西藏改則蛇綠巖斜長花崗巖元素地球化學特征及其成因探討

西藏改則蛇綠巖斜長花崗巖元素地球化學特征及其成因探討

蛇綠巖是一個特殊的鎂-鐵巖，可以與大力巖圈進行比較。這是確定古板塊邊界的重要證據(jù)。依據(jù)成因構(gòu)造背景可將蛇綠巖分為兩類:一是形成于洋中脊的MOR型蛇綠巖;另一是形成于俯沖帶上的SSZ型蛇綠巖(Pearceetal.,1984;Pearce,2003)。蛇綠巖中可以含有少量的淺色侵入巖,包括鈉長花崗巖、石英閃長巖、更長花崗巖、英云閃長巖和角斑巖,統(tǒng)稱為大洋斜長花崗巖。大洋斜長花崗巖是一種SiO2含量高、Al2O3含量中等、K2O含量低,以淺色礦物石英和長石為主要成分,含有少量鐵鎂質(zhì)礦物的巖石,是亞堿性玄武質(zhì)巖漿在洋中脊這種緩慢擴張的環(huán)境中分離結(jié)晶形成的(Coleman&Peterman,1975)。這種斜長花崗巖不僅可在洋中脊環(huán)境(MOR)經(jīng)巖漿分離結(jié)晶形成,還可以在俯沖帶上(SSZ)由俯沖的洋殼或大洋沉積物部分熔融形成(PedersenandMalpas,1984;SorensenandGrossman,1989;FlaglerandSpray,1991)。蛇綠巖中這種少量的花崗質(zhì)巖石是研究蛇綠巖成因和精確定年的重要巖石單元(Coleman&Peterman,1975)。班公湖-怒江縫合帶是青藏高原上一條重要的板塊邊界,研究該帶蛇綠巖中斜長花崗巖的成因、構(gòu)造背景和形成時代,對探討青藏高原早期構(gòu)造演化具有重要意義。該帶中段改則地區(qū)蛇綠巖中存在斜長花崗巖(西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,2002?;張寬忠等,2007;張玉修等,2007),但是關(guān)于其成因及形成時代尚存爭議。張寬忠等(2007)對古昌蛇綠巖中斜長花崗巖及其圍巖的地球化學特征進行了分析,認為該斜長花崗巖是基性、超基性巖漿分異的殘余體或端員巖石,形成于局限洋盆環(huán)境。西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院(2002)?認為改則斜長花崗巖是洋脊擴張的產(chǎn)物,源自較深的地幔,是MOR型蛇綠巖的一員,代表晚侏羅世的洋殼,據(jù)其全巖K-Ar同位素年齡(124Ma),推測其于早白堊世時發(fā)生構(gòu)造侵位。張玉修等(2007)認為改則南拉果錯蛇綠巖中斜長花崗巖可能為剪切帶中含水條件下輝長巖剪切深熔作用形成,其中鋯石SHRIMPU-Pb年齡為166.6±2.5Ma,推測該區(qū)存在中侏羅世洋盆。本文欲通過改則蛇綠巖中斜長花崗巖、伴生熔巖及輝長巖的巖石地球化學特征和鋯石U-Pb同位素年齡分析,確定該區(qū)蛇綠巖的成因構(gòu)造背景和形成時代,進而探討班公湖-怒江縫合帶構(gòu)造演化。1逆沖推覆斷層—地質(zhì)概況改則蛇綠巖分布在改則縣南約30km的拉果錯一帶,總體呈東西向展布,南緣、北緣皆與下白堊統(tǒng)郎山組灰?guī)r呈斷層接觸。研究區(qū)內(nèi)出露的巖石組合包括橄欖巖、輝長巖、玄武巖、玄武安山巖及斜長花崗巖等(圖1),由于受到強烈的構(gòu)造作用巖石嚴重破碎,不同組成單元之間均以斷層接觸,以構(gòu)造巖塊形式產(chǎn)出。蛇綠巖剖面南側(cè)的輝長巖逆沖推覆在朗山組灰?guī)r之上,斷層傾向向南。