秦嶺—紅安—大別造山帶早白堊世碰撞后鎂鐵質(zhì)火成巖地球化學(xué)研究.pdf

1、秦嶺-桐柏-紅安-大別-蘇魯造山帶又稱中國(guó)中央造山帶，記錄了華南與華北陸塊從古生代到中生代時(shí)期的拼合過程。它不僅是世界上出露規(guī)模最大、保存最好的高壓/超高壓變質(zhì)地體之一，而且也是陸-陸碰撞之后巖漿活動(dòng)最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一。研究造山帶中碰撞后巖漿巖，尤其是那些碰撞后鎂鐵質(zhì)火成巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征、源區(qū)物質(zhì)來源及其形成的化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制對(duì)認(rèn)識(shí)大陸碰撞過程中俯沖地殼物質(zhì)再循環(huán)和造山帶的構(gòu)造演化具有十分重要的意義。本學(xué)位論文對(duì)秦嶺-紅安-大

2、別造山帶早白堊世碰撞后鎂鐵質(zhì)巖進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究，結(jié)果確定了大陸碰撞過程中存在古洋殼和大陸地殼物質(zhì)的再循環(huán)、板片-地幔相互作用發(fā)生的機(jī)制、造山帶巖石圈地幔的巖石學(xué)和地球化學(xué)性質(zhì)，并且對(duì)碰撞后鎂鐵質(zhì)巖形成和巖漿演化的具體過程進(jìn)行了制約，深化了對(duì)俯沖帶物質(zhì)再循環(huán)化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。
　　對(duì)大別造山帶道士沖和祝家鋪碰撞后鎂鐵質(zhì)火成巖進(jìn)行了全巖主微量元素和Sr-Nd-Pb同位素，以及鋯石Hf-O同位素研究。結(jié)果為我們認(rèn)

3、識(shí)大陸碰撞帶造山帶巖石圈地幔的性質(zhì)以及俯沖華南陸殼物質(zhì)再循環(huán)提供了新的證據(jù)。鋯石U-Pb定年得到的巖漿結(jié)晶年齡為125±3～131±1 Ma。我們首次在碰撞后鎂鐵質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)了殘留鋯石核，其U-Pb年齡包為234±5 Ma、770±11 Ma和739±9 Ma。這些殘留鋯石年齡與超高壓變質(zhì)構(gòu)造熱事件和原巖形成時(shí)間一致，為俯沖華南陸殼物質(zhì)再循環(huán)進(jìn)入這些鎂鐵質(zhì)巖地幔源區(qū)提供了地質(zhì)年代學(xué)證據(jù)。我們還首次發(fā)現(xiàn)碰撞后鎂鐵質(zhì)巖中巖漿鋯石Hf-O同位素

4、呈現(xiàn)出系統(tǒng)的變化，且大致可分成三組。組Ⅰ鋯石具有最低的鋯石δ18O值(2.0～2.9‰)和最高的εHf(t)值(-3.2～-1.0);組Ⅱ鋯石鋯石具有較高的δ18O值(4.0～5.1‰)和較低的εHf(t）值(-22.5～-13.2);組Ⅲ鋯石具有最高的鋯石δ18O值(5.2～7.3‰)和最低的εHf(t）值(-29.1～-18.6)。三組鋯石的Hf-O同位素組成對(duì)應(yīng)于俯沖華南陸殼三層結(jié)構(gòu)的Hf-O同位素特征，表明不同層位的華南陸殼物質(zhì)

5、均再循環(huán)進(jìn)入了地幔。此外，這些鎂鐵質(zhì)巖還具有高的MgO(高達(dá)18.0 wt.％)、Cr(高達(dá)1546ppm)和Ni(高達(dá)349ppm)含量以及低的SiO2(41.0～51.9 wt.％)含量，并且具有弧型微量元素分布模式和富集的Sr-Nd-Pb同位素組成。這些地球化學(xué)特征指示它們來源于富沃富集的地幔源區(qū)，其不僅富集LILE和LREE而且富集放射成因Sr-Nd-Pb同位素。因此，該地幔源區(qū)是造山帶巖石圈地幔的一部分，是在大陸俯沖隧道內(nèi)通過

