岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (12): 3861-3872   PDF    
藏南冈底斯白垩纪弧后盆地的地壳变形及初始高原的形成
马元1,2 , 许志琴1,2,3 , 李广伟4 , 马士委2 , 马绪宣2 , 陈希节2 , 赵中宝2     
1. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 中国地质科学院地质研究所, 中国地质调查局大陆构造与动力学创新研究中心, 北京 100037;
3. 南京大学地球科学与工程学院, 南京 210023;
4. 墨尔本大学地球科学学院, 维多利亚 3010
摘要:在藏南"南冈底斯岩浆弧"的北侧,发育一个白垩纪碳酸盐-碎屑岩组成的弧后盆地,盆地基底为早侏罗纪火山岩,其上被大面积晚白垩世-古新世林子宗群火山岩(62~45Ma)角度不整合覆盖,以及65~40Ma花岗岩基的侵位。南冈底斯弧后盆地的主要地壳变形表现为:在自北向南剪切应变下,以早侏罗世火山岩与晚侏罗-白垩世沉积岩之间的冈底斯滑脱带(GD)为主要构造底面,与上部白垩纪地层的强烈褶皱和铲式构造一起组成的"滑脱-褶皱"构造样式。研究表明,弧后盆地的滑脱-褶皱构造是90~62Ma期间与新特提斯大洋岩石圈板片俯冲有关的弧后盆地地壳缩短、加厚和造山作用的表征。大面积存在的冈底斯林子宗火山岩与其下部地层的角度不整合是一种"火山披盖式"的不整合,说明冈底斯弧后盆地经历伸展到地壳缩短变形、造山隆升和剥蚀夷平的演化过程,标志洋-陆俯冲到陆-陆碰撞的转换。提出南冈底斯初始高原在晚白垩世俯冲条件下开始形成的新认识。
关键词: 冈底斯弧后盆地     滑脱构造     洋-陆转换     初始高原    
Crustal deformation of the Gangdese Cretaceous back-arc basin and formation of Proto-plateau, South Tibet
MA Yuan1,2, XU ZhiQin1,2,3, LI GuangWei4, MA ShiWei2, MA XuXuan2, CHEN XiJie2, ZHAO ZhongBao2     
1. School of the Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Innovative Research Center of Continental Tectonics and Dynamics, CGS; Institute of Geology, CAGS, Beijing 100037, China;
3. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China;
4. School of Earth Sciences, University of Melbourne, Victoria 3010, Australia
Abstract: A Cretaceous carbonatite-clasolite-bearing back-arc basin, with a basement of Jurassic volcanic rocks, developed in the south of 'Gangdese magmatic arc', South Tibet. The basin was featured by a large-scale angular unconformity, overlaid by Linzizong Formation of uppermost Cretaceous-lower Tertiary volcanic-bearing strata, and extensive emplacement of 65~40Ma granitic plutons. The upper crust deformation in South Gangdese could be mainly expressed as the Gangdese Décollement (GD) of "décollement-fold" structural style, which consists of 1) a main structural plane between Jurassic basement and overlying sediments with a top-to-south shearing sense and 2) overlying Cretaceous sedimentary units with tight folds and listric faults. We suggest the 'Gangdese Décollement', attributed to the coeval crustal shortening, crustal thickening and orogenesis, was formed due to the northward subduction of Neo-Tethys oceanic lithosphere during 90~69Ma. The angular unconformity between Linzizong Formation and underlying strata shows as a 'volcanic drape-style unconformity' type, recording the transition from ocean-continent subduction to continental collision, accompanied by regional crustal extension, shortening, orogen uplifting, then denudation and planation. Hence, we propose that an Andes-type South Gangdese Proto-Plateau triggered by northward subduction of Neo-Tethys oceanic lithosphere beneath the southern margin of Asia during the Late Cretaceous, then the whole regional planation occurred before Middle Eocene.
Key words: Gangdese back-arc basin     Décollement     Ocean-continent transition     Proto-plateau    
1 引言

