2017, Vol. 36
中新世的巨型欧亚高原:埃达克岩的证据
引用本文
马珊珊, 张旗, 金维浚. 2017. 中新世的巨型欧亚高原:埃达克岩的证据. 矿物岩石地球化学通报, 36(6): 920-926 
MA Shan-shan, ZHANG Qi, JIN Wei-jun. 2017. A Giant Eurasian Plateau of Miocene: Evidence from Adakites. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 36(6): 920-926
中新世的巨型欧亚高原:埃达克岩的证据
1. 中国地质大学(北京), 北京 100083;
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
摘要:
大数据研究表明，全球新生代埃达克岩主要出现在中新世时期，主要是C型的，与地壳加厚有关。根据中新世埃达克岩在欧亚大陆上的分布，可以识别出一个从青藏高原经巴基斯坦、伊朗、土耳其、小高加索、希腊、马其顿、塞尔维亚、匈牙利直至波兰的中新世的埃达克岩带。许多学者认为，该带的埃达克岩指示该区存在地壳加厚事件，该区从地貌上属于高原。该区由于情况复杂，资料缺乏，资料的精细程度也不尽相同，因此，对高原的描述不可能很清楚。我们大体知道，在始新世时期，印度-非洲板块与欧亚板块发生碰撞，部分地区在始新世-古新世即出现埃达克岩，至渐新世晚期-中新世，埃达克岩广泛出露，暗示板块强烈碰撞作用主要出现在中新世。巨型的欧亚高原可能从渐新世晚期-中新世早期开始形成，一直持续到现在，现在的喀尔巴阡、土耳其、伊朗、巴基斯坦、阿富汗、西藏、青海、蒙古以及四川和云南的西北部，仍然属于高原的范围。
关键词:
欧亚巨型高原
埃达克岩
中新世
青藏高原
喀尔巴阡
碰撞
大数据
A Giant Eurasian Plateau of Miocene: Evidence from Adakites
1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Institute of Geology and Geophysice, China Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2. Institute of Geology and Geophysice, China Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract:
Big data shows that the global Cenozoic adakites mainly formed in the Miocene period. They are mainly C type and associated with crustal thickening. According to the distribution of Miocene adakites in the Eurasia Plate, Miocene adakite belt from Tibetan Plateau through Pakistan, Iran, Turkey, small Caucasus, Greece, Macedonia, Serbia, Hungary to Poland could be identified. Many scholars believed that the occurrence of this adakite belt indicated a crustal thickening event. The area belongs to the plateau from topographic feature with complexity situation, so that geological information is lacked and the description of the plateau can not be very clear. From limited documents, we preliminarily addressed that the India-Africa Plate collides with the Eurasian Plate in the Eocene epoch, forming adakite in Eocene-Paleocene, Miocene to late Oligocene. The extensive distribution of adakites, suggests that strong collision mainly occurred in Miocene. The giant Eurasian Plateau may been formed since the late Oligocene to present, Carpathian, Balkans, Turkey, Iran, Pakistan, Afghanistan, Tibet, Qinghai, Mongolia and Sichuan and the northwest of Yunnan, are still a part of this plateau.
