地质通报  2020, Vol. 39 Issue (10): 1507-1517  
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胡林, 唐华, 徐刚, 刘大明, 肖进. 冈底斯中段羊易盆地年波组埃达克岩的发现及其对印度-欧亚板块碰撞的启示[J]. 地质通报, 2020, 39(10): 1507-1517.
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Hu L, Tang H, Xu G, Liu D M, Xiao J. The discovery and limplications for the India-Eurasia Plate collision of the Nianbo Formation adakitic rocks from Yangyi basin in Middle Gangdise Belt[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(10): 1507-1517.
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基金项目

中国地质调查局项目《西藏厅宫地区1:5万区域地质调查》(编号:DD20160015)

作者简介

胡林(1986-),男,工程师,从事区域地质调查工作。E-mail:276487709@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-08-21
修订日期: 2020-04-23
冈底斯中段羊易盆地年波组埃达克岩的发现及其对印度-欧亚板块碰撞的启示
胡林, 唐华, 徐刚, 刘大明, 肖进    
四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队, 四川 绵阳 621000
摘要: 冈底斯中段羊易盆地发现始新世年波组埃达克质火山岩,岩石组合为英安岩、流纹岩、火山熔岩等。为确定其形成时代、成因及其地质构造意义,对其进行了岩相学、LA-ICP-MS锆石U-Pb测年及地球化学研究。结果表明,用于定年的锆石为岩浆成因,其206Pb/238U年龄加权平均值为55±0.8 Ma,喷出时代为始新世。地球化学特征显示,该套火山岩属弱过铝质钙碱性岩石系列,具富Si(SiO2=67.69%~71.93%)、高Al(Al2O3=13.13%~16.16%)、低Mg(MgO=0.52%~0.76%)、高Sr(Sr=345×10-6~875×10-6)、低Y(Y=4.40×10-6~11.30×10-6)及Yb(Yb=0.81×10-6~1.49×10-6)特征,稀土元素总量在116.86×10-6~352×10-6之间,轻、重稀土元素分馏较明显,(La/Yb)N=23.31~43.66,Eu异常不明显(δEu=0.8~1.15)。在原始地幔标准化蛛网图中,富集大离子亲石元素Rb、U、Th,亏损高场强元素Nb、P、Ti,为C型埃达克质火山岩地球化学特征。综合区域资料,羊易盆地年波组埃达克岩是加厚下地壳部分熔融形成的,说明在55±0.8 Ma左右拉萨地体的南缘部分地区已增厚到50 km左右。
关键词: 年波组    C型埃达克岩    冈底斯中段    锆石U-Pb年龄    岩石学    
The discovery and limplications for the India-Eurasia Plate collision of the Nianbo Formation adakitic rocks from Yangyi basin in Middle Gangdise Belt
HU Lin, TANG Hua, XU Gang, LIU Daming, XIAO Jin    
Northwest Sichuan Geological Party, Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development of Sichuan Province, Mianyang 621000, Sichuan, China
Abstract: The Eocene Nianbo Formation Adakitic volcanic rocks were discovered for the first time from the Yangyi basin in the Middle Gangdise Belt.This set of adakitic volcanic rocks consists of dacite, rhyolite, and volcanic lava.In order to determine their formation age, origin and geological tectonic significance, the authors conducted LA-ICP-MS zircon U-Pb geochronologic, petrographic and geochemical studies.The results show that the zircons used for dating are of magmatic origin, and the zircon 206Pb/238U dating yielded 55±0.8 Ma, which suggests that the volcano erupted in Eocene.Geochemical characteristics show that the volcanic rocks belong to a series of weakly peraluminous calc-alkaline rocks, and have rich Si(SiO2 of 67.69%~71.93%), high Al(Al2O3 of 13.13% ~ 16.16%), low Mg(MgO of 0.52%~ 0.76%), higher Sr(Sr of 345×10-6~875×10-6), and lower Y(Y of 4.40×10-6 ~11.30×10-6)and Yb(Yb of 0.81×10-6 ~1.49×10-6).The total rare earth element values vary in the range of 116.86×10-6~352×10-6, exhibiting obvious fractionation between light and heavy REE((La/Yb)N=23.31~43.66), with no obvious δEu anomaly(0.8~1.15).Enrichment of LILE(Rb, U and Th)and depletion of HFSE(Nb, P and Ti)are displayed in the primitive mantle normalized multi-element variation diagram, indicating geochemical characteristics of C-type adakitic volcanic rocks.Based on regional information, the authors hold that adakitic rocks of Nianbo Formation in Yangyi basin were formed by partial melting of thickened lower crust, indicating that some areas of the southern margin of Lhasa were thickened to about 50 km around 55±0.8 Ma.
Key words: Nianbo Formation    C-type adakitic rocks    zircon U-Pb age    Middle Gangdise Belt    petrology    