新特提斯雅鲁藏布江大洋岩石圈向北俯冲在亚洲大陆南缘的拉萨地体之下,以及大约60~50Ma的亚洲-印度最终碰撞(Patriat and Achache, 1984; Liu and Einsele, 1994; Rowley, 1996; Hu et al., 2016),形成了拉萨地体南部巨大的中-新生代“冈底斯岩浆弧”。冈底斯岩浆弧经历从中生代弧-沟-盆体系、俯冲-碰撞转换阶段的大规模火山岩浆活动,到含有大量斑岩铜矿的渐新世-中新世的花岗岩浆作用的发展,代表了印度-亚洲碰撞前和后的地球动力学演化过程。

与大洋岩石圈俯冲相伴随的活动大陆边缘弧岩浆带的弧后盆地的成长和演化,是一个重要的地质过程。强烈褶皱和地壳缩短的南冈底斯岩浆带北侧的白垩纪弧后盆地(Zhang, 2004; Ma et al., 2015; 叶丽娟等, 2015),被古新世林子宗群火山岩(ca. 65~45Ma)角度不整合覆盖(莫宣学等, 2003; 周肃等, 2004; He et al., 2007; Kapp et al., 2007)。研究该弧后盆地的变形、造山和隆升的历史,可以提供新特提斯洋俯冲造山、洋-陆转换、隆升的地形-地貌等重要信息,对于青藏高原大陆动力学研究具有重要意义。

冈底斯白垩纪弧后盆地的构造格架、变形事件和隆升的时限和演化、以及冈底斯弧后盆地与林子宗火山岩之间角度不整合的构造意义等问题,仍存在迷惑不解之处,有待进一步澄清。本文在前人研究基础上,选择南冈底斯中东段的冈底斯白垩纪弧后盆地进行地壳变形解析和低温年代学的研究,发现弧后盆地下部存在滑脱带,提出南冈底斯在晚白垩世开始形成的初始高原,并获得南冈底斯俯冲-碰撞过程的一些新认识,供同仁参考和指正。

2 地质背景

青藏高原是世界上最高、最新的高原,它的形成经历了长期以来的始-古-新特提斯的演化,是一个在多洋盆、多岛弧、多地体组成的特提斯体系(肖序常, 1988; 潘桂棠等, 2006),以及多汇聚和多碰撞-造山基础上形成“造山的高原”(许志琴等, 2006)。青藏高原南部的拉萨地体位于新特提斯南、北两条缝合带(即雅鲁藏布江缝合带和班公湖-怒江缝合带)之间,是在藏南松多古特提斯地体(杨经绥等, 2006)的基础上发育的、与印度-亚洲碰撞前的班公湖-怒江新特提斯洋盆闭合(ca. 140~120Ma) (Chang et al., 1986; Girardeau et al., 1984; Zhang, 2000)有关的亚洲大陆南部的最后拼贴地体。

发育在拉萨地体南部的巨大的冈底斯俯冲-碰撞岩浆弧呈近E-W向延伸,全长2000多千米,宽20~60km(图 1a),以“安第斯型岩浆弧”和出露岩浆弧根部的岩基为特征,又被称为“冈底斯岩基”、“转换喜马拉雅岩基”(Schärer et al., 1984; Debon et al., 1986)和“安第斯型冈底斯山脉”(Ding et al., 2014)。

图 1 冈底斯岩浆带展布(a, 据Ji et al., 2009)和南冈底斯中东段白垩纪弧后盆地地质背景图(b, 据西藏自治区地质调查院一分院, 2007修绘) 图(b)中不同世代花岗岩的年龄数据据Wen et al. (2008), Ji et al. (2009)Zhu et al. (2015) Fig. 1 Distribution of the Gangdese magmatic belt in the region (a, after Ji et al., 2009) and geological background map of Cretaceous back-arc basin in the middle-east part of the South Gangdese magmatic belt (b) Granitic plutons of different generations in Fig. 1b are from Wen et al. (2008), Ji et al. (2009) and Zhu et al. (2015)

