岩石圈尺度不连续及燕山期再活化的确定依据

如题所述

大陆地壳的两大构造单元是山系和盆地。中国大陆的盆-山构造格局最显著的特征是山脉的地壳厚度大于盆地的厚度,且山系形成时代越晚地壳厚度越大(彭聪,2000)。中国大陆内大多数现代盆地对应的莫霍面特征多表现为盆地基底莫霍面上隆和周边凹陷,这种莫霍面特征可能就是软流圈物质径向输入导致表层物质横向迁移,抑或因挤压造成陆壳加厚莫霍面下凹所引起。从区内晚中生代、新生代对应的地球动力学背景分析,晚中生代主要是岩石圈挤压加厚造山环境,而新生代则以伸展裂陷作用为主,因而在形成的盆地类型也有所差异,前者与前陆盆地(山间盆地)相当,后者则为伸展裂陷盆地。同样,山系也有挤压隆升和伸展隆升两种机制。所以,陆内、陆间出现的盆地-山系是一对孪生体,它们都是因岩石圈结构调整导致地壳变化,且地壳物质经历了均衡调节的结果。

从区内中生代火山岩性物质组分反演出的大陆岩石圈厚度大致可以得到形成时大陆结构的基本信息。据邓晋福等(1992)利用东部中生代火山岩K60估算俯冲带深度和地壳厚度自浙闽东部向下扬子地区的俯冲带、地壳厚度有明显增大的趋势(表3-2)。与前述的利用地球物理探测技术估算的现代地壳厚度相比,靠内陆地区具有一个加厚陆壳的“岩石圈根”,这与区内大面积出现的早白垩世橄榄安粗岩组合的岩石成因一致。那么,自白垩纪以来,自东向西已发生了剧烈的减薄。这与利用深部地球物理资料和岩石学获得的结论一致,也即中国东部在中生代出现强烈的岩石圈巨减薄,并在新生代具有裂谷带性质(邓晋福等,1994、1996)。

表3-2k60与估算的东部燕山期俯冲带深度(SZ)及地壳厚度(C)

注:括号内为晚白垩世,其余为早白垩世。

岩石圈的巨减薄与大规模岩浆-成矿作用的起因是同一地质事件诱发的结果,但在东部岩浆-成矿活动中也出现明显的差异,火山喷发活动主要出现在中生代的盆地区,而中、深成花岗岩类侵入岩主要发育于隆起区,出现这种差异的原因主要是受岩石圈结构控制。根据本次研究成果,可以初步厘定东南地区岩石圈结构中存在三个岩石圈尺度不连续,它们分别是:下扬子拗陷、浙赣拗陷、永梅拗陷。在上述区内3个岩石圈尺度不连续中,燕山期再活化是内生金属成矿作用的主因,以下就3个岩石圈不连续和燕山期再活化确定的依据作进一步讨论,也可供作为其他地区进行类似研究参考使用。

1.岩石圈尺度不连续的类型

岩石圈尺度不连续是一种形成于岩石圈内部的不连续带或面,这种不连续反映在岩石圈结构、成分上与邻近地区具有显著的差别,它在地质、地球物理、地球化学资料均有相应的记录,但它也具有一定的时空反映。如古岩石圈尺度不连续形成于一定的地质历史时期,后期地质作用可能对它进行了强烈改造,但是在岩石学、地球化学等仍然保留有其原始记录可以鉴别。综合前入研究成果,邓晋福等(1999)提出了岩石圈尺度不连续的六种类型:(1)克拉通边缘裂谷带。如扬子克拉通西缘的攀西裂谷。(2)再活化的克拉通块体间的碰撞造山带(无蛇绿岩带)。如胶东、秦岭地区。(3)再活化的克拉通块体间的碰撞造山带(有蛇绿岩带)。如赣东北地区、“三江”地区。(4)活动大陆边缘俯冲造山带。如环太平洋带。(5)太古宙一古元古代克拉通内的元古宙造山带。如中条山、下扬子地区。(6)再活化的克拉通内裂谷带。如燕辽的中元古代裂谷带。由此可见,岩石圈尺度不连续主要对应于形成在岩石圈(大陆、海洋)块体边界的俯冲、碰撞带或其内部出现的新生的造山带、裂谷(陷)带。根据本次研究成果,可以初步厘定区内三个岩石圈尺度不连续分别是:下扬子拗陷——不同类型基底的结合带,可能是一元古宙的基底缝合带;浙赣拗陷实际是一多期活动的岩石圈尺度不连续,它经历了晋宁期俯冲碰撞、加里东碰撞、海西期裂陷、燕山期陆内挤压造山等多期活动的构造带,因此形成了东南地区最大的巨型矿集区;永梅拗陷是一海西-印支期的裂谷(陷)带。从更大的尺度而言,中国东南地区中生代岩石圈的巨减薄和太平洋构造体制的叠加影响,使其形成一巨型燕山期岩石圈尺度的不连续,正是由于它的影响使其在古岩石圈尺度不连续带、区,燕山期出现强烈的再活化,形成了区内隆-拗分隔的构造面貌和相应的成矿带。

