大陸碰撞過程的火山巖響應(yīng):以西藏林周林子宗火山巖為例

董國臣,莫宣學(xué),趙志丹,朱弟成

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083)

印度-亞洲大陸碰撞產(chǎn)生了被稱為世界屋脊的青藏高原,并成為近年地學(xué)研究熱點(diǎn)之一(Yin and Harrison,2000;Chen et al.,2010;Zhu et al.,2019)。青藏高原廣泛發(fā)育新生代火山巖,因其蘊(yùn)含著新生代以來青藏高原巖石圈演化和深部過程的豐富信息(Zhang et al.,1997;賴紹聰,1999;莫宣學(xué)等,2003,2007;Ding et al.,2003;莫宣學(xué)和潘桂棠,2006;Zhu et al.,2013)而成為精確限定陸陸碰撞時(shí)限和深入研究諸如地殼演化及深部過程等問題的核心對象之一。古近紀(jì)林子宗火山巖是青藏高原分布最廣的中-酸性火山巖,從東到西廣泛分布在岡底斯帶(王天武等,1999;董國臣,2002;賈建稱等,2005;李皓揚(yáng),2006),不整合于上白堊統(tǒng)設(shè)興組強(qiáng)烈變形的海相地層或更老的地層之上,長期以來一直是地學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)(莫宣學(xué)等,2003,2007;莫宣學(xué)和潘桂棠,2006)。

針對林子宗火山巖的研究主要集中在拉薩北部的林周地區(qū)(劉鴻飛,1993;董國臣,2002;董國臣等,2002,2005;李皓揚(yáng)等,2007)和中部措勤—桑桑一帶(宋全有,1999;李再會(huì)等,2008,2009;于楓等,2010;謝克家等,2011)以及西部阿里一帶(付文春等,2014),涉及巖石學(xué)、地球化學(xué)、同位素及年代學(xué)(宋全有,1999;王天武等,1999;董國臣,2002;董國臣等,2002,2005;賈建稱等,2005;李皓揚(yáng),2006;李再會(huì)等,2008,2009;于楓等,2010;謝克家等,2011;付文春等,2014),初步限定了其生成時(shí)限及巖石成因(周肅等,2001,2004;李再會(huì)等,2009;謝克家等,2011;付文春等,2014),普遍認(rèn)為該火山巖的生成與大陸碰撞作用有關(guān)(賴紹聰,1999;董國臣,2002;莫宣學(xué)等,2003,2007;Ding et al.,2003;賈建稱等,2005;Zhu et al.,2013),而對其成因及其地球動(dòng)力學(xué)過程等問題的研究仍存在爭議,認(rèn)為屬于新特提斯俯沖階段的產(chǎn)物或者新特提斯洋俯沖向印度-亞洲大陸碰撞過渡背景成因(莫宣學(xué)等,2003,2007;Ding et al.,2003)。本文擬以林周盆地林子宗火山巖為例,分析探討林子宗火山巖的巖石成因及其大陸動(dòng)力學(xué)背景。

1 地質(zhì)背景

林子宗火山巖集中分布在岡底斯南帶,從東部的靈芝地區(qū)到西部的阿里地區(qū),構(gòu)成一個(gè)長1200 km寬200 km火山巖帶,以拉薩北部的林周地區(qū)最為典型(圖1),整體為一套中酸性火山巖組合,自下而上可以分為三個(gè)巖組,并分別命名為典中組、年波組和帕那組(劉鴻飛,1993;董國臣,2002;董國臣等,2005),三個(gè)組的出露巖性和發(fā)育程度在不同地區(qū)略有差異,但總體成分基本一致(董國臣,2002;董國臣等,2005)。

西藏林周火山盆地地處拉薩以北約60千米,位于岡底斯巖漿巖帶東部。這里林子宗火山巖系層序比較完整,厚度大于6500 m(董國臣,2002;董國臣等,2005),與下伏上白堊統(tǒng)設(shè)興組地層呈清楚的不整合接觸(圖1),是林子宗火山巖的命名地。

圖1 拉薩林周盆地區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)董國臣等,2005修改)Fig.1 Regional geological map of the Linzhou Basin(modified from Dong et al.,2005)

