板片脱落_阿尔卑斯山脉同碰撞岩浆作用和构造模式.pdf

第1 3卷第 l期 199 6 年 3月 地质科 学译丛 Jou r畜 lalofGe osCie nCeTr arlslatio rls V ol 13 M 泣t 叮 板片脱落 阿尔卑斯山脉同碰撞岩浆作用和构造模式 Fried h e 一m von B一 anc k en b urg 等 D e Pa rtment ofEa rth S ei c ees U liver sity of Ca r lbridge Engla nd 摘 要 板片脱落就是在大陆碰撞期间俯冲的大洋岩石圈在浮力趋动下同一起俯冲的较轻大陆岩石圈拆离 na vies 和 u 1 B lan ekenbu rg 一 g 4 在他们近期的文章中通过热力学模拟估算了引起脱落的物理条件 并预百了造山 带演化过程中的各种结果 脱落在涌升软流圈的作用下使得掩复岩石圈地慢加热 富集层熔融 形成了双峰态岩桨 作用 脱落也导致俯冲地壳岩石圈的受热弱化 使得在地慢深部裂散的地壳碎片因浮力而上升 我们将板片脱落模 式用于研究欧洲阿尔卑斯山脉在第三纪的演化 阿尔卑斯山脉玄武质和花岗质岩浆作用出现在4 2 M 和朽 Ma之 间 是在俯冲和大陆碰撞引起洋盆封闭之后发生的 现在认为 花岗岩类是由玄武岩与同化的大陆壳混合而形成的 为了确定部分地慢熔体形成的构造决定因素 我们收集并分析了已发表的整个阿尔卑斯弧的大量镁铁质岩墙的地球 化学和同位素数据 痕量元素和同位素成分表明 它们是通过力学上稳定的岩石圈地慢的低度熔融形成的 我们没 有见到软流圈地慢熔融的证据 在不到5 0 km 的深处 没有发生减压 板片脱落一旦开始 便迅速地侧向迁移 并 在受热弱化的地壳处形成线式岩浆活动带 这解释了为什么所有的阿尔卑斯岩桨几乎同时沿环 亚得里亚线性断裂带 的走滑断层侵位 通过对俯冲到 100km 深处的Pe n nj l lic 高压岩石年龄 的分析 发现俯冲作用发生在约5 5 一相M a 问 隆升作用发生在 40一35Ma 间 从隆升和岩桨作用开始的短暂时间间隔来看 我们推断这两个过程都是由脱落 作用引起的 板片脱落模式在阿尔卑斯地区得到了验证 因此 也支持了建二在地质基础上设想 的理论模式 我们 认为 岩桨活动与高压岩石回升地表的特征性组合将可在地表造山带鉴别板片脱落作用 0 引言 同 碰 撞岩浆作用是造山带最 突 出 的特征之 一 在许多 实例中 越来越多 的同位素 一地 球化学数据表 明 许多岩浆岩中都卷入了一些地慢熔体 这与岩 石 圈加 厚 对地热显著降低的构造背景相矛盾 岩石 圈的 伸 展 可 形 成部分地慢熔体 然 而 岩浆在挤压 而 不是拉张应 力场中的侵入作用 正 在成为一 个普通 受关注 的就位方式 过去几年 许多人认为 这些熔 体 的形成 可 用造山带岩石圈山根 的扰动 比如拆沉 和 加厚 的热边界层对流回转来解释 但是 这 些模 式既 没有考虑大洋岩石 圈俯 冲进入地 慢 的深度 也 没 有考虑大陆岩石 圈进入地慢的深度 如果被动大 陆边缘被俯 冲 那么上述俯冲先 于大陆碰撞 此外 许多造 山带的野外证据和地质年代学数据表明 花 岗岩类岩浆的侵入是在高压推覆体 匕升并进入 中地 壳层次 之后发 生 的 近年来 o avie s 和 von B la neken b urg 用板 片脱 落模式解释 了 上述 现 象 当轻的大陆 岩 石 圈 随着致 密 的大洋岩石圈进入俯冲带 时 就会发生板 片脱 落 深部的反向浮 力作用将在板片内部形 成强烈 的拉张 