形成闽浙火山岩带的洋陆转换作用
2022-03-28杨文采浙江大学地球科学学院杭州310058
杨文采浙江大学地球科学学院,杭州,310058
内容提要: 本文研究了闽浙火山岩带形成的洋陆转换作用。洋陆转换作用涉及整个上地幔物质运动,研究的主要根据来自对地幔调查的地球物理资料。研究表明,闽浙火山岩带形成的根源在其下方的伊佐奈崎板块,它反映为上地幔底部的高波速异常体。它向上方释放基性的熔体,使软流圈底部变为玄武质低黏度物质,并且向上继续蠕动。向上的继续蠕动在岩石圈地幔形成英安质岩浆房。由于闽浙地壳比较冷硬的克拉通性质,英安质岩浆房上涌速度缓慢,混染了大量上地壳物质,转变成为酸性的枝叉状岩浆囊。在125 Ma太平洋板块发生旋转后,由于地壳逐渐放松俯冲造成的挤压,岩浆释放造成大规模酸性火山爆发,形成闽浙火山岩带。可见,大陆增生的主要方式不仅有俯冲带大量英安质和玄武质幔源岩浆上涌的模式,还有混染了大量上地壳物质的流纹质岩浆活动。
由大洋板块俯冲在大陆边缘形成的造山带,以南美洲的安第斯山脉最为典型,称为安第斯型造山带(Dott and Batten, 1989; King, 2001; Stern, 2002),它的特点是有英安质为主的火山—岩浆带贯穿整个造山带。位于中国东南沿海的闽浙火山岩带,覆盖了闽浙两省的大部分地表,但是岩性主要是流纹质岩石(舒良树和周新民,2002; 毛建仁等,2014;邓晋福等,2015;高丽等, 2019)。不仅岩性不同于安第斯型,其形成的地球动力学作用也不很清楚。为什么同属于大洋板块对大陆的俯冲,闽浙火山岩带会具有与安第斯型造山带不同的特点?流纹质的闽浙火山岩带是怎么形成的?本文根据地球物理资料揭示的区域上地幔刻痕信息,对闽浙火山岩带的形成演化过程和动力学作用进行探讨。
1 西太平洋洋陆转换带地壳上地幔概况
西太平洋洋陆转换带东起太平洋西部的海沟系,西达亚州大陆的沿海地区,东西向宽度大于300 km,地面地质构造见图1a。由此可见,此带中—新生代的中酸性岩浆岩和火山岩十分发育,局部地区也发育玄武质火山岩(池际尚,1988;李四光等,1999;万天丰,2004)。例如:大兴安岭地区大面积出露长英质火山岩,浙闽东部地区大面积出露了酸性火山岩。图1 b为浙江省地质图(高丽等, 2019),由此可见,图中白色区域表示的燕山期(145~80 Ma)流纹质火山岩,出露面积达到全省面积的2/3以上。
图1 西太平洋洋陆转换带地面地质构造简图 (a),浙江省地质图(b)以及西太平洋的洋岛链及其两次方向变化示意图(c) Fig. 1 Surface geological structural map of the ocean—continent transition zone in the western Pacific (a); geological map of Zhejiang Province (b) and schematic diagram of the island chain in the western Pacific and twice rotation of the Pacific Plate with direction changes (c) 1—新元古代—古生代沉积岩系;2—中生代火山—沉积岩系;3—花岗岩体;4—第四系;5—江山—绍兴断裂带;6—断层;7—地层岩体界线1—Neoproterozoic—Paleozoic sedimentary rocks; 2—Mesozoic volcano—sedimentary rocks; 3—granite; 4—Quaternary; 5—Jiangshan—Shaoxing fault zone; 6—faults; 7—boundary between strata and intrusives
中—新生代影响西太平洋洋陆转换带演化的主要地质作用是古今太平洋板块的俯冲。根据古地磁测定和西太平洋的洋岛链年龄的数据可知,在中—新生代古今太平洋板块的运动方向发生两次大角度的方向变化(图1c; Dott and Batten, 1989; King, 2001; Jolivet and Hataf, 2001; Stern, 2002; 万天丰,2004) 。在125 Ma前向东亚大陆俯冲的是伊佐奈崎大洋板块,伊佐奈崎大洋板块板块向南东方向运动。125~120 Ma为伊佐奈崎板块全部俯冲进入地下,而太平洋板块扩展到东亚大陆边缘,这时太平洋板块运动方向顺时针旋转了80°。对大陆造成NW30°的俯冲,称为主旋转前期作用。此后太平洋板块继续顺时针旋转了45°,在~100 Ma时转为向北运动。此后,太平洋板块放松了对东亚大陆的挤压,不再与东亚大陆俯冲,大陆边缘的动力学运动转换为走滑。从125~100 Ma大平洋板块的顺时针旋转统称为主旋转作用。直到大约50 Ma时,太平洋板块的运动方向又发生一次逆时针旋转,旋转角度大约为45°。这次动力学作用重现了大洋板块对东亚大陆的俯冲和挤压,称为逆时针后反转。大洋板块的运动发生两次大角度的旋转,对东亚大陆东部地壳和上地幔的演化产生了重要影响。
