部,中细粒结构,浅灰色、灰白色,主要由石英、钾长石、斜长石组成,暗色矿物含量很少,小于5%,以黑云母为主,岩体中含有大量由角闪石和斜长石组成的闪长质包体,包体中不规则分布有石英、斜长石晶体。本次研究的花岗斑岩(D3170)、二长花岗岩(D3230)和花岗岩(D3243)样品采于该穹窿。

图 1 秘鲁海岸岩基带“超单元”5个段分布示意图(修改自Cobbing, 1976)Fig. 1 The five compositional segments of the super-units in the Peruvian coastal batholith (after Cobbing, 1976)

2.2 Las Delicias-Mocupe地区侵入岩

该地区位于奇克拉约东南部,侵入岩体以穹窿构造产出,侵入岩体中岩浆岩主要有二长闪长岩和二长花岗岩两类,两者侵入到白垩纪灰岩之中,野外可见二长花岗岩侵入到二长闪长岩之中,侵入界限清楚。二长花岗岩中可见有大量的闪长质暗色包体,主要由角闪石和斜长石组成,多为椭球状,少量具有棱角状(图4a～4d)。本次研究的二长花岗岩(D3213)样品采自该穹窿。

2.3 Chonta Cruz地区侵入岩

Chonta Cruz地区侵入岩以巨大的岩基形式产出,岩性以英云闪长岩为主,主要矿物为石英(约30%)、斜长石(60%)、角闪石(2%～3%)、黑云母(7%～8%),中粒结构,块状构造,岩石较新鲜。局部可见有少量花岗岩产出。本次研究的花岗岩(D2320)、英云闪长岩(D2321)、花岗闪长岩(D2322)样品(图4e)采自Chonta Cruz镇南部,英云闪长岩(D6308)采自Chonta Cruz镇东北部。

图 2 秘鲁北部奇克拉约地区区域地质图及采样位置图(底图据郭维民等, 2016)(1)郭维民等. 2016. 中秘地质填图合作项目“中秘合作秘鲁北部奇克拉约地区 1∶25 万地质矿产调查”成果(未公开发表).Fig. 2 Geologic sketch map of Chiclayo area in northwestern Peru and the sampling site (modified after Guo Weimin et al., 2016)❶

3 分析方法

样品锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,CL(阴极发光)图像分析在JSM-6510型扫描电子显微镜和Gatan Mini CL型阴极荧光光谱仪上完成。锆石制靶在北京锆年领航科技有限公司完成,锆石U-Pb同位素测年在中国地质大学(武汉)LA- ICP-MS实验室完成。样品处理方法、测试方法和数据处理过程及质量要求等参照文献(Liuetal., 2008, 2010)。

全岩主量、微量与稀土元素分析在自然资源部华东矿产资源监督检测中心完成。主量元素采用XFD-1500测定,分析精度一般优于2%～3%;微量和稀土元素在Tenon熔样罐熔样,用Finnigan MAT 公司生产的双聚焦高分辨ICP-MS测定,检测限优于0.5×10-9,相对标准偏差小于5%(陈鹏国, 2017)。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb年代学

本文对采自Patapo-La Cria穹窿的花岗闪长斑岩(D3170)、二长花岗岩(D3230)和花岗岩(D3243)、Las Delicias-Mocupe穹窿的花岗岩(D3213)和Chonta Cruz地区花岗岩(D2320)、英云闪长岩(D2321)、花岗闪长岩(D2322)和英云闪长岩(D6308)共8件侵入岩样品进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb定年。样品锆石呈无色、淡黄色,透明-半透明,自形程度较高,多数为柱状晶体。锆石具有清晰的内部结构和典型岩浆成因的震荡环带,表明其属于岩浆成因锆石,锆石年龄可代表结晶年龄。锆石U-Pb年龄测试结果见表1、表2和表3,锆石U-Pb年龄谱见图5和图6。Patapo-La Cria穹窿和Las Delicias-Mocupe穹窿侵入岩的207Pb/235U加权平均年龄为53～47 Ma,Chonta Cruz地区侵入岩的207Pb/235U加权平均年龄为36～28 Ma。

4.2 全岩地球化学

侵入岩样品的主量元素、微量元素和稀土元素分析结果见表4。

4.2.1 主量元素特征

本次8件侵入岩样品均显示高硅特征(SiO2含量为63.87%～76.36%),Al2O3含量为12.23%～15.42%,K2O 含量为2.48%～4.91%,Na2O含量为3.20%～4.16%,除2个样品Na2O含量略低于K2O 含量外(Na2O/ K2O=0.74～0.80, 其余样品Na2O含量均高于K2O 含量(Na2O/ K2O=1.10～1.58),相对富钠;CaO含量为0.59%～4.94%,属钙碱性系列(图7a);铝饱和指数(A/CNK=0.89～1.07)均在1.00附近,属于准铝质(图7b)。

