岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (6): 2093-2106   PDF    
东昆仑早古生代洋壳俯冲与碰撞造山作用的转换:来自胡晓钦镁铁质岩石的证据
刘彬1, 马昌前1,2, 蒋红安1, 郭盼1, 张金阳3, 熊富浩1     
1. 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室,武汉 430074;
2. 中国地质大学地球科学学院,武汉 430074;
3. 中国地质大学资源学院,武汉 430074
摘要: 位于东昆仑昆中缝合带内的胡晓钦镁铁质岩石主要以角闪辉绿岩为主。利用锆石LA-ICP-MS U-Pb定年方法获得其结晶年龄为438±2Ma (MSWD=1.06,n=15),表明该岩石应为早志留世岩浆活动的产物。岩石样品均具有相对低的TiO2含量(0.43%~1.58%) 和变化较高的MgO值(2.83%~8.22%) 和Mg#(45~74),相对于原始地幔富集大离子亲石元素(LILE:Rb、Ba、Th和U等) 和轻稀土(LREE),明显亏损高场强元素(HFSE:Nb、Ta和Ti),并且具有略微富集的Hf同位素组成(εHf(t) 为3.68~8.20,tDM2为0.90~1.19Ga)。以Mg#作为横坐标的二元图解和(2CaO+Na2O)/TiO2-Al2O3/TiO2图解揭示其形成过程中应主要经历了单斜辉石、橄榄石和斜长石的分离结晶。岩石样品均具有相对低的Nb/La和Nb/Ce比值(分别为0.15~0.28和0.07~0.13) 以及较高的Nb/Ta和Zr/Hf比值(分别为13.15~17.38和36.14~43.88),指示岩石的形成过程受到地壳混染的影响非常小。地球化学和锆石Lu-Hf同位素研究揭示其形成可能与受板片流体交代含尖晶石橄榄岩的部分熔融有关。胡晓钦镁铁质岩石具有类似岛弧玄武岩特征的地球化学组成,并且其年龄明显早于东昆仑与碰撞相关的榴辉岩相变质年龄(428Ma) 和中压(绿帘) 角闪岩相变质峰期年龄(427Ma),表明其形成仍与东昆仑洋壳俯冲关系密切。综合区域资料可以判断,胡晓钦镁铁质岩石可能代表了东昆仑早古生代洋壳俯冲最晚期的岩浆记录。这样可以确定,东昆仑早古生代洋盆最终关闭和碰撞造山开始的时间为早志留世,洋壳俯冲持续的时间至少为79Myr,碰撞造山持续时间至少为8Myr。
关键词: 早古生代     构造转换     镁铁质岩石     胡晓钦     东昆仑    
Early Paleozoic tectonic transition from ocean subduction to collisional orogeny in the Eastern Kunlun region: Evidence from Huxiaoqin mafic rocks
LIU Bin1, MA ChangQian1,2, JIANG Hong'an1, GUO Pan1, ZHANG JinYang3, XIONG FuHao1     
1. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Faulty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
3. Faulty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
Abstract: The Huxiaoqin mafic rocks which distribute in the Central Kunlun Suture Zone, are mainly composed of hornblende diabases. LA-ICP-MS zircon U-Pb analyses gave 438±2Ma (MSWD=1.06, n=15) of the crystallization age, suggesting Huxiaoqin mafic rocks are the products of the Early Silurian magmatism. All the rock samples are characterized by relatively low TiO2(0.43%~1.58%), variable MgO (2.83%~8.22%) and Mg#(45~74), slight enriched Hf isotopic composition (εHf(t)=3.68~8.20, tDM2=0.90~1.19Ga), enrichment of large ion lithophile elements (LILE: eg. Rb, Ba, Th, U and LREE) and marked depletion of high field strength elements (HFSE: eg. Nb, Ta, Ti). Various binary diagrams taking Mg# as the abscissa, and a diagram plotting (2CaO+Na2O)/TiO2 vs. Al2O3/TiO2 reveal fractional crystallization of clinopyroxene, olivine, and plagioclase. Crustal contamination was insignificant, as reflected by whole-rock relatively low Nb/La and Nb/Ce ratios, high Nb/Ta and Zr/Hf ratios. Based on our geochemical and Lu-Hf isotopic studies, we suggest the mafic dykes likely were generated by partial melting of the spinel peridotites metasomatised by slab-derived fluids. Huxiaoqin mafic rocks have similar chemical composition to island arc basalts, and they formed earlier than metamorphic peaks of eclogite and epidote-amphibolite facies (428Ma and 427Ma, respectively), indicating their formation were closely related to the subduction of Early Paleozoic Eastern Kunlun Oceanic lithosphere. Combining with regional studies, we suggest that Huxiaoqin mafic rocks may represent the latest magmatism which related to Early Paleozoic ocean subduction. Finally, we infer the tectonic transition from ocean subduction to collisional orogeny commenced at Early Silurian, the duration of ocean subduction is more than 79Myr and that of collisional orogeny is more than 8Myr.
Key words: Early Paleozoic     Tectonic transition     Mafic rocks     Huxiaoqin     Eastern Kunlun Orogen    
1 地质背景及岩体地质特征

