中国大陆科学钻探（CCSD）超高压（UHP）变质榴辉岩中金红石的矿物学和地球化学研究

摘要

中国大陆科学钻探工程(Chinese Continental Scientific Driling Proiect-CCSD)是采用目前世界上最先进的钻探技术，在具有全球地学意义的大别-苏鲁超高压变质带上实施的中国第一口深达5158m的科学深井，CCSD的成功完成不仅对深入探讨板块汇聚边界三维物质组成与结构、水．岩作用与流体地球化学、壳-幔相互作用与大陆动力学等基础地学问题有重要理论意义，而且对提高我国超深井钻探工艺、寻找深部矿产、探寻全球变化等人类目前面临的重大问题具有很强的现实意义，是我国地学发展史上具里程碑意义的重要工程。 含金红石的榴辉岩是钻孔揭露的最重要的超高压变质岩石类型之一，其中普遍发现柯石英包裹体。榴辉岩型金红石是当地最重要的矿产，据目前已查明的储量，苏北已成为全国最大的金红石生产基地。金红石矿的形成与本地区三叠纪发生的扬子与华北板块的对接碰撞引发的巨量陆壳物质超深俯冲(>80km)事件有无成因上的联系?其具体的形成时间是什么?这是人们关心的问题。另外，榴辉岩中金红石的地球化学作用长期以来一直是一个争议的问题。例如，俯冲变质过程中金红石如何控制高场强元素(HFSE-Nb、Ta、Zr、Hf、Ti)的分配?在板块释水或部分熔融过程中Nb、Ta的分配和分异是受控于金红石还是角闪石?含金红石的榴辉岩是否是平衡硅酸盐地球Nb/Ta的独立储库?金红石对高场强元素的支配能为追索早期大陆地壳的形成提供什么线索?究竟应该如何恰当地评价俯冲带中变质金红石的地球化学作用等等。这都是地球化学研究者关心的问题。借助CCSD成功实施的契机，本文系统采集了CCSD地表和钻孔中的榴辉岩样品，对其中的副矿物金红石进行了矿物学、微量元素地球化学和地质年代学的系统研究，结合前人高温、高压实验岩石学的成果，进一步论述了俯冲带中变质金红石的地球化学作用。 本文取得了如下主要成果和认识： 1.原位微区微量元素分析表明，超高压变质金红石以富含Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素为特征，通过与金红石/熔体和金红石/流体微量元素分异实验结果的对比，证明上述金红石微量元素特征是其在俯冲变质过程中不断与流体、熔体平衡分异的结果，是俯冲带演化的地球化学记录。 2.利用碎屑金红石Nb-Cr原岩恢复的方法将东海地区榴辉岩原岩恢复为铁镁质岩，印证了岩石学研究关于本地榴辉岩原岩为被动大陆边缘大陆玄武岩和辉长岩的观点。 3.利用碎屑金红石-Zr单矿物温度计计算了金红石的形成温度为587-959℃，以600-700℃温度区间为主，接近本地区超高压变质峰值温度814-852℃的下限，印证了前人电子探针的研究结果，也符合关于本地区金红石矿床成矿模式的初步认识：原岩(富钛基性岩)钛初始富集—陆壳俯冲过程钛成矿—折返过程钛成矿。 4.19个榴辉岩样品的108个原位激光剥蚀电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)测点分析表明：金红石中Nb、Ta含量和Nb/Ta比值变化都比较大，分别为7～1410ppm，0.16～101 ppm和5.3-96.2，其中73.2﹪测点的Nb/Ta比值大于球粒陨石值(17.5)，而26.8﹪的测点低于球粒陨石值。同时对金红石的退变矿物榍石、榴辉岩的退变产物角闪岩中的角闪石以及榴辉岩的其他组成矿物进行的微量元素分析表明：榍石同金红石一样，是Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等高场强元素的承载矿物；角闪石中Nb/Ta比值(37-81)虽然高于金红石，但因其含量很低(Nb、Ta分别为0.090-0.810ppm和0.009-0.019ppm),不具备分异Nb、Ta的能力；而其他榴辉岩矿物中高场强元素的含量都很低。这个结果表明，高场强元素都被以金红石为主的含钛矿物所控制。综合前人关于UHP变质金红石微量元素地球化学的研究成果、本地区超高压变质岩微量元素地球化学资料、地球不同单元(太古代英云闪长岩-奥长花岗岩．花岗闪长岩—TTG、洋中脊玄武岩-MORB、洋岛玄武岩-OIB、榴辉岩捕虏体、岛弧火山岩、埃达克岩等)的Nb/Ta数据资料以及近年来有关玄武质洋壳高温、高压部分熔融的实验结果(实验表明，金红石和石榴石是部分熔融产生相当于TTG和埃达克岩熔体的必要残留相)，提出控制高场强元素分配，塑造大陆地壳微量元素地球化学特征(HFSE亏损)是俯冲带变质金红石最重要的地球化学贡献，但在板块俯冲过程中金红石并没有使Nb、Ta发生显著的分异，包括角闪石在内的其他矿物也不能显著地分异Nb、Ta。由于地球化学性质的相似性，即使在板块俯冲这样的高温、高压变质环境中，Nb和Ta也只有轻微的分异(实验证明为10～15﹪)。现在我们面对的地质单元的Nb/Ta比值都有很大的跨度范围，是继承于源区的结果，无需一个额外独立的超球粒陨石Nb/Ta比值的储库(如金红石榴辉岩)来平衡，本文认为所谓TIG、MORB、上地壳等硅酸盐地球储库的Nb/Ta比率“平均值”概念的使用是导致地球Nb/Ta悖论(the terrestriaI Nb-Ta paradOX)的原因。 5.名义上无水矿物的结构水研究是近十年来的地学热点之一。红外光谱原位测试发现，金红石中含有一定量的结构水(300-500ppm)，证实了超高压变质作用并非在“干体系”下进行的观点，同时表明金红石是将地表水循环至地幔深度的载体矿物之一。本文采用最新标定的吸收系数计算结构水含量，修正了以往认为金红石是结构水含量最高的矿物的观点，证明其含“水”量与石榴石、绿辉石在同一量级。金红石结构水分布的不均一性表明氢没有扩散均一，这意味着板块俯冲-折返的过程是快速的。 6．本地区已经有大量的锆石微区SHRIMP年龄数据，建立了清晰的原岩．超高压变质峰期-后期退变质的年代学格架，本文尝试用金红石U-Pb直接定年的方法，得到了211±22Ma的等时线年龄。对比前人在大别山地区得到的相似金红石年龄(218±2.5Ma)以及500℃左右的封闭温度，认为这个年龄仅代表超高压变质峰期后的退变冷却年龄而非峰期年龄；这样的认识解决了锆石原位定年年龄解释的困惑；结合本地区超高压变质峰期的年龄和温度，可初步说明板块俯冲和折返速率都是很快的；这是东海地区榴辉岩型金红石矿床的第一个准确的U-Pb年龄，据此，本文认为东海地区榴辉岩型金红石矿床主要形成于UHP变质作用峰值期，在折返过程中经历了退变质重结晶；该结果证明金红石是一个能够约束超高压变质作用年龄的副矿物。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

