论燕山运动的深部地球动力学本质

论燕山运动的深部地球动力学本质 2000 年 9 月Geological J o ur nal of Chi na U niver sities Sep t . 2000 () 文章编号 :1006Ο7493 200003Ο0379Ο10 论燕山运动的深部地球动力学本质 吴福元 , 孙德有 , 张广良 , 任向文 () 长春科技大学 地球科学学院 ,吉林 长春 130061 摘 要 : 对中国东部新生代玄武岩及其包体的矿物学 、岩石学和地球化学研究的总结发现 ,中国东 部在燕山期主要现为岩石圈的减薄 ,并在其东部出现软流圈地幔与地壳直接接触的独特地质现 象 。早先应该存在的古老岩石圈地幔大多由于拆沉作用而不复存在 ,现今岩石圈地幔主体是在燕 山晚期及其以后形成的 。因此 ,中国东部燕山运动的本质就是岩石圈的减薄乃至岩石圈地幔的消 失 。研究认为 ,这种岩石圈减薄的触发因素可能与当时东侧大洋板块的俯冲有关 。软流圈地幔与 地壳直接接触的动力学效应是产生强烈的岩浆板底垫托作用及相伴随的深部地壳的高温变质作 用和部分熔融作用 ,形成巨量岩浆的侵位与喷发 ,并造成新生地壳的显著增生和原有地壳的重新 ( ) 调整 。同时 ,这种地球动力学过程将携带大量地幔物质 包括成矿物质进入地壳 ,并形成地壳尺 度的大规模流体循环 ,从而产生大面积 、突发性的巨量成矿作用 。 关 键 词 : 地球动力学 ; 岩石圈拆沉 ; 燕山运动 ; 中国东部 中图分类号 : P541 ; P588 . 1 文献标识码 : A 1 引言 1 ) (自从翁文灏在 70 余年前提出 Yenshan Movement 燕山运动以来,燕山运动已经成为 2 ,10 深入刻划我国东部中生代地质演化的代名词 ,并有大量的研究成果问世。但长期以来关 于燕山事件的时序和地球动力学本质仍存在不同的认识 。多数学者认为燕山期中国东部的地 11 ,13 质演化与东侧大洋板块的俯冲及伴生的弧后伸展或俯冲带后退有关,部分学者提出我 14 15 国东部在中生代可能发生过陆 - 陆碰撞,或只表现为剪切型大陆边缘 ,近年来又提出外 16 17 ,19 星打击和岩石 圈 减 薄 的 地 球 动 力 学 模 型, 特 别 是 后 者 , 目 前 已 引 起 国 外 学 者 的 关 20 ,22。由于燕山运动是带有鲜明“中国特色”的地质现象 ,对这一地质事件本质的正确认注 识 ,将是中国地质学家为世界地质科学的发展作出贡献的领域所在 。本文通过对目前已发表 的该区中 、新生代火成岩资料的总结发现 ,中国东部现今岩石圈地幔是在晚中生代以后形成 的 ,燕山运动期间主要表现为岩石圈的减薄 ,甚至出现软流圈与地壳直接接触的独特地球动力 学现象 。由于软流圈对地壳的直接烘烤 ,导致中国东部晚中生代期间巨量金属矿产的形成和 火成岩的喷发与侵位 。因此 ,岩石圈减薄或岩石圈地幔的消失是中国东部燕山运动发生的深 部地球动力学本质所在 。 收稿日期 :2000Ο01Ο20 ; 修订日期 :2000204221 ( ) 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 49872031;教育部优秀年轻教师基金资助项目 2 中国东部现今亏损岩石圈地幔的成因 根据目前的研究结果 ,中国东部在印支期完成各块体的拼合 ,形成由北而南由兴蒙造山 14 带 、华北地台 、秦岭 - 大别造山带 、扬子地台和华南造山带组成的大地构造分布格局。除兴 23 蒙造山带外 ,其余块体均具有太古代 —早 、中元古代的地壳形成年龄,即它们应具有同时代 的岩石圈地幔 ,但目前积累的资料并不赞成这一点 。 () 1对新生代玄武岩中超镁铁岩包体的研究发现 ,中国东部新生代岩石圈地幔以二辉橄 24 榄岩为主 ,而方辉橄榄岩较少出现,这与克拉通地区的古老岩石圈地幔出现较多方辉橄榄 25 ,27 岩存在明显差别。同时 ,这些超镁铁岩包体的化学与矿物成分表现出与年轻的海洋性 ( ) 岩石圈地幔相同的特点 。以华北地台为例 ,矿物化学资料显示 图 1a,这些超镁铁岩包体的 矿物化学成分与年轻的海洋型岩石圈地幔极为相似 ,主要表现为橄榄岩包体中橄榄石具有较 () 低的镁含量 图 1a , 1b。作为对比 ,图 1c 还表示了我国华北地台古生代金伯利岩中橄榄岩包 体的矿物成分资料 ,但明显可以看出 ,这种古老的岩石圈地幔在现今的中国东部基本没有体 30现 ,华南地区的研究也证实这一点 。 ( ) 图 1 华北地台新生代玄武岩中橄榄岩包体橄榄石矿物分子与 Mg/ Mg + Fe值 ( 太古代克拉通与大洋地幔演化趋势线引自文献25 ,27 , 部分新生代橄榄岩包体 )资料引自文献28 , 华北地台古生代岩石圈地幔资料引自文献29 。 ( ) Fig. 1 Plot s of Mg/ Mg + Feof olivine against modal olivine for t he peridotite xenolit hs in Cenozoic basalt s of Nort h China Crato n () 2作者对目前已发表的中国东部新生代玄武岩和超镁铁岩包体的 Sr 、N d 同位素地球化 19 学资料的总结发现,尽管不同地区的岩石圈地幔显示一定的不均匀性 ,但它们总体上都具 ( ) 有比寄主玄武岩更加亏损的性质 图 2,反映它们来自与玄武岩浆不同的源区 。但新生代期 间岩石圈地幔的这种同位素特点与新生代以前的岩石圈地幔特点明显不同 ,以华北地台为例 ,其现今岩石圈地幔的同位素特点与由金伯利岩反映出的古生代岩石圈地幔极不相同 。具有这 31 ,33 种同位素特点的岩石圈地幔在克拉通地区较为少见 ,但在造山带地区可经常见及。 图 2 中国新生代玄武岩及其地幔包体 Sr2Nd 同位素特征 Fig. 2 The Sr2Nd isotopic feat ures of Cenozoic basalt s and t heir mantle xenolit hs in China 因此 ,从岩石类型 、矿物化学和 Sr2N d 同位素等方面的特点来看 ,中国东部新生代期间的 岩石圈地幔已不是原来应该存在的大陆岩石圈地幔 ,它是显生宙期间的新生岩石圈 ,早先存在 的大陆岩石圈地幔大多已经由于减薄而不复存在 。 3 中国东部岩石圈地幔的形成时间 34 ,35 岩石圈地幔形成年龄的确定是当前地质学 —地球化学领域的前沿研究课题。由于 大多数情况下缺乏可供同位素定年的合适样品 ,导致对岩石圈地幔形成年龄的确定只能通过 35 ,38 间接的方法来实现 ,尽管近年来发展的 Os 同位素技术有可能对此问题提供新的资料,但目前积累的资料还难以形成肯定的结论 。 目前只能根据有限的间接资料来讨论中国东部 现今岩石圈地幔的形成时间 。对华北地台 地质演化历史的发现 ,该区从古生代至早中生代 ,具有较为稳定的特点 ,只是到中生代晚期才开始出现大范围的巨量岩浆活动 、爆发性金属成矿作用和一系列断陷盆地的形成 。因而 可以认为 ,中国东部的岩石圈减薄发生在中生代晚期 ,新的岩石圈地幔的生长发生在燕山期及 其以后的新生代 。这一认识与新生代玄武岩岩浆成分演化的特点是吻合的 。该区晚白垩纪 — 新生代早期以拉斑玄武岩为主 ,晚第三纪 —第四纪为碱性 —强碱性岩浆活动时期 ,表明新生代 19 , 22 期间等温面下降 、岩浆活动源区有逐渐加深的特点。一般认为这些岩浆来源于软流圈 28与岩石圈的交界部位 ,从这个意义上看 ,中国东部晚中生代 —新生代是岩石圈地幔的生长 时期 。 支持上述认识的另一个证据来自我国东部 中生代玄武岩中幔源橄榄岩包体的研究 。湖南 ( ) 道县早白垩世 ?玄武岩中的地幔橄榄岩包体具 39 ε( ) ( ) 有相对较高的t 值 + 15 . 2, + 18 . 7, Nd 尽管原作者认为该橄榄岩包体为早元古代期间 增生于地壳的幔源岩浆堆积体 ,但从区域地质情 形分析 ,结合本区橄榄岩包体为二辉橄榄岩 ,本 文作者认为它应是玄武岩喷发前刚刚形成不久 的新岩石圈地幔 。 与此类似的现象也见于华北地区 。鲁西 — 太行山一带燕山早期的角闪闪长岩中 ,幔源橄榄 岩包体的主要岩石类型为方辉橄榄岩和二辉橄 40 ,41榄岩共存 ,橄榄石的 Fo 分子出现两个峰值 () 图 3a;较高的 Fo 值与华北地台古生代金伯利 () 岩中的橄榄岩包体类似 图 3b,而低的 Fo 值与 华北地区新生代玄武岩中橄榄岩包体的橄榄石 成分类似 ,反映在燕山早期 ,本区出现新 、老岩石 圈地幔共存的情形 ,暗示新的岩石圈地幔已经在 燕山早期开始形成 。 另一个重要资料来自于近 年来的 Os 同位素 a . 引自文献40 ,41 ; b. 引自文献29 数据 。对下扬子盘石山地区 6 个尖晶石二辉橄 a . f ro m 40 ,41 ; b. f ro m 29 187 188 榄岩 的 测 定 表 明Os/ Os 比 值 为 1 . 1241 , 图 3 华北地台中生代和古生代橄榄岩包体 42 ( ) 橄榄石 Mg/ Mg + Fe值直方图 1 . 