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中祁连东段早古生代岩浆侵入作用及其深部过程

杨贺  
【摘要】:祁连造山带位于青藏高原东北缘,是我国西部一条典型的加里东造山带。它北与阿拉善地块相连,南与柴北缘-西秦岭造山带相接,东、西分别与鄂尔多斯地块和塔里木地块相邻,是我国中央造山带的重要组成部分。祁连造山带早古生代侵入岩广泛分布,这些岩石记录了早古生代柴达木地块、中祁连地块和阿拉善地块碰撞拼合的重要信息。然而,前人的研究集中于北祁连地区,对中祁连地区的研究比较薄弱。中祁连的东段夹持于北祁连缝合带和柴北缘-西秦岭造山带之间,是理解祁连造山带构造-岩浆演化以及祁连与相邻造山带衔接关系的关键区域。本文以中祁连东段早古生代侵入岩(积石山岩体、巴米山岩体、黑石山碧体、炳灵寺岩体、乐都岩体、什川岩体,共19个岩性单元)为研究对象,通过野外地质、岩石学、锆石U-Pb年代学、主-微量元素地球化学以及Sr-Nd-Hf同位素地球化学的研究,结合前人研究成果,建立了中祁连东段侵入岩类的年代学格架,探讨了不同类型侵入岩的岩石成因、中祁连东段侵入岩形成的地球动力学过程以及祁连造山带东段早古生代的构造演化。获得的主要认识有:(1)对积石山岩体、巴米山岩体、黑石山岩体、炳灵寺岩体、乐都岩体和什川岩体17个岩性单元的19个样品进行了锆石U-Pb定年,结果显示它们的形成年龄为472~427 Ma,集中于460~430 Ma。结合前人获得数据,将中祁连东部早古生代岩浆侵入作用划分为三个时期:晚寒武世(约490 Ma)、早-中奥陶世(472-467Ma)和晚奥陶世-中志留世(459~427 Ma)。其中,前两期以中-基性岩石出露为主。晚奥陶世-中志留世的岩石类型多样,包括埃达克质岩石、中度-强过铝质花岗岩、典型的I型花岗岩-花岗闪长岩、闪长岩、镁铁质-超镁铁质岩石以及中-基性岩墙。空间上,中祁连东段南部岩浆作用时间相对早于北部,而且南部中-基性岩石出露更多。(2)早-中奥陶世的积石山中粒闪长岩(472--471 Ma)和细粒闪长岩(467 Ma)具有较低的SiO2含量(52.07~56.86%)、较高的Mg#(50~57)以及亏损的Sr-Nd-Hf同位素组成((87Sr/86Sr)i=0.7038~0.7041,εNd(t)=+3.6~+4.6,εHf(t)=+10.6~+12.9),且富集Ba、K、Sr等大离子亲石元素和轻稀土(LREE),表明它们的源区为交代地幔。积石山闪长质岩石具有较高的Ba/Th (142~816)、Sr/Nd (42.7~63.8)和 Sr/Th(212-1425)比值,暗示它们的母岩浆主要来自俯冲流体交代地幔的部分熔融。(3)晚奥陶世-早志留世的巴米山二长花岗岩(459 Ma)、黑石山花岗闪长岩-黑云母花岗岩(440 Ma)和炳灵寺黑云母花岗岩(432 Ma)具有埃达克质岩石的地球化学特征。巴米山二长花岗岩具有高的Na2O (4.79~5.78%)和Ba (859~2116 pp m)含量、低的Th/La(0.09~0.14)和Th/Zr (0.02~0.04)匕值,以及亏损的Sr-Nd-Hf同位素组成((87Sr/86Sr)i=0.7040~0.7050, εNd(t)=+2.8~+3.2, εHf(t)=+6.0~+8.6)。本文认为巴米山二长花岗岩主要由大洋板片(蚀变的MORB+上覆的少量沉积物)熔出的熔体经一定程度的分离结晶形成。