红安造山带高压—超高压榴辉岩中石榴石和锆石特征及其对俯冲带过程的制约

摘要

大陆碰撞造山带的产生包含了从洋壳俯冲到大陆碰撞等一系列构造过程。尽管目前已经对大洋俯冲（代表性产物是弧型火山岩）和大陆深俯冲（代表性产物是超高压变质岩）有了广泛的研究，但是对洋壳俯冲到大陆碰撞这个转化过程知之甚少。秦岭-桐柏-红安-大别-苏鲁造山带是世界上最大的超高压变质带之一，为研究洋壳俯冲向大陆碰撞的构造转换提供了天然实验室。业已证明，西部的秦岭-桐柏造山带是古特提斯洋俯冲和其后弧陆碰撞的产物，东部的大别-苏鲁造山带则是中生代陆陆碰撞的产物。红安造山带连接了秦岭-桐柏造山带和大别-苏鲁造山带，可以为这个复合型造山带在古生代从洋壳俯冲向大陆碰撞的构造转化提供重要制约。本博士论文选取红安造山带高压/超高压变质成因榴辉岩作为主要研究对象，通过对矿物石榴石和锆石的一系列矿物地球化学研究，主要获得了下列三个方面的成果。
　　1.浒湾构造带高压榴辉岩中石榴石环带特征及其成因
　　对红安造山带西北缘浒湾构造带中熊店露头高压榴辉岩进行了研究。对取自同一露头的块状榴辉岩和片理化榴辉岩进行了详细的全岩主微量元素、单矿物主微量元素剖面分析以及石榴石中的包裹体分析。结果显示，这两种产状榴辉岩的石榴石都有很明显的核-边元素和包裹体分带，但二者具有完全不同的环带特征。块状榴辉岩中石榴石核部高Ca低Mg，富集石英、绿泥石、角闪石、金红石和多硅白云母等包裹体;边部低Ca高Mg，包裹体比较少，主要为石英、金红石、钛铁矿等。在稀土元素分布上，与核部相比，边部具有低的MREE含量和更为陡峭的MREE-HREE分异模式，核部(Yb/Tb)N比值为0.95-2.34，边部为3.32-18.6。片理化榴辉岩石榴石呈现不一样的特征:核部低Ca高Mg，富集石英和碳酸盐等包裹体;边部高Ca低Mg，少见包裹体。微量元素分布上，大多的微量元素都有与主量元素一致的分带现象，并且核部比边部更为富集HREE，但MREE含量相当，球粒陨石标准化后的(Yb/Tb)N比值在核部和边部分别为1.88-7.05和4.83-82.4。结合它们各自全岩成分进行相平衡关系计算岩石成因格子，发现石榴石的生长是幕式的:在俯冲进变质过程中角闪石和绿泥石的分解提供了石榴石的早期生长;峰期以及折返初期的石榴石生长的物质来源则主要受控于原有石榴石的溶解和绿帘石的分解。两种产状榴辉岩中石榴石形成反应差异说明，全岩成分对石榴石的影响很大，全岩成分通过控制俯冲过程中含水矿物的形成或者分解来影响石榴石的成分分带。
　　2.新县超高压变质带榴辉岩中石榴石环带特征及其成因
　　对红安造山带中部新县超高压变质带中四道河露头榴辉岩进行了造岩矿物主微量元素的剖面分析和薄片中锆石U-Pb定年和REE的原位分析。结果显示，石榴石主量成分受到了不同程度的改造:Mg和Fe基本已经均一化，Ca部分地保留有核边分带。依据石榴石包裹体类型和REE配分，可以将石榴石划分为两类。第一类石榴石呈现陡峭的LREE-HREE配分模式，(Yb/Tb)N比值为3.33-33.5，包裹体矿物主要为角闪石、绿帘石/褐帘石、金红石、斜长石和石英及少量锆石。第二类石榴石呈现富集的MREE和平坦的MREE-HREE配分模式，(Yb/Tb)N比值为0.42-1.74，包裹体数量很少，偶尔出现绿辉石和金红石、磷灰石及锆石。对石榴石包裹体矿物和基质矿物角闪石、绿辉石和绿帘石的REE分析结果显示，只有以包裹体形式存在的绿帘石具有高的MREE，表明它的分解对第二类石榴石形成有重要影响。对第二类石榴石内2粒包裹体锆石进行激光原位U-Pb定年，得到～220 Ma的206Pb/238U表面年龄。
