秘魯北部奇克拉約地區始新世-漸新世侵入巖時代、成因和構造環境

姚春彥,郭維民,劉君安,李漢武,王天剛

(中國地質調查局 南京地質調查中心, 江蘇 南京 210016)

大陸邊緣巖漿弧以巨大的巖基和各種類型巖漿巖出露為主要特征,其在時間和空間上的演變反映了板塊邊緣俯沖帶動力學機制的改變,研究大陸邊緣巖漿弧體系對于揭示俯沖板片深部動力學過程、殼幔相互作用、巖漿演化過程等有著巨大的學術意義。南美洲西緣安第斯地區是全球研究中、新生代的熱點地區,發育大量島弧巖漿巖,并以巨型巖基的形式展布,包括秘魯海岸巖基(Peruvian Coastal Batholith,18°～6°S)、智利中部海岸巖基(Central Chilean Coastal Batholith, 35°～18°S)、巴塔哥尼亞巖基(Patagonian Batholith,55°～42°S)等(Paradaetal., 1988, 1999, 2007; Herveetal., 2007)。與南美洲西緣其他地區不同,秘魯陸緣自俯沖作用開始之后,未受到地體增生作用的改造(Loewyetal., 2004; Miskovicetal., 2009),自550 Ma年左右即開始間歇性的巖漿活動 (Cawood, 2005) ,被認為是一種長期活動的大陸邊緣(Mukasa, 1986; Pindell and Tabbutt, 1995; Chewetal., 2007),因而是研究和建立安第斯地區與俯沖有關的年代格架最為良好的研究場所之一。然而,該地區記錄與俯沖有關的區域巖漿活動的精確地質歷史(>30 Ma)仍然知之甚少(Mamanietal., 2010)。本次研究通過對秘魯海岸巖基北部奇克拉約地區開展系統的野外調查、巖石地球化學和年代學研究,探討該地區島弧巖漿巖的時空演化、巖石成因及其構造背景。

1 區域地質背景

秘魯海岸巖基帶位于南美洲西緣6°～18°S之間,總體屬于中安第斯構造區,由1 000多個深成巖體組成,出露長度約1 600 km,寬度約60 km,侵入時代主體介于侏羅紀至古新世之間(Pitcheretal., 1985; Mukasa, 1986; Hildebrand and Whalen, 2014;許志琴等, 2019)。根據巖石類型、巖石結構、相對侵入關系、捕虜體特征以及與不同時代巖脈群的關系等野外特征和巖石地球化學特征,秘魯海岸巖基被劃分為數個具有成因聯系的巖套,常被稱為“超單元”(Cobbing and Pitcher, 1972; Cobbingetal., 1977; Athertonetal., 1979; McCourt, 1981)。根據這些“超單元”分布特征,秘魯海岸巖基帶從北西至南東,被劃分為5個不同的段,分別為Piura段、Trujillo段、Lima段、Arequipa段和Toquepala 段(圖1, Cobbingetal., 1977; Cobbing and Pitcher, 1983)。

本文研究的奇克拉約(Chiclayo)地區位于秘魯西北部海岸巖基Trujillo段最北端。研究區內最古老的地層為古生代變質巖基底(Salas 組),廣泛發育中生代—新生代火山-侵入雜巖。其中,火山巖以中基性熔巖、火山碎屑巖和凝灰質角礫熔巖為主,侵入巖以基性-中酸性鈣堿性系列侵入巖為主。區域構造以斷裂為主,構造線展布與科迪勒拉山脈走向一致,主要由北西-南東向斷裂帶組成。沿著北西走向斷裂帶發育一系列串珠狀的穹窿和火山噴發機構(圖2)。

