柴達木盆地北緣早古生代陸殼深俯沖的巖石記錄

柴達木盆地北緣早古生代陸殼深俯沖的巖石記錄

山地帶中的高壓和超高壓變質巖石是目前固體地球科學的熱點。早在20世紀80年代Chopin(1984)和Smith(1984)便分別在西阿爾卑斯和挪威西部變質表殼巖中發現了超高壓變質礦物柯石英。隨后,Reineche(1991)在西阿爾卑斯的Zermatt-Saas地區的洋殼沉積物中發現了柯石英,繼而證實比重較大的洋殼巖石和低密度的地殼均可俯沖到地幔80km以上深度并在后期發生折返。前人將這些俯沖帶劃分成了“大洋型”(B-型或太平洋型)和“大陸型”(A-型或阿爾卑斯型)兩種類型(Maruyamau3000etu3000al.,1996;Ernst,2001),其中大洋俯沖的產物為島弧巖漿巖、蛇綠混雜巖及其上覆沉積物以及低溫/高壓變質巖(以藍片巖和含硬柱石榴輝巖為特征),大陸俯沖帶主要由經歷了高壓/超高壓變質作用的正、副片麻巖、片巖以及呈透鏡狀產于其中的榴輝巖、石榴輝石巖和石榴子石橄欖巖等組成(Zhengu3000Yu3000Fu3000etu3000al.,2009;宋述光等,2009)。截止到目前,中外科學家已在全球22條變質帶中發現了金剛石、柯石英以及一些特殊的礦物出溶結構等高壓/超高壓變質的證據(Liouu3000etu3000al.,2004),但僅有西阿爾卑斯的Zermatt-Saas地區和中亞地區的南天山造山帶(包括吉爾吉斯斯坦的Atbashy、Makbal地區和我國的西南天山)被確認經歷了洋殼的深俯沖(Reineche,1991;Tagiriu3000etu3000al.,1995;Zhangu3000Lu3000Fu3000etu3000al.,2002a,2002b,2007,2008)。近年來,人們在柴北緣地區發現了多種具陸殼屬性的超高壓變質巖石(楊經綏等,2001;Songu3000SGu3000etu3000al.,2003a,2005;Zhangu3000Ju3000Xu3000etu3000al.,2009;Zhangu3000Ru3000Yu3000etu3000al.,2009),詳細的年代學研究確定其峰期變質時代介于420~458Ma之間(Songu3000Su3000Getu3000al.,2004,2006;Mattinsonu3000etu3000al.,2006;ChenDu3000Lu3000etu3000al.,2009;Zhangu3000Gu3000Bu3000etu3000al.,2009a;ZhangJu3000Xu3000etu3000al.,2010),原巖的形成時代普遍大于750Ma(楊經綏等,2003;Zhangu3000Ju3000Xu3000etu3000al.,2005,2010;Chenu3000Du3000Lu3000etu3000al.,2009;Songu3000Su3000Gu3000etu3000al.,2010),證實柴北緣是一條在早古生代經歷陸殼俯沖碰撞形成的高壓/超高壓變質帶。與此同時,另有學者在柴北緣東段都蘭沙柳河地區識別出一套由地幔橄欖巖堆晶巖-玄武巖組成的洋殼巖石組合。其中堆晶巖及玄武巖現已變質為藍晶石榴輝巖、綠簾石榴輝巖和多硅白云母榴輝巖等3種不同類型的榴輝巖,人們在藍晶石榴輝巖中發現了柯石英包體,其原巖形成時代為516Ma,變質時代為440~445Ma,證實柴北緣局部地區在發生陸殼深俯沖前還存在洋殼深俯沖(張貴賓等,2005,2011;Zhangu3000Gu3000Bu3000etu3000al.,2008,2009a,2009b),這與其它典型的“大洋型”和“大陸型”高壓/超高壓變質帶又有明顯不同,柴北緣地區可能記錄了從大洋俯沖到大陸俯沖再到碰撞造山這一完整的演化歷史。