力 形成裂谷式破裂 最终洋壳板片撕裂和下 落 脱 落 的条件可通过岩石 圈的强度与浮 力的对比模拟 得 到 紧邻掩复的板块岩石 圈地慢的上升软流 圈热 地 1漫 将充填 到所形成的裂谷式破裂中 传导 的 热 将 导致岩石圈 富 交代层 发 生部分熔融 产 生 碱性的 超钾质的或钙碱性玄武岩 这些 玄武岩上升进入地 壳 在地壳 中受到热构造效应 导致地壳熔融 形 成 双峰态 岩浆作用 脱 落前 俯冲地 壳受热 弱 化 会 使 其顺层拆离而增生 到掩 复的板块下 当俯 冲到地 慢 深度时 这样的逆冲岩席 将最 后 通 过脱落期间的 加 热 变弱 和 松 驰 而被裂散 由于逆 冲岩席与周 围地 慢在密度卜的差异 它们可能沿着俯冲逆冲路 径迅 速 浮升返回地壳 大陆碰撞期问 原始缝合线 面 的变陡和 逆冲断层 的 反向扩展将在造山带中心 产生 明显 的影 响 表现 为侵入体分别在掩 复板块和原先 卜冲的板块里就 位 对于脱落的其它结果 Da vie 译稿收到日期 199 5一1 1一1 3 地质术 学译丛 和 v o n Bla n eken bu rs 没有详细地讨论 它们表现 为 在重根部丧 失后 造 山带潜能 的普遍变化 可能引 起地 形的发育 侵蚀作用 伸展变形以及伴生的热 变 质作 用 这 样 板片脱落就形成了造山带一套特征性现 象组 合 这套组合与其它 产生同造山岩浆作用 的机 制如拆沉 热边缘层 的迁移和岩石圈伸 展 等 的组 合 明显不同 这 些特征 现象组合使得板片脱落过程成 为造山带构造学 中 的重要步骤 双峰岩浆作用 既包括 玄武质部分熔体又包 含 最可能通过下地壳熔 融 lf l J且有 地 慢亲 缘性的 花岗岩类 2 迅 速隆升 而 后暴 露 的高压和超高压岩石 3 区域变质作用 1 伸展构造 5 山 间盆地和邻近 盆地 中的侵蚀 产 物 欧 洲阿尔卑斯山脉第三纪 的演化 为该模式应用 于造山带 构造研究提供了理想 的试验场 所 丰 富的 地质 地球物 理 同位素资料 使得阿尔卑斯山脉成 为 世界卜研 究得 最 为详细 的造山带之一 榴辉岩和 榴辉 岩相 地壳 岩 石 的出现证实 了大洋壳和 大陆壳 向 地慢深处的 俯 冲 花 岗质和镁铁质岩浆作用 在大陆 碰 撞 的高峰期间 4 0一2 5Ma 产出 同位素的研究 确证 侵入体 的 玄武 质端元是地慢起源 的 热变质作 用也 同时出现 38Ma 间 玄武质和花岗质岩浆作用在近一 步碰撞 时出现 时l 丫叮 为4 2一2 5M a 图Zd和 图Ze 岩浆作 用伴随南北的会 聚和 Pe nl l iniC 单元 的热变质作用 渐新世到今天 会 聚作用都在进行 并形成了现 在 可在阿尔卑斯山脉观察到的深部山根 第三 纪岩浆 作用的起因仍在争论 并 且也将是本文的主题 皿皿血遏瑙岩监尘攫置 置 a a a 会犷前 阳 Ma 粤粤黔罕加喊萦二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二 烈烈严气二二 摆摆溉妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥妥 翌翌壑要二二 附附附 附 川川皿皿皿 卜 一 一 二 二厂 冲叹叹 陈 气赢门 一比 l 钊一 l 父洲大 队 pen n n pen r ic pe ini七子千 dr at e l lelv el cs 洋微 大陆 P rn on t 人陆 南阿 尔 卑用1 阿尔卑斯山脉 阿尔卑斯山脉 图 略 是大洋盆地在大陆 