大陆俯冲带超高压变质与部分熔融作用及其时代：中大别花岗片麻岩和榴辉岩及相关斜长角闪岩的研究

【摘要】：从上个世纪80年代在大陆表壳岩石中发现柯石英和金刚石等超高压指示矿物以来,陆壳的深俯冲及超高压变质作用一直成为地球科学研究的热点。部分熔融作用作为大陆俯冲碰撞带中重要的地质过程之一,在陆陆碰撞俯冲及折返过程中越来越广泛的得到认识。熔体的产生,会影响壳幔相互作用、改变岩石的流变学特征、加速岩石内部矿物之间的反应等,对超高压带岩石的物理与化学性质具有重大的影响。与洋壳俯冲不同的是,陆壳具有较低的低温梯度和较少的含水量,在俯冲过程中不能释放大量的流体而引发岛弧岩浆作用，但是,在一些高温超高压区域,当“干”的超高压岩石在类似变质峰期的高温条件下也可发生部分熔融,并且,在折返期间由于少量含水矿物的降压脱水,以及名义上无水矿物的结构水和分子水的释放,同样可导致大陆碰撞带超高压岩片发生部分熔融。因此,准确限定大陆俯冲碰撞带高压-超高压岩石部分熔融作用发生的时间,对查明超高压岩片折返机制及P-T轨迹的重建等具有重要意义。位于中国中东部的大别山造山带是三叠纪华南陆块向华北陆块俯冲形成的碰撞型造山带,因含有柯石英和金刚石超高压变质带出露的规模巨大和岩石类型齐全而闻名于世。其中,大别山超高压变质带包括三个含榴辉岩的岩石单位,即北大别、中大别和南大别。已有研究表明,中大别超高压带花岗质正片麻岩的形成时代为新元古代,而且,副片麻岩、大理岩以及榴辉岩中陆续报道有部分熔融作用的岩相学证据。然而,至于花岗质正片麻岩是否经历了部分熔融作用,以及中大别超高压带部分熔融作用的野外证据、准确时限和产生机制,仍未见报道或缺乏直接证据与限定。因此,为了查明中大别超高压带花岗片麻岩原岩性质和岩石成因、是否发生了部分熔融作用和可能的发生时间,以及确定部分熔融作用与碰撞过程中各个变质阶段的关系,本学位论文对中大别花凉亭、碧溪岭、野寨和龙井关等地的花岗片麻岩、石榴斜长角闪岩以及榴辉岩等变质火成岩进行了系统的野外地质调查以及岩相学、地球化学和年代学等方面研究。结果为中大别花岗片麻岩部分熔融作用发生的期次及其时代提供了野外和岩相学证据与年代学制约,同时,对中大别超高压变质时代提供了新的限定,从而为重建中大别超高压变质带的俯冲和折返过程提供了新的资料。另外,通过对片麻岩、石榴斜长角闪岩和榴辉岩的地球化学特征进行研究与对比,证明研究区花岗片麻岩具有两种不同的原岩性质与岩石成因。岩相学观察和锆石学研究表明：(1)花岗片麻岩的锫石中发现有柯石英、金红石、石榴子石和多硅白云母等榴辉岩相矿物包体；(2)榴辉岩的峰期变质矿物有石榴子石+绿辉石+金红石±柯石英+多硅白云母等：(3)榴辉岩和花岗片麻岩中都发现有角闪石、斜长石和榍石等角闪岩相退变质矿物。证明研究区花岗片麻岩经历了超高压变质作用。而且,结合野外调查和锆石定年结果表明,研究区花岗片麻岩在大陆碰撞期间至少经历了两期部分熔融作用：早期,发生在超高压变质峰期或近于峰期(～230 Ma),熔体结晶后形成了含金红石+石英+钾长石+斜长石等矿物的浅色体；晚期,发生在折返初期(～220 Ma),熔体结晶后形成了含电气石+石英+钾长石+斜长石等矿物的浅色体。花岗片麻岩、含石榴子石斜长角闪岩以及榴辉岩的锆石U-Pb定年结果表明：(1)花岗片麻岩的原岩形成时代为780-800 Ma和750 Ma；(2)超高压变质时代为225～235 Ma以及213～218 Ma左右的角闪石相退变质年龄：(3)上述两类浅色脉体的锆石U-Pb定年结果(结合野外表现和岩相学分析)表明,部分熔融作用形成的锆石通常呈黑色、具有异常高的U含量,给出233±2 Ma和221±2Ma的年龄,确定了两期部分熔融作用发生的时代。因此,中大别花岗片麻岩和榴辉岩经历了225-235 Ma的超高压变质作用以及～230 Ma和～220 Ma的部分熔融作用,证明部分熔融作用发生在角闪岩相退变质阶段之前、超高压变质峰期作用之后。对碧溪岭片麻岩和花凉亭片麻岩的主微量元素及Sr-Nd-Pb同位素分析,发现两个地区的片麻岩稀土元素分配模式类似,但分别落在原岩形成环境判别图的不同位置,结合其原岩时代,指示它们的原岩形成于不同的大地构造背景。同时,同位素分析结果表明,当时间无论是换算到t=220Ma或t=750Ma时,花凉亭片麻岩和碧溪岭片麻岩各自的εNd(t)都很均一,但二者之间的εNd(t)值相差很大,意味着它们具有不同的岩浆源区和岩石成因,Pb同位素结果也显示了两者原岩的差异性。