1294 ,研究者根据目前国际上提出的 AlO 2 3( ) Fig. 3 Historgram of Mg/ Mg + Feof olivine 187 188 43 ,44, 求 得 当 AlO与Os/ Os 比 值 的 关 系 2 3in peridotites of Mesozoic and Palaeozoic 187 188 含量为零时其初始 Os/ Os 比 值 为 0 . 1062 ,in Nort h China Crato n 并推测该岩石圈地幔的年龄在 2 . 8 , 3 . 4 Ga 左 35 ,42187 188 右 。但作者认为 ,不能简单地根据 AlO与Os/ Os 比值关系来确定初始 Os 同位素 2 3 45 187 188 组成 。其一 ,岩石圈地幔的 AlO含量并不是零, 它与Re/ Os 是否存在正相关性并没 2 3 有得到完全证实 ;其二 ,影响 AlO含量高低的因素很多 ,如目前就有学者提出橄榄岩包体中2 3 46 47 AlO含量与地 幔 的 熔 融 程 度 有 关, 或 与 不 同 端 元 地 幔 的 混 合 有 关; 第 三 , 如 果 承 认2 3 187 188 ( ) AlO与Os/ Os 比值关系是正确的 ,假设该橄榄岩包体在玄武岩形成时 ?10 Ma产生2 3 187 188 Re 的富 集 , 则 样 品 的Re/ Os 比 值 应 为 110 , 140 , 这 远 高 于 目 前 大 陆 岩 石 圈 地 幔 的34 ,36,而若是 2 . 8,3 . 4 Ga 前就产生了 Re 的富集 ,则此橄榄岩包体在 Sr 、N d 同位素上应有值 48 明显的体现 ,但这与目前的事实相矛盾。 187 188 因此 ,作者认为 ,该橄榄岩包体的Os/ Os 比值大体反映了该地区岩石圈地幔的初始 187 188 Os 同位素组成 。对比图 4 可以看出 ,这些Os/ Os 比值与现代海洋岩石圈地幔极为接近 , 显示了该岩石圈地幔的年轻性 。但由于目前研究程度有限 ,急需此方面的深入研究资料 。 总之 ,从已有的资料分析可以看出 ,中国东 部燕山期在岩石圈减薄的同时 , 还伴生新的岩 石圈生长过程 ,且这种过程一直持续到现在 。 4 岩石圈减薄与燕山运动 尽管燕山运动这一概念的提出已有 70 余 1 年的历史,但关于燕山运动的起迄时间 、年代 格架及物质记录仍缺乏系统的深入研究 , 这反 过来又进一步影响对燕山运动本质及其内涵的 正确认识 。从整个亚洲大陆东部的宏观角度来 看 ,燕山运动无疑与东部太平洋板块的地质演 化有关 。但由于该大洋缺乏中生代早期的洋壳 49,使人们对燕山运动发生的原因及开始记录 年代还无明确的认识 。 从东北地区的地质情况来看 , 该区 东 部 在 ( ) 晚三叠 ?—早侏罗世存在加厚的岩石圈 ,推测 此岩石圈的加厚与秦岭 - 大别缝合带东部的东 特提斯大洋向北俯冲有关 , 因为此期的岩石建 图 4 下扬子地区橄榄岩包体 42 与 造在 华 东 和 华 南 沿 海 地 区 未 见 发 育 。但 从 187 188 全球海洋岩石圈地幔的Os/ Os 比值 170Ma 左右开始 ,包括东北在内的整个中国东 187 188 Fig. 4 The Os/ Os historgrams of peridotites 部开始统一的由太平洋板块俯冲控制的地质历 f ro m Cenozoic basalt s in Lower Yangtze area , eastern China 42 and t he global 史发展过程 , 即燕山运动 。在燕山运动发展的 oceanic lit hosp hereic mantle 早期 ,主要表现为岩石圈的加厚 ,并广泛发育标 志活动大陆边缘的钙碱性岩浆岩建造 。由于此加厚岩石圈的重力不稳定性 ,导致其发生拆沉 50 ,53,并伴随地壳的快速隆升 。160Ma 开始 ,岩石圈发生大规模拆沉减薄 ,从而引发燕减薄 山早期的强烈岩浆活动 、成矿事件及早期断陷盆地的形成 。145,120Ma 期间 ,岩石圈减薄到 最大程度 ,软流圈与地壳直接接触 ,燕山运动达到高潮 。其后进入岩石圈生长期 ,表现为热衰 退和沉积盆地拗陷阶段的发育历史 。85Ma 左右 ,由于东侧大洋板块运动方向的改变 ,使我国 东部进入新生代地质历史发育阶段 。 岩石圈减薄及拆沉期间 ,地表的重要表现就是大量断陷盆地 、变质核杂岩的发育 。