西藏南部南迦巴瓦地区中新世-上新世地壳深熔作用*

2021-11-29郝光明曾令森赵令浩

岩石学报 2021年11期

郝光明曾令森赵令浩

1.自然资源部深地动力学重点实验室，中国地质科学院地质研究所，北京 100037 2.中国地质科学院国家地质实验测试中心，北京 100037

喜马拉雅造山带是板块(印度板块和欧亚板块)会聚作用最终导致陆陆碰撞造山作用的典型代表，其发生了强烈的构造变形、岩浆和变质作用(章振根等,1987,1992;丁林等,1995;王天武和马瑞,1996;Burgetal.,1997,1998;Edwards and Harrison,1997;Dingetal.,2001;Boothetal.,2004,2009;孙志明等,2004,2005;张宏飞等,2004;Zhangetal.,2004b;张泽明等,2007;龚俊峰等,2008;Seward and Burg,2008;许志琴等,2008;曾令森等,2008,2019;Zengetal.,2009,2011;Gaoetal.,2017,2021;胡古月等,2016;曾令森和高利娥,2017;邸英龙等,2020;Wangetal.,2020)。喜马拉雅东、西构造结是喜马拉雅造山带东、西端的两个高级变质块体，强烈的构造应力、快速剥蚀和隆升使东、西构造结成为新生代变质和深熔作用最强的地区(许志琴等,2008;Zeitleretal.,2014)。位于喜马拉雅东构造结的南迦巴瓦地块经历了复杂的构造变形并发生了强烈的变质和深熔作用，是研究碰撞造山带深部高级变质岩石的部分熔融和岩浆作用特征的重要对象(Burgetal.,1997,1998;Dingetal.,2001;Boothetal.,2004,2009;张宏飞等,2004;张泽明等,2008;曾令森等,2009;Zengetal.,2012;Zeitleretal.,2014;赵令浩等,2020)。构造变形与变质和岩浆作用之间存在高度关联，大规模的部分熔融和岩浆作用往往与地表的快速抬升和伸展作用有关(Harris and Massey,1994;Zeitleretal.,2001;胡古月等,2016)。南迦巴瓦地块的SHRIMP锆石U-Pb研究揭示了至少五期岩浆作用，分别为500～400Ma、～120Ma、70～40Ma、25～18Ma和10～3Ma(Boothetal.,2004)。虽然前人的热年代学研究认为南迦巴瓦地块的快速抬升开始时限在4～3Ma(丁林等,1995;Burgetal.,1997,1998;龚俊峰等,2008;Seward and Burg,2008)，但独居石和锆石等矿物的定年工作表明快速剥蚀的开始要更早(<10Ma)(Boothetal.,2004,2009;Pengetal.,2018)。南迦巴瓦石榴辉石麻粒岩中的锆石U-Pb定年则揭示了～11Ma的地壳深熔作用(Dingetal.,2001)，～10Ma的淡色花岗岩是减压熔融的结果(Pengetal.,2021)。重塑和限定新生代晚期岩浆作用期次对于揭示南迦巴瓦地块的抬升和扩张历史具有重要意义。

本文通过对南迦巴瓦地块的淡色花岗岩样品锆石U-Pb定年，获得了较为年轻的锆石U-Pb年龄，为深入了解深部地质过程(地壳深熔和变质作用)如何影响高级变质地体的快速剥蚀隆升提供了新数据。

