秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖地球化學(xué)研究.pdf

1、秦嶺造山帶是中國中央造山帶的重要組成部分之一，記錄了華南陸塊與華北陸塊之間從古生代大洋俯沖和弧陸碰撞到中生代陸陸碰撞并最終導(dǎo)致兩大陸塊拼合的整個過程，具有復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史。尤其在早中生代時期，伴隨華南與華北陸塊之間的大陸碰撞作用，秦嶺造山帶經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造-巖漿活動，形成了大面積的晚三疊世花崗巖。這些花崗巖侵入體是碰撞造山帶構(gòu)造演化的重要產(chǎn)物，因此可以對認(rèn)識秦嶺造山帶的地殼結(jié)構(gòu)和地球動力學(xué)演化提供重要的信息。秦嶺造山帶廣泛出露的晚三疊

2、世花崗巖和其中的暗色包體為研究這些問題提供了良好的天然樣品，有助于進(jìn)一步深化和豐富人們對花崗巖成因問題的理解和認(rèn)識。盡管前人對秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖開展了大量研究，取得了豐富的成果，但關(guān)于它們的巖漿源區(qū)和地球動力學(xué)背景仍存在很大的爭議。有鑒于此，本學(xué)位論文選取了秦嶺造山帶典型的晚三疊世花崗巖體（南秦嶺南緣光頭山和華陽巖體，南秦嶺北緣沙河灣、曹坪和柞水巖體，西秦嶺糜薯嶺巖體）進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究，結(jié)果制約了這些晚三疊

3、世花崗巖及其中暗色包體的形成時代、巖石類型、源區(qū)性質(zhì)和巖石成因機(jī)制等。
　　本文對南秦嶺近勉略帶的光頭山(GTS)和華陽(HY)巖體進(jìn)行了鋯石U-Pb定年和Lu-Hf同位素、全巖主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素以及礦物氧同位素研究。結(jié)果表明，這些花崗巖源于變沉積巖部分熔融，不是前人研究認(rèn)為的變火成巖部分熔融產(chǎn)物，因此它們屬于S型花崗巖而非Ⅰ型花崗巖。LA-ICPMS鋯石U-Pb定年結(jié)果表明，這些花崗巖體形成于207±3至212±

4、4Ma。光頭山花崗巖具有弱到強(qiáng)過鋁質(zhì)特征(A/CNK=1.05～1.15)和高的全巖氧同位素組成(δ18OWR=9.52～11.20‰)。華陽花崗巖同樣顯示弱到強(qiáng)過鋁質(zhì)特征(A/CNK=1.04～1.14)，具有高的鋯石和全巖氧同位素組成(δ18OZr=1071～11.43‰、δ18OWR=12.42～13.77‰)。另一方面，光頭山花崗巖具有低的K2O/Na2O比值(0.5～132)、低的Rb/Sr比值但相對高的Sr/Ba比值，不同程

5、度的銪異常(Eu/Eu*=0.29～1.05)以及相對低的鋯石飽和溫度(TZr=653～766℃)。相反地，華陽花崗巖具有高的K2O/Na2O比值(1.01～2.82)、高的Rb/Sr比值但低的Rb/Ba比值，明顯的銪負(fù)異常(Eu/Eu*=052～0.77)和相對高的鋯石飽和溫度(TZr=711～795℃)?；谶@些地球化學(xué)特征，并與不同巖性（角閃巖、雜砂巖、泥質(zhì)巖）在不同熔融條件下（水致vs.脫水）的實驗熔體成分相對比，綜合分析表明，

6、光頭山花崗巖形成于相對低溫和流體存在條件下變泥質(zhì)巖和變雜砂巖的水致部分熔融，而華陽花崗巖則形成于相對高溫條件下變雜砂巖的脫水部分熔融。此外，兩個花崗巖侵入體均顯示了變化的且高的全巖(87Sr/86Sr)1值(0.7047～0.7115)，負(fù)的全巖εNd(t)值(-9.8～-6.8)和鋯石εHf(t)值(-13.1～-2.0)，對應(yīng)于中元古代到古元古代的兩階段Nd-Hf模式年齡，表明這些花崗巖的源巖是風(fēng)化的古老地殼物質(zhì)。另外，這些花崗巖的

