班公湖-怒江缝合带蛇绿岩成因探讨

班公湖-怒江缝合带蛇绿岩成因探讨

在造山带，蛇绿岩是一组含糊不清的镁-超镁岩，记录了大洋藻裂至洋盆成熟、大洋藻裂和大陆增生的过程，对青藏高原的形成和发展过程非常重要。班公湖-怒江缝合带（简称班怒带）位于青藏高原中部，呈东西向展布，西起班公湖，向东经过改则-东巧-丁青，转至东南沿怒江河谷延伸出西藏（图1），在我国境内东西长两千多千米，南北宽十几至近百公里。班怒带位于拉萨地块和羌塘地块之间，该缝合带代表了中特提斯洋的残余，记录了拉萨地块与羌塘地块的缝合碰撞历史（班怒带中段的东巧地区蛇绿岩发育较好，自北向南可划分出四个亚带（图2），包括(1)安多亚带，(2)东巧-伦坡拉亚带，(3)江错湖区亚带，亦称白拉（拉弄）-依拉山亚带，(4)永珠-纳木错亚带（确认蛇绿岩的构造环境是研究后续洋壳俯冲和块体碰撞的基础，对研究班怒洋的演化至关重要。尽管前人对东巧的辉绿岩和玄武岩开展过研究，取得了一些认识（1志留系、泥盆系东巧蛇绿岩由东、西两个岩体组成，以强玛镇为中心，以西为东巧西岩体，以东为东巧东岩体，两个岩体相距约8.5km，均呈东西向展布，有人认为两者为相连的同一蛇绿岩，是兹格塘错湖水将其分开（研究区出露最老的地层为志留系和泥盆系的古生代地层，与蛇绿岩相伴的为侏罗系和白垩系的中生代地层，而古近系、新近系和第四系等新生代地层为蛇绿岩形成之后的盖层。志留系和泥盆系均为一套海相碳酸盐岩建造，遭受了不均衡的区域变质。中下侏罗统为一套碎屑岩夹碳酸盐岩建造，上中侏罗统为一套较为典型复理石，局部夹浊积砾岩建造。白垩系为海陆交互相和河流相，下白垩统具台地相碳酸盐岩特征，上白垩统为山间盆地红色磨拉石建造。古近系、新近系及第四系为陆相沉积，其中古近系牛堡组和新近系康托组亦为山间盆地红色磨拉石组合。第四系为山间盆地松散堆积（东巧东岩体的岩石组合为变质橄榄岩和玄武岩，其中超基性岩面积约20km西岩体岩石组合为变质橄榄岩、混杂岩、玄武岩、辉长辉绿岩和放射状硅质岩（2辉绿结构岩石辉绿岩样品取自东巧西段，采样位置为32°02′44″N,90°31′28″E（图3）。辉绿岩呈脉状产在玄武岩中，近东西向展布。岩石为块状，风化面褐色，新鲜面灰绿色、灰黑色。岩石中斑晶为斜长石和辉石，近平行排列，为岩浆流动导致，斑晶中的斜长石为半自形-自形，辉石为他形，基质为隐晶质（图4）。显微镜下，辉绿岩为显微似斑状结构、辉绿结构和嵌晶含长结构。其中辉绿结构十分典型，表现为自形斜长石搭成近三角形格架，其中充填他形辉石。嵌晶含长结构的特征是，在粗粒辉石晶体中，分布一些自形斜长石，辉石生成时间晚于被包含的斜长石。嵌晶含长结构的岩石形成温度低于辉绿结构的岩石（玄武岩样品取自辉绿岩周围，采样位置为32°00′56″N,90°31′27″E。玄武岩有多个露头，每个露头从十几平方米至数十平方米不等，相连起来的总面积可达数十平方千米。玄武岩近东西向展布，北与白垩纪火山岩构造接触，南被第四系覆盖。玄武岩风化面为黑褐色，新鲜面为黑色、灰黑色。手标本矿物多为隐晶质，见少量细粒斜长石和辉石斑晶。岩石呈块状构造和枕状构造，岩块之间构造叠置现象明显，具有弧形冷凝边（图4）。显微镜下，玄武岩呈显微似斑状结构，斑晶为辉石和斜长石。辉石斑晶为半自形-他形，粒径0.5～1mm，最高干涉色为一级橙，少数可达二级蓝。斜长石斑晶自形程度高于辉石，粒径0.5～1mm，发生不同程度的绢云母化和粘土化，最高干涉色为一级灰。岩石中发育有多条细小的方解石脉。基质为间粒-间隐结构，表现为小板条状的微晶斜长石组成的不规则空隙中充填有小颗粒辉石和隐晶质，基质中的斜长石发生有绢云母化。