俯冲带内的熔流体作用：来自蛇纹石化和渗滤交代过程的启示
发布时间：2020-08-24 12:54
【摘要】：俯冲带过程对于认识全球尺度物质循环、岛弧岩浆起源、大陆地壳形成和地幔不均一性等科学问题都至关重要。俯冲板片内的不相容元素和流体活动性元素在俯冲通道内通过一系列复杂的变质脱水反应,以流体、熔体和超临界流体为“介质”被转移到地幔楔,并最终富集在岛弧岩浆中。因此,这些熔、流体的性质和行为是理解俯冲带元素分异和物质运移的关键。本文以秦岭勉略带内的两类蛇纹岩为对象,探究了俯冲通道浅部流体的性质和流体活动性元素的迁移规律;以华北地区白垩纪大陆玄武岩和岛弧地区含暗色包体的高镁埃达克质岩为对象,研究了俯冲带熔体对大陆岩石圈地幔的交代和岛弧下地壳的熔体渗滤熔融等过程。我们通过详细的矿物学和地球化学研究,在秦岭勉略缝合带内发现了两类蛇纹岩。煎茶岭蛇纹岩主要由利蛇纹石/纤蛇纹石、菱镁矿和磁铁矿构成,在反射光和背散射图像中,可以发现大量橄榄石和斜方辉石的假象。大多数煎茶岭蛇纹岩(Group 1a)具有低的Al_2O_3/SiO_2,高的MgO/SiO_2和Ir/(Pt+Pd),与熔融残余的橄榄岩相似。这些蛇纹岩还具有“U”型的稀土元素配分模式和明显的Ba、Sr、Eu正异常,表明参与蛇纹石化的流体可能与含斜长石的岩石发生过反应。此外,Group 1a蛇纹岩中的U相对碱金属的富集程度非常有限,所以参与蛇纹石化过程的流体是俯冲板片释放的、与俯冲沉积物发生过再平衡的流体。另一部分煎茶岭蛇纹岩的Eu正异常不明显,且U相对Th和碱金属元素更为富集,表明参与蛇纹石化的流体较为氧化。在这部分蛇纹岩中还观察到了局部变质重结晶现象,即叶蛇纹石沿着一定的通道替代早期的利蛇纹石,并有菱镁矿伴生。亮丫子蛇纹岩由叶蛇纹石、白云石、铬尖晶石和磁铁矿构成。铬尖晶石高的Cr~#(0.65 0.80)、中等的Al_2O_3和低的Ti,指示亮丫子蛇纹岩的原岩为地幔楔内的难熔橄榄岩。亮丫子蛇纹岩相对煎茶岭蛇纹岩具有高的MgO/SiO_2和低的Al_2O_3/SiO_2,并显示出轻稀土和高场强元素的同时富集,说明这些难熔的地幔楔橄榄岩在蛇纹石化之前经历过熔体再富集过程。因此,我们认为煎茶岭蛇纹岩和亮丫子蛇纹岩是被卷入到俯冲通道内的难熔弧前地幔楔橄榄岩,它们经历了不同的熔、流体反应历程,所以造成了煎茶岭蛇纹岩和亮丫子蛇纹岩在地球化学组成上的巨大差异。蛇纹岩原位矿物学研究表明,大量的F、Cl、S在利蛇纹石向叶蛇纹石转变的过程中被释放出来,同时还可能有部分Pb、Ba、Sr从利蛇纹石中迁出并进入流体相。在300 400°C时(利蛇纹石向叶蛇纹石转变的温度),来自俯冲板片的富Si流体含有较高的B,所以煎茶岭蛇纹岩中脉状叶蛇纹石的B含量比利蛇纹石和亮丫子蛇纹岩中的叶蛇纹石高。在该矿物相变发生之前的俯冲通道浅部,As、Sb从俯冲板片中释放出来,并转移到蛇纹石中。Li、Ba、U、La的活动性在俯冲通道更深的位置才会显著增强。在系统研究俯冲带熔流体过程中元素行为的基础上,本文将相关知识应用于华北地区大陆玄武岩,解析出古太平洋西向俯冲产生的富水熔体对大陆岩石圈地幔的交代过程,为华北克拉通破坏提供了新的约束。华北地区存在大量白垩纪大陆玄武岩,主要是一些碱性玄武岩和少量亚碱性玄武岩。这些大陆玄武岩的地球化学特征在早白垩世发生了迅速转变,被认为与华北克拉通岩石圈减薄有关。但是,这种转变的机制和对大陆岩石圈演化的启示还不清楚。我们研究了这些大陆玄武岩的起源和时空变化,发现华北地区大陆玄武岩的地球化学特征的转变发生在~108 Ma:108 Ma碱性玄武岩具有负的ε_(Nd)(t)和向西逐渐减弱的“岛弧信号”,说明岩石圈地幔源区内俯冲组分的逐渐降低;108 Ma碱性玄武岩具有正的ε_(Nd)(t)和类似洋岛玄武岩的地球化学特征。这些现象说明古太平洋的西向俯冲与华北地区白垩纪玄武质岩浆活动有关。结合板块重建和地球物理观测结果,我们提出太平洋板块和伊泽纳吉板块之间洋中脊的平俯冲造成了大陆玄武岩地球化学特征的转变和华北克拉通的破坏,华北地区在~108 Ma从俯冲带环境转变为板内环境可能是由于洋中脊的持续北漂和太平洋板块的后撤造成的。除了交代地幔橄榄岩和参与岛弧岩浆作用之外,俯冲带富水熔体在穿过岛弧下地壳时,还会与岛弧下地壳相互作用。汇聚板块边缘含暗色包体的高镁埃达克质岩对于认识“熔体-岛弧下地壳”相互作用和大陆地壳形成具有重要价值。本文对早古生代北秦岭岛弧地体内的一个高镁埃达克岩及其中的暗色包体进行了研究。寄主岩锆石得到了~428 Ma的年龄。暗色包体含有两类锆石:第一类和寄主岩锆石具有相似的形貌特征、化学成分和一致的年龄;第二类锆石的年龄为~450Ma。这些锆石相似的Hf同位素组成说明暗色包体和寄主岩是同源的。第二类锆石低的Ce~(4+)/Ce~(3+),高的结晶温度和异常富集的轻稀土表明岛弧下地壳内的侵入体或堆晶在~450 Ma受到了岩浆期后事件的改造。唐藏石英闪长岩具有埃达克质特征和高的MgO、Cr、Ni、Ba含量,结合它们与北秦岭变基性岩相似的同位素组成,我们认为唐藏岩体是岛弧岩浆参与下,不均一岛弧下地壳熔融的结果。石英闪长岩中的地幔物质贡献是通过熔体对岛弧下地壳的渗滤熔融过程实现的。唐藏石英闪长岩的形成过程暗示高镁安山质的大陆地壳可能与岛弧下地壳的渗滤熔融过程有关。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P588.323
