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大别山超高压变质岩普通Pb同位素填图和榴辉岩金红石微量元素地球化学

沈骥  
【摘要】:本博士论文涉及两个研究领域:(1)大别山超高压变质岩普通Pb同位素体系,和(2)大别山榴辉岩和石榴辉石岩及所含金红石的微量元素地球化学。 首先本文对整个东大别造山带三个主要的超高压岩片(北大别高温超高压杂岩带、中大别中温超高压变质带和南大别低温榴辉岩带)中的正片麻岩进行了系统的长石普通铅同位素研究,探讨大别山超高压变质岩普通Pb同位素组成以及Plumbotectonic模型在俯冲陆壳超高压变质造山带的适用性。主要研究目标是:(1)通过对罗田穹窿和北大别东部地区超高压正片麻岩的长石普通铅同位素研究,并结合前人对该区域岩石学,地球化学和年代学研究,观察罗田穹窿与北大别东部是否存在剥蚀深度的差异;(2)通过对三个超高压岩片的普通铅同位素组成的研究,探讨俯冲陆壳内部上、中、下地壳的Pb同位素演化和对Zartman的Plumbotectonic模型在俯冲陆壳超高压变质带应用的补充;(3)通过比较大别高压—超高压正片麻岩和苏鲁地区大陆科学钻探(CCSD)中主孔超高压变质岩的普通铅同位素组成,探讨大别与苏鲁超高压变质带之间的对比关系。 本论文中的超高压榴辉岩和石榴透辉石岩及所含金红石主、微量元素地球化学研究研究包括:对大别-苏鲁地区70余件榴辉岩(石榴辉石岩)进行金红石激光原位分析,寻找适合于U-Pb定年的高U金红石,分别于中大别山双河地区发现了含高U金红石的榴辉岩透镜体和毛屋变镁铁质-超镁铁质岩中发现含高U金红石的石榴透辉石岩。在此基础上,分别对两个地区榴辉岩主、微量和单矿物及金红石的主、微量元素分析,并对部分高U含量金红石进行Cameca U-Pb定年工作,探讨了俯冲陆壳在进变质和退变质作用中微量元素的行为,和板块俯冲过程中可能存在具有不同Nb/Ta比特征以及低镁同位素组成的地幔楔流体交代作用。 本博士论文获得主要研究成果如下: 1.罗田穹窿作为北大别西南段一个特殊的构造单元,由于其经历了燕山期穹窿构造作用及后期的剥蚀,可能出露较北大别东部地区更深的超高压岩片。从普通Pb同位素组成的数据来看,这两个地区的花岗片麻岩具有类似的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb组成:罗田穹窿正片麻岩的普通Pb同位素组成为206Pb/204Pb=16.312-17.708(平均值为16.941),207Pb/204Pb=15.289~15.473(平均值为15.373),20sPb/204Pb=37.152~38.013(平均值为37.558)以及208Pb/206Pb=2.143~2.282(平均值为2.218);北大别带东部正片麻岩普通Pb组成为206Pb/204Pb=16.213-17.442(平均值为16.762),207Pb/204Pb=15.294-15.445(平均值为15.382),208Pb/204Pb=37.162~37.867(平均值为37.515)以及208Pb/206Pb=2.168~2.292(平均值为2.239)。两个区域之间并没有明显的Pb同位素差异,说明了罗田穹窿的剥蚀深度尚没有达到更深层次的超高压岩片,因此罗田穹窿和北大别东段可作为一个连续的超高压单元(北大别带)。 2.