大陆碰撞过程中部分熔融及熔/流体演化：苏鲁造山带超高压变质岩研究

摘要

自上世纪80年代在大陆表壳岩石中发现柯石英等超高压指示矿物以来，大陆深俯冲和超高压变质作用一直是固体地球科学研究的前沿和热点。位于中国中东部的大别-苏鲁造山带出露有世界上规模最大最完整的超高压变质构造单元，是研究大陆碰撞过程中岩石学和地球化学变化的理想天然实验室。本学位论文对苏鲁造山带中部桃行地区和北部威海地区的超高压变质岩进行了系统的岩石学、锆石学和地球化学研究，结果为深俯冲陆壳在碰撞过程和碰撞后的深熔作用及熔流体活动提供了新的证据，对深熔过程、熔融条件、深熔机制、矿物响应、副矿物生长和元素活动等进行了详细的讨论，为板块折返机制和俯冲通道模式提供了新的制约。
　　对桃行超高压变花岗岩的研究表明其在三叠纪大陆碰撞过程中经历了不同程度的变质脱水和部分熔融。尽管具有相似的岩石学和地球化学组成，来自同一岩片不同位置的两个样品呈现了不同的P-T-t轨迹。在片麻岩样品10SL16中，锆石记录了三叠纪的两期生长:(1)236±5 Ma，在630-750℃条件下从榴辉岩相变质流体中生长，锆石区域具有陡峭的稀土配分模式，没有Eu异常，含有少量磷灰石和多硅白云母包裹体;(2)223±3 Ma，在700-880℃条件下从深熔熔体中生长，锆石区域具有陡峭的稀土配分模式，显著的Eu负异常，高的U、Th、Hf、Y、Ta和Nb含量，含有少量磷灰石和斜长石包裹体。在片麻岩样品10SL38中，锆石记录了从211±3 Ma到258±5 Ma、520-670℃条件下、从变质流体中的长期生长，锆石区域具有相对缓的稀土配分模式，缺乏或弱的Eu异常，低微量元素含量，含有少量磷灰石、石英和流体包裹体。少量的锆石幔部区域具有237±3 Ma的U-Pb年龄，660-720℃的Ti含量温度，陡峭的稀土配分模式，显著的Eu负异常，高的微量元素含量，含有钠长石、磷灰石、白云母和石英等包裹体，是从深熔熔体中生长的。总之，样品10SL16在236±5 Ma受到中温榴辉岩相变质作用，而此时样品10SL38发生流体诱导下的低程度部分熔融;样品10SL16在223±3 Ma发生高温脱水熔融，而样品10SL38在整个碰撞造山过程中发生低温脱水变质。因此，在陆壳碰撞过程中出现两期部分熔融，一期发生在237±3 Ma，属于俯冲进变质过程中从高压向超高压榴辉岩相转变阶段;另一期发生在223±3 Ma，属于超高压岩石折返过程中，从高压榴辉岩相向麻粒岩相退变阶段。两个样品中的石榴石、多硅白云母和褐帘石/绿帘石也显示了不同的结构和主微量元素变化，与锆石的记录一致。两个样品不同的P-T-t路径及不同的脱水和熔融行为指示它们在超高压岩片中位于不同的位置。因此，陆壳岩石在超高压板片中的位置决定了他们在俯冲和折返过程中不同的脱水和熔融行为。
　　对桃行地区发生不同程度混合岩化的一系列榴辉岩样品进行了详细的岩石学研究，将矿物温压计算和各种岩石显微结构与实验岩石学结果的对比，结果识别出了两期深熔作用。一期是在折返早期，压力＞2.0 GPa的条件下，多硅自云母发生低程度水化熔融，形成石榴石和黝帘石中钾长石+石英为主的多相同体包裹体;部分包裹于石榴石中的多硅白云母和帘石等包裹体也发生了脱水熔融，形成了多相包裹体及围绕包裹体的新生石榴石。另一期为热折返过程中在1.6-1.8 GPa和800-850℃条件下，主要在富含多硅白云母和帘石族矿物的榴辉岩中，多硅白云母和黝帘石发生脱水熔融。部分熔融程度较高，熔体聚集分离，形成了以石英、斜长石和白云母为主，包含部分帘石、角闪石和石榴石的淡色体。手标本尺度斜长石成分均一，说明熔体达到平衡和均一。在含蓝晶石的样品中，熔体和蓝晶石发生反应，形成依次富Ca、K、Na的冠状反应结构。帘石的微量元素和原位Sr同位素分析指示其来源和在深熔反应中的角色。然而，榴辉岩中的第一期部分熔融可能具有低共熔特点，从这种低共熔熔体中生长的锆石在地球化学组成上与变质锆石相似，微量元素含量很低，指示这种低共熔熔体对元素的溶解能力较低，与变质流体相似。总体上来说，榴辉岩不同的含水量，特别是含水矿物的量决定了其发生深熔的程度。
