大別—蘇魯?shù)貐^(qū)金紅石地球化學(xué)研究.pdf

1、雙河和碧溪嶺地區(qū)是大別山超高壓變質(zhì)帶中非常典型的超高壓巖石出露的地區(qū)，在巖石學(xué)，地質(zhì)年代學(xué)，地球動(dòng)力學(xué)和礦物學(xué)等方面受到了廣泛的研究。金紅石是中高級(jí)變質(zhì)巖中常見(jiàn)的副礦物，其作為穩(wěn)定的重礦物相保存了大量的變質(zhì)作用信息，如變質(zhì)溫度，變質(zhì)壓力，冷卻年齡和源巖性質(zhì)等。在雙河和碧溪嶺地區(qū)，金紅石一般出現(xiàn)于榴輝巖和硬玉石英巖中，在大理巖，黑云母片麻巖，云母片巖，超鎂鐵質(zhì)巖和區(qū)域圍巖花崗片麻巖中也有少量出現(xiàn)。本博士論文采用原位LA-ICP-MS結(jié)合E

2、MP兩種方法系統(tǒng)研究了上述兩個(gè)地區(qū)不同類(lèi)型巖石中的金紅石的地球化學(xué)特征，包括榴輝巖，硬玉石英巖，大理巖和黑云母片麻巖中的金紅石以及水系沉積物中的碎屑金紅石。根據(jù)研究目的和內(nèi)容的差異，主要取得了以下三個(gè)方面的成果。
　　本博士論文的的第一個(gè)方面的成果是對(duì)雙河地區(qū)變沉積巖在陸殼俯沖和折返過(guò)程中的微量元素遷移作出系統(tǒng)的研究。主要工作為對(duì)雙河地區(qū)一個(gè)從超高壓大理巖和其中包裹的榴輝巖連續(xù)的剖面的進(jìn)行了全巖及金紅石和榍石的主微量元素研究。研究

3、顯示，大理巖比榴輝巖富集LILE和LREE，但虧損HFSE和HREE。大理巖和榴輝巖的REE模式表現(xiàn)了很好的耦合關(guān)系，說(shuō)明在大陸深俯沖和抬升的過(guò)程中這兩種巖石之間發(fā)生了顯著的元素遷移和交換，而載帶這些元素的流體是內(nèi)生的，沒(méi)有外來(lái)流體加入。不同巖性之間的微量元素趨于均一化，如高LILE，LREE含量的大理巖向榴輝巖輸出LILE，LREE，而富HFSE，HREE的榴輝巖向大理巖遷移HFSE，HREE，但均一化發(fā)生的尺度僅限于巖性接觸帶十幾厘

4、米范圍內(nèi)。榴輝巖中流體活動(dòng)性元素(如，Rb，Cs，Ba)含量向巖性接觸帶的方向逐漸增加，說(shuō)明離巖性接觸帶越近，流體活動(dòng)程度越強(qiáng)。大理巖中金紅石少量出現(xiàn)，而榴輝巖中卻含有大量榍石，說(shuō)明流體可能從榴輝巖金紅石退變質(zhì)成榍石的過(guò)程中運(yùn)移了一定的Ti和HFSE進(jìn)入大理巖。榴輝巖從接觸帶到巖石內(nèi)部剖面的全巖樣品具有相似的Nb/Ta(14.3-15.5)，榴輝巖中高Al榍石展示了與全巖一致的Nb/Ta范圍(14.2-16.7)。大理巖全巖的Nb/Ta

5、為10.0-10.9，其中的兩顆金紅石的Nb/Ta比值分別為14.2和63.4，說(shuō)明金紅石的Nb/Ta與大理巖全巖的Nb/Ta差異較大。
　　本博士論文的第二個(gè)研究成果是通過(guò)對(duì)中大別雙河和碧溪嶺地區(qū)水系沉積物中碎屑金紅石的主微量元素測(cè)定，探討了碎屑金紅石作為沉積物源區(qū)示蹤工具的應(yīng)用。本文利用EMP和LA-ICP-MS方法測(cè)定了176個(gè)水系沉積物中的碎屑金紅石顆粒和91個(gè)不同巖石中金紅石的主微量元素成分，通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)兩種金紅石的

6、地球化學(xué)特征和記錄的溫度是相互對(duì)應(yīng)的。根據(jù)全巖和不同巖石中金紅石的Cr-Nb特征，本文建立了適合中大別超高壓帶的Cr-Nb源區(qū)區(qū)分方法，并利用該方法計(jì)算出雙河地區(qū)29％的碎屑金紅石來(lái)自變鎂鐵質(zhì)巖石源區(qū)，而在碧溪嶺地區(qū)超過(guò)76％的碎屑金紅石來(lái)自變鎂鐵質(zhì)源區(qū)。而且，這一比例結(jié)合變泥質(zhì)巖和變鎂鐵質(zhì)巖中金紅石的模式豐度可以用來(lái)估計(jì)不同巖性的比例?；谶@一方法，雙河地區(qū)鎂鐵質(zhì)巖石估計(jì)為～10％，在碧溪嶺地區(qū)則超過(guò)60％，這一結(jié)論與野外地質(zhì)觀察的榴

