青藏高原中部玉树二叠纪—三叠纪镁铁质岩石的成因及其地球动力学背景

【摘要】青藏高原是现今全球范围内最高最大最年轻的高原,其经历了相当完整的特提斯构造演化过程(包括原特提斯、古特提斯和新特提斯),被公认为世界上研究大陆动力学和板块构造演化最好的天然实验室。青藏高原中部地区主要以发育古特提斯构造-岩浆系统为特征,涉及到多个地体和多条缝合带的复杂演化过程,是认识青藏高原乃至全球古特提斯构造演化与成矿作用的重要窗口。过去几十年时间里,国内外学者对古特提斯构造演化的研究主要集中在青藏高原中南部地区,而对其中西部的研究一直都非常薄弱。对该区岩浆作用的时空框架还缺少深入的研究,有关地球动力学背景演化等一系列基本问题还没有得到深入的认识,例如,金沙江和甘孜-理塘古特提斯洋盆是否向西延伸问题?二叠纪-三叠纪时期青藏高原中西部地区是否经历了与其中南部地区相同的构造演化历史?玉树地区位于金沙江和甘孜理塘缝合带西段的交接位置。伴随着相关古特提斯洋盆的俯冲消减和最终闭合,该区发育了大量的二叠纪-三叠纪岩浆岩,其中镁铁质岩石的时代分布范围要明显宽于长英质岩石。因此本文选择该区二叠纪-三叠纪镁铁质岩石为研究对象,对其开展详细的锆石U-Pb年代学、岩相学、矿物学、地球化学和Sr-Nd同位素等研究,并结合区域上多学科的研究成果深入剖析其成因机制和构造背景,在此基础上探讨相关科学问题,试图建立青藏高原中西部地区古特提斯构造演化模型。获得的主要认识如下：1.玉树及周缘地区镁铁质岩石的形成时代跨度很大,从早二叠世至晚三叠世(锆石U-Pb年龄范围为284-213Ma)均有分布,并且集中分布在早二叠世(-284Ma)、晚二叠世(258-257Ma)、中三叠世(236-232Ma)和晚三叠世(-213Ma)这四个阶段。锆石LA-ICP-MSU-Pb定年研究结果显示,杂多辉长玢岩的206Pb/238U年龄为284±2Ma,玉树辉长岩的206Pb/23sU年龄为258±2Ma,哈秀辉长岩的206Pb/238U年龄为258±1Ma,治多辉绿岩的206Pb/238U年龄为258±2Ma,治多块状辉长岩的2。6Pb/238U年龄为257±1Ma,格曲辉长岩的206Pb/238U年龄为232±1Ma,查涌枕状玄武岩的206Pb/238U年龄为234±3Ma,歇武辉长岩的206Pb/238U年龄为236±2Ma,隆宝煌斑岩的2。6Pb/238U年龄为213±2Ma。2.早二叠世镁铁质岩石在本区出露相对较少,多与超镁铁质岩石相伴出现。本文研究的杂多镁铁质-超镁铁质岩石主要由辉长岩、辉长玢岩和橄榄辉石岩组成,以岩脉的形式侵入到北羌塘地块内石炭纪杂多群中。橄榄辉石岩中橄榄石的Fo值分布在78.47-81.75,均属于贵橄榄石。辉长岩中辉石具有相对高钙、钛和镁特征,属于透辉石,总体成分可与攀枝花镁铁质-超镁铁质岩石中的辉石类比。杂多镁铁质-超镁铁质岩石在成分上均属于碱性玄武岩系列,岩石相对于MORB多强烈富集LREE、Th、Nb、Ta和Ti,轻微亏损Zr和Hf,与OIB和峨眉山玄武岩类似。三类岩石样品的Sr-Nd同位素组成均显示亏损地幔的特征,其中,Isr分别为0.706-0.712、0.704和0.707-0.708,εNd(t)为+3.7-+3.9、+2.2和+3.8-+4.2。矿物学、地球化学和Sr-Nd同位素研究共同揭示,该镁铁质-超镁铁质岩石可能起源于一个与OIB类似的软流圈地幔,并且与含石榴子石和少量尖晶石的二辉橄榄岩的部分熔融有关。另外,橄榄辉石岩可能代表了70-80%左右的熔体和20-30%堆晶硅酸盐矿物(主要为橄榄石)的混合组分,辉长岩的形成可能与辉石的堆晶作用无关。与区域资料对比研究表明,杂多镁铁质-超镁铁质岩石应形成在陆内裂谷的环境中,并且可能与早二叠世龙木错-双湖古特提斯洋盆的扩张有关。3.相比早二叠世镁铁质岩石,晚二叠世镁铁质岩石在本区分布较广泛,成分相对复杂。其中,玉树辉长岩主要以岩脉的形式侵入到玉树-中甸地块内(该地块可能是北羌塘地块北缘的一部分)。