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华南早古生代火山岩与紫苏花岗岩研究:对陆内造山岩浆起源和结晶分异的启示

张喜松  
【摘要】:华南早古生代造山带作为世界范围内出现的少数以陆内造山为特征的造山带,其在沉积记录上最显著的特征为泥盆纪地层与前泥盆纪变形、变质地层的角度不整合接触和空间上大范围的志留纪地层缺失。同时,这次造山作用还形成了呈弥散面状展布在扬子地块东部和华夏地块的以长英质岩浆为主的火成岩。以往的工作主要聚焦于早古生代侵入岩,但对同时代的火山岩和紫苏花岗岩关注较少,研究较为薄弱,这制约了我们对早古生代岩浆活动的总体认识。本文在前人已有研究积累的基础上,选择早古生代火山岩和含石榴子石紫苏花岗岩为研究对象,同时结合已有的资料进行对比研究,开展了系统的岩相学、锆石U-Pb-Hf同位素、全岩地球化学、热力学模拟和矿物温压计等工作,以期更为深入和全面地认识华南早古生代演化过程和岩浆活动的动力学背景,进而探讨构造热事件与岩浆作用的内在联系。早古生代火山岩在空间上出露于造山带的西南端,即广东省境内,分别为开平马山、始兴河口和韶关茶园山。锆石U-Pb定年显示这些火山岩的喷发时代为445-435 Ma,与同时期侵入岩浆活动的峰期一致(450-430 Ma)。这些火山岩在岩性上分为2组,第一组为马山、河口英安岩、流纹岩,其在主量元素上具有高的Si O_2含量,低的Mg O和Fe_2O_3含量。火山岩的全岩微量元素和同位素组成表明这些英安岩、流纹岩为古元古代地壳基底物质部分熔融的产物。第二组火山岩为茶园山玄武岩,具有低的Si O_2含量,高的Mg O、Ni和Cr含量,富集LILE,亏损HFSE。玄武岩中较低的Nb/La比值,较高的Th/Yb比值,结合富集的全岩Nd同位素组成显示茶园山玄武岩起源于交代的富集陆下岩石圈地幔。玄武岩中保存的“俯冲特征”的地球化学印记(钙碱性,富集LREE和LILE,亏损HFSE)是继承自源区,而非指示早古生代的俯冲构造背景,这也得到了火山岩与下覆沉积地层接触关系的支持。软流圈上涌和玄武质岩浆底侵分别促使交代富集的陆下岩石圈地幔和中-下地壳发生熔融,进而分别产生茶园山玄武岩和马山、河口英安岩、流纹岩。对于华南早古生代陆内造山带岩浆活动如此强烈的原因,新元古代形成的构造拼合带的再活化、造山运动晚期阶段软流圈地幔的上涌以及玄武质岩浆底侵引发的中-下地壳物质的广泛重熔是三个主要因素。云炉含石榴子石紫苏花岗岩位于粤西云开地块的高州杂岩体中心部位,平面上呈椭圆状透镜体出露,基性的苏长岩和石英二长苏长岩出露在紫苏花岗岩与围岩的边界接触带附近。岩相学、石榴子石-斜方辉石温度计、石榴子石-斜方辉石-斜长石-石英压力计、rhyolite-MELTS矿物相关系模拟和流体包裹体分析表明云炉紫苏花岗岩侵位于地壳~20 km深度(~600 MPa),岩浆的初始温度大于900℃,岩浆初始水含量为~4.0 wt.%,且基本不含CO_2。二长石温度计、rhyolite-MELTS流体成分模拟结合前人实验岩石学工作显示云炉紫苏花岗岩最终固结于水饱和(“湿”),且温度为~630℃(“冷”)的条件下,这一认识明显不同于前人报道的准铝质紫苏花岗岩,后者通常固结在水不饱和(“干”),且温度800℃(“热”)的条件下。