华北北缘下地壳岩石磁性结构研究

【摘要】大陆下地壳的物质组成、岩石物理化学性质是认识大陆岩石圈形成和演化的基础,是认识壳幔结构及其相互作用的关键,是地球科学的研究焦点之一。大陆下地壳的岩石磁性结构研究,是通过对构造出露至地表的下地壳地体岩石或火山作用携带的深源捕虏体进行磁学和岩石矿物学等研究,来探究地壳中的磁性矿物种类、磁化强度分布特征及其与深部地质过程之间的联系。然而前人研究集中于地表出露的麻粒岩相地体岩石,对深源壳幔捕虏体的研究相对较少,两者的综合研究更鲜少见到。我国华北克拉通北缘河北、山西及内蒙交界区域,广泛出露有多种变质相的太古代地体,代表了较完整的下地壳断面,而其周边的汉诺坝和阳原新生代火山岩中含有丰富的壳幔捕虏体,因而该区域成为研究我国华北北缘大陆下地壳磁性结构的理想区域。本论文通过对汉诺坝和阳原的橄榄岩、辉石岩、镁铁质麻粒岩捕虏体及麻粒岩地体岩石的系统岩石矿物学和磁性研究,明确了下地壳的磁化强度、磁性矿物种类及成因,提出了下地壳的双层磁性结构并探讨了这些磁性特征与岩石圈深部地质过程之间的联系。汉诺坝和阳原新生代玄武岩中的橄榄岩捕虏体以尖晶石相二辉橄榄岩为主,主要为新鲜的原生粒状结构,缺少磁性矿物,平均密度值最大,为3.284gcm-3。辉石岩捕虏体分为黑色和绿色两种,均以二辉石岩为主,尖晶石、橄榄石和石榴石(已变为后成合晶)在部分样品中出现。岩石主要为粒状镶嵌或堆晶结构,硅酸盐矿物沿边缘或内部发生不同程度的部分熔融,不透明矿物含量明显多于橄榄岩捕虏体,平均密度值为3.27gcm-3。镁铁质麻粒岩捕虏体以粒状变晶结构为主,硅酸盐矿物也有发生部分熔蚀,不透明矿物含量变化较大,平均密度为3.123gcm-3,略低于辉石岩捕虏体。地体麻粒岩分为镁铁质和长英质两类,平均密度分别为2.984gcm-3和2.676gem-3,均以二辉石麻粒岩为主,角闪石、黑云母和石榴石较常出现,岩石中不透明矿物较之捕虏体明显增多。橄榄岩捕虏体具有最小的平均磁化率(κ,516×10-6SI),感应磁化强度(Ji,0.023Am-1)和天然剩磁(NRM,0.013Am-1),顺磁性矿物对磁化率的贡献平均～80%。辉石岩麻粒岩捕虏体具有所有捕虏体岩石中最大的κ、Ji和NRM,分别为1517×10-6SI、0.067Am-1和0.15Am-1,铁磁性矿物的磁化率贡献平均～60%。镁铁质麻粒岩捕虏体的κ(960×10-6SI)、Ji(0.042Am-1)和NRM(0.06Am-1)介于橄榄岩和辉石岩捕虏体之间,铁磁性矿物对磁化率贡献～40%。镁铁质地体麻粒岩的κ和Ji最大,分别为64×10-3SI和2.82Am-1和0.96Am-1；长英质地体麻粒岩的k(11×10-3SI)和Ji(0.48Am-1)小于镁铁质地体麻粒岩,但NRM(1.47Am-1)大于后者(0.96Am-1)。铁磁性矿物的磁化率贡献在镁铁质和长英质地体麻粒岩中平均>95%。橄榄岩、辉石岩和镁铁质麻粒岩捕虏体样品的饱和剩余磁化强度与磁化率的比值(Mrs/K)为2.89～48.32×103Am-1,剩磁矫顽力(Bcr)为21.54～112.15mT,指示其中的磁性物质接近磁铁矿(钛磁铁矿)所在区。地体麻粒岩的Mrs/k为0.86～17.56×103Am-1,Bcr为1.08～18.26mT,完全落于磁铁矿(钛磁铁矿)区域。捕虏体样品有较大的Mrs与饱和磁化强度(Ms)的比值(0.04～0.41)和较小的Bcr与矫顽力(Bc)比值(1.43～7.25),说明其中的磁性矿物主体为较小的假单畴颗粒。地体麻粒岩样品有较小的Mrs/Ms值(0.01～0.23)和较大的Bcr/Bc值(2.61～14.87),指示其中的磁性颗粒主要为粒度较大的多畴颗粒。捕虏体的磁化率-温度热磁分析和NRM热退磁分析显示除完全由顺磁性硅酸盐组成的样品外,部分橄榄岩和镁铁质麻粒岩中含有少量磁铁矿,而在辉石岩捕虏体中,除磁铁矿对磁性有明显贡献外,磁黄铁矿、富铁尖晶石和赤铁矿在部分样品中也是感应磁化强度和天然剩磁的重要载体。