华北克拉通中生代基性岩墙群研究综述

华北克拉通中生代基性岩墙群研究综述

中国东部白牙期发现了许多沉降盆地，被认为是巨大地壳扩张的结果。而且,华南地区白垩纪—第三纪地壳拉张与大规模成矿(如铀成矿)作用具有密切的联系。因此,与地壳拉张有关的地质体的研究成为该地区的重点和热点。基于中国科学院知识创新工程重要方向项目和国家“973”项目《大规模成矿作用及大型矿集区预测》、《华南陆块陆内成矿作用:背景与过程》的实施,近年来,笔者所在课题组对华南广泛分布的与地壳拉张有关的中生代基性岩墙群进行了较系统的调查研究,并取得了一定的成果和认识。同样,华北克拉通分布有大规模的中生代基性岩墙群,但对其研究远不如华南地区全面系统。然而,伴随着2007年国家自然科学基金重大研究计划项目《华北克拉通破坏》的实施,重新掀起了华北克拉通研究的热潮,为基性岩墙群方面的系统研究提供了很好的契机。本文在全面资料收集的基础上,借鉴以往研究的相关资料,重点对华北中生代以来广泛分布的基性岩墙群进行了归纳和总结,并对它的研究意义进行了分析。希望能为同行们提供点滴借鉴并引起重视,最终全力推动该领域的研究。1前后寒武纪基性岩墙群分布基性岩墙群一般定义为地壳伸展背景下同一岩浆事件中(具有相同或相似的产状)侵位的一系列幔源的呈线状分布的基性岩墙组合,岩石组成主要包括煌斑岩、辉绿岩和辉绿玢岩。基性岩墙群在北美、巴西、波罗的海、澳大利亚、西伯利亚、南非、津巴布韦、印度、格陵兰、苏格兰和中国塔里木盆地、中国东部(华南和华北地区)等区域有较广泛的分布[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]。在时间上,以前寒武纪基性岩墙群为主,且主要集中在2.4Ga、2.1Ga、1.8Ga、1.4Ga和1.0Ga五个时期。显生宙以来的基性岩墙群主要集中在230~40Ma。2基性岩墙群的研究取得了重要共识大陆动力学研究是具跨世纪战略目标的国际地球科学前沿领域,对陆块增生聚合、裂解的探讨则是该领域的重大关键问题之一。基性岩墙群是大陆伸展背景下、主要来自陆下软流圈或岩石圈地幔的岩浆侵入体,它是陆块伸展、甚至裂解的关键遗迹,对古陆块聚合和伸展乃至裂解的重建具有至关重要的作用。另外,其地球化学、同位素信息既可提供地球深部岩浆源区的信息,也可对陆块伸展乃至裂解给予有效的限制。基性岩墙群作为一种特殊的构造岩浆类型,在早期大陆地壳演化中具有重要意义,但直到20世纪70年代才引起人们的重视。自Hall首次系统讨论了基性岩墙群以来,先后在加拿大(1985年)、澳大利亚(1990年)、以色列(1995年)、南非(2001年)和芬兰(2006年)成功举办了5届国际基性岩墙群会议,极大地推动了各国学者对基性岩墙群的研究。第六届国际基性脉岩大会将于2010年2月4—7日在印度的瓦腊纳西召开,这将进一步在国际上掀起该方面研究的热潮。长期以来,国内外学者分别从地质学、岩石学、矿物学、地球化学、古地磁、年代学、经济地质学等方面,对世界各地的基性岩墙群进行了较深入的研究,取得了以下重要共识:(1)大陆基性岩墙群存在于各个地质时代,并且可形成于各种构造环境,如大陆弧内、弧后和大陆板内,但主要形成于岩石圈伸展和拉张的构造背景中[13,14,15,18,31,32,33,34,36,37,38,39,40,41,42,43];(2)由于绝大多数大陆基性岩墙群是在伸展体制下形成的,且基性岩浆粘度较小,上升速度很快,受到地壳混染的程度和机会均较小,因此基性岩墙的元素和Sr、Nd、Pb等同位素能较