岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (10): 3011-3026   PDF    
藏北新生代玄武质火山岩起源的深部机制——大陆俯冲和板片断离驱动的地幔对流上涌模式
迟效国 , 张蕊 , 范乐夫 , 王利民     
吉林大学地球科学学院, 长春 130061
摘要:近年来地震层析成像揭示出可可西里-西昆仑中新世-第四纪钾质火山岩带下方存在一个深达900km的巨型地幔低速体,空间上与新特提斯洋和印度大陆俯冲断离板片沉降形成的冷地幔下降流共存(Replumaz et al., 2010a, b),两者构成统一的地幔对流体系。研究表明,羌塘古近纪(60~34Ma)钠质玄武岩和高钾钙碱性玄武岩均以富含TiO2、P2O5和大离子亲石元素为特征,主体具有与OIB相近的微量元素组成和弱亏损的Sr、Nd同位素特征,指示岩浆起源于软流圈的上涌熔融,但Nb、Ta的弱亏损表明岩浆源区有岩石圈地幔熔融组分的贡献。羌塘(32~26Ma)碱性钾质玄武岩与可可西里和西昆仑中新世以来喷发的钾质玄武岩的地球化学性质相近,不相容元素比值和Sr、Nd同位素组成指示岩浆起源于古俯冲地幔楔的低程度熔融。这些特征表明藏北软流圈上涌作用始于古近纪,初始上涌中心位于羌塘地体之下。计算表明藏北古近纪火山岩距离当时的印度大陆北缘的最大和最小距离约为1250km和700km,与现今可可西里地幔低速体的南、北边界与印度大陆北缘的距离相近,支持羌塘古近纪地幔上涌作用也是受藏南冷地幔下降流所驱动。青藏高原在南北缩短过程中不仅表现为软流圈自西向东挤出流动,地幔垂向对流也是其重要的运动形式,在地幔上升流形成的藏北热幔区内,地壳的水平缩短增厚与岩石圈地幔的伸展减薄呈脉动式共存。藏南冷地幔下降流和藏北热地幔上升流的持续北移是导致藏北后碰撞火山岩时空迁移的主要控制因素。
关键词: 俯冲     板片断离     后碰撞火山岩     地幔对流     岩石圈地幔减薄     青藏高原北部    
The formatting mechanism of Cenozoic basaltic volcanic rocks in the northern Tibet:Continental subduction and slab break-off driven by mantle convection and upwelling
CHI XiaoGuo, ZHANG Rui, FAN LeFu, WANG LiMin     
College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China
Abstract: In recent years, seismic tomography revealed the existence of a huge mantle low-velocity up to depth of 900km, which is beneath the Kekexili-western Kunlun Miocene-Quaternary potassic volcanic rocks area. Coexist with cold mantle downwelling from Neo-Tethys and India continental subduction break away from the plate sedimentation (Replumaz et al., 2010a, 2010b). Both constitute a unified system of mantle convection. Research shows that Qiangtang sodic basalt and potassium calc-alkaline basalts in Paleogene (60~34Ma) are rich in TiO2, P2O5 and large-ion lithophile elements, and are similar to OIB trace element composition and weak losses of Sr and Nd isotopic compositions, indicates magma is given priority to with upwelling of the asthenosphere melting. But weak loss of Nb and Ta indicate the magma source area mixed with the lithosphere mantle components. The alkaline potassic basalt in Qiangtang (30~26Ma) and the potassic basalt in Kekexili and West Kunlun from Miocene have the similar geochemical properties. The ratios of incompatible elements and isotope composition of Sr and Nd reflected that the magma come from low degree of molten of the mantle wedge in ancient subduction zone. These features indicate that, the mantle in northern Tibet upwell started in the ancient, and the initial upwelling center is located in the Qiangtang block. Calculation shows that northern volcanic rocks in paleogene distance at the time of India continental northern maximum and minimum distance is about 1250km and 700km, and nowadays Kekexili mantle of low-speed south, north close to the distance of India continental northern border, support Qiangtang mantle upwelling in paleogene is also affected by cold mantle flow driven down from south area. The shorten of Tibetan Plateau from the north to the south not only Reflected in the form of asthenosphere flows out from the west to the east, but also the vertical mantle convection. Thickening of the crust and thinning of the lithosphere mantle is coexistence in the northern Tibet hot mantle zone formed in the mantle upwelling, and continued north of hot mantle upwelling northern main controlling factors of the volcanic rocks in space and time migration after the collision. Moving north of cold mantle drop flow in South Tibetan and hot mantle upwelling in the northern Tibet as a result of the space-time migration of Northern Tibet post-collision volcanic.
Key words: Subducting     Slab break off     Post-collision volcanic rocks     Mantle convection     Lithospheric mantle thinning     Northern Tibet    

青藏高原的形成与演化为人们了解大陆碰撞和陆内汇聚地球动力学提供了良好的天然实验室。大陆与海洋、高原与平原都是由地球深部物质结构和各圈层物质的相互运动所决定的。岩浆活动是上地幔热演化与深部物质运动的直接记录,为高原隆升机制研究提供了重要的地幔构造演化信息,是高原隆升动力学研究不可缺少的重要组成部分。

近十余年来,青藏高原地质、地球物理和地球化学研究取得了重大进展,获取了大量后碰撞火山岩年代学和岩石学与地球化学资料,揭示出岩浆性质和岩石共生组合在空间上的变化规律,岩浆起源与岩石圈和软流圈的演化机制已成为进一步深入研究的主题。在这一研究领域中,已提出了多种成因模式,其中主要的动力学机制有:陆内俯冲、俯冲板片断离、岩石圈拆沉和岩石圈地幔对流减薄等(邓万明, 1998; Arnaud et al., 1992; England and Housman, 1989; Turner et al., 1993, 1996; 丁林等, 1999; Tapponnier et al., 2001; 迟效国等, 1999, 2005; 侯增谦等, 2006a, b; Chung et al., 2005; Ding et al., 2003; 吴福元等, 2008; Wang et al., 2008; Zhao et al., 2009; Lai and Qin, 2013; Guo et al., 2014)。上述不同成因模式在解释青藏高原北部60Ma以来的岩石圈构造演化机制与火山岩时空分布规律时存在较大的认识分歧,其核心问题是在青藏高原南北缩短过程中岩石圈地幔是如何缩短的,是以流变方式发生粘性增厚-对流移除或拆沉减薄,还是以陆内俯冲、板片断离或幔壳拆离等形式进入软流圈,这些过程又是如何控制着后碰撞火成岩的时空迁移和源区性质的演变,其问题的本质是在印度大陆持续挤压背景下岩石圈与地幔各圈层间的相互运动问题,控制因素复杂,任何单一学科在回答上述问题时都存在较大的局限性。

围绕上述问题,本文在作者多年研究基础上,系统收集了藏北新生代火山岩的地球化学资料,以藏北新生代玄武质火山岩的岩浆性质、时空分布和岩浆源区性质研究为基础,以地震层析成像揭示出的现今地幔密度分布为参照,对不同时期岩石圈的水平缩短与火山岩的时空迁移、岩石系列的演变等进行了系统的的综合分析,力图为探索藏北地区在陆内汇聚期间岩石圈与软流圈的相互作用及其与火山岩的成因关系提供深部信息和约束。

