西藏南部日喀则蛇绿岩中角闪岩的Sr-Nd同位素地球化学研究

2020-03-112

山东科技大学学报(自然科学版) 2020年2期

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590；2.波鸿鲁尔大学地球科学学院地质矿产地球物理研究所，德国波鸿 44780)

侏罗纪和白垩纪期间，印度板块和欧亚板块汇聚，张鑫等[1]认为在汇聚期间至少发生两次俯冲。前人[1-2]研究表明，从晚侏罗世到晚白垩世，至少有一个洋内俯冲带在特提斯内活动；俯冲导致岛弧和弧后盆地扩张脊出现。雅鲁藏布蛇绿岩的成因、地质年代学和侵位构造背景对于印度和欧亚大陆之间的初始碰撞至关重要[1]。目前将雅江带蛇绿岩分为三段即东段(曲水—墨脱)、中段(昂仁—仁布)、西段(萨嗄以西至中印边境)，中段的日喀则蛇绿岩研究程度最高[3]。而蛇绿岩中的角闪岩是研究日喀则洋内俯冲的关键[2]。日喀则蛇绿岩的角闪岩达到高压高温(HP-HT)条件，被认为是超俯冲带(supra-subduction zone，SSZ)的重要组成部分[1-4]。而近期有新的研究证明，SSZ蛇绿岩的形成并不能直接证明俯冲的开始，更可能代表了上部板块伸展作用的开始[4]。

白朗地区石榴石单斜辉石角闪岩(Grt-Cpx角闪岩)以团块形式出现在蛇绿混杂岩中，Guilmette等[3]对其进行了相平衡模拟得到约12 kbar/800 ℃的平均温压条件；认为它经历了约18 kbar/600 ℃的压力峰期和约13～20 kbar/750～875 ℃的温度峰期，达到榴辉岩相变质条件。日喀则地区镁铁质侵入体的年代学研究表明，这些蛇绿岩在119～132 Ma的极短时间内形成[1,5]。Guilmette等[5]对石榴石单斜辉石角闪岩中的角闪石40Ar/39Ar定年得到123.6～127.7 Ma的变质年龄[5]。虽然，白朗Grt-Cpx角闪岩的存在表明，日喀则蛇绿岩在形成后很快就发生侵位，被认为是在洋壳俯冲过程中形成于上盘的高温压蛇绿岩套之下[3,5-7]。

日喀则蛇绿岩带的形成与变质角闪岩的年龄差异很小，角闪岩可能形成于非常热的地幔下年轻热洋壳的俯冲作用[5,8]，这导致了变质基底在130 Ma左右形成，并成为弧前背景中弧后或弧间岩石圈的圈闭[1,6,9]。一些学者用传统温压计限定了单斜辉石角闪岩的P-T条件(8～10 kbar/700～750 ℃)[8]，另外部分学者对单斜辉石角闪岩的峰期变质条件进行限制，得到880 ℃的麻粒岩相峰期温度，压力峰期条件限定在12.7～13.2 kbar，650～660 ℃[9]。

地球化学可应用于地下水、岩石等领域[10-11]。前人针对雅江带蛇绿岩进行了大量地球化学研究，部分学者对蛇绿岩超基性岩和基性岩的Sr-Nd同位素进行分析，显示其源区为古老的岩石圈地幔[12]。李文霞等[13]对白朗蛇绿岩中的基性岩进行测试，地球化学显示蛇绿岩中基性岩与N-MORB基本一致，并具有岛弧玄武岩的特征。本文对白朗蛇绿岩中的角闪岩进行了主量元素、微量元素和 Sr-Nd 同位素研究，并与日喀则地区其他研究数据进行对比分析，揭示其源区性质，以期为雅鲁藏布蛇绿岩的构造演化奠定坚实的基础。

