中国及澳洲东南部地幔包体特征及岩石圈演化研究

发布时间：2020-08-11 21:14

【摘要】：火山作用是天然的“深部钻孔”,捕获的幔源捕虏体(橄榄岩和辉石岩)是认知上部地幔成分、结构和演化的直接来源。橄榄岩作为上地幔的主要组分,不仅是研究地幔性质(熔融抽取、交代改造等)的直接对象,而且是大陆地壳生长的主要来源。地幔辉石岩,占上部地幔总体积不到10%,却是一种重要的岩浆来源和/或交代组分,记录了岩石圈地幔中的复杂改造过程,是认识地幔不均一性成因的关键对象。综合对橄榄岩和辉石岩的研究可以有效揭示深部岩石圈地幔的部分熔融、交代改造以及熔体迁移等一系列物理化学及动力学过程。自显生宙以来,中国和澳洲东南部经历了中-新生代古太平洋板块的俯冲作用,导致巨量玄武质岩浆的喷发和堆积。这些新生代玄武岩的喷发携带大量幔源捕虏体,为详细探索不同构造背景下深部岩石圈的演化提供了最佳对象。中国东南部喷发的新生代玄武岩主要为橄榄岩捕虏体,但是澳洲东南部新生代玄武岩捕获大量石榴石辉石岩,对它们展开综合研究,可以全面探讨板片俯冲对克拉通和造山带陆下岩石圈地幔形成演化的过程。本论文选取华南克拉通(中国东南部)内的橄榄岩捕虏体以及Lachlan造山带(澳洲东南部)内的石榴石辉石岩捕虏体,进行详细的岩相学、显微结构、地球化学以及多类型同位素的分析,目的是:(1)了解克拉通下陆下岩石圈显生宙时期的地幔属性和克拉通地幔被破坏改造的过程;(2)探讨多阶段熔体-橄榄岩反应的过程及其在克拉通破坏中的意义;(3)揭示辉石岩熔体的起源、交代作用以及弧下地幔楔过程;(4)提出不同构造背景下非克拉通型大陆岩石圈地幔的演化动力学模型。获得的认识包括:(1)中国东南部的橄榄岩捕虏体可分为两类。类型1具有高的橄榄石Mg#(~90-92),亏损玄武质组分(Al_2O_3、Ca O和Ti O_2)的特征,以及LREE富集、HREE相对亏损的配分形式和亏损的HFSE,表现为相对难熔的特征并记录古老碳酸岩熔体的交代作用,该类型与华北新生代时期具太古宙克拉通残留地幔属性的鹤壁橄榄岩相似。类型2为相对饱满的二辉橄榄岩,具有低的橄榄石Mg#(~89-90),和亏损的单斜辉石REE配分形式,与华北相同时期代表新增生的饱满“大洋型”岩石圈地幔类似。两类橄榄岩的共存表明:相对难熔的岩石圈地幔可能是经历软流圈物质沿地幔薄弱带不规则上涌、侵蚀、置换而残留的古老克拉通型地幔,随后这些上涌的软流圈物质冷却沉降形成新增生的饱满岩石圈地幔。这种克拉通下岩石圈地幔置换过程可能主要是由中-新生代古太平洋俯冲回撤导致岩石圈大规模伸展,软流圈地幔上涌置换的结果。(2)中国东南部橄榄岩捕虏体还记录了多期的熔体-橄榄岩相互作用,这些作用发生在地幔熔融抽取之后,包裹富钠硅酸盐熔体和富钾硅酸盐熔体。富钠硅酸盐熔体主要出现在单斜辉石和尖晶石的筛状边内部和附近,是由软流圈低度部分熔融产生的熔体渗滤到周围地幔橄榄岩,导致熔体与单斜辉石和尖晶石发生熔融和反应。这种反应引起单斜辉石边部比核部具有更低的Al_2O_3、Na_2O和Mg#,更高的Fe O、Ti O_2和Cr#。富钾硅酸盐熔体产生于富钠熔体之后,具有高Si O_2、K_2O(平均14.3%),高Rb、Ba和LREE以及低Na_2O/K_2O(0.01-0.29)的特点,可能是伴随软流圈上涌引起早期形成的富含金云母岩石发生低度部分熔融的熔体交代周围地幔橄榄岩的产物,这种熔体引起筛状结构的单斜辉石和尖晶石进一步反应生成蠕虫状富Cr的单斜辉石和尖晶石,并且完全或部分置换橄榄岩中的斜方辉石。(3)澳洲东南部Lachlan造山带Bullenmerri和Gnotuk湖区内的石榴石辉石岩不仅作为交代介质改造周围橄榄岩,而且其复杂的化学成分暗示经历了伴随俯冲作用的多期地幔改造过程。辉石岩中单斜辉石变晶出溶石榴石(±斜方辉石±尖晶石±斜长石±钛铁矿±尖晶石)说明这些石榴石辉石岩是初始单斜辉石主导的堆晶岩由于冷切作用发生出溶和重结晶过程,最终平衡在~950-1100°C和12-18 kb(40-60 km)条件下。高Mg O的石榴石二辉石岩具有高Cr、低Al的含量,以及相对平坦的LREE配分形式和相对均一的Sr-Nd-Hf同位素组成(~(87)Sr/~(86)Sr=0.70386-0.70657;~(143)Nd/~(144)Nd=0.51260-0.51283;~(176)Hf/~(177)Hf=0.28281-0.28305),代表含水的岛弧拉斑玄武岩在~1420-1460°C和23-30 kb条件下的堆晶产物。而低Mg O的单斜辉石岩有具有低的Cr含量,多变的REE配分形式,从LREE亏损到LREE富集以及不均一的Sr-Nd-Hf同位素组成0.28396),是两组分混合的堆晶产物;它们的母岩浆可能来源于受俯冲板片(含沉积物)强烈交代的弧下对流地幔楔在1280-1400°C和16-20 kb条件下的部分熔融,所形成的并经过演化的弧岩浆上升侵入岩石圈地幔并发生分离结晶作用。辉石岩中单斜辉石和石榴石的Sm-Nd等时线年龄暗示这些辉石岩可能在300-500 Ma形成于50-100 km的地幔深度,随后在~44Ma时受中-新生代古太平洋的俯冲伸展作用,使得岩石圈地幔整体抬升至~40-60 km的深度(抬升幅度达~10-20 km)。同位素及温压估算结果表明,澳洲东南部岩石圈地幔在显生宙经历了减压冷却过程以及古老再循环组分对岩石圈地幔的交代改造过程,揭示了大陆边缘地幔楔弧岩浆形成的复杂动力学过程。(4)中国东南部克拉通下的橄榄岩捕虏体显示现今主体为新生饱满的岩石圈地幔,仅有少量的古老难熔岩石圈地幔残留,这种岩石圈地幔的增生和改造过程可能主要是由于古太平洋的俯冲回撤作用,岩石圈伸展引起下部软流圈物质上涌和岩石圈地幔发生多阶段熔-岩反应、侵蚀置换上部古老的岩石圈,诱发其发生整体或局部的破坏。而俯冲作用对造山带内的岩石圈地幔改造作用更为明显。澳洲东南部造山带内下石榴石辉石岩捕虏体记录了古生代造山过程中弧下地幔楔岩浆动力学过程和洋-陆转换汇聚作用,以堆晶辉石岩脉形式分散于岩石圈地幔楔中,而后古太平洋俯冲导致岩石圈伸展和软流圈上涌抬升过程。对克拉通下橄榄岩和造山带内辉石岩捕虏体的研究,系统揭示了不同构造背景下俯冲作用对大陆岩石圈地幔组分的改造、破坏过程中的物理化学响应。总之,西太平洋的俯冲和回撤作用对中国东南部和澳洲东南部岩石圈新生代时期的形成和演化过程有重要影响,是最主要的地球动力学来源。
【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】：P542.5;P313
【图文】：

