藏北羌塘早古生代巖漿作用及其地質意義

解超明,李 才,翟慶國,劉一鳴,王 明,胡培遠,范建軍

(1.吉林大學地球科學學院,吉林 長春 130061;2.吉林大學青藏高原地質研究中心,吉林 長春 130061;3.自然資源部東北亞礦產資源評價重點實驗室,吉林 長春 130061;4.中國地質科學院地質研究所,北京 100037;5.中國海洋大學海洋地球科學學院海底科學與探測技術教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

全球超大陸重建表明,早古生代以來,青藏高原南部長期處于岡瓦納大陸北緣的大地構造背景,有關青藏高原的陸塊早期生長、破壞以及大陸陸緣性質的研究,一直以來都是地學研究的前沿和熱點(潘桂棠,1994;許志琴等,2005;Cawood et al.,2007;潘桂棠等,2012;Pan et al.,2012;Zhu et al.,2012)。盡管青藏高原南部已經發現和報道了大量早古生代構造-巖漿事件的物質記錄,然而有關青藏高原早古生代的地殼構造演化及巖石圈的時代、組成和空間結構等仍不清楚(潘桂棠等,2006;Liu et al.,2020)。已有研究資料顯示,岡瓦納大陸北緣的性質存在較大分歧,一種觀點認為岡瓦納大陸北緣處于被動大陸邊緣環境(Murphy et al.,1991;Miller et al.,2001),早古生代巖漿巖記錄了泛非造山事件之后岡瓦納大陸北緣的后碰撞伸展環境(Baig et al.,1988;Gaetani et al.,1991;Liu et al.,2009;Li et al.,2016;Liu et al.,2018)。而另一種觀點則認為岡瓦納大陸北緣處于活動大陸邊緣環境,早古生代巖漿活動是原(古)特提斯洋沿環岡瓦納大陸北緣新的俯沖作用導致的安第斯型造山事件的產物(Cawood et al.,2007;Zhu et al.,2012;Zhang ZM et al.,2014)。

羌塘地區在構造上處于岡瓦納大陸的最北緣,對于深入認識岡瓦納大陸北緣的性質至關重要。羌塘地區位于青藏高原北部無人區,構造上夾持于班公湖-怒江和金沙江縫合帶之間(圖1),被龍木錯-雙湖-瀾滄江縫合帶進一步分割為羌南-保山板塊和羌北-昌都板塊(李才等,2006)。近年來的研究顯示,龍木錯-雙湖-昌寧-孟連-清邁縫合帶是古特提斯洋主洋盆閉合的遺跡,可能代表了岡瓦納大陸的北界(李才,1987,2008;王立全等,2008;Metcalfe,2013;Zhai et al.,2016;解超明等,2020;潘桂棠等,2020)。羌塘中部保留了可能與(原)古特提斯洋演化相關的早古生代蛇綠巖(李才,2008;翟慶國等,2010;吳彥旺,2013;胡培遠等,2014;Zhai et al.,2016)、洋島及海相沉積建造(Fan et al.,2015,2017)和晚古生代—三疊紀中高級變質巖(Zhai et al.,2011a,b;Zhang XZ et al.,2014)。近年來,地質調查和研究工作在羌塘中部陸續發現和報道了多處早古生代巖漿巖(胡培遠等,2010;Pullen et al.,2011;彭智敏等,2014;解超明等,2015;Hu et al.,2015;Liu et al.,2016,2018,2020;Xie et al.,2017;Wang et al.,2020a,b),為認識羌塘中部的構造演化、青藏高原早期陸殼生長以及岡瓦納大陸北緣的性質等問題提供了重要線索和證據。

圖1 青藏高原大地構造單元及早古生代巖漿巖分布圖數據來源(Liu et al.,2016,2019,2020及其參考文獻):KKMSZ—康西瓦-坤南-瑪沁板塊縫合帶;JSSZ—金沙江縫合帶;LSLSZ—龍木錯-雙湖-瀾滄江-昌寧-孟連-清邁縫合帶;BNSZ—班公湖-怒江縫合帶;YLZSZ—雅魯藏布江縫合帶Fig.1 Tectonic framework of the Tibetan Plateau showing the distribution of Early Paleozoic igneous rocks

本文在綜述前人研究基礎上,結合近年來1∶5萬區域地質調查取得的研究進展,歸納和總結了藏北羌塘地區早古生代巖漿作用(不包含早古生代蛇綠巖)的產物及其形成期次,初步探討了羌塘早古生代構造-巖漿演化及其地質意義。