　　对威海地区一套混合岩（深熔岩、浅熔岩及淡色体）进行了综合的锆石U-Pb定年、氧同位素和微量元素分析，结合矿物主微量元素组成和包裹体分析，揭示了深俯冲陆壳在碰撞过程中的两次部分熔融事件，证实了数值模型关于俯冲陆壳顶部岩石在地幔楔之下发生脱水熔融的预测。在深熔岩的锆石、石榴石和独居石及淡色体的锆石核部，都有显微花岗岩包裹体存在，指示这些锆石域是从深熔熔体中生长的。深熔岩锆石和淡色体锆石核部具有一致的230-227 Ma的U-Pb年龄，平坦的重稀土配分模式，弱或无Eu负异常，说明这期深熔作用发生在俯冲过程中角闪岩相向榴辉岩相转变过程中。深熔岩锆石和淡色体锆石核部都具有高的氧同位素组成，分别为8.3到10.4‰和14.3到17.3‰。结合深熔岩高的A/CNK值1.52，以及转熔石榴石的存在，指示其来自于变沉积岩的部分熔融。锆石Ti含量温度和石榴石生长环带都指示深熔温度在700-800℃，而随后熔体在650-700℃结晶。浅熔岩中的深熔锆石和淡色体锆石边部具有一致的218-214Ma的U-Pb年龄，弱的振荡环带和陡峭的重稀土配分模式，显著的Eu负异常，Ti含量温度在550-700℃之间，显著变化的Th、U、Nb和Ta含量。这些微量元素特征指示锆石结晶于演化的含水熔体，与淡色体中存在伟晶结构一致。浅熔岩中自形的榍石斑晶核部给出了220.3±3.2 Ma的U-Pb年龄和典型的岩浆榍石微量元素特征，其中包裹显微花岗岩包体，Zr含量温度在800-850℃之间，证明其形成于转熔成因，略早于锆石。其边部为低稀土含量，高F含量和具有Eu正异常的热液榍石，生长于205-215Ma的熔体演化晚期。岩浆榍石和热液榍石显著差异的Nb、Ta含量和Nb/Ta比值表明在深熔熔体演化中可能发生显著的Nb/Ta分异。浅熔岩中的锆石具有-1.5到3.5‰的氧同位素组成和新元古代U-Pb年龄的残留岩浆核，指示其原岩为低氧同位素组成的变花岗岩。另一方面，淡色体锆石边部氧同位素组成为5.8‰到8.1‰，来自变沉积岩的部分熔融。这些结果说明，在晚期深熔事件中，同时有变花岗岩和变沉积岩的部分熔融。因此，主要位于深俯冲陆壳板片顶部的变沉积岩在俯冲到地幔深部时被上覆地幔楔加热，发生第一期部分熔融，而折返过程中上地壳板片在俯冲通道内发生第二次部分熔融。
　　在桃行地区花岗伟晶岩脉及其围岩超高压片麻岩中，锆石记录了晚侏罗纪碰撞后深熔事件和富水流体与含水熔体之间的演化转换。综合的锆石矿相学、U-Pb定年、微量元素、O同位素和包裹体分析表明:一个约数米宽的伟晶脉中新生长的锆石核部为153±3 Ma的深熔熔体中生长、边部为147±2 Ma的热液流体中生长，少量颗粒中心残留年龄为700-800 Ma的岩浆锆石继承核。核部和边部在CL图像、包裹体类型、稀土元素含量及配分模式、部分微量元素含量及比值和Ti含量温度等方面具有系统的差异，并与继承核所代表的岩浆锆石显著区别。核边具有一致的低δ18O值1.0-2.3‰，指示它们来自于同源的氧同位素均一的源区，是成脉熔体分异演化的结果。围岩片麻岩中的锆石存在三期生长:180-205 Ma在700-770℃下角闪岩相变质生长，157±3 Ma在610-670℃下富水变质流体中生长，以及147±2 Ma在780-860℃下从含水深熔熔体中生长。富水流体和含水熔体中的锆石生长记录了片麻岩从水化熔融到脱水熔融的过程。另一个数十厘米宽的伟晶岩脉只记录了一期149±2 Ma的深熔锆石生长，其围岩片麻岩则没有这一时期明显的锆石生长。因此，锆石生长记录了围岩片麻岩中随着温度升高，变质的富水流体向含水深熔熔体转变的过程，以及伟晶脉中随着温度降低，含水的深熔熔体分异演化出富水流体的过程。较小的脉体中，由于较少的熔体快速冷却，未能演化出岩浆热液，热液流体生长锆石不发育。因此，不同规模的深熔熔体存在不同的演化路径，而本质上源自于原岩不同程度的熔融。片麻岩和伟晶岩脉中的锆石共同记录了一个部分熔融事件的完整过程，不同成因锆石的特性也为我们指示了识别变质流体、深熔熔体、岩浆熔体的途径。

