北大别榴辉岩的高温变质作用、部分熔融及P-T-t轨迹

摘要

大别山碰撞造山带，因出露大量含柯石英和金刚石榴辉岩等不同类型超高压岩石而闻名于世。其通常被划分为五个与大陆俯冲和碰撞相关的、具有不同岩石组合和变质演化历史的构造岩石单位，其中包括三个含榴辉岩的单位即北大别高温超高压杂岩带、中大别中温超高压变质带和南大别低温榴辉岩带（分别简称“北大别”、“中大别”和“南大别”）。在过去三十年中，前人对大别造山带超高压榴辉岩及相关岩石做了大量的研究，取得了一系列重要成果和突破，如发现了柯石英和金刚石等超高压变质证据、确定了超高压变质的时代、建立了造山带的构造格架（包括不同构造岩石单位的划分）并提出了多种相关的俯冲和折返模式。然而这些研究多数集中在中大别和南大别，而对于北大别的研究则相对薄弱，特别是在岩石学方面还存在诸多问题。与中大别和南大别的变质演化过程显著不同的是，北大别经历了折返期间的麻粒岩相叠加，以及造山后的混合岩化作用，这使得榴辉岩及相关岩石的进变质和峰期矿物组合及其成分难以保存，因而造成它们的进变质和峰期变质温压条件难以被准确限定。因此，前人对北大别榴辉岩的P-T轨迹的重建多集中在退变质阶段，显示榴辉岩经历了高温减压过程，但对进变质阶段的温压条件则很少涉及;另一方面，前人对北大别榴辉岩的各个退变质阶段的发生时间缺乏有效制约。此外，已有研究结果表明，北大别榴辉岩P-T轨迹的高温减压阶段穿过了多硅白云母的熔融曲线，也意味着榴辉岩可能发生了相应的部分熔融作用。然而，北大别榴辉岩在该阶段的部分熔融鲜有报道，更缺乏直接的岩石学证据，这可能与其原岩缺乏流体有关，而该地区的造山后混合岩化作用也可能破坏早期的部分熔融证据。
　　北大别西南部罗田地区零星出露了镁铁质下地壳成因的榴辉岩，其经历了强烈的退变质作用，典型特征表现为包含大量的麻粒岩相和角闪岩相退变质矿物组合，而进变质和峰期变质矿物则主要以少量包裹体形式存在于石榴子石或单斜辉石中。针对变质岩石学方面存在的问题，本文对北大别罗田地区榴辉岩进行了系统的岩石学、矿物化学和锆石年代学等方面的研究，并应用矿物微量元素温度计和相平衡模拟等现代岩石学分析方法，对它们变质演化的P-T-t轨迹进行了重建，证明它们在折返初期发生了减压熔融，并提供了相关的岩相学证据。主要研究内容和取得的成果如下:
　　1.应用Ti-in-zircon和Zr-in-rutile温度计对北大别榴辉岩的峰期及退变质温度进行了估算，证明它们经历了多阶段高温条件下的等温减压及随后的近等压冷却过程，最终在角闪岩相条件下达到再平衡。同时将Ti-in-zircon温度与锆石U-Pb年龄结合，构建了榴辉岩在峰期及峰期后的P-T-t轨迹。此外，探讨了这两种温度计在高温超高压岩石中的适用性，以及在具体应用过程中需注意的问题:即只有少量的锆石和金红石能够保留其形成时的温度记录，而大部分则会受到后期退变质作用的改造而给出较低的温度，其中锆石中的金红石包裹体相对受到后期改造的影响最小。
　　2.详细的岩相学观察和变质相平衡模拟结果，揭示了榴辉岩经历了麻粒岩相叠加和至少两期退变质作用，并估算了其温度压力，从而构建了更详细准确的退变质P-T轨迹。此外，还通过石榴子石中矿物包裹体的成分对榴辉岩的进变质阶段进行了温压估算，从而弥补了这一阶段P-T轨迹的空白。另外，在角闪石变斑晶的裂隙中发现了共生的斜方辉石+斜长石，证明榴辉岩在角闪岩相退变质作用之后又经历了一期麻粒岩相变质叠加，首次为大别山碰撞后燕山期山根垮塌并引起大规模幔源岩浆上涌和部分熔融作用的发生条件提供了直接的岩石学证据和制约。
　　3.根据新的锆石U-Pb定年结果，结合锆石阴极发光(CL)图像、矿物包裹体和微量元素特征，同时利用相平衡模拟长石体积的变化与锆石Eu异常性质等，重新限定了榴辉岩从进变质→到峰期→再到麻粒岩相和角闪岩相退变质作用等阶段的年龄。基于上述P-T轨迹的构建和锆石U-Pb年龄的测定，首次构建了北大别罗田榴辉岩完整的、详细的P-T-t轨迹，从而为进一步深入研究高温榴辉岩的变质演化及大别山的碰撞造山过程提供了重要的基础。
　　4.根据本文获得的P-T-t轨迹中高温减压部分，对比模拟所得的P-T视剖面，认为北大别罗田榴辉岩在折返初期发生了减压熔融。通过对榴辉岩开展大量细致的岩相学工作，我们发现了基质中存在黑云母+斜长石交生体，其与多硅白云母减压熔融的产物一致;而且，我们通过相平衡模拟结果与P-T轨迹的关系，排除了这些交生体是多硅白云母在无熔体条件下分解形成的可能性。这是北大别榴辉岩中首次发现折返初期减压熔融的确凿的岩相学证据。此外，我们还发现了罗田榴辉岩造山后加热熔融的岩相学证据，表现为角闪石变斑晶中的黑云母+斜长石交生体。