林子宗火山巖自李璞先生在林周盆地創(chuàng)名后,又經(jīng)不同專題研究和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查,提出了各種劃分方案(劉鴻飛,1993;西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1993;董國臣等,2005)。目前將林子宗火山巖自下而上劃分為典中、年波和帕那三個(gè)組(劉鴻飛,1993;董國臣等,2005),其巖性分別為一套中性—中酸性火山熔巖及火山碎屑巖組合,包括安山質(zhì)、英安質(zhì)和流紋質(zhì)以及少量鉀玄質(zhì)火山巖,其中夾沉積礫巖和含生物碎屑灰?guī)r,可以進(jìn)一步劃分成三個(gè)火山活動(dòng)演化旋回,同位素測年資料和古生物學(xué)資料顯示其形成時(shí)代介于64～49 Ma之間(董國臣,2002;董國臣等,2005)。

2 巖相學(xué)及其所體現(xiàn)的火山活動(dòng)特征

2.1 巖相學(xué)特征

林周盆地中林子宗火山巖系的巖石類型主要有安山巖、英安巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、安山質(zhì)火山角礫(集塊)巖、流紋巖、流紋質(zhì)、英安質(zhì)與粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)火山角礫巖以及凝灰質(zhì)砂/泥巖和薄層灰?guī)r。

安山巖:出露于典中組和年波組上部,局部含輝石(～5%)或角閃石。巖石呈灰黑色,斑狀,斑晶為斜長石、輝石,粒徑0.25～3 mm,斜長石多具環(huán)帶,為中長石,常具正環(huán)帶和凈化邊;黑云母和角閃石具暗化邊;局部有綠泥石化、硅化、碳酸鹽化。

英安巖:產(chǎn)于典中組,巖石黑灰色,斑狀。斑晶為斜長石、石英、角閃石和黑云母,含量20～30%,其中斜長石具環(huán)帶,角閃石有暗化邊,副礦物有榍石,次生變化為碳酸鹽化、絹云母化和綠泥石化。

安山質(zhì)凝灰?guī)r:產(chǎn)于典中組及年波組上部,巖石淡紫色、淺褐色,晶屑為斜長石,含量20～30%。局部含安山巖角礫。

凝灰質(zhì)砂/泥巖:產(chǎn)于典中組、年波組及帕那組的上部,呈淺灰綠色、灰白色,凝灰質(zhì)含量5～30%。

流紋巖:出露于帕那組下部,灰白色,斑晶為鉀長石(5%)、斜長石(20%)、石英(5%)和少量黑云母,呈自形-半自形狀,粒徑0.4～4 mm,石英具熔蝕,黑云母交代為白云母、褐鐵礦。

熔結(jié)凝灰?guī)r:灰白色,熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)或凝灰結(jié)構(gòu),似流紋狀構(gòu)造,多見晶屑、巖屑和漿屑,晶屑(40～50%)多為鉀長石、石英和斜長石,巖屑(20～30%)為酸性火山巖,漿屑(10～20%)呈不規(guī)則狀,局部含角礫。

含生物碎屑泥晶灰?guī)r:出露于年波組下部,主要由生物屑、泥晶方解石和砂屑組成。生物屑為鈣質(zhì)介形蟲碎片,砂屑呈次棱角狀,少量亮晶方解石充填。

2.2 火山活動(dòng)特征

根據(jù)火山巖系的巖性及爆發(fā)噴溢特征,將林子宗火山巖系劃分成三個(gè)噴發(fā)旋回(董國臣等,2005)。

(1)第一噴發(fā)旋回(典中旋回)

由安山巖、英安巖、安山質(zhì)碎屑巖和少量流紋質(zhì)火山碎屑巖組成,旋回早期以流紋質(zhì)火山角礫巖的噴發(fā)開始,演化成大面積的安山質(zhì)-英安質(zhì)巖漿噴溢,每次巖漿噴溢都伴隨有爆發(fā)形成大量火山碎屑巖,表現(xiàn)出先爆發(fā)后噴溢的多次重復(fù),巖漿活動(dòng)由早到晚也表現(xiàn)出強(qiáng)—弱變化特征。

(2)第二噴發(fā)旋回(年波旋回)

由流紋質(zhì)火山碎屑巖、安山質(zhì)及鉀玄質(zhì)火山巖構(gòu)成。巖漿活動(dòng)以爆發(fā)為主,早期以流紋質(zhì)巖漿爆發(fā)開始,形成多層流紋質(zhì)凝灰?guī)r,晚期為安山質(zhì)-鉀玄質(zhì)巖漿活動(dòng),多次噴發(fā),形成多層安山巖和鉀玄巖和相應(yīng)的火山碎屑巖,巖漿活動(dòng)總體上由酸性向中性鉀玄質(zhì)演化。

(3)第三噴發(fā)旋回(帕那旋回)

