华南九岭地区新元古代花岗岩地球化学研究

摘要

本博士学位论文选取江南造山带中东段九岭地区新元古代九岭过铝质花岗岩基和星子花岗岩体作为研究对象，通过系统的岩石地球化学研究和对过铝质花岗岩地球化学成分变化的合理解释，结果不仅对过铝质花岗岩体中的镁铁质包体提出了新的形成机制，而且发现大的过铝质花岗岩基形成过程中存在长英质岩浆之间混合的重要作用，并且在过铝质岩体中辨别出了I型和S型花岗岩，最后对过铝质花岗岩基主要是地壳物质再循环的产物给予了进一步的确认。
　　花岗岩中镁铁质包体的来源往往能够对花岗岩的成因提供重要的信息。九岭东南部坳子村花岗岩主要为中粗粒的黑云母花岗岩，其内广泛存在镁铁质包体。这些镁铁质包体大小不一，从小于一厘米到大于十几厘米，它们粒度比寄主花岗岩细，颜色更深。它们与寄主花岗岩具有相似的矿物组合，但黑云母含量更高且相对缺乏钾长石。一些黑云母聚集体（小包体）中存在着石榴石碎片，这些石榴石含量较少，通常都与黑云母相关，部分被黑云母环绕、部分具有黑云母边、部分与黑云母呈港湾状接触，一些微尺寸(＜10μm)的细长状黑云母与它形石英生长在石榴石颗粒边内。岩相学观察表明，这些黑云母是通过消耗石榴石而生长的，属于变交代成因。同时这些变交代黑云母在地球化学成分上也显示了继承石榴石的成分特征，它们具有更高的Mg＃、MgO、A/CNK含量，更低的TiO2、K2O、(La/Yb)N、(Gd/Yb)N含量，以及显著的Eu负异常。另外，一些石榴石颗粒内还包裹着少量原生黑云母包裹体，这些黑云母包裹体与变交代的黑云母具有相似的成分特征。因此，黑云母聚集体中的石榴石碎片应该为转熔石榴石，而与这些转熔石榴石相关的黑云母则为转熔石榴石与花岗质熔体逆反应形成的二次反应矿物，这一反应就是黑云母脱水熔融的逆反应:石榴石+钾长石+熔体1+水=黑云母+斜长石+石英+熔体2。
　　九岭坳子村寄主花岗岩SiO2含量为62.94～67.91wt.％，主要为花岗闪长质;而镁铁质包体SiO2含量为59.12～61.81wt.％，主要为闪长质。SIMS锆石U-Pb定年结果表明，寄主花岗岩与镁铁质包体具有误差范围内一致的形成年龄为中新元古代(823±3～824±4Ma)。寄主花岗岩的全岩(87Sr/86Sr)1比值为0.708到0712、εNd(t)值为-3.34，锆石εHf(t）值为4.10到7.49、δ18O值为10.70‰到11.81‰;镁铁质包体的全岩(87Sr/86Sr)1比值为0.710到0.714、εNd(t)值为-0.75到-2.74，锆石εHf(t)值为4.26到4.69、δ18O值为10.50‰到10.90‰。由此可见，镁铁质包体与寄主花岗岩具有相似的全岩Sr-Nd-Hf-O同位素组成，其富集的Sr-Nd同位素和高的δ18O值表明寄主花岗岩和镁铁质包体主要来源于地壳物质，而非地幔物质。另外，寄主花岗岩和镁铁质包体都显示了强过铝质的特征(A/CNK＞1.1)，表明坳子村花岗岩和镁铁质包体源岩主要为经历过地表化学风化的沉积岩。矿物学资料表明，坳子村花岗岩中镁铁质包体内的黑云母一部分和与石榴石相关的变交代黑云母成分相似，另一部分与寄主花岗岩中的黑云母成分相似。同时，镁铁质包体中的黑云母比寄主花岗岩中的黑云母含有更多的斜长石包裹体且缺乏钾长石包裹体。另外，镁铁质包体中的锆石与寄主花岗岩中的锆石具有一致的εHf(t）值(2.7～5.9vs.3.8～7.8)和δ18O值(8.23～9.99‰vs.8.03～10.09‰)。综合这些结果，本文提出，九岭坳子村花岗岩中富黑云母的包体是转熔石榴石聚集体在花岗质岩浆演化的晚期、水活度较高的条件下与花岗质熔体逆反应形成的。热力学模拟表明，坳子村花岗岩中直接从岩浆中结晶的黑云母约为5％，远低于薄片中观察到的比例。因此，寄主花岗岩中黑云母也主要来自于转熔石榴石与花岗质熔体的逆反应。质量平衡计算表明，约10％的转熔石榴石被夹带进入了坳子村花岗岩中。这些夹带的转熔石榴石大部分最终与花岗质熔体发生逆反应，形成了变交代黑云母，从而直接提高了坳子村S型花岗岩中的MgO+FeOT含量。这对转熔矿物夹带模型是一个补充，因为缺乏转熔矿物在花岗岩中的存在形式一直是该模型的最大问题。本文研究表明，这些转熔矿物大多已经与寄主花岗质熔体逆反应形成了新矿物如黑云母等，从而影响了S型花岗岩的成分变化。
