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大别山甘家岭超高压不纯净大理岩:变质演化与大陆俯冲带的碳循环

刘鹏雷  
【摘要】:自从柯石英和金刚石在深俯冲的陆壳变质岩中被发现以来,超高压变质作用和大陆深俯冲就一直是固体地球科学研究的前沿领域之一。大理岩是超高压变质带内一种常见的岩石类型。相对于超高压榴辉岩和变泥质岩而言,现今关于超高压大理岩的研究程度还比较低。已有研究成果显示,超高压大理岩对于认识超高压地体的变质演化历史以及变质金刚石的形成条件等科学问题均具有非常重要的启示意义。除此以外,同超高压大理岩紧密相关的熔流体活动在壳幔物质循环过程中还扮演着重要角色。由此出发,本研究针对大别山甘家岭超高压不纯净大理岩等变质沉积岩进行了详细的野外观查、室内岩石学、矿物学以及锆石年代学研究等并获得了如下几点研究成果:(1)甘家岭地区广泛出露有超高压不纯净大理岩等多种岩石类型。不纯净大理岩分单斜辉石大理岩和角闪石大理岩两种,其中产有许多榴辉岩透镜体,后者有时还以不连续的布丁状等形式产出。根据云母类型和产出情况可将大理岩中的榴辉岩分为三种类型:多硅白云母榴辉岩、钠云母榴辉岩和不含云母的榴辉岩。含云母的榴辉岩普遍含有柯石英包裹体,而不含云母的榴辉岩则相反。除榴辉岩以外,不纯净大理岩中还产有部分钛斜硅镁透辉石榴子石岩、白云石英石榴子石岩、钙质片麻岩以及多种类型的高压岩脉等。白云石英石榴子石岩比较特殊,其不仅石榴子石中保存有大量完好的柯石英包裹体,而且白云石中亦是如此。更加重要的是,本研究还在该类岩石中发现了若干粒粒间柯石英。这些发现意味着刚性矿物并不是柯石英保存的必要条件,局部较干的流体环境才起着关键作用。(2)甘家岭含石榴子石绿辉石大理岩的峰期组成矿物包括白云石、文石、石榴子石、绿辉石、多硅白云母、柯石英、金红石和褐帘石,其中白云石和褐帘石中分别残留有柯石英和文石包裹体,副矿物菱镁矿主要以包裹体的形式产在白云石中。结合石榴子石-单斜辉石-多硅白云母矿物组合和传统的地质温压计进行计算,本研究获得的峰期变质压力和温度分别为4.05-4.45 GPa和740-820℃。同碳酸盐相关的结构特征以及独立的峰期温压计算结果均不支持白云石分解的可能性。通过对CaO-MgO-SiO2-H2O-CO2体系的相关系进行分析可知,全岩成分对峰期碳酸盐组合具有非常重要的影响。基于已知的岩相学数据和P-T演化轨迹,本研究利用HERMOCALC模拟计算了大理岩在不同变质阶段的流体成分:峰期流体富水而贫二氧化碳,X(C02)为0.01-0.02;近等温折返期间平衡流体中的CO2浓度逐渐升高,后期退变质冷却期间再次降低。峰期的流体成分特征意味着寄主岩石在超高压条件下经历的变质脱碳作用非常微弱。虽然折返期间C02浓度会升高,但该阶段的流体成分主要受控于岩石体系自身的内部缓冲效应,整体的脱碳程度仍然很低。后期的退变质反应研究表明,单斜辉石大理岩向角闪石大理岩转变期间会将流体中的CO2以碳酸盐的形式固定下来。考虑到众多高压-超高压变质带中均广泛出露有单斜辉石大理岩,该退变质过程会对全球碳循环产生重要影响。(3)甘家岭不纯净大理岩中的钙质片麻岩夹层在折返期间经历了低程度部分熔融,残留的峰期矿物主要包括石榴子石、多硅白云母、柯石英和金红石。利用石榴子石-多硅白云母阳离子交换温度计进行计算,本研究获得的钙质片麻岩的峰期变质温度在4.0-4.8 GPa压力下为692-757℃C,同不纯净大理岩记录的峰期变质温度相一致。该类岩石经历部分熔融的证据主要包括多硅白云母的部分熔融结构、长石薄膜及细脉、自形的钾长石、石榴子石边部的黑云母+斜长石后成合晶、绿帘石变嵌晶及其中发育负晶形的多相固体包裹体等。考虑到大别超高压地体近等温减压P-T轨迹难以诱发多硅白云母发生脱水熔融,本研究认为自由水可能参与了钙质片麻岩的熔融过程,熔融反应为Phn+Q+H2O±Na-Cpx=Bt+P1+Melt±Grt,发生的温压条件为1.0-2.0 GPa和650-800℃。部分熔融不仅促进了柯石英退变,而且在某种程度上改造了难熔峰期矿物的化学成分。石榴子石经熔体交代形成一些新生域,新生域的铁铝榴石、锰铝榴石、MREE、HREE和Y含量升高而钙铝榴石、镁铝榴石、P、Sc、Ti、V和Zr含量降低。金红石中的Zr含量很低,记录的变质温度在5 GPa压力下仅为620-643。C,明显低于峰期变质温度,这暗示金红石中的Zr在后期熔体的促进作用经历了再平衡。(4)甘家岭透闪石大理岩和多硅白云母榴辉岩中的锆石都经历过多期变质生长。透闪石大理岩中的锆石至少经历过三期变质生长,其分别以区域-1、区域-2和区域-3为代表。区域-1和区域-2共同记录了锆石的进变质生长过程,206Pb/238U年龄分别为241±3和229±2 Ma,结晶温度分别为515-721和606-781℃C。区域-2中含有白云石、文石、方解石、石榴子石、透辉石、多硅白云母、石英、金红石和磷灰石等矿物包裹体,表明其形成于榴辉岩相变质阶段。虽然区域-1中鲜见矿物包裹体,但其类似于区域-2的稀土元素组成暗示其同样形成于榴辉岩相变质阶段。区域-3中产有方解石和斜长石等矿物包裹体,推测其形成于退变质角闪岩相阶段。榴辉岩中的锆石主要分为三类区域:区域-1、区域-2和区域-3。三类区域不仅含有相同的柯石英榴辉岩相包裹体组合,而且具有一致的平坦型中重稀土元素配分模式并无明显Eu负异常,说明三者均形成于柯石英榴辉岩相变质阶段。区域-2和区域-3Th/U比值很低,表明两者属于变质新生锆石。区域-2和区域-3同样记录了榴辉岩锆石的进变质生长过程,206Pb/238U年龄分别为237±3和224±3 Ma,结晶温度分别为612-686和681-789℃。区域-1Th/U比值偏高,暗示其有可能代表高度重结晶的碎屑核。虽然如此,但是区域-1记录的206Pb/238U年龄和结晶温度却同区域-2近似,分别为237±5 Ma和634-721℃。相较于榴辉岩而言,大理岩中的进变质新生锆石LuN/DyN比值偏高并且范围较广,这可能同其在榴辉岩相条件下含有较少的石榴子石以及石榴子石分布不均匀有关。这一对比研究强调了石榴子石在分异中重稀土元素组成方面所起的重要作用。


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