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敦煌地块古生代岩浆作用及其对中亚造山带构造演化的响应

甘保平  
【摘要】:敦煌地块位于塔里木克拉通和华北克拉通的衔接部位,为中亚造山带南缘具有前寒武纪变质基底的一个微陆块。敦煌地块在古生代经历了多期次、多阶段的构造演化过程,并形成了一些复杂的岩浆-变质杂岩,被认为与古亚洲洋南部俯冲-闭合过程中相关的造山事件密切有关,且其中的花岗质岩浆的成因和动力学机制对于揭示敦煌地块大陆地壳的演化和中亚造山带南缘的构造演化过程等均具有十分重要的地质意义。本论文在已有研究基础上,通过野外地质调研,选取敦煌地块北部的古生代花岗质岩石为研究对象,开展系统的岩相学、岩石学、锆石U-Pb年代学、主微量元素地球化学、矿物地球化学以及同位素地球化学(Sr-Nd-Pb-Hf)研究,试图揭示研究区古生代岩浆活动的时空分布规律,阐明古生代不同时期的岩石单元的成因机制、构造背景及深部动力学过程,从而为探讨敦煌地块古生代地壳演化和中亚造山带南缘的构造演化过程提供了依据,且取得了以下几点认识:(1)在敦煌地块东北部梁湖-小宛-大坡口子地区识别出了一套寒武纪花岗岩,锆石U-Pb年代学结果表明其侵位年龄约为510±2 Ma,为目前报道敦煌地区古生代时期最古老的深成侵入体。地球化学特征表明其属于准铝质、钙碱性I型花岗岩,具有正的ε_(Hf)(t)值(+11.0~+14.7)和ε_(Nd)(t)值(+2.3~+5.6),对应的模式年龄分别为754~520 Ma和970~740 Ma,以及高的放射性成因Pb同位素特征,表明岩浆起源于新生地壳的部分熔融作用,并有少量地幔物质的加入。其中的大坡口子细粒花岗岩具有埃达克质岩石的地球化学特征,如Sr=730–733 ppm,Y=1.84–1.93 ppm和Yb=~0.21 ppm,Sr/Y=380–398,属于加厚的新生地壳(至少大于40 km的地壳深度)部分熔融的产物。结合区域地质,本研究认为敦煌地块中这些寒武纪岩体形成于一个大陆弧的构造背景,为古亚洲洋南缘俯冲作用相关岩浆事件的产物,推测古亚洲洋南缘的初始俯冲时间可能发生于早寒武世。(2)敦煌地块奥陶和志留纪的岩浆岩主要出露在北部瓜州南地区,以梁湖石英闪长岩和十工二长花岗岩为代表,锆石U-Pb定年结果表明其侵位年龄分别为455±3 Ma和431±3 Ma。地球化学特征表明二者都属于准铝质、钙碱性I型花岗岩类岩石,且具有高Sr和低Y含量,以及高的Sr/Y比值,指示具有埃达克质岩石的属性。石英闪长岩具有负的ε_(Nd)(t)值(-1.3~-3.2)和正的ε_(Hf)(t)值(+3.8~+8.0),对应的模式年龄分别为1120~1090 Ma和1165~906 Ma,较高的Mg O-Cr-Ni含量和Mg~#值以及Ba/La和La/Sm比值,表明其岩浆可能起源于俯冲板片(沉积物熔体+流体)部分熔融作用,随后与上覆地幔楔内的橄榄岩发生相互作用,后续在上升过程中同化了地壳物质,形成于俯冲相关的构造背景。二长花岗岩具有负的ε_(Nd)(t)值(-3.6)和正到负且变化较大的ε_(Hf)(t)值(-2.5~+3.0),对应的模式年龄分别为1320 Ma和1197~547 Ma,低的Mg O,Mg~#值以及Cr-Ni-Co含量,表明其岩浆源区是由加厚的新生地壳和中元古代地壳物质混合而成,并且伴有少量的地幔物质参与,属于同碰撞构造背景下的岩浆产物。