从大陆碰撞到陆内伸展:拉萨地块新生代岩浆活动及其构造演化

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青藏高原被誉为最理想的天然碰撞造山实验室,长期以来吸引了国内外地质学者的广泛关注。拉萨地块作为亚洲大陆的最南缘,保留了重要的造山带构造演化过程的记录,是青藏高原研究中必不可少的部分之一。然而,目前对于印度-欧亚大陆碰撞之前新特提斯洋俯冲早期的火山岩,相互之间缺乏相关的对比研究,从而限制了我们对新特提斯洋俯冲早期岩浆-构造活动的了解。对于拉萨地块新生代的构造演化过程,已有的的研究仅仅集中在对林子宗群火山岩和冈底斯岩基的形成时代和化学成分变化上,而对于具有构造痕迹的侵入岩关注极少,而特定的构造活动势必会在地表遗留具有相应构造痕迹的岩浆作用。同时,对于印度-亚欧大陆碰撞之后的深部过程,由于缺乏幔源岩浆的系统研究,因此对高原形成的内部动力学机制仍不明确。基于以上研究目的,我们在拉萨地块内选择了最早的弧火山岩记录(叶巴组),具有特定延伸方向的镁铁质和酸性岩脉及超钾质岩石作为研究对象,在详细的野外地质调查的基础上,通过岩石学、地质年代学、元素和Os-Hf-Nd-Sr同位素地球化学综合研究,探讨了这些岩石的形成时代,成因及地球动力学过程,并为全面理解新特提斯洋早期俯冲消减历史及拉萨地块新生代的构造演化提供了地球化学制约。本学位论文主要取得了如下的研究进展:  1、一般认为广泛分布于拉萨地块南部叶巴组和桑日群火山-沉积岩系是新特提斯洋早期的俯冲岩浆产物。本文选取了拉萨附近达孜地区叶巴组中的2个中基性火山岩样品进行了锆石LA-ICPMS U-Pb分析,结果显示其年龄分别为188±2Ma和175±2 Ma,与已发表的叶巴组中酸性火成岩的形成时代(174~193 Ma)一致,已发表的桑日群火山岩的年龄也在相同范围内,因此叶巴组和桑日群火山岩喷发时间主要为早侏罗世。叶巴组和桑日群基性及中酸性岩浆均类似岛弧型火山岩,但前者具有相对高的Nb、Zr含量,Th/Y比值及相对较低的La/Nb比值,呈现出大陆地壳组分增加的趋势,叶巴组火山岩表现为典型的大陆边缘弧特征而桑日群类似于洋内弧火山岩,桑日群火山岩分布于叶巴组南侧,并呈碎片似展布于拉萨地块南部,同时显示了与叶巴组不同的岩性组合,暗示同时代的叶巴组和桑日群火山-沉积岩可能分别代表特提斯洋俯冲过程中的形成的陆缘弧和洋内弧。  2、拉萨地块达孜地区出露大量东西向延伸的镁铁质岩脉,这些岩脉近于平行雅鲁藏布江蛇绿岩带。这套镁铁质岩脉主要形成于古新世末期(~57 Ma)。主微量地球化学数据显示达孜镁铁质岩脉具有钠质的拉斑玄武岩特征,并显示了MORB的相似性,同时具有亏损的Nd-Hf伺位素特征(εNd(t)=+1.31-+7.4,εHf(t)=~+9),指示这些镁铁质岩脉主要源自于软流圈地幔。同时,这些镁铁质岩脉中具有相对较高的187Os/188Os比值,可能受到了地壳物质再循环的影响。微量元素模拟表明这些镁铁质岩脉形成于一个相对较浅的地幔源区。本文综合分析了拉萨地块上古新世-始新世(70-40Ma)岩浆岩的年代学和同位素地球化学数据,结果显示在58-56 Ma左右岩浆的εNd(t)值和锆饱和温度出现急剧增长,暗示软流圈上涌可能发生在~57 Ma,印度-欧亚大陆板块之间聚合速度于同时期从160mm/yr降低为90 mm/yr。上述地质事实,指示了这些东西向镁铁质岩脉代表了新特提斯洋板片断离的开始。新特提斯洋板片断离后,软流圈上涌程度增大,形成了“岩浆大爆发”作用。  