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华北克拉通东南缘前寒武纪变质基底及深源包体的岩石地球化学和同位素年代学研究

王安东  
【摘要】:本博士论文研究的主要区域位于华北克拉通(NCC)东南缘,涉及郯庐断裂带附近的蚌埠-凤阳地区以及徐州-宿州地区;研究的主要对象为蚌埠-凤阳地区蚌埠隆起区内出露的前寒武纪变质基底(五河群)和代表性中生代花岗岩,以及宿州地区中生代闪长斑岩中深源包体;主要研究方法包括变质岩石学、锆石U-Pb年代学、元素和同位素地球化学分析。同时,为了探讨华北克拉通晚太古代时期(2.5-2.8Ga)地壳生长特点(2.5-2.6Ga vs.2.7-2.8Ga)及其成因构造背景,本文还综述了近年来发表的前寒武纪变质岩中钻石U-Pb年龄和Hf同位素数据。主要研究目标及进展包括:(1)综述了华北克拉通变质基底及沉积盖层中的锆石Hf同位素特征,探讨了华北克拉通在这一时期的地壳生长特点;(2)对蚌埠隆起区内老山花岗岩进行了锆石U-Pb定年,揭示了该岩体的形成时代和岩浆源区,探讨了三叠纪扬子俯冲陆壳对华北克拉通东南缘的影响;(3)对五河群中变基性岩开展了岩石学、年代学以及元素和同位素地球化学研究,探讨了变质基底的变质演化过程和形成构造背景以及利用Pb同位素组成来区分华北与华南变质基底的适用性;(4)首次把蚌埠隆起区内的中生代花岗岩、女山麻粒岩包体和五河群变质基底三者之间的岩石成因联系起来研究,进一步探讨花岗岩的成因;(5)重点对宿州地区夹沟中生代岩体中不同类型深源包体进行了系统的岩石学、锆石U-Pb年代学以及元素和同位素地球化学研究,鉴别出不同形成时代的多种类型包体,证明它们具有不同的岩石成因并经过多期不同程度变质作用叠加与改造;(6)在此基础之上,探讨了华北克拉通东南缘前寒武纪下地壳的形成和演化过程,查明华北克拉通东南缘在前寒武纪发生过幕式地壳生长,至少包括2.5-2.6Ga和~2.1Ga两期俯冲增生和~1.8Ga的垂向增生。主要的研究内容及成果体现在如下方面: 1.华北克拉通晚太古代(2.5-2.8Ga)地壳生长及其地质意义 不同于世界上大部分克拉通以2.7-2.8Ga地壳生长为主,华北克拉通具有2.5-2.6Ga和2.7-2.8Ga双重地壳生长特征,2.7-2.8Ga新生地壳在华北克拉通的记录比以前认为的要广泛。华北克拉通晚太古代地壳生长也显示出显著的区域差异性,东部陆块(以2.7-2.8Ga为主夹少量2.5-2.6Ga,古元古代岩浆作用以古老地壳物质的重熔为主,有大量早-中太古代地壳时代记录)、西部陆块(以~2.7Ga为主,古元古代岩浆作用既有新生地幔来源也有古老地壳物质来源,早-中太古代锆石年龄记录相对缺乏)及中部造山带之间存在明显的不同;中部造山带南端和北端的地壳生长存在显著的差异性,中部造山的变质演化比以前认为的要复杂,可能存在多期俯冲-增生过程。华北克拉通在晚太古代时期处于一种地幔柱(垂向增生)与岩浆弧(侧向增生)相结合的地质背景下,与全球其它克拉通相一致,代表全球的构造转折期。 2.蚌埠隆起区内老山花岗岩的锆石U-Pb定年及其地质意义 老山含石榴子石片麻状花岗岩的锆石U-Pb定年结果表明:CL图像揭示锆石具有典型的核-幔-边结构,即继承的岩浆核、变质幔和具有岩浆结晶环带的边。核部和幔部分别给出新元古代(850Ma)岩浆年龄和三叠纪变质年龄,边部给出的159±2Ma年龄被解释为岩浆侵位时代,代表蚌埠隆起区内中生代最早一期岩浆活动。 850Ma新元古代岩浆锆石年龄和三叠纪变质年龄同时出现,表明老山岩体的物质源区为三叠纪俯冲的扬子陆壳物质,暗示扬子陆块在中生代时期至少已经俯冲至蚌埠地区,说明华北克拉通东南缘受到了扬子俯冲陆壳的影响。 此外,老山含石榴子石片麻状花岗岩的钻石U-Pb定年和五河群变基性岩Pb同位素分析结果表明,需要慎重利用继承锆石年龄和Pb同位素组成来识别华北南缘中生代岩浆物质来源。近年来在华北克拉通东部陆块内部及东南缘发现了越来越多的850Ma新元古代锆石年龄记录,因此有关继承钻石年龄的判别标准也面临挑战。