1 地质背景

青藏高原由南至北分别由昆仑-祁连、松潘-甘孜、羌塘和拉萨等众多地块组成[13-15]。雅鲁藏布江缝合带大致为东西向分布，是藏南最年轻的缝合带(图1(a))，总体表现为北倾向南逆冲系，北侧出露有冈底斯岩基中新生代的中-酸性侵入岩，南侧分布有侏罗纪和白垩纪的蛇绿混杂岩。随着新特提斯洋的消亡以及喜马拉雅地区与冈底斯陆壳发生碰撞，代表大洋残片的蛇绿岩因受强烈的挤压作用，部分蛇绿岩向北俯冲至印度板块底部，并向南仰冲[1-3,5]。特提斯洋的关闭，至少经历了两次俯冲事件[1]。

(a)喜马拉雅-青藏高原构造框架图[1]；(b)日喀则地质简图[1]；(c)白朗地区地质简图[9]：(d)吉定地区地质简图[13]；(e)路曲地区地质简图[13]五角星所示位置即为样品采样点，其中图(c)中左侧五角星为单斜辉石角闪岩采样点，右侧五角星为石榴石单斜辉石角闪岩采样点

西藏南部的日喀则蛇绿岩是目前西藏规模最大、研究程度最好的蛇绿混杂岩，呈东西向分布,长约 250 km，西起昂仁，东至大竹卡(图1(a)、1(b))。它记录了印度板块向拉萨板块下方的俯冲作用，标志着新特提斯洋的封闭位置[1]。在日喀则蛇绿岩中，地幔橄榄岩明显多于镁铁质岩石；部分片状岩脉杂岩也暴露在外[1,3,5,9]。强烈变形的角闪岩体出现在日喀则蛇绿岩底部的混杂岩中，该蛇绿岩从布马向东延伸至白朗和罗布莎。它们可能代表在蛇绿岩侵位期间形成的残余变质底板，作为新生俯冲带的上盘[3,5]。

白朗角闪岩以捕虏体形式出现在位于白朗县东北约20～30 km处的蛇绿混杂岩中(图1(c)中五角星)。吉定基性岩位于吉定县城南约8 km处的堆晶岩中(图1(d))，路曲基性岩则以捕掳体形式出现在位于路曲县城西侧约4 km处的蛇纹岩中(图1(e))。白朗地区的蛇绿混杂岩为东北-西南向延伸，并平行于主要岩石地层单元的区域构造变形[15]。白朗蛇绿混杂岩中还出露有变形的石榴石单斜辉石角闪岩和堆晶岩[1,9]。单斜辉石角闪岩(Cpx角闪岩)剖面在蛇绿混杂岩内以50 m×50 m的透镜体形式出现。单斜辉石角闪岩与蛇纹岩接触部位均发生一定程度异剥钙榴岩化(约6 m)(图2(a))。对单斜辉石角闪岩进行影外观察发现约1～5 mm的大颗粒单斜辉石(图2(b)、3(a)、3(f))。单斜辉石角闪岩中发育晚期脉体，主要由葡萄石充填(图2(b)、3(a)、3(b)和3(d))以及少量方解石。

图2 单斜辉石角闪岩野外露头

2 岩相学

2.1 白朗单斜辉石角闪岩

根据单斜辉石的岩石学特征，将其分为三类。第一种类型多为残余自形晶体(M1，Cpx1)，它保留有假象(>3 mm)(图3(a))。第二种Cpx2(M2)为自形晶(图3(f))。第三种类型为细小颗粒Cpx3(M3)，出现在基质中或呈脉状，并与角闪石相接触(图3(f))。

根据角闪石的岩石学特征分为四种类型：第一种角闪石包括大颗粒的棕红色自形角闪石和辉石中的角闪石包裹体，多保留有残余火成岩特征(Amp1，M1)；第二种角闪石(0.5～2 mm)多为绿色或浅棕色，这种角闪石多发生变形，并含有斜长石和其他早期矿物包裹体，如黄铁矿，后期氧化形成磁铁矿(图3(b)、3(e))；第三类角闪石(Amp3)呈细颗粒分散在基质中或Cpx2边缘(图3(a)～(e))；第四类角闪石(Amp4)多在基质中重新结晶(图3(b)、3(c))。

