东秦岭—桐柏造山带新元古代—早古生代不同阶段演化的变质和岩浆作用

【摘要】造山带的形成是汇聚板块边缘的重要特征,关于其演化的研究历来是大陆动力学研究的重要领域之一。越来越多的研究表明在两个大陆板块汇聚拼合并发生陆陆碰撞之前,通常经历了长期多阶段的岛弧或/和微陆块的拼贴过程,并伴随有大陆地壳的增生与再造。秦岭-桐柏-大别-苏鲁造山带是一个典型的复合造山带,记录了华南与华北板块长期多阶段的拼合过程。相对于东部的大别-苏鲁造山带,西部的秦岭-桐柏造山带记录有更加完整的早古生代演化过程,并伴生有显著的地壳生长。然而目前对秦岭-桐柏造山带的研究还相对薄弱。基于此,本文对其中的一些关键性样品开展了详细的锆石U-Pb年代学、矿物包裹体、微量元素、Hf-O同位素以及全岩主微量元素和Sr-Nd-Pb同位素研究,获得如下几点认识：(1)两件北秦岭榴辉岩样品中残留的岩浆锆石核给出了798±23和799±94Ma的年龄,指示北秦岭榴辉岩原岩形成于新元古代中期。北秦岭榴辉岩具有拉斑玄武质的全岩组分,显示高Ti02(1.40-2.40%),低P2O5(0.09-0.22%)、Na2O(1.10-2.49%)和K2O(0.17-1.04%)的特点,具有中等程度分异的稀土元素配分模式(LaN/YbN=2.31-4.20),不明显的Nb、Ta、Ti和Eu异常(Eu/Eu*=0.82-1.10)。北秦岭榴辉岩还具有高的全岩εNd(t)(2.81-5.53)和锆石εHf(t)(10.5-11.9)值,指示其源自一个相对亏损的地幔源区。基于不活动元素的地球化学判别图解显示北秦岭榴辉岩落入大陆玄武岩区。年代学和地球化学结果均显示北秦岭榴辉岩明显不同于二郎坪群玄武岩,而与南秦岭造山带和华南板块北缘的新元古代大陆拉斑玄武岩类似。因此本文认为北秦岭榴辉岩原岩也形成于800Ma的大陆裂谷环境,是全球范围内Rodinia超大陆裂解的响应。这一过程可能导致了北秦岭地体与华南板块的分离。(2)北秦岭榴辉岩中变质锆石具有无分带到弱分带的CL图像特征,非常低的Th/U和176Lu/177Hf比值,不明显的Eu异常以及平坦的重稀土元素配分模式。此外,这些变质锆石区域还包含有石榴石、绿辉石和多硅白云母等矿物包裹体,显示其形成于榴辉岩相变质条件,因此所获得的486±4Ma的锆石U-Pb年龄应该代表了榴辉岩相变质作用的时间。石英脉中锆石具有非常自形的外部晶形,震荡环带,低的Th/U比值和变化的HREE含量。这些锆石给出的加权平均年龄为481±3Ma,应代表了折返阶段流体活动的时间。片岩中锆石多为碎屑的岩浆锆石,其主要年龄峰值为1950-1850,1800-1600,1560-1460和1400-1260Ma以及一个2517Ma的年龄。这些年龄峰值指示北秦岭地体具有华南板块的构造亲缘性。华南板块与华北板块的聚合过程可能包括了>490Ma的二郎坪洋内弧形成,约490Ma的大陆深俯冲和超高压变质作用以及随后约480Ma的流体活动。(3)秦岭群中部的一件角闪岩样品中锆石具有典型变质生长环带,低Th/U比值,平坦的HREE配分模式以及不明显的Eu异常。其给出的加权平均U-Pb年龄为490±6Ma。最重要的是在该样品的一颗锆石中发现了微粒金刚石包裹体,因此获得的490±6Ma的年龄应该代表了超高压变质作用峰期的时代。原位金刚石的发现为北秦岭超高压变质作用提供了重要证据,指示其与二郎坪弧发生碰撞时俯冲至>120km地幔深度。结合之前资料显示北秦岭超高压地体在10Myr内经历了从>120kmm到30km的快速折返过程。由于在其它增生造山带内也发现有超高压变质作用证据,因此增生造山带可能在大陆地壳再循环过程中也扮演着重要角色。(4)原位SIMS/LA-ICPMS锆石U-Pb年龄分析显示富水杂岩不同岩性单元同时形成于约488-484Ma,证实了北秦岭内存在寒武纪晚期-奥陶纪早期岩浆活动。富水杂岩属于钾玄岩系,并以富集大离子亲石元素(如Ba、Pb和Sr),亏损高场强元素(如Nb、Ta、Zr、Hf、P和Ti),高初始Sr同位素比值(0.7100-0.7151),负εNd(t)(-3.97-5.68)和εHf(t)值(-2.85～0.34),正△εHf值(3.85-5.37)以及高的锆石518O值(6.86±0.13‰)为特征。这些地球化学特征显示其地幔源区受到过俯冲沉积物的交代作用。两端元混合模型显示富水杂岩地幔源区可能含有约6%的大洋沉积物。非模态部分熔融模型揭示富水杂岩可以由含金云母石榴二辉橄榄岩经1-6%平衡部分熔融形成。由于前人已经在现代初始岛弧带内发现有钾玄岩,结合秦岭造山带的构造演化特征,本文认为富水杂岩的形成是特提斯洋俯冲带从秦岭群北侧向南侧跃迁的结果。(5)桐柏地区秦岭群三件麻粒岩样品和一件片麻岩样品中大部分锆石具有核边结构。