从岩浆 岩的岩石组合来看 ,出现一系列双峰式岩石建造或表征拉张环境的 A 型花岗岩或碱流岩 。在 40 , 54 深部 ,主要表现为强烈的壳幔相互作用 。它一方面表现为强烈的岩浆板底垫托作用,同 55 时还伴有地壳的拆沉。板底垫托作用使地壳不断生长 ,但软流圈地幔来源岩浆的侵入或软 54 ,56 流圈的直接烘烤又使原有地壳发生大规模的高温变质作用和部分熔融作用,熔融作用的 残留通过拆沉作用返回地幔 ,从而使地壳向成分成熟度增高的方向演化 。从成矿作用的角度 来看 ,软流圈地幔物质在进入地壳的过程中将携带大量的成矿物质和幔源流体 ; 另一方面 ,由 于软流圈的加热效应 ,将导致壳内地壳尺度的大规模流体循环 ,从而发生突发性的大规模成矿 作用 。因此 ,岩石圈拆沉和减薄是大规模内生成矿作用发生的最有利的地球动力学背景 。 但 是 ,由于中国东部地域广阔 ,不同地区的早期地质演化历史不尽相同 ,因此不可能希望 不同地区都具有统一的地质演化格式 ,更何况太平洋板块在中生代期间还具有复杂的演化历 史 。但作为初略的模型 ,可将燕山运动的地质演化概括以图 5 表示 。 图 5 中国东部燕山期深部地球动力学演化示意图 Fig. 5 Simplified deep geodynamic evolutio n of eastern China in Mesozoic Yanshain Period 5 结语 “燕山运动”是带有鲜明“中国特色”的一次全球重要构造运动 ,是中国地质学家能为世界 地球科学发展作出突出贡献的重要领域 。本文的研究表明 ,燕山运动的实质就是岩石圈的减 薄 ,导致软流圈上涌甚至替代全部岩石圈地幔而直接烘烤地壳 ,由此产生中国东部的巨量岩 浆 - 成矿事件和壳内调整 。但由于资料有限 ,目前对岩石圈减薄的具体时间 、过程 、影响因素 及其地质效应还存在认识上的不确切性 。因此 ,加强对岩石圈地幔的同位素定年 、以及深入开 () 展对幔源基性火成岩 玄武岩 、辉长岩及辉绿岩脉等的源区性质 、形成机制与演化过程的研究 将是未来十分重要的任务 。 但从上述地球动力学模式可以看出 ,燕山运动的实质就是由于岩石圈加厚而导致的岩石 圈减薄 、拆沉乃至消失 ,以及由此而引发的一系列地质事件 。从这层意义上看 ,燕山运动并无 特别之处 ,因为近年来的研究已经揭示 ,现今的青藏高原 、美国东部的盆岭省和西欧的海西造 57 ,60 山带均具有由造山后岩石圈拆沉 - 伸展作用控制的统一地球动力学演化格式。但中国 东部大区域软流圈与地壳直接接触则是全球范围内还未能深入认识的新课题 ,这种地球动力 学背景产生的条件究竟是什么 、壳幔之间为什么会发生解耦 、巨量岩石圈的拆沉对整个地球的 演化产生何种影响等 ,这才是燕山运动研究的真正科学意义所在 。 致 谢 在文章酝酿和写作过程中 ,曾与邓晋福教授 、李曙光教授 、李献华研究员 、刘若新研究 员 、周新华研究员等进行过讨论 。感谢王德滋教授对本文工作的支持与鼓励 。第一作者简介 : 吴福元 ,男 ,1962 年生 ,博士 ,教授 ,岩石学与地球化学专业 。通讯地址 :长春市建设街 79 号 , 长春科技大学地球科学学院 ;邮编 :130061 。EΟmail : Wuf uyuan @cust . zl . cn参考文献 : ) (1 Wo ng W H 翁文灏. 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Alt ho ugh a lot of st udies have been co nducted in t he past 70 years o n t he Yanshain Movement , a war mly debate still exist s abo ut it s geo dynamic backgro und , such as t he subductio n and backarc extensio n of Pacific plate , co ntinentalco ntinental collisio n , sheared ΟΟ st rikeslip co ntinental margin , impacting and lit ho sp heric t hinning , etc. A co mp rehensive st udy Ο abo ut t he mineralogical , pet rological and