① 西藏自治区地质调查院一分院. 2007. 1:250000拉萨、泽当幅地质图

研究表明,冈底斯岩浆带由中生代-新生代的侵入岩和火山岩组成,包括晚三叠世-早第三纪的钙-碱性花岗岩和古新世林子宗群火山岩。晚三叠世-早新生代的花岗岩带形成时限又可以分为4个不同世代:ca.205~152Ma、ca.109~80Ma、ca.65~41Ma和ca.33~13Ma(Ji et al., 2009)。

普遍认为三叠纪-白垩纪(ca.205~80Ma)的岩浆岩带(张宏飞等, 2007; Chu et al., 2006; Yang et al., 2009)的形成与雅鲁藏布江新特提斯大洋岩石圈向北俯冲在拉萨地体之下有关(Yin and Harrison, 2000),其中雄村斑岩铜矿是唯一的大型俯冲型斑岩铜矿矿床,形成在190~170Ma的新特提斯洋岛环境(Lang et al., 2014);而古-始新世的花岗岩浆活动可能因印度岩石圈板片断离所致(Chung et al., 2005; Ji et al., 2009);含有大量斑岩铜矿的渐新世-中新世的花岗岩浆活动(Chung et al., 2003; Hou et al., 2004; Guo et al., 2007),是碰撞或后碰撞的产物(Lee and Lawver, 1995)。最新研究表明,其来源于深部地幔的埃达克质岩浆,由此,提出岩石圈板片断离成因假说(Hou et al., 2015)。

在冈底斯岩浆带与新特提斯雅鲁藏布江大洋岩石圈板片俯冲带之间,发育晚白垩世-古新世的日喀则复理石前陆盆地,沿盆地北缘沉积厚度达5km,地壳变形呈现大型向形褶皱样式,南、北两侧为反向逆冲断裂所限(Burg and Chen, 1984),地壳缩短达到35% (Einsele et al., 1994)。

冈底斯中生代岩浆弧的北部,发育一个长约2000km、宽约600~700km强烈变形的白垩纪弧后盆地单元。盆地的基底为叶巴组中-基性火山岩和火山碎屑岩(ca.190~174Ma)(Zhu et al., 2011),上覆的盆地沉积为白垩纪的一套浅海相-河湖相沉积,从自下而上为多底沟组灰岩、林布宗组砂板岩和设兴组的碎屑沉积岩(图 1b),设兴组的红色砂岩年龄为90Ma(Kapp et al., 2007)。

冈底斯弧后盆地的地层经历了早期拉伸(Zhang, 2000, 2004)和后期强烈地壳变形(Burg et al., 1983; England and Searle, 1986)的造山过程。在强烈变形的白垩纪弧后盆地之上,角度不整合覆盖了弱变形的古新世的林子宗群火山岩岩系,前期确定的林子宗火山岩形成时代为65~45Ma,(莫宣学等, 2003; 周肃等, 2004; He et al., 2007; Kapp et al., 2007),最新确定为62~45Ma(Zhu et al., 2015; 陈希节, 2015)。此不整合规模巨大,成为冈底斯一道壮观的地质风景线。对于该不整合的意义有两种不同的认识:(1)与冈底斯弧有关的收缩性造山(科迪勒拉型)形成的构造不整合(Burg et al., 1983; England and Searle, 1986; Ratschbacher et al., 1992),(2)是印度-亚洲碰撞的标志,林子宗组的下界(ca.65Ma)为碰撞的初始时限(莫宣学等, 2003)。

此外,诸多学者关注冈底斯地体的隆升问题,利用低温年代学的方法制约隆升的速度和速率(Copeland et al., 1995; Li et al., 2016)。最近Li et al. (2016)提出早期的快速冷却和剥蚀发生在晚白垩世-早古新世,古新世-渐新世为稳定冷却和缓慢剥蚀时期(剥蚀速率为0.05~0.02mm/yr),标志中央高原(拉萨、羌塘地块)形成;中新世开始又进入较快速冷却和剥蚀阶段(Dai et al., 2013; Carrapa et al., 2014)。而最后快速冷却阶段可能与冈底斯地体南缘的大型逆冲断裂的形成如27~23Ma形成的向北倾斜的冈底斯逆冲断裂(GT)(Yin et al., 1994; Harrison et al., 2000)以及区域河流快速下切紧密相关(Li et al., 2016)。

