華南新元古代地幔柱活動(dòng)的巖石學(xué)記錄——來(lái)自玄武巖的證據(jù).pdf

1、近10年的研究表明，華南新元古代中期(830-760Ma)大規(guī)模的巖漿作用對(duì)探討新元古代全球地球動(dòng)力學(xué)演化具有重要意義，比如Rodinia超大陸的裂解和導(dǎo)致其裂解的地幔柱/超級(jí)地幔柱活動(dòng)，華南在Rodinia超大陸中的位置，以及華南新元古代中期構(gòu)造環(huán)境等。目前關(guān)于華南新元古代中期構(gòu)造環(huán)境存在“地幔柱”和“島弧”兩種截然不同的觀點(diǎn)。盡管越來(lái)越多的證據(jù)支持華南新元古代地幔柱模型，比如放射性巖墻群、廣泛分布的的板內(nèi)巖漿活動(dòng)、大規(guī)模的地殼抬升和

2、去頂，以及具有地幔柱來(lái)源特征(OIB型)的巖漿，但是由于(1)缺乏地幔柱活動(dòng)直接相關(guān)的高溫熔巖的報(bào)道；(2)缺乏對(duì)同期大陸溢流玄武巖省的確認(rèn)；以及(3)部分殼源巖石和玄武巖所呈現(xiàn)出的所謂的島弧巖漿的地球化學(xué)特征(不同程度虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素，如Nb、Ta等)，地幔柱模式也遭到許多研究人員的質(zhì)疑。華南新元古代中期(830-760Ma)玄武巖漿活動(dòng)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵之一。本文在系統(tǒng)總結(jié)華南新元古代玄武質(zhì)巖石的基礎(chǔ)上，選擇華南中部益陽(yáng)高溫科馬提質(zhì)

3、玄武巖和揚(yáng)子西北緣最大的玄武巖省(碧口群玄武巖)為研究對(duì)象，通過(guò)詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)巖相學(xué)、元素地球化學(xué)，同位素地球化學(xué)(Sm-Nd、Lu-Hf、Re-Os)和SHRIMP鋯石年代學(xué)等的綜合研究來(lái)探討華南新元古代中期廣泛分布的玄武巖所蘊(yùn)涌的動(dòng)力學(xué)意義，進(jìn)而為華南新元古代的動(dòng)力學(xué)演化和構(gòu)造環(huán)境之爭(zhēng)提供新的制約。
　　 本論文取得了如下主要研究進(jìn)展：
　　 1、SHRIMP鋯石U-Pb年代學(xué)的研究表明，益陽(yáng)科馬提質(zhì)玄武巖

4、的年齡為(823±6)Ma(2σ)。這套玄武巖具有典型的枕狀構(gòu)造和鬣刺結(jié)構(gòu)，拉長(zhǎng)的橄欖石骸晶可以達(dá)到5毫米長(zhǎng)。除了少數(shù)高分異的樣品外，大部樣品在地球化學(xué)組成上表現(xiàn)出典型科馬提質(zhì)玄武巖的特征，比如高M(jìn)gO(10.2-17.5％)、Ni(183-661 ppm)和Cr(677-1672 ppm)，低TiO2(0.5-0.7％)、Al2O3(10.6-12.7％)和FeOT(7.4-10.5％)。地球化學(xué)模擬表明，在消除大約5％的橄欖石的結(jié)晶

5、分之后，其原始巖漿為典型科馬提巖：MgO≈20％、FeOT≈11％、SiO2≈47％、TiO2≈0.48％、Al2O3≈10％、Ni≈860 ppm和Cr≈1780 ppm。如此高的MgO含量意味著異常高的熔體溫度(＞1500℃)，即形成于異常熱的地幔柱，其地幔潛能溫度(Tp)要比正常的軟流圈地幔(MORB地幔源區(qū))高～260℃。～825Ma益陽(yáng)高溫科馬提質(zhì)玄武巖是華南新元古代中期地幔柱活動(dòng)最為有力的巖石學(xué)證據(jù)。
　　 2、系統(tǒng)

6、分析了益陽(yáng)科馬提質(zhì)玄武巖的Lu-Hf、Sm-Nd和Re-Os同位素組成：εNd(t)=-1.4到-3.75，εHf(t)=+3到+5，γOs(t)=+11到+132。其原始巖漿呈現(xiàn)高Os含量(600ppt)和高放射成因初始Os同位素(γOs(t)=+10)的特征，與全球典型地幔柱來(lái)源玄武質(zhì)巖石一致。γOs(t)與Mg＃、Nb*、Os含量、εNd(t)、εHf(t)之間的顯著相關(guān)性表明，在益陽(yáng)科馬提質(zhì)玄武巖的形成過(guò)程中地殼同化混染作用是不

