大別—蘇魯?shù)貐^(qū)金紅石地球化學(xué)研究.pdf

1、雙河和碧溪嶺地區(qū)是大別山超高壓變質(zhì)帶中非常典型的超高壓巖石出露的地區(qū)，在巖石學(xué)，地質(zhì)年代學(xué)，地球動力學(xué)和礦物學(xué)等方面受到了廣泛的研究。金紅石是中高級變質(zhì)巖中常見的副礦物，其作為穩(wěn)定的重礦物相保存了大量的變質(zhì)作用信息，如變質(zhì)溫度，變質(zhì)壓力，冷卻年齡和源巖性質(zhì)等。在雙河和碧溪嶺地區(qū)，金紅石一般出現(xiàn)于榴輝巖和硬玉石英巖中，在大理巖，黑云母片麻巖，云母片巖，超鎂鐵質(zhì)巖和區(qū)域圍巖花崗片麻巖中也有少量出現(xiàn)。本博士論文采用原位LA-ICP-MS結(jié)合E

2、MP兩種方法系統(tǒng)研究了上述兩個地區(qū)不同類型巖石中的金紅石的地球化學(xué)特征，包括榴輝巖，硬玉石英巖，大理巖和黑云母片麻巖中的金紅石以及水系沉積物中的碎屑金紅石。根據(jù)研究目的和內(nèi)容的差異，主要取得了以下三個方面的成果。
　　本博士論文的的第一個方面的成果是對雙河地區(qū)變沉積巖在陸殼俯沖和折返過程中的微量元素遷移作出系統(tǒng)的研究。主要工作為對雙河地區(qū)一個從超高壓大理巖和其中包裹的榴輝巖連續(xù)的剖面的進行了全巖及金紅石和榍石的主微量元素研究。研究

3、顯示，大理巖比榴輝巖富集LILE和LREE，但虧損HFSE和HREE。大理巖和榴輝巖的REE模式表現(xiàn)了很好的耦合關(guān)系，說明在大陸深俯沖和抬升的過程中這兩種巖石之間發(fā)生了顯著的元素遷移和交換，而載帶這些元素的流體是內(nèi)生的，沒有外來流體加入。不同巖性之間的微量元素趨于均一化，如高LILE，LREE含量的大理巖向榴輝巖輸出LILE，LREE，而富HFSE，HREE的榴輝巖向大理巖遷移HFSE，HREE，但均一化發(fā)生的尺度僅限于巖性接觸帶十幾厘

4、米范圍內(nèi)。榴輝巖中流體活動性元素(如，Rb，Cs，Ba)含量向巖性接觸帶的方向逐漸增加，說明離巖性接觸帶越近，流體活動程度越強。大理巖中金紅石少量出現(xiàn)，而榴輝巖中卻含有大量榍石，說明流體可能從榴輝巖金紅石退變質(zhì)成榍石的過程中運移了一定的Ti和HFSE進入大理巖。榴輝巖從接觸帶到巖石內(nèi)部剖面的全巖樣品具有相似的Nb/Ta(14.3-15.5)，榴輝巖中高Al榍石展示了與全巖一致的Nb/Ta范圍(14.2-16.7)。大理巖全巖的Nb/Ta

5、為10.0-10.9，其中的兩顆金紅石的Nb/Ta比值分別為14.2和63.4，說明金紅石的Nb/Ta與大理巖全巖的Nb/Ta差異較大。
　　本博士論文的第二個研究成果是通過對中大別雙河和碧溪嶺地區(qū)水系沉積物中碎屑金紅石的主微量元素測定，探討了碎屑金紅石作為沉積物源區(qū)示蹤工具的應(yīng)用。本文利用EMP和LA-ICP-MS方法測定了176個水系沉積物中的碎屑金紅石顆粒和91個不同巖石中金紅石的主微量元素成分，通過對比研究發(fā)現(xiàn)兩種金紅石的

6、地球化學(xué)特征和記錄的溫度是相互對應(yīng)的。根據(jù)全巖和不同巖石中金紅石的Cr-Nb特征，本文建立了適合中大別超高壓帶的Cr-Nb源區(qū)區(qū)分方法，并利用該方法計算出雙河地區(qū)29％的碎屑金紅石來自變鎂鐵質(zhì)巖石源區(qū)，而在碧溪嶺地區(qū)超過76％的碎屑金紅石來自變鎂鐵質(zhì)源區(qū)。而且，這一比例結(jié)合變泥質(zhì)巖和變鎂鐵質(zhì)巖中金紅石的模式豐度可以用來估計不同巖性的比例。基于這一方法，雙河地區(qū)鎂鐵質(zhì)巖石估計為～10％，在碧溪嶺地區(qū)則超過60％，這一結(jié)論與野外地質(zhì)觀察的榴

