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《中国地质大学》 2010年 博士论文
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西藏冈底斯花岗岩类锆石U-Pb年龄和Hf同位素组成的空间变化及其地质意义

徐旺春  
【摘要】: 青藏高原的形成演化过程一直是国际地质研究中的热点问题之一。青藏高原所包含的广大地区经历过原特提斯、古特提斯、新特提斯和印度-亚洲大陆碰撞等多个阶段的地质事件,强烈的岩浆活动出现在新特提斯洋俯冲和印度-亚洲大陆碰撞过程中。 拉萨地体位于欧亚板块的最南缘,主体由面积大致相等的花岗岩和火山岩组成,花岗岩出露面积约占西藏花岗岩的80%,约11万平方公里,其中,尤以其南部的冈底斯花岗岩类最为发育。冈底斯花岗岩类的形成与新特提斯洋板片俯冲消减、印度-欧亚大陆的碰撞和后碰撞等事件密切相关,对于了解新特提斯洋演化、青藏高原隆升和巨厚地壳形成具有重要的科学意义。另外,冈底斯带是我国重要的斑岩铜(钼、金)成矿带,它们或是岩浆作用的产物,或与岩浆作用期后的构造-热液活动密切相关。因此,冈底斯岩浆作用的研究,对查明该地区大规模成矿作用的区域地质背景,寻找矿产资源,发展国民经济建设也有重要的意义。 本文选择雅鲁藏布江缝合带以北的冈底斯花岗岩类为研究对象,对它们进行了野外地质观察、岩相矿物学、锆石U-Pb年龄、主量元素和微量元素、Sr-Nd同位素和锆石Hf同位素组成的综合研究,结合前人在冈底斯带有关花岗岩的研究成果,探讨了冈底斯带花岗岩类的岩石成因以及冈底斯带的构造演化历史,并进一步与西部科希斯坦-拉达克-喀喇昆仑地区和东部波密-八宿-然乌-察隅地区花岗岩类进行了对比研究,探讨了冈底斯带与它们的联系及区别。本文获得了以下几点主要认识: 1.获得了中东部冈底斯带及中部拉萨地体42个花岗岩类LA-ICPMS锆石U-Pb年龄数据,年龄分布于205-12 Ma之间。根据锆石U-Pb年龄的间断、锆石Hf同位素组成的演化特征和早期文献的划分方案,这些年龄所标示的岩浆事件可以划分为以下5个时间段:(1)205-202 Ma,(2)~178 Ma,(3)94-87 Ma,(4)68-40 Ma和(5)25-13 Ma。其中,晚三叠世花岗岩类位于中部拉萨地体的南缘,其他花岗岩类均位于冈底斯带内。 2.中部拉萨地体南缘出露一个晚三叠世二云母花岗岩和一个晚三叠世花岗闪长岩。二云母花岗岩属于强过铝质岩石(A/CNK=1.16-1.20),富集Rb、Th和U等元素,Eu/Eu*=0.29-0.41,Rb/Sr=2.6~5.5,Rb/Ba=1.1~1.3,锆石εHf(t)值为-12.4~-1.8。二云母花岗岩地球化学特征类似于喜马拉雅中新世淡色花岗岩,反映它们应该具有相似的岩石成因机制,即二云母花岗岩的岩浆产生于地壳中泥质岩类在无外来流体加入的情况下云母类矿物脱水反应所诱发的部分熔融作用。花岗闪长岩属于准铝质岩石(A/CNK=0.96-0.98),K2O/Na2O=1.42-1.77,Eu/Eu*=0.54-0.65,(La/Yb)N=6.76-13.35,锆石εHf(t)值为-8.2~-5.5。地球化学特征表明,花岗闪长岩的岩浆来自于地壳中基性岩类的部分熔融。