祁连造山带高压-超高压变质岩地球化学研究

摘要

对板块俯冲变质带中榴辉岩的研究可以揭示高压/超高压变质作用和俯冲之前区域构造的信息。榴辉岩可以在大洋俯冲带或者大陆俯冲带形成，两类榴辉岩都具有不同的来源和复杂的地球化学组成。由于陆壳俯冲是由洋壳俯冲牵引的，在大陆俯冲变质带洋壳榴辉岩可能和陆壳岩石共存，记录了从洋壳俯冲到陆壳俯冲的构造转换。位于青藏高原东北缘的祁连造山带是一个由其北部的北祁连洋壳高压变质带和南部的柴北缘陆壳超高压变质带组成的复合型造山带。本文对北祁连和柴北缘榴辉岩分别进行了全岩地球化学和锆石学研究，结果揭示了洋壳和陆壳榴辉岩原岩的多样性，并利用地球化学手段区分了柴北缘变质带的洋壳和陆壳榴辉岩，同时也对大陆超高压变质带从洋壳俯冲到陆壳俯冲的构造演化提供了制约。另外，对柴北缘锡铁山地区长英质脉体及其围岩的岩石学和地球化学研究则系统探讨了不同岩性陆壳岩石深熔作用的熔融结构、时限、机制和地球化学演化等。
　　对北祁连低温高压洋壳榴辉岩和基性蓝片岩进行了全岩地球化学、单矿物O同位素和锆石学的综合研究。结果表明，这些洋壳榴辉岩和蓝片岩的原岩是弧后盆地基性岩，而非通常认为的洋中脊玄武岩(MORB)型基性岩。这些变基性岩具有不均一的主量和微量元素组成，在微量元素图解上它们从类似于岛弧玄武岩(IAB)、MORB变化到类似于洋岛玄武岩(OIB)。这种变化多样的成分特征和弧后盆地中不同阶段发育的玄武岩类似。变基性岩成分的差别是从原岩继承来的，全岩Nd同位素组成表明，弧后盆地地幔源区中存在不同比例沉积物衍生熔体。矿物之间的O同位素分馏多处于不平衡状态。石榴石的O同位素组成表明，全岩的δ18O值高于或低于正常地幔值，这是继承自不同温度下海水热液蚀变修正的弧后盆地基性岩。残留的岩浆锆石保留振荡环带，具有高的Th和U含量、高的Th/U比值，陡峭的重稀土配分形式并伴有显著的Eu负异常，U-Pb定年揭示变基性岩的原岩年龄为496～486Ma。相比于残留岩浆锆石，变质锆石含有绿辉石、金红石和多硅白云母等矿物包裹体，具有低的Th、U和HREE等含量，低的Th/U比值，U-Pb定年给出榴辉岩相变质年龄为463±10Ma。锆石具有亏损的Hf同司位素组成，其Hf模式年龄稍微或显著老于原岩年龄，表明变基性岩原岩源区中有地壳组分加入。多数锆石的δ18O值都不同于正常地幔值，并且不同样品中锆石δ18O值高低与石榴石δ18O值保持一致，表明在变质过程中流体活动是内部缓冲的。总之，具有不同成分的变质基性岩是来自早古生代弧后盆地的不同玄武质岩石，弧后盆地在形成后转变为洋壳俯冲带并发生了榴辉岩相变质作用。
　　为了限定柴北缘榴辉岩的原岩性质和变质演化，我们对其进行了详细的全岩主微量元素、Sr-Nd同位素、矿物O同位素，以及锆石U-Pb年龄、微量元素、矿物包裹体和O-Hf同位素研究。结果被用来区分洋壳和陆壳榴辉岩、制约造山带从洋壳俯冲到陆壳俯冲的构造转换。暗色CL锆石区域具有高的Th和U等微量元素含量，高的Th/U比值，陡峭的重稀土配分形式并伴有显著的Eu负异常，表明它们是经历过不同程度变质改造的残留原岩岩浆锆石。对这些残留原岩锆石的分析揭示了两类榴辉岩:第一类榴辉岩具有～830Ma的原岩年龄和850～1100 Ma的Hf模式年龄，而第二类榴辉岩具有～500Ma的原岩年龄和500～650Ma的Hf模式年龄。占主体的第一类榴辉岩具有类似于来自不同地幔源区的大陆裂谷玄武岩的地球化学特征，如过渡型微量元素组成、大体正的εNd(t)值和正常地幔的δ18O值。这类榴辉岩是由新元古代罗迪尼亚超大陆裂解过程中产生的基性岩变质而来的陆壳榴辉岩。第二类榴辉岩仅有少量分布，它们具有从类似于IAB变化到类似于MORB和OIB的微量元素配分形式，正的εNd(t)值和低的δ18O值。这类榴辉岩是由经历过海底高温热液蚀变的弧后盆地辉长岩转变而来的洋壳榴辉岩。相比于残留原岩锆石，浅色CL锆石区域含有石榴石、绿辉石和金红石等矿物包裹体，具有低的Th和U等微量元素含量，低的Th/U比值，平坦的重稀土配分形式并没有Eu的负异常。因此，这些锆石是在榴辉岩相变质条件下生长的变质锆石;然而不论采样地点和原岩性质，这些变质锆石给出了一致的433～440 Ma榴辉岩相变质年龄。对两个片麻岩中锆石的分析也得到了427～439 Ma类似的榴辉岩相变质年龄，而且其中一个片麻岩的锆石中还发现了柯石英包裹体。洋壳榴辉岩和陆壳榴辉岩及片麻岩相同的榴辉岩相变质年龄表明，洋壳榴辉岩可能原先位于洋陆转换带附近，因此与陆壳岩石具有相同的俯冲带变质演化。总之，洋壳榴辉岩和陆壳榴辉岩的共存记录了柴北缘超高压变质带从洋壳俯冲到陆壳俯冲的构造转换。另外，柴北缘和北祁连洋壳变基性岩具有相似的原岩年龄和弧后盆地基性岩化学成分，表明北祁连和柴北缘可能代表了一个从洋壳俯冲演化到陆壳俯冲的复合造山带，它们与祁连地块一起构成祁连造山带。
　　对柴北缘锡铁山地区的长英质脉体及其围岩片麻岩和变基性岩进行了综合的岩石学、年代学和地球化学研究，结果揭示了深俯冲陆壳折返时的部分熔融。岩相学证据表明，片麻岩和变基性岩都发生了部分熔融。混合岩化片麻岩中保留了熔体存在的显微结构，如具有不同轮廓的花岗质矿物集合体，矿物边界具有小的二面角的矿物颗粒以及具有岩浆习性的长石颗粒等。片麻岩和退变榴辉岩中的长英质脉体都显示良好的熔体结晶结构，表明它们是深熔熔体结晶的产物。脉体和围岩的Sr-Nd同位素分析表明，片麻岩中脉体结晶自片麻岩深熔产生的熔体，而变基性岩中脉体的物质来源既有变基性岩的贡献也有片麻岩的贡献。在An-Ab-Or图解上，片麻岩中的脉体具有与类似条件下产生的实验熔体相似的化学成分。另外，片麻岩中的脉体具有与片麻岩大体平行的微量元素配分型式，但是它们的微量元素含量较片麻岩低并且具有轻微的Sr和Eu的正异常。片麻岩中脉体的地球化学特征受到部分熔融过程中特定矿物分解和残留的控制。变基性岩中的长英质脉体富集石英或者斜长石，几乎不含钾长石。它们具有很低的微量元素含量，而且富长石的脉体具有显著的Eu和Sr的正异常。考虑到一些脉体具有堆晶结构，推测这些脉体是从不同来源的深熔熔体中结晶的产物。但是，所有的脉体都具有一些共同的微量元素配分型式，如相对富集LILE和LREE并相对亏损HFSE和HREE。脉体和混合岩化片麻岩中的深熔锆石给出了～420 Ma的年龄，小于附近的榴辉岩相变质年龄，因此部分熔融发生在折返过程中。结合岩相学观察、前人P-T轨迹和实验岩石学制约，推断片麻岩经历了白云母脱水熔融而变基性岩的部分熔融是在外来流体参与下进行的。不同成分的超高压变质岩在折返初期都经历了部分熔融，产生了具有不同微量元素特征但具有相似配分型式的深熔熔体。

