_三江_古特提斯地幔热柱_洋岛玄武岩证据
地 球 学 报
第17卷 第4期
1996年 11 月
ACTA GEOSCIEN TIA SIN ICA
Bulletin of the Chinese Academy of G eological Sciences Vol. 17 No. 4
Nov. 1996
“三江”古特提斯地幔热柱
———洋中脊玄武岩证据
侯增谦
(中国地质科学院矿床地质研究所, ) (, )
MORBs 的时空分布配置、岩石组合类型、, 揭示了地幔热柱对古特提斯岩石圈内MORBs 源岩及MORBs 的化, 讨论了地幔热柱对古特提斯洋开启的驱动机制及对岩石圈演化的制约作用。MORB 沿金沙江和澜沧江洋脊与OIB 分段产出, 但在过渡地段,MORB 与OIB 交互产出, 密切共生, 并沿洋脊展示明显的地球化学异常。MORB 有3种类型, 其中, 富集型MORB 靠近OIB 分布区产出, 相对富集L REE 、HFSE 和L IL E , 显示E 2MORB 地化特征。亏损型MORB 远离OIB 分布区产出, 相对亏损不相容元素, 显示N 2MORB 地化特征。过渡型MORB 在MORB 与OIB 过渡地段产出, 则显示T 2
MORB 地化特征。MORB 地化特征和空间分布揭示, 洋脊具有明显的块段特点,OIB 区洋脊具热幔
柱洋脊特点, 亏损型MORB 区洋脊具正常洋脊特征, 而过渡型MORB 区段则具过渡型洋脊特征。混合模式计算表明, 富集型和过渡性MORBs 系亏损型MORB 端元与OIB 端元不同程度的混合产
物, 揭示地幔热柱物质与其周围的亏损地幔(N 2MORB 源岩) 发生了大规模物质能量交换。基于区域构造-岩浆事件分析,OIB 与MORB 空间配置、MORB 组合类型及区域化学变异事实, 提出了地幔热柱上涌导致岩石圈伸张减薄、开裂成洋的动力模式。关键词 三江特提斯 洋脊玄武岩 地幔热柱
源自地幔深处的垂直上升的地幔热柱, 对岩石圈至少产生三大影响:1) 高热幔柱物质上涌导致岩石圈弱化、上隆和减薄, 并最终使其破裂[1-2];2) 高热幔柱物质与其周围的地幔混合或混杂, 产生地化性质独特的地幔源岩[3], 在充足热供给条件下发生熔融, 产生独特岩石组合(如OIB -E -MORB ) 及相应的地球化学异常[4-6];3) 高热幔柱物质因释压减荷而熔融, 在岩石圈破裂部位(如洋中脊、洋脊附近、大洋板内和大陆裂谷等) 发生“热点”式火山-岩浆作用, 形成海山洋岛/海底高原和巨量堆积的大陆溢流玄武岩高原[3-4,7-9]。因此, 岩石圈的大规模减薄与破裂、大陆玄武岩巨量堆积与洋岛玄武岩大量发育, 常被看做是地幔热柱在岩石圈发育的重要证据。
侯增谦等(1996) 通过对三江古特提斯洋岛玄武岩研究, 已经证实古特提斯岩石圈内发育有直径约200—300km 的地幔热柱。该地幔热柱具有明显不同于MORB 源岩的热-化学结构[10]。本文将通过MORB 及其地球化学异常研究, 进一步证实地幔热柱的存在, 探讨地幔热柱对MORB 及其源岩的影响, 了解地幔热柱引起的岩石圈圈层相互作用, 揭示地幔热柱对古特提斯形成演化的制约作用。
1 三江古特提斯MORB 与主要构造-岩浆事件
一些学者已从地质构造[11]、沉积作用[12]、火山活动[13]诸方面对古特提斯形成演化和发
第4期 侯增谦等:三江古特提斯地幔热柱———洋中脊玄武岩证据 363
育历史进行了探讨和研究, 本文通过古特提斯构造-岩浆事件分析(图1) , 对其做进一步限定。
三江古特提斯发育历史可概括为3个构造-岩浆事件:张裂成洋事件、大洋消减事件和碰撞闭合事件, 每个事件均产生相应的标志性岩浆产物(图1) 。成洋事件:成洋事件主要通MORB 绿岩。据大量剖面测制和区域地层层序分析,MORB 形成于石炭纪[10], 证实金沙江洋和澜沧江洋主体打开于石炭纪。沿两洋扩张脊轴的洋
壳剖面分析表明, 洋脊具明显的
图1 三江古特提斯构造2岩浆事件
分段性[10]。
Fig 11 The sketch showing major tectono 2magmatic events during
洋壳板片俯冲消减事件:该
the evolution of the Paleo 2Tethys in Sanjiang region
事件不仅导致弧火山2岩浆活动, 而且造成区域性地层不整合。在
澜沧江带, 石炭—二叠纪之交为重大变革时期, 表现为早二叠世地层缺失、石炭—二叠系不整合以及石炭纪玄武岩的强烈变质作用。在澜沧江断裂东侧, 二叠纪弧火山岩自西而东由钙碱性系列向钾玄岩系列演变, 揭示澜沧江洋板块可能于二叠世早期由西向东俯冲[13]。在金沙江带, 石炭—二叠纪地层连续沉积, 上二叠统火山岩在金沙江缝合带西侧分布, 构成朱巴龙-贡卡岛弧[13], 证实金沙江大洋板片可能于早二叠世末期向西俯冲消减。
大洋闭合事件:大洋板片强烈俯冲和随之发生的陆-弧碰撞作用, 在澜沧江带形成规模巨大的碰撞型花岗岩带[14], 据花岗岩年龄210—279Ma , 洋盆可能闭合于三叠纪末。在金沙江带, 除形成少量碰撞型高Al 流纹岩外[13], 在闭合海槽内接受大量上三叠统的磨拉石建造和含煤建造(石钟山组T 3) 。
2 沿古特提斯洋脊的成分变化与地化异常
