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《中国科学技术大学》 2009年
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大陆俯冲带变质脱水与部分熔融:南大别低温/超高压变质花岗岩研究

夏琼霞  
【摘要】:板块俯冲和折返过程中的流体活动是碰撞造山带变质作用、同碰撞岩浆作用乃至成矿作用的重要内容之一,也是理解地球演化,包括全球水循环、深俯冲板块的命运、碰撞造山带内的岩浆岩成因,以及洋壳和陆壳再循环等问题的关键。在中国东部大别-苏鲁造山带发现的超高压变质岩,为大陆地壳深俯冲变质的产物,记录了大陆碰撞过程中从地壳俯冲到地幔深度、超高压变质、以及深俯冲地壳折返等三个主要阶段的各种物理化学变化,是研究大陆深俯冲和折返过程中变质脱水和部分熔融的重要对象。前人对于镁铁质高压/超高压变质成因榴辉岩中元素在变质流体中的活动性进行了大量研究,但是对于长英质超高压片麻岩中流体活动的研究才刚刚开始。 本学位论文以中国中东部大别造山带南部(简称南大别)低温/超高压变质带内的花岗片麻岩为研究对象,进行了岩相学、全岩主量和微量元素、单矿物氧同位素和微量元素、以及锆石微量元素、U-Pb和Lu-Hf同位素等地球化学研究。研究结果识别出陆壳深俯冲和折返过程中出现了变质脱水和部分熔融,同时还识别出了不同变质流体作用下的锆石变质重结晶和新生长。变质重结晶包括固态重结晶、交代重结晶和溶解重结晶,显示了不同流体(富水流体、含水熔体和超临界流体)条件下的变质生长锆石,包括从富水流体中生长的锆石和从含水熔体中生长的锆石。结果不仅为标识变质锆石的形成机制提供了依据,而且为识别不同类型变质流体在大陆碰撞过程中的作用发现了线索。 岩相学观察显示,两组花岗片麻岩样品具有不同的结构和共生矿物组合。组I片麻岩样品为鳞片变晶结构、残留骸晶结构、交代蚕食结构等,帘石类、云母类含水矿物较多。组II片麻岩样品为花岗变晶结构,主要组成矿物为石英和长石,且钾长石含量十分丰富,帘石和云母等含水矿物量少,榴辉岩相变质矿物(石榴石、褐帘石、金红石)缺乏。锆石U-Pb定年结果显示,这些超高压变质花岗岩的原岩年龄和变质年龄分别为778±6 Ma和219±6 Ma。锆石εHf(t)值为-11.5±1.4 ~ -2.2±0.5,对应的Hf模式年龄为古元古代中期(2.4 ~ 1.8 Ga),不同于中大别的正εHf(t)值(1.1±0.6 ~ 8.2±0.7)和中元古代晚期Hf模式年龄(1.3 ~ 1.1 Ga)。因此,华南陆块北缘元古代存在两期新生地壳生长,即中元古代晚期和古元古代中期。 两组样品的锆石δ18O值为-2.8 ~ +4.7‰,明显低于正常地幔值5.3±0.3‰,表明原岩在新元古代侵位过程中受到过大气降水的高温热液蚀变。大部分样品在t1 = 780 Ma时的87Sr/86Sr初始比值很低,而在t2 = 230 Ma时的87Sr/86Sr初始比值很高,这暗示了原岩在新元古代热液蚀变和三叠纪变质脱水两个过程中发生了广泛的流体干扰。两组样品具有相似的稀土和微量元素配分模式,但是,组I样品的Nb与LREE(La和Ce)显示很好的相关性,与LILE(Rb、Ba、Pb、Th和U)没有相关性,说明在脱水过程中LILE发生了不同程度的迁移活化。结合岩相学研究,可见组I片麻岩在三叠纪大陆碰撞过程中经历了变质脱水反应。Nb与LREE的相关性继承了原岩的特征,而不是由变质脱水引起的。 组II片麻岩的Nb含量与LILE呈线性相关,但与LREE不相关,显示在大陆碰撞过程中变质脱水与LILE迁移发生明显脱耦。另外,组II片麻岩的主量元素FeO+MgO+TiO2含量很低(1.04 ~ 2.08% wt.%),而SiO2含量(75.33 ~ 78.23 wt.%)和全碱Na2O+K2O含量(7.52 ~ 8.92 wt.%)很高,并且与长英质岩石经部分熔融实验产生的熔体组成相似。因此,组II片麻岩在深俯冲陆壳折返初期由于多硅白云母分解引起了脱水熔融。此外,在组II片麻岩中几乎没有发现特征的超高压变质矿物;尽管没有明显的深色体和浅色体,但在片麻岩内部发现了由细粒矿物组成的长英质细脉。因此,组II片麻岩由于变质脱水而诱发了一种低程度原位深熔的混合岩化作用,即长英质熔体并没有从寄主片麻岩中分离出去。 锆石U-Pb定年得到的变质年龄与大别-苏鲁造山带超高压榴辉岩相退变质引起高压榴辉岩相重结晶时间一致,对应于深俯冲板片折返初期达到最大温度之前,折返板片中流体/熔体的释放导致了锆石的生长。根据参与锆石改造的变质流体性质,进一步可将变质锆石区分为五种不同类型,即固态重结晶锆石、交代重结晶锆石、溶解重结晶锆石,以及富水流体和含水熔体中的生长锆石。