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扬子陆核古老地壳及其深熔产物花岗岩的地球化学研究

张少兵  
【摘要】: 研究前寒武纪大陆地壳的形成和演化规律,是理解大陆动力学、发展板块构造理论的重要方向之一。湖北省宜昌市三峡地区不仅出露有扬子最古老的基底,而且有大量的新元古代岩浆岩产出,是研究大陆地壳的生长和演化、花岗岩的成因与源区物质控制、新元古代岩浆活动与Rodinia超大陆裂解等科学问题最理想的天然实验室。本文利用多种分析手段,包括主量元素和微量元素分析、锆石U-Pb定年、Rb-Sr和Sm-Nd同位素分析、矿物氧同位素分析以及最新发展起来的锆石Lu-Hf同位素分析,研究了崆岭杂岩中的片麻岩、混合岩、花岗岩、变沉积岩和角闪岩,对黄陵花岗岩基中的四个岩套进行了系统的对比研究,特别是仔细解剖了晓峰镁铁质—长英质岩墙以及相关的浅成花岗岩,并对莲沱砂岩中的一百多粒碎屑锆石进行了U-Pb定年和Lu-Hf同位素分析。结果不仅对三峡地区这些岩石的成因提供了可靠的地球化学制约,而且有助于了解扬子基底的演化和华南新元古代构造,从而为了解大陆的生长、分异和演化以及花岗岩,尤其是TTG质花岗岩的成因机制提供了新的思路。 崆岭杂岩由基底岩石加表壳岩石组成,另外有一些基性岩侵入其中。基底岩石中以TTG质岩石为主,少量为花岗质岩石。表壳岩石主要为变沉积岩,其主微量元素变化范围大,受物源组成的控制。对基底岩石中的混合岩、片麻岩和花岗岩共七个样品进行锆石U-Pb定年,得到三组不同的年龄。第一组年龄为岩浆活动时间,除一个花岗岩年龄为2.85Ga外,其余六个的年龄都在2.90~3.00Ga。第二组年龄是在混合岩和片麻岩中的继承锆石核上获得的,为3.12~3.35Ga。另外,在一个混合岩的锆石增生边上,得到了约1.98Ga的第三组年龄,代表了混合岩化的时间。对表壳岩中的两个变沉积岩进行锆石U-Pb定年,得到两个变质年龄分别为1.95Ga和1.98Ga。对一个角闪岩的锆石U-Pb定年也得到相似的1.94Ga的年龄。这些年龄与混合岩化时间接近,说明崆岭杂岩记录了一期古元古代(1.97±0.03Ga)的构造热事件,引起了扬子陆块的增生乃至克拉通化,可能与同时期的全球构造活动有关。基底岩石氧同位素组成与典型太古代TTG岩石相似,锆石δ~(18)O值大多都小于6‰,而变沉积岩氧同位素组成则显著偏高,与其原岩为沉积来源一致。对混合岩、片麻岩和花岗岩中三组不同年龄的锆石,都进行了锆石Lu-Hf同位素分析。~2.9Ga的锆石颗粒的Hf同位素组成基本相似,εHf(t)值为-2.1到-5.2,对应Hf模式年龄主要分布在3.4~3.5Ga之间。对来自不同样品的13个继承核进行了锆石Hf同位素分析,其Hf同位素比值相对~2.9Ga的锆石略低,所得εHf(t)值加权平均为-1.6,对应Hf模式年龄为3.55Ga。这些数据说明扬子陆块的地壳生长至少从3.5Ga就已经开始。只对混合岩中的一个古元古代锆石增生边进行了Hf同位素分析,其εHf(t)值为-21.7。两个变沉积岩的锆石Hf同位素组成非常相似,εHf(t)值分布范围为-13.3到-1.0,加权平均值分别为-6.4和-6.5。角闪岩锆石Hf同位素比值变化范围大。崆岭杂岩中混合岩、片麻岩和花岗岩的Rb-Sr和Sm-Nd同位素组成比较相似,计算到2.9Ga的εNd(t)值都在0左右,为-1.9~+2.6。变沉积岩的Nd同位素组成变化范围较大,与源区物质的组成不同有关。角闪岩和辉长岩计算到1.97Ga的εNd(t)值分别为-4.3和+4.4。对崆岭杂岩的研究表明,扬子地壳生长至少从3.5Ga就已经开始,经过太古代的生长之后在古元古代受到了再造。 黄陵岩基可以划分为四个岩套,分别是黄陵庙奥长花岗岩—花岗闪长岩岩套,三斗坪石英闪长岩—英云闪长岩岩套,大老岭二长闪长岩—二长花岗岩岩套以及由浅成花岗岩和镁铁质—长英质岩墙组成的晓峰岩套。