气孔和杏仁几乎不发育（图5）。3锆石u-pb定年对5个辉绿岩和8个玄武岩样品进行了岩石主量元素和微量元素的测定。辉绿岩和玄武岩的主微量测试在国土资源部国家地质实验测试中心完成，主量元素用X射线荧光光谱仪（XRF-PW4400）测试，分析精度小于2%～8%;FeO采用重铬酸钾标准液滴定法测量，分析精度小于10%；稀土微量元素采用等离子质谱仪（ICPMS-PE300D）测试，含量大于10×10选取两件东巧玄武岩样品（编号17YQ-7-10和17YQ-8-8）和一件辉绿岩样品（编号17YQ-6-14）进行锆石U-Pb定年。锆石分选是在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成，主要步骤有：粉碎至80～120目、水淘洗、磁选、重液分离、实体双目镜挑选出锆石。锆石样品制靶工作在北京锆年领航科技有限公司完成，透、反射照片和阴极发光（CL）图像的拍摄在中国地质科学院大陆构造与动力学国家重点实验室完成。锆石U-Pb同位素定年实验是在中国科学技术大学激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）实验室完成。ICP-MS为Agilent7500。剥蚀系统为Geolas2005激光剥蚀系统，激光器为193nmArF准分子激光器。在激光剥蚀的过程中采用He作为载气，激光剥蚀束斑直径为32μm，剥蚀深度为20～40μm。锆石年龄计算采用国际标准锆石91500作为外标，元素含量采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NISTSRM610作外标，4分析的结果4.1岩石的地球化学特征辉绿岩和玄武岩样品的全岩分析结果，包括主量、微量元素和稀土元素在表1中给出。4.1.1岩石蚀变程度特征辉绿岩5个样品的烧失量在0.77%～1.25%，表明样品较新鲜，蚀变程度较低。为了便于对比和讨论，表2中列出了本样品及世界上典型的N-MORB、E-MORB、OIB和IAB的部分主量元素的参考值或参考范围。由表2可知，SiO玄武岩的8个样品的烧失量在1.39～2.34，烧失量较辉绿岩略微偏高，表明岩石蚀变程度略有增高。由表2可知，SiO扣除烧失量归一化处理后，样品在岩石分类图解中落在玄武岩和玄武安山岩过渡范围内（图6a），在岩石系列判别图解中落在低钾拉斑系列和钙碱性系列过渡区域（图6b）。4.1.2小型木材辉绿岩的稀土元素总量为40.22×10玄武岩的稀土元素总量为45.71×104.2锆石u-pb年代学选取辉绿岩样品1件（样品编号17YQ-6-14），玄武岩样品2件（样品编号17YQ-7-10和17YQ-8-8，后称玄武岩-1和玄武岩-2），用于锆石U-Pb年代学研究。前人研究表明，东巧地区蛇绿岩形成年龄主要在180Ma左右（4.2.1锆石u-pb年龄在约20kg重的辉绿岩样品中选出了61粒锆石。锆石颗粒颜色为透明-浅褐色，粒度从30μm至200μm不等，大多集中在50～100μm。形态复杂，有他形，半自形和自形，多为他形粒状和半自形短柱状。阴极发光图像（CL）显示，锆石内部大多见明显的振荡环带，部分为弱环带或者无环带，有些锆石周围发育增生边，少数含有继承核。选择具代表性的28粒岩浆锆石进行LA-ICP-MS原位微区U-Pb锆石定年分析，其特点是有明显振荡环带或弱环带且未发生明显变质重结晶，分析选点时尽量避免包裹体和裂隙。