藏北中仓地区晚白垩世岩浆岩成因及其对高原早期隆升的指示

Petrogenesis of Late Cretaceous magmatic rocks in the Zhongcang area of northern Tibet and their implications for early uplift of the plateau

摘要

青藏高原中部白垩纪晚期爆发了大规模的岩浆活动,并伴随着快速的地表隆升,然而其深部动力学机制一直存有较大的争议。本文对藏北中仓地区发育的闪长玢岩和英安岩开展了锆石U-Pb定年、全岩主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素分析研究,以期为区域构造—岩浆演化提供新的约束。锆石U-Pb定年结果表明闪长玢岩和英安岩均形成于晚白垩世(90~85 Ma),其中闪长玢岩具有高Sr含量、低Y含量和高Sr/Y值的特点,显示与埃达克岩的亲缘性,结合其较高的Mg^#,研究认为是增厚榴辉岩相下地壳熔体混染地幔物质的产物。英安岩地球化学和同位素特征与闪长玢岩相似,反映了相同的岩浆源区,然而其强烈亏损Rb、Ba和Sr等易蚀变元素表明成岩后期经历了强烈蚀变作用。结合区域上同时期富Mg埃达克质岩浆爆发和大规模磨拉石沉积,本文认为青藏高原中部晚白垩世构造—岩浆活动形成于班公湖—怒江缝合带碰撞后增厚下地壳拆沉过程,而深部拆沉同时触发了地表快速抬升,并由此形成了白垩纪古高原,为现代高原的形成奠定了基础。

Abstract

During the late Cretaceous, extensive magmatic activity erupted in the central Tibetan Plateau, accompanied by rapid surface uplift. However, the deep dynamical mechanisms behind this phenomenon have been a subject of considerable debate. This study conducts U-Pb zircon dating, as well as analyses of whole-rock major and trace elements and Sr-Nd-Hf isotopes on the diorite and rhyolite developed in the Zhongcang area of northern Tibet, aiming to provide new constraints on regional tectonic-magmatic evolution. The U-Pb zircon dating results indicate that both the diorite and rhyolite formed in the Late Cretaceous (90—85 Ma). The geochemical characteristics of the diorite show high Sr, low Y content, and high Sr/Y ratios, indicating an affinity to adakite. Combined with its high Mg^#, it is proposed to be a product of the mixing of underplated eclogite-facies lower crustal melts with mantle materials. The geochemical and isotopic characteristics of the rhyolite are similar to those of the diorite, reflecting a common magmatic source. However, its significant depletion in Rb, Ba, Sr, and other easily altered elements suggests it underwent intense alteration during the late diagenesis. Coupled with the contemporaneous eruption of high-Mg adakitic magma and large-scale molasse deposition in the region, this study posits that the tectonic-magmatic activity in the central Tibetan Plateau during the Late Cretaceous was a result of the thickening and detachment of the lower crust following the collision of the Bangong Lake—Nujiang suture zone. This deep detachment simultaneously triggered rapid surface uplift, forming a Cretaceous paleo-plateau and laying the foundation for the modern plateau’s formation.

关键词

班公湖—怒江缝合带 / 晚白垩世 / 岩石成因 / 拆沉作用 / 高原隆升

Key words

Bangong Lake—Nujiang suture zone / Late Cretaceous / rock genesis / detachment / plateau uplift

0 引言

班公湖—怒江缝合带(以下简称班—怒带)横亘于青藏高原中部,夹持于拉萨地块与羌塘地块之间并构成二者的界线,是班公湖—怒江洋(以下简称班—怒洋)俯冲闭合的遗迹^[1⇓-3]。近年来,越来越多的研究表明,受拉萨—羌塘地块陆陆碰撞过程的影响,在新生代印度—欧亚板块碰撞前,青藏高原中北部已经发生了显著的构造抬升,并由此形成了一个整体沿班—怒带近东西向发育的古高原^[4⇓-6]。早期的研究通过区域地层沉积时代和构造变形特征提出古高原形成于白垩纪早期,且已达到4 km的古海拔高度^[5];而最近通过区域磨拉石沉积和低温年代学资料的研究,提出古高原快速的地表抬升和剥蚀沉积事件主要发生于白垩纪晚期^[6⇓⇓-9];此外,拉萨—羌塘地块碰撞过程中的同碰撞构造缩短、碰撞后板片断离、增厚岩石圈拆沉等不同的深部动力学演化模式也相继被提出来用于解释古高原快速隆升的机制^[5-6,10]。可以看出,关于该古高原的形成时限、地形格架、隆升动力学机制等关键科学问题一直存有较大的争议,亟待进一步研究。

