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板內(nèi)造山作用的古地理演化

隨著大陸動(dòng)力學(xué)研究(田迪霍和霍德,1998)的不斷深入和對(duì)民防的預(yù)測(cè)(例如,波wman等人,1990)的要求,近年來,板內(nèi)變形和造山作用引起了人們的注意(田杜和霍德,1998;standord,2002;hadandstandord,1999;smith,2003;鄧金福等,1996;羅照華等,1997年;張長厚,1999年;魯洛等人,1999年;chen等人,1998;dick森,2003,2004;趙越等人,2004)。然而,受板塊構(gòu)造理論發(fā)展初期一些設(shè)想和傳統(tǒng)造山帶研究方法的影響,板內(nèi)變形和造山作用的解釋依然與板塊邊緣緊密聯(lián)系在一起(如Coblentzetal.,1995)。例如,由于天山新生代板內(nèi)造山帶總體上與印度-亞洲大陸碰撞帶邊界平行,習(xí)慣上將板內(nèi)造山作用歸咎于印度-亞洲大陸碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)(Dickerson,2003,2004;羅照華等,2003;舒良樹等,2004;Sobeletal.,2006;DeGraveetal.,2007),甚至更遠(yuǎn)處的阿爾泰新生代板內(nèi)造山作用也被認(rèn)為與印度-亞洲大陸碰撞有關(guān)(Cunningham,2005)。在中國東部,這種簡(jiǎn)單的聯(lián)系也被用于解釋太行山板內(nèi)造山帶(羅照華等,1999a)、燕山造山帶(鄧晉福等,1996)和魯東造山帶(孫豐月,1994)的成因,認(rèn)為它們的形成間接或直接與古太平洋板塊的俯沖作用有關(guān)。這使我們不得不思考一個(gè)問題,大陸碰撞和板塊俯沖的應(yīng)力到底能夠傳遞多遠(yuǎn)?如果承認(rèn)板內(nèi)變形或造山作用與板塊邊緣的匯聚有關(guān),結(jié)果就應(yīng)當(dāng)是:1)板內(nèi)變形帶(造山帶)的延伸方向大致與匯聚板塊邊界平行;2)從板塊邊緣到板塊內(nèi)部,變形(造山)時(shí)間由老到新。然而,有些板內(nèi)造山帶很難與匯聚板塊邊緣聯(lián)系起來。例如,龍門山新生代造山帶不平行于印度-亞洲大陸碰撞帶,太行山造山帶與燕山造山帶同時(shí)代、同性質(zhì),但其展布方向截然不同。由此產(chǎn)生的另一個(gè)問題是,板內(nèi)變形和造山作用是否還可以有其它的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。本文提出了另一種解釋,認(rèn)為板內(nèi)造山作用與板塊邊緣沒有直接聯(lián)系,大陸板塊的巖石圈不均一性和地幔匯聚是板內(nèi)變形和造山作用的直接誘因??梢?板內(nèi)造山作用與板緣造山作用的機(jī)制絕然不同。此外,傳統(tǒng)上造山帶被認(rèn)為是地球內(nèi)部物質(zhì)與能量輸出的窗口,大量?jī)?nèi)生金屬礦床的形成都與造山過程有關(guān)。如果板內(nèi)造山作用成立,也應(yīng)當(dāng)具有相應(yīng)的成礦作用。為了說明上述三個(gè)問題,本文以青藏高原的形成演化為例檢驗(yàn)板緣構(gòu)造力的遠(yuǎn)程效應(yīng),以托云火山巖的成因解釋巖石圈不穩(wěn)定性的影響。在此基礎(chǔ)上,闡述板內(nèi)造山作用的機(jī)制,進(jìn)而探討板內(nèi)造山作用與成礦作用的可能聯(lián)系。1藏北高原巖石圈巖漿活動(dòng)的時(shí)空分布青藏高原是世界上最大、最高、最新的高原,其形成演化被歸咎為印度-亞洲大陸碰撞(如Tapponnieretal.2001),并對(duì)鄰區(qū)的構(gòu)造演化具有決定性的控制作用(Molnaretal.,1975;Yinetal.,2000;羅照華等,2003,2004,2006a),甚至遙遠(yuǎn)的貝加爾裂谷系的成因也被歸咎于印度-亞洲大陸碰撞(如MolnarandTapponnier,1975;Ionov,2002)。然而,印度-亞洲大陸碰撞的應(yīng)力是否真的能夠遠(yuǎn)傳天山甚至導(dǎo)致阿爾泰山的新生代板內(nèi)造山作用,至今仍然沒有確切的證據(jù)。例如,根據(jù)現(xiàn)代GPS觀測(cè)結(jié)果,Abdrakhmatovetal.(1996)認(rèn)為天山現(xiàn)今地殼的總縮短速率大約為20mm/a,近似于印度-歐亞大陸間匯聚速率(≈50mm/a,Johnson,2002)的一半。并據(jù)此推測(cè),天山的變形大部分是在過去1OMa期間發(fā)生的,可能是對(duì)青藏高原突然隆升造成水平應(yīng)力增加的響應(yīng)。