揚(yáng)子陸塊西北緣拉伸紀(jì)三期巖漿作用對(duì)Rodinia超大陸裂解的指示意義

張曉琪,趙達(dá)成,李章志賢,陳立輝

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069)

華南板塊由揚(yáng)子陸塊和華夏陸塊在早新元古代沿江南造山帶,碰撞拼合成為一個(gè)整體[1]。華南板塊分布有大量新元古代巖漿巖,是研究新元古代羅迪尼亞超大陸聚合與裂解、大陸巖石圈生長與再造過程的絕佳實(shí)驗(yàn)室。

前人在對(duì)揚(yáng)子克拉通早期演化歷史的長期研究中發(fā)現(xiàn),揚(yáng)子克拉通邊緣在晚中元古代到新元古代拉伸紀(jì)早期(>860 Ma),發(fā)生了一系列與Rodinia超大陸聚合有關(guān)的洋殼俯沖和增生造山事件。例如,在揚(yáng)子?xùn)|南緣,出露有1 100～900 Ma田里片巖[2],930～900 Ma雙溪塢鈣堿性巖漿弧[3-4]和1 000～900 Ma象征古老洋殼殘片的贛東北蛇綠巖[5];在揚(yáng)子西北緣,出露有1 000～900 Ma廟灣蛇綠混雜巖[6-7],950～900 Ma三岔子蛇綠混雜巖[8]和大量1 000～860 Ma具有島弧性質(zhì)的侵入巖和火山巖[9-19]。這些地質(zhì)事實(shí)見證了新元古代早期俯沖作用對(duì)揚(yáng)子克拉通的影響。

然而,在探討揚(yáng)子克拉通從Rodinia超大陸裂解出來的時(shí)間和機(jī)制時(shí),出現(xiàn)了兩種截然不同的成因模式:裂谷模式和俯沖模式?！傲压取蹦Ｊ秸J(rèn)為880～740 Ma的巖漿活動(dòng)是由地幔柱[9,20-24]或造山垮塌[25-26]導(dǎo)致的板內(nèi)非造山巖漿活動(dòng),與Rodinia超大陸裂解的時(shí)限一致。在揚(yáng)子克拉通識(shí)別出了850～740 Ma與裂谷巖漿作用有關(guān)的雙峰式火山巖[21,27-30]、大陸溢流玄武巖[31-32]、鎂鐵質(zhì)巖墻[33]及代表非造山成因的酸性和堿性巖等[34-35],還獲得了大量象征著裂陷垮塌重熔作用過程的低δ18O巖漿活動(dòng)證據(jù)[36-39]。然而,該模式不能很好地解釋860 Ma之后沿?fù)P子克拉通邊緣廣泛出露的鈣堿性巖漿巖以及它們與島弧玄武巖類似的巖石地球化學(xué)特點(diǎn)。

基于此,一部分學(xué)者提出“俯沖”模式,他們認(rèn)為新元古代早期(1 100～740 Ma)在揚(yáng)子克拉通西緣至北緣存在一個(gè)東南向俯沖的攀西—漢南活動(dòng)大陸邊緣弧,揚(yáng)子西北緣廣泛分布的新元古代早期巖漿巖均是洋殼向揚(yáng)子克拉通底部俯沖作用的產(chǎn)物[12-14,17,40-51]。但“俯沖”成因也存在諸多問題，首先是缺少與俯沖背景吻合的巖石和礦物學(xué)證據(jù)[52],并且未在揚(yáng)子克拉通西北緣見到類似揚(yáng)子?xùn)|北緣蘇魯—大別造山帶類似的同期折返高壓-超高壓變質(zhì)作用和相關(guān)變質(zhì)巖[25,53]。

