华南湘桂地区深部岩石圈特征及显生宙演化

发布时间：2017-05-12 08:03

  本文关键词：华南湘桂地区深部岩石圈特征及显生宙演化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大陆深部岩石圈主要包括深部地壳和岩石圈地幔,它的特征与演化是当今固体地球科学研究的重点与前沿方向之一。幔源岩浆岩及其所携带的深源地壳-地幔捕虏体是探索和认识大陆深部岩石圈最直接的岩石探针。华南大陆形成、增生与再造过程是我国地球科学领域关键的科学问题之一。相对于华南沿海地区,有关华南内陆地区深部岩石圈特征及其在显生宙时期演化的认识较为薄弱。本论文研究对象为华南湘桂地区广西中-东部和湖南南部的中-新生代幔源岩浆岩(超钾质煌斑岩和碱性玄武岩)及其中的地壳-地幔捕虏体,通过岩石-矿物学、地球化学和锆石U-Pb年代学、Lu-Hf同位素地球化学的系统研究,并结合已有认识,来揭示本区深部岩石圈特征及其在显生宙时期的演化。玄武质岩石携带的地幔捕虏体是可以代表岩石圈地幔的样品,可以用来反映岩石圈地幔特征及演化过程。本次研究了广西东部平南和中部马山地区新生代玄武质岩石中的地幔捕虏体,包括：尖晶石方辉橄榄岩、贫单斜辉石的二辉橄榄岩、二辉橄榄岩和橄榄二辉辉石岩。广西地幔岩主要由方辉橄榄岩和贫单斜辉石的二辉橄榄岩所组成,具有适度难熔的矿物组成(橄榄石Mg#值(Mg#o1)=90.2-91.3)；而少量的二辉橄榄岩则显示了饱满的矿物特征(Mg#OI=89.3)；橄榄二辉辉石岩的矿物特征不同于橄榄岩捕虏体,具有更加饱满的组成(Mg#OI=87.5)。地幔捕虏体中单斜辉石的微量元素显示了从轻稀土亏损型、稀土平坦型到轻稀土富集型的多种特征,通常具有Sr正异常、Nb、Zr、Ti负异常。矿物成分的模拟计算显示,广西橄榄岩捕虏体经历过中度到高度(～10-20%)的熔体抽取,并受到硅酸盐交代作用的影响。少量的橄榄二辉辉石岩可能是由富Ca硅酸盐熔体参与的橄榄岩-熔体反应所形成。在寄主岩浆喷发上升过程中,由于橄榄岩捕虏体/晶与寄主岩浆处于不平衡的状态,不仅在捕虏体/晶中保留有反应现象,也形成了方辉橄榄岩中环带橄榄石(Mg#o1=83-88)和环带结构的橄榄石捕虏晶(Mg#OI=75-82)。广西地幔捕虏体的平衡温度在860-1080℃,大多数低于950℃,低于临近的湖南道县-宁远地区地幔捕虏体的平衡温度(950 ℃)。综合已有研究说明,湘桂地区在长期的演化过程中,受到深大断裂带的控制及多种地质作用的影响,使得中-新生代时期本区深部岩石圈地幔存在明显的不均一性：湘桂地区岩石圈地幔主体仍以适度难熔到难熔的古老岩石圈地幔为主,岩石类型为方辉橄榄岩和贫单斜辉石的二辉橄榄岩,并含有少量饱满的新生地幔物质(如饱满的二辉橄榄岩和辉石岩)；而少数几个受到深大断裂带等构造-热事件强烈影响的地区,例如湖南宁远-道县,其深部岩石圈地幔则以饱满的新增生地幔物质为主体。同一地区连续不同时代、不同类型的幔源岩浆岩对于反演岩石成因和源区特征及动力学过程具重要的意义。本次研究了广西中-东部地区的白垩纪超钾质煌斑岩和古近纪碱性玄武岩。广西中部龙昌地区晚中生代白垩纪超钾质煌斑岩斑晶以黑云母为主,含少量橄榄石和单斜辉石,基质主要为黑云母、钾长石。龙昌超钾质煌斑岩具有低SiO2 (50.65-54.60 wt.%),高Mg#(68-71),高地幔相容元素(Cr (345-414 ppm)和Ni (206-349 ppm))的地球化学特征,反映了幔源岩浆的属性,而高K20(5.6-6.2 wt.%)和K2O/Na2O (3.0-3.8)则显示了超钾质岩石的特征。