近年来,不同的学者先后对班—怒带上及其两侧发育的岩浆岩开展了大量的年代学和地球化学的研究工作,现有资料表明青藏高原中部大规模发育的白垩纪晚期岩浆岩普遍具有高Sr、低Y元素含量和高Sr/Y、(La/Yb)_N值的特征,显示与埃达克岩的地球化学亲缘性^[6,11⇓-13]。值得注意的是,该期高Sr/Y岩浆活动显示与区域磨拉石沉积相一致的时空分布特征,显示出与古高原隆升事件密切的成因联系,为反演古高原的隆升提供了理想的研究对象。因此,结合现有的埃达克质岩石研究进展,识别具有埃达克质特征的岩石,准确限定其岩石成因与成岩深部动力学过程,进一步建立其与区域抬升过程之间的成因联系,无疑对认识古高原的形成演化史具有重要的指示意义。

受班—怒洋俯冲和随后拉萨—羌塘地块碰撞过程的影响,在青藏高原中部爆发了多期次大规模的岩浆活动,为揭示青藏高原中部构造演化提供了理想的研究素材,其中白垩纪晚期岩浆岩广泛出露于班—怒带上及其两侧,一直是众多学者关注的热点研究对象^[2-3,6]。在野外地质进行详细调查的基础上,本文对中仓地区出露的晚白垩世闪长玢岩和英安岩进行了系统的地质年代学、地球化学和同位素等室内测试分析工作,进一步结合已有的研究成果,以期查明区域晚白垩世岩浆岩的成因,探讨其形成的深部地球动力学机制,进一步约束古高原的形成演化过程,为青藏高原中生代构造演化过程提供新的约束。

1 地质概况与岩相学特征

青藏高原的形成经历了多个地块的碰撞、拼合过程,是多期次大洋俯冲、大陆碰撞的产物。青藏高原由南至北依次被多个近东西向延伸的板块缝合带划分为喜马拉雅、拉萨、羌塘、松潘—甘孜和昆仑—柴达木等多个次级地块。其中拉萨地块位于班—怒带和雅鲁藏布江缝合带之间,被狮泉河—纳木错混杂岩带和洛巴堆—米拉山断裂带划分为南拉萨、中拉萨和北拉萨地块^[2]。研究区中仓地区位于班—怒带中段的尼玛县境内(图1),大地构造位置处于狮泉河—纳木错混杂带之上,区内构造、岩浆和地层复杂,是探讨区域构造演化的理想窗口。

中仓地区断裂构造以近东西向为主,地层主要发育有上三叠统巫嘎组(T₃w)、侏罗系木嘎岗日岩组(JM)、下白垩统朗山组(K₁l)、下白垩统去申拉组(K₁q)、上白垩统竟柱山组(K₂j)和渐新统康托组(E₃k)。岩浆岩在区内出露范围较广。其中,火山岩以去申拉组中酸性火山岩为主,发育于研究区东北侧,少量英安岩出露于研究区东南侧;而侵入岩以研究区中部出露的花岗质岩体和东南侧的闪长玢岩岩株为主。本次研究以中仓地区东南侧发育的闪长玢岩和英安岩为主体,共采集年代学样品5件、地球化学样品21件开展研究工作。闪长玢岩体和英安岩出露于中仓乡政府所在地南约300 m。其中闪长玢岩呈孤岛状岩株侵位于朗山组灰岩之中,发育柱状节理;而英安岩呈喷发不整合覆盖于中仓蛇绿混杂岩和朗山组灰岩之上,整体经历了一定程度的构造破碎与蚀变作用。代表性样品的岩石矿物学特征描述如下。

