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《中国科学技术大学》 2011年
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大别造山带碰撞后花岗质岩浆作用地球化学:对去山根过程及山根结构的制约

何永胜  
【摘要】:大别造山带的去山根作用被推断发生于早白垩世。埃达克质岩,被解释为加厚/拆沉榴辉岩相下地壳熔体,可以对去山根作用过程及现今已再循环的山根地壳的性质和结构提供关键性制约。前人关于花岗岩类的研究主要集中于北大别,本文系统地研究了其他构造单元花岗岩类的年代学,主、微量元素和放射成因同位素地球化学。本论文研究目标是:(1)鉴于通常用于鉴别埃达克质岩石的高Sr/Y和La/Yb特征可以有多种成因,本文提供能更有效鉴别加厚地壳熔融成因的埃达克质岩石新的地球化学特征:(2)全面查明高镁埃达克质岩石与低镁埃达克质岩石的地球化学差异及造成这一差异的熔体/地幔反应机制,为识别源自拆沉加厚下地壳的熔体提供依据;(3)查明大别山低镁和高镁埃达克质岩石的时空分布特征,为去山根过程的启动机制提供制约:(4)应用埃达克质岩石和花岗岩的Sr-Nd-Pb同位素组成示踪大别山地壳结构及山根组成,为碰撞造山带地壳增厚机制提供制约。本文的主要结论如下: 1.低镁埃达克质岩地球化学特征与识别 大别山低镁高Sr/Y花岗岩类(HSG)除了高Sr/Y和低Y含量外,相对普通花岗岩类,还具有如下独特的地球化学特征:在Sr vs. CaO和Sr vs. SiO2图解上形成具有更高Sr含量的独立趋势,和彼此正相关耦合的高Sr/Y, (La/Yb)N, (Dy/Yb)N,和Nb/Ta(最高分别可达225,153,3.1和19.5)。这些地球化学特征只能被加厚大陆下地壳在高压下以富石榴子石,贫长石和含金红石为残留相部分熔融解释。已发表的其它成因的假埃达克岩不具有这些特征。因此,加厚下地壳熔体可以由以上综合地球化学特征识别。 2.高镁埃达克质岩地球化学特征:熔体/地幔反应如何影响熔体组成 大别山高镁HSG具有高Sr/Y(31~100)和(La/Yb)N(16~48),高SiO2(57.2~68.9wt%)和Mg#(44~63).它们的Sr-Nd-Pb同位素以低εNd(t)(-24.9~-14.3,),轻微富集的87Sr/86Sri(0.7057~0.7077),和低206Pb/204Pb (15.59~16.60)为特点。它们和其他沿郯庐南段分布的同类岩石同属拆沉下地壳成因的高镁埃达克质岩。高镁埃达克质岩与大别低镁埃达克质岩相比除了具有较高的MgO、Cr、Ni含量外,还具有如下特征:(1)较低的(La/Yb)N, (Dy/Yb)N, Sr/CaO和Sr/Y比值;(2)在相同SiO2时具有较低的A12O3, Na2O,和La, Sr含量;(3)在相同MgO情况下,具有比普通地幔玄武质岩浆序列更高的MgO/FeOt, Ni含量和Ni/Co。这些特征只能用高镁埃达克质岩来自拆沉下地壳部分熔融,并经历熔体/地幔反应解释。在熔体/地幔反应过程中,主要生成斜方辉石,熔体体积增加,可分别解释特征(1)和(2)。熔体/地幔反应时的固相为富集斜方辉石,无石榴石的矿物组合,它具有比地幔部分熔融时残留相以橄榄石为主的矿物组合更低的Kd (MgO, bulk)和更高的DNi (bulk)和DNi/DCo(bulk),可解释特征(3)。 3.高镁埃达克质岩在大别造山带的时空分布及对去山根作用启动机制的启示 年代学研究表明虽然大别造山带山根加厚下地壳的部分熔融(产生低镁埃达克质岩)发生时间在143~130Ma,但是高镁埃达克质岩年龄集中在131-130Ma,说明去山根作用直到131~130Ma时才发生。