云炉紫苏花岗岩中,基于Fe-Mg平衡的石榴子石-斜方辉石、石榴子石-黑云母、斜方辉石-黑云母温度计给出了近乎一致的结晶温度,770-820±60°C,明显高于岩浆的水饱和固相线温度和二长石温度计结果(630±50°C),反映矿物成分上的不平衡。对于这种温度不一致,我们提出了熔体抽离模型来解释这种成分不平衡现象,即岩浆在结晶至~30-45%结晶度时的晶粥阶段发生了熔体抽离,此结晶度下对应的岩浆温度为780-820℃。熔体抽离造成早结晶的镁铁质矿物与粒间熔体发生物理分离,从而阻碍镁铁质矿物与熔体之间的元素持续扩散平衡,造成镁铁质矿物只记录了熔体抽离时刻的温度。上述熔体抽离模型也同时得到了岩相学与地球化学模拟工作的支持。本次研究表明对于那些可能记录了酸性岩浆储库/岩浆房中的熔体抽离过程的侵入岩,通过综合的显微岩相学、矿物温度计和热力学模拟等手段可以有效识别,进而定量制约酸性岩浆房中的结晶分异过程。云炉苏长岩、石英二长苏长岩和紫苏花岗岩具有一致的侵位年龄,即~430 Ma。岩相学与矿物化学结果显示三种岩石类型具有相同的造岩矿物组合(石榴子石、斜方辉石、黑云母、斜长石、钾长石、石英和钛铁矿)、相近的矿物成分和不同的造岩矿物比例。其中石榴子石为贫锰、钙的铁铝榴石,斜方辉石为富铁的紫苏辉石,黑云母为富钛的铁云母,斜长石为中长石。在主、微量哈克图解上,从苏长岩到紫苏花岗岩展示出线性变化的元素特征。同时,不同岩石类型具有相近,且富集的全岩Sr-Nd和锆石Hf同位素组成,基于上述结果,我们认为不同岩石类型具有相同的源岩,即古老的变质沉积岩,且岩浆房的结晶分异过程控制了不同岩性的成分变化。云炉苏长岩-石英二长苏长岩-紫苏花岗岩均具有相比变质沉积岩起源的实验熔体更基性的成分特征,同时在岩相学特征上,从基性的苏长岩到酸性的紫苏花岗岩分别显示出从镁铁质矿物和长英质矿物的堆晶现象。因此,云炉苏长岩、石英二长苏长岩和紫苏花岗岩为一套成分连续变化的堆晶岩,其成分变化受控于岩浆不同结晶度下发生晶体-熔体分离的矿物组合和比例。基于质量平衡和热力学模拟的全岩主量元素地球化学模拟结果表明苏长岩形成于岩浆结晶度为~15%,表明酸性的母岩浆需要在非常低的结晶度下发生晶体-熔体分离方可形成基性的堆晶苏长岩。这一结果明显低于前人认为的40-70%的结晶度区间。对于晶体-熔体分离的物理机制,受阻沉降和重力压实是主要的方式,针对云炉苏长岩-石英二长苏长岩-紫苏花岗岩的定量计算模拟显示,两种物理过程的持续时间均小于0.1 Ma。这一时间尺度小于等于中-上地壳深度、中等体积的岩浆房的活动寿命(~0.1-0.3 Ma),表明在岩浆完全固结之前,即可完成上述物理过程。本次研究工作还证实苏长岩可以由壳源的酸性岩浆通过晶体堆积形成,而非一定需要幔源岩浆的参与,这对苏长岩的岩石成因具有重要意义。对于早古生代火山岩和紫苏花岗岩形成的构造背景,其可能形成于陆内造山环境下的后造山伸展背景,且火山岩的工作揭示造山带西南端垮塌和伸展的时间可能开始于~445 Ma,软流圈地幔上涌和玄武质岩浆底侵诱发了上覆的岩石圈地幔与下地壳物质的熔融,分别产生了茶园山玄武岩和马山、河口英安岩、流纹岩。而对于云炉紫苏花岗岩,其侵位温度与压力显示了云开地块在早古生代具有较高的地温梯度(45°C/km),且源区熔融温度超过900°C,同样指示幔源玄武质岩浆底侵诱发地壳深熔的过程。


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