2013, Vol. 29
2. 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 中国地质大学地球科学学院, 武汉 430074;
3. 阿尔伯尼高级中学，阿尔伯尼 94706，美国
, WANG Qing1, ZHU DiCheng1
, CHEN Yue1, WU XingYuan1, LIU ShengAo1, ZHENG JianPing2, ZHAO TianPei3
2. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
3. Albany High School, Albany CA 94706, USA
青藏高原南部的拉萨地体，位于班公湖-怒江缝合带(BNSZ)和雅鲁藏布江缝合带(YZSZ)之间，南北宽150~300km，东西长约2500km，是整个青藏高原岩浆作用分布最广泛的地区(朱弟成等, 2006, 2008a, b )，其上发育大规模中-新生代岩浆作用(Yin and Harrison, 2000; 潘桂棠等, 2004, 2006; Zhu et al., 2011, 2013)，对于这些岩石的形成时代、构造背景以及成因的研究，对揭示班公湖-怒江特提斯洋和雅鲁藏布特提斯洋岩石圈的俯冲、拉萨-羌塘和印度-欧亚大陆碰撞等构造事件有着重要意义。
著名的林子宗火山岩(由下到上包括典中组、年波组和帕那组)呈带状大面积分布于拉萨地体南部，角度不整合覆盖于强烈变形的上白垩统设兴组或更老地层之上。因其涉及到雅鲁藏布特提斯洋岩石圈的最后俯冲和随后印度-欧亚大陆的陆陆碰撞，长期以来受到了国内外学者的普遍关注。但迄今为止，对其所蕴含的地球动力学含义尚有多种理解：①活动大陆边缘的弧型岩浆作用(Allègre et al., 1984; Xu et al., 1985; Coulon et al., 1986; Harris et al., 1988; Pearce and Mei, 1988; Aitchison et al., 2007)；② 65~40Ma印度-欧亚大陆碰撞过程中的同碰撞型岩浆作用(莫宣学等, 2003; Mo et al., 2008; Zhu et al., 2009, 2011, 2013)；③约70~50Ma雅鲁藏布洋壳岩石圈俯冲角度变陡和约50Ma板片断离的产物(Chung et al., 2005; Lee et al., 2009, 2012)。
众所周知，基性岩浆作用对构造背景和地球动力学过程极为敏感，要合理认识林子宗火山岩所蕴含的地球动力学含义，在一定程度上还有赖于对林子宗火山岩中基性岩石的岩浆起源和性质的深入剖析。因此，本文目的是，报道新的林周盆地基性岩石的地球化学数据。这些新数据，结合已有资料，对林周盆地林子宗火山岩中基性岩石的岩浆起源和性质提供了重要约束，为深入理解林子宗火山岩的地球动力学含义提供了来自基性岩浆作用方面的有效证据。
2 地质背景及岩石学特征青藏高原从北到南分别由松潘-甘孜复理石杂岩带，东羌塘，西羌塘，拉萨地体和喜马拉雅构成。这些地块或地体被特提斯洋残留所分隔，包括金沙江缝合带(JSSZ)、龙木错-双湖缝合带(LSSZ)、班公湖-怒江缝合带(BNSZ)和印度河-雅鲁藏布缝合带(IYZSZ)(图 1a)(Zhu et al., 2013)。本文所涉及到的拉萨地体又可以被划分为北、中、南3个次级地体，分别被狮泉河-纳木错混杂岩带(SNMZ)和洛巴堆-米拉山断裂带(LMF)分隔(Zhu et al., 2013)。
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图 1 西藏林周盆地地质图及样品位置 (a)-青藏高原构造单元划分(据Zhu et al., 2012修改)；(b)-研究区地质图及本文样品位置(据谢尧武等, 2007①修改)，基性岩脉数据岳雅慧和丁林(2006) ，年波组玄武岩数据引自Mo et al. (2008) ; 董国臣(2002) ; Lee et al. (2012) Fig. 1 Simplified geological map of Linzhou Basin, Tibet, showing sample locations |
①谢尧武, 彭兴阶, 西洛朗杰等. 2007. 1：25万拉萨市幅区域地质调查报告