拉萨地体印支期强过铝质花岗岩的确定,表明了拉萨地体在印支晚期以前曾发生地壳的缩短与加厚作用,从而进一步明确了拉萨地体印支早期的造山事件及拉萨地体经历了多期造山作用。 3.产于冈底斯带南缘的变形花岗岩定年结果表明,其形成于早侏罗世(~178 Ma)。变形花岗岩为高硅(SiO2=73.38-76.06%)钙碱性岩系,弱过铝质岩石(A/CNK=1.03~1.07),贫大离子亲石元素和Nb、Ta等高场强元素,具有岛弧型花岗岩的地球化学特征。锆石εHf(t)值变化于+17.7~+14.1之间,表明变形花岗岩岩浆来自初生地壳的部分熔融。结合最近在冈底斯带获得的晚三叠世-早侏罗世岩浆岩的锆石年龄和岩石成因信息,推测新特提斯洋发生俯冲消减作用的开始时代应不晚于早侏罗世,说明新特提斯洋经历了较长时间的演化。 4.古新世-始新世花岗岩类(68-40 Ma)是冈底斯岩基的主体,岩石组合多样,包括花岗岩,花岗闪长岩,石英二长岩,闪长岩,二长岩和辉长闪长岩等。岩石主体为高钾钙碱性岩系列,它们的A/CNK=0.80-1.06,表明它们为准铝质岩石或弱过铝质岩石。在微量元素组成上,该期花岗岩类总体上富集Rb、Th、U和K等大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损Nb、Ta、P和Ti等高场强元素,具有岛弧型花岗岩的地球化学特征。花岗岩类总体具有低的初始87Sr/86Sr值(ISr=0.70369-0.70585),全岩εNd(t)值变化于+5.6~-4.1之间,锆石εHf(t)值变化于+14.7~-6.4之间。分析表明它们的岩浆主要来源于初生地壳物质,但在岩浆演化过程中混入了拉萨地体古老地壳物质。与新特提斯洋俯冲消减有关的花岗岩类在中生代仅分布于冈底斯带内,而在古新世-始新世时,向北延伸到中部拉萨地体的南部,这可能是轻和热的残留新特提斯洋板片在印度-亚洲大陆碰撞背景下向上运移,以低角度俯冲于拉萨地体之下,脱水并加热亚洲大陆使其部分熔融所致。 5.尼木和谢通门地区发现了两个较大规模的埃达克质花岗岩体,它们均被小体积的埃达克质斑岩所侵入。LA-ICPMS锆石U-Pb定年结果表明,埃达克质花岗岩的岩浆结晶年龄为14.0-14.4 Ma,而侵入其中的斑岩也具有相似的年龄(14.2-14.6 Ma)。这反映花岗岩浆在中地壳深度结晶后快速隆升至上地壳深度,表明在中新世时拉萨地体经历了快速的地壳隆升。埃达克质花岗岩和斑岩的Sr-Nd同位素和锆石Hf同位素组成表明,它们均来自于地壳物质的部分熔融。冈底斯埃达克质岩石的锆石εHf(14Ma)值在-2.3~+6.1之间,这与东喜马拉雅构造结基性麻粒岩(印度基性下地壳)锆石的εHf(14Ma)值(-2.5~+4.8)基本一致。冈底斯埃达克质岩石的Sr-Nd同位素组成落入由印度基性下地壳和拉萨下地壳/超钾质火山岩构成的二端元混合线之间。这些证据表明渐新世-中新世埃达克质岩石可能来源于印度基性下地壳的部分熔融,并在上升就位过程中混染了超钾质岩浆和拉萨下地壳物质。这表明在早-中中新世时,印度大陆已经俯冲于拉萨地体之下。 6.结合已有的研究成果和本文资料,冈底斯带的形成和演化及岩浆过程可总结为:在新特提斯洋盆打开之前并不存在冈底斯带。