隨著新特提斯洋(Neo-Tethys ocean)的閉合,印度和歐亞大陸發生碰撞最終導致了青藏高原的形成。青藏高原作為陸陸碰撞造山帶的代表,是研究陸陸碰撞造山過程的經典地區,長期以來受到了國內外學者的廣泛關注。然而,該造山作用的一些重要過程還不甚明確,其中一個重要科學問題就是新特提斯洋板片的斷離時間。大洋板片斷離是造山帶演化過程中的關鍵環節之一,大洋板片斷離後主導大洋俯衝-大陸會聚的重要動力(深部板片拖拽力)會消失,軟流圈會沿著斷離帶發生快速上湧加熱上覆板塊。因此,大洋板片斷離往往對造山帶演化產生明顯的影響,如超高壓巖石的折返、造山帶的快速抬升、強烈的巖漿活動、塊體間會聚速率明顯減小(甚至會聚停止)等。沿著雅魯藏布縫合帶新特提斯洋板片橫向延伸超過2500公裡(圖1A),但目前能夠有效制約其斷離的直接地質證據主要局限在青藏高原喜馬拉雅西緣的西構造結(南迦巴爾特)地區,如超高壓巖石的折返和地震層析成像觀測等;而縫合帶中、東部地區板片斷離的時間還缺乏直接證據的約束。
中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化研究室副研究員紀偉強、研究員吳福元及合作者針對上述問題,選擇青藏高原南部喜馬拉雅東段朗山輝長巖進行了研究(圖1)。朗山輝長巖侵位於江孜地區特提斯喜馬拉雅晚白堊世-早第三紀宗卓組中。該輝長巖的形成年齡是始新世中期(榍石SIMS U-Pb定年結果:45.0±1.4 Ma,圖2A),具有HIMU-OIB(洋島玄武巖)型地球化學特徵(圖3A)和虧損的Sr-Nd同位素組成(磷灰石原位分析:87Sr/86Sr(t) = 0.70312 ~ 0.70317、εNd(t) = +4.9 ~ +5.0)。根據巖石的稀土元素配分形式和熔融條件估算表明,其來自於淺部石榴石相地幔的熔融。通過詳細的源區識別和成因機制分析,他們認為該巖石最可能的源區為受大洋板片熔體交代的軟流圈地幔,並且巖漿形成後運移、侵位過程中未受到明顯的陸殼物質混染(圖3),最可能的成因機制為新特提斯洋板片的斷離作用。
該發現對陸陸碰撞造山帶巖漿作用成因和造山帶演化研究方面都具有重要的科學意義。這是青藏高原內部第一次報導與新特提斯洋板片斷離相關的軟流圈來源的巖漿記錄;並且在全球範圍內的陸陸碰撞造山帶中,受陸殼混染程度如此之小的軟流圈來源熔體也很罕見。該研究為第一次對青藏高原內部新特提斯洋板片東段的板片斷離作用進行可靠的制約。他們結合縫合帶沿線的其它相關地質記錄,提出新特提斯洋板片在約45Ma發生了整體的斷離事件,並且斷離深度較大。該斷離模型可以解釋同期發育的西構造結最年輕超高壓巖石的形成(46Ma)、縫合帶沿線短暫的小規模巖漿活動(46-42Ma)、活動陸緣一側弧巖漿作用的停止(45-40Ma)以及印度-歐亞大陸會聚速率的變緩(約45Ma)等地質現象。
該研究成果發表在2016年4月出版的國際地學期刊GEOLOGY(Ji et al. Eocene Neo-Tethyan slab breakoff constrained by 45 Ma oceanic island basalt-type magmatism in southern Tibet. GEOLOGY, 2016, 44(4): 283-286)。
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圖1 研究區構造位置和構造簡圖。圖中帶圈數字指示了縫合帶沿線約45Ma板片斷離相關地質記錄的分布。1~6為巖漿活動記錄分布(46~42 Ma);7和8為超高壓變質巖記錄分布(西構造結東西兩側Tso Morari和Kaghan Valley最年輕的超高壓變質記錄都在約45Ma)。
圖2 (A)朗山輝長巖榍石SIMS U-Pb定年結果和(B)藏南地區雅魯藏布縫合帶兩側新生代巖漿活動年代學特徵。縫合帶南側(被動陸緣一側)特提斯喜馬拉雅地區碰撞後最早的巖漿活動為46~42Ma,與板片斷離引起的熱擾動有關;縫合帶北側(活動陸緣一側)弧巖漿作用在45~40Ma停止,則與板片斷離後印度大陸巖石圈向北運動屏蔽了深部來源的熱有關。
圖3 朗山輝長巖地球化學特徵與洋島玄武巖(OIB)巖石相似,與大陸地殼組成(CC)差別明顯,並且沒有受到明顯的陸殼物質混染。
圖4 朗山輝長巖的Sr-Nd同位素組成特徵與Cook-Austal Islands的HIMU-OIB巖石非常相似。輝長巖全巖Sr同位素組成明顯富集(87Sr/86Sr(t)值偏高)與後期蝕變相關,但是輝長巖中磷灰石的Sr同位素可以保留原始特徵。
圖5 朗山輝長巖成因與約45Ma新特提斯洋板片的深部斷離有關