早期根据对安多地区发现的正片麻岩的研究，认为其存在寒武纪或新元古代结晶基底(Xu et al., 1985; Guynn et al., 2006)。但最近的研究表明，安多地区古生代副变质岩具有完全不同于中部拉萨地体古生代沉积岩的碎屑锆石年龄频谱，这意味着不能再把安多微陆块作为拉萨地体的一部分来考虑(Zhu et al., 2013)。现今意义上位于安多微陆块南部的北部拉萨地体，以新生地壳为特征，上覆中三叠统到白垩系沉积盖层，富含丰富的早白垩世火山岩和同期花岗岩类(朱弟成等, 2006; Zhu et al., 2011, 2013)。中部拉萨地体是一个具有元古代和太古代结晶基底的微陆块(Zhu et al., 2011, 2013)。这些基底岩石(如部分念青唐古拉群变质岩)经历了新元古代(Dong et al., 2011a; Zhang et al., 2012, 2013)、晚三叠世(225~213Ma; Dong et al., 2011b)和新生代(Xu et al., 1985; Kapp et al., 2005; Zhang et al., 2013)多期变质作用。这种变质基底上覆广泛出露的石炭-二叠系和上侏罗统-下白垩统沉积岩以及大量早白垩世火山岩和中生代花岗岩类(莫宣学等, 2005; 朱弟成等, 2006, 2008a, b ; 张宏飞等, 2007; Zhu et al., 2009, 2011, 2013)，另外还有少量保存极好的奥陶系、志留系、泥盆系和三叠系灰岩(Pan et al., 2004)以及少量寒武纪变火山沉积岩(计文化等, 2009; Zhu et al., 2012)。南部拉萨地体以新生地壳为特征(莫宣学等, 2005; Mo et al., 2007, 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2011)，在东部可能存在结晶基底的信息(Dong et al., 2010; Zhu et al., 2013)。该地体以白垩纪-第三纪冈底斯岩基(莫宣学等, 2005; Ji et al., 2009)和古近纪林子宗火山岩为主(Mo et al., 2007, 2008; Lee et al., 2009; Zhu et al., 2011)，还有中新世含矿埃达克质岩石、钾质和超钾质岩石等，记录了新特提斯洋壳北向俯冲直到印度-欧亚大陆碰撞和随后的印度大陆俯冲等构造过程(Chung et al., 2005, 2009; Ji et al., 2009; Zhao et al., 2009; Zhu et al., 2011, 2013)。
本文研究的基性岩石样品在大地构造位置上位于南部拉萨地体，在地理位置上位于拉萨市以北约60km的林周盆地(图 1b)。林周盆地是林子宗火山岩的命名地，刘鸿飞(1993) 在拉萨地区1：20区域地质调查的基础上，对位于林周盆地中的林子宗火山岩进行了系统划分，将其自下而上划分为三个组：典中组、年波组和帕那组。这一划分方案后来得到人们广泛接受，确立了林子宗火山岩区域地层层序的基本格架。林周盆地内林子宗火山岩发育齐全，不同岩性组地层剖面完整，与下伏地层接触界面清楚，是研究林子宗火山岩的经典地区(莫宣学等, 2003)。
本文样品主要采集自林子宗火山岩中部层位的年波组地层中(图 2a, b)，包括辉绿岩脉和玄武岩两类。这里1件辉绿岩脉样品中角闪石40Ar/39Ar等时线年龄为52.5Ma (岳雅慧和丁林, 2006)，晚于年波组地层的时代1~2Myr(作者, 未刊数据)。这些样品均发生了强烈蚀变，辉绿岩脉主要矿物为板柱状斜长石(30%~50%)、以及由辉石蚀变后呈辉石假晶的绿泥石、方解石等(30%~40%)，次要矿物为角闪石(0~4%)、黑云母(0~5%)，副矿物有钛铁矿和磁铁矿(0~5%)(图 2c)；玄武岩中可见明显的斑状结构，基质为间粒结构，斑晶矿物成分为辉石，基质成分以斜长石为主，含玻璃质(图 2d)。
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图 2 林周盆地基性岩石的野外及岩相学照片 Pl-斜长石;Py-辉石 Fig. 2 Field and petrographical photos of the basic rocks from Linzhou Basin |
本文样品主量元素、微量元素均在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。主量元素由XRF法测试，在RIX-2100仪器上完成，分析精度好于5%；微量元素由ICP-MS法，在Agilent 7500a等离子质谱仪上测得，分析精度好于5%~10%, 在测试过程中，通过多次测试USGS参考样品(BHVO-1，AGV-1和G-2)来检测测试数据质量，分析条件及流程见Liu et al. (2008) ，样品全岩地球化学数据见表 1。
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表 1 林周盆地基性样品的主要元素(wt%)和微量元素(×10-6)数据 Table 1 Whole-rock major (wt%) and trace elements (×10-6) data of the basic rocks from Linzhou Basin |