緊鄰輝長巖的橄欖巖層底部角礫片理化嚴重,SC組構(gòu)指示由北向南的逆沖,片理化角礫層厚約2m,向北為塊狀橄欖巖塊,角礫成分與塊狀橄欖巖一致,蛇紋石化嚴重,僅見副礦物尖晶石新鮮顆粒殘留。玄武巖出露在橄欖巖塊北,厚約1500m,在玄武巖層內(nèi)部夾雜厚約500m的碎屑巖。西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院區(qū)調(diào)報告?通過區(qū)域?qū)Ρ?認為這套碎屑巖地層與則弄群相當,因在測區(qū)范圍出露面積較少,難以進一步劃分對比,故引用則弄群一名。碎屑巖與南側(cè)玄武巖以逆沖推覆斷層接觸,其北側(cè)被玄武巖覆蓋,在剖面的北側(cè)被朗山組的灰?guī)r逆沖推覆覆蓋。該研究區(qū)內(nèi),斜長花崗巖在平面上為不規(guī)則透鏡狀,在剖面上呈脈狀產(chǎn)出于中部玄武巖中,它們的接觸部位未見巖漿侵入的熱烘烤現(xiàn)象。2斜長石、石英的發(fā)育斜長花崗巖呈灰白色,細?；◢徑Y(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。礦物粒度為0.2～0.8mm,主要礦物為石英(45%～55%)和斜長石(40%～45%)。斜長石為半自形粒狀,聚片雙晶不發(fā)育,可見簡單雙晶,無明顯的環(huán)帶構(gòu)造,因受明顯的絹云母化和綠簾石化影響,表面混濁(圖2)。石英呈他形粒狀生于斜長石晶體之間,局部可見粗大的單晶體。依據(jù)全巖化學成分的CIPW計算結(jié)果及顯微鏡下斜長石聚片雙晶特點,可知斜長石牌號較高(31～70),平均值為49,屬中性斜長石,高于典型的花崗巖中斜長石牌號(10～35)。3斜長巖體與斜長對比tas斜長花崗巖及伴生熔巖的主量元素、稀土元素及微量元素的分析結(jié)果見表1。主量元素及Ba、Sr、Zr、Rb在中國地質(zhì)科學院廊坊物化探研究所采用熔片法-X射線熒光光譜(XRF)和容量法(VOL)完成,微量及稀土元素采用ICP-MS法完成。分析結(jié)果顯示,斜長花崗巖的SiO2含量較高,變化范圍為72.18%～74.55%,K2O含量非常低,約為0.26%～0.67%,Na2O+K2O=1.56%～3.51%,Al2O3含量為11.9%～13.22%,CaO含量的變化范圍相對較大,為2.49%～6.27%,Mg#變化范圍為37～52,均值為42。與斜長花崗巖伴生的熔巖在TAS圖解(圖3)上主要屬于玄武巖和玄武安山巖范疇。斜長花崗巖具輕微的LREE富集(圖4)。∑LREE=21.87×10-6～29.07×10-6,∑HREE=7.59×10-6～11.26×10-6,LREE/HREE=2.58～2.96。(La/Yb)N=1.59～1.81,(La/Sm)N=2.08～2.21,(Gd/Yb)N=0.73～0.77,Eu存在很弱的負異常,δEuN=0.82～0.95。斜長花崗巖與伴生熔巖的稀土元素配分曲線基本一致。兩者稀土元素組成上的相似性表明斜長花崗巖是蛇綠巖套的組成部分,因稀土元素具有相似的晶體化學性質(zhì),在各種造巖作用中常作為一個整體運移。在球粒隕石標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖5)中,斜長花崗巖富集Sr、Rb等大離子親石元素,虧損Nb、Ta、Ti等高場強元素,具有島弧型火山巖的特點。