碰撞 后封l匆的结果 至少两个洋盆 Pienl on t 和 valais 海槽 是 在早侏罗纪 约 19 0 Ma 至 I0 0 M a 这段时 间 内形成的 图 2 a 它们被一 个变薄的陆壳 半 岛 Briane on nais 所 隔 开 北 部 欧 洲 和南部 亚得 里业 大陆边缘 可能还有北部 va la i s 海槽组成了变 薄的大陆壳 约自 13 5 M a 亚得里亚微板块和 欧 洲 板 块之间以洋壳俯冲到亚得里亚大陆之下会聚 图 Zb 在这个过程中 逆冲岩席从南部基底分离作 为 推 覆体 奥地利 阿 尔卑斯 越 过洋盆和半岛 P e n nll l ic 没有任何一种俯冲岩浆作用的残 留体出现 在这段时间内 在始新世 业得里亚微板块向北到 西北推 移并与洋 盆靠近 图 Zc 约5 0M a 时 在 v滋a i s 海槽 形成了最 后的沉积物 大陆碰撞出现 一 些奥地利阿尔卑斯单元 象s e si a 区 经过了 白至 纪 的 高压变质作用 Puli l u 等 19 90 把这归于亚得里 亚大 陆边缘 的俯冲 关于 P e n i n i c 洋和 远端欧洲大 陆壳的俯 冲 现 在越来越 多 的 数据证实了它的年龄 是 始新世到渐新 世 所有 年龄 的范 围均在5 5一 3 2 图2反映阿尔卑斯山脉构造演化和俯冲 板块发生脱落的推断性概略图 大陆地壳被划分为正常地壳和减薄的大陆地壳 小 会聚 前 b 大洋俯冲 白垄纪时大陆地壳的俯冲和增牛 图 没有标明 c 大洋和大陆的 P t l l i l i c 地壳 的逆冲岩席运 移到掩复板块下面 且后期在该位置剥露出来 d 致 密的 大洋岩石圈与浮动的大陆岩石 圈分离 这导致热的软流 圈到达力学上的岩石圈基底 下面 结果形成的岩浆最初 侵入到掩复板块下 初始缝合线变陡 引发逆冲断层反向 扩展 俯冲到深部的大陆壳层开始迅速隆升进入地壳基 底 中 分离板片现在落入地极中 引发岩石圈地投下连 续的软流圈流加热并熔融它 增强的过陡作用引起沿亚 得里亚区域断裂带发生反冲断层作用 使得 P c t l n i ni c 逆 冲岩席中也发生侵入体活动 2 阿尔卑斯岩浆作用 在这 一部分 我们用公开发表的地球 化学 的 地 质年代学 资料来推断阿 尔卑斯岩浆作用的时代与特 征是否与板片脱落的模式相协调 利用 同位素和痕 量元素成分 我们得到了引起部分熔融的地慢源 岩 板片脱落 2 3 脱落之 后的地慢加热和熔融模式 前面 的讨论说明 第三纪 阿尔卑斯岩浆作用源 自岩石圈的地慢部分 而 且软流 圈 的熔融没有参与 这意味着拆离发 生 在深度大于5 0 km 的地方 如 果 通常 128 0 的绝热等温线是在大陆下面 那么此深 度将阻碍 干软流 圈地慢的 熔融 该 结论为大陆俯 冲 到 100km 深处所证实 一 旦脱落出现 热 的软流 圈 地慢将被带到 力学匕岩石 圈 的基底 图 8a 略 和 图 sb 略 是用D a vies 和 von B la nekenbu rg 法 19 9 4 展 示的从 10 0k 1 和 8 0 km 深处基底热传导进入岩石 圈 的一维模型 的结果 为了模拟 阿 尔卑斯山脉 的条 件 我们假设脱落发 生在朽M a 该时间是高压岩石 剥露 然后 A d a m el l 岩基 中第一个侵入体侵位的时 间 我 们模拟软流 圈 从朽一3 0M a 连续 供给热 源 然 后是 张日封 闭 导致状态平衡 张口是在持续会聚 中因 一 h l守板片的移去而 裂 开 的 图2 e B ir