郯庐断裂带南段晚中生代岩浆活动及其对岩石圈减薄的指示

摘要

本论文对发育于郯庐断裂带南段上的一些晚中生代岩浆岩，包括滁州火山岩、巢湖侵入岩和庐江火山岩，进行了主量元素、微量元素、Sr-Nd-Pb同位素等地球化学研究和LA-ICPMS法单颗粒锆石U-Pb年代学研究。 通过这些研究，首先确定了这些岩浆岩的具体形成时间，认识了它们的岩石学和地球化学特征； 随后讨论了岩浆形成的深部过程和岩浆源区组成，并结合年代学结果讨论了岩浆演化特征； 最后在区域对比的基础上，分析了郯庐断裂带内岩石圈减薄的方式和特点，并讨论了该断裂带在华北克拉通岩石圈减薄中的作用。 滁州火山岩位于张八岭隆起北段的东侧边界上，该火山岩形成于早白垩世，具体喷发时期在132～116Ma之间，经历了约16Ma的喷发历史。132Ma的喷发年龄是目前已知的郯庐断裂带内最早的钙碱性岩浆岩形成年龄，该年龄应最接近郯庐断裂带下岩石圈伸展活动的开始时间。 该火山岩是一套中-酸性的、粗安岩/粗面岩/英安岩为主的岩浆岩，岩石属于高钾钙碱性系列、准铝质、硅过饱和类型的岩石。火山岩富集LILE和LREE、相对亏损HFSE和HREE，具有富集的Sr-Nd-Pb同位素组成。 地球化学特征显示，早期(～132Ma)和晚期火山岩(123～116Ma)具有一般钙碱性火山岩的特征，中期火山岩(129～125Ma)则具有类似于埃达克岩的特征。该火山岩的岩浆来源于华北克拉通，早期火山岩是EMI型富集地幔和古老华北下地壳源区混合的结果，中期火山岩是底侵的幔源物质与古老地壳物质发生部分熔融并混合形成的，晚期火山岩的岩浆源区则主要以古老的下地壳端元为主。 地球化学特征显示，滁州火山岩的岩浆起源于壳一幔过渡带的深度范围，随喷发时代的变新岩浆中壳源比例逐渐增加，岩浆源区逐渐变浅。滁州火山岩的地球化学及岩浆演化特征不支持岩石圈整体拆沉作用模型，岩浆应形成于岩石圈由下至上逐渐减薄的背景下。区域对比发现，滁州火山岩比华北克拉通内部岩浆活动具有更早的开始时间和较长期的活动历史，暗示郯庐断裂带内具有更强烈的岩石圈减薄程度和更长期的减薄历史。 与华北克拉通内部相比，滁州火山岩具有源区熔融程度更高、熔融规模更大、壳一幔相互作用更为强烈、源区深度更浅等特征，一致证明了郯庐断裂带是岩石圈内的强减薄带。 巢湖侵入岩位于张八岭隆起南段的郯庐断裂带内，五个样品给出的岩体侵位时间在127～103Ma之间，总体经历了约24Ma的侵位历史。 该套岩石是一套铝和硅均过饱和的、准铝质向过铝质过渡的岩浆岩，岩石富钾且全碱含量较高。 早期和中早期侵入岩富集LILE、LREE，亏损HREE，无Eu异常或具有正的Eu异常，是一套埃达克质的二长花岗岩； 晚期和中晚期侵入岩富集LILE但亏损Ba、Sr，REE总量较低且轻、重稀土分馏较弱，具有负的Eu异常，是一套A型花岗岩。 先期的埃达克岩代表了该处岩石圈伸展活动的开始阶段，而后期的A型花岗岩则代表了岩石圈强烈伸展的时间。 巢湖侵入岩的岩浆也来源于古老的华北克拉通，且主要为古老的华北克拉通下地壳，早期岩浆包含少量的富集地幔端元，而晚期岩浆则为更浅的地壳源区。 地球化学特征表明该套侵入岩在岩浆侵位过程中没有明显的中、上地壳混染，岩浆源区经历了不同程度的部分熔融，并经历了不同造岩矿物和锆石、磷灰石、褐帘石等副矿物的分离结晶作用。 