本文共获得了8件样品的分析测试数据。这里将本文获得的8件样品和文献报道的其他同期10件样品(56.5~52.5Ma)(岳雅慧和丁林, 2006; Mo et al., 2008; 董国臣, 2002; Lee et al., 2012)(图 1)数据结合在一起，进行分析和讨论。18件样品中，大部分均具有较高的烧失量(LOI=0.86%~7.77%)(表 1)，表明它们已遭受不同程度蚀变，这种情况下不能利用Rb、Ba、Na和K等活动性元素进行讨论。在扣除烧失量重新计算到100%后，18件样品的SiO2含量变化于47.29%~54.33%，在Nb/Y-Zr/TiO2图解(Winchester and Floyd, 1997)(图 3a)上除样品BD-65投到安山岩/玄武岩区域内，其它样品均投入亚碱性玄武岩区域(图 3a)。在对蚀变火山岩有效的岩石系列划分图解上(Hastie et al., 2007)(图 3b)，所有样品均属高钾钙碱性-钾玄岩系列(图 3b)。
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图 3 林周盆地基性岩石样品的地球化学图解 (a)- Nb/Y-Zr/TiO2分类图解(Winchester and Floyd, 1977)；(b)-Th-Co图解(Hastie et al., 2007)；(c)-稀土元素球粒陨石标准化配分图(球粒陨石据Boynton, 1984)；(d)-微量元素原始地幔标准化蜘蛛图(原始地幔数据Sun and McDonough, 1989) Fig. 3 Geochemical plots of the basic rocks from Linzhou Basin |
在稀土元素球粒陨石标准化配分图上(图 3c)，林周盆地基性岩石具有相似的配分模式：富集轻稀土元素(LREEs)、亏损重稀土元素(HREEs)。其(La/Yb)N比值为12~20，无明显Eu负异常(0.77~0.97)，说明斜长石的分离结晶在岩石成因中不起重要作用。在微量元素原始地幔标准化蜘蛛图上(图 3d)，林周盆地基性岩脉与同期林子宗基性火山岩均亏损高场强元素(如Nb、Ta、Ti和Zr)。
本文收集了前人报道的林周盆地基性岩石的Sr-Nd同位素数据(表 2)。发现它们具有相似的Sr-Nd同位素成分，初始87Sr/86Sr比值为0.7049~0.7054，εNd(t)值为+0.5~+1.8。
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表 2 林周盆地基性样品的Sr-Nd同位素数据 Table 2 Sr-Nd isotopic compositions of the basic rocks from Linzhou Basin |
虽然林周盆地基性岩石亏损高场强元素(如Nb、Ta、Ti等)，但其与典型岛弧玄武岩却存在较大差别，具体包括：(1) 林周盆地基性岩石Ti/V比值(23~43)高于典型岛弧玄武岩(＜20)，接近板内玄武岩(包括OIB和埃达克玄武岩，>50)(Shervais, 1982)；(2) 相对于典型弧岩浆岩(Zr＜50×10-6)，林周盆地基性岩脉和同期玄武岩具有较高的Zr含量(113×10-6~162×10-6)和高的Zr/Y比值(3.8~6.5)，在Zr/Y-Zr图解中(Pearce and Norry, 1979)位于板内玄武岩而不是火山弧玄武岩区域(图 4a)；(3) 在Th/Hf-Ta/Hf图解中(汪云亮等, 2001)，所有的样品均位于大陆伸展带/初始裂谷玄武岩区域中，明显区别于大陆边缘玄武岩(图 4b)。综上所述，林周盆地基性岩石同时显示弧玄武岩和伸展背景下玄武质岩石的地球化学特征。
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图 4 林周盆地基性岩石的Zr/Y-Zr图(a, 据Pearce and Norry, 1979)和Th/Hf-Ta/Hf图(b, 据汪云亮等, 2001) Fig. 4 Zr/Y-Zr (a, after Pearce and Norry, 1979) and Th/Hf-Ta/Hf (b, after Wang et al., 2001) plots of the basic rocks from Linzhou Basin |