因此要想正確探討與反演柴北緣高壓/超高壓變質帶的形成與演化過程,必須對陸殼深俯沖前洋殼的形成、發展和消亡過程有一個清晰的認識。盡管在柴北緣地區發生了板塊的深俯沖作用,早期洋殼事件的巖石記錄較難保存,但近些年來已有了一些零星的報道。本文中,筆者將在系統總結已有研究成果的基礎上結合自身所做工作,探討柴北緣地區新元古代-早古生代大洋的發展與演化,試圖為揭示柴北緣高壓/超高壓變質帶的演化歷史和重建柴北緣早古生代構造演化過程提供進一步的約束。1柴北緣早古生代構造環境柴北緣構造帶位于青藏高原東北部,沿柴達木盆地北緣呈北西西向展布,綿延超過700km,其南北分別以柴北緣深斷裂及宗務隆-青海南山斷裂與柴達木地塊和祁連地塊相鄰,東西則以哇洪山-溫泉斷裂和阿爾金走滑斷裂為界與秦嶺造山帶和阿爾金高壓/超高壓變質帶相接(圖1)。該構造帶以烏蘭魚卡斷裂為界可劃分為南北兩部分,北帶呈NWW向分布于烏蘭、錫鐵山、大柴旦和魚卡以北地區,長度在500km以上,發育有完整的基底和沉積蓋層雙層結構,陸松年等(2002)稱之為“歐龍布魯克微板塊”。其基底主要由德令哈雜巖和達肯大坂群組成,德令哈雜巖以紫紅色二長花崗片麻巖為主,含有大量的斜長角閃巖透鏡體,達肯大坂群為一套以石英巖、斜長角閃巖、含石榴石矽線石石英片巖和云母片巖為主的表殼巖組合,經歷了從高綠片巖相到高角閃巖相的變質作用,年代學研究顯示二者的形成時代為古元古代(陸松年等,2002;張建新等,2001;王惠初等,2005),變質基底之上的沉積蓋層由中元古代萬洞溝群和新元古代全吉群共同構成(辛后田等,2002;郝國杰等,2004)。南帶位于柴北緣構造帶靠近柴達木盆地一側,分布在賽什騰山-魚卡河-錫鐵山-都蘭沙柳河-哇洪山一線,為早古生代形成的俯沖碰撞雜巖帶,主要由島弧火山巖、島弧深成巖和經歷了高壓/超高壓變質作用的深俯沖板片組成,包括中元古代魚卡河(沙柳河)巖群、中新元古代花崗質片麻巖、灘間山群火山-沉積巖系、鎂鐵質-超鎂鐵質侵入巖、花崗巖以及少量的榴輝巖、石榴子石橄欖巖等(王惠初等,2005),目前公認柴北緣的基底由魚卡河(沙柳河)巖群和侵入其中的變質深成侵入體組成(陳能松等,2007a)。大洋巖石圈的演化通常經歷了一段很長的地質歷史時期,包括大陸裂解、初始洋盆的出現;大規模海底擴張;洋內或沿大陸邊緣的消減以及洋盆閉合;弧-陸碰撞或陸-陸碰撞、蛇綠巖就位等多個階段。造山帶中的蛇綠巖是古洋盆形成、發展和消亡的地質記錄,張旗等(2001)曾在《中國蛇綠巖》一書中分析了柴北緣蛇綠巖的研究情況,認為柴北緣雖然存在地幔橄欖巖、輝長巖和玄武巖(或斜長角閃巖),但由于缺乏詳細的研究資料,該地區是否存在蛇綠巖以及哪些巖石單元屬于蛇綠巖還需要做進一步的工作。近年來,隨著柴達木盆地北緣地區研究工作的不斷深入,人們已取得了許多重要進展,但前人對于柴北緣地區早古生代構造環境歸屬問題的研究多集中在某些地段或某個時間段內,缺乏全面系統的認識,這導致了人們對于柴北緣地區早古生代構造環境存在較大分歧,主要觀點有優地槽、大洋盆地、弧后盆地、島弧環境以及大陸裂谷等(Zhangu3000Zu3000Mu3000etal.,1984;夏林圻等,1991;馮益民等,1996;賴紹聰等,1996;李峰等,2006;Xuu3000Zu3000Qu3000etu3000al.,2006;宋述光等,2009)。為此,本文將從大洋的形成、發育和俯沖閉合等3個階段對柴北緣新元古代-早古生代大洋演化進行論述。