1 早古生代巖漿巖組合及產狀

羌塘中部早古生代巖漿巖主要分布在都古爾、戈木日、日灣茶卡、黑白嶺(圖2)和本松錯等地區,其中以都古爾和戈木日地區最為發育,巖體規模較大,巖石組合復雜,目前研究程度最高。

都古爾地區出露的巖石類型主要包括變質輝長巖、變質玄武巖、安山巖、花崗片麻巖等(Hu et al.,2015;Liu et al.,2016,2018,2019;Wang et al.,2020b)。變質輝長巖出露于都古爾以南,規模較小,侵位于前奧陶系云母石英片巖和變質石英砂巖中,中細粒輝長結構,塊狀構造,經歷了后期綠片巖相的改造。變質玄武巖和安山巖出露于都古爾南,面積均較小,與圍巖前奧陶系變質砂巖接觸關系不清,均經歷了綠片巖相改造。花崗質片麻巖在都古爾地區廣泛發育,呈巖基狀,與圍巖呈侵入接觸或構造接觸,變形強,局部發育韌性變形帶,主要巖性包括條帶狀花崗片麻巖、眼球狀花崗片麻巖、片麻狀花崗巖、花崗質糜棱巖。

戈木日地區以發育花崗片麻巖和花崗巖為主(Hu et al.,2015;Wang et al.,2020a,b),巖體規模較大,呈巖基狀,巖性主要包括新鮮花崗巖、弱變形花崗巖、眼球狀花崗巖、花崗質糜棱巖等,局部發生了強烈的韌性變形,片麻理發育,礦物定向明顯,鉀長石斑晶受后期韌性剪切作用呈眼球狀,圍巖主要為前奧陶系變質碎屑巖。

本松錯花崗巖體位于本松錯以北3 km,變形較強,巖性主要為花崗巖和眼球狀花崗巖,發生了較明顯的變形作用而呈現出片麻狀構造,圍巖為前奧陶紀變質碎屑巖,被晚三疊世花崗巖侵入。巖相學研究表明本松錯地區的早奧陶世花崗巖為堿長花崗巖(彭智敏等,2014;Hu et al.,2015)。

日灣茶卡地區發育規模較大的中—晚奧陶世雙峰式火山巖(解超明等,2015),主要出露在日灣茶卡以北的月亮湖、黑白嶺地區(圖2)。巖石組合主要為變質玄武巖和變質流紋巖,近東西向條帶狀呈夾層產于中—上奧陶統達瓦山組之中,巖石經歷了低綠片巖相變質作用,變形較為強烈。圍巖主要為變質石英砂巖、長石石英雜砂巖、石英雜砂巖、千枚巖與薄層變質砂巖等典型的深水復理石沉積(Xie et al.,2017)。

圖2 青藏高原羌塘中部都古爾、戈木日、月亮湖及黑白嶺地區早古生代巖漿巖地質圖數據來源于表1中參考文獻Fig.2 Geological map showing the distribution of the Early Palaeozoic magmatic rocks in Duguer,Gemuri,Yuelianghu and Heibailing area,central Qiangtang,Tibet

2 早古生代巖漿巖年代學格架與鋯石Hf同位素特征

前人已對羌塘地區早古生代巖漿巖做了大量的鋯石年代學工作(表1)。本文通過對羌塘地區已獲得的早古生代巖漿鋯石(1100點)統計分析,在都古爾地區已經獲得的521顆鋯石U-Pb定年結果顯示,巖漿鋯石的年齡峰值集中分布于～476 Ma(圖3a);戈木日地區獲得了162顆巖漿鋯石,鋯石U-Pb年齡出現多期年齡峰值,分別為～435 Ma、～456 Ma、～485 Ma(圖3b);本松錯地區獲得74顆巖漿鋯石,鋯石U-Pb年齡出現～457 Ma和～483 Ma兩期年齡峰值(圖3c);月亮湖及黑白嶺地區的變質火山巖中獲得60顆巖漿鋯石,年齡峰值集中在464 Ma(圖3d)。綜上所述,羌塘地區早古生代巖漿巖的時代可細分為5期,分別為～500 Ma、～482 Ma、～474 Ma、～455 Ma和～438 Ma(圖4a),其時代整體略晚于青藏高原南部的早古生代花崗巖(劉一鳴,2017;Liu et al.,2020)。

