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95 Ma是华南晚中生代岩浆演化转折点吗?
——来自浙闽典型花岗岩体的证据

2022-09-26高秦丁嘉林张延青周鹏曾志杰厉子龙

地质论评 2022年5期
关键词:岩浆花岗岩结晶

高秦,丁嘉林,张延青,周鹏,曾志杰,厉子龙

1)浙江大学海洋学院, 浙江舟山, 316000;2)台州市自然资源和规划局椒江分局, 浙江台州, 318000

内容提要:中国东南沿海地区出露的大面积中生代岩浆岩与矿化作用与区域构造域转换密切相关,在100~90 Ma左右浙闽地区壳幔作用强烈,前人大多数的研究工作是针对单个岩体或几个复式岩体展开的相应研究工作,缺少对浙闽沿海中生代花岗岩类的跨区域研究,特别是具体时间节点的对比和剖析。本研究选取浙闽地区100~90 Ma形成的典型花岗岩体为研究对象,通过对其进行地球化学数据分析和整理,并与前人在华南地区的研究数据相结合,认为100~90 Ma的浙闽花岗岩不同于日本和安第斯型的典型岛弧酸性岩。浙闽花岗岩可能起源于古太平洋板块俯冲引起基性岩浆上涌,少量基性岩浆与花岗质岩浆以不同比例混合形成了这一时期东南沿海中生代花岗岩类的母岩浆。地壳组成的差异造成浙闽一带形成的母岩浆的不同,而花岗质岩体则是在这种不同母岩浆基础上高度演化的结果。利用Rhyolite—MELTS方法计算浙闽地区在100~90 Ma的岩浆过程,以福建长泰岩体为例,在含水量为6%,压力为300 MPa 的条件下进行模拟,计算结果显示98 Ma岩体的分离结晶程度约37%,而从95 Ma开始,岩浆演化开始趋向于无明显规律。浙闽中生代花岗岩体显示以斜长石、钾长石、黑云母的分离结晶为主导的结晶过程,不同岩体的分离结晶程度有所不同。特别是在95 Ma时,浙闽一带的岩体同时出现了斜长石的分离结晶作用,随后又进入由钾长石和黑云母的分离结晶控制的阶段,结合Sr、Ba的变化特征和Nd同位素等变化,认为95 Ma左右存在地幔物质的介入,从而导致浙闽地区在晚中生代岩浆演化上出现了转变,而且95 Ma很可能是浙闽晚中生代花岗岩形成的转折期,岩浆温度的计算结果也证实了这一点。

晚中生代是古太平洋板块汇聚东亚大陆的重要时期(Engebretson et al., 1985; Maruyama et al., 1997; Isozaki et al., 2010; 林间等, 2017),它导致华南发生强烈的岩浆活动(Xu Keqin et al., 1982; Charvet et al., 1994; Zhou Xinmin et al., 2000),形成的俯冲杂岩带残留在沿日本西南、中国台湾、巴拉望—加里曼丹一线(Faure et al., 1990; Isozaki, 1997; Wakita et al., 2005),在中国台湾以东、菲律宾和婆罗洲等地的蛇绿岩块(Deschampsa et al., 2000; Encarnacion, 2004; Dimalanta et al., 2006; Coggon et al., 2011; Asis et al., 2012)应代表晚中生代俯冲洋壳残留。大规模岩浆活动是华南晚中生代最显著的地质特征,岩浆岩出露约240000 km2(Zhou Xinmin et al., 2000)。近60年来,华南中生代岩浆岩的研究经历了从时空分布到岩浆来源、从壳幔作用到构造背景等方面,已经取得了较多的研究成果和认识(徐克勤等,1982;Zhou Xinmin et al., 2000; 王德滋等, 2004; Li Zhengxiang et al., 2007; Wang Yuejun et al., 2013; Zhang Guowei et al., 2013; Zheng Yongfei et al., 2013; Duan Zheng et al., 2017; Chen Jiyuan et al., 2019; Xu Xisheng et al., 2021)。