巴米山石英闪长岩(451 Ma)具有与巴米山二长花岗岩相似的Ba、Sr含量和Sr-Nd-Hf同位素组成,但是其MgO、FeOT、 Cr、Ni和REE(如Y)含量以及Dy/Yb比值比巴米山二长花岗岩高,而Sr/Y和 La/Yb比值比巴米山二长花岗岩低。结合岩相学特征,本文认为巴米山石英闪长岩母岩浆也来自大洋板片的熔融,但是其包含堆晶矿物相(角闪石和榍石)。黑石山花岗闪长岩-黑云母花岗岩和炳灵寺黑云母花岗岩具有相对富集的Sr-Nd-Hf同位素组成(εNd(t)=-3.9~-0.2),且具有轻度上凹的稀土元素配分模式,可能为镁铁质下地壳在≥10kbar (对应地壳深度≥约35 km)条件下部分熔融产生的,并且源区残留角闪石和石榴子石。(4)晚奥陶世-中志留世积石山黑云母花岗岩(452 Ma)和二云母花岗岩(455Ma)、乐都黑云母花岗岩(441 Ma)和二云母花岗岩(431 Ma)以及什川二长花岗岩(427 Ma)均具有较高的Si02含量(70%),且主要为中度-强过铝质的岩石。这些过铝质岩石表现为I-S过渡型花岗岩的特征,通过与拉克伦造山带S型花岗岩、喜马拉雅淡色花岗岩以及熔融实验结果的对比,认为它们的源区主要为杂砂岩或长英质变火成岩。同位素数据进一步表明,积石山黑云母花岗岩和二云母花岗岩、乐都黑云母花岗岩和二云母花岗岩主要来自中祁连地块前寒武纪基底(正片麻岩)部分熔融产生,而什川二长花岗岩可能为杂砂岩在5 kbar压力条件下部分熔融产生。这些过铝质花岗岩均具有较明显的负Eu异常、较高的Zr饱和温度(平均值均750℃),且具有相对低的Pb含量(20.4~46.0 ppm)和相对高的Ba含量(182~1049ppm),暗示它们主要来自无水条件下黑云母的脱水熔融。地球化学和同位素特征表明这些过铝质岩石化学成分变化并未明显地受到幔源(和/或板片来源)熔体的加入(或混合)、残留体不混熔和转熔相夹带等过程的影响。结合前人研究,本文认为高Si02、中度-强过铝质花岗岩的化学成分(特别是主量元素)变化主要受源区的成分及熔融条件(温度、压力、水逸度等)的控制。(5)本文还对晚奥陶世-早志留世的中-基性侵入岩的成因进行了研究。巴米山角闪辉长岩(449 Ma)、角闪辉长质岩墙以及黑石山角闪辉长岩(438 Ma)均具有较低的SiO2(49.53~51.39%)、较高的MgO (5.44~14.07%, Mg#=57~74)含量以及较富集的Sr-Nd同位素组成((87Sr/86Sr)i=0.7058-0.7069, εNd(t)=-1-9~0.0),表明它们主要源自富集岩石圈地幔地幔的熔融。其中,巴米山角闪辉长岩的MgO(12.38~14.07%)、Cr (1159~1163 ppm)和Ni (220~353 ppm)含量比幔源初始弧玄武质岩浆的还高。结合岩相学特征,认为其主要为富水基性母岩浆经过堆晶作用形成。巴米山角闪辉长质岩墙具有较高的K2O含量(2.73%)和K20/Na2O比值(1.22),为钾玄质岩石。其较高的Rb/Sr比值(0.15)和较低的Ba/Rb(6.77),表明其母岩浆主要来自含金云母地幔源区的部分熔融。其相对较高的(87Sr/86Sr)i(0.7058)、较高的Th含量(6.90 ppm)以及相对较低的Ba/Th(92.9)和Sr/Th比值(93.5),表明其源区可能遭受了俯冲沉积物熔体的交代。