本文選擇揚(yáng)子陸塊西北緣為研究區(qū),統(tǒng)計(jì)了從揚(yáng)子陸塊東北緣至西南緣45個(gè)新元古代巖漿巖全巖地球化學(xué)、Sm-Nd同位素、鋯石U-Pb年代學(xué)和Hf同位素地球化學(xué)特征,綜述該地區(qū)新元古代拉伸紀(jì)巖漿巖的時(shí)空分布規(guī)律和地球化學(xué)特點(diǎn),探討它們對(duì)揚(yáng)子西北緣構(gòu)造轉(zhuǎn)換的指示意義。

1 揚(yáng)子陸塊西北緣新元古代拉伸紀(jì)巖漿巖時(shí)空分布

由于新元古代早期經(jīng)歷了從拉伸紀(jì)(1 000～720 Ma)、成冰紀(jì)(720～635 Ma)到埃迪卡拉紀(jì)(635～541 Ma)3個(gè)漫長的地質(zhì)時(shí)代,涉及到大量的巖漿活動(dòng),本文僅綜述揚(yáng)子西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖的年代學(xué)和巖石地球化學(xué)特征,以及它們代表的地殼生長和再造過程。

圖1展示了揚(yáng)子西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖的空間分布,對(duì)應(yīng)的鋯石U-Pb年齡、Hf-O同位素和全巖εNd(t)同位素信息見表1。從圖1可以看出,拉伸紀(jì)巖漿巖雖然沿?fù)P子陸塊邊緣呈帶狀分布,但它們空間分布與侵位時(shí)間的相關(guān)性是隨機(jī)的。

在揚(yáng)子陸塊北緣,最古老的拉伸紀(jì)巖漿巖在湖北神農(nóng)架地區(qū)、三里崗三陽斷裂帶零星被發(fā)現(xiàn)。Qiu等發(fā)現(xiàn)了神農(nóng)架群堿性、鈣堿性玄武巖和拉斑質(zhì)安山巖的協(xié)和年齡1 103±8 Ma[15],代表該套火成巖的結(jié)晶年齡。在揚(yáng)子陸塊西北緣,漢南米倉山地區(qū)和碧口地區(qū)是拉伸紀(jì)早期巖漿巖主要出露地區(qū),成巖年齡大多在900～870 Ma之間。出露巖體包括950～890 Ma 西鄉(xiāng)群[9],898～890 Ma柳樹店輝長巖[14,18],891±7 Ma坪河堿性巖[18],880～870 Ma碑壩輝長巖[49,54]和約880 Ma碧口群輝長巖和閃長巖[46,55-56]。在揚(yáng)子西緣,大部分1 000～860 Ma巖漿活動(dòng)是以碎屑鋯石的形式被記錄下來[47,57]。最古老的拉伸紀(jì)巖漿巖發(fā)現(xiàn)于攀西石棉地區(qū)(1 066±11～938 Ma)[58]。耿元生等[59]和Chen等[60]分別利用鋯石SHRIMP U-Pb和LA-MC-ICP-MS方法對(duì)川西會(huì)理群天寶山組酸性火山巖進(jìn)行了年代學(xué)分析,得到了較為一致的成巖年齡(1 050～1 030 Ma)。此外，在攀西地區(qū),楊崇輝等在米易冷竹關(guān)組地層中識(shí)別出一套1014±8 Ma具有富集Sr-Nd同位素特征的二長花崗巖[61]。Li識(shí)別出一套1 007±4 Ma片麻狀花崗巖[62]。

自860 Ma之后,揚(yáng)子陸塊進(jìn)入巖漿強(qiáng)烈活動(dòng)期。從揚(yáng)子北緣的蘇魯—大別—桐柏造山帶,到西緣的攀西裂谷,目前有30余個(gè)巖體被報(bào)道(見圖1,表1)。

注：圖中數(shù)字與表1中序號(hào)對(duì)應(yīng),相應(yīng)巖體信息見表1圖1 揚(yáng)子西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖分布(改編自文獻(xiàn)[39,59])Fig.1 Distribution of Tonianigneous rocks in northwestern margin of Yangtze Block