但是,同樣是依據(jù)GPS測(cè)量結(jié)果,張培震等(2002)則認(rèn)為平行于印度-亞洲碰撞方向上的地殼縮短量約為38mm/a,而高原周邊主要斷裂帶的滑動(dòng)速率均在10mm/a以下,大約90%的印度-亞洲相對(duì)運(yùn)動(dòng)量被青藏高原的地殼縮短所吸收。可見,天山新生代巖石圈縮短是一個(gè)基本事實(shí),但這種縮短未必與印度-亞洲大陸碰撞直接相關(guān)。為了澄清印度-亞洲大陸碰撞對(duì)天山的影響,必須理解青藏高原的形成演化。為了說明印度-亞洲大陸碰撞對(duì)青藏高原形成演化的影響,Tapponnieretal.(2001)甚至提出了一個(gè)青藏高原從南向北階段性生長的動(dòng)力學(xué)模型。按照這個(gè)模型,印度亞洲大陸碰撞最初只影響到岡底斯帶,然后擴(kuò)展到藏北高原及其以北地區(qū)(從南到北依次形成始新世高原、漸新世—中新世高原和上新世—第四紀(jì)高原)。這似乎與前面推測(cè)的變形時(shí)間極性是一致的,理論上,青藏高原新生代巖漿活動(dòng)也應(yīng)當(dāng)按照這樣的順序由南向北發(fā)展。然而,青藏高原新生代火成巖展現(xiàn)出三種分布類型:與碰撞帶平行的火成巖帶、與大型走滑斷裂有關(guān)的火成巖帶和彌散型火成巖分布區(qū),這意味著直接控制巖漿活動(dòng)的三種構(gòu)造體制:碰撞體制、走滑體制和拆沉體制(羅照華等,2006a)。藏北高原新生代巖漿活動(dòng)隨時(shí)間大致呈放射狀遷移(羅照華等,2004,2006a)的最好解釋是巖石圈分塊拆沉作用,Tapponnieretal.(2001)的動(dòng)力學(xué)模型顯然不能解釋這樣的巖漿活動(dòng)時(shí)空分布。此外,早在印度-亞洲大陸碰撞之前,阿爾金山(楊經(jīng)綏等,2001)、賀蘭山(王鋒等,2005)、西準(zhǔn)噶爾(朱永鋒等,2007,個(gè)人通訊)等地就已經(jīng)發(fā)生有構(gòu)造巖漿活動(dòng)。上述證據(jù)表明,大陸碰撞至少不是青藏高原及其周邊地區(qū)所有構(gòu)造巖漿活動(dòng)的觸發(fā)機(jī)制。這說明碰撞構(gòu)造所能影響的范圍十分有限,甚至藏北高原的新生代巖漿活動(dòng)也主要受其自身巖石圈-軟流圈動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)控制,更遑論更遠(yuǎn)的天山及其以北地區(qū)。實(shí)際上,藏北高原巖石圈拆沉作用發(fā)生以后巖石圈力學(xué)性質(zhì)將被大大弱化(Thompsonetal.,2001),如果說巖石圈拆沉之前大陸碰撞的應(yīng)力還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳遞的話,拆沉之后將主要被青藏高原的變形所吸收,就像喜馬拉雅山的崛起一樣(Bird,1978)。為此,我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)回歸板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的基本驅(qū)動(dòng)機(jī)制,即地幔對(duì)流驅(qū)動(dòng)巖石圈板塊相對(duì)(匯聚邊緣)或相背(離散邊緣)運(yùn)動(dòng)是青藏高原形成演化及其以北地區(qū)板內(nèi)變形的一種更好的解釋。按照這種解釋,大陸碰撞、巖石圈拆沉和大型走滑運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力都是源于地幔的匯聚(圖1),三種運(yùn)動(dòng)形式之間不存在派生關(guān)系(羅照華等,2006a)。同位素地球化學(xué)研究為這種解釋提供了有力的證據(jù)。Floweretal.(1998,2001)發(fā)現(xiàn)Izo-Bonin-Mariana弧以東的火成巖具有太平洋域的同位素特征,以西的火成巖則表現(xiàn)為親印度洋域的同位素特征,因而提出地幔擠出構(gòu)造的觀點(diǎn)。根據(jù)這種觀點(diǎn),青藏高原的地殼向東流動(dòng)應(yīng)當(dāng)主要是地幔擠出的結(jié)果,而不是源于大陸碰撞。對(duì)于淺部構(gòu)造來說,這種解釋與Tapponnieretal.(1982)的擠出構(gòu)造沒有明顯的區(qū)別,但是揭示了青藏高原形成演化的深層原因,并可以更有效地解釋龍門山、哀牢山和南中國海的動(dòng)力學(xué)背景(羅照華等,2006a)。地球化學(xué)證據(jù)也顯示發(fā)生了巖石圈和軟流圈之間的拆耦,軟流圈具有比巖石圈更大的運(yùn)動(dòng)速度,這通常會(huì)造成界面附近的剪切變形。