2低濃度元素分析精度本文涉及的所有分析測試皆在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。主量元素分析在熒光光譜儀(XRF)上測定,元素分析誤差<5%。微量元素和稀土元素測定在電感耦合等離子質譜儀(ICPMS)上進行,Co、Ni、Zn、Ga、Rb、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、REE(除Hf和Lu)等元素分析精度優于5%,其它低濃度元素的分析精度為5%~10%。詳細的分析方法見Gaou3000S等(1999)。鋯石的CL圖像分析由加載英國Gatan公司的Monou3000CL3+型陰極熒光探頭的電子顯微掃描電鏡完成。LA-ICP-MS分析在Hewlettu3000Packard公司的Agilientu30007500aICP-MS和德國Lambdau3000Physik公司的ComPex102Excimer激光器(工作物質ArF,波長193nm)、MicroLas公司的GeoLasu3000200M光學系統的聯機上進行。實驗中采用He作為剝蝕物質的載氣,鋯石年齡采用國際標準鋯石91500作為外標標準物質,元素含量采用NISTu3000SRM610作為外標,3大環境發展3.1柴北緣新元古代巖漿熱事件楊經綏等(2004)曾在柴北緣西段魚卡河和綠梁山一帶的灘間山群中解體出一套新元古代蛇綠巖組合,巖石類型包括玄武質的枕狀熔巖、巖墻群、輝長巖等,并普遍經歷了角閃巖相變質,枕狀熔巖SmNd和Rb-Sr等時線年齡分別為768±22Ma和780±39Ma。但Rb-Sr等時線年齡的封閉溫度較低,很容易受到后期變質作用的影響。而Sm-Nd等時線年齡則容易受到不同程度虧損地幔源及古老地殼混染的影響。另外,該文中并未提及蛇綠巖的重要組成單元———地幔橄欖巖。因此該套巖石能否代表新元古代洋殼還需進一步的研究。中-新元古代時期發生了一次影響全球構造格局的重要事件,即Rodinia超大陸的匯聚與裂解,前人研究結果表明該大陸是由格林威爾造山事件形成的全球性的超大陸,其最終匯聚時限約在900Ma并在約830Ma迅速解體(Hoffman,1991,1999;Liu3000ZXu3000etu3000al.,2008)。人們已在柴北緣地區陸續報道了新元古代花崗巖、輝長巖和火山巖(多為經歷高壓/超高壓變質的榴輝巖透鏡體)的存在,其中花崗巖多為與匯聚碰撞事件有關的花崗巖或花崗片麻巖類,形成時代介于900~1100Ma(李懷坤等,1999;郝國杰等,2001;Wanu3000Yu3000Su3000etu3000al.,2001;陸松年等,2002;張建新等,2003;林慈鑾等,2006;陳能松等,2007a,2007b),這次巖漿熱事件可能代表了柴北緣地區深變質基底的固結時代(張建新等,2003)。包括柴達木、歐龍布魯克、祁連、阿拉善、塔里木、阿克蘇、鐵克里克等地塊均受到本次匯聚事件的影響,并形成了一個具有統一發展共性的板塊(葛肖虹等,2000;陸松年等,2004)。在新元古代晚期,受羅迪尼亞裂解事件的影響,柴北緣地區發生了局部的拉張與裂解,如在柴北緣全吉山、歐龍布魯克、石灰溝和大羊頭溝等地分布一套形成于邊緣裂陷槽環境由河流相沉積、海相沉積為主夾少量中基性火山巖的全吉群,其下部主要為礫巖和含礫長石砂巖,中部主要為石英砂巖,上部為碳酸鹽巖夾火山熔巖,頂部則發育一套代表冰川沉積的塊狀冰磧巖。火山熔巖為鈣堿性-堿性玄武巖、玄武安山巖,具有高K、低Mg的特征,同時具有LREE富集及大離子親石元素強烈富集的特點,為大陸板內火山巖,其形成時代為740Ma(李懷坤等,2003;郝國杰等,2004)。