2 研究區侵入巖及巖石特征

2.1 Patapo-La Cria地區侵入巖

該地區位于Chongoyape鎮西部,侵入巖侵入Oyotun 組火山巖,在構造上以穹窿形式產出。侵入巖成分較為復雜,主體為中粗?；◢弾r,次為花崗斑巖、中細?；◢弾r和英云閃長巖,并有少量的閃長玢巖。中粗?；◢弾r,新鮮面顏色為肉紅色,主要由鉀長石(35%～45%)、石英(約30%)、斜長石(20%～25%)組成,有少量角閃石、黑云母暗色礦物?；◢彴邘r主要分布于靠近接觸帶的部位,主要由鉀長石、石英、斜長石以及角閃石組成,斑晶主要為石英(約20%)、鉀長石(15%)和少量斜長石,基質主要由隱晶質物質組成(圖3)?；◢彴邘r成分與中粗?；◢弾r相似,為其邊緣相。中細?；◢弾r主要出露巖體邊部,中細粒結構,淺灰色、灰白色,主要由石英、鉀長石、斜長石組成,暗色礦物含量很少,小于5%,以黑云母為主,巖體中含有大量由角閃石和斜長石組成的閃長質包體,包體中不規則分布有石英、斜長石晶體。本次研究的花崗斑巖(D3170)、二長花崗巖(D3230)和花崗巖(D3243)樣品采于該穹窿。

圖 1 秘魯海岸巖基帶“超單元”5個段分布示意圖(修改自Cobbing, 1976)Fig. 1 The five compositional segments of the super-units in the Peruvian coastal batholith (after Cobbing, 1976)

2.2 Las Delicias-Mocupe地區侵入巖

該地區位于奇克拉約東南部,侵入巖體以穹窿構造產出,侵入巖體中巖漿巖主要有二長閃長巖和二長花崗巖兩類,兩者侵入到白堊紀灰巖之中,野外可見二長花崗巖侵入到二長閃長巖之中,侵入界限清楚。二長花崗巖中可見有大量的閃長質暗色包體,主要由角閃石和斜長石組成,多為橢球狀,少量具有棱角狀(圖4a～4d)。本次研究的二長花崗巖(D3213)樣品采自該穹窿。

2.3 Chonta Cruz地區侵入巖

Chonta Cruz地區侵入巖以巨大的巖基形式產出,巖性以英云閃長巖為主,主要礦物為石英(約30%)、斜長石(60%)、角閃石(2%～3%)、黑云母(7%～8%),中粒結構,塊狀構造,巖石較新鮮。局部可見有少量花崗巖產出。本次研究的花崗巖(D2320)、英云閃長巖(D2321)、花崗閃長巖(D2322)樣品(圖4e)采自Chonta Cruz鎮南部,英云閃長巖(D6308)采自Chonta Cruz鎮東北部。

圖 2 秘魯北部奇克拉約地區區域地質圖及采樣位置圖(底圖據郭維民等, 2016)(1)郭維民等. 2016. 中秘地質填圖合作項目“中秘合作秘魯北部奇克拉約地區 1∶25 萬地質礦產調查”成果(未公開發表).Fig. 2 Geologic sketch map of Chiclayo area in northwestern Peru and the sampling site (modified after Guo Weimin et al., 2016)?

3 分析方法

樣品鋯石分選在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成,CL(陰極發光)圖像分析在JSM-6510型掃描電子顯微鏡和Gatan Mini CL型陰極熒光光譜儀上完成。鋯石制靶在北京鋯年領航科技有限公司完成,鋯石U-Pb同位素測年在中國地質大學(武漢)LA- ICP-MS實驗室完成。樣品處理方法、測試方法和數據處理過程及質量要求等參照文獻(Liuetal., 2008, 2010)。

全巖主量、微量與稀土元素分析在自然資源部華東礦產資源監督檢測中心完成。主量元素采用XFD-1500測定,分析精度一般優于2%～3%;微量和稀土元素在Tenon熔樣罐熔樣,用Finnigan MAT 公司生產的雙聚焦高分辨ICP-MS測定,檢測限優于0.5×10-9,相對標準偏差小于5%(陳鵬國, 2017)。