這樣,軟流圈的運(yùn)動(dòng)就有可能單獨(dú)造成遠(yuǎn)離碰撞帶的巖石圈的擠壓或伸展,而不需要連續(xù)的巖石圈傳遞介質(zhì)。當(dāng)大陸板塊內(nèi)部不同變形域之間具有不同的應(yīng)力場(chǎng)特征時(shí),這樣的解釋應(yīng)當(dāng)更適用。將這種解釋應(yīng)用于更廣泛區(qū)域的構(gòu)造演化,可以設(shè)想大陸是由許多不同性質(zhì)的塊體拼合而成的不均一板塊(圖2),這些塊體的結(jié)合帶都還有進(jìn)一步接受變形改造的潛力。在地幔匯聚過程中,不僅板塊邊緣發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造變形,不同塊體之間也可以發(fā)生相互作用,如走滑、旋轉(zhuǎn)、逆沖、褶皺等等。由此可以得出結(jié)論,天山及其以北地區(qū)的新生代板內(nèi)變形可能主要受控于地幔對(duì)流和自身的巖石圈不穩(wěn)定性,而與印度-亞洲大陸碰撞構(gòu)造沒有直接關(guān)系。2托云火山巖形成時(shí)代地質(zhì)意義西南天山發(fā)育有新生代幔源巖漿活動(dòng),其中托云盆地被作為是天山地區(qū)最有代表性的火山活動(dòng)發(fā)育區(qū),近年來引起了國內(nèi)外的廣泛注意(韓寶福等,1998;Sobeletal.,2000;王彥斌等,2000;鄭建平等,2001;徐學(xué)義等,2003;梁濤等,2005;季建清等,2006)。但是,長期以來,對(duì)托云盆地火山巖的形成時(shí)代存在巨大的爭(zhēng)議(梁濤等,2005)。早期關(guān)于托云火山巖的形成時(shí)代主要是從地層學(xué)的角度進(jìn)行了論證,將位于介殼灰?guī)r(含瓣鰓:Gryphaeasp.,等)巖層之上的火山巖劃歸漸新世,含化石層位下部的火山巖則被認(rèn)為形成于古新世(新疆維吾爾自治區(qū)地層表編寫組,1981)。近年來,對(duì)托云火山巖的同位素年代學(xué)研究取得了一系列K-Ar法和Ar-Ar法測(cè)年結(jié)果(韓寶福等,1998;Sobeletal.,2000;王彥斌等,2000;季建清等,2006),這些年齡相對(duì)集中在120~110Ma和67~36Ma兩個(gè)年齡段內(nèi)。據(jù)此,托云火山巖被分別歸屬為早白堊世和古近紀(jì),習(xí)慣上分別稱為下玄武巖和上玄武巖(Sobeletal.,2000;王彥斌等,2000)。詳細(xì)的野外觀察表明,所謂的下玄武巖實(shí)際上是侵入于中、下侏羅統(tǒng)的巖席(梁濤等,2005),因而上述120~110Ma的測(cè)年結(jié)果具有不確定的地質(zhì)含義。對(duì)火山巖形成時(shí)代的爭(zhēng)議削弱了巖漿活動(dòng)在區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)研究中的地位。因此,查明托云盆地火山巖的形成時(shí)代具有重要的地質(zhì)意義。為此,對(duì)托云盆地代表性火山巖進(jìn)行了高精度鋯石U-Pb年代學(xué)工作,獲得了≈48Ma的火山巖成巖年齡(梁濤等,2007)。有意義的是,除了約48Ma的鋯石巨晶形成年齡(玄武巖形成年齡)外,測(cè)試過程中還獲得了大量鋯石捕虜晶年齡(圖3)。多數(shù)鋯石顆粒的SHRIMP測(cè)試結(jié)果相對(duì)集中分布在2.5Ga、2.2Ga、2.1Ga和440Ma四個(gè)年齡值附近,其余則零散分布。這些測(cè)年數(shù)據(jù)反映出天山經(jīng)歷過的幾乎所有構(gòu)造巖漿事件,如380~490Ma的天山早古生代花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)(韓寶福等,2004;朱永峰等,2006),也反映了塔里木地塊經(jīng)歷過的前寒武紀(jì)多期變質(zhì)改造事件(胡靄琴等,1999;2001;2006;郭召杰等2003),以及晚古生代的一系列地質(zhì)事件(肖序常等,1992;熊小林等,2001;Zhuetal.,2006;趙振華等,2003;鄭建平等,2005;張傳恒等,2006)。測(cè)年結(jié)果不僅反映了天山造山帶的多旋回演化歷史,而且暗示塔里木地塊卷入了天山古生代造山作用(梁濤等,2007)。這表明造山帶巖石圈具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),與穩(wěn)定克拉通地區(qū)明顯不同。例如,昌(樂)-沂(水)火山群玄武巖中的鋯石U-Pb年齡譜比較集中,SHRIMP測(cè)年結(jié)果只有在2.5Ga左右(羅照華等,待發(fā)表資料)。