在古特提斯成洋事件中,OIB 和MORB 沿洋脊分区段产出,OIB 分布局限, 代表着源自地幔深部的地幔热柱在近地表发生的“热点”岩浆作用产物[10];MORB 沿洋脊大部分区段产出, 其岩相特征总体与世界范围典型洋中脊玄武岩类似, 但在洋脊不同区段或部位,MORB 存在着显著的岩相和岩石地球化学差异。图2反映了三江地区金沙江和澜沧江洋脊的玄武岩沿扩张脊的岩石化学变化, 揭示了3个重要事实。首先, 洋中脊的特定区段存在显著的地球化学“富集”异常。在澜沧江洋脊, 富集异常区介于22°—24°N 间, 区内产出典型的OIB 和苦橄玄武岩[10]。在金沙江洋脊, 富集异常区出现于24°—27°N 间, 区内产出OIB , 证实富集异常系地幔
地 球 学 报———中国地质科学院院报 1996年364
热柱及其岩浆作用所致。其次, 在富集异常区边缘, 岩石地球化学出现突然变化, 地球化学
富集与亏损并存; 空间上, 富K 、Ti 、P 和高Zr/
(La/Sm ) N 、(Ce/Yb ) N 的富集型玄武岩与Nb 、
(La/Ce/Yb ) N 贫K 、Ti 、P 和低Zr/Nb 、, ], , 由富集异常区, 出现两种不同成分演变趋势(图2) 。在澜沧江洋脊, 富集异常区外围变为单调的亏损趋势, 主要产出亏损型玄武岩, 其产出时代比富集型玄武岩稍早(参见侯增谦等, 1996, 图2) ①; 在金沙江洋脊, 富集异常区外围出现弱富集趋势, 主要产出弱富集或富集型玄武岩, 其产出时代似应晚于亏损型玄武岩。单调的亏损趋势可能揭示, 亏损型玄武岩浆源岩虽然得到来自地幔热柱的热源供给, 但没受到地幔热柱物质混染。弱富集趋势则暗示, 富集型玄武岩浆源岩既得到地幔热柱的热量供给, 又得到地幔热柱的物质贡献。这些推论得到了MORB 地球化学证据和混合模拟计算的有力佐证。
图2 三江古特提斯MORB 沿洋脊
成分变化和化学异常
Fig 12 Latitudinal variations of chemical compositions and chemical anormality of MORBs from the Paleo 2
Tethys in Sanjiang region
3 MORB 类型与岩石地球化学特
征
三江地区代表性玄武岩分析结果见表1。
按CIPW 标准矿物, 三江MORB 主要属石英拉斑玄武岩和橄榄拉斑玄武岩, 前者主要为“亏损
型”MORB , 后者则以“富集型”MORB 居多, 两者虽均具斑状结构, 但前者之斑晶以斜长石为主, 后者之斑晶则以单斜辉石为主, 假象橄榄石次之, 其中, 单斜辉石成分为En 40-50Fs 5-10W o 40-50, 橄榄石成分为Fo
虽然本区MORB 均发生不同程度地蚀变, 但TiO 2、P 2O 5、Al 2O 3通常在蚀变(包括热液蚀变) 中保持稳定, 从而可用来鉴别蚀变原岩性质和类型。图3a ,b 展示了本区MORB 的P 2O 5、TiO 2、FeO 3/MgO 变化。本区大部分岩石与图3中的MORB 区重叠, 表明本区MORB 成分与
全球范围的典型MORB 类似。然而, 部分样品, 特别是部分富集型MORB , 其P 2O 5和TiO 2含量明显偏高, 在图3中显示由MORB 向OIB 偏离之趋势, 证实部分MORB 存在明显的地球化学异常。
①系指本期侯增谦等第1篇文章的图示, 以下同
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图3 三江古特提斯MORBs 的FeO 3/MgO 2TiO 2图(a ) 和TiO 22P 2O 5图(b )
Fig 13 FeO 3/MgO versus TiO 2plot (a ) and TiO 2versus P 2O 5plot (b ) of the MORBs from the
Paleo 2Tethys in the Sanjiang region
IAT -岛弧玄武岩;MORB -大洋中脊玄武岩;OIB -洋岛玄武岩;1-三江MORB ;2-三江OIB
MgO 含量和M g #可做为判定岩浆结晶分异程度的重要参数。三江地区MORB 化学分析数据表明(表1) , 本区多数MORBs 代表着原生岩浆不同程度分离结晶产物。其中, 富集型MORB 成分变异较大,MgO 变化于514%—17%间, M g #值介于0150—0173, 亏损型玄武岩
成分变异较小, M g O 变化于612%—1019%间, M g #值变化于0158—0170间, 揭示原生岩浆发生轻微分异作用。不管两类玄武岩分异程度高低, 两者均有着自己的成分演变趋势和明显不同的TiO 2和P 2O 5含量。亏损型玄武岩的TiO 2和P 2O 5分别小于115%和0115%, 而富集型玄武岩的TiO 2和P 2O 5含量则分别大于114%和0116%, 证实两类玄武岩至少来自两种以上不同成分的原生玄武岩浆, 本区进化程度最低的两类玄武岩之化学成分的显著差异便是佐证。
图4利用演化程度较低的MORB 成分, 区分为两类不同的MORB 。与世界范围的MORB 相比, 本区亏损型MORB 接近于典型N -MORB , 而富集型MORB 则接近于E -MORB 或T -MORB 。