表1 青藏高原羌塘中部早古生代巖漿巖年齡數據統計表Table 1 Summary of age data for the Early Paleozoic magmatic rocks from central Qiangtang

圖3 青藏高原羌塘中部都古爾、戈木日、本松錯以及月亮湖和黑白嶺地區早古生代巖漿巖鋯石U-Pb年齡相對概率圖數據來源于表1中參考文獻Fig.3 Relative probability diagrams of the zircon U-Pb age data for the Early Paleozoic magmatic rocks from Duguer,Gemuri,Yuelianghu and Heibailing areas,central Qiangtang,Tibet

在羌塘中部已經獲得早古生代巖漿鋯石Hf同位素測試點450點,鋯石Hf同位素特征基本一致(圖4b),僅3點的εHf(t)為正,其余447點均為負值,二階段模式年齡均為新元古代以前,遠遠大于鋯石的結晶年齡。反映了這些早古生代巖漿巖具有大致相同的巖漿源區,為羌塘地區基底屬性的研究提供了重要信息。

圖4 羌塘中部早古生代巖漿鋯石U-Pb相對概率圖及εHf(t)-鋯石U-Pb圖解數據來源于表1中參考文獻Fig.4 Diagrams of relative probability andεHf(t)-zircon U-Pb ages of Early Paleozoic magmatic rocks from central Qiangtang

3 早古生代巖漿巖的構造意義

3.1 羌塘基底性質

羌塘是否存在古老結晶基底一直存在著較大分歧(李才,2003;Liu et al.,2016)。一種觀點認為:羌塘地區存在前寒武紀基底(王成善等,2001;黃紀鈞,2001;李永鐵,2001;譚富文等,2008,2009;王劍,2020),并可能存在太古宙陸核(Wang et al.,2001)。認為羌塘盆地基底由元古代變質巖系構成并具雙層結構,其下為結晶“剛性基底”,上部為變質“塑性基底”,“剛性基底”和“塑性基底”之間為角度不整合接觸(王成善等,2001;Wang et al.,2001)。另一種觀點認為羌塘南北具有不同基底,羌南-保山板塊具有岡瓦納型泛非—早古生代結晶基底,羌北具有揚子型晉寧期基底(李才,2003;王鴻禎等,2007)。李才等結合多年野外調查和研究工作,將羌塘中部過去認為的上太古—元古界戈木日群、果干加年山群、瑪依崗日群和阿木崗群解體為晚石炭世—早二疊世和晚三疊世的地層(李才等,2005,2010)。瑪依崗日以南的下古拉地區發現了含化石的早古生代地層,存在早奧陶世阿倫尼克期沉積(李才等,2004;程立人等,2007)。碎屑鋯石研究表明,羌塘地區的淺變質碎屑巖具有親岡瓦納大陸的特征,碎屑鋯石年齡分布可以與安多、滇西怒江、保山以及印度板塊內部和喜馬拉雅造山帶中發育的大量580～470 Ma早古生代花崗質巖石相對比,記錄了岡瓦納大陸北緣泛非運動晚期巖漿活動(DeCelles et al.,2000;Cawood et al.,2007;Pullen et al.,2008;宋述光等,2007;董春燕等,2011)。

本文系統總結了羌塘中部發育的早古生代巖漿巖,在羌塘中部日灣茶卡、都古爾、戈木日以及本松錯地區發育了以輝長巖、玄武巖、安山巖、花崗巖、流紋巖以及花崗片麻巖為主要巖石組合的巖漿記錄,年代學研究結果已經表明,早古生代發生了5期巖漿作用,分別為～500 Ma、～482 Ma、～474 Ma、～455 Ma和～438 Ma。結合前人地球化學及同位素的研究(Pullen et al.,2011;Hu et al.,2015;Liu et al.,2016,2018,2019,2020;Xie et al.,2017;Wang et al.,2020a,b),本文初步認為,羌塘中部的早古生代巖漿作用構成了羌南-保山板塊早古生代的結晶基底。

