阿尔卑斯古近纪火山活动的沉积记录及其地质意义

Sedimentary Records of Volcanic Activity in Paleogene of Alps and Geological Significance

摘要

在始新世中期至渐新世早期，欧洲板块和亚得里亚板块发生碰撞，导致了阿尔卑斯造山带的大规模岩浆活动，由于后期隆升剥蚀无法保存，而弧后盆地中同时期的沉积火山碎屑岩记录了这一构造事件.针对该套沉积火山碎屑岩，开展了地质年代学与地球化学等方面的研究，揭示了阿尔卑斯造山带的火山活动和构造演化特征.研究表明火山碎屑岩中的锆石年龄峰值主要集中在~47 Ma、40 Ma和37 Ma，并且锆石的Hf同位素呈现负值，说明其主要形成于板块俯冲过程中部分地壳熔融的岩浆中.此外，通过对岩浆锆石同位素计算地壳厚度的变化，说明了阿尔卑斯造山带不仅存在由于板块俯冲碰撞引起的地壳垂直挤压增厚，还存在俯冲板片拉伸引起的地壳伸展变薄.

Abstract

During the Middle Eocene to Early Oligocene, the collision between the European and Adriatic plates led to large-scale magmatic activity in the Alpine orogenic belt, and pyroclastic rocks were recorded in the back arc basin. This study focuses on the geochronology and geochemistry of pyroclastic rocks, and reveals the volcanic activity and structural evolution characteristics of the Alpine orogenic belt. The results indicate that the peak ages of zircons in pyroclastic rocks are mainly concentrated at ~47 Ma, 40 Ma, and 37 Ma. The Hf isotopes of zircons show negative values. It indicates that they were mainly formed in magma with partially melted crust during plate subduction. In addition, the crustal thickness was calculated by using magmatic zircon isotopes. It is demonstrated that the Alpine orogenic belt experienced not only vertical crustal compression thickening caused by plate subduction and collision, but also crustal extension thinning caused by plate stretching.

Graphical abstract

关键词

火山碎屑岩 / 岩浆锆石 / U⁃Pb年龄 / Eu值 / 地壳厚度 / 地质年代学 / 地球化学.

Key words

volcanic clastic rock / magmatic zircon / U⁃Pb age / Eu value / crustal thickness / geochronology / geochemistry

0 引言

阿尔卑斯山是欧洲中南部的一个大型造山带（图1），主要由华力西造山旋回的大陆地壳组成（Pfeifer et al.， 1993；Bütler et al.， 2011）.阿尔卑斯山造山带是由亚德里亚板块与欧洲板块碰撞隆升形成（Pfiffner， 2014），因此成为研究陆陆板块碰撞演化的理想实验室.为了明确阿尔卑斯山造山带的形成时代，前人对北侧的前陆盆地进行了详细分析（Winkler， 1993；米建红和柳梅青，1996；Sinclair et al.， 1998）.前人研究认为，板块俯冲碰撞起始于晚白垩世（~65 Ma），并持续到渐新世（~28 Ma）（Ford et al.， 2004；Handy et al.， 2010）.

阿尔卑斯造山带在古近纪经历了连续的板块俯冲碰撞作用，在板块碰撞过程中是否经历了短暂的拉伸作用，一直是备受关注的科学问题（彭希龄等，2006；李江海等，2013）.部分学者认为在38~ 34 Ma左右，南北向（垂直造山带）碰撞导致岩石圈规模的逆冲叠瓦作用，形成了中高压和超高压矿物组合，构造模式转换大约发生在34 Ma，标志着东西向伸展的开始（Beltrandoet al.， 2010）.在此次拉伸过程中，阿尔卑斯造山带内的地壳总体呈东西向拉伸，导致其厚度变薄.而其他学者则认为，在始新世早期，特提斯洋壳开始以低角度俯冲到亚德里亚板块之下，导致上覆板块变形增厚（Bergomi et al.， 2015）；在始新世末期，俯冲板块开始拉伸与后撤，导致了俯冲极性的反转；在渐新世时期，俯冲板片的断裂和沉降导致了深部岩浆的上侵，从而引发了同碰撞过程中的火山活动（Neubauer et al.， 1993）.