4鋯石u-th-pb同位素特征斜長花崗巖樣品破碎后分離出重砂,經(jīng)磁選和電磁選后,在雙目鏡下挑出鋯石,選取代表性鋯石,制靶后通過透射光和反射光照相,并在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所采用陰極發(fā)光對鋯石結(jié)構(gòu)進行了研究。在中國地質(zhì)大學(北京)地學實驗中心元素地球化學實驗室對樣品進行了LA-ICP-MS鋯石年代學的測試,使用儀器為美國NewWave科技有限公司的UP193SS型激光器,激光波長為193nm,載氣為He,激光頻率10Hz,預(yù)剝蝕時間為5s,剝蝕時間45s。質(zhì)譜儀為美國Agilent科技有限公司的7500a型質(zhì)譜儀,U、Th、Pb等元素的積分時間為20ms,普通鉛校正依據(jù)Andersen(2002)。樣品鋯石的粒徑較小(圖6),約40～60μm,為長柱狀晶體,無殘留老核及變質(zhì)邊,晶型較好,發(fā)育有條帶結(jié)構(gòu)。鋯石的U-Pb同位素分析結(jié)果(表2)顯示,Th/U=0.32～1.38,均大于0.1,屬巖漿成因鋯石(Claessonetal.,2000)。這與根據(jù)鋯石晶體生長特征判斷的結(jié)果一致,說明鋯石的結(jié)晶年齡可以代表斜長花崗巖的成巖時間。12顆鋯石的13個測點在鋯石U-Pb年齡諧和圖(圖7)中均位于206Pb/238U與207Pb/235U諧和線上或附近,說明鋯石U-Pb年齡在誤差范圍內(nèi)是諧和的,獲得的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為189.8±1.9Ma,MSWD=0.86。5討論5.1斜長火山巖中l(wèi)a和yb的含量關(guān)系蛇綠巖中的花崗質(zhì)巖石可以形成于蛇綠巖的不同階段,成因也不同。傳統(tǒng)意義上的斜長花崗巖是蛇綠巖代表的古大洋在洋底擴張形成洋殼時,由玄武質(zhì)巖漿直接結(jié)晶分異形成的(Davidetal.,1981)。后續(xù)研究表明,斜長花崗巖也可以在洋殼運動過程中由其內(nèi)部發(fā)育的高溫剪切帶中巖石部分熔融形成(Pedersen&Malpas,1984;Flagler&Spray,1991);還可以在洋殼俯沖時由洋殼(包括大洋或海溝沉積物)部分熔融形成(Whiteheadetal.,2000)。實驗巖石學的模擬實驗表明,蛇綠巖中的玄武質(zhì)巖石和斜長花崗巖的元素La和Yb與SiO2變異關(guān)系可以作為判別斜長花崗巖是分離結(jié)晶還是部分熔融形成的依據(jù)(Brophy,2009)。如果斜長花崗巖由玄武質(zhì)巖石部分熔融形成的巖漿結(jié)晶而成,那么斜長花崗巖中的元素La和Yb與玄武質(zhì)巖石中的含量接近,也就是說隨著SiO2含量的增加,La和Yb的含量會保持不變;如果斜長花崗巖是由大洋中脊玄武質(zhì)巖漿經(jīng)過分離結(jié)晶形成,那么隨著結(jié)晶分離作用的進行,殘余巖漿中的元素La和Yb會逐漸升高,即隨著SiO2含量的增加La和Yb的含量會逐漸升高(Brophy,2009)。圖8總結(jié)了不同成因的斜長花崗巖中La、Yb與SiO2含量的關(guān)系。改則斜長花崗巖的La和Yb含量較低,與本區(qū)的中基性巖,如輝長巖、玄武巖及玄武安山巖接近,La和Yb含量并沒有隨SiO2含量升高而變化,故推測斜長花崗巖是中基性巖經(jīng)部分熔融作用形成的。