西藏南部冈底斯带晚白垩世花岗岩类的年代学、地球化学及其成因

西藏南部冈底斯带晚白垩世花岗岩类的年代学、地球化学及其成因

1地壳下地壳部分熔融西藏南部的冈达西带是雅德克萨斯州岩石圈在亚洲板块下形成的重要活动边缘的重要组成部分。这是中国早期活动大陆边缘的重要组成部分。近年研究表明,冈底斯带具有埃达克质地球化学特征的岩石,分布时代非常宽泛(136～8Ma)(Chungetal.,2003,2009;Spiceretal.,2003;Houetal.,2004;Wenetal.,2008a;Zhuetal.,2009a;Aitchisonetal.,2009;Zhangetal.,2010a)。其中的早白垩世埃达克岩,被认为来源于俯冲的新特提斯洋壳岩石圈的部分熔融(Zhuetal.,2009a),新生代埃达克岩(30～8Ma)被认为是加厚下地壳部分熔融的产物(Chungetal.,2003;Houetal.,2004;Guoetal.,2007),而晚白垩世埃达克质岩,却存在新特提斯洋壳岩石圈平板俯冲背景下的增厚下地壳部分熔融(Wenetal.,2008a)和新特提斯洋脊俯冲背景下的大洋板片熔融(Zhangetal.,2010a)等不同认识。本文目的是在野外和室内岩相学观察基础上,报道在冈底斯带南缘东部朗县至米林一带获得的花岗岩类的锆石U-Pb年代学和地球化学数据。这些新获得的数据对冈底斯带晚白垩世埃达克质岩浆作用的岩石成因和地球动力学背景提供了重要约束。2地质背景及样品青藏高原由北向南依次分为松潘-甘孜复理石带、羌塘、冈底斯带和喜马拉雅带四个部分,分别被金沙江、班公湖-怒江和雅鲁藏布江缝合带隔开(YinandHarrison,2000)。位于班公湖-怒江缝合带和雅鲁藏布缝合带之间的冈底斯带是岩浆作用最为发育的地区,由南向北可将其划分为南冈底斯(SG)、冈底斯弧背断隆带(GRUB)、中冈底斯(MG)和北冈底斯(NG)(图1a)(潘桂棠等,2006;朱弟成等,2008a)。本文研究区所在的南冈底斯主要发育中新生代火山岩和相关沉积地层,如早侏罗世叶巴组火山岩(Zhuetal.,2008b)、晚侏罗-早白垩世桑日群火山岩(朱弟成等,2006;Zhuetal.,2009a)、规模宏大的冈底斯岩基(Wenetal.,2008b;纪伟强等,2009a)以及林子宗火山岩(董国臣,2002;周肃等,2004;Moetal.,2005a;李皓扬等,2007)等。研究区位于南冈底斯东段朗县至米林之间(图1b),这里主要出露了中-新元古界念青唐古拉岩群的巴拉岩组(P2-3b)和新元古代-寒武纪肉切村岩群(P3R)。巴拉岩组(P2-3b)在林芝县八拉村附近出露最宽,为一套由角闪透辉石岩、黑云角闪片岩、斜长角闪片岩等组成的变超基性-基性岩岩组;肉切村岩群(P3R)仅出露于米林县米林-大莫谷热、来果桥一带,夹持于珞巴村-来果桥基底剥离断层和比丁浦主剥离断层之间,为一套变形强烈、变质程度达高绿片岩相的由石英片岩、二云片岩、含石榴二云片岩等组成的中浅变质岩系。最近的研究表明(王金丽等,2008;董昕等,2009;Dongetal.,2010;Zhangetal.,2010b),上述岩群的原岩形成在早古生代,在晚中生代和新生代经历了多期变质作用再造,而并不是以前认为的前寒武变质岩。此外,在研究区西南隅还出露少量晚侏罗世多底沟组、白垩系朗县混杂岩以及渐新世-中新世大竹卡组。研究区内侵入岩浆活动强烈,分布广泛,早期一直认为这些花岗岩类主要侵位于早白垩世(尹光侯等,2003),但最近(Wen,2007;Wenetal.,2008a)及本文的定年结果显示,这里的岩浆活动时代介于晚白垩世至始新世之间,早白垩世花岗岩非常有限。本文研究的晚白垩世花岗岩,呈岩基状侵位于上述变质岩系中,岩石类型包括二长花岗岩、花岗闪长岩和英云闪长岩等。样品采自朗县到米林一带(图1b)。样品总体为灰白色至深灰色,粗-中细粒半自形结构,块状构造。主要矿物为石英(20%～25%)、斜长石(30%～40%)、钾长石(10%～20%),暗色矿物为黑云母(5%～15%)和角闪石(5%～10%),部分样品中可见少量辉石。