1 地质背景和样品特征

南迦巴瓦地区位于喜马拉雅造山带东构造结，属于高喜马拉雅结晶岩系，周围由冈底斯岩浆岩、拉萨地体的变沉积岩和高级变质杂岩体组成(图1b)。南迦巴瓦构造结主要由比鲁构造岩片、直白构造岩片，南派乡构造岩片和多雄拉变质穹窿组成(孙志明等,2004,2005;许志琴等,2008;Xuetal.,2012)，其主要岩性有片麻岩、片岩、角闪岩、变粒岩、变基性岩和花岗岩等(刘玉海,1984;章振根等,1987;王天武和马瑞,1996)。南迦巴瓦地区广泛发育麻粒岩相变沉积质岩和变基性岩(钟大赉和丁林,1995;Liu and Zhong,1997;丁林和钟大赉,1999;孙志明等,2004;郑来林等,2004;张泽明等,2007;戚学祥等,2010;Zhangetal.,2010,2012;Guilmetteetal.,2011;Suetal.,2012;Pengetal.,2018,2021)。南迦巴瓦地区的混合岩和淡色花岗岩记录了多期变质和部分熔融事件(Burgetal.,1997;Dingetal.,2001;Boothetal.,2004;Seward and Burg,2008;Zengetal.,2008,2012;张泽明等,2008;曾令森等,2009;戚学祥等,2008,2010;Suetal.,2012;王誉桦等,2014;Gaoetal.,2019)。中低温热年代学表明，南迦巴瓦地区在上新世和更新世均经历了快速冷却抬升事件(章振根,1992;丁林等,1995;Burgetal.,1997,1998;Dingetal.,2001;Seward and Burg,2008;龚俊峰等,2008;Finneganetal.,2008;Wangetal.,2014;Zeitleretal.,2014)，并伴随着年轻的变质和地壳深熔作用。本文研究区位于南迦巴瓦地块的直白构造岩片，该构造岩片呈北东-南西走向处于派乡构造岩片和多雄拉变质穹窿所夹持区域，南东侧受丹娘-直白韧性逆冲断裂控制，北西侧为丹娘-直白韧性拆离断裂(图1b)。直白构造岩片主要由富铝片麻岩、花岗片麻岩和泥质片岩组成，经历了麻粒岩相和角闪岩相变质并存在强烈的混合岩化作用(丁林和钟大赉,1999;Dingetal.,2001;张泽明等,2007;许志琴等,2008;戚学祥等,2010;Guilmetteetal.,2011;Pengetal.,2018,2021)。

图1 藏南南迦巴瓦地区地质简图(据Zeng et al.,2012；赵令浩等,2020修改)Fig.1 Simplified geological map of the Namche Barwa,southern Tibet (modified after Zeng et al.,2012;Zhao et al.,2020)

本文报道的3件淡色花岗岩样品均采于南迦巴瓦峰西南的派乡附近，分别为T0558(N29°36′25.38″、E94°56′25.98″)、T0560(N29°33′52.38″、E94°54′27.18″)和T0561-7(N29°32′22.68″、E94°53′33.29″)，样品位置如图1b所示。3件淡色花岗岩样品均以规模不一的脉体形式存在，具体的岩相学特征如下：(1)淡色花岗岩T0558以脉体形式与混合岩中的浅色熔体直接相连(图2a)，显微照片未显示出韧性变形证据，可能是韧性变形过程中，地壳物质重熔晚期侵入形成的脉体，在镜下微观上呈现正常岩浆结晶的状态。岩石为中粒-粗粒粒状结构，由石英、钾长石、斜长石、黑云母和白云母组成。石英呈他形粒状，颗粒大小不一。黑云母呈浅褐色，以细小针状或短柱状存在(图2b)。(2)淡色花岗岩T0560同样以脉体形式产出，宽约10～18cm，侵入切割了上部的片麻岩，与下部混合岩中的浅色熔体直接相连(图2b)。显微照片同样未显示出韧性变形特征，可能是地壳物质重熔晚期侵入形成的脉体。矿物组合与淡色花岗岩T0558相似，主要由石英、钾长石、斜长石、黑云母和白云母组成。斜长石具有明显的聚片双晶特征，黑云母呈浅褐色或深灰色，多色性明显(图2d)。(3)淡色花岗岩T0561-7以较宽的脉体(0.5～1m)侵入切割了片麻岩和大理岩(图2e)，表明淡色花岗岩的形成晚于后两者。其主要矿物为石英，钾长石、斜长石、黑云母、白云母和少量榍石，榍石呈红褐色，具有特有的菱形特征(图2f)。

