大陸碰撞造山與成礦過程：扎格羅斯和喜馬拉雅造山帶對比

張洪瑞，侯增謙

(中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037)

0 引 言

大陸碰撞造山帶是地球表面最為宏觀雄偉的構(gòu)造單元之一。對碰撞造山帶的研究由來已久，20世紀(jì)主要集中在單個造山帶的立典研究，積累了大量碰撞造山資料[1-4]；21世紀(jì)以來開始注重不同造山帶之間的橫向?qū)Ρ?，嘗試梳理總結(jié)碰撞造山普遍規(guī)律[5-9]。大陸碰撞造山過程涉及到大陸深俯沖[10]、大陸地殼增生[11]、巨量金屬堆積[7]、乃至高原隆升[12-13]及氣候變化[14]等方面，相關(guān)研究對于板塊構(gòu)造登陸、地球多層圈物質(zhì)循環(huán)等重大科學(xué)問題具有重要啟示意義。

歐亞大陸南緣橫亙有上萬千米長的阿爾卑斯—扎格羅斯—喜馬拉雅碰撞造山鏈。該造山鏈?zhǔn)切纬捎谛律哪贻p碰撞造山帶，碰撞造山記錄完整。其中，扎格羅斯和喜馬拉雅都構(gòu)成了造山高原，分別為伊朗高原和青藏高原(圖1)，而且兩者皆以盛產(chǎn)金屬礦產(chǎn)而聞名[7-9]。本文對比扎格羅斯和喜馬拉雅造山帶的碰撞相關(guān)巖漿構(gòu)造記錄，從成礦構(gòu)造和新生地殼兩個方面來討論碰撞過程及其對成礦的控制。

圖1 扎格羅斯和喜馬拉雅造山帶分別構(gòu)成伊朗高原和青藏高原Fig.1 Zagros and Himalayan Orogens That Form Iranian and Tibetan Plateau,Respectively

1 初始碰撞時限

幾乎每個碰撞造山帶都存在初始碰撞時限的爭議。在古老造山帶，初始碰撞相關(guān)信息被后期疊加或改造，很難斷定初始碰撞時間。反之，年輕碰撞造山帶記錄完整，應(yīng)該很容易判定初始碰撞時間。實際上，年輕碰撞造山帶的初始碰撞時限爭議也很激烈。在喜馬拉雅造山帶，關(guān)于印度板塊與亞洲大陸初始碰撞時間，不同觀點包括了從晚白堊世到中新世的漫長時間，集中在65～50 Ma[15-17]；在扎格羅斯造山帶，阿拉伯板塊與歐亞大陸初始碰撞時間從晚白堊世到上新世，集中在35～25 Ma[18-20]。之所以出現(xiàn)這些爭議，其原因一方面是定義標(biāo)準(zhǔn)不同，海相地層消失、強烈擠壓縮短和大規(guī)模巖漿活動等構(gòu)造事件都曾用來限定初始碰撞[21-23];另一方面，大陸碰撞是一個異常復(fù)雜的過程，很可能存在穿時性[24-25]，甚至中間洋盆的多期次張開和閉合。

