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深俯冲陆壳地球化学性质与折返过程中流体活动:来自苏鲁造山带中国大陆科学钻探主孔样品的研究结果

陈仁旭  
【摘要】: 大陆深俯冲和折返的研究已经成为21世纪发展和完善板块构造理论的前沿和核心课题。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的超高压变质构造单元,是超高压变质和大陆碰撞研究的典型地区。本文利用中国大陆科学钻探(CCSD)工程岩芯样品连续取样的优势,对深钻主孔200~4000m的超高压变质岩,特别是不同岩性接触带,进行了系统的地球化学分析,包括全岩主量和微量元素、Rb-Sr、Sm-Nd和Lu-Hf同位素、矿物氢氧同位素、单矿物结构水含量和全水含量、锆石微量元素、U-Pb和Lu-Hf同位素。结果为大陆俯冲带变质的化学地球动力学提供了新的制约,特别是地表露头样品研究难以解决的科学问题。 在锆石岩相学研究的基础上,对不同锆石区域进行了微量元素、U-Th-Pb和Lu-Hf同位素同时原位分析;在对变质锆石进行U-Pb定年分析时,第一次直接将微量元素和Lu-Hf同位素联系起来。通过这种联合研究,我们区分出大陆俯冲带变质过程中原岩锆石的固态重结晶、交代重结晶和溶解重结晶以及变质新生长。榴辉岩相条件下变质生长锆石以谐和的变质作用年龄,典型石榴石效应的平坦HREE配分,低的REE(特别是HREE)、Y、Nb+Ta和Th+U含量,高的Hf含量,低的(Lu/Gd)N、Lu/Hf和Th/U(<0.1)比值,以及升高的~(176)Hf/~(177)Hf比值为特征。这说明变质锆石生长过程中同时存在石榴石效应和流体效应。相反地,变质重结晶不同程度的再造原岩锆石,具体取决于变质过程中流体活动的程度。固态重结晶锆石被再造的程度最小,几乎继承了原岩锆石的所有地球化学特征。它们以不一致线上不谐和的U-Pb年龄,典型的岩浆锆石陡峭的MREE-HREE配分,高的微量元素含量和比值,以及低的~(176)Hf/~(177)Hf比值为特征。另一方面,溶解重结晶锆石显示出最大程度的再造,具有近谐和或谐和的变质作用年龄,陡峭的MREE-HREE配分,相比原岩锆石降低的微量元素含量如REE、Th、U、Y、Nb、Ta和Ti,几乎不变的Hf同位素比值。交代重结晶锆石被再造的程度介于这两者之间,结果具有介于它们之间的元素和同位素特征。石榴石和富水流体同时存在条件下的变质生长以亏损HREE平坦配分和低的微量元素含量为特征,富水流体存在条件下的变质重结晶则表现出MREE到HREE逐渐降低而不是平坦的HREE配分。因此,变质锆石的多指标同时原位分析比单独分析在区分变质新生长与不同类型变质重结晶之间具有优势。在变质锆石学研究的基础上,通过识别锆石的形成条件,能够对深钻主孔超高压变质岩锆石U-Pb年龄的地质意义进行制约。深钻主孔超高压变质岩锆石U-Pb不一致线定年得到的上交点年龄为780±22Ma,对应于原岩形成年龄。在超高压变质岩中得到两组变质年龄242±9Ma和221±2Ma,分别对应于进变质高压-超高压转变和退变质榴辉岩相再造过程中流体存在条件下的生长和重结晶。 对CCSD深钻主孔200~4000m超高压变质岩系统的岩相学、氧同位素、氢同位素、矿物水含量(结构水和全水)联合研究发现,超高压变质岩原岩在俯冲之前经历了大气降水的高温热液蚀变甚至局部低δ~(18)O岩浆作用。深钻主孔~(18)O亏损深度达3300m,结合地表露头岩石达~30000km~2的~(18)O亏损,表明扬子陆块北缘曾发生三维空间巨量物质(>100000km~3)的~(18)O亏损。深钻主孔超高压变质岩中各矿物显示出巨大的氢氧同位素变化,共存矿物之间的氢氧同位素分馏既有平衡也有不平衡,相同矿物氢氧同位素也表现出不同的行为,指示了超高压变质矿物和同位素在折返过程中不同的退变质效应。