考虑到华北新元古代锆石年龄均850Ma,而扬子新元古代岩浆岩和苏鲁-大别超高压正变质岩原岩年龄大多数850Ma(峰值在~750Ma),因此这一标准仍然具有一定的可区分度。因此,兼具850Ma新元古代岩浆钻石和三叠纪变质锆石双重年龄特征的岩石可以认为源自扬子俯冲陆壳,说明三叠纪变质钻石年龄在鉴别华北克拉通东南缘中生代岩浆源区中的重要作用。 3.五河群中变基性岩的岩石地球化学和年代学及其对研究区中生代花岗岩成因的制约 蚌埠隆起主要由五河群(变质基底)和中生代岩体组成。对五河群中不同产状的变基性岩进行了系统的岩石地球化学和锆石U-Pb年代学研究。凤阳地区(九华山)变基性岩(石榴斜长角闪岩或榴闪岩)主要以构造块体或条带或透镜体形式与大理岩相伴生,而怀远地区(涂山和梅家)变丛性岩(石榴斜长角闪岩或石榴麻粒岩)则被中生代含石榴子石花岗岩所侵入。岩石学和钻石U-Pb年代学(包括CL图像、矿物包裹体、微量元素和SHRIMP定年)研究结果表明,变基性岩经历了~1.85Ga的高压麻粒岩相变质用,这是首次在华北克拉通东南缘变质基底中获得古元古代高压麻粒岩相变质作用的岩石学和年代学证据。虽然在这些变基性岩中未发现有原岩的岩浆钻石,但是结合前人在研究区报道有晚太古代继承锆石和~2.5Ga TTG质片麻岩,同时考虑到~2.1Ga磨盘山/石门山和庄子里片麻状钾长花化岗岩发生了明显变质变形作用(表现为晚期角闪石和白云母沿面理分布),本文认为五河群变质基底可能主要形成于晚太古代,少量变形的变质钾长花岗岩形成于早元古代(属于基底杂岩的一部分)。 变基性岩的元素地球化学数据显示它们的原岩为玄武岩,并具有Nb、P和Ti负异常等岛弧玄武岩(IAB)的特征,表明它们可能形成于晚太古代的岩浆弧背景中。详细的地球化学分析对比发现,它们完全类似于华北北缘出露的下地壳麻粒岩地体,因此,由这些变基性岩等组成的前寒武纪变质基底代表华北克拉通早前寒武纪麻粒岩地体。同位素分析结果表明,五河群变基性岩Nd同位素组成完全类似于华北克拉通北缘麻粒岩地体(Rb-Sr同位素体系已开放或发生重置),但它们却具有高、低不同的两类放射性成因Pb同位素组成,即:凤阳变基性岩具有高的放射性成因Pb同位素组成(207Pb/204Pb15.6,高于前人划定的华北麻粒岩地体);怀远变基性岩具有低的放射性成因Pb同位素组成,207Pb/204Pb15.5,落在华北麻粒岩地体范围内。也就是说,前寒武纪下地壳岩石并非都具有低的放射性成因Pb同位素组成。因此,在判别蚌埠隆起区中生代岩体成因时应慎用Pb同位素组成这一标准。 根据本文获得的五河群数据,结合前人发表的蚌埠隆起区中生代岩体和女山麻粒岩包体的结果,尤其是五河群变基性岩和蚌埠隆起区部分中生代花岗岩具有一致的Sr-Nd同位素组成,表明熔体-残留模型适用于解释隆起区内中生代花岗岩的成因,即:蚌埠隆起区内五河群变基性岩部分熔融形成了区内的部分中生代花岗质岩体(熔体),但是残留成因的麻粒岩包体(熔融残留体)相对缺乏(女山麻粒岩包体绝大部分类似于麻粒岩地体特征,因此不能视为残留体),可能与熔融的程度较低或者研究程度较低有关,或者更大程度是由于熔体提取导致残留体密度过大拆沉进入下覆地幔。部分女山麻粒岩包体(如样品NS201,Huang et al.,2004)可能为熔融残留体。这是首次通过地球化学分析并应用熔体-残留模型将研究区中生代花岗岩、女山麻粒岩包体和麻粒岩变质地体之间的成因关系联系起来研究,改变了以往各自分别研究的状况,有利于整体认识各种类型岩石成因之间的因果联系。 4.夹沟中生代闪长斑岩中深源包体及其岩石地球化学和同位素年代学 本文重点对宿州地区夹沟中生代闪长斑岩中不同类型深源包体进行了系统的岩石学、年代学以及元素和同位素地球化学研究。研究表明,这些包体大致可以分为:(1)幔源辉石岩类;(2)下地壳岩石。 幔源辉石岩类 辉石岩类包体,称为Group1,包括含尖晶石石榴单斜辉石岩、金云母单斜辉石岩和含尖晶石二辉石岩等。单斜辉石中石榴子石出溶体,以及围绕尖晶石的石榴子石冠状体,指示它们为地幔包体并形成于石榴子石-尖晶石相条件下(1.6-2GPa、900-1100℃),极高的Mg#值(62—77)也支持了它们的幔源成因。