汇聚板块边界岩浆岩组合

如题所述

汇聚板块边界的构造环境以挤压为主,这种构造环境主要包括洋-洋汇聚的岛弧带、洋-陆汇聚的活动大陆边缘带和陆-陆汇聚的大陆碰撞造山带。

1.岛弧带岩石组合

岛弧是指两个大洋板块之间的汇聚,一个大洋板块俯冲到另一个大洋板块之下,形成了典型的沟-弧-盆体系。岛弧宽度一般为200~300km,延长可以达到数千千米。由于俯冲的大洋板块是呈板状切割地球的球形表面,在地球表面的轨迹是弧形的,因此形成的岩浆岩的空间展布也是弧形的,因此称为岩浆弧(magmatic arc)。岩浆弧的构造剖面图见图3-6。

图3-6 典型的岩浆弧构造剖面

(据Gil,2010)

大洋岩石圈(洋壳+岩石圈地幔)于海沟处俯冲于另一大洋板块之下,从海沟到火山前缘之间的部位称为弧前(fore arc),之上堆积的物质称为增生楔(accretionary prism),主要由来自火山弧的火山碎屑物、沉积物和俯冲板块刮剥下来的大洋沉积物构成,形成叠瓦状构造;再向岛弧方向就是弧前盆地(fore-arc basin)和火山弧(volcanic arc),火山弧平行海沟展布。岛弧岩浆的产生,主要是俯冲板片的变质作用、脱水过程,俯冲的含水玄武质洋壳到达深部发生相变(绿片岩相→角闪岩相→麻粒岩相-榴辉岩相),大洋沉积物和洋壳中的水被释放出来,或者储存在变质的岩石中,或者作为流体进入到上覆的楔形地幔中,这些含水岩石发生部分熔融就形成了各种岛弧岩浆岩。

岛弧岩浆岩的喷出岩组合是以安山岩为主,常见钙碱性火山岩组合是玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩,其中安山岩体积分数最多(约70%),玄武岩体积分数为25%,英安岩+流纹岩体积分数为5%。在化学成分上,岛弧火山岩成分变化较大,可从相对原始的高镁拉斑玄武岩到高度分异的英安岩和流纹岩。基于岛弧火山岩中的K2O含量,可将其进一步划分成四个岩石系列,包括低钾拉斑玄武质系列(low-K tholeiitic series)、中钾和高钾钙碱性(medium-and high-K calc-alkaline series)以及橄榄安粗岩系列即钾玄岩系列(shoshonitic series)。岛弧地区的钙碱性系列主要为中钾钙碱性系列,也可出现少量高钾钙碱性系列和橄榄安粗岩系列。岛弧地区的拉斑玄武岩以明显偏高的Al203含量(通常大于16%)区别于洋底和洋岛拉斑玄武岩,通常将前者称为高铝玄武岩(high-alumina basalts)。岛弧侵入岩组合是辉长岩-闪长岩-花岗闪长岩-花岗岩。岛弧地区的花岗岩类岩石在化学成分上类似I型,并与钙碱性火山岩的化学成分类似(卢良兆和许文良,2011)。

此外,岛弧地区还可出现具有高镁特征的火山岩[Mg#=Mg/(Mg+Fe2+)通常大于0.45],包括埃达克岩、赞歧岩、高镁安山岩(MgO>6%)和玻镁安山岩(卢良兆和许文良,2011)。

◎埃达克岩(adakite):是指具有特殊地球化学属性的一套火成岩,它们的SiO2≥56%,Al203≥15%,MgO通常小于3%(很少大于6%),高Sr(很少小于400×10-6)、低Y(<18×10-6)和重稀土元素(Yb≤1.9×10-6)及高场强元素,无铕异常,(87Sr/86Sr)i<0.7040;其主要矿物组合为斜长石+角闪石,可以出现黑云母、辉石和不透明矿物(Defant&Drummond,1990)。该类岩石重稀土元素和高场强元素的亏损,表明岩浆源区石榴子石(+金红石)的残留,而高Sr、无Eu异常的特征暗指岩浆源区中的斜长石已经或全部熔融。在岛弧地区的埃达克岩主要由年轻的(25Ma)、热的俯冲洋壳部分熔融所成。