通常,非寄主巖漿結(jié)晶的鋯石稱為繼承鋯石(源區(qū)巖石部分熔融的鋯石殘留)或鋯石捕虜晶(巖漿上升過程中或定位后從圍巖捕獲的鋯石)。由于玄武質(zhì)巖漿被公認(rèn)為起源于上地幔,鋯石年齡譜又可以較好地與區(qū)域地質(zhì)事件相對(duì)應(yīng),上述鋯石寬年齡譜應(yīng)當(dāng)反映了天山造山帶的復(fù)雜地殼演化歷史。但是,這并不意味著鋯石是玄武質(zhì)巖漿上升過程中從地殼捕獲的,而是暗示了一次重要的巖石圈拆沉作用事件。托云玄武巖中含有大量幔源橄欖巖包體和高壓巨晶(韓寶福等,1998;羅照華等,2003),表明巖漿具有快速定位的特點(diǎn)。一般而言,巖漿中晶體生長速率為≈10-10~10-11cm/s,而分異作用的速率要慢得多,在高硅巖漿中甚至需要105年(Hawkesworthetal.,2004)。在這么長的時(shí)間范圍內(nèi),巖漿有可能同化圍巖從而捕獲通道兩側(cè)巖石中的鋯石。但是,一方面巖石中鋯石的含量很低,另一方面發(fā)生同化作用時(shí)低熔組分將優(yōu)先進(jìn)入熔漿,玄武質(zhì)巖漿在上升過程中必須同化大量圍巖才能獲得這些鋯石。然而,這將大大改變巖漿的成分,并導(dǎo)致巖漿溫度快速下降和大規(guī)模結(jié)晶(分離),大部分幔源巖漿將在地殼內(nèi)固結(jié)而不會(huì)噴出地表。托云火山巖以低SiO2為特征,成分變化范圍不大(Sobeletal.,2000;王彥斌等,2000;徐學(xué)義等,2003;羅照華等,2003;季建清等,2006),沒有同化大量地殼組分和分離結(jié)晶作用的證據(jù)(羅照華等,2003)。此外,根據(jù)呂勇軍等(2006),單斜輝石巨晶和斑晶的結(jié)晶路線大致與玄武巖的液相線一致,巖石中未見橄欖石巨晶,表明玄武質(zhì)巖漿在上升的過程中不大可能作長時(shí)間的停留,因而不具有同化大量圍巖的能力。作為一種可供選擇的解釋,巖石圈拆沉作用可能是重要的。當(dāng)拆沉進(jìn)入軟流圈中的下地殼發(fā)生分解時(shí),有幾個(gè)有利于產(chǎn)生巖漿的位置(羅照華等,2006b),取決于拆沉作用的規(guī)模。在這種構(gòu)造體制下,更有可能使巖漿中捕獲大量殼源鋯石。但是,拆沉下地殼的分解有可能產(chǎn)生中酸性巖漿,太行山南段含幔源橄欖巖包體的閃長質(zhì)巖石可能就是這樣形成的(羅照華等,1999a)。然而,如果巖石圈與軟流圈拆耦,或者說軟流圈發(fā)生了較大距離的水平運(yùn)動(dòng),這部分中酸性巖漿也許會(huì)偏移發(fā)生拆沉作用的位置(軟流圈窗),但會(huì)對(duì)軟流圈造成混染。這大概就是所謂的大陸OIB型火山巖地球化學(xué)特征(Sobeletal.,2000;王彥斌等,2000)的深層原因。這就是說,天山造山帶的活化主要取決于其自身的巖石圈不穩(wěn)定性,而不是印度-亞洲大陸碰撞,也不是軟流圈主動(dòng)上涌(Sobeletal.,2000;王彥斌等,2000),屬于板內(nèi)造山作用。3大陸巖石圈構(gòu)造作用的構(gòu)造古造山帶板內(nèi)造山作用是大地構(gòu)造學(xué)和大陸動(dòng)力學(xué)面臨的一個(gè)新課題,自從宋鴻林(1990,未發(fā)表資料)提出板內(nèi)造山作用的概念以來,與板內(nèi)造山作用有關(guān)的地質(zhì)現(xiàn)象不斷得到揭示(羅照華等,1996,2006b,c;張長厚,1999),并已開始反演整個(gè)造山過程(羅照華等,1997,1999a,b)。但是,板內(nèi)造山作用的機(jī)制至今沒有得到系統(tǒng)的闡述,有些學(xué)者至今反對(duì)這一科學(xué)命題。因此,有關(guān)板內(nèi)造山作用的問題首先需要闡明確實(shí)發(fā)生了造山作用,并揭示與板緣構(gòu)造力沒有直接關(guān)系的造山機(jī)制和構(gòu)造樣式。造山作用本質(zhì)上就是正常厚度地殼向造山型增厚地殼轉(zhuǎn)變的過程,造山帶的論證就轉(zhuǎn)換成了是否可以識(shí)別出有別于穩(wěn)定區(qū)的增厚地殼及其形成時(shí)間。以西南天山為例,其地殼厚度可達(dá)≈70km(Vinniketal.,2004),比相鄰塔里木盆地的地殼厚度(≈45km,劉訓(xùn)等,2006)增厚約25km,上面已經(jīng)論證天山的新生代構(gòu)造變形與印度-亞洲大陸碰撞沒有直接關(guān)系,因而應(yīng)當(dāng)歸屬為板內(nèi)造山帶。地殼增厚的可能機(jī)制有擠壓縮短(張長厚,1999)、地殼疊置(Dingetal.,2003)、下地殼流動(dòng)(Yinetal.,2000)、幔源巖漿注入(Moetal.,2006;羅照華等,2003,2004,2006a)等,或者是這些過程的聯(lián)合。