通过地壳厚度的初步估算,结果显示敦煌地块早志留世地壳厚度可高达50~55 km,推测是由古亚洲洋俯冲过程中幔源岩浆底侵以及后续敦煌地块和北山造山带最南部石板山地体大约在440~430 Ma发生碰撞所致。(3)敦煌地块泥盆纪花岗岩类主要分布在三危山-东水沟-蘑菇台地区,其中东水沟岩体为复式岩体,由石英闪长岩-花岗闪长岩-黑云母花岗岩组成,锆石U-Pb年代学结果表明其侵位年龄为390~380 Ma,侵入花岗闪长岩中的晚期英安斑岩形成年龄为367±4Ma。早期石英闪长岩-花岗闪长岩和晚期侵入体英安斑岩具有岛弧岩浆的地球化学特征,属于中-高钾、钙碱性、准铝质岩系,其中石英闪长岩-花岗闪长岩具有正的ε_(Nd)(t)值(-0.73~+0.38)和ε_(Hf)(t)值(+3.12~+10.7),对应的模式年龄分别为1.12~1.04 Ga和1.15~0.83 Ga,以及显示下地壳属性的Pb同位素组成。这些岛弧岩浆岩均被认为是在镁铁质幔源岩浆底侵作用下,诱发新生玄武质下地壳部分熔融作用的产物。黑云母花岗岩具有高Sr,低Y含量以及高的Sr/Y比值,表明具有埃达克质岩石的属性。此外,它们还具有高的Cr-Ni含量和Mg~#值,正的ε_(Nd)(t)值(+3.0),负到正且变化较大的ε_(Hf)(t)值(-3.67~+12.2,大部分大于0),对应的模式年龄分别为1.34~0.57 Ga和0.82 Ga,以及低的Pb同位素组成,这些特征表明其可能起源于俯冲板片的部分熔融作用,随后与上覆地幔楔橄榄岩发生相互作用,并且岩浆上升期间可能受到一定程度的中元古代地壳的混染。(4)本研究从三危山-黄水沟北地区敦煌群中厘定出了450~440 Ma的片麻状英云闪长岩(属于第二、三岩组)和368±3 Ma的酸性火山岩(属于第四岩组)。片麻状英云闪长岩具有岛弧岩浆的特征,显示相对富集大离子亲石元素(如Rb,Ba,U和Pb),亏损高场强元素(如Nb,Ta和Ti)的特征,具有变化范围较大的ε_(Hf)(t)值(-9.7~+10.4),表明岩浆起源于新生地壳物质和古老地壳物质的部分熔融作用。三危山酸性火山岩有负的ε_(Hf)(t)值(-5.6~-1.9),古元古代的模式年龄(平均年龄为1640 Ma),指示岩浆起源于古老下地壳物质的熔融。结合已有的研究,表明敦煌群可能最晚形成于晚泥盆世(~368Ma),并非之前所认为的形成于1.95~1.83 Ga。(5)综合已有的研究,本论文认为敦煌地块属于中亚造山带南部的一个具有太古代-古元古代变质结晶基底微陆块。在早寒武世沉积盖层形成之后,在古生代乃至中生代其遭受了古亚洲洋南部俯冲-增生造山作用过程的强烈改造,使其地壳发生活化,在整个敦煌地区形成了广泛的寒武纪-二叠纪岩浆岩和晚奥陶世-泥盆纪变质岩。其中古生代岩浆作用大致可划分为六期:中寒武世(~510 Ma),晚奥陶世-早志留世(~440 Ma),早泥盆世(~410 Ma),晚泥盆世(390~360 Ma),中石炭世(~335 Ma),中-晚二叠世(~250~280 Ma),这些时代所发育的岩浆岩大部分属于富钠、钙碱性、准铝质-弱过铝质的I型花岗质岩石系列。敦煌地块经历了早古生代俯冲-碰撞造山过程和晚古生代俯冲-碰撞-伸展的两期构造演化过程,并在志留纪和石炭纪发生了两次地壳增厚事件(厚度达50~55 km)。此外,敦煌地块小宛地区和三危山地区分别属于寒武纪和泥盆纪时期的岩浆弧,该弧岩浆作用可能对敦煌地块北部古生代的地壳生长起了重要作用,而敦煌地块南部晚志留世-石炭纪岩浆作用事件主要以古老地壳再造为主。


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