不同类型的变质锆石显示不同的U-Pb年龄、微量元素组成、Th/U比值、176Lu/177Hf比值以及176Hf/177Hf比值。变质生长锆石都具有谐和的三叠纪U-Pb变质年龄,高U含量以及低Th/U比值和176Lu/177Hf比值,以及升高的176Hf/177Hf比值。但是富水流体中生长锆石还具有低的REE、Th以及HFSE等微量元素含量,而从含水熔体中生长锆石的REE、Th以及HFSE等微量元素含量却很高。 根据大陆俯冲带变质过程中流体/熔体活动的程度,可以识别变质重结晶锆石记录的原始岩浆锆石所经受的不同程度改造。固态重结晶锆石是在流体相对缺乏的条件下经受变质的,仅锆石内部结构和U-Th-Pb同位素体系受到部分改造,表现清晰的或模糊的岩浆环带结构、新元古代中期到三叠纪的206Pb/238U表观年龄,而微量元素和Lu-Hf同位素体系则保持原岩锆石的特征。交代重结晶锆石受流体改造程度较固态重结晶明显,CL图像显示冷杉叶状分带、弱分带或无分带结构,也具有新元古代中期到三叠纪的206Pb/238U表观年龄。其REE配分特征与原岩锆石相似,但部分LREE呈现富集,除了可能的矿物包裹体影响外,主要与热液富水流体有关。其Lu-Hf同位素体系由于少量石榴石的影响,176Lu/177Hf比值轻微降低,而176Hf/177Hf比值基本保持不变。溶解重结晶锆石受到变质流体改造程度最高,CL图像显示海绵状或多孔状结构,具有近谐和的206Pb/238U年龄;如果溶解重结晶改造得彻底,则有可能得到谐和的三叠纪变质年龄。其微量元素具有普遍富集的特征,即REE、Th、U和HFSE (Nb, Ta和Hf)都明显高于原岩锆石,同时REE配分还显示Ce正异常不明显。由于溶解重结晶锆石的Hf同位素组成主要受原岩锆石控制,因此流体对其初始Hf同位素组成没有影响,176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值与原岩锆石几乎保持不变。 对于具有普遍提高的LREE、Th、U、HREE和HFSE (Nb、Ta、Hf)含量的海绵状变质锆石,不可能仅仅与常见的热液流体有关。由于含水流体不能携带大量的HREE、Th、U和HFSE等微量元素,因此要求能携带大量HREE和HFSE等元素的超高压含水熔体或超临界流体。在花岗岩-水体系中,富集微量元素的矿物(如帘石、石榴石、金红石等)在含水熔体区域内稳定存在,正常的高压脱水熔融并不能使这些矿物发生分解并释放出大量的微量元素。但是在峰期超高压变质条件下,能够产生超临界流体,这样可以使帘石、石榴石、金红石等矿物发生不稳定分解,同时释放大量微量元素进入变质流体。原来富集REE-HFSE的岩浆锆石,当遇到具有强溶解能力的超临界流体时,可能会变得不稳定而发生显著的溶解重结晶。在深俯冲板片折返初期,由于突然降压和继续升温,超临界流体会发生相分离形成不混溶的富水流体和含水熔体,流体中富集的难溶性元素会随着压力下降发生出溶并作为副矿物沉淀出来,表现为研究区内花岗片麻岩中呈脉状产出的帘石、榍石和锆石等矿物集合体。因此,超临界流体在低温/超高压变质条件下的活动是迁移各种元素的有效载体。
【关键词】:大陆深俯冲 低温超高压 花岗片麻岩 变质脱水 部分熔融 流体活动 元素迁移 变质锆石 大别造山带
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:P542
【目录】:
  • 摘要5-8
  • Abstract8-14
  • 第一章 前言14-34
  • 1.1 研究背景14-31
  • 1.1.1 大陆深俯冲和超高压变质作用14-16
  • 1.1.2 大陆深俯冲和折返过程中的流体活动16-17
  • 1.1.3 大陆深俯冲和折返过程中的元素活动17-19
  • 1.1.4 深俯冲陆壳折返过程中的部分熔融19-22
  • 1.1.5 富水流体,含水熔体和超临界流体22-25
  • 1.1.6 变质锆石学25-31
  • 1.2 研究内容和意义31-33
  • 1.3 工作量小结33-34
  • 第二章 区域地质背景34-44
  • 2.1 大别-苏鲁造山带34-39
  • 2.1.1 区域变质带34-37
  • 2.1.2 岩石学特征37
  • 2.1.3 变质温压条件37-38
  • 2.1.4 变质年代学38
  • 2.1.5 氧同位素研究38-39
  • 2.2 南大别低温/超高压变质带39-44
  • 2.2.1 变质温压条件40-42
  • 2.2.2 同位素年代学42-44