东南沿海地区在白垩纪期间,经历了一次影响深远的岩石圈伸展作用,古太平洋板块俯冲方向也发生转向,开始以高角度正向俯冲(Sun Weidong et al., 2007),浙闽地区出现了大量的花岗岩类,同时也发育少量基性岩类,浙闽地区晚中生代岩浆岩地球化学上也显示出双峰式(潘振杰等, 2017; 张成晨等, 2019),浙闽地区侏罗纪火成岩相对白垩纪的较少,表明白垩纪是浙闽地区火成岩形成的鼎盛时期。

根据前人对于中国东南部岩浆锆石年龄峰研究,100~90 Ma岩浆活动开始逐渐减弱(贾丽辉, 2018),这种现象多数解释是伸展构造作用的减弱。针对这个时期单个岩体或两到三个复式花岗岩体的研究结果,显示这一阶段的岩石存在成分和同位素差异,造成这阶段复杂的地球化学特征依旧存在争议。故本研究选取浙闽地区100~90 Ma形成的典型花岗岩体为研究对象(图1),在前人的研究基础上,进行地球化学数据分析和整理,开展模拟计算,以期揭示在这个重要的地质时期华南东南沿海地区花岗质岩体的岩石特征,对进一步阐明中国东南沿海中生代岩浆构造演化提供新的认识和理解。

1 数据来源

该区数据主要来自公开发表的国内外文献,时代限于100~90 Ma之间,分为98 Ma、95 Ma、92 Ma三个年龄阶段。其中浙江地区为瑶坑岩体、大陈岛岩体(本课题组所测)、普陀山岩体,而福建主要为魁岐、太姥山、大层山等岩体(图1)。鉴于部分早期文献的地球化学数据可能不够精确,本研究选择的中文文献主要是在2010年以后发表的,同时整理东海、南海、日本、南美地区的花岗岩数据进行对比分析。本文中出现的浙闽地区岩浆岩的时空分布是以岩体为单位,一个岩体由于成分、结构构造不同,我们取岩体地球化学数据的平均值;有些岩体(岩组)研究的文献很多,有些岩体研究的文献少,不论多寡,一个岩体均取一个平均值,以便进行比较和探讨,具体见表1。

表1 日本、安第斯、浙闽地区100~90 Ma花岗岩主量元素(%)、稀土和微量元素(μg/g)含量平均值表

2 矿物组合和岩石类型

华南浙闽沿海地区在100~90 Ma出露的酸性火山—侵入岩,侵入岩主要为花岗岩,其次是少量浅成的花岗闪长岩、石英二长岩等,酸性火山岩系列多数为流纹岩和熔结凝灰岩(图1)。根据前人的研究,浙江地区按时代先后顺序可分为碱长花岗岩、钾长花岗岩、花岗岩系列;福建地区可分为花岗岩、正长斑岩、碱性花岗岩系列。

根据前人研究,典型岩体的矿物组成结果见表2,98 Ma浙闽岩体其主要矿物以斜长石出现为特点;到95 Ma则出现霓石等典型的碱性矿物;在92 Ma大量出现条纹长石;三组不同的矿物组合,暗示这一阶段浙闽地区较大源区差别和复杂的岩浆过程。

表2 浙闽地区100~90 Ma典型花岗质岩体的矿物组合

这一阶段的花岗岩化学组分呈现出了富硅、富碱和相对富铝及贫钙的特征,花岗岩SiO2含量一般在70%以上,总体上属于钙碱性岩系,在沿海区域多为高钾钙碱性岩石系列(图2),浙江普陀山、外北山A型花岗岩体、大陈岛钾长花岗岩体、福建魁岐岩体等,其Na2O+K2O的含量一般大于8%,相对贫铁,A/CNK在1.0左右,且分异指数较高,反映这些岩体大多经历了较强的结晶分异过程。

图2 浙闽晚中生代典型岩体TAS图解(底图据Middlemost, 1994)

除福建在95 Ma发育较低硅的花岗岩外,浙闽地区在100~90 Ma岩浆活动产物总体差别不大,但较日本和南美安第斯的花岗岩类化学成分上富集Si、Na、K(图2),这反映了浙闽地区在俯冲背景下,较为独特的构造背景或岩浆源区。