按照威爾遜旋回，大洋俯沖之后即是大陸碰撞(圖2)[26]。此時原兩大陸之間洋盆消失，但俯沖下去的洋殼仍將發(fā)揮作用。在一般情況下，俯沖洋殼因脫水密度變大而下沉，造成俯沖角度逐漸變大，最終與俯沖陸殼斷離[27]。這一過程會造成軟流圈熱擾動，從而誘發(fā)具有弧巖漿巖特征的“滯后性”火山巖漿活動，如青藏高原林子宗火山巖[28]。與此同時，大陸地殼也被俯沖洋殼沿俯沖帶向地幔拖曳，發(fā)生高壓、超高壓變質(zhì)作用，典型代表即青藏高原雅魯藏布江縫合帶附近的榴輝巖[29]。這種陸殼俯沖曾被作為一個造山階段單獨劃分出來，即大陸俯沖階段[30]?？紤]到同期還有洋殼有關(guān)的巖漿活動，稱之為“俯沖到碰撞轉(zhuǎn)換階段”似乎更合理[31]。除了這些地幔層次的深部作用，該階段在地殼層次也有表現(xiàn)，主要體現(xiàn)為初始碰撞和區(qū)域大規(guī)?？s短之間也有一個明顯滯后。在青藏高原，喜馬拉雅和青藏高原腹地的最早變形記錄始于65～60 Ma[32]，但是強烈擠壓發(fā)生在52～48 Ma[33]。扎格羅斯造山帶前陸地區(qū)大規(guī)模褶皺逆沖作用發(fā)生在漸新世末[34]，后陸薩南達(dá)杰—錫爾詹變質(zhì)巖漿帶也是在28～25 Ma發(fā)生過顯著隆升剝蝕[35]。兩者都晚于初始碰撞約10 Ma。這種滯后效應(yīng)很可能是由于碰撞的兩大陸之間存在大量邊緣海盆地，這些盆地在碰撞初期閉合，吸收了大陸碰撞造成的匯聚量[25,33]。此外，大洋巖石圈和大陸巖石圈之間還存在過渡地帶，即洋陸轉(zhuǎn)換帶[34]。這些地帶具有薄的大陸巖石圈，其俯沖行為也不同于傳統(tǒng)意義上的大陸。

圖2 匯聚造山階段劃分方案示意圖Fig.2 Different Divisions About Evolution Phases of Convergence Orogeny

上述特征表明，大洋閉合之后的碰撞初期，碰撞有關(guān)的深部和淺部表現(xiàn)以及動力學(xué)機制等方面都不同于傳統(tǒng)意義上的陸陸碰撞(硬碰撞)。因此，有必要單獨劃分出來，稱之為軟碰撞。這一階段的識別有助于理解碰撞造山過程，解決初始碰撞的諸多爭議。

2 碰撞造山階段

傳統(tǒng)研究將碰撞造山過程劃分為(同)碰撞和后碰撞兩個階段[35]。根據(jù)第1節(jié)內(nèi)容，碰撞早期階段表現(xiàn)為軟碰撞，之后為硬碰撞。如此碰撞過程則可劃分出3個階段，即軟碰撞、硬碰撞和后碰撞(圖2)。本文以這3個階段為框架來審視喜馬拉雅(圖3)和扎格羅斯(圖4)兩個造山帶的碰撞造山過程。

AKMS為阿尼瑪卿—昆侖縫合帶；JS為金沙江縫合帶；LSS為龍木錯—雙湖縫合帶；BNS為班公湖—怒江縫合帶；IYS為雅魯藏布江縫合帶；MBT為主邊界斷層；MCT為主逆沖斷層；STD為藏南拆離系；ASRR為哀牢山—紅河剪切帶；GT為岡底斯逆斷層；GCT為大反沖斷層；圖件引自文獻(xiàn)[51]，有所修改圖3 喜馬拉雅—青藏高原構(gòu)造巖漿礦床分布Fig.3 Simplified Map of Himalayan-Tibetan Collisional Orogenic Belt Showing the Distribution of Magmatic Rocks Major Faults and Mineral Deposits

青藏高原的碰撞過程很早就被劃分出3個階段[圖5(a)][36-37]。①主碰撞階段(65～40 Ma)，以林子宗火山巖及相關(guān)侵入巖[28,38]和超高壓榴輝巖[39-40]為特征。前者與俯沖板片后撤和斷離引起的軟流圈上涌有關(guān)[41]，后者記錄了陸殼俯沖并快速折返的過程[42]。在此期間，印度—亞洲大陸匯聚速率從每年約180 mm下降到每年約90 mm[43-44]。②晚碰撞階段(40～25 Ma)匯聚速率下降至每年60 mm，構(gòu)造巖漿響應(yīng)主要集中在藏東—滇西地區(qū)，發(fā)育大規(guī)模殼/幔鉀質(zhì)巖漿活動[45-46]和大型走滑系統(tǒng)[47-48]。③后碰撞階段(25～0 Ma)匯聚速率降至每年50 mm，以地殼伸展[49]和鉀—超鉀質(zhì)巖漿活動為特征[50]。這3個階段分別與本文提出的軟碰撞、硬碰撞和后碰撞3個階段相對應(yīng)。在軟碰撞(主碰撞)階段，擠壓作用存在但不是很強烈；在硬碰撞(晚碰撞)階段，印度巖石圈俯沖至羌塘—三江地區(qū)深部400 km處，擾動軟流圈物質(zhì)上涌，造就成巖成礦事件；在后碰撞階段，俯沖的印度板片撕裂，造成垂直造山帶SN向伸展。