同時,筆者和王惠初(2006)還分別從灘間山和鷹峰地區發現了新元古代時期侵位的輝長巖,其中灘間山地區輝長巖的SiO除此之外,前人已從柴北緣魚卡河、錫鐵山和都蘭等地區的超高壓榴輝巖鋯石中獲得了700~850Ma的原巖形成年齡(楊經綏等,2003;Zhangu3000JXu3000etu3000al.,2005,2010;Chenu3000Du3000Lu3000etu3000al.,2009;SongSu3000Gu3000etu3000al.,2010),說明其原巖形成在新元古代。其中Chenu3000Du3000L等(2009)的研究結果顯示魚卡河榴輝巖具有高Ti的特征,TiO3.2u3000洋島玄武巖這一時期的典型代表為柴北緣東段都蘭地區的沙柳河蛇綠巖(張貴賓等,2005,2011;Zhangu3000Gu3000Betu3000al.,2008,2009a,2009b),該蛇綠巖單元出露較為齊全,下部層位為蛇紋石化地幔橄欖巖(方輝橄欖巖)和異剝鈣榴巖,中部層位為堆晶輝長巖(藍晶石榴輝巖和綠簾石榴輝巖),上部層位為玄武巖(多硅白云母榴輝巖)。其中地幔橄欖巖的礦物組合為橄欖石+斜方輝石+鉻鐵礦,橄欖石和斜方輝石均具有與大洋地幔橄欖巖一致的地球化學特征,斜方輝石高Al和高Ca的特征指示該橄欖巖屬于尖晶石相方輝橄欖巖(張貴賓等,2005;Zhangu3000Gu3000Bu3000etu3000al.,2008)。藍晶石榴輝巖和綠簾石榴輝巖均具有低Ti和高Mg、Al的特征,稀土總量普遍較低且大部分具有LREE虧損的地球化學特征,同時顯示了Eu和Sr的正異常,指示斜長石的堆晶作用,Sr-Nd同位素結果顯示這兩類巖石起源于地幔[(另外,筆者還在都蘭托莫爾日特地區的灘間山群火山巖中識別出一套洋中脊玄武巖,該玄武巖SiO此外,在柴北緣中段錫鐵山地區還出露一套洋島成因的鎂鐵質巖石(賴紹聰等,1996;朱小輝等,2012),雖然洋島玄武巖并不是蛇綠巖的組成部分,但是人們常將其與深海沉積物等視為蛇綠巖的上覆巖系,認為古代大洋在俯沖消減過程中,作為正地形出現的洋島可以被仰沖拼貼在混雜帶中(Cadetu3000etal.,1987;Volkavau3000etu3000al.,1999)。錫鐵山地區鎂鐵質巖石由同源巖漿演化的玄武巖、輝綠巖和輝長巖組成,其中玄武巖樣品SiO3.3柴北緣加里東海域形成階段u3000年代學及動力學時代大洋板塊俯沖到大陸板塊之下會衍生出大洋弧、陸緣弧、弧前以及弧后盆地等多種不同的構造環境(張旗等,2001),同時受地幔楔、俯沖的洋殼物質、深海沉積物以及基底陸殼物質混染等多重物質來源,以及絕熱的減壓熔融和脫水部分熔融等復雜形成機制的影響,活動大陸邊緣環境下的巖石類型及巖石組合常具復雜多變的特點(Spiegelmanu3000etal.,1993)。在柴北緣地區,人們已經報道了弧后盆地型蛇綠巖(王惠初等,2003,2005;朱小輝等,2014)、埃達克巖(史仁燈等,2003;Shiu3000Ru3000Du3000etu3000al.,2006)、島弧火山巖(王惠初等,2003;史仁燈等,2004;高曉峰等,2011)以及島弧巖漿巖(袁桂邦等,2002;吳才來等,2004,2008;朱小輝等,2010)等多種形成于消減帶環境下的巖石組合。王惠初等(2003,2005)在柴北緣西段綠梁山石棉礦一帶厘定出一套弧后盆地型蛇綠混雜巖,巖石類型包括變質橄欖巖、輝長巖、輝長輝綠巖、玄武巖(枕狀熔巖)和少量硅質巖。