7、可忽視的，糾正了以前關(guān)于益陽(yáng)科馬提質(zhì)玄武巖沒(méi)有遭受地殼混染的認(rèn)識(shí)。Lu-Hf、Sm-Nd以及Re-Os同位素的綜合研究表明益陽(yáng)科馬提質(zhì)玄武巖的地幔源區(qū)中很可能有再循環(huán)的洋殼(榴輝巖)和遠(yuǎn)洋沉積物。
　　 3、碧口群玄武巖主要成分為拉斑質(zhì)，從地層上可劃分為上、下兩部分。共生流紋巖的SHRIMP鋯石U-Pb年代學(xué)的研究表明下部和上部玄武巖分別形成于821±7 Ma、811±12 Ma。下部和上部玄武巖在元素和Nd-Hf同位素特征上明

8、顯不同。前者的原始巖漿具有富Si和貧FeO、TiO2以及不同程度虧損Nb-Ta等典型交待變質(zhì)大陸下巖石圈地幔(SCLM)來(lái)源熔體的特征，與典型大陸溢流玄武巖省中的低-Ti玄武巖相似。下部玄武巖的εNd(t)和εHf(t)值變化較大而且與La/Sm、Th/Ta和MgO呈顯著負(fù)相關(guān)，表明在形成過(guò)程中有明顯地殼物質(zhì)的貢獻(xiàn)。個(gè)別富MgO富SiO2樣品(05BK61、05BK62)表現(xiàn)出獨(dú)特的地球化學(xué)特征，極有可能是SCLM中石榴輝石巖脈體直接部

9、分熔融的產(chǎn)物。上部玄武巖的微量元素配分模式和特征微量元素比值(Nb/U=39±5；Nb/La=0.84±0.16；Nb/Th=10.3±1.7)與OIB和大陸溢流玄武巖省中的高-Ti玄武巖相似。同時(shí)，其原始巖漿富FeO、MgO和TiO2，貧SiO2。元素和Nd-Hf同位素的綜合研究表明，其地幔源區(qū)中可能有再循環(huán)組分。數(shù)值模擬顯示兩者的部分熔融條件為：熔體溫度＞1350℃(下部)，＞1450℃(上部)；平均部分熔融壓力1.4-2.2 GP

10、a，2.6 GPa；平均熔體分?jǐn)?shù)約14％、17％。地幔潛能溫度下部為1400-1488℃，上部為(1550±30)℃。這表明，上部玄武巖起源于異常熱的地幔源區(qū)，Tp值要比正常的軟流圈地幔高～160℃。碧口群玄武巖與典型大陸溢流玄武巖省中，的高-Ti和低-Ti玄武巖組合非常相似，很可能是華南新元古大陸溢流玄武巖省的殘留部分。
　　 4、對(duì)華南新元古代14個(gè)地區(qū)190個(gè)玄武質(zhì)巖石的研究表明，主量元素組成上，絕大部分原始巖漿為苦橄質(zhì)(

11、MgO=12-18％)，而少部分為科馬提質(zhì)(MgO＞18％)。其原始熔體主量元素是部分熔融條件(熔體溫度、部分熔融壓力、熔體分?jǐn)?shù))、地幔熱狀態(tài)(地幔潛能溫度)以及巖石圈厚度等的函數(shù)。華南新元古中期(825-760Ma)玄武巖原始熔體的溫度為1300-1530℃(絕大部分＞1400℃)，地幔潛能溫度的要比同期MORB地幔源區(qū)高80-170℃。數(shù)值模擬顯示，在此期問(wèn)巖石圈厚度從100km左右減薄到60-70km左右，暗示這些玄武巖形成于伸展

12、機(jī)制下。
　　 5、華南四堡造山運(yùn)動(dòng)期間揚(yáng)子板塊東西兩側(cè)俯沖作用導(dǎo)致?lián)P子板塊大陸下巖石圈地幔(SCLM)組成的改變，使其選擇性的富集強(qiáng)不相容元素(如Th、U、LREE)和含水礦物。同時(shí)，軟流圈來(lái)源的熔體/流體的滲透作用也進(jìn)一步影響SCLM的性質(zhì)。這些過(guò)程降低了SCLM固相線溫度，在下部地幔柱提供的熱源下，發(fā)生大比例部分熔融。830-820Ma期間形成的玄武巖(比如，碧口群下部和廣豐玄武巖)記錄了地幔源區(qū)貧FeOT、TiO2和虧損

13、HFSEs等特征，與典型大陸溢流玄武巖省中的低-Ti玄武巖和Karoo、Siberian玄武巖相似，為典型SCLM大規(guī)模部分熔融的產(chǎn)物。～825Ma地幔柱的活動(dòng)有可能造成巖石圈底部的破壞，并沿著早期的薄弱帶肢解巖石圈，從而導(dǎo)致部分巖石圈殘片進(jìn)入地幔對(duì)流，隨后被晚期地幔柱帶到較淺的位置參與790-760Ma玄武巖的形成。
　　 6、元素和同位素(Re-Os、Lu-Hf、Sm-Nd等)的綜合研究表明，益陽(yáng)科馬提質(zhì)玄武巖、碧口群上部玄