其微量元素表现出强烈富集轻稀土元素、大离子亲石元素(如Rb、Ba、Th、U)、亏损高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf)的特点,具有高(87Sr/86Sr)i (0.7136-0.7138)和负sNd(t)值(-9.17--9.45)。广西龙昌超钾质煌斑岩岩浆可能是由EM2型富集岩石圈地幔的低度部分熔融所形成。它的EM2型富集岩石圈地幔源区可能为含金云母的石榴石相(80 km)方辉橄榄岩,源区受到过早期俯冲交代作用或碳酸盐交代作用的影响。广西东部平南和中部马山地区古近纪碱性玄武岩斑晶为橄榄石和钛辉石,基质为钛辉石、斜长石和钛铁氧化物。广西古近纪玄武岩具有低SiO2(41.31-46.84 wt.%),高Fe2O3T (9.57-11.50 wt.%)、TiO2 (2.16-2.75 wt.%), Mg#值在56-64,富集地幔相容元素(Ni、Cr)的特征。在微量元素上富集轻稀土元素、大离子亲石元素和高场强元素,具有Nb、Ta正异常。Sr-Nd同位素显示了亏损地幔特征,低(87Sr/86Sr)i (0.7042-0.7046)和正εNd(t)值(3.05-4.17)。其元素和Sr-Nd同位素地球化学特征与常见的OIB型碱性玄武岩相似。广西古近纪碱性玄武岩的原始岩浆应是软流圈地幔低度部分熔融的产物,并且部分发生了轻微的软流圈／岩石圈地幔相互作用。岩浆在上升过程中没有受到明显的地壳物质混染,发生过橄榄石和单斜辉石分离结晶作用。其地幔源区可能为尖晶石相到尖晶石-石榴石过渡相(80km)的饱满的二辉橄榄岩。火山岩携带的深源地壳捕虏体对于揭示未出露于地表的深部地壳的特征及演化具有重要的研究价值。本次研究了湖南南部道县地区中生代玄武岩中的长英质捕虏体(长英质片麻岩和长英质麻粒岩)和镁铁质捕虏体。道县长英质片麻岩捕虏体为片麻状构造,组成矿物为黑云母+石英+钾长石+斜长石,显示了高SiO2 (70.17 wt.%)、Al2O3 (13.97 wt.%)、 K2O (4.63 wt.%),低MgO(1.87 wt.%)的特点,元素含量处于湘桂地区古生代花岗岩的范围内。其D.F.值为正值(1.12),结合岩相学特征说明其原岩应为岩浆岩,定名为黑云二长片麻岩/花岗片麻岩。微量元素显示了轻稀土富集、重稀土平坦的特征,无Eu异常,富集大离子亲石元素(Rb、Th),有弱的Zr-Hf正异常。其锆石多具有核-边结构,核部为岩浆振荡环带,边部为均一变质边,也有少量均一结构锆石。锆石U-Pb定年结果给出的不一致线上、下交点年龄分别为～431 Ma和～201Ma。靠近上、下交点的锆石也分别给出了-427 Ma和-210 Ma的加权平均年龄。锆石的Lu-Hf同位素结果显示(176Hf/177Hf)i在0.282268-0.282512,εHf值在-10.8到-4.2,Hf模式年龄TDM2在1.97--1.54 Ga。结合岩相学和锆石内部结构,说明片麻岩的原岩形成于早古生代(431-427Ma),为古老物质重熔形成的岩浆岩；并在早中生代(210-201 Ma)时期,受到强烈的变质作用影响。道县长英质麻粒岩捕虏体为粒状变晶结构,组成矿物为石英+钾长石+斜长石+斜方辉石。相对于长英质片麻岩,具有低SiO2 (67.6 wt.%)、Al2O3 (12.69 wt.%),高MgO (3.94 wt.%)、K2O (5.87 wt.%)的特征。其微量元素为轻稀土轻度富集、重稀土平坦的特征,有Eu正异常,富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,与常见的大陆下地壳元素分布相似。