图 4 Las Delicias-Mocupe地区和Chonta Cruz地区侵入岩野外及镜下照片Fig. 4 Field and microscopic images of the intrusive rocks in Las Delicias-Mocupe area and Chonta Cruz area a—Las Delicias-Mocupe地区二长花岗岩侵入于白垩纪灰岩之中; b—Las Delicias-Mocupe地区二长花岗岩标本; c—Las Delicias-Mocupe地区二长闪长岩及其中的闪长质包体; d—Las Delicias-Mocupe地区二长花岗岩主要矿物组成为钾长石(Kf)、斜长石(Pl)、石英(Qz)和黑云母(Bi); e—Chonta Cruz地区花岗闪长岩中的闪长质包体a—monzogranite intruded into Cretaceous limestone in Las Delicias-Mocupe area; b—monzogranite in Las Delicias-Mocupe area; c—monzodiorite and diorite enclaves in Las Delicias-Mocupe area; d—granodiorite in Delicias-Mocupe area, the main mineral compositions of monzogranite are K-feldspar (kf), plagioclase (Pl), quartz (Qz) and biotite (Bi); e—dioritic enclaves in the granodiorite of Chonta Cruz area

在岩石分类图解中,采自Patapo-La Cria和Las Delicias-Mocupe地区穹窿的侵入岩样品投点多落在花岗岩区域,Chonta Cruz地区样品多落入石英闪长岩区域(图8)。

4.2.2 微量元素特征

在微量元素地幔标准化蛛网图上,两期侵入岩均相对富集大离子亲石元素 Rb、Ba、K、U,亏损高场强元素Nb、Ta、P 和Ti (图9a),表明其成因与板块俯冲作用有关(Kelemenetal., 2007; 李奋其等, 2012; 李中会等, 2021)。Rb/Sr值平均为0.77(0.29～1.43),显著高于原始地幔(0.03)和OIB(0.047)的Rb/Sr值,与壳源岩浆范围一致(>0.5)(Wuetal.,2007),其Th/U值为3.39～6.42(平均值为5.09),接近下地壳Th/U值(约为6)(Rudnick and Gao, 2004)。但样品较高的La/Nb值(3.49～4.42)、La/Ta值 (22.94～61.31)和低的La/Ba值(0.04～0.08)显示出受俯冲作用改造后的岩石圈地幔源区的特征(图10a,Saundersetal., 1992)。A/MF-C/MF图解中,则多数样品落入基性岩的部分熔融区域(图10b)。

表 1 Patapo-La Cria穹窿侵入岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析数据Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating data of Patapo-La Cria dome intrusive rocks

续表 1 Continued Table 1

表 2 Las Delicias-Mocupe穹窿二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析数据Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating data of Las Delicias-Mocupe dome monzonitic granite

续表 3-2 Continued Table 3-2

图 5 Patapo-La Cria和Las Delicias-Mocupe穹窿侵入岩样品锆石U-Pb年龄谐和图Fig. 5 U-Pb concordia diagram of the zircons from the intrusive rock in the Patapo-La Cria and Las Delicias-Mocupe areas

图 6 Chonta Cruz地区侵入岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig. 6 U-Pb concordia diagram of the zircons from the intrusive rock in the Chonta Cruz area

表 4 侵入岩的主量元素(wB/%)、微量元素和稀土元素(wB/10-6)分析结果Table 4 Major elements (wB/%), rare elements and rare earth elements (wB/10-6) analysis results of the intrusive rocks

图 7 工作区侵入岩K2O-SiO2图解(a)及A/NK-A/CNK图解(b)Fig. 7 K2O-SiO2 diagram (a) and A/NK-A/CNK diagram (b) of the intrusive rocks

图 8 闪长岩岩石分类图解Fig. 8 Rock classification diagram of diorite

球粒陨石标准化稀土元素配分模式中,总体轻微右倾,轻重稀土元素比值LREE/HREE为2.79～5.14,表现出轻稀土元素较重稀土元素轻微富集,轻稀土元素分馏程度强于重稀土元素, (La/Sm)N=3.53～6.76, (Gd/Yb)N=0.87～1.41; Eu呈现弱负异常(δEu=0.39～0.78),Ce轻微负异常至无明显异常(δCe=0.66～1.11)(图9b)。