羌北-昌都板塊還未發現確切的古老基底,研究程度依然較低。西昆侖、柴達木等地的前寒武地層與塔里木陸塊具有很好的相似性(陸松年,2001,2004)。1∶25萬地質調查在青海省玉樹地區的長青可、江達、小蘇莽、羅麥等,到巴塘以西的金沙江西岸所出露的中元古界和新元古界(姚宗富,1992;劉世坤,1992),獲得了一批具有晉寧期年齡信息的資料,并指出沿龍木錯—西金烏蘭湖—金沙江—哀牢山一帶斷續出露的元古界地層,基本都屬于揚子古陸的基底,位于揚子古陸西緣的一個活動帶上。這些零星出露的地層應該是揚子板塊晉寧期基底碎塊(潘桂棠等,2004)。在昌都地區寧多巖群變質碎屑巖中發現了3981±9 Ma的碎屑鋯石,2854～3505 Ma碎屑鋯石具有負的εHf(t)值和3784～4316 Ma的兩階段Hf模式年齡,暗示寧多巖群物源區殘留可能有少量更古老(冥古宙)的地殼物質(何世平等,2013;Ding et al.,2015)。青海玉樹縣小蘇莽一帶寧多巖群黑云斜長片麻巖(副變質巖)的最新蝕源區年齡為1044±30 Ma,代表寧多巖群形成時代的下限;侵入寧多巖群的片麻狀黑云母花崗巖(古侵入體)的形成年齡為991 Ma±4 Ma,可代表寧多巖群形成時代的上限。相當于中元古代末—新元古代初(Ding et al.,2015)。上述研究也進一步表明,羌北-昌都板塊應具有揚子板塊晉寧期基底,而與羌南-保山板塊的基底存在著明顯的差異。

3.2 早古生代岡瓦納大陸北緣陸緣性質

目前對岡瓦納大陸北緣早古生代的陸緣性質存在兩種不同的認識,一些學者認為岡瓦納大陸北緣處于活動大陸邊緣環境,早古生代巖漿活動是原特提斯洋沿環岡瓦納大陸北緣新的俯沖作用導致的安第斯型造山事件的產物(Cawood et al.,2007;Zhu et al.,2012;Zhang ZM et al.,2014),青藏高原南部的早古生代巖漿作用與原(古)特提斯洋的俯沖消減作用有關(Hu et al.,2013,2015;Ding et al.,2015;Wang et al.,2020a,b;),并發生了隨后的微陸塊的碰撞拼貼(王曉先等,2011;Zhu et al.,2012)。該觀點的主要依據是這期巖漿事件的時代比典型泛非造山帶年輕30～50 Ma(Cawood et al.,2007),而且基本分布在岡瓦納大陸的北緣,其大地構造位置不在典型泛非造山帶之中。另外,泛非造山運動代表了各地塊之間最終碰撞焊接形成岡瓦納大陸,而不是在岡瓦納大陸北緣。碎屑鋯石資料表明拉薩地塊應起源于澳大利亞北緣(Zhu et al.,2011),這一古地理重建表明早古生代巖漿巖在岡瓦納大陸北緣是廣泛存在的。拉薩地塊上發育的早古生代巖漿巖被解釋為安第斯型巖漿巖(Zhu et al.,2012;Hu et al.,2013;Ding et al.,2015),在現今的喜馬拉雅造山帶中還識別出了同時代的變質和變形記錄(Zhu et al.,2011;許志琴等,2015;Argles et al.,1999;Gehrels et al.,2003,2006a,b)。在羌南-保山和拉薩地塊發現了寒武系和奧陶系之間的不整合(李才等,2010;楊耀等,2014),這些不整合的特征與喜馬拉雅板塊上發育的同時期的不整合相似,表明這一不整合廣泛存在于岡瓦納大陸北緣。