1 藏北后碰撞玄武质火山岩的源区性质

幔源岩浆活动是地幔物质和热演化的直接记录,在应用玄武岩示踪地幔各圈层的相互作用机制时,其核心内容是查明岩浆源区性质及其随时间的演变问题。目前有关藏北后碰撞火山岩特别是与玄武质岩石共生的安粗岩-粗面岩等中、酸性岩石的成因认识分歧较大。本文目的是阐明在陆内汇聚期间岩石圈地幔与软流圈之间的相互作用关系,为减少岩浆作用过程中地壳组分混入对岩浆源区性质判别的影响,本文仅选择玄武质火山岩进行源区性质的分析。

1.1 藏北后碰撞火山岩岩石系列及其时空分布

藏北后碰撞玄武质火山岩存在明显的岩石系列演变规律,羌塘地区古近纪玄武质岩浆活动是从低钾玄武岩开始的,以南羌塘啦嘎拉橄榄玄武岩(60Ma)和北羌塘邦达错(45Ma)钠质碱玄岩为代表;羌塘东部多格错仁-枕头崖地区46~38Ma的火山活动以高钾钙碱性安粗岩-粗面岩为主,其次为粗面英安岩和少量流纹岩,部分岩石跨入钾玄岩系列成分区内(Wang et al., 2008; Lai et al., 2007; 林金辉等, 2003; 伊海生等, 2004),在枕头崖北部和西部半岛胡地区发育有少量钾质粗面玄武岩-橄榄安粗岩(Lai et al., 2003),目前缺少同位素年龄约束。36~34Ma钙碱性粗面玄武岩-玄武安粗岩-安粗岩出现在南羌塘那丁错地区(图 1图 2)。33Ma以来,无论藏南还是藏北幔源岩浆几乎全部被钾质、超钾质玄武岩所取代。其中藏北羌塘地区发育有巴毛穷宗、戈木错和鱼鳞山碱性钾质-超钾质火山岩,主要岩石组合为碧玄岩、碱玄岩、白榴石响岩质碱玄岩、白榴石响岩和霓辉粗面岩,鱼鳞山火山岩缺少早期碧玄岩-碱玄岩组成。上述火山岩40Ar-39Ar和K-Ar年龄变化于34~18Ma,其中玄武质岩石的40Ar-39Ar年龄为30~26Ma(邓万明, 1998; 丁林等, 1999; 迟效国等, 2006; 李佑国等, 2005; 翟庆国等, 2009)。18Ma后,藏北火山活动主体迁移到可可西里-昆仑地区,主要为钾玄岩系列,可可西里地区以安粗岩、粗面岩、石英粗面岩和流纹岩为主,仅在在向阳湖、岗扎日地区出现少量橄榄安粗岩(钾玄岩),火山岩40Ar-39Ar年龄主体变化于18~8Ma,K-Ar年龄变化于19~7Ma(邓万明, 1998; 刘嘉麒, 1999; Turner et al., 1996; Guo et al., 2006; 王洪燕和张传林, 2011; Zhang et al., 2012)。西昆仑火山岩主要分布在康西瓦、大红柳滩、阿什库勒、普鲁,黑石北湖和银顶山等地(图 1),火山岩40Ar-39Ar和K-Ar年龄显示最大年龄为7.97Ma,主体为3.5~0.2Ma(刘嘉麒, 1999; Turner et al., 1996; Guo et al., 2014; 杨迪和丁林, 2013)。康西瓦火山岩以钾质玄武岩为主,含有尖晶石二辉橄榄岩地幔包体(罗照华等, 2000);普鲁火山岩主要为橄榄安粗岩,大红柳滩、阿什库勒和黑石北湖地区主要为碱玄岩-橄榄安粗岩-安粗岩,少量粗面岩,银顶山为白榴碧玄岩(杨迪等, 2011)。东昆仑木孜塔格和北羌塘枕头崖南部赤布张错也有少量40Ar-39Ar和K-Ar年龄为3~4.2Ma的火山岩(McKenna and Walker, 1990; 魏君奇等, 2004),其中木孜塔格地区主要为流纹岩,枕头崖南部以粗面岩和安粗岩为主。东昆仑鲸鱼湖地区还分布有K-Ar年龄为1.16~0.69Ma的钾质碱玄岩-橄榄安粗岩-安粗岩(杨经绥等, 2002)。

图 1 青藏高原主要地块及新生代火山岩分布简图(据Wang et al., 2008修编) Fig. 1 Simplified map of the Tibetan Plateau showing the distribution of Cenozoic volcanic rocks and the major terranes (modified after Wang et al., 2008)

1.2 藏北后碰撞玄武质火山岩的源区性质

羌塘古近纪(60~34Ma)钠质玄武岩和髙钾钙碱性玄武岩均以富含TiO2、P2O5和LREE以及大离子亲石元素为特征,具有与OIB和甘肃礼县地区含有地幔橄榄岩包体的钾霞橄黄长岩(喻学惠和张春福, 1998)相似的Rb/Nb、Ba/Nb、Th/La、Ba/La和Th/Nb比值(图 3),其Sr、Nd同位素组成显示弱亏损到弱富集特征,并与甘肃礼县钾霞橄黄长岩呈连续变化趋势。这些特征指示岩浆起源于深部软流圈的上涌熔融。但La/Nb、Ba/Nb比值相对甘肃礼县钾霞橄黄长岩和OIB的增大表明源区混有岩石圈地幔组分(图 3),这说明软流圈上涌熔融过程中伴有上覆岩石圈地幔减薄组分熔融的贡献。

图 3 藏北新生代玄武质火山岩Ba/La-Th/La (a)、Rb/Nb-La/Nb (c)、Rb/Nb-Ba/Nb (b)和Th/Nb-Th/La (d)变异图 图例同图 2;数据来源:喻学惠和张春福,1998黄小龙等,2007丁林等,2006;其它数据来源同图 2 Fig. 3 Plots of Th/La vs. Ba/La (a), La/Nb vs. Rb/Nb (b), Ba/Nb vs. Rb/Nb (c), Th/La vs. Th/Nb (d) for Cenozoic basaltic rocks in northern Tibet Illustration are same as in Fig. 2; Data sources: Yu and Zhang, 1998; Huang et al., 2007; Ding et al., 2006; Other data sources are same as in Fig. 2

稀土元素特征指示早期拉嘎啦低钾橄榄玄武岩起源于尖晶石二辉橄榄岩地幔源区,表现为HREE的平缓配分曲线特征(图 4a)。45~36Ma期间形成的邦达错和那丁错玄武岩则具有HREE的强烈亏损和强烈分馏特征,指示岩浆起源于含石榴石的地幔源区。这表明羌塘地体在古近纪期间伴随高原南北缩短岩石圈被不断增厚。在微量元素蛛网图中(图 4c),早期钠质玄武岩和高钾钙碱性玄武岩均显示出不同程度的Nb、Ta相对亏损,指示源区组成中存在岩石圈地幔组分。