埃达克岩自Kay[1]在Adak岛上发现并由Defant等[2]命名以来,便迅速成为国际地学界关注的前沿和热点。近年来,中国也在诸多地区发现了埃达克岩,国内学者对其成因类型及地质意义进行了深入的探讨,但一直存在较大争议,如张旗等[3]在2001年提出了洋壳熔融形成的O型和陆壳熔融形成的C型埃达克岩的分类方案;Chung等[4]和翟明国等[5]把由增厚下地壳熔融形成的中酸性火成岩称为埃达克岩;Gao等[6]把由拆沉下地壳熔融形成的中酸性火成岩称为埃达克岩。近年来,埃达克岩的研究取得了丰富的成果,其研究对讨论地球动力学过程、壳幔相互作用、陆壳的生长与演化及成矿作用都具有重要的意义。

研究区位于冈底斯中段羊易盆地,新生代沿冈底斯带中段发育一条近东西向长约350 km的埃达克斑岩带,形成于造山带演化晚期的碰撞后陆壳伸展阶段。该斑岩带分布在研究区西侧约40 km处,众多研究表明其侵位时间发生在18~14 Ma[7-9]。在该地区年波组火山岩中并未发现埃达克岩及相似的报道。

笔者在冈底斯中段羊易地区进行野外地质调查过程中,发现始新世年波组火山岩大面积分布,且其地球化学特征与埃达克岩极其相似。羊易地区位于冈底斯造山带中部,冈底斯岩基是位于拉萨地块南缘的一条主要由闪长岩和I型花岗岩组成的侵入杂岩带,新特提斯洋自晚三叠世开始俯冲[10],在60~55 Ma印度与亚洲大陆开始发生碰撞[11],分布于拉萨地体南缘的冈底斯岩浆带,常被看作是新特提斯洋盆向北消减、闭合及印度-亚洲陆陆碰撞的产物,保存有大量“构造-岩浆-变质-成矿”的时空和历史演化记录。鉴于此,本文对在羊易盆地新发现的始新世年波组埃达克岩开展了锆石U-Pb定年及岩石地球化学的研究,同时探讨了其岩石类型、成因和地质构造意义,以期为研究冈底斯中段岩浆带的构造格局与演化提供重要的基础资料。

1 地质背景

研究区大地构造的一级构造单元属于冈底斯-喜马拉雅造山系,二级构造单元属于拉达克-冈底斯-察隅弧盆系,三级构造单元属于拉达克-冈底斯-下察隅岩浆弧带[12](图 1-a)。研究区周边分布大量不同时代、不同类型的岩体(图 1-b);年波组火山岩出露面积约50 km2,为一套酸性陆相火山碎屑岩沉积,岩性组合以英安岩、流纹岩及火山熔岩为主,夹有少量火山角砾岩等。与下伏典中组呈喷发角度不整合接触关系,与上覆帕那组呈喷发角度不整合接触。

图 1 研究区大地构造位置图(a)及地质简图(b) Fig.1 Geotectonic position(a)and geological map of the study area(b)
2 样品采集及分析方法 2.1 样品描述