大别山三个超高压岩片的普通铅同位素表现出如下特征:(1)在207Pb/204Pb vs.206Pb/204Pb图上中、南大别以及部分北大别正片麻岩数据(206Pb/204Pb17.0)落在0.8-0.23Ga古等时线之间,另一些北大别数据落在1.6-0.8Ga(206Pb/204Pb17.0)古等时线之间,说明它们的同位素演化在0.23Ga时被冻结,并且超高压变质作用并没有使三个岩片(上、中和下地壳)的铅同位素均一化,甚至没有在一个岩片内部的铅同位素均一化。除了2个中大别的副片麻岩样品具有高放射成因Pb并落在Zartman的模式上地壳演化线之上,和1个南大别正片麻岩样品具有较高207Pb/204Pb值并落在铅构造模型的造山带演化线上,其他大别造山带花岗片麻岩数据均分布在地幔演化线两侧,并且相当一部分落在地幔和下地壳演化线之间,远远低于Zartman模型中模式造山带演化线,说明大别超高压岩片原岩主要是古老下地壳物质的再造加上新元古代地幔物质。中大别和南大别的演化趋势基本是共线的,数据范围基本一致且南大别略高,反映了它们原岩形成后具有类似的μ(238U/204Pb)值和Pb演化历史;(2)在206Pb/204Pbvs.208Pb/204Pb图中,大别山三个超高压岩片的正片麻岩均具有高Th/U(k232Th/238U4)特征。北大别206Pb/204Pb17.0的数据主要沿下地壳演化线(k=5.9)分布,而南大别和中大别正片麻岩主要沿着4k5.9分布,完全不具有铅构造模型的平均上地壳特征(k=3.4),这主要是受到原岩中含有再造的古老下地壳物质的影响。而部分北大别206Pb/204Pb17.0的数据则向南大别和中大别正片麻岩数据趋势连接,这可能是在板片折返到中上地壳时,受退变质流体的影响导致了三个岩片之间的Pb同位素混合。 上述大别造山带花岗片麻岩Pb同位素特征有别于Plumbotectonic铅同位素演化模型的模式造山带演化线。这是因为该模型是以整个俯冲洋壳体系为基础,模型中的造山带组成中包含了大量具有高放射成因Pb组成的加积楔,而大别山正片麻岩源岩的U-Pb同位素体系主要继承了其下地壳源岩的特征,其原岩较少含古老上地壳物质,并经历了较长时间(2.0-0.8Ga)的下地壳演化历史,因而不具有plumbotectonic模型的造山带演化线特点。 大别造山带花岗片麻岩普通Pb同位素数据可以用四阶段U-Pb同位素演化模型模拟。第一阶段为4.0-2.8Ga单阶段地幔Pb演化:第二阶段为2.8-2.0Ga太古代新生上、下地壳至早元古代的演化;第三阶段为2.0-0.8Ga,片麻岩的源岩在此期间经历较长间的下地壳演化;第四阶段为0.8-0.23Ga,片麻岩源岩在0.8Ga时发生部分熔融产生的花岗岩浆侵位于地壳的不同深度,决定了其0.8-0.23Ga期间的U/Pb和Th/U演化特征,从而使俯冲上、下陆壳具有不同的演化历史。本文模拟计算结果表明:北大别带206Pb/204Pb17.0的样品0.8Ga侵位后的μ值为3.4-9.6,具有下地壳演化特征;而中、南大别带样品0.8Ga后的μ值为10.9-17.2,具有上地壳特征。这与这三个折返超高压岩片在俯冲陆壳中的初始位置一致。超高压变质岩折返至中地壳经历角闪岩相退变质重结晶作用可导致不同岩片之间的Pb同位素发生混合。所以,碰撞造山带折返的超高压变质俯冲陆壳的U-Th-Pb体系有两个主要因素:原岩组成和演化历史以及原岩侵位深度。在应用plumbotectonic模型于碰撞造山带超高压变质岩Pb同位素数据分析时,应该综合考虑上述各种因素和该造山带特有的多阶段演化历史,而简单地将Pb同位素数据投图比较是对该模型的一种误读,尤其是在俯冲陆壳造山带区域。一般来说,侵位于下地壳位置的岩片(北大别)在超高压变质作用后仍然会部分保留其原岩组成和下地壳演化的特征。 3.