岩石中辉石成分相对富钛和铁,属于普通辉石,总体具有裂谷环境堆晶岩的辉石成分类似的演化趋势。该岩石具有明显高的FeOt和TiO2,成分上可与四川攀枝花、Greenland东部和Somalia北部等地的高Fe-Ti镁铁质岩石类比。岩石在Zr/TiO2-Nb/Y分类图解中投点,均落在亚碱性玄武岩与碱性玄武岩系列的界线位置。岩石具有相对高的稀土元素总量,并且相对于MORB强烈富集LREE和Th,亏损P,略微亏损Nb、Ta和Ti等元素,这些成分特征与OIB类似。该岩石的Isr为0.706-0.709,ENd(t)为0-+0.7；哈秀辉长岩主要以构造岩片形式产出在多彩-隆宝蛇绿混杂岩带中,其内部可见少量的保存完好的橄榄辉石岩捕掳体。橄榄辉石岩中橄榄石Fo值分布在78.29-83.80,均属于贵橄榄石。辉石具有高镁和铬以及低钛的特征,属于透辉石,总体上与弧环境堆晶岩成分类似。哈秀辉长岩和橄榄辉石岩的成分与原生岩浆类似,均属于亚碱性玄武岩系列。两类岩石的稀土总量非常低,轻重稀土分异不明显,相对于MORB多富集LREE和Th,明显亏损Nb、Ta、P和Ti,总体分布与洋内弧IAT以及南极半岛起源于受俯冲组分改造的软流圈地幔的陆缘弧原生岩浆类似。这两类岩石的Isr分别为0.709-0.712和0.709,εNd(t)分别为-0.6-0和+0.7-+1.7；治多镁铁质岩石以构造岩片或岩块形式产于多彩-隆宝蛇绿混杂岩中,通常被认为是蛇绿岩的组分。其中,层状辉长岩与辉绿岩具有与玉树辉长岩类似的地球化学组成。岩石在Zr/TiO2-Nb/Y分类图解中投点同样落在亚碱性玄武岩与碱性玄武岩系列的界线位置,并且明显富集Fe和Ti,总体成分与OIB类似。两类岩石的Isr分别为0.707和0.707,εNd(t)分别为+0.7和+0.3-+0.5。而块状辉长岩样品则具有中等程度的Fe和Ti,成分上属于亚碱性玄武岩系列。岩石相对于MORB明显富集LREE和Th,明显亏损Nb、Ta、P和Ti,总体成分与起源于受俯冲改造的岩石圈地幔的镁铁质岩石类似。该岩石的Isr为0.708-0.711,εNd(t)为-1.2–1.。矿物学、地球化学和Sr-Nd同位素研究共同表明,玉树辉长岩和治多层状辉长岩及辉绿岩具有类似的成因机制,其可能由受到板片熔体和含水流体交代的尖晶石-石榴子石二辉橄榄岩的部分熔融形成,其高Fe-Ti富集的特征可能与低的fO2条件下橄榄石和单斜辉石的高度分离结晶有关。哈秀辉长岩可能源自一个受俯冲组分(主要是含水流体)改造的软流圈地幔,并且与尖晶石二辉橄榄岩的部分熔融有关。哈秀辉石岩的形成则可能与尖晶石二辉橄榄岩发生较高的部分熔融有关。治多块状辉长岩可能源自一个受俯冲组分(主要是含水流体和沉积物)改造的岩石圈地幔,并且与尖晶石二辉橄榄岩的部分熔融有关。结合区域资料,可以判断该套镁铁质岩石的出现可能与晚二叠世龙木错-双湖大洋板片回撤引起的弧后拉张有关。4.中三叠世格曲镁铁质岩石主要由辉长岩组成,多以岩脉的形式侵入到北羌塘地块内部的三叠纪地层中,并且该地层与下覆的三叠纪-二叠纪海相碳酸盐岩地层呈明显的角度不整合接触关系。该辉长岩中辉石成分相对富钙、钛和镁,多属于透辉石,总体成分上具有与裂谷环境堆晶岩的辉石成分类似的演化趋势。岩石在成分上属于拉斑玄武岩系列,并且相对于MORB富集Th和LREE,亏损Nb、Ta和Ti。岩石的Isr为0.706-0.708,εNd(t)为+0.5-+2.0。矿物学、地球化学和Sr-Nd同位素研究共同表明,该镁铁质岩石可能起源于一个原先受到陆壳物质(约5-10%)改造的岩石圈地幔,并且可能与含尖晶石和少量的石榴子石的二辉橄榄岩的部分熔融有关。另外,该岩石在形成过程中经历了单斜辉石、橄榄石和斜长石的分离结晶。与区域资料的对比研究表明,该镁铁质岩石应该形成在后碰撞的伸展背景中,并且可能与其南部龙木错-双湖大洋板片的断离作用相关。5.中三叠世查涌和歇武镁铁质岩石通常被认为是甘孜-理塘西段蛇绿岩的重要组成部分。