長江中下游—大別造山帶中生代火山巖特征及成因

閆 峻

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

中國東部晚中生代巖漿巖廣泛發(fā)育,巖石類型以花崗巖為主,不同構(gòu)造單元的巖石類型、巖石組合和時(shí)空分布等各具特色。位于中國中東部的長江中下游和大別造山帶是空間上緊鄰的兩個(gè)構(gòu)造單元,晚中生代巖漿作用強(qiáng)烈,活動(dòng)時(shí)限分別為150～102 Ma和143～110 Ma[1-6]。這兩個(gè)構(gòu)造單元的火山巖均屬于中間階段巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物,且噴發(fā)時(shí)代均集中在130 Ma左右[5-7],相當(dāng)于東南沿海地區(qū)的晚中生代下火山巖系[8-9],但活動(dòng)持續(xù)時(shí)間更短,且以中基性巖和超堿質(zhì)巖為特色,多數(shù)為幔源巖漿巖,顯著不同于后者以流紋質(zhì)火山巖為主。另外,雖然在形成時(shí)代、巖石類型及演化序列上,長江中下游和大別造山帶的火山巖具有高度的相似性,但其地球化學(xué)特征差異顯著,起源于不同性質(zhì)的地幔源區(qū)[3,10]。

華南東部中生代巖漿作用具有多種構(gòu)造成因模式,可以概括為兩類:一類是板內(nèi)造山模式,包括多板塊匯聚與陸內(nèi)擠壓-伸展模式[11-12],或強(qiáng)調(diào)華南板塊和印支板塊的碰撞[13]。該模式注重華南周邊二疊紀(jì)板塊匯聚作用引發(fā)的陸內(nèi)遠(yuǎn)程效應(yīng)和深大斷裂的活化。另一類是活動(dòng)大陸邊緣模式,對應(yīng)古太平洋板塊向東亞大陸之下的俯沖,具體又包括:俯沖角度的改變[14-15];平板俯沖,隨之破裂(break-off)和回卷(rollback)[16];洋脊俯沖[17]等。該模式強(qiáng)調(diào)俯沖板片析出流體/熔體對上覆地幔楔的交代,突出俯沖板片析出物質(zhì)在巖漿中的直接貢獻(xiàn)。也有學(xué)者提出了包括上述兩大動(dòng)力學(xué)模式的綜合模型[13, 18-19]。不同觀點(diǎn)爭議的焦點(diǎn)是:俯沖古太平洋板塊是否為巖漿作用提供了物質(zhì)貢獻(xiàn),還是僅僅為動(dòng)力學(xué)機(jī)制。關(guān)于巖漿作用是否與俯沖事件存在物質(zhì)上的直接聯(lián)系,相關(guān)信息應(yīng)首先反映在幔源巖漿巖中,作為深部探針,幔源火山巖無疑是探索這一過程的重要載體。

本文從對比的角度,對長江中下游和大別造山帶晚中生代火山巖的時(shí)空分布、巖石類型、地球化學(xué)特征進(jìn)行全面總結(jié);從巖石成因、源區(qū)性質(zhì)和巖漿演化的角度,探索這兩個(gè)構(gòu)造單元火山作用對古太平洋板塊俯沖的響應(yīng),并嘗試?yán)斫庠诮y(tǒng)一的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制下,不同構(gòu)造單元演化歷史的差異對巖漿作用的影響。