地球物理调查数据揭示了西太平洋洋陆转换带的地壳上地幔属性(图2; Marone et al., 2004; 杨文采和于常青,2011)。图2a为西太平洋洋陆转换带下地壳地震S波速度平面图,数据由CRUST1.0发布。由图可见,东亚大陆的东南陆缘和海域是低S波速度的异常带,反映了这里下地壳的温度高、流体含量高。图2b为东亚地区深度200 km的地震P波速度扰动平面图(Li Chang at al., 2006;杨文采等,2007;杨文采,2009)。由此可见,东亚大陆的东南陆缘和海域的岩石圈下方对应低波速度异常带,表明这里软流圈流体的大面积上涌。图2c、d 为纬度33°N和30°N的地震P波速度东西向剖面图,深度达到下地幔(Huang Jinli and Zhao Dapeng, 2006)。 由图可见西太平洋洋陆转换带软流圈上涌和俯冲带后撤的位置和细节,地震低波速异常反映岩石圈底部和软流圈中部的岩石熔融流变特征,为动力学作用的分析提供了许多信息,我们将在下面详细讨论。
图2 西太平洋洋陆转换带下地壳地震S波速度平面图 (a)、东亚地区深度200 km的地震P波速度扰动平面图(b)、纬度33°N的地震P波速度东西向剖面图(c) 和纬度30°N的地震P波速度东西向剖面图(d) Fig. 2 Lower crustal seismic S-wave velocity planimetric map of the ocean—continental transition zone in the western Pacific (a); Seismic P-wave velocity disturbance map at 200 km depth in east Asia (b); East—west profiles of seismic P-wave velocity along 33°N (c) and 30°N (d)
区域布格重力场的小波分解揭示地壳的密度扰动(杨文采, 2016, 2018)。西太平洋洋陆转换带的布格重力场5阶加6阶小波细节平面图示于图3a,对应的深度相当于中地壳顶部(杨文采等,2015;杨文采,2016)。由此可见,在浙闽和日本海西侧的火山岩带(图3a中虚线A),中地壳的密度降低,可能反映有高温流体存在。琉球岛链为高密度异常带,两侧的沟和盆(图3a中虚线B)为低密度异常带。图3b为卫星磁场平面图,可见浙闽到日本海西侧的火山岩带、B盆带和琉球岛链都有强磁异常串发育,反映地壳有中基性火山岩带,可能与俯冲带后撤有关。图3c为全球上地壳地应力方向示意图(James, 1989;Jolivet and Hataf,2001)。由图可见,西太平洋洋陆转换带是全球上地壳应力唯一的正交地应力集中带。正交应力集中造成新生代最强烈的俯冲动力学作用。
图3 西太平洋洋陆转换带布格重力场5+6阶小波细节平面图(a)、卫星磁场平面图(b)和全球上地壳地应力方向示意图(c)Fig. 3 The map of 5- and 6-order wavelet details of Bougue gravity field in the ocean—continent transition zone of the western Pacific (a); map of satellite magnetic field in the zone (b), and the global stress direction diagram of the upper crust (c)
由于西太平洋俯冲的多期动力学作用,洋陆转换带的上地幔出现以下复杂的结构特征;包括:①古大洋岩石圈俯冲到上地幔底部形成高速层。②高速层上方软流圈高温流体大面积上涌。③岩石圈和地壳不仅减薄,成分也极其不均匀。④中—新生代有俯冲带后撤,形成一组NNE向岩石圈构造。