【图文】：
俯冲带内的熔流体作用:来自蛇纹石化和渗滤交代过程的启示TrommsdorffandEvans，1977；Poweretal.，2013）。天然蛇纹岩中的碳通常被认为是富Ca孔隙流体与海水发生相互作用的产物（Ludwigetal.，ottletal.，2003）。此外，俯冲板片所携带的还原性碳可能会通过变质再转变为碳酸盐矿物，这一过程可能也与蛇纹石的变质脱水有关（Debre15）。碳酸盐矿物也可以形成于蛇纹岩的碳酸盐化和后期风化过程（Powe13）。如图 3.1，橄榄石可以直接发生水化形成蛇纹石和水镁石，也可以与流体反应生成蛇纹石和菱镁矿，蛇纹岩的碳酸盐化蚀变会形成“滑石+菱“菱镁矿+石英”的矿物组合，而后期风化过程则会形成含水的菱镁矿Butt and Cluzel，2013；Power et al.，2013）。
图 3.2 勉略地区蛇绿岩碎片的分布简图，改编自 Dong et al. (2011a)。Figure 3.2 Geological map showing distributions of ophiolite fragments in the Mianlue region,modified from Dong et al. (2011a).鱼洞子群：以斜长角闪岩、浅粒岩夹磁铁石英岩为主的一套变质火山-沉积岩系。前人获得变基性岩的全岩 Sm-Nd 年龄为 2688±100Ma（张宗清等，2001）,从斜长角闪岩中分选出的锆石给出的U-Pb年龄为2657±9M（a秦克令等，1992）。碧口群：出露于陕、甘、川三省交界处，太古宙鱼洞子群为其下伏基底。碧口群为扬子地块西北缘的中新元古代增生地体，为一套变质火山沉积岩、细碧石英角斑岩建造。前人将该火山岩系划分出 3 个喷发旋回，每个旋回都表现为下部为基性火山岩、上部为酸性火山岩的双峰式结构（夏林圻等，2007）。这些火山岩的锆石 SHRIMP U-Pb 年龄为 776 840 Ma（闫全人等，2003）。前寒武系断头崖组和九道拐组：前者为泥质岩、硅质岩和硅质灰岩，或者主
图 3.3 煎茶岭蛇纹岩和亮丫子蛇纹岩的镜下显微照片。（a）、（b）、（c）：煎茶岭 Group 1a蛇纹岩中橄榄石、辉石的假象结构；（c）、（d）、（e）：煎茶岭 Group 1b 蛇纹岩中重结晶形成的叶蛇纹石和叶片状的叶蛇纹石脉；（g）、（h）：具有非假象结构的亮丫子蛇纹岩—拉长的、相互贯穿的叶蛇纹石；（h）：亮丫子蛇纹岩中尖晶石的背散射（BSE）图像，尖晶石的边缘转变为磁铁矿。Lz=利蛇纹石，Mgt=磁铁矿，Mag=菱镁矿，Atg=叶蛇纹石，Dol=白云石，Spl=尖晶石。Figure 3.3 Photomicrographs of serpentinites from the Jianchaling and Liangyazi region. (a), (b),(c): Pseudomorphs after orthopyroxene and olivine (Group 1a serpentinites from the Jianchalingregion). (c), (d), (e): Recrystallized serpentine minerals (antigorite) and antigorite blades in vein(Group 1b serpentinites from the Jianchaling region). (g), (h): Nonpseudomorphic texturesrepresented by elongate, interpenetrating blades of antigorite (Group 2: serpentinites from theLiangyazi region). (i): BSE image of spinel in the Liangyazi serpentinites. The rim of the analyzedspinel is transformed into magnetite. Lz = lizardite, Mgt = magnetite, Mag = magnesite,Atg =antigorite, Dol = dolomite, Spl = spinel.