在所有的捕虏体样品中,黑色辉石岩的平均磁化强度最大,其中的不透明矿物含量最多且最具有代表性,这些矿物的产出特征最能反映下地壳岩石的磁性来源及其演化历史。根据岩相学特征和矿物化学成分,它们主要可分为以下几种类型：一,钛铁矿、镁铁钛矿和金红石。这些矿物主要产于硅酸盐沿颗粒边缘或内部发生熔融或与熔体反应的区域,是深源捕虏体中常见的铁钛氧化物组合。镁铁钛矿形成于高温高压的环境中,并会在压力降低时分解转变为钛铁矿或金红石,金红石与富铁熔体或含铁硅酸盐反应会形成钛铁矿。在研究的辉石岩和镁铁质麻粒岩样品中,金红石与硅酸盐接触处常发育钛铁矿环边,镁铁钛矿保存完好,均指示捕虏体经历了部分融熔和快速减压上升的过程。但这些矿物均为顺磁性,对岩石整体磁化强度贡献不大。二,粒间磁铁矿。磁铁矿是大部分辉石岩中的主导磁性矿物,对磁化率和剩磁有重要贡献。它们多为不规则粒状,产于硅酸盐粒间或裂隙,并与沸石共生,可能代表了熔体在近地表富氧环境中快速结晶的产物或早期铁钛氧化物在后期富流体环境中的次生矿物。三,磁黄铁矿。磁黄铁矿多以辉石中粒状包裹体的形式存在,也有部分产于熔体中。前者可能是辉石结晶或冷却过程中掳获或后期析出的产物,而后者则可能是与粒间熔体同期的产物,也可能来自于硅酸盐自身的熔融或分解。四,赤铁矿。部分辉石岩中发现的赤铁矿应为早期钛磁铁矿的氧化产物,一同产出的橄榄石也多发生伊丁石化,可能经历了玄武岩中或地表环境的热液氧化作用。五,富铁尖晶石。在一个磁性最强的辉石岩捕虏体样品中发现有富铁和富镁两种尖晶石,硅酸盐粒间的镁尖晶石部分或全部被富铁尖晶石交代。它们还以棒状或片晶的形式在Cpx中按一致的方向出溶,暗示富铁尖晶石可能是由镁尖晶石与熔体或硅酸盐自身的Fe2+发生固-固反应或固液反应的产物。富铁尖晶石含有～50%的磁铁矿组分,有很大的磁化率和剩磁强度,但热稳定性不佳,居里温度和解阻温度分别为～360℃和～200℃,在加热过程中发生不可逆破坏。这些磁性矿物都揭示了捕虏体岩石的磁性变化与熔体作用密切相关,而地体麻粒岩中的粗粒磁铁矿和钛铁矿-赤铁矿固溶体分离出溶结构则指示了麻粒岩相变质作用和降温减压抬升过程的影响。根据硅酸盐矿物成分计算的辉石岩捕虏体的平衡温度为876-916℃,与麻粒岩捕虏体的平衡温度近似,说明他们具有相似的来源深度。两个含尖晶石的辉石岩样品的平衡压力为<1.5Gpa,暗示其来自于下地壳底层(～41-42km),不含尖晶石的辉石岩来源深度应稍浅。已发表的矿物平衡温压和地球物理波速资料将麻粒岩与辉石岩捕虏体共同约束于下地壳下层(～33-42km),也称为壳幔过渡带,而太古代地体麻粒岩处于下地壳的上层(<33km)。我们的研究结果揭示华北北缘下地壳上、下两层不仅组成岩石不同,磁性矿物的种类和成因及磁化强度均有明显差异。代表下地壳下层主要组成岩石的麻粒岩、辉石岩和少量橄榄岩的捕虏体的磁性远弱于上层的强磁性地体麻粒岩,尤其是镁铁质地体麻粒岩的感应磁化强度已达到长波长磁异常源所需要的磁化强度。据此,我们提出华北北缘下地壳具有强弱双层磁性结构,而分界位置为～33km,结合研究区<36km的居里等温面深度,我们认为33km很可能代表了华北北缘下地壳中的磁性不连续面。华北北缘下地壳双层磁性结构的形成很可能与华北克拉通在中生代的破坏动力学背景有关。来自周缘板块俯冲的挤压应力和软流圈扰动等多因素的共同作用下,不仅造成中国东部陆下岩石圈的物质组成和结构的极大改变,华北克拉通中部带的岩石圈也受到了波及,而频繁的玄武质岩浆在原壳幔边界(现为～33km)的底侵逐渐造成了中基性岩石在下地壳的不断增生并很可能是壳幔过渡带的主要物质来源。随着下地壳物质组成的不断改变,一同变化的还有整个陆下岩石圈的物理化学性质和结构,而华北北缘下地壳的强弱双层磁性结构正是这种变化的表现和响应之一。
【作者】李智勇；
【导师】郑建平；
【作者基本信息】中国地质大学，矿物学、岩石学、矿床学，2014，博士
【关键词】华北北缘；下地壳；岩石磁性结构；捕掳体；麻粒岩；

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