华北北缘中段下地壳结构及壳—幔演化过程

发布时间：2018-12-16 08:08

【摘要】：大陆下地壳是联接岩石圈上地幔和浅部地壳的纽带,探索其演化过程是固体地球科学的核心研究之一。华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,且经历过减薄破坏的过程,广泛分布的早前寒武变质杂岩体和显生宙深源包体为研究下地壳演化提供了最重要的载体,两者共同记录了下地壳早期生长演化历史,并且后者还包含了克拉通破坏过程中的壳幔演化信息。论文选择华北北缘中段为研究区域,对汉诺坝长英质麻粒岩包体和辉石岩包体,以及汉诺坝周边怀安和集宁地区的前寒武纪麻粒岩和片麻岩类进行了岩石学、LA-MC-ICPMS锆石U-Pb年代学和Hf同位素组成分析测试,并且对其中的辉石岩包体和怀安麻粒岩进行了地球化学、同位素组成和地震波速的分析测试。综上所得以全面阐述华北北缘中段大陆下地壳从太古代到新生代时期多阶段的增生和再造演化过程,探讨岩浆底侵和壳幔相互作用以及它们在破坏背景下对克拉通下地壳改造的意义,最终结合汉诺坝地区镁铁质麻粒岩包体信息建立华北北缘中段现今下地壳岩性-年龄-物性相结合的深部地壳结构模型。本文怀安麻粒岩来自尚义和马市口,前者以高压镁铁质麻粒岩为主,后者主要是普通镁铁质麻粒岩且发育长英质麻粒岩条带。尚义麻粒岩主要矿物组合是Cpx+Pl+Qz±Opx±Am±Grt,粒状变晶结构,局部发育石榴子石的“白眼圈”现象,表明经历了高压麻粒岩相及后期近等温减压退变质作用过程。马市口镁铁质麻粒岩主要矿物组合是Cpx+Opx+Pl±Kfs±Am±Bi,长英质麻粒岩条带矿物组合为Pl+Kfs+Cpx+Qz+Opx。两地镁铁质麻粒岩化学成分相似,大部分具有高的Al2O3含量(12.9~18.0%),碱性元素Na2O+K2O与SiO_2含量呈正相关,MgO、Fe2O3T、MnO和CaO随SiO_2含量升高而降低,Cr和Ni与MgO呈良好的正相关,这些特征表明原岩岩浆可能经历了橄榄石、辉石等矿物的分离结晶。原岩在地球化学判别图解中落在亚碱性玄武岩区域内,具有明显的高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf)和Ti的负异常,类似岛弧玄武岩的特征。这些镁铁质麻粒岩具有比较亏损的εNd(t)(-0.3~+4.5),Nd模式年龄主要在2.5-2.7 Ga之间,接近尚义高压镁铁质麻粒岩中岩浆锆石记录的U-Pb年龄~2.46 Ga,且这些锆石也具有亏损的εHf(t)(+2.1~+11.0),表明怀安镁铁质麻粒岩原岩形成于~2.46 Ga,母岩浆来自底侵的亏损地幔部分熔融,受下地壳混染程度比较微弱。马市口长英质麻粒岩具有高的SiO_2(62.6%)、Al2O3(17.8%)、K2O(1.89%)、Na2O(5.72%)和低的Fe2O3T(4.16%)、MgO(1.79%),富集大离子亲石元素,亏损高场强元素。岩浆锆石U-Pb年代学研究表明其原岩形成年龄与尚义镁铁质麻粒岩相同,也是2.46 Ga,这些锆石具有较低的正εHf(t)值(+2.9~+5.3)和2.7 Ga的Hf模式年龄。据上述特征推测长英质麻粒岩原岩来自亏损幔,并受到古老(2.7 Ga)下地壳混染。集宁杂岩体的研究包括卓资花岗片麻岩和凉城片麻岩两个部分。卓资花岗片麻岩主要组成矿物为Pl+Kfs+Qz,含少量暗色矿物Am±Cpx以及Ms。锆石年代学研究表明其原岩形成于~2.55 Ga,并经历了~2.40 Ga和1.87 Ga两期变质作用。代表原岩年龄的锆石εHf(t)在+4.7到+7.7之间,~2.40 Ga变质锆石的εHf(t)为+1.2~+6.6,~2.40 Ga的变质作用和~2.55 Ga的岩浆作用属于同一期热事件,指示亏损地幔熔融抽离。~1.87 Ga的变质作用则可能是受到华北东部陆块和西部陆块碰撞拼合的影响,锆石εHf(t)值为-6.0~+1.0,指示碰撞引起的地壳重熔。凉城石榴石斜长片麻岩的矿物组合为Pl+Kfs+Qz+Grt±Bi,其沉积时间主要在2.20-1.98 Ga之间,这些锆石的εHf(t)值在-2.5~+8.1之间,Hf模式年龄为2.4-2.7 Ga,说明凉城片麻岩的原岩物质来自新生地壳物质和先存地壳重熔产物的混合。此外,凉城片麻岩中残留一颗3196 Ma的锆石核和发育~1.95 Ga的变质锆石,后者εHf(t)值为-0.3~+2.0,指示受阴山地块和鄂尔多斯地块碰撞影响产生的地壳增生和再造。汉诺坝碱性玄武岩中携带的下地壳包体主要包括麻粒岩和辉石岩两个大类。长英质麻粒岩包体受到不同程度的风化蚀变,主要组成矿物为Pl+Oz+Opx+Cpx。锆石U-Pb年代学分析结果在谐和图中显示的上交点年龄和谐和年龄分别为2449Ma,1880 Ma和140-73 Ma,均代表长英质麻粒岩的原岩结晶年龄,受变质重结晶改造的部分锆石落在不一致线上。