改則斜長花崗巖Al2O3含量小于15%,約為11.9%～13.2%,Na2O/K2O變化范圍為3.64～8.23,Mg#變化范圍為37～52,均值為42,具輕微的LREE富集。一般認為具有這種地球化學特點的斜長花崗巖形成于洋殼下部的高溫剪切帶中,由于板塊運動使得洋殼下部熱的、塑性的輝長巖發(fā)生低角度的剪切變形,同時水的加入降低輝長質(zhì)巖石的熔點,在剪切熱和輝長巖本身熱的共同作用下,輝長質(zhì)巖石先發(fā)生角閃巖相的變質(zhì)作用,繼而部分熔融,形成斜長花崗巖,在時間上,它略晚于蛇綠巖形成,它們的年齡代表了洋殼俯沖消減的時間(PedersenandMalpas,1984;張玉修等,2007)。這類斜長花崗巖常呈脈狀產(chǎn)于蛇綠巖套中,與加拿大阿巴拉契亞Fournier蛇綠巖和挪威西部Karmoy蛇綠巖中的斜長花崗巖相似。5.2拉果錯蛇綠巖的形成環(huán)境關(guān)于班公湖-怒江縫合帶蛇綠巖形成的構(gòu)造背景的認識并不一致,目前主要存在以下3種觀點:①形成于洋中脊擴張的構(gòu)造環(huán)境中(馮曄等,2005;曹圣華等,2005),在晚三疊世早期-早侏羅世早期形成班公湖蛇綠巖(馮曄等,2005);②形成于俯沖帶上,如班公湖地區(qū)蛇綠巖形成于弧后盆地(王希斌等,1987),在該帶東段丁青和西段班公湖地區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)的玻安巖,以及與之共生的島弧拉斑玄武巖和鈣堿性玄武巖的存在,指示它形成于島弧環(huán)境(張旗等,1985;史仁燈等,2004);③本區(qū)不僅存在形成于俯沖帶的SSZ型蛇綠巖,而且存在與現(xiàn)代大洋巖石圈在巖石學和地球化學特征上類似的地幔橄欖巖和上部熔巖,指示該區(qū)還存在MOR型蛇綠巖(史仁燈等,2005;Shietal.,2008)。改則地區(qū)蛇綠巖的成因構(gòu)造背景存在同樣的爭論。林文第等(1990)認為改則蛇綠巖代表的是改則-色哇帶的侏羅紀小洋盆的殘留,是洋脊擴張的產(chǎn)物,而王保弟等(2007)認為改則拉果錯蛇綠巖可能形成于弧間盆地環(huán)境,是由消減板片流體交代的地幔楔源區(qū)的部分熔融形成的,屬于SSZ型蛇綠巖。張玉修等(2007)認為改則附近拉果錯蛇綠巖中斜長花崗巖是侏羅紀洋盆擴張的產(chǎn)物。本文研究表明,與改則斜長花崗巖伴生的熔巖在TiO2-Mn-P2O5圖解(圖9)上,均落在島弧拉斑玄武巖區(qū)域內(nèi),并且斜長花崗巖與伴生熔巖的微量元素也顯示島弧火山巖的特點,推測改則蛇綠巖可能形成于俯沖帶上的構(gòu)造環(huán)境,屬SSZ型蛇綠巖。5.3班公湖-東南角蛇綠巖的產(chǎn)出時代及巖石學特征班公湖-怒江帶特提斯洋的存續(xù)時間一直存在爭議。根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局最新1∶25萬地質(zhì)填圖表明,班公湖-怒江帶是三疊紀-侏羅紀的洋盆(任紀舜等,2004),這與Suess(1893)的特提斯洋定義以及Seng?r(1987)研究結(jié)果一致。但是已有的蛇綠巖上部熔巖同位素年代學以及放射蟲時代資料均顯示本區(qū)存在最老的形成于侏羅紀的洋盆(郭鐵鷹等,1991;邱瑞照等,2004;張玉修等,2007),缺少三疊紀蛇綠巖的證據(jù)。