312 HFSE 和L I L E 地球化学特征
三江地区亏损型和富集型MORBs 不仅具有不同的主要元素含量, 同时具有显著的微量元素丰度差异。亏损型MORB 的Zr 丰度通常小于100×10-6,Nb 丰度小于7×10-6、Hf 丰度小于217×10-6, 相反, 富集型MORB 之Zr 、Nb 、Hf 丰度则分别大于100×10-6,7×10-6和217×10-6(图4、5, 表1) , 反映富集型MORB 较亏损型MORB 普遍富集HFSE 。
图5展示了本区MORB 的微量元素配分型式。亏损型MORB 的HFSE (Nb 、Ce 、P 、Zr 、Hf 、Sm 、Ti ) 和亲铁元素(Cr 、Ni ) 丰度与典型的N 2MORB 相应元素丰度相当, 其岩石/MORB 比值变化于1附近(图5a ) 。L IL E 丰度变化较大, 部分样品的Sr 、K 、Rb 丰度与N 2MORB 相当, 但全部样品的Ba 丰度明显高于N -MORB 。富集型MORB 的Nb 、Ta 、P 、Zr 、Hf 、Ti 等HFSE 丰度和Cr 、Ni 丰度通常高于典型的N -MORB (图5b ) ,L IL E 丰度总体上亦高于N -MORB , 显示富集型MORB 具富集不相容元素的地球化学特征。
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图5 亏损型MORB (a ) 与富集型MORB (b ) 的NAP 图
Fig 15 NAP distribution patterns of depleted MORB (a ) and enriched MORB (b )
from the Paleo 2Tethys in the Sanjiang region
a :1-澜沧江带曼纹MORB (Mx 2o ) ;2-澜沧江带营盘MORB (Y9216) ;3-哀牢山平掌带MORB (BZ 26) ;
4-哀牢山浪泥塘MORB ;5-哀牢山老厂寨MORB (122) ;6-澜沧江铜厂街MORB (D 2189)
b :1-2-澜沧江MORB ;3-5-金沙江MORB
值得说明, 无论是富集型还是亏损型MORBs , 其微量元素丰度型式(NAP ) 图中均出现独
特的“Th ”峰,NAP 总体形态与本区OIB 的NAP 十分类似(侯增谦等,1996, 图7) , 暗示着MORB 源区可能受到地幔热柱的化学影响。地幔中的U 、Th 及其衰变是重要热源之一, 在三
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江地区,MORB 和OIB 均具有高Th 丰度, 或许这是地幔热柱具有异常高温和周围地幔发生局部熔融的主要原因。3. 3 REE 地球化学特征
图6展示了本区MORB 的REE 的配分型式。亏损型MORB 的REE 配分型式呈L REE 亏损型和平坦型,La/Yb =0175—1135, 其中, 澜沧江带MORB 的L REE , 金沙江带次之。富集型MORB 的REE 与其它微量元素IL E 和HFSE REE 配分型式, 至少可鉴别出两种MORBs 。一为L Yb 41与亏损型MORB 相当(图6a ,b ) 。218, 其HREE 亦分别与L REE 的, L REE 和MREE 则介于两者之间, 显
图6 三江古特提斯亏损型MORB (a ) 和富集型MORB (b ) 的REE 配分型式
Fig 16 REE patterns of the depleted (a ) and enriched (b ) MORBs from the
Paleo 2Tethys in Sanjiang region
a :1-3-澜沧江带MORBs ;4-6-金沙江带MORBs ;b :1-4-富集型MORBs , 其中,1-3-澜沧江曼
纹MORBs ,4-金沙江MORBs ;5-6-金沙江带过渡性MORBs
Bryan et al (1976) 依据REE 特征将洋脊玄武岩划分为两种类型, 即N -MORB 和E -MORB [15]。N -MORB 以L REE 亏损为特征, (La/Sm ) N
以L REE 富集为特征, (La/Sm ) N >110, (La/Ce ) N >110。另外, 还有一种被定为T -MORB [16],REE 丰度和L REE 亏损程度介于N -MORB 和E -MORB 之间。显然, 本区亏损
型MORB 与典型的N -MORB 类似,L REE 强富集型和弱富集型MORBs 分别与E -MORB
和T -MORB 相当。314 不相容元素比值与MORB 类型
不相容元素比值因其不受岩浆结晶分异作用影响, 并接近岩浆源岩相应元素比值而成为判定原生岩浆类型和岩浆源区组成的重要地化学参数。在三江地区, 亏损型MORB 具有较低的Nb/Zr (0103—0107) 、Zr/Y (215—410) 和(Ce/Yb ) N (0158—1117) 比值, 而富集型MORB 则与之相反, 具有较高的Nb/Zr (0109—0117) 、Zr/Y (312—1012) 和(Ce/Yb ) N (1116—4107) 比值, 其中L REE 强富集型MORB 与L REE 弱富集型MORB 不仅在La/Yb 比值和ΣREE 丰度上, 而且在Zr/Nb 、Zr/Y 存在系统差异, 揭示本区MORBs 至少有3种不同的原生岩浆类型, 其产物分别与N -MORB 、E -MORB 和T -MORB 相当。3种类型MORB 密切共生是洋脊发育地幔热柱的重要证据之一。