1 長江中下游和大別造山帶中生代火山巖時(shí)空分布特征

作為長江中下游中生代巖漿活動(dòng)的重要組成部分,多個(gè)陸相火山巖盆地沿著長江兩岸分布,自西向東分別是金?；鹕綆r盆地、懷寧火山巖盆地、廬樅火山巖盆地、繁昌火山巖盆地、寧蕪火山巖盆地、溧水—溧陽火山巖盆地(圖1)。鄂東南金?；鹕綆r盆地的火山巖自下而上劃分為馬家山組、靈鄉(xiāng)組和大寺組,發(fā)育流紋質(zhì)火山碎屑巖、霏細(xì)巖、玄武巖和玄武質(zhì)安山巖、英安巖和流紋巖(圖2),形成時(shí)代為130～127 Ma[20]。懷寧火山巖盆地僅殘留少量火山巖,主要呈NE向條帶狀分布,自下而上劃分為彭家口組和江鎮(zhèn)組2個(gè)噴發(fā)旋回(圖1)。彭家口組早期以爆發(fā)作用為主,形成角礫凝灰?guī)r,中期主要發(fā)育粗面質(zhì)凝灰熔巖,晚期以沉積作用為主,形成厚度較大的鈣質(zhì)砂泥質(zhì)巖石;江鎮(zhèn)組以噴溢相熔巖為主,巖石組合為粗面玄武巖-玄武粗安巖-粗面巖,晚期出現(xiàn)鉀長流紋巖(圖2)。兩組火山巖的噴發(fā)時(shí)代為130～122 Ma[21-22]。廬樅火山巖盆地為“基底坳陷型”火山盆地,經(jīng)歷4個(gè)噴發(fā)旋回:龍門院組、磚橋組、雙廟組和浮山組,每個(gè)旋回之間為噴發(fā)不整合接觸。龍門院組主體為含角閃石粗面安山巖;磚橋組主要由黑云母/輝石粗面安山巖組成,夾少量粗面巖;雙廟組主體為輝石粗面安山巖,少量粗面巖和粗面玄武巖;浮山組主要由粗面安山巖和粗面巖組成,晚期有少量假白榴石響巖(圖2)。四組火山巖的噴發(fā)時(shí)代為134～127 Ma[23-25]。繁昌火山巖盆地的火山巖自下而上劃分為中分村組、赤砂組、蝌蚪山組3個(gè)噴發(fā)旋回(圖2)。中分村組下段為粉砂巖、沉凝灰?guī)r,上段為粗安巖和流紋巖;赤砂組主要為粗面質(zhì)和流紋質(zhì)熔巖、火山碎屑巖;蝌蚪山組下段主要為沉火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖和正常沉積巖,中段為玄武巖和安山巖,上段為流紋巖。三組火山巖的噴發(fā)時(shí)代為133～130 Ma[7, 26]。寧蕪火山巖盆地呈NNE向展布,為繼承式的中生代陸相盆地?；鹕交顒?dòng)自下而上劃分為龍王山組、大王山組、姑山組和娘娘山組4個(gè)噴發(fā)旋回(圖2)。龍王山組下部主要由淺灰色沉凝灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖、火山集塊巖等組成;上部以熔巖為主,主要為歪長粗面巖、橄欖安粗巖和角閃石安粗巖,夾火山角礫巖。大王山組下部以輝石安粗巖為主,含火山集塊巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖;中部為紫紅色安山巖,局部見凝灰質(zhì)粉砂巖透鏡體;上部主要為灰紅色、淺灰色粗面巖和粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r。姑山組分布范圍小,上部為灰黑色安山巖和英安巖；下部為火山碎屑巖和沉積巖。娘娘山組僅見于盆地西側(cè)娘娘山一帶,下部主要為集塊巖、黝方石響巖質(zhì)熔結(jié)角礫巖;上部為響巖質(zhì)熔結(jié)角礫巖和藍(lán)方石響巖等。四組火山活動(dòng)的時(shí)限為134～130 Ma[7,24,27-28]。溧陽火山巖盆地與溧水火山巖盆地在空間上相鄰,火山巖噴發(fā)旋回和類型都很接近,本文將這兩個(gè)盆地合并,統(tǒng)一采用溧水盆地火山巖劃分方案。溧水—溧陽火山巖盆地自下而上劃分為龍王山組、大王山組、觀山組和甲山組4個(gè)噴發(fā)旋回,地表以出露龍王山組和大王山組為主,觀山組和甲山組出露較少,多數(shù)在鉆孔中揭露。龍王山組以玄武巖、輝石安山巖與安山質(zhì)沉角礫凝灰?guī)r為主。大王山組下部為沉火山角礫巖、沉凝灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖夾頁巖;上部為輝石安山巖、粗安巖、集塊角礫巖夾角礫凝灰?guī)r。觀山組發(fā)育玄武質(zhì)集塊角礫巖、粗安巖和玄武巖,而甲山組下部發(fā)育一套火山碎屑沉積巖,上部以英安質(zhì)流紋巖為主(圖2)。溧水—溧陽火山巖盆地的火山活動(dòng)時(shí)限為135～128 Ma[29-30]。

圖1 長江中下游和大別造山帶構(gòu)造框架及晚中生代巖漿巖分布圖Fig. 1 Sketch map showing the tectonic framework of the Dabie Orogen and the Middle-Lower Yangtze River Belt and the distributions of Late Mesozoic magmatic rocks

圖2 長江中下游和大別造山帶中生代火山巖盆地火山巖地層柱狀略圖(據(jù)區(qū)調(diào)報(bào)告資料編繪,年齡資料來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 2 Mesozoic volcanic histograms of the Middle-Lower Yangtze River Belt and the Dabie Orogen (compilation based on field survey report, age data sources after [4] and references therein)