图 4 藏北新生代玄武质火山岩REE配分曲线(a、b)和微量元素蛛网图(c、d) 数据来源同图 2 Fig. 4 Chondrite-normalized REE pattern (a, b) and primitive mantle-normalized trace-element spidergram (c, d) of the Cenozoic basaltic rocks in northern Tibet Data sources are same as in Fig. 2

羌塘那丁错高钾钙碱性火山岩活动之后,藏北玄武质火山活动被钾质-超钾质火山岩所取代,与早期钠质玄武岩相比,钾质-超钾质火山岩的Rb/Nb、Ba/Nb、Th/La、Ba/La、La/Nb和Th/Nb比值明显增大(图 3),REE配分曲线相似,但有更高的含量,表现为配分曲线近平行上移(图 4b, d),指示从钠质玄武岩到钾质、超钾质火山岩,源区熔融程度依次降低和源区富集程度依次增大。高Rb/Nb、Ba/Nb、La/Nb和Th/Nb比值表明藏北钾质、超钾质火山岩源区具有俯冲板片和俯冲沉积物释放的流、熔体交代的地幔楔性质。其中羌塘钾质、超钾质玄武质火山岩以高La/Nb、Th/Nb、Ba/Nb和Th/La比值与可可西里和西昆仑主体钾质火山岩相区别,表明前者源区富集地幔存在俯冲沉积物熔体和流体的交代。而可可西里和西昆仑主体钾质火山岩的低La/Nb、Th/Nb、Ba/Nb和Th/La比值指示源区地幔主要是以俯冲板片流体交代为主形成的古地幔楔,但普鲁、黑石北湖和阿什库勒玄武质火山岩的上述比值变化范围较大,高值部分与羌塘钾质、超钾质玄武岩相重叠,表明源区存在沉积物熔体交代的贡献。

在Sr、Nd同位素图解中(图 5a),从早期钠质玄武岩到晚期钾质玄武岩同位素组成表现出由亏损地幔向富集地幔方向呈发散状分布趋势。其中钾质-超钾质玄武岩具有EMⅡ源区性质,不同于起源于对流软流圈地幔的洋中脊或洋岛玄武岩。它们与早期钠质碱性玄武岩和髙钾钙碱性玄武岩之间存在明显的成分间断,后者总体具有弱亏损的地幔源区性质。藏北钾质-超钾质火山岩与地中海-意大利-西班牙钾质-超钾质火山岩有相似的Sr、Nd同位素组成和变化趋势(Prelević et al., 2013),但青藏高原钾质、超钾质玄武岩具有更离散的分布特征,指示其与欧洲后碰撞钾质、超钾质火山岩一样具有复杂的源区组成(Venturelli et al., 1984; Perini et al., 2004; Prelević et al., 2008, 2010; 赖绍聪等, 2014; Lai et al., 2014)。藏北钾质-超钾质玄武岩的高CaO和Al2O3含量,指示岩浆源区为富含金云母和单斜辉石的富集地幔,而不同于滇西地区起源于金云母方辉橄榄岩的超钾质富镁火山岩(黄小龙等, 2007; 李献华等, 2002)。藏北钾质-超钾质玄武岩的高LILE、LREE含量和高LREE/HREE比值,低HREE含量,支持它们起源于含石榴石的地幔源区的低程度熔融。它们的同位素组成和相对亏损Nb、Ta的地球化学特征表明,它们的源区为俯冲沉积物、碳酸盐熔体或流体交代的地幔楔,这种交代作用或发生在古洋盆的闭合过程中,或发生在新特提斯洋闭合期间(Nelson, 1992; Miller et al., 1999; Perini et al., 2004; Williams et al., 2004; Prelević et al., 2005; Owen, 2008; Eyuboglu et al., 2011; Conticelli and Peccerillo, 1992; Conticelli et al., 2009, 2013; Saadat et al., 2014)。近年来,大陆岩石圈俯冲释放的沉积物流体和熔体交代上覆软流圈地幔的机制被相继提出(Arnuad et al., 1992; Wang et al., 2008; Guo et al., 2014)。Prelević et al. (2013)根据现代弧火山岩中缺少后碰撞钾质-超钾质火山岩Sr、Nd同位素的极端富集特征,提出后碰撞钾质-超钾质火山岩源区为弧前增生陆壳之下由海沟沉积物和大洋俯冲岩石圈构成的混杂岩石圈地幔。对藏北钾质玄武岩而言,这种模式不能解释可可西里-西昆仑钾质火山岩所具有的以俯冲板片流体交代的地幔楔属性。后碰撞钾质-超钾质火山岩所特有的Sr、Nd、Pb同位素的极端富集特征也是其起源于古俯冲地幔楔或古交代岩石圈地幔的主要依据。现代大陆边缘弧中出现的超钾质火山岩具有与后碰撞钾质-超钾质火山岩相似的主要元素组成和高度富集大离子元素、相对亏损Nb、Ta的地球化学性质(Hoffer et al., 2008),但缺少青藏高原后碰撞超钾质火山岩极端富集Sr、Nd同位素的组成特征。如台湾第四纪超钾质火山岩的143Nd/144Nd为0.51259~0.51268,平均0.51265(Chung et al., 2001),现代活动大陆边缘钙碱性玄武岩-安山岩同样缺少后碰撞超钾质火山岩特有的极端富集Sr、Nd同位素的组成特征(Samaniego et al., 2005, 2010)。这说明新特提斯大洋俯冲板片释放的沉积物流-熔体交代的上覆地幔楔不可能是青藏高原后碰撞钾质-超钾质火山岩极端富集Sr、Nd同位素组成的源区。藏北后碰撞钾质-超钾质火山岩具有极高的Sr、Nd含量,地壳岩石的混染作用很难使岩石的Sr、Nd同位素比值发生明显的变化,而部分熔融和岩浆分离结晶过程并不改变Sr、Nd同位素组成,图 5a显示出的Sr、Nd同位素组成的变化趋势反映的应是源区交代程度和交代作用发生的时间不同。在新特提斯大洋俯冲期间,羌塘和可可西里-昆仑地区距拉萨地体南缘的距离达上千公里,远远超出了大洋俯冲板片上覆地幔楔的范围。因此,藏北后碰撞钾质-超钾质玄武岩与活动大陆边缘超钾质火山岩微量元素组成的一致性,表明古俯冲地幔楔可能是其重要的源区。

图 5 藏北新生代玄武质火山岩87Sr/86Sr-143Nd/144Nd (a)和87Sr/86Sr-Nb/Th (b)变异图 其它图例同图 2图 3,数据来源同图 2图 3 Fig. 5 Plots of 143Nd/144Nd vs. 87Sr/86Sr (a) and 87Sr/86Sr vs. Nb/Th (b) for Cenozoic basaltic rocks in northern Tibet Illustration are same as inFig. 2 and Fig. 3; Other data sources are same as in Fig. 2 and Fig. 3

