华北克拉通大陆下地壳再循环

【摘要】克拉通是大陆内部稳定存在了数十亿年的区域,由大陆地壳和经过熔体提取的岩石圈地幔组成,探究其长期稳定和破坏的机制是地球科学的主要研究课题。华北克拉通是世界上唯一保留有大陆根破坏前后岩石圈地幔物质的地区,是回答和研究大陆稳定与改造等地球动力学核心问题的最佳天然实验室之一。本论文以华北东南缘山东地区中-新生代基性侵入岩体、玄武岩和安山岩为研究对象,通过系统的矿物学、同位素年代学、元素及同位素地球化学研究,了解山东地区中-新生代板内岩浆在时间和空间上的分布与演化规律,从微观地球化学角度研究大陆下地壳再循环的机制,进而揭示克拉通破坏深部过程的地幔响应和对后续幔源岩浆的影响。本研究主要取得以下四方面的认识：(1)华北克拉通大陆下地壳在中生代时发生了广泛的增厚与活化,但其发生的时代和动力学机制仍存在分歧。山东地区沂南早白垩世花岗岩进行了系统的岩相学、锆石U-Pb年代学、主微量及Sr-Nd同位素的研究工作,其显示高Sr/Y.(La/Yb)N和(Dy/Yb)N比值与低Y和Yb含量,具有典型埃达克岩的特征。研究结果表明,沂南埃达克质花岗岩形成于古老的增厚榴辉岩下地壳的脱水熔融。结合前人对麻粒岩包体和花岗岩锆石年代学研究成果,我们发现华北克拉通大陆下地壳在155-180Ma和117-132Ma发生了两期增厚和活化事件(并非一次连续性事件),这与太平洋板块快速扩张的时间相一致。太平洋板块的快速运动是华北克拉通大陆下地壳增厚和重力不稳的重要驱动力。我们认为环太平洋155-180Ma和117-132Ma花岗岩可能受太平洋板块的快速扩张控制。(2)大陆内加厚的高密度榴辉岩下地壳(岩石圈地幔)会因重力不稳而拆沉返回软流圈,但目前尚不清楚拆沉作用如何控制地壳的厚度,以及相对密度较低的麻粒岩下地壳是否也能够再循环返回地幔。研究了鲁西蒙阴早白垩世高镁安山岩中不同特征的单斜辉石斑晶和熔体包裹体的地球化学组成。识别出三类具环带单斜辉石：正环带(Ⅰ类)和反环带(Ⅱ类)辉石核部均具有负铕异常；第Ⅲ类辉石核部高镁、无铕异常,并包裹了低镁的橄榄石。同时也发现低镁橄榄石和单斜辉石斑晶中富碱的英安质熔体包裹体具负铕异常,此特征类似于寄主的单斜辉石和高镁安山岩。结合样品中大量晚太古代华北克拉通前寒武纪岩石特征的继承锆石和高度演化的锶-钕同位素组成,排除了蒙阴高镁安山岩是地壳深度的岩浆混合、俯冲大洋沉积物或俯冲洋壳(辉长岩)部分熔融产物的可能性。在下地壳底部的还原环境下,石榴石和辉石不会导致熔体中Eu与其它REE的分异,只有斜长石控制熔体Eu(+2)的分异。另外,考虑到基性麻粒岩的流变学强度明显弱于榴辉岩(与上地幔橄榄岩)和当今地震层析成像反映华北克拉通东部存在薄的地壳根(大约30km),我们提出华北麻粒岩下地壳再循环进入深部地幔,麻粒岩的部分熔融产生的英安质熔体与橄榄岩反应生成蒙阴高镁安山岩。该研究对理解大陆下地壳的形成与演化和下伏地幔的不均一性具有重要意义,同时也为华北克拉通岩石圈减薄的纵向尺度和时间尺度提供了新的约束。(3)华北克拉通破坏近年来一直为国内外学术界所瞩目,但其发生的时空特征仍有待于进一步研究。对山东地区早白垩世基性侵入岩,我们进行了系统的岩相学、锆石U-Pb年代学、主微量及Sr-Nd-Pb-Os同位素的研究工作。结合前人研究结果表明,山东地区下伏岩石圈地幔存在两个不同的端元组分—low-μ(μ=238U/204Pb)值的耐熔地幔和高放射性铅的富辉石脉。我们提出山东地幔不均一性的时空变化受下地壳拆沉作用控制。另外,冷的、浅部克拉通耐熔地幔可能是低放射性铅的重要储库。(4)中国东部分布有大量新生代火山熔岩,但驱动这些火山喷发的深部地球动力学机制尚不太清楚。渤海湾盆地无棣新生代(0.73Ma,华北最年轻火山)富铁苦橄岩(ferropicrite)相比于现代大洋玄武岩更加富铁(超过10-20%),暗示其来自一个异常富铁的地幔源区。通过对其全岩主微量、Sr-Nd-Ce-Os同位素和原位橄榄石斑晶分析研究,我们排除了无棣富铁苦橄岩来自于富橄榄石地幔和交代岩石圈内富水矿物(角闪石或云母)部分熔融的可能性。注意到华北太古代变玄武岩和榴辉岩下地壳相比于年轻的洋壳更富铁(包括稀土元素或不相容元素),我们提出无棣岩浆中的过量铁可归因于再循环太古代下地壳榴辉岩中石榴石分解(上地幔深度：>5Gpa;>1450℃),而不是起源于核幔边界的富铁熔融层。无棣深部地幔高温富铁熔体的存在会导致该区地幔熔融层密度显著增加和地震剪切波速明显降低。我们的发现可以很好地解释临近渤海湾深部上地幔的异常低地震波速,同时揭示了华北新生代地幔异常与中生代再循环下地壳之间的内在联系。
【作者】张军波；
【导师】凌文黎；
【作者基本信息】中国地质大学，地球化学，2014，博士
【副题名】来自山东中—新生代岩浆作用的证据
【关键词】华北克拉通；下地壳；再循环；板内岩浆；

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