黑石山角闪辉长岩具有较低的MgO (5.44%)和较高的A Al2O3 (18.36%),为低镁-高铝玄武质岩石,可能由幔源玄武质岩浆经过强烈的镁铁质矿物(橄榄石、辉石)的分离结晶形成。黑石山石英闪长岩(447 Ma)具有较高的Mg#(50~61)、相对富集的Sr-Nd同位素组成((87Sr/86Sr)i=0.7051-0.7062, εNd(t)=-2.2~+0.5),表明其母岩浆主要来自岩石圈地幔的部分熔融。巴米山石英闪长质岩墙(432 Ma)为准铝质、高钾钙碱性岩石,地球化学及同位素特征显示其可能来自下地壳镁铁质岩石的部分熔融。乐都石英闪长岩(446 Ma)与花岗闪长岩(452 Ma)具有相对低的SiO2含量(59.43~62.84%),可能主要来自下地壳基性岩石的部分熔融。其相对多变的K2O/Na2O比值(分别为0.88~1.54和0.79~1.25)和较高的Mg#(分别为40~50和48~50)表明它们的形成过程中可能混染了少量基底物质,并有少量幔源物质加入。(6)通过对比中祁连与北祁连早古生代侵入岩的岩石成因、时腩分布可以发现,北祁连早古生代基性侵入体多集中于北祁连西段,而中祁连的基性侵入体多分布于中祁连东段。相比北祁连早古生代基性侵入体,中祁连早古生代基性侵入体的形成时代相对较晚,地幔源区更加富集。中祁连与北祁连中性侵入岩形成时代相似,与北祁连不同的是,中祁连出露中性侵入岩墙,且一些中性侵入岩中含有板片来源的成分。中祁连与北祁连I型、S型以及过渡型花岗质岩石成因相似,与北祁连不同的是,中祁连板片来源埃达克质岩石的形成时代较早、且拆沉下地壳来源的埃达克质岩石未有报道。基于这些差异,并结合北祁连、柴北缘、西秦岭北缘早古生代蛇绿岩、俯冲-碰撞相关岩浆岩以及中祁连东段基性、中性和酸性侵入岩的时空分布,本文提出中祁连东段早古生代岩浆作用的产生与祁连造山带以南古大洋(存在于中-南祁连和柴达木-西秦岭之间)向北的俯冲及其后的碰撞(或碰撞后)过程相关。(7)根据本文研究成果,并综合区域资料,本文认为中祁连东段早-中奥陶世的中-基性侵入岩形成于俯冲环境,由俯冲板片脱水诱发地幔楔部分熔融产生,而中祁连东段晚奥陶世-中志留世侵入岩可能形成于碰撞后环境。综合晚奥陶世-中志留世侵入岩的分布及岩石成因,本文认为板片断离模型可以较好的解释这一时期岩浆作用的产生。俯冲板片断离,软流圈物质上涌,诱发断离板片(MORB+俯冲沉积物)、岩石圈地幔、中-下地壳物质的熔融,形成了晚奥陶世-中志留世多种类型岩石,包括板片来源埃达克质岩石、下地壳来源埃达克质岩石、辉长质岩石、闪长质侵入体、S型、I型和I-S过渡型花岗岩等。(8)本文将祁连造山带东段早古生代构造演化划分为以下四个阶段: 1)晚寒武世-中奥陶世早期中祁连东段两侧古大洋向北俯冲,形成了中祁连东段、北祁连东段俯冲相关岩浆岩; 2)中奥陶世中-晚期受古浪运动的影响,中祁连东段两侧古大洋闭合,陆(弧)-陆碰撞; 3)晚奥陶世-早志留世晚期俯冲板片断离,北祁连可能由于地壳较厚或断离较深,导致其岩浆作用的强度弱于中祁连东段; 4)早志留世晚期-中志留世早期,中祁连东段仍受板片断离的影响,热逐渐向北扩散,造成地壳熔融,产生了乐都二云母花岗岩和什川二长花岗岩;北祁连东段因地壳明显加厚,发生下地壳拆沉,形成了高镁埃达克质岩石。


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