2.火成岩岩石构造组合

东南地区3个中生代火山-沉积盆地带中燕山期特殊的火成岩岩石组合和演化特征是岩石圈尺度不连续再活化最为直接的标志。火成岩的类型可以直接反映岩浆的物质来源,玄武岩岩浆直接起源于上地幔,安山质岩浆是壳幔发生强烈相互作用的结果。如下扬子地区广泛出现的橄榄安粗岩系、高钾钙碱性系列火成岩均是来自地幔或是壳幔强烈相互作用的产物,它表征这些火成岩是地幔物质沿岩石圈不连续直接进入地壳或地表的结果。同时,火成岩岩石构造组合已成为反演大地构造环境的重要依据,陆内火成岩岩石构造组合所表征的构造环境广泛见于国内外的文献(Condie,1982;邓晋福等,1996;王方正等,1998)。东南地区燕山期火成岩岩石组合相当于与俯冲作用有关的大陆边缘弧靠内陆一侧的产物,火成岩所包括的高钾钙碱性系列、橄榄安粗岩系列和碱性岩系列火成岩,一些地区三个火成岩系列在空间上密切伴生,但是一些地区仅仅出现单一的火成岩系列,火成岩岩石系列组合出现的只是时间演化存在先后关系,但它们蕴含有特殊的构造意义。在大陆边缘弧火成岩中,随时间推移,向大陆内依次出现拉斑玄武岩系列、钙碱性系列、橄榄安粗岩系列火成岩(Condie,1982),在岩石圈根发生崩塌时则出现双峰式或A型花岗岩组合,因此利用火成岩系列、岩石构造组合在反演火成岩形成构造背景中具有重要地位。

王德滋(1991)提出橄榄安粗岩系列形成于岛弧或大陆边缘弧和大陆内侧或大陆内部的深大断裂带两种构造环境的观点,并认为下扬子地区橄榄安粗岩系列属于中国东部的“橄榄安粗岩省”的一部分,其形成构造环境属于大陆边缘内侧的断裂活动带。同时,他在综合实验资料和橄榄安粗岩系列火成岩的产出特征,认为其形成的必须条件有二:一是玄武岩浆在35km左右的较深部位、在10×108Pa左右的压力下,经长时间的分离结晶;二是岩石圈断裂构造深及软流圈导出这种高度演化的岩浆。邢凤鸣(1999)研究也认为下扬子地区橄榄安粗岩系列形成于大陆深断裂或陆内裂谷环境。邓晋福(1996)提出橄榄安粗岩系列既可形成于具有岛弧的大陆边缘环境,也可形成于陆内造山带,陆内造山橄榄安粗岩系列是造山岩石圈与外侧克拉通岩石圈会聚的产物。鉴于该区燕山期地处大陆边缘靠大陆内侧的事实和橄榄安粗岩系列岩石出现时、空位置,结合区内中生代沉积盆地的演化记录,我们认为这套特殊火成岩系列形成于陆壳挤压加厚、岩石圈地幔局部上隆(发生底侵作用)的构造环境,橄榄安粗岩系列火成岩的分布区对应为地幔上隆过程中,其顶部出现的大型破裂带部位,这些大型破裂带、岩浆上侵通道最易出现于先存的大型古构造带之中。在燕山中-晚期,除下扬子地区出现橄榄安粗岩系列岩石组合外,浙赣拗陷的晚白垩世的茅店火山旋回、沿海带中也见有该套岩石组合。而在隆起区内则基本上无橄榄安粗岩系列岩石组合出现。