中國大陸是全球板內(nèi)造山作用最顯著的地區(qū)之一,如燕山-陰山造山帶、五臺(tái)山-太行山-中條山造山帶、龍門山造山帶、天山造山帶、阿爾泰造山帶等,幾乎包括所有復(fù)活了的古造山帶。這樣的分布特征讓我們想起了黃汲清(1952)創(chuàng)立的多旋回構(gòu)造學(xué)說和Fyfeetal.(1973)對(duì)大西洋打開的解釋,以及關(guān)于開合構(gòu)造的研究(姜春發(fā),1994)。結(jié)合西南天山托云火山巖中復(fù)雜的年齡譜特征(梁濤等,2007)及其與克拉通地區(qū)火山巖中簡(jiǎn)單鋯石年齡譜特征(羅照華等,未發(fā)表資料)對(duì)比,古造山帶的復(fù)活可能與其巖石圈結(jié)構(gòu)由造山帶型向克拉通型的轉(zhuǎn)化有關(guān)。因此,如果說板緣造山作用的地殼增厚機(jī)制是地幔匯聚驅(qū)動(dòng)的巖石圈板塊相互作用,涉及到大陸的側(cè)向增生、垂向增生和/或大陸碰撞,那么板內(nèi)造山作用則主要涉及巖石圈不穩(wěn)定性及巖石圈-軟流圈相互作用。大陸巖石圈是地球長期演化的結(jié)果,由不同時(shí)代、不同性質(zhì)的塊體拼合而成(圖2),這是大陸巖石圈與大洋巖石圈的根本區(qū)別。大陸巖石圈結(jié)構(gòu)的研究表明,古造山帶一般具有四層結(jié)構(gòu)而不是像穩(wěn)定區(qū)那樣的三層結(jié)構(gòu)(鄧晉福等,1995;Gaoetal.,1998),意味著地質(zhì)歷史時(shí)期各種塊體反復(fù)拼合而成的大陸板塊具有復(fù)雜的巖石圈不均一性。在統(tǒng)一的地幔對(duì)流體制作用下,這種不均一性將導(dǎo)致大陸板塊各組成單元具有不同的響應(yīng)。例如,一種被稱為邊際驅(qū)動(dòng)對(duì)流(Edge-drivenconvection)的機(jī)制認(rèn)為,巖石圈厚度不連續(xù)可能導(dǎo)致小尺度的邊際地幔對(duì)流,產(chǎn)生20mm/a量級(jí)的地幔流動(dòng)速度(Kingetal.,1998)。這種小尺度對(duì)流必然導(dǎo)致巖石圈塊體結(jié)合帶的熱結(jié)構(gòu)有別于塊體內(nèi)部,使得巖石圈力學(xué)性質(zhì)弱化。在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中,巖石圈塊體結(jié)合帶將更容易發(fā)生變形。另一方面,造山帶廣泛出露的巖漿混合成因花崗巖揭示了巨量幔源基性巖漿的底侵作用。例如,在太行山和燕山板內(nèi)造山帶,大量花崗質(zhì)巖石的成因被認(rèn)為與底侵幔源巖漿和殼源巖漿的混合作用有關(guān)(羅照華等,1999;Suetal.,2007;覃鋒等,2006),巖漿活動(dòng)的峰期介于140~120Ma之間(羅照華等,1996)。漢諾壩玄武巖中基性麻粒巖包體的形成年齡也介于同樣的變化范圍(樊祺誠等,2001a,b),形成深度約40km,被認(rèn)為是幔源巖漿底侵作用的有力證據(jù)。來自這兩方面的證據(jù)一方面說明140~120Ma間確實(shí)發(fā)生了幔源巖漿底侵作用,另一方面說明底侵的幔源巖漿導(dǎo)致了大規(guī)模的花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)?;詭r漿的一個(gè)重要性質(zhì)是固結(jié)后可以轉(zhuǎn)變成密度高于地幔橄欖巖的榴輝巖。如果底侵巖漿和造山帶地殼流動(dòng)過程中向下地殼聚集的基性巖塊的體積足夠大,它們轉(zhuǎn)變成榴輝巖后就有可能導(dǎo)致明顯的重力不穩(wěn)定性,從而引發(fā)巖石圈拆沉作用和軟流圈地幔的被動(dòng)上涌(羅照華等,2007a),從而觸發(fā)新的構(gòu)造巖漿熱事件。假如軟流圈上涌的規(guī)模足夠大,有可能導(dǎo)致新的大規(guī)模幔源巖漿底侵作用事件和殼源巖漿活動(dòng),因而使地殼體積增大,巖石圈厚度增加,并因地殼的浮力而發(fā)生區(qū)域隆升。來自三方面的證據(jù)顯示太行山-燕山地區(qū)中生代時(shí)期的確發(fā)生過板內(nèi)造山作用:(1)根據(jù)同位素冷卻年齡的估算,太行山曾經(jīng)發(fā)生過巨大的隆升(羅照華等,1996);(2)華北東部下地殼組成以英云閃長質(zhì)為主,很少鎂鐵質(zhì)組分(Gaoetal.,1998),后者的厚度不能滿足觸發(fā)大規(guī)模殼源巖漿活動(dòng)所需要的熱能,必然有相當(dāng)一部分榴輝巖相鎂鐵質(zhì)巖石因巖石圈拆沉作用而消失;(3)造山后脈巖組合的形成要求發(fā)生過巖石圈拆沉作用(羅照華等,2006b)。這種完全由于軟流圈上涌觸發(fā)的造山作用有別于板緣造山作用的機(jī)制,因而被命名為太行山式造山作用(羅照華等,1999a,b;2006c)。