表1 揚(yáng)子西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖鋯石U-Pb年齡、Hf-O同位素和全巖εNd(t)同位素信息

續(xù)表1

2 揚(yáng)子陸塊西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖特征

為了盡可能排除成巖期后蝕變對(duì)樣品的影響,本文僅選擇燒失量小于5%的樣品進(jìn)行元素地球化學(xué)投圖。巖石類型根據(jù)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為超基性-基性巖(SiO2<52 wt.%)、中性巖(52 wt.% 65 wt.%)。

雖然揚(yáng)子陸塊西北緣新元古代拉伸紀(jì)巖漿巖在時(shí)空分布上是隨機(jī)的(見圖1,表1),但是在巖石組合和地球化學(xué)特征上卻可以明顯地劃分出:早于855 Ma,855～770 Ma和晚于770 Ma3個(gè)巖漿作用階段(見圖2)。其中早于855 Ma巖漿作用期和855～770 Ma巖漿作用期又可以分成2個(gè)次級(jí)階段,1 000～900 Ma、900～855 Ma和855～830 Ma、830～770 Ma。

2.1 巖石學(xué)特征

第一階段早期(1 000～900 Ma)巖石組合以少量基性巖和中性巖巖漿活動(dòng)為主,缺失酸性巖。900 Ma之后才出現(xiàn)完整的酸性巖、中性巖和超基性-基性巖組合(見圖2A)；第二階段早期(855～830 Ma)仍然是以超基性-基性巖和中性巖組合為主,缺失酸性巖。晚期的巖石組合雖然有中性巖,但中間明顯存在成分間斷,主要的巖石組合以超基性-基性巖和酸性巖為主,顯示出雙峰式巖漿巖特征(見圖2A)；第三階段(晚于770 Ma)具有完整的巖漿巖組合。

圖2 揚(yáng)子西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖年齡與全巖SiO2(A)、MgO(B)、全巖εNd(t)(C)和鋯石εHf(t)(D)相關(guān)圖Fig.2 Plots of whole-rock SiO2 (A), MgO (B), whole-rock εNd(t) (C) and zircon εHf(t) (D)vs. age from the Toniani gneous rocksin the northwestern margin of the Yangtze Block

2.2 地球化學(xué)特征

全巖主量元素哈克圖解顯示(見圖3),揚(yáng)子西北緣不同階段巖漿巖主量元素相關(guān)性趨勢一致。超基性-基性巖的MgO(見圖3A)、TiO2(見圖3B)、Al2O3(見圖3C)、CaO(見圖3D)、P2O5(見圖3E)顯示出較中性巖和酸性巖變化更大的特征,而中性巖和酸性巖則較超基性-基性巖具有變化更大的K2O+Na2O(見圖3F)。超基性-基性巖的TiO2、Al2O3、P2O5、K2O+Na2O與SiO2呈弱的正相關(guān)關(guān)系。MgO、TiO2、CaO與SiO2呈弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。中性巖和酸性巖的SiO2與MgO、TiO2、Al2O3、CaO、P2O5呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與K2O+Na2O呈正相關(guān)關(guān)系。三期巖漿作用的演化趨勢均與拉斑質(zhì)巖漿演化趨勢吻合(見圖4)。由于統(tǒng)計(jì)對(duì)象大多是侵入巖,因此,全巖主量元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)反應(yīng)的是堆晶礦物和巖石類型的區(qū)別。這些侵入巖變化的全巖主量元素特征,表明它們是復(fù)雜的物質(zhì)源區(qū)、巖漿演化和地殼物質(zhì)改造等因素綜合作用的結(jié)果。因此,在利用全巖主量元素恢復(fù)巖石大地構(gòu)造背景時(shí)需謹(jǐn)慎對(duì)待。

早于855 Ma,855～770 Ma和晚于770 Ma 3個(gè)階段巖漿巖的全巖微量元素比值、εNd(t)同位素和鋯石Hf同位素(見圖3),也具有明顯區(qū)別。

