造山帶碰撞的研究進展

造山帶碰撞的研究進展

根據(jù)近20年的研究，造山帶在板塊沖突后仍然非?；钴S。在威爾遜旋轉(zhuǎn)的最后階段，一個完整的破裂造山旋轉(zhuǎn)過程也包括三個相互關(guān)聯(lián)的階段：（1）陸沉引起的橫向縮短和地表擠壓導(dǎo)致地殼增厚、地表浮力、地殼根和巖石圈根的形成。（2）地殼根（山根）的榴輝巖相變質(zhì)作用；（3）地殼根或巖石圈地幔超載的作用，以及造山帶的擴張和坍塌，以及莫霍面的再平衡（山根受損）。大于山被視為經(jīng)過三個完整階段的造山帶的典型代表，但迄今為止，對沖突后造山帶的深部過程尚不清楚，也沒有深入研究中生代地殼從增薄到減薄的過程以及巖漿巖漿巖的侵蝕關(guān)系。本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合巖石地球化學分析，建議晚侏羅世-早白堊世，大葉花崗巖漿巖的源區(qū)和巖漿室逐漸向平面移動，這可能表明地殼的流變學程度以及從壓縮和延伸到減小和稀釋過程。1中朝克拉通和中朝克拉通大別造山帶以超高壓變質(zhì)巖的廣泛出露而受到地學界的矚目.大量的地質(zhì)年代學研究表明,高壓-超高壓榴輝巖相變質(zhì)作用主要出現(xiàn)在245～170Ma之間.這些年齡被看作揚子克拉通陸殼向北俯沖于中朝克拉通之下以及超高壓變質(zhì)作用之后巖石剝露和冷凝的時間.古地磁資料表明,兩克拉通在二疊紀首先從東部開始碰撞,然后揚子克拉通相對于中朝克拉通呈順時針旋轉(zhuǎn),呈剪刀狀逐漸匯聚在一起[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14].研究認為,碰撞作用的結(jié)束和兩克拉通相對運動停止的時間大約為160Ma,相當于中-晚侏羅世的分界但從擠壓向伸展的轉(zhuǎn)換可能更晚,確切的時間需要結(jié)合巖漿作用研究加以確定.大別山是世界超高壓變質(zhì)地體中碰撞后花崗巖類巖漿侵入活動最為強烈的地區(qū),花崗質(zhì)巖石的廣泛分布,為洞察中生代深部地殼組成、結(jié)構(gòu)和大陸動力學過程提供了惟一的機會.按照中生代侵入巖的年齡和特征,Ma等曾把大別山中生代侵入巖分為3組,本文的研究主要涉及到其中第2和3組的花崗質(zhì)巖石.前者一般具有相對虧損HREE和Y且Sr/Y比值較高的特點,這里簡稱為高S/Y花崗巖,而第3組具明顯Sr,Eu和Ti負異常,Sr/Y比值較低,后面稱為晚階段花崗巖.這些花崗巖的圍巖,主要為前寒武紀大別雜巖以及中新元古代變沉積-火山巖(圖1).除花崗巖外,在北大別地區(qū),還有一些中生代基性-超基性小巖體產(chǎn)出.2同年代研究2.1分析方法及結(jié)果本文主要對部分高Sr/Y花崗巖進行了同位素年代學研究.采用單顆粒鋯石同位素稀釋法對產(chǎn)于超高壓變質(zhì)帶內(nèi)劉家洼二長花崗巖進行了年齡測定(圖1).樣品的粉碎、鋯石的精選、化學處理和鋯石U-Pb同位素分析均由天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實驗室完成.