Key words:
eurasian giant plateau
adakite
miocene
Tibetan Plateau
carpathians
collision
big data
1 引言
3 结果
4 讨论
4.1 中欧-亚洲中新世埃达克岩出露的情况
4.1.1 喀尔巴阡地区的埃达克岩
新生代时期在青藏高原、伊朗、土耳其、小高加索等地区存在埃达克岩，存在地壳加厚，存在高原的现象早已有人报道过(Wilson et al., 1997; Dilek and Altunkaynak, 2007; Jahangiri，2007；Lebedev et al., 2012)。但是，在中新世时期存在一个从青藏高原经伊朗、土耳其、希腊到匈牙利、波兰、捷克的世界级的巨型的欧亚高原，却是最近刘欣雨等(2017)对全球安山岩数据挖掘中报道的(原始数据来自焦守涛博士)。她们发现在整个新生代时期，以中新世的埃达克岩出露最广，主要分布在欧亚的中部和美洲大陆的西部，后者从北美的阿拉斯加经加利福尼亚、墨西哥、中美洲、到南美智利的南端(图 1)。埃达克岩是在阿留申群岛最早发现的，认为与板块俯冲作用有关(Defant and Drummond, 1990)。而全球新生代埃达克岩绝大部分并不分布在洋盆中，而是在大陆内部(图 1)。说明与俯冲有关的埃达克岩并不是主要的，或与俯冲有关的埃达克岩是很难形成的，埃达克岩大多是加厚地壳底部部分熔融形成的。
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数据来源于GEOROC 图 1 中新世欧亚地区埃达克岩分布图 Figure 1 Distribution of Eurasia Miocene adakites |
本文主要介绍欧亚巨型高原的国外部分的资料，青藏高原是国内学术界熟知的，就不予以讨论了。国外埃达克岩以土耳其报道较多，国外报道的埃达克岩大多是高钾钙碱性系列和钾玄岩系列的，低钾和O型的埃达克岩很少，部分埃达克岩强烈富钾，K2O含量甚至大于2%，Yb>2.0×10-6，大大超出了早先的认识(Defant and Drummond, 1990; Castillo，2006; 张旗等，2008)。说明埃达克岩的成因与板块俯冲无关，埃达克岩的源区可能主要是古老的陆壳，埃达克岩的形成与地壳加厚有关(张旗等，2008)。
2 研究方法埃达克岩的标志全球很难统一，学术界通常采用Sr/Y>40和较高的La/Yb值作为标志，我们认为Sr/Y比值是派生数据，与Sr、Y、Yb含量标志会出现矛盾的情况(张旗等，2008)。本文取SiO2>56%、MgO < 3%、Sr>400×10-6、Yb < 2.0×10-6、Y < 20×10-6。作为埃达克岩的标志，幸运的是，伊朗、土耳其、青藏高原的很多埃达克岩是适合上述标志的。
本文的数据主要来自于GOROC和PetDB两个数据库，将两个数据库中的数据整合为GOROC的数据格式，按照上述标准(SiO2>56%、MgO < 3%、Sr>400×10-6、Yb < 2.0×10-6、Y < 20×10-6)筛选出符合上述标准的所有新生代埃达克岩样品共2313件，删去样品中主元素(如Al2O3、TiO2、CaO、P2O5等)含量异常的样品，删去微量元素含量异常高的数据(样品保留)，留下的有效数据共1688个，以中新世分布最为集中(图 2)。
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数据来源于GEOROC 图 2 全球新生代埃达克岩时代分布直方图 Figure 2 Age distribution histogram of global Cenozoic adakites |
为了区分大陆和大洋埃达克岩，我们以Na2O/K2O=2为标准将全球埃达克岩分为两类：，Na2O/K2O>2为贫钾的埃达克岩，Na2O/K2O < 2为富钾的埃达克岩，全球统计表明，富钾的埃达克岩数据较多(图 3)。我们知道，贫钾的埃达克岩与俯冲有关，一部分贫钾的埃达克岩(如新疆阿吾拉勒埃达克岩，据熊小林等，2001)和几乎全部富钾的埃达克岩主要与地壳加厚有关(张旗等，2008)，因此，埃达克岩虽然是在大洋中发现的，却以大陆埃达克岩比较发育。在TAS图(图 3)中，埃达克岩主要由安山岩和英安岩组成，少量为粗安岩、粗面岩和流纹岩。Na2O/K2O>2的埃达克岩主要分布在钙碱性系列，少部分分布在低钾(拉斑)系列，而Na2O/K2O < 2埃达克岩主要位于高钾钙碱性系列和钾玄岩系列(图 4)。从Tzr-Zr图(图 5)的锆石饱和温度计看，富钾的埃达克岩形成的温度更高，暗示与地壳加厚有关的埃达克岩熔融需要较高的温度(主要在700~900℃)，而与俯冲有关的埃达克岩的温度大体在800℃以下(图 5)。
