华北克拉通东南缘中生代岩浆作用：对克拉通破坏启动机制和岩浆过程中镁同位素行为的制约

摘要

岩浆作用是地球内部各圈层之间能量及物质交换的重要途径和媒介，在陆壳形成、生长和演化中具有重要作用。同时，作为来自深部地球的样品，岩浆岩可以作为探视地球深部结构、组成以及了解深部过程的天然探针。岩浆岩成分、时代分布、空间展布特征及其演化可以为大地构造变迁、深部岩浆房形成和演化等提供重要的信息。此外，岩浆过程中的同位素（分馏）行为是稳定同位素地球化学的基础问题，这关系到稳定同位素作为地质过程的示踪剂等基础应用。镁同位素是新近发展起来的新型同位素地质示踪剂，已经在示踪沉积物循环以及碳循环上得到了一定的应用。但是，目前对于高硅岩浆体系（如花岗岩）的镁同位素体系了解很有限，对花岗质岩浆过程中的镁同位素行为也尚不清楚。基于上述的认识，本博士论文工作主要包括两个方面的内容:1）利用中酸性岩浆岩这一类“深部探针”来窥探华北克拉通破坏的深部过程及启动机制;2）对酸性岩浆（主要是花岗岩）开展镁同位素地球化学研究，尝试理解镁同位素在地壳岩浆活动中的同位素行为。
　　本博士论文第一个研究内容是郯庐断裂带两侧分布的中生代岩浆岩进行了元素地球化学、地质年代学和氧同位素的分析调查，来限定和理解克拉通岩石圈减薄、郯庐断裂带的大规模走滑活动和大量的岩浆作用间的联系和深部过程。
　　针对该区域内的中生代岩浆岩进行了分析结果显示沿郯庐断裂走向分布的高镁埃达克岩的侵入年龄都集中在在130～134Ma之间，这种时间和空间分布上的特征表明这些高镁埃达克质岩的形成和郯庐断裂在中生代的大规模走滑(156～162Ma)活动具有明显的成因上的联系。此外，苏鲁造山带内的低镁埃达克质岩(120～127Ma)整体上形成于稍晚于高镁埃达克质岩形成的时代，这一结果同样稍晚于大别造山带低镁埃达克质岩的形成时代(129～143Ma)。综合上述结果，显示郯庐断裂带中生代的切穿岩石圈的走滑活动可能是华北克拉通东南缘的岩石圈减薄的启动机制:断裂带大规模的走滑可能引发了断裂附近加厚下地壳局部破碎而形成一些比重比较大的下地壳碎片，这些碎片沉入较轻的软流圈和橄榄岩反应而显著提高熔体的Mg＃而形成年龄稍老的高镁埃达克质岩;另外，断裂的活动也同时使苏鲁造山带下方的下地壳的重力不稳定的程度增加，进而引发苏鲁造山带的大规模的去山根过程，形成低镁埃达克质岩和一些普通花岗岩。此外，对此地区中生代岩浆岩的镁同位素的初步研究表明镁同位素可能不是示踪“拆离的下地壳物质与地幔相互作用进而形成高镁达克质岩岩”这一地质过程的有效手段，从而无法通过镁同位素有效区分高、低镁埃达克质岩。而低镁埃达克质岩均一的镁同位素组成也折射本地区下地壳的镁同位素组成相对均一，并接近地幔值。极少数普通花岗岩的镁同位素偏重，表明极少部分地区存在小规模的沉积物循环加入。
　　本博士论文另一个研究内容是系统分析蚌埠隆起区晚侏罗纪岩浆作用的代表岩体—荆山花岗岩（其岩浆物质来源为深俯冲过程中楔入华北东南缘的华南片麻岩的部分熔融）的各类主要岩性的岩石样品（主体花岗岩、细晶岩及残留体）以及单矿物（石榴子石和黑云母）的主-微量元素化学及镁同位素组成，解析了此岩体形成和演化过程可能发生的镁同位素分馏，进而对陆壳深俯冲过程中的镁同位素循环及陆壳部分熔融过程中的镁同位素分馏提供了启示和限定。
　　荆山花岗岩代表性的淡色花岗岩样品和相关的残留体的全岩镁同位素数据表明，荆山花岗岩具有非常特殊的轻镁同位素特征。综合该岩体的氧同位素特征，其源区应具有典型低氧-高镁的同位素特征。结合周边各主要岩石类型的氧-镁同位素特征及二元混合模拟计算，只有在其岩浆源区加入一定比例的轻镁-重氧的碳酸岩的混熔才有可能形成具有该岩体的低氧高镁的同位素特征。这一结果揭示了俯冲带及周边地区碳酸岩可能进入深部地球岩浆循环，对了解地球深部碳循环过程具有重要的意义。对单矿物的调查结果表明，荆山花岗岩中黑云母与石榴子石间普遍存在大于1‰的镁同位素分馏。这一分馏对于理解部分熔融过程中可能发生的同位素分馏具有重要的启示作用。转熔石榴子石是壳内部分熔融的重要富镁矿物，对其的镁同位素组成及共生富镁矿物的调查可以直接对壳内部分熔融过程中的镁同位素分馏进行直接限定。我们的结果表明，转熔石榴子石和黑云母间存在着显著的分馏，随着石榴子石对镁体系的控制能力的提高（如更多的黑云母分解转换为石榴子石或者石榴子石中镁含量的提高），部分熔融反应过程中产生的熔体的镁同位素会显著的向重镁同位素方向发生分馏。这一推论表明在地壳部分熔融过程（特别是普遍具有转熔石榴子石参与部分熔融的S型花岗岩的形成）很可能会发生显著的同位素分馏，对解释大陆地壳的镁同位素特征和演化具有重要的意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 研究内容