d 1979 模拟 了热平衡 一一 占 上一一一 一土 口匕 一 的层中 温 度上升慢 些 于 3 5一3 0M a 时开始熔融 如果基底深 8 0 kn 主 导 热温达到 了 3 0M a 于热平 衡开始后 迅速降低 所以岩 浆 作 用将在 2 5一2 0 M a 时 停止 地 球 化学 资料需要 熔融 柱 顶 面深度 80km 这是推断尖晶石 二辉橄榄岩的熔融 这可以 从8 0 km 深的基底模式 中获得 这表明 在碰 撞期 间 因俯冲而厚度 增 大 的 整 个 力学边界 层 必须被俯 冲期间的楔形流和折离过程减到不 到 10 0km 厚 因 此 持续 1 7 M a 的岩浆活动可 由卜 沉 板片诱导 的软 流 圈流 动予以解释 卜 沉 板片能够缓慢加 热 并 部分 熔融 力学 边 界 层 直 到持续的会聚作 用阻 止岩石圈 基底 对软流 圈进一步 的作用 所以温 度 在 3 0M a 时 开始平衡 同前面讨论 的 一样 下降板块的 富集部分会 在 它们与上仆软流圈 直接作用 处 于板片脱落 时发 生部 分 熔 融 除 非 引起洋壳 形 成 的 开 裂期间它 们被消 耗 完 在 阿 尔卑斯 山脉 这将导致 岩浆作 用从北 向南 迁移 然 l i 由于这种情况发 生了逆转 最先 的侵入 体出现 在最 南 部 的 A d a n le l lo 侵入体中 也 由于 没 有看到 剥露 为 P en n i n i c 岩 石 的 广泛 熔 融 所以我 们 认为 掩复板块的端元熔融模式是可 能的 但是如果 出现俯冲大 陆壳的熔融 它将归于掩 复岩石 圈地 慢 的 交代作 用 全全从刃一 一 几刃 刃 下下下 下 图1 0 浮动板块从地馒深处返回 掩复板块地壳中的概略图 掩复板块地壳中将发生伸展或侵蚀这样的剥露作用 a 脱落前 b 脱落后 我们看到 对于 10 0km 的岩石圈基底而言 交 代橄榄岩熔融的临界 温度只能 从 0 0 一8 0 km 深度 得到 而对于8 0 km 的基底 临界 温 度 的 获得 深 度要卜升到 6 0 km 温度 在基底附近迅速卜升 表明 熔体于枪一怕M a 时最先从这 些层中产 生 在 较 浅 3 高压变质作用 3 2 高压推覆体隆升和剥 露 的模式 在大陆 壳俯 冲期问 卜降板 片正象掩复 的板 块 卜可能存在榴辉 岩相镁铁质下地 壳和 岩石 圈地 慢 那 样将被加 热 力学卜弱化和向更 深部的 高 密 度区附 近移动 当密 度差 异 形 成 的 浮 力 超过 了 大陆岩石的 强 度极 限 时 逆 冲岩席可 能会拆沉 瓦解 并增生 到掩 复板块的地壳基底 我们将 va n den B en k e l 的 模 式扩充为俯冲带向下延伸进入了地 慢 就 象阿尔 卑斯地区高 压岩石所 经 历 的 那 样 我 们设 想 俯冲 的岩石堆垛可 能 利用俯冲逆 冲 断 层象 浮 升席 体 一 样 卜升 因 为这是一条 最薄弱的带 图 1Oa 香肠状 榴辉岩块将随轻的富硅质母岩卜升 当密度差减小 时 活动的隆升过程将在掩复板块的上地壳处停 止 停滞在这 里 的推覆体再通过其它作用 比如伸展或 侵蚀而剥露出来 由于板块颈缩期间的强烈加热和 减 弱以及拆 离板片移动后 流变层 的松 驰 板片脱 落 将 使卜述过程 更有利地进行 所以高 压 H P 逆冲块 在整个俯冲过 程 中 一直 在隆 升 直 到脱落过程完 成 在阿 尔 卑斯i lJ脉的 P n oj ics HP 岩石的隆升和岩 33 地质科学译丛 浆作用开始之 间 的 短时间间隔 