大陆俯冲带变质脱水与部分熔融：南大别低温/超高压变质花岗岩研究

摘要

板块俯冲和折返过程中的流体活动是碰撞造山带变质作用、同碰撞岩浆作用乃至成矿作用的重要内容之一，也是理解地球演化，包括全球水循环、深俯冲板块的命运、碰撞造山带内的岩浆岩成因，以及洋壳和陆壳再循环等问题的关键。在中国东部大别-苏鲁造山带发现的超高压变质岩，为大陆地壳深俯冲变质的产物，记录了大陆碰撞过程中从地壳俯冲到地幔深度、超高压变质、以及深俯冲地壳折返等三个主要阶段的各种物理化学变化，是研究大陆深俯冲和折返过程中变质脱水和部分熔融的重要对象。前人对于镁铁质高压/超高压变质成因榴辉岩中元素在变质流体中的活动性进行了大量研究，但是对于长英质超高压片麻岩中流体活动的研究才刚刚开始。
　　 本学位论文以中国中东部大别造山带南部(简称南大别)低温/超高压变质带内的花岗片麻岩为研究对象，进行了岩相学、全岩主量和微量元素、单矿物氧同位素和微量元素、以及锆石微量元素、U-Pb和Lu-Hf同位素等地球化学研究。研究结果识别出陆壳深俯冲和折返过程中出现了变质脱水和部分熔融，同时还识别出了不同变质流体作用下的锆石变质重结晶和新生长。变质重结晶包括固态重结晶、交代重结晶和溶解重结晶，显示了不同流体(富水流体、含水熔体和超临界流体)条件下的变质生长锆石，包括从富水流体中生长的锆石和从含水熔体中生长的锆石。结果不仅为标识变质锆石的形成机制提供了依据，而且为识别不同类型变质流体在大陆碰撞过程中的作用发现了线索。
　　 岩相学观察显示，两组花岗片麻岩样品具有不同的结构和共生矿物组合。组Ⅰ片麻岩样品为鳞片变晶结构、残留骸晶结构、交代蚕食结构等，帘石类、云母类含水矿物较多。组Ⅱ片麻岩样品为花岗变晶结构，主要组成矿物为石英和长石，且钾长石含量十分丰富，帘石和云母等含水矿物量少，榴辉岩相变质矿物(石榴石、褐帘石、金红石)缺乏。锆石U-Pb定年结果显示，这些超高压变质花岗岩的原岩年龄和变质年龄分别为778±6Ma和219±6 Ma。锆石εHf(t)值为-11.5±1.4～-2.2±0.5，对应的Hf模式年龄为古元古代中期(2.4～1.8 Ga)，不同于中大别的正εHf(t)值(1.1±0.6～8.2±0.7)和中元古代晚期Hf模式年龄(1.3～1.1 Ga)。因此，华南陆块北缘元古代存在两期新生地壳生长，即中元古代晚期和古元古代中期。
　　 两组样品的锆石δ18O值为-2.8～+4.7‰，明显低于正常地幔值5.3±0.3‰，表明原岩在新元古代侵位过程中受到过大气降水的高温热液蚀变。大部分样品在t1=780 Ma时的87Sr/86Sr初始比值很低，而在t2=230 Ma时的87Sr/86Sr初始比值很高，这暗示了原岩在新元古代热液蚀变和三叠纪变质脱水两个过程中发生了广泛的流体干扰。两组样品具有相似的稀土和微量元素配分模式，但是，组Ⅰ样品的Nb与LREE(La和Ce)显示很好的相关性，与LILE(Rb、Ba、Pb、Th和U)没有相关性，说明在脱水过程中LILE发生了不同程度的迁移活化。结合岩相学研究，可见组Ⅰ片麻岩在三叠纪大陆碰撞过程中经历了变质脱水反应。Nb与LREE的相关性继承了原岩的特征，而不是由变质脱水引起的。
　　 组Ⅱ片麻岩的Nb含量与LILE呈线性相关，但与LREE不相关，显示在大陆碰撞过程中变质脱水与LILE迁移发生明显脱耦。另外，组Ⅱ片麻岩的主量元素FeO+MgO+TiO2含量很低(1.04～2.08％ wt.％)，而SiO2含量(75.33～78.23 wt.％)和全碱Na2O+K2O含量(7.52～8.92 wt.％)很高，并且与长英质岩石经部分熔融实验产生的熔体组成相似。因此，组Ⅱ片麻岩在深俯冲陆壳折返初期由于多硅白云母分解引起了脱水熔融。此外，在组Ⅱ片麻岩中几乎没有发现特征的超高压变质矿物；尽管没有明显的深色体和浅色体，但在片麻岩内部发现了由细粒矿物组成的长英质细脉。因此，组Ⅱ片麻岩由于变质脱水而诱发了一种低程度原位深熔的混合岩化作用，即长英质熔体并没有从寄主片麻岩中分离出去。