4 分析結果

4.1 鋯石U-Pb年代學

本文對采自Patapo-La Cria穹窿的花崗閃長斑巖(D3170)、二長花崗巖(D3230)和花崗巖(D3243)、Las Delicias-Mocupe穹窿的花崗巖(D3213)和Chonta Cruz地區花崗巖(D2320)、英云閃長巖(D2321)、花崗閃長巖(D2322)和英云閃長巖(D6308)共8件侵入巖樣品進行了鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年。樣品鋯石呈無色、淡黃色,透明-半透明,自形程度較高,多數為柱狀晶體。鋯石具有清晰的內部結構和典型巖漿成因的震蕩環帶,表明其屬于巖漿成因鋯石,鋯石年齡可代表結晶年齡。鋯石U-Pb年齡測試結果見表1、表2和表3,鋯石U-Pb年齡譜見圖5和圖6。Patapo-La Cria穹窿和Las Delicias-Mocupe穹窿侵入巖的207Pb/235U加權平均年齡為53～47 Ma,Chonta Cruz地區侵入巖的207Pb/235U加權平均年齡為36～28 Ma。

4.2 全巖地球化學

侵入巖樣品的主量元素、微量元素和稀土元素分析結果見表4。

4.2.1 主量元素特征

本次8件侵入巖樣品均顯示高硅特征(SiO2含量為63.87%～76.36%),Al2O3含量為12.23%～15.42%,K2O 含量為2.48%～4.91%,Na2O含量為3.20%～4.16%,除2個樣品Na2O含量略低于K2O 含量外(Na2O/ K2O=0.74～0.80, 其余樣品Na2O含量均高于K2O 含量(Na2O/ K2O=1.10～1.58),相對富鈉;CaO含量為0.59%～4.94%,屬鈣堿性系列(圖7a);鋁飽和指數(A/CNK=0.89～1.07)均在1.00附近,屬于準鋁質(圖7b)。

圖 4 Las Delicias-Mocupe地區和Chonta Cruz地區侵入巖野外及鏡下照片Fig. 4 Field and microscopic images of the intrusive rocks in Las Delicias-Mocupe area and Chonta Cruz area a—Las Delicias-Mocupe地區二長花崗巖侵入于白堊紀灰巖之中; b—Las Delicias-Mocupe地區二長花崗巖標本; c—Las Delicias-Mocupe地區二長閃長巖及其中的閃長質包體; d—Las Delicias-Mocupe地區二長花崗巖主要礦物組成為鉀長石(Kf)、斜長石(Pl)、石英(Qz)和黑云母(Bi); e—Chonta Cruz地區花崗閃長巖中的閃長質包體a—monzogranite intruded into Cretaceous limestone in Las Delicias-Mocupe area; b—monzogranite in Las Delicias-Mocupe area; c—monzodiorite and diorite enclaves in Las Delicias-Mocupe area; d—granodiorite in Delicias-Mocupe area, the main mineral compositions of monzogranite are K-feldspar (kf), plagioclase (Pl), quartz (Qz) and biotite (Bi); e—dioritic enclaves in the granodiorite of Chonta Cruz area

在巖石分類圖解中,采自Patapo-La Cria和Las Delicias-Mocupe地區穹窿的侵入巖樣品投點多落在花崗巖區域,Chonta Cruz地區樣品多落入石英閃長巖區域(圖8)。

