秦岭—红安—大别造山带早白垩世碰撞后镁铁质火成岩地球化学研究

【摘要】秦岭-桐柏-红安-大别-苏鲁造山带又称中国中央造山带,记录了华南与华北陆块从古生代到中生代时期的拼合过程。它不仅是世界上出露规模最大、保存最好的高压／超高压变质地体之一,而且也是陆-陆碰撞之后岩浆活动最为强烈的地区之一。研究造山带中碰撞后岩浆岩,尤其是那些碰撞后镁铁质火成岩的岩石学和地球化学特征、源区物质来源及其形成的化学地球动力学机制对认识大陆碰撞过程中俯冲地壳物质再循环和造山带的构造演化具有十分重要的意义。本学位论文对秦岭-红安-大别造山带早白垩世碰撞后镁铁质岩进行了详细的岩石学和地球化学研究,结果确定了大陆碰撞过程中存在古洋壳和大陆地壳物质的再循环、板片-地幔相互作用发生的机制、造山带岩石圈地幔的岩石学和地球化学性质,并且对碰撞后镁铁质岩形成和岩浆演化的具体过程进行了制约,深化了对俯冲带物质再循环化学地球动力学规律的认识。对大别造山带道士冲和祝家铺碰撞后镁铁质火成岩进行了全岩主微量元素和Sr-Nd-Pb同位素,以及锆石Hf-O同位素研究。结果为我们认识大陆碰撞带造山带岩石圈地幔的性质以及俯冲华南陆壳物质再循环提供了新的证据。锆石U-Pb定年得到的岩浆结晶年龄为125±3～131±1Ma。我们首次在碰撞后镁铁质岩中发现了残留锆石核,其U-Pb年龄包为234±5Ma、770±11Ma和739±9Ma。这些残留锆石年龄与超高压变质构造热事件和原岩形成时间一致,为俯冲华南陆壳物质再循环进入这些镁铁质岩地幔源区提供了地质年代学证据。我们还首次发现碰撞后镁铁质岩中岩浆锆石Hf-O同位素呈现出系统的变化,且大致可分成三组。组Ⅰ锆石具有最低的锆石δ180值(2.0～2.9‰)和最高的εHf(t)值(-3.2～-1.0)；组Ⅱ锆石锆石具有较高的δ18O值(4.0～5.1‰)和较低的εHf(t)值(-22.5～.13.2)；组Ⅲ锆石具有最高的锆石δ18O值(5.2～7.3‰)和最低的εHf(t)值(-29.1～-18.6)。三组锆石的Hf-O同位素组成对应于俯冲华南陆壳三层结构的Hf-O同位素特征,表明不同层位的华南陆壳物质均再循环进入了地幔。此外,这些镁铁质岩还具有高的MgO(高达18.0wt.%)、Cr(高达1546ppm)和Ni(高达349ppm)含量以及低的Si02(41.0～51.9wt.%)含量,并且具有弧型微量元素分布模式和富集的Sr-Nd-Pb同位素组成。这些地球化学特征指示它们来源于富沃富集的地幔源区,其不仅富集LILE和LREE而且富集放射成因Sr-Nd-Pb同位素。因此,该地幔源区是造山带岩石圈地幔的一部分,是在大陆俯冲隧道内通过熔体-橄榄岩反应形成的。地幔源区不相容微量元素和放射成因同位素富集的特征是三叠纪大陆碰撞过程中来源于不同层位俯冲华南陆壳物质的长英质熔体与上覆古老华北克拉通岩石圈地幔橄榄岩反应形成的。镁铁质-超镁铁质岩侵入体元素和同位素组成上的巨大差异指示造山带岩石圈地幔的地球化学不均一性,并且可能存在富角闪石和辉石的地幔超镁铁质岩石。这种不均一的根本原因是来源于俯冲华南陆壳不同组成的长英质熔体在俯冲隧道内交代了华北大陆岩石圈地幔。大陆地壳俯冲通常被认为是受到了先前俯冲洋壳的重力牵引。因此,大陆碰撞造山带中先前俯冲的洋壳和随后俯冲的大陆地壳均有可能再循环进入地幔。我们对红安造山带碰撞后镁铁质岩进行了详细的全岩主微量、放射性成因同位素和稳定同位素地球化学研究。研究结果证实,在大陆碰撞造山带中,除俯冲的大陆地壳外,先前俯冲的洋壳也发生了再循环。红安造山带镁铁质火成岩具有OIB型的微量元素特征,高的Nb/U和TiO2/Al2O3比值,和相对亏损的Sr-Nd同位素组成[εNd(t)=-1.8～4.5；87Sr/86Si=0.7040～0.7050]。这些特征明显不同于大别造山带碰撞后镁铁质岩弧型的微量元素特征和相对富集的Sr-Nd同位素组成[εNd(t)=-2-3-～20.7；87Sr/86Sri=0.7061～0.7114].红安镁铁质岩中锆石也具有变化的Hf-O同位素组成。这些特征表明红安造山带碰撞后镁铁质火成岩的地幔源区明显不同于大别造山带碰撞后镁铁质岩。这样在大陆碰撞过程中具有两种类型的板片-地幔相互作用。先前俯冲的洋壳玄武岩和上覆沉积物部分熔融形成的熔体与新生岩石圈地幔橄榄岩反应形成了红安造山带碰撞后镁铁质岩的地幔源区。深俯冲洋壳在俯冲到大于120km时部分熔融形成的熔体在微量元素上表现为富集LILE和LREE,不亏损HFSE(如Nb和Ta,部分熔融过程中金红石不稳定分解),在放射成因同位素特征上表现为相对亏损。而俯冲陆壳来源的长英质熔体与上覆古老的岩石圈地幔反应形成了大别造山带碰撞后镁铁质岩的地幔源区。