3 微量元素特征

东南沿海在主量元素上表现出高硅、富碱、准铝质或弱过铝质,岩浆演化程度较高,微量元素上也显示相应的特征,如亏损Nb、Ta,富集Th、Pb、K、U等元素,显示出岛弧的特征,亦即陆壳的特征。从表1和图2来看,安第斯和浙闽显示共同的特点,但是浙闽某些岩体LILE甚至超过安第斯花岗岩(图3a),陆壳混染似乎是两者一致的成因。如果浙闽也是安第斯型,按照岩浆岩类型和地壳厚度,安第斯地壳应该更厚,混染作用应当强于浙闽,可实际情况恰恰相反,说明安第斯型和浙闽型的岩浆来源可能不同,安第斯有俯冲的痕迹,有洋壳物质加入和陆壳混染的影响;而浙闽则陆壳物质部分熔融形成的。同时,东南沿海地区晚中生代花岗岩和花岗闪长岩中多含有中、基性包体,表明这些岩石并不是从母岩浆连续结晶演化而来,其表现出一些混合成因的演化趋势。

图3 浙闽、日本和南美晚中生代典型岩体微量元素蛛网图和稀土配分曲线(据Sun and McDonough, 1995)

浙闽地区100~90 Ma花岗岩类更为富集LILE,亏损HFSE(图3a),Ba和Sr负异常明显以及变化的轻重稀土比值(图3b),特别是δEu负异常指示浙闽在此时期的岩石经历了较显著的斜长石分离结晶作用。浙闽这一时期的花岗岩相较于典型的岛弧花岗岩存在明显的演化趋势(图4a、b)。但是这一阶段浙闽典型岩体并非简单的随着SiO2/MgO值升高,Rb/Sr值升高或Ba降低(绿色阴影代表的岩体数据);同时在95 Ma时出现了较大的变化,具体表现为福建地区的SiO2/MgO值降低,浙江地区则在SiO2/MgO值升高的情况下,Rb/Sr和Ba的降低。所以对待岩浆演化的过程因该注意细节,不能只看化学数据的变化趋势。

图4 浙闽晚中生代典型岩体Rb/Sr vs.SiO2/MgO和Ba vs.SiO2/MgO图(福建岩体来自薛琦琪,2018;图例同图3)

综上可知,不论主量元素,还是大离子亲石元素、稀土元素的特征,浙闽沿海花岗岩在95 Ma左右存在化学成分上的转折。

4 构造背景与岩石成因

4.1 构造背景

与同时期中国东部内陆地区广泛分布的花岗岩类相比,中国东部沿海地区花岗岩类与古太平洋板块俯冲具有最直接的联系。这些典型的岩体位于平潭—东山构造带内,这一单元联结东海陆架和南海北部。现有的研究表明,华南岩浆岩带(Li Xianhua et al., 2007; 徐夕生, 2008)与东亚俯冲杂岩结合部(Wakita et al., 2005)的东海到南海陆架区域成为深入研究古太平洋俯冲及东亚活动大陆边缘演变新的突破口。南海北部的花岗岩类是侏罗纪—白垩纪I型岩浆弧花岗岩类(162~148 Ma和137~102 Ma),它们多数含有普通角闪石,具有活动性流体组分富集和Nb、Ta强烈亏损等岩浆弧特点,明显不同于华南同时代富硅、富碱的高分异I型或A型花岗岩(图5)。

图5 浙闽晚中生代典型岩体与华南东部、南海晚中生代花岗岩类(Y+Nb)—Rb构造环境对比(据Pearce et al., 1984)

按由老到新的时间序列,本次研究发现浙闽地区晚中生代典型花岗岩体在(Y+Nb)—Rb图上落在华南花岗岩类/南海型花岗岩类混合区—南海型花岗岩类—华南花岗岩类区域,但是95 Ma的岩石要更符合南海花岗岩类,结合矿物组合在此时出现了角闪石、霓石等典型的碱性矿物,显示了95 Ma可能有更多的流体参与岩浆的形成。