随岩浆侵位时代的不同，岩浆源区的残留相明显不同，由早到晚源区残留从石榴子石到斜长石再向角闪石过渡，且由早到晚岩浆源区是逐渐变浅的。岩浆演化规律暗示岩浆活动的深部动力学过程为：华北克拉通岩石圈底部的逐渐拆沉减薄造成了软流圈顶面抬升，导致岩石圈内热流升高，化学作用逐渐加强，从而出现了不同深度下的下地壳源区部分熔融。与远离断裂带的克拉通内部相比，郯庐断裂带具有更强烈的岩石圈伸展程度、侵入岩具有更浅的岩浆源区、岩浆源区具有更强烈的演化程度和更大程度的部分熔融、岩浆活动具有更长期和复杂的历史，这一系列的证据也均证明郯庐断裂带是岩石圈减薄中的强减薄带。 庐江火山岩位于华北克拉通最东南缘的郯庐断裂带内，岩浆喷发时间在125Ma～93Ma之间，经历了约32Ma的喷发历史。火山岩具有双峰式火山岩和玄粗岩岩系的特征，岩石富碱、富钾，相对贫MgO、TiO2，具有富集的Sr-Nd-Pb同位素组成。玄武岩和粗面岩样品富集LILE、LREE并相对亏损HFSE、HREE，无明显Eu异常;流纹岩样品则相对亏损Ba、Sr、P、Ti，具有明显的Eu负异常。 岩浆岩地球化学特征表明，该火山岩具有四类不同的源区背景：早期基性岩(125Ma)的源区主要为华北克拉通岩石圈地幔，兼有地壳源区的贡献;流纹岩(120Ma)源区主要为华北中、下地壳源区;粗面岩(100Ma)为华北下地壳和岩石圈地幔的混合源区;晚期基性岩(93Ma)主要为华北岩石圈地幔源区，兼有下地壳和软流圈物质的贡献。 庐江火山岩的地球化学特征也不支持岩石圈地幔和下地壳的整体拆沉作用模型，岩浆活动应是在岩石圈底部的持续减薄作用下，岩石圈内热流逐渐升高、岩浆源区的热一化学状态的变化所造成的。不同时期的岩浆活动其地球化学特征差异较大，反映了岩浆源区随岩石圈热一化学状态的改变而不断演化和迁移的规律。 岩石组合、同位素年代学、地球化学特征对比等一系列的证据表明，位于郯庐断裂带上的庐江火山岩，形成于强烈的伸展构造背景下，是岩石圈强烈减薄的产物。表明郯庐断裂带是岩石圈内的强减薄带，这与滁州火山岩和巢潮侵入岩揭示的信息是一致的。 本文的研究结果表明，郯庐断裂带南段的晚中生代岩浆岩虽然具有不同的岩石类型和地球化学特征，但岩浆源区均属于华北克拉通，且岩浆往往具有壳一幔混源的特征。 综合目前已有的华北克拉通晚中生代岩浆岩资料来看，郯庐断裂带内各部位的岩浆活动持续时间最长、结束时间最晚，且岩浆活动指示的往往是更为强烈的伸展构造背景。这些岩浆岩具有清晰的岩浆演化与源区迁移规律，显示岩浆源区组成和温压条件的不断改变，源区的迁移规律和一系列的地球化学证据均不支持岩石圈的整体拆沉作用观点，岩石圈应是以由下至上逐渐拆沉进入软流圈的方式发生减薄的。 一系列的地球化学及地质学证据均表明，郯庐断裂带是岩石圈内的强减薄带，这与现今地球物理资料揭示的现象是一致的。分析认为，郯庐断裂带对华北克拉通岩石圈的整体性具有破坏作用，断裂带的存在和活动在岩石圈减薄过程中不仅具有增强和促进作用，还可能具有控制意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第一章前言