　　不同源区来源的长英质岩浆之间的混合在花岗岩成因中可能普遍存在，但是一直难以识别。九岭过铝质花岗岩基中存在着两种类型花岗质岩石，一种是中粗粒的低硅花岗岩，其SiO2含量为62.22～68.97wt.％;另一种是中细粒的高硅花岗岩，其SiO2含量为71.51～74.04wt.％。SIMS和LA-ICPMS锆石U-Pb定年结果表明，低硅和高硅花岗岩具有一致的侵位年龄，为中新元古代～820Ma。低硅和高硅花岗岩都显示了强过铝质的特征(A/CNK＞1.1)，但是低硅花岗岩比高硅花岗岩具有更高的MgO、FeO、TiO2、Al2O3以及MREE含量。全岩锆饱和温度计算表明，低硅花岗岩具有相对较高的全岩锆饱和温度771～855℃，而高硅花岗岩具有相对较低的全岩锆饱和温度736～765℃。低硅花岗岩全岩(87Sr/86Sr)1比值为0.706到0.720、εNd(t)值为-2.74到-4.44、两阶段Nd模式年龄为1.71～1.85Ga，锆石εHf(t)值为3.93到6.57、两阶段Hf模式年龄为1.40～1.57Ga;高硅花岗岩全岩(87Sr/86Sr)1比值为0.712到0.717、εNd(t)值为-3.20到-4.36、两阶段Nd模式年龄为1.75～1.85Ga，锆石εHf(t）值为1.99到3.44、两阶段Hf模式年龄为1.60～1.69Ga。两者在Sr-Nd-Hf同位素组成上的差异指示，它们的源区属于不同成分的地壳。
　　另外，在九岭岩基低硅和高硅花岗岩中鉴定出了两组锆石和石榴石，它们或以单晶体形式出现，或以核边结构出现在同一颗粒中。组Ⅰ锆石具有高的δ18O值(＞8‰，平均10.1‰)和低的εHf(t)值(平均0.8)，而组Ⅱ锆石具有相对较低的δ18O值（＜8‰，平均6.8‰）和较高的εHf(t）值（平均5.1）。组Ⅰ和组Ⅱ锆石都既存在于岩浆锆石边部也存在于岩浆锆石核部。组Ⅰ石榴石富集FeO和MgO，贫CaO和MnO;而组Ⅱ石榴石则相对富集CaO和MnO，贫FeO和MgO。组Ⅰ石榴石具有显著的Eu负异常，MREE-HREE表现出平坦到下降的趋势;而组Ⅱ石榴石具有弱或者无Eu负异常，MREE-HREE呈现陡峭的趋势。此外，组Ⅰ石榴石相对组Ⅱ石榴石具有更高的O同位素比值，且组Ⅰ石榴石与组Ⅰ锆石氧同位素平衡，组Ⅱ石榴石与组Ⅱ锆石氧同位素平衡。在具有核边结构的颗粒中，组Ⅰ石榴石主要出现在核部，而组Ⅱ石榴石主要出现在边部。
　　综合分析表明，九岭过铝质花岗岩基主要由地壳岩石熔融产生，但是两组锆石和石榴石分别结晶于两批不同成分的长英质岩浆。批次Ⅰ岩浆可能来自于古老地壳沉积物在较高的温度下部分熔融产生，而批次Ⅱ岩浆可能来自于相对新生地壳岩石在较低的温度下部分熔融。因此，九岭过铝质花岗岩基是由两批来自不同地壳源区、具有不同地球化学成分的长英质岩浆之间混合形成的。
　　星子花岗岩体不同地区五件样品SIMS锆石U-Pb定年结果表明其形成年龄为819±5Ma到831±6Ma，为新元古代中期，与周边九岭岩基一样属于江南造山带～820Ma这一期岩浆岩的一部分。星子花岗岩体大部分样品都显示了均一的过铝质成分特征(A/CNK＞1.0)，并且具有基本一致的全岩Sr-Nd-Hf同位素成分，同时在全岩成分协变图上，A/CNK和P2O5与SiO2基本没有明显的变化关系，类似于S型花岗岩的成分特征，且同岩浆锆石均具有高于地幔值的O同位素值。但是星子花岗岩中另一部分与辉长岩脉相关的花岗岩却显示了从准铝质到过铝质的特征，并且呈现了明显的A/CNK与SiO2正相关关系以及P2O5与SiO2负相关关系，类似于I型花岗岩，同时这些样品内的同岩浆锆石具有接近于地幔锆石的O同位素组成。这些成分特征表明星子花岗岩中存在着S型和I型两种花岗岩。因此，星子花岗岩体主要是由S型和I型花岗质岩浆混合形成。同时S型花岗岩样品具有低于地幔值的正的εHf(t）值，而I型花岗岩样品具有类似地幔锆石的高的εHf(t）值，表明S型花岗质岩浆主要来源于年轻弧地壳岩石快速沉积之后深熔，而I型花岗质岩浆则主要是新生地壳岩石重熔形成。
　　本文研究表明，过铝质花岗岩中富黑云母的包体除了传统认为的残留体来源、镁铁质岩浆来源以及堆晶来源外，还可能是花岗质熔体中夹带的转熔石榴石聚集体在花岗质岩浆演化的后期发生逆反应形成的，过铝质花岗岩中高的MgO+FeOT含量可能是转熔石榴石与熔体逆反应形成的大量黑云母散入到花岗岩中造成的。过铝质花岗岩主要是由地壳物质部分熔融形成，不同成分的长英质岩浆批式侵入可能是形成这种大花岗岩基的主要方式。长英质岩浆之间的混合往往难以通过全岩地球化学研究识别，但是通过对不同难熔矿物进行微区矿物学和地球化学的综合研究是识别长英质岩浆混合的一种有效方式。综合矿物学、全岩地球化学成分以及锆石O同位素组成能够对过铝质花岗岩体内I型和S型花岗岩的鉴别提供准确且有效的制约。

