皖南新元古代岩浆岩同位素年代学和地球化学研究

摘要

皖南地区位于江南造山带东端，扬子板块东南缘。对该地区新元古代岩浆岩的研究不仅对于认识新元古代华南陆块的大地构造演化具有重要意义，而且对于再造新元古代Rodinia超大陆聚合与裂解、地幔柱与裂谷岩浆活动都有重要意义。前人对该地区新元古代岩浆岩作了大量的研究工作，但仍有许多问题与争议。本文主要研究对象为皖南新元古代花岗闪长岩(包括休宁、许村和歙县岩体)、石耳山新元古代花岗岩和伏川基性-超基性岩。通过对各岩浆岩样品进行锆石微区U-Pb定年、全岩主微量元素分析和Sr-Nd同位素分析以及矿物氧同位素分析，来探讨皖南新元古代岩浆岩形成与演化的化学地球动力学过程。 LA-ICPMS锆石U-Pb定年结果表明，皖南花岗闪长岩中存在两个时代的岩浆锆石，对应的U-Pb年龄分别为821±7Ma和881±9Ma，其中较老年龄的分析点多在锆石核部。这些岩石以富Al2O3为特点，为典型的过铝花岗岩；其全岩δ18O值高达11.1～13.6‰，显示了突出的壳源S型花岗岩的特点。但是，这些岩石的εNd(t)值为-2.06～0.02，初始87Sr/86Sr比值为0.7033～0.7087，指示其岩浆源区含有显著的初生地壳组分，类似于I型花岗岩的特点。石英、锆石、石榴石等氧同位素封闭温度高的矿物保存了岩浆结晶时的δ18O值，而钾长石、斜长石等矿物在岩浆冷却中经受不同程度地中低温热液蚀变。根据这些岩石的同位素年代学和地球化学特征，我们将U-Pb年龄881±9Ma左右的锆石解释为继承来源，而年龄821±7Ma的锆石解释为同岩浆成因。因此在约900～880Ma，在扬子板块东南缘的皖南地区出现过大规模的幔源岩浆活动。这些新生岩浆岩很快遭受风化沉积作用后，形成低成熟度的沉积岩。大约825Ma热事件(地幔超柱活动?)使岩石圈地幔及其上覆地壳加热，导致拉伸加厚地壳内部的富水沉积岩重熔形成典型S型花岗岩。在花岗岩浆冷却过程中，出现的是中低温热液蚀变而不是高温超固相热液蚀变，指示皖南花岗闪长岩体形成于大陆边缘前裂谷期而不是裂谷活动高峰期。前裂谷期阶段软流圈地幔物质上涌提供了充分的热源引起地壳加厚部位岩石部分熔融，因此由这种年青沉积物重熔所形成的花岗闪长岩兼具S型花岗岩和初生地壳的岩石学和地球化学特点，从而见证了初生地壳的短周期再循环。 LA-ICPMS和SHRIMP锆石U-Pb定年表明，石耳山花岗岩中存在两个时代的岩浆锆石，对应的U-Pb年龄分别为777±9Ma和827±15Ma。总体上石耳山花岗岩的特征为高SiO2(74.7～78.5％)、高K2O含量(3.99％～5.64％)和高K2O/Na2O比值(1.5～3.0)，以及很低的基性组分∑TiO2+FeO+MgO含量(1.2％～3.0％)，显示为高度演化的地壳物质。样品具有LREE富集的右倾模式和强烈的Eu负异常(Eu/Eu*=0.2～0.4)。全岩εNd(t)值为-0.53～+0.72，指示其岩浆源区含有显著的亏损地幔组分。样品的锆石δ18O值为2.4～7.1‰，石英值为1.88～9.27‰，指示石耳山花岗岩为低δ18O值岩浆岩；较大δ18O值变化范围，说明其成因与高温超固相热液蚀变作用有关。其余矿物与锆石相比，大多数表现出很大的δ18O值变化范围，表明经历了不同程度的高温热液蚀变。根据这些岩石的同位素年代学和地球化学特征，我们将U-Pb年龄827±15Ma的锆石解释为继承来源，而将年龄777±9Ma的锆石解释为同岩浆成因。约825Ma热事件(地幔超柱活动?)使岩石圈地幔及其上覆地壳加热，导致拉伸加厚地壳内部的初生地壳重熔形成岩浆岩。随着裂谷的快速打开，约780Ma幔源岩浆沿裂谷带上涌，同期喷发了大量的火山岩，而裂谷带内约827±15Ma的岩浆岩重熔形成了石耳山花岗岩。岩浆带来的热启动了中上地壳裂谷带高温热液蚀变，石耳山花岗岩也经受了不同程度的高温水-岩交换，形成不同低δ18O值的花岗岩。较老的继承锆石大多被熔融，大量形成的为约777Ma结晶的岩浆锆石。形成石耳山花岗岩的初生地壳至少经历了二阶段部分熔融成岩过程，因而具有高硅、高钾和低基性组分等高度演化的地壳物质特征。 LA-ICPMS和SHRIMP锆石U-Pb定年表明，皖南伏川辉长岩中存在三个时代的岩浆锆石，对应的U-Pb年龄分别为891±13Ma、826±4Ma和764±10Ma。橄榄岩、辉长岩和细碧岩样品均具有低含量的TiO2(＜1.0％)和P2O5(＜0.2％)，相对亏损Nb和Ta，并且细碧岩微量元素特征类似于弧后玄武岩，表明其岩浆源区类似于弧后盆地环境。全岩化学分析烧失量高达2.98～12.78％，表明这些岩石经受过强烈的热液蚀变。全岩εNd(t)值为-2.22～+5.72，反映了不同程度的壳幔混合作用。辉长岩中锆石δ18O值为4.86‰，略低于正常地幔锆石值5.3±0.3‰；橄榄岩和辉长岩中造岩矿物δ18O值为0.82～4.32‰，表明岩石遭受了亚固相高温热液蚀变。根据这些岩石的同位素年代学和地球化学特征，结合区域新元古代岩浆活动记录，我们解释伏川基性-超基性岩不属于蛇绿岩套，其形成年龄为826±4Ma，对应于前裂谷期双峰式岩浆活动，在764±10Ma受到同裂谷期岩浆活动的影响而发生热液蚀变。因此，伏川基性-超基性岩的形成和演化与约825Ma起始的华南地幔超柱事件和Rodinia超大陆裂解有关，类似于弧后裂谷岩浆作用的产物。 由此，我们可以得出皖南地区新元古代时期由岛弧环境向板内裂谷环境转变的古造山带大地构造演化，其地球动力学机制概括如下：(1)约1000～880Ma，华夏板块与扬子板块之间处于洋壳俯冲阶段，对应于Rodinia超大陆聚合。洋壳俯冲过程中伴随着大规模的岛弧岩浆活动，导致四堡期岛弧型岩浆岩在扬子板块东南缘广泛发育。在俯冲带环境，岛弧岩浆岩形成后可能就遭受到快速风化沉积作用，这些岛弧碎屑沉积物与同期岩浆岩一起沿着大陆边缘形成初生地壳；(2)约860～830Ma，华夏板块与扬子板块之间的消减拼合结束，由岛弧环境转变为拉张增生型造山带构造环境；(3)约825Ma前裂谷期，幔源物质上涌(地幔超柱?)对造山带下伏岩石圈地幔及其上覆加厚地壳加热。加厚地壳内新元古代早期初生地壳部分熔融形成高δ18O岩浆，并形成大量晋宁期S型岩浆岩，包括皖南新元古代花岗闪长岩和井潭组火山岩。造山带下伏初生岩石圈地幔部分熔融形成伏川基性-超基性岩。由于该初生岩石圈地幔为经过流体交代的地幔楔，伏川基性-超基性岩的形成环境类似于弧后盆地环境，因而该套岩石具有类似于弧后盆地蛇绿岩的岩石学和元素地球化学特点。在此拉张型环境中，皖南新元古代花岗闪长岩内部流体活动导致中低温热液蚀变；(4)约780Ma地幔柱活动导致华南裂谷快速打开，这一事件也很可能导致了Rodinia超大陆的裂解。幔源岩浆沿裂谷带上涌，启动了中上地壳裂谷带高温热液循环，使得裂谷带内岩石发生高温热液蚀变，形成了大量同裂谷期岩浆岩，包括石耳山花岗岩。石耳山花岗岩主要来自约827Ma岩浆岩的重熔，岩浆侵位过程中遭受高温热液蚀变形成低δ18O值岩浆岩。石耳山低δ18O花岗岩的存在，证实新元古代扬子板块除北缘苏鲁一大别超高压带新元古代低δ18O岩浆岩外，在东南缘也存在低δ18O岩浆岩，说明扬子板块周边新元古代18O亏损事件可能是广泛存在的现象。

