造山带碰撞的研究进展

造山带碰撞的研究进展

根据近20年的研究，造山带在板块冲突后仍然非常活跃。在威尔逊旋转的最后阶段，一个完整的破裂造山旋转过程也包括三个相互关联的阶段：（1）陆沉引起的横向缩短和地表挤压导致地壳增厚、地表浮力、地壳根和岩石圈根的形成。（2）地壳根（山根）的榴辉岩相变质作用；（3）地壳根或岩石圈地幔超载的作用，以及造山带的扩张和坍塌，以及莫霍面的再平衡（山根受损）。大于山被视为经过三个完整阶段的造山带的典型代表，但迄今为止，对冲突后造山带的深部过程尚不清楚，也没有深入研究中生代地壳从增薄到减薄的过程以及岩浆岩浆岩的侵蚀关系。本文在此基础上，结合岩石地球化学分析，建议晚侏罗世-早白垩世，大叶花岗岩浆岩的源区和岩浆室逐渐向平面移动，这可能表明地壳的流变学程度以及从压缩和延伸到减小和稀释过程。1中朝克拉通和中朝克拉通大别造山带以超高压变质岩的广泛出露而受到地学界的瞩目.大量的地质年代学研究表明,高压-超高压榴辉岩相变质作用主要出现在245～170Ma之间.这些年龄被看作扬子克拉通陆壳向北俯冲于中朝克拉通之下以及超高压变质作用之后岩石剥露和冷凝的时间.古地磁资料表明,两克拉通在二叠纪首先从东部开始碰撞,然后扬子克拉通相对于中朝克拉通呈顺时针旋转,呈剪刀状逐渐汇聚在一起[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14].研究认为,碰撞作用的结束和两克拉通相对运动停止的时间大约为160Ma,相当于中-晚侏罗世的分界但从挤压向伸展的转换可能更晚,确切的时间需要结合岩浆作用研究加以确定.大别山是世界超高压变质地体中碰撞后花岗岩类岩浆侵入活动最为强烈的地区,花岗质岩石的广泛分布,为洞察中生代深部地壳组成、结构和大陆动力学过程提供了惟一的机会.按照中生代侵入岩的年龄和特征,Ma等曾把大别山中生代侵入岩分为3组,本文的研究主要涉及到其中第2和3组的花岗质岩石.前者一般具有相对亏损HREE和Y且Sr/Y比值较高的特点,这里简称为高S/Y花岗岩,而第3组具明显Sr,Eu和Ti负异常,Sr/Y比值较低,后面称为晚阶段花岗岩.这些花岗岩的围岩,主要为前寒武纪大别杂岩以及中新元古代变沉积-火山岩(图1).除花岗岩外,在北大别地区,还有一些中生代基性-超基性小岩体产出.2同年代研究2.1分析方法及结果本文主要对部分高Sr/Y花岗岩进行了同位素年代学研究.采用单颗粒锆石同位素稀释法对产于超高压变质带内刘家洼二长花岗岩进行了年龄测定(图1).样品的粉碎、锆石的精选、化学处理和锆石U-Pb同位素分析均由天津地质矿产研究所同位素实验室完成.锆石的溶解及其U和Pb分离采用Krogh的方法,U-Pb同位素组成在VG-354热电离质谱计上测定,测试方法、流程和精确度已由李惠民等作了报道.U-Pb分析结果列于表1中,数据处理采用ISOPLOT软件.刘家洼花岗岩是刘家洼杂岩体较晚侵位的岩石类型,该杂岩体位于安徽省太湖县东北约10km的刘家洼村一带.该花岗岩(样品9914)的采样位置为刘家洼水库东南岸以东约300m处,即该杂岩体的东部边缘.该样品共测了5个点,所有的锆石均为无色或浅黄色的透明自形晶.其中,4个为透明长柱状自形晶体,长宽比为4:1～3:1;1个为透明短柱状自形晶体,长宽比为1.5:1,具有岩浆锆石的基本特点.从表1数据可以看出,样品的206Pb/204Pb比值介于110～426之间.除3和5号点外,1,2和4点给出t206>t207>t207/206.在谐和图(图2)上,所有样品均落在谐和线及其附近,其中,1～4号点落在谐和线135Ma附近,而5号点则落在147Ma附近.在206Pb/204Pb较小的情况下,t206较为可靠.1～4点的t206加权平均年龄为135.4±2.7Ma(MSWD=0.326)(见图2内插图).