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北秦岭—桐柏造山带早古生代多期次变质作用及构造演化

向华  
【摘要】:大陆碰撞造山带形成和演化是汇聚板块边缘的重要特征,是地球动力学研究的重要领域.最新研究结果表明,造山带的形成和演化具有比较复杂的过程,可能包括了多期次的挤压和伸展作用.对阶段复合造山带的演化过程进行详细的解析是深入理解地球动力学的重要窗口.在碰撞造山过程中,变质岩记录了造山事件中的温度、压力、时间等信息.因此,从变质岩中解译出其所记录的P-T-t轨迹是要了解地壳演化尤其是造山带演化过程的基础. 华北板块和扬子板块碰撞形成了横亘中国大陆中部的秦岭-大别造山带.近年来大量的研究成果表明,秦岭-大别造山带是一个非常典型的多阶段复合造山带,经历了早中古生代陆壳俯冲碰撞、石炭纪的高压榴辉岩相变质、以及随后大规模的三叠纪陆壳岩石的高压-超高压变质和随后的折返作用过程.不仅如此,研究表明在早古生代,并不是一次简单的俯冲碰撞事件,而是存在多期次变质作用.在秦岭-桐柏造山带中的秦岭群,不仅有500-480Ma左右的高压超高压变质岩,还出露有440-400Ma的高温麻粒岩,部分岩石还同时记录了多期次的变质作用.这为研究秦岭群多期次变质作用提供了很好的素材,也是研究大陆边缘地壳演化及其板块动力学的理想场所.对北秦岭东段变质岩原岩恢复和形成年龄的研究对讨论秦岭群的形成历史和早期演化具有重要意义;对秦岭群的变质演化和精细的同位素年龄的确定可揭示秦岭造山带古生代的演化历史,是探讨大陆边缘地壳演化的动力学过程的重要窗口.同时在秦岭群中不仅出露有麻粒岩,还有与之相关的岩浆岩及广泛分布的混合岩,这也为探讨麻粒岩、混合岩、花岗岩之间的联系提供了理想的素材. 本文通过详细的野外观测、系统采样,以详细的岩相学为基础,结合热力学相平衡模拟,确定秦岭-桐柏地区秦岭群中不同类型的变质岩的变质温压条件及P-T-t轨迹.结合LA-(MC)-ICPMS锆石U-Pb定年、微量元素及Hf同位素测试手段,测定了变质岩的原岩年龄、各期次的变质年龄以及混合岩化年龄.并综合探讨北秦岭-桐柏造山带早古生代多期次变质作用及其构造演化历史.获得的主要认识如下: 1.秦岭群中变基性,包括混合岩中的变基性岩脉或透镜体原岩年龄均在750-800Ma之间,混合岩中片麻岩原岩年龄为940Ma左右,这些新元古代年龄样品可能对应扬子北缘新元古代Rodinia超大陆聚合-裂解过程中出现的岩浆事件. 2.秦岭群北缘的榴辉岩峰期温压在26kbar,670℃,榴辉岩相变质年龄在485-500Ma之间,随后经历了一个近等温降压的退变质到~620,-7kbar,并最终降温降压退变到绿片岩相(T-430,P-5kbar). 3.松树沟高压基性麻粒岩峰期变质条件为T800℃,P16.5kbar,随后经历了一个近等温降压过程到750℃,7kbar,并最终退变到绿片岩相.锆石U-Pb年代学研究表明麻粒岩相变质时代为480-495Ma.与阳起石共生的榍石年龄为473±32Ma,表明在470Ma左右该区岩石已退变到了绿片岩相.此外,松树沟地区的高压麻粒岩及相关的榴闪岩等岩石普遍记录了两期变质事件,U-Pb年龄结果表明,除了480-495Ma的变质作用外,还遭受了400-440Ma的叠加变质作用.角闪石环带及相平衡模拟计算表明,第二期变质作用从绿片岩相增温增压到低角闪岩相.第二期变质年龄与桐柏地区的麻粒岩相变质及秦岭广泛的混合岩化年龄一致,应为同一构造热事件的产物.