古亚洲洋的最终闭合时限:来自白乃庙岛弧带东段二叠纪—三叠纪岩浆作用的证据

王 博, 赵国春,2

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069；2.香港大学 地球科学系,中国 香港)

古亚洲洋 (Paleo-Asian Ocean) 是由于Rodinia超大陆的裂解,形成于西伯利亚与塔里木—阿拉善—华北之间的一个古大洋, 其最终消减闭合导致塔里木—阿拉善—华北陆块与西伯利亚大陆碰撞对接,在两者之间形成了中亚造山带 (Central Asian Orogenic Belt)[1-3]。中亚造山带是地球显生宙以来规模最大的增生型造山带,其构造演化及与古亚洲洋俯冲和闭合的关系是地质学家关注的关键问题[1-7]。不同于典型的陆-陆碰撞型造山带,中亚造山带是通过古亚洲洋内一系列微陆块、大洋壳、岛弧带及相应的俯冲-增生楔,经过长期而复杂的构造演化所形成的。因此,中亚造山带的起源及演化过程,与古亚洲洋的开启及闭合是息息相关的。一般认为,古亚洲洋起源于新元古代Rodinia超大陆的裂解[2-3],而古亚洲洋的闭合时间则一直存在较大争议,尤其在被认为是古亚洲洋最终闭合位置的索伦—长春缝合带[2,3,7]。

索伦—长春缝合带长达1 300 km(见图1),北接蒙古弧、松辽地块,南接华北陆块,从内蒙古中部延伸至中国东北[2,8]。缝合带内晚古生代—早中生代岩浆活动的时空演变规律表明,古亚洲洋洋盆很可能自西向东呈剪刀式闭合。中国东北地区属于古亚洲洋构造系统的最东端,是了解古亚洲洋最终闭合时限的关键区域。通过对该岩浆弧带东段二叠纪—三叠纪岩浆岩的成因及构造环境的研究,可以为古亚洲洋最终闭合而导致中亚造山带东南部的形成提供制约[9-11]。

图1 索伦—长春缝合带构造简图(改自参考文献[8]) Fig.1 Simplified tectonic map for Solonker-Changchun suture zone

1 白乃庙岛弧带及周缘陆块的特征

白乃庙岛弧带发育于华北板块北缘(见图1),被不同的学者称为白乃庙岛弧(Bainaimiaoarc)或南部造山带(South Orogenic Belt, SOB)。据Xiao等[2]的研究,其位于蒙古弧(即西伯利亚板块南缘的微陆块群)南侧及华北陆块北缘之间的内蒙古中部地区,可通过由北向南的6条北东向主要断裂划分为6个部分: 乌里亚斯太活动大陆边缘、贺根山弧后盆地、宝力道岛弧带、索伦—林西—长春—延吉缝合带、温都尔庙俯冲-增生杂岩带和毗邻华北陆块北缘的白乃庙岛弧。结合俯冲-增生过程,Xu等[12]将该地区由北向南划分为3个部分: 北部造山带、索伦缝合带和南部造山带。其中,南部造山带总体上等同于白乃庙弧带及温都尔庙俯冲-增生杂岩带。

白乃庙弧西段位于中国内蒙古中段,其南北分别与华北板块和蒙古弧相接触,主要是由早古生代低级变质火山岩和侵入岩组成[8,13-14]。白乃庙弧东段则主要位于松辽地块和华北板块之间,仅有零星早古生代的火山岩和侵入岩出露,大面积发育晚古生代—早中生代的岩浆岩,以及遍布中国东北地区的中—新生代岩浆岩[9-11]。

华北陆块的前寒武纪基底由东、西两个太古代地块和横贯华北中部的造山带组成,即东部地块、西部地块和中部造山带[15-18]。在古元古代，华北板块最终稳定后,其进入了以大陆裂谷沉积、镁铁质岩墙群和非造山岩浆活动为特征的稳定大陆地台阶段。其基底之上为中元古代—新元古代、寒武—奥陶纪海相碎屑沉积和碳酸盐台地沉积、中石炭世—三叠纪河流沉积和三角洲沉积、侏罗纪—白垩纪以及较年轻的火山岩和沉积岩所覆盖。根据沉积学研究,从新元古代到寒武纪,华北陆块北缘一直处于被动陆缘状态,发育了非常纯净的石英砂岩和巨厚的碳酸盐岩层序,并缺失志留纪—泥盆纪的沉积作用[8,19]。而在古亚洲洋洋壳开始于早古生代向华北板块之下俯冲时,安第斯型大陆边缘沿着华北陆块的北部边缘发育起来[2]。