　　薄片下原位分析的基质锆石U-Pb年龄和REE配分特征，可以与榴辉岩中石榴石的生长对应起来。根据锆石形态、REE配分特征和U-Pb年龄，可以识别出三种不同类型的锆石。第一类具有很高的U-Th-REE含量和很高的Th/U比值，显示不和谐的接近上交点的206Pb/238U年龄;在REE配分图上，具有明显的Eu负异常和很陡峭的MREE-HREE配分模式，表明它们是固态重结晶锆石。第二类锆石具有与第一类锆石相似的REE配分模式，但是Th-U-REE含量显著降低;它们在U-Pb谐和图上落于谐和线上，属于溶解重结晶锆石。第三类锆石形态上无环带或者弱云雾状环带，均有很低的Th-U-REE含量和很低的Th/U比值(＜0.1)，U-Pb谐和图上落于谐和线上，206Pb/238U表面年龄为三叠纪;REE配分图上，显示弱Eu负异常或无Eu异常，以及平坦的MREE-HREE配分模式，显示榴辉岩相变质条件下含水流体中新生长锆石的特征，可以用来制约石榴石的生长时限。在U-Pb年龄上，第三类锆石可以分为～240 Ma和～220 Ma两组。由于第二组新生长锆石年龄～220 Ma与第二类石榴石内2粒包裹体锆石的原位U-Pb年龄一致，因此对应于第二类石榴石的形成时间，而另一组新生长锆石～240 Ma则对应于第一类石榴石的形成时间。因此，第一组石榴石和第二组石榴石分别形成于大别碰撞带的俯冲晚期和折返初期两个时期，对应于岩石从高压榴辉岩相向超高压榴辉岩相转化以及从超高压榴辉岩相向高压榴辉岩相转化的两个阶段。
　　3.红安造山带的大地构造演化
　　红安造山带由三个高压和超高压变质带组成。通过对这三个变质带中各种变质岩的全岩主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素以及锆石U-Pb年龄、REE及Lu-Hf同位素综合分析，结果为华北陆块与华南陆块之间古生代时期特提斯洋壳俯冲向大陆碰撞转化提供了地球化学证据。基于全岩地球化学成分的差异，可将红安造山带榴辉岩分为大陆型榴辉岩和大洋型榴辉岩两类。大陆型榴辉岩广泛地分布于红安造山带的各个变质带中，表现出富集大离子亲石元素(LILE)和LREE、亏损高场强元素(HFSE)和HREE的特征，类似于大陆弧安山岩;锆石U-Pb年龄显示，其原岩形成于750～1200 Ma，具有华南陆壳的属性;在Nd-Hf同位素分布上，这类榴辉岩全岩和锆石都具有从正值变化到负值的初始εNd(t)和εHf(t）值，表明它们的原岩来自于新元古代新生地壳和古老地壳的再造。大洋型榴辉岩分布在红安造山带西北部的局部地区，表现出类似于MORB特征的REE配分和弧型的微量元素分布;锆石U-Pb年龄显示，它们原岩形成于～420 Ma;在Nd-Hf同位素分布上，这类榴辉岩全岩和锆石同样具有从正值变化到负值的初始εNd(t)和εHf(t)值，表明这类榴辉岩的原岩可能是华南陆块北缘的弧后盆地玄武岩。
　　在变质年龄上，大洋型榴辉岩和大陆型榴辉岩也具有差别。大洋型榴辉岩的主体高压榴辉岩相变质年龄在～315 Ma，随后有少数～230 Ma年龄的叠加。大陆型榴辉岩的主体超高压榴辉岩相变质年龄在～215-240Ma。因此，这两种不同类型的榴辉岩记录了华南陆块与华北陆块在古生代到中生代由于古特提斯洋的闭合导致的洋壳俯冲向大陆碰撞的转换。在这个构造过程中，首先是华南陆块北缘在早古生代形成一个弧后盆地;在石炭纪俯冲过程中，弧后盆地连同其上覆陆源沉积物一起被带入下地壳深度发生高压榴辉岩相变质;随后大陆地壳北向俯冲，在三叠纪达到峰期高压-超高压相。从构造意义上讲，红安造山带既不同于东部的大别-苏鲁造山带，也不同于西部的秦岭-桐柏造山带，因此应作为一个独立的造山带来看待。红安造山带同时出露了大洋型榴辉岩和大陆型榴辉岩，显示了大陆地壳俯冲受古洋壳俯冲牵引的时空联系;它们沿同一俯冲带俯冲和折返到地表，形成高压榴辉岩相变质混杂岩，显示了俯冲隧道在古洋壳俯冲到陆壳俯冲转换过程中的构造作用。