好地用于反演地幔源区的特征[21,25,26,27,28,31,32,33,34,36,37,40,44,45];(3)基性岩墙的源区主要是地幔源,通过对不同地区或/和不同时代基性岩墙群的研究,可以讨论地幔的性质及其时空演化规律;(4)未变质和未变形的岩墙群保持了其形成时的应力状态,可以通过对岩墙群的单体形态分析、走向玫瑰图、分布规律、古地磁等方面的研究,结合基性岩墙群的精确测年工作,来恢复区域构造应力场和古大陆的位置[12,14,39,40,46,47,48,49]。因此,基性岩墙群的研究对探讨岩石圈的伸展拉张过程、地幔的性质及其时空演化等方面具有重要意义。3关于华北新生代基性岩墙群的系统研究华北克拉通(中朝克拉通)是世界上最古老的大陆之一,最老的地壳年龄记录大于3.8Ga。华北克拉通位于中国东部的偏北部,面积约170×104km2。华北克拉通南北缘分别为印支期秦岭-大别造山带和海西期阴山-燕山或北方造山带,西为贺兰山-祁连山造山带,向东延伸进入朝鲜,是世界上几个最古老的克拉通之一。由于该区中生代广泛而强烈的岩浆活动、成矿作用及其特殊的大地构造位置,该区中生代以来的大陆动力学背景吸引了国内外地质学家的广泛关注,研究工作取得了大量重要成果。但就对岩浆活动的研究而言,主要侧重于侵入岩体和火山岩方面的系统研究,且研究范围几乎涵盖了整个华北克拉通地区[53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72]。与此相比,对该地区基性岩墙群虽然进行了一定程度的研究[10,20,24,25,26,27,28,31,32,33,34,61,73,74,75,76,77,78,79,80],但研究范围主要集中在河北(涿鹿县、军都山和大海坨山)、内蒙古(赤峰地区和丰镇县)、山西(五台山、大同、广灵县)和山东(鲁西和胶东)[20,25,26,27,28,31,32,33,34,80]的少数地区,对华北大部分地区中生代以来的基性岩墙群仍缺乏全面系统的研究和认识,这直接导致了该方面研究在国际上的滞后———在全球基性岩墙群分布图上至今没有华北中生代以来基性岩墙群的一席之位。总结以往的年代学研究发现,华北克拉通中、新生代基性岩墙群大致可分为230~195Ma、185~155Ma、155~105Ma、105~75Ma和65~45Ma五个时段,且以155~105Ma为主要侵位期(图1)。近来,笔者通过系统的资料收集和查阅,对华北克拉通中生代基性岩墙群的分布做了统计,并初步绘制出华北中生代基性岩墙群的分布图(图2)。从分布图来看,基性岩墙的岩性主要以辉绿岩和辉绿玢岩为主,煌斑岩的出露范围相对较小。结合基性岩墙群研究的意义,笔者认为对华北中生代基性岩墙群进行系统研究具有以下重要意义。(1)有助于进一步深入探讨华北克拉通中生代地幔源区的特征和时空演化规律。近来,Zhang等通过对华北克拉通基性火成岩(以玄武岩和辉长岩为主)的Sr、Nd、Pb同位素的系统研究和总结,指出晚中生代时其下岩石圈地幔的化学组成存在高度区域不均一性:鲁中地区以弱富集地幔为主体;太行山地区为EM1型的地幔(87Sr/86Sr)i=0.7050~0.7066,εNd(t)=-17~-10);鲁西和胶东地区则为类似EM2型的地幔((87Sr/86Sr)i可高达0.7114);而华北北缘岩石圈地幔相对复杂,既有富集型的又有亏损型的,显示“混合”的特征。但地壳的混染作用可能会使以上问题复杂化,因为地壳混染通常对玄武质岩石中Sr-Nd-Pb同位素组成的影响非常大。