鋯石的溶解及其U和Pb分離采用Krogh的方法,U-Pb同位素組成在VG-354熱電離質(zhì)譜計上測定,測試方法、流程和精確度已由李惠民等作了報道.U-Pb分析結(jié)果列于表1中,數(shù)據(jù)處理采用ISOPLOT軟件.劉家洼花崗巖是劉家洼雜巖體較晚侵位的巖石類型,該雜巖體位于安徽省太湖縣東北約10km的劉家洼村一帶.該花崗巖(樣品9914)的采樣位置為劉家洼水庫東南岸以東約300m處,即該雜巖體的東部邊緣.該樣品共測了5個點,所有的鋯石均為無色或淺黃色的透明自形晶.其中,4個為透明長柱狀自形晶體,長寬比為4:1～3:1;1個為透明短柱狀自形晶體,長寬比為1.5:1,具有巖漿鋯石的基本特點.從表1數(shù)據(jù)可以看出,樣品的206Pb/204Pb比值介于110～426之間.除3和5號點外,1,2和4點給出t206>t207>t207/206.在諧和圖(圖2)上,所有樣品均落在諧和線及其附近,其中,1～4號點落在諧和線135Ma附近,而5號點則落在147Ma附近.在206Pb/204Pb較小的情況下,t206較為可靠.1～4點的t206加權(quán)平均年齡為135.4±2.7Ma(MSWD=0.326)(見圖2內(nèi)插圖).依據(jù)鋯石的自形形態(tài)和高的封閉溫度,135.4±2.7Ma應(yīng)當代表該巖體的侵位年齡.2.2樣品的u-qp-ar分析40Ar-39Ar年齡測定在中國科學院地質(zhì)研究所40Ar-39Ar同位素實驗室進行.本文的分流鋪花崗巖樣品(94-2)采自湖北省浠水縣城關(guān)東南約8km處(圖1).挑選的角閃石和黑云母純度達98%以上.樣品在中國科學院原子能研究所49-2反應(yīng)堆照射,照射時間為55小時48分鐘,照射參數(shù)為J=0.01068.用于中子通量監(jiān)測的樣品是我國K-Ar法標準樣ZBH-25黑云母,年齡為132Ma.測試儀器為RGA-10氣體源質(zhì)譜計.角閃石和黑云母的坪年齡和等時線年齡見圖3,40Ar-39Ar(快中子活化)階段加熱分析數(shù)據(jù)列于表2中.分流鋪花崗巖角閃石階段加熱分析結(jié)果得到了139.0±1.0Ma的坪年齡,坪在樣品釋出的39Ar中所占的比例為92.4%.從圖3可見,該角閃石在低溫段顯示了少量的Ar丟失,而在低溫和高溫段有少量Ar過剩.而對于黑云母,階段加熱分析結(jié)果表明,樣品中93%的Ar釋放部分確定的坪年齡為125.3±0.2Ma.綜合看,角閃石具有較高的Ar封閉溫度(530±33℃),得到的年齡接近于巖體結(jié)晶年齡;而黑云母Ar的封閉溫度較低(315±45℃),其Ar-Ar年齡反映了冷凝年齡.由兩個年齡得到的該樣品的冷卻速率為15℃/Ma.3高sr/y砂巖pb/lear/hfse本文對上述有新的年代學資料的巖體和文獻中報道的年齡稍晚的巖體(即第3組)進行了地球化學對比分析,進而討論它們的地質(zhì)意義.有關(guān)巖體的年齡和代表性成分資料列于表3.Frost等提出了花崗質(zhì)巖石的新的分類方案,其依據(jù)是三個地球化學變量,即Fe數(shù)(FeO/(FeO+MgO),這里FeO為全Fe),修改的堿鈣指數(shù)(Na2O+K2O-CaO)以及鋁飽和指數(shù)(ASI)(Al/(Ca-1.67P+Na+K)(分子比)).