东昆仑造山带以昆中缝合带和昆南缝合带为界可分为3个地体单元,从北到南依次为东昆北地体、东昆南地体和巴颜喀拉地体(许志琴等,2007)。东昆北地体主要以大面积出露前寒武纪变质基底和早古生代-晚中生代侵入岩为特征(图 1)。古元古代金水口群在该区广泛分布,主要由下部白沙河组和上部小庙组组成。下部白沙河组主要是由大理岩、片麻岩、混合岩和角闪岩等组成,其原岩为灰岩、海相砂泥质碎屑岩和中基性火山岩等,形成时代可约束在2.0~1.9Ga之间(王国灿等,2007)。上部小庙组主要由石英岩、大理岩、片麻岩和片岩等组成,其原岩为浅海相碎屑岩和碳酸盐岩等,形成时代可约束在1.7~1.6Ga (陈有炘等,2011)。昆中缝合带沿着昆中断裂带分布,分布于东昆仑山主脊位置,西起博卡雷克塔格,东至大干沟、清水泉、青根河和鄂拉山,并被鄂拉山断裂截断。该带主要以出露蛇绿岩残片和榴辉岩等为特征。Yang et al. (1996)陆松年(2002)测定清水泉蛇绿岩中辉长岩的TIMS锆石U-Pb年龄为518~522Ma,表明早寒武世时期该区可能存在昆中洋。Meng et al. (2013)在该带首次发现榴辉岩(变质年龄为428Ma),为该带作为古板块的边界提供了可靠的证据。东昆南地体具有不同于东昆北地体的前寒武纪基底,以苦海杂岩为主。该杂岩主要由多种类型的片麻岩、片岩、混合岩和角闪岩组成,其原岩包括碎屑岩、中基性岩浆岩和碳酸盐岩等,形成时代跨度大,为2.3~1.1Ga (王国灿等,2007)。昆南缝合带(阿尼玛卿缝合带) 主要由蛇绿岩、复理石、生物碎屑灰岩、硅质岩、红色深海粘土岩、砂岩和砂质板岩组成(Bian et al., 2004; Yang et al., 2009)。东昆仑东段蛇绿岩主要分布在布青山、玛积雪山和德尔尼等地,主要由蛇纹石化方辉橄榄岩、堆晶辉长岩-辉石岩、席状岩墙、玄武岩和放射虫硅质岩组成。Bian et al. (2004)的研究提出布青山地区存在两套时代不同的蛇绿岩。刘战庆等(2011)测定布青山地区得力斯坦和哈尔郭勒两处蛇绿岩中辉长岩的锆石U-Pb年龄为516±6Ma和333±3Ma,再次表明该区可能存在不同时代的蛇绿岩。巴颜喀拉地体缺失二叠系以前的地层,主要出露二叠系下统布青山群和三叠系巴颜喀拉山群,以巨厚的三叠纪浅海-半深海泥砂质复理石沉积为特征。

图 1 东昆仑造山带东段大地构造位置图(a) 和侵入岩地质分布简图(b) Fig. 1 The tectonic location (a) and simplified geological map (b) of east part of the Eastern Kunlun Orogen

本文报道的胡晓钦镁铁质岩石位于昆中缝合带内,沿着缝合带平行展布(图 1图 2)。其岩性为角闪辉绿岩,出露面积为9.2km2,主要侵入到早古生代纳赤台群,且少量侵入早期的镁铁质岩石中(图 2)。岩体与围岩界线多呈波状弯曲,边界处接触热变质现象明显,部分可见角岩化。岩体除在接触边界处的岩石呈现细粒结构外,内部的岩石均为中细粒-中粒结构。岩石样品多呈灰绿色,辉绿结构,块状构造,主要由斜长石(50%~60%)、辉石(5%~10%)、角闪石(15%~30%) 和黑云母(5%~10%) 组成(图 3),此外部分样品还含有少量的石英、钾长石、绿帘石、磁铁矿、榍石和磷灰石等。显微镜下可见辉石蚀变后留下的假象(图 3a) 和辉石外围角闪石反应边(图 3a, b)。