闪长玢岩:破碎蚀变作用较弱,岩石手标本为灰白色,块状构造,斑状结构,基质为隐晶质结构(图2a)。矿物成分主要为斜长石(25%)、钾长石(5%)和角闪石(10%)。斜长石为自形或半自形板状晶体,粒度在1.0~2.0 mm之间,发育聚片双晶和环带结构,部分晶体表面发生绢云母化(图2b)。角闪石斑晶为自形柱状晶体,粒度在1.0~1.5 mm之间。基质含量约占岩石总量的60%左右,由微粒斜长石和角闪石及少量金属矿物组成。

英安岩:破碎蚀变作用较为强烈,岩石手标本呈土黄色,块状构造(图2c),斑状结构(图2d),斑晶由少量斜长石组成。长石斑晶以自形板状为主,长轴粒径一般在0.5~1.5 mm之间,含量大约占岩石总体的5%左右。基质含量大约占90%,由显微晶质长英质成分组成,局部见隐晶质长英质球粒。

2 分析方法

样品锆石分选在河北省区域地质调查所实验室完成,锆石制靶在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心完成,锆石U-Pb同位素定年在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心和武汉上谱分析科技有限责任公司利用LA-ICP-MS进行。采用的ICP-MS型号前者为Agilent 7500a型而后者为Agilent 7700e型,U-Pb同位素定年处理过程中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正,以及元素含量、U-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal完成^[14-15]。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot/Ex_ver3完成^[16]。

地球化学样品具体元素含量的测试分析在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心完成。主量元素分析测试仪器为PS-950等离子体光谱仪;微量元素分析采用ICP-MS法测试,利用Agilent 7500a完成分析工作。详细仪器操作条件和分析方法可参照文献[17]。全岩Sr-Nd同位素测试分析在武汉上谱分析科技有限责任公司采用MC-ICP-MS方法通过Neptune Plus(Thermo Fisher Scientific,德国)完成。锆石原位Lu-Hf同位素分析测试分别在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室和武汉上谱分析科技有限责任公司利用MC-ICP-MS方法采用Neptune Plus(Thermo Fisher Scientific,德国)来完成,搭载的激光剥蚀系统分别为GeoLas 2005(Lambda Physik,德国)和Geolas HD(Coherent,德国)。详细仪器操作条件和分析方法可参照文献[18]。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb定年

本次共在中仓地区采集2件闪长玢岩和3件英安岩测年样品进行室内锆石U-Pb同位素定年测试分析工作。测试数据见表1。

闪长玢岩锆石多为短柱状或椭圆状,长100~150 μm,长宽比介于1∶1~2∶1,阴极发光图像(CL)显示了清晰的岩浆成因振荡环带,部分锆石发育明显的核边结构,整体显示典型岩浆锆石特征。Q17T6样品中18个测点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为91~83 Ma,在置信度为95%时的加权平均年龄为(88.2±1.4) Ma(MSWD=2.3)(图3a);DCT4样品中5个测点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为94~83 Ma,在置信度为95%时的加权平均年龄为(90.4±4.6) Ma (MSWD=2.7)(图3b)。

英安岩锆石均为短柱状,长100~200 μm,长宽比介于1∶1~2∶1,阴极发光图像(CL)显示了清晰的岩浆成因振荡环带,部分锆石同样发育明显的核边结构,具有典型岩浆锆石特征。DCT14样品中8个测点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为96~85 Ma,在置信度为95%时的加权平均年龄为(89.5±2.3) Ma(MSWD=2.6)(图3c);DCT25样品中10个测点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为97~86 Ma,在置信度为95%时的加权平均年龄为(90.7±2.1) Ma(MSWD=6.9)(图3d);18T22样品中10个测点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为87~84 Ma,在置信度为95%时的加权平均年龄为(85.7±1.2) Ma(MSWD=0.28)(图3e)。