圖4 揚(yáng)子陸塊西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖AFM圖Fig.4 AFM diagram of the Toniani gneous rocks in the northwest margin of the Yangtze Block

第一階段早期(1 000～900 Ma),巖漿巖具有高M(jìn)gO(見圖2B),高A/CNK比值,低(La/Yb)N和Eu/Eu*(見圖5),對(duì)應(yīng)巖石正的全巖εNd(t)和鋯石εHf(t),說明該時(shí)期仍然是揚(yáng)子西北緣新生地殼形成的主要時(shí)期。第一階段晚期(900～855 Ma)出現(xiàn)了大量巖漿活動(dòng),巖石類型較全。巖石具有變化較大的SiO2,低TiO2,高K2O+Na2O,大多數(shù)未見明顯Eu異常,全巖εNd(t)以正值為主。這個(gè)階段出露的超基性-基性巖和部分酸性巖,中性巖的鋯石εHf(t)大多以正值為主,少量酸性巖和中性巖鋯石εHf(t)顯示出明顯富集的特征(見圖2,5)。該時(shí)期地球化學(xué)特征顯示,揚(yáng)子西北緣洋殼俯沖作用在1 000～900 Ga進(jìn)入靜止期,900 Ma開始進(jìn)入由弧陸碰撞和增生造山向碰撞后伸展的轉(zhuǎn)換期。

圖5 揚(yáng)子西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖年齡與TiO2(A)、A/CNK(B)、(La/Yb)N(C)和Eu/Eu*(D)相關(guān)圖Fig.5 Plots of TiO2(A), A/CNK(B), (La/Yb)N(C) and Eu/Eu*(D)vs. age from the Tonianigneous rocks in the northwestern margin of the Yangtze Block

第二階段早期(855～830 Ma)，巖石組合仍然是以缺失酸性巖為特征。超基性-基性巖和中性巖顯示出不同的地球化學(xué)特征。超基性-基性巖具有高TiO2,低(La/Yb)N,無Eu異常特征, 全巖值εNd(t)大于零,大部分鋯石εHf(t)同位素顯示為正。同期中性巖則具有變化非常大的(La/Yb)N和Eu/Eu*值。全巖εNd(t)和鋯石εHf(t)同位素均有正有負(fù),并隨時(shí)間演化而越來越富集(見圖2,5)。這些地球化學(xué)特征反映,第二階段早期巖漿活動(dòng)仍然是以虧損地幔來源為主,疊加有地殼物質(zhì)加入,可能為弧陸碰撞造山帶拉張垮塌熔融背景。第二階段晚期(830～770 Ma)，巖石組合以超基性-基性和酸性巖為主,顯示出雙峰式巖漿巖組合特征。全巖εNd(t)和鋯石εHf(t)同位素變化很大,有正有負(fù),并隨時(shí)間演化向晚期慢慢變得虧損(見圖2)。這些地球化學(xué)特征表明,第二階段晚期進(jìn)入到大陸裂谷巖漿活動(dòng)期。

第三階段(770～720 Ma)，巖石組合完整,地球化學(xué)特征與第二階段晚期相近,全巖和鋯石表現(xiàn)出隨時(shí)間演化越來越虧損的特征,暗示第三階段巖漿活動(dòng)仍然處于與大陸裂解有關(guān)的伸展背景。

