中國(guó)中東部中生代埃達(dá)克質(zhì)巖成因及高溫鎂同位素分餾的地球化學(xué)研究.pdf

1、本博士論文對(duì)中國(guó)中東部四個(gè)不同地區(qū)（華北東南緣蚌埠地區(qū)、徐-淮地區(qū)，郯廬斷裂帶南段，長(zhǎng)江中下游）中生代埃達(dá)克質(zhì)巖石進(jìn)行了系統(tǒng)的元素地球化學(xué)和放射成因（Sr-Nd-Pb-Hf）以及穩(wěn)定同位素（氧）地球化學(xué)研究，以探討其巖石成因和地質(zhì)意義。主要研究目標(biāo)是：
　　 （1）通過(guò)對(duì)蚌埠地區(qū)中生代低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖石進(jìn)行系統(tǒng)的年代學(xué)和地球化學(xué)研究，并結(jié)合普通花崗巖和輝綠巖的年代學(xué)和地球化學(xué)研究，探討巖石圈減薄的機(jī)制和過(guò)程以及EM-1 型基性巖石

2、的成因；
　　 （2）通過(guò)對(duì)郯廬斷裂帶南段中生代高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖石的年代學(xué)和地球化學(xué)研究，探討早白堊紀(jì)郯廬斷裂帶的活動(dòng)在誘發(fā)斷裂帶兩側(cè)加厚下地殼拆沉方面的作用；
　　 （3）通過(guò)對(duì)郯廬斷裂帶不成礦高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖和長(zhǎng)江中下游成礦高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖全面的地球化學(xué)對(duì)比研究，探討長(zhǎng)江中下游埃達(dá)克巖成因和埃達(dá)克巖成礦機(jī)理;（4）通過(guò)對(duì)徐-淮地區(qū)中生代高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖石及其所含深源包體和五河群變質(zhì)巖進(jìn)行全面的地球化學(xué)研究，探討其巖石成因和華

3、北克拉通東南緣古老下地殼高放射成因Pb的成因。
　　 作為《聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生》出國(guó)訪問(wèn)研究的一部分，開(kāi)展了系統(tǒng)的巖漿分異過(guò)程中Mg 同位素分餾研究，主要包括：（5）對(duì)花崗質(zhì)巖石及其所含鎂鐵質(zhì)單礦物進(jìn)行了系統(tǒng)的Mg 同位素地球化學(xué)研究，探討高溫下Mg 同位素在花崗巖結(jié)晶分異過(guò)程中的分餾行為以及探索Mg 同位素在示蹤地殼再循環(huán)等方面的應(yīng)用前景；（6）對(duì)一套具有較大溫度變化的橄欖巖包體中鎂鐵質(zhì)單礦物進(jìn)行了系統(tǒng)的Mg 同位素地球化學(xué)研

4、究，探討高溫下Mg 同位素分餾機(jī)制及其潛在的地球化學(xué)應(yīng)用；（7）分析了上述中國(guó)中東部四個(gè)地區(qū)中生代埃達(dá)克質(zhì)巖石的鎂同位素組成，探討Mg 同位素能否應(yīng)用于埃達(dá)克巖的判別指標(biāo)以及能否應(yīng)用于區(qū)分高、低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖石的成因。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　 1.華北東南緣蚌埠地區(qū)低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖成因及其對(duì)巖石圈減薄的意義蚌埠地區(qū)廣泛出露中酸性侵入巖（花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖）和基性巖，本文獲得其中花崗閃長(zhǎng)巖的鋯石U-Pb年齡為118-115Ma，

5、早于該區(qū)普通的花崗巖的鋯石U-Pb年齡112Ma。與普通花崗巖相比，蚌埠花崗閃長(zhǎng)巖具有高的Sr、低的Y含量，而且具有彼此呈正相關(guān)關(guān)系的高Sr/Y,(La/Yb)N,(Dy/Yb)N，具有低鎂（Mg＃＜48）埃達(dá)克巖的地區(qū)化學(xué)特征。這些低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖具有與古老下地殼相似的Sr和Nd同位素組成,87Sr/86Sr(I)=0.70752to0.70926，εNd(t)=-21.8to-18.5,和低的放射成因Pb同位素組成（e.g.,206P

6、b/204Pb(t)＜17.0），以及與地幔相似的鋯石氧同位素組成。此外，它們含有大量～1.8和～2.5Ga的繼承鋯石。這些特征表明蚌埠低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖來(lái)自加厚華北下地殼的部分熔融，而普通花崗巖起源于較淺部地殼的部分熔融。因此，華北克拉通東南緣在中白堊世（～115Ma）以前仍存在加厚地殼，但加厚地殼在115-112Ma的較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了顯著的減薄。
　　 本文同時(shí)對(duì)蚌埠地區(qū)輝綠巖脈進(jìn)行了研究，其形成時(shí)代為112Ma（全巖Ar-Ar