低镁埃达克质岩在大别造山带各个构造单元均有分布,说明在早白垩世以前,加厚山根下地壳在大别造山带普遍存在。但是高镁埃达克质岩似乎只分布在大别造山带的东-南缘,靠近郯庐断裂。这与低镁埃达克质岩的分布显著不同,说明郯庐断裂可能在诱发大别造山带去山根过程方面起到关键作用。Nb-Pb同位素显示大别山南侧的埃达克质岩浆可能与同时代长江断裂活动有关。 本文指出大别山埃达克质岩和碰撞后岩浆作用主要分布在东大别山和北部的北淮阳带和北大别带的空间分布特征,依据郯庐断裂演化历史,以及本实验室先期的模拟实验,提出在早白垩世大规模左行走滑可以导致大别造山带沿三叠纪碰撞缝合线拉分引张,从而导致了造山带山根加厚下地壳的初始熔融。随后在131-130Ma左右,随着沿着断裂带区域从压扭性环境向引张性环境转变,导致大别造山带东缘沿郯庐断裂带的一些榴辉岩碎块的拆沉(delamination and foundering)。 4. Sr-Nd-Pb同位素组成及其对山根组成和增厚机制的制约 大别山普通花岗岩类的87Sr/86Sr (i),εNd (t)和206Pb/204Pb (i)的变化范围分别为0.7062~0.7105(除一个Rb/Sr,87Sr/86Sr(i)为0.6993的样品外),-25.5~-12.7,和15.51~16.85;低镁埃达克质岩的Sr-Nd-Pb同位素变化范围分别为0.7055~0.7087,-27.8~-13.8和15.69~17.16。除普通花岗岩类具有略高的87Sr/86Sr (i)外,普通花岗岩,低镁埃达克质岩和高镁埃达克质岩的Sr, Nd和Pb同位素组成基本类似,具有低Sr和Pb同位素初始比值和低εNd(t)。大别花岗岩类与华北HSG的同位素对比表明,华南陆块下地壳较华北陆块下地壳具有较高的Th/U,因而在相同206pb/204Pb时,具有较高的208pb/204pb。这些同位素证据表明山根加厚地壳由华南古老下地壳组成。 北大别埃达克质岩具有异常高的Th/U(最高可达51)和贫U特征,反映它们的源区曾经历过俯冲脱水。Th/U和208pb/206pb没有相关性说明该脱水事件可能与三叠纪深俯冲有关。北大别埃达克质岩的低镁特征说明该脱水(深俯冲)基性下地壳在早白垩世并未被岩石圈地幔覆盖,因此可能已经反卷(roll-back)。该深俯冲脱水镁铁质下地壳在北大别山根底部一直保留到早白垩世。 来自其它构造单元,包括北淮阳,的埃达克质岩的Th/U(6.0±1.8,1SD)接近平均大陆下地壳组成。这说明有部分基性华南下地壳被楔入到深部缝合线以北,插入华北下地壳当中。 据此提出大别造山带山根因华南下地壳在俯冲板片断离后深俯冲镁铁质下地壳反卷(Roll back),并在山根底部居留(北大别),在晚三叠到侏罗纪继续俯冲的华南陆壳的缩短(南大别和宿松带)和向华北地壳楔入(北淮阳)导致山根地壳增厚的模型。 5.花岗岩类和折返超高压岩石的Nd同位素脱藕及对造山带地壳结构的制约 大别——苏鲁碰撞后花岗岩类的εNd(130 Ma)显著低于超高压榴辉岩和片麻岩,而Nd同位素模式年龄显著老于后者,表现出加厚镁铁质山根与折返的超高压榴辉岩和片麻岩岩片存在Nd同位素脱藕。这一观察表明折返的超高压岩石的原岩主要是先期卷入大陆深俯冲的华南陆块北缘以新元古代地壳为主的较年轻地壳,而加厚山根下地壳主要以后续俯冲的华南板块内部较古老的下地壳物质为主。这一过程导致发生陆壳深俯冲和超高压变质作用的碰撞造山带陆壳(如大别山)的缩短量远大于未发生的陆壳深俯冲和超高压变质作用的碰撞造山带(如秦岭)。 北大别碰撞后基性岩的Sr-Nd-Pb同位素与埃达克质岩具有高度相似性和与折返超高压岩片的差异,说明它们地幔源区主要受来自于拆沉山根下地壳及其熔体交代的影响。
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