晚三叠世-早侏罗世时,随着新特提斯洋向北的俯冲,在俯冲带之上开始出现岩浆作用(即晚三叠世-早侏罗世花岗岩和早侏罗世叶巴组火山岩),但这期岩浆作用是发生在洋壳内的。晚侏罗世-白垩纪时,新特提斯洋板片持续向北俯冲,产生了早白垩世桑日群火山岩和晚白垩世花岗岩类。古新世-始新世时,新特提斯洋盆逐渐关闭,印度-亚洲大陆开始发生碰撞,由于碰撞作用使俯冲速度变慢,轻和热的残留新特提斯洋板片向上运移,以相对较低角度继续俯冲于拉萨块体之下,导致冈底斯岩浆作用向北扩展,达到中部拉萨地体的南部地区;在此之前,中部拉萨地体的古老地壳物质已经剥蚀进入南边的冈底斯带内,并通过混染等方式进入古新世-始新世花岗岩浆中,使冈底斯带内该期岩浆锆石εHf(t)值显著地降低。晚渐新世-早中新世时,印度大陆已俯冲至亚洲大陆之下,其前端因变质作用导致密度增大,由于重力不稳定,从印度大陆主体断离,致使已深俯冲的印度中上地壳较轻部分折返形成高喜马拉雅结晶岩系,而残留的印度基性下地壳与热的软流圈充分接触,加热并部分熔融产生了埃达克质岩浆,在该岩浆上升过程中混染了超钾质岩浆和拉萨下地壳物质。 7.冈底斯带花岗岩类锆石总体具有高的176Hf/177Hf比值、正的εHf(t)值和年轻的Hf同位素模式年龄(0.1~1.1 Ga;峰值为~0.3 Ga);其中,中生代花岗岩类锆石具有更为均一的高176Hf/177Hf比值,对应的εHf(t)值为+17.7~+9.5,但新生代花岗岩类的Hf同位素组成显示了大的变化范围(εHf(t)=+14.7~-6.4),εHf(t)值开始向低值方向延伸,并出现少量负值。中部拉萨地体岩浆岩锆石主要显示负的εHf(t)值(+6.0~-14.2),但在-110 Ma时也出现了部分正的锆石εHf(t)值,指示了地幔组分的加入。中部拉萨地体花岗岩类锆石对应的地壳模式年龄主要为古元古代-中元古代早期(0.8~2.1 Ga),峰值大约出现在1.6 Ga。由此可见,中部拉萨地体和冈底斯带花岗岩类锆石Hf同位素组成存在着明显的差异,反映了它们具有不同的岩浆源区。此外,中部拉萨地体以相对发育早白垩世花岗岩类而区别于冈底斯带。西部的科希斯坦-拉达克岛弧地体和喀喇昆仑地体花岗岩类无论在年龄结构上,还是锆石Hf同位素组成上都分别与冈底斯带和中部拉萨地体可以进行很好的对比,暗示科希斯坦-拉达克岛弧地体是冈底斯带的西延,而喀喇昆仑地体是中部拉萨地体的西延。冈底斯带东部从波密-八宿-然乌-察隅地区一直向南延伸到高黎贡-腾冲-盈江地区,出露的花岗岩类锆石U-Pb年龄结构类似于中部拉萨地体,而明显不同于冈底斯带;东部中生代花岗岩类锆石εHf(t)值大多数分布在+5.0~-15.0之间,主体为负的εHf(t)值,具有老的Hf同位素模式年龄(1.0~2.2 Ga),峰值大约出现在1.7 Ga,与中部拉萨地体可以进行很好的对比,表明东部八宿-然乌-察隅等地区是中部拉萨地体的东延。但东部地区还出现有少量新生代花岗岩类,它们皆临近雅鲁藏布江缝合带一侧分布(如波密地区)。这些新生代花岗岩类锆石既具有负的εHf(t)值,同时也具有正的εHf(t)值,甚至可达+10.0左右,大部分与冈底斯带花岗岩类锆石Hf同位素组成类似。这可能意味着东部地区也存在着类似的冈底斯带,但也有可能仅代表中部拉萨地体东延部分的南缘。


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