增强 了浮升逆冲岩 席松驰触发板 片脱落的可能性 上升岩席在隆升期间将受到下 面 和 上面较冷物 质的制 约 它们可能受到 冷 冻 所以减压的 pT 路 径将是 温度下降的过程 在所有非常高压区基 本上 均 可见到 只有在中压 比如象通过 T a u e r n 构 造窗 路径 时的压 力时 才能 见 到 导致减压期间加 热 的 不 同 的剥露作用 4 造山变形 4 1 侵人体的侵位和环亚得里亚区域断裂带的形成 侵入体和岩墙沿着具有反冲和 走滑性质的一条 大断裂带 环亚得里亚线性构造带 侵位 很 可能岩浆的形成与断 层是相 应 发 生 的 板 片脱落一 旦引发 板片的拆离 将以 1 0 km M a 至 10 0 0 km M a 的速 度快速地向侧方移动 这样将形成一 个 直线 状岩石圈加热区 于是沿整 个造山带形成了岩浆作 用 熔体将使岩石圈 弱化 于是在脱 落 的 上覆区将 趋向于形成一 条 构造断 层带 环亚得里亚区域断裂 带造成了亚得里亚板块向欧 洲板块的连续斜 向会聚 断 裂带的 出现促进了岩浆于此 定位 当 它变成了更 大 的地壳薄弱带时 位移更集中于这条带上 在环 亚得里 亚线性构造带上 处于 压缩环境 中活动性增 强的花 岗质熔体更促进了岩体的侵位 近期B e rg el l 云英闪 长岩的研究表明 该岩 浆也侵入到压应 力区 域中 巴西南部的泛 非D o m Felieia no 带也具有相似 的背景 平行造山带的剪切带是由深部岩浆侵位和 局部力学 热松 驰作用的引发而 形成的 T o m ma s i 等 讨 论了熔融 的几个原因 我们认为 板片脱落可作为 具有局部构造运动的岩浆弧 形成的 另一个机制 2 反冲断层作 用 注 意到侵入体既 产 出于 先前掩复板块 奥地利 阿 尔卑斯 南 阿 尔卑斯 中 义象B e rg e n 侵入体那 样产出于 下l守板块 Pen n inic 的推覆体 中 我们认 为 这正是 由于板片部分 增生 到掩 复的板块下 图 Zc 图 10 以致 于上升的熔体可以到达这些部位 一 旦 大陆俯 冲作用进行时 初始缝合线的变陡 作用就 显得尤为重要 图 ZC 由于受大陆壳原地浮 力的影 响 增长的反作用力将通过造山带盖层 下部 逆 冲岩席的增 生和 先前掩复板 块前部的逆冲断层 的 反向扩展而 对 压缩变形进行调整 一 旦大洋板 片分 离 该过 程将进一步增强 图2 d 大陆地壳的实际 不可俯冲性将形成一个过陡的逆冲断层带 图 Ze 在阿尔卑斯 这必然 导致南部陡倾带 沿 环亚得 里 3 刁 亚线性构造带的 中阿 尔卑斯向南 阿 尔卑斯的反 冲作 用 以及 先前 向下运动和掩复的板块 中同压缩花岗 岩侵入体的 形成 注 意到 在东阿尔卑斯 环亚得里 亚侵入体还出现在接近 Pe n n i n i c T a u e r n 构造窗的 地 方 因此 我们以为上 述 的变陡作用肯定影 响 到 整 个阿尔卑斯弧 刁 3 快速侵蚀和持续会聚 岩石圈根部丧失 的后果之 一就是 造山带上升到 稳 定 高度 然后是 伸展或侵蚀 证据是 B e rg e l l 侵 入 体 在侵位之后迅速剥 露 和侵蚀 还可 能 经过 了大 幅度的冰川搬运 在 阿 尔卑斯和其它年轻造 山带下部从深部 反射 地震成果卜观察到 的深地壳根部证明 拆沉 不可 能 发生 但这个问题一直有争议 然而 阿尔卑斯山脉 下 部 的深根只是中新 世到今天会 聚 的结果 该 会 聚 作用 使 得 在约朽 M a 时拆离 的残 留体变得模糊 不 清 我 们认 