本次对不同岩性的岩石进行了采样,覆盖了英安岩、流纹岩、熔岩等,共计7件。所有样品均采自羊易盆地东侧年波组地质体中的新鲜岩石,用于薄片鉴定、锆石U-Pb测年和主量、微量元素测试,具体采样位置见图 1-b

手标本及薄片鉴定结果显示(图版Ⅰ),年波组英安岩呈紫灰色,斑状结构,块状构造,斑晶占31%,主要由斜长石(19%)、石英(3%)、黑云母(9%)组成,基质占69%,主要由斜长石(60%)、石英(5%)及少量磷灰石(3%)、金属矿物(1%)组成;流纹岩呈灰色,斑状结构,块状构造,斑晶占14%,主要由斜长石(6%)、碱性长石(4%)、石英(4%)组成,基质占86%,由碱性长石(38%)、石英(35%)、斜长石(10%)及少量黑云母(1%)、金属矿物(2%)组成。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.远观紫灰色英安岩与灰色流纹岩界线;b.流纹岩宏观照片;c.紫灰色英安岩出露特征;d.劈理化基岩;e.流纹岩微观特征;f.英安岩微观照片;g.流纹岩镜下特征;h.英安岩镜下特征; P1—斜长石;Qtz—石英
2.2 锆石U-Pb同位素分析方法

样品的破碎和锆石挑选由河北省廊坊区域地质调查所实验室完成,锆石制靶、阴极发光照相由北京科荟测试有限责任公司完成。将分选出的锆石进一步挑纯,并粘至双面胶上,利用环氧树脂固定,待环氧树脂固化后对其表面抛光打磨至锆石内部暴露,并进行透射光、反射光、阴极发光(CL)照相。锆石U-Pb定年测试所用设备为德国耶拿公司生产的PQMSICP-MS电感耦合等离子体质谱仪和美国NW193激光剥蚀系统,激光能量和剥蚀直径可调,束斑直径为25 μm,数据处理采用ICPMSDATACAL10.7软件,具体分析条件及流程详见参考文献Liu等[13]

2.3 岩石地球化学分析方法

岩石地球化学分析在成都矿产资源检测中心完成。主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)测试,分析误差优于3%。微量和稀土元素测定采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS),将样品研磨并用酸溶法制成溶液,然后在等离子质谱仪上进行测定,并用标准溶液进行校正,含量大于10×10-6的元素分析误差小于5%,而含量小于10×10-6的元素误差小于10%。测试分析具体的实验原理、分析步骤和测试条件详见参考文献侯振辉等[14]

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年龄

锆石阴极发光(CL)图像结果显示(图 2),锆石多晶形较好,局部可见被溶蚀,呈不规则短柱状,长宽比在21~32之间,具明显的韵律环带结构,Th/U值在0.5~1.1之间,具典型的岩浆成因锆石特征[15-16]。样品测试结果显示(表 1),测点02、08、10、11、15、17和19谐和度低于90%,剩余13个测点的206Pb/238U年龄在52.5~56.6 Ma之间,在谐和图上投点均落在谐和线上或其附近(图 3-a),其加权平均值为55±0.8 Ma(MSWD=0.64,n=13)(图 3-b),其代表年波组火山岩的形成时间,即始新世。

图 2 研究区年波组火山岩锆石阴极发光(CL)图像 Fig.2 CL images of zircons from Nianbo Formation volcanic rocks in stady area
表 1 年波组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb测年结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotopic compositions of Nianbo Formation volcanic rocks
图 3 研究区年波组火山岩锆石U-Pb年龄 Fig.3 Zircon U-Pb age of Nianbo Formation volcanic rocks in study area a—年波组火山岩锆石加权平均年龄;b—年波组火山岩锆石谐和年龄
3.2 主量元素

年波组火山岩7件样品的主量、稀土和微量元素分析结果见表 2

表 2 年波组火山岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace elements and REE compositions of the Nianbo Formation volcanic rocks