Nb/Th比值大小是识别俯冲地幔楔中沉积物熔体与俯冲板片流体交代的有效标志(Class et al., 2000),Nb/Th-87Sr/86Sr关系(图 5b)揭示出,青藏高原后碰撞玄武岩源区存在以下四种端元组成(图 6):(1) OIB型富集软流圈地幔:以甘肃礼县中新世钾霞橄黄长岩的源区为代表,羌塘早期钠质玄武岩也主要起源于这一源区,但钠质玄武岩Nb、Ta的相对亏损应是上述富集软流圈地幔与富集岩石圈地幔混合的结果;(2) 以俯冲沉积物熔体和流体交代为主的古地幔楔,羌塘东部半岛湖、枕头崖北部和滇西窝中钾质、超钾质火山岩均起源于该类源区,羌塘巴毛穷宗钾质碧玄岩和碱玄岩也以该端元组成为主(刘红英等, 2004; 赖绍聪等, 2007)。该源区的端元组成以低Nb/Th和低87Sr/86Sr、高143Nd/144Nd比值与其它源区的端元组成相区别,相对低87Sr/86Sr和高143Nd/144Nd比值指示源区交代作用发生的时间相对较晚;(3) 以大洋俯冲板片流体或叠加有软流圈来源流体交代的古富集地幔,主要分布在可可西里-西昆仑地区。该源区的端元组成以相对高Nb/Th比值为特征,87Sr/86Sr和143Nd/144Nd在不同火山岩区差异较大,其中可可西里向阳湖、扎岗日和东昆仑鲸鱼湖钾质玄武岩具有相对低的87Sr/86Sr和高的143Nd/144Nd比值,而西昆仑钾质玄武岩的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd变化范围较大,其中普鲁、黑石北湖和阿什库勒火山岩在图 6中显示有低Nb/Th和高87Sr/86Sr端元组分的混入,显示西昆仑源区组成具有多元性;(4) 极低Nb/Th、143Nd/144Nd和极高87Sr/86Sr比值的富集地幔,主要为藏南冈底斯中、西段超钾质火山岩的源区,该源区以极低的Nb/Th和极高的Th/La比值,并远低于安第斯活动大陆边缘各类火山岩的变化范围为特征,指示源区存在古老陆壳沉积物质的混入。

图 6 84°E和90°E地震层析成像断面图(据Replumaz et al., 2010a, b) IYS:雅鲁藏布江缝合带位置 Fig. 6 84°E and 90°E tomographic cross-sections (modified after Replumaz et al., 2010a, b) IYS: Indus-Yarlung suture

近年来地震层析成像揭示出印度大陆岩石圈俯冲前缘已达羌塘地体之下,在西部帕米尔高原之下俯冲深度达600km(Li et al., 2008; Replumaz et al., 2010b),在藏北识别出可能存在亚洲大陆岩石圈的俯冲残片(Kind et al., 2002; Zhao et al., 2011),这意味着俯冲陆壳可能对藏北钾质-超钾质火山岩源区的形成有重要贡献。但可可西里-西昆仑钾质玄武岩的微量元素组成表明其源区主要为大洋俯冲板片流体交代形成的古地幔楔,缺少俯冲陆壳和沉积岩熔体强烈交代的特征。陆壳俯冲影响可能发生在藏南地区,主要表现为藏南超钾质火山岩的Nb/Th比值显著低于藏北钾质-超钾质火山岩和现代活动大陆边缘各类火山岩的比值范围,指示源区比现代地幔楔有更高比例的沉积物熔体的交代,藏南超钾质火山岩极低的143Nd/144Nd和极高的87Sr/86Sr比值也与喜马拉雅S型花岗岩有相似性,这表明印度大陆俯冲的陆壳物质可能对藏南超钾质火山岩的源区组成有重要贡献(赵志丹等, 2001)。同样,西昆仑普鲁、黑石北湖和阿什库勒火山岩源区中的低Nb/Th和高87Sr/86Sr端元组分不排除来自印度大陆岩石圈俯冲的可能性(Guo et al., 2014)。

2 青藏高原陆内汇聚背景下的地幔对流体系

地震层析成像研究表明,在可可西里-西昆仑钾质火山岩带之下存在一深达900km的巨型地幔低速体(Replumaz et al., 2010a, b),该低速体的上涌应是导致可可西里-昆仑中新世以来钾质火山岩形成的主要控制因素(许志琴等, 2006, 2011)。在84°E和90°E地震层析成像断面中,该地幔低速体在300~700km深度上的南-北宽度约为850~900km,其北部边界与雅鲁藏布江缝合带的距离为1335km,南部边界与雅鲁藏布江缝合带的距离分别为500km和250km(图 6)。该地幔低速体的规模和厚度巨大,它的形成需要巨大的能量和动力来驱动,目前在该地幔低速体之下并未发现能够驱动深达900km地幔上涌的巨型高密度块体存在,说明地幔低速体的上涌并不是由岩石圈拆沉作用引发的,相反正是由于这个巨型地幔低速体的上涌才导致了岩石圈地幔的对流减薄。这个巨型地幔低速体究竟是如何形成的,成为检验中新世钾质火山岩成因模式的重要判据,也是羌塘古近纪地幔上涌与玄武岩成因研究中的核心问题。阐明藏北新生代岩浆活动的时空分布与印度大陆不同时期北移距离的关系,将会为分析岩浆起源与地幔上涌机制提供重要信息,也为检验判别各种成因模式的合理性提供重要的判据(罗照华等, 2006; 莫宣学等, 2009)。

2.1 50Ma以来岩石圈的水平缩短

印度大陆与欧亚大陆初始碰撞以来的北移距离主要来自三方面的约束:(1) 现今印度大陆北缘嵌入亚洲大陆内部的距离;(2) 印度板块自大陆碰撞以来的北移速率;(3) 断离的特提斯俯冲板片和印度岩石圈俯冲板片在地幔中的位置。

Dewey et al. (1989)研究,印度大陆与青藏高原东西衔接点相对亚洲大陆南缘向北移动的总距离分别为2290km和3040km,其平均北移距离为2665km。古地磁测量结果显示古近纪-新近纪期间,喜马拉雅地体北移距离为2664km(肖序常和李廷栋, 2000)。依据印度板块北移速率计算,自50Ma新特提斯俯冲板片断离以来,印度大陆相对正北方向的移动距离为2668km,相对20°N方向的移动距离为2832km。上述不同方法给出的印度大陆平均北移距离为2664~2668km。

