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《中国地质科学院》 2019年
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中朝克拉通古元古代胶-辽-吉带的构造演化

许王  
【摘要】:作为世界上最古老的克拉通之一,中朝克拉通由狼林-辽南、龙岗、鄂尔多斯、阴山等微陆块沿着三条造山带(胶-辽-吉带、中部造山带和孔茲岩带)在古元古时期(约1.9 Ga)碰撞拼贴而成。三条古元古代造山带也因此记录了有关哥伦比亚超大陆陆块聚散复杂演变过程的重要信息。其中,胶-辽-吉带是华北克拉通最具代表性的一条古元古代造山带,是研究哥伦比亚超大陆的聚散过程、揭示华北克拉通和朝鲜半岛早前寒武纪地壳演化的立典靶区。多年来,尽管众多地质学家致力于理解胶-辽-吉带的地球动力学背景,但由于多期显生宙构造热事件(例如古太平洋俯冲)的改造,其完整的构造演化历史及相关的构造演化模式的建立仍然存在很大争议,包括(1)陆内裂谷打开与闭合模式,(2)陆-弧-陆碰撞模式,和(3)陆内裂谷打开-初始洋形成-大洋俯冲-碰撞造山模式。聚焦上述关键问题,本论文以胶-辽-吉带内形成时代明确并且具有较大时间跨度的古元古代岩浆岩为研究对象,着重对其中出露于辽东半岛的变基性岩和长英质火山岩进行系统的岩石学、锆石U–Pb年代学、地球化学和Sm–Nd同位素研究,与此同时,对前人已发表的岩浆岩研究成果进行全面而系统对比总结,并结合辽河群下部浪子山组碎屑锆石的详细年代学研究,首次揭示古元古代胶-辽-吉带完整的构造演化历史,建立其复杂演变过程的构造演化模式,为中朝克拉通东部陆块早前寒武纪相关研究提供了新的思路。前人根据不同的岩石组合特征、空间分布和变质特征,将胶-辽-吉带划分为南、北两个亚带(在辽东半岛分为南辽河群和北辽河群)。其中,南辽河群变基性岩岩石类型主要为斜长角闪岩,局部为石榴斜长角闪岩;而北辽河群变基性岩则由变辉长岩、变辉绿岩和少量(石榴)斜长角闪岩所组成。LA-ICP-MS锆石U–Pb定年结果表明,南、北辽河群变基性岩具有相近的岩浆结晶年龄(约2130 Ma)和变质年龄(约1900 Ma),并显示出相似的全岩地球化学和Sm-Nd同位素特征,表明它们是同一期岩浆活动在相同构造环境下的产物,并且共同经历了古元古代后期的变质热事件的改造。进而揭示南、北辽河群(亚带)在古元古时期应该形成于相同的构造环境。全岩地球化学和同位素地球化学综合研究表明,辽河群变基性岩来自于受有限俯冲相关流体或熔体交代的亏损软流圈地幔,在尖晶石稳定域部分熔融而成,并且在其形成过程中发生了广泛的结晶分异和地壳混染。这些变基性岩的地球化学特征明显不同于与现代陆内裂谷以及前寒武纪超大陆裂解相关的镁铁质岩石,也不同于典型的弧岩浆岩(包括大陆弧和大洋岛弧),表明它们不可能形成于陆内裂谷或者与火山弧相关的构造环境。这些同时具有富集型洋中脊玄武岩和部分弧岩浆岩地球化学特征的变基性岩更有可能形成于弧后伸展环境。北辽河群的长英质火山岩主要为凝灰岩,多表现为夹层状产出于里尔峪组,呈近东西向带状分布,面积约300km~2。SHRIMP锆石U–Pb年龄结果显示,这些变火山岩的原岩形成于约2170 Ma,早于弧后伸展环境的变基性岩。它们具有典型钙碱性英安岩-流纹岩的地球化学组成,类似于现代的大陆弧安山岩。地球化学和同位素研究表明,这些长英质凝灰岩是古老地壳物质部分熔融的酸性岩浆(例如辽吉花岗岩)与少量基性岩浆(例如辽河群变基性岩)混合后,经过广泛结晶分异的产物,它们应该形成于弧后伸展之前的大陆弧环境。