太平洋板块俯冲与中国东部中生代地质事件_孙卫东

矿物岩石地球化学通报・专题研究・Bulletin of Mineralogy,Petrology and Geochemistry
Vol127No13,J uly2008太平洋板块俯冲与中国东部中生代地质事件
孙卫东1,2,凌明星1,3,汪方跃1,3,丁　兴1,3,
胡艳华1,3,周继彬1,杨晓勇2
1.中国科学院广州地球化学研究所,广州510640;
2.中国科学技术大学地球和空间科学学院,合肥230026;
3.中国科学院研究生院,北京100049
摘　要:中国东部至少自侏罗纪开始就一直处于俯冲大洋板块之上,但是有关俯冲板块对其影响程度一直有不同的认识。

最近的研究表明,太平洋海山岛链的时空分布显示太平洋板块的漂移方向曾发生多次转折,这些转折与白垩纪中国东部的构造演化和岩浆事件有着密切的时空耦合关系。

从时代和力学性质上看,太平洋板块俯冲方向的改变在很大程度上控制着中国东部中生代的盆地演化和郯庐断裂活动等重要地质事件。

这些认识为理解中国东部构造演化提供了新的视角,包括岩石圈减薄的机制、郯庐断裂的演化,以及燕山期大规模岩浆活动等。

本文重点分析了太平洋板块俯冲与中国东部中生代岩浆活动的对应关系。

在125～140Ma太平洋板块向南西方向俯冲,造成中国东部岩石圈减薄,软流圈卸载上涌,发生减压部分熔融;约125Ma,太平洋板块漂移方向发生了大幅度转折,形成安第斯式的俯冲挤压,岩石圈停止减薄和减压部分熔融,出现岩浆宁静期。

随着俯冲的深入,到110Ma前后俯冲板块后撤,形成弧后拉张,岩浆活动又重新开始。

关　键　词:太平洋;板块俯冲;中生代;成矿作用;岩浆活动
中图分类号:P541 文献标识码:A 文章编号:100722802(2008)0320218208
Pacif ic Plate Subduction and Mesozoic G eological Event in E astern China
SUN Wei2dong1,2,L IN G Ming2xing1,3,WAN G Fang2yue1,3,DIN G Xing1,3,
HU Yan2hua1,3,ZHOU Ji2bin1,YAN G Xiao2yong2
1.Guangz hou I nstitute of Geochemist ry,T he Chinese A cadem y of S ciences,Guangz hou510640,China;
2.S chool of Earth and S pace Sciences,Universit y of Science and Technology of China,Hef ei230026,China;
3.Graduate Universit y of the Chinese A cadem y of Sciences,B ei j ing100049,China
Abstract:Eastern China became an active continental margin since J urassic or even earlier.The effect s of plate sub2 duction on eastern China geological evolution,in particular,whet her t he great igneous event and associated miner2 alization were controlled by plate subduction.Recent st udy shows t hat t he drifting direction of t he Pacific plate changed several times as indicated by island chains.These changes in drifting direction coordinate well wit h tectonic and magmatic event s in eastern China,including t he development of Mesozoic basins and the evolution of Tan2Lu fault s,etc.All t hese provide us new perspective on eastern China tectonic history,e.g.,lithosphere destruction, Yanshanian great igneous event.This contribution focuses on the association between Pacific plate subduction and eastern China magmatism.The Pacific plate drifted sout hwest wards between1252140Ma,resulting in roughly nort h2sout h ward extension,and consequently upwelling of t he ast henosphere,and decompressional partial melt2 ing.About125Ma,t he drifting direction of the Pacific plate changed dramatically,leading to Andes type compres2 sion in eastern China.Cor respondingly,lithosphere t hinning as well as decompressional partial melting stopped. As subduction continued,slab2roll back and backarc extension started at about110Ma,following magmatism reac2 tivation.
K ey w ords:eastern China;Pacific;plate subduction;Mesozoic;mineralization;magmatism
收稿日期:2008206212收到
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2006CB403505);国家自然科学基金资助项目(40525010);中国科学院百人计划项目
第一作者简介:孙卫东(1966—),男,博士,研究员,主要从事地球化学和矿床学研究1E2mail:weidongsun@.
中国东部由东北、华北和华南(扬子+华夏)几个块体组成,有着十分独特的演化历史,长期以来倍受中外地质学家的关注。