依据锆石的自形形态和高的封闭温度,135.4±2.7Ma应当代表该岩体的侵位年龄.2.2样品的u-qp-ar分析40Ar-39Ar年龄测定在中国科学院地质研究所40Ar-39Ar同位素实验室进行.本文的分流铺花岗岩样品(94-2)采自湖北省浠水县城关东南约8km处(图1).挑选的角闪石和黑云母纯度达98%以上.样品在中国科学院原子能研究所49-2反应堆照射,照射时间为55小时48分钟,照射参数为J=0.01068.用于中子通量监测的样品是我国K-Ar法标准样ZBH-25黑云母,年龄为132Ma.测试仪器为RGA-10气体源质谱计.角闪石和黑云母的坪年龄和等时线年龄见图3,40Ar-39Ar(快中子活化)阶段加热分析数据列于表2中.分流铺花岗岩角闪石阶段加热分析结果得到了139.0±1.0Ma的坪年龄,坪在样品释出的39Ar中所占的比例为92.4%.从图3可见,该角闪石在低温段显示了少量的Ar丢失,而在低温和高温段有少量Ar过剩.而对于黑云母,阶段加热分析结果表明,样品中93%的Ar释放部分确定的坪年龄为125.3±0.2Ma.综合看,角闪石具有较高的Ar封闭温度(530±33℃),得到的年龄接近于岩体结晶年龄;而黑云母Ar的封闭温度较低(315±45℃),其Ar-Ar年龄反映了冷凝年龄.由两个年龄得到的该样品的冷却速率为15℃/Ma.3高sr/y砂岩pb/lear/hfse本文对上述有新的年代学资料的岩体和文献中报道的年龄稍晚的岩体(即第3组)进行了地球化学对比分析,进而讨论它们的地质意义.有关岩体的年龄和代表性成分资料列于表3.Frost等提出了花岗质岩石的新的分类方案,其依据是三个地球化学变量,即Fe数(FeO/(FeO+MgO),这里FeO为全Fe),修改的碱钙指数(Na2O+K2O-CaO)以及铝饱和指数(ASI)(Al/(Ca-1.67P+Na+K)(分子比)).根据这些参数以及ANK(Al/(Na+K)(分子比)),本文所讨论的岩石几乎都属于镁质、碱钙性-碱性及准铝质-弱过铝质的花岗岩(图4(a)～(c)),其中高Sr/Y花岗岩的碱钙指数相对较低,相似于与加厚地壳拆沉有关的碱钙性岩体成分,而晚阶段花岗岩具有较高的碱钙指数,部分岩石可归入碱性类型中.从早到晚,岩石的Fe数增大,碱性增强,表明岩石向A-型花岗岩方向演化.在硅-钾图中,高Sr/Y花岗岩显示了高钾钙碱性特征,而晚阶段花岗岩更为富钾,既有高钾钙碱性岩石,也有部分属于钾玄岩系列的岩石(图4(d)).高Sr/Y花岗岩的LREE/HREE比值范围大,但大离子亲石元素(LILE)对高场强元素(HFSE)的比值(例如,Rb/Nb)比较小((La/Yb)。=10～50,Rb/Nb=7～13),而晚阶段花岗岩的LREE/HREE比值范围较小,但LILE/HFSE比值比较大((La/Yb)n=10～20,Rb/Nb=5～31)原始地幔标准化的不相容元素图(图5)表明,所有岩石都具有明显负Nb异常,而高Sr/Y花岗岩还具有明显的HREE和Y负异常,这后一特点是埃达克岩的典型特征.Nb负异常是现代陆弧岩浆中常见的现象,也可以由古老地壳岩石混染产生,而地壳混染会产生低的εNd(t)值.与新生代埃达克岩和太古代TTG岩石相比,高Sr/Y花岗岩Rb,Ba及K和Nb含量较高,而HREE和Y含量较低.与此不同,晚阶段花岗岩具有明显的Sr,Eu和Ti的负异常,但缺乏明显的HREE和Y负异常.且除Ba和Sr外,其余组分的绝对丰度都比高Sr/Y花岗岩和典型的埃达克岩类高(图5).两类花岗岩有中等到较高的87Sr/86Sr初始比值(0.7073～0.7149),中等到低的εNd(t)值(-14～-23),并给出了古元古代的亏损地幔Nd模式年龄(1.8～2.3Ga)(表3),表明它们与地壳混染或古老的地壳源区有着成因联系,图4显示的大别山花岗岩类与秘鲁科迪勒拉Blanca岩基的成分差异,似乎也反映了它们在成因上的差别.4地壳内部构造成分和构造演化包括大别山在内的中国东部高Sr/Y花岗岩类,在成分上既有与典型埃达克岩的相似之处,又存在一定差别.