秦岭造山带晚三叠世花岗岩类成因机制及深部动力学背景

摘要

碰撞造山带中形成的花岗岩是造山作用各个阶段的重要物质记录，其源区性质和成因机制的研究对于反演造山带下地壳物质组成、造山作用深部动力学过程及造山过程中地壳和地幔物质的相互作用等科学问题具有重要意义。秦岭-大别-苏鲁造山带是中国大陆中部最重要的三叠纪造山带，标志着华北和扬子板块在晚三叠世发生陆陆碰撞形成统一的中国大陆。这次碰撞事件在造山带东、西段造成了完全不同的地质现象，造山带东部的大别-苏鲁地区形成全球规模最大的高压-超高压变质带，代表扬子大陆岩石圈曾俯冲至华北地块以下，并在随后发生快速折返；而在造山带西段的秦岭地区则出露大面积的晚三叠世花岗岩类。由此引发的科学问题是：造成三叠纪造山带东段和西段存在巨大差异的原因是什么?造山带西段的秦岭地区在晚三叠世是否存在陆壳俯冲作用?如果存在，这些俯冲陆壳的性质及命运与大别-苏鲁地区的俯冲陆壳有何不同?探讨这些问题对于认识华北和扬子板块在晚三叠世完整的碰撞动力学过程具有重要意义。本文正是着眼于秦岭-大别-苏鲁造山带中的这个明显差异，试图从俯冲陆壳发生部分熔融的角度探讨造山带西段秦岭地区晚三叠世花岗岩类的成因机制及其构造意义。
　　 本论文在秦岭造山带不同构造单元上选取晚三叠世典型的花岗岩体(南秦岭造山带选取东江口和五龙大型复式岩体，扬子地块北缘碧口地块选择阳坝岩体，西秦岭选择糜署岭岩体)进行系统的野外地质、岩相学、锆石LA-ICPMSU-Pb年代学、地球化学、Sr-Nd-Pb同位素地球化学及锆石Lu-Hf同位素研究，确立秦岭造山带晚三叠世花岗岩形成的年代学格架，反演花岗岩的源区性质、成因机制以及幔源物质在花岗质岩浆形成过程中的贡献；并在此基础上，综合区域地质背景及造山带中陆壳俯冲的最新研究结果，通过与大别-苏鲁高压-超高压岩石变质年代的对比，探讨陆壳俯冲作用与秦岭造山带晚三叠世花岗质岩浆活动之间的关系。研究结果对秦岭造山带晚三叠世花岗岩类的成因机制提出了新的认识，认为这些晚三叠世花岗岩类是由俯冲陆壳在折返过程中发生多阶段部分熔融作用形成的，这为研究碰撞造山带中陆壳俯冲的动力学机制以及后碰撞型高钾钙碱性、高Mg＃埃达克质花岗岩的成因机制提供了新的研究思路。论文取得了如下的成果和认识：
　　 1.秦岭造山带晚三叠世花岗质岩浆活动可以分为三个阶段：235Ma～225Ma形成小规模石英闪长岩，220～210Ma左右形成大规模高钾钙碱性花岗岩，200Ma左右形成小规模黑云母花岗岩通过对秦岭造山带不同构造单元上花岗岩体精细的锆石LA-ICPMSU-Pb年代学研究结果表明，南秦岭东段东江口花岗岩的形成年代为214±2Ma～222±2Ma；而五龙岩体为一个大型复式岩体，岩石边缘石英闪长岩的形成年代为233±2Ma～227±2Ma之间，岩体中间过渡相带花岗闪长岩的形成年龄为218±2Ma；岩体中心相似斑状二长花岗岩的形成年代为207±2Ma；由此可见五龙地区花岗岩的侵位历史长达25Ma左右，代表不同批次形成的花岗质岩浆在同一地区汇聚的产物；扬子地块北缘碧口地块上阳坝二长花岗岩的形成年代为208±2Ma，西秦岭造山带糜署岭二长花岗岩的形成年代为213±3Ma。
　　 2.秦岭造山带晚三叠世花岗岩不同程度具有高钾钙碱性、准铝质、埃达克岩的地球化学特征，多数花岗岩具有高Sr、Sr/Y，亏损Y和重稀土，不发育明显的负Eu异常；本文通过系统的岩石学、主微量元素地球化学，Sr-Nd-Pb同位素及锆石Lu-Hf同位素地球化学研究，对这些埃达克质花岗岩的成因提出一些新的观点：(1)这些埃达克质花岗岩形成于典型的后碰撞构造环境，岩石富K的特征可能是由于其地壳源区受到富K镁铁质流体/熔体的交代富集作用；(2)多数埃达克质花岗岩具有高Mg＃的特征，但这并不代表该区在晚三叠世存在增厚下地壳的拆沉作用，而是由于俯冲陆壳部分熔融形成的埃达克质岩浆在上升过程中受到上覆地幔物质的交代混染作用；(3)所有花岗岩的锆石Hf同位素都表现出很大的变化范围，这表明岩石起源于一个不均一的源区，其源区物质包括新元古代岩石圈地幔物质、中元古代基性地壳以及更古老的地壳物质；(4)岩石高的Sr/Y比值有可能是继承其源岩的特征，并不能作为判断埃达克质岩浆源区残留相的确切依据。上述四点认识对于研究碰撞造山带中普遍出现的高钾钙碱性花岗岩的成因具有重要意义。