本研究见大颗粒岩浆斜长石假象，部分被后来不同阶段的变质斜长石(Pl1至Pl2)所取代(图3(d))。变形的半自形角闪石(Amp3)内部发育小颗粒斜长石(Pl3)(图3(b)、3(c))。金红石和榍石在样品中普遍存在(图3(a)、3(e)、3(f))。早期金红石(Rt2)在钛铁矿(Ttn3)中形成包裹体分布在主要矿物中，而晚期金红石(Rt4)则是将榍石取代形成的(图3(a)、3(f))，这种金红石与榍石交替出现的现象与基质中同一变质阶段的二氧化钛含量有关。绿帘石与葡萄石、钠长石、方解石脉，是晚期亚绿片岩相的代表。

2.2 白朗石榴石单斜辉石角闪岩

白朗石榴石单斜辉石角闪岩的主要矿物为普通角闪石(40%～60%)、单斜辉石(5%～15%)、石榴石(10%～15%)，后期形成的钠长石、绿帘石、葡萄石、方解石等矿物约占10%～15%(图3(g))。角闪石有三种类型：第一种角闪石主要作为石榴石的包裹体存在；第二种角闪石多为发生变形的大颗粒，单偏光下呈棕黄色，发育榍石、长石等包裹体；第三种角闪石主要生长在单斜辉石边部。根据单斜辉石粒径大小可分为两种：大颗粒单斜辉石多包裹有早期角闪石(图3(j))；小颗粒单斜辉石多生长在石榴石边部。根据石榴石的岩相学特征将其分为三种：第一种石榴石矿物包裹体较多，包裹体包括早期角闪石、榍石、磁铁矿、金红石(图3(g)、3(h))；第二种石榴石颗粒较小，同时包体较少；第三种石榴石较为细小，多分布在基质中(图3(i))。石榴石较为破碎，可能是样品经历后期变质作用的结果。选用的石榴角闪岩样品中的斜长石多发生钠长石化。

(a)早期残余Cpx2(单斜辉石角闪岩)；(b)早期角闪石Amp1以及内部的磁铁矿、黄铁矿包体(单斜辉石角闪岩)；(c)晚期角闪石Amp3以及晚期斜长石Pl3(单斜辉石角闪岩)；(d)不同阶段的Pl和M4的Ttn4和Rt4(单斜辉石角闪岩)；(e)角闪石Amp3中的Rt、Ttn包裹体(单斜辉石角闪岩)；(f)晚期单斜辉石Cpx3(单斜辉石角闪岩)；(g)两期石榴石及其包体(Mag、Ttn、Rt)(石榴石单斜辉石角闪岩)；(h)两期石榴石，早期角闪石包体Amp1，石榴石边部单斜辉石Cpx3；(i)晚期石榴石Grt4，晚期角闪石Amp4(石榴石单斜辉石角闪岩)；(j)早期Cpx2中的角闪石Amp1包裹体(石榴石单斜辉石角闪岩)；(k)Cpx被Amp取代(吉定基性岩)；(l)Cpx、Amp和后期Ep(路曲基性岩)矿物缩写依据Whitney和Evans[16]

图3 日喀则基性变质岩显微结构图

Fig.3 Photographs showing typical textures of the Xigaze meta-mafic rocks

2.3 蛇绿岩中基性岩

本研究涉及到的蛇绿岩中的基性岩主要为路曲辉长岩和吉定细粒辉绿岩：路曲辉长岩主要矿物为角闪石(40%～45%)、长石(20%～25%)、单斜辉石(15%～20%)，葡萄石、方解石等矿物约10%～15%；吉定细粒辉绿岩主要矿物为角闪石(40%～45%)、长石(20%～25%)、单斜辉石(15%～20%)，其他矿物如葡萄石、绿帘石等约10%～15%。路曲辉长岩与吉定细粒辉绿岩仍保留有辉长结构与辉绿结构(图3(k)、3(l))。两种基性岩单斜辉石边部被角闪石取代，可见两者均经历了角闪岩相变质作用。