除晓峰岩套之外,其余三个岩套中的绝大多数花岗岩都以富Na、富Sr,Y和HREE含量低,亏损Nb、Ta为特征,具有典型的TTG特征。但各岩套的主微量元素之间存在系统的差异,黄陵庙岩套相对三斗坪和大老岭岩套Sr/Y比和La/Yb比较高,而Nb/La比则较低。晓峰岩套中的两个花岗岩的锆石U-Pb年龄分别为797±5Ma和799±2Ma,测得一个长英质岩墙年龄为806±12Ma,一个镁铁质岩墙年龄为806±4Ma,显然晓峰岩套中的岩墙和花岗岩都形成于800Ma左右。对黄陵庙岩套中的6个花岗岩进行锆石U-Pb定年,得到的年龄从821Ma到800Ma,加权平均值为815±7Ma,继承核给出了古元古代到太古代的源岩年龄。三斗坪岩套的两个英云闪长岩给出了相似的两组年龄,分别为803±11Ma和919±15Ma,810±15Ma和911±14Ma,前者为三斗坪岩套的结晶年龄,后者可能反映了格林威尔期造山运动的影响。大老岭岩套的一个英云闪长岩锆石U-Pb定年结果为817±22Ma。因此,黄陵岩基各岩套都是在800~820Ma期间形成的。单矿物氧同位素分析表明,黄陵花岗岩基绝大多数样品具有与典型的Ⅰ型花岗岩相似的氧同位素组成,岩墙侵入花岗岩时,只发生了有限的小规模的高温水岩反应。黄陵岩基四个岩套的Sr同位素组成总体上比较相似,Sr同位素初始比值为0.705~0.708。各岩套Nd同位素比值变化范围较大,晓峰岩套εNd(t)值为-6.4到-10.4,黄陵庙岩套εNd(t)值为-9.3到-21.3,三斗坪岩套εNd(t)值为-2.1到-9.2,一个大老岭英云闪长岩的εNd(t)值为-4.4。锆石Hf同位素分析显示,晓峰岩套εHf(t)值-8.3~-12.9,三斗坪岩套εHf(t)值为-10.5~-13.1,一个大老岭英云闪长岩εHf(t)值为-6.1。黄陵庙岩套中新元古代锆石和古老的继承锆石具有截然不同的Hf同位素组成,新元古代锆石的εHf(t)值为-10.3~-24.1,继承核的Hf同位素比值虽然受到新元古代岩浆活动的扰动,仍然显著偏低,最低的继承核εHf(t)值与崆岭杂岩中的太古代岩石相似。这些结果说明,黄陵岩基是由古老地壳在800~820Ma期间遭受深熔作用形成的,这些古老地壳包括下覆于崆岭TTG之下的太古代岩石和古元古代角闪岩,太古代岩石熔融深度较深,残留相中含石榴石,而古元古代岩石熔融深度相对较浅,残留相主要为角闪石。黄陵岩基的源区物质为太古代和古元古代地壳,说明它不可能是与地幔柱或者洋壳俯冲有关的岩浆活动的产物,而更有可能与板块裂谷假说所陈述的古造山带构造垮塌有关。这对TTG岩石的成因、Ⅰ型花岗岩的形成以及陆壳成分的演化都有着重要的意义。 莲沱组砂岩不整合覆盖于黄陵岩基之上,沉积时代约为750Ma。对来自其中的106粒碎屑锆石进行了U-Pb定年,并选取其中的39粒锆石进行了Lu-Hf同位素分析。根据U-Pb年龄,这些锆石可以分为四组,分别为>3.0Ga,约2.95Ga,约1.95Ga以及820-750Ma。其中3.8Ga的锆石代表了扬子最古老的地壳残片,其εHf(t)值为-0.8,模式年龄为4.0Ga。约3.3Ga的锆石具有+4.2的εHf(t)值,暗示了新生地壳的生长。所有锆石都具有太古代的Hf模式年龄,主要峰期在3.2~3.6Ga,可能代表了重要的地壳生长时间。约2.95Ga,约1.95Ga和820-750Ma的锆石都具有负的εHf(t)值和太古代模式年龄,反映了太古代物质在不同期次的幕式再造。最年轻的锆石U-Pb年龄约750Ma,与莲沱组沉积时代一致,反映了裂谷盆地中表壳物质的迅速再循环,可能与Rodinia超大陆的裂解有关。


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