图 2 胡晓钦镁铁质岩石地质简图 1-泥盆纪花岗岩;2-三叠纪花岗岩;3-志留纪镁铁质岩石(本文);4-时代未知的镁铁质岩石;5-元古代地层;6-奥陶纪-志留纪地层(纳赤台群);7-石炭纪地层;8-三叠纪地层;9-断裂;10-锆石定年采样位置 Fig. 2 Simplified geological map of Huxiaoqin mafic rocks

图 3 胡晓钦镁铁质侵入岩显微照片Bi-黑云母Pl-斜长石Hb-角闪石Py-辉石 Fig. 3 Photomicrographs of the typical textures of Huxiaoqin mafic rocks
2 测试方法

用于锆石U-Pb定年和地球化学成分分析的样品均采自新鲜的岩石露头,其采样位置可见图 2

锆石的分选按照标准程序进行,经过机械粉碎、重磁和电磁处理后,在双目镜下随机选择晶形完好并且纯净透明的锆石来制靶。锆石U-Pb同位素定年在中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR) 利用LA-ICP-MS完成。激光剥蚀系统为GeoLas 2005,ICP-MS为Agilent 7500a。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度。在等离子体中心气流(Ar+He) 中加入了少量氮气,以提高仪器灵敏度、降低检出限和改善分析精密度(Hu et al., 2008)。每个时间分辨分析数据包括大约20~30s的空白信号和50s的样品信号。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算) 采用软件ICPMSDataCal (Liu et al., 2008a, 2010a) 完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法同Liu et al.(2008a, 2010a, b)。锆石U-Pb谐和图和年龄加权平均图主要采用ISOPLOT程序(Ver3.23)(Ludwig,2003) 来绘制。

全岩主量元素分析主要在湖北省地质实验研究所武汉综合岩矿测试中心完成,氧化物测定采用X荧光光谱a系数测定法,H2O的测定采用重量法,CO2的测定采用非水滴定法,分析精度均为1%(H2O除外)。全岩稀土和微量元素分析是在中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR) 利用Agilent 7500a ICP-MS分析完成。用于ICP-MS分析的样品处理如下:(1) 称取粉碎至大约200目的岩石粉末50mg于Teflon溶样器中;(2) 采用Teflon溶样弹将样品用HF+HNO3在195℃条件下消解48h;(3) 将在120℃条件下蒸干除Si后的样品用2%HNO3稀释2000倍,定容于干净的聚酯瓶。详细的样品消解处理过程、分析精密度和准确度同Liu et al. (2008b)

锆石Lu-Hf同位素分析主要是在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。使用仪器为Nu Plasma HR (Nu Instruments,UK) 多接收电感耦合等离子质谱仪,其激光系统为Geolas2005 193nm准分子激光,其脉冲频率为8Hz,激光束直径为44μm,激光束的能量为10J·cm-2176Lu和176Yb对176Hf的同质异位干扰通过监测175Lu和172Yb信号强度,采用175Lu/176Lu=0.02655和176Yb/172Yb=0.5886进行校正。其仪器详细的运行过程和分析过程可参见Yuan et al. (2008)

3 测试结果 3.1 锆石U-Pb定年

锆石U-Pb定年及计算的相关参数可见表 1

表 1 胡晓钦镁铁质岩石的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果 Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb data for Huxiaoqin mafic rocks

锆石样品多为浅黄色,透明或半透明,宽板状晶形。CL图像显示其多具有明显的岩浆振荡环带,部分具有继承核的特征(图 4)。本次锆石LA-ICP-MS U-Pb定年共测定20个点,其中5个继承锆石核的测试点给出的年龄为462~470Ma,可能代表了围岩的年龄。其余15个测试点的锆石多具有相对高的Th/U比值(多数大于0.4),且具有明显的岩浆振荡环带,为典型的岩浆锆石。这15个点的206Pb/238U年龄分布在432~446Ma之间,其加权平均年龄为438±2Ma (MSWD=1.06),应代表胡晓钦镁铁质岩石的结晶年龄。另外,该年龄与昆中缝合带及其附近的清水泉辉绿岩脉(436±1Ma,任军虎等, 2009) 和万宝沟花岗岩(441±5Ma,王晓霞等, 2012) 在年龄误差允许的范围内基本一致。