在青藏高原形成演化过程中,两个重要板片断离事件被广泛关注,一是特提斯俯冲板片断离,二是25~10Ma期间印度大陆岩石圈俯冲板片的断离。据Replumaz et al.(2010a, b)研究,印度大陆上地幔内存在两个高密度异常体(图 6),它们分别记录了新特提斯俯冲板片(TH)和印度大陆岩石圈俯冲板片(IN)的断离。高密度异常体TH在东经84°E方向上位于14°~18°N的1000~1500km深度上。高密度异常体IN在东经84°E方向上位于23°~28°N的450~900km深度上,异常倾斜长度约为700km,代表断离的印度大陆岩石圈俯冲板片的长度。板片断离的初始位置与现今雅鲁藏布江缝合带的距离记录了亚洲大陆陆内汇聚期间的南北缩短总量,也是检验大洋俯冲板片断离以来印度大陆岩石圈俯冲总长度的重要参数。目前对特提斯大洋俯冲板片断离时间有45Ma和50Ma两种不同意见(Searle et al., 1987; Yin and Harrison, 2000; Guillot et al., 2003; Chen et al., 2010)。依据印度板块北移速率和北移方向计算出45Ma以来印度大陆在正北方向上的移动距离为2257km,50Ma以来的移动距离为2668km。Replumaz et al. (2010a)确定出84°E断面中印度岩石圈俯冲断离板片长度为700km,现今印度岩石圈俯冲前缘已达羌塘之下,俯冲前缘与雅鲁藏布江缝合带的距离为345km。由此给出45Ma以来,印度大陆北移距离(2257km)中有1045km被印度大陆岩石圈俯冲所吸收,由此限定的45Ma前雅鲁藏布江缝合带位于19.01°N,这与84°E断面中TH高密度体的位置(14°~18°N)有较大误差。以同样方法计算给出的50Ma前雅鲁藏布江缝合带的位置为15.32°N,这与84°E断面中TH高密度体的中心位置(16°N)基本一致,说明异常体南浅北深反映的是板片断离前的倾斜状态,板片沉降过程中的软化变形在84°E断面中尚未完全改变其原始倾斜方向和位置。这一计算结果与由冈底斯双峰式辉长岩-花岗岩组合和超高压岩石折返确定的特提斯大洋俯冲板片断离时间50Ma左右相一致(赵志丹等, 2011)。

2.2 火山活动与印度大陆北缘的距离效应

50Ma前雅鲁藏布江缝合带的位置限定了青藏高原不同时期南北缩短的总量。对84°E断面的计算表明,在50~15Ma期间,印度大陆平均北移距离为1964km,其中印度大陆岩石圈俯冲吸收了700km,亚洲大陆缩短吸收了1264km。25Ma时印度大陆岩石圈俯冲板片发生撕裂,并于15Ma左右发生断离(Replumaz et al., 2010a)。15Ma以来印度大陆北移距离为704km,其中印度大陆岩石圈俯冲吸收了345km,亚洲大陆缩短吸收了359km。印度大陆俯冲吸收的缩短量占印度大陆北移距离的49.01%,50~15Ma期间印度大陆俯冲吸收的缩短量为北移总量的35.64%,这种差异反映了15Ma前高原缩短以亚洲大陆岩石圈增厚占主导。据GPS重复监测结果,现今印度和欧亚板块之间的相对运动主要被青藏高原周边的地壳缩短和内部的走滑剪切所吸收(Zhang et al., 2004)。其中喜马拉雅山系吸收了青藏高原总缩短量的44%~53%,平均为48.5%(这与15Ma以来印度大陆岩石圈俯冲吸收49.01%的计算结果相一致),北部阿尔金山、祁连山和柴达木盆地吸收了15%~17%,高原内部吸收了32%~41%(张培震等, 2002)。目前缺少对雅鲁藏布江以北各地体在不同时期缩短率的精确约束,根据GPS重复监测结果,在雅鲁藏布江以北的亚洲大陆缩短中,拉萨地体平均吸收了缩短量的35%,羌塘和松番-甘孜地体吸收了33.93%,阿尔金山、祁连山和柴达木盆地平均吸收量占31.07%。依此为依据,可近似计算出不同时期印度大陆北缘与藏北火山岩带的距离关系。

拉萨地体在50Ma时的原始宽度为亚洲大陆总缩短量的35%与现今拉萨地体南北宽度之和,计算值为835km。50~45Ma期间,印度大陆北移距离为411km,其中亚洲大陆总缩短距离为265km,印度岩石圈俯冲吸收了147km,印度大陆北缘与北羌塘金沙江古缝合带的距离约为1250km,这表明北羌塘多格错仁46~38Ma的火山岩源区与印度大陆岩石圈俯冲物质无关;36Ma时,印度大陆发生逆时针旋转,岩浆活动迁移至羌塘中部那丁错及邻区。此时,印度大陆北缘与金沙江古缝合带的距离约为1046km,距那丁错火山岩约700km;30Ma时北羌塘巴毛穷宗碱性钾质-超钾质火山岩距印度大陆北缘的距离约950km。18Ma以来火山活动迁移至可可西里地区,此时印度大陆北缘距该火山岩带的距离约为980km。这些特征表明藏北45Ma以来不同时期的火山活动中心与印度大陆北缘的距离约为1250~700km,与现今可可西里之下的巨型地幔低速体与雅鲁藏布江缝合带的距离相近,这说明藏北羌塘地体在45Ma前就有巨型地幔低速体的存在。

2.3 青藏高原陆内汇聚期间的地幔对流体系

地震层析成像资料表明,可可西里上地幔巨型低速体的南侧是由新特提斯和印度大陆岩石圈断离板片及高密度地幔物质组成的地幔下降流,整个下降流的面积数十倍于断离板片。这表明断离沉降的俯冲板片具有较低的温度,在沉降过程中不断吸收了周围地幔物质的热量,使周围地幔因温度降低而下沉,成为下降流的组成部分。随着亚洲大陆的持续缩短,印度大陆岩石圈俯冲前缘不断北移,冷地幔下降流随之不断向北扩展,并推挤藏北地幔低速体不断向北迁移。在这一北移过程中,藏北岩石圈地幔减薄物质的温度低于上涌的软流圈,减薄物质和熔融残留的地幔物质受印度岩石圈俯冲形成的下降流的牵引而成为下降流的一部分。根据物质守恒原理,上地幔内冷的高密度体的下沉必将导致其周围热的低密度地幔物质的上涌,两者互为存在的前提。大陆岩石圈的缩短增厚同板片俯冲和断离板片的沉降一样,也需要下伏软流圈的移除来提供空间。地球物理研究表明,青藏高原地壳增厚7km,地表抬升1km,6km的地壳体积是由软流圈水平挤出提供的。青藏高原现今具有双倍的大陆地壳厚度,在地壳双倍加厚过程中无论岩石圈地幔是以粘性均匀增厚,还是以陆内俯冲形式进入软流圈,都意味着有与南北近3000km宽和上百千米厚的岩石圈缩短体积相同的软流圈地幔从高原之下挤出。

地震层析成像资料表明,高原南部地幔冷下降流的向南倾斜特征是亚洲大陆缩短和印度大陆俯冲北移的结果,这说明在亚洲大陆岩石圈缩短过程中,除软流圈的自西向东挤出流动外(莫宣学等, 2007),还存在断离的岩石圈板片和被冷却的软流圈物质以冷地幔下降流的形式被移除高原之外。它们与藏北深部上涌的热地幔低速体构成了大陆汇聚背景下的地幔对流体系。在图 6中位于42°~44°N的天山山脉受塔里木岩石圈俯冲板片的向下牵引,也形成了一个冷的高密度地幔下降流,原来的地幔物质已被向南和向北挤出,但其影响范围比青藏高原南部新特提斯断离板片和印度大陆岩石圈俯冲形成的下降流要小得多。这些特征表明,藏北现今热地幔上升流是受新特提斯俯冲断离板片和印度大陆岩石圈断离板片沉降形成的冷地幔下降流所驱动的。这就不难理解为什么北羌塘最早的岩浆活动会发生在46~38Ma了。这意味着现今北羌塘-可可西里上地幔低速体在古近纪时位于羌塘之下,随着印度大陆的持续北移和推挤,才逐渐迁移到现今的位置上。