◎赞歧岩(sanukite):是指发现于日本四国北部的一种黑色玻璃质的富镁火山岩。在地球化学上,赞歧岩与埃达克岩类似,但更富Mg(Mg#>0.60)、Cr和Ni以及高的K/Na比值(0.33-0.52)。这表明赞歧岩可以直接由地幔岩部分熔融形成。

◎高镁安山岩(high-Mg andesite):是指那些相比岛弧安山岩具有更高的MgO(>5%)和更低的TFeO/MgO(<1.5),以及Al203(<16%)和CaO(<10%)为特征的安山岩。有些研究者也将SiO2含量为54%~65%,Mg#>0.45的岩石定义为高镁安山岩。高镁安山岩的成因复杂,既可以通过地幔橄榄岩直接熔融形成,也可以通过熔体与地幔橄榄岩的相互作用形成。

◎玻镁安山岩(boninite):是一种高镁(MgO>8%)、低钛(TiO2<0.5%)、非常亏损不相容元素的玄武安山岩或安山岩。在化学上,属于低钾或中钾系列。通常呈玻璃质,典型斑晶矿物包括四方晶系和单斜晶系的顽火辉石(En-90)、橄榄石(Fo-90)和钙质单斜辉石(Crawford,1989)。玻镁安山岩可直接由地幔岩部分熔融形成。

岛弧岩浆岩具有时空演化的规律性。在空间上显示岩石系列和极性变化,如在日本岛弧火山岩中K2O的含量与火山距毕鸟夫带(benioff belt)深度(h)之间的关系(所谓的K60-h的关系),即低钾拉斑玄武质系列出现在靠近海沟一侧,中钾和高钾钙碱性系列(甚至橄榄安粗岩系列)则出现在逐渐远离海沟的方向。此外,岛弧还具有随时间演化的趋势,拉斑玄武质系列出现较早,钙碱性系列和富钾火山作用出现较晚,到最晚期甚至出现碱性系列。随着岛弧成熟度的提高,火山岩中碱性组分(尤其是K)含量增加。

2.活动大陆边缘岩石组合

洋-陆汇聚板块的边缘,即活动大陆边缘(active continental margin)具有与岛弧相似的构造背景,主要的构造驱动来自于大洋板块的俯冲消减作用,产生一系列的岩浆作用,形成岩石组合;但是与岛弧区域最大的区别是,俯冲的上盘是一个具有厚的大陆地壳的大陆边缘,将导致在靠近大陆的一侧,将出现更多陆壳物质的加入。另外,由于厚陆壳提供更多的容纳空间,将形成更多的侵入岩类,即中酸性侵入岩大量出现,构成活动大陆边缘的主体岩石。

活动大陆边缘岩石以钙碱性系列岩石为主,喷出岩组合是玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩,或者侵入岩组合为辉长岩-闪长岩-英云闪长岩-花岗闪长岩-花岗岩。活动大陆边缘更厚的陆壳,导致陆缘弧岩浆岩组合中更加富Si,石英和碱性长石广泛出现。

活动大陆边缘岩浆岩组合也具有时空变化规律。空间上,从海沟向内陆,岩浆岩碱性组分(尤其是K2O)和SiO2含量逐渐增高,从低钾拉斑系列向钙碱性系列和碱性系列变化。时间上,活动大陆边缘早期岩浆活动主要为靠近大洋一侧的低钾拉斑系列,而靠近陆内一侧的钙碱性和碱性系列往往形成时间稍晚(卢良兆和许文良,2011)。

3.大陆碰撞带岩石组合

在两个大陆不断靠近,其间的大洋逐渐俯冲消减殆尽后,就导致陆-陆汇聚,至此一个具有大洋演化历史的板块演化过程宣告结束,之后进入陆-陆碰撞、陆-陆俯冲、形成碰撞造山的演化过程。最典型的陆-陆碰撞发生在北方的巨大的欧亚板块在亚洲与南方的印度板块、阿拉伯板块,在欧洲与非洲板块之间的碰撞造山,形成了横贯东西的阿尔卑斯山到喜马拉雅山的巨大造山带。碰撞造山带的岩浆作用与造山带的构造演化之间密切关联,在造山带演化的不同时期,伴随造山带从浅部到深部协调演化的各个构造事件,发育不同类型的岩浆作用,因此对于古老的造山带,从岩浆作用的角度可以追索一个大陆造山带的演化历史。