值得注意的是,两类岩石样品中均含有大量古老的再循环锆石,同时这些古老的锆石整体发育年轻的增生边。

3.2 全岩地球化学

本次共采集10件闪长玢岩和11件英安岩样品进行全岩主、微量元素地球化学组分含量分析。测试分析结果见表2。

闪长玢岩样品SiO₂含量为61.5%~63.5%,K₂O含量为0.84%~1.01%,Na₂O含量为5.00%~6.24%,Al₂O₃含量为16.3%~20.2%,MgO含量为2.18%~2.49%。在岩石类型判别图解中,样品整体显示钙碱性岩石的地球化学特征(图4a^[19], b^[20])。此外,闪长玢岩微量元素含量具有高Sr((419~497)×10^-6)、低Yb((1.07~1.23)×10^-6)含量的特征,并具有高的Sr/Y值(36~42),显示与埃达克质岩石的地球化学亲缘性(图4c, d^[21]),整体与中、北拉萨地块上同时期发育的岩浆岩地球化学组成相似^{[22⇓⇓-25]}。闪长玢岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(图5a)呈轻稀土弱富集、重稀土亏损的平缓右倾模式,(La/Yb)_N=4.47~5.02,Eu呈弱负异常(Eu/Eu^*=0.95~0.99)。原始地幔标准化蛛网图(图5b)显示高场强元素Nb、Ta和Ti的亏损及大离子亲石元素Pb和Sr的富集。

英安岩样品SiO₂含量为66.6%~74.3%,Al₂O₃含量为11.8%~17.1%,MgO含量为0.08%~0.13%,Na₂O含量为0.01%~0.06%,K₂O含量为0.02%~0.07%,TiO₂含量为0.46%~0.53%,同样显示钙碱性岩石的地球化学特征(图4a,b)。

英安岩球粒陨石标准化稀土配分曲线(图5a)呈轻稀土弱富集的右倾形式,(La/Yb)_N=4.69~5.34,具有Eu弱负异常(Eu/Eu^*=0.70~0.89)。原始地幔标准化图整体与闪长玢岩相似,但是具有明显的Rb、Ba和Sr等元素的亏损(图5b)。

3.3 Sr-Nd-Hf同位素

本次对3件闪长玢岩样品进行了全岩Sr-Nd同位素组成测试分析工作。测试结果见表3和图6。

⁸⁷Sr/⁸⁶Sr测试值介于0.704 96~0.705 04之间,¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd值介于0.512 59~0.512 60之间。利用前文获得的闪长玢岩最年轻锆石的加权平均年龄90 Ma计算Sr和Nd同位素初始比值,结果显示,(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i =0.704 65~0.704 81,ε_Nd(t)=-0.92~-0.02,对应的Nd同位素二阶段模式年龄T_DM2集中在910~890 Ma。

此外,在锆石U-Pb定年的基础上,本次对闪长玢岩和英安岩中锆石开展了原位Lu-Hf同位素测试。分析结果见表4和图7。测试结果表明样品中锆石的Hf同位素组成整体显示出较大的变化范围,反映了岩浆源区物质组成的不均一性。

4 讨论

4.1 构造背景

受班—怒带复杂构造演化过程的影响,在青藏高原中部发生了大规模的岩浆活动,生成的这些不同时期的岩浆岩呈带状广泛出露于班—怒带上及其两侧,为反演班—怒带构造演化史、揭示青藏高原早期形成和演化过程提供了理想的研究对象^[2-3,6]。近年来,大量研究资料报道了班—怒带的岩浆、构造和地层,使得班—怒带的构造演化过程逐渐清晰,研究表明班—怒带所代表的班—怒洋打开时间不晚于三叠纪^[27-28],并于侏罗纪早期开始俯冲消减^[29⇓-31]。然而,对于班—怒洋闭合和拉萨—羌塘地块陆陆碰撞的时限一直以来存有较大的争议^[2,5,32-33]。

近年来,不同学者对青藏高原中部地层沉积环境与物源区特征开展了大量的研究工作,为准确约束班—怒洋闭合时限提供了新的启示。研究发现区域上广泛发育的上白垩统多尼组整体具有陆相红层的特征,是区域沉积环境由海转陆的重要标志,而地层中火山岩夹层的高精度锆石U-Pb定年限定其沉积时代为早白垩世晚期(约115 Ma)^[34-35]。此外,对区域沉积物源区特征的研究则指示拉萨地块与羌塘地块之间的陆陆碰撞过程应该发生于晚侏罗世至早白垩世早期^[36-37]。不仅如此,古地磁的研究同样显示拉萨地块与羌塘地块在侏罗纪与白垩纪之交已经处于相同的纬度^[38]。综合以上研究资料,班—怒洋闭合和初始拉萨—羌塘地块陆陆碰撞过程不晚于白垩纪早期,而白垩纪晚期区域应处于碰撞后构造环境。晚白垩世,青藏高原中部广泛发育的陆相磨拉石沉积指示着班—怒带开启了碰撞后造山垮塌过程^[7,39-40],而晚白垩世岩浆岩中双峰式岩浆岩、板内基性岩浆活动和A型花岗质岩石的识别^{[41⇓⇓⇓-45]}进一步支持区域处于碰撞后伸展环境。综上所述,本文研究认为晚白垩世闪长玢岩和英安岩应该形成于拉萨—羌塘地块陆陆碰撞后伸展的构造环境。