钻石U-Pb定年结果表明,该类含尖晶石石榴单斜辉石岩包体形成于393±7Ma,这是首次在研究区发现古生代岩浆事件。Sr-Nd-Pb同位素及锆石微量元素图解结果表明这些古生代辉石岩类包体具有类似于华北北缘汉诺坝玄武岩中辉石岩包体/脉体的地球化学特征,是受到俯冲大陆地壳物质和俯冲板片之上的大洋沉积物熔体交代形成的富集地幔。其中一期交代作用发生在古生代(~390Ma),并且,这期构造热事件在北秦岭强烈发育,由此表明古生代北秦岭造山带极有可能向东延伸至华北克拉通东南缘(至少到安徽宿州地区)。 下地壳岩石 这类包体是夹沟深源包体中的主体。其中,大部分为变基性岩,少量为中-酸性片麻岩,且大部分都含有石榴子石。根据岩石学和地质年代学特征,该类包体可以大致分为三类:Groups2、3种4。Group2为变基性岩,主要有石榴麻粒岩、含石榴子石斜长角闪岩、榴闪岩、角闪石岩和基性片麻岩等,形成于2.5-2.6Ga并经历了~1.85Ga或~2.1Ga的高压麻粒岩相变质作用,原岩主要为玄武岩,少量为辉长岩,表现出Nb、Ta和P负异常等岛弧岩石的地球化学特征,部分包体还显示出富Nb玄武岩(NEB)和高Nb玄武岩(HNB)(Nb7ppm)的特征,为典型的岩浆弧背景下的产物(玄武质安山岩-NEB/HNB组合),代表了~2.5Ga俯冲-增生作用。Group4为含石榴斜长角闪片麻岩和花岗质片麻岩,形成于2.55-2.65Ga并经历了2.48-2.49Ga的麻粒岩相变质作用,无后期岩石学和年代学退变质叠加记录,原岩分别具有岛弧玄武岩(IAB,Nb-Ta、 Ti和P负异常等,La/Nb=4.7)和火山弧花岗岩(VAG,Y+Nb=11.2ppm)的地球化学特征。这些结果表明Groups2和4均形成于晚太古代岩浆弧环境,并且可能分别位于下地壳的下部和上部(根据它们是否受到后期2.1/1.8Ga变质和交代作用的影响而加以区分)。Group3为中-酸性片麻岩,原岩为英安岩和高Mg安山岩(MA),它们是岛弧条件下形成的典型岩石;锆石定年结果显示它们形成于~2.1Ga并经历了~1.8Ga的高压麻粒岩相变质作用;表现出埃达克质岩石的元素地球化学特征,结合同位素地球化学分析,它们可能分别代表俯冲板片熔体(英安岩),和受到俯冲板片及上覆大洋沉积物熔体交代的地幔楔部分熔融的产物(Mg质安山岩),因此证明研究区还存在一期~2.1Ga的俯冲-增生作用。考虑到华北(特别是鲁西地区)广泛发育~1.8Ga镁铁质岩墙,因此~1.8Ga高压麻粒岩相变质作用可归因于为同时代地幔柱导致的幔源岩浆底侵作用。因此,根据锆石U-Pb年龄以及多阶段变质演化的岩石学特点(包括发育多期的角闪石等),Groups2、3和4包体具有不同的形成时代和变质演化过程,经历了多期不同程度的变质交代与改造,并非前人认为的单一成因。 包体的元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素地球化学分析表明,Rb-Sr同位素体系已开放或发生重置,而Nd-Hf同位素结果显示它们(Groups2和4)具有2.7-2.8Ga模式年龄峰,表现出华北属性,而Group3代表~2.1Ga与俯冲相关的新生地壳物质。Pb同位素组成上类似于五河群变基性岩,表现出高(Groups2和3)、低(Group4)不同的两类放射性成因Pb同位素组成:一类是具有典型早前寒武纪下地壳岩石特点的低放射成因Pb同位素组成;另一类是因为受到~2.1Ga大洋俯冲与变质作用影响而造成靠近俯冲带的下地壳岩石发生Pb同位素均一化并形成高放射成因Pb同位素组成,这得到了锆石U-Pb定年结果(形成时代为~2.1Ga或具有~2.1Ga的变质叠加或改造的年代学记录)、Th/Yb vs. Ba/La图解和~2.1Ga Pb-Pb'‘等时线”年龄的支持。也就是说,-2.1Ga大洋板片俯冲及其卷入的上覆大洋沉积物熔体交代作用是造成这种独特Pb同位素组成的主要机制,可以用来解释五河群变基性岩和下地壳包体的Pb同位素特征。


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