2.3 揚(yáng)子西北緣拉伸紀(jì)三期巖漿構(gòu)造熱事件

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)揚(yáng)子西北緣新元古代構(gòu)造轉(zhuǎn)換時(shí)間存在3種模型:地幔柱-裂谷[10,21,86]、板片-島弧[13,40,41]和板塊-裂谷[87]模型。地幔柱-裂谷模型認(rèn)為羅迪尼亞超大陸在880 Ma就停止聚合,區(qū)域的擠壓造山作用在此之后轉(zhuǎn)變?yōu)橛傻蒯Ｖ鶎?dǎo)致的裂解作用;板片島-弧模型認(rèn)為揚(yáng)子西北緣經(jīng)歷了長期的洋殼俯沖島弧巖漿侵位,時(shí)間從1 100 Ma持續(xù)到800 Ma甚至更晚;而板塊-裂谷模型則認(rèn)為洋殼俯沖和島弧巖漿侵位在1 100 Ma就結(jié)束了,之后至800 Ma經(jīng)歷了長期的弧陸碰撞和造山垮塌巖漿作用,780 Ma之后進(jìn)入到超大陸裂解和巖石圈拉張熔融階段。

雖然揚(yáng)子陸塊西北緣新元古代拉伸紀(jì)巖漿巖在時(shí)空分布上是隨機(jī)的(見圖1,表1),但是通過統(tǒng)計(jì)和對(duì)比揚(yáng)子西北緣拉伸紀(jì)巖漿巖巖石組合特征和地球化學(xué)特征認(rèn)為,揚(yáng)子西北緣洋殼俯沖和島弧巖漿侵位在1 000～900 Ma進(jìn)入停止期,從900～855 Ma開始進(jìn)入長期弧陸碰撞和增生造山向碰撞后伸展階段。至830 Ma之后,揚(yáng)子陸塊邊緣進(jìn)入到全面的大陸裂谷背景并伴有巖石圈拉張熔融。

3 研究展望

要想明確揚(yáng)子陸塊新元古代大地構(gòu)造背景及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制,還需要對(duì)以下2個(gè)問題進(jìn)行深入探討。

3.1 加強(qiáng)對(duì)超大陸裂解過程中元素及同位素地球化學(xué)行為探討

除了廣泛的新元古代巖漿作用,“18O虧損”也是區(qū)分華南板塊和華北陸塊的重要標(biāo)志之一[36,38-39,53,87-103]?？臻g上,“18O同位素虧損帶”東起威海皂埠鎮(zhèn)—仰口—桃行—東海—青龍山—盧鎮(zhèn)關(guān)—洪廟—碧溪嶺—雙河—石馬一帶,向西在桐城滸灣—隨縣—西峽耀嶺河—鐵瓦殿—寶興—康定—沙巴—攀枝花都有分布。時(shí)間上,不同類型變質(zhì)巖漿巖的原巖年齡和未變質(zhì)巖漿巖侵位年齡一致,都是新元古代巖漿活動(dòng)的結(jié)果,時(shí)間范圍從870～600 Ma都有,跨度約270 Ma。但主要活動(dòng)時(shí)間集中在800～700 Ma,在750 Ma巖漿活動(dòng)表現(xiàn)得最為強(qiáng)烈[36-39,51,53,87,90,93,95,97,103-109]。