1.1论文选题的科学意义

1.2国内外研究现状

1.2.1矿物学研究及应用

1.2.2金红石中的结构水测定与超高压变质过程中的流体活动

1.2.3金红石微量元素地球化学

1.2.4金红石U-Pb地质年代学

1.3本文主要完成的工作

1.3.1主要研究内容

1.3.2完成的实际工作量

第二章中国大陆科学钻探工程(CCSD)简介及区域地质概况

2.1 CCSD简介

2.2区域地质概况

2.2.1苏鲁超高压变质带的分布及特征

2.2.2主要岩石类型

2.2.3主要的超高压变质矿产——榴辉岩型金红石矿

2.3大别-苏鲁UHP变质地体形成的大陆动力学模式

第三章金红石矿物学及微量元素地球化学

3.1引言

3.2金红石的岩相学及成分特征

3.3金红石微量元素地球化学

3.3.1样品及分析方法

3.3.2测试结果

3.3.3讨论

3.4本章小结

第四章金红石中的结构水及其对板块俯冲-折返过程的约束

4.1引言

4.2金红石结构水的红外光谱测定

4.2.1样品和分析方法

4.2.2 H在金红石中的赋存机制

4.2.3金红石中的结构水含量

4.3金红石中结构水研究的地球动力学意义

4.4本章小结

第五章金红石的地质年代学

5.1引言

5.2样品和测试方法

5.3结果

5.4讨论

5.4.1金红石U-Pb定年的可行性

5.4.2苏鲁地体UHP变质作用过程

5.4.3苏鲁地体榴辉岩型金红石矿床成矿机制

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

图版说明

图版Ⅰ-图版Ⅲ

图版Ⅳ-图版Ⅵ

致谢

附录 在学期间发表的学术论文

论文原创性声明