在南冈底斯岩浆带的中东段拉萨-墨竹工卡地区,北部出露印支造山基底,南部为以早侏罗世的叶巴组中-基性火山岩系为基底的白垩纪弧后盆地的沉积,被一系列的花岗岩体侵入,并被古近纪的林子宗群中基性火山岩角度不整合覆盖。花岗岩的年龄为66~59Ma(Wen et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2015)。在该区的中部,叶巴组火山基底为核部和白垩纪沉积为两翼构成近E-W向的穹隆构造。以甲玛、驱龙为代表的大型斑岩铜矿矿床大部分分布在穹隆构造的范围内。

3 南冈底斯白垩纪弧后盆地的地壳变形和缩短

通过横穿南冈底斯岩浆带中东段拉萨-墨竹工卡地区的三条科技走廊剖面的野外观测和构造分析,基本查明三套岩系的变形序次、变形样式和变形机制,以及它们之间的时空关系(图 2)。

图 2 横穿南冈底斯中东段构造剖面图(剖面位置见图 1) Fig. 2 Structural transects across the middle-east Gangdese (see Fig. 1)
3.1 冈底斯滑脱带

首次发现研究区侏罗纪叶巴组火山岩基底与白垩纪盆地沉积之间存在由总体走向为近东西向、由两条平行的滑脱层组成的大型滑脱带,称为“冈底斯滑脱带”(Gangdese Décollement, GD),下滑脱层位于叶巴组火山岩和晚侏罗世晚期的多底沟灰岩之间(GD1),上滑脱层位于多底沟灰岩和早白垩世的林布宗砂板岩之间(GD2)(图 2)。

下滑脱层(GD1),宽度0.2~1km,由来自下部叶巴组火山岩的糜棱质火山岩,火山糜棱岩和超糜棱岩组成(图 3c, f-h)。下滑脱带发育透入性面理和拉伸线理,面理向NNE倾斜,倾角40°~70°,面理倾角的变化与后期叠加应变有关;面理上发育有横向拉伸线理,拉伸线理倾伏向朝北,倾伏角(30°~67°)随面理变化而改变。叶巴组中发育火山凝灰质糜棱岩,具有“σ”型长石和石英碎斑系、云母鱼和S/C构造(图 3e),以及糜棱质(<0.1mm)或超糜棱质基质(<0.01mm)中极微小的长英质集合体的不对称透镜体的叠置构造均指示GD1顶面自北向南的剪切指向(图 3)。

图 3 南冈底斯白垩纪弧后盆地滑脱构造的野外照片(a-d)及显微图像(e-h) (a) GD1上盘林布宗组砂岩夹层中的S-C组构;(b) GD1上盘林布宗组砂板岩中的S-C组构;(c) GD2下盘叶巴组火山岩中的旋转斑晶;(d)多底沟组灰岩中S1斜卧褶皱被S2改造;(e)叶巴组火山质糜棱岩中S-C组构;(f)糜棱岩中旋转碎斑;(g)叶巴组糜棱岩中变形石英斑晶;(h)叶巴组超糜棱岩中旋转碎斑指示向南剪切.Qtz-石英;Pl-斜长石;Bi-黑云母;Cal-方解石;F-断层 Fig. 3 Field and microscope photographs of the Gangdese Décollement structure in the Cretaceous back-arc basin, South Gangdese (a, b) S-C fabric in the interlayered sandstone of Linbuzong Fm. from the hanging wall of GD1; (c) rotated phenocrysts in the volcanic rock of Yeba Fm. from the foot wall of GD2; (d) oblique fold in Duodigou Fm. of S1 was superimposed by S2; (e) S-C fabric in volcanic rocks of Yeba Fm.; (f) rotational augens in mylonite of Yeba Fm.; (g) rotated quartzose phenocrysts in mylonite of Yeba Fm.; (h) southward shearing indicated by rotational augens of Yeba Fm. Qtz-quartz; Pl-plagioclase; Bi-biotite; Cal-calcite; F-fault