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表1 金沙江-哀牢山和澜沧江缝合带MORB 和OIB 主元素和微量元素代表性分析结果
T able 1 Major and trace element compositions of MORB and OIB from
Lancangjiang and Jinshajiang -Ailaoshan suture zones
1Mx O N 2M
SiO 2TiO 2Al 2O 3Fe 2O 3FeO MnO MgO CaO Na 2O K 2O P 2O 5H 2O CO 2FeO 3/MgO La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y Rb Sr Ba Zr Hf Nb Ta Th Cr Ni
[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]108702211°N
2M220E 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]°N
3M236E 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]°N
4M27E 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]27102800
5M238E 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]7562102900
6Mx13OIB [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]°N
7Mx[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]7492101350
[***********][**************]
8Y L [***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]115
9Y L [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]2213°N
10LC [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]7413101860
[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]86
12S J 2OIB [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]0
[1**********]0
纬度2211°N 2211°N 2211°N 2211°N 2213°N 22145°N 2215°N
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续表1-1
13MH 9OIB
SiO 2TiO 2Al 2O 3Fe 2O 3FeO MnO MgO CaO Na 2K 2O P 2O 5H 2O CO 2
FeO 3/MgO La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y Rb Sr Ba Zr Hf Nb Ta Th Cr Ni
[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]0
24115°N 24115°N 24115°N
[**************]10°N
[***********][***********][***********][1**********]0
[***********][***********][***********][1**********]0
[***********]18511
[1**********]0
[**************]D189N 2M [***********][***********]1150
15D118N 2M [***********][***********]44159
16YP 16N 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********]80129
17YD 27E 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]°N
18YD 20T 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]1017610