3 地球化学

主微量元素与Sr-Nd同位素均在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学重点实验室完成。其中主量元素采用PW4400型X荧光仪全岩分析，测定10种元素氧化物含量；微量元素采用 ICP-MS电感耦合等离子体质谱分析仪进行测试，ICP-MS由日本东京安捷伦公司制造，型号为Agilent 7700x，分析方法同张鑫等[1]。根据对标准样品GBPC-1de分析结果，分析误差<5%。同位素测试实验采用型号为Neptune Plus的MC-ICP-MS双聚焦磁式质谱仪。实验检测依据为GB/T 17672—1999。本次研究主要比较石榴单斜辉石角闪岩、单斜辉石角闪岩以及蛇绿岩中的基性岩。

数据来源：白朗单斜辉石角闪岩和白朗石榴石单斜辉石角闪岩[1]；白朗蛇绿岩中基性岩[13]；N-MORB和球粒陨石标准化数据[17].

3.1 稀土元素特征

由球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(图 4)可以看出：单辉角闪岩总体表现为平缓、LREE亏损的形态，与N-MORB大致相当；石榴单斜辉石角闪岩与单斜辉石角闪岩为重稀土平坦，轻稀土亏损的特征。由于(La/Yb)N(全部岩石)=0.37～0.75，轻稀土轻微亏损，岩石样品轻稀土元素流失较为强烈(Gd/Yb)N=0.94～1.21，重稀土平坦，Eu值与N-MORB没有大的差别。这些特征与典型正常亏损的洋中脊玄武岩相似。吉定基性岩的Nd、Sm亏损严重，可能是原岩部分熔融和熔体抽离造成的。与同一地区的基性岩和石榴角闪岩进行对比，其中黑色实线无填充区域为白朗基性岩[13]，表现与N-MORB特征相似。

3.2 微量元素特征

单斜辉石角闪岩与石榴石单斜辉石角闪岩微量元素特征相近(图5)。大离子亲石元素(LIFE)Rb、Ba、Ta、Pb、Sr含量变化范围大，与石榴角闪岩相似，均受到了一定程度的交代作用(表1、图5)。Ni含量低于N-MORB[1]，单斜辉石角闪岩与石榴角闪岩及其变质基性岩样品的原始地幔标准化微量元素蛛网图的配分形式基本一致，且总体趋势均与N-MORB近似(图5)。

3.3 Sr-Nd同位素地球化学

选用样品的87Sr/86Sr为0.702 948～0.706 162，平均值0.705 056，高于N-MORB的87Sr/86Sr平均值0.702 800[17]，其中石榴角闪岩、单斜辉石角闪岩年龄校正值分别取125、105 Ma，路曲基性岩和吉定基性岩则取124.9 Ma[9]，算得的(87Sr/86Sr)i比值为0.702 948～0.705 939，除15LQ10和15LQ20(0.702 972和0.702 999)属于MORB(87Sr/86Sr)i范围(0.702 29～0.703 16)外，其余均高于MORB，(143Nd/144Nd)i比值为0.512 892～0.513 050，略低于MORB 的比值(0.513 0～0.513 3)，εNd(t)值为+7.95～+11.18，15BG29的εNd(t)值(+11.18)略高于印度洋N-MORB(表2、图6)，显示其源区可能更靠近于洋中脊，导致其εNd(t)偏高。

表1 路曲基性岩和吉定基性岩的全岩主量元素(%)和微量元素(μg/g)

数据来源：白朗单斜辉石角闪岩和白朗石榴石单斜辉石角闪岩[1]；白朗蛇绿岩中基性岩[13]；N-MORB和原始地幔标准化数据[17]

表2 日喀则蛇绿岩中四种岩石的 Sr-Nd 同位素组成

图 6 日喀则蛇绿岩中两种角闪岩以及两种基性岩的 Sr-Nd 特征图[18-22]

图7 日喀则蛇绿岩中两种角闪岩以及两种基性岩的Sm/Yb-La/Sm图解[13，18,22-24]

白朗两种角闪岩、路曲基性岩和吉定基性岩的Sr-Nd同位素特征与前人研究得到的白朗基性岩结果基本一致[14](图7)，与N-MORB近似。另外，Sr同位素受海水蚀变导致(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图中Sr同位素呈横向散开分布，在本次研究中，除路曲基性岩外，其他三种样品表现为一定的横向变化(图8)，说明Sr同位素受蚀变影响[24]。

