秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖類成因機制及深部動力學背景.pdf

1、碰撞造山帶中形成的花崗巖是造山作用各個階段的重要物質(zhì)記錄，其源區(qū)性質(zhì)和成因機制的研究對于反演造山帶下地殼物質(zhì)組成、造山作用深部動力學過程及造山過程中地殼和地幔物質(zhì)的相互作用等科學問題具有重要意義。秦嶺-大別-蘇魯造山帶是中國大陸中部最重要的三疊紀造山帶，標志著華北和揚子板塊在晚三疊世發(fā)生陸陸碰撞形成統(tǒng)一的中國大陸。這次碰撞事件在造山帶東、西段造成了完全不同的地質(zhì)現(xiàn)象，造山帶東部的大別-蘇魯?shù)貐^(qū)形成全球規(guī)模最大的高壓-超高壓變質(zhì)帶，代表揚

2、子大陸巖石圈曾俯沖至華北地塊以下，并在隨后發(fā)生快速折返；而在造山帶西段的秦嶺地區(qū)則出露大面積的晚三疊世花崗巖類。由此引發(fā)的科學問題是：造成三疊紀造山帶東段和西段存在巨大差異的原因是什么?造山帶西段的秦嶺地區(qū)在晚三疊世是否存在陸殼俯沖作用?如果存在，這些俯沖陸殼的性質(zhì)及命運與大別-蘇魯?shù)貐^(qū)的俯沖陸殼有何不同?探討這些問題對于認識華北和揚子板塊在晚三疊世完整的碰撞動力學過程具有重要意義。本文正是著眼于秦嶺-大別-蘇魯造山帶中的這個明顯差異，

3、試圖從俯沖陸殼發(fā)生部分熔融的角度探討造山帶西段秦嶺地區(qū)晚三疊世花崗巖類的成因機制及其構(gòu)造意義。
　　 本論文在秦嶺造山帶不同構(gòu)造單元上選取晚三疊世典型的花崗巖體(南秦嶺造山帶選取東江口和五龍大型復式巖體，揚子地塊北緣碧口地塊選擇陽壩巖體，西秦嶺選擇糜署嶺巖體)進行系統(tǒng)的野外地質(zhì)、巖相學、鋯石LA-ICPMSU-Pb年代學、地球化學、Sr-Nd-Pb同位素地球化學及鋯石Lu-Hf同位素研究，確立秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖形成的年代學

4、格架，反演花崗巖的源區(qū)性質(zhì)、成因機制以及幔源物質(zhì)在花崗質(zhì)巖漿形成過程中的貢獻；并在此基礎上，綜合區(qū)域地質(zhì)背景及造山帶中陸殼俯沖的最新研究結(jié)果，通過與大別-蘇魯高壓-超高壓巖石變質(zhì)年代的對比，探討陸殼俯沖作用與秦嶺造山帶晚三疊世花崗質(zhì)巖漿活動之間的關系。研究結(jié)果對秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖類的成因機制提出了新的認識，認為這些晚三疊世花崗巖類是由俯沖陸殼在折返過程中發(fā)生多階段部分熔融作用形成的，這為研究碰撞造山帶中陸殼俯沖的動力學機制以及后碰

5、撞型高鉀鈣堿性、高Mg＃埃達克質(zhì)花崗巖的成因機制提供了新的研究思路。論文取得了如下的成果和認識：
　　 1.秦嶺造山帶晚三疊世花崗質(zhì)巖漿活動可以分為三個階段：235Ma～225Ma形成小規(guī)模石英閃長巖，220～210Ma左右形成大規(guī)模高鉀鈣堿性花崗巖，200Ma左右形成小規(guī)模黑云母花崗巖通過對秦嶺造山帶不同構(gòu)造單元上花崗巖體精細的鋯石LA-ICPMSU-Pb年代學研究結(jié)果表明，南秦嶺東段東江口花崗巖的形成年代為214±2Ma～2