1．3 论文工作量小结

第二章 研究中涉及的分析方法

2．1 全岩粉末及单矿物样品制备

2．1．1 全岩粉末制备

2．1．2 单矿物分选

2．2 全岩主微量元素组成

2．2．2 XRF方法

2．2．3 溶液ICP-MS方法

2．3 锆石LA-ICP-MS U-Pb定年及锆石微量元素组成

2．4 全岩Sr-Nd同位素组成

2．5 全岩氧同位素组成

2．6 全岩及单矿物镁同位素组成

第三章 华北克拉通破坏的研究现状以及选题意义

3．1 研究背景

3．1．1 华北克拉通及其基底构造分带

3．1．2 华北克拉通破坏

3．2 研究思路及拟解决的科学问题

第四章 郯庐断裂带两侧埃达克质岩的时空分布调查及其对华北克拉通减薄启动机制的启示

4．1 区域地质背景和样品描述

4．2 分析结果

4．2．1 全岩主、微量元素

4．2．2 全岩氧同位组成

4．2．3 锆石U-Pb定年

4．2．4 Sr-Nd同位素组成

4．3 讨论

4．3．1 华北克拉通东南缘高、低镁埃达克质岩的岩石学成因

4．3．2 造山带中生代低氧同位素花岗岩

4．3．3 大别造山带与苏鲁造山带中低镁埃达克质岩的年代学对比

4．3．4 华北克拉通岩石圈减薄的启动机制：郯庐断裂的作用

4．4 小结

第五章 镁同位素地球化学的研究现状以及选题意义

5．1 镁的地球化学

5．2 镁同位素体系及其表达形式

5．3 镁同位素的主要储库

5．3．1 地外样品(陨石、月岩)

5．3．2 地幔

5．3．3 大陆地壳

5．3．4 水圈

5．4 镁同位素在自然条件下的分馏行为

5．4．1 低温环境下的镁同位素分馏

5．4．2 高温过程下的镁同位素分馏

5．4 镁同位素的地质应用

5．5 镁同位素分析方法

5．5．1 影响镁同位素分析的因素

5．5．2 本文所使用的镁同位素分析方法

5．6 研究思路及拟解决的科学问题

第六章 蚌埠隆起区中生代花岗岩的镁同位素特征及其对大陆地壳的镁同位素组成的制约

6．1 地质背景、岩体及样品描述

6．3 分析结果

6．3．1 主微量元素地球化学

6．3．2 镁同位素

6．4 讨论

6．4．1 全岩镁同位素的组成及其意义

6．4．2 矿物间镁同位素分馏

6．4．3 对大陆地壳镁同位素组成的指示意义

6．5 结论

第七章 华北克拉通东南缘中生代岩浆岩的镁同位素组成及其地球化学意义初探

7．1 中生代岩浆岩的镁同位素组成

7．2 数据分析与讨论

7．2．1 普通花岗岩的镁同位素特征

7．2．2 高镁埃达克质岩vs低镁埃达克质岩

7．2．2 华北克拉通东南缘下地壳的镁同位素组成

7．2．3 埃达克质岩浆形成中的镁同位素分馏：对残留相矿物组成的制约

7．3 初步结论

第八章 结论

参考文献

致谢

攻读研究生阶段发表的论文及会议摘要