图 9 侵入岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(b)Fig. 9 Primitive mantle-normalized trace element spidergram(a)and chondrite-normalized REE patterns (b) for the intrusive rocks

图 10 侵入岩La/Ba-La/Nb图解(a)和A/MF-C/MF图解(b)Fig.10 La/Ba-La/Nb and A/MF-C/MFdiagrams of the intrusive rocks

5 讨论

5.1 岩浆侵位时代

秘鲁海岸岩基带中南部的Lima段、Arequipa段和Toquepala 段50个深成岩体的锆石U-Pb年龄测定,显示海岸岩基的岩浆活动时限范围非常长,从188 Ma持续至37 Ma (Mukasa, 1986; Boekhoutetal. , 2012; Demouyetal., 2012; Santosetal., 2019)。其中,侏罗纪的岩体主要分布在南部Arequipa段。对于Arequipa地区的岩体进行进一步解剖,将Arequipa段岩浆侵入活动分为200～152 Ma和110～60 Ma两个时期(Boekhoutetal. , 2012; Demouyetal., 2012; Santosetal., 2019) 。与南部海岸岩基不同,中部Lima段岩浆活动主要集中在3个时期,分别为105～101 Ma、91～82 Ma (Wilson, 1975; Mukasa, 1986) 和73～62 Ma (Cobbingetal., 1981; Mukasa, 1986) ,缺乏侏罗纪的岩浆活动记录。

本文研究区位于Trujillo段北部,侵入岩样品年龄自西向东呈现逐渐变新的特点,西部岩体以穹隆产出并侵入早白垩世Oyotun 组(139～131 Ma, Duanetal., 2022)中,样品锆石U-Pb年龄在52～47 Ma之间。东部侵入岩侵入于古新世Llama 组火山岩和始新世Porculla 组火山岩之中,其锆石U-Pb年龄在36～28 Ma之间。侵入岩出露位置及年龄特征显示出从始新世至渐新世,岩浆活动自西向东部发生了迁移。同时,与秘鲁海岸岩基带中部Lima段以及南部Arequipa段相比,Trujillo段北部缺乏侏罗纪和晚白垩世的岩浆活动记录,反映出虽然秘鲁海岸岩基带呈北西-南东向平行于现代俯冲带分布,但在不同的地区,俯冲岩浆活动时空特征有着明显的不同。

5.2 岩石成因

研究区侵入岩样品的MgO、Fe2O3T、CaO、TiO2及Co与SiO2含量都呈明显的负相关,说明岩浆演化过程中可能发生了辉石、角闪石等铁镁矿物的分离结晶(图11、图12)。随SiO2含量的增加,Dy/Yb值呈减小趋势也显示出角闪石发生了分离结晶。同时弱的Eu异常(图9b)以及P2O5、TiO2与SiO2负相关则说明发生了含P 和Ti副矿物相的分离结晶; Eu随SiO2含量的增加而明显减少, 表明在岩浆演化过程中发生了一定的斜长石分离结晶(图11、图12)。

微量元素组成上,明显富集大离子亲石元素,相对亏损高场强元素以及具有U、Hf、La和Ce的正异常以及Sr负异常(图9a)显示出壳幔混合源的特征。两期侵入岩体(Sr/Y)-Y图解中样品落入经典岛弧岩石区域,Rb-(Y+Nb)图解显示其构造环境为火山弧花岗岩,表明其具有俯冲带火山弧岩浆岩的特征(图13)。

值得注意的是,样品Nb/Ta均>5(5.2～14.11,平均值为11.21),接近平均陆壳组成(11～13)(Rudnick and Gao, 2004)。Zr/Hf值变化于30.77～36.88之间,平均值为33.81,类似于原始地幔和球粒陨石值(34～36)(McDonough and Sun, 1995),也接近于平均陆壳值(35.7)(Rudnick and Gao, 2004)。综合样品地球化学特征,侵入岩岩浆源区可能源于基性下地壳的部分熔融,并有岩石圈地幔物质混染。同时,花岗岩中可见暗色基性包体,说明上升过程中还存在岩浆的混合作用。

图 11 MgO、TiO2、CaO及Fe2O3T与SiO2含量离散关系图Fig. 11 MgO-SiO2, TiO2-SiO2, CaO-SiO2, Fe2O3T-SiO2 discrete diagrams of the intrusive rocks