图2 南迦巴瓦地区淡色花岗岩野外露头和显微照片(a、b)为样品T0558；(c、d)为样品T0560；(e、f)为样品T0561-7.Q-石英；Pl-斜长石；Kf-钾长石；Bt-黑云母；Mus-白云母；榍石-TtnFig.2 Field photos and microphotographs of leucogranites from the Namche Barwa(a,b)Sample T0558;(c,d)Sample T0560;(e,f)Sample T0561-7.Q-quartz;Pl-plagioclase;Kf-K-feldspar;Bt-biotite;Mus-muscovite;Ttn-titanite

2 分析方法

本文对3件淡色花岗岩样品中的锆石进行制靶和抛光，先后采集锆石的阴极发光(CL)和扫描电镜背散射(BSE)图像，根据图像中清晰的锆石结构来选点和分析，选点时避开裂隙发育部位，选取合适的测试部位。锆石U-Pb定年分析在国家地质实验测试中心LA-ICP-MS实验室完成。样品采用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)设备进行分析，该设备的激光剥蚀系统以He作为剥蚀物质传输载气，激光斑束直径为23μm，频率为10Hz，输出能量约为8mJ。ICP-MS分析采用低分辨模式，仪器信号调谐使用NIST612进行，实验过程中232Th和238U信号大于20w，实时监测ThO+/Th+以保证实验过程中氧化物产率<0.2%。样品测试过程中，以10个样品点为一组，每完成一组后分析2个国际标准锆石样品91500和一个Plesovice点以保证数据结果的准确性。锆石U-Pb分析时对202Hg、204Pb、206Pb、207Pb、208Pb同位素检测3ms，232Th、238U同位素检测2ms，单点分析(包括气体背景采集)、激光剥蚀锆石信号采集和剥蚀后的锆石吹扫共计时间8s。数据处理过程采用GLITTER(Version 4.0)进行同位素比值处理，采用ISOPLOT程序进行年龄计算。样品测试结果见表1。

表1 南迦巴瓦地区花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年数据Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb analytical results of zircon grains of granites from the Namche Barwa area

续表1Continued Table 1

3 数据及结果

淡色花岗岩样品T0558中的锆石呈长柱状或短柱状，长轴为120～230μm，长轴/短轴比值为1～2.2，半自形-他形结构。大部分锆石具有明显的核-边双层结构，锆石核部较为均匀与边部的界线明显且无明显分带(图3a)，年龄集中在～11Ma的锆石具有较低的Th/U比值(0.01～0.03)，表现出深熔锆石的特征，与其条带状深熔现象相稳合(图2a)。测试结果显示锆石的Th和U含量变化范围分别为8.7×10-6～1738×10-6和143.0×10-6～4508×10-6，Th/U比值变化范围为0.01～1.51(表1)。该样品中获得的206Pb/238Pb年龄变化较大(525.3～10.8Ma)，锆石核部年龄为514.1～55.2Ma，锆石边部～11Ma的年龄比较集中且在谐和线附近。Th和U含量变化范围分别为21.2×10-6～88.8×10-6和1110×10-6～3442×10-6，Th/U比值变化范围为0.01～0.03，加权平均年龄为11.30±0.16Ma(n=12，MSWD=0.72)(图4a,b)。

图3 南迦巴瓦地区淡色花岗岩样品的锆石阴极发光图像(CL)和U-Pb定年结果Fig.3 Cathodoluminescence (CL)images and U-Pb analysis on zircon grains of leucogranites from the Namche Barwa

图4 南迦巴瓦地区淡色花岗岩样品的锆石U-Pb年龄谐和图和年龄分布图Fig.4 U-Pb concordia and age distribution diagrams for zircon grains of leucogranites from the Namche Barwa

淡色花岗岩样品T0560中的锆石均呈长柱状，长轴为220～260μm，长轴/短轴比值为1.2～2.3，自形结构。大部分锆石具有明显的核-边或核-幔-边结构，核部具有清晰或模糊的震荡环带，锆石的幔部呈浅色且宽度较窄(<10μm)，边部发育清晰的岩浆环带(图3b)。除测试点14外，其余锆石Th/U比值较低(0～0.05)，但清晰的岩浆震荡环带表明其为岩浆成因。测试结果显示Th和U含量分别为0.7×10-6～623.8×10-6和85.9×10-6～8347×10-6，Th/U比值变化范围为0～1.39(表1)。去掉一个206Pb/238Pb年龄较大的分析点14(152.7Ma)，其余分析点的206Pb/238Pb年龄范围变化较小(5.4～2.4Ma)，其中16个分析点的年龄集中在谐和线～2.6Ma附近，加权平均年龄为2.59±0.04Ma(n=16，MSWD=1.4)(图4c,d)。