查涌辉长岩中的辉石相对富钙、铝、钛和镁,属于透辉石,并且具有与裂谷环境堆晶岩的辉石成分类似的演化趋势。查涌镁铁质岩石在成分上均属于拉斑玄武岩系列,并且相对于MORB明显富集Th和LREE,略亏损Nb、Ta、Zr、Hf和Ti等元素,总体上与E-MORB类似。该套岩石(包括枕状玄武岩、辉长岩和辉绿岩)的Isr分别为0.705-0.708、0.705和0.706,εNd(t)分别为+2.7-+3.6、+3.1-+3.4和+1.7；歇武枕状玄武岩在成分上属于拉斑玄武岩系列,岩石的稀土元素总量相对较低,相对于MORB明显富集LREE、Th、Nb和Ta等元素,轻微亏损P、Zr和Hf元素,总体成分类似于E-MORB。而歇武辉长岩在成分上属于碱性玄武岩系列,并且相对于MORB明显富集LREE、Th、Nb、Ta和Ti等元素,亏损P,与OIB类似。歇武这两类岩石样品的Isr分别为0.710-0.711和0.709,εNd(t)分别为+0.9-+1.0和+0.2-+0.6。矿物学、地球化学和Sr-Nd同位素研究共同表明,查涌和歇武镁铁质岩石分别起源于原先受到陆壳物质和富集软流圈地幔组分(例如OIB)改造的亏损地幔源区。其中,查涌镁铁质岩石的形成可能与含尖晶石和石榴子石的二辉橄榄岩的部分熔融有关,并且经历了一定程度的单斜辉石、橄榄石和斜长石的分离结晶。歇武枕状玄武岩的形成可能与尖晶石二辉橄榄岩的部分熔融有关,并且经历了少量橄榄石的分离结晶。歇武辉长岩的形成与尖晶石-石榴子石二辉橄榄岩的部分熔融有关,并且经历了一定程度的单斜辉石、橄榄石和斜长石的分离结晶。与区域资料对比研究表明,查涌和歇武镁铁质岩石应形成在陆内裂谷的背景中,并且可能与中三叠世甘孜-理塘西段洋盆的扩张有关。6.相比中三叠世镁铁质岩石,晚三叠世镁铁质岩石在本区出露非常少。本文研究的隆宝镁铁质岩石主要由钙碱性煌斑岩组成,并且以岩脉的形式侵入到玉树三叠纪弧岩浆岩中。该岩石具有中等程度的SiO2、相对低的TiO2和FeOt/MgO比值以及相对高的A12O3、MgO、Cr和M#,与原生岩浆成分类似,成分上属于亚碱性玄武岩系列。岩石样品的稀土元素总量较高,相对于MORB明显富集Th和LREE,亏损Nb、Ta和Ti,其总体成分与起源于俯冲组分改造的岩石圈地幔的镁铁质岩石和大陆弧镁铁质岩石类似。该岩石具有富集的Sr-Nd同位素组成,Isr为0.705,εNd(t)为-2.3–1.5。地球化学和Sr-Nd同位素研究表明,该岩石起源于一个受到俯冲组分(主要是含水流体)改造的岩石圈地幔,可能与含金云母的尖晶石二辉橄榄岩的部分熔融有关,并且在其形成过程中经历了少量橄榄石的分离结晶。与区域资料对比研究表明,隆宝煌斑岩脉最可能形成在一个大陆边缘弧的环境,并且与晚三叠世甘孜-理塘西段洋盆的向南俯冲有关。7.在系统地总结和分析国内外相关文献基础上,通过对玉树地区二叠纪-三叠纪镁铁质岩石的深入研究,本文认为金沙江缝合带并不能向西延伸至玉树-北羌塘内部,前人原先定义的金沙江缝合带西段应该是甘孜-理塘缝合带西延的重要部分。进一步认为青藏高原中西部地区具有与中南部地区不同的古特提斯构造演化过程：(1)早石炭世至早二叠世中期,在龙木错-双湖洋盆持续扩张时,甘孜-理塘西段洋盆可能已经在本区打开；(2)早二叠世末期至早三叠世,龙木错-双湖洋向北持续俯冲至北羌塘地块之下；(3)中三叠世早期,龙木错-双湖洋最终发生闭合,此时甘孜-理塘洋仍在扩张；(4)中三叠世晚期至晚三叠世,龙木错-双湖大洋板片发生断离并且导致北羌塘地块南缘大量双峰式火山活动的产生。与此同时,甘孜-理塘洋开始向南俯冲导致北羌塘地块北缘大量低钾钙碱性闪长岩／安山岩的产生;(5)晚三叠世末期至早侏罗世,甘孜-理塘西段洋盆在本区最终闭合。
【作者】刘彬；
【导师】马昌前；
【作者基本信息】中国地质大学，矿物学、岩石学、矿床学，2014，博士
【关键词】青藏高原中部；玉树；古特提斯；镁铁质；成因；

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