  • 第三章 样品及岩相学特征44-76
  • 3.1 样品分类44-45
  • 3.2 岩相学特征45-49
  • 3.2.1 组I 片麻岩45-47
  • 3.2.2 组II 片麻岩47-49
  • 3.3 单矿物主要成分电子探针分析结果49-55
  • 3.3.1 石榴石49-53
  • 3.3.2 白云母53-54
  • 3.3.3 绿帘石族矿物54-55
  • 3.4 LA-ICPMS 分析单矿物的微量元素55-76
  • 第四章 分析方法76-84
  • 4.1 全岩主量和微量元素分析76
  • 4.2 全岩Rb-Sr 和Sm-Nd 同位素分析76-77
  • 4.3 单矿物氧同位素分析77-78
  • 4.4 矿物电子探针分析78
  • 4.5 矿物LA-ICPMS 分析78-79
  • 4.6 锆石内部结构分析79
  • 4.7 锆石U-Pb 定年79-80
  • 4.8 锆石Lu-Hf 同位素分析80-81
  • 4.9 锆石U-Pb 和Lu-Hf 同位素以及微量元素的同时原位分析81-84
  • 第五章 元素和同位素地球化学84-112
  • 5.1 引言84
  • 5.2 分析结果84-91
  • 5.2.1 主量元素84-87
  • 5.2.2 微量元素87-88
  • 5.2.3 Sr-Nd 同位素88-90
  • 5.2.4 氧同位素90-91
  • 5.3 原岩侵位过程中的高温热液蚀变91-96
  • 5.3.1 氧同位素证据91-93
  • 5.3.2 Rb-Sr 同位素证据93-96
  • 5.4 折返过程中的变质脱水96-98
  • 5.5 深俯冲陆壳折返过程中的脱水熔融98-102
  • 5.5.1 南大别两组片麻岩LILE 和LREE 的差异性活动98-100
  • 5.5.2 组II 片麻岩发生部分熔融的证据100-102
  • 5.6 小结102-112
  • 第六章 变质锆石学112-194
  • 6.1 引言112
  • 6.2 锆石岩相学112-115
  • 6.2.1 组I 片麻岩112-113
  • 6.2.2 组II 片麻岩113-115
  • 6.3 U-Pb 和Lu-Hf 同位素115-127
  • 6.3.1 组I 片麻岩115-119
  • 6.3.2 组II 片麻岩119-125
  • 6.3.3 U-Pb 定年小结125-127
  • 6.4 锆石微量元素组成127-135
  • 6.4.1 组I 片麻岩127-131
  • 6.4.2 组II 片麻岩131-135
  • 6.5 变质作用对锆石U-Th-Pb、Lu-Hf 和微量元素的影响135-141
  • 6.5.1 组I 片麻岩139-140
  • 6.5.2 组II 片麻岩140-141
  • 6.6 变质锆石的形成机制141-145
  • 6.6.1 变质新生长141-143
  • 6.6.2 变质重结晶143-145
  • 6.7 锆石微量元素富集成因探讨145-150
  • 6.7.1 LREE 富集145-148
  • 6.7.2 HREE和HFSE富集148-150
  • 6.8 锆石Hf 同位素对原岩性质的制约150-153
  • 6.9 小结153-194
  • 第七章 结论194-196
  • 参考文献196-226
  • 致谢226-227
  • 博士研究生期间发表论文目录227-228

【参考文献】
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10 汤积华;修明;郭华龙;;元素迁移的信度特征与F-随机结构[J];龙岩学院学报;2008年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨晓志;夏群科;;麻粒岩相变质作用和流体活动[A];中国矿物岩石地球化学学会第12届学术年会论文集[C];2009年
2 许鹤华;刘金朝;蔡永恩;;大陆深俯冲过程的二维数值模拟[A];中国地球物理学会年刊2002——中国地球物理学会第十八届年会论文集[C];2002年
3 张慧;杨宝俊;;地质流体活动的形变场响应研究进展[A];中国科学院地质与地球物理研究所2002学术论文摘要汇编[C];2002年
4 于晓果;陈荣华;范维佳;金肖兵;龚建明;Erwin Suess;黄永样;吴能友;苏新;;南海东沙东北部甲烷流体活动区柱状沉积物AOM的稳定同位素响应[A];中国矿物岩石地球化学学会第12届学术年会论文集[C];2009年