图8 日喀则蛇绿岩中两种角闪岩以及两种基性岩的ISr-INd图解[13，22-23]

4 讨论

4.1 变质过程

本次研究的白朗两种角闪岩出露于日喀则蛇绿混杂岩中，且发生了一定程度的变形[1]。除去后期的亚绿片岩相变质，单斜辉石角闪岩可分为三个镜下矿物组合，分别是：包含在单斜辉石中的长石、角闪石、金红石；小颗粒未变形单斜辉石、小颗粒角闪石、斜长石、榍石；发生变形的小颗粒角闪石、钠长石、金红石、榍石。另外前人对单斜辉石角闪岩进行相平衡模拟，推测其存在一个温度峰期矿物组合(斜方辉石、单斜辉石、斜长石、石英、钛铁矿)。石榴角闪岩可划分为四个演化阶段：分别是峰前阶段(石榴角闪岩中石榴石和大颗粒辉石中的角闪石、斜长石、金红石、钛铁矿)；温度峰期阶段(大颗粒石榴石、单斜辉石、斜长石、金红石)；压力峰期(石榴石边部的单斜辉石、角闪石、斜长石、金红石)降压阶段(石榴石边部的单斜辉石，单斜辉石边部的角闪石)。吉定细粒辉长岩保留了一定的辉长结构，辉石多被角闪石替代。路曲基性岩只保留少量的单斜辉石。两种角闪岩峰期后的矿物组合基本一致。所有选用的岩石样品均经历了绿片岩相的变质作用，发育葡萄石-钠长石脉体。其中石榴角闪岩和单斜辉石角闪岩均通过相平衡模拟得到逆时针的P-T轨迹[1,5,9]，这说明白朗的两种角闪岩代表了支撑蛇绿岩侵位的变质底板，与前人结果一致[1,3,5]。前人认为这种P-T轨迹主要是由于蛇绿岩俯冲过程中受到上覆火山岩和摩擦产生的高温影响(最高可至1 000 ℃)[25]，之后快速折返形成的[1,9]。两者P-T轨迹存在一定差异，石榴角闪岩温度峰期压力相对较大，单斜辉石角闪岩峰期温度可能还受到了其他热源的影响。

图9 日喀则蛇绿岩中两种角闪岩以及两种基性岩Ti/Zr-La/Nb协变图[26]

4.2 源区判别

角闪岩样品均存在一定程度的Nb负异常。微量元素蛛网图显示部分大离子亲石元素富集，高场强元素亏损，表明早期俯冲板片发生脱水熔融并交代地幔楔。稀土元素特征表明岩石为洋中脊来源。而基性岩、单斜辉石角闪岩具有岛弧玄武岩的特征，表明其源区与俯冲相关。石榴角闪岩的εNd(t)值范围较大，表明其岩石形成过程比较复杂，可能是洋中脊至岛弧的过渡环境。前人通过对蛇绿岩中基性岩的地球化学研究，推断代表特提斯大洋岩石圈的蛇绿岩与印度洋玄武岩具有相似的地球化学特征[18]，揭示印度洋不但在空间上继承了特提斯的位置，而且也继承了特提斯地幔域的地球化学特征[13,18]。由于Sr蚀变较为强烈，未选取Sr元素的相关协和图。微量元素Ti/Zr-La/Nb协变图中白朗的两种角闪岩以及日喀则两个地区的基性岩同雅鲁藏布蛇绿岩带其他位置的蛇绿岩相似，处于特提斯构造域蛇绿岩的N-MORB 区域，远离古亚洲洋构造域(图9)。

角闪岩微量元素及Sr-Nd同位素特征与前人研究相近[14]，类似于印度洋MORB，而不同于北大西洋和太平洋MORB[27]，以上证据都验证了前人提出的雅江带蛇绿岩是印度板块与亚欧板块碰撞的残余特提斯洋壳的结论。