3 藏北后碰撞玄武质火山岩的形成机制 3.1 藏北后碰撞玄武质火山岩成因中的核心问题

后碰撞火成岩成因的各种深部动力学解释都是与岩石圈的增厚和岩石圈的减薄-垮塌机制联系在一起的。Davies and Von Blanckenburg (1995)提出大洋俯冲板片断离模式,解释欧洲特提斯洋闭合后大陆碰撞造山带的演化。藏南拉萨地体在52~42Ma期间形成的东西带状展布的类双锋式岩浆活动和超高压岩石折返指示出新特提斯大洋俯冲板片在50Ma前后发生了断离(侯增谦等, 2006a, b; 高永丰等, 2006; Gao et al., 2008; 董国臣等, 2008; 赵志丹等, 2008),另一种意见认为板片断离时间发生在45Ma左右,以林子宗群火山活动的终止时间为标志(Chung et al., 2005; Xia et al., 2011; Replumaz et al., 2010a)。地球物理研究表明,在青藏高原中部,印度大陆岩石圈俯冲前缘已达羌塘地体之下(Barazangi and Ni, 1982; Kind et al., 2002; Li et al., 2008; Replumaz et al., 2010a, b),青藏高原目前仍保持着平均70km厚的地壳和平均近5000m的高程,印度大陆自50Ma以来向北至少推进了2600km,现今仍在持续向北推进,这与欧洲特提斯造山带部分新生海盆的出现有着显著区别。藏北50Ma以来的岩浆活动难以用单一的大洋俯冲板片断离机制来解释。

邓万明(1978, 1989, 1998)和Arnuad et al. (1992)先后提出昆仑新生代钾质火山岩与塔里木岩石圈向青藏高原之下俯冲释放的富钾流体作用于上覆地幔有关。Tapponnier (2001)提出南北双向陆内俯冲模式解释青藏高原新生代岩浆活动的时空分布规律,其中藏北各地体沿古俯冲带发生的岩石圈地幔向南俯冲是随时间依次向北退移的,以此解释藏北火山活动随时间不断向北迁移的空间分布规律和高原阶段式向外生长特征。近年来陆内俯冲模式得到众多研究者的支持(丁林等, 1999; Ding et al., 2007; 迟效国等, 2006; Wang et al., 2008, 2010; Lai and Qin, 2013; Guo et al., 2006, 2014; Replumaz et al., 2010a, b, 2013)。羌塘多格错仁-赤布张错古近纪火山岩中普遍发育的髙钾钙碱性高Mg#埃达克岩被作为上述陆内俯冲机制的重要依据(迟效国等, 2006; Wang et al., 2008, 2010; Lai et al., 2013)。侯增谦等(2006a, b)认为40~26Ma期间,藏南拉萨地体岩浆活动的快速衰减和消失是印度大陆岩石圈向高原之下低角度俯冲的结果,也是青藏高原进入陆内主要汇聚阶段和地壳强烈缩短增厚的重要标志,25Ma以来印度大陆岩石圈俯冲板片的南北向撕裂导致的软流圈上涌是产生藏南超钾质火山岩、钾质埃达克岩和南北向地堑以及高原东部近南北向展布的低磁异常区的主要机制。

陆内俯冲模式强调在高原南北缩短、地壳增厚过程中岩石圈地幔具有相对刚性特征,这使其不能像地壳那样通过垂向增厚来吸收南北方向上的缩短,岩石圈陆内俯冲或幔壳拆离成为其吸收南北缩短量的唯一方式。但在印度大陆单向俯冲和高原南北双向俯冲模式中,高原腹地或受南北双向俯冲夹持的羌塘地体或拉萨地体的岩石圈地幔是如何吸收南北缩短量的,至今缺少论述。不同时期由地壳缩短提供的岩石圈俯冲深度与岩浆活动之间也缺少精确的距离约束,这是陆内俯冲模式需要进一步研究和解决的问题。

岩石圈拆沉和岩石圈小尺度对流减薄熔融模式也被广泛用于解释青藏高原后碰撞钾质-超钾质火山岩的成因(England and Housman, 1986, 1989; Turner et al., 1993, 1996; 许继峰和王强, 2003; Miller et al., 1999; 吴福元等, 2008; Chen et al., 2013; 罗照华等, 2008)。岩石圈拆沉和对流减薄模式均强调岩石圈地幔在水平缩短过程中与地壳一样发生了粘性增厚。在岩石圈粘性均匀缩短增厚模型中,岩石圈增厚过程对应着岩石圈地温梯度的快速降低,而无岩浆活动发生,幔源岩浆活动只能出现在岩石圈对流减薄或拆沉过程中。England and Housman (1989)对青藏高原岩石圈粘性增厚-减薄数值模拟研究表明,软流圈热传导不能在短时间内使上覆双倍加厚的岩石圈地幔升温软化而发生重力垮塌。但绝热快速双倍增厚的岩石圈地幔与软流圈之间高的温度差会使岩石圈最底部发生软化,在软流圈水平剪切应力作用下,这部分物质会转变成软流圈的一部分,由于密度和温度差异而诱发软流圈发生小尺度对流,对流作用使发生在岩石圈底部的减薄作用能够持续快速的发生,使高原内部在南北缩短背景下发生岩石圈的全面伸展减薄,并伴随高原的快速隆升和中新世的岩浆活动。在岩石圈对流减薄和岩石圈拆沉模式中,随着岩石圈地幔减薄和拆沉作用向两侧扩展,岩浆活动具有随时间不断向外迁移的趋势,青藏高原新生代钾质-超钾质岩浆活动由羌塘地区开始,向南北两侧迁移和中新世以来高原快速抬升也是该模式的重要依据(Turner et al., 1993, 1996)。

上述成因模式是建立在岩石圈粘性均匀增厚-减薄模型基础上的,岩浆活动出现在岩石圈增厚结束后的减薄过程中,在解释藏北后碰撞火山岩成因时碰到的主要问题是羌塘地区晚白垩世以来岩浆活动呈现出的脉动性和岩浆性质随时间呈规律性演变的问题。如在印度大陆与亚洲大陆碰撞早期阶段,羌塘中、西部在60~34Ma期间的玄武质岩浆活动以拉嘎啦钠质橄榄玄武岩、邦达错钠质碱玄岩和那丁错髙钾钙碱性玄武岩为主,而钾玄质和超钾质火山岩则沿羌塘东部祖尔肯乌拉山-滇西一带分布。羌塘中、西部巴毛穷宗、戈木错和鱼鳞山碱性钾质-超钾质火山岩主体出现在30Ma以后。羌塘地体在新特提斯洋闭合前,还发育有87~75.9Ma的髙钾钙碱性玄武岩、安粗岩、英安岩和65~69Ma的花岗岩(Liu et al., 2012; Li et al., 2013; Chung et al., 2005),时间上处于拉萨地体与羌塘地体的后碰撞演化阶段。上述岩浆活动表明,羌塘地体自87Ma以来岩浆活动一直呈脉动式断续发生,其时间间隔大约为5~15Myr,这种持续的脉动式岩浆活动很难用岩石圈增厚-减薄两阶段模式来解释。