4.2 岩石成因

岩石岩相学特征显示岩石样品整体受不同程度蚀变作用的影响,特别是英安岩样品具有明显异常高的烧失量(LOI含量为6.19%~10.1%),指示成岩后较为强烈的蚀变作用。研究表明,蚀变过程一般对岩石中活动元素的影响更为显著,而对过渡元素和不活动元素的影响有限^[46-47]。在微量元素原始地幔标准化配分曲线中,尽管英安岩整体显示与闪长玢岩相一致的变化曲线,但是存在明显的Rb、Ba和Sr等活动元素的亏损(图5b);此外,相对于蚀变影响较弱的闪长玢岩,英安岩中不仅显示Na、K、Rb和Sr等异常低的活动元素含量,并显示与闪长玢岩之间不协调的演化趋势;而不活动元素及其比值则显示较为相似的变化范围和协变趋势(图8),表明蚀变过程对英安岩样品活动元素含量具有明显的影响,而对过渡元素和不活动元素的影响较弱,其含量特征可代表蚀变前英安岩的地球化学组成。因此,本文将主要利用不活动元素和过渡元素对英安岩开展成因讨论。

闪长玢岩具有高Sr含量、低Y含量和高Sr/Y值的特点,在Sr/Y—Y和(La/Yb)_N—Yb_N图解中均显示与高Sr/Y埃达克质岩石的地球化学亲缘性(图4c, d)。一般认为高Sr/Y熔体的成因主要包括以下3种:(1)俯冲洋壳板片熔融^[21,48];(2)玄武质岩浆的同化混染和分离结晶作用^[49-50];(3)加厚或拆沉的榴辉岩相下地壳部分熔融^[6,31,51-52]。板片熔融成因的埃达克质岩石往往形成于洋壳初始俯冲、大洋中脊俯冲、洋底高原俯冲和板片断离等特殊的构造背景^{[21,33,48,53]}。然而,晚白垩世闪长玢岩形成于碰撞后伸展背景,而研究表明班—怒带板片断离过程发生于早白垩世晚期^[2,10,33]。因此,本文认为闪长玢岩难以解释为碰撞后拆离洋壳部分熔融的产物。此外,玄武质岩浆同化混染和分离结晶作用的产物一般包括SiO₂含量变化范围较大的一系列基性—中性—酸性的岩石组合,而研究区内晚白垩世岩浆岩出露面积小,岩性单元仅出露有闪长玢岩和英安岩,未见有同期大规模的基性和酸性岩浆活动,因此,闪长玢岩同样很难解释为玄武质岩浆的同化混染和分离结晶作用。

研究表明,地壳增厚过程中,增厚的下地壳会发生榴辉岩相的相变,而石榴子石具有强烈的轻稀土亏损、重稀土富集的特征。在部分熔融过程中,岩浆源区中石榴子石等高压矿物的残留会导致增厚下地壳的熔体具有高Sr/Y和(La/Yb)_N值的特征,从而显示与埃达克质岩石相似的地球化学组成^[6,50-51]。在哈克图解(图9^[54])中,闪长玢岩显示出与增厚或者拆沉下地壳成因埃达克岩相似的地球化学特征。因此,闪长玢岩应该是增厚榴辉岩相下地壳部分熔融的产物,而源区存在石榴子石残留产物。另外,实验岩石学表明,玄武质岩石部分熔融形成的中酸性熔体具有低的MgO、Cr和Ni含量,以及较低的Mg^#(<45),而加入10%橄榄岩可使Mg^#从44升高到55,并导致Cr和Ni含量增加^[55-56],与玄武质岩石熔融成因的中酸性实验熔体相比,闪长玢岩具有较高Mg^#(55~58)和较高的相容元素Cr((17.2~24.8)×10^-6)、Ni((17.1~24.2)×10^-6)含量,表明熔体上升过程中受到来自地幔物质的影响。在MgO—SiO₂和Mg^#—SiO₂图解(图10)中,样品点同样落在拆沉下地壳成因埃达克岩的区域,与同时期中、北拉萨地块上岩浆岩的地球化学特征相似。综上所述,闪长玢岩是增厚的榴辉岩相下地壳熔体混染地幔物质的产物。