这些结果表明400-440Ma的变质事件应是另一期独立的构造热事件,而不是480-500Ma的高压、超高压变质事件的退变质或热松弛事件. 4.锆石U-Pb年龄结果表明,秦岭群中的岩石普遍遭受了480-500Ma之间的高级变质作用.在秦岭群北缘经历了低温-高压/超高压变质作用,具有低的地温梯度,而在秦岭群南部,则遭受了高温-高压的高压麻粒岩相变质,具有明显较高的地温梯度.这意味着在北秦岭造山带中,榴辉岩和高压麻粒岩在同一时期形成于不同的热动力学环境,具有不同的古地温梯度.其可能解释为北部的榴辉岩位于冷的俯冲板片中,而南部的高压麻粒岩处于俯冲带上盘增厚的造山带大陆地壳的根部. 5.在桐柏秦岭群中首次发现了含假蓝宝石麻粒岩,并观察到了假蓝宝石与石英共生现象,确立了桐柏麻粒岩经历了超高温变质作用.通过热力学相平衡模拟计算表明,该样品峰期温度大于1020。℃,压力在10kbar左右的温压范围中.桐柏麻粒岩可明显分为4个变质阶段,并经历了一个逆时针P-T-t轨迹演化.前进变质阶段(M1)温压条件为T=730-820。℃,P6kbar,变质年龄为443±-3Ma;随后经历了明显的增压作用,峰期变质(M2)温压为850-1020。℃,8.5~10kbar,峰期变质年龄为430Ma左右;在420Ma左右,普遍遭受了近等压降温过程的角闪岩相退变质(M3),退变温度约为700。C,压力约7kbar;最后在400Ma左右经历了不同程度的绿片岩相退变质(M4). 6.秦岭群核部广泛遭受了强烈的混合岩化作用,相平衡模拟及年代学研究表明,浅色脉体是由长英质片麻岩或片岩部分熔融产生的,而变基性岩应该是原岩中的基性岩脉,不是熔融残留体.含榴片麻岩或片岩中石榴石等矿物成分所记录的温压最高在760℃,7.5kbar左右,并经历了等压降温过程.但多数样品所记录的温度明显偏低,在720~670℃,且浅色脉体所记录的温压为P=5.5~6.0kbar,T=-640℃,位于固相线附近.通过相平衡模拟表明,这些温度明显偏低,是由于包含熔体的岩石中在冷却过程中,熔体结晶引起峰期矿物组合经历不同程度的逆反应、退变反应和矿物成分的再平衡.对于部分熔融的岩石,只有熔体分离充分时,才能使高温变质记录有效地保存下来.因此,我们所见到的高级变质岩或混合岩通常是经历部分熔融——部分熔体分馏——部分退变质改造的产物. 7. LA-ICPMS锆石U-Pb年龄结果表明混合岩化作用时间在424-418Ma之间.这些年龄结果与桐柏麻粒岩的近峰期的退变质年龄(-420Ma)一致,略晚于峰期变质年龄~430Ma.通过相平衡模拟表明这些混合岩中的浅色脉体或含榴花岗岩中获得的年龄应该代表了退变质冷却过程中熔体结晶年龄.424-418Ma混合岩化及退变质年龄代表了由挤压向伸展背景转换的最小年龄. 8.在400-440Ma之间,北秦岭-桐柏造山带普遍遭受了强烈的变质及混合岩化作用,总体上,从西到东,变质程度逐渐增强.在桐柏地区,遭受了超高温变质作用,并经历了逆时针P-T-t演化轨迹.结合该地区大量岩浆作用,地幔物质的加入以及大规模成矿等地质特征表明,最可能的构造模式为秦岭洋脊向北俯冲,地幔物质上涌,产出低P/T的变质环境.秦岭群东西差异,可能是由于后期构造抬升剥蚀差异导致,西部秦岭地区,抬升剥蚀深度较浅,而东部抬升剥蚀深度较深.


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