7、年齡），晚于低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖，而與普通花崗巖一致。其具有典型EM-1 似的Sr-Nd-Pb 同位素特征、低的Nb/U和Ce/Pb 比值、富集輕稀土、虧損重稀土、虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素，為拆沉的古老下地殼和上涌軟流圈地?；旌喜糠秩廴诘漠a(chǎn)物。但蚌埠地區(qū)輝綠巖Pb 同位素組成較大別山早白堊世輝綠巖和角閃輝長(zhǎng)巖有顯著區(qū)別，在給定206Pb/204Pb 時(shí)，前者較后者有較低的208Pb/204Pb值，這一特點(diǎn)與華北中生代鎂鐵質(zhì)侵入體類似。這表明混染蚌埠地區(qū)

8、中生代輝綠巖源區(qū)的拆沉下地殼是華北加厚下地殼，與該區(qū)低Mg 埃達(dá)克質(zhì)巖給出的結(jié)論一致。根據(jù)低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖、普通花崗巖和輝綠巖的時(shí)空分布特征，綜合文獻(xiàn)報(bào)道的年齡，本文提出華北克拉通東南緣加厚下地殼在130-115Ma 發(fā)生部分熔融，熔融殘留相（榴輝巖）
　　 由于長(zhǎng)英質(zhì)熔體的提取從而密度進(jìn)一步增加發(fā)生拆沉進(jìn)入地幔，并與上涌軟流圈地幔發(fā)生混合熔融產(chǎn)生具EM-1 同位素特征和富集大離子親石元素的基性巖漿，同時(shí)誘發(fā)已減薄的地殼發(fā)生部分熔

9、融產(chǎn)生普通花崗巖。本文同時(shí)提出加厚下地殼的熔融是導(dǎo)致加厚下地殼進(jìn)一步重力不穩(wěn)定和拆沉的重要機(jī)制，拆沉下地殼進(jìn)入地幔與地?；旌鲜钱a(chǎn)生具有典型下地殼特征的內(nèi)陸基性巖漿的重要方式。
　　 2.郯廬斷裂帶高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖的成因及其對(duì)下地殼拆沉機(jī)制的制約本文在郯廬斷裂帶南段識(shí)別四個(gè)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖體，它們分別是小李莊、大毛村、方蔣莊和橋頭集，其形成時(shí)代分別為125、128、129、130Ma，并具有遠(yuǎn)離斷裂帶年齡逐漸變年輕的趨勢(shì)。這些特征表明

10、郯廬南段高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖可能起源于拆沉下地殼的部分熔融，并經(jīng)歷了與地幔相互作用。本文識(shí)別的四個(gè)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖體與前人在大別山造山帶東緣識(shí)別的三個(gè)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖體一起，構(gòu)成了一個(gè)沿郯廬斷裂帶分布的高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖帶。這表明郯廬斷裂帶在早白堊紀(jì)的大規(guī)?；顒?dòng)可能在誘發(fā)加厚下地殼拆沉方面起到關(guān)鍵作用。本文發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)離斷裂帶高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖石年齡變年輕的趨勢(shì)進(jìn)一步支持該動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
　　 3.長(zhǎng)江中下游埃達(dá)克質(zhì)巖石及其金屬成礦意義長(zhǎng)江中下游是中國(guó)

11、東部最重要的成礦帶之一，其成礦斑巖一般為埃達(dá)克質(zhì)巖石。前人多指出這些成礦埃達(dá)克質(zhì)巖為拆沉下地殼成因，并強(qiáng)調(diào)拆沉下地殼來(lái)源的埃達(dá)克巖也能成礦。本文對(duì)長(zhǎng)江中下游2個(gè)代表性成礦地區(qū)（安慶和銅陵）埃達(dá)克質(zhì)巖石進(jìn)行了詳細(xì)的地球化學(xué)研究。此外，本文選取郯廬斷裂帶南段不成礦高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖石作為對(duì)比對(duì)象，并收集所有長(zhǎng)江中下游成礦埃達(dá)克質(zhì)巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)江中下游和郯廬斷裂帶高鎂埃達(dá)克巖進(jìn)行了全面的地球化學(xué)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)兩者存在重要地球化學(xué)差異。

12、>　　 我們對(duì)這兩個(gè)埃達(dá)克質(zhì)巖系列進(jìn)行鋯石原位微量元素分析發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江中下游埃達(dá)克質(zhì)巖具有顯著更高Ce4+/Ce3+和Eu3+/Eu2+，證實(shí)前者確實(shí)具有更高的氧逸度。
　　 4.華北東南緣徐-淮地區(qū)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖成因及該區(qū)下地殼演化前人認(rèn)為徐淮地區(qū)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖是華北大陸下地殼拆沉的產(chǎn)物，其攜帶的石榴輝石巖包體可代表其源區(qū)。本文研究發(fā)現(xiàn)徐淮地區(qū)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖雖然具有高的Sr/Y和(Dy/Yb)N，但它們具有相對(duì)較低的(La/Yb