4.2.2 微量元素特征

在微量元素地幔標準化蛛網圖上,兩期侵入巖均相對富集大離子親石元素 Rb、Ba、K、U,虧損高場強元素Nb、Ta、P 和Ti (圖9a),表明其成因與板塊俯沖作用有關(Kelemenetal., 2007; 李奮其等, 2012; 李中會等, 2021)。Rb/Sr值平均為0.77(0.29～1.43),顯著高于原始地幔(0.03)和OIB(0.047)的Rb/Sr值,與殼源巖漿范圍一致(>0.5)(Wuetal.,2007),其Th/U值為3.39～6.42(平均值為5.09),接近下地殼Th/U值(約為6)(Rudnick and Gao, 2004)。但樣品較高的La/Nb值(3.49～4.42)、La/Ta值 (22.94～61.31)和低的La/Ba值(0.04～0.08)顯示出受俯沖作用改造后的巖石圈地幔源區的特征(圖10a,Saundersetal., 1992)。A/MF-C/MF圖解中,則多數樣品落入基性巖的部分熔融區域(圖10b)。

表 1 Patapo-La Cria穹窿侵入巖LA-ICP-MS鋯石U-Th-Pb分析數據Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating data of Patapo-La Cria dome intrusive rocks

續表 1 Continued Table 1

表 2 Las Delicias-Mocupe穹窿二長花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Th-Pb分析數據Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating data of Las Delicias-Mocupe dome monzonitic granite

續表 3-2 Continued Table 3-2

圖 5 Patapo-La Cria和Las Delicias-Mocupe穹窿侵入巖樣品鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig. 5 U-Pb concordia diagram of the zircons from the intrusive rock in the Patapo-La Cria and Las Delicias-Mocupe areas

圖 6 Chonta Cruz地區侵入巖鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig. 6 U-Pb concordia diagram of the zircons from the intrusive rock in the Chonta Cruz area

表 4 侵入巖的主量元素(wB/%)、微量元素和稀土元素(wB/10-6)分析結果Table 4 Major elements (wB/%), rare elements and rare earth elements (wB/10-6) analysis results of the intrusive rocks

圖 7 工作區侵入巖K2O-SiO2圖解(a)及A/NK-A/CNK圖解(b)Fig. 7 K2O-SiO2 diagram (a) and A/NK-A/CNK diagram (b) of the intrusive rocks

圖 8 閃長巖巖石分類圖解Fig. 8 Rock classification diagram of diorite

球粒隕石標準化稀土元素配分模式中,總體輕微右傾,輕重稀土元素比值LREE/HREE為2.79～5.14,表現出輕稀土元素較重稀土元素輕微富集,輕稀土元素分餾程度強于重稀土元素, (La/Sm)N=3.53～6.76, (Gd/Yb)N=0.87～1.41; Eu呈現弱負異常(δEu=0.39～0.78),Ce輕微負異常至無明顯異常(δCe=0.66～1.11)(圖9b)。

圖 9 侵入巖原始地幔標準化微量元素蛛網圖(a)和球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(b)Fig. 9 Primitive mantle-normalized trace element spidergram(a)and chondrite-normalized REE patterns (b) for the intrusive rocks

圖 10 侵入巖La/Ba-La/Nb圖解(a)和A/MF-C/MF圖解(b)Fig.10 La/Ba-La/Nb and A/MF-C/MFdiagrams of the intrusive rocks

5 討論

5.1 巖漿侵位時代

秘魯海岸巖基帶中南部的Lima段、Arequipa段和Toquepala 段50個深成巖體的鋯石U-Pb年齡測定,顯示海岸巖基的巖漿活動時限范圍非常長,從188 Ma持續至37 Ma (Mukasa, 1986; Boekhoutetal. , 2012; Demouyetal., 2012; Santosetal., 2019)。其中,侏羅紀的巖體主要分布在南部Arequipa段。對于Arequipa地區的巖體進行進一步解剖,將Arequipa段巖漿侵入活動分為200～152 Ma和110～60 Ma兩個時期(Boekhoutetal. , 2012; Demouyetal., 2012; Santosetal., 2019) 。與南部海岸巖基不同,中部Lima段巖漿活動主要集中在3個時期,分別為105～101 Ma、91～82 Ma (Wilson, 1975; Mukasa, 1986) 和73～62 Ma (Cobbingetal., 1981; Mukasa, 1986) ,缺乏侏羅紀的巖漿活動記錄。