石英多呈他形粒状,与长石交生可见文象结构(图2a);斜长石呈长板状或柱状,聚片双晶发育,可见环带结构(图2a),弱绢云母化;钾长石为宽板状,多遭受高岭土化,发育格子双晶;黑云母为片状,多色性明显,可见熔蚀结构;角闪石晶形较好,呈长柱状;辉石含量极少,样品ML14-1中可见角闪石、黑云母交代紫苏辉石,形成交代残余结构(图2b);副矿物为锆石、磷灰石、磁铁矿(<1%)等。3试验和结果条件在河北廊坊区域地质调查研究所采用浮选和电磁选方法完成锆石挑选;锆石阴极发光(CL)显微照相在中国科学院地质与地球物理研究所电子探针实验室完成,用来检验锆石内部结构以便于选择分析区域。锆石U-Pb同位素定年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室利用LA-ICP-MS同时分析完成。激光剥蚀系统为GeoLas2005,ICP-MS型号为Agilent7500a。详细的仪器操作条件和数据处理方法见Liuetal.(2008,2010a,b)。谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig,2003)完成(图3)。测试结果列于表1中。将新鲜样品进行无污染碎样至200目,粉末分别送至西北大学大陆动力学实验室测定主量元素,中国地质大学(武汉)测定微量元素。主量元素采用XRF法在RIX-2100仪器上分析,分析精度优于5%;微量元素利用等离子体质谱仪Agilent7500aICP-MS分析完成。详细的测试方法和分析流程参见Gaoetal.(2002)。测试结果列于表2中。锆石原位Hf同位素测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室利用LA-ICP-MS系统对已经进行锆石U-Pb定年分析的相同位置进行。测试激光束斑直径为44μm,激光脉冲频率为8Hz。实验所测锆石标样91500的176Hf/177Hf值为0.282308±6(2σ),与用溶液法获得的值0.282302±8(Goolaertsetal.,2004)在误差范围内一致。仪器运行条件和详细分析流程参见(Yuanetal.,2008)。测试结果见表3。4分析的结果4.1锆石u-pb/ch-ped年龄共选取四件样品(ML01-1、ML06-1、ML15-1和ML19-1)开展锆石U-Pb定年工作,样品中的锆石大多呈长柱状,长150～300μm,长宽比为2：1～3：1,阴极发光(CL)图像可见清晰的生长环带。锆石的Th/U比值为0.13～1.25,为典型的岩浆成因锆石(HoskinandSchaltegger,2003)。样品ML01-1中测点06、12、14、17误差较大,其余14个测点的206Pb/238U加权平均年龄为84.1±1.1Ma(MSWD=0.1)(图3a);样品ML06-1中,测点08误差较大,测点12和16年龄较老,其余15个测点的206Pb/238U加权平均年龄为79.3±0.4Ma(MSWD=0.9)(图3b);样品ML15-1的03(281Ma)、12(102Ma)、13(311Ma)测点年龄较老,可能为继承锆石的年龄,测点18误差较大,其余14个测点的206Pb/238U加权平均年龄为81.3±0.9Ma(MSWD=2.3)(图3c);样品ML19-1中18个测点的206Pb/238U加权平均年龄为78.1±0.6Ma(MSWD=1.8)(图3d)。4.2稀土元素及微量元素地球化学特征样品SiO2含量介于66.19%～70.78%之间,Al2O3含量均大于15%(15.69%～17.65%),Na2O含量为4.27%～5.51%,Na2O/K2O比值较高(1.3～5.1),在成分上属于石英闪长岩/花岗闪长岩-花岗岩(图4a),在K2O-SiO2图解中属于中钾钙碱性系列(图5a)。铝饱和指数(A/CNK)为0.95～1.04,属偏铝质花岗岩(图4b)。样品的MgO含量较低(0.47%～1.24%),Mg#介于33～40。