　　 锆石U-Pb定年得到的变质年龄与大别-苏鲁造山带超高压榴辉岩相退变质引起高压榴辉岩相重结晶时间一致，对应于深俯冲板片折返初期达到最大温度之前，折返板片中流体/熔体的释放导致了锆石的生长。根据参与锆石改造的变质流体性质，进一步可将变质锆石区分为五种不同类型，即固态重结晶锆石、交代重结晶锆石、溶解重结晶锆石，以及富水流体和含水熔体中的生长锆石。不同类型的变质锆石显示不同的U-Pb年龄、微量元素组成、Th/U比值、176Lu/177Hf比值以及176Hf/177Hf比值。变质生长锆石都具有谐和的三叠纪U-Pb变质年龄，高U含量以及低Th/U比值和176Lu/177Hf比值，以及升高的176Hf/177Hf比值。但是富水流体中生长锆石还具有低的REE、Th以及HFSE等微量元素含量，而从含水熔体中生长锆石的REE、Th以及HFSE等微量元素含量却很高。
　　 根据大陆俯冲带变质过程中流体/熔体活动的程度，可以识别变质重结晶锆石记录的原始岩浆锆石所经受的不同程度改造。固态重结晶锆石是在流体相对缺乏的条件下经受变质的，仅锆石内部结构和U-Th-Pb同位素体系受到部分改造，表现清晰的或模糊的岩浆环带结构、新元古代中期到三叠纪的206Pb/238U表观年龄，而微量元素和Lu-Hf同位素体系则保持原岩锆石的特征。交代重结晶锆石受流体改造程度较固态重结晶明显，CL图像显示冷杉叶状分带、弱分带或无分带结构，也具有新元古代中期到三叠纪的206Pb/238U表观年龄。其REE配分特征与原岩锆石相似，但部分LREE呈现富集，除了可能的矿物包裹体影响外，主要与热液富水流体有关。其Lu-Hf同位素体系由于少量石榴石的影响，176Lu/177Hf比值轻微降低，而176Hf/177Hf比值基本保持不变。溶解重结晶锆石受到变质流体改造程度最高，CL图像显示海绵状或多孔状结构，具有近谐和的206Pb/238U年龄；如果溶解重结晶改造得彻底，则有可能得到谐和的三叠纪变质年龄。其微量元素具有普遍富集的特征，即REE、Th、U和HFSE(Nb，Ta和Hf)都明显高于原岩锆石，同时REE配分还显示Ce正异常不明显。由于溶解重结晶锆石的Hf同位素组成主要受原岩锆石控制，因此流体对其初始Hf同位素组成没有影响，176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值与原岩锆石几乎保持不变。
　　 对于具有普遍提高的LREE、Th、U、HREE和HFSE(Nb、Ta、Hf)含量的海绵状变质锆石，不可能仅仅与常见的热液流体有关。由于含水流体不能携带大量的HREE、Th、U和HFSE等微量元素，因此要求能携带大量HREE和HFSE等元素的超高压含水熔体或超临界流体。在花岗岩-水体系中，富集微量元素的矿物(如帘石、石榴石、金红石等)在含水熔体区域内稳定存在，正常的高压脱水熔融并不能使这些矿物发生分解并释放出大量的微量元素。但是在峰期超高压变质条件下，能够产生超临界流体，这样可以使帘石、石榴石、金红石等矿物发生不稳定分解，同时释放大量微量元素进入变质流体。原来富集REE-HFSE的岩浆锆石，当遇到具有强溶解能力的超临界流体时，可能会变得不稳定而发生显著的溶解重结晶。在深俯冲板片折返初期，由于突然降压和继续升温，超临界流体会发生相分离形成不混溶的富水流体和含水熔体，流体中富集的难溶性元素会随着压力下降发生出溶并作为副矿物沉淀出来，表现为研究区内花岗片麻岩中呈脉状产出的帘石、榍石和锆石等矿物集合体。因此，超临界流体在低温/超高压变质条件下的活动是迁移各种元素的有效载体。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1研究背景