大別造山帶廣泛發(fā)育晚中生代火山巖,主要出露在北淮陽構(gòu)造帶,由于北大別和南大別等構(gòu)造單元在燕山期發(fā)生強(qiáng)烈的熱穹窿,目前出露的主要為侵入巖,僅在岳西桃源寨、飛旗寨一帶零星發(fā)育火山巖,主要為剝蝕殘留。北淮陽晚中生代火山巖沿金寨—霍山—舒城一線發(fā)育,呈NWW 向展布,向東止于郯廬斷裂帶,由西向東分布金寨、曉天、霍山—舒城3個(gè)火山盆地(圖1)。金寨火山盆地的火山活動(dòng)包括金剛臺組和陳棚組2個(gè)旋回(圖2)。金剛臺組下部為流紋質(zhì)、粗安質(zhì)和安山質(zhì)熔巖及碎屑巖,上部發(fā)育粗面質(zhì)、粗安質(zhì)和流紋質(zhì)熔巖及碎屑巖,噴發(fā)時(shí)代為129～128 Ma[31-32]。陳棚組火山巖在金寨火山盆地西北部出露,以流紋質(zhì)、英安質(zhì)和粗安質(zhì)碎屑巖為主,少量熔巖,噴發(fā)時(shí)代約為125 Ma[31]。曉天盆地自下而上劃分為毛坦廠組、曉天組和望母山組。毛坦廠組火山巖分布最廣泛,主要為安山巖-粗安巖組合,噴發(fā)時(shí)代為133～129 Ma[10,33]。曉天組主要為玄武巖、輝石安山巖、安山巖、粗安質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、 凝灰質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)粉砂巖及頁巖、泥灰?guī)r等,形成時(shí)代約為127 Ma(課題組未發(fā)表數(shù)據(jù))。望母山組為一套成分單一的粗面質(zhì)角礫(集塊)熔巖、粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r及潛火山巖相粗面斑巖,形成時(shí)代約為125 Ma(課題組未發(fā)表數(shù)據(jù))。霍山—舒城盆地自下而上劃分為黃石灘組、白云庵組和響洪甸組(圖2)。黃石灘組主要發(fā)育粗安巖、安山巖及火山碎屑巖,噴發(fā)時(shí)代約為133 Ma(課題組未發(fā)表數(shù)據(jù))。白云庵組為粗面質(zhì)、英安質(zhì)、流紋質(zhì)熔巖及碎屑巖,噴發(fā)時(shí)代約為128 Ma(課題組未發(fā)表數(shù)據(jù))。響洪甸組為堿性玄武巖-響巖組合,下部為含假白榴石堿性(鉀長)粗面質(zhì)-堿玄質(zhì)-白榴石響巖質(zhì)凝灰?guī)r、角礫巖、集塊巖、角礫熔巖、熔巖;中部為假白榴石響巖質(zhì)凝灰?guī)r、角礫巖、凝灰熔巖、凝灰質(zhì)粉砂巖組成韻律互層;上部為假白榴石響巖質(zhì)-含假白榴石堿性(鉀長)粗面質(zhì)集塊巖、集塊熔巖。目前,響洪甸組火山巖尚無精確的年代學(xué)數(shù)據(jù),侵入其中的霓輝正長巖鋯石U-Pb年齡為(125.2±2.9) Ma(課題組未發(fā)表數(shù)據(jù)),結(jié)合響洪甸組平行不整合接觸于毛坦廠組和金剛臺組之上[34],可以將響洪甸組的噴發(fā)時(shí)代限定在125 Ma左右。

從現(xiàn)今分布來看,長江中下游和大別造山帶北淮陽地區(qū)的晚中生代火山巖均為近EW向分布,似乎與中國東部近SN向燕山期巖漿巖帶的分布不協(xié)調(diào)。但是,大別造山帶腹地依然零星出露同時(shí)代的火山巖,江南造山帶也有少量火山巖殘留,因此,晚中生代的火山活動(dòng)可能也是呈SN向或者呈面狀分布。由于大別造山帶腹地和江南造山帶隨著巨量晚中生代花崗質(zhì)巖漿的上侵而發(fā)生熱穹窿,經(jīng)歷剝蝕后火山巖僅零星殘留,廣泛出露花崗巖巖基(圖1)。長江中下游和北淮陽地區(qū)晚中生代火山巖受當(dāng)時(shí)斷陷構(gòu)造限定,保存較完整。時(shí)代上,長江中下游地區(qū)火山活動(dòng)主體時(shí)代為135～127 Ma(圖3(b)),僅懷寧火山盆地晚期流紋巖噴發(fā)時(shí)代晚至122 Ma;大別造山帶北淮陽地區(qū)火山活動(dòng)時(shí)代為133～125 Ma(圖3(a)),兩者均在早白堊世發(fā)育,且火山活動(dòng)時(shí)限基本一致,指示均處在統(tǒng)一的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景之下。

圖3 大別造山帶(a)和長江中下游地區(qū)(b)中生代巖漿巖年齡直方圖(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 3 Histograms of Late Mesozoic magmatic rock ages from the Dabie Orogen (a) and the Middle-Lower Yangtze River Belt (b) (data sources after [4] and references therein)

2 火山巖地球化學(xué)特征

不同于晚中生代侵入巖以花崗質(zhì)為主,長江中下游和大別造山帶早白堊世火山巖廣泛發(fā)育中基性巖,反映了該時(shí)期強(qiáng)烈的殼幔相互作用。長江中下游包含兩種類型的火山巖盆地:一類發(fā)育雙峰式火山巖,玄武巖和流紋巖先后或交互噴發(fā),包括金?；鹕綆r盆地和繁昌火山巖盆地,這類火山巖多數(shù)為高鉀鈣堿性系列巖石(圖4);另一類主要發(fā)育堿性火山巖,屬于橄欖安粗巖(shoshonite)系列(圖4),包括懷寧盆地、廬樅盆地、寧蕪和溧水—溧陽盆地火山巖[22,25,27,35]。其中,廬樅盆地最晚期浮山組、寧蕪盆地最晚期娘娘山組、懷寧盆地彭家口組和江鎮(zhèn)組火山巖最富堿(本文稱之為超堿質(zhì)火山巖)(圖4),巖石類型出現(xiàn)響巖。這些超堿質(zhì)火山巖SiO2含量多數(shù)為50%～65%,以粗面玄武巖、玄武粗安巖、粗面巖、粗安巖和響巖為主。這些橄欖安粗巖系列巖石并非超鉀質(zhì)巖石,絕大多數(shù)樣品的K2O/Na2O值<2,多數(shù)樣品的K2O/Na2O值為0.5～1.5。