本文研究區位于Trujillo段北部,侵入巖樣品年齡自西向東呈現逐漸變新的特點,西部巖體以穹隆產出并侵入早白堊世Oyotun 組(139～131 Ma, Duanetal., 2022)中,樣品鋯石U-Pb年齡在52～47 Ma之間。東部侵入巖侵入于古新世Llama 組火山巖和始新世Porculla 組火山巖之中,其鋯石U-Pb年齡在36～28 Ma之間。侵入巖出露位置及年齡特征顯示出從始新世至漸新世,巖漿活動自西向東部發生了遷移。同時,與秘魯海岸巖基帶中部Lima段以及南部Arequipa段相比,Trujillo段北部缺乏侏羅紀和晚白堊世的巖漿活動記錄,反映出雖然秘魯海岸巖基帶呈北西-南東向平行于現代俯沖帶分布,但在不同的地區,俯沖巖漿活動時空特征有著明顯的不同。

5.2 巖石成因

研究區侵入巖樣品的MgO、Fe2O3T、CaO、TiO2及Co與SiO2含量都呈明顯的負相關,說明巖漿演化過程中可能發生了輝石、角閃石等鐵鎂礦物的分離結晶(圖11、圖12)。隨SiO2含量的增加,Dy/Yb值呈減小趨勢也顯示出角閃石發生了分離結晶。同時弱的Eu異常(圖9b)以及P2O5、TiO2與SiO2負相關則說明發生了含P 和Ti副礦物相的分離結晶; Eu隨SiO2含量的增加而明顯減少, 表明在巖漿演化過程中發生了一定的斜長石分離結晶(圖11、圖12)。

微量元素組成上,明顯富集大離子親石元素,相對虧損高場強元素以及具有U、Hf、La和Ce的正異常以及Sr負異常(圖9a)顯示出殼?；旌显吹奶卣?。兩期侵入巖體(Sr/Y)-Y圖解中樣品落入經典島弧巖石區域,Rb-(Y+Nb)圖解顯示其構造環境為火山弧花崗巖,表明其具有俯沖帶火山弧巖漿巖的特征(圖13)。

值得注意的是,樣品Nb/Ta均>5(5.2～14.11,平均值為11.21),接近平均陸殼組成(11～13)(Rudnick and Gao, 2004)。Zr/Hf值變化于30.77～36.88之間,平均值為33.81,類似于原始地幔和球粒隕石值(34～36)(McDonough and Sun, 1995),也接近于平均陸殼值(35.7)(Rudnick and Gao, 2004)。綜合樣品地球化學特征,侵入巖巖漿源區可能源于基性下地殼的部分熔融,并有巖石圈地幔物質混染。同時,花崗巖中可見暗色基性包體,說明上升過程中還存在巖漿的混合作用。

圖 11 MgO、TiO2、CaO及Fe2O3T與SiO2含量離散關系圖Fig. 11 MgO-SiO2, TiO2-SiO2, CaO-SiO2, Fe2O3T-SiO2 discrete diagrams of the intrusive rocks

圖 12 Dy/Yb值、Eu、Co和P2O5含量與SiO2含量離散關系圖Fig. 12 Dy/Yb-SiO2, Eu-SiO2, Co-SiO2 and P2O5-SiO2 discrete diagrams of the intrusive rocks

圖 13 侵入巖Sr/Y-Y(a)和Rb-(Y+Nb) (b)圖解Fig. 13 Sr/Y-Y(a)and Rb-(Y+Nb) (b) diagrams of the intrusive rocks