在伊朗高原，阿拉伯板塊和歐洲大陸之間的匯聚速率在碰撞之前(55～36 Ma)為每年32 mm；初始碰撞后，在36～20 Ma匯聚速率為每年31 mm，在20 Ma開始降為每年24 mm，10 Ma以來為每年20 mm[5,19]。這一匯聚速率變化歷史與大陸碰撞造山過程3個階段完美對應(yīng)(圖5)。①軟碰撞階段(36～20 Ma)只在兩板塊縫合帶附近發(fā)育逆沖作用，表現(xiàn)為扎格羅斯主逆沖斷層活動[52]。兩側(cè)分別發(fā)育淺水相沉積巖，如南側(cè)扎格羅斯地區(qū)的Shahbazan組(37～30 Ma)[53]、北側(cè)薩南達(dá)杰—錫爾詹變質(zhì)巖漿帶和伊朗地塊庫姆組，更北側(cè)厄爾博茲(Alborz)地區(qū)發(fā)育更淺的前陸盆地沉積[54]。巖漿巖遍布在烏茲密爾—杜克塔爾火山巖漿帶上，以高鉀鈣堿性系列為主。巖石類型多樣，從玄武巖到流紋巖都有[55-58]。②硬碰撞階段(20～10 Ma)以大規(guī)模強烈地殼縮短為特征。擠壓變形沿造山核部向外擴展，在扎格羅斯地區(qū)發(fā)育形成高扎格羅斯斷層及相關(guān)褶皺作用；在后陸地區(qū)形成一系列中小型前陸盆地，盆地內(nèi)有厚層陸相碎屑巖[59]。這些巖石沉積時具有高堆積速率，說明周緣造山帶的快速剝蝕很可能是當(dāng)時強烈擠壓作用的結(jié)果。巖漿巖主要以侵入體的形式散布在烏茲密爾—杜克塔爾火山巖漿帶上，以中酸性高鉀鈣堿性系列為主，具有埃達(dá)克質(zhì)地球化學(xué)特征[60-61]。③后碰撞階段(10～0 Ma)以鉀—超鉀質(zhì)巖[56]和洋島玄武巖(OIB)型堿性熔巖[62-63]的出現(xiàn)為特征，巖漿分別源于被交代巖石圈地幔[64]和軟流圈地幔[65]。在造山帶前陸，構(gòu)造擠壓繼續(xù)向南擴展，依次形成扎格羅斯主前緣斷層和扎格羅斯前緣斷層[66]。在造山帶后陸，早期的前陸盆地都被粗碎屑巖覆蓋轉(zhuǎn)變?yōu)樯介g盆地[59]。另外，整個造山帶內(nèi)普遍發(fā)育近SN向走滑斷層[67-68]。

無論是青藏高原還是伊朗高原，碰撞過程中的擠壓活動在軟碰撞階段以低速率應(yīng)變?yōu)橹?，在硬碰撞階段則主要為高速率應(yīng)變，在后碰撞階段則會出現(xiàn)伸展或走滑等調(diào)節(jié)擠壓應(yīng)變。其中，造山帶后陸地區(qū)在碰撞初始即有表現(xiàn)，如遠(yuǎn)程效應(yīng)的逆沖斷裂帶和前陸盆地等；而前陸地區(qū)的變形則是隨著大陸不斷俯沖而逐漸向外擴展。巖漿活動在軟碰撞階段主要與俯沖大洋板片擾動軟流圈熱結(jié)構(gòu)有關(guān)[28]，在硬碰撞階段主要受大陸巖石圈俯沖誘發(fā)[71]，在后碰撞階段則與大陸巖石圈拆沉[72]、斷離[73]和撕裂[7]有關(guān)。