目录

摘要

第一章前言

1.1研究背景

1.2存在问题与争议

1.3研究对象及内容

1.4工作量小结

第二章区域地质概况

2.1区域地质背景及新元古代岩浆岩体

2.2层序地层

第三章分析方法

3.1全岩粉末样品制作和单矿物分选

3.2锆石内部结构分析

3.3锆石U-Pb定年

3.4主量和微量元素分析

3.5 Sr-Nd同位素分析

3.6氧同位素分析

第四章皖南新元古代花岗闪长岩

4.1引言

4.2地质概况及样品描述

4.3分析结果

4.3.1锆石U-Pb定年

4.3.2元素地球化学

4.3.3全岩Sr-Nd同位素

4.3.4矿物氧同位素

4.4讨论

4.4.1花岗岩闪长岩形成温度

4.4.2花岗岩闪长岩年龄及物质源区

4.4.3水-岩交换作用

4.5小结

附表

第五章石耳山新元古代花岗岩

5.1引言

5.2地质概况和样品描述

5.3分析结果

5.3.1锆石U-Pb定年

5.3.2元素地球化学

5.3.3全岩Sr-Nd同位素

5.3.4矿物氧同位素

5.4讨论

5.4.1花岗岩类型

5.4.2岩浆结晶温度

5.4.3锆石成因与水-岩交换

5.4.4物质源区

5.5小结

附表

第六章伏川新元古代基性-超基性岩

6.1引言

6.2地质概况和样品描述

6.3分析结果

6.3.1锆石U-Pb定年

6.3.2元素地球化学

6.3.3全岩Sr-Nd同位素

6.3.4矿物氧同位素

6.4讨论

6.4.1岩石成因

6.4.2热液蚀变

6.5小结

附表

第七章皖南地区新元古代岩浆岩成因地球动力学机制

7.1约1000～880Ma岛弧岩浆岩

7.2约830～740Ma与裂谷活动有关的岩浆岩

7.3地球动力学机制

第八章结论

参考文献

致谢

本文使用的矿物及英文缩写

博士研究生期间发表论文