另一些學者認為早古生代巖漿巖可能形成于泛非造山運動之后的后碰撞伸張拆離環境主要證據有:(1)早古生代巖漿作用的同位素年齡相較于岡瓦納大陸內典型的泛非造山帶普遍年輕30～50 Myr,例如東非造山帶為570～520 Ma,Piniarra造山帶為560～520 Ma,Kuunga造山帶為560～520 Ma(Cawood et al.,2007);(2)在原特提斯岡瓦納大陸邊緣缺乏早古生代安第斯型的巖漿作用和變質變形作用;(3)喜馬拉雅板塊上的Mandi玄武巖(496 Ma)形成于板內伸展環境(Miller et al.,2001);(4)拉軌崗日變質核雜巖中花崗片麻巖形成于泛非運動由同碰撞向后碰撞轉化的階段(辜平陽等,2013),都古爾花崗片麻巖具有后碰撞的親緣性(Liu et al.,2016);(5)寒武系和奧陶系之間的角度不整合在羌南、拉薩、喜馬拉雅和保山板塊上廣泛發育(Garzanti et al.,1986;Gehrels et al.,2003,2006a,b;Cawood et al.,2007;李才等,2010),角度不整合的特征顯示其更傾向形成于伸展拆離環境而不是碰撞造山環境(張天羽,2018);(6)龍木錯-雙湖-瀾滄江板塊縫合帶中寒武紀蛇綠巖的發現(吳彥旺,2013;胡培遠等,2014),說明在寒武紀時該洋盆已經在羌南和羌北之間形成,早古生代,羌南-保山板塊是岡瓦納大陸北緣的重要組成部分;(7)通過對早古生代多期巖漿作用形成的鋯石Lu-Hf同位素的分析,主體呈現εHf(t)為負的特征,二階段模式年齡揭示了羌南-保山板塊是以古—中元古代的古老地殼為主。對古老地殼的改造一般主要發生在俯沖增生造山帶和碰撞造山帶的形成過程中。然而,與俯沖有關的巖漿活動,由于洋殼的參與,常常會導致鋯石Hf同位素組成明顯向虧損的地幔狀特征漂移,而且會產生正εHf(t)值。相反,與拆離作用、造山帶塌陷或巖石圈伸展有關的碰撞后巖漿作用導致拆沉的大陸碎塊的熔融,從而驅動εHf(t)呈現負值趨勢(Liu et al.,2019)。大陸地殼的崩塌和最終的裂陷通常伴隨著相對少量的鎂鐵質巖漿作用和地殼生成,這與羌塘中部早古生代的巖漿巖組合相一致。擠壓和伸展之間是相輔相成的,在現今的喜馬拉雅造山帶已得到證實(楊文采等,2019),所以東西岡瓦納大陸之間的泛非期陸陸碰撞造山運動,勢必會引起南北向的伸展運動。因此,羌塘中部的早古生代巖漿巖也可能是在泛非造山運動結束后,發生陸陸碰撞后的伸展構造環境中形成的,甚至是在伸展拉張的裂谷構造環境中形成(Liu et al.,2020)。羌南板塊發育新元古代晚期(548 Ma)的玄武巖(Wang et al.,2015),所以推測在新元古代晚期岡瓦納大陸北緣很可能已經存在伸展運動。伴隨著巖石圈去跟作用,幔源巖漿的上涌導致了巖石圈的部分熔融和相應的巖漿活動(圖5),但這期巖漿活動在岡瓦納大陸北緣相對較少。大規模的伸展拆離事件主要發生在早古生代,主要在羌南、拉薩、喜馬拉雅、保山和貢山板塊上廣泛發育的多期大規模酸性巖漿作用和少量的基性巖漿作用(楊學俊等,2012)。寒武系和奧陶系之間的不整合可能形成于伸展背景下的斷陷盆地中。

圖5 青藏高原南部早古生代構造-巖漿演化模式圖Fig.5 Tectonic-magmatic evolution model of southern Qinghai-Tibet Plateau during the Early Paleozoic

綜上所述,盡管目前已經識別出了青藏高原南部早古生代巖漿巖形成于伸展構造背景,但羌塘中部早古生代巖漿巖形成的伸展構造背景究竟是由于原(古)特提斯洋的俯沖所導致,還是泛非造山運動結束后陸陸碰撞后巖石圈去根作用所導致,目前尚無定論。早古生代岡瓦納大陸北緣性質的研究程度依然很低,還有待尋找更多的地質證據去佐證。

4 結論

(1)藏北羌塘地區早古生代巖漿巖包括變質輝長巖、玄武巖、安山巖、變質流紋巖、花崗巖及花崗片麻巖等。巖漿作用可以劃分為5期,分別為～500 Ma、～482 Ma、～474 Ma、～455 Ma、～438 Ma。

(2)藏北羌塘地區早古生代巖漿巖可能是泛非造山運動結束后,岡瓦納大陸北緣巖石圈伸展減薄的產物,構成了羌南-保山板塊早古生代的結晶基底。

(3)藏北羌塘地區早古生代巖漿巖記錄了岡瓦納大陸北緣形成演化的關鍵信息,多樣的巖石類型和多期次的巖漿作用反映了其形成構造背景的復雜性。隨著對其研究工作的不斷深入,有望獲得岡瓦納大陸北緣陸緣性質及形成演化的關鍵信息。

幾十年來,我們的青藏高原基礎地質研究團隊始終得到潘桂棠先生的關心指導、支持和幫助,我們取得的成果同樣也凝聚著潘先生心血。潘先生八十華誕之際,謹以此文向先生致以衷心的感謝和誠摯的祝福,祝潘先生健康長壽!