可見,板內(nèi)造山作用的特征是以巖石圈拆沉作用開始,以地殼的垂向增生為特征,最后以巖石圈拆沉作用結(jié)束或形成重力不穩(wěn)定巖石圈。這大概就是為什么新的造山過程受古造山帶控制的原因,由此可以加深對(duì)板內(nèi)構(gòu)造變形的理解。值得指出的是,一部分學(xué)者堅(jiān)信巖石圈拆沉→軟流圈上涌→幔源巖漿底侵→區(qū)域伸展的構(gòu)造模式(Bird,1979),忽略巖石圈拆沉作用可以導(dǎo)致更強(qiáng)烈的擠壓變形(Bird,1978)。正如Kingetal.(1998)指出的那樣,小尺度的對(duì)流強(qiáng)烈依賴于大尺度的地幔熱結(jié)構(gòu)。如果巖石圈拆沉作用發(fā)生在地幔匯聚體制下(圖4a),將迎來更強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓(Bird,1978),因?yàn)闊岫浀膸r石圈更有利于變形增厚(Thompsonetal.,2001);如果大尺度地幔對(duì)流體制是伸展,巖石圈拆沉以后緊接著區(qū)域伸展(圖4b);如果區(qū)域內(nèi)地幔是單向流動(dòng)的,則巖石圈拆沉之后可能發(fā)生較弱的構(gòu)造擠壓,形成斷塊造山(圖4c)。因此,從地球動(dòng)力學(xué)的角度來說,可以將巖石圈-軟流圈構(gòu)造體制劃分為深部體制和淺部體制,兩個(gè)體制的耦合或拆耦決定了巖石圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(羅照華等,2006c)。巖石圈的拆沉還會(huì)導(dǎo)致軟流圈淺部被混染,這時(shí),起源于軟流圈的巖漿也可以帶有巖石圈的地球化學(xué)印記,直到落入軟流圈中的巖石圈混染物消耗干凈為止。從這個(gè)角度來說,地球化學(xué)示蹤結(jié)果的解釋應(yīng)當(dāng)小心謹(jǐn)慎。另一個(gè)問題是這樣的機(jī)制似乎應(yīng)當(dāng)像永動(dòng)機(jī)那樣反復(fù)不停地進(jìn)行。的確,深部過程→幔源巖漿活動(dòng)→殼源巖漿活動(dòng)→地殼增厚→區(qū)域隆升(構(gòu)造變形)→風(fēng)化剝蝕→沉積物堆積這樣一個(gè)地球動(dòng)力學(xué)事件鏈(羅照華等,2006d)應(yīng)當(dāng)會(huì)反復(fù)進(jìn)行,這可能正是多旋回構(gòu)造學(xué)說的深層原因。但是,地質(zhì)事件發(fā)生的頻率取決于深部過程的規(guī)模和速率。如果規(guī)模較大,這樣的一個(gè)事件鏈大致相當(dāng)于造山旋回的一個(gè)階段;如果規(guī)模較小,造成的巖石圈不穩(wěn)定性有可能維持相當(dāng)長的時(shí)間。例如,太行山的中生代造山作用可能是元古代造山帶活化的結(jié)果,其間隔時(shí)間相當(dāng)長,天山的新生代造山作用與古生代造山作用的時(shí)間間隔要小得多。因此,大陸巖石圈的克拉通化應(yīng)當(dāng)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,巖石圈通過一系列反復(fù)進(jìn)行的地質(zhì)過程之后逐漸走向穩(wěn)定。因此,所謂的板內(nèi)造山作用實(shí)際上是先存不成熟巖石圈對(duì)新的深部過程的相應(yīng)。當(dāng)古造山帶的延展方向與現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向垂直時(shí),這類板內(nèi)造山作用容易誤解為板緣匯聚力的遠(yuǎn)程效應(yīng)。但是,地幔匯聚也會(huì)導(dǎo)致軟流圈的橫向流動(dòng),這不僅會(huì)觸發(fā)巖石圈擠出構(gòu)造,而且導(dǎo)致與主壓應(yīng)力平行或斜交的板內(nèi)造山作用(如太行山和龍門山)。4板內(nèi)造山功能與成礦要闡明板內(nèi)造山作用與成礦作用的關(guān)系,進(jìn)而服務(wù)于區(qū)域找礦預(yù)測(cè),還必須清楚理解成礦作用的基本控制要素。4.1巖漿流體系統(tǒng)大量的地質(zhì)觀察表明,成礦作用的基本前提之一是大規(guī)模流體活動(dòng),因?yàn)閹缀跛袃?nèi)生金屬礦床的形成都伴隨著廣泛而強(qiáng)烈的圍巖蝕變。因此,成礦流體的來源、遷移方式和成礦元素堆積的場(chǎng)所與原因便成了成礦作用研究的焦點(diǎn)。理論上說,成礦流體有可能來自地球深部,也可能來自淺部和圍巖,甚至可能是對(duì)流循環(huán)的盆地流體。但是,實(shí)際工作中似乎很難識(shí)別流體的來源。