数值模拟研究表明,在岩石圈粘性应变过程中,当软流圈温度与岩石圈地幔底部产生较大的温度差时,将会发生岩石圈地幔的对流减薄(England and Housman, 1989)。青藏高原北部在整个陆内汇聚期间,上部软流圈都是一个流动最剧烈的圈层,它一方面受到上部岩石圈水平缩短加厚产生的重力作用,另一方面受到来自新特提斯断离板片沉降和印度大陆岩石圈俯冲驱动的深部热地幔物质上涌产生的向上推挤力,这种上下挤压作用使上部软流圈发生强烈的水平挤出流动,并可能在高原边缘并入到冷地幔下降流中,岩石圈的加厚正是以软流圈的这种挤出流动为前提条件的。这一过程导致了软流圈内部的地温梯度急剧增大,使岩石圈地幔底部与深部上涌软流圈之间的温度梯度随上部软流圈的不断挤出而持续增大。因此,在陆内汇聚背景下,发生在岩石圈地幔底部的减薄作用并不是在岩石圈增厚结束后才发生的,藏北新生代持续的脉动式火山活动表明,岩石圈地幔的减薄作用在岩石圈南北水平缩短过程中始终在发生,但岩石圈地幔底部的减薄作用并不意味着岩石圈也是减薄的,岩石圈的增厚来自地壳和岩石圈地幔两部分,岩石圈的增厚和减薄取决于岩石圈南北水平缩短量和东西伸展量的相对大小。当南北水平缩短量大于东西伸展量时,岩石圈处于净增厚状态,岩石圈地幔减薄量小于增厚量,反之处于伸展减薄状态。

由此推论,在高温软流圈上涌背景下,岩石圈地幔的减薄过程无疑会使岩石圈地幔的力学强度随其减薄程度增大而快速衰减,随着岩石圈地幔的不断减薄,下地壳的增温熔融和榴辉岩下地壳的拆沉也就成为必然的结果。软流圈对流减薄与下地壳榴辉岩的拆沉作用可能是岩石圈地幔减薄的不同发展阶段。由于富集岩石圈地幔较亏损的软流圈地幔有低的熔融温度,在岩石圈地幔对流减薄作用中,进入到软流圈中的富集岩石圈地幔组分更易发生熔融,其熔体的地球化学性质也更复杂多变。榴辉岩下地壳的拆沉则使上涌软流圈与下地壳大范围直接接触,这将导致下地壳的广泛熔融,形成广泛分布的花岗质或流纹质岩浆活动,拆沉榴辉岩的部分熔融则解释了陆内高Mg#埃达克岩的成因问题。拆沉机制较好的解释了古造山带重力垮塌过程中广泛发育的辉长岩-花岗质岩石组成的类双峰式岩石组合和巨量花岗质岩浆的侵入。无论是古造山带中的后造山火成岩岩石组合还是从岩石圈地幔应变的角度分析,地壳双倍增厚引起的岩石圈重力失稳垮塌都是一种爆发性的灾变过程。而加厚岩石圈地幔的对流减薄则是一个渐进过程,这使岩浆系列和岩石组合的演变特征成为判别岩石圈对流减薄与拆沉作用发生的重要判据。

地震层析成像研究表明印度大陆岩石圈仍在持续向北俯冲,扬子克拉通也在发生着向西俯冲,在帕米尔高原之下,现今印度大陆岩石圈俯冲深度已达600km。这说明陆内俯冲主要沿着古老克拉通的边缘发生,指示冷而厚的岩石圈地幔在大陆水平缩短过程中表现为刚性应变特征,这可能是陆内俯冲发生的一个重要条件。而构成青藏高原主体的羌塘和拉萨地体自晚白垩世以来,均发育有脉动式的岩浆活动,表明这里具有热的岩石圈背景,可能不具有发生陆内俯冲的刚性岩石圈的应变条件。松番-甘孜地体和柴达木盆地的向南俯冲仍存有不确定性,目前这里的俯冲作用已经消失,主要依据来自断离板片的痕迹(Kind et al., 2002; Zhao et al., 2011; Replumaz et al., 2010b)。

3.2 藏北后碰撞玄武质火山岩的成因机制

地震层析成像资料表明,陆内俯冲以形成冷地幔下降流为特征。在45~26Ma和10Ma以来的印度大陆岩石圈俯冲期间,冈底斯火成岩带对应的是岩浆活动的快速衰减和宁静期,在帕米尔高原之下,现今印度大陆岩石圈俯冲深度已达600km,这里也无岩浆活动发生。而在可可西里-西昆仑岩浆活动区则缺少塔里木岩石圈向南深俯冲的证据(Gao et al., 2001; Replumaz et al., 2010a, b)。这些都说明陆内俯冲可能不是控制藏北后碰撞火山岩形成的直接因素,与大洋岩石圈上千千米的俯冲深度相比,藏北大陆岩石圈的俯冲作用对地幔温度场的扰动深度显得太小。羌塘后碰撞玄武质火山岩岩浆源区性质研究表明,随着亚洲大陆岩石圈的不断缩短,岩浆性质依次由钠质碱性玄武岩向高钾钙碱性玄武岩和钾质-超钾质玄武岩方向演变,这种变化规律与活动大陆边缘火山岩随时间和地壳增厚由钙碱性向髙钾钙碱性和钾玄岩系列方向演变的规律相类似,暗示青藏高原在岩石圈南北缩短过程中,岩石系列由富钠向富钾方向的演变与岩石圈厚度增大有关。实验岩石学资料表明,地幔岩石的熔融温度随压力增大而升高,在软流圈上涌熔融过程中,岩石圈厚度越大,软流圈底辟上涌距离越小,岩浆熔融程度越低,随着岩石圈厚度的持续增大熔融作用将会被终止。在大陆范围内,岩浆起源深度最大的是金伯利岩和钾镁煌斑岩,它们的形成都与古老克拉通的巨厚岩石圈背景和低的地温梯度有关。由于强烈交代的富钾岩石圈地幔的初始熔融温度相对亏损的上涌软流圈地幔要低得多,随着岩石圈厚度的增大,上涌软流圈物质的熔融将会依次被富集地幔减薄组分的熔融所取代,熔体性质也必然是向富钾方向演变。在藏北地区,这一岩浆性质的转化发生在30Ma前。但20Ma以来,羌塘腹地岩浆活动进入宁静期,岩石圈地幔的减薄-熔融作用并没有进一步向壳内发展,而是迁移到北部可可西里地区。从84°E地震层析成像断面图中可以看出,在羌塘中部地区印度大陆岩石圈俯冲前缘已达南羌塘之下,南羌塘处于岩石圈加厚状态。这说明羌塘古近纪岩石圈减薄熔融作用的终止是印度大陆强烈挤压导致岩石圈再次增厚的结果。