圖4 長江中下游地區(qū)早白堊世火山巖(K2O+Na2O)-SiO2 (a)和K2O-SiO2 (b)圖解(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 4 Diagrams of (K2O+Na2O)-SiO2 (a) and K2O-SiO2 (b) for the Early Cretaceous volcanics in the Middle-Lower Yangtze River Belt (data sources after [4] and references therein)

大別造山帶早白堊世火山巖也主要發(fā)育兩種類型:一類是高鉀鈣堿性系列,包括除了響洪甸組以外的火山巖(圖5)。這類巖石SiO2含量多數(shù)為53%～70%,以玄武質(zhì)粗面安山巖、粗面安山巖和粗面英安巖為主;另一類是以響洪甸組火山巖為代表的超鉀質(zhì)巖石,屬于橄欖安粗巖系列,K2O/Na2O值多數(shù)為2～9[6,36]。長江中下游和大別造山帶早白堊世火山活動(dòng)的顯著特征是:二者均以高鉀鈣堿性巖石為主,晚期出現(xiàn)超堿質(zhì)響巖。與東南沿海晚中生代火山巖明顯不同的是,前者常見基性火山巖和中性火山巖,后者以酸性火山巖為主。

圖5 大別造山帶早白堊世火山巖(K2O+Na2O)-SiO2 (a)和 K2O-SiO2 (b)圖解(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 5 Diagrams of (K2O+Na2O)-SiO2 (a) and SiO2-K2O (b) for the Early Cretaceous volcanics in the Dabie Orogen (data sources after [4] and references therein)

長江中下游和大別造山帶早白堊世火山巖均表現(xiàn)出相似的稀土元素和微量元素配分型式,即富集大離子親石元素Th、U、Pb和LREE,虧損高場強(qiáng)元素Nb、Ta、P和Ti和HREE。這種微量元素特征顯著不同于洋中脊玄武巖(MORB)或洋島玄武巖(OIB),表現(xiàn)出島弧巖漿巖或殼源巖漿巖的特征。部分火山巖具有Eu負(fù)異常,HREE分異程度也不相同,其中兩個(gè)地區(qū)的晚期超堿質(zhì)火山巖均表現(xiàn)出更高的Tb/Yb值,指示巖漿源區(qū)深度加大。

圖6 大別造山帶和長江中下游地區(qū)早白堊世火山巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線圖(a,c)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b,d)(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值引自文獻(xiàn)[37],原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值引自文獻(xiàn)[38],數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 6 Chondrite-normalized rare earth element patterns(a,c) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams(b,d) for the Early Cretaceous volcanics in the Dabie Orogen and the Middle-Lower Yangtze River Belt (the chondrite-normalized values are from [37], the primitive mantle normalized values are from [38], data sources after [4] and references therein)

圖7 大別造山帶和長江中下游早白堊世火山巖K2O/Na2O-Tb/Yb相關(guān)圖(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn) [4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 7 K2O/Na2O-Tb/Yb plot of the Early Cretaceous volcanics in the Dabie Orogen and the Middle-Lower Yangtze River Belt (data sources after [4] and references therein)

雖然在巖石類型和元素特征上,大別造山帶和長江中下游早白堊世火山巖具有一定的相似性,但兩者的同位素組成卻存在顯著差異,具體表現(xiàn)為:大別造山帶早白堊世火山巖具有高度富集的Sr-Nd-Hf同位素組成和低放射性成因Pb同位素組成(圖8(a),圖9,圖10),87Sr/86Sr(t)多數(shù)為0.707 0～0.711 0,εNd(t)多數(shù)為-15～-25,鋯石εHf(t)為-14～-37,206Pb/204Pb(t)<17.5;長江中下游早白堊世火山巖為弱富集的Sr-Nd-Hf同位素組成和高放射性成因Pb同位素組成(圖8(b),圖9,圖10),87Sr/86Sr(t)多數(shù)為0.704 6～0.707 0,εNd(t)多數(shù)為0～-10,鋯石εHf(t)為+4～-13,206Pb/204Pb(t)>18.0。同位素特征表明,這兩個(gè)構(gòu)造單元的同時(shí)期火山巖起源于性質(zhì)完全不同的源區(qū)。

北大別片麻巖數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[39-42];中大別—南大別片麻巖和南大別榴輝巖數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[40-43];崆嶺群數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[44];陡嶺群數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[45];全球大洋平均沉積物(GLOSS)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[46];火山巖數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn)。圖8 大別造山帶(a)和長江中下游(b)早白堊世火山巖εNd(t)-87Sr/86Sr(t)相關(guān)圖Fig. 8 εNd(t)-87Sr/86Sr(t) plot of the Early Cretaceous volcanics in the Dabie Orogen (a) and the Middle-Lower Yangtze River Belt(b)