19SG 16E 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]3210
[***********][***********][***********][***********][***********][***********]0M 17E 2M [***********][***********][1**********]3
21M 12T 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]
22E 12N 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]06710
23
T MORBs
T 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]15°N
纬度2215°N 2313°N 23135°N 23135°N 2315°N
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续表1-2
24N 22N 2M
SiO 2TiO 2Al 2O 3F 2O 3FeO MnO MgO CaO Na K 2O P 2O 5H 2O CO 2
FeO /MgO La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y Rb Sr Ba Zr Hf Nb Ta Th Cr Ni
3
25L ZK 23N 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]6010
26L ZK 29N 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]0
27L 22E 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]0
28L 22T 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]237107010
29TL 241OIB [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]7106510274°N
30XR OIB [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][1**********]2
31J YD T 2M [***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]2
32G 22T 2M [***********][***********]1
33G 23T 2M [***********][1**********]
34Zh 21N 2M [***********]01290132
35Zh 22N 2M [***********][1**********]123
[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]0109210
[***********]15161
719111148
[***********][***********][***********][***********][***********]
[***********]6911040180
[***********][***********][**************]9
[***********][***********][***********]650124515
[***********][1**********]0
[1**********]
[**************]
[**************]8
015210
[**************]
671012012
2815°N
4110416
99106810
129101310
[1**********]15°N
纬度23147°N 23144°N 23144°23144°N 23144°N 2810°N 28125°N
注:N2M :N-MORB ; T -M ; T -MORB ; E -M ; E -MORB ;OIB -洋岛玄武岩;1-16:取自澜沧江缝合带; 其中1-7:
取自孟连曼纹;8-9:澜沧依柳;10-11:澜沧老厂;12:双江;13:马簧青;14-15:铜厂街;16:营盘;17-35:取自金沙江-哀牢山缝合带;17-18:老君山;19:双沟;20-21:帽合山;22:金山;23-24:浪泥塘;25-28:老王寨;29:抱顶;30:碧若;31:吉义独;32-33:嘎金雪山群;34-35:中心绒群 样品10-11,27-29来自杨开辉(1990) 博士论文;14-15来自张旗等(1985) ;16-18,32-35来自莫宣学等(1993) ; 其余来自作者和张双全等(1995) 资料
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4 讨 论