靠近滑脱带的上覆晚侏罗世多底沟灰岩也发生了剪切变形,在灰岩中发育大量褶皱轴面向北缓倾的不对称同斜褶皱群,同样反映了滑脱顶面自北向南的运动学标志(图 4)。

图 4 甲玛铜多金属矿床ZK2314钻孔岩芯薄片构造变形特征 (a、b)泥质椭球定向拉长;(c、d)近平卧褶皱中的两期面理(S0-1和S2)反映了与简单剪切机制相关的滑脱应变中的两期变形 Fig. 4 Deformation characteristic of thin section from the ZK2314 drilling core of Jiama copper polymetallic deposit (a, b) stretching lineation of argillaceous ellipsoid; (c, d) simple shear-related décollement strain indicated by two phases of foliation (S0-1 and S2) of recumbent fold from Jiama drilling core

冈底斯滑脱带的上滑脱层(GD2)发育在早白垩世林布宗组砂板岩和晚侏罗世多底沟组灰岩之间,宽度0.1~0.5km。滑脱带的变质变形作用主要显现在下部灰岩的大理岩化,上部砂板岩的硅化、绢云母化、绿泥石化和黄铁矿化等,发育透入性面理和横向拉伸线理,面理倾角和拉伸线理的倾伏角随后期的叠置变形而变化。在甲玛斑岩铜矿矿区的ZK2314孔的岩芯中,可见到林布宗组砂板岩下部岩石千糜岩或糜棱岩化,发育向北缓倾的透入性面理,拉长的黑色泥质椭球体和黄铁矿压力影等组成的横向拉伸线理,在递进剪切应变下形成的含有两期面理(S1和S2)的近平卧褶皱,反映简单剪切机制,并根据千糜岩中不对称拖褶皱、长英质不对称布丁构造等野外标志推断滑脱顶面的自北向南的剪切指向(图 4)。

研究表明,K1-2林布宗组砂板岩的变形特征显示为下部同斜褶皱和上部近直立褶皱的铲式构造样式,而最上部K2设兴组的红绿色相间的泥砂质岩石的变形以无劈理的较宽缓的近直立同心褶皱为特征(图 5)。

图 5 拉萨西马乡白垩系与古新统角度不整合野外照片 Fig. 5 An angular unconformity between the Cretaceous sediments and Later Cretaceous-Eocene volcanic rocks at Maxiang village, West Lasha
3.2 穹状构造

在研究区,发育一个由核部侏罗纪叶巴组火山岩和翼部白垩纪弧后盆地沉积岩(多底沟组-林布宗组-设兴组碳酸盐-碎屑岩)组成的近E-W向长条形穹窿构造。核部侏罗纪叶巴组火山岩出露宽度20~40km、长度约120km(图 1)。位于核部与翼部岩石之间的冈底斯滑脱带(GD)因为穹窿作用,使两翼产状变陡,在西侧(拉萨以西)的穹窿倾伏转折端的滑脱带产状向西缓倾(倾角ca.30°~10°)以及拉伸线理转为SW-NE向(图 6)。拉萨穹窿构造被65~40Ma花岗岩侵位(图 1)。

图 6 拉萨穹隆构造各段面理和拉伸线理赤平投影图 (a)穹隆西部,测量点1赤平投影;(b)穹隆北部,测量点2赤平投影;(c)穹隆南部,测量点3赤平投影.测量位置见图 1. Fo-面理;La-拉伸线理 Fig. 6 Stereogram of the foliation and stretching lineation of the Lhasa Dome (a) position 1, west of the dome; (b) position 2, north of the dome; (c) position 3, south of the dome. Measuring position see Fig. 1. Fo-foliation; La-stretching lineation
3.3 角度不整合

整个拉萨地体南部广泛存在白垩系沉积和古新系含火山岩席之间的角度不整合(图 5)。在林周盆地,林子宗火山岩不整合覆盖在设兴组和其他较老的地层之上。林子宗群火山岩席所不整合覆盖的白垩纪地层显示出了强烈的褶皱和冲断效应;而林子宗群火山岩变形很弱,在多数地区地层低角度北倾(He et al., 2007)或者宽缓波状起伏。这些变形样式和程度的巨大差异表明在林子宗群火山活动之前发生过强烈的褶皱变形,地壳缩短加厚,以及之后的隆升、剥蚀和地形夷平。根据林子宗火山岩的活动时间在62~45Ma,因此,该不整合应该发生在62Ma之前。