据结果显示,年波组火山岩7件样品中SiO2百分含量为67.69%~71.93%之间,属典型的酸性岩类。Al2O3含量在13.13%~16.16%之间,平均为14.75%;MgO含量在0.52%~0.76%之间,平均为0.60%;Na2O含量在2.65%~3.87%之间,平均为3.21%;K2O含量在3.49%~5.25%之间,平均为4.61%;全碱(Na2O+K2O)含量在6.55%~8.99%之间;K2O/Na2O值为1.14~1.72,相对富钾。其CIPW标准矿物组合为Q+An+Ab+Or+C+Hy,未见Di分子。分异指数DI在81.4~89.5之间,说明酸性程度较高;固结指数SI在4.55~7.18之间,小于40,说明分异程度较高;里特曼指数σ在1.67~3.08之间,小于3.3,为钙碱性岩石;其铝饱和指数A/CNK为1.01~1.25之间,属弱过铝质岩石。在火山岩TAS图解[17](图 4-a)中,火山岩样品点落入英安岩-流纹岩区域,与镜下鉴定结果基本一致。在碱度率图解[18]中,样品点主要落入钙碱性-碱性区域(图 4-b)。在岩石系列FAM图解[19]中,样品点全部落入钙碱性系列区域(图 5-a)。在SiO2-K2O图解[20]中,样品点落入钙碱性系列-钾玄岩系列(图 5-b)。研究表明,俯冲带内钾玄岩的出现是大洋岩石圈俯冲结束、陆内汇聚开始的岩石学标志[21],研究区年波组出现大量的钾玄岩,表明处于碰撞的构造环境。

图 4 年波组火山岩岩石分类图解 Fig.4 Rock classification diagrams of Nianbo Formation volcanic rocks a—年波组火山岩TAS图解[17];b—年波组火山岩碱度率图解[18]
图 5 年波组火山岩钙碱性图解 Fig.5 Calc-alkali diagrams of volcanic rocks of Nianbo formation a—年波组火山岩FAM图解[19];b—年波组火山岩SiO2-K2O图解[20]
3.3 稀土及微量元素

研究区始新世年波组火山岩稀土元素特征表现为稀土元素总量较高,为116.86×10-6~352×10-6,平均为238×10-6。在稀土元素配分型式图[22]上,总体表现为轻稀土元素富集的右倾平缓曲线(图 6-a),LREE=111.55×10-6~337.84×10-6,平均为228.87×10-6,HREE=5.31×10-6~14.16×10-6,平均为9.51×10-6,LREE/HREE=18.71~26.14,(La/Yb)N=23.31~43.66,说明轻稀土元素和重稀土元素发生了明显分异。δEu=0.8~1.15,Eu异常不明显。δCe=0.89~0.99,平均为0.96,说明岩浆在演化过程中仅有极少量的Ce3+转化为Ce4+,岩浆在演化的过程中应该处于一种相对还原的环境。

图 6 年波组火山岩地球化学图解 Fig.6 Geochemical diagrams of Nianbo Formation volcanic rocks a—稀土元素配分型式图[22];b—微量元素蛛网图[23]

研究区年波组火山岩在微量元素蛛网图[23]上呈现“多峰多谷”的形态,微量元素特征表现为相对富集Rb、Th、U等大离子亲石元素,亏损Nb、P、Ti等高场强元素的特征(图 6-b),显示弧火山岩的地球化学特征。Nb元素的亏损在一定程度上显示出与俯冲作用有关的火成岩地球化学特点,但也是碰撞-后碰撞火山岩的特点,其形成原因可能为岩浆源区存在角闪石、金红石等难熔物质残余,在部分熔融过程中,Nb优先进入角闪石晶格,Ti进入金红石,使岩浆中存在Nb、Ti亏损。Sr元素异常特征与Eu异常特征相似,可能与斜长石在岩浆分离结晶或在地壳源区部分熔融过程中作为难熔物质残余有关。