哈克图解中(图5),随着SiO2含量的变化,K2O、MgO、P2O5、TiO2、CaO、Fe2OT33Τ具有较好的线性关系,Al2O3、Na2O与SiO2的演化趋势并不明显。本文样品与Wenetal.(2008a)命名的“冈底斯埃达克岩”非常类似,二者均与Zhangetal.(2010a)报道的具埃达克质特征的紫苏花岗岩形成连续的演化序列。稀土元素球粒陨石标准化图解中,四件样品(ML03-1,ML14-1,ML15-1,ML17-1)具显著的铕正异常(δEu=1.16～2.26),其它样品铕异常不明显或为负(δEu=0.85～1.05)(图6a)。微量元素原始地幔标准化图解中,样品均富集大离子亲石元素(LILE),亏损高场强元素(HFSE),具显著的Nb、Ta、Ti负异常和K、Pb正异常(图6b)。样品相容元素含量极低,如Cr、Ni含量分别为1.34×10-6～3.27×10-6和0.69×10-6～3.32×10-6。所有样品均富集轻稀土元素,亏损重稀土元素[(La/Yb)N=4～29]和Y(Y=1.9×10-6～14.3×10-6,Yb=0.2×10-6～1.6×10-6)。这些特征结合其高Sr含量(542×10-6～774×10-6)和高Sr/Y比值(48～397)特点,暗示了其埃达克岩亲缘性(DefantandDrummond,1990)(图7)。4.3hf同位素组成所有样品中锆石的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值分别为0.002763～0.074165和0.000107～0.00254,较低的Lu/Hf比值表明锆石在形成后无明显放射性成因Hf的积累,此时锆石的176Hf/177Hf比值能够代表该锆石形成时的Hf同位素组成特征(吴福元等,2007)。三件样品中(ML01-1、ML06-1和ML15-1)锆石的(176Hf/177Hf)i比值为0.282995～0.283148,εHf(t)值为+9.7～+15.1,地幔模式年龄为143～370Ma,地壳模式年龄为180～528Ma。值得注意的是,样品ML19-1的锆石(176Hf/177Hf)i比值为0.282729～0.283045,εHf(t)值变化范围较大(+0.2～+11.3)(图8),对应的地幔模式年龄和地壳模式年龄分别为286～744Ma和419～1134Ma。5讨论5.1南佐克质岩浆活动本文报道的样品中,ML01-1、ML06-1采自金东北部岩体(图1a),与Wenetal.(2008a)的采样位置相近,这里提供了84～79Ma的岩浆活动年龄,而另外两件采自更东部卧龙镇岩体的样品(ML15-1和ML19-1),锆石U-Pb年龄分别为81Ma和78Ma,与Wenetal.(2008a)在此报道的年龄数据(80Ma)一致,继续向东到里龙与米林一带,Zhangetal.(2010a)报道了90～87Ma的埃达克质岩浆活动。所有这些数据表明,南冈底斯东部地区在晚白垩世时期(90～79Ma)发生了重要的岩浆活动。最近在南冈底斯中西部曲水、日喀则地区也发现了晚白垩世岩浆活动(87～81Ma)(图1a)(Jietal.,2009b;朱弟成未刊数据)。虽然迄今仍然缺乏南冈底斯带更西部地区的年代学数据,但区域地质调查资料(朱弟成等,2008a)和已有年代学数据表明,整个南冈底斯带在晚白垩世时期(90～80Ma),发生了大规模的近似平行于雅鲁藏布缝合带走向的带状岩浆作用。5.2德物源区的构造背景及成因样品高Al2O3含量、高La/Yb、Sr/Y比值、低Y和HREE含量、富集大离子亲石元素和亏损高场强元素等特征,与埃达克质岩石的地球化学特征一致(DefantandDrummond,1990)。微量元素原始地幔标准化图解中显著的Nb、Ta、Ti负异常表明岩浆产生于与俯冲有关的构造环境。现代弧环境中,板片流体的加入或俯冲沉积物的部分熔融可以使与俯冲有关的岩浆交代富集(Elburgetal.,2002;Guoetal.,2005)。