4 年代学记录 4.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb测年

本次研究中,分别在拉萨东部章多乡和甲玛东侧采集了2块花岗岩样品(样品XY 4-2和样品XY 11-2),进行了锆石U-Pb年龄测定。样品在河北廊坊科大岩石矿物分选技术服务有限公司和河北省地质测绘院挑选完成的。锆石U-Pb测年所使用型号为Geolas2005激光剥蚀系统和Agilent7500a电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成。实验中,剥蚀物质的载气为He气,气体流速为270mL/min,激光束斑直径为32μm。同位素分馏校正使用91500作为标样,每隔6~8个测点用两个91500标样校正,更加详尽的操作步骤见Song et al. (2010)。采用ICP MS Data Cal 9.0软件完成对样品的同位素比值和U-Pb表面年龄数据进行处理。锆石平均年龄及谐和年龄图在Excel 2003环境下宏加载Isoplot 3.75(Ludwig, 2012)完成,测试结果见表 1

表 1 样品XY 11-2和XY 4-2锆石LA-ICP-MS U-Pb测年数据 Table 1 LA-ICP-MS U-Pb data for zircon grains from Sample XY 11-2 and Sample XY 4-2

花岗岩XY 11-2的21个锆石颗粒边缘多呈板柱状和棱柱状,粒度均匀,锆石阴极发光(CL)图像显示有清晰环带,亮度较亮,表示U、REE、Th等元素含量较低,无继承核。锆石粒度在80μm×120μm至150μm×200μm,长宽比介于1:1~1:2。Th/U比值在0.31~0.55之间,显示岩浆锆石特征。锆石LA-ICP-MS U-Pb测试结果显示数据的谐和性较好(图 7a),花岗岩锆石206Pb/238U加权平均年龄为63.83±0.75Ma(1.2%)(MSWD=0.33,95%置信度)。

图 7 拉萨穹窿中花岗岩体的锆石U-Pb年龄图 Fig. 7 Zircon U-Pb concordia diagram for granitic samples from Lhasa Dome

拉萨东部章多乡花岗岩XY 4-2的19个锆石颗粒形态特多呈板柱状和棱柱状,粒度均匀,锆石阴极发光(CL)图像显示有清晰环带,亮度较亮,表示U、REE、Th等元素含量较低,无继承核。锆石粒度在80μm×90μm至100μm×200μm,长宽比介于1:1~1:2。Th/U比值在0.28~0.51之间,显示岩浆锆石特征。锆石LA-ICP-MS U-Pb测试结果显示数据的谐和性较好(图 7b),花岗岩锆石206Pb/238U加权平均年龄为64.68±0.90Ma(1.4%)(MSWD=1.18)。锆石U-Pb年龄测定结果表明,它们形成于ca.65~64Ma。

4.2 磷灰石裂变径迹测试

磷灰石裂变径迹(AFT)是238U裂变产生的离子反相运动在磷灰石晶体内导致的晶体损伤。统计磷灰石颗粒中AFT径迹数目,并结合238U放射性衰变规律便可计算出AFT年龄。磷灰石颗粒中的AFT长度分布记录了其所经历的热历史。通过统计磷灰石封闭径迹长度分布,利用实验室AFT退火机制研究而建立的退火动力学模型,便可反演磷灰石颗粒曾经历的热历史(Gleadow et al., 1986)。此外,对于AFT部分退火温度(通常所称的封闭温度)为60~120℃,因此主要反映浅层地壳的构造、热事件(3~4km深度以上, Gleadow et al., 1986)。

本次研究在拉萨-甲玛地区采集了7件样品(XJ 15-1、XJ 2-2-2、XY 7-1-1、XY 7-3-1、XY 9-2-1、XY 11-3-3和XY 14-1-1)(图 1),挑选出其中的磷灰石,进行了磷灰石裂变径迹年龄测定,具体样品信息见表 2。该实验是在澳大利亚墨尔本大学地球科学学院低温年代学实验室完成的,该实验室采用LA-ICP-MS法分析,详细的实验步骤及过程可参考Li et al. (2015)。测试结果见表 2图 8