扎格羅斯與喜馬拉雅造山帶最大的不同在于，扎格羅斯造山帶主要與斜向碰撞有關(guān)，而喜馬拉雅造山帶主要為正向碰撞造山帶，只有藏東—滇西地區(qū)在始新世后因陸塊旋轉(zhuǎn)而變?yōu)樾毕蚺鲎苍焐綆?。因此，在伊朗高原廣泛發(fā)育大型走滑斷層及伴生的走滑拉分盆地[74]。另外，兩個造山帶雖然都經(jīng)歷了3個階段演化歷程，但造山帶成熟程度有差異。扎格羅斯造山帶僅發(fā)育薄皮構(gòu)造，而喜馬拉雅造山帶則已經(jīng)發(fā)育穿切基底的厚皮構(gòu)造。具有“后碰撞”特征的超鉀質(zhì)巖最早出現(xiàn)在青藏高原是25 Ma[75]，在伊朗高原是11 Ma[56]。這些特征都表明，扎格羅斯和喜馬拉雅造山帶在碰撞造山演化程度上分別代表青年和中年階段[8]。

3 成礦構(gòu)造

雖然碰撞造山作用總體表現(xiàn)為擠壓背景，但碰撞造山過程異常復(fù)雜。每個碰撞造山階段，不同碰撞部位都有擠壓、伸展、走滑等多種構(gòu)造主導(dǎo)的應(yīng)力場。這些構(gòu)造活動對成礦具有重要控制作用[37]。

青藏高原在主碰撞初期主要表現(xiàn)為微弱的擠壓斷裂活動，如羌塘地區(qū)沿擠壓斷裂侵位的花崗質(zhì)巖墻[51]。藏東地區(qū)貢覺盆地在古新世緩慢沉積，而且保留了盆地的原始寬度，說明當(dāng)時沒有受到明顯擠壓[76]。強烈擠壓發(fā)生在始新世(52～42 Ma[77])，形成唐古拉山等逆沖斷裂系，造成可可西里—風(fēng)火山—囊謙—貢覺—蘭坪—劍川—思茅等盆地快速沉積。與上地殼強烈擠壓相反，巖石圈深部卻因板片斷離而伸展[78-79]。這種深部伸展有利于巖漿形成并上升侵位至上地殼，而上地殼的擠壓環(huán)境則保證了巖漿充分分異并出溶成礦流體。沙讓鉬礦(52 Ma[80])、邦布金礦(45 Ma[81])、念扎金礦(44 Ma[82])都形成在這一時期(圖6)。

圖件引自文獻(xiàn)[9]，有所修改圖6 喜馬拉雅和扎格羅斯造山帶礦床發(fā)育Fig.6 Temporal Distributions of Mineral Deposits Within Himalayan and Zagros Orogens

晚碰撞階段擠壓持續(xù)，造成青藏高原腹地唐古拉山逆沖斷裂系和囊謙—風(fēng)火山斷裂系等構(gòu)造系統(tǒng)的第二幕變形，形成大量裂隙系統(tǒng)[83-84]。在擠壓驅(qū)動下，高鹽度的盆地流體萃取早期弧巖漿巖中的金屬，在裂隙中就位成礦，形成東莫扎抓(35 Ma[85])、莫海拉亨、白秧坪(30 Ma[86])等沉積巖容礦的鉛鋅礦床。此外，青藏高原東緣還發(fā)育若干大型走滑剪切斷層[48]。這些斷層切穿地殼[87]，使得下地殼部分熔融的巖漿沿斷裂上升，在地殼淺部就位形成含銅的斑巖體，構(gòu)成玉龍銅礦帶(40～30 Ma[88])。此外，剪切帶外圍的低變質(zhì)帶內(nèi)發(fā)育鎮(zhèn)沅、金廠等一系列金礦床，構(gòu)成哀牢山金礦帶[89]。