东南地区燕山中-晚期出现的表征岩石圈根崩塌或大规模岩石圈拆沉的碱性系列火山岩、A型花岗岩的分布范围也证明了东部岩石圈发生大规模的减薄作用。总之,东南地区在燕山期的大规模强烈火山活动,反映了燕山期区内岩石圈结构发生了巨变,火成岩岩石构造组合已成为中国东部大陆内部这次构造环境的重要地质记录。

从研究区内火成岩岩石系列、岩石构造组合不仅可以反演火成岩形成的大地构造变化,也可推断火成岩形成的深部背景,岩石圈加厚或减薄都能造成深部物质的强烈相互作用和岩石圈结构的改变,东南地区盆地区与隆起区火成岩岩石组合的差别印证了岩石圈尺度不连续在燕山期再活化过程中经历了不同的深部过程。

3.深部地球物理探测

通过东南地区岩石圈/软流圈地幔的结构分析,可以看出东南地区属薄壳厚幔型结构,岩石圈/软流圈的结构表现不均一性质。研究区的深部结构构造表现为明显的平面分区块性、剖面分层性。其总体特征是:隆起区的软流圈、岩石圈地幔、莫霍面等具有明显的埋深大,厚度大,上覆地壳厚度大,为地幔拗陷区,在这些地区,幔隆热流不易上升、仅侵入下地壳部位,因岩石圈较厚、岩石圈地幔厚度大,对应莫霍面下拗、下地壳厚度小、低速高导层埋深大,但上地壳厚度大,这种深部结构对成矿不利,故没有大规模的成矿作用发生。而与之相反的拗陷区,为地幔隆起区,属岩石圈减薄带,软流圈地幔上涌部位,其上覆的地壳厚度薄,这些地幔隆起区具有幔隆热流上升易侵入下地壳,它属岩石圈减薄区,其岩石圈地幔薄、对应莫霍面上隆,相应下地壳厚度大、低速高导层埋深浅、上地壳厚度小,这种深部结构成矿有利部位,对应于现存的大型矿集区,如铜陵、德兴等有色贵金属大型成矿集中区等。莫霍面急剧起伏区,岩石圈厚100~80km,岩石圈地幔厚<70km,莫霍面埋深32~34km等所对应的地区,即中生代岩石圈拆沉强烈处,常与大型矿集区有关。因此,异常上地幔、软流圈地幔上涌带对大型成矿带、矿集区具有重要控制作用。值得注意的是在东南地区岩石圈/软流圈结构中,反映出深部存在东西向、北西向的异常带,在出现与北东向异常带叠加的部位多是大型矿集区位置,因此它可能反映的是岩石圈/软流圈发生大规模相互作用对大型矿集区具有重要控制作用。

4.成矿专属性的启示

东南地区火成岩具有明显成矿专属性特点,铜金矿床与高钾钙碱性系列中酸性侵入岩有关,铁硫矿床与橄榄安粗岩系列中性-中偏基性火山-潜火山岩对应,钨锡矿床与钙碱性系列酸性侵入岩关系密切。这些不同的岩类具有不同的地球化学特征。从区域火成岩岩石构造组合和前述的同位素示踪研究结果证实,盆地区中-基性、中-酸性火成岩的成岩物源主要是新生地幔物质注入和强烈壳幔相互作用的结果,这也是古岩石圈尺度不连续的再活化的重要标志;而隆起区主要为壳源中-深成酸性岩类,成岩物源主要是中-下地壳的部分熔融或重熔。

成矿元素的地球化学性质决定了它们在壳幔相互作用中出现分异、富集的双重特性,岩浆-成矿在不同大地构造环境中表现出的明显分带性、专属性,表现岩浆-成矿受一定的构造作用约束,更重要的是受物源成分的制约,分异、富集只是源区物质演化的结果。