1.1课题来源及研究目的

1.1.1课题来源

1.1.2研究对象

1.1.3研究目的及意义

1.2前人研究成果及存在的问题

1.2.1岩石圈减薄研究现状

1.2.2华北克拉通岩石圈减薄研究现状

1.2.3郯庐断裂带内岩石圈减薄的研究现状

1.3研究的技术路线和主要成果

1.3.1技术路线

1.3.2主要成果及创新点

第二章区域地质背景

2.1研究区范围及概况

2.1.1研究区范围

2.1.2区内总体地质概况

2.1.3合肥盆地概况

2.2郯庐断裂带概况

2.2.1张八岭隆起特征

2.2.2研究区岩浆岩

2.2.3走滑构造

2.2.4伸展构造

2.2.5挤压构造

2.2.6岩石圈结构

2.2.7断裂带的演化

第三章样品处理及分析方法

3.1样品的处理

3.1.1全岩粉末样品制备

3.1.2单颗粒锆石分选及制靶

3.2样品分析方法

3.2.1主量元素

3.2.2微量元素

3.2.3同位素分析

3.2.4锆石LA-ICP MS定年

第四章滁州火山岩对断裂带内岩石圈减薄的指示

4.1地质背景和样品描述

4.1.1地质背景

4.1.2样品特征

4.2分析结果

4.2.1锆石U-Pb年代学

4.2.2主量元素

4.2.3微量元素

4.2.4 Sr-Nd-Pb同位素

4.3锆石年代学意义

4.3.1喷发时代

4.3.2源区特征

4.3.3对伸展活动时间的指示

4.3.4火山活动时间区域对比

4.4地球化学特征与岩石成因

4.4.1岩浆混染

4.4.2岩浆过程

4.4.3岩浆源区构造属性

4.4.4岩浆源区组成

4.4.5岩浆源区演化

4.4.6对岩石圈减薄的指示

4.4.7区域对比

4.5小结

第五章巢湖侵入岩对断裂带内岩石圈减薄的指示

5.1地质背景和样品描述

5.1.1地质背景

5.1.2样品特征

5.2分析结果

5.2.1锆石U-Pb年代学

5.2.2主量元素

5.2.3微量元素

5.2.4 Sr-Nd-Pb同位素

5.3锆石年代学意义

5.3.1岩浆活动时代

5.3.2源区特征

5.3.3对伸展活动的制约

5.4地球化学特征与岩石成因

5.4.1岩浆混染

5.4.2岩浆过程

5.4.3岩浆源区

5.4.4源区演化

5.4.5对岩石圈减薄的指示

5.4.6区域对比

5.5小结

第六章庐江火山岩对断裂带内岩石圈减薄的指示

6.1地质背景和样品描述

6.1.1地质背景

6.1.2样品特征

6.2分析结果

6.2.1锆石U-Pb年代学

6.2.2主量元素

6.2.3微量元素

6.2.4 Sr-Nd-Pb同位素

6.3锆石年代学意义

6.3.1喷发时代

6.3.2源区特征

6.3.3岩浆活动时间对比

6.4地球化学特征与岩石成因

6.4.1岩浆混染

6.4.2岩浆过程

6.4.3岩浆来源

6.4.4对岩石圈减薄的指示

6.4.5区域对比

6.5小结

第七章郯庐断裂带与岩石圈减薄

7.1断裂带内岩浆活动的一般规律

7.2岩浆活动对岩石圈减薄方式的制约

7.3郯庐断裂带在岩石圈减薄中的特点

7.4郯庐断裂带在岩石圈减薄中的作用

第八章结论

参考文献

攻读博士学位期间主要研究经历和己发表论文