圖9 大別造山帶和長江中下游早白堊世火山巖鋯石年齡-εHf(t)圖解(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 9 Zircon age vs. εHf(t) diagrams of the Early Cretaceous volcanics in the Dabie Orogen and the Middle-Lower Yangtze River Belt (data sources after [4] and references therein)

3 火山巖成因及其對源區(qū)性質(zhì)的指示

長江中下游和大別造山帶早白堊世火山巖以基性巖-中性巖為主,少量流紋質(zhì)巖石,指示其主體為幔源巖漿成因[47-48]。而超堿質(zhì)(包括超鉀質(zhì))火山巖普遍認(rèn)為是富集地幔低程度部分熔融的產(chǎn)物[49-54]。因此,長江中下游和大別造山帶早白堊世火山巖反映了較強(qiáng)烈的地幔部分熔融和殼幔相互作用的存在。

3.1 長江中下游早白堊世火山巖

長江中下游早白堊世火山巖無論是橄欖安粗巖系列巖石,還是雙峰式火山巖,均表現(xiàn)為富集LREE、LILE和Pb,虧損Nb和Ta等高場強(qiáng)元素,具有弱富集的Sr-Nd-Hf同位素和高放射成因Pb同位素組成的特征(圖6,圖8,圖9,圖10),是大陸地殼和弧巖漿巖的典型標(biāo)志[55-57]。這種特征可以通過幔源巖漿上侵過程中的地殼混染,或者源區(qū)中地殼組分的加入而產(chǎn)生。然而,對于SiO2<65%的巖石,隨著SiO2含量的變化,εNd(t)值幾乎無相關(guān)性的改變(圖11),表明其受地殼混染的影響較輕微。尤其是,雖然寧蕪盆地娘娘山組響巖具有較高SiO2含量(約60%),但是卻具有長江中下游地區(qū)同期巖漿巖中最虧損的Sr-Nd同位素組成(圖8,圖11),確切地指示了其幔源成因以及輕微的地殼混染。因此,這種具有弧巖漿性質(zhì)的地球化學(xué)特征反映了源區(qū)地殼物質(zhì)的加入。除了晚期的娘娘山組響巖以外,這些中基性火山巖的源區(qū)均為交代的富集地幔,火山巖化學(xué)成分的變化更多是由于部分熔融程度和結(jié)晶分異所導(dǎo)致。另外,流紋質(zhì)火山巖具有相對富集的同位素組成,指示其主體為殼源或殼?；煸闯梢?。

圖10 大別造山帶和長江中下游早白堊世火山巖Pb同位素相關(guān)圖(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 10 Pb isotopic plots of the Early Cretaceous volcanics in the Dabie Orogen and the Middle-Lower Yangtze River Belt (data sources after [4] and references therein)

圖11 大別造山帶和長江中下游早白堊世火山巖SiO2-εNd(t)相關(guān)圖(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 11 SiO2-εNd(t) plot of the Early Cretaceous volcanics in the Dabie Orogen and the Middle-Lower Yangtze River Belt (data sources after [4] and references therein)

地殼物質(zhì)加入地幔的方式主要為拆沉和俯沖[57]。拆沉地殼主要為下地殼物質(zhì),一般具有富集的Sr-Nd同位素組成和低放射性成因Pb同位素組成[58-59],顯著不同于長江中下游火山巖的弱富集Sr-Nd同位素和高放射性成因Pb同位素組成(圖8,圖11),表明火山巖的地幔源區(qū)交代物質(zhì)來源于俯沖板片[60-61]。

俯沖板片析出物質(zhì)交代上覆地幔楔,往往是隨著俯沖深度的不同,析出交代介質(zhì)以不同元素親和性的富水流體和含水熔體為主,其中富水流體易溶解、搬運(yùn)Pb和LILE,而Th和LREE則傾向進(jìn)入到含水熔體中[61-62]。因此,這兩種交代介質(zhì)對地幔源區(qū)的相對貢獻(xiàn)程度可以通過火山巖不同活動(dòng)性的元素比值來鑒別[63]。長江中下游中基性火山巖絕大多數(shù)表現(xiàn)為高的Th/Yb值和低的Ba/Th值,在相關(guān)圖上呈現(xiàn)出源區(qū)主要為含水熔體交代的趨勢(圖12(a))。而在含水熔體來源上,俯沖板片攜帶的陸源沉積物和深海沉積物具有不同程度的貢獻(xiàn)(圖12(b))。另外,這些巖石均具有高的放射性成因Pb同位素組成和弱富集的Sr-Nd同位素組成(圖8,圖10),指示地幔交代介質(zhì)主要為大洋沉積物來源的熔體,而非玄武質(zhì)洋殼部分熔融的熔體。

圖12 大別造山帶和長江中下游早白堊世火山巖Ba/Th-Th/Yb(a)和Th/Yb-Lu/Hf(b)圖解(數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]及其引用文獻(xiàn))Fig. 12 Ba/Th-Th/Yb (a) and Th/Yb-Lu/Hf (b) plots of the Early Cretaceous volcanics in the Dabie Orogen and the Middle-Lower Yangtze River Belt (data sources after [4] and references therein)