俯冲隧道中两种不同类型的熔体-橄榄岩反应导致了红安-大别造山带碰撞后镁铁质岩地球化学性质的差异,并形成了非橄榄岩的辉石岩和角闪石岩。因此,红安-大别造山带中的碰撞后镁铁质岩记录了从洋壳俯冲到大陆碰撞的构造转变。对西秦岭早白垩世碱性玄武岩进行了详细的全岩主微量和放射性成因同位素地球化学研究,其结果揭示了碱性玄武岩的地幔岩石学性质(角闪石岩+橄榄岩)和俯冲古特提斯洋壳再循环。西秦岭碱性玄武岩具有高的MgO(7.18～11.1.wt.%).Na20+K20(2.9～4.8wt.%)和TiO2(2.2～2.9wt.%)含量以及低的Si02(41.4～45.7wt.%)含量。它们还具有OIB型的微量元素特征：富集LILE和LREE,不亏损HFSE。它们具有亏损的全岩Sr-Nd-Hf同位素组成,其全岩初始87Sr/86Sr比值为0.7035～0.7058,εNd(t)值为4.6～7.7,εHKt)值为8.8～13.5,锆石εHf(t)值为5.9～12.1。这些元素和同位素特征表明,这些碱性玄武岩来源于新生的岩石圈地幔,其地幔源区中有地壳物质的加入。西秦岭碱性玄武岩变化的Ba/Th、Sr/Y和(La/Yb)N比值,指示了再循环进入地幔的地壳物质既有俯冲的洋壳玄武岩也有上覆的沉积物。碱性玄武岩高的K20/Na2O比值,以及K2O和TiO2含量,表明它们来源于富角闪岩的地幔源区。综合全岩主微量元素和同位素特征,可以采用角闪石岩+橄榄岩的部分熔融来解释这些碱性玄武岩的地球化学特征。其中交代成因的角闪石岩是俯冲的古特提斯洋壳来源的熔体与上覆地幔楔橄榄岩反应形成的。因此,大陆碰撞造山带中的碱性玄武岩记录了消失的古特提斯洋壳的再循环。交代成因的角闪石脉可能是造山带岩石圈地幔中常见的交代体,它对碱性玄武岩的成因有着重要贡献。大陆造山带碰撞后镁铁质岩通常表现出岩性和地球化学的不均一性,造成这种不均一性的原因主要包括源区混合、岩浆混合和地壳混染等。碰撞后镁铁质岩形成过程中的源区混合指的是大陆碰撞过程中的壳幔相互作用,而不同地幔源区来源的熔体在岩浆上升过程中也有可能发生岩浆混合。对大别造山带椒子岩碰撞后镁铁质岩进行了详细的岩石学和地球化学研究,结果对碰撞后镁铁质岩形成和岩浆演化过程中的源区混合和岩浆混合进行了识别和区分。这些镁铁质岩具有弧型微量元素分布模式和富集的Sr-Nd-Pb同位素组成,表明它们来源于富集的地幔源区。它们具有变化的全岩εNd(t)值(-17.6～-5.2)和锆石εHKt)值(-29.0～-7.7),反映了其地幔源区的不均一性。在这些镁铁质岩中还发现了新元古代U-Pb年龄的残留锆石核,U-Pb年龄为765±8Ma,与大别造山带超高压变质岩的原岩年龄一致。镁铁质岩中的单斜辉石和斜长石巨晶具有复杂的结构和成分环带。Cpx-1核部具有低的Cr和Ni含量以及高的Ba、Rb和K含量,表明其可能结晶于含金云母地幔橄榄岩部分熔融产生的镁铁质熔体(熔体1)。Cpx-1幔部和Cpx-2具有明显高的Cr、Ni和Al2O3含量,以及低的Rb和Ba含量,表明它们可能结晶于辉石岩部分熔融产生的镁铁质熔体(熔体2)。全岩的放射性成因Sr同位素介于P1-1核(结晶于熔体1)与P1-1幔和P1-2核(结晶于熔体2)之间,为这两种镁铁质熔体间的岩浆混合提供了同位素证据。混合形成的镁铁质岩浆最终结晶出Cpx-1边、Amp-2、Pl-1边、P1-2边以及基质中的矿物。因此,碰撞后镁铁质岩来源于不同地幔源区部分熔融所产生的镁铁质熔体间的岩浆混合。总的来看,大陆碰撞过程中不同陆壳物质来源的长英质熔体与上覆地幔楔橄榄岩间的源区混合形成了不均一的富集地幔,碰撞后阶段不同程度富集地幔来源的镁铁质熔体间的岩浆混合最终形成了地球化学不均一的碰撞后镁铁质岩。碰撞后镁铁质岩全岩和矿物地球化学的不均一性同时受控于源区混合和岩浆混合。本文研究证明,大陆造山带碰撞后镁铁质岩记录了从洋壳俯冲到大陆碰撞的构造转变。俯冲隧道中不同性质俯冲地壳物质来源熔体与上覆地幔楔橄榄岩之间的相互作用导致了造山带岩石圈地幔在岩石学(包括橄榄岩、辉石岩和角闪石岩)和地球化学组成上的不均一性。俯冲隧道中板片-地幔相互作用是决定造山带岩石圈地幔性质的关键。碰撞后镁铁质岩元素和同位素地球化学的不均一同时受控于源区混合和岩浆混合。
【作者】戴立群；
【导师】郑永飞；赵子福；
【作者基本信息】中国科学技术大学，地球化学，2014，博士
【关键词】大陆碰撞带；碰撞后岩浆作用；镁铁质火成岩；俯冲隧道过程；板片-地幔相互作用；熔体-橄榄岩反应；地幔岩石学；源区混合；岩浆混合；

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