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底图据Le Bas等(1986) 图 3 不同K含量埃达克岩TAS图 Figure 3 TAS diagram of adakites with different potassium contents |
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底图据Peccerillo和Taylor(1976) 图 4 不同K含量埃达克岩硅钾图 Figure 4 Si-K diagram of adakites with different potassium contents |
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图 5 不同K含量埃达克岩Tzr-Zr图 Figure 5 Tzr-Zr diagram of adakites with different potassium contents |
已经有一些作者报道在喀尔巴阡-潘诺尼亚(Carpathian-Pannonian)地区存在中新世的埃达克岩(Seghedi et al., 2004；Trua et al., 2006；Nejbert et al., 2012)，认为埃达克岩主要位于外喀尔巴阡山的西部，是中新世板块向西俯冲造成Alcapa and Tisia块体与欧洲板块东南缘碰撞形成的，分布于波兰、摩拉维亚和捷克等地，处于欧洲前陆盆地和喀尔巴阡-潘诺尼亚弧之间(图 6)。时代是早-中中新世的(22~10 Ma，Trua et al., 2006；Seghedi et al., 2004)。
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据Anczkiewicz(2016) 图 6 喀尔巴阡-潘诺尼亚概略地质图 Figure 6 Geological sketch of the Carpathian Pannonian Region |
该区埃达克岩有些是原作者识别出来的(Seghedi et al., 2004；Trua et al., 2006)，有些原作者并没有明确的说法(Nejbert et al., 2012)。这类埃达克岩大体分为两类，一类是低钾的钙碱性系列，属于O型埃达克岩(Seghedi et al., 2004；)；另一类是高钾的，Y含量较高，主要由安山岩-流纹岩组成(15~8 Ma；Seghedi et al., 2004；)。许多作者推测该区埃达克岩来源较深，是后碰撞火山作用的产物(Seghedi et al., 1998；Seghedi et al., 2004；Trua et al., 2006)，K和Y含量变化较大，暗示埃达克岩的源区可能比较复杂。
4.1.2 希腊地区的埃达克岩在希腊发现的埃达克岩主要是早-中中新世的。早中新世的埃达克岩主要出露在希腊东南部与土耳其接近的Limnos地区，而中中新世的埃达克岩出露在其南部的Evia to Chios岛(12~8 Ma)，都是富钾的钾玄岩系列，主要是粗面安山岩和英安岩，是碰撞后形成的(Pe-piper et al., 2009)。对于Evia和Chios的中新世埃达克岩的成因有两种构造模式：一种认为与地壳加厚有关，是岩石圈地幔的抬升形成的(Dilek and Altunkaynak, 2007)；另一种认为与软流圈地幔上涌导致的下地壳拆沉机制有关(Aldanmaz et al., 2000)。
4.1.3 土耳其地区的埃达克岩土耳其新生代埃达克岩的研究程度比较高，许多作者对该区埃达克岩及其构造意义作过比较深入的研究，有许多重要的发现(Varol et al., 2007, 2014; Helvaci et al., 2009；Ersoy et al., 2012；Dokuz et al., 2013)，但是，也有不少作者没有讨论埃达克岩的问题，尽管他们的报道中有许多埃达克岩存在(Wilson et al., 1997；Aldanmaz et al., 2000；Akay and Erdoǧan，2004；Innocenti et al., 2005；Tankut et al., 1998；Yalçin et al., 1998；Wilson et al., 1997；Kocyiǧit et al., 2003；Karaoǧlu，2010)。