华北曾经是一个有着30多亿年历史的古陆块,古生代金伯利岩的存在表明华北克拉通在古生代时岩石圈厚度达到200km ,但是中生代以后,华北东部岩石圈厚度减薄至大约80km [1],并伴随有一系列的构造运动和岩浆活动[2]。

十几年来,华北岩石圈减薄成为国内外学者关注的焦点之一;先后提出多种演化模型,归纳起来主要有:热侵蚀模型、拆沉模型和岩石圈置换模型[1,3～6]。

在华南东部,中生代大规模岩浆活动和成矿作用一直是研究热点[7～10],学者们先后提出了多种演化模型,如陆内碰撞[11]、华北-扬子陆陆碰撞的远程效应[12]、板块俯冲等[13～16]。

近年来,板块俯冲对中国东部的影响日益受到关注[13,16,17]。

与此形成鲜明对比的是,中国东部一些重要的中生代岩浆岩和矿床,如埃达克岩和铜矿被认为形成于典型的板内环境[18～20]。

本文初步探讨了中国东部中生代岩浆事件与太平洋板块俯冲历史间的耦合关系,尝试用太平洋板块俯冲来解释中国东部中生代岩浆活动。

1　太平洋板块俯冲与中国东部地质事
件
俯冲板块与仰冲板块间的相互作用往往会形成很多构造变形乃至形成山脉,引发相关地质事件,例如美洲安第斯山脉就是典型的板块俯冲的结果。

数值模拟发现板块俯冲所引起的板块间相互作用对美洲大陆的构造演化起着极其重要的作用[21]。

处在太平洋西岸的中国东部至少自侏罗纪开始就一直处于俯冲板块之上[13,22]。

多项研究认为板块俯冲对中国东部的构造运动和岩浆活动起着决定性的作用[13,15～17]。

太平洋海山岛链的时空分布显示太平洋板块的漂移方向曾经发生多次转折。

125Ma 之前,太平洋板块向南西方向漂移;大约125Ma ,漂移方向发生重大转折,顺时针偏转约80°,改向北西方向俯冲,并一直持续到大约100Ma ;110Ma 时又发生过小的偏转。

在100Ma 时,太平洋板块漂移方向再次发生大幅度顺时针偏转[23～25]。

50Ma 时,俯冲方向发生大幅度逆时针偏转,由北北西转向北西方向俯冲[26](图1)。

修改自文献[17];Modified after ref 1[17]
图1　早白垩世以来太平洋板块俯冲方向的演变
Fig.1　Evolution of t he Pacific plate subduction since Early Cretaceous
9
12矿物岩石地球化学通报
对照太平洋板块漂移的历史与中国东部的构造演化历史,发现白垩纪的构造演化、岩浆活动与太平洋板块俯冲轨迹的变化有着密切的耦合关系[17]。

其中最显著的是石英脉型金矿的形成时代[27,28]与板块俯冲方向的转变时代[23～25]一致。

石英脉型金矿通常形成于挤压环境,而且历时很短[29],而中国东部的石英脉型金矿也被认为是形成于一次地质事件[30],所以这些金矿记录了中国东部由拉张向挤压转变的时代。

这在力学性质上与太平洋板块俯冲方向的改变相符[17]。

太平洋板块俯冲方向的变化改变了中国东部的构造属性,也改变了岩浆活动的历史:燕山期发生了大规模的岩浆活动[2,31,32]。

华北早白垩世岩浆活动主要集中在125±5Ma[2,17],华东(长江中下游地区)白垩纪岩浆活动主要集中在140Ma前后,大约125Ma时有明显的间断;中国东南部白垩纪岩浆活动发生在4个时期,其中在122～110Ma有个明显的间歇期[32,17]。

研究表明,早期的玄武岩主要来源于富集的岩石圈地幔,晚白垩世的玄武岩则来自软流圈地幔[1,33,34],两个阶段之间有约10Ma的“岩浆宁静期”。

中国东部白垩纪岩浆活动可以用太平洋板块俯冲方向的变化来解释(图2):125～140Ma时,太平洋板块向南西方向俯冲,而依泽纳吉板块则向北北西方向俯冲,两个板块的剪切作用方向与同时期中国东部近南北向盆地拉张的力学性质是耦合的[17]。