4 讨论 4.1 形成时代

本次对年波组火山岩中的英安岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,获得英安岩的成岩年龄为55±0.8 Ma(MSWD=0.64,n=13),表明其形成时代为始新世,该年龄与董国臣等[24]在林周盆地测得的年波组年龄(54.07 Ma)和付文春等[25]在狮泉河地区测得的年波组年龄(53.9±0.5 Ma)基本一致。

4.2 岩石类型

埃达克岩是1990年由Defant等[2]提出的,不是指某一种具体的岩石,而是具有特定地球化学性质的一套中酸性火成岩组合的术语,其地球化学标志为:SiO2≥56%,高铝(Al2O3≥15%),MgO小于3%(很少>6%),贫Y和Yb(Y≤18×10-6,Yb≤1.9×10-6),Sr含量高(通常大于400×10-6),LREE富集,无Eu异常或轻微的负Eu异常。本次研究的年波组火山岩地球化学特征表现为SiO2含量在67.69%~71.93%之间;Al2O3含量在13.13%~16.16%之间,平均为14.75%,基本达到埃达克岩的15%左右特征,明显富铝;MgO含量在0.52%~0.76%之间,平均为0.60%;Y含量在4.40×10-6~11.30×10-6之间,平均为7.61×10-6,而Yb含量在0.81×10-6~1.49×10-6之间,平均为1.17×10-6,表现出明显的贫Y和Yb的特征;具有高的Sr含量(345×10-6~875×10-6,平均为594×10-6),而Sr/Y值在46.6~198.8之间,显示出明显的埃达克岩特征。样品在Y-Sr/Y判别图解[2](图 7-a)和YbN-(La/Yb)N判别图解[26](图 7-b)中均落入埃达克岩区域,具典型的埃达克岩特征。

图 7 年波组火山岩岩石类型判别图解 Fig.7 Discrimination diagrams of adakite from Nianbo Formation volcanic rocks a—Y-Sr/Y判别图解[2];b—YbN-(La/Yb)N判别图解[26]
4.3 岩石成因

对于埃达克岩的成因机制,有多种观点,从最初Defant等[2]定义的年轻俯冲洋壳板片的部分熔融,到后来的O型埃达克岩和C型埃达克岩之分[27-28],表明埃达克质岩的成因研究不断地被深化。对于C型埃达克岩,有人认为是加厚的地壳底部中-基性岩部分熔融的产物[4],有人认为是底侵玄武质下地壳的部分熔融[29-30]或拆沉下地壳的部分熔融[31]

俯冲洋壳起源的埃达克质岩浆与上覆地幔楔发生交代作用,使之具有相对高的MgO含量、Mg#值和较低的K2O含量[2]。本次研究的年波组埃达克岩MgO含量主要集中在0.52%~0.76%之间,Mg#值在29~36之间,都低于40,表明镁比值不高。同时其K2O含量在3.49%~5.25%之间,远大于板片熔融形成的埃达克岩的1.72%[26],与下地壳部分熔融形成的埃达克岩接近[32]

以上特征表明,研究区年波组埃达克岩来源于俯冲洋壳部分熔融的可能较小,而与下地壳部分熔融形成的埃达克岩关系密切。微量元素Th-Nb-Zr是判别火山岩浆产出构造背景最可靠的判别指标之一[33]。研究认为大洋板块汇聚带的Nb/Zr值小于0.05或Ta/Hf值小于0.1,Th/Nb值大于0.11;而大陆板内Nb/Zr值大于0.05或Ta/Hf值大于0.1,Th/Nb值大于0.11。研究区年波组埃达克岩Nb/Zr=0.04~0.12,Th/Nb=3.80~4.05,Ta/Hf=0.09~0.26,显示大陆壳的特征,进一步表明是下地壳部分熔融形成的埃达克岩,即C型埃达克岩。本次研究的所有样品在SiO2-MgO图解[34]中均落入加厚下地壳部分熔融形成的埃达克岩区域(图 8-a),而在La-La/Sm图解[35]中样品整体表现出正相关性且沿一条倾斜的直线分布(图 8-b),表明形成过程以部分熔融作用为主,部分斜长石、角闪石发生了分离结晶作用,这与张运昌等[36]在南木林地区、刘安琳等[37]在米拉山地区、谢克家等[38]在昂仁县桑桑地区及其他众多学者在不同地区[39-42]对林子宗群年波组火山岩研究得出的结论一致。综上所述,笔者认为,研究区年波组埃达克岩源区主要为加厚下地壳的部分熔融,形成过程中斜长石、角闪石可能发生了分离结晶作用。