埃达克岩主要分布在土耳其的中部和西部，主要是高钾钙碱性和钾玄岩系列的，属于C型埃达克岩，时代有17~20 Ma(Wilson et al., 1997)、15~21 Ma(Aldanmaz et al., 2000)、22~14Ma(Akay and erdoǧan，2004)、20~22 Ma(Tankut et al., 1998)、20~16 Ma(Yalçin et al., 1998)等。认为是早中新世弧-陆碰撞导致的地壳加厚和垮塌有关有关(Wilson et al., 1997)。如在安卡拉西南部的伊兹密尔-安卡拉缝合带的Balkuyumcu地区(土耳其中央安纳托利亚)，中酸性的火山岩是中新世早期的(20~22 Ma)，是碰撞后火山作用的产物(Tankut et al., 1998；Yalçin et al., 1998)。Helvact等(2009)报道了位于土耳其西部Chios岛的中新世(14.3~15.9 Ma)钙碱性和高钾钙碱性的C型埃达克岩。而据Ersoy等(2012)报道，土耳其埃达克岩主要分布在安纳托利亚西部的伊兹密尔-巴勒克埃西尔(Izmir-Bal1kesir)构造带，如在Bigadic盆地的安山岩、流纹岩和火山碎屑岩(23.0~17.8 Ma)，认为是板块俯冲后阿拉伯板块与欧亚板块碰撞形成的，后碰撞事件的产物。该区火山岩分为5组，埃达克岩数量最多的为早-中中新世的第三组(20.5-19.7 Ma)，是高钾钙碱性和钾玄岩系列的。Dokuz等(2013)报道了土耳其Sakarya地区的早始新世-晚中新世的埃达克岩，认为早期的埃达克岩(54.4 Ma)与板块俯冲有关，晚期的流纹质的埃达克岩(8.75 Ma)与下地壳熔融有关。综合上述，土耳其地壳加厚的位置主要位于北部(图 9；Karsli et al., 2011)。
4.1.4 伊朗地区的埃达克岩伊朗中新世埃达克岩位于伊朗的北西部(Jahangiri，2007)，大约有30多个斑岩型的次火山岩(10~17 Ma)，主要是英安质和流纹质的，侵入在二叠系至早中新世地层中，钙碱性系列，O型的，是早中新世的。原作者解释，该区属于亚美尼亚高原范围，自30 Ma开始，红海和亚丁湾的张开导致非洲阿拉伯板块的旋转(努比亚和索马里)，使阿拉伯板块和伊朗之间的斜向会聚和新特提斯的最终关闭，埃达克岩是板块碰撞后形成的。
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图中紫红色区域大体示中新世地壳加厚区域。据Karsli等(2011)；Okay和Tüysüz(1999) 图 7 土耳其-小高加索板块构造示意图 Figure 7 Regional tectonic setting of Turkey-Lesser Caucasus with main blocks in relation to the Afro-Arabian and Eurasian plates |
Pang等(2016)报道了伊朗埃达克岩许多同位素年代学资料，他们指出，伊朗-土耳其地区中新世岩浆活动广泛，包括超钾质的火山岩、埃达克岩、碱性玄武岩等。
4.1.5 小高加索地区的埃达克岩Lebedev等(2012)报道了小高加索北部格鲁吉亚Erusheti高地的中新世火山岩，全部是埃达克岩(7 Ma；作者没有提及这个问题)，Sr=(477~1120)×10-6(一件为92)，Y=(8~20)×10-6，K=2.11%~4.80%，Na=3.56%~5.04%，MgO=0.33%~3.53%，SiO2=55.11%~68.72%(XRF方法)。因此，推测应当是地壳加厚的产物。
4.2 埃达克岩成分的限制埃达克岩的成因比较复杂，按照其产出的构造背景，主要分为两类：一类与板块俯冲有关，是MORB板片部分熔融形成的(Defant and Drummond, 1990)，为O型的埃达克岩(张旗等，2001)；另一类来自加厚地壳的底部，主要是C型，也有O型的，主要取决于源区的性质(张旗等, 2001, 2008)。如果源区下地壳具有洋壳的特征，则形成O型的埃达克岩，如新疆西天山早二叠世的阿吾拉勒埃达克岩(熊小林等，2001；许继峰等，2014；赵振华等，2004；王强等，2007)。土耳其、伊朗以及喀尔巴阡的埃达克岩大多是C型的，许多埃达克岩的K2O/Na2O甚至大于1，暗示强烈富钾的特征。相应的Yb含量也较高，有相当数量的埃达克岩的Yb含量大于2.0×10-6，有些甚至大于2.5×10-6。