松辽地块位于贺根山—黑河缝合带以东、牡丹江缝合带以西和索伦—长春缝合带以北的广大区域,大部分被未变形的巨厚中生代沉积岩所覆盖[20]。松辽地块北部存在较多的基岩出露区,而南部则被巨厚的沉积物所覆盖,故其变质基底一直存在争议，仅通过采于松辽盆地南部钻孔中的片麻岩样品的锆石U-Pb测年得到大约1.8 Ga的年龄结果，证明存在着一些早前寒武纪基底[21-22],但其构造属性还需要进一步研究[23]。松辽盆地的古生界盖层沉积发育最为齐全，其也是中国东北石炭—二叠纪地层沉积最为发育的地区。在晚石炭世之前，松辽地体南北两侧的沉积特征区别较大，北部地区发育有较为连续的泥盆纪沉积而具有由海相过渡为陆相的沉积特点,而南部地区在泥盆纪存在显著的沉积间断;从晚石炭世开始，该区南北两侧均具有一致且连续沉积的地层，特别是在晚石炭世—早二叠世，发育了厚度巨大的火山岩夹正常沉积岩系，同样具有北陆、南海的构造沉积古地理格局,显示着古亚洲洋在晚古生代可能仍然存续。

2 古亚洲洋闭合时限的争议

索伦—长春缝合带被认为是古亚洲洋最终闭合的位置,由于区域上缺乏可用于精确限定碰撞造山过程的高级变质岩系,古亚洲洋的最终闭合时间存在较大争议[2,24]。前人主要有以下3个观点:晚志留世—泥盆纪,晚二叠世—早三叠世,中—晚三叠世[2,5,25-30]。白乃庙岛弧带发育的沉积岩、岩浆岩记录了古亚洲洋向华北板块之下俯冲的地质信息。

据Zhang等[8]的研究结果可知,白乃庙岛弧带的早古生代岩石可分为： 奥陶纪—早志留世低级变质火山岩,包括钙碱性玄武岩、安山岩、流纹岩和英安岩; 早志留世斜长石角闪片麻岩和变质闪长岩; 晚志留世—早泥盆世弱变质闪长岩-花岗闪长岩质片麻岩。而侵入片麻岩的未变形伟晶岩脉的年龄为(411±8)Ma。这一岩浆岩证据与西别河组的陆相磨拉石或准磨拉石沉积的地质观察结果一致,表明晚志留世—早泥盆世期间,先期形成的沉积岩浆岩受到构造作用的影响,发生了低级变质作用,暗示着古亚洲洋此时已闭合,两侧陆块发生碰撞。但是,白乃庙岛弧带发育的晚古生代岩浆岩同样显示出了弧岩浆岩的特征,沉积岩物源分析也指示，古亚洲洋可能是在晚古生代末期才闭合。西别河组磨拉石建造则可能是白乃庙岛弧弧后洋盆关闭[8,13],致使白乃庙岛弧与华北北缘发生碰撞,而并非古亚洲洋的关闭。此外,由于古亚洲洋具有由西向东剪刀式闭合的特点[1-3，5-6],白乃庙岛弧带东段岩浆岩可能记录了最终闭合的地质信息。

3 白乃庙岛弧带东段岩浆岩的时空分布特征

白乃庙岛弧带东段沿法库、开原、公主岭、长春、延吉等地区呈线性展布,并受到后期断裂带的改造影响(见图2)。研究区岩浆岩显著侵位于侏罗纪,其次发育有大量晚古生代—早三叠世和白垩纪岩浆作用,早古生代岩浆岩仅少量出露于公主岭等地区。通过对东北地区花岗质岩石侵位年龄进行总结,发现晚古生代以来,东北地区的岩浆岩峰期年龄主要分布在320,248,190，130 Ma左右[23]。其中,在白乃庙岛弧带东段,侏罗—白垩纪岩浆作用呈面状展布,可能与太平洋板块俯冲引起的华北克拉通破坏有关,而二叠纪—早三叠世，岩浆作用则沿着华北板块北缘、呈现东—西走向的线性发育特征,表明其可能与古亚洲洋的闭合有关。本研究根据区域内吉林中南部二叠纪—三叠纪的岩浆岩岩石地化数据[9-11],结合沉积构造记录,对白乃庙岛弧带东段岩浆岩岩石成因及构造环境进行了分析。