目录

声明

摘要

第一章 导论

1．1 花岗岩的研究背景

1．1．1 花岗岩的分类

1．1．2 花岗岩的成因

1．1．3 镁铁质包体的成因

1．1．4 花岗岩内镁铁质矿物及副矿物来源

1．1．5 存在问题

1．2 本文研究内容和意义

1．2．1 研究内容及方法

1．2．2 研究目的和意义

1．3 工作量小结

第二章 区域地质背景

2．1 江南造山带

2．1．1 地层序列

2．1．2 新元古代岩浆岩

2．2 九岭花岗岩基

2．3 星子花岗岩体

2．4 样品描述

2．4．1 坳子村花岗岩体及其中的富黑云母包体

2．4．2 九岭岩基低硅和高硅花岗岩

2．4．3 星子片麻状花岗岩

第三章 分析方法

3．2 全岩Rb-Sr、Sm-Nd和Lu-Hf同位素分析

3．3 单矿物和全岩氧同位素分析

3．4 扫描电子显微镜BSE图和面扫描分析

3．5 矿物主量元素分析

3．6 矿物微量元素分析

3．7 锆石内部结构分析

3．8 SIMS锆石原位氧同位素分析

3．10 LA-ICPMS锫石U-Pb定年和微量元素测定

3．11 LA-MC-ICPMS锆石原位Lu-Hf同位素分析

3．12 SIMS石榴石原位氧同位素分析

第四章 九岭坳子村花岗岩中镁铁质包体的成因

4．1 引言

4．2 岩相学

4．2．1 寄主花岗岩

4．2．2 镁铁质包体

4．2．3 黑云母中的矿物包裹体

4．3 地球化学

4．3．1 黑云母主微量成分

4．3．2 全岩主微量元素

4．3．3 锆石U-Pb年龄

4．3．4 全岩Sr-Nd-Hf-O同位素

4．3．5 锫石Hf-O同位素

4．4 讨论

4．4．1 转熔石榴石逆反应形成黑云母

4．4．2 转熔石榴石逆反应的机制

4．4．3 S型花岗岩中镁铁质包体的成因

4．5 对S型花岗岩成因的制约

4．6 小结

第五章 长英质岩浆混合在九岭花岗岩基形成中的作用

5．1 引言

5．2 分析结果

5．2．1 锆石U-Pb年龄

5．2．2 全岩地球化学

5．2．3 矿物氧同位素

5．2．4 原位锆石氧和铪同位素

5．2．5 石榴石矿物学

5．2．6 石榴石地球化学

5．2．7 斜长石地球化学

5．3 讨论

5．3．1 九岭花岗质岩基的侵位年龄

5．3．2 两组锆石和石榴石的成因

5．4 对九岭花岗岩基成因的制约

5．4．1 两种不同的原始长英质岩浆的成分和来源

5．4．2 九岭花岗岩基的演化

5．5 小结

第六章 星子花岗岩成因：I型和S型花岗质岩浆混合

6．1 引言

6．2 分析结果

6．2．1 锆石U-Pb年龄

6．2．2 全岩主微量

6．2．3 全岩Sr-Nd-Hf同位素

6．2．4 SIMS锆石O同位素

6．2．5 锆石Hf同位素

6．3 讨论

6．3．1 星子花岗岩体的侵位年龄

6．3．2 星子花岗岩中I型和S型花岗质岩浆混合

6．3．3 星子花岗岩中I型和S型花岗质岩浆来源

6．4 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文