长英质麻粒岩的锆石多为振荡环带的岩浆锆石或结构均一的锆石,锆石U-Pb定年结果给出的不一致线上、下交点年龄分别为～923 Ma和～202 Ma,锆石Lu-Hf同位素结果显示(176Hf/177Hf)i值较为集中(0.282190-0.282340),说明不一致线上的锆石应具有同源特征。εHf值在0.5到-11.9,Hf模式年龄TDM2在2.08-1.74 Ga。长英质麻粒岩应为湘桂地区古老的深部地壳物质(新元古代,-923 Ma)受到了早中生代时期(～202 Ma)构造-热事件的影响。道县镁铁质捕虏体均为基性麻粒岩(二辉麻粒岩),粒状变晶结构,组成矿物为斜方辉石(紫苏辉石)+单斜辉石+斜长石±尖晶石±钛铁矿±黄铁矿±角闪石。基性麻粒岩具有相似的全岩SiO2含量(44.82-50.77 wt.%),但根据辉石和斜长石的含量,可以分为：A类富辉石和B类富长石的基性麻粒岩。A类富辉石基性麻粒岩中辉石含量大于斜长石,显示了低Al2O3 (16.40-19.49 wt.%),高MgO (9.78-13.16 wt.%)的含量,稀土元素具有平坦型特征,亏损Th、U、Nb,有Sr正异常,轻微Eu异常(Eu/Eu*=0.82-1.49)和Zr、Hf负异常,但少量样品无Nb、Zr/Hf和Sr的异常；而B类富长石基性麻粒岩中斜长石含量大于辉石,显示了高A12O3(20.66-26.20 wt.%),低MgO(3.58-9.20 wt.%)的含量,稀土元素具有右倾特征,不同程度的亏损重稀土元素、Th、U、Nb,有明显的Sr、Eu正异常(Eu/Eu*=1.28-4.63)和Zr-Hf负异常。基性麻粒岩中锆石多具有振荡环带或均一结构,锆石U-Pb定年结果显示基性麻粒岩年代学特征可以分为两类：一类为新增生的幔源岩浆底侵的下地壳物质,即原岩的形成年龄在早中生代(-205 Ma),并且随后(-198 Ma)发生了麻粒岩相变质作用,锆石的(176Hf/177Hf)i在0.282760-0.282907,εHf值在4.1-9.3,TDM1年龄为0.56-0.26 Gm第二类可能为古老的地壳物质发生再造,即古老地壳物质(-1206 Ma)在早中生代时期(-196 Ma)受到明显的变质作用影响,其锆石Hf同位素较为复杂,(176Hf/177Hf)i在0.281306-0.282816,εHf值在-2.4-8.0,TDM1年龄在0.61-2.65 Ga。对华南湘桂地区的中-新生代幔源岩浆岩及其携带的地壳-地幔捕虏体的研究,除了上述反映的本区深部岩石圈特征以外,也显示了显生宙时期华南大陆发生的多期次构造-热事件(早古生代、早中生代、晚中生代、早新生代)对本地区的影响,使得其深部岩石圈(深部地壳和岩石圈地幔)经历了多阶段的改造过程：(1)华南早古生代造山作用(加里东期/武夷-云开造山作用/广西运动)后期,陆内造山带的核部发生的拆沉/构造垮塌作用而导致软流圈物质上涌,熔融的幔源岩浆加热深部地壳,导致非造山带核部的湘桂地区深部古老的地壳物质熔融而形成岩浆岩,包括道县长英质片麻岩捕虏体的原岩,形成时代在431-427 Ma。这也说明华南早古生代陆内造山作用的后期,造山带核部地区发生的拆沉/构造垮塌作用对华南东南部影响广泛,非造山带核部的湘桂地区发生了不同程度的壳-慢作用和深部地壳物质的熔融。(2)晚古生代-早中生代印支期的构造-热事件对华南深部岩石圈有不同程度的影响,道县镁铁质捕虏体的研究表明,在早中生代印支运动的晚期,湘桂地区发生有明显的岩石圈伸展拉张及软流圈物质上涌,形成了底侵的幔源岩浆。