通过对世界上典型陆-陆碰撞造山带的岩浆作用的研究,可划分为碰撞前、同碰撞、碰撞晚期和碰撞后四种岩浆岩组合(卢良兆和许文良,2011)。

(1)碰撞前钙碱性弧岩浆岩组合

它们是陆间洋盆闭合前发生俯冲所诱发的岩浆活动,这与活动大陆边缘(或大陆弧)的岩浆作用类似,主要是钙碱性岩石为主的基性到中酸性岩石。近年来研究表明,发育在大洋岛弧的埃达克岩,在洋壳俯冲到大陆边缘之下的环境也可以形成。

(2)同碰撞期过铝质(淡色)花岗岩组合

在陆-陆碰撞带由于陆壳加厚将形成了造山带的山根,其浅部表现为高度增加,形成山脉,在深部则形成向下沉降的山根。加厚地壳内部会形成壳源过铝质花岗岩类,这类花岗岩的SiO2和Al2O3含量高,常见岩石类型是二云母花岗岩和白云母花岗岩,其中含富铝、富挥发分的矿物,例如电气石(含B)、白云母(含Al)、石榴子石(富Al)。其中一个重要的岩石类型是淡色花岗岩。

淡色花岗岩(leucogranite)或称浅色花岗岩,指岩石中暗色镁铁质矿物(不包括白云母)含量小于5%的花岗岩类。除黑云母外,还常含白云母,因此也称为二云母花岗岩。白云母、石榴子石等富铝矿物的普遍存在,对应的化学成分表现为Al2O3含量和铝指数较高,也被称为过铝质花岗岩(peraluminous granite,铝指数>1)。这类岩石来源于沉积岩的部分熔融,因而又被归类于S型花岗岩。淡色花岗岩在世界范围内的造山带中广泛存在。代表性的实例有北美东部的Trans-Hudson与Appalachian造山带,北美西部科迪勒拉内部造山带和欧洲的海西造山带等,我国喜马拉雅造山带都有较多发育。在喜马拉雅造山带淡色花岗岩的岩石类型主要分为三类,分别是含二云母、电气石和石榴子石的花岗岩。

由于这些岩石在化学成分上表现为过铝,含有较多的过铝质矿物(石榴子石、云母等),同时缺少角闪石等富钙矿物,这些花岗岩被划分为S型,并被认为来源于泥质沉积岩的部分熔融。此外,这些岩石在时空上未表现出与幔源岩石的关联,其形成过程中难于寻找地幔贡献,因而被认为是典型的纯地壳来源岩石。

(3)碰撞晚期或碰撞后钙碱性花岗岩组合

世界上很多造山带往往发育一期造山晚期或造山后的钙碱性岩浆作用,这与碰撞前的火成岩组合类似,但K2O含量高。在欧洲阿尔卑斯造山带、海西期造山带都出现造山后的辉长岩、英云闪长岩等深成杂岩;在青藏高原,属于后碰撞期的岩浆作用包括冈底斯中-南带强过铝质花岗岩、冈底斯钾质火山岩和冈底斯斑岩(莫宣学等,2005)。这一期岩浆作用与碰撞后的热释放导致温度升高有关,同时伴随着造山后地壳的隆升,隆升速度缓慢时(如0.35km/Ma),下地壳的温度可上升至英云闪长岩的固相线以上,并导致熔融作用发生。此外,在碰撞后的松弛阶段也可以引起地幔热流的上升,并造成减压熔融。

(4)碰撞后岩浆岩组合

陆-陆碰撞后的典型构造背景表现为深部造山带山根拆沉、造山带垮塌和浅部的发育伸展构造,即表现为陆内伸展环境,其构造属性也属于拉张的构造背景,因此与前述的板内的大陆裂谷带类似。以青藏高原为例,碰撞后岩浆作用显示了多样性和复杂性,并伴随着重要的成矿作用。造山带岩石圈,在不同深度层次上都参与了部分熔融作用过程,形成的岩石组合包括:幔源基性成分的超钾质火山岩、加厚下地壳熔融形成的中酸性埃达克质深成和浅成侵入岩、中-下地壳成因的钾质岛弧型中酸性岩石,以及由纯地壳熔融形成的流纹质或者花岗质岩石。

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