由大套的流紋巖和流紋質(zhì)火山碎屑巖構(gòu)成,表現(xiàn)為具層狀特征和具柱狀節(jié)理的流紋質(zhì)火山碎屑巖的交互發(fā)育?；鹕交顒?dòng)以爆發(fā)為主,爆發(fā)指數(shù)變化在60～80%之間,甚至達(dá)100%,形成熾熱的火山灰流,火山活動(dòng)劇烈。

由此可見,林周盆地林子宗火山巖由3個(gè)噴發(fā)旋回組成,各旋回及其間具有明顯演化規(guī)律和相互關(guān)系,旋回內(nèi)部從早到晚由酸性逐漸向偏基性演化,而旋回間則由中性向酸性過渡。

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 主要化學(xué)成分特征

主要化學(xué)成分(表1)分析顯示,典中組火山巖SiO2為61%～64%,年波組和帕那組火山巖的SiO2分別為68%～78%和73%～76%。在TAS圖解中(圖2),典中組樣品落入安山巖區(qū),年波組和帕那組火山巖絕大部分落入流紋巖區(qū),整個(gè)火山巖多屬亞堿性鈣堿性系列(圖3a)。

表1 林周盆地林子宗火山巖主量元素及微量元素特征Table 1 Characteristics of major and trace elements in Linzizong volcanic rocks,Linzhou Basin

圖2 林子宗火山巖TAS圖解(據(jù)Le Maitre,2002)Pc—苦橄玄武巖;B—玄武巖;Ol—玄武安山巖;O2—安山巖;O3—英安巖;R—流紋巖;S1—粗面玄武巖;S2—玄武粗安巖;S3—粗安巖;T—粗面巖(Q<20%)或者粗面英安巖(Q>20%);U1—碧玄巖或者堿玄巖;U2—響巖質(zhì)堿玄巖;U3—堿玄質(zhì)響巖;Ph—響巖Fig.2 TAS diagram for Linzizong volcanic rocks(after Le maitre,2002)

按火山巖K2O-SiO2關(guān)系圖解中(圖3b),典中組火山巖多位于中鉀鈣堿性系列與高鉀鈣堿性系列分界線附近,年波組和帕那組樣品落入高鉀鈣堿性系列,從典中到帕那組顯示由中鉀鈣堿性到高鉀鈣堿性演化的趨勢。從K2O、Na2O、CaO與Al2O3分子的數(shù)量比例來看,典中組火山巖的Al2O3分子數(shù)小于(K2O+Na2O+CaO)的分子數(shù),大于(K2O+Na2O)的分子數(shù),均屬于亞鋁質(zhì)巖石;年波組和帕那組火山巖樣品的Al2O3分子數(shù)均大于(K2O+Na2O+CaO)的分子數(shù),屬于過鋁質(zhì)巖石。

圖3 AMF圖解(a)及K2 O-SiO2關(guān)系圖解(b)(據(jù)Le Maitre,2002)Fig.3 AMF diagram(a)and K2 O-SiO2 diagram(b)for Linzizong volcanic rocks(after Le Maitre,2002)

在林子宗火山巖巖石化學(xué)成分變異圖解(圖4)中,隨SiO2的增加,TiO2、Al2O3、TFe2O3、Na2O、CaO、MgO均呈現(xiàn)出減少的趨勢,從早期的典中組到晚期的年波組和帕那組構(gòu)成連續(xù)的線性的演化趨勢來看,它們之間具有成因聯(lián)系。

圖4 林子宗火山巖巖石化學(xué)成分變異圖Fig.4 Variations of chemical compositions of Linzizong volcanic rocks

3.2 微量元素特征

火山巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化后微量元素配分圖(圖5,表1)顯示,林子宗火山巖整體上表現(xiàn)出相似的特征,即大離子親石元素Cs、Rb、K、U相對富集,而高場強(qiáng)元素Ta、Nb、Ti元素明顯虧損,大離子親石元素Ba也出現(xiàn)負(fù)異常,與烏郁盆地后碰撞火山巖(趙志丹等,2001)和岡底斯西段后碰撞火山巖特征(Miller et al.,1999)相近。然而林子宗火山巖的三個(gè)組之間也存在一些差異。典中組火山巖中Sr元素基本沒出現(xiàn)虧損,P元素的負(fù)異常也不明顯;而年波組和帕那組火山巖中Sr、P元素則明顯虧損。另外,Sr、Ba、P、Ti等元素負(fù)異常程度也出現(xiàn)由典中組—年波組—帕那組逐漸增大的趨勢。