目录

声明

摘要

第一章 导论

1．1 研究背景

1．1．1 深俯冲变质带

1．1．2 深俯冲变质带的原岩性质

1．1．3 大陆俯冲带的洋陆转换

1．1．4 深俯冲变质带的熔／流体活动

1．2 研究内容和意义

1．3 工作量小结

第二章 区域地质背景

2．1 青藏高原东北缘

2．2 北祁连带

2．3 柴北缘带

第三章 分析方法

3．1 全岩主微量元素分析

3．2 全岩Sr-Nd同位素分析

3．3 单矿物O同位素分析

3．4 矿物主量元素分析和电子照相

3．5 锆石内部结构和包体分析

3．6 SIMS锆石U-Pb定年和O同位素分析

3．7 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和微量元素分析

3．8 LA-MC-ICP-MS锆石Lu-Hf同位素分析

第四章 北祁连带高压变基性岩地球化学研究

4．1 引言

4．2 样品情况

4．3 分析结果

4．3．1 全岩地球化学

4．3．2 单矿物氧同位素组成

4．3．3 锆石学

4．4 讨论

4．4．1 变质作用对变基性岩成分的改造

4．4．2 北祁连变基性岩的原岩性质

4．4．3 北祁连变基性岩的锆石学

4．5 弧后盆地俯冲变质形成洋壳榴辉岩和蓝片岩

4．6 小结

第五章 柴北缘带榴辉岩地球化学研究

5．1 引言

5．2 样品信息

5．3 分析结果

5．3．1 全岩主微量元素和Sr-Nd同位素

5．3．2 石榴石单矿物O同位素

5．3．3 锆石学特征

5．4 讨论

5．4．1 柴北缘造山带一致的榴辉岩相变质年龄

5．4．2 榴辉岩原岩性质的锆石学制约

5．4．3 榴辉岩原岩性质

5．4．4 柴北缘深俯冲过程中的洋陆转换

5．5 青藏高原东北缘早古生代构造演化

5．6 小结

第六章 柴北缘带超高压变质岩的部分熔融

6．1 引言

6．2 样品情况

6．3 分析结果

6．3．1 混合岩化片麻岩的岩相学

6．3．2 全岩地球化学组成

6．3．3 锆石U-Pb年龄和微量元素

6．4 讨论

6．4．1 多岩性岩石部分熔融的岩相学特征

6．4．2 深俯冲变质岩部分熔融的时限

6．4．3 深熔熔体的地球化学成分

6．4．4 深俯冲变质岩的部分熔融机制

6．5 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

博士研究生期间发表论文