锆石的U-Pb年龄数据见表3，锆石年龄分布曲线和年龄分布直方图见图8，由表3和图8可以看出，辉绿岩锆石的年龄值跨度大且较分散，年龄值变化范围从47Ma到2454Ma。根据前人获得的东巧蛇绿岩的年龄值（4.2.2s原位微区u-pb年龄在约20kg重的玄武岩-1样品中选出了64粒锆石。锆石颗粒颜色为透明、浅褐色和浅粉色。锆石粒度从40μm至200μm不等，大多集中在100～120μm，形态从他形-自形，多为他形粒状和半自形短柱状。阴极发光图像（CL）显示，锆石内部大多可见明显的振荡环带，部分为弱环带或者无环带，有些锆石边部见有增生边和变质重结晶。选择具有代表性的27粒岩浆锆石进行LA-ICP-MS原位微区U-Pb锆石定年分析，锆石获得的U-Pb年龄数据见表4，锆石年龄分布曲线和年龄分布直方图见图10，由表4和图10可以看出，玄武岩-1锆石年龄值也较分散，该特征与辉绿岩样品的年龄值十分相似，年龄值跨度为51Ma至2099Ma。同理，将年龄与班怒带蛇绿岩年龄相近的锆石列为第一组，其年龄分布在156～220Ma（图11a）。第一组有4粒锆石，为半自形-自形柱状，锆石环带清晰，CL图像较暗，Th/U平均值为0.76，具有岩浆锆石的特征，其年龄可能代表着蛇绿岩的年龄。将年龄小于班怒带蛇绿岩年龄的锆石列为第二组，其年龄分布在51～125Ma（图11b）。第二组锆石有8粒，为半自形-自形柱状，锆石环带清晰，CL图像相比第一组稍明亮，Th/U平均值为0.94，具有岩浆锆石的特征，第二组锆石可能代表着后期的岩浆事件，发生在蛇绿岩洋壳侵位和上陆后阶段。将年龄大于班怒带蛇绿岩年龄的锆石列为第三组，其年龄范围分布在345～2099Ma（图11c）。第三组锆石有15粒，为浑圆状-半自形板状，具振荡环带、弱环带或无环带，具环带者多含有增生边，CL图像较暗，Th/U平均值为0.56，包含有变质增生锆石和碎屑锆石，第三组锆石可能是岩浆上涌时捕获的地壳中的锆石或原始地幔中残留的早期俯冲板片所携带的地壳中的锆石。4.2.3岩石学和年龄在约20kg重的玄武岩-2样品中选出了36粒锆石。锆石颗粒颜色为透明、浅褐色和浅粉色。从锆石CL图像观察，该锆石粒度从40μm至180μm不等，大多集中在60～80μm，相对其他样品粒径较小。形态上从他形-自形均有存在，多为他形粒状。锆石内部部分可见明显的振荡环带，多为弱环带或者无环带，有些锆石边部见有增生边和变质重结晶。选择具代表性的26粒岩浆锆石进行LA-ICP-MS原位微区U-Pb锆石定年分析，锆石获得的U-Pb年龄数据见表5，锆石年龄分布曲线和年龄分布直方图见图12，由表5和图12可以看出，玄武岩-2锆石年龄值与前两个样品具有可对比性，即年龄值分散且跨度大，年龄值区间为从47Ma至2454Ma。将年龄与班怒带蛇绿岩年龄相近的锆石列为第一组，其年龄分布在170～218Ma（图13a）。第一组有3粒锆石，为半自形-自形柱状，锆石环带清晰，CL图像较暗，Th/U平均值为0.91，具有岩浆锆石的特征，其年龄可能代表着蛇绿岩的年龄。将年龄小于班怒带蛇绿岩年龄的锆石列为第二组，其年龄分布在51～125Ma（图13b）。第二组锆石有7粒，为半自形-自形柱状，锆石环带清晰，CL图像相比第一组稍明亮，Th/U平均值为1.02，具有岩浆锆石的特征，第二组锆石可能代表着后期的岩浆事件，发生在蛇绿岩洋壳侵位和上陆后阶段。将年龄大于班怒带蛇绿岩年龄的锆石列为第三组，其年龄范围分布在345～2099Ma（图13c）。