由于流體系統(tǒng)的開放性和元素豐度隨溫度、壓力的巨大變化,一些在研究硅酸鹽系統(tǒng)時(shí)認(rèn)為有效的示蹤方法常常不能給出令人滿意的結(jié)果。為此,我們不得不從其它視角來探討成礦流體的來源問題。礦床學(xué)家通常傾向于成礦流體來自于巖漿和圍巖,因而了解硅酸鹽熔漿中流體的溶解度、從圍巖中萃取流體的機(jī)制以及流體中成礦元素的濃度是非常重要的。遺憾的是,地質(zhì)觀察和實(shí)驗(yàn)均表明,巖漿中流體的溶解度非常有限。例如,在100MPa條件下,花崗質(zhì)巖漿中可能只溶解有3.5%~4wt%H2O(Johannesetal.,1996)。增加壓力可以使巖漿中流體的含量升高,卻是以降低巖漿的上升能力為代價(jià),形成原地、半原地大型巖基。此外,造山帶成礦作用通常發(fā)生在巨量花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)之后,大型內(nèi)生礦床卻常常與小巖體有關(guān),后者常以快速侵位為特征(如斑巖銅礦)。因此,大規(guī)模成礦作用所要求的流體數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖漿體本身所能提供的流體數(shù)量。一部分學(xué)者堅(jiān)信位于小巖體之下的巖基曾經(jīng)是含礦流體的補(bǔ)給源,這種似乎有理的見解卻得不到巖相學(xué)得支持。例如,豫西泰山廟巖體的主體巖性為中粗粒黑云母花崗巖,按其結(jié)構(gòu)特征應(yīng)當(dāng)是共結(jié)巖漿結(jié)晶形成的,屬于相對(duì)低溫巖漿固結(jié)的產(chǎn)物。其北側(cè)與成礦有關(guān)的東溝巖體為花崗斑巖,含有高溫石英,屬于相對(duì)高溫巖漿快速定位固結(jié)的產(chǎn)物。因此,來自泰山廟巖漿體的含礦流體不能成為對(duì)東溝巖漿體的有效含礦流體供給。從圍巖中萃取流體的機(jī)制同樣是有爭(zhēng)議的,流體的最可能來源還是地球深部(羅照華等,2007b)。這就是說,地質(zhì)觀察中認(rèn)為來自巖漿的那些成礦流體實(shí)際上主要是來自深部的流體系統(tǒng),而不是巖漿本身,巖漿僅僅是含礦流體上升的通道。換句話說,透巖漿流體就是巖漿尚未固結(jié)前透過巖漿上升的深部流體,當(dāng)這種流體大規(guī)模活動(dòng)且含有較多成礦物質(zhì)時(shí),將導(dǎo)致大規(guī)模成礦作用。這就是透巖漿流體成礦作用的實(shí)質(zhì)。在這種成礦體制中,巖漿成為成礦流體上升通道的開拓者和避免流體與通道周圍巖石反應(yīng)的保護(hù)者,反過來,流體又是巖漿快速侵位的推動(dòng)者(羅照華等,2007b)。因此,與成礦作用有關(guān)的巖漿一般都具有快速侵位的特點(diǎn)。根據(jù)透巖漿流體成礦理論,成礦作用的規(guī)模取決于流體系統(tǒng)的大小、流體系統(tǒng)/巖漿系統(tǒng)體積比和成礦流體上升的速度。當(dāng)巖漿快速侵位并冷卻時(shí),深部流體不能或很少進(jìn)入巖漿(圖5中a),有可能在巖漿體冷卻收縮形成的接觸帶構(gòu)造裂隙中堆積成礦。如果巖漿上升速度與流體同步,含礦流體就有可能進(jìn)入巖漿體內(nèi)(圖5中b),既降低巖漿的密度使其得以快速上升,又可以尋求巖漿的保護(hù),使其成礦元素的濃度不會(huì)因?yàn)榱黧w與圍巖接觸而降低。巖漿到達(dá)地殼淺部后,成礦流體與硅酸鹽熔體發(fā)生分離,分別形成貧礦的熔體和富礦的流體。隨著溫度的下降,在寄主熔體固結(jié)成巖之后或固結(jié)過程中,成礦流體開始析出有用組分(成礦作用)。因此,所有的礦化作用都限于巖體內(nèi)部,如形成斑巖型礦床。如果成礦流體上升的速度稍快,他們就有可能從巖漿體中逃逸或逃逸一部分,在巖體頂部和圍巖中成礦(圖5中c)。成礦流體上升速度足夠快時(shí),它們可以完全穿透巖漿進(jìn)入圍巖或流體通道中,這時(shí)巖漿體僅僅是含礦流體繼續(xù)上升的驅(qū)動(dòng)熱源(圖5中d)。這樣,就形成了不同的成礦作用亞系統(tǒng)(圖5)。如果進(jìn)一步追蹤成礦物質(zhì)堆積后搬運(yùn)介質(zhì)的去向,透巖漿流體成礦系統(tǒng)中可能還可以增加一個(gè)可燃性礦產(chǎn)成礦亞系統(tǒng)(圖5中未表示)。圖5大致表述了透巖漿流體成礦理論的基本思想,底侵的幔源巖漿及位于殼幔邊界的流體被設(shè)想成是成礦流體的補(bǔ)給源,這與我們描述的岡底斯巖基帶中含銅暗色微粒包體的成礦作用極為類似(羅照華等,2007b)。因此,在這個(gè)實(shí)例中殼源花崗質(zhì)巖漿僅僅是成礦流體的通道,而不是它們的來源。4.2層間構(gòu)造拆離帶和深部流體實(shí)驗(yàn)表明,地質(zhì)流體中成礦元素的濃度強(qiáng)烈依賴于壓力,隨壓力急劇升高(Loucksetal.,1999)。