13、)N 比值，而且富Na 貧K，這些特征與拆沉下地殼來(lái)源的高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖（例如郯廬斷裂帶南段）不一致，而與洋殼俯沖成因埃達(dá)克巖和長(zhǎng)江中下游的埃達(dá)克質(zhì)巖石相似。俯沖洋殼LREE虧損特征可導(dǎo)致熔體具有相對(duì)低的(La/Yb)N，但低溫洋殼蝕變可提高其Sr/Y。此外，徐淮地區(qū)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖與鎂鐵質(zhì)包體的Sr-Nd-Pb 同位素組成并不完全相同：高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖的Sr-Nd 同位素具正相關(guān)關(guān)系，而鎂鐵質(zhì)包體表現(xiàn)為從地幔排列向下地殼延伸的趨勢(shì)。高鎂埃達(dá)

14、克質(zhì)巖的高(87Sr/86Sr)I和高εNd(t)值端元落入大陸邊緣島弧區(qū)，無(wú)法單純用下地殼源區(qū)解釋。盡管徐淮地區(qū)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖與鎂鐵質(zhì)包體均具有高放射成因Pb，但包體的Pb 同位素比值系統(tǒng)偏高，高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖落在由包體和五河群變質(zhì)巖確定的Pb-Pb等時(shí)線之下并落入MORB 區(qū)。
　　 5.花崗巖及鎂鐵質(zhì)礦物Mg 同位素地球化學(xué)研究本文首次系統(tǒng)地測(cè)定了花崗質(zhì)巖石（花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖）及其所含共生的鎂鐵質(zhì)礦物（黑云母和角閃石）的M

15、g 同位素組成，發(fā)現(xiàn)這些具有較大組成（化學(xué)組成和礦物豐度）變化的花崗質(zhì)巖石在現(xiàn)有分析精度下具有相似的Mg 同位素組成。這一發(fā)現(xiàn)表明花崗質(zhì)巖漿結(jié)晶分異過(guò)程中沒(méi)有顯著的Mg 同位素分餾。
　　 共生的黑云母和角閃石在現(xiàn)有分析精度下具有相似的Mg 同位素組成(?26MgHbl-Bt=-0.06±0.08‰；n=7)，進(jìn)一步表明花崗巖結(jié)晶分異過(guò)程中主要含Mg礦物黑云母或角閃石發(fā)生分異沒(méi)有顯著改變巖漿的Mg 同位素分餾，與全巖分析得到的結(jié)

16、論一致，因此花崗質(zhì)巖石的全巖Mg 同位素組成（如果排除了侵入過(guò)程中圍巖混染和巖漿侵入后地殼風(fēng)化的影響）可以示蹤源區(qū)組成而無(wú)需考慮分離結(jié)晶的影響。
　　 6.橄欖巖及其鎂鐵質(zhì)礦物Mg 同位素研究前人對(duì)地幔橄欖巖包體及其所含鎂鐵質(zhì)礦物進(jìn)行過(guò)大量的Mg 同位素研究。
　　 7.中國(guó)中東部中生代埃達(dá)克質(zhì)巖石Mg 同位素研究在證明花崗巖結(jié)晶分異過(guò)程中沒(méi)有Mg 同位素分餾基礎(chǔ)上，本文對(duì)中國(guó)中東部中生代埃達(dá)克質(zhì)巖開(kāi)展了系統(tǒng)的Mg 同位

17、素研究，包括長(zhǎng)江中下游高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖、大別山低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖、郯廬斷裂帶南段高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖、以及徐-淮地區(qū)高鎂埃達(dá)克質(zhì)巖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了一個(gè)徐-淮埃達(dá)克巖樣品具有相對(duì)輕的Mg 同位素組成外，所有分析的樣品均具有與地幔相似的Mg 同位素組成。該發(fā)現(xiàn)表明大別山的加厚山根下地殼主要是源于地幔的底墊鎂鐵質(zhì)下地殼且較少受陸殼表殼巖混染，同時(shí)還表明拆沉下地殼/俯沖洋殼部分熔融的低鎂埃達(dá)克質(zhì)熔體與地幔反應(yīng)過(guò)程中盡管Mg＃和MgO 顯著提高，但Mg 同位素

18、變化沒(méi)有發(fā)生改變，這與鎂鐵質(zhì)下地殼、俯沖洋殼（MORB）以及OIB 自身具有與地幔相似的Mg 同位素組成一致。因此，Mg 同位素不能有效地應(yīng)用于區(qū)分高、低鎂埃達(dá)克質(zhì)巖和判斷各種埃達(dá)克質(zhì)巖的成因。長(zhǎng)江中下游埃達(dá)克巖均一的且與地幔相似的Mg 同位素組成進(jìn)一步表明盡管Sr-Nd-Pb 同位素揭示其巖漿源區(qū)有大量沉積物（具有比地幔重的Mg 同位素組成）的加入，但在與地幔橄欖巖發(fā)生反應(yīng)過(guò)程中熔體的Mg 同位素組成將與地幔達(dá)到充分的交換平衡。具有輕