5.3 構造背景

三疊紀南大西洋擴張觸發大洋型Nazca-Farallon板塊向南美大陸板塊俯沖。安第斯山脈是Nazca板塊向東俯沖造成南美洲板塊西緣在新生代構造縮短而形成的(Sobolev and Babeyko, 2005; Chenetal.,2019; 許志琴等, 2019)。已有研究表明,中安第斯秘魯段自晚白堊世以來共發生秘魯期(84～79 Ma)、印加Ⅰ期(59～55 Ma)、印加Ⅱ期(43～42 Ma)、印加Ⅲ期(30～27 Ma)、印加Ⅳ期(22 Ma)、蓋丘亞Ⅰ期(17 Ma)、蓋丘亞Ⅱ期(8～7 Ma)、蓋丘亞Ⅲ期(5～4 Ma)和蓋丘亞Ⅳ期(早更新世) 9期造山事件(Benavides-Caceres, 1999)。這些造山事件中,以印加Ⅰ期和印加Ⅱ期最為強烈,以擠壓為主,形成了同期的印加褶皺帶。在印加Ⅰ期和印加Ⅱ期間歇期(54～44 Ma), 以Llama-Calipuy火山旋回為代表的火山作用活躍。印加Ⅱ期后至印加Ⅳ期構造旋回期間(41～23 Ma),為一個新的由隆升、伸展構造和巖漿活動形成的新的旋回,該時期巖漿弧以始新世晚期和漸新世的Tacaza火山序列為代表(Benavides-Caceres, 1999)。在此期間發生的印加Ⅲ期(30～27 Ma)則以擠壓隆升為主。

由于Nazca板塊自中生代以來俯沖不是完全連續的,而是具有幕式俯沖的特點(Pfiffner and Gonzalez, 2013),因此在秘魯南部和北部地區,Nazca板塊的俯沖角度不盡相同。新生代早期(約40 Ma)開始,在秘魯南部和智利北部俯沖角度在25°～30°之間,這些地區具有活躍的火山作用;而在秘魯中部和北部地區以淺角度平俯沖下降到100 km的深度,這期間缺乏火山活動(Jordanetal., 1983; Ramos, 1999; Ramos and Folguera, 2009; Pfiffner and Gonzalez, 2013; 許志琴等,2019)。同時,有研究表明,秘魯中部地區(13°S～18°S)由于板塊的俯沖主要的地殼增厚和隆升開始于漸新世中期(30 Ma)(Gregory-Wodzicki, 2000; Garzioneetal., 2008; Mamanietal., 2010)。

本文采自巖基帶西部的侵入巖年齡(52～47 Ma)晚于印加Ⅰ期,早于印加Ⅱ期,處于印加Ⅰ期和印加Ⅱ造山間歇期;東部Chonta Cruz地區侵入巖侵位時限(36～28 Ma)略早于或在印加Ⅲ期造山期內,由于中安第斯地區印加Ⅲ期(30～27 Ma)主要以擠壓隆升為主,說明在Nazca板塊低角度平板俯沖作用下,秘魯北部巖漿弧向東遷移,且在36～28 Ma時限間仍存在巖漿活動。對比秘魯中南部地區在30 Ma以后即開始地殼的隆升和增厚,秘魯北部由于擠壓事件引發的地殼隆升和增厚時限較中南部地區稍晚(大約在28 Ma之后)。

6 結論

(1) 秘魯北部海岸巖基帶侵入巖樣品鋯石U-Pb年代學數據顯示巖漿活動主要發生在始新世(52～47 Ma)和漸新世(36～28 Ma)兩期,且具有自西向東逐漸變新的特征。

(2) 在Nazca板塊向南美大陸板塊俯沖的大地構造背景下,兩期侵入巖樣品相似的地球化學組成,主微量元素地球化學特征指示兩期侵入巖的巖漿具有同源特征,巖漿源區可能源于基性下地殼的部分熔融,并有巖石圈地幔物質混染。

(3) 在俯沖構造背景下,秘魯北部巖漿弧向東遷移,在28 Ma年有巖漿記錄,說明北部對應印加Ⅲ期的地殼隆升和增厚時限較中南部地區的30 Ma稍晚(大約在28 Ma之后)。