图 4 胡晓钦镁铁质岩石典型锆石CL图像和锆石U-Pb谐和图 左图中,小圈表示锆石U-Pb定年测试点,大圈表示锆石Lu-Hf同位素测试点 Fig. 4 Zircon CL images and U-Pb concordia diagrams of Huxiaoqian mafic rocks
3.2 主量和微量元素

全岩主量元素和微量元素测试结果及计算得到的相关参数可见表 2。本文主量、稀土和微量元素相关图解均采用GEOKIT软件绘制(路远发,2004)。

表 2 胡晓钦镁铁质岩石主量元素(wt%)、稀土元素和微量元素(×10-6) 组成 Table 2 Major (wt%) and trace (×10-6) elements composition of selected samples from Huxiaoqin mafic rocks

本文报道的胡晓钦镁铁质岩石样品的SiO2含量变化在45.76%~55.48%之间,全碱的含量(Na2O+K2O) 变化在2.67%~5.93%之间,且Na2O含量均大于K2O含量。岩石样品的TiO2含量为0.43%~1.58%,平均值为0.71%,明显不同于板内拉斑玄武岩(2.23%,Pearce, 1982),而与低Ti岛弧钙碱性玄武岩(0.98%,Pearce, 1982) 相近。除样品10NM13-4外,多数岩石样品在(Na2O+K2O)-SiO2图解中均属于亚碱性系列岩石,并且分别落入辉长岩和闪长岩的范围内(图 5a)。考虑到Na和K活动元素易受蚀变作用的影响,进一步利用Zr/TiO2-Nb/Y图解进行判别,结果显示所有样品均落入亚碱性系列的范围内(图 5b)。将样品在AFM图解中投影显示富铁的趋势,与拉斑玄武岩系列岩浆演化特征类似(图 5a)。此外,岩石样品在AFM和ACM图解中投影均落在镁铁质堆晶岩区域外(图 6a, b),反映了胡晓钦镁铁质岩石并非堆晶成因,这一结论与野外在岩石露头上未观察到明显分层和显微镜下未见堆晶结构(图 3) 等现象基本符合。岩石样品的MgO值变化较大,为2.83%~8.22%,对应的Mg#值为45~74,此外Cr和Ni含量变化较大,其中Cr变化在5.0×10-6~419×10-6之间,Ni变化在9.0×10-6~128×10-6之间,此外随着Mg#的降低,岩石样品的固结指数(SI变化在47.5~18.8之间) 迅速降低(表 2),反映了岩浆演化过程中经历了一定程度的分离结晶作用。

图 5 (Na2O+K2O)-SiO2 (a, 据Middlemost, 1994) 和Zr/TiO2-Nb/Y (b, 据Winchester and Floyd, 1977) 图解 图 5a中,2-辉长岩,3-辉长闪长岩,8-二长辉长岩,9-二长闪长岩 Fig. 5 TAS (a, after Middlemost, 1994) and Zr/TiO2 vs. Nb/Y (b, after Winchester and Floyd, 1977) classification diagrams

图 6 胡晓钦镁铁质岩石AFM(a)和ACM(b)图解(据Coleman, 1977) UMC-镁铁质-超镁铁质堆晶岩;MC-镁铁质堆晶岩;UC-超镁铁质堆晶岩 Fig. 6 AFM (a) and ACM (b) of diagrams of Huxiaoqin mafic rocks (after Coleman, 1977)

岩石样品的稀土总量(∑REE) 变化较大,变化在62.7×10-6~360×10-6之间。稀土元素球粒陨石标准化分布图显示(图 7a),所有的岩石样品轻重稀土分异较强,轻稀土明显富集,重稀土相对亏损,其中LREE/HREE为7.1~12.4,(La/Yb)N为6.9~16.0,此外除样品10NM13-4的Eu轻微亏损(δEu为0.73) 外,多数样品Eu亏损不明显或者具有微弱的Eu负异常(δEu为0.93~1.24)。在微量元素原始地幔标准化蛛网图显示(图 7b),岩石样品大多富集大离子亲石元素(LILE:Rb、Ba、Th和U等) 和轻稀土,明显亏损高场强元素(HFSE:Nb、Ta和Ti),其总体分布样式与岛弧玄武岩(IAB)、昆中缝合带早志留世清水泉辉绿岩、东昆仑早奥陶世与俯冲相关的镁铁质岩石的特征类似,而明显不同于东昆仑早泥盆世与碰撞后伸展有关的镁铁质岩石(如明显Nb-Ta-Ti正异常等)。

