秦岭造山带晚三叠世花岗岩地球化学研究

摘要

秦岭造山带是中国中央造山带的重要组成部分之一，记录了华南陆块与华北陆块之间从古生代大洋俯冲和弧陆碰撞到中生代陆陆碰撞并最终导致两大陆块拼合的整个过程，具有复杂的构造演化历史。尤其在早中生代时期，伴随华南与华北陆块之间的大陆碰撞作用，秦岭造山带经历了强烈的构造-岩浆活动，形成了大面积的晚三叠世花岗岩。这些花岗岩侵入体是碰撞造山带构造演化的重要产物，因此可以对认识秦岭造山带的地壳结构和地球动力学演化提供重要的信息。秦岭造山带广泛出露的晚三叠世花岗岩和其中的暗色包体为研究这些问题提供了良好的天然样品，有助于进一步深化和丰富人们对花岗岩成因问题的理解和认识。尽管前人对秦岭造山带晚三叠世花岗岩开展了大量研究，取得了丰富的成果，但关于它们的岩浆源区和地球动力学背景仍存在很大的争议。有鉴于此，本学位论文选取了秦岭造山带典型的晚三叠世花岗岩体（南秦岭南缘光头山和华阳岩体，南秦岭北缘沙河湾、曹坪和柞水岩体，西秦岭糜薯岭岩体）进行了详细的岩石学、矿物学和地球化学研究，结果制约了这些晚三叠世花岗岩及其中暗色包体的形成时代、岩石类型、源区性质和岩石成因机制等。
　　本文对南秦岭近勉略带的光头山(GTS)和华阳(HY)岩体进行了锆石U-Pb定年和Lu-Hf同位素、全岩主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素以及矿物氧同位素研究。结果表明，这些花岗岩源于变沉积岩部分熔融，不是前人研究认为的变火成岩部分熔融产物，因此它们属于S型花岗岩而非Ⅰ型花岗岩。LA-ICPMS锆石U-Pb定年结果表明，这些花岗岩体形成于207±3至212±4Ma。光头山花岗岩具有弱到强过铝质特征(A/CNK=1.05～1.15)和高的全岩氧同位素组成(δ18OWR=9.52～11.20‰)。华阳花岗岩同样显示弱到强过铝质特征(A/CNK=1.04～1.14)，具有高的锆石和全岩氧同位素组成(δ18OZr=1071～11.43‰、δ18OWR=12.42～13.77‰)。另一方面，光头山花岗岩具有低的K2O/Na2O比值(0.5～132)、低的Rb/Sr比值但相对高的Sr/Ba比值，不同程度的铕异常(Eu/Eu*=0.29～1.05)以及相对低的锆石饱和温度(TZr=653～766℃)。相反地，华阳花岗岩具有高的K2O/Na2O比值(1.01～2.82)、高的Rb/Sr比值但低的Rb/Ba比值，明显的铕负异常(Eu/Eu*=052～0.77)和相对高的锆石饱和温度(TZr=711～795℃)。基于这些地球化学特征，并与不同岩性（角闪岩、杂砂岩、泥质岩）在不同熔融条件下（水致vs.脱水）的实验熔体成分相对比，综合分析表明，光头山花岗岩形成于相对低温和流体存在条件下变泥质岩和变杂砂岩的水致部分熔融，而华阳花岗岩则形成于相对高温条件下变杂砂岩的脱水部分熔融。此外，两个花岗岩侵入体均显示了变化的且高的全岩(87Sr/86Sr)1值(0.7047～0.7115)，负的全岩εNd(t)值(-9.8～-6.8)和锆石εHf(t)值(-13.1～-2.0)，对应于中元古代到古元古代的两阶段Nd-Hf模式年龄，表明这些花岗岩的源岩是风化的古老地壳物质。另外，这些花岗岩的εNd(t)值与南秦岭南缘和华南陆块北缘的沉积岩类似，表明它们之间具有成因上的联系。因此，光头山和华阳花岗岩起源于变沉积岩而不是变火成岩的部分熔融，它们属于S型而不是Ⅰ型花岗岩。这些沉积岩可能在三叠纪大陆俯冲和碰撞过程中随俯冲陆壳一起被带入到深部地壳，经历复杂的埋藏和变质作用，在一定温度压力条件下这些变沉积岩发生部分熔融形成了光头山和华阳S型花岗岩。
　　大陆花岗岩通常具有岩性和地球化学多样性。不同的模型和假说已经被提出用来解释不同岩体甚至同一岩体内部地球化学组分的变化，其不仅受控于源岩的组成和性质，也受到岩浆过程和部分熔融条件的影响。本文对南秦岭近商丹带出露的沙河湾、曹坪和柞水岩体进行了详细的锆石U-Pb定年和Lu-Hf同位素、全岩主微量元素和Sr-Nd同位素、矿物化学和氧同位素研究，并利用模拟计算来检验地壳岩石部分熔融过程中微量元素分异行为。研究结果表明，这些花岗岩起源于造山带下地壳变火成岩部分熔融，属于Ⅰ型花岗岩，记录了大陆地壳的再造。LA-ICPMS锆石U-Pb定年结果表明，这些岩体形成于208±2至216±3Ma，与绝大多数秦岭造山带三叠纪花岗岩的形成年龄(205～225Ma)一致。此外，锆石CL图像和U-Pb定年没有发现残留锆石。沙河湾和曹坪花岗岩具有高钾钙碱性和准铝质的特征(A/CNK=0.84～0.93)，含有角闪石且岩体边部发育有镁铁质微粒包体(MMEs)，具有类似正常地幔锆石的氧同位素组成(δ18OZr=4.71～5.72‰)。