　　 3.该区花岗岩的源岩主要为中元古代地壳物质，并有少量新元古代新生地壳物质和中元古代早期表壳物质的加入；同时花岗岩同位素地球化学研究表明南秦岭造山带和西秦岭造山带具有不同的基底物质组成详细的Sr-Nd同位素研究表明，秦岭造山带晚三叠世花岗岩类的全岩Nd模式年龄主要集中在1.1～1.3Ga之间，和扬子地块中元古代地壳增生时间完全一致，而明显不同于华北地块，这表明该区晚三叠世花岗岩的源岩主要为扬子地块中元古代基性地壳；花岗岩中锆石Hf同位素特征表明，所有样品的锆石Hf同位素组成都表现出很大的变化范围，锆石Hf模式年龄的峰值也为1.1～1.3Ga，同时有少量颗粒的Hf模式年龄为g00Ma或是1400～1600Ma；上述同位素特征表明秦岭地区晚三叠世花岗岩的源岩主要为扬子地块中元古代新生地壳物质，并且有少量新元古代新生地壳物质和中元古代早期表壳物质的加入；同时全岩Pb同位素揭示出西秦岭造山带的基底物质组成类似于扬子地块，而南秦岭造山带的基底物质则具有扬子地块和华北地块的过渡性质。
　　 4.花岗岩中广泛发育的暗色包体的形成时代也主要集中在220～210Ma，地球化学研究表明很多暗色包体都具有高Sr、Sr/Y比值，相对亏损Y和重稀土的特征，表明这些暗色包体起源于石榴石二辉橄榄岩地幔的部分熔融作用；同时结合同位素地球化学研究结果，本文提出这些暗色包体代表新元古代岩石圈地幔在晚三叠世部分熔融作用形成的镁铁质岩浆，暗示秦岭造山带在晚三叠世存在一次区域性的地幔部分熔融事件在220～210Ma期间形成的高钾钙碱性花岗岩中广泛发育暗色包体，详细的锆石LA-ICPMSU-Pb年代学研究表明这些暗色包体与其寄主花岗岩的形成时代在误差范围内一致，暗示该区存在同期的镁铁质岩浆活动；地球化学研究表明该区花岗岩中的暗色包体属于碱性、中基性岩浆，岩石表现出富集大离子亲石元素(LILEs)和轻稀土(LREE)、亏损高场强元素(HFSEs)等岛弧岩浆的地球化学特征；同时结合全岩Sr-Nd-Pb及锆石Lu-Hf同位素研究，本论文提出该区暗色包体的形成机制可能为：新元古代富集岩石圈地幔在晚三叠世发生重熔作用形成镁铁质岩浆，在成岩过程中与花岗质岩浆发生岩浆混合作用，并可能同化了一部分地壳物质。秦岭造山带晚三叠世花岗岩中广泛分布的暗色包体表明，该区在晚三叠世存在一次区域性的地幔熔融事件，这对于探讨造山带构造演化及幔源物质在花岗质岩浆形成过程中的作用具有重要意义。
　　 5.秦岭地区晚三叠世花岗岩起源于俯冲于南秦岭地块之下的扬子地块陆壳物质发生多阶段的部分熔融作用。本文提出秦岭地区俯冲陆壳之所以发生部分熔融的原因可能是：(1)由于扬子地块在晚三叠世的顺时针旋转作用，大别地区在晚三叠世处于伸展状态，导致大规模高压-超高压岩石快速折返至地表，而秦岭地区此时处于挤压状态，俯冲陆壳发生部分熔融作用，形成广泛的花岗质岩浆；(2)在华北和扬子的碰撞过程中，秦岭地区的汇聚速率比大别-苏鲁地区的汇聚速率高：(3)扬子地块东段和西段具有不同的地壳物质组成和地温梯度。
　　 结合秦岭-大别造山带晚三叠世的区域动力学背景，本文提出秦岭造山带晚三叠世花岗岩起源于俯冲于南秦岭地块之下的扬子地块陆壳物质的多阶段部分熔融作用，形成机制如下：①晚古生代到早中生代期间勉略洋壳向南秦岭地块之下发生俯冲作用，南秦岭岩石圈地幔受交代富集；②晚三叠世扬子和华北板块在秦岭地区发生碰撞，由于区域挤压和洋壳的拖曳作用，导致扬子陆块俯冲至南秦岭地块之下；③俯冲陆壳物质在地幔高温环境下发生高程度部分熔融作用，形成埃达克质石英闪长岩，这些岩浆在上升过程中受到上覆地幔物质的交代混染，形成造山带中最早的(235～225Ma)高Mg＃埃达克质石英闪长岩；由于俯冲陆壳部分熔融加上榴辉岩相洋壳的重力作用，最终发生板片断离作用；④板片断离作用诱发软流圈地幔物质上涌，同时俯冲陆壳由于浮力作用开始构造折返，在地幔热和构造减压的条件下，俯冲陆壳及上覆岩石圈地幔发生广泛的部分熔融作用，形成高钾钙碱性埃达克质花岗岩及伴生的镁铁质暗色包体；⑤随着俯冲陆壳折返作用的结束，南秦岭造山带内部发生岩石圈伸展，造山带中上地壳在构造伸展和地幔流体的双重作用下发生部分熔融作用，产生高SiO2含量的黑云母花岗岩，并可能导致佛坪穹窿的最终形成。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1研究背景