2 浙闽火山岩带
通过全球地球物理调查数据的对比可知,大陆岩石圈地幔具有厚、老、不够硬的特点,而大洋岩石圈地幔具有薄、新、硬和强度大的特征。洋陆转换带的地幔,同时包含大陆和大洋岩石圈,结构非常复杂(James, 1989;Jolivet and Hataf,2001;杨文采,2009;杨文采等,2011,2014)。尤其是由于大洋岩石圈的俯冲把大量海水注入上地幔,使洋陆转换带软流圈物质上涌使岩石圈物质运动加剧,岩石圈岩浆与火山活动激烈。浙闽火山岩带就是其中一个特殊的岩浆与火山活动的产物。
浙闽火山岩在浙东称磨石山群, 福建境内称南园群, 是一套酸性占优势的高钾钙碱性火山喷发岩(舒良树和周新民,2002; 毛建仁等,2014;邓晋福等,2015;高丽等, 2019)。由图4可见,浙闽火山岩带以白垩纪流纹岩为主,其西侧的构造岩性单元为武夷地体,武夷地体上地壳有许多侏罗纪花岗岩分布,但是火山岩很少。浙闽火山岩带和武夷地体的北部为江南造山带与长江中下游地体,白垩纪花岗岩很发育,白垩纪流纹岩很少。从中生代岩浆岩年龄测定统计曲线图看(图4d),整个华南的岩浆活动从侏罗纪到白垩纪都很活跃,活动区域从西向东转移,同时酸性火山岩体量增加,其原因是浙闽火山岩带和武夷地体有不同的演化历史。图4c为早古生代华夏地体的推测构造剖面(Yang Shufeng, 1984),可见在早古生代武夷地体的属性是安第斯型造山带,而当时其东部为海洋环境。
浙闽火山岩带和武夷地体的分界线是丽水—政和—大埔断裂。图4e为吉安—福州大地电磁法反演的电阻率剖面图(胡祥云等,2017)。由此可见,政和—大埔断裂是一条岩石圈断裂,其东边的软流圈上涌,岩石圈地幔中有大块低电阻率的异常体,反映部分熔融的岩浆房,它们可能有浙闽火山岩带中深部残留的白垩纪熔流体。花岗岩与酸性火山岩化学成分相似,但岩石成因不同。花岗岩是酸性岩浆在上地壳聚集和结晶形成,而火山岩由酸性岩浆的晶体—熔体快速分离形成。酸性火山岩岩浆代表高度演化的岩浆房内富熔体的部分,而侵入岩则属于岩浆房下部的堆晶部分。浙闽火山岩带的晚中生代大规模的火山活动形成的火山岩90%以上是流纹质火山岩。高丽等(2019)对浙东临海—三门一带的小雄破火山进行岩相学研究,破火山内出露的小雄组火山岩主体岩性为(碱长)流纹岩和(碱长)流纹质凝灰岩,年龄集中于88~98 Ma。他们的结论是,小雄破火山中的流纹岩与正长斑岩均为地壳重熔的产物,流纹岩成分变化则受控于碱性长石、磷灰石和锆石的分异。小雄破火山之下应该存在由不同深度的多个子岩浆房构成的一套岩浆系统。地球物理资料有许多关于深部岩浆系统的刻痕显示。
图4 华夏地体燕山期岩浆岩分布图(a); 华夏地体构造岩性分区图(b); 早中古生代华夏地体的推测构造剖面(c); 华南中生代岩浆岩年龄测定统计曲线(d)和吉安—福州大地电磁法反演的电阻率剖面图(e)Fig. 4 Distribution map of Yanshanian magmatic rocks in Cathaysia terrane (a); tectonic—lithological division map of the Cathaysia terrane (b); inferred tectonic profile of Paleozoic subduction of the Cathaysia terrane (c); statistical dating curve of Mesozoic magmatic rocks in South China (d) and electric resistivity profile of Ji’an—Fuzhou by magnetotelluric survay (e)
3 造成闽浙火山岩带的大洋俯冲带后撤作用机制
从上面西太平洋洋陆转换带演化的讨论可知,造成闽浙火山岩带的主要地质作用是古今太平洋板块的俯冲。首先来看看中—新生代研究区大洋岩石圈俯冲的作用过程。由于俯冲作用贯彻整个上地幔,地幔地球物理调查数据成果的分析和解释,是了解作用过程的关键。