根据相邻样品之间的距离、岩相学和δ~(18)O值,确定出不同岩性之间O同位素不均一性的尺度为20到50cm,对应于大陆碰撞过程中流体活动的最大尺度。TC/EA-MS和FTIR分析都发现,超高压变质岩中名义上无水矿物都含有大量的水以结构羟基和分子水的形式存在。不同岩性接触带的矿物O同位素、H同位素、全水含量以及羟基含量的研究表明,尽管超高压变质岩经历了广泛的退变质作用,退变质流体在稳定同位素组成上是内部缓冲的,且退变质流体主要来自名义上无水矿物中结构羟基和分子水的出溶以及含水矿物的分解。在不同岩性接触带,稳定同位素、水含量及岩相学上出现同步变化,表明不同岩性接触带可能是流体流动最活跃的地方。对于远离榴辉岩-片麻岩接触带的榴辉岩,退变质流体主要来自榴辉岩内部名义上无水矿物中结构羟基和分子水的降压出溶以及含水矿物的分解。对于靠近接触带的榴辉岩,则可能主要受来自比榴辉岩更富水的片麻岩中矿物的脱水作用。定量计算表明,在折返过程中,1m~3体积由石榴石和绿辉石组成的榴辉岩结构羟基降压出溶能释放出3.07~3.44kg水,这能形成139.58~156.28kg角闪石。这能为超高压榴辉岩的角闪岩化提供大量的流体来源。系统的矿物水含量测定和计算表明,片麻岩具有比榴辉岩较高的全水含量,在深俯冲陆壳的初期折返过程中,片麻岩能比榴辉岩释放出更多的水。在榴辉岩和片麻岩接触带的降压脱水,所释放的水会从片麻岩流向榴辉岩导致邻近片麻岩的榴辉岩发生显著的水化。 对CCSD深钻主孔连续岩芯段超高压变质岩系统的主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素研究发现,大陆俯冲带变质过程中确实存在显著的元素活动,特别是水溶性元素LILE和LREE。深钻主孔超高压变质岩连续岩芯段显示出主量和一些微量元素如LILE(K、Rb、Ba、Th和U)和LREE的巨大变化,但水不溶性元素如HFSE和HREE变化较小。虽然富水流体活动可以导致LILE巨大的变化,但一些榴辉岩和角闪岩中SiO_2、LILE和LREE的巨大变化指示,它们受到了深俯冲陆壳折返过程中与长英质超高压片麻岩相关的部分熔融形成的花岗质熔体的交代作用。岩相学观察也显示了部分熔融熔体的存在。在不同岩性接触带发现有元素和岩相学的同步变化,表明超高压岩石折返过程中不同板片组分之间富水流体和/或含水熔体及其相关元素活动的出现。同一岩性的局部某些样品存在部分熔融现象。对有些变质岩,岩相学观察到部分熔融的现象,但是在化学组成上没有反映,指示一种原地的深熔混合岩化。因此,在超高压板片“热”折返过程中,大陆地壳在局部会发生部分熔融,导致俯冲板片内显著的质量传输。然而,元素的运移只发生在很小的尺度内,在不同岩性接触带和裂隙带的有限开放体系中。 CCSD深钻主孔锆石U-Pb和Hf同位素研究显示,深钻主孔超高压变质岩原岩记录了两种不同的双峰式岩浆活动。第一种双峰式岩浆活动为中元古代晚期新生地壳的裂谷再造,而第二种双峰式岩浆活动则为古元古代中期古老地壳的裂谷深熔作用。不管怎样,它们的原岩都是由华南陆块北缘新元古代中期不同来源的双峰式岩浆活动所形成,裂谷熔融作用发生在罗迪尼亚超大陆裂解之前或之中。造山带岩石圈的熔融能够产生具有不同来源的双峰式岩浆活动。弧陆碰撞带是聚集新生和古老地壳最好的地方,这两种不同来源的双峰式岩浆活动在超大陆裂解期间沿着华南陆块北缘的弧陆碰撞带出现,裂谷熔融作用是对罗迪尼亚超大陆在780Ma开始裂解的响应。作为大陆岩石圈中的薄弱带,它们会进一步发展成超大陆裂谷,最终导致超大陆在750Ma时裂开。从超大陆裂谷到超大陆裂开的构造演化期间,上涌的镁铁质岩浆会导致大气降水热液蚀变的新生地壳和古元古代地壳的再造。因此,CCSD主孔超高压变质岩原岩的双重双峰式组成有力地支持了华南新元古代中期岩浆岩成因的板块-裂谷模型。


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