英安岩和闪长玢岩的形成时代一致,空间产出位置相近,这种时空上的密切联系暗示着二者应该具有相同的岩浆源区和相似的成岩过程。然而,不同于闪长玢岩,英安岩较高的烧矢量(LOI含量)表明岩石经历了强烈的蚀变作用。在地球化学组成上,英安岩的K、Na、Rb、Ba和Sr等易蚀变元素的含量明显异常,除此之外,英安岩的微量元素蛛网图和稀土配分曲线近乎与闪长玢岩相一致,且二者显示出相一致的锆石Hf同位素组成。以上特征表明英安岩与闪长玢岩之间应具有相似的成岩过程,而后期不同程度的蚀变作用最终导致中仓地区闪长玢岩与英安岩之间的地球化学组成差异。

近年来报道的岩浆岩地球化学数据指示拉萨—羌塘地块碰撞带之下的下地壳组成以新生的物质为主^[2,6,57],尽管闪长玢岩具有相对均一的、亏损的全岩Sr-Nd同位素组成,但闪长玢岩和英安岩样品中均获得了大量的古老锆石的年龄信息,而锆石原位Hf同位素组成也显示较大的变化范围,成岩期的锆石中同时出现了亏损(ε_Hf(t)>10)和富集(ε_Hf(t)<-10)两种Hf同位素特征。以上特征表明下地壳源区物质组成存在不均一性,同时存在着古老再循环下地壳和新生的下地壳物质。

4.3 地球动力学机制

白垩纪晚期,班—怒带及其两侧爆发了复杂的碰撞后构造—岩浆活动,在区域上形成了大规模展布的岩浆岩^[1⇓-3]。近年来,不同学者对青藏高原中部广泛发育的岩浆岩开展了大量的年代学和地球化学的研究工作,研究表明白垩纪晚期岩浆岩可以划分为早白垩世晚期(约110 Ma)和晚白垩世(约90 Ma)两期。对比研究发现,早白垩世晚期岩浆岩整体以普通钙碱性岩石为主,而晚白垩世岩浆岩整体具有埃达克质岩石的特征^[2,6]。通过系统的研究,越来越多的学者支持早白垩世晚期钙碱性岩浆爆发形成于拉萨—羌塘地块碰撞后板片断离过程^[2],该模式进一步得到了上涌软流圈地幔熔融成因的OIB型岩石和区域地壳均衡抬升等证据的支持^[10,33]。

晚白垩世岩浆岩整体显示埃达克质岩石的地球化学特征,研究认为形成于拉萨—羌塘地块碰撞后地壳增厚的构造背景,是增厚榴辉岩相下地壳部分熔融的产物,源区存在石榴石残留的产物^[6,11⇓-13]。不仅如此,大量的地球化学数据显示该期埃达克质岩石整体具有高的Mg、Cr和Ni等相容元素含量,显示富Mg埃达克质岩石的地球化学亲缘性,是埃达克质熔体与地幔橄榄岩之间发生混合的产物^[6]。研究表明增厚过程中的榴辉岩相变会引发下地壳物质因重力失稳而发生拆沉,而拆离的榴辉岩相下地壳熔体在上升过程中往往会与上覆地幔物质发生物质交换,进而形成富Mg埃达克质岩石^[58]。此外,青藏高原中部大量同时期基性岩脉的识别进一步为深部拆沉事件引发的地幔对流提供了重要的岩石学证据^[42⇓-44]。

综上所述,增厚下地壳拆沉模式无疑为青藏高原中部晚白垩世高Sr/Y岩浆爆发提供了合理的深部地球动力学解释,高Sr/Y闪长玢岩的研究进一步支持区域晚白垩世处于地壳增厚(或者拆沉)的构造背景,结合区域现有研究资料,本文认为中仓地区晚白垩世闪长玢岩和英安岩应该是碰撞后增厚下地壳拆沉过程引发岩浆活动的产物。