1.2本文的研究思路和研究意义

1.3论文工作量小结

第二章秦岭-大别造山带区域地质概况

2.1北秦岭构造带

2.2商丹古缝合带

2.3南秦岭地块

2.4勉略缝合带

2.5扬子板块北缘

2.6秦岭造山带内中生代花岗岩的分布特征及研究现状

第三章南秦岭造山带晚三叠世东江口岩体的地球化学特征及其及其成因机制：俯冲陆壳在折返过程中形成的高K、Mg埃达克质花岗岩

3.1引言

3.2区域地质背景和野外地质

3.3锆石LA-ICP MS U-Pb年代学

3.4 主微量元素地球化学

3.5 Sr-Nd-Pb同位素组成

3.6锆石Lu-Hf同位素组成

3.7暗色包体及基性岩脉的成因机制及地幔源区性质

3.8高Mg#埃达克质花岗岩的成因

3.9小结

第四章 南秦岭造山带五龙复式花岗岩体的地球化学和锆石U-Pb年代学：俯冲大陆岩石圈在构造折返过程中的多阶段部分熔融作用

4.1引言

4.2地质背景和野外地质

4.3锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学

4.4主微量元素地球化学特征

4.5 Sr-Nd-Pb同位素组成

4.6锆石Lu-Hf同位素组成

4.7讨论

4.8 小结

第五章扬子地块北缘阳坝岩体地球化学、锆石U-Pb年代学及Lu-Hf同位素地球化学研究：岩浆混合作用在高Mg#埃达克质花岗岩形成过程中的作用

5.1研究背景

5.2区域地质概况

5.3岩体野外地质及岩相学特征

5.4主微量元素地球化学

5.5 Sr-Nd同位素特征

5.6锆石LA-ICP MS U-Pb年代学

5.7锆石Lu-Hf同位素组成

5.8讨论

5.9小结

第六章西秦岭地区糜署岭花岗岩的岩浆混合成园：地球化学及锆石Lu-Hf同位素证据

6.1.研究背景

6.2野外地质及岩相学特征

6.3主微量元素地球化学特征

6.4 Sr-Nd同位素特征

6.5锆石LA-ICP MS U-Pb年代学分析结果

6.6.锆石Lu-Hf同位素组成

6.7讨论

6.8 小结

第七章秦岭造山带三叠纪花岗岩形成的深部动力学背景

7.1花岗岩形成的年代学格架

7.2后碰撞造山作用的内涵及碰撞造山带中高钾钙碱性埃达克质花岗岩类的成因机制

7.3秦岭造山带下地壳物质组成及其熔融机理

7.4暗色包体所代表的地幔源区性质及幔源岩浆在花岗质岩浆形成过程中的作用

7.5陆壳深俯冲与秦岭造山带三叠纪花岗岩类的成因

主要结论及下一步工作设想

1主要结论

2.存在问题及下一步工作设想

附录 分析方法

致谢

参考文献(References)

攻读士学位期间发表的与毕业论文相关的文章