与俯冲板片熔融而成的埃达克岩相比,这些中生代的花岗岩类相对富钾,且εNd(t)值较低,初始87Sr/86Sr较高,又产自与俯冲无关的大陆环境,因而一般认为这些岩石的形成与加厚地壳底部的基性岩石部分熔融有关,或联系到幔源岩浆分离结晶过程中的同化混染作用(即AFC).在,Sr/Y-Y和Sr-(Na2O+CaO)图解中,大别山高Sr/Y花岗岩显示了埃达克质岩石的成分特征(图6),它们亏损HREE和Y以及缺少明显的负Sr和Eu异常等特点(图5),表明岩浆在深部曾与含石榴石和角闪石的固相相平衡,但固相中缺少斜长石.这种固相要么是壳内熔融留下的残余体,要么是幔源岩浆产生的堆积岩.相反,晚阶段花岗岩类则具有较高的Y和HREE丰度,负Sr,Eu和Ti异常明显,显示了正常钙碱性花岗岩类岩石的特征(图5),反映了岩浆曾在较浅的部位与斜长石和磁铁矿或角闪石处于平衡,其固相残余或分异物中缺乏明显的含石榴石的组合.从图6(b)可见,高Sr/Y花岗岩的成分大都分布于实验确定的缺少斜长石残余Plg-的熔体成分域以上,而不少具负Sr和Eu异常的晚阶段花岗岩则接近于有斜长石残余存在Plg+时实验熔体的成分.这些资料表明,大别造山带进入碰撞后阶段以后,从早白垩世开始,花岗质岩浆房或岩浆源区明显变浅.尽管目前对中国东部高Sr/Y花岗岩所反映的地壳加厚的幅度以及是否存在“中国东部高原”还有大的争论,但本文中所涉及的两类岩石的地球化学演化所反映的从早到晚岩浆源区变浅的现象,应作为地壳发生伸展和减薄的标志.有关大别山及邻区中生代造山作用结束以及伸展作用开始的时间,存在明显不同的看法,提出的时间介于210～100Ma之间.本文获得的刘家洼花岗岩的锆石U-Pb年龄为135.4±2.7Ma,分流铺花岗岩角闪石坪年龄为139.0±1.0Ma,仅比文献中报道的大别山晚中生代辉石岩-辉长岩的锆石U-Pb年龄(123～130Ma)稍老.Tsai等研究表明,这些铁镁质侵入岩,是在地壳减薄过程中与区域性岩浆底侵有关的伸展作用的产物.例如,在图7中,北大别的椒子岩辉长岩体就显示了板内岩石的成分特点.于是,比这些铁镁质岩浆作用稍早的高Sr/Y花岗岩的形成,就应当是从挤压向伸展转换的标志,而与铁镁质侵入岩形成时代相近的高钾钙碱性系列和钾玄岩系列的具负Sr和Eu异常的晚期花岗岩(表3),也应当具有与伸展作用相关的地球化学印迹,这一假设得到了图7的支持.该图表明,这些高钾质晚阶段花岗岩确具有向板内火成岩成分区演化的趋势.因此,从高Sr/Y花岗岩到晚阶段花岗岩的成分变化,反映了构造体制从造山收缩向伸展的转换.值得注意的是,大别山花岗质片麻岩具有与中生代花岗岩相似的地球化学特征(图7).这种特点,或反映了大别杂岩在中生代岩浆作用过程中的再造,或反映了来自大别杂岩的地壳组分对中生代花岗岩浆作用的贡献,与二者具相似的Nd同位素比值相一致.地壳伸展和减薄与地壳岩石熔融和流动、深埋岩石的快速剥露以及随后的快速冷凝之间是互为因果的大量的研究表明,加厚地壳的部分熔融以及不同层次的岩浆产生,会引起地壳尺度内新的流变学分层,导致地壳出现强烈的力学弱化,使地壳和已经俯冲的岩石圈脱耦,加速地壳伸展和去根减薄;而伸展作用的开始会引起与地壳减薄相关的热流的显著增强,并通常表现为地壳熔融、混合岩化和花岗岩侵入.因此,可以把加厚地壳内熔融作用开始的时间看作是伸展开始的时间。在大别山地区,对片麻岩和混合岩进行的锆石U-Pb年龄测定表明,130～120Ma是岩浆作用和混合岩化变质作用最为强烈的一个时期,Ma等的研究也已证明,130Ma后的负Sr和Eu异常的晚期花岗岩系大别杂岩降压熔融产物.其他学者的研究同样证明,在同碰撞/碰撞后环境的钾玄岩系列的岩浆,由地壳根/