图 7 胡晓钦镁铁质岩石球粒陨石标准化分布图(a, 标准化值据Talyor and Mclennan, 1985) 和微量元素原始地幔蛛网图(b, 标准化值据Sun and McDonough, 1989) IAB (岛弧玄武岩) 数据据Niu and O’Hara (2003);东昆仑早奥陶世与俯冲有关的镁铁质岩石数据据崔美慧等(2011),东昆仑早泥盆世与碰撞后伸展有关的镁铁质岩石数据据刘彬等(2012) Fig. 7 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a, normalization values after Talyor and Mclennan, 1985) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) of Huxiaoqin mafic rocks
3.3 锆石Lu-Hf同位素

锆石Lu-Hf同位素分析共测定15个点,其中,测定结果及计算的相关参数可见表 3,典型的测点位置可见图 4。所有的测点均具有较低的176Lu/177Hf比值(0.000283~0.002020,表 3),表明锆石在形成后基本没有明显的放射性Hf的积累,本次所测定的176Hf/177Hf比值可以代表其形成时体系的Hf同位素组成(吴福元等,2007)。15个测点176Hf/177Hf比值较为集中,分布在0.282612~0.282734之间,其εHf(t) 值均大于0,介于3.68~8.20之间(平均值为5.72)。另外这15个测点两阶段模式年龄(tDM2) 为0.90~1.19Ga (平均值为1.06Ga),要远大于其结晶年龄(438±2Ma),表明其源自富集地幔源区或者岩浆演化过程中受过地壳物质的混染。

表 3 胡晓钦镁铁质岩石的锆石Lu-Hf同位素组成 Table 3 Zircon Lu-Hf isotopic compositions of Huxiaoqin mafic rocks
4 讨论 4.1 分离结晶与地壳混染

胡晓钦镁铁质岩石的Mg#、Cr和Ni含量变化较大,其中,Mg#为45~74,Cr含量为5.0×10-6~419×10-6,Ni含量为9.0×10-6~128×10-6,这些特征指示该镁铁质岩石在最终侵位之前应经历了一定程度的分离结晶作用。以Mg#为横坐标构建的二元图解显示,CaO、CaO/Al2O3、Cr、Ni、Sc/Y与Mg#呈现明显的正相关性(图 8),指示该岩浆在形成过程中发生了单斜辉石和橄榄石的分离结晶作用(Graham et al., 1995; Morra et al., 1997; Naumann and Geist, 1999)。P2O5、FeOt和TiO2与Mg#呈现明显的负相关性,可能指示该岩浆未发生磷灰石和铁钛氧化物的分离结晶作用。(2CaO+Na2O)/TiO2与Al2O3/TiO2呈明显的正相关性(图 9) 以及部分样品具有较明显的Eu负异常,暗示岩浆发生了斜长石的分离结晶作用(Dessureau et al., 2000)。总之,胡晓钦镁铁质岩浆在形成的过程中可能主要经历了单斜辉石、橄榄石和斜长石的分离结晶。

图 8 SiO2、TiO2、FeOT、CaO、P2O5、Cr、Ni、CaO/Al2O3、Sc/Y和Mg#图解 Fig. 8 Variation diagrams of SiO2, TiO2, FeO,T CaO, P2O5, Cr, Ni, CaO/Al2O3, Sc/Y versus Mg# for the Huxiaoqin mafic rocks

图 9 胡晓钦镁铁质岩石(2CaO+Na2O)/TiO2 versus Al2O3/TiO2图解(底图据Dessureau et al., 2000) Fig. 9 (2CaO+Na2O)/TiO2 versus Al2O3/TiO2 diagrams of Huxiaoqin mafic rocks (after Dessureau et al., 2000)