对目前已发表数据的综合研究表明,胶-辽-吉带的古元古代岩浆事件主要分为2190–2160 Ma、2160–2110 Ma、2110–2080 Ma、2000–1895 Ma和1875–1850 Ma等五期,它们的岩石学成因可以与相关构造演化阶段一一对应。(1)在狼林-辽南-Gyeonggi地块东南侧古元古代大洋板片向西北俯冲的早期阶段,强烈的板片回转导致海沟后撤以及上覆大陆岩石圈(即龙岗-辽南-狼林地块)的伸展,诱使软流圈地幔上涌并伴随减压熔融产生基性岩浆。与此同时,上覆的大陆地壳被底垫的基性岩浆加热,发生部分熔融产生2190–2160 Ma的铝质A2-型花岗岩,而少量基性岩浆与这些地壳熔体混合形成2180–2160 Ma的钙碱性英安质-流纹质凝灰岩。(2)随着上覆板片继续伸展并减薄,弧后盆地(或裂谷)打开并逐渐加宽,受有限俯冲相关流体或熔体交代的软流圈地幔上升至尖晶石稳定域并发生部分熔融,产生同时具有洋中脊玄武岩和部分弧岩浆岩地球化学特征的2160–2110 Ma基性岩。(3)东(北)侧的北澳大利亚克拉通与西侧的俯冲带在约2110–2080 Ma发生碰撞使得弧后伸展相关的基性岩浆活动停止。持续的碰撞和挤压进一步导致弧后盆地内新的初始俯冲,并出现弧前伸展。受俯冲板片和古老沉积物起源熔体交代的弧下地幔减压熔融形成2110–2080 Ma具有钙碱性和拉斑质特征的基性岩。同时,上覆大陆地壳受基性岩浆底垫并加热,发生部分熔融并形成2110–2080 Ma铝质A2-型花岗岩。(4)东(北)侧的北澳大利亚克拉通、中间的大陆弧(狼林-辽南-Gyeonggi地块)以及西侧的龙岗地块持续碰撞并开始造山,伴随有区域性的高角闪岩相至麻粒岩相的峰期变质作用,加厚的下地壳发生部分熔融并产生2000–1895 Ma的埃达克质花岗岩。(5)古元古代晚期,陆-弧-陆之间的碰撞造山过程停止,紧随其后的是广泛的造山后伸展事件,与此同时,在狼林地块和胶-辽-吉带产生巨量的1875–1850 Ma岩浆岩,随后区域变质岩石发生了广泛的退变质作用(即折返与冷却)。浪子山组属于辽河群最下部地层单元,仅见于靠近龙岗地块的北辽河群北侧。对其中8件沉积岩样品进行的703个碎屑锆石U–Pb定年结果表明,浪子山组具有一个明显的约2529 Ma的年龄峰值,以及~2700 Ma、~2347 Ma和~2198 Ma的次要年龄峰值。该年龄分布特征完全不同于辽河群的其它地层单元(2.2–2.1 Ga的年龄主峰)。物源区分析表明浪子山组沉积物主要来自北侧相邻的龙岗地块,仅极少部分可能来自胶-辽-吉带的早期岩浆活动。相关岩石组合与碎屑锆石年代学分布特征进一步表明,浪子山组在约2205–2190 Ma形成于被动大陆边缘,由此可将胶-辽-吉带早期大洋板片俯冲的时限限定在2205 Ma之后。综上所述,东部陆块在古元古代经历了一个完整的威尔逊旋回,包括大洋板片初始俯冲、弧后伸展、弧后盆地(或裂谷)闭合、陆-弧-陆碰撞造山以及造山后伸展。
【学位授予单位】:中国地质科学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:P588.1;P597.3;P534.3

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【参考文献】
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