Sr2N d isotopic feat ures of Cenozoic basalt s and t heir mantle xenolit hs has indicated t hat t he easter n China in Yanshain Perio d was characterized by lit ho sp heric delaminatio n , especially t he direct co ntact of ast heno sp heric mantle wit h t he crust . Mo st of t he p reexisted ancient lit ho sp heric mantle had been delaminated , t he p resent lit ho sp heric Ο mantle was fo r med since t he L ate Mesozoic. Acco rding to t he p resent st udy , t his lit ho sp heric re2 ( moval is p ro bably related to t he subductio n of Pacific Oceanic Plate . The early stage 170 Ma o r ) soof subductio n of easter n oceanic plate t hickened t he lit ho sp here in t he easter n China , w hich resulted in t he mantle delaminatio n in 160 and 145, 120 Ma duo to t he gravit y instabilit y of t hickened lit ho sp here . Therefo re , t he nat ure of Yanshain movement is t he t hinning , even disap2 pearing of lit ho sp heric mantle beneat h easter n China . This p heno meno n is rare in t he wo rld and was repo rted o nly in t he Basin and Range of wester n U nited States. During t he perio d of lit ho2 sp heric removal , t he ast heno sp here up welling and heating , and t he underplating of mantlederived Οmagma in t he lower crust resulted in t he intensive L ate Mesozoic magmatismtecto nismmineral2ΟΟ izatio n of Yanshain Movement in China . This research also suggest s t hat t he p resent lit ho sp heric mantle beneat h easter n China is juve2 nile , and does not co rrespo nd to t he old ages fo und in t he overlying crustal rocks. This implies a mantlecrust deco upling , w hich is inco nsistent wit h t he result s of p resent researches o n t he majo r Ο Archean Crato ns in t he wo rld. Therefo re , f urt her investigatio n sho uld be co nducted to st udy t he mechanism of t his p rocess. Key words : geo dynamics ; lit ho sp heric delaminatio n ; Yanshain Movement ; easter n China