早期研究认为林子宗火山岩中部层位的年波组火山岩，很可能来源于成分上类似于典中组火山岩的岩石的部分熔融(Mo et al., 2008)。随后的研究指出，林子宗火山岩中的钙碱性岩石(SiO2=45%~80%)来源于地幔楔的部分熔融并伴随着分离结晶和同化混染(AFC过程)或岩浆混合，低钾和低稀土元素含量的岩石(SiO2=48%~61%)来源于软流圈地幔物质的减压熔融，而钾玄质岩石(SiO2=53%~71%)来源于交代岩石圈地幔的低程度熔融(Lee et al., 2012)。本文重新分析已有数据发现，林周盆地时代相当于年波组的基性岩脉，随SiO2增高Nb/La比值变化范围较小(0.18~0.22)(图 5a)，表明其受到地壳混染的可能性很小。这暗示林周盆地富钾基性岩石的成分特点更可能反映了其地幔源区的成分特征。在(Hf/Sm)N-(Ta/La)N图解中(La Flèche et al., 1998)，林周盆地基性岩石具有较低的(Hf/Sm)N和(Ta/La)N值，表明其源区很可能受到了俯冲流体的交代(La Flèche et al., 1998; Zhu et al., 2012)(图 5b)。林周盆地基性岩石属于高钾钙碱性-钾玄岩系列，其εNd(t)值为较小的正值(0.5~1.8)，暗示这些岩石很可能来源于交代岩石圈地幔的部分熔融。另一方面，这些岩石还具有高于正常交代地幔楔部分熔融产生的弧玄武岩(主要特点为TiO2＜1，Perfit et al., 1980)的TiO2含量和Zr丰度(扣除烧失量后的TiO2=0.84%~1.21%；Zr=113×10-6~162×10-6)，可能暗示深部软流圈地幔物质参与了林周盆地基性岩石的形成。因此，本文认为林周盆地基性岩石是受俯冲流体交代的岩石圈地幔部分熔融的产物，同时可能还受到了深部软流圈地幔物质加入的影响。
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图 5 林周盆地基性岩石的Nb/La-SiO2图(a)和(Hf/Sm)N-(Ta/La)N图(b)(据La Flèche et al., 1998) Fig. 5 Nb/La-SiO2 (a) and (Hf/Sm)N-(Ta/La)N (b) plots (after La Flèche et al., 1998) of the basic rocks from Linzhou Basin |
大量资料表明，南部拉萨地体在52±2Ma发生了大规模的伴随着显著幔源物质输入的带状岩浆大爆发 (Chung et al., 2005; 莫宣学等, 2005; Mo et al., 2005, 2007, 2008; Ji et al., 2009; Lee et al., 2009, 2012; Zhu et al., 2011, 2013)。本文所研究的基性岩石样品(56~53Ma)，正是这次岩浆大爆发事件在林周盆地的基性岩浆记录。本文注意到，林周盆地基性岩石所显示的较高Zr含量和Zr/Y比值(图 4a)和高的Ta/Hf、Th/Hf 比值(图 4b)，明显区别于典型的弧型玄武质岩石，与板内或伸展背景下形成的玄武质岩石类似。这种特征出现在俯冲-碰撞构造背景下是很不寻常的，很可能与板片断离有关(Ferrari, 2004)。这是因为在板片断离背景下，俯冲板片之下的深部软流圈物质(富集高场强元素)会涌入板片窗和地幔楔(亏损高场强元素)，造成上覆地幔楔和岩石圈地幔中既包含软流圈物质又包含交代地幔物质的部分熔融，从而产生既显示岛弧玄武岩浆又显示板内玄武岩浆双重地球化学特征(Ferrari, 2004)。因此，结合区域同期发生的大规模带状岩浆爆发事件，本文将林周盆地基性岩石的地球动力学含义重新解释为雅鲁藏布特提斯洋壳板片断离的产物。
5.4 对印度-欧亚大陆初始碰撞时间的约束印度与欧亚大陆初始碰撞的时间一直是国际学术界关注的热点科学问题。但迄今为止，地学界对印度与欧亚大陆何时碰撞这一基本问题仍然存在极大争议(包括约70Ma、65Ma、55Ma、35Ma和20Ma等)。造成这种争议的主要原因，除了与对碰撞定义的理解不同有关外，多数研究(尤其是国外学者)得出的认识主要来自对印度-欧亚大陆碰撞带下盘(喜马拉雅带)资料的分析，很少利用碰撞带上盘(拉萨地体)的大量区域性地质资料。最近van Hunen and Allen(2011) 以及Andrews and Billen(2009) 的三维数值模拟研究表明，碰撞带板片断离的时间一般发生在初始碰撞之后约10~20Myr。如果前人和本文提出的雅鲁藏布特提斯洋壳板片的断离发生在约52Ma是合理的，那么就意味着印度与亚洲大陆的初始碰撞至少发生在60Ma以前。从这个角度看，林周盆地基性岩脉和同期玄武岩为约束印度与亚洲大陆初始碰撞的时间提供了岩石学和地球化学依据。
6 结论林周盆地与林子宗火山岩中部层位年波组相当的基性岩脉和同期玄武岩属于高钾钙碱性-钾玄岩系列，兼具弧玄武岩和伸展背景下玄武质岩石的地球化学特征，除了来源于受俯冲流体交代的岩石圈地幔的部分熔融外，同时可能还存在深部软流圈地幔物质的贡献。林周盆地基性岩石可能是雅鲁藏布特提斯洋壳板片断离的产物，指示印度与亚洲大陆的初始碰撞至少发生在60Ma以前。
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