6、熔體-橄欖巖反應(yīng)形成的。地幔源區(qū)不相容微量元素和放射成因同位素富集的特征是三疊紀(jì)大陸碰撞過程中來源于不同層位俯沖華南陸殼物質(zhì)的長(zhǎng)英質(zhì)熔體與上覆古老華北克拉通巖石圈地幔橄欖巖反應(yīng)形成的。鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖侵入體元素和同位素組成上的巨大差異指示造山帶巖石圈地幔的地球化學(xué)不均一性，并且可能存在富角閃石和輝石的地幔超鎂鐵質(zhì)巖石。這種不均一的根本原因是來源于俯沖華南陸殼不同組成的長(zhǎng)英質(zhì)熔體在俯沖隧道內(nèi)交代了華北大陸巖石圈地幔。
　　大陸地殼

7、俯沖通常被認(rèn)為是受到了先前俯沖洋殼的重力牽引。因此，大陸碰撞造山帶中先前俯沖的洋殼和隨后俯沖的大陸地殼均有可能再循環(huán)進(jìn)入地幔。我們對(duì)紅安造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)巖進(jìn)行了詳細(xì)的全巖主微量、放射性成因同位素和穩(wěn)定同位素地球化學(xué)研究。研究結(jié)果證實(shí)，在大陸碰撞造山帶中，除俯沖的大陸地殼外，先前俯沖的洋殼也發(fā)生了再循環(huán)。紅安造山帶鎂鐵質(zhì)火成巖具有OIB型的微量元素特征，高的Nb/U和TiO2/Al2O3比值，和相對(duì)虧損的Sr-Nd同位素組成[εNd(t

8、)=-1.8～4.5;87Sr/86Sri=0.7040～0.7050]。這些特征明顯不同于大別造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)巖弧型的微量元素特征和相對(duì)富集的Sr-Nd同位素組成[εNd(t)=-2.3～-20.7;87Sr/86Sri=0.7061～0.7114]。紅安鎂鐵質(zhì)巖中鋯石也具有變化的Hf-O同位素組成。這些特征表明紅安造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)火成巖的地幔源區(qū)明顯不同于大別造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)巖。這樣在大陸碰撞過程中具有兩種類型的板片-地幔相互

9、作用。先前俯沖的洋殼玄武巖和上覆沉積物部分熔融形成的熔體與新生巖石圈地幔橄欖巖反應(yīng)形成了紅安造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)巖的地幔源區(qū)。深俯沖洋殼在俯沖到大于120 km時(shí)部分熔融形成的熔體在微量元素上表現(xiàn)為富集LILE和LREE，不虧損HFSE（如Nb和Ta，部分熔融過程中金紅石不穩(wěn)定分解），在放射成因同位素特征上表現(xiàn)為相對(duì)虧損。而俯沖陸殼來源的長(zhǎng)英質(zhì)熔體與上覆古老的巖石圈地幔反應(yīng)形成了大別造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)巖的地幔源區(qū)。俯沖隧道中兩種不同類型的

10、熔體-橄欖巖反應(yīng)導(dǎo)致了紅安-大別造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)巖地球化學(xué)性質(zhì)的差異，并形成了非橄欖巖的輝石巖和角閃石巖。因此，紅安-大別造山帶中的碰撞后鎂鐵質(zhì)巖記錄了從洋殼俯沖到大陸碰撞的構(gòu)造轉(zhuǎn)變。
　　對(duì)西秦嶺早白堊世堿性玄武巖進(jìn)行了詳細(xì)的全巖主微量和放射性成因同位素地球化學(xué)研究，其結(jié)果揭示了堿性玄武巖的地幔巖石學(xué)性質(zhì)（角閃石巖+橄欖巖）和俯沖古特提斯洋殼再循環(huán)。西秦嶺堿性玄武巖具有高的MgO(7.18～11.1 wt.％)、Na2O+K2

11、O(2.9～4.8 wt.％)和TiO2(2.2～2.9 wt.％)含量以及低的SiO2(41.4～45.7 wt.％)含量。它們還具有OIB型的微量元素特征:富集LILE和LREE，不虧損HFSE。它們具有虧損的全巖 Sr-Nd-Hf同位素組成，其全巖初始87Sr/86Sr比值為0.7035～0.7058，εNd(t)值為4.6～7.7，εHf(t)值為8.8～13.5，鋯石εHf(t）值為5.9～12.1。這些元素和同位素特征表明，

12、這些堿性玄武巖來源于新生的巖石圈地幔，其地幔源區(qū)中有地殼物質(zhì)的加入。西秦嶺堿性玄武巖變化的Ba/Th、Sr/Y和(La/Yb)N比值，指示了再循環(huán)進(jìn)入地幔的地殼物質(zhì)既有俯沖的洋殼玄武巖也有上覆的沉積物。堿性玄武巖高的K2O/Na2O比值，以及K2O和TiO2含量，表明它們來源于富角閃巖的地幔源區(qū)。綜合全巖主微量元素和同位素特征，可以采用角閃石巖+橄欖巖的部分熔融來解釋這些堿性玄武巖的地球化學(xué)特征。其中交代成因的角閃石巖是俯沖的古特提斯洋