研究表明,在岩浆演化和侵位的过程中,地壳混染与结晶分异往往同时出现(即AFC过程,DePaolo, 1981; Halama et al., 2004; Mir et al., 2011)。地壳混染通常会增加LILE, K2O和Na2O,减少P2O5和TiO2 (Zhao and Zhou 2007; Mir et al., 2011)。以Mg#为横坐标构建的二元图解显示,随着Mg#的降低,P2O5和TiO2逐渐增加(图 8),与地壳混染参与形成的镁铁质岩浆特征不符。胡晓钦镁铁质岩石具有相对低的Nb/La和Nb/Ce比值(分别为0.15~0.28和0.07~0.13),并且比原始地幔、平均地壳和平均下地壳的Nb/La和Nb/Ce比值还要低(分别为:1.02, 0.4; 0.69, 0.33; 0.83, 0.39,Taylor and McLennan, 1985),暗示该镁铁质岩浆可能不能由一定比例的地壳物质和地幔物质混合而成。此外,多数岩石样品的Nb/Ta和Zr/Hf值(分别为13.15~17.38和36.14~43.88) 与MORB相应的比值(分别为17.7和36.1,Sun and McDonough, 1989) 接近,而明显不同于大陆地壳相应的比值(分别为11和33,Taylor and McLennan, 1985),表明地壳混染对该镁铁质岩浆形成的影响极小。然而,该岩石中存在少量的继承锆石以及具有略微富集的εHf(t) 值(3.68~8.20),显示存在极少量的地壳混染。综上,可以认为胡晓钦镁铁质岩石在形成的过程中受到地壳混染程度很小。

4.2 地幔源区性质

镁铁质岩石通常起源于岩石圈地幔或者软流圈地幔(Sklyarov et al., 2003Zhao and Zhou, 2007)。起源于岩石圈地幔的岩石通常相对原始地幔富集LILE和LREE,亏损HFSE (如Nb、Ta和Ti),而起源于软流圈地幔的物质通常富集LILE和HFSE,并且具有亏损地幔特征的同位素组成。胡晓钦镁铁质岩石样品均具有相对低的TiO2(0.43%~1.58%),相对于原始地幔富集LILE (Rb、Ba、Th和U等),明显亏损HFSE (Nb、Ta和Ti)(图 7),同时其具有略微富集的Hf同位素组成(εHf(t) 值为3.68~8.20,tDM2(0.90~1.19Ga) 远大于其结晶年龄(~438Ma)),表明该镁铁质岩石应起源于岩石圈地幔。胡晓钦镁铁质岩石具有相对低的Ce/Y比值(1.93~4.12,平均值为2.62) 指示其可能来自深度为60~80km的尖晶石-石榴子石相稳定区域(Mckenzie and Bickle, 1988)。岩石低的(Tb/Yb)N比值(1.26~2.03,平均值为1.64) 可以进一步证实该镁铁质岩石应源自含尖晶石橄榄岩的部分熔融(Wang et al., 2002)。

胡晓钦镁铁质岩石样品均具有相对高的Th/Yb比值(2.12~7.90),在Th/Yb-Nb/Yb图解中投点均明显偏离MORB-OIB演化线(图 10),暗示其形成明显受到俯冲组分的影响(Pearce and Peate, 1995)。板片俯冲对地幔源区的改造主要通过来自蚀变洋壳或俯冲带沉积物的流体或熔体与地幔橄榄岩的相互作用来实现(Sajona et al., 2000; Hanyu et al., 2006; Tian et al., 2011)。地幔橄榄岩与板片熔体相互作用最终形成的镁铁质岩浆通常具有相对高的Na2O、P2O5和TiO2,相对原始地幔具有Nb、Ta和Ti元素的正异常(Wang et al., 2003; Sajona et al., 2000)。胡晓钦镁铁质岩石样品具有低的TiO2和P2O5含量,相对原始地幔具有明显的Nb、Ta和Ti元素负异常,基本可以排除地幔橄榄岩与板片熔体相互作用。微量元素比值(Ba/Th, Th/Nb, Ba/La和Th/Yb) 可以有效地识别含水流体或俯冲带沉积物。胡晓钦镁铁质岩石样品均具有相对稳定的Th/Nb和Th/Yb比值(分别为0.82~2.23和2.12~7.90),变化范围较大的Ba/Th和Ba/La比值(分别为38.83~107.60和10.07~35.85)(图 11),指示有大量的含水流体进入地幔源区(Tian et al., 2011; Hanyu et al., 2006; Woodhead et al., 2001)。此外多数岩石样品具有变化范围较大的Sr/Nd比值和相对稳定的Th/Yb比值(分别为10.5~58.1和2.1~7.9),暗示这些含水流体应主要来自蚀变的洋壳(Woodhead et al., 1998)。