图 12 Dy/Yb值、Eu、Co和P2O5含量与SiO2含量离散关系图Fig. 12 Dy/Yb-SiO2, Eu-SiO2, Co-SiO2 and P2O5-SiO2 discrete diagrams of the intrusive rocks

图 13 侵入岩Sr/Y-Y(a)和Rb-(Y+Nb) (b)图解Fig. 13 Sr/Y-Y(a)and Rb-(Y+Nb) (b) diagrams of the intrusive rocks

5.3 构造背景

三叠纪南大西洋扩张触发大洋型Nazca-Farallon板块向南美大陆板块俯冲。安第斯山脉是Nazca板块向东俯冲造成南美洲板块西缘在新生代构造缩短而形成的(Sobolev and Babeyko, 2005; Chenetal.,2019; 许志琴等, 2019)。已有研究表明,中安第斯秘鲁段自晚白垩世以来共发生秘鲁期(84～79 Ma)、印加Ⅰ期(59～55 Ma)、印加Ⅱ期(43～42 Ma)、印加Ⅲ期(30～27 Ma)、印加Ⅳ期(22 Ma)、盖丘亚Ⅰ期(17 Ma)、盖丘亚Ⅱ期(8～7 Ma)、盖丘亚Ⅲ期(5～4 Ma)和盖丘亚Ⅳ期(早更新世) 9期造山事件(Benavides-Caceres, 1999)。这些造山事件中,以印加Ⅰ期和印加Ⅱ期最为强烈,以挤压为主,形成了同期的印加褶皱带。在印加Ⅰ期和印加Ⅱ期间歇期(54～44 Ma), 以Llama-Calipuy火山旋回为代表的火山作用活跃。印加Ⅱ期后至印加Ⅳ期构造旋回期间(41～23 Ma),为一个新的由隆升、伸展构造和岩浆活动形成的新的旋回,该时期岩浆弧以始新世晚期和渐新世的Tacaza火山序列为代表(Benavides-Caceres, 1999)。在此期间发生的印加Ⅲ期(30～27 Ma)则以挤压隆升为主。

由于Nazca板块自中生代以来俯冲不是完全连续的,而是具有幕式俯冲的特点(Pfiffner and Gonzalez, 2013),因此在秘鲁南部和北部地区,Nazca板块的俯冲角度不尽相同。新生代早期(约40 Ma)开始,在秘鲁南部和智利北部俯冲角度在25°～30°之间,这些地区具有活跃的火山作用;而在秘鲁中部和北部地区以浅角度平俯冲下降到100 km的深度,这期间缺乏火山活动(Jordanetal., 1983; Ramos, 1999; Ramos and Folguera, 2009; Pfiffner and Gonzalez, 2013; 许志琴等,2019)。同时,有研究表明,秘鲁中部地区(13°S～18°S)由于板块的俯冲主要的地壳增厚和隆升开始于渐新世中期(30 Ma)(Gregory-Wodzicki, 2000; Garzioneetal., 2008; Mamanietal., 2010)。

本文采自岩基带西部的侵入岩年龄(52～47 Ma)晚于印加Ⅰ期,早于印加Ⅱ期,处于印加Ⅰ期和印加Ⅱ造山间歇期;东部Chonta Cruz地区侵入岩侵位时限(36～28 Ma)略早于或在印加Ⅲ期造山期内,由于中安第斯地区印加Ⅲ期(30～27 Ma)主要以挤压隆升为主,说明在Nazca板块低角度平板俯冲作用下,秘鲁北部岩浆弧向东迁移,且在36～28 Ma时限间仍存在岩浆活动。对比秘鲁中南部地区在30 Ma以后即开始地壳的隆升和增厚,秘鲁北部由于挤压事件引发的地壳隆升和增厚时限较中南部地区稍晚(大约在28 Ma之后)。

6 结论

(1) 秘鲁北部海岸岩基带侵入岩样品锆石U-Pb年代学数据显示岩浆活动主要发生在始新世(52～47 Ma)和渐新世(36～28 Ma)两期,且具有自西向东逐渐变新的特征。

(2) 在Nazca板块向南美大陆板块俯冲的大地构造背景下,两期侵入岩样品相似的地球化学组成,主微量元素地球化学特征指示两期侵入岩的岩浆具有同源特征,岩浆源区可能源于基性下地壳的部分熔融,并有岩石圈地幔物质混染。

(3) 在俯冲构造背景下,秘鲁北部岩浆弧向东迁移,在28 Ma年有岩浆记录,说明北部对应印加Ⅲ期的地壳隆升和增厚时限较中南部地区的30 Ma稍晚(大约在28 Ma之后)。