3、青藏高原内部新生代的活动构造主要包括南北向正断层和地堑,以及东西向的伸展痕迹,这些构造痕迹均形成于印度-欧亚大陆之间的碰撞-后碰撞过程的转换中。青藏高原拉萨地块中的东西向构造痕迹平行于新特提斯洋俯冲的方向,主要包括一系列伸展的火山-构造沉积盆地和岩浆岩脉体。南北向构造痕迹主要包括正断层和地堑系统,在整个青藏高原上均有发育。然而目前对东西向转变为南北向构造痕迹的时间和机制并不清楚。本文通过对南拉萨地块内达孜地区中的东西向和南北向与构造活动相关的岩浆岩脉进行研究,东西向延伸的镁铁质岩脉侵入至花岗岩体中,然而晚期的南北向延伸的长英质岩脉切断了早期的东西向岩脉。四个花岗岩体的锆石U-Pb年代学指示其形成于~60 Ma,并具有正的εHf(t)值(~+9)。该区域内同时发现了一个年龄为~53 Ma的蚀变闪长质脉体,其切断了南北向镁铁质岩脉。这些年代学数据表明代表拉萨地块内东西向伸展活动的南北向镁铁质岩脉,主要形成于60-53 Ma。同时,两个切断镁铁质岩脉的南北向延伸的二长斑岩脉,其锆石U-Pb年龄为~17 Ma,并具有正的εHf(t)值(+3-+9.6),同时区域内还发现了一条切断所有岩脉的北北东-南南西向延伸的石英二长岩脉,其形成时代为~13 Ma,这暗示着东西向的伸展活动发生于17-13 Ma。结合冈底斯岩基中已有的年龄结果,表明拉萨地块内两次主要的伸展事件分别发生于60-53 Ma和17-13 Ma。同时指示了南北向伸展转变为东西向伸展的时间发生在17 Ma或稍早。古新世花岗岩体显示了兼具俯冲和碰撞岩浆地球化学特征,中新世长英质岩脉显示了埃达克岩的相似性,暗示从同碰撞至后碰撞环境的改变。综合以上地质学和地球化学特征,拉萨地块内东西向镁铁质岩脉和相关的构造盆地可能为新特提斯洋板片断离的产物,中新世南北向长英质岩脉可能为俯冲至拉萨地块之下的印度岩石圈撕裂或断离所产生的岩浆响应。  4、广泛分布于拉萨地块中的后碰撞超钾质岩为探索青藏高原的深部过程和岩石圈演化提供了重要的岩石学线索,然而这些超钾质岩的源区组成仍然存在争议,严重制约了我们对高原形成的深入认识。在部分熔融过程中Re-Os母子体同位素显示了完全不同的化学特征,因此可以完美的识别主要的地幔源区。本文首次对拉萨地块内米巴勒和麦嘎地区的超钾质岩的Re-Os同位素进行了系统研究,同时限定了米巴勒超钾质岩形成时代为12.5 Ma。Re-Os同位素结果指示超钾质岩中仅有少量具有低Os含量的样品可能遭受了地壳混染,而具有高Os含量的样品未受或极少地壳混染的痕迹,因此可以反映地幔源区特征。最小地壳混染的超钾质岩石中具有高于原始上地幔组成的放射性Os同位素组成,这些超钾质岩的187Os/188Os显示了与Mg#微弱的相关关系,其εNd(t)值与Mg#值具有负相关关系,同时具有高Ni含量和FeO/MnO比值。这些元素及同位素地球化学特征,表明这些超钾质岩石源自于一个含有辉石岩的岩石圈地幔。简单的二元混合计算结果显示,包含<20%辉石岩的岩石圈部分熔融能够产生超钾质岩的同位素特征,同时,拉萨地块超钾质岩包体中出露的少量辉石岩,验证了本文的结论。拉萨地块超钾质岩中Re-Os模式年龄为75至541 Ma,暗示拉萨地块西部岩石圈可能遭到了多期改造事件,且主要集中于中生代,可能与印度大陆的北向俯冲无关。含有辉石岩岩石圈的对流减薄或印度大陆岩石圈板片断离造成的岩石圈减薄,最终造成了辉石岩的部分熔融,形成了拉萨地块中的超钾质岩。
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