前人研究認(rèn)為,高δ18O巖石可能是原巖同化了富18O的圍巖,或者是受到了風(fēng)化和低溫蝕變;而低δ18O巖石則是新元古代Rodinia超大陸裂解、雪球地球事件、高溫大氣降水熱液蝕變和裂谷巖漿-構(gòu)造熱事件耦合的結(jié)果[110]。最近10年,隨著SIMS原位微區(qū)U-Pb年齡和氧同位素分析技術(shù)的進(jìn)步,大量鋯石年齡結(jié)合原位氧同位素?cái)?shù)據(jù)被報(bào)道[36,39,66],引起了研究者們對(duì)揚(yáng)子陸塊邊緣重氧同位素虧損帶成因的熱議。Wang等發(fā)現(xiàn)低δ18O鋯石年齡從870 Ma就出現(xiàn)了[36],在時(shí)間上比前人認(rèn)為的導(dǎo)致巖漿巖發(fā)生高溫水-巖反應(yīng)的Sturtian冰期(726～680 Ma)[111]早了150 Ma,認(rèn)為低氧同位素成因和新元古代冰川在時(shí)間上不能關(guān)聯(lián)在一起。并且在揚(yáng)子陸塊北緣和西緣,很少或幾乎沒有負(fù)δ18O鋯石出現(xiàn)[36,39,51]。Wu等認(rèn)為揚(yáng)子北緣780～750 Ma鐵瓦殿中、酸性侵入體的虧損18O特征可以用受到高溫水-巖反應(yīng)的新生陸殼重熔來解釋[103]。Zhao等在揚(yáng)子西緣的寶興、同德、高家村、冷水箐、大渡口和沙巴報(bào)道了大量具有低δ18O特征的新元古代輝長質(zhì)侵入體[51],認(rèn)為早期俯沖板片流體、沉積物熔體和蝕變洋殼熔體對(duì)巖漿源區(qū)改造有可能是造成這些巖體虧損18O的原因。無論何種成因,揚(yáng)子邊緣“鋯石δ18O虧損帶”為探討拉伸紀(jì)巖漿巖的成巖背景和成巖過程提供了地球化學(xué)記錄,為研究巖石圈水圈相互作用提供了巖石學(xué)對(duì)象。

3.2 重視揚(yáng)子西北緣幔源侵入體關(guān)鍵金屬成礦潛力

揚(yáng)子陸塊西北緣是我國關(guān)鍵金屬(鉑族元素PGE、Co、Cr等)和賤金屬(Fe、Ti、V等)的主要產(chǎn)區(qū)之一。這些金屬礦床的共同特點(diǎn)就是,與基性-超基性幔源侵入體有關(guān)。

從成礦時(shí)間上來說,我國Cu-Ni-PGE巖漿硫化物礦床成礦時(shí)間大多集中在新元古代和古生代,典型的例子就是位于華北克拉通南緣的的金川超大型Cu-Ni-PGE巖漿硫化物礦床(831 Ma)[112]。在揚(yáng)子西緣和南緣也分布有冷水箐中型Cu-Ni-(PGE)硫化物礦床(817 Ma)[113-114],寶壇中型Cu-Ni-Co-(PGE)礦床(982/825 Ma)[115-116]。然而,在揚(yáng)子北緣,除煎茶嶺中型Ni-Co礦床(878 Ma)[117],很少有相關(guān)Cu-Ni-PGE巖漿硫化物礦床被報(bào)道。

從成礦機(jī)制上來說,無論是巖漿硫化物礦床還是巖漿氧化物礦床,想要形成大型-超大型礦床,除了需要具備充足的成礦巖漿供給和合適的物理、化學(xué)和構(gòu)造條件外,目前的研究表明,具有開放的巖漿通道系統(tǒng)也是形成大型-超大型高品位Cu-Ni-PGE硫化物和Fe-Ti-V氧化物礦床的關(guān)鍵[118-120]。

位于揚(yáng)子陸塊北緣的漢南米倉山隆起區(qū)是我國層狀基性-超基性巖主要產(chǎn)出地之一。在長約180 km,寬60 km的范圍內(nèi),有大小巖體幾十個(gè)[121]。其中，以畢機(jī)溝層狀基性侵入體為最大,面積超過500 km2,碑壩、望江山巖體次之,面積達(dá)100 km2以上。目前，畢機(jī)溝和望江山巖體下部均有Cu-Ni-(PGE)硫化物礦化報(bào)道[122-123],但是人們對(duì)其成礦機(jī)制和成礦潛力的研究尚未開始。加強(qiáng)巖石學(xué)、地球物理學(xué)結(jié)合地球化學(xué)深部找礦勘探,查明揚(yáng)子陸塊巖石圈組成和結(jié)構(gòu),是提高隱伏礦床探測技術(shù)的基礎(chǔ)。

致謝：在文章撰寫過程中，得到了朱韌之博士、秦江峰博士、李曉彥博士和張超博士的建議，在此一并表示感謝。