印支晚期的幔源岩浆在地表并没有明显的出露,但却不同程度的改变或改造了湘桂地区深部岩石圈特征：(a)镁铁质岩浆的底侵作用导致下地壳增生(-205 Ma),并在很短的时间内发生了麻粒岩相变质作用(-198Ma)；(b)可能有少量幔源岩浆侵入地壳的不同层位或者喷出地表形成玄武质岩石；(c)底侵于下地壳或者侵位于地壳不同层位的幔源岩浆产生的热异常导致已有的中-下地壳岩石发生不同程度的变质作用(201-196 Ma),包括中-新元古代(1206-923 Ma)的古老物质和早古生代(431-427 Ma)岩浆岩；(d)另外,这些幔源岩浆可能直接参与或者间接影响深部地壳物质,发生一定的壳-幔作用,使地壳物质熔融,产生本区印支晚期花岗岩。(3)中-新生代时期发生在华南大陆的地幔置换作用/岩石圈减薄和壳-幔岩浆活动,不仅明显的改造了沿海地区的深部岩石圈,也不同程度地影响了内陆的湘桂地区：(a)侏罗纪时期,地幔置换作用与岩浆活动强烈地影响了湖南南部道县-宁远地区；(b)随着岩石圈伸展和软流圈上涌作用的加强,到晚中生代-早新生代时期,华南地幔置换作用影响范围已经到达内陆的广西中-东部地区。广西地幔捕虏体显示了适度难熔为主体的岩石圈地幔中含有少量饱满的新生岩石圈地幔,说明该地区受地幔置换作用的影响程度要低于湖南南部地区；(c)湘桂地区晚中生代-旱新生代幔源岩浆岩是地幔置换作用的岩浆岩响应,幔源岩浆岩的反演显示了其地幔源区发生了从EM2型富集岩石圈地幔向软流圈地幔的转变,并伴随有岩石圈减薄和地幔增生作用的发生。(4)晚中生代-早新生代时期,湘桂地区所经历的深部岩石圈作用(地幔置换、幔源岩浆活动)的动力学背景可能与华南内陆东西两侧的双向动力学过程有关。其中,晚中生代时期,东侧的太平洋俯冲作用影响较大,俯冲板片可能并没有直接影响到湘桂地区深部岩石圈,但却导致华南内陆处于岩石圈伸展和下部软流圈上涌的背景下。早新生代时期,西侧的欧亚板块和印度板块的俯冲碰撞及其远程影响,可能使得华南内陆岩石圈处于伸展拉张的环境。
【关键词】：深部岩石圈 壳-幔捕虏体 幔源岩浆岩 华南 湘桂地区
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P534.4;P31
【目录】：

• 作者简介6-8
• 摘要8-12
• ABSTRACT12-19
• 第一章 前言19-29
• 1.1 论文选题19-20
• 1.2 国内外研究现状20-27
• 1.2.1 大陆岩石圈地幔及地幔捕虏体研究概述20-21
• 1.2.2 大陆深部地壳及地壳捕虏体研究概述21-22
• 1.2.3 大陆板内幔源岩浆岩成因及其动力学过程研究概述22-23
• 1.2.4 华南深部岩石圈属性及演化研究概述23-26
• 1.2.5 存在问题26-27
• 1.3 研究内容和工作量27-29
• 第二章 区域地质背景29-34
• 2.1 大地构造背景29-30
• 2.2 华南幔源岩浆岩中壳-幔捕虏体分布30-31
• 2.3 湘桂地区地质背景与中-新生代幔源岩浆岩分布31-34
• 第三章 分析方法34-37
• 3.1 岩石薄片BSE图像与EDS分析34
• 3.2 全岩主量、微量元素分析34-35
• 3.3 全岩Sr-Nd同位素分析35
• 3.4 矿物主量、微量元素分析35-36
• 3.5 锆石CL图像、U-Pb定年及微量元素分析36
• 3.6 锆石Lu-Hf同位素分析36-37
• 第四章 湘桂地区岩石圈地幔性质及演化37-74
• 4.1 广西平南-马山地区地幔捕虏体岩石学特征37-44