6、22±2Ma；而五龍巖體為一個大型復式巖體，巖石邊緣石英閃長巖的形成年代為233±2Ma～227±2Ma之間，巖體中間過渡相帶花崗閃長巖的形成年齡為218±2Ma；巖體中心相似斑狀二長花崗巖的形成年代為207±2Ma；由此可見五龍地區(qū)花崗巖的侵位歷史長達25Ma左右，代表不同批次形成的花崗質(zhì)巖漿在同一地區(qū)匯聚的產(chǎn)物；揚子地塊北緣碧口地塊上陽壩二長花崗巖的形成年代為208±2Ma，西秦嶺造山帶糜署嶺二長花崗巖的形成年代為213±3Ma。<

7、br>　　 2.秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖不同程度具有高鉀鈣堿性、準鋁質(zhì)、埃達克巖的地球化學特征，多數(shù)花崗巖具有高Sr、Sr/Y，虧損Y和重稀土，不發(fā)育明顯的負Eu異常；本文通過系統(tǒng)的巖石學、主微量元素地球化學，Sr-Nd-Pb同位素及鋯石Lu-Hf同位素地球化學研究，對這些埃達克質(zhì)花崗巖的成因提出一些新的觀點：(1)這些埃達克質(zhì)花崗巖形成于典型的后碰撞構(gòu)造環(huán)境，巖石富K的特征可能是由于其地殼源區(qū)受到富K鎂鐵質(zhì)流體/熔體的交代富集作用；

8、(2)多數(shù)埃達克質(zhì)花崗巖具有高Mg＃的特征，但這并不代表該區(qū)在晚三疊世存在增厚下地殼的拆沉作用，而是由于俯沖陸殼部分熔融形成的埃達克質(zhì)巖漿在上升過程中受到上覆地幔物質(zhì)的交代混染作用；(3)所有花崗巖的鋯石Hf同位素都表現(xiàn)出很大的變化范圍，這表明巖石起源于一個不均一的源區(qū)，其源區(qū)物質(zhì)包括新元古代巖石圈地幔物質(zhì)、中元古代基性地殼以及更古老的地殼物質(zhì)；(4)巖石高的Sr/Y比值有可能是繼承其源巖的特征，并不能作為判斷埃達克質(zhì)巖漿源區(qū)殘留相的確

9、切依據(jù)。上述四點認識對于研究碰撞造山帶中普遍出現(xiàn)的高鉀鈣堿性花崗巖的成因具有重要意義。
　　 3.該區(qū)花崗巖的源巖主要為中元古代地殼物質(zhì)，并有少量新元古代新生地殼物質(zhì)和中元古代早期表殼物質(zhì)的加入；同時花崗巖同位素地球化學研究表明南秦嶺造山帶和西秦嶺造山帶具有不同的基底物質(zhì)組成詳細的Sr-Nd同位素研究表明，秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖類的全巖Nd模式年齡主要集中在1.1～1.3Ga之間，和揚子地塊中元古代地殼增生時間完全一致，而明顯

10、不同于華北地塊，這表明該區(qū)晚三疊世花崗巖的源巖主要為揚子地塊中元古代基性地殼；花崗巖中鋯石Hf同位素特征表明，所有樣品的鋯石Hf同位素組成都表現(xiàn)出很大的變化范圍，鋯石Hf模式年齡的峰值也為1.1～1.3Ga，同時有少量顆粒的Hf模式年齡為g00Ma或是1400～1600Ma；上述同位素特征表明秦嶺地區(qū)晚三疊世花崗巖的源巖主要為揚子地塊中元古代新生地殼物質(zhì)，并且有少量新元古代新生地殼物質(zhì)和中元古代早期表殼物質(zhì)的加入；同時全巖Pb同位素揭示

11、出西秦嶺造山帶的基底物質(zhì)組成類似于揚子地塊，而南秦嶺造山帶的基底物質(zhì)則具有揚子地塊和華北地塊的過渡性質(zhì)。
　　 4.花崗巖中廣泛發(fā)育的暗色包體的形成時代也主要集中在220～210Ma，地球化學研究表明很多暗色包體都具有高Sr、Sr/Y比值，相對虧損Y和重稀土的特征，表明這些暗色包體起源于石榴石二輝橄欖巖地幔的部分熔融作用；同時結(jié)合同位素地球化學研究結(jié)果，本文提出這些暗色包體代表新元古代巖石圈地幔在晚三疊世部分熔融作用形成的鎂鐵質(zhì)