本文编号：2802477
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P588.323
【图文】：
俯冲带内的熔流体作用:来自蛇纹石化和渗滤交代过程的启示TrommsdorffandEvans，1977；Poweretal.，2013）。天然蛇纹岩中的碳通常被认为是富Ca孔隙流体与海水发生相互作用的产物（Ludwigetal.，ottletal.，2003）。此外，俯冲板片所携带的还原性碳可能会通过变质再转变为碳酸盐矿物，这一过程可能也与蛇纹石的变质脱水有关（Debre15）。碳酸盐矿物也可以形成于蛇纹岩的碳酸盐化和后期风化过程（Powe13）。如图 3.1，橄榄石可以直接发生水化形成蛇纹石和水镁石，也可以与流体反应生成蛇纹石和菱镁矿，蛇纹岩的碳酸盐化蚀变会形成“滑石+菱“菱镁矿+石英”的矿物组合，而后期风化过程则会形成含水的菱镁矿Butt and Cluzel，2013；Power et al.，2013）。
图 3.2 勉略地区蛇绿岩碎片的分布简图，改编自 Dong et al. (2011a)。Figure 3.2 Geological map showing distributions of ophiolite fragments in the Mianlue region,modified from Dong et al. (2011a).鱼洞子群：以斜长角闪岩、浅粒岩夹磁铁石英岩为主的一套变质火山-沉积岩系。前人获得变基性岩的全岩 Sm-Nd 年龄为 2688±100Ma（张宗清等，2001）,从斜长角闪岩中分选出的锆石给出的U-Pb年龄为2657±9M（a秦克令等，1992）。碧口群：出露于陕、甘、川三省交界处，太古宙鱼洞子群为其下伏基底。碧口群为扬子地块西北缘的中新元古代增生地体，为一套变质火山沉积岩、细碧石英角斑岩建造。前人将该火山岩系划分出 3 个喷发旋回，每个旋回都表现为下部为基性火山岩、上部为酸性火山岩的双峰式结构（夏林圻等，2007）。这些火山岩的锆石 SHRIMP U-Pb 年龄为 776 840 Ma（闫全人等，2003）。前寒武系断头崖组和九道拐组：前者为泥质岩、硅质岩和硅质灰岩，或者主
图 3.3 煎茶岭蛇纹岩和亮丫子蛇纹岩的镜下显微照片。（a）、（b）、（c）：煎茶岭 Group 1a蛇纹岩中橄榄石、辉石的假象结构；（c）、（d）、（e）：煎茶岭 Group 1b 蛇纹岩中重结晶形成的叶蛇纹石和叶片状的叶蛇纹石脉；（g）、（h）：具有非假象结构的亮丫子蛇纹岩—拉长的、相互贯穿的叶蛇纹石；（h）：亮丫子蛇纹岩中尖晶石的背散射（BSE）图像，尖晶石的边缘转变为磁铁矿。Lz=利蛇纹石，Mgt=磁铁矿，Mag=菱镁矿，Atg=叶蛇纹石，Dol=白云石，Spl=尖晶石。Figure 3.3 Photomicrographs of serpentinites from the Jianchaling and Liangyazi region. (a), (b),(c): Pseudomorphs after orthopyroxene and olivine (Group 1a serpentinites from the Jianchalingregion). (c), (d), (e): Recrystallized serpentine minerals (antigorite) and antigorite blades in vein(Group 1b serpentinites from the Jianchaling region). (g), (h): Nonpseudomorphic texturesrepresented by elongate, interpenetrating blades of antigorite (Group 2: serpentinites from theLiangyazi region). (i): BSE image of spinel in the Liangyazi serpentinites. The rim of the analyzedspinel is transformed into magnetite. Lz = lizardite, Mgt = magnetite, Mag = magnesite,Atg =antigorite, Dol = dolomite, Spl = spinel.
本文编号：2802477
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