411 地幔热柱与周围地幔物质-能量(热) 交换
源自地幔深处的地幔热柱, 因与其周围地幔存在不同的化学-热结构, 必然与周围地幔发生物质-能量交换, 从而可诱发MORB 源岩熔融, 并对MORB 表明, 大西洋中脊是一种在Tristan da Cunha , 脊轴与地幔热柱重叠,N -MORB 、T -MORB 与OIB -],OIB 物,MORB ], 澜沧江和金沙江扩, N -MORB 、T -MORB 或E -MORB , MORBs 的区域地球化学异常和明显的成分变化-MORB 和T -MORB 可能是地幔热柱物质与N -MORB 幔。这一推论得到MORB 地球化学资料和理论计算结果的有力证实。
图7展现了三江MORB 及OIB 的Zr/Nb -Zr/Y 、Zr/Nb -(La/Yb ) N 和Zr/Nb -Y/Nb 关系。OIB 代表三江地区地幔热柱物质的熔融产物[10], 其不相溶元素比值基本接近地幔热柱物质的相应元素比值。图中曲线为混合曲线, 是通过应用Langumir 等(1978) 公式依据本区富集程度最高的E -MORB 和亏损程度最大的N -MORB 两端元成分计算获得的。其中, 大部分洋脊玄武岩分布于混合曲线上或者曲线附近, 少数样品因Y 分析值异常偏高而偏离混合曲线。偏离原因尚不清楚, 但推测与分析精度有关。计算混合曲线进一步外延恰与洋岛玄武岩(OIB ) 成分区相交。此外, 其它不活动元素比值, 如Zr/Nb -Ti/Nb 、Zr/Nb -(Ce/Yb ) N 、Zr/Nb -V/Nb 等, 亦显示类似的混合关系, 混合曲线亦通常延伸至洋岛玄武岩区(略) 。因此认为, 在澜沧江洋脊和金沙江洋脊下部, 源自地幔深处的热柱物质与亏损的N -MORB 源区发生了大规模的混合作用, 从而导致N -MORB 、T (或E ) -MORB 、OIB “三位一体”密切共生。假定澜沧江带亏损程度最大的N -MORB 和微量不相容元素富集程度最高的OIB 分别代表洋脊下部发生混合的两端元组分, 可以估计, T -MORB 要求地幔热柱物质最大混入量约为1618%,E -MORB 要求最大混入量约为60%。类似, 在金沙江-哀牢山带, T -MORB 和E -MORB 的形成, 要求地幔热柱物质的最大混入量分别为35%和55%。4. 2 地幔热柱与古特提斯洋中脊关系
在板块构造格架下, 可识别出3种热点或地幔热柱类型:板内热点或热幔柱、洋脊中轴型热点或热幔柱和近洋脊热点或热幔柱[5]。在大陆板内, 地幔热柱导致大陆岩石圈减薄、破裂
8、9]
和基性岩巨量堆积[2、; 在大洋板内, 大洋板块在热点上部移动形成无震脊和洋岛玄武岩海岭。因此, 大洋板内热幔柱在海底板内只留下“热点轨迹”, 产生OIB 岛链, 而先成的洋壳物质(MORB ) 成分基本不受地幔热柱影响, 无论洋中脊扩张方式如何, 下部软流圈运动方式如何, 地幔热柱均不会对洋中脊产物(如MORB ) 产生重要的化学影响。近洋脊热幔柱系指初始位于洋中脊中轴但随板块运动而发生偏移的地幔热柱。在这种热幔柱-运移洋脊相互作用体系, 位于扩张中轴部位的地幔热柱首先与周围地幔发生物质和能量交换。在洋脊的被动扩张作用下, 软流圈的运动可导致洋中脊偏离相对固定的地幔热柱, 但地幔热柱物质仍可发生向着洋中脊方向的侧向流动, 对洋中脊下部岩石圈产生物质和化学影响[5]。这种近洋脊地幔热柱作用, 可在洋中脊产物———MORB 上留下明显痕迹, 如在中大西洋脊,MORB 出现明显的地球化学异常,N -MORB 与T -MORB 共生共存, T -MORB 显示OIB 源岩端元与N -MORB
地 球 学 报———中国地质科学院院报 1996年372
源岩端元混合特点[17-18]。但洋中脊内部或附近并不发
育OIB [6]。对于洋中脊中轴型热幔柱, 洋中脊中轴与热
幔柱中心相重叠。热幔柱本身熔融, 不仅产生OIB 和苦
橄玄武岩, 而且对其周围地幔, 特别是产生MORB 的地
幔产生化学和热影响, 因此, 沿洋中脊立产出
OIB , 又可出现-、E 生组合。,
, 而
, 相反, 如果MORB 形成晚于
, -化学的强烈影
响, 而更多地显示E -MORB 之特征。
在三江古特提斯, 澜沧江和金沙江中脊具有明显的
块段性。在澜沧江洋脊,22°—24°N 块段具有热幔柱洋脊
块段特征, 其南北连线则具正常或过渡性洋脊块段特征,
金沙江洋脊分块段特点与之基本类似。
在这两大洋脊,MORBs 有2种或3种类型, 如N -
MORB 和T -MORB 或N -MORB 、T -MORB 和E -
MORB , 它们不仅可产于同一地区, 而且与OIB 密切共
生, 在海底构成自下而上由N -MORB →T -MORB →E
-MORB →OIB 依次递变的火山序列(如孟连地区) 。N
-MORB 总体上与世界范围的典型N -MORB 成分类
似, 但相对富L IL E , 同时在NAP 图中(图5) 出现与OIB
类似的“Th ”异常, 证实N -MORB 的形成已受到地幔热
柱的微弱化学影响。E -MORB 强烈富集不相容元素, 混
合模拟计算表明其源岩具有两源混合特征, 其一为亏损