7、εNd(t)值與南秦嶺南緣和華南陸塊北緣的沉積巖類似，表明它們之間具有成因上的聯(lián)系。因此，光頭山和華陽花崗巖起源于變沉積巖而不是變火成巖的部分熔融，它們屬于S型而不是Ⅰ型花崗巖。這些沉積巖可能在三疊紀(jì)大陸俯沖和碰撞過程中隨俯沖陸殼一起被帶入到深部地殼，經(jīng)歷復(fù)雜的埋藏和變質(zhì)作用，在一定溫度壓力條件下這些變沉積巖發(fā)生部分熔融形成了光頭山和華陽S型花崗巖。
　　大陸花崗巖通常具有巖性和地球化學(xué)多樣性。不同的模型和假說已經(jīng)被提出用來解釋不

8、同巖體甚至同一巖體內(nèi)部地球化學(xué)組分的變化，其不僅受控于源巖的組成和性質(zhì)，也受到巖漿過程和部分熔融條件的影響。本文對南秦嶺近商丹帶出露的沙河灣、曹坪和柞水巖體進(jìn)行了詳細(xì)的鋯石U-Pb定年和Lu-Hf同位素、全巖主微量元素和Sr-Nd同位素、礦物化學(xué)和氧同位素研究，并利用模擬計算來檢驗地殼巖石部分熔融過程中微量元素分異行為。研究結(jié)果表明，這些花崗巖起源于造山帶下地殼變火成巖部分熔融，屬于Ⅰ型花崗巖，記錄了大陸地殼的再造。LA-ICPMS鋯石

9、U-Pb定年結(jié)果表明，這些巖體形成于208±2至216±3Ma，與絕大多數(shù)秦嶺造山帶三疊紀(jì)花崗巖的形成年齡(205～225Ma)一致。此外，鋯石CL圖像和U-Pb定年沒有發(fā)現(xiàn)殘留鋯石。沙河灣和曹坪花崗巖具有高鉀鈣堿性和準(zhǔn)鋁質(zhì)的特征(A/CNK=0.84～0.93)，含有角閃石且?guī)r體邊部發(fā)育有鎂鐵質(zhì)微粒包體(MMEs)，具有類似正常地幔鋯石的氧同位素組成(δ18OZr=4.71～5.72‰)。柞水花崗巖具有高鉀鈣堿性和準(zhǔn)鋁質(zhì)到弱過鋁質(zhì)特征

10、(A/CNK=0.99～1.03)，不含角閃石且?guī)缀鯖]有MMEs發(fā)育，具有相對低的鋯石氧同位素組成(δ18OZr=4.60～4.83‰)。另一方面，沙河灣和曹坪花崗巖具有相對低的SiO2含量(62.88～69.04wt.％)，相對高的FeOT，MgO和TiO2含量但低的Rb/Sr和Al2O3/TiO2比值，無明顯銪負(fù)異常(Eu/Eu*=0.79～0.89)和相對平滑的REE分布特征。與此相反，柞水花崗巖具有相對高的SiO2含量(69.3

11、2～75.94wt.％)，相對低的FeOT，MgO和TiO2含量但高的Rb/Sr和Al2O3/TiO2比值，中等程度的銪負(fù)異常(Eu/Eu*=0.63～0.81)以及上凹的REE分布型式。這些花崗巖都具有富集LREE和LILE、虧損HFSE的弧型微量元素分布特征。地球化學(xué)對比和微量元素模擬表明，這些花崗巖明顯不同于大別造山帶加厚下地殼熔融形成的埃達(dá)克質(zhì)巖(adakitic rocks)，僅需要正常厚度下地殼的鎂鐵質(zhì)巖石發(fā)生～20％至30