Li Sanzhong等(2019)最近对东亚中生代大陆边缘演变及与古太平洋俯冲的控制作用进行了较为全面的总结和评述,认为晚中生代华南构造—岩浆演化受控于古太平洋flat-slab subduction(200~160 Ma),slab foundering(160~125 Ma)和slab rollback(125~65 Ma);据此,本次研究的地质阶段属于古太平洋俯冲后撤的阶段,结合前文对富集流体的矿物于95 Ma出现,本文认为浙闽典型的花岗岩体代表了中生代时期古太平洋板块俯冲最晚期的岩浆作用过程,在与南海地区对比后,认为这一过程发生在太平洋板块后撤的时间段,95 Ma的岩体记录了后撤过程华南沿海地区岩石圈“底部加水弱化”的重要过程。

4.2 岩石成因

通过广泛搜集和整理分析前人对研究区岩体的Nd同位素数据,发现在100~90 Ma时期内,浙江地区Nd同位素值普遍要更富集(图6),低的Nd同位素表明浙江地区地壳物质贡献增多,地壳也更厚。此外,浙闽地区的样品具有相似的Nd变化,εNd(t)按照时代由老到新依次是:浙江(-7.7、-6.83、-0.9)、福建(-5.5、-2.9、-5.0)同位素组成变化(图6),高于华南地壳的演化线表明样品中有不同程度的地幔物质贡献(Zhou Xinmin & Li Wuxian 2000; Li Zhengxiang & Li Xianhua, 2007; Li Zhen et al., 2012; Li Jianhua et al., 2014; Liu Liang et al., 2016),且95 Ma较98 Ma要更加“亏损”,随后福建地区92 Ma又再次降低,而浙江的瑶坑岩体(92 Ma)同位素记录上没有像福建地区一样出现先升高再降低的过程,可能与瑶坑地区靠近温州—临海大断裂造成基性岩浆容易上涌,其活动时间延长有很大的关系,具体有待进一步研究。但是就整个浙闽在这一时期的花岗岩特征来看,95 Ma左右是出现有同位素的“亏损”过程。

图6 浙闽晚中生代典型岩体εNd(t)随着年龄变化

对浙闽沿海中生代花岗岩类成因的认识主要有:① 壳—幔相互作用产生的岩浆经过高程度的分离结晶形成的(Qiu Jiansheng et al., 2004; 邱检生等,2008);② 先存的英云闪长质—花岗闪长质岩石经过分离结晶形成的(Zhao Jiaolong et al., 2015);③ 幔源基性岩浆与残余麻粒岩相地壳物质部分熔融产生的岩浆混合形成的(Zhao Jiaolong et al., 2016)。鉴于以上认识,本次研究利用Rhyolite—MELTS方法来计算含水硅酸盐体系的结晶过程,探索浙闽地区在100~90 Ma的岩浆过程。选取福建长泰岩体(SiO2/MgO,比值最低)作为初始组分(母岩浆),在含水量为6%,压力为300 MPa的条件下进行模拟计算,模拟结果如下:按照时代来看,98 Ma岩体的分离结晶程度约37%(图7a)。而从95 Ma开始,岩体演化无明显的趋势。

而在图7b中,浙闽晚中生代100~90 Ma样品显示以斜长石、钾长石、黑云母分离结晶为主导的结晶过程。但是不同时代样品的分离结晶程度有所不同,98 Ma浙闽沿海地区钾长石和黑云母分离结晶为主,程度也较为相似,即钾长石35%、黑云母28%;在95 Ma开始浙闽一带的岩体出现斜长石的分离结晶,且浙江岩体的分离结晶程度要高于福建,这可能与厚的地壳造成花岗质岩浆有较长时间的演化有关。随后92 Ma浙闽岩体又进入钾长石和黑云母的分离结晶,但是程度明显高于98 Ma。

图7 浙闽晚中生代典型岩体模拟计算结果示意图(福建岩体来自薛琦琪,2018)