图 8 年波组埃达克岩判别图解 Fig.8 Diagrams of Nianbo Formation adakite rocks a—埃达克岩SiO2-MgO图解[34];b—埃达克岩La-La/Sm图解[35]
4.4 对印度-欧亚板块碰撞的启示

印度-欧亚大陆碰撞是地球历史上最重要的一次地质事件,是造就地球上最高最大的青藏高原的主要动力,对全球的气候、生态环境、资源、灾害及经济、社会发展的许多方面产生了难以估量的影响。林子宗火山岩事件作为印度-亚洲大陆主碰撞过程的火山作用的响应,记录了由新特提斯俯冲消减末期过渡到印度大陆-欧亚大陆碰撞的信息。冈底斯林子宗火山岩从下部的典中组到顶部帕那组火山岩表现出钙碱性-高钾钙碱性-钾玄岩系列的特征。研究表明,俯冲带内钾玄岩的出现是大洋岩石圈俯冲结束、陆内汇聚开始的岩石学标志[15]

研究区年波组出现大量的钾玄岩,表明其形成于印度-亚洲大陆碰撞的构造环境,展示了由俯冲到碰撞的转换。新特提斯洋自晚三叠世开始俯冲[7],在60~55 Ma印度与亚洲大陆开始发生碰撞,青藏高原的南部陆壳不断地缩短与加厚,但是加厚的时限及厚度存在一定的争议。Rapp等[43]提出,林子宗群火山岩中的典中组和年波组中均缺少埃达克质岩石,暗示西藏南部的地壳厚度在50 Ma之前没有超过40 km;莫宣学等[21]通过Condie公式C=18.2×K60+0.45(式中C为地壳厚度,km;K60为SiO2=60%时的K2O含量),计算同碰撞期间林子宗火山活动不同阶段对应的地壳厚度分别为35 km、37 km和78 km;而许继峰等[44]在研究羌塘地区的埃达克质火成岩时认为,在40 Ma左右羌塘地区地壳厚度超过40 km。从以上研究可以看出,对地壳加厚的时间及厚度争议较大。

埃达克质岩石具有特殊的地球动力学意义,为限定碰撞作用过程中地壳的构造动力学行为提供了很好的限定。Defant等[2]推测埃达克岩形成的深度在70~90 km,而张旗[45]认为C型埃达克岩的出现反映了地壳加厚事件,其地壳厚度至少大于50 km。本次在羊易盆地一带发现具埃达克岩特征的年波组火山岩,其为加厚下地壳的部分熔融形成的C型埃达克岩,结合年波组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为55±0.8 Ma,认为在55±0.8 Ma左右拉萨地体的南缘部分地区已增厚到50 km左右。

5 结论

(1) 获得冈底斯中段羊易盆地年波组英安岩的成岩年龄为55±0.8 Ma(MSWD=0.64,n=13),表明其形成时代为始新世。

(2) 冈底斯中段羊易盆地出露的年波组火山岩具有高SiO2、Al2O3、Sr,低Yb、Y含量的C型埃达克岩地球化学特征。

(3) 冈底斯中段羊易盆地年波组埃达克岩为加厚下地壳的部分熔融形成的,结合年波组的年龄,暗示在55±0.8 Ma左右拉萨地体的南缘部分地区已增厚到50 km左右。

致谢: 西藏地勘局地热地质大队尼玛洛卓高级工程师、周鹏工程师对本项目野外工作给予了多方面的帮助,审稿专家对文章结构和内容提出了诸多重要建议,在此一并表示感谢。

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