表 2 拉萨-甲玛矿区磷灰石裂变径迹年龄数据 Table 2 Apatite fission track data from Lhasa-Jiama area

图 8 冈底斯弧后盆地裂变径迹的热历史反演模拟图(左)以及磷灰石裂变径迹长度分布图(右) 图中黑线代表最优模式,蓝色细线代表加权平均路径 Fig. 8 Thermal history model based on apatite fission track (AFT) for five samples from the Gangdese back-arc basin Left: Inverse thermal history modelling result for samples; Right: Corresponding length distribution panels for these samples. The black lines represent best-fit model, and blue lines represent weighted mean path

7件样品中有5件测得适当的封闭径迹条数可用于热历史模拟,而其它2个样品因为未分选出足够的磷灰石颗粒用于封闭径迹长度,仅测得其AFT表年龄,因此未能进行热模拟。AFT模拟反演研究数据用HeFTy软件处理(Ketcham, 2005),采用多动力学退火模型(Ketcham et al., 2007),以蚀刻凹槽(Dpar)作为动力学参数,数据详见表 2,热历史反演投影和径迹长度分布见图 9

图 9 南冈底斯弧后盆地演化示意图 Fig. 9 Evolution model for the back-arc basin of the southern Gangdese terrane

在拉萨-甲玛地区XJ 15-1、XJ 2-2-2、XY 7-1-1、XY 7-3-1、XY 9-2-1、XY 11-3-3和XY 14-1-1样品(图 1)的磷灰石AFT中心年龄分别为24.5±2.0Ma、29.4±2.1Ma、19.8±1.8Ma、32.9±2.1Ma、33.7±2.1Ma、36.9±9.0Ma和33.9±3.4Ma(表 2)。样品的裂变径迹的分布以单峰为主,而样品XY14-1-1略显双峰特征。整体上述样品的平均长度相对中等,平均范围在11~12.7μm之间(表 2)。说明它们在经历热事件冷却后期,滞留在AFT的部分退火带(60~110℃)一定的时间后才被抬升/剥蚀到地表(Gleadow et al., 1986)。热历史反演结果指示,样品多数经历了早中新世开始的快速冷却事件,而样品XJ 2-2-2和XY 11-3-3记录了晚中新世的开始的快速冷却(图 9),主要由于AFT封闭温度相对较低,主要受到后期的断裂活动以及区域河流下切影响、控制。

5 讨论 5.1 冈底斯滑脱带形成和演化

根据化石及40Ar/39Ar年龄证据(Tan et al., 2010),设兴组沉积下限约为110Ma,设兴组中最年轻的红色砂岩形成于ca.90Ma(Kapp et al., 2007),冈底斯滑脱带与弧后前陆盆地白垩纪地层的铲式褶皱系相伴随,被60~70Ma的花岗岩所切割,并为林子宗群火山岩系(62~45Ma)不整合覆盖(He et al., 2007; Kapp et al., 2007; 陈希节, 2015),表明冈底斯滑脱带应形成于90~62Ma之间。岩浆岩证据表明南冈底斯95~86Ma之间地壳厚度较薄(ca.30km),85~73Ma有明显加厚过程(Guan et al., 2012; Ji et al., 2014),此时的冈底斯带地壳厚度达到60km。因此大规模地壳褶皱、缩短和加厚作用很可能是在这段时间发生的,故我们将大规模的挤压滑脱构造的时间限定在85~73Ma之间。

近E-W向的拉萨穹隆状构造的核部为叶巴组火山岩,周缘为白垩纪弧后前陆盆地的白垩纪沉积,两者之间的冈底斯滑脱构造被改造为穹形,并为65~40Ma的花岗岩侵位,因此推断穹隆状构造应该发生在滑脱构造形成之后、花岗岩侵位之前。