根據(jù)這些參數(shù)以及ANK(Al/(Na+K)(分子比)),本文所討論的巖石幾乎都屬于鎂質(zhì)、堿鈣性-堿性及準鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì)的花崗巖(圖4(a)～(c)),其中高Sr/Y花崗巖的堿鈣指數(shù)相對較低,相似于與加厚地殼拆沉有關(guān)的堿鈣性巖體成分,而晚階段花崗巖具有較高的堿鈣指數(shù),部分巖石可歸入堿性類型中.從早到晚,巖石的Fe數(shù)增大,堿性增強,表明巖石向A-型花崗巖方向演化.在硅-鉀圖中,高Sr/Y花崗巖顯示了高鉀鈣堿性特征,而晚階段花崗巖更為富鉀,既有高鉀鈣堿性巖石,也有部分屬于鉀玄巖系列的巖石(圖4(d)).高Sr/Y花崗巖的LREE/HREE比值范圍大,但大離子親石元素(LILE)對高場強元素(HFSE)的比值(例如,Rb/Nb)比較小((La/Yb)。=10～50,Rb/Nb=7～13),而晚階段花崗巖的LREE/HREE比值范圍較小,但LILE/HFSE比值比較大((La/Yb)n=10～20,Rb/Nb=5～31)原始地幔標準化的不相容元素圖(圖5)表明,所有巖石都具有明顯負Nb異常,而高Sr/Y花崗巖還具有明顯的HREE和Y負異常,這后一特點是埃達克巖的典型特征.Nb負異常是現(xiàn)代陸弧巖漿中常見的現(xiàn)象,也可以由古老地殼巖石混染產(chǎn)生,而地殼混染會產(chǎn)生低的εNd(t)值.與新生代埃達克巖和太古代TTG巖石相比,高Sr/Y花崗巖Rb,Ba及K和Nb含量較高,而HREE和Y含量較低.與此不同,晚階段花崗巖具有明顯的Sr,Eu和Ti的負異常,但缺乏明顯的HREE和Y負異常.且除Ba和Sr外,其余組分的絕對豐度都比高Sr/Y花崗巖和典型的埃達克巖類高(圖5).兩類花崗巖有中等到較高的87Sr/86Sr初始比值(0.7073～0.7149),中等到低的εNd(t)值(-14～-23),并給出了古元古代的虧損地幔Nd模式年齡(1.8～2.3Ga)(表3),表明它們與地殼混染或古老的地殼源區(qū)有著成因聯(lián)系,圖4顯示的大別山花崗巖類與秘魯科迪勒拉Blanca巖基的成分差異,似乎也反映了它們在成因上的差別.4地殼內(nèi)部構(gòu)造成分和構(gòu)造演化包括大別山在內(nèi)的中國東部高Sr/Y花崗巖類,在成分上既有與典型埃達克巖的相似之處,又存在一定差別.與俯沖板片熔融而成的埃達克巖相比,這些中生代的花崗巖類相對富鉀,且εNd(t)值較低,初始87Sr/86Sr較高,又產(chǎn)自與俯沖無關(guān)的大陸環(huán)境,因而一般認為這些巖石的形成與加厚地殼底部的基性巖石部分熔融有關(guān),或聯(lián)系到幔源巖漿分離結(jié)晶過程中的同化混染作用(即AFC).在,Sr/Y-Y和Sr-(Na2O+CaO)圖解中,大別山高Sr/Y花崗巖顯示了埃達克質(zhì)巖石的成分特征(圖6),它們虧損HREE和Y以及缺少明顯的負Sr和Eu異常等特點(圖5),表明巖漿在深部曾與含石榴石和角閃石的固相相平衡,但固相中缺少斜長石.這種固相要么是殼內(nèi)熔融留下的殘余體,要么是幔源巖漿產(chǎn)生的堆積巖.