为 象今天 阿 尔卑斯山脉下 部 的深 地壳 根部 只是 在 板 片脱落通过俯冲作用 使得 大 陆 壳 不 能 向地慢深部 移动 之后 才能 形成 5 讨论 5 热边界层拆离吗 有关岩石圈根移去的其它机制包括整个岩石圈 地慢 的拆沉或加厚的热 边界层 的 对流 移 动 我 们确 信 拆沉在 阿尔卑斯山脉不可能 发 生 因为相关的变 形将影响很大 的地区 比如象 西藏或科罗拉 多高 原 等 同 时 也将造成大规模的地壳熔融 因 为软 流 圈 地慢被直接带到 了下地壳基底 述这两种过 程 在 阿尔卑斯地区都缺失 热边界层 T BL 对 流移动理论 上解 释了第三纪 的岩浆作用 但我 们认为 板片拆离 是 一种更 好 地 解释 阿尔卑斯岩浆作用的方式 主要原 因有 l 俯 冲一直持续到岩浆作用刚 开始前 因此 岩石圈 均 匀加厚不可能 出 现 而 且 俯 冲阶段诱发 的角顶 流 可能 阻碍了热边界 层 的增厚 2 岩浆带的线形特点 表明需要一 个加热岩石 圈 的线形区 比如狭窄的 裂 谷 模 式 3 T BL 的拆离将引起 很 大规模的隆升 然 而 阿尔卑斯前陆和腹陆盆地 磨拉石建造 都是 在岩浆作用期间形成的 5 2 阿尔卑斯岩浆作用和构造 活动的其 它模式 阿 尔卑斯俯冲带演化的一 个突 出特点是火山弧 和前第三 纪岩浆活动的缺失 这与俯 冲作用是从 135 M a 开始的事实有矛盾 不 同的工作者根据俯 冲熔 融 下转第1 5 页 南极半岛西北帕默陆地坎贝尔山脊层状镁铁质岩桨层与富硅质岩桨层分界面处的小规模对流 微品花岗闪长岩 同时提供了收集 地体 中有 意义的古地磁数据的可 能 性 而古地 磁 数据的 收集通常是极难操作的 4 结论 微晶闪长岩 1 Cm 图刁反映图2和图3中构造间关系的略图 力注入作用 对流范围和羽状体半径与 T h o ma s 等 1 993 设 想 的粘度比值达到 0 0 个数量级的液相间 的混合实验结果一致 明显缺乏微晶闪长岩的羽状 体穿入设想的 匕覆微晶花岗闪长岩席的微品闪长岩 包体 这说明微品花岗闪长岩岩席 呈半塑性且可能 在微品 闪 长岩侵位前已局部冷却 如 果仁述现 象 属 实 假 如说 T h o ma s 1 9 3 的对流 泡 沫层模式解释 了 卜述岩浆结 构 那么这种类型 的 结构 则代表了 示顶 底标 志 构造 并用来提供顶 底证据 尽管这种证据 在岩浆区很丰 富 但在 混合岩区却很少 这类构造 门在J欠贝尔山脊的微晶闪长岩和 卜覆微品 花 岗闪 长岩接触处 的微品花岗闪长岩中鉴别出微 品花 岗闪长 岩 C 工 1 尺度的羽状构造 2 这 些羽状构造的 分 布 规模和位置反映 了 其 形成受控于由粘 度控制 且 具有重 力不 稳定性泡沫层 的模式 3 这些羽状构 造 在某些岩浆区提供了顶底的 标志 并且可能具有解释古地磁资料的价值 参考文献 略 译自 Jou rnal o r str u eturaloe olog y 1995 V 1 17 N o 7 p 1071一1075 王强 译陈能松校 办 声匀海 产 兰声 舟马闷导声 办 启 注声 旧s油 八饱声 橄 s产嗯产内连产曰产抽 尹么3 声 脚 之声 声二户怂汤 办召产 八 泛产万声 声 忍声匀产性声5启卜 产 声叼声 卢 声州舟 碑 巴声男户 产曰嗯胭已 办 上接第3 4页 来解释第三纪 阿 尔卑斯岩浆作用 但是它 的 同碰撞 特点使板片脱落模式 更 有说服 力 俯冲岩浆作用缺 失的一 个原因也 许是前渐新世小于 1 Cm a的缓慢 的 会 聚速率 按