12、巖漿，暗示秦嶺造山帶在晚三疊世存在一次區(qū)域性的地幔部分熔融事件在220～210Ma期間形成的高鉀鈣堿性花崗巖中廣泛發(fā)育暗色包體，詳細的鋯石LA-ICPMSU-Pb年代學研究表明這些暗色包體與其寄主花崗巖的形成時代在誤差范圍內(nèi)一致，暗示該區(qū)存在同期的鎂鐵質(zhì)巖漿活動；地球化學研究表明該區(qū)花崗巖中的暗色包體屬于堿性、中基性巖漿，巖石表現(xiàn)出富集大離子親石元素(LILEs)和輕稀土(LREE)、虧損高場強元素(HFSEs)等島弧巖漿的地球化學特征

13、；同時結(jié)合全巖Sr-Nd-Pb及鋯石Lu-Hf同位素研究，本論文提出該區(qū)暗色包體的形成機制可能為：新元古代富集巖石圈地幔在晚三疊世發(fā)生重熔作用形成鎂鐵質(zhì)巖漿，在成巖過程中與花崗質(zhì)巖漿發(fā)生巖漿混合作用，并可能同化了一部分地殼物質(zhì)。秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖中廣泛分布的暗色包體表明，該區(qū)在晚三疊世存在一次區(qū)域性的地幔熔融事件，這對于探討造山帶構(gòu)造演化及幔源物質(zhì)在花崗質(zhì)巖漿形成過程中的作用具有重要意義。
　　 5.秦嶺地區(qū)晚三疊世花崗巖

14、起源于俯沖于南秦嶺地塊之下的揚子地塊陸殼物質(zhì)發(fā)生多階段的部分熔融作用。本文提出秦嶺地區(qū)俯沖陸殼之所以發(fā)生部分熔融的原因可能是：(1)由于揚子地塊在晚三疊世的順時針旋轉(zhuǎn)作用，大別地區(qū)在晚三疊世處于伸展狀態(tài)，導致大規(guī)模高壓-超高壓巖石快速折返至地表，而秦嶺地區(qū)此時處于擠壓狀態(tài)，俯沖陸殼發(fā)生部分熔融作用，形成廣泛的花崗質(zhì)巖漿；(2)在華北和揚子的碰撞過程中，秦嶺地區(qū)的匯聚速率比大別-蘇魯?shù)貐^(qū)的匯聚速率高：(3)揚子地塊東段和西段具有不同的地殼

15、物質(zhì)組成和地溫梯度。
　　 結(jié)合秦嶺-大別造山帶晚三疊世的區(qū)域動力學背景，本文提出秦嶺造山帶晚三疊世花崗巖起源于俯沖于南秦嶺地塊之下的揚子地塊陸殼物質(zhì)的多階段部分熔融作用，形成機制如下：①晚古生代到早中生代期間勉略洋殼向南秦嶺地塊之下發(fā)生俯沖作用，南秦嶺巖石圈地幔受交代富集；②晚三疊世揚子和華北板塊在秦嶺地區(qū)發(fā)生碰撞，由于區(qū)域擠壓和洋殼的拖曳作用，導致?lián)P子陸塊俯沖至南秦嶺地塊之下；③俯沖陸殼物質(zhì)在地幔高溫環(huán)境下發(fā)生高程度部分熔融

16、作用，形成埃達克質(zhì)石英閃長巖，這些巖漿在上升過程中受到上覆地幔物質(zhì)的交代混染，形成造山帶中最早的(235～225Ma)高Mg＃埃達克質(zhì)石英閃長巖；由于俯沖陸殼部分熔融加上榴輝巖相洋殼的重力作用，最終發(fā)生板片斷離作用；④板片斷離作用誘發(fā)軟流圈地幔物質(zhì)上涌，同時俯沖陸殼由于浮力作用開始構(gòu)造折返，在地幔熱和構(gòu)造減壓的條件下，俯沖陸殼及上覆巖石圈地幔發(fā)生廣泛的部分熔融作用，形成高鉀鈣堿性埃達克質(zhì)花崗巖及伴生的鎂鐵質(zhì)暗色包體；⑤隨著俯沖陸殼折返作