第三组锆石有16粒，为浑圆状-半自形板状，具振荡环带、弱环带或无环带，具环带者多含有增生边，CL图像较暗，Th/U平均值为0.58，包含有变质增生锆石和碎屑锆石，第三组锆石可能是岩浆上涌时捕获的地壳中的锆石或原始地幔中残留的早期俯冲板片所携带的地壳中的锆石。5岩石特征特征上述岩石地球化学结果表明，东巧蛇绿岩中的辉绿岩兼具IAB和N-NORB的特征，玄武岩具有E-MORB的特征和样品的锆石年龄跨度大等特点。以下讨论通过这些样品的特征所反映出的源区性质，形成的构造环境，以及同一地区其他岩石组合的佐证，例如地幔橄榄岩等。5.1蛇绿岩岩石的nb/u比地壳混染对研究源区为地幔的岩石的成分和成因的探讨会产生一定程度的影响。但一般认为，蛇绿岩受陆壳混染的可能性很小，除了后期改造作用外，蛇绿岩几乎与陆壳物质没有任何关系（识别岩石是否受到地壳物质的混染，岩石的Nb/U比值通常可以作为衡量指标，这是由于Nb和U在地幔部分熔融过程中的分异不明显。研究表明，地壳的Nb/U值约为10，原始地幔的Nb/U值约为34,N-MORB的Nb/U值约为50,E-MORB的Nb/U值约为46(5.2源区岩浆上涌活动中的锆石本研究分析的3个样品的锆石年龄值显示出相似的特征，即年龄值区间变化大，且都较分散，没有对应的谐和年龄。根据锆石的形态和年龄值区间，为便于讨论，将锆石年龄值分为3组（表6）。对锆石成因有以下几种可能，(1)锆石与以脉体形式侵入的后期岩浆有关；(2)岩石自身结晶时形成的锆石；(3)锆石为原始地幔中残留的早期俯冲板片所携带的地壳中的锆石；(4)锆石为源区岩浆上涌时从地壳中捕获所得，前文已经论述了并没有发生地壳的混染，即第四种可能性被排除。第一组锆石从形态特征和Th/U比值来看，据有岩浆锆石的特征，与班怒带上的蛇绿岩的年龄相近，应该代表辉绿岩和玄武岩的形成时代。前人在研究区所测得的锆石年龄多在180Ma左右（第二组锆石，即年龄小于班怒带蛇绿岩年龄的锆石（37～141Ma），从锆石形态和Th/U值可以确定为岩浆锆石，这些锆石对应着不同的岩浆事件。研究区的岩浆活动研究相对较少，但在研究区南侧发现有136Ma的岛弧岩浆岩和110Ma的流纹岩（QiangBaZhaxietal.,2016），西侧相距约300km的改则发现有16～60Ma的火山岩（第三组锆石年龄值为293～2554Ma，既然它们不是岩浆上涌捕获的锆石，那么就只是源区所残留的锆石。研究表明，俯冲板片向下俯冲的深度可达400km以上（5.3岩浆分离和结晶作用以及起源区域的性质本研究表明，辉绿岩和玄武岩的Ni含量随着Mg5.4辉绿岩的形成时代张旗（东巧辉绿岩明显亏损高场强元素，并具有不同的程度的Nb、Ta的负异常，表现出似岛弧的火成岩特征，表明岩石由遭受消减板片流体交代的地幔源区部分熔融形成，另一方面，辉绿岩也表现出N-MORB的特征，与洋中脊玄武岩相似。因此，辉绿岩兼具岛弧火山岩和洋中脊玄武岩的成分特征，指示辉绿岩形成于弧后盆地或弧前盆地。在Yb-V和V-Ti图解中落入MORB和BABB重叠区域，Th/Yb-Nb/Yb和Th在洋内岩石圈上形成的Mariana弧后盆地和在大陆岩石圈基底上产生的Okinawa弧后盆地，前者轻稀土略亏损，后者轻稀土强烈亏损（关于现代大洋弧后盆地出现的E-MORB和OIB则被认为是弧后盆地后期阶段的产物（和钟铧在班怒带东段的凯蒙蛇绿岩中发现兼具IAT和MORB特征的辉长岩，认为凯蒙蛇绿岩形成于不成熟弧后盆地环境（5.5东巧地表岩岩石成因蛇绿岩是一套特殊的镁铁质-超镁铁质岩石组合，其底部的地幔橄榄岩的形成与蛇绿岩构造背景息息相关。关于东巧蛇绿