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秦岭-桐柏造山带早古生代镁铁质岩浆岩地球化学研究

【摘要】:秦岭-桐柏-红安-大别-苏鲁造山带又称中国中央造山带,记录了华南与华北陆块从古生代到中生代的拼合过程。它含有世界上出露规模最大、保存最好的超高压变质地体,同时也是弧-陆和陆-陆碰撞过程中以及碰撞后阶段岩浆活动最为发育的地区之一。东部的大别-苏鲁造山带由简单的华南-华北大陆碰撞形成,保存了早中生代陆-陆碰撞的证据。与此相比,西部的秦岭-桐柏造山带具有复合性质,记录了从古生代洋壳俯冲和弧-陆碰撞到中生代陆壳俯冲和陆-陆碰撞等一系列构造过程。在洋壳俯冲和随后的陆壳俯冲过程中,不同性质的地壳物质进入俯冲隧道,并以不同方式和比例与上覆地幔楔发生壳幔相互作用,之后通过镁铁质岩浆作用返回地壳。因此,研究复合造山带不同阶段镁铁质火成岩的岩石学成因及其形成的地球动力学背景,对认识俯冲地壳物质再循环、造山带岩石圈地幔的性质和造山带构造演化具有十分重要的意义。本文对秦岭-桐柏造山带早古生代镁铁质火成岩进行了岩石学和地球化学研究,结果为认识该造山带俯冲古洋壳物质再循环、壳幔相互作用过程和机制、岩石圈地幔性质以及构造演化提供了新的制约。对秦岭造山带富水地区的镁铁质杂岩体进行了系统的同位素年代学和地球化学研究,包括锆石原位U-Pb年龄和Hf-O同位素,以及全岩主微量元素和Sr-Nd同位素。SIMS锆石U-Pb定年得到488±4到490±4 Ma的晚寒武世岩浆侵位年龄。该年龄稍晚于北秦岭微陆块超高压变质作用的锆石U-Pb年龄(500-490 Ma),表明富水镁铁质火成岩属于弧-陆碰撞过程中同折返岩浆活动的产物。这些镁铁质火成岩显示弧型的微量元素特征:富集LILE、Pb和LREE,亏损HFSE。它们具有富集的全岩Sr-Nd同位素组成,即高的(87Sr/86Sr)i 比值0.7094至0.7144和负的εNd(t)值-5.5至-3.4。锆石Hf-O同位素组成显示较大的变化范围,可以分为两组:第一组锆石具有低的δ180值2.0至2.99‰、正的εHf(t)值0.1至1.6,表明其地幔源区含有经历过高温水-岩相互作用的玄武质洋壳物质;第二组锆石具有高的δ18O值5.1至7.9‰、低的εHf(t)值-3.7至0.9,指示其地幔源区含有陆源沉积物。结合全岩地球化学特征,推测富水地区的镁铁质火成岩来自北秦岭微陆块之下的富沃富集地幔源区,该地幔源区是俯冲商丹洋壳来源的流体交代上覆地幔楔橄榄岩形成的,该交代作用发生在北秦岭微陆块俯冲到弧下深度发生超高压变质作用之前的某个时间。微量元素和Sr-Nd同位素模拟计算结果表明,约5-10%的蚀变洋壳玄武岩来源的富水溶液和0.5-2.5%沉积物来源的含水熔体分别交代地幔橄榄岩可以产生该地幔源区,由其部分熔融形成的玄武质熔体具有与富水岩体类似的微量元素和Sr-Nd同位素组成。熔流体-橄榄岩反应形成了秦岭微陆块之下含金云母的超镁铁质交代岩。在晚寒武世到早奥陶世的构造转换过程中,由于超高压变质岩片的折返伸展,该交代岩部分熔融形成了富水地区的镁铁质杂岩体。因此,出露在秦岭造山带富水地区的同折返杂岩体为认识造山带岩石圈地幔性质和碰撞造山带的构造演化提供了岩石学和地球化学记录。对桐柏造山带早古生代镁铁质火成岩进行了锆石原位U-Pb年龄和Hf-O同位素以及全岩主微量元素和Sr-Nd同位素研究。SIMS锆石U-Pb定年得到436±4至449±4 Ma的早古生代岩浆结晶年龄,晚于北秦岭微陆块与二郎坪岛弧之间碰撞的时间,与商丹洋北向俯冲于北秦岭微陆块之下的时间一致。这些镁铁质火成岩具有富集LILE和LREE、亏损HFSE的弧型微量元素分布特征和亏损的Sr-Nd同位素组成,其(87Sr/86Sr)i i比值为0.7037至0.7047、εNd(t)值为2.7至5.0。此外,它们还具有正的锆石εHf(t)值8.9至14.8和变化的δ180值4.4至5.9‰。这些地球化学特征表明,它们来自LILE和LREE富集但放射成因同位素亏损的富沃地幔源区。该地幔源区属于造山带岩石圈地幔,是先前俯冲的二郎坪洋壳来源的流体与上覆地幔楔发生交代反应形成的。这些镁铁质火成岩具有两组Ba/Th,Th/Nb,(La/Yb)N和(87Sr/86Sr)i比值,指示交代介质既有玄武质洋壳来源的富水溶液,也有沉积物来源的含水熔体。模拟计算结果显示,1-10%俯冲二郎坪洋壳来源的富水溶液和0.05-0.1%沉积物来源的含水熔体分别与MORB型亏损地幔橄榄岩反应,能够解释桐柏镁铁质火成岩的微量元素和Sr-Nd同位素组成。该交代作用发生在二郎坪岛弧与北秦岭微陆块碰撞之前的二郎坪洋壳俯冲过程中,形成了富集辉石的超镁铁质交代岩。在晚奥陶世到早志留世期间,俯冲商丹洋板片回卷和软流圈地幔上涌导致二郎坪岛弧处于弧后拉张环境,从而引发这些交代岩发生部分熔融,产生了这些晚奥陶世-早志留世镁铁质火成岩。因此,桐柏古生代镁铁质火成岩记录了俯冲古洋壳再循环。本文研究指示,造山带镁铁质火成岩为俯冲古洋壳再循环及其壳幔相互作用提供了岩石学和地球化学记录。洋壳俯冲过程中析出的流体与上覆地幔楔橄榄岩反应产生富集富沃的地幔源区,该地幔源区发生部分熔融就会形成造山带镁铁质火成岩。揭示这些镁铁质火成岩的成因有助于我们理解古俯冲隧道壳幔相互作用过程及其所涉及的交代介质的性质和来源,认识造山带岩石圈地幔性质以及造山带的构造演化。

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