核部锆石具有圆形或椭圆形外形,震荡环带,高Th/U比值和变化的U-Pb年龄,指示其为碎屑成因。最小的一组碎屑锆石给出的加权平均值为450±5Ma,这可以用来约束沉积原岩最大的沉积时代。一组较为集中的年龄为约450-490Ma,与秦岭-桐柏造山带内的岛弧岩浆活动时代一致。另一组年龄在660-950Ma之间,指示桐柏造山带内的秦岭群属于华南板块。麻粒岩中变质锆石具有弱分带或无分带,低的Th/U比值和REE含量,负的Eu异常以及平坦的HREE配分模式,指示其与石榴石和斜长石共生,形成于麻粒岩相条件。所获得的424±4Ma的年龄应该代表了麻粒岩相变质作用的时代。浅色体中锆石具有明显的Eu异常以及相对平坦的HREE配分模式,并给出了428±4Ma的年龄,指示了与麻粒岩相变质作用同期的部分熔融作用。片麻岩中变质锆石具有清晰的Eu异常,变化的Th/U比值以及HREE含量。这些锆石给出的加权平均年龄为438±4Ma,可以被解释为进变质作用的时代。辉长岩和花岗闪长岩中锆石给出的U-Pb年龄为432±4Ma和424±4Ma,它们的形成年龄与麻粒岩相变质作用的时代一致。这些锆石具有高达5.1的正εHf(t)值,指示此时存在地壳生长。桐柏造山带志留纪麻粒岩相变质作用和岩浆活动为研究弧-陆碰撞造山带内同期麻粒岩相变质、岩浆作用和地壳增长提供了一个很好的范例。(6)对二郎坪辉长岩进行了系统的锆石U-Pb年代学和岩石地球化学研究。两件辉长闪长岩样品给出了443±3和440±4Ma的锆石U-Pb加权平均年龄。二郎坪辉长岩具有拉斑玄武质的全岩组分,变化的MgO(4.48-8.17%),低的K20(0.25-1.01%)和Ti02(0.60-1.79%)含量。此外,它们还以富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,高的全岩εNd(t)(3.76-5.68)和锆石εHf(t)(12.0-12.1)值为特征。这些地球化学特征显示二郎坪辉长岩源自相对亏损的岩石圈地幔,并且这一地幔源区在辉长岩形成之前不久经历了流体的交代作用。这些辉长岩以及同期高正ENd(t)值花岗岩的产生显示北秦岭-桐柏造山带在奥陶纪晚期-志留纪经历了显著的地壳生长。另外,二郎坪辉长岩具有低的Sr/Y(7.32-26.2)和LaN/YbN(1.34-4.07)比值,高的HREE,Y和Sc含量。这指示其地幔源区无残留的石榴石,暗示岩石圈地幔部分熔融发生在较低压力条件下。二郎坪辉长岩的产生可能是古特提斯洋向北俯冲诱发二郎坪弧后盆地初始打开的结果。(7)SIMS/LA-ICPMS定年结果显示二郎坪群内的张家大庄、蛮子营、西庄河和四棵树岩体分别形成于481,460,458和436Ma。张家大庄、蛮子营和西庄河岩体均具有高正的锆石εHa(t)值和低的δ18O值,四颗树岩体具有微正的锆石εHf(t)值和高的6180值。结合全岩主微量元素分析认为张家大庄和西庄河岩体源自高温热液蚀变的年轻大洋物质的部分熔融,而蛮子营二长花岗岩体可能是年轻的英云闪长岩部分熔融的产物。四棵树岩体则代表了较为古老地壳物质的重熔再造。结合区域演化历史分析,本文认为增生的大洋地体是大陆地壳增长的主要场所之一。(8)对桐柏造山带内桃园和黄岗岩体展开了详细的锆石SIMS/LA-ICPMS分析,结果表明其同时形成于443Ma,与二郎坪辉长岩同期且密切共生。详细的全岩主微量元素,Sr-Nd同位素以及锆石Hf-O同位素分析表明这两个岩体有着截然不同的成分特征。桃园岩体主要为奥长花岗岩和黑云母花岗岩,相对富集大离子亲石元素和亏损高场强元素,具有高正的全岩εNd(t)值和锆石εHf(t)值以及低的锆石δ18O值,应为高温热液蚀变的年轻洋壳再熔的产物。黄岗岩体主体为花岗闪长岩,其具有富集大离子亲石元素和亏损高场强元素的特征。同位素分析表明其具有负的全岩εNd(t)值和锆石εHgt)值以及高的锆石δ18O值。并且锆石Hf-O同位素显示明显的负相关关系。黄岗岩体中基性包体具有高正的εNd(t)值,显著区别于寄主花岗闪长岩。这些地球化学特征指示黄岗岩体形成于古老地壳的重熔作用,并存在地幔物质的直接加入。结合区域地质资料本文认为在约443Ma之前二郎坪洋内弧已经完全拼贴于华北板块南缘,并经历了弧后盆地拉张。这一过程中记录了两种截然不同的陆壳生长方式。
【作者】王浩；
【导师】吴元保；
【作者基本信息】中国地质大学，地球化学，2014，博士
【关键词】高压-超高压变质作用；弧-陆碰撞；大陆地壳增长；秦岭-桐柏造山带；麻粒岩；富钾基性岩；花岗岩类；锆石Hf-O同位素；

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