图 10 胡晓钦镁铁质岩石Th/Yb-Nb/Yb图解(底图据Pearce, 2008) 图例同图 7 Fig. 10 Th/Yb versus Nb/Yb diagram for Huxiaoqin mafic rocks (after Pearce, 2008)

图 11 胡晓钦Ba/Th-Th/Nb (a, 据Hanyu et al., 2006) 和Ba/La-Th/Yb (b, 据Woodhead et al., 2001) 图解 Fig. 11 Ba/Th versus Th/Nb (a, after Hanyu et al., 2006) and Ba/La versus Th/Yb (b, after Woodhead et al., 2001) diagrams for Huxiaoqin mafic rocks

综上,可以认为胡晓钦镁铁质岩石的成因与受板片流体交代含尖晶石橄榄岩的部分熔融有关,并且在其形成的过程中经历了单斜辉石、橄榄石和斜长石的分离结晶。

4.3 构造意义

已有的研究结果表明,东昆仑早古生代洋盆的打开和扩张应发生在早寒武世之前(Yang et al., 1996陆松年,2002)。洋壳俯冲消减可能开始于早寒武世末期,并且伴随着洋盆的向北俯冲,昆中和昆北地区出现了一系列与俯冲有关的岩浆与变质事件记录,例如具岛弧岩浆岩特征的闪长岩、玄武岩和安山岩等以及昆中缝合带内与洋壳深俯冲有关的高温中压麻粒岩(张亚峰等,2010崔美慧等,2011李怀坤等,2006陈能松等,2000)。早泥盆世出现大量的高温过铝质-强过铝质花岗岩(多数锆石饱和温度大于800℃)、富镁闪长岩(Mg#均大于45) 和少量富集HFSE (如Nb、Ta和Ti) 辉长岩(刘彬等,2012赵振明等,2008),指示这一时期东昆仑已进入后碰撞伸展阶段。然而对于东昆仑早古生代洋盆的最终关闭以及碰撞造山何时开始等问题仍存在较多的争论。莫宣学等(2007)认为可将祁漫塔格吐木勒克西南晚奥陶世兰闪石片岩及其伴生的辉长岩(Ar-Ar年龄为445±2Ma) 的出现作为俯冲结束和碰撞开始的标志;任军虎等(2009)高晓峰等(2010)却认为晚奥陶世-早志留世洋盆未关闭,东昆仑地区正处于局部弧后拉张阶段,洋盆最终关闭的时间为中志留世(陈能松等,2002);王晓霞等(2012)对万宝沟环斑花岗岩的研究结果认为晚奥陶世陆陆碰撞已经结束,并且进入后造山的拉张阶段。本文报道的胡晓钦镁铁质岩石能够为探讨晚奥陶世-早志留世这一时期东昆仑地区具体的构造演化历史以及确定东昆仑早古生代洋壳俯冲与碰撞造山的转换时间提供重要的岩石学证据。

胡晓钦镁铁质岩石样品相对于原始地幔富集大离子亲石元素(LILE:Rb、Ba、Th和U等) 和轻稀土,明显亏损高场强元素(HFSE:Nb、Ta和Ti),这些特征与岛弧玄武岩(IAB) 以及东昆仑早奥陶世具岛弧特征的镁铁质岩石分布特征类似,而明显不同于东昆仑早泥盆世与后碰撞伸展相关的镁铁质岩石(图 7),指示其与俯冲关系密切。同时前文对其岩石成因的分析结果也证实了俯冲组分(特别是来自含水流体) 对其地幔源区的贡献较大,综合这些特征,可以认为胡晓钦镁铁质岩石最可能形成于与俯冲相关的环境中。然而,也有一些研究表明,在后碰撞伸展阶段形成的镁铁质岩石由于继承古板片俯冲改造的地幔源区而往往具有类似于岛弧玄武岩的地球化学组成(Wang et al., 2013; El Aouli et al., 2010)。胡晓钦镁铁质岩石的结晶年龄为早志留世(438±2Ma),明显早于东昆仑与陆陆碰撞有关的榴辉岩相变质年龄(428Ma,Meng et al., 2013) 和中压(绿帘) 角闪岩相变质峰期年龄(427Ma,陈能松等,2002),说明其不可能为碰撞后伸展阶段的产物。任军虎等(2009)报道了同样处于昆中缝合带早志留世具有俯冲岩浆岩特征的清水泉辉绿岩(438±1Ma),并且认为该辉绿岩应形成于弧后拉张的环境中。胡晓钦镁铁质岩石与该辉绿岩在时代、空间分布和地球化学成分上均具有相似性(图 7图 10),表明这两套镁铁质岩石应形成于同一构造环境中。但是这两套镁铁质岩石样品多具有相对高的FeOT/MgO比值(分别为0.64~2.18和相对低的TiO2含量(分别为0.43%~1.58%和0.68%~1.24%),与大陆边缘弧镁铁质岩石类似,而与安第斯弧后玄武岩具有明显的区别(图 12),并且这些岩石均缺少弧后玄武岩兼具岛弧玄武岩和洋中脊玄武岩的化学特征(Saunders and Tarney, 1984),因此可以认为这两套镁铁质岩石最可能形成于大陆边缘弧环境。