阿尔卑斯造山带南北两侧逆冲带的不对称发育，导致了北侧较宽的前陆盆地和南侧较窄的弧后盆地（许靖华和何起祥，1980；雍自权和邓宾，2018）.阿尔卑斯造山带的火山活动记录保存在两侧盆地的同沉积火山碎屑岩中.在北侧Taveyannaz组的浊积沉积物中，发现了大量火山碎屑物质（Lu et al.， 2018）.而在南侧，对该火山碎屑沉积物的研究则非常缺乏.为了更精确地厘定阿尔卑斯造山带火山活动的时代，本次研究采集并分析了南弧后盆地的火山碎屑岩样品，以期对阿尔卑斯造山带火山活动及其地质意义进行更深入的分析.

1 区域地质背景

阿尔卑斯山南弧后盆地古近系沉积环境为浅海至半深海相（Martin et al.， 2014）.古近系地层中沉积火山碎屑岩厚度约为数十厘米，不规则地嵌入泥灰岩中.根据浮游生物和有孔虫的组合特征，推断该地层的沉积时代为始新世时期（Martin et al.， 2014）.根据岩石学、地球化学和地质年代学数据，火山碎屑物质主要来源于Adamello岩浆侵入体（Lu et al.， 2018）.Adamello岩浆侵入体是阿尔卑斯造山带最大的侵入岩（Schaltegger， 1993）.侵入体内部被数个喷发后期形成的断裂带分割，岩浆上侵发生于始新世晚期至渐新世早期（Schaltegger et al.， 2019）.侵入体从东北到西南细分为4个单元：Presanella、Avio、Adamello和Re di Castello.这4个侵入岩体形成时代较长，整体跨度约为13 Ma，呈现出从南向北依次侵入的过程.从西南部最古老的侵入岩体（~42 Ma；Re di Castello）到东北部最年轻的侵入岩体（~29 Ma；Presanella，Avio单元）.侵入体周围众多侵入岩墙的年龄数据，也证明了阿尔卑斯山古近系发生了多期次的火山活动（Bergomi et al.， 2015）.

2 地层特征

2.1　剖面特征

阿尔卑斯山南弧后盆地古近系Ponte Pià组，主要由层状灰岩、薄层火山碎屑岩和生物扰动的泥灰岩组成，其厚度最大约为200 m.根据生物地层时代，Ponte Pià组主要沉积于始新世时期（Martin et al.， 2014），地层岩性为浅灰色灰岩为主（厚10~25 cm），其厚度向上逐渐增大到数米.Ponte Pià组发育数套厚度不等（厘米到米级）的沉积火山碎屑岩层，成分主要为安山质火山碎屑.地层具有明显的沉积突变界面（从火山碎屑岩到灰岩），生物扰动痕迹较常见.

南弧后盆地古近系Ponte Pià组有3个典型的剖面（图2）：Lago di Molveno剖面发育了两套沉积火山碎屑岩，其下部厚度较大，上部相对较薄. Ponte Pià剖面发育了数套薄层的沉积火山碎屑岩层，具有明显的岩性突变，见泥质撕裂屑与生物扰动特征.Rio Pongaiola剖面发育了多套层状灰岩与沉积火山碎屑岩互层，推测为高频次的火山活动事件.