相反,晚階段花崗巖類則具有較高的Y和HREE豐度,負Sr,Eu和Ti異常明顯,顯示了正常鈣堿性花崗巖類巖石的特征(圖5),反映了巖漿曾在較淺的部位與斜長石和磁鐵礦或角閃石處于平衡,其固相殘余或分異物中缺乏明顯的含石榴石的組合.從圖6(b)可見,高Sr/Y花崗巖的成分大都分布于實驗確定的缺少斜長石殘余Plg-的熔體成分域以上,而不少具負Sr和Eu異常的晚階段花崗巖則接近于有斜長石殘余存在Plg+時實驗熔體的成分.這些資料表明,大別造山帶進入碰撞后階段以后,從早白堊世開始,花崗質(zhì)巖漿房或巖漿源區(qū)明顯變淺.盡管目前對中國東部高Sr/Y花崗巖所反映的地殼加厚的幅度以及是否存在“中國東部高原”還有大的爭論,但本文中所涉及的兩類巖石的地球化學演化所反映的從早到晚巖漿源區(qū)變淺的現(xiàn)象,應(yīng)作為地殼發(fā)生伸展和減薄的標志.有關(guān)大別山及鄰區(qū)中生代造山作用結(jié)束以及伸展作用開始的時間,存在明顯不同的看法,提出的時間介于210～100Ma之間.本文獲得的劉家洼花崗巖的鋯石U-Pb年齡為135.4±2.7Ma,分流鋪花崗巖角閃石坪年齡為139.0±1.0Ma,僅比文獻中報道的大別山晚中生代輝石巖-輝長巖的鋯石U-Pb年齡(123～130Ma)稍老.Tsai等研究表明,這些鐵鎂質(zhì)侵入巖,是在地殼減薄過程中與區(qū)域性巖漿底侵有關(guān)的伸展作用的產(chǎn)物.例如,在圖7中,北大別的椒子巖輝長巖體就顯示了板內(nèi)巖石的成分特點.于是,比這些鐵鎂質(zhì)巖漿作用稍早的高Sr/Y花崗巖的形成,就應(yīng)當是從擠壓向伸展轉(zhuǎn)換的標志,而與鐵鎂質(zhì)侵入巖形成時代相近的高鉀鈣堿性系列和鉀玄巖系列的具負Sr和Eu異常的晚期花崗巖(表3),也應(yīng)當具有與伸展作用相關(guān)的地球化學印跡,這一假設(shè)得到了圖7的支持.該圖表明,這些高鉀質(zhì)晚階段花崗巖確具有向板內(nèi)火成巖成分區(qū)演化的趨勢.因此,從高Sr/Y花崗巖到晚階段花崗巖的成分變化,反映了構(gòu)造體制從造山收縮向伸展的轉(zhuǎn)換.值得注意的是,大別山花崗質(zhì)片麻巖具有與中生代花崗巖相似的地球化學特征(圖7).這種特點,或反映了大別雜巖在中生代巖漿作用過程中的再造,或反映了來自大別雜巖的地殼組分對中生代花崗巖漿作用的貢獻,與二者具相似的Nd同位素比值相一致.地殼伸展和減薄與地殼巖石熔融和流動、深埋巖石的快速剝露以及隨后的快速冷凝之間是互為因果的大量的研究表明,加厚地殼的部分熔融以及不同層次的巖漿產(chǎn)生,會引起地殼尺度內(nèi)新的流變學分層,導(dǎo)致地殼出現(xiàn)強烈的力學弱化,使地殼和已經(jīng)俯沖的巖石圈脫耦,加速地殼伸展和去根減薄;而伸展作用的開始會引起與地殼減薄相關(guān)的熱流的顯著增強,并通常表現(xiàn)為地殼熔融、混合巖化和花崗巖侵入.因此,可以把加厚地殼內(nèi)熔融作用開始的時間看作是伸展開始的時間。在大別山地區(qū),對片麻巖和混合巖進行的鋯石U-Pb年齡測定表明,130～120Ma是巖漿作用和混合巖化變質(zhì)作用最為強烈的一個時期,Ma等的研究也已證明,130Ma后的負Sr和Eu異常的晚期花崗巖系大別雜巖降壓熔融產(chǎn)物.其他學者的研究同樣證明,在同碰撞/碰撞后環(huán)境的鉀玄巖系列的巖漿,由地殼根/