我们收集的全球埃达克岩表明，处于洋盆内的埃达克岩的数量非常稀少(图 1)，全球新生代埃达克岩共有1688个样品，其中分布于洋盆内的为795个样品(约占全球埃达克岩的1/3)。说明产于板块消减带的埃达克岩可能是比较困难的。埃达克岩出露最多，最容易出现的是加厚地壳的背景，这是与早先的概念完全不一样的。
5 讨论与小结 5.1 埃达克岩的地球动力学意义国内学术界对埃达克岩问题争论了10几年了，至今仍然分歧巨大。争论的焦点是埃达克岩的形成是否需要高压条件？许多人认为埃达克岩可以由多种因素形成，不需要高压条件，埃达克岩没有明确的压力意义。Defant和Drummond(1990)指出，埃达克岩与榴辉岩处于平衡，产于板块俯冲带的深部。许多随后的研究表明，埃达克岩的成因可以是多种多样的，可源于上地幔，由角闪石分解而引起；或来自下地壳的熔融；或源自相对较老(>25 Ma)的正在俯冲的洋壳；或是俯冲过程的初期；或处于俯冲碰撞阶段；或产于俯冲板块的撕裂而导致对软流圈开放的板块窗；或与低角度俯冲有关等等(引自Castill，2006)。上述研究表明，埃达克岩可以有多种成因，产于不同的构造环境，但是，并不否认埃达克岩产于高压条件下。
张旗(2015)指出，埃达克岩是根据残留相理论得出来的，它只有指示压力的含义，没有成因和构造环境的含义。在花岗岩形成过程中，不论源岩成分如何，成因如何，部分熔融程度如何，有没有混合作用以及混合程度多少，有没有幔源成分加入以及加入多少，属于什么构造环境，只要花岗岩是高Sr低Yb的，花岗岩即可能是在高压条件下形成的，即是埃达克岩，源区残留相即为富石榴子石和缺斜长石的榴辉岩。同样，不论源岩成分如何，成因如何，部分熔融程度如何，有没有混合作用以及混合程度多少，有没有幔源成分加入以及加入多少，属于什么构造环境，只要花岗岩是低Sr高Yb的，即是在低压条件下形成的，即不是埃达克岩，源区残留相即为富角闪石和斜长石的角闪岩相。
5.2 中新世巨型欧亚高原的轮廓欧亚高原范围从青藏高原经巴基斯坦、伊朗、土耳其、小高加索、希腊、马其顿、塞尔维亚、匈牙利直至波兰。许多对该区进行研究的学者都同意该区的某些地区属于高原(Plateau，highland)，土耳其-伊朗高原，亚美尼亚高原、青藏高原等术语常见于各个出版物(Lebedev et al., 2012; Jahangiri，2007)。
在中新世欧亚高原范围内，报道了很多埃达克岩，包括年代学和地球化学资料，原作者的解释大多认为中新世的埃达克岩与地壳加厚有关，是板块俯冲，阿拉伯板块与欧亚板块碰撞后形成的，而许多学者认为该区始新世的埃达克岩可能是板块俯冲形成的(Dokuz et al., 2013)，但也有人认为始新世碰撞已经开始了，始新世埃达克岩是地壳加厚形成的(Yener Eyuboglua et al.，2011；Aldanmaz et al., 2000)。
该区的埃达克岩很多，部分原作者并没有意识到或未提及(Lebedev et al., 2012；Nejbert et al., 2012；Wilson et al., 1997；Aldanmaz et al., 2000；Akay and Erdogǧan，2004；Innocenti et al., 2005；Vannay and Spring, 1993；Kavacik and Yilmaz, 1998；Tankut et al., 1998；Yalçin et al., 1998；Wilson et al., 1997；Kocyiǧit et al., 2003；Karaoǧlu et al., 2010)，是我们根据数据库资料鉴别出来的。我们判别的标志前面已经介绍了，我们的标志只可能遗漏掉一些埃达克岩，而不可能把不是埃达克岩的当成了埃达克岩。
该高原不同地区由于资料的多寡不同，资料精细的程度不同，我们只能大体知道，在始新世时期，两个板块已经发生碰撞，例如出现在西藏羌塘地区40 Ma左右的埃达克岩，由于后期碰撞导致的大规模走滑作用，该时期的埃达克岩可出露在云南的西部和越南一带，向西在土耳其、小高加索、喀尔巴阡地区均有出露。中新世早期和晚期的埃达克岩在各地均有报道，有的仅报道了中新世早期的埃达克岩。看来，巨型的欧亚高原从渐新世晚期-中新世早期开始形成，一直持续到现在，现在的阿尔卑斯、喀尔巴阡、巴尔干、土耳其、伊朗、巴基斯坦、阿富汗、西藏、青海、蒙古以及四川和云南的西北部，仍然属于高原的范围。
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