2.2　岩石学特征

沉积火山碎屑岩呈深绿色，含灰色和黑色矿物，呈颗粒支撑，分选较差，颗粒呈棱角状，从细粒到中粒不等.沉积火山碎屑岩的主要组分是斜长石（50%~70%），颗粒内部呈环带状，推测其母岩主要来自安山岩，同时还发现了有孔虫的碎屑、带状黑云母、不透明矿物和泥屑.沉积火山碎屑岩中的石英颗粒较少，主要为火山玻屑.样品12RZ01含有大量风化严重的半自形斜长石，其粒径约为0.05~0.1 mm.斜长石部分转化为绿泥石，部分被方解石交代，样品呈颗粒支撑、分选较差，呈次圆状（图3a、3b）.样品12RZ04几乎全为斜长石，其粒径约为0.1~ 0.2 mm，以泥质胶结为主（图3c、3d），黑云母和绿泥石较少，部分斜长石内部被方解石交代，具有颗粒支撑的结构，分选较差且呈次棱角状.样品12RZ05主要由斜长石和绿泥石组成，粒径约为0.1~0.15 mm（图3e、3f）；样品中绿泥石含量较高，主要由斜长石和角闪石蚀变而成；样品中石英含量极少，呈颗粒支撑、次棱角状，且分选较差.

3 测试方法

3.1　样品采集

样品12RZ01⁃03采自Lago di Molveno剖面，坐标为46°07'50.52"N、10°58'21.39"E；样品12RZ04采自Ponte Pià剖面，坐标为46°02'45.79"N、 10°50'54.42"E；样品12RZ05采自Rio Pongaiola剖面，坐标为46°16'21.58"N、11°03'56.79"E，岩石基本无蚀变或弱蚀变，岩性均为沉积火山碎屑岩.

3.2　重矿物分析

首先将样品切割成小块，再通过SelFrag仪器（高压脉冲粉碎）将其破碎成细小颗粒，并筛选出粒径>0.063 mm的颗粒，烘干后再筛选出粒径<2 mm的部分进行重矿物分选；通过Frantz磁选机分离出磁性矿物与非磁性矿物，再利用碘甲烷（d=3.32 g/cm³）进行重液分选.最后，对选出的重矿物并进行镜下鉴定.

3.3　锆石年龄测定

在显微镜下随机挑选锆石颗粒并制成靶样，然后通过阴极发光成像检查锆石颗粒内部环带特征并判断其成因.锆石的激光剥蚀U⁃Pb定年是在苏黎世联邦理工大学同位素年代学实验室完成，激光直径为30 µm，使用Excimer激光器（ArF 193 nm，分辨率155）与Thermo Element XR高精度扇形场质谱仪（Guillong et al.， 2014）.激光脉冲频率为5 Hz，能量密度约为2.0 J/cm².背景时间为 25 s，剥蚀持续时间为35 s.外部标样包括AUSZ7⁃5、Plesovice、Temora2、91500、NIST610.主要参考标准为GJ⁃1，内部标样为NIST610.使用IOLITE 2.5计算比率、年龄和元素浓度.利用ISOPLOT 4.0处理计算的同位素比率和年龄，并制作U⁃Pb年龄分布图.本次研究只选取了协和年龄进行分析（协和度90%~110%）.之后使用Nu3 MC⁃ICP⁃MS质谱仪进行原位Hf同位素分析.激光光斑尺寸为40 µm，激光脉冲频率为5 Hz.背景时间为 30 s，剥蚀持续时间为60 s.为了校正¹⁷⁶Hf上的等压干扰，使用¹⁷³Yb/¹⁷⁶Yb=0.796 18和¹⁷⁵Lu^/176Lu=0.026 549.通过表征良好的Temora⁃2来监测所获得数据的准确性和精确度，数据误差为2σ.