图 12 胡晓钦镁铁质岩石FeOT/MgO-TiO2图解(底图据Allen et al., 2000) 大陆边缘弧基性岩数据据Scarrow et al. (1998),安第斯弧后玄武岩数据据Kay et al. (1994).图例同图 7 Fig. 12 FeOT/MgO vs.TiO2 diagram for Huxiaoqin mafic rocks (after Allen et al., 2000)

此外,综合已有的区域资料可以发现,515~436Ma之间的岩浆岩以具岛弧岩浆岩特征的闪长岩、玄武岩、安山岩和辉长岩为主,而430~391Ma的岩浆岩则以A型花岗岩、过铝质-强过铝质花岗岩、富镁闪长岩和辉长岩为主(图 13),两个时期的岩浆岩具有明显的区别,可能分别对应洋壳俯冲和后碰撞伸展两个不同构造演化过程。本文报道的昆中缝合带内的胡晓钦镁铁质岩石(438±2Ma) 及时代相近的清水泉基性岩脉(436±1Ma) 可能代表了东昆仑早古生代洋壳俯冲最晚的岩浆记录。430Ma的A型花岗岩与高压榴辉岩相变质年龄(428Ma) 基本一致(图 13),可能反映了从该时期起强烈碰撞造山作用已经结束,开始进入后碰撞伸展阶段。这样可以确定东昆仑早古生代洋盆最终关闭和碰撞造山开始的时间为早志留世,洋壳俯冲持续的时间至少为79Myr,碰撞造山持续时间至少为8Myr。

图 13 东昆仑造山带早古生代岩浆-变质-构造演化序列图 早古生代岩浆作用数据据王晓霞等(2012)李国臣等(2012)刘彬等(2012)崔美慧等(2011)高永宝和李文渊(2011)高晓峰等(2010)李瑞保等(2011)张亚峰等(2010)张耀玲等(2010)龙晓平等(2006)任军虎等(2009)肖庆辉等(2009)赵振明等(2008)谌宏伟等(2006)张建新等(2003)陈能松等(2002, 2000) 以及马昌前等未刊资料;变质作用数据据Meng et al. (2013)李怀坤等(2006)陈能松等(2002) Fig. 13 Summary of Early Paleozoic magmatic, metamorphic and tectonic evolution of Eastern Kunlun Orogen
5 结论

通过对胡晓钦镁铁质岩石开展详细的岩石地球化学、锆石U-Pb年代学和锆石Lu-Hf同位素研究,并与区域资料进行综合对比,获得了以下结论:

(1) 利用锆石LA-ICP-MS U-Pb定年方法获得胡晓钦镁铁质岩石的结晶年龄为438±2Ma;

(2) 胡晓钦镁铁质岩石的形成与受板片流体交代含尖晶石橄榄岩的部分熔融有关,并且在其形成的过程中经历了单斜辉石、橄榄石和斜长石矿物的分离结晶;

(3) 胡晓钦镁铁质岩石可能代表了东昆仑早古生代洋壳俯冲最晚期的岩浆记录;

(4) 东昆仑早古生代洋盆最终关闭和碰撞造山开始的时间为早志留世,洋壳俯冲持续的时间至少为79Myr,碰撞造山持续时间至少为8Myr。

致谢 研究工作得到了许志琴院士和杨经绥研究员的关心与指导;野外地质考察和室内工作得到斯提瓦力地和黄坚等的帮助;样品处理与实验测试得到了中国地质大学(武汉) 刘勇胜、胡兆初、陈海红和周炼等老师的帮助与指导;王强研究员和吴才来研究员认真评阅本文,并提供了许多宝贵的意见;在此特表感谢。
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