5 盛英明;郑永飞;;深俯冲大陆板块折返过程中的熔体活动和元素迁移[A];中国矿物岩石地球化学学会第13届学术年会论文集[C];2011年
6 马瑞;;辉长岩变形过程中元素迁移的有关实验及结果[A];地壳深部压力状态与地质作用学术研讨会论文集[C];2003年
7 戴立群;赵子福;郑永飞;;大陆深俯冲过程中的壳幔相互作用——北大别中生代镁铁质-超镁铁质岩中锆石Hf-O同位素证据[A];中国矿物岩石地球化学学会第13届学术年会论文集[C];2011年
8 夏琼霞;郑永飞;鲁晓南;胡兆初;徐海军;;大别造山带低温/超高压花岗片麻岩中石榴子石的多期生长[A];中国矿物岩石地球化学学会第13届学术年会论文集[C];2011年
9 白武明;刘斟;曹文宝;孙天泽;;高温高压下麻粒岩的波速及部分熔融研究[A];1994年中国地球物理学会第十届学术年会论文集[C];1994年
10 游振东;苏尚国;梁凤华;张泽明;;中国大陆科学钻100-2000米岩心榴辉岩类岩石退变质过程:对超高压变质地体隆升的启示[A];2004年全国岩石学与地球动力学研讨会论文摘要集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 秦幸福 通讯员 李先波;宁阳:片麻岩区大枣分外甜[N];地质勘查导报;2007年
2 陈伟立;大陆层控构造:多个视角找油气[N];中国石化报;2008年
3 博雅;花岗岩类的成岩与成矿作用有本质差别[N];地质勘查导报;2006年
4 曾星;“小包装”暗藏“大问题”[N];中国国门时报;2006年
5 本报记者  杨明方;给地球做“胸透”[N];人民日报;2006年
6 冯金莲 罗永生;灵寿8万余亩板栗大丰收[N];石家庄日报;2006年
7 易蓉蓉;软流圈地幔存在不均一性[N];地质勘查导报;2008年
8 朱梓明;上海童车抽查合格率84.6%[N];消费日报;2008年
9 读者 纪燕祥 帅邦林 纪广俭;宜先行勘查开发海底砂铁矿[N];地质勘查导报;2008年
10 特约记者 曹菲 记者 于莘明;我“钻探”新成果亮相国际地学舞台[N];科技日报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 夏琼霞;大陆俯冲带变质脱水与部分熔融:南大别低温/超高压变质花岗岩研究[D];中国科学技术大学;2009年
2 张安达;阿尔金超高压榴辉岩及其围岩的地球化学、年代学研究及其地质意义[D];西北大学;2006年
3 苗培森;恒山中深变质岩区构造样式[D];中国地质大学(北京);2001年
4 蒋忠诚;峰丛石山的岩溶作用及生态环境元素迁移典型研究[D];中国地质科学院;1997年
5 李奕霖;成都经济区居民呼吸道疾病与大气尘重金属元素的相关性[D];成都理工大学;2009年
6 牛漫兰;郯庐断裂带中南段岩浆活动与深部过程[D];合肥工业大学;2001年
7 陈仁旭;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[D];中国科学技术大学;2009年
8 宋琨;花岗片麻岩体渗透特性及水封条件下洞库围岩稳定性研究[D];中国地质大学;2012年
9 陈志宏;秦岭造山带东部新元古代热—构造事件及其地质意义[D];中国地质科学院;2005年
10 刘强;大别—苏鲁超高压榴辉岩脱水部分熔融实验及动力学意义[D];中国地质大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田志伟;大别—苏鲁造山带混合岩的成因研究[D];中国地质科学院;2009年
2 刘佳雪;针阔混交林次生演替阶段土壤营养元素迁移对比分析研究[D];东北师范大学;2005年
3 戚鹏;模拟酸雨对土壤营养元素迁移转化规律的影响研究[D];华北电力大学(河北);2003年
4 刘晓辉;君子兰公园沟谷地不同植被下元素迁移对比分析[D];东北师范大学;2006年
5 乔雪;沟谷横剖面元素的迁移研究[D];东北师范大学;2006年
6 刘军锋;秦岭松树沟超镁铁质岩体地球化学及年代学[D];西北大学;2005年
7 石超;超高压变质过程中的元素地球化学行为[D];中国地质科学院;2008年
8 洪广英;松辽盆地古龙凹陷葡萄花油层流体演化分析[D];大庆石油学院;2009年
9 陈保会;元素迁移层次及隐形图像的分离—辨识[D];山东大学;2009年
10 李春麟;小秦岭太华群花岗片麻岩与小河花岗岩形成时代及构造意义[D];中国地质大学(北京);2011年
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