目录

声明

摘要

第一章 导论

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．高温超高压变质作用

1．1．3．高温超高压变质岩P-T-t轨迹的限定

1．1．4．超高压变质岩的部分熔融

1．2．研究现状

1．3．科学问题及研究内容和方法

1．4．主要工作及成果概述

第二章 区域地质背景

2．1．大别造山带简介

2．2．北大别、中大别和南大别的变质演化过程

2．3．研究区地质背景

2．4．野外产状、采样位置和样品描述

第三章 样品处理及分析方法

3．5．锆石U-Pb定年

3．6．锆石微量元素分析

3．7．金红石成分分析

第四章 Ti-in-zircon和Zr-in-rutile温度计在北大别榴辉岩中的应用

4．1．引言

4．2．岩相学特征和锆石U-Pb年龄

4．3．金红石中Zr的含量和温度估算

4．4．锆石中Ti的含量和温度估算

4．5．峰期和峰期后变质温度

4．6．影响Ti-in-zircon和Zr-in-rutile温度估算的因素

4．6．2．Zr-in-rutile温度计

4．6．3．后期再平衡过程对金红石和锆石的影响

4．7．对峰期变质条件和高温折返的意义

4．8．小结

第五章 前进变质及退变质阶段的相平衡模拟

5．1．引言

5．2．岩相学和矿物化学

5．3．变质演化和反应模拟

5．4．视剖面计算

5．5．P-T结果

5．5．1．样品11-7c2的进变质演化

5．5．2．样品03LT10和06LT4-2的退变质演化

5．6．热力学模拟方法应用于高温变质榴辉岩的潜力和限制

5．7．模拟结果对北大别P-T轨迹及其构造演化的启示

5．7．1．进变质阶段及对峰期超高压条件的启示

5．7．2．近等温减压和近等压冷却过程

5．7．3．造山后加热事件发生条件的岩相学制约

5．7．4．北大别杂岩带：一个“真正热和慢的”超高压地体

第六章 北大别高温榴辉岩的锆石U-Pb年龄及其地质意义

6．1．引言

6．2．锆石年代学

6．2．1．CL图像和矿物包裹体

6．2．2．锆石U-Pb年龄和REE模式

6．3．麻粒岩相和角闪岩相退变质作用的时间

6．4．北大别榴辉岩的快速抬升和缓慢冷却

第七章 北大别榴辉岩两期深熔作用的岩相学证据及熔融条件

7．1．引言

7．2．岩石学和矿物化学

7．3．两类黑云母+斜长石交生体

7．3．2．角闪石变斑晶中的黑云母+斜长石交生体

7．4．两类交生体反映的两期深熔事件

7．5．深熔事件对应的变质演化阶段

7．6．两次熔融事件的时间

7．7．小结

第八章 结论

参考文献

致谢

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