后碰撞階段喜馬拉雅造山帶和拉薩地塊上分別發(fā)育SN向和EW向伸展構(gòu)造，分別控制了熱液多金屬礦床和斑巖型銅礦床的就位。SN向伸展構(gòu)造主要由藏南拆離系和其伴生穹窿構(gòu)造組成，以穹窿為中心，形成多金屬成礦組合：核部侵入的淺色花崗巖中伴生鈮鉭鋰鈹錫鎢等礦化[90]；外圍發(fā)育熱液鉛鋅礦化[91]；更外圍則是浸染型和細(xì)脈型銻金礦化[92-93]。EW向伸展構(gòu)造主要為SN向裂谷，控制了含礦斑巖體的串狀產(chǎn)出[94]。

扎格羅斯造山帶主要為一個斜向碰撞造山帶。因此，大型走滑斷層在構(gòu)造演化和成礦過程中扮演著重要角色。很多含礦巖體都與走滑斷層密切相關(guān)，就位于與走滑作用有關(guān)的擠出構(gòu)造、拉分構(gòu)造、扭曲構(gòu)造等形成的空間內(nèi)[95]。典型實例即著名的阿塞拜疆—克爾曼(Arasbaran-Kerman)斑巖型銅礦帶[96]，其構(gòu)造控礦方式與青藏高原玉龍銅礦帶類似。

大陸碰撞造成薩南達(dá)杰—錫爾詹變質(zhì)巖漿帶發(fā)生褶皺逆沖作用并強烈隆升剝蝕。該帶中部賦存有Emarat、Tiran、Iran Kouh等鉛鋅礦床，礦體受與逆斷層相關(guān)的次級構(gòu)造控制[97]。成礦過程與青藏高原腹地的東莫扎抓等鉛鋅礦床相類似。該帶西北部發(fā)育Piranshahr-Saqez-Sardasht造山型金礦帶，礦體就位于擠壓構(gòu)造同期的伸展性斷層和裂隙中[98]。這一點與青藏高原藏南拆離系附近的金銻多金屬礦床相類似。

4 新生地殼

對大洋俯沖帶研究發(fā)現(xiàn)，成礦作用主要與新生地殼有關(guān)[99]。新生地殼含有大量銅金鉛鋅等金屬，為造山型金礦床、斑巖型銅礦床、海底塊狀硫化物礦床等提供了必要金屬來源[100]。過去觀點認(rèn)為，大陸碰撞造山帶主要為古老地殼，其部分熔融會產(chǎn)生鉛鋅鎢錫等小礦床，缺少新生地殼，因而成礦潛力不大[101]。然而，最近研究發(fā)現(xiàn)，盡管現(xiàn)代俯沖帶有大量新生地殼，但是在漫長俯沖過程中，這些新生地殼往往會被俯沖剝蝕。因此，其新生地殼的貢獻(xiàn)量幾乎為0[102]。而大陸碰撞造山帶的新生地殼往往因陸塊拼貼而被保存[38]，尤其以青藏高原和伊朗高原為典型代表，兩者也是以成礦類型多、礦床規(guī)模大而著稱[8]。因此，研究大陸碰撞造山帶內(nèi)新生地殼及其對成礦的貢獻(xiàn)，成為理解大陸碰撞成礦作用的一項重要內(nèi)容。