图2 白乃庙岛弧带东段古生代—中生代岩浆岩分布图 (改自中国东北地区1∶150万地质图)Fig.2 Magmatic distribution map for the Paleozoic-Mesozoic magmatism from eastern segment of the Bainaimiao Arc Belt

4 白乃庙岛弧带二叠纪—三叠纪岩浆岩成因及构造环境

4.1 早—中二叠世岩浆岩成因及构造环境

早二叠世，花岗岩类属于中钾—高钾钙碱性、弱过铝—强过铝质岩石(见图3B、4A),显示出明显的Eu负异常,大离子亲石元素(LILEs,如Rb和 K)的相对富集,及高场强元素(HFSE,如Nb， Ta，P和Ti)的相对亏损,显示出弧的地球化学特征。在Nb-Y 和 Rb-Y+Nb 构造判别图上(见图4C、D),早二叠世花岗岩均落入火山弧+同碰撞花岗岩和火山弧花岗岩范围内；相对高的Y和Yb含量,以及较低的Sr/Y、(La/Yb)N比值同样指示了弧岩浆岩的成因(见图4E、 F)。 此外, 早二叠世花岗岩εHf(t)值均为正值(+7～+13)(见图5),所有这些特征都指示了俯冲相关的岛弧环境,可能是亏损的基性下地壳部分熔融的结果。

图3 岩浆岩地球化学图解Fig.3 Geochemistry diagrams for magmatic rocks

因此,早二叠世时期,古亚洲洋洋壳向华北板块之下俯冲,形成一系列弧岩浆岩,并导致了华北板块北缘随后的伸展、增生,直至最终和蒙古弧、松辽地体发生碰撞[11,34-36]。而在研究区内发育的早二叠世A型花岗岩记录了俯冲引起的华北北缘弧后伸展过程[37]。

中二叠世花岗岩属于中钾—高钾钙碱性、弱过铝质岩石(见图3B、4A),富集 LILEs(如Rb，K)和轻稀土,亏损 HFSEs(如Nb，Ta，Ti和P),类似于典型的弧岩浆岩。在构造判别图上,花岗岩均分布在弧-同碰撞花岗岩和岛弧花岗岩区域内。大部分花岗岩具有相对高的Y和Yb含量,以及较低的Sr/Y、(La/Yb)N比值,指示了弧岩浆岩的成因(见图4E、F)，可能形成于俯冲作用。另一方面,它们具有高的εHf(t)值(+7～+12)(见图5)，指示了其幔源的特征，可能是亏损的基性下地壳部分熔融的产物。部分花岗岩显示较低的Y含量以及较高的Sr/Y比值,表明其为埃达克质岩石,而相对较低的SiO2和较高的MgO含量,暗示这些花岗岩源于俯冲引起的加厚基性下地壳部分熔融(见图4B)。

图4 花岗岩构造判别图解Fig.4 Tectonic discrimination diagrams for granites

图5 岩浆岩锆石Hf同位素特征(兴蒙造山带、华北板块源区引自参考文献[43])Fig.5 Zircon Hf(t) values versus U-Pb ages

中二叠世，基性岩为钙碱性岩石(见图3B),具有较高的Mg# 含量,在 Th-Hf/3-Ta 图中,所有基性岩都投入火山弧玄武岩区域(见图6A),表明其形成于弧相关的构造环境。岩石具有较高的Ta/Yb和Th/Yb比值,同样说明其具备弧岩浆岩的特征(见图6B)。

中二叠世，岩浆活动记录了华北板块与松辽地体碰撞之前古亚洲洋板块的俯冲作用,花岗岩具备I型花岗岩的特征[11, 29 , 44](见图3B，4A)。此外,在索伦—长春缝合带发育的晚二叠世地层中观察到了安加拉植物群和华夏植物群的记录[45],暗示此时西伯利亚板块和华北板块之前的洋盆已经关闭,即古亚洲洋在此时可能已经关闭[25]。区域性沉积建造亦指示，晚二叠世，古亚洲洋已成为一个残留的海相盆地,标志着华北板块北缘与松辽地体碰撞的开始[46-47]。综上所述,中二叠世,华北板块北缘经历了大洋洋壳俯冲、大洋盆地闭合、起始碰撞和地壳增厚的过程(见图7)。