5.2 冈底斯不整合的意义和初始高原的形成

位于弧后白垩纪前陆盆的地褶皱地层被晚白垩世-早新生代林子宗火山岩角度不整合,造成冈底斯宏伟构造景观。笔者认为有三重构造意义:(1)代表了白垩纪弧后盆地的褶皱-滑脱造成的冈底斯山脉,已经被剥蚀、隆升和夷平;(2)是大范围晚白垩世-早新生代火山披盖不整合的标志;(3)印度/亚洲碰撞之前的南冈底斯初始高原形成,南冈底斯高原与新特提斯洋盆向北俯冲有成因联系。无独有偶,现今世界上的第二大高原——南美洲西岸的中安第斯高原是大洋地壳俯冲背景下的产物(Barnes and Ehlers, 2009)。ca. 25~10Ma的平板俯冲导致了安第斯初始高原慢速稳定的抬升,ca. 25Ma之后,俯冲板片回归到了正常的俯冲角度,强烈的挤压作用引发了ca. 10~6Ma之间约2.5km的隆升, 和高原的最终形成(Isacks, 1988; Husson and Sempere, 2003; McQuarrie, 2002)。笔者认为,南冈底斯晚白垩世初始高原可以与现今的安第斯高原对比。

5.3 冈底斯弧后盆地的演化

根据上述研究和分析,南冈底斯弧后盆地的变形和隆升的历史经历如下三个阶段(图 9):

(1) 90~62Ma阶段,在晚白垩世到始新世时期,印度-亚洲的汇聚速率超过10cm/yr(Patriat and Achache, 1984; Klootwijk et al., 1992; Lee and Lawver, 1995),这一汇聚与新特提斯大洋岩石圈向北俯冲在拉萨地体之下以及冈底斯大陆岩浆弧形成有关。伴随N-S向的挤压,在弧后盆地中形成位于早中侏罗世火山基底和白垩纪沉积层之间的大型向北缓倾的滑脱断裂系,由火山岩和早白垩世多底沟灰岩之间的下滑脱带和早白垩世多底沟灰岩和林布宗砂板岩之间的上滑脱带组成,命名为“冈底斯滑脱带”(GD),伴随滑脱带的自北向南的剪切滑移,盆地中的白垩纪上部地层形成铲式样式的褶皱构造。弧后盆地中上部地壳褶皱-断裂和缩短,以及继后的穹窿构造的形成,导致晚中生代的弧后造山带——冈底斯山脉的形成以及快速隆升和剥蚀,筑成65Ma之前的俯冲型高原雏形。

(2) 62~45Ma阶段,大范围的玄武岩-安山岩火山岩呈水平岩席角度不整合地披盖在已经剥蚀和夷平的冈底斯山脉之上,伴随缓慢隆升和冷却,形成典型的近水平的冈底斯玄武-安山岩高原地貌。

(3) 中新世以来,在印度-亚洲板块进一步汇聚下,形成冈底斯地体南缘浅部地壳的大型逆冲断裂,加之地表侵蚀作用,使冈底斯南缘快速挤出隆升,冷却,同时,大量南-北向裂谷系开始发育,并伴随埃达克质岩浆侵位,以及大型斑岩型铜矿的形成。

6 结论

与雅鲁藏布江新特提斯洋盆向北俯冲有关的冈底斯白垩纪弧后前陆盆地与冈底斯晚中生代岩浆弧伴生,其早期地壳变形表现为以自北向南的滑脱带为底面、褶皱-逆冲断裂系为上盘的主要特征,褶皱造山带形成于90~62Ma,62~45Ma大范围的晚白垩世-古近世火山岩系不整合披盖在弧后盆地的褶皱造山带之上,形成了南冈底斯安第斯山型的俯冲型玄武-安山岩初始高原。南冈底斯地体的最后一次的快速隆升发生在中新世以来,并形成制约冈底斯南部大量的逆冲断裂系。冈底斯中生代弧后前陆盆地的生长和演化反映了新特提斯洋-陆转换、俯冲造山和初始高原的形成过程。

致谢 本研究得到河北省地质测绘院杨彪帮助样品处理, 以及张淼协助本文的绘制图件和校对文献,表示感谢。
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