比较CCSD主孔与大别超高压变质岩长石普通Pb同位素组成,发现CCSD中第一单元普通Pb同位素与中、南大别组成类似,说明其原岩曾就位于中地壳或上地壳位置。然而,第三单元的Pb同位素组成与北大别Pb同位素相比,具有基本一致的k值和更低的放射成因Pb组成,说明它的原岩中含有的古老下地壳物质较北大别更多。第五单元显示出极低的Pb同位素组成,这说明了它的原岩中含有大量古老下地壳物质。通过模拟计算,第五单元具有较第三单元和北大别更低的两阶段μ值,说明第五单元岩浆的侵位深度较第三单元和北大别更深。大别造山带并未出露这种极低Pb同位素组成的岩片,然而大别造山带一些碰撞后花岗岩侵入体具有这种低放射成因Pb特征,说明这样一种低放射成因Pb组成的岩片可作为大别山碰撞后花岗岩的源区。它们在折返后,仍就位于中下地壳位置,在后期剥蚀过程中也并未出露地表。而这种低放射成因铅岩片在苏鲁造山带的出露同时也说明了在俯冲折返之后苏鲁地区剥蚀深度较大别山更深。 4.将双河含高U金红石的小榴辉岩透镜体与前人对该地区的厚层榴辉岩对比研究发现,本文研究样品具有明显的Th、U和LREE富集特征,并且表现出大离子亲石元素解耦(即Th-U和LREE富集,Rb, Ba, K亏损)以及Th-U和LREE与主要元素(MgO和SiO2)解耦(即富集Th-U和LREE的榴辉岩反而具有高MgO,低SiO2含量)特征。这两种解祸现象不能用原岩的岩浆结晶分异或陆壳混染来解释,但均可以用前进变质脱水Rb,K丢失和形成富Th, U, LREE变质矿物(如独居石)解释。考虑到富集Th-U和LREE的榴辉岩的低Nb/Ta,说明该前进变质脱水过程主要发生在角闪岩相。这说明,在板块俯冲和变质脱水过程中,如果流体流经的榴辉岩有独居石、褐帘石或黝帘石等富Th, U, LREE变质矿物形成,它们可以被平衡再分配而滞留下来,在俯冲板片内局部富集。这是首次在大别山双河地区榴辉岩透镜体中发现了俯冲板片进变质流体自交代导致的Th,U和LREE的富集现象。同时对该透镜体的剖面分析(榴辉岩相→退变质角闪岩相)表明,退变质作用会明显降低全岩Th-U和LREE,以及金红石U含量。此外,本工作发现金红石的退变质榍石反应边较金红石U含量高,在退变质过程中,U在榍石反应边与金红石边部的扩散交换可导致金红石边部U含量进一步降低。 5.毛屋变镁铁质-超镁铁岩体中的石榴辉石岩主、微量元素特征(高Mg#,Cr, Ni和Th-U-LREE富集)以及与毛屋变超镁铁岩的地质产状关系(多旋回,互层状连续产于同一岩体中)表明该石榴辉石岩的原岩可能是地幔楔中含少量地幔矿物的基性辉石岩脉。在这些石榴透辉石岩中发现了具有明显不同Nb/Ta比值的两类高U金红石:一类金红石Nb/Ta比值范围10.9-17.0(n=85,五个样品),另一类金红石Nb/Ta比值范围19.4-28.3(n=89,一个样品)。它们记录了这两个样品被具有不同Nb/Ta比值的流体交代的事件。这两种熔流体可能来源于在角闪岩相已发生Nb/Ta分异的俯冲板片不同部位部分熔融反应(低温含水榴辉岩部分熔融形成低Nb/Ta比熔体,高温无水榴辉岩部分熔融形成高Nb/Ta比熔体)。所测6个样品中有5个具低Nb/Ta比值,只有1个具高Nb/Ta比值,这说明低Nb/Ta比值流(熔体)交代作用要比高Nb/Ta比值流(熔体)交代作用广泛和强烈得多,从而导致交代地幔楔整体上具低Nb/Ta特征。根据Rowley et al.(1997)从毛屋榴辉岩中获得的锆石上交点U-Pb年龄(447±80Ma)判断,这两类交代作用可能均发生在古生代洋壳俯冲阶段。


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