淡色花岗岩样品T0561-7中的锆石呈长柱状或短柱状，长轴为120～190μm，长轴/短轴比值为1.2～3.6，半自形-他形结构(图3c)。颗粒12锆石核部与边部界线明显，核部较为均匀无明显震荡环带。颗粒16和20给出的锆石U-Pb年龄与T0560相似，但相比于T0560的锆石，颗粒16和20的粒径较小，呈半自形-他形结构。颗粒16核部震荡环带较为模糊，边部具有明显的分带，颗粒20具有明显的核-边双层结构，边部无明显分带(图3c)。锆石环带可能与岩浆温度有关，高温条件下易形成较宽的结晶环带，低温条件下形成较窄的结晶环带，锆石大小可能与继承锆石的大小和ZrSiO2的供给等因素有关。锆石的 Th和U含量变化范围分别为0.9×10-6～367.7×10-6和35.6×10-6～8711×10-6，Th/U比值变化范围为0～1.29(表1)。该样品中获得的206Pb/238Pb年龄变化非常大，为1511～2.5Ma。通过与其它两个样品年龄对比发现，分析点12的206Pb/238Pb年龄(11.1Ma)与淡色花岗岩T0558的加权平均年龄(11.30±0.16Ma)接近，分析点16和20的206Pb/238Pb年龄(2.6Ma和2.5Ma)接近淡色花岗岩T0560的加权平均年龄(2.59±0.04Ma)(表1)。

4 讨论

4.1 南迦巴瓦地区中新世的岩浆作用记录

本文淡色花岗岩样品(T0558)获得的锆石U-Pb年龄为11.30±0.16Ma，在另外一件花岗岩样品(T0561-7)中同样存在～11Ma的数据点(测试点12)，共同表明南迦巴瓦地区存在一期中新世晚期的部分熔融作用。前人在该地区中新世的热年代学工作(表2)显示了较大范围的年龄23.2～0.2Ma(章振根等,1992;丁林等,1995;Burgetal.,1997,1998;Dingetal.,2001;Murphyetal.,2002;Zhangetal.,2004b;Liuetal.,2006;Mahéoetal.,2007;龚俊峰等,2008;Seward and Burg,2008;Zeitleretal.,2014;Gongetal.,2015;刘婷,2020)。但更精确的定年工作显示(表2)，石榴辉石麻粒岩中的锆石U-Pb定年揭示了～11Ma 的地壳深熔作用(Dingetal.,2001)。花岗岩和变泥质岩的锆石U-Pb定年则显示了19～3Ma的年龄范围(Boothetal.,2004,2009;Pengetal.,2021)，并认为～10Ma是南迦巴瓦地区的快速剥蚀的开始(Boothetal.,2004,2009)。Zhangetal.(2012)在该地区的钙硅酸盐岩中得出了～8Ma的变质锆石U-Pb年龄。角闪岩的锆石U-Pb定年表明，在中新世晚期(～10Ma)，南迦巴瓦地块的快速剥露从核部传递到了外部(Pengetal.,2018)。喜马拉雅造山带的其他地区也存在较年轻的岩浆作用，阿玛直米(定结)地区淡色花岗岩的独居石定年给出了～11Ma的结晶年龄(Cottleetal.,2009;Kalietal.,2010)，并认为该地区在13～12Ma发生了南北向向东西向伸展的转变(Kalietal.,2010)。在高喜马拉雅西部的瓦姐拉岩体中则发现年龄为～11.7Ma的淡色花岗岩(Wuetal.,1998)。库拉岗日地区淡色花岗岩的独居石定年表明其结晶发生在～12.5Ma(Edwards and Harrison,1997)。在北喜马拉雅萨迦穹窿，麻迦淡色花岗岩的独居石U-Pb定年(Schäreretal.,1986)和磷钇矿U-Pb定年(Kingetal.,2011)均给出了～10Ma的结晶年龄。萨迦淡色花岗岩和二云母花岗岩中独居石或锆石U-Pb定年显示了～14Ma的形成年龄(Zhangetal.,2004a;张宏飞等,2004;Leeetal.,2006)。Kingetal.(2011)认为该穹窿的快速剥蚀和隆升作用导致15～9Ma减压熔融，形成淡色花岗质岩体。随后的麻迦淡色花岗岩SHRIMP锆石U-Pb定年表明，11.6～9.6Ma代表了与伸展作用相关的峰期深熔作用时限(胡古月等,2016)。定日地区二云母花岗岩的锆石U-Th/He定年同样给出了11.3～9.6Ma的年龄范围(Mahéoetal.,2007)。然巴穹窿淡色花岗岩的锆石、独居石和磷钇矿U-(Th)-Pb测年显示了～8Ma的岩浆作用(Liuetal.,2014)。吴福元等(2015)将喜马拉雅淡色花岗岩划分为原喜马拉雅(44～26Ma)、新喜马拉雅(26～13Ma)和后喜马拉雅(13～7Ma)三大阶段，认为13～7Ma对应青藏高原的全面隆升。上述结果表明：喜马拉雅造山带在12～9Ma期间(图5)经历较普遍、较大规模的地壳深熔作用，可能与穹窿的快速隆升有关。南迦巴瓦地区发育～11.3Ma淡色花岗岩是南迦巴瓦穹窿快速隆升的深部地质过程的响应。