正因为如此,仅从山东燕山期地幔化学组成来看,虽然存在区域不均一性,但关于富集地幔的空间分布仍存在其他不同的认识:(1)认为在鲁西和胶东分别存在2个不同的富集地幔源区(即EM1和EM2),且2个源区的界线平行于郯庐断裂带;(2)认为鲁中地区以弱富集地幔为主体,鲁西为EM1+EM2,鲁南和胶东地区则为类似EM2型。基性岩墙是在伸展拉张体制下形成的,加上其岩浆粘度相对较小,因而上升速度很快,受到地壳混染的程度和机会均较小[25,26,27,28,31,34]。因此,相比其他同时代的幔源岩类,基性岩墙的Sr、Nd、Pb同位素更能很好地被用于反演地幔源区的特征和时空变化规律。(2)可能为解决尚存争议的华北克拉通东部燕山期火成岩的成因及其构造背景问题提供证据。目前,对华北东部燕山期火成岩的成因和构造背景存在着不同的认识:(1)认为它们在岩石学和地球化学特征方面具有类似于安第斯火成岩带的环太平洋大陆边缘弧火成岩的特征,具活动大陆边缘的构造属性,因而就岩石形成的构造环境而言,有的学者强调它们与中生代古太平洋板块的俯冲作用有成因联系,但多数学者[60,61,63,78,84,85,86]认为华北东部中生代岩浆活动与太平洋板块俯冲无直接的成因联系,古太平洋板块的俯冲作用对华北东部的影响很可能主要是造成岩石圈的伸展减薄和引起热异常;(2)认为大洋俯冲机制难以解释中国东部中生代火成岩化学成分自南向北的递变规律,分布于大别山北麓、山东等地的火成岩主要与华北板块、扬子板块的碰撞及其后续的伸展拉张机制有关,同时周新华等通过对华北东部(主要是山东地区)燕山期深源岩类源区的Sr、Nd、Pb同位素特征总结研究,也认为富集地幔的形成与扬子板块的深俯冲有关;(3)针对山东地区,考虑到郯庐断裂带的影响,徐嘉炜等认为燕山期火成岩形成的机制是与北北东向左行郯庐断裂系有关的断裂-重熔,因为郯庐断裂带的主期活动与中国东部岩浆发育的时代基本相同。可见,为解决以上争议,仍需对华北燕山期各类研究程度相对较低的火成岩,特别是幔源基性岩墙群的成因和构造背景做进一步深入系统的研究。(3)为深入探讨华北克拉通燕山期岩石圈减薄奠定重要的理论基础。中生代岩石圈减薄被认为是华北克拉通一个重要的地质过程。现在的主要问题是该岩石圈减薄作用是何时发生的?以什么方式进行的?围绕这些科学问题,长期以来,国内外学者开展了大量详细的工作,取得了许多重要的研究成果[56,58,69,86,89,91,92,93,94,95,96,97,98,99,100,101,102]。研究显示,燕山期是中国东部岩石圈减薄的主要时期。虽然如此,关于中国东部岩石圈减薄的时间问题目前还远未定论,特别是岩石圈减薄的开始时间,目前还缺乏应有的资料。另外,关于岩石圈减薄的方式也是目前争论较多的问题之一,概括起来可分为3类:(1)“拆沉”模式;(2)“热侵蚀”模式,包括热-化学侵蚀和热-机械减薄、地幔置换和蘑菇云模式;(3)橄榄岩-熔体相互作用模式[56,105,106,107,108]。上述不足和争议是由能够代表中生代岩石圈地幔性质的直接样品的不足造成的。关键在于缺乏对中生代幔源岩浆(特别是幔源镁铁质岩浆)作用的时代、源区性质及时空演化、形成的动力学背景和深源包体性质等方面的认识。然而,中国东部中生代幔源基性岩石远不如新生代发育广泛,其中含幔源捕虏体者更少,详细的年代学和地球化学研究也相对缺乏,因此选择合适的研究对象是讨论问题的关键。华北东部在晚中生代期间处于伸展构造背景有大量资料的支持,如广泛发育的伸展盆地、变质核杂岩、基性岩墙群等。