這表明,(1)深部流體中成礦元素的濃度的確可以達(dá)到成礦的要求,(2)深部含礦流體必須以足夠快的速度上升才能導(dǎo)致淺部成礦。為此,地球深部是否存在大量流體、成礦流體賦存在什么地方以及它們上升參與成礦作用的條件成為問題的關(guān)鍵。由沉積巖向高級(jí)變質(zhì)巖轉(zhuǎn)變,涉及到一系列脫水反應(yīng)。這使我們相信,隨著深度的增加,地球內(nèi)部的流體豐度逐漸減小,火山巖中深源包體的研究和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究都可以證明這一點(diǎn)。然而最新研究卻表明,地幔的總含水量可以達(dá)到現(xiàn)今水圈的10%,甚至數(shù)倍于水圈(Richardetal.,2002)。對(duì)于深部地幔巖來說,除了含水礦物之外,名義無水礦物(如橄欖石)也被證明可以作為流體的寄主礦物(Richardetal.,2002)。那么,巖石圈是否也可以含有大量流體呢?大量的地震測(cè)深成果表明,巖石圈-軟流圈系統(tǒng)存在低速層,其物理性質(zhì)的各向異性暗示這些低速層也是層間構(gòu)造拆離帶(圖5)。如果承認(rèn)板塊構(gòu)造理論的基本假設(shè),即地幔對(duì)流驅(qū)動(dòng)巖石圈板塊運(yùn)動(dòng),當(dāng)相鄰的圈層運(yùn)動(dòng)速度不一致時(shí)就有可能產(chǎn)生層間構(gòu)造拆離帶。與其它部位相比,層間拆離帶具有更好的流體可滲透性,因而可能也是深部流體匯聚帶。電性結(jié)構(gòu)分析可以證實(shí)這一推論,因?yàn)檫@些低速層也是高導(dǎo)層,是富含深部流體的表征(Weietal.,2003;Unsworthetal.,2005)。這表明,巖石圈-軟流圈系統(tǒng)也含有大量的流體,它們主要賦存在不同深度水平的拆離帶中。對(duì)于板內(nèi)造山帶來說,由于其巖石圈的不成熟特點(diǎn),在后續(xù)演化過程中將可以釋放更多的流體。當(dāng)這些富流體層與地殼淺部連通時(shí),富含成礦組分的流體就有可能會(huì)上升富集成礦。因此,唯一的問題就是深部流體是如何快速上升侵位的,因?yàn)榱黧w中含礦組分的溶解度會(huì)隨壓力急劇降低。可以預(yù)見,深部流體向淺部運(yùn)移的過程伴隨著成礦物質(zhì)的丟失,或者丟失一部分從深部攜帶的組分,獲取另一些組分。特別是當(dāng)流體滲濾通過某種化學(xué)邊界層時(shí),其成礦組分有可能大量丟失。由此,流體成礦作用主要依賴于深部流體的快速釋放。這在一般情況下難于達(dá)到,最有效的方式是發(fā)生了巖石圈拆沉作用和/或巖漿的產(chǎn)生。巖石圈拆沉作用觸發(fā)的軟流圈上涌可以導(dǎo)致短暫的巖石圈伸展構(gòu)造,有利于深部流體的上升;拆沉作用也可以導(dǎo)致低固相線不成熟巖石圈物質(zhì)突然沉入軟流圈高溫環(huán)境中,有利于含水礦物的分解和部分熔融;拆沉作用還可以導(dǎo)致軟流圈被動(dòng)上涌并觸發(fā)地幔減壓熔融和地殼受熱熔融。由于含水體系比干體系具有更低的固相線溫度,拆沉作用發(fā)生時(shí)拆離帶將更容易發(fā)生部分熔融。一旦巖漿形成并向上運(yùn)移,被封存在拆離帶的深部含礦流體將隨之向上運(yùn)移,并推動(dòng)巖漿快速侵位。同時(shí),巖漿也可以“護(hù)送”成礦流體到地殼淺部(圖5)。由于拆沉作用是巖石圈不穩(wěn)定性由量變到質(zhì)變的過程,巖石圈拆沉作用表現(xiàn)為地質(zhì)時(shí)間尺度上的突變,或者稱為巖石圈災(zāi)變,因而有可能使深部流體快速上升成礦。華北東部中生代巖石圈拆沉作用與成礦作用大爆發(fā)的同時(shí)性的內(nèi)在原因正在于此,因而有巖石圈災(zāi)變伴隨著成礦大爆發(fā)的規(guī)律(鄧晉福等,1999)。此外,板內(nèi)造山階段地幔和地殼擠出構(gòu)造也可以導(dǎo)致含礦流體橫向遷移,在應(yīng)力釋放的部位或有合適混沌邊界層的部位聚集成礦,類似于藏東的新生代成礦作用。如果這種設(shè)想是正確的,與板內(nèi)造山作用有關(guān)的礦床應(yīng)當(dāng)發(fā)生在板內(nèi)造山帶的兩端。例如,與太行山板內(nèi)造山作用有關(guān)的成礦作用主要位于北段的來源一帶和南端的武安一帶。對(duì)于天山來說,東天山東段和西天山西段也應(yīng)當(dāng)是有利的成礦部位。由于我們掌握的成礦實(shí)例很少,在此不多作討論。總之,板內(nèi)造山作用應(yīng)當(dāng)伴隨著成礦作用,特別是對(duì)于巖石圈結(jié)構(gòu)不成熟的結(jié)合帶來說,將具

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