據(jù)研究島弧玄武巖富集不相容元素,包括諸如Rb、Th、K、Ba等大離子親石元素(LILE)和輕稀土元素(LREE),而虧損Ta、Nb、Ti元素,在配分圖上出現(xiàn)Ta-Nb槽異常是俯沖帶組分(SZC)的典型特征。因此可以說,林子宗火山巖含有俯沖帶組分。但是,林子宗火山巖,特別是酸性火山巖配分圖諸如大離子親石元素Ba、Sr以及P的明顯虧損,又反映了巖漿源區(qū)中有地殼物質(zhì)的參與,與碰撞期花崗巖及碰撞后K質(zhì)火山巖的配分圖相似。

3.3 稀土元素特征

林子宗火山巖的稀土元素變化較大,其總量介于69.3×10-6～211.5×10-6之間,主要集中于100×10-6～180×10-6范圍內(nèi),LREE/HREE為5.46～9.31,其中,(La/Yb)N在典中組、年波組和帕那組火山巖中分別為7.3～17.4,10.3～15.1和14.5～24.5,反映巖漿作用過程中從典中旋回→年波旋回→帕那旋回稀土元素分異程度逐漸加強(qiáng)。稀土配分呈右傾平滑曲線形式(圖5),輕稀土相對富集,重稀土相對虧損,其中典中組火山巖負(fù)Eu異常不明顯,而年波組和帕那組火山巖具有較明顯負(fù)Eu異常,說明斜長石的分離結(jié)晶在林子宗火山巖漿演化中起重要作用。

圖5 林子宗火山巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖及稀土元素配分曲線(微量元素標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值采用Wood,1979;原始地幔值;稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化值采用Boynton,1986的球粒隕石值)Fig.5 Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams and chondrite-normalized REE distribution patterns of Linzizong volcanic rocks

不同構(gòu)造背景形成的火山巖具有明顯不同的稀土元素配分樣式,正常洋中脊玄武巖(N-MORB)虧損LREE,與島弧有關(guān)火山巖的稀土元素配分曲線可以平緩至LREE富集,板內(nèi)玄武巖常具有LREE相對富集和稀土元素總量富集的特點(diǎn)。林子宗火山巖稀土元素配分樣式具有島弧鈣堿性玄武巖(CAB)和大陸裂谷玄武巖(CRB)之間的過渡特征。從區(qū)域上對比來看,與藏西南扎嘎等地超鉀火山巖和后碰撞鉀質(zhì)火山巖稀土元素配分模式具有相似之處。

4 構(gòu)造巖漿類型及構(gòu)造環(huán)境分析

4.1 構(gòu)造巖漿類型

上述可知,林子宗火山巖中包含著兩類巖石學(xué)與地球化學(xué)信息,一類是俯沖帶有關(guān)弧火山巖的信息,一類是碰撞-后碰撞火山巖的信息。前者在其早期(典中組)火山巖中更清晰,而后者在其中、晚期(年波組、帕那組)火山巖中更為明顯。

該套巖石所顯示的弧火山巖信息主要體現(xiàn)在:(1)呈現(xiàn)安山質(zhì)火山巖為主體的巖石組合;(2)火山巖屬鈣堿性系列巖石;(3)微量元素配分圖中有明顯的Nb、Ta負(fù)異常(槽)。

這就說明,這一階段的林子宗火山巖巖漿源巖中有俯沖大洋板片的貢獻(xiàn),帶有俯沖作用印跡,屬于俯沖后的大陸碰撞早期。

林子宗火山巖中的碰撞-后碰撞火山巖的信息主要有:(1)絕大多數(shù)為鉀質(zhì)過鋁質(zhì)火山巖巖石,具有明顯的碰撞-后碰撞巖石組合特征;(2)其微量元素配分圖與岡底斯帶碰撞后高鉀火山巖,如烏郁火山巖(13.6～12 Ma)(趙志丹等,2001)、岡底斯帶西段扎嘎等地火山巖(25～16 Ma)(Miller et al.,1999)十分相似,與碰撞期S型花崗巖在很多方面也相似(Thompson et al.,1984);(3)大面積巨厚熔結(jié)凝灰?guī)r(巨大火山灰流產(chǎn)物)的出現(xiàn)。根據(jù)Dewey and Burke(1973)提出的模型,巨大火山灰流(ignimbrite)是碰撞帶中加厚地殼早期熔融的產(chǎn)物。 總體上應(yīng)為碰撞-后碰撞條件下(Post-Collision)產(chǎn)生的具有島弧或陸源弧印跡的火山巖,其巖漿源區(qū)可能與俯沖停止時(shí)墜落入上地幔的殘留斷離板塊(莫宣學(xué)等,2001)。