本文通過兩個造山帶巖漿巖(尤其是幔源巖漿巖)的發(fā)育情況來探討碰撞造山帶新生地殼形成過程。目前資料顯示，碰撞造山帶的新生地殼主要形成在早期俯沖和后期碰撞兩個階段。①青藏高原在印度—亞洲大陸碰撞之前經(jīng)歷了多期俯沖拼合事件，形成有玉樹—甘孜—理塘弧[103]、雜多—江達(dá)—維西弧[104]、岡底斯弧[105]等。這些弧巖漿巖由鈣堿性玄武巖-安山巖-英安巖-流紋巖及相關(guān)侵入體組成。其中的中基性巖大多數(shù)都具有相對虧損的全巖Nd和鋯石Hf同位素組成，是被交代地幔楔部分熔融的產(chǎn)物[31]。這些俯沖階段弧巖漿巖構(gòu)成了大陸碰撞造山帶內(nèi)新生地殼的重要組成部分。大陸碰撞以來，拉薩地塊上的始新世基性巖[106]、云南西南部的馬關(guān)玄武巖[45]等具有虧損的全巖Nd同位素特征，巖漿來源于軟流圈地幔。另外，在羌塘腹地、可可西里、三江地區(qū)和拉薩地塊等還發(fā)育有鉀—超鉀質(zhì)巖、煌斑巖等，具有較高的(87Sr/86Sr)i值和負(fù)εNd(t)值[107-108]，巖漿起源于富集的巖石圈地幔，這些幔源巖漿巖是在碰撞過程中形成的新生地殼。②扎格羅斯造山帶在碰撞之前也經(jīng)歷了多期俯沖過程。不同的是，其侏羅紀(jì)弧巖漿巖多具有較高的(87Sr/86Sr)i值和負(fù)εNd(t)值，是地殼重熔的產(chǎn)物[109]。少量幔源巖體僅出露在西北部Gorveh和東南部Makran等地區(qū)，很可能與俯沖過程的板片窗構(gòu)造有關(guān)[110]。碰撞之時，新生地殼主要為源于富集巖石圈地幔[64]和軟流圈地幔[64-65]的巖漿巖。

無論是青藏高原還是伊朗高原，隨著碰撞造山階段演化，幔源巖石的εNd(t)值出現(xiàn)從高到低，再到高的變化(圖7)，反映了軟流圈→巖石圈→軟流圈幔源巖漿注入地殼的過程。

εNd(t)為年齡t對應(yīng)的εNd值；灰色區(qū)域代表同位素變化范圍，黃綠色箭頭代表隨碰撞造山階段演化的變化趨勢；圖中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[28]、[38]、[45]、[46]、[50]、[51]、[55]～[57]、[60]～[65]、[75]、[107]～[110]圖7 喜馬拉雅和扎格羅斯造山帶幔源巖漿巖全巖Nd同位素特征Fig.7 Nd Isotopic Characteristics of the Mafic Rocks from Himalayan and Zagros Orogens

5 結(jié) 語

(1)大陸碰撞不是一蹴而就，而是表現(xiàn)為軟(主)碰撞、硬(晚)碰撞和后碰撞3個階段演化過程。

(2)大陸碰撞形成的大型構(gòu)造系統(tǒng)常賦存有特定礦床類型，如褶皺逆沖帶與鉛鋅礦床，擠壓有關(guān)伸展構(gòu)造與金銻多金屬熱液礦床，大型走滑斷層與斑巖型銅礦床。

(3)大陸碰撞造山帶保存有早期俯沖和后期碰撞階段的新生地殼。碰撞過程中的新生地殼表現(xiàn)為軟流圈→巖石圈→軟流圈物質(zhì)的連續(xù)加入過程。

謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給長安大學(xué)七十周年華誕，祝福長安大學(xué)桃李成蹊，譽遍瀛洲！我們團(tuán)隊與長安大學(xué)有多年的良好合作，曾推動長安大學(xué)與中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議及聯(lián)合培養(yǎng)研究生合作協(xié)議，團(tuán)隊內(nèi)也有很多科研骨干畢業(yè)于長安大學(xué)。本文是我們團(tuán)隊在大陸碰撞成礦理論方面的階段性成果。該理論的創(chuàng)建和完善離不開翟明國院士、王濤研究員、李文淵研究員、薛春紀(jì)教授等長安大學(xué)校友的幫助和支持，在此一并表示感謝！