图5 是根据古地磁测量数据恢复的太平洋板块俯冲方向及其对中国东部影响的示意图(King, 2001; Jolivet and Hataf,2001;Stern, 2002);其中,图5a显示早侏罗世大陆块分布与运动方向。由此可见,在此时古太平洋岩石圈向华南和华北地块俯冲,方向为NWW向。东北地区处在蒙古—鄂霍茨克洋和古太平洋之间,同时受两个洋俯冲作用的影响。图5b表示晚侏罗世大陆块分布与运动方向,与早侏罗世的情况相似,可以确认此时的古太平洋为伊佐奈崎大洋板块。图5c表示燕山期太平洋区域主旋转前大洋板块俯冲位置。在140 Ma前,太平洋板块已经由三叉链扩大为小型大洋板块,位于伊佐奈崎板块的东南。图5d为主旋转后的白垩纪末太平洋板块的运动方向。主旋转的高峰期在125~120 Ma,主旋转后它对亚洲大陆的俯冲停息,原来的俯冲带转变为走滑断裂系,直至它在大约50 Ma发生后反转。图5e为第三纪中期(25 Ma前后)西太平洋板块反转后俯冲作用示意图,表明太平洋板块重新对中国东部大陆发生俯冲,方向为NW。图5f为第四纪西太平洋板块俯冲带位置示意图,图中没有标明俯冲带后撤的情况。
图5 二叠纪以后太平洋板块俯冲方向及其对中国东部的影响示意图Fig. 5 Schematic diagram showing the subduction directions of the Pacific plate after 200 Ma and its influence on eastern China(a)早侏罗世大陆块分布与运动方向;(b)晚侏罗世大陆块分布与运动方向;(c)燕山期大洋板块旋转前俯冲位置示意图;(d)白垩纪末太平洋板块运动方向;(e)第三纪中期西太平洋板块反转后对中国东部俯冲作用示意图;(f)第四纪西太平洋板块俯冲带位置示意图(a) The distribution and movement direction of the Early Jurassic continents; (b) the distribution and movement direction of the Late Jurassic continents; (c) diagram of the subduction of the ocean plate before Yanshanian rotation; (d) movement direction of the Pacific plate at the end of Cretaceous; (e) diagram of subduction of the western Pacific to eastern China in the middle Tertiary; (f) diagram of the western Pacific subduction zones in Quaternary
综合图1~图5证据反映的大洋板块俯冲过程中发生的各种事件,可以简略地恢复华夏型俯冲带形成上地幔构造的演化作用(图6;杨文采,2018,2020a,b)。图6a表示在三叠纪华北与华南地块发生碰撞后。中生代早期华夏地体的上地幔有热流汇集,地壳具有拉张的特征。图6b表示燕山早期由于大洋板块俯冲,软流圈上拱、岩石圈开始减薄、岩浆活动加剧。图6c用剖面形式表示华夏型大洋俯冲的上地幔构造演变模式,时间尺度从晚侏罗世到始新世,此期间在上地幔发生的事件主要包括以下5个,它们可以说明下降闽浙大面积酸性火山岩覆盖的成因。
图6 华夏型俯冲带上地幔构造演化示意图Fig. 6 Upper mantle tectonic evolution diagram of the Cathaysian-type subduction zone(a)在中生代早期华夏地体的上地幔,具有古生代俯冲造山后地壳拉张的特征;(b)燕山早期由于大洋板块俯冲软流圈上拱地壳开始减薄、岩浆活动加剧;(c)燕山晚期华夏型俯冲带上地幔推测构造剖面,说明大面积酸性火山岩覆盖成因;(d)现今华夏型俯冲带上地幔波速结构剖面(见图2b纬度30°剖面),标明(a—c)的演化过程造成的现今上地幔结构(a) The upper mantle of the Cathaysia terrane in the early Mesozoic, characterized by crustal extension after subduction and orogenesis in the Paleozoic; (b) the early thinning crust and intensified magmatic activity in the early Yanshanian due to the subduction of the ocean plate and the asthenosphere upwelling; (c) inferred