4 分析结果

4.1　重矿物分析

对重矿物的分析表明，样品12RZ01中不透明矿物占48%，磷灰石含量占25%，锆石和黑云母各占10%，其他包括石榴石和角闪石等.样品12RZ03中不透明矿物占31%，磷灰石含量占50%，锆石占12%，其他包括石榴石、黑云母和角闪石等.样品12RZ04中不透明矿物占30%，磷灰石含量占19%，重晶石含量占44%，其他包括锆石和黑云母等.样品12RZ05中不透明矿物占31%，磷灰石含量占15%，重晶石含量占30%，锆石和黑云母各占12%（图4）.样品属于典型的火山碎屑岩，其中最常见的重矿物是磷灰石、重晶石、锆石、黑云母和不透明颗粒，大多数锆石颗粒呈透明状，自形且晶形完整，磷灰石在Lago di Molveno剖面较常见，重晶石在 Ponte Pià与Rio Pongaiola剖面较常见，其主要形成于浅海沉积环境中；其他重矿物包括石榴石、黑云母、角闪石等，其母岩主要来自火成岩.

4.2　岩浆锆石测年

通过阴极发光照片分析，火山碎屑岩中的锆石主要是晶形较完整的长柱状颗粒，极少发现磨圆状或未分带的颗粒（图5）.绝大多数锆石颗粒发育良好的振荡环带和继承性内核，这些内部特征表明其为岩浆锆石（Rubatto et al.， 2000；刘佩雯等，2023）.

火山碎屑岩中岩浆锆石（约200颗粒）的年龄范围从~48 Ma到~33 Ma.5个样品的岩浆锆石加权平均年龄集中在~47 Ma、40 Ma和37 Ma（图6）.其中，Rio Pongaiola剖面样品12RZ05的锆石年龄范围为43.4~48.2 Ma，Ponte Pià剖面样品12RZ04的锆石年龄在38.5~42.1 Ma之间，Lago di Molveno剖面的3个样品的锆石年龄组相似，范围为39~33 Ma.

4.3　锆石Hf与Eu同位素

在测试完锆石U⁃Pb年龄后，对样品12RZ03、12RZ04、12RZ05测量了¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值和δEu值（Eu_N/Eu^*=Eu×2/（Sm+Gd）；陈德潜和陈刚，1990）.ε_Hf（t）值记录了锆石结晶时岩浆的来源及地壳的混染程度（Hawkesworth et al.， 2006），而δEu代表了岩浆来源多样性的衡量标准，例如锆石结晶前岩浆中斜长石的含量.

样品12RZ05的锆石ε_Hf（t）值为负值（-2.9至-0.1，图7a），样品12RZ04和样品12RZ03的ε_Hf（t）值也为负值（-4.6至-1.7），这与Adamello侵入体的3个单元（Avio、Western Adamello、Re di Castello）的值一致；而且测试数据也表明ε_Hf（t）值随锆石年龄的减小而降低.岩浆锆石的δEu值范围为0.2~0.6（图7b），除了样品12RZ05，其余样品的δEu值也与Adamello侵入体的范围重叠.此外，样品中δEu值的变化趋势也随锆石年龄的减小而降低.

4.4　地壳厚度恢复

前人提出岩体全岩成份（La/Yb）_N与地壳厚度的拟合关系（Profeta et al.， 2015；雷豪等，2021）：（La/Yb）_N=（0.98±0.19）×e^{（0.047±0.005）×dm}，其中d_m为地壳厚度；（La/Yb）_N为球粒陨石均一化后的比值.有学者认为全岩成份（La/Yb）_N与岩石中锆石的Eu/Eu^*同样存在联系（Tang et al.， 2021b），进而提出锆石中Eu/Eu^*与地壳厚度之间的拟合关系：Z=（84.2±9.2）×Eu/Eu^*+（24.5±3.3），Z为地壳厚度（km）.该方法需要对La>1×10^-6、Th/U<0.1、全岩SiO₂>75%或S型花岗岩等不符合要求的锆石予以剔除（Zhu et al.， 2020；Tang et al.， 2021a）.本次研究针对符合上述要求的岩浆锆石数据，估算得到从始新世到渐新世每百万年（1 Ma）的地壳厚度（图8）.前人研究认为，阿尔卑斯造山带在始新世时期经历了一次明显的地壳减薄过程（Beltrando et al.， 2010）；通过计算得出，研究区在36 Ma时，地壳厚度从~60 km减薄至~45 km，并持续到32 Ma.这一地壳厚度减薄过程说明了阿尔卑斯造山带在36~32 Ma期间存在与伸展作用有关的岩浆活动.