4.2 晚二叠世—中三叠世岩浆岩成因及构造环境

晚二叠世基性岩 SiO2含量较低,Mg# 含量较高,相对富集Pb和K,Ta/La (0.023～0.024)、 Nb/La (0.37～0.41)和 Nb/U (9.70～11.49)比值低于原始地幔(0.06,1.04,33.95)[48],指示地壳同化混染作用或地幔源区俯冲流体/熔体交代作用。微量元素具有明显的Nb，Ta负异常,与弧岩浆岩相似。在Th-Hf/3-Ta 图中,所有基性岩都投入火山弧玄武岩区域(见图6A),表明其具有弧岩浆岩的特征。此外,锆石的εHf(t)值约为0～+10(见图5)，与中亚造山带东段的同时代花岗岩类似[23,43],也支持上述推断。此外,其基性岩表现出不同程度的高Ba/Zr和Nb/Ti比值(见图6C),明确了地幔成分和沉积物成分之间的混合趋势,高Th/Yb值和低Ba/La值也反映了沉积物通过俯冲相关交代作用进入幔源区(见图6B)。因此,其基性岩的母岩浆应是由俯冲沉积物交代富集的陆下岩石圈地幔(SCLM)部分熔融产生的。

图6 基性岩构造判别图解Fig.6 Tectonic discrimination diagrams for mafic rocks

晚二叠世—中三叠世花岗岩为高钾钙碱性、 弱过铝质岩石(见图3B、4A), 其SiO2和K2O含量较高, Mg， Fe， Ca 含量较低, Cr， Ni等元素含量较高, 表明壳源岩浆属性。 此外, 锆石较正的εHf(t)值(约为0～+10)(见图5)表明它们来自新生大陆地壳的重熔。它们的低Y和高 Sr 浓度、高 Sr/Y和(La/Yb)N比值与埃达克质岩相一致(见图4E、F),很可能是加厚的下地壳部分熔融的产物(见图4B)。花岗岩显示其亏损Nb，Ta，P，Ti,富集Ba，K，Sr,表明其可能受到古老地壳物质的轻微混染。因此,这些花岗岩应是由新生下地壳岩石的部分熔融形成的,并受到古老大陆地壳物质的同化作用。

此外,本区发育有晚二叠世高镁安山岩(见图3C),Yuan等[34]认为其代表了板块碰撞后,俯冲板片拆离引起的地幔岩浆上涌。

结合对晚二叠世—中三叠世岩浆岩的岩石成因分析,推测此时蒙古弧、松辽地体已与华北板块北缘发生碰撞,古亚洲洋洋盆最终关闭；而俯冲的古亚洲洋洋壳发生拆离作用,地幔岩浆上涌,导致白乃庙岛弧下部的陆下岩石圈地幔部分熔融,形成上述晚二叠世—中三叠世岩浆岩。

4.3 晚三叠世岩浆的岩成因及构造背景

晚三叠世岩浆岩显示出双峰式火成岩的特征(见图3A),研究区内缺失中性岩浆岩,并发育埃达克岩、A型花岗岩等[10]。

晚三叠世，基性岩中的SiO2含量较低,Mg# 值较高(见图3C),Cr (429×10-6～485×10-6)和 Ni (469×10-6～507×10-6)的含量与地幔来源岩浆岩特征一致[53]。它们的微量元素和稀土元素与洋中脊富集玄武岩(E-MORB)型玄武岩(通常形成于伸展构造环境)具有相似的趋势。正的εHf(t)值(+9～+13)(见图5)和较为年轻的Hf模式年龄(370～450 Ma), 证实了镁铁质母岩浆的来源。 而同时期的花岗岩为高钾钙碱性、 弱过铝性岩石, 具有高SiO2和K2O 含量, 低Mg， Fe， Ca以及相容元素(如Cr和Ni)的特征, 暗示了地壳岩浆来源。 锆石具有正的εHf(t)值(+9～+13)(见图5),表明其形成于新生地壳。而相对较高的Sr/Y和(La/Yb)N比值,以及相对低的Y和Yb浓度,指示了埃达克质岩石的特征。在SiO2-MgO图解中,花岗岩落入加厚下地壳的区域,说明其形成于加厚下地壳物质的部分熔融(见图4B)。