• 4.2 广西地幔捕虏体矿物化学特征44-64
• 4.2.1 橄榄石44-46
• 4.2.2 斜方辉石46-47
• 4.2.3 单斜辉石47-49
• 4.2.4 尖晶石49-50
• 4.2.5 反演的全岩主量元素特征50-64
• 4.3 广西地幔捕虏体岩石成因过程64-68
• 4.3.1 部分熔融作用64-65
• 4.3.2 地幔交代作用65-67
• 4.3.3 寄主岩浆与地幔捕虏体/晶反应：环带橄榄石成因67
• 4.3.4 橄榄岩-熔体反应：橄榄二辉辉石岩的成因探讨67-68
• 4.4 湘桂地区岩石圈地幔属性及演化68-72
• 4.4.1 地幔捕虏体平衡温度68-69
• 4.4.2 湘桂地区深大断裂带对岩石圈地幔演化的影响69-70
• 4.4.3 湘桂地区中-新生代岩石圈地幔性质及其不均一性70-72
• 4.5 小结72-74
• 第五章 湘桂地区中-新生代幔源岩浆成因：以广西幔源岩浆岩为例74-109
• 5.1 广西中部中生代超钾质煌斑岩岩石成因及源区特征74-91
• 5.1.1 野外地质及岩相学特征74-77
• 5.1.2 全岩地球化学与Sr-Nd同位素特征77-85
• 5.1.3 岩石成因及源区特征85-91
• 5.2 广西中-东部新生代碱性玄武岩岩石成因及源区特征91-107
• 5.2.1 野外地质及岩相学特征91-95
• 5.2.2 全岩地球化学与Sr-Nd同位素特征95-103
• 5.2.3 岩石成因及源区特征103-107
• 5.3 湘桂地区中-新生代幔源岩浆形成的构造环境107-108
• 5.4 小结108-109
• 第六章 湖南道县深部地壳捕虏体组成及锆石U-Pb年代学的初步研究109-141
• 6.1 道县地壳捕虏体岩石学特征110-114
• 6.1.1 镁铁质捕虏体111-113
• 6.1.2 长英质捕虏体113-114
• 6.2 道县地壳捕虏体全岩地球化学特征114-123
• 6.2.1 镁铁质捕虏体114-118
• 6.2.2 长英质捕虏体118-123
• 6.3 湖南道县地壳捕虏体锆石研究123-141
• 6.3.1 道县地壳捕虏体锆石形貌学及内部结构123-125
• 6.3.2 道县地壳捕虏体锆石U-Pb定年及微量元素特征125-137
• 6.3.3 道县地壳捕虏体锆石Lu-Hf同位素特征137-141
• 第七章 湘桂地区显生宙深部岩石圈多阶段改造141-150
• 7.1 湘桂地区早古生代后造山岩浆作用与深部过程141-143
• 7.2 湘桂地区印支期幔源岩浆底侵与深部过程143-145
• 7.3 湘桂地区中-新生代地幔置换作用及幔源岩浆岩响应145-148
• 7.3.1 湘桂地区中-新生代地幔置换作用145-146
• 7.3.2 湘桂地区中-新生代幔源岩浆岩源区转变146-148
• 7.4 湘桂地区晚中生代-早新生代深部动力学过程148-150
• 第八章 主要认识与存在问题150-153
• 8.1 主要认识150-151
• 8.2 存在问题与进一步工作方向151-153
• 致谢153-155
• 参考文献155-177

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 刘观亮;;广西平南马练岩群碱性玄武岩及其二辉橄榄岩包体的岩石特征和成因探讨[A];中国地质科学院宜昌地质矿产研究所文集（2）[C];1981年

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本文编号：359193