表2 喜马拉雅造山带中新世-上新世野外样品主要信息Table 2 The main information of Miocene-Pleistocene field samples form Himalayan orogen

续表2Continued Table 2

图5 南迦巴瓦地区中新世-上新世代表性样品的锆石U-Pb年龄频率图Fig.5 Plot of zircons U-Pb age probability of Miocene-Pleistocene samples from the Namche Barwa

4.2 南迦巴瓦地区更新世的岩浆作用记录

本文的两件花岗岩样品T0560和T0561-7(测试点16，20)均给出了非常年轻的锆石U-Pb年龄(～2.59Ma)，代表了南迦巴瓦地区一期早更新世的地壳深熔作用。基于热年代学研究(裂变径迹和40Ar/39Ar等)，前人认为的南迦巴瓦地区快速隆升开始时限是4～3Ma(表2)(丁林等,1995;Burgetal.,1997,1998;龚俊峰等,2008;Seward and Burg,2008;Wangetal.,2014)，本文虽得出了更晚的岩浆作用年龄(～2.59Ma)，但代表的是同一构造隆升事。虽然前人的热年代学工作(表2)存在与本文相近的锆石U-Pb年龄(～2.59Ma)，但热年代学年龄并非矿物的结晶年龄，是该矿物所处温度低于同位素体系的封闭温度以来的时间间隔，代表岩体的冷却年龄。岩体冷却速率会对矿物Ar同位素体系的封闭温度产生重要影响(Harrison,1982)，在岩体冷却速率很快的南迦巴瓦地区(Dingetal.,2001;Mahéoetal.,2007;龚俊峰等,2008;Gongetal.,2015)，矿物的封闭温度会发生一定程度的变化，从而对封闭年龄产生影响，但上述热年代学年龄仍可表明南迦巴瓦地区在晚上新世发生了快速的隆升剥蚀事件。～3Ma以来侵蚀和构造运动的相互作用导致穹窿的快速隆起，导致各种类型岩石一起快速剥露(Pengetal.2021)。Wangetal.(2014)认为南迦巴瓦地区构造加速隆升在～2.5Ma。穹窿的快速隆升导致大规模的地壳深熔作用可能集中在12～9Ma，但更年轻的花岗岩锆石U-Pb年龄(2.59±0.04Ma)指示南迦巴瓦地区存在晚上新世以来的岩浆作用，表明南迦巴瓦地区的快速抬升导致的岩浆作用从～12Ma持续到至少～2.59Ma，在该地区形成大量的淡色花岗岩。