晚三叠世时期,埃达克岩在索伦—长春缝合带两侧均有发育,表明研究区整体已进入造山隆升阶段。而双峰式火山岩和A型花岗岩的出露,则代表了碰撞期后的伸展阶段。

5 古亚洲洋的最终闭合时间及其构造意义

白乃庙岛弧带东段二叠纪—三叠纪岩浆活动,为古亚洲洋的闭合提供了重要约束。早—中二叠世岩浆岩的成因分析显示，华北板块北缘经历了大洋洋壳俯冲、大洋盆地闭合、起始碰撞和地壳增厚的过程；晚二叠世—中三叠世，研究区岩浆岩显示新生地壳混染古老地壳的物源特征，以及晚二叠世高镁安山岩的出露，共同指明古亚洲洋洋盆已经关闭。同样,包括花岗岩和基性岩在内的晚三叠世双峰式岩浆活动的发育，也符合造山后的伸展环境。而晚三叠世埃达克岩同时沿索伦—长春缝合带两侧出露,也表明古亚洲洋在此时已经闭合。因此,古亚洲洋在中国东北地区的最终闭合时间为晚二叠世(约268～250 Ma)。

综上可知，如白乃庙岛弧带东段的构造演化模式图所示(见图7),早—中二叠世期间,古亚洲洋洋盆仍然存在,并持续向华北板块之下俯冲,为白乃庙岛弧带提供物质和能量来源,沿着华北板块北缘形成了一系列弧岩浆岩;中二叠世时期,洋壳最终完成俯冲,仅残留部分洋盆,两侧陆块开始碰撞;晚二叠世—三叠纪时期,两侧板块碰撞造山,俯冲下去的洋壳拆沉,引起地幔岩浆上涌,白乃庙岛弧带处于碰撞后伸展的构造环境。

图7 白乃庙岛弧带东段二叠纪—三叠纪构造演化模式图(改自文献[55])Fig.7 Inferred tectonic model for the eastern segment of the Bainaimiao Arc Belt during Permian-Triassic

此外，吉林省中部早侏罗世岩浆岩具有双峰组合特征，可作为伸展环境的指示。在空间上，早侏罗世双峰式火成岩显示NE—SW 走向，远离并近平行于中亚造山带东部边缘，这与晚古生代—早中生代岩浆作用的E—W走向显著不同。而整个东北亚地区都发现了同时代的具 NE—SW 走向的钙碱性火成岩，可以解释为古太平洋洋壳向西俯冲。Li等[54]认为，随着中亚造山带以东的牡丹江洋盆闭合，古太平洋洋壳俯冲作用在约210 Ma开始对中亚造山带东部产生影响。

6 结论

白乃庙岛弧带东段晚古生代—早中生代发育有早—中二叠世和晚—中三叠世两期岩浆活动。其中,晚石炭世—中二叠世侵入岩主要由闪长岩、花岗闪长岩和一些角闪辉长岩组成,产生于俯冲相关的构造作用,形成安第斯型大陆边缘。在早—中二叠世,古亚洲洋的洋壳向南俯冲到华北陆块之下。而早—中三叠世，由二长花岗岩、正长花岗岩和辉长岩组成的双峰式侵入岩套是在后碰撞拉张环境中形成的。因此,这些岩浆作用表明，蒙古微陆块与华北陆块最终在268～250 Ma 碰撞,可以限制古亚洲洋最终关闭的时间。中亚造山带东南部早二叠世—中三叠世火成岩主要由二长花岗岩、正长花岗岩和辉长岩组成,来源于华北板块古老的下地壳。这些侵入岩应是由古亚洲洋向华北陆块下俯冲而形成的。三叠纪的火成岩岩浆源于部分熔融作用形成的熔体,来自亏损的陆下岩石圈地幔(SCLM)和华北陆块交代相关的俯冲流体,是陆块碰撞伸展的产物。因此,晚二叠世(约268～250 Ma)是古亚洲洋最终闭合的时期。其后,随着东亚各陆块的聚合，研究区可能从古亚洲构造域转变到古太平洋构造域,受到古太平洋洋壳俯冲的影响。