長江中下游寧蕪火山盆地娘娘山組響巖表現(xiàn)出不同的地球化學(xué)特征,主要因其具有該區(qū)火山巖中富集程度最低的Nd同位素組成(圖8),以及與寧蕪火山盆地下伏各組火山巖相比最高的全堿含量和K2O含量。因此,娘娘山組響巖具有較高的SiO2含量和K2O+Na2O含量,指示其經(jīng)歷了一定程度的結(jié)晶分異,但其接近虧損的Nd同位素組成以及弧巖漿微量元素特征,明確地指示其起源于同樣受到俯沖板片析出物質(zhì)的交代地幔源區(qū),但可能為地幔楔中的軟流圈區(qū)域。這個(gè)認(rèn)識還可以被娘娘山組響巖具有與下伏各組火山巖相比最高的Tb/Yb值所佐證(圖7),隨著巖漿部分熔融深度的增加,石榴子石殘留相出現(xiàn),巖漿將具有更高的Tb/Yb值[64]。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果表明,泥質(zhì)巖(相當(dāng)于大洋陸源沉積物)在3.0 GPa壓力下發(fā)生部分熔融,產(chǎn)生K2O/Na2O值約為1.5的富鉀熔體,而壓力的提高會增加K2O/Na2O值[65]。娘娘山組響巖的K2O/Na2O值為1.2～2.2,平均值為1.4[3],大于下伏火山巖K2O/Na2O值(0.4～3.3)(平均值為1.2)[66],也表明娘娘山組響巖起源更深,約為90 km。

綜上所述,長江中下游地區(qū)早白堊世火山巖主要起源于受俯沖大洋板塊陸源沉積物來源含水熔體交代的巖石圈地幔,晚期巖漿起源于更深的受類似介質(zhì)交代的軟流圈地幔,考慮到軟流圈在早白堊世也同樣受到了交代,推斷俯沖板片為古太平洋板塊,而非新元古代俯沖交代事件[25, 67]。少量流紋質(zhì)火山巖指示在幔源巖漿帶來熱或流體的影響下,地殼也發(fā)生了部分熔融。

3.2 大別造山帶早白堊世火山巖

大別造山帶早白堊世火山巖大致可分為高鉀鈣堿性系列和超鉀質(zhì)系列兩類(圖5),后者主要指響洪甸組響巖,形成于該地區(qū)火山活動(dòng)的晚階段。地殼巖石部分熔融產(chǎn)生的熔體通常具有較高的SiO2含量和低Mg#值的特征[47-48]。盡管大別造山帶早白堊世高鉀鈣堿性系列火山巖主量及微量元素含量變化很大,但部分樣品SiO2含量低至50%、Mg#值高至63.6,同時(shí)具有高Cr(最高含量達(dá)500×10-6)與Ni(最高含量達(dá)132×10-6)含量[10],且隨著SiO2含量的變化,同位素組成基本保持不變(圖11),表明這些主體為中性的火山巖主要起源于地幔巖石的部分熔融。

大別造山帶高鉀鈣堿性系列火山巖與長江中下游地區(qū)火山巖的地球化學(xué)特征顯著不同,即具有一致的弧巖漿微量元素特征(圖6(b))、高度富集的Sr-Nd-Hf同位素組成(圖8,圖9)和低放射性成因Pb同位素組成(圖10)。這些特征表明,地幔源區(qū)加入的交代地殼組分完全不同于長江中下游地區(qū)來自俯沖大洋板塊的交代介質(zhì)。一系列的證據(jù)表明,大別造山帶早白堊世存在同位素高度富集的巖石圈地幔,是因?yàn)槠涫艿搅祟愃票贝髣e片麻巖地殼物質(zhì)的交代。印支期,地殼物質(zhì)由俯沖華南陸塊帶入到地幔楔。① 高鉀鈣堿性系列火山巖的Sr-Nd-Hf同位素組成與北大別片麻巖類似(圖8,圖9),尤其是特征性的低放射性成因Pb同位素組成完全落入北大別片麻巖范圍內(nèi)(圖10),后者普遍被認(rèn)為可代表華南陸塊中下地殼[68-69]。② 高鉀鈣堿性火山巖中常見繼承鋯石,具有新元古代的原巖和三疊紀(jì)的變質(zhì)年齡,且部分繼承鋯石具有顯著低于地幔的δ18O值[70-71],這些特征是大別變質(zhì)巖的典型標(biāo)志[72-73]。③ 大別造山帶起源于巖石圈地幔的基性巖形成時(shí)代與火山巖基本一致(圖3(a)),其地球化學(xué)特征與高鉀鈣堿性系列火山巖具有較高的相似性,即弧巖漿的微量元素特征、高度富集的Sr-Nd-Hf同位素組成、低放射成因Pb同位素組成以及發(fā)育低δ18O的鋯石。這些基性巖被認(rèn)為起源于受俯沖華南陸殼物質(zhì)交代的巖石圈地幔[74-75]。