当Th/Yb比值小于1时,为流体占主导的弧环境;当Th/Yb大于2时,表明存在大量沉积物。本文中埃达克岩Th/Yb比值介于1.2～11.7之间,表明其源区可能有沉积物的贡献。Hf同位素组成整体表现出亏损特性,但随着年龄由老变新,呈现出逐渐富集的趋势。样品ML19-1(78Ma)的Hf同位素组成表现出强烈的不均一性,这种不均一性暗示其岩浆源区可能卷入了古老地壳组分或者俯冲沉积物,遗憾的是本文缺乏其微量元素数据,直接限制了对其富集原因的进一步判断。埃达克岩可以产生于多种构造环境(王强等,2008),包括从最初的由俯冲洋壳熔融形成(DefantandDrummond,1990)到后来加厚下地壳的部分熔融等(Chungetal.,2003;Houetal.,2004;Guoetal.,2007;Gaoetal.,2007)。以下证据显示,本文埃达克岩很可能是加厚下地壳部分熔融的产物:(1)样品MgO含量低,Mg#(33～40)与下地壳来源的熔体一致(AthertonandPetford,1993),并且在MgO-SiO2图解中(图5b)落入增厚下地壳熔融形成的埃达克岩范围内。(2)样品极低的相容元素(如Cr、Ni),明显不同于源自俯冲板片并可能经历交代地幔楔物质混染的埃达克质熔体(Martin,1999)。(3)部分样品显示显著的正铕异常(δEu=1.16～2.26),并显示中稀土元素亏损的特征,这种特征可容易地由镁铁质下地壳物质在角闪岩相条件下发生部分熔融来解释(Zhuetal.,2008b)。因此,本文倾向性地将这些晚白垩世埃达克岩解释为在俯冲背景下,幔源熔体(可能也包括俯冲沉积物来源的熔体)提供的热量促使先期形成的增厚镁铁质下地壳在含水角闪岩相条件下发生部分熔融作用的产物。5.3晚白垩世埃达克岩浆作用冈底斯带岩浆活动极为复杂,贯穿整个中新生代。冈底斯中北部地区约110Ma的带状岩浆大爆发和幔源物质显著增加的现象,被认为是班公湖-怒江洋岩石圈断离引发的软流圈上涌所致(朱弟成等,2009b,c)。南冈底斯带中新生代岩浆作用涉及到了新特提斯洋板片俯冲和碰撞等一系列地球动力学过程(莫宣学等,2003,2005b;李皓扬等,2007;Moetal.,2008),而其中在50Ma左右的大规模岩浆事件,被认为与俯冲的新特提斯洋壳岩石圈板片的断离有关(Wenetal.,2008b;Chungetal.,2009;Leeetal.,2009)。由此可见,冈底斯带发生的两次大规模岩浆事件,很可能分别都对应着不同洋壳岩石圈的断离事件。这是因为要造成镁铁质下地壳物质发生大规模熔融,必将存在特殊的地球动力学过程来提供促使熔融作用能够发生的巨大热量,而板片断离及其引起的软流圈上涌,正是实现这种熔融作用和大规模带状岩浆作用的最合理解释(Wenetal.,2008b;Chungetal.,2009;Leeetal.,2009;Zhuetal.,2009c)。同样地,南冈底斯带广泛发生的晚白垩世岩浆作用,也需要一种特殊的地球动力学机制来实现。实验研究表明(SenandDunn,1994),埃达克岩形成于高热体制下(深度70～80km处800～1000℃)的板片熔融,其可能机制可以来源于洋脊俯冲(Bourgoisetal.,1996;Lagabrielleetal.,2000)或非常年轻(<5Ma)洋壳的俯冲(Sajonaetal.,1993;Peacocketal.,1994)或平板俯冲等。如前所述,本文及文献数据均表明,朗县至米林一带的晚白垩世埃达克岩具有相对较低的MgO含量(0.47%～1.24%)和Mg#(33～40),非常低的相容元素含量(Cr=1.34×10-6～3.27×10-6,Ni=0.69×10-6～3.32×10-6),这种情况很难由俯冲洋壳岩石圈部分熔融的产物来解释。Wenetal.(2008a)将南冈底斯晚白垩世埃达克岩的形成原因解释为由平板俯冲引起的构造紧缩导致加厚的镁铁质下地壳部分熔融。由于平板俯冲将把地幔楔挤出,或在俯冲带之上仅存在少量地幔楔物质,很难由此产生幔源基性岩浆,而笔者在研究区却发现了同期基性岩浆活动存在的重要证据(88Ma,