13、殼來源的熔體與上覆地幔楔橄欖巖反應(yīng)形成的。因此，大陸碰撞造山帶中的堿性玄武巖記錄了消失的古特提斯洋殼的再循環(huán)。交代成因的角閃石脈可能是造山帶巖石圈地幔中常見的交代體，它對(duì)堿性玄武巖的成因有著重要貢獻(xiàn)。
　　大陸造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)巖通常表現(xiàn)出巖性和地球化學(xué)的不均一性，造成這種不均一性的原因主要包括源區(qū)混合、巖漿混合和地殼混染等。碰撞后鎂鐵質(zhì)巖形成過程中的源區(qū)混合指的是大陸碰撞過程中的殼幔相互作用，而不同地幔源區(qū)來源的熔體在巖漿上升過

14、程中也有可能發(fā)生巖漿混合。對(duì)大別造山帶椒子巖碰撞后鎂鐵質(zhì)巖進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究，結(jié)果對(duì)碰撞后鎂鐵質(zhì)巖形成和巖漿演化過程中的源區(qū)混合和巖漿混合進(jìn)行了識(shí)別和區(qū)分。這些鎂鐵質(zhì)巖具有弧型微量元素分布模式和富集的Sr-Nd-Pb同位素組成，表明它們來源于富集的地幔源區(qū)。它們具有變化的全巖εNd(t)值(-17.6～-5.2)和鋯石εHf(t）值(-29.0～-7.7)，反映了其地幔源區(qū)的不均一性。在這些鎂鐵質(zhì)巖中還發(fā)現(xiàn)了新元古代U-P

15、b年齡的殘留鋯石核，U-Pb年齡為765±8 Ma，與大別造山帶超高壓變質(zhì)巖的原巖年齡一致。鎂鐵質(zhì)巖中的單斜輝石和斜長(zhǎng)石巨晶具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和成分環(huán)帶。Cpx-1核部具有低的Cr和Ni含量以及高的Ba、Rb和K含量，表明其可能結(jié)晶于含金云母地幔橄欖巖部分熔融產(chǎn)生的鎂鐵質(zhì)熔體（熔體1）。Cpx-1幔部和Cpx-2具有明顯高的Cr、Ni和Al2O3含量，以及低的Rb和Ba含量，表明它們可能結(jié)晶于輝石巖部分熔融產(chǎn)生的鎂鐵質(zhì)熔體（熔體2）。全巖的

16、放射性成因Sr同位素介于Pl-1核(結(jié)晶于熔體1)與Pl-1幔和Pl-2核（結(jié)晶于熔體2）之間，為這兩種鎂鐵質(zhì)熔體間的巖漿混合提供了同位素證據(jù)?；旌闲纬傻逆V鐵質(zhì)巖漿最終結(jié)晶出Cpx-1邊、Amp-2、Pl-1邊、Pl-2邊以及基質(zhì)中的礦物。因此，碰撞后鎂鐵質(zhì)巖來源于不同地幔源區(qū)部分熔融所產(chǎn)生的鎂鐵質(zhì)熔體間的巖漿混合?？偟膩砜?，大陸碰撞過程中不同陸殼物質(zhì)來源的長(zhǎng)英質(zhì)熔體與上覆地幔楔橄欖巖間的源區(qū)混合形成了不均一的富集地幔，碰撞后階段不同程

17、度富集地幔來源的鎂鐵質(zhì)熔體間的巖漿混合最終形成了地球化學(xué)不均一的碰撞后鎂鐵質(zhì)巖。碰撞后鎂鐵質(zhì)巖全巖和礦物地球化學(xué)的不均一性同時(shí)受控于源區(qū)混合和巖漿混合。
　　本文研究證明，大陸造山帶碰撞后鎂鐵質(zhì)巖記錄了從洋殼俯沖到大陸碰撞的構(gòu)造轉(zhuǎn)變。俯沖隧道中不同性質(zhì)俯沖地殼物質(zhì)來源熔體與上覆地幔楔橄欖巖之間的相互作用導(dǎo)致了造山帶巖石圈地幔在巖石學(xué)（包括橄欖巖、輝石巖和角閃石巖）和地球化學(xué)組成上的不均一性。俯沖隧道中板片-地幔相互作用是決定造山帶