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冀东遵化和鄂西庙湾前寒武纪豆荚状铬铁矿的指示特征及地球动力学意义

黄阳  
【摘要】:板块构造对地球的海陆变迁、矿产资源和地质灾害等的形成分布具有重要影响。太古宙板块构造相对显生宙而言构造样式被认为不尽相同,且相比显生宙以来的板块活动,目前对早期地球板块(前寒武纪)构造演化了解较少。这是由于早期地质现象出露很少且受后期地质作用叠加,抹掉了早期地质演化信息,因此对地球早期地质演化的研究十分困难。前寒武板块构造研究的主要争议在于板块构造启动时限和板块构造样式与显生宙的差异,如是否存在显生宙常见的板块深俯冲。地质学家将显生宙汇聚边界特征性大地构造单元,包括蛇绿岩、超高压(UHP)变质作用、不同造山类型、增生地幔楔和双变质带等引入前寒武大地构造研究,用来约束地球早期构造演化特征及模式。经大量研究发现,保存在造山带内的古大洋岩石圈残片(称为蛇绿岩)及其中特有的豆荚状铬铁矿可为揭示不同地质历史时期尤其是地球早期壳幔物质循环作用及板块构造运动作出贡献。同蛇绿岩一样,造山带中的混杂岩也指示古缝合带或俯冲带的位置。混杂岩常指来源不同、时代不同的岩体由于板块汇聚边缘俯冲增生作用混杂堆积而成,当混杂堆积的组分含有蛇绿岩套中完整或不完整的岩石单元组合的时候被称为蛇绿混杂岩。蛇绿岩或蛇绿混杂岩中的岩石矿物组合及构造几何学分析可指示板块构造运动的环境、成因及俯冲极性;而豆荚状铬铁矿作为其中的特征性岩石矿物单元,更能在后期变形变质过程中保留原始成岩成矿信息,可指示蛇绿岩的成因和形成演化。显生宙蛇绿岩及其中的豆荚状铬铁矿由于年轻、保存较完好而受到大家的关注。前人通过对显生宙蛇绿岩和豆荚状铬铁矿的研究获得大量关于显生宙蛇绿岩形成的大地构造环境、豆荚状铬铁矿成因以及板块构造运动形式的认识。其中值得特别关注的是在显生宙西藏罗布莎蛇绿岩中找到很多原位超高压金刚石、柯石英颗粒和数百种地幔矿物组合,同时也找到许多壳源矿物特别是比罗布莎蛇绿岩形成年龄更老的锆石。这表明显生宙存在壳幔物质大循环(例如碳循环)和板块深俯冲过程。然而前寒武纪(尤其是太古宙)的板块构造演化模式和壳幔物质交换过程尚无定论。因此可以借鉴显生宙豆荚状铬铁矿的研究方法手段加强对前寒武纪蛇绿岩或蛇绿混杂岩及其中豆荚状铬铁矿的研究。基于以上研究背景,本博士论文(下称本文)对元古宙庙湾蛇绿杂岩和遵化晚太古宙蛇绿混杂岩中的豆荚状铬铁矿开展了以野外地质调查为基础的岩相学、矿物学、地球化学、矿物及矿物包裹体显微特征识别和对比的综合研究。元古宙鄂西庙湾蛇绿杂岩位于扬子克拉通北缘,前人已对其岩石矿物单元进行了野外地质、岩石矿物学、全岩地球化学、年代学和同位素地球化学等工作,表明其为一套中新元古代晚期大洋中脊型-俯冲带上蛇绿岩残片组合而成的蛇绿杂岩。铬铁矿较好地出露在方辉橄榄岩和纯橄岩中,研究其矿物学成因和特征可为指示蛇绿杂岩的形成演化提供很好机会。庙湾豆荚状铬铁矿的寄主橄榄岩遭受强烈蛇纹石化作用,全岩地球化学示踪缺乏准确性,但其全岩铂族元素特征同其他显生宙蛇绿岩类似。此外,铬铁矿原始矿物化学特征表明其具有高Cr#值和低TiO_2含量的特点,指示铬铁矿具有俯冲带上起源环境的特征。纯橄岩中铬铁矿显示出岛弧环境下形成的特征。而方辉橄榄岩中铬铁矿同时具有MORB和岛弧环境下形成的特征,表明其赋存的庙湾蛇绿杂岩经历了洋中脊和岛弧两阶段构造背景演化特征。两种橄榄岩铬铁矿中都含有大量矿物包裹体(例如角闪石、橄榄石、单斜辉石、贱金属硫化物、铂族矿物等),其中最多的为角闪石等含水矿物,表明铬铁矿可能结晶于含水熔体。综上,庙湾纯橄岩及其中铬铁矿形成于弧前环境,由玻安质熔体与MORB型方辉橄榄岩在俯冲起始阶段反应生成。同庙湾蛇绿杂岩型豆荚状铬铁矿相比,遵化豆荚状铬铁矿具有较好的研究基础,且形成时代为更老的太古宙。遵化混杂岩带内保留有一套镁铁质-超镁铁质岩异地团块,经岩石地化分析和大地构造解析,可将其恢复为一套不完整的蛇绿岩序列,称为遵化蛇绿混杂岩带。