数值模拟研究表明,在大陆汇聚挤压过程中,加厚地壳产生的浮力与汇聚挤压应力间处于动态平衡过程,当岩石圈地幔发生减薄、或大陆汇聚速率降低、以及周围地块构造滑移时都会产生高原内部岩石圈的抬升和伸展减薄作用,而在高原周缘产生向外的仰冲作用(England and Housman, 1989)。反之,当岩石圈浮力小于大陆汇聚挤压应力时,岩石圈仍将处于缩短增厚状态。这一动态应力平衡过程很好的解释了藏北新生代火山作用脉动式贯穿于青藏高原南北缩短和岩石圈增厚的始末。

羌塘古近纪玄武质岩浆经历了由软流圈与岩石圈地幔混合来源,到富集岩石圈地幔来源的演化过程,岩浆起源深度依次增大,熔融程度依次降低。这说明在岩石圈南北缩短过程中,岩石圈的增厚与岩石圈地幔的对流减薄作用呈脉动式并存。青藏高原在亚洲大陆缩短过程中,岩石圈的增厚与岩石圈地幔的减薄表现为非线性交替进行,并不是简单的增厚-减薄两阶段演化过程。其中,拉萨地体在50~45Ma和25~10Ma期间先后发生过两次重要的岩石圈减薄事件,分别对应于新特提斯俯冲板片断离和印度大陆俯冲岩石圈断离和撕裂引起的软流圈上涌,两次岩石圈减薄事件后,岩石圈都重新被陆内俯冲增厚所取代,岩浆作用消失。目前印度大陆岩石圈俯冲前缘在高原中部地区已达南羌塘之下,并导致拉萨地体岩石圈的再度增厚,成为现今青藏高原地壳厚度最大的地区(高锐等, 2009)。

目前印度大陆仍在持续向北挤压,高原仍在持续缩短,高原内软流圈被不断自西向东挤出,如果这种运动格局持续发展下去,可以预见到高原南北宽度会越来越小,拉萨地体的厚壳冷幔结构也会持续向北推进,最终高原主体将向天山-祁连和高原的东部地区迁移,直到印度大陆的北移运动终止。

综上所述,我们提出一种新的成因模式来解释藏北后碰撞玄武岩的成因,即:印度大陆岩石圈俯冲和早期断离板片沉降驱动的藏北深部热地幔物质上涌与岩石圈地幔脉动式增厚-减薄熔融机制,其主要演化过程如图 7所示:

图 7 青藏高原南部冷地幔下降流和藏北热地幔上升流与后碰撞火山岩成因模式 Fig. 7 Cold mantle downwelling in southern Tibet and hot mantle upwelling in northern Tibet and a suggested model to produce post-collision volcanic rocks

(1) 50~45Ma:新特提斯大洋俯冲板片断离初期,青藏高原最强烈的岩浆活动出现在冈底斯南亚带,以林子宗群火山岩和类双峰式辉长岩-花岗岩组合为特征。羌塘60~45Ma钠质玄武岩和东部多格错仁46~38Ma髙钾钙碱性火山岩指示的藏北地幔低速体上涌是受新特提斯俯冲-断离板片和古特提斯断离板片沉降(Van Der Voo et al., 1999)所驱动的。

(2) 44~34Ma:羌塘地区岩浆活动由早期钠质玄武岩转变为髙钾钙碱性玄武岩和安粗岩。在45~37Ma期间,青藏高原在印度大陆大角度斜向挤压过程中,羌塘上涌的软流圈物质以向东挤出流动为主,由于东部受到松番-甘孜地体冷岩石圈的俯冲或阻挡,使软流圈沿该古构造薄弱带发生底辟上涌,形成藏东-滇西古近纪钾质-超钾质火山岩带。在北羌塘东部多格错仁-赤布张错地区低钛髙钾钙碱性火山岩(46~38Ma)中广泛发育的低钛高Mg#埃达克质火山岩,表明软流圈的上涌和岩石圈地幔的减薄导致了下地壳榴辉岩的拆沉熔融(许继峰和王强, 2003; Chen et al., 2013),或软流圈上涌导致了俯冲陆壳的熔融(Wang et al., 2008; Lai and Qin, 2013)。37~34Ma期间,印度大陆发生逆时针旋转,东部运动速率加快,软流圈向东流动阻力增大,使高原腹地软流圈内压增大,上涌中心由多格错仁地区向高原内部迁移,形成以深部软流圈上涌物质与岩石圈地幔混合熔融为主的南羌塘髙钾钙碱性玄武岩,地幔上涌的驱动力主要来自藏南新特提斯俯冲断离板片的沉降和印度大陆岩石圈俯冲形成的冷地幔下降流。

(3) 32~26Ma:随印度大陆的不断北移,高原腹地软流圈上涌中心继续向西扩展,软流圈熔融作用被富集岩石圈地幔减薄熔融所取代,富钾交代地幔减薄熔融形成了北羌塘碱性钾质玄武岩。

(4) 25~10Ma:印度大陆岩石圈俯冲板片大约在30Ma前发生向后弯转,25Ma自西向东撕裂,15Ma完全断离,导致冈底斯南亚带25~10Ma超钾质火山岩和中、酸性岩浆活动。羌塘岩浆活动在20Ma前后消失。伴随印度大陆的向北推挤,藏北地幔上涌区随之迁移到可可西里地区,形成可可西里19~7Ma的钾质火山活动。

(5) 10Ma-今:印度大陆岩石圈再次发生快速俯冲,目前在高原中部俯冲前缘已达羌塘中部。同时印度大陆北移方向再次发生了逆时针旋转,印度大陆东部北移速率再次加快,推挤软流圈上涌中心向西北扩展,使5Ma以来的钾质玄武岩将活动中心扩展到西昆仑地区。

4 结论

藏北古近纪钠质玄武岩(60~44Ma)和高钾钙碱性玄武岩(36~34Ma)起源于深部上涌软流圈地幔与岩石圈地幔混合源区的熔融。羌塘32~26Ma形成的碱性钾质玄武岩与可可西里和西昆仑新近纪钾质玄武岩有相似的地球化学性质,岩浆均来源于加厚的富集岩石圈地幔的对流减薄熔融。上述古近纪玄武岩揭示出在新特提斯板片断离初期,羌塘地区已存在上地幔巨型低速体,随着印度大陆的北移,于中新世迁移到可可西里地区。计算表明羌塘古近纪火山岩距离当时的印度大陆北缘的最大和最小距离约为1250km和700km,与现今可可西里地幔低速体的南、北边界与印度大陆北缘的距离相近,支持羌塘古近纪地幔上涌也是受南部冷地幔下降流所驱动,进一步揭示出青藏高原北部在岩石圈南北缩短背景下,藏南冷地幔下降流和藏北热地幔上升流的持续北移是控制新生代火山岩时空迁移的主要因素。在古近纪地幔上涌区内,岩石圈增厚与岩石圈地幔对流减薄作用并存,两者具有非线性脉动式演化特征。

致谢 在野外工作中得到丁林、王强研究员和李才、赖绍聪教授给予的热情帮助,在此表示衷心的感谢。
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