這與特提斯構(gòu)造帶早期研究遇到的困難一樣,即沒有老的蛇綠巖或大陸邊緣裂谷證據(jù)證明存在三疊紀的特提斯洋,這種現(xiàn)象被稱為“特提斯之謎”(TethyanParadox)。前人對此提出過不少研究方案并做過大量的研究工作,但是始終未能從蛇綠巖角度找到解決這一問題的好辦法(Seng?r,1987)。隨著研究工作的不斷深入,依據(jù)成因構(gòu)造背景,將蛇綠巖分為了MOR型和SSZ型,前者形成于大洋擴張脊(Mid-oceanridge),后者形成于俯沖帶上(Supra-SubductionZone)(Pearceetal.,1984;Pearce,2003)。目前統(tǒng)計結(jié)果表明,蛇綠巖在縫合帶中易于保存,并且保存較好的絕大多數(shù)都屬SSZ型(Stern,2004)。班公湖-怒江帶蛇綠巖的產(chǎn)出特點與世界上其他地區(qū)一樣,保存下來的大多數(shù)是SSZ型蛇綠巖,因而用于定年的對象基本都是形成于俯沖帶構(gòu)造環(huán)境之上的SSZ型蛇綠巖,測得的年齡應(yīng)該代表特提斯洋俯沖消減的時間而非擴張時間。例如,該縫合帶西段的班公湖SSZ型蛇綠巖的同位素年齡為167±1.4Ma,指示特提斯洋在中侏羅世由擴張開始向俯沖消減轉(zhuǎn)換(史仁燈,2007)。這一理論模型可以幫助我們理解“特提斯之謎”。班公湖-怒江帶中東段東巧蛇綠巖鉻鐵礦中富Os合金的Re虧損年齡為207～276Ma(平均238±7Ma,Shietal.,2006)。雖然它是Re-Os同位素的模式年齡,但是與前人認為特提斯洋從三疊紀開始就已經(jīng)打開的研究結(jié)果(Suess,1893;Seng?r,1987;王建平等,2002;王冠民等,2002;任紀舜等,2004)相符。也就是說,本區(qū)羌塘塊體在這一時間已經(jīng)從岡瓦納大陸北緣裂解開來,所以可以用這一年齡作為班公湖-怒江帶特提斯洋裂解的時間(Shietal.,2008)。由于改則蛇綠巖與東巧蛇綠巖同處于班公湖-怒江縫合帶,所以推測改則地區(qū)的特提斯洋存在晚二疊世-早三疊世的擴張作用(圖10a)。已有資料表明,班公湖-怒江帶特提斯洋俯沖消減的時間在不同地段并不一樣。蔣光武等(2009)和強巴扎西等(2009)綜合沉積-構(gòu)造演化、火山活動、侵入巖漿巖帶、高壓變質(zhì)帶和雙變質(zhì)帶及堆晶輝長巖等地質(zhì)年代學的研究成果,認為最東段丁青地區(qū)俯沖消減時間為晚三疊世(圖10b)。如前文所述,改則蛇綠巖中斜長花崗巖鋯石U-Pb加權(quán)平均年齡為189.8±1.9Ma,該年齡代表特提斯洋的俯沖消減時間,指示班公湖-怒江帶特提斯洋在改則地區(qū)于早侏羅世發(fā)生了俯沖作用(圖10c)。丁青以西、改則以東的東巧地區(qū)特提斯洋至少也在早侏羅世開始了俯沖消減(胡承祖,)。而在該帶最西段班公湖地區(qū),班公湖-怒江帶特提斯洋至少從中侏羅世開始俯沖消減(史仁燈,2007)(圖10d)。可見,班公湖-怒江帶特提斯洋在東段的俯沖時間要早于西段,即在晚三疊世至中侏羅世期間,班公湖-怒江帶特提斯洋自東段向西段依次發(fā)生俯沖消減,時間跨度約40～50Ma。這種開始俯沖消減的順序及時間跨度與班公湖-怒江帶特提斯洋封閉的順序和跨度是吻合的。王建平等(2002)研究表明,班公湖-怒江帶特提斯洋東段的丁青蛇綠巖