三疊紀(jì),在華北板塊與華南板塊大陸碰撞過程中,俯沖華南地殼來源(長英質(zhì)熔體)可與地幔楔橄欖巖發(fā)生反應(yīng),在地幔楔橄欖巖內(nèi)形成鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)脈體[76]。這種熔體-橄欖巖反應(yīng)會產(chǎn)生貧橄欖石的巖石,如石榴輝石巖、石榴角閃石巖和輝石石榴石巖。這種交代巖石組分比大陸巖石圈地幔方輝橄欖巖和純橄巖更飽滿,因此更容易發(fā)生部分熔融。根據(jù)實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果,輝石巖部分熔融能夠產(chǎn)生玄武質(zhì)-安山質(zhì)甚至英安質(zhì)熔體[77]。因此,大別造山帶早白堊世高鉀鈣堿性系列火山巖起源于受俯沖陸殼來源熔體交代的地幔楔,且相比早白堊世基性巖,源區(qū)有更多地殼組分的加入。

目前,普遍認(rèn)為超鉀質(zhì)火山巖是富集地幔低程度部分熔融的產(chǎn)物[49-54]。雖然大別造山帶早白堊世超鉀質(zhì)火山巖具有中性成分的SiO2含量(圖5),但其高度富鉀的特征是大別造山帶廣泛發(fā)育的殼源(早白堊世花崗巖)所不具備的。另外,與高鉀鈣堿性系列火山巖相比,這些超鉀質(zhì)火山巖具有富集程度更弱的Sr-Nd同位素組成,也指示其為幔源巖漿的產(chǎn)物。大別造山帶超鉀質(zhì)火山巖同樣具有弧巖漿微量元素特征和富集的Sr-Nd-Hf同位素組成(圖8,圖9),指示源區(qū)有類似于高鉀鈣堿性系列火山巖源區(qū)的地殼組分加入。雖然地幔低程度部分熔融可以產(chǎn)生更高堿質(zhì)的巖漿,但大別造山帶超鉀質(zhì)火山巖的K2O/Na2O值多數(shù)為1.2～9.0,平均值為5.0[6],高度富鉀,并非單純低程度部分熔融可以解釋。研究表明,多硅白云母在2.5～5.0 GPa壓力下發(fā)生分解,可以形成富鉀熔體進(jìn)入地幔楔[78]。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果顯示,當(dāng)壓力達(dá)到5.0 GPa時(shí),泥質(zhì)巖的部分熔融可形成K2O/Na2O值為5的熔體,對應(yīng)多硅白云母的分解[65]?？紤]到多硅白云母是大別造山帶變質(zhì)巖中的常見礦物[43],而大別碰撞造山帶俯沖陸殼深度可達(dá)200 km[79],因此,我們認(rèn)為大別造山帶超鉀質(zhì)火山巖起源于俯沖華南陸殼在5.0 GPa壓力下,由于多硅白云母發(fā)生分解形成的超鉀質(zhì)熔體。

綜上所述,大別造山帶早白堊世高鉀鈣堿性系列火山巖形成于碰撞后環(huán)境,起源于受印支期俯沖華南中下地殼部分熔融的長英質(zhì)熔體交代的巖石圈地幔,雖然交代作用發(fā)生在印支期,或許由于冷的陸殼俯沖,當(dāng)時(shí)的地幔楔環(huán)境達(dá)不到交代熔融的條件。隨后,在早白堊世拉張環(huán)境下,地溫梯度升高,被交代的地幔楔發(fā)生部分熔融。晚階段的超鉀質(zhì)火山巖同樣起源于俯沖陸殼交代的地幔,但熔體起源更深,處在軟流圈區(qū)域。

4 火山活動(dòng)及其對古太平洋板塊俯沖的指示

華南東部廣泛發(fā)育的中生代巖漿活動(dòng)與古太平洋板塊俯沖有關(guān),關(guān)于具體的俯沖方式包括:俯沖角度的改變[14];平板俯沖,隨之破裂和回卷[16];洋脊俯沖[17]等。不同于典型的環(huán)太平洋巖漿弧,華南東部缺乏典型的火山島弧,以花崗巖和流紋巖為主的巖漿巖中很難限定俯沖大洋板片的直接物質(zhì)貢獻(xiàn)。因此,古太平洋板塊俯沖和華南東部巖漿作用之間是既有物質(zhì)上也有動(dòng)力上的成因聯(lián)系,還是只有動(dòng)力學(xué)機(jī)制,一直存在爭議。據(jù)此,CHEN L等[25, 67]認(rèn)為早白堊世,長江中下游地區(qū)存在交代富集的巖石圈地幔,但交代事件發(fā)生在新元古代的大洋板片俯沖,而非古太平洋板塊。顯然,甄別古太平洋板塊俯沖是否在晚中生代巖漿作用中存在物質(zhì)貢獻(xiàn),對理解該時(shí)期大地構(gòu)造背景和演化過程至關(guān)重要。