的N -MORB 源, 其二为富集不相容元素的地幔热柱源
(OIB ) 。这种火山序列、岩石组合、地球化学特征, 证实三
江古特提斯地幔热柱具有洋脊中轴型, 产出早于洋中脊
的扩张轴部。
4. 3 地幔热柱与古特提斯洋开启的动力机制
大洋的开启与扩张主要有主动和被动扩张两种形图7 三江古特提斯MORBs 的不相容元素比值变异图Fig 17 Variations of incompatible element ratios in MORBs from the Paleo 2Tethys in the Sanjiang region (注:MORB的不相容元素比值基本不受分离结晶作用影响, 可大体反映MORB 源岩
的比值特点。图中OIB 区为三江地区洋岛
玄武岩成分区。图中的线代表计算所获的式。主动扩张系深部地幔及软流圈物质垂直上涌, 导致
混合曲线, 解释见正文岩石圈上隆、减薄和开裂; 被动式扩张因岩石圈板块水平
扩张, 导致软流圈物质向扩张脊迁移和上涌。在三江古
特提斯, 石炭纪时期成对开启的金沙江洋和澜沧江洋, 其大洋扩张方式目前尚难以准确确定, 但更多的证据倾向于主动式扩张, 其动力源来自于金沙江和澜沧江洋岩石圈下的地幔热柱。三江特提斯火山-沉积序列、OIB 产出特征、OIB 与MORB 空间配置与时间演变特征(侯增谦等,1996, 图2) , 充分揭示了地幔热柱不断上升、岩石圈不断破裂开启的动力学演化过程。
业已证明, 在石炭纪, 澜沧江洋和金沙江洋下方, 分别存在直径约200—300km 的地幔热
第4期 侯增谦等:三江古特提斯地幔热柱———洋中脊玄武岩证据 373柱[10]。在澜沧江洋, 地幔热柱中心位于现今的澜沧江洋脊老厂地区(主体产出22°—24°N 区段) 。地幔热柱与澜沧江洋脊中轴相叠合。这种源自地幔深处的地幔热柱的垂直上升, 导致岩石圈的大规模减薄, 同时形成与地幔热柱上隆镜象对称的大型坳陷盆地。在澜沧江地区, 坳陷盆地内充填下泥盆统的黑色笔石页岩夹薄层砂岩和少量放射虫硅质岩, 其沉积相显示局限性滞流深水盆地环境[20]。热幔柱进一步上涌导致岩石圈破裂, 带不同程度的部分熔融, ]。地幔热柱及其熔融物质的继续上涌, 高热流向周围地幔的供给, 。地幔, -E -MORB 沿扩张脊逐次发育。, 产生OIB , 覆于MORB 顶部。因此, , 在地幔热柱区边缘, 地幔-化学交换, 可产生自下而上的岩浆序列:N-MORB →T -MORB →E -MORB →OIB (侯增谦等,1996, 图2) 。远离地幔热柱活动区, 因地幔热柱对周围地幔产生的热-化学影响程度减弱, 沿洋中脊则发育N -MORB 或T -MORB 。可以认为, 地幔热柱的发育是岩石圈板块破裂和大洋开启的主要动力, 地幔热柱的垂直上升以及与周围地幔的物质-能量交换, 是导致沿洋中脊的大规模地球化学异常的重要原因。
致谢 在研究和成文中, 与卢记仁研究员、李红阳博士、牛树银教授、王登红博士、吕庆田博士进行过有益的讨论。郝梓国博士审阅了本文初稿, 并提出了宝贵意见。在此一并表示衷心感谢。
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Plume in the Sanjiang Paleo 2T ethyan Lithosphere :
Evidence from Mid 2Ocean Ridge B asalts
Hou Zengqian
(Instit ute of Mi neral Deposits , CA GS , Beiji ng )
Mo Xuanxue Zhu Qinwen Shen Shangyue
(Chi na U niversity of Geosciences , Beiji ng 、W uhan )
Abstract Basalts from several sections of the Lancangjiang and Jinshajiang suture zones close to mantle plumes supposed by Hou et al (1996) have been investigated to understand the influence of the mantle plume on the geochemistry of MORBs and on the evolution of the Paleo 2Tethyan litho 2sphere in Sanjiang ,China. Ophiolite mapping and petrographical observation show that MORBs interbed with OIBs in 22°—24°N in the Lancangjiang suture zone and in 24°—27°N in the Jinsha 2jiang suture zone , and occurred as member of ophiolite and opholitic melange far from OIB re 2gion. Although the basalts petrographically show only