方辉橄榄岩、纯橄岩等超镁铁岩异地团块中含有保存较完好的太古宙豆荚状铬铁矿,遵化混杂岩带内镁铁-超镁铁质岩块及豆荚状铬铁矿的岩石化学研究表明其形成于洋内岛弧-弧前环境。遵化豆荚状铬铁矿的Re-Os同位素年龄显示为2547±10 Ma,寄主橄榄岩的全岩Lu-Hf同位素年龄为2528±130 Ma。此外混杂岩基质副片麻岩的碎屑锆石~(207)Pb/~(206)Pb年龄范围从2522 Ma到2867 Ma,最小谐和年龄为2522±39 Ma,表明蛇绿混杂岩形成于2.52 Ga之后,碎屑锆石的变质边年龄为2467±27 Ma。再加上强变形混杂岩基质被2458±17 Ma未变形的花岗岩脉切穿,可确认遵化蛇绿混杂岩带的形成时代在2.52-2.46 Ga之间。因此遵化混杂岩带被认为是一套太古宙蛇绿混杂岩带。遵化太古宙豆荚状铬铁矿产出在纯橄岩、方辉橄榄岩和铬铁岩中,具有典型蛇绿岩型豆荚状铬铁矿的特点,发育浸染状、豆状和局部块状等矿物结构。所有铬铁矿显示出高铬低铝低钛的矿物化学特征。铬铁矿全岩铂族元素经球粒陨石标准化后显示出豆荚状铬铁矿典型的负斜率特征,即相对富集IPGE而亏损PPGE。遵化豆荚状铬铁矿中含有十分丰富的矿物包裹体,矿物种类繁多包括硅酸盐、铂族、单质、贱金属、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐和氧化物等各种矿物。包裹体按照产出形态,可以分为单矿物相和多矿物相(从两相到五相)。利用透射电镜联用聚焦离子束制样技术对遵化铬铁矿和矿物包裹体进行晶体特征和矿物种类识别,在其中找到金红石的超高压相TiO_2(Ⅱ)和铬铁矿的超高压相陈鸣矿。根据前人研究,TiO_2(Ⅱ)的形成压力至少为6 GPa,对应地下~200 km的深度。而陈鸣矿的形成压力大于14 GPa,对应地下~400 km的深度,也就是地幔转换带顶部。陈鸣矿在普通铬铁矿中以包体出现、TiO_2(Ⅱ)同金红石、角闪石、磷灰石组成的固态多相包裹体出现在陈鸣矿中,表明在太古宙时壳源矿物可能俯冲到地幔过渡带深度。根据这些现象,我们认为地壳的金红石、角闪石及磷灰石以单矿物相或以多矿物相形式随俯冲板片到达深部地幔,当深度超过200km时,金红石部分重结晶为TiO_2(Ⅱ)相。当俯冲到达地幔过渡带时一些铬铁矿转变为陈鸣矿,而这些壳源矿物和UHP矿物被包裹进陈鸣矿中,之后陈鸣矿被带到地球表面进入蛇绿岩中的大洋豆荚状铬铁矿中。随后这些蛇绿岩豆荚状铬铁矿在新太古代一次弧/陆碰撞事件过程中被加积到增生-碰撞混杂岩中。基于铬铁矿稳定的物理化学性质,综合不同时代铬铁矿中丰富的矿物包裹体,我们认为铬铁矿类似于金刚石,可能是壳幔物质循环过程中重要的载体,服务于地球演化过程中的壳幔物质大循环例如C循环。结合本研究,并对比世界范围内不同时代豆荚状铬铁矿的矿物化学、矿物包裹体产出特征,表明壳幔物质循环作用和板块深俯冲作用最早可追溯到新太古代。通过对太古宙遵化和元古宙庙湾豆荚状铬铁矿的详细分析和不同时代铬铁矿的对比研究,本文主要获得以下结论:(1)确认庙湾蛇绿杂岩中豆荚状铬铁矿为蛇绿岩型铬铁矿,通过计算纯橄岩和方辉橄榄岩内铬铁矿的母熔体特征结合矿物包体特征,获知庙湾铬铁矿起源于俯冲带上弧前地幔楔,由玻安质熔体与与MORB型方辉橄榄岩反应形成,推理庙湾蛇绿杂岩中铬铁矿及寄主橄榄岩的形成演化构造背景经历了大洋中脊向俯冲带上的转变。(2)明确太古宙遵化蛇绿混杂岩带中产出的铬铁矿具有典型的豆荚状铬铁矿特征,并全面研究遵化不同结构类型的豆荚状铬铁矿及其中矿物包裹体。首次发现地球上产出在豆荚状铬铁矿中的超高压相铬铁矿(陈鸣矿)及其中的超高压TiO_2(Ⅱ)包体,确定了两个矿物的产出特征和矿物晶体参数。遵化太古宙蛇绿混杂岩中超高压铬铁矿及超高压包裹体的产出,推断晚太古宙可能存在同显生宙类似的板块深俯冲运动,铬铁矿可以作为载体参与壳幔物质大循环。(3)通过对比显生宙-元古宙-太古宙豆荚状铬铁矿及其中矿物包裹体矿物化学特征,表明板块运动在不同地质历史时期具有相似性,推断深俯冲作用至少在新太古代已启动。


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