7、輝巖的分布相一致。因此，碎屑金紅石的調(diào)查是一個(gè)潛在的評(píng)估乃至預(yù)測(cè)變鎂鐵質(zhì)巖在超高壓地體中比例的方法。同時(shí)，本文運(yùn)用金紅石中鋯含量溫度計(jì)計(jì)算了不同壓力條件下的碎屑金紅石的鋯溫度，并與巖石中的金紅石溫度和石榴石—單斜輝石Fe-Mg交換溫度計(jì)計(jì)算的溫度進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在P=3 GPa下，雙河和碧溪嶺計(jì)算的溫度分別為606-707℃和566-752℃，平均值為633℃和629℃。兩個(gè)地區(qū)的碎屑金紅石的Zr溫度變化范圍和平均值很好的與巖石中金

8、紅石獲得的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。因此，碎屑金紅石和露頭巖石中金紅石的相似性證明超高壓地區(qū)金紅石的源區(qū)—沉積物的聯(lián)系非常緊密。我們認(rèn)為在小范圍的水系環(huán)境中，針對(duì)沉積物源區(qū)研究，碎屑金紅石是一個(gè)精確示蹤源巖特征的礦物。此外，在碧溪嶺地區(qū)，變鎂鐵質(zhì)和變泥質(zhì)金紅石的Nb/Ta范圍分別落在11.0-27.3和7.7-20.5之間。在雙河地區(qū)，這一比值高度變化，分別為10.9-71.0和7.6-87.1。但是，去掉四個(gè)極高Nb/Ta比值的金紅石后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)明

9、顯不同的Nb/Ta比值束（變泥質(zhì)金紅石:7-40 vs.變鎂鐵質(zhì)金紅石:11-25）。者不同的Nb/Ta范圍可以反映金紅石生長(zhǎng)過(guò)程中水巖作用的程度差異，而這一差異是由變泥質(zhì)金紅石生長(zhǎng)過(guò)程中的水巖作用強(qiáng)于變鎂鐵質(zhì)金紅石所致。但這一特征并沒(méi)有表現(xiàn)在碧溪嶺碎屑金紅石中，可能是由于巖石豐度的差異導(dǎo)致。因此，任何金紅石Nb-Ta數(shù)據(jù)應(yīng)該放在具體的巖石環(huán)境中理解。
　　本博士論文的第三個(gè)研究課題是利用已有的金紅石中Nb，V分配系數(shù)資料探索大別

10、—蘇魯造山帶榴輝巖金紅石中存在的V-Nb元素含量負(fù)相關(guān)性的可能形成機(jī)制。V在自然界中以多價(jià)態(tài)出現(xiàn)，而Nb只以五價(jià)出現(xiàn)。兩者都在金紅石中相容，但V-Nb在金紅石中的分配關(guān)系和對(duì)氧逸度的依靠性至今沒(méi)有系統(tǒng)的研究。本文利用LA-ICP-MS測(cè)量了來(lái)自大別—蘇魯?shù)貐^(qū)的榴輝巖中86個(gè)金紅石顆粒，并結(jié)合已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)評(píng)估了氧逸度對(duì)金紅石中V和Nb直接和間接的影響。經(jīng)過(guò)全巖和礦物相對(duì)金紅石中V行為影響的評(píng)估后，本文認(rèn)為金紅石中Nb(7-1200ppm

11、)和V(50-3200 ppm)的負(fù)相關(guān)關(guān)系記錄了這兩個(gè)元素晶格中相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系?；贒V(V在金紅石中的分配系數(shù))和V價(jià)態(tài)與QFM的關(guān)系（QFM是石英—鐵橄欖石—磁鐵礦氧逸度緩沖劑），V進(jìn)入金紅石晶格的優(yōu)先順序?yàn)?V4+＞V3+＞V5+。來(lái)自大別—蘇魯造山帶榴輝巖金紅石中Nb-V負(fù)相關(guān)關(guān)系很好地說(shuō)明了俯沖帶不同階段的氧逸度變化。陸殼俯沖過(guò)程中由于脫水作用導(dǎo)致的氧逸度降低:V3+比例的增加伴隨著DV的減少導(dǎo)致Nb5+能取代的Ti4+的有

12、效晶格位置增加。相似的效應(yīng)在更加氧化的條件下被觀察到。當(dāng)氧逸度升高引起V5+增加時(shí)，進(jìn)入金紅石中的V減少而Nb含量增加。Kaapvaal克拉通的高度交代的氧化的地幔捕虜體中的金紅石（MARID，Mica-Amphibole-Rutile-Ilmenite-Diopside）也證實(shí)了這一V-Nb的負(fù)相關(guān)性。而且，這些金紅石的Nb/Ta與V含量相關(guān):當(dāng)V含量＜1250 ppm，Nb/Ta范圍在35-45之間;而當(dāng)V＞1250 ppm，Nb/

13、Ta相當(dāng)?shù)?5-15)。這一關(guān)系主要受Nb含量控制，說(shuō)明V含量對(duì)金紅石中Ta的分配具有較小的效應(yīng)，這可能是由于Ta具有更低的豐度以及相對(duì)Nb更小的離子半徑。這也說(shuō)明了對(duì)氧逸度敏感的DV可以對(duì)Nb-Ta的分異施加強(qiáng)烈的影響。這一發(fā)現(xiàn)同樣適用于具有與金紅石類(lèi)似的Ti-O結(jié)構(gòu)的礦物，如鈣鈦礦和榍石等。鈣鈦礦是包括碳酸巖在內(nèi)的很多硅不飽和巖石中的普遍的副礦物，且一般容納了碳酸巖全巖中超過(guò)85％的Nb和Ta。而榍石在Nb-Ta分異過(guò)程中所扮演的作