拉张造成岩石圈减薄,软流圈卸载上涌,发生减压部分熔融。

熔体上涌时先将古老岩石圈地幔中易熔的富集组分熔融,这可以合理解释这一时期大规模岩浆活动和岩浆的富集特征。

在122～125Ma前后,南太平洋Ontang J ava大火成岩省的喷发,使太平洋板块漂移方向大幅度转向北西方向俯冲,与华北克拉通及其后的整个欧亚大陆形成安第斯式的俯冲挤压[17]。

挤压造成岩石圈由减薄转向增厚,相应的软流圈被迫下压,减压部分熔融停止,于是在中国东部出现岩浆宁静期[17,32,34]。

随着俯冲的深入,俯冲板块约于110Ma开始后撤,形成弧后拉张,出现近东西向伸展的拉分盆地,重新发生岩浆活动。

由于
图2　华北岩石圈减薄与太平洋板块俯冲的关系模型
Fig.2　Relationship between lit hosp here t hinning of t he nort h China craton and t he Pacific plate subduction
022孙卫东等/太平洋板块俯冲与中国东部中生代地质事件
富集岩石圈地幔多已在前一轮岩浆活动中被熔融,此时形成的岩浆更多地反馈软流圈的信息。

2　讨 论
在中国东部燕山期大规模岩浆活动中特别引人注目的是埃达克岩和铜矿。

现有的主流观点认为中国东部燕山期的埃达克岩及相关的铜矿形成于典型的板内环境,与板块俯冲无关[18～20,35～38]。

根据埃达克岩的Sr、Nd同位素和钾、钠含量特点,以及中国东部没有板块俯冲等认识,很多学者认为中国东部燕山期埃达克岩与典型的洋壳部分熔融形成的埃达克岩明显不同,提出的主要模型有:1)加厚古老下地壳直接部分熔融[38,39];2)拆沉下地壳部分熔融[37];3)底侵玄武质下地壳部分熔融[36]。

中国东部埃达克岩的MgO和Mg#明显偏高,反映埃达克岩上升过程中曾与地幔橄榄岩发生作用[20],所以不能简单地用加厚下地壳部分熔融来解释。

一些学者认为,侏罗纪到白垩纪中国东部的大陆岩石圈发生大规模减薄[1,40,41],而地壳却加厚了10～20km[42],由此,他们认为,中国东部埃达克岩及相关矿床形成于非造山环境,是地壳大规模伸展岩石圈快速崩塌减薄过程中热的软流圈物质上涌引起拆沉下地壳部分熔融的产物[20]。