柞水花岗岩具有高钾钙碱性和准铝质到弱过铝质特征(A/CNK=0.99～1.03)，不含角闪石且几乎没有MMEs发育，具有相对低的锆石氧同位素组成(δ18OZr=4.60～4.83‰)。另一方面，沙河湾和曹坪花岗岩具有相对低的SiO2含量(62.88～69.04wt.％)，相对高的FeOT，MgO和TiO2含量但低的Rb/Sr和Al2O3/TiO2比值，无明显铕负异常(Eu/Eu*=0.79～0.89)和相对平滑的REE分布特征。与此相反，柞水花岗岩具有相对高的SiO2含量(69.32～75.94wt.％)，相对低的FeOT，MgO和TiO2含量但高的Rb/Sr和Al2O3/TiO2比值，中等程度的铕负异常(Eu/Eu*=0.63～0.81)以及上凹的REE分布型式。这些花岗岩都具有富集LREE和LILE、亏损HFSE的弧型微量元素分布特征。地球化学对比和微量元素模拟表明，这些花岗岩明显不同于大别造山带加厚下地壳熔融形成的埃达克质岩(adakitic rocks)，仅需要正常厚度下地壳的镁铁质岩石发生～20％至30％的部分熔融即可形成。综合所有分析结果并进一步与前人对不同岩石的实验岩石学熔体组分相对比，表明这些花岗岩形成于变玄武岩脱水部分熔融，随后经历了不同程度的分离结晶作用，且熔融温度及其熔融程度也控制了这些花岗岩地球化学组分的变化。矿物主量元素分析表明，沙河湾和曹坪花岗岩结晶的温度约628～766℃、压力约0.7～2.3kb且比柞水花岗岩具有更高的氧逸度。另一方面，三个岩体的花岗岩均显示了相对亏损的全岩(87Sr/86Sr)1值(0.7045～0.7055)，轻微负的全岩εNd(t)值(-4.0～-1.5)和轻微负到正的锆石εHf(t)值(-1.3～32)，对应于中元古代的两阶段Nd模式年龄(1.05～1.38Ga)和Hf模式年龄(1.04～1.39Ga)，表明这些花岗岩源于中元古代地壳物质的再造。另外，这些花岗岩的全岩εNd(t)值和锆石εHf(t)值类似于南秦岭新元古代耀岭河群变质火山岩及镁铁质-超镁铁质侵入体的同位素组成，而明显不同于扬子板块北缘新元古代碧口群变质火山岩及镁铁质-超镁铁质侵入体的同位素组成。结合它们非埃达克质岩特征，表明这些花岗岩起源于南秦岭镁铁质下地壳而不是俯冲的扬子陆壳的部分熔融。综合区域地质背景，这些花岗质岩浆作用可能形成于晚三叠世华南与华北两大陆块同碰撞过程中的造山带下地壳再造。
　　不同性质的地壳岩石部分熔融可以产生不同类型的花岗岩，然而同一源岩在不同P-T条件下部分熔融能否产生不同类型的花岗岩？这对花岗岩地球化学组分具有怎样的影响并不清楚。此外，花岗岩中通常发育镁铁质微粒包体，这为理解花岗岩的源区性质和岩浆过程提供了重要的信息，但目前关于其成因机制仍存在很大的争议。鉴于此，本文通过对西秦岭东部糜薯岭二长花岗岩和其中暗色包体以及黑云母花岗岩进行了详细的岩石学、矿物学和地球化学研究。研究结果不仅制约了暗色包体的成因而且认识了花岗岩的源区性质。LA-ICPMS和SIMS锆石U-Pb定年结果表明，糜薯岭二长花岗岩、黑云母花岗岩和暗色包体形成于213±2到219±2Ma，具有误差范围内一致的形成年龄。它们均具有弧型微量元素分布特征、相似的全岩Sr-Nd-Hf-O同位素和锆石Hf-O同位素组成，表明它们起源于共同的地壳源区。MMEs的单斜辉石组分、一致高的原位锆石氧同位素(δ18O=7.32～9.21‰)以及富集的Sr-Nd-Hf同位素等特征，共同表明MMEs并不是幔源镁铁质岩浆与长英质岩浆混合的产物。另外，MMEs具有细粒火成结构，含有针状磷灰石和丰富的角闪石。它们具有单斜辉石被角闪石不同程度置换的交代反应结构以及斜长石不平衡组分特征。所有这些地球化学和岩相学特征表明，MMEs形成于中性岩浆和寄主长英质岩浆的混合。另一方面，黑云母花岗岩具有弱过铝质特征(A/CNK=1.02)、含有不同时代的残留锆石以及高的锆石氧同位素组成(δ18O=7.59～8.77‰)，表明其形成于相对低温条件下变沉积岩早期阶段的部分熔融。相比于黑云母花岗岩，寄主二长花岗岩具有准铝质特征(A/CNK=0.92～0.99)且含有角闪石，类似于典型Ⅰ型花岗岩特征。然而，它们也具有高的原位锆石和全岩氧同位素组成(δ18OZr=787～9.21‰、δ18OWR=9.42～10.89‰)。这些地球化学特征表明，寄主二长花岗岩源于相对高温条件下由早期黑云母花岗质岩浆提取之后的变沉积岩残留体在晚期阶段的部分熔融。因此，变沉积岩在不同阶段和温度条件下发生部分熔融对花岗岩地球化学多样性具有重要的影响。综合研究表明，源区性质、熔融温度及其熔融程度控制着花岗岩地球化学成分的变化。