4.4 对高原构造隆升的启示

青藏高原的形成与演化经历多个洋盆的闭合和陆陆的碰撞过程,而青藏高原隆升被认为是地球新生代以来最重大的地质事件之一,深刻影响了亚洲乃至全球气候—环境的变化^[1⇓⇓-4]。一般认为,青藏高原的隆升是新生代以来印度—欧亚板块碰撞的结果,然而,越来越多的研究表明青藏高原的隆升是阶段性的,高原现今的高海拔可能是早期多期次隆升的结果^[3⇓⇓-6]。近年来,越来越多的研究表明在印度—欧亚板块碰撞之前,青藏高原中部在白垩纪已经发生了快速隆升的事件,并形成了一个高达3~4 km的古高原^[4⇓-6],该古高原的提出为揭示青藏高原早期阶段性隆升及其引发的资源—环境效应提供了新的启示。

早期的研究提出青藏高原中部隆升主要受拉萨—羌塘地块陆陆碰撞挤压过程的影响,是陆陆碰撞过程中的构造缩短与地壳增厚的结果^[5,59-60],而随后的碰撞后板片断离过程中的地壳均衡作用可能引发地表的进一步抬升^[10]。近年来,大量的低温年代学数据和磨拉石沉积的年代学数据指示青藏高原中部抬升时间主要集中于晚白垩世^[9,61-62]。不仅如此,区域富Mg埃达克质岩浆活动、磨拉石沉积和低温年代学数据三者之间的时空耦合关系表明原青藏高原中部快速隆升的深部动力学机制与碰撞后拆沉作用更为密切。

研究发现,受地壳均衡作用的影响,深部致密的榴辉岩相下地壳拆沉往往会触发上覆岩石圈大规模的伸展构造和地表的快速抬升^[63⇓-65],该模式被广泛应用于解释青藏高原始新世大规模富Mg埃达克质岩浆的爆发和地表快速隆升事件^[66⇓-68]。青藏高原中部晚白垩世低温年代学数据和磨拉石沉积的时空展布范围均与区域上富Mg、高Sr/Y岩浆活动相一致,不仅印证了晚白垩世区域构造—岩浆活动的深部动力学机制应该与碰撞后增厚下地壳拆沉作用相关,同时进一步指示着深部拆沉事件触发了地表的快速抬升和剥蚀过程。因此,本文研究认为晚白垩世增厚下地壳拆沉事件引发了青藏高原中部的快速隆升,由此导致白垩纪古高原形成,而早先研究提出的同碰撞构造挤压抬升和碰撞后板片断离过程引发的均衡抬升的贡献可能相对较小。

5 结论

(1)锆石U-Pb定年结果表明藏北中仓地区闪长玢岩和英安岩形成于90~85 Ma,与区域岩浆岩的形成时代相一致,是青藏高原中部晚白垩世构造—岩浆活动的产物。

(2)闪长玢岩显示与埃达克质岩石相似的高Sr含量、低Y含量和高Sr/Y值的地球化学特征,是增厚榴辉岩相下地壳熔体混染地幔物质的产物。英安岩显示与闪长玢岩相似的地球化学和同位素组成,但明显亏损Rb、Ba和Sr等易蚀变元素,研究认为与闪长玢岩具有相似的成岩过程,而成岩后经历了显著的蚀变作用。

(3)结合现有研究资料,本文研究认为中仓地区晚白垩世岩浆作用形成于拉萨—羌塘地块碰撞后增厚榴辉岩相下地壳拆沉这一动力学过程。此外,受地壳均衡作用的影响,深部拆沉触发青藏高原中部发生快速抬升,最终导致白垩纪古高原形成,为现代高原隆升奠定了基础。

野外工作得到吉林大学地球科学学院青藏高原地学研究中心所有成员的帮助,编委和审稿人为本文提供了宝贵意见,在此一并致以衷心的感谢。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42303045)

广西科技基地和人才专项(桂科AD21220033)

山东省自然科学基金资助项目(ZR2020QD045)