含量变化图,克拉通,橄榄岩,含量变化

中国地质大学博士学位论文 3mW/m2; Pollack et al., 1993) 且强烈曲线化，如澳洲东部捕虏体地热 (Griffin et al.,1984; O'Reilly and Griffin, 1985, 1996; O'Reilly et al., 1997)。少量的显生宙地幔来源的二辉橄榄岩记录了元古代地幔的残留（Re-Os 年龄；Alard et al., 2002; Xu etal., 2008)。元古代的陆下岩石圈地幔成分介于古老难熔克拉通和新生饱满岩石圈地幔之间，橄榄石的 Mg# 为 90-92，全岩 CaO 和 Al2O3的含量约为（~2%），密度为 (~3.34±0.02 g/cm3)。这种岩石圈地幔岩石类型、主量元素的持续变化说明认为地幔主量元素特征主要受熔融作用控制，后期地幔交代影响很小，较老的岩石圈地幔经历的部分熔融的程度越高 (Griffin et al., 1999a; O'Reilly et al., 2001)。

石榴石辉石岩,采样点,造山带,碧玄岩

两湖相距不到1km，在地理位置上位于白垩纪Otway盆地内，其基底岩石可能属于Delamerian或Lachlan造山带，因为采样位置靠近Delamerian和Lachlan造山带的分界线 (Moyson断裂带) 的延伸方向 (图2-2)。寄主玄武岩为碧玄岩，具有低的MgO (~6.71 wt%)，CaO (~6.89 wt%)和高碱的含量，OIB型的Sr-Nd同位素特征 (87Sr/86Sr=0.7039 - 0.7041,143Nd/144Nd=~0.51283; Griffin et al., 1988; Stolz andDavies, 1988)。图2-2 石榴石辉石岩采样点及周围的构造地质图 (改自Miller et al., 2002

曲线,橄榄岩捕虏体,显微结构特征

量的粗粒 (LS0906，LS0910) 和细粒结构 (LS0902)。残碎斑结构的橄榄岩都属于类型2富Cpx的二辉橄榄岩，粗粒 (4mm) 的橄榄石碎斑含量大于10%，斜方辉石呈不规则状，部分颗粒出溶细的单斜辉石页片（图4-1a）。少量硫化物被斜方辉石包裹，或呈脉状出现在矿物边界或裂隙中。类型1贫Cpx的橄榄岩总有粗粒结构、细粒结构。其中方辉橄榄岩为粗粒结构，橄榄石和斜方辉石粒径2.5-5mm，颗粒之间多为曲线接触,局部可见“三联点”结构（图4-1b）。二辉橄榄岩 LS0902 为细粒结构，矿物颗粒多半 <2mm（图4-1d），局部含中粗粒橄榄石（<5%）。这些类型1贫Cpx的橄榄岩中单斜辉石还含有大量CO2流体包裹体（图4-1c）。而大部分的类型1和类型2中的尖晶石为棕色的，分散在硅酸盐矿物颗粒之间或被硅酸盐矿物包裹。图4-1 练山橄榄岩捕虏体的显微结构特征。(a) LS0926中Cpx的筛状结构 (单偏光)；(b) LS0910显示粗粒结构 (正交光)；(c) LS0910 的Cpx中大量CO2和绿色Sp包裹体 (单偏光)；(d) LS0902显示细粒显微结构 (正交光)。Ol, 橄榄石; Opx

【参考文献】