長江中下游早白堊世中基性火山巖的地球化學(xué)特征,證明地幔源區(qū)存在來源于俯沖大洋板塊沉積物的熔體貢獻(xiàn),但弱富集的Sr-Nd-Hf同位素組成和高放射性成因Pb同位素組成很難區(qū)別俯沖交代是何時(shí)發(fā)生的。僅從地球化學(xué)特征來看,新元古代和中生代大洋板塊俯沖交代都有可能。然而,長江中下游地區(qū)早白堊世堿性火山巖來源于受俯沖大洋板片析出物質(zhì)交代的軟流圈地幔,確切地指示了俯沖交代事件發(fā)生在巖漿活動(dòng)的同時(shí)期,對應(yīng)了俯沖大洋板片的回卷。因此,長江中下游早白堊世火山巖記錄了古太平洋板塊俯沖的物質(zhì)貢獻(xiàn),對應(yīng)了古太平洋板塊低角度俯沖至長江中下游地區(qū),隨后在約130 Ma時(shí)發(fā)生了俯沖板片的回卷。

大別造山帶早白堊世火山巖具有高度富集的Sr-Nd-Hf同位素組成和低放射成因Pb同位素組成,完全不同于俯沖大洋板片沉積物的特征。換言之,在同時(shí)期大別造山帶的幔源巖漿巖中,還缺少古太平洋板片的物質(zhì)信息,大別造山帶早白堊世地幔源區(qū)卻具有俯沖華南陸殼的強(qiáng)烈貢獻(xiàn)。類似于長江中下游地區(qū),雖然大別造山帶晚中生代火山活動(dòng)從早到晚也表現(xiàn)出起源深度的加大,從巖石圈地幔到軟流圈地幔,地幔交代介質(zhì)卻完全不同。從造山帶演化的角度,大別造山帶晚中生代火山活動(dòng)對應(yīng)了造山后的垮塌、巖石圈根的斷離,但其活動(dòng)時(shí)限與長江中下游晚中生代火山活動(dòng)幾乎一致,說明兩者對應(yīng)的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景具有統(tǒng)一性。

另外,長江中下游與大別造山帶火山活動(dòng)的時(shí)限在東南沿海地區(qū)中生代下火山巖系的時(shí)間范圍內(nèi),后者大致呈NE向分布,而長江中下游與大別造山帶現(xiàn)今保留的火山巖均呈近EW向分布,且深入內(nèi)陸地區(qū)。或許晚侏羅世,郯廬斷裂帶大規(guī)模左旋平移,而郯廬斷裂帶不經(jīng)過長江,作為物質(zhì)調(diào)整,斷裂帶兩側(cè)發(fā)育一系列近EW向分布的逆沖推覆斷層。在晚侏羅世—早白堊世,該地區(qū)轉(zhuǎn)為拉張的構(gòu)造背景,之前長江中下游地區(qū)與大別造山帶北淮陽地區(qū)存在的逆沖帶轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)造薄弱帶,是這兩個(gè)地區(qū)火山噴發(fā)和空間分布的控制因素。

長江中下游與大別造山帶早白堊世火山巖地球化學(xué)特征及成因差異表明,雖然具有統(tǒng)一的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景,但各區(qū)域的巖漿活動(dòng)在類型、組合及地球化學(xué)特征上均受之前的巖石圈結(jié)構(gòu)的重要影響,這或許是中國東部不同構(gòu)造區(qū)晚中生巖漿活動(dòng)各具特色的關(guān)鍵因素之一。

5 主要認(rèn)識

(1)長江中下游地區(qū)中生代火山巖噴發(fā)時(shí)代集中在135～127 Ma,包括高鉀鈣堿性系列雙峰式巖石與橄欖安粗巖系列中基性巖石兩種類型。其中,中基性火山巖起源于受俯沖大洋板片沉積物部分熔融的熔體交代的巖石圈地幔,晚階段的超堿質(zhì)火山巖起源于類似交代介質(zhì)交代的軟流圈地幔,指示巖漿源區(qū)的加深,對應(yīng)了俯沖板片的回卷。

(2)大別造山帶中生代火山活動(dòng)時(shí)限為133～125 Ma,包括高鉀鈣堿性系列和超鉀質(zhì)系列兩種主要類型。前者起源于交代的巖石圈地幔,交代介質(zhì)為印支期深俯沖的華南中下地殼析出的硅質(zhì)熔體。晚階段的超鉀質(zhì)火山巖起源更深,是深俯沖的華南陸殼在高壓下,多硅白云母分解產(chǎn)生熔體交代的地幔源區(qū),對應(yīng)了造山帶的垮塌和巖石圈的拆沉。

(3)中生代,長江中下游地區(qū)幔源火山巖記錄了俯沖的古太平洋板塊的物質(zhì)貢獻(xiàn),而大別造山帶地幔源區(qū)更多地記錄了印支期俯沖陸殼的信息。兩個(gè)構(gòu)造單元的巖漿作用發(fā)生在統(tǒng)一的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制下,但由于早先構(gòu)造演化歷史不同,雖然同為華南板塊物質(zhì)組分特征,但巖漿作用表現(xiàn)出明顯的巖石圈結(jié)構(gòu)物質(zhì)繼承性。