目录

声明

摘要

第一章 导论

1．1 研究背景

1．1．1 板块构造理论的发展和大陆地球动力学

1．1．2 大陆超高压变质岩

1．1．3 石榴石研究

1．2 研究内容和意义

1．3 工作量小结

第二章 地质背景

2．1 秦岭-桐柏造山带

2．1．1 宽坪群

2．1．2 二郎坪群

2．1．3 秦岭群

2．1．4 商丹蛇绿岩带

2．1．5 刘岭复理石带

2．1．6 陡岭构造混杂岩带

2．1．7 南秦岭高压带

2．1．8 桐柏造山带

2．2 大别-苏鲁造山带

2．2．1 大别造山带

2．2．2 苏鲁造山带

2．3 红安造山带

2．3．1 红安造山带的构造单元及岩石组合

2．3．2 红安造山带的变质温压条件

2．3．3 红安造山带的原岩和变质历史

第三章 分析方法

3．1 岩石切片与全岩粉末样品制作和单矿物分选

3．2 全岩主微量元素分析

3．3 激光拉曼光谱分析

3．4 扫描电子显微镜面扫描分析

3．5 锆石内部结构分析

3．6 矿物主微量元素分析

3．7 锆石U-Pb定年和微量元素测定

3．8 锆石Lu-Hf同位素分析

第四章 浒湾构造带高压榴辉岩中石榴石的成因

4．1 引言

4．2 采样位置和样品描述

4．3 岩相学

4．3．1 块状榴辉岩

4．3．2 片理化榴辉岩

4．3．3 中间区域

4．4 分析结果

4．4．1 全岩主微量元素

4．4．2 矿物化学成分及环带

4．5 石榴石成因的热力学计算

4．5．1 块状榴辉岩

4．5．2 片理化榴辉岩

4．6 石榴石成因分析

4．6．1 石榴石的多阶段生长

4．6．2 两种产状榴辉岩中石榴石的成因

4．6．3 流体活动对石榴石的影响

4．6．4 全岩成分对榴辉岩中石榴石生长的影响

4．7 小结

第五章 新县超高压带榴辉岩石榴石的成因

5．1 引言

5．2 地质背景和采样位置

5．3 岩相学

5．4 分析结果

5．4．1 石榴石中的主量元素和微量元素

5．4．2 石榴石中的矿物包裹体分析

5．4．3 锆石U-Pb定年和稀土元素分析

5．5 讨论

5．5．1 石榴石的生长环带

5．5．2 榴辉岩石榴石的成因

5．6 石榴石生长时限

5．7 小结

第六章 红安造山带的大地构造演化

6．1 引言

6．2 地质背景和采样位置

6．3 分析结果

6．3．1 全岩主量元素分析

6．3．2 全岩微量元素

6．3．3 变质锆石的形态和结构

6．3．4 锆石U-Pb年龄和微量元素

6．3．5 锆石Lu-Hf同位素

6．4 讨论

6．4．1 红安造山带三叠纪的变质作用

6．4．2 红安造山带古生代变质作用

6．4．3 红安造山带高压／超高压岩石的原岩性质

6．5 红安造山带的构造演化

6．6 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文