因为花岗岩类不代表熔体成分,而是代表对于堆积晶体和低效提取熔体的混合物,在花岗质岩石成因研究中,样品和样品组之间不同t(SiO2/MgO)的值具有特殊的岩石学和地质意义(Duan Meng et al., 2021),可以反映酸性岩浆的温度。具体的计算方程:

t(SiO2/MgO)/℃=

根据搜集的数据计算结果来看(表3),福建地区温度变化从781.5°C到874.7°C再到814.2°C,暗示了地幔或者其他地质作用的影响,如超深断裂的活动。但是浙江地区95 Ma的温度没有出现升高,这些样品位于大陈岛地区,岛上大面积为凝灰岩,样品位于多岩体的边部,所以温度较低,但是这样计算的温度也与瑶坑岩体温度相当;结合前面的Nd同位素和微量元素的讨论,95 Ma左右浙闽一带发生了构造背景的转换。

表3 浙闽晚中生代典型岩体温度模拟计算结果

综上所述,浙闽地区100~90 Ma的花岗岩类是在太平洋俯冲后撤的构造背景下,在95 Ma有一次地幔物质的加入,由不同比例的亏损地幔物质与大陆地壳物质相互混合,在上升过程中经历了不同程度的岩浆演化(图8),具体的过程如下:

在98 Ma左右,古太平洋板块后撤导致软流圈物质上涌,岩石圈部分熔融并底垫到浙闽地壳一带,温度升高,造成地壳部分熔融,同时基性岩浆参与到地壳熔融过程中(图8a)。浙江地区地壳厚度超过福建地区,两地形成各自不同的酸性岩浆,随后向地壳浅部侵位冷却结晶。而在95 Ma由于板块后撤过程中,导致古老断裂带再活化,加剧了浙闽沿海深部软流圈上涌,造成一次较大的岩石圈地幔熔融,更为强烈的地壳伸展减压,形成的基性岩浆混入到花岗质岩浆中,随后上侵冷却(图8b);在92 Ma古太平洋板块和欧亚板块运动“恢复”到98 Ma之前的水平,浙闽地壳继续较弱伸展熔融,不断演化形成高分异花岗质岩石(图8c)。

图8 浙闽沿海地区100~90 Ma岩浆作用过程

5 结论

本研究以浙闽沿海地区出露的晚中生代(100~90 Ma)典型花岗岩类为研究对象,从岩石学、全岩主微量元素特征和Nd同位素组成等方面对其开展对比研究,通过相应的模拟计算,取得如下认识:

(1)浙闽沿海晚中生代(100~90 Ma)典型花岗岩类起源于古太平洋板块俯冲引起的地幔楔部分熔融,产生的基性岩浆上涌,诱发上覆地壳发生部分熔融并产生花岗质岩浆。而少量基性岩浆与花岗质岩浆以不同比例混合形成了这一时期沿海中生代花岗岩类的母岩浆,在95 Ma左右的岩体表现得最为明显。

(2)由于地壳厚度的不同,部分熔融形成的浙闽一带母岩浆也存在差异,而地表出露的岩体则是在这种不同母岩浆基础上高度演化的结果。利用Rhyolite—MELTS方法计算的浙闽地区在100~90 Ma的岩浆过程,结果显示98 Ma浙闽岩体的分离结晶程度基本一致,约37%,而95 Ma和92 Ma的岩体,分离结晶程度差别较大。浙闽晚中生代花岗岩体显示以斜长石、钾长石、黑云母的分离结晶为主导的结晶过程,且浙江岩体的分离结晶程度要高于福建,在95 Ma浙闽一带的岩体出现明显斜长石的分离结晶。

(3)浙闽沿海典型晚中生代(100~90 Ma)花岗岩类的演化过程中,95 Ma是一个关键的时间节点,也预示着古太平洋板块和欧亚板块的构造运动的转换,但其具体的动力机制值得进一步研究。

致谢:僅以此文祝贺杨文采主编80华诞!本研究得到了台州市自然资源和规划局椒江分局和大陈岛开发建设管理委员会在野外工作方面提供的支持和帮助。另外审稿专家和章雨旭研究员仔细认真审阅了本文,提出了很多建设性意见,在此表示感谢!

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