目录

声明

摘要

第一章 导论

1．1 花岗岩研究背景

1．2 秦岭造山带晚三叠世花岗岩研究现状

1．3 本学位论文研究的内容和科学意义

1．4 工作量小结

第二章 区域地质背景

2．1 华北陆块南缘

2．2 北秦岭带

2．3 商丹缝合带

2．4 南秦岭带

2．4．1 早前寒武纪结晶基底

2．4．2 中晚前寒武纪过渡性基底

2．4．3 沉积盖层

2．5 勉略缝合带

2．6 华南陆块北缘

2．6．1 早前寒武纪结晶基底

2．6．2 中新元古代过渡性基底

2．7 西秦岭造山带

2．8 秦岭造山带晚三叠世花岗岩

第三章 研究样品及其岩相学描述

3．1 光头山岩体

3．2 华阳岩体

3．3 沙河湾岩体

3．4 曹坪岩体

3．5 柞水岩体

3．6 糜薯岭岩体

第四章 分析方法

4．1 全岩主微量元素分析方法

4．2 全岩Sr-Nd-Hf同位素分析

4．3 单矿物氧同位素分析

4．4 矿物主量元素分析

4．5 矿物微量元素分析

4．6 锆石内部结构分析

4．8 LA-ICPMS锆石U-Pb定年和微量元素分析

4．9 LA-MC-ICPMS锆石原位Lu-Hf同位素分析

第五章 源区性质和熔融条件制约花岗岩地球化学组成：以南秦岭S型花岗岩为例

5．1 引言

5．2 结果

5．2．1 锆石U-Pb年龄

5．2．2 全岩主微量元素

5．2．3 全岩Sr-Nd-Hf同位素

5．2．4 矿物O同位素

5．2．5 锆石Lu-Hf同位素

5．3 讨论

5．3．1 花岗岩源区性质

5．3．2 源区组成和熔融条件对花岗岩成分的影响

5．4 小结

第六章 造山带下地壳再造：南秦岭I型花岗岩地球化学制约

6．1 引言

6．2 结果

6．2．1 锆石U-Pb年龄

6．2．2 全岩主微量元素

6．2．3 全岩Sr-Nd同位素

6．2．4 锆石Lu-Hf同位素

6．2．5 矿物化学

6．2．6 矿物O同位素

6．3 讨论

6．3．1 岩浆侵位的温度、压力和氧逸度

6．3．2 低δ18O岩浆成因

6．3．3 源区性质

6．3．4 岩石成因机制

6．4 小结

第七章 同源不同期次熔融形成的花岗岩及其暗色包体：西秦岭糜薯岭岩体的实例

7．1 引言

7．2 结果

7．2．1 锆石U-Pb年龄

7．2．2 全岩主微量元素

7．2．3 全岩Sr-Nd-Hf同位素

7．2．4 矿物O同位素

7．2．5 SIMS原位锆石O同位素

7．2．6 锆石Lu-Hf同位素

7．2．7 矿物化学

7．3 讨论

7．3．1 花岗岩和暗色包体的源区性质

7．3．2 黑云母花岗岩和二长花岗岩的成因

7．3．3 镁铁质微粒包体的成因

7．4 小结

第八章 秦岭造山带晚三叠世花岗岩形成的构造背景

第九章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文