玄武巖的SiO高曉峰等(2011)在結合前人研究成果的基礎上對柴北緣灘間山群進行了重新厘定,認為其中的火山巖形成時限約在460~514Ma,其主體為形成在俯沖帶環境下的島弧火山巖,代表了寒武紀-奧陶紀巖漿作用,結合袁桂邦等(2002)和朱小輝等(2010)在綠梁山和都蘭地區獲得的島弧型輝長巖的結晶時代496±6Ma和468±2Ma,說明柴北緣地區早古生代的大洋俯沖持續了一個較長的時間。吳才來等(2004,2008)對柴北緣地區古生代花崗巖的研究結果表明,本地區巖漿活動時代主要有以下幾個階段:460~475Ma、440~450Ma、395~410Ma、370~380Ma以及260~275Ma。其中I期巖漿活動對應于洋殼俯沖,形成在島弧或活動大陸邊緣環境;II期為陸陸碰撞形成的同碰撞S型花崗巖;III、IV期形成于碰撞后陸殼減薄階段,兼具I型和S型花崗巖的雙重特征;V期則為古特提斯洋盆閉合誘發的又一期I型花崗巖活動。另外,年代學研究結果顯示柴達木盆地北緣沿魚卡河-沙柳河一線發育的高壓/超高壓變質巖石的峰期變質時代介于420~458Ma(Songu3000Su3000Gu3000etu3000al.,2004,2006;Mattinsonu3000etal.,2006;陳丹玲等,2007;Zhangu3000Ju3000Xu3000etu3000al.,2009)。這些研究結果共同指示柴北緣地區的大洋在450~460Ma時已完全閉合。4討論4.1灘間山群火山巖的物質組成都蘭托莫爾日特N-MORB型玄武巖、錫鐵山洋島玄武巖(賴紹聰等,1996;朱小輝等,2012)、綠梁山弧后盆地型蛇綠巖(王惠初等,2003,2005;朱小輝等,2014)以及都蘭沙柳河蛇綠巖的存在(張貴賓等,2005;張貴賓等,2005,2011;Zhangu3000Gu3000Bu3000etal.,2008,2009a,2009b)指示柴達木地塊與歐龍布魯克地塊間存在過早古生代的大洋。除沙柳河蛇綠巖外,其余巖石均產自灘間山群,而前人已有的研究結果表明分布在柴北緣賽什騰山、綠梁山、錫鐵山及沙柳河一帶的灘間山群火山巖總體上具有島弧火山巖性質(史仁燈等,2003,2004;王惠初等,2003;Shiu3000Ru3000Du3000etu3000al.,2006;高曉峰等,2011),復雜的巖石類型以及跨度較大的形成時代(460~535Ma)指示分布在柴北緣構造帶的灘間山群火山巖帶為一條復雜的、包含不同成因巖塊,為早古生代洋盆在不同發育時期形成的巖石殘片經構造拼合形成的混雜巖帶。4.2柴北緣新元古代洋殼引發的事件由于柴北緣地區發生了板塊的深俯沖作用,早期洋殼事件的記錄很難保存下來,因此人們對本地區早古生代是否存在大洋,以及大洋的形成、性質、演化等一系列重要問題仍存在爭論:有人認為柴北緣地區存在過早古生代的大洋(南祁連洋),該大洋與北祁連洋有密切聯系(Xuu3000Zu3000Qu3000etu3000al.,2006;宋述光等,2009),有人認為本地區早古生代為大陸裂谷環境(夏林圻等,1991),還有人認為本地區早古生代洋盆規模有限,僅僅發育裂陷槽(李峰等,2006)或有限洋盆(國土資源部礦產資源研究所,2001(1)柴北緣地區新元古代的火山巖/輝長巖普遍具有板內玄武巖或E-MORB的特征,并顯示明顯的陸殼混染(包括原巖年齡為750~800Ma的榴輝巖以及部分輝長巖等),同時分布在柴北緣北帶歐龍布魯克板塊內的全吉群為一套典型的邊緣裂陷槽沉積,時代同樣為新元古代(~740Ma),指示本地區在新元古代發生了裂解,柴北緣早古生代大洋可能是在這次裂解事件的基礎上發展起來的。(2)柴北緣地區早