7、輝巖的分布相一致。因此，碎屑金紅石的調(diào)查是一個潛在的評估乃至預(yù)測變鎂鐵質(zhì)巖在超高壓地體中比例的方法。同時，本文運用金紅石中鋯含量溫度計計算了不同壓力條件下的碎屑金紅石的鋯溫度，并與巖石中的金紅石溫度和石榴石—單斜輝石Fe-Mg交換溫度計計算的溫度進行比較。結(jié)果表明，在P=3 GPa下，雙河和碧溪嶺計算的溫度分別為606-707℃和566-752℃，平均值為633℃和629℃。兩個地區(qū)的碎屑金紅石的Zr溫度變化范圍和平均值很好的與巖石中金

8、紅石獲得的結(jié)果相對應(yīng)。因此，碎屑金紅石和露頭巖石中金紅石的相似性證明超高壓地區(qū)金紅石的源區(qū)—沉積物的聯(lián)系非常緊密。我們認為在小范圍的水系環(huán)境中，針對沉積物源區(qū)研究，碎屑金紅石是一個精確示蹤源巖特征的礦物。此外，在碧溪嶺地區(qū)，變鎂鐵質(zhì)和變泥質(zhì)金紅石的Nb/Ta范圍分別落在11.0-27.3和7.7-20.5之間。在雙河地區(qū)，這一比值高度變化，分別為10.9-71.0和7.6-87.1。但是，去掉四個極高Nb/Ta比值的金紅石后，發(fā)現(xiàn)兩個明

9、顯不同的Nb/Ta比值束（變泥質(zhì)金紅石:7-40 vs.變鎂鐵質(zhì)金紅石:11-25）。者不同的Nb/Ta范圍可以反映金紅石生長過程中水巖作用的程度差異，而這一差異是由變泥質(zhì)金紅石生長過程中的水巖作用強于變鎂鐵質(zhì)金紅石所致。但這一特征并沒有表現(xiàn)在碧溪嶺碎屑金紅石中，可能是由于巖石豐度的差異導(dǎo)致。因此，任何金紅石Nb-Ta數(shù)據(jù)應(yīng)該放在具體的巖石環(huán)境中理解。
　　本博士論文的第三個研究課題是利用已有的金紅石中Nb，V分配系數(shù)資料探索大別

10、—蘇魯造山帶榴輝巖金紅石中存在的V-Nb元素含量負相關(guān)性的可能形成機制。V在自然界中以多價態(tài)出現(xiàn)，而Nb只以五價出現(xiàn)。兩者都在金紅石中相容，但V-Nb在金紅石中的分配關(guān)系和對氧逸度的依靠性至今沒有系統(tǒng)的研究。本文利用LA-ICP-MS測量了來自大別—蘇魯?shù)貐^(qū)的榴輝巖中86個金紅石顆粒，并結(jié)合已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)評估了氧逸度對金紅石中V和Nb直接和間接的影響。經(jīng)過全巖和礦物相對金紅石中V行為影響的評估后，本文認為金紅石中Nb(7-1200ppm

11、)和V(50-3200 ppm)的負相關(guān)關(guān)系記錄了這兩個元素晶格中相互競爭的關(guān)系?；贒V(V在金紅石中的分配系數(shù))和V價態(tài)與QFM的關(guān)系（QFM是石英—鐵橄欖石—磁鐵礦氧逸度緩沖劑），V進入金紅石晶格的優(yōu)先順序為:V4+＞V3+＞V5+。來自大別—蘇魯造山帶榴輝巖金紅石中Nb-V負相關(guān)關(guān)系很好地說明了俯沖帶不同階段的氧逸度變化。陸殼俯沖過程中由于脫水作用導(dǎo)致的氧逸度降低:V3+比例的增加伴隨著DV的減少導(dǎo)致Nb5+能取代的Ti4+的有

12、效晶格位置增加。相似的效應(yīng)在更加氧化的條件下被觀察到。當氧逸度升高引起V5+增加時，進入金紅石中的V減少而Nb含量增加。Kaapvaal克拉通的高度交代的氧化的地幔捕虜體中的金紅石（MARID，Mica-Amphibole-Rutile-Ilmenite-Diopside）也證實了這一V-Nb的負相關(guān)性。而且，這些金紅石的Nb/Ta與V含量相關(guān):當V含量＜1250 ppm，Nb/Ta范圍在35-45之間;而當V＞1250 ppm，Nb/

13、Ta相當?shù)?5-15)。這一關(guān)系主要受Nb含量控制，說明V含量對金紅石中Ta的分配具有較小的效應(yīng)，這可能是由于Ta具有更低的豐度以及相對Nb更小的離子半徑。這也說明了對氧逸度敏感的DV可以對Nb-Ta的分異施加強烈的影響。這一發(fā)現(xiàn)同樣適用于具有與金紅石類似的Ti-O結(jié)構(gòu)的礦物，如鈣鈦礦和榍石等。鈣鈦礦是包括碳酸巖在內(nèi)的很多硅不飽和巖石中的普遍的副礦物，且一般容納了碳酸巖全巖中超過85％的Nb和Ta。而榍石在Nb-Ta分異過程中所扮演的作