5 讨论

5.1　阿尔卑斯造山带的火山活动

阿尔卑斯造山带古近纪的火山活动记录在同时期的沉积火山碎屑岩中.沉积火山碎屑岩包含大量蚀变的斜长石，大多数是钠长石或拉长石，颗粒边缘强烈绿泥石化.由于斜长石的分带性，部分颗粒内部被方解石交代，少数颗粒状方解石可能是成岩阶段形成的，由富钙的斜长石颗粒蚀变而成，这种现象在中性岩浆岩中较为常见，分析其母岩主要为安山质火成岩.尽管本次研究获得的岩浆锆石年龄数据有限，但它证明了阿尔卑斯造山带火山活动的起始时代，比之前认为的32 Ma提前了16 Ma.在48~33 Ma之间，阿尔卑斯南弧后盆地发育了安山质沉积火山碎屑岩，其火山碎屑主要来源于Adamello地区的岩浆活动.盆内沉积物从海相灰岩到火山碎屑岩的交替沉积，表明该地区火山活动频繁.火山碎屑岩中未发现年龄更老的碎屑锆石，表明该时期阿尔卑斯造山带的古老基底尚未抬升与剥蚀.

5.2　火山活动对板块碰撞的指示意义

前人提出过阿尔卑斯造山带同碰撞岩浆作用的构造演化模式（Von Blanckenburg和王强， 1996），认为在大陆碰撞期间俯冲的大洋岩石圈发生板片脱落，在浮力驱动下同一起俯冲的较轻大陆岩石圈拆离.阿尔卑斯造山带的火山活动是在洋壳板块俯冲导致特提斯洋盆封闭之后发生的，主要发生在始新世到渐新世期间（Schaltegger et al.， 2019）.结合前人研究成果，本次研究表明阿尔卑斯南弧后盆地的岩浆锆石形成于板块俯冲碰撞过程，其形成时代为48~30 Ma；同时，岩浆锆石中的Hf同位素呈负值，表明岩浆活动中包含了地壳物质的参与，即地幔岩浆的上涌过程伴随着下地壳的部分熔融（蔺新望等，2023）.通过Eu/Eu^*经验公式计算，阿尔卑斯造山带地壳的初始厚度为55~65 km，在40~34 Ma期间发生了俯冲板片拉伸，导致了构造水平伸展，深部岩浆进一步上侵，与地壳物质混染并结晶分异，该时期的地壳厚度为40~50 km；到34~29 Ma期间，由于俯冲板片脱落，在地壳受热弱化处形成岩浆活动断裂带，该时期的地壳厚度为45~55 km.上述数据精确地约束了阿尔卑斯造山带古近系岩浆活动的演化过程，也验证了阿尔卑斯造山带不仅存在俯冲碰撞导致的垂向挤压增厚，也存在俯冲板片拉伸导致的水平伸展变薄（图9）.

6 结论

本次研究致力于长期争论的阿尔卑斯造山带火山活动问题，通过岩石学分析、岩浆锆石U⁃Pb年龄及同位素数据的分析，推断从始新世至渐新世，欧洲板块和亚得里亚板块的碰撞引发了阿尔卑斯造山带的火山活动，而南弧后盆地的火山碎屑岩限定了这一岩浆事件的持续时间.通过岩浆锆石同位素的推算，发现阿尔卑斯造山带的地壳厚度伴随着火山活动与板块碰撞发生了减薄与增厚.

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基金资助

山东省自然科学基金项目(ZR2022MD117)

留学基金委项目(201406400047)