拆沉下地壳和俯冲洋壳部分熔融形成的埃达克岩浆都要经历与地幔橄榄岩的反应,这可以解释中国东部埃达克岩的MgO和Mg#明显偏高的特点。

由于拆沉下地壳下沉和板块俯冲都是增压增温的过程,要发生部分熔融需要升温速度超过增压作用引起的固相线温度升高的速度。

俯冲板块在特定的情况下(如年轻洋壳、低角度俯冲等)可以发生部分熔融[43～45]。

相比之下,基性的下地壳通常远比俯冲洋壳含水少,能否在下沉过程中发生部分熔融是一个值得思考和有待实验验证的问题。

另一方面,下地壳要形成埃达克岩必须先经历加厚过程,再转化为榴辉岩相。

而下地壳在加厚过程中是转化为榴辉岩相还是麻粒岩相,还取决于其含水量和地温梯度。

从岩相古地理[46]来看,从三叠纪到早白垩世,长江中下游并没有经历明显的增厚过程。

此外,如果认为中国东部燕山期埃达克岩与下地壳拆沉有关,还必须解释富铌玄武岩的成因。

文献[47,48]表明,中国东部有多处玄武岩符合富铌玄武岩的特点[45]。

一种观点认为岛弧环境中产出的富铌玄武岩是埃达克质熔体交代地幔橄榄岩后发生部分熔融的产物[45,49～52]。

但是埃达克岩是在含有金红石的情况下部分熔融而成的[53],金红石强烈富集Nb和Ta,俯冲洋壳发生部分熔融的埃达克质熔体具有明显的Nb和Ta负异常。

而下地壳更是非常亏损Nb[54,55],因此拆沉下地壳形成的埃达克岩应该是非常亏损Nb的,此类埃达克岩很难通过交代地幔橄榄岩而形成富铌玄武岩的源区。

另一种观点认为富铌玄武岩是俯冲板片部分熔融后的残片被软流圈携带上涌,发生部分熔融所致[56]。

这种观点可以解释富铌玄武岩的高铌含量。

但是,部分熔融后的残片往往很难熔,能否发生部分熔融还有待验证。

另一方面,含有金红石时,俯冲板片发生部分熔融时Nb/Ta会发生分异,残留相具有比源区更低的Nb/Ta值,这与富铌玄武岩具有较高Nb/Ta 值的特点不符。

相比之下,洋中脊俯冲可以更好地解释长江中下游地区早白垩世岩浆岩的成分和空间分布特点。

约125Ma之前,太平洋板块向南西方向俯冲(图1),而依泽纳吉板块则快速向北北西方向俯冲[17,22]。

此时,两个板块之间的洋中脊正对着欧亚大陆[17],而且漂移方向显示很可能发生了洋中脊俯冲。

根据两个板块的漂移历史[22]及其他研究结果[17],我们推测洋中脊俯冲在约125～145Ma时大体指向长江中下游,并且可能形成过板片窗,是形成长江中下游成矿带及相关岩体的主要原因。

洋中脊俯冲是洋底扩张与俯冲带的交叉[57],最早见于对美国西部造山作用的研究[58]。

洋中脊俯冲有时可能产生板片窗[57,59],并在周围的软流圈地幔产生热的物理化学效应,改变上覆板块的构造和岩浆演化(图3)。

板片窗的形成对相应区域的岩浆演化有重要的制约作用。

在板片窗上方,岛弧岩浆活动减少,取而代之的是与洋中脊或裂谷有关的岩浆活动[57]。

长江中下游早白垩世岩浆岩大多属花岗岩类,包括高钾钙碱性花岗闪长岩系列(辉长岩、闪长岩、石英闪长岩和花岗闪长岩)、钙碱性闪长岩系列(辉石闪长玢岩和闪长玢岩)和A型花岗岩(石英正长岩、正长岩、石英二长岩和碱性花岗岩)[60]。

其中一些岩体具有埃达克质特点,还有多处富铌玄武岩[47,48]。

埃达克岩、富铌玄武岩通常被认为是俯冲带岩浆活动的产物。

其中,埃达克岩代表俯冲板片的熔体[43,45,61,62]。

考虑到中国东部岩石圈较厚、存在富集组分等特点,埃达克岩的低εNd、高初始锶同位素组成的特点,可以用少量富集组分的加入来解释。

至于富铌玄武岩,可能是板片窗引起浅部地幔楔部分熔融形成的。

实验模拟和俯冲带超高压岩石研究的结果均表明,Nb、Ta、Ti等传统意义上的不
122
矿物岩石地球化学通报
图3　长江中下游地区洋中脊俯冲与板片窗构造示意图
Fig.3　Cartoon illustrating ridge subduction and related slab window in t he Lower Yangtze River belt
活动元素在板块俯冲过程早期(压力小于1.5GPa,金红石出现之前)的脱水过程中是活动的[63,64]。

板块俯冲早期析出的富含Nb、Ta、Ti的流体大部分储存在温度较低的浅部地幔楔,通常情况下不会在低压下发生部分熔融,但在洋中脊俯冲时,由于板片窗的形成,高的热流会使上述含水地幔楔在低压下发生部分熔融。

3　结 论
中国东部至少自侏罗纪开始就一直受板块俯冲的影响。

太平洋板块和依泽纳吉板块俯冲在很大程度上控制着中国东部中生代的盆地演化和岩浆活动。

在125～140Ma,太平洋板块向南西方向俯冲,依泽纳吉板块则向北北西方向俯冲,造成中国东部岩石圈减薄,软流圈卸载上涌,发生减压部分熔融。

在此期间,两板块之间的洋中脊很可能在长江中下游地区发生俯冲,形成了这一时期相关的岩浆岩和矿产的分带。

在大约125Ma,太平洋板块漂移方向发生了大幅度转折,在中国东部形成安第斯式的俯冲挤压,岩石圈减薄停止,减压部分熔融停止,出现了岩浆宁静期。

随着俯冲的深入,到110Ma左右俯冲板块后撤,形成弧后拉张,岩浆活动重新开始。

致　谢:本文撰写过程中曾与中国科学院广州地球化学研究所王强研究员进行了深入的讨论,在此谨表谢忱。

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