limited variation ,three basaltic types were distinguished based on their major elements ,L IL E ,HFSE and REE compositions. One group dis 2plays geochemical characteristics enriched in incompatible and L REE elements ,and can be charac 2terized as E 2type mid 2ocean ridge basalts. The second group shows depletion in incompatible and L REE elements ,and is similar to N 2type MORBs ,whereas third group exhibits transitional geo 2chemical characteristics ,and can be referred to as T 2type MORBs. On a broad scale ,there are clear geochemical “anomaly ”occurring in 22°—24°N in the Lancangjiang suture zone and in 24°—27°N in the Jinshajiang suture zone. These geochemical enrichment anomalies correspond to mantle plumes occurring underneath both two branches of the Sanjiang Paleo 2Tethy Ocean , respectively. Mixing hyperbolae for the incompatible element and ratios suggest that extensive mixing of an end 2member charactered by a plume matter with an end 2member of normal depleted MORB ,can explain the occurrence of the three type basalts in the Paleo 2Tethys. Based on the tectono 2mag 2matic events , spatial distribution of MORB -OIB association , geochemical characteristics of MORBs and geochemical anomaly in the Sanjiang Tethyan Region ,a geodynamic model for evolu 2
第4期 侯增谦等:三江古特提斯地幔热柱———洋中脊玄武岩证据 375tion of the Paleo 2Tethys lithosphere is suggested. The model emphases that the Paleo 2Tethys ex 2periences two evoluted stages ,i. e. , plume -controlled Atlantic stage and plate -controlled Pacific stage. The plume from deeper mantle probably took pace mass and energy exchanges with sur 2rounding mantle and supplies a huge driving force to result in thinning of lithosphere opening of oceanic basins in the Paleo 2Tethys Ocean in Devonian 2carboniferous period.
K ey w ords Sanjiang Tethys mid 2Ocean ridge 欢迎订阅
《岩石矿物学杂志》
ACTA PETROLOGICA ET MINERALOGICA
1982年创刊, 是经国家科委批准的中央级学术性刊物。由中国地质学会矿物学专业委员会、岩石学专业委员会与中国地质科学院矿床地质研究所、地质研究所合办。
本刊是全国自然科学核心期刊, 是国内外多种文摘类刊物的来源期刊, 为国内外众多机构的馆藏图书。主要刊登三大岩类的研究成果和论文; 有关矿物学研究的论著; 岩石和矿物的地球化学、同位素年代学等; 岩石和矿物鉴定的新方法、新技术等。
本刊物为季刊,16开本,100页, 全年定价32元。国际标准刊号:ISSN 1000-6524; 国内统一刊号:CN11-1966/P 。1997年起, 改由北京市邮局发行, 全国各地邮局均可订阅。邮发代号:82-52。编辑部地址:北京市阜外百万庄26号。邮政编码:100037。电话:68311133—2471。