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

1．1．2 深俯冲陆壳流体活动

1．1．3 大陆俯冲带深部元素活动性

1．1．4 大陆俯冲带的部分熔融

1．1．5 大陆俯冲带变质锆石学

1．1．6 陆壳折返与俯冲隧道

1．2 研究的内容和意义

1．2．1 研究内容及方法

1．2．2 研究目的及意义

1．3 工作量小结

第二章 区域地质背景

2．1 大别-苏鲁造山带

2．1．1 地质概况

2．1．2 岩石学特征

2．1．3 变质时限

2．1．4 原岩属性

2．1．5 深熔特征

2．1．6 折返机制

2．2 桃行地区

2．3 威海地区

第三章 样品及其岩相学特征

3．1 桃行混合岩化片麻岩

3．2 桃行榴辉岩

3．3 桃行伟晶岩脉及其围岩片麻岩

3．4 威海混合岩及淡色体

第四章 分析方法

4．1 全岩主微量元素分析

4．2 矿物主量元素分析

4．3 矿物微量元素分析

4．4 锆石形态和内部结构分析

4．5 锆石SIMS氧同位素分析和U-Pb定年

4．6 锆石和榍石LA-ICPMS U-Pb定年及微量元素分析

4．7 矿物原位Sr同位素分析

4．8 包裹体激光拉曼光谱和扫描电镜分析

4．9 锆石LA-ICPMS U-Pb定年与SIMS U-Pb定年比较

第五章 大陆碰撞过程中正片麻岩部分熔融

5．1 引言

5．2 岩石学

5．2．1 岩相特征

5．2．2 石榴石

5．2．3 多硅白云母和长石

5．2．4 褐帘石/绿帘石

5．3 锆石学

5．4 部分熔融的岩石学证据

5．5 脱水和深熔的锆石记录

5．6 P-T-t路径

5．7 对俯冲带过程的指示

5．8 小结

第六章 大陆碰撞过程中榴辉岩的部分熔融

6．1 引言

6．2 深熔特征

6．2．1 岩相特征

6．2．2 多相固体包裹体

6．2．3 全岩组成

6．3 岩石学

6．3．1 石榴石

6．3．2 绿辉石

6．3．3 帘石

6．3．4 云母和长石

6．4 锆石

6．5 温压约束及P-T轨迹

6．6 深融反应

6．7 小结

第七章 大陆碰撞过程中变沉积岩及正片麻岩的部分熔融

7．1 引言

7．2 岩石学

7．2．1 全岩

7．2．2 石榴石

7．2．3 云母和长石

7．2．4 包裹体

7．3 锆石学

7．4 榍石

7．5 深熔年代学

7．6 混合岩原岩属性

7．7 深熔机制及温压条件

7．8 对大陆俯冲带热结构的启示

7．9 小结

第八章 折返陆壳晚侏罗部分熔融及熔流体演化的锆石学记录

8．1 引言

8．2 锆石学

8．2．1 片麻岩HG1(09SL76)

8．2．2 伟晶岩脉PV1(10SL34)

8．2．3 片麻岩HG2(10SL01A)

8．2．4 伟晶岩脉PV2(10SL01B)

8．3 锆石U-Pb年龄解释

8．4 富水流体和含水熔体中的锆石生长

8．5 不同成因锆石的微量元素特征

8．6 片麻岩中富水流体的来源

8．7 富水流体和含水熔体的转换

8．8 小结

第九章 结论

参考文献

致谢

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