在岩石圈尺度不连续再活化时火成岩形成就位过程中,相伴出现的与火成岩活动有关的金属矿产也具有特征的成矿专属性,虽然这种成矿专属性所表现的共性具有普遍性,局部地区火成岩成矿元素的富集,即显示在岩浆成矿专属性中出现一定的差异。如在下扬子拗陷,常印佛等(1991)指出长江中下游地区燕山期扬子式同熔型系列中第一成岩序列成铜(金)、第二成岩序列成铁(硫)的成矿专属性规律。实际上是沿江地区扬子式同熔型系列中两种成岩序列分别代表了高钾钙碱性系列和橄榄安粗岩系列火成岩,二者在成岩幔源物质的比例和岩浆演化存在差别,因而反映出成岩成矿系列及矿种组合也有较大的不同。根据区内岩浆-成矿特点,将区内火成岩成矿专属性概括为:在隆起与拗陷过渡区,以壳幔混合源(以幔源物质为主)的高钾钙碱性系列火成岩对应形成铜、金矿床。在拗陷区,以幔源物质为主(少量壳源物质)的橄榄安粗岩系列火成岩对应形成铁、硫矿床。在隆起区,以壳源物质为主(少量幔源物质)的钙碱性系列火成岩则主要形成银、铅、锌、钨、钼等矿产。同样,在赣东北、永梅拗陷这些由古岩石圈不连续再活化形成大型构造-岩浆岩带,它所控制出现为一套幔源为主的火成岩岩石组合,对应形成的为一套亲幔源物质的铜、铁、硫、金等矿产组合。而在江南隆起、武夷隆起区,虽然也出现钙碱性系列酸性侵入岩,但是成岩物源中以壳源成分为主,所形成的矿产主要是一套钨、锡、银、铅、锌等。因此,可以认为岩浆岩成矿专属性仍然具有一定现实意义。

5.同位素地球化学证据

Gilder等(1996)通过华南中生代花岗岩研究中,率先发现了华南存在一北东向的低TD带,尔后Chen and Jahn(1998)进一步论证了在华夏内部及其附近的一些北东向的低TD带(图3-8),它们分别是赣东北德兴-灵山(N1)、湖南千里山(S2)、江西会昌岩背附近(S3)。王德滋等(2002)在上述基础上,将包括下扬子、东南沿海带等地区的TD值进行综合整理后,认为东南地区低TD值可以划分为“三带一区”,这些低TD值区、带除与上述三带部分吻合之外,尚有浙西-皖南区(包括下扬子拗陷、江南隆起)和沿海低TD带。这些低TD带或区所处位置都具有异常的基底结构,并和中生代火山-沉积盆地、大型矿集区出现的位置吻合,因此可以认为这些低TD值区、带属壳幔物质相互作用的反映。

关于华南低TD岩浆岩的形成原因,目前有两种认识。Jahn(1990)认为这种低TD岩浆岩是早先形成的与俯冲或碰撞有关含有较多幔源物质的低TD特征,故低TD带可能代表古俯冲带或碰撞带。许多低TD岩浆岩可能是古陆块拼合带物质多次熔融的结果,从而导致了岩浆岩具有高的REE含量、高的ISr,多次熔融事件的发生,表明这是一个地壳高热流带和薄弱带(陈江峰等,1999)。Gilder等(1996)指出的与中生代火山岩盆地伴生,也是地壳薄弱带之一。结合地球物理资料证明它们属岩石圈尺度不连续燕山期再活化的构造-岩浆-成矿带。

6.中生代、新生代地幔成分演化

对中、新生代基性火成岩的Nd-Sr同位素体系资料总结表明,东南地区中、新生代岩石圈地幔发生了显著的变化。从表3-3可见,大别山、江北中生代总体具有富集地幔的特点,可能代表了“华北型地幔”;下扬子拗陷、浙赣拗陷、沿海火山岩带具有亏损地幔与富集地幔混合的性质,则可能代表了“扬子型地幔”。如果下扬子拗陷以南至沿海带的中生代的富集地幔部分代表了大陆岩石圈碎块的残余,即有可能那里的亏损岩石圈地幔与陆壳在地幔深度即发生了强烈相互作用使地幔性质发生了改变,抑或是软流圈地幔上涌(DMM)至岩石圈上地幔(EMII)发生了混合作用。在新生代,下扬子拗陷以南至沿海带则具有亏损地幔端元性质(DMM),地幔组成基本一致,它反映岩石圈地幔在新生代达到了相对的平衡和均一化。虽然,在新生代“华北型”与“扬子型”地幔的Nd-Sr组成尚存在一定的差别,但总体已经开始向亏损地幔方向演化并具有亏损地幔性质。吴福元(1999)总结中国东部新生代玄武岩包体Nd-Sr同位素资料曾提出:现今岩石圈地幔具有强烈亏损性质、系新生地幔,这与岩石圈地幔物质在中生代的大量溢出、软流圈地幔上涌有关,它也可能是岩石圈发生减薄的机制之一。

图3-8 中国东南大陆地壳的钕同位素模式年龄(据Chen and Jahn,1998改编)

表3-3 中国东南部分地区中-新生代幔源基性岩浆岩Nd-Sr同位素组成

续表

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