12、％的部分熔融即可形成。綜合所有分析結(jié)果并進(jìn)一步與前人對不同巖石的實驗巖石學(xué)熔體組分相對比，表明這些花崗巖形成于變玄武巖脫水部分熔融，隨后經(jīng)歷了不同程度的分離結(jié)晶作用，且熔融溫度及其熔融程度也控制了這些花崗巖地球化學(xué)組分的變化。礦物主量元素分析表明，沙河灣和曹坪花崗巖結(jié)晶的溫度約628～766℃、壓力約0.7～2.3kb且比柞水花崗巖具有更高的氧逸度。另一方面，三個巖體的花崗巖均顯示了相對虧損的全巖(87Sr/86Sr)1值(0.7045

13、～0.7055)，輕微負(fù)的全巖εNd(t)值(-4.0～-1.5)和輕微負(fù)到正的鋯石εHf(t)值(-1.3～32)，對應(yīng)于中元古代的兩階段Nd模式年齡(1.05～1.38Ga)和Hf模式年齡(1.04～1.39Ga)，表明這些花崗巖源于中元古代地殼物質(zhì)的再造。另外，這些花崗巖的全巖εNd(t)值和鋯石εHf(t)值類似于南秦嶺新元古代耀嶺河群變質(zhì)火山巖及鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)侵入體的同位素組成，而明顯不同于揚(yáng)子板塊北緣新元古代碧口群變質(zhì)火山

14、巖及鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)侵入體的同位素組成。結(jié)合它們非埃達(dá)克質(zhì)巖特征，表明這些花崗巖起源于南秦嶺鎂鐵質(zhì)下地殼而不是俯沖的揚(yáng)子陸殼的部分熔融。綜合區(qū)域地質(zhì)背景，這些花崗質(zhì)巖漿作用可能形成于晚三疊世華南與華北兩大陸塊同碰撞過程中的造山帶下地殼再造。
　　不同性質(zhì)的地殼巖石部分熔融可以產(chǎn)生不同類型的花崗巖，然而同一源巖在不同P-T條件下部分熔融能否產(chǎn)生不同類型的花崗巖？這對花崗巖地球化學(xué)組分具有怎樣的影響并不清楚。此外，花崗巖中通常發(fā)育鎂鐵

15、質(zhì)微粒包體，這為理解花崗巖的源區(qū)性質(zhì)和巖漿過程提供了重要的信息，但目前關(guān)于其成因機(jī)制仍存在很大的爭議。鑒于此，本文通過對西秦嶺東部糜薯嶺二長花崗巖和其中暗色包體以及黑云母花崗巖進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究。研究結(jié)果不僅制約了暗色包體的成因而且認(rèn)識了花崗巖的源區(qū)性質(zhì)。LA-ICPMS和SIMS鋯石U-Pb定年結(jié)果表明，糜薯嶺二長花崗巖、黑云母花崗巖和暗色包體形成于213±2到219±2Ma，具有誤差范圍內(nèi)一致的形成年齡。它們均

16、具有弧型微量元素分布特征、相似的全巖Sr-Nd-Hf-O同位素和鋯石Hf-O同位素組成，表明它們起源于共同的地殼源區(qū)。MMEs的單斜輝石組分、一致高的原位鋯石氧同位素(δ18O=7.32～9.21‰)以及富集的Sr-Nd-Hf同位素等特征，共同表明MMEs并不是幔源鎂鐵質(zhì)巖漿與長英質(zhì)巖漿混合的產(chǎn)物。另外，MMEs具有細(xì)?；鸪山Y(jié)構(gòu)，含有針狀磷灰石和豐富的角閃石。它們具有單斜輝石被角閃石不同程度置換的交代反應(yīng)結(jié)構(gòu)以及斜長石不平衡組分特征。所

17、有這些地球化學(xué)和巖相學(xué)特征表明，MMEs形成于中性巖漿和寄主長英質(zhì)巖漿的混合。另一方面，黑云母花崗巖具有弱過鋁質(zhì)特征(A/CNK=1.02)、含有不同時代的殘留鋯石以及高的鋯石氧同位素組成(δ18O=7.59～8.77‰)，表明其形成于相對低溫條件下變沉積巖早期階段的部分熔融。相比于黑云母花崗巖，寄主二長花崗巖具有準(zhǔn)鋁質(zhì)特征(A/CNK=0.92～0.99)且含有角閃石，類似于典型Ⅰ型花崗巖特征。然而，它們也具有高的原位鋯石和全巖氧同位