1.1.1大陆深俯冲和超高压变质作用

1.1.2大陆深俯冲和折返过程中的流体活动

1.1.3大陆深俯冲和折返过程中的元素活动

1.1.4深俯冲陆壳折返过程中的部分熔融

1.1.5富水流体，含水熔体和超临界流体

1.1.6变质锆石学

1.2研究内容和意义

1.3工作量小结

第二章区域地质背景

2.1大别-苏鲁造山带

2.1.1区域变质带

2.1.2岩石学特征

2.1.3变质温压条件

2.1.4变质年代学

2.1.5氧同位素研究

2.2南大别低温／超高压变质带

2.2.1变质温压条件

2.2.2同位素年代学

第三章样品及岩相学特征

3.1样品分类

3.2岩相学特征

3.2.1组Ⅰ片麻岩

3.2.2组Ⅱ片麻岩

3.3单矿物主要成分电子探针分析结果

3.3.1石榴石

3.3.2白云母

3.3.3绿帘石族矿物

3.4 LA-ICPMS分析单矿物的微量元素

第四章分析方法

4.1全岩主量和微量元素分析

4.2全岩Rb-Sr和Sm-Nd同位素分析

4.3单矿物氧同位素分析

4.4矿物电子探针分析

4.5矿物LA-ICPMS分析

4.6锆石内部结构分析

4.7锆石U-Pb定年

4.8锆石Lu-Hf同位素分析

4.9锆石U-Pb和Lu-Hf同位素以及微量元素的同时原位分析

第五章元素和同位素地球化学

5.1引言

5.2分析结果

5.2.1主量元素

5.2.2微量元素

5.2.3 Sr-Nd同位素

5.2.4氧同位素

5.3原岩侵位过程中的高温热液蚀变

5.3.1氧同位素证据

5.3.2 Rb-Sr同位素证据

5.4折返过程中的变质脱水

5.5深俯冲陆壳折返过程中的脱水熔融

5.5.1南大别两组片麻岩LILE和LREE的差异性活动

5.5.2组Ⅱ片麻岩发生部分熔融的证据

5.6小结

第六章变质锆石学

6.1引言

6.2锆石岩相学

6.2.1组Ⅰ片麻岩

6.2.2组Ⅱ片麻岩

6.3 U-Pb和Lu-Hf同位素

6.3.1组Ⅰ片麻岩

6.3.2组Ⅱ片麻岩

6.3.3 U-Pb定年小结

6.4锆石微量元素组成

6.4.1组Ⅰ片麻岩

6.4.2组Ⅱ片麻岩

6.5变质作用对锆石U-Th-Pb和Lu-Hf同位素以及微量元素的影响

6.5.1组Ⅰ片麻岩

6.5.2组Ⅱ片麻岩

6.6变质锆石的形成机制

6.6.1变质生长

6.6.2变质重结晶

6.7锆石微量元素富集成因探讨

6.7.1 LREE富集

6.7.2 HREE和HFSE富集

6.8锆石Hf同位素对原岩性质的制约

6.9小结

第七章结论

参考文献

致谢

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