4.2 火山巖所顯示的地殼厚度變化

從早期(典中組)到晚期(帕那組)火山巖中K2O的含量迅速增高,達(dá)到高鉀鈣堿性系列。Rb/Sr比也逐漸增高,在早期(典中組)火山巖中RbSr含量。這兩個(gè)指數(shù)表明,從典中旋回→帕那旋回期間地殼發(fā)生了明顯地增厚。

根據(jù)Condie(1982)計(jì)算地殼厚度的公式:

可以估算出林子宗火山巖噴發(fā)早期和晚期的地殼厚度,式中(K2O)60表示SiO2=60%時(shí)的K2O含量,早期(64～60.7 Ma)地殼厚度約為30～40km,晚期(55.9～48.7 Ma)地殼厚度增至65～75 km。運(yùn)用Condie(1982)Rb-Sr地殼厚度網(wǎng)格圖(Condie,1982),也獲得了相似的趨勢。在15 Myr的不長時(shí)間間隔內(nèi)地殼厚度增加了1倍以上,顯然只有大陸碰撞的環(huán)境才有可能。

4.3 構(gòu)造環(huán)境

林子宗火山活動(dòng)反映了區(qū)域構(gòu)造演化過程。從始新世早期約65 Ma,隨著新特提斯洋的關(guān)閉,印度-亞洲大陸開始碰撞,在岡底斯南部形成林子宗火山巖。

林子宗火山活動(dòng)期間,典中旋回火山巖以鈣堿質(zhì)安山巖為主體,其地球化學(xué)特征與典型的弧火山巖相似(莫宣學(xué)等,2003),也與早期的桑日群火山巖類似(李皓揚(yáng),2006),應(yīng)與碰撞初期北向俯沖的新特提斯洋殼殘片有關(guān);從年波旋回火山巖開始,以酸性巖為主并有鉀玄質(zhì)火山活動(dòng)(董國臣等,2005),反映新特提斯海洋俯沖板片消耗殆盡,代之以增厚陸殼巖漿活動(dòng)為主,以至于最晚期的帕那旋回火山活動(dòng)強(qiáng)烈,流紋質(zhì)火山巖的總厚度2184米(董國臣等,2005),構(gòu)成50 Ma的火山活動(dòng)峰期。這后期的酸性火山活動(dòng)恰與岡底斯花崗質(zhì)侵入巖時(shí)限一致,暗示著與某種深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制——可能是向北下沖板塊的“折返”共同作用有關(guān)。即自大陸碰撞開始,至林子宗火山活動(dòng)中后期,板塊下沖速度銳減而產(chǎn)生足夠的后拖拽力,使得已消減的新特提斯洋板塊殘余與下沖的大陸板塊因拖曳而下沉變陡,造成軟流圈物質(zhì)上涌,誘發(fā)巖石圈地幔及上覆地殼發(fā)生部分熔融,形成大規(guī)模巖漿活動(dòng)(李皓揚(yáng)等,2007)。

5 結(jié)論

(1)林子宗火山巖早期(典中組)盡管含有較多的弧火山巖特點(diǎn),而中、晚期(年波組、帕那組)具有明顯的碰撞-后碰撞火山巖特征,總體應(yīng)為碰撞-后碰撞條件下產(chǎn)生的具有俯沖有關(guān)弧印跡的火山巖。

(2)林子宗火山巖特征顯示出地殼厚度變化,從早期的30～40 km,變化到晚期的65～75 km,在約15 Myr的時(shí)間間隔內(nèi)增加了1倍以上,暗示著大陸碰撞的環(huán)境。

(3)林子宗火山巖組合的形成從碰撞開始持續(xù)到后碰撞階段,從而可以進(jìn)一步推測,林子宗火山巖底部的不整合面實(shí)際上是印度-亞洲大陸碰撞的結(jié)果,林子宗火山巖底部的年齡64 Ma,大致可以代表碰撞的開始時(shí)的間。

感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見,為進(jìn)一步提高稿件質(zhì)量提供了必不可少的幫助,同時(shí)感謝編輯部老師對本文的細(xì)致審閱和建設(shè)性意見。投身地質(zhì)大調(diào)查,從事青藏高原及三江地區(qū)巖漿巖地質(zhì)多年,幸有潘桂棠老師指導(dǎo)和教誨,獲益頗豐,正值先生八十誕辰,撰文以志紀(jì)念。