锆石Hf同位素分析显示晚中生代和1880 Ma的锆石都具有负的εHf(t)(-18.9~-23.3和-10.1~-3.7),Hf模式年龄分别集中在2.4-2.6 Ga之间和2.8-3.2 Ga之间,暗示中-新太古代先存下地壳的重熔。2449 Ma的锆石εHf(t)值为+7.5~+10.6,其Hf模式年龄(2.5 Ga)与锆石U-Pb年龄一致,暗示新生地壳物质的增生。汉诺坝深源包体与周边杂岩体中的锆石共同记录了华北北缘中段下地壳的多期生长改造过程:2.6-2.5 Ga以增生为主;2.2-2.0 Ga和1.8-1.9 Ga增生伴随重熔再造,140-73 Ma发生古老地壳重熔再造并受到岩浆底侵作用的影响。汉诺坝辉石岩包体可以分为斜方辉石岩、二辉石岩和石榴石辉石岩。斜方辉石岩和二辉石岩具有堆晶结构,主要由Cpx和Opx组成,含少量Fe-Ti氧化物。斜方辉石岩中Cpx含量小于10%,二辉石岩中Cpx和Opx含量相当。根据Cpx的颜色可进一步将二辉石岩分为黑色(G1)和绿色(G2)两个亚类:G1中Cpx的Mg#在77.6-79.3之间,G2中的Cpx具有更高的Mg#值(89.8-90.3)以及Cr、Ni。石榴石辉石岩与橄榄岩包体呈过渡接触,主要矿物组合为Grt+Opx+Cpx+Ol,含少量金红石和钛铁矿。斜方辉石岩结晶温度为850°C,G1二辉石岩平衡温度为865-934°C,大部分G2二辉石岩平衡温度为831~896°C,接近该地区镁铁质麻粒岩包体而低于橄榄岩包体的平衡温度,故推测这些二辉石岩包体来源于壳幔过渡带。石榴石辉石岩结晶温度约为1050°C,压力1.5 Gpa,来源于上地幔。斜方辉石岩和二辉石岩具有较高的MgO含量(15.0-26.9%)和变化较大的Mg#(66.1-89.4)和Ni(98.6-977 ppm),为堆晶成因。石榴石辉石岩具有高Mg#(89.4-90.3)和高Ni(1052 ppm)、Cr(3387 ppm)含量,同时也富集大离子亲石元素(Rb=8.25ppm,Sr=328 ppm,Ba=49.5 ppm),这种矛盾的特征指示其为熔体与橄榄岩反应的产物。对一块黑色二辉石岩包体进行锆石U-Pb分析表明其形成于158 Ma。G2二辉石岩初始87Sr/86Sr为0.703723-0.704403,εNd(t)为+1.1~+2.8,εHf(t)为+10.3,斜方二辉石岩和G1二辉石岩具有演化的Sr-Nd-Hf同位素组成(初始87Sr/86Sr=0.705636-0.707538,εNd(t)=-14.0~-18.7,εHf(t)=-17.0~-29.2),暗示下地壳物质对源区的混染。石榴石辉石岩具有亏损的Sr-Nd-Hf组成(初始87Sr/86Sr=0.703576,εNd(t)=+5.7,εHf(t)=+20.7),反应熔体可能来自软流圈或洋壳。辉石岩及石榴石辉石岩包体的~(206)Pb/~(204)Pb为16.18-18.82,207Pb/~(204)Pb为15.27-15.56,208Pb/~(204)Pb为36.28-38.71,在208Pb/~(204)Pb-~(206)Pb/~(204)Pb图解中显示明显的DUPAL异常,指示包体形成过程中可能都受到残留古洋壳的影响。实测地震波速结果显示长英质麻粒岩包体Vp=5.25-6.09 km/s,怀安镁铁质麻粒岩Vp=6.33-7.44 km/s,辉石岩包体Vp=6.80-7.67 km/s,波速值与样品的SiO_2含量呈负相关。长英质麻粒岩包体过低的波速为受到岩石样品风化蚀变的影响。在上述研究基础上,对汉诺坝已发表的镁铁质麻粒岩包体的形成年龄、平衡温压、地球化学特征及地震波速进行归纳,与本文深源包体以及怀安镁铁质麻粒岩地体综合对比,我们认为华北北缘中段的现今下地壳具有层状的年龄-岩性结构:上部(24-33 km)主要由2.7-2.5 Ga的地体长英质麻粒岩和少量140-120 Ma长英质麻粒岩包体组成,该层下地壳SiO_2平均为62.1%;中部(33-38 km)主要由镁铁质麻粒岩组成,既包括前寒武的麻粒岩地体,也含有晚中生代的镁铁质麻粒岩包体;底部(38-42 km)绝大部分被中-新生代底侵产物占据,以镁铁质麻粒岩包体和部分辉石岩包体为代表。下地壳中部和底部均以镁铁质岩石为主,平均SiO_2含量可能都在48.1%左右。该岩性-年龄的层状结构与地震波反射剖面有较好的吻合度。这种上老下新的下地壳层状变化反映了幔源岩浆自晚中生代到新生代的持续底侵及其导致的古老下地壳的强烈改造-置换。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P313;P542
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本文编号：2382036