upper mantle tectonic profile of the Cathaysian-type subduction zone in the late Yanshanian, indicating the origin of large area of acid volcanic rocks overlying; (d) the seismic velocity profile and current upper mantle structure labels of evolution events of the Cathaysian-type subduction, the velocity profile has shown in fig. 2 (b) in 30° latitude
(1)伊佐奈崎板块俯冲到670 km间断面后,继续沿下地幔顶面向西运动,同时向上方释放俯冲作用带入的海水和基性熔体。
(2)在闽浙火山岩带下方的软流圈底部,高温高压环境中水和基性熔体形成玄武质低黏度物质,并且向上继续蠕动。
(3)由于温压降低和化学分异作用,在闽浙火山岩带下方的软流圈上部,玄武质熔体逐渐变为英安质熔体,并且向上继续蠕动。
(4)英安质熔体向上蠕动进入岩石圈地幔后,聚集成为英安质岩浆房,并且继续上涌。由于华夏地壳的比较冷硬的克拉通性质,在侏罗纪没有经历强烈的拉张裂谷作用,所以英安质岩浆房侵位的速度缓慢,造成多级岩浆通道串,并熔融混染了大量上地壳的岩石,转变成为酸性的枝叉状岩浆囊。
(5)由于太平洋板块在100 Ma进入旋转的高峰期,此后它对亚洲大陆的俯冲停息,闽浙火山岩带下方的地壳不再处于挤压环境,造成枝叉状的酸性岩浆囊发生火山爆发,形成闽浙大规模酸性火山岩带。直到古近纪,由于西太平洋板块的反转后,又产生俯冲带后撤作用,闽浙火山岩带再次处于挤压环境,酸性火山岩爆发才逐渐停止。
这种华夏型俯冲的上地幔构造演变模式主要根据是图2~图4所示的地球物理资料,因为上地幔构造演化产生的信息都保留在地幔属性的刻痕上。图6d是华夏型洋陆转换俯冲带演化过程与现今上地幔结构对比示意图,以图2b中纬度30°波速结构剖面为底图。对比图6c和图6d可见,高波速的伊佐奈崎板块俯冲到660 km间断面上方,上面软流圈有反映玄武—英安质熔体向上蠕动的低速异常体。与其他地区不同的是,闽浙火山岩带下方的地壳对应了高速异常体,反映了华夏地壳比较冷硬的克拉通性质。在图2b的纬度33°剖面上,苏北和南黄海上方的地壳没有对应明显的高速异常体,所以也没有明显的酸性火山岩体出露。这些数据都表明了上述华夏型俯冲的上地幔构造演变模式的正确性。
4 结论
(1)本文的研究表明,洋陆转换作用是涉及整个上地幔物质运动的地质作用,因为上地幔构造演化产生的信息都保留在地幔的属性刻痕上,推演上地幔构造演变模式的主要根据来自地幔调查的地球物理资料。
(2)闽浙火山岩带形成的根源在其下方上地幔底部的伊佐奈崎板块,它反映为上地幔底部的高波速的异常体。它向上方释放俯冲带入的海水和基性熔体,在软流圈底部变为玄武质低黏度物质,并且向上继续蠕动。
(3)向上的继续蠕动在岩石圈地幔形成英安质岩浆房。由于闽浙地壳比较冷硬的克拉通性质,英安质岩浆房上涌速度缓慢,混染了大量上地壳物质,转变成为酸性的枝叉状岩浆囊。在125 Ma太平洋板块发生旋转后,由于地壳逐渐放松俯冲造成的挤压,酸性岩浆囊发生大规模火山爆发,形成闽浙火山岩带。可见,大陆增生的主要方式不仅有俯冲带大量英安质和玄武质幔源岩浆上涌的模式(Taylor and Mclennan, 1995),还有混染了大量上地壳物质的流纹质岩浆活动。
(4)闽浙火山岩带在地壳中英安质岩浆房上涌速度缓慢,混染了大量上地壳的酸性物质,有利于形成许多种特殊的大型非金属矿产,如明矾石、沸石和萤石等。
致谢:笔者感谢章雨旭研究员和刘志强高级工程师为提高论文质量,对本文稿和图解的中肯的修改意见。
(The literature whose publishing year followed by a “&” is in Chinese with English abstract; The literature whose publishing year followed by a “#” is in Chinese without English abstract)
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