一个自然的推测是,是否正是这一伸展导致了克拉通的破坏。以往的研究认为岩石圈(地壳)的机械伸展拉张对岩石圈厚度的减薄应该有重要的贡献:如,徐义刚认为在岩石圈拉张区,软流圈熔体不断对上覆岩石圈进行化学侵蚀和热-机械侵蚀,在宏观上则表现为岩石圈的减薄;徐义刚进一步认为华北岩石圈减薄过程在时空上是不均一的,可能与东西两侧不一致的地壳拉张历史有关;吴福元等认为中国东部在早白垩世发育的大量伸展构造是制约中国东部岩石圈减薄的重要因素;林舸等认为华北燕山期岩石圈机械伸展拉张是制约岩石圈减薄的重要因素;翟明国等通过一系列研究,认为华北中生代构造转折与岩石圈减薄有很好的时空耦合关系,中生代构造体制转折总体上表现为陆内伸展和与地幔隆起相伴的岩石圈大规模减薄;范蔚茗等认为华北陆块及周缘的燕山期镁铁质岩浆作用代表了岩石圈伸展-减薄动力学背景下地幔部分熔融作用的结果。这些同期的镁铁质岩浆形成于统一的岩石圈伸展-减薄动力学背景,对其进行深入的研究将为认识岩石圈减薄这个重要地球科学前沿问题提供约束。当然,岩石圈伸展与减薄目前仍涉及很多问题,而且,林舸等通过对中生代华北的岩石圈减薄进行了热薄化与机械拉伸的数值模拟,指出减薄主要受制于岩石圈热状态的变化,机械伸展不是主要机制。尽管如此,对伸展构造的深入研究将会对华北克拉通破坏问题提出新的启示。目前已发现华北地区中生代变质核杂岩及相关的伸展构造大量发育,它对岩石圈厚度的减薄应该有重要的贡献。如果能够确认现今的岩石圈地幔主要是减薄后的残留,那么机械拉伸减薄后的岩石圈地幔本身受到软流圈上涌的影响而发生改变将不是不可能的。基性岩墙群是拉张背景下伸展构造的直接表现,它的侵位标志着岩石圈减薄的发生(快速减薄或开始减薄)。通过对基性岩墙群的形成时代、成因及动力学背景的研究,无疑会为岩石圈减薄的时间和机制提供重要的约束。因此,华北克拉通燕山期形成于岩石圈(地壳)伸展拉张环境下的基性岩墙群与岩石圈减薄之间的关系将是一个非常值得重视的科学问题。(4)孙丰月、王登红等、徐贵忠等和Zhao等认为胶东地区广泛分布的燕山期基性岩墙群、碱性岩、花岗岩的成因和大规模金矿化与地幔柱的活动有关。但至于华北克拉通东部在中生代时期是否存在地幔柱的问题,从现有的资料来看,目前的证据尚显不足。目前,地幔柱存在与否的2个最重要的直接证据是大火成岩省和放射状岩墙群的发育。首先,事实表明目前在华北克拉通东部(如胶东地区)并无所谓的大火成岩省(如峨眉山)的存在,那么,为了确定地幔柱存在与否,就应该对该地区广泛分布的中生代基性岩墙群的规模、产状、时代、岩相学和地球化学的特点加强研究,确认是否有放射状岩墙群的存在,与此同时还应特别重视对放射状岩墙群会聚部位同期火山岩层的特点及规模的深入研究,不仅仅要获得地球化学资料的支撑,同时更要重视地幔柱在浅部和地表的产物“巨量”和“瞬时”的两大基本特点,这样才能为现有地质记录与古地幔柱之间的联系寻找到科学依据。另外,由于地壳与地幔岩石中的稀有气体同位素组成有明显的差异,因此,通过对基性岩墙中He-Ar同位素组成的测试研究,也可以判断它们在成因上是否与地幔柱作用有关。4样品选取和测年方式目前给出的华北克拉通中生代基性岩墙的年龄数据大多(85%以上)是采用全岩K-Ar法获得的,而基性岩墙的钾含量并不高,再加上易蚀变(由于它们通常具有高的Fe3+和烧失量),普遍存在Ar丢失和混染,从而导致获得的年龄与实际年龄之间存在较大的误差,因此K-Ar年龄仅可作为一种参考年龄。因此,要准确地划分华北克拉通中生代以来基性岩墙群的侵位时代,有必要重点对该地区中生代广泛分布的基性岩墙