华南新元古代地幔柱活动的岩石学记录——来自玄武岩的证据

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近10年的研究表明，华南新元古代中期(830-760Ma)大规模的岩浆作用对探讨新元古代全球地球动力学演化具有重要意义，比如Rodinia超大陆的裂解和导致其裂解的地幔柱/超级地幔柱活动，华南在Rodinia超大陆中的位置，以及华南新元古代中期构造环境等。目前关于华南新元古代中期构造环境存在“地幔柱”和“岛弧”两种截然不同的观点。尽管越来越多的证据支持华南新元古代地幔柱模型，比如放射性岩墙群、广泛分布的的板内岩浆活动、大规模的地壳抬升和去顶，以及具有地幔柱来源特征(OIB型)的岩浆，但是由于(1)缺乏地幔柱活动直接相关的高温熔岩的报道；(2)缺乏对同期大陆溢流玄武岩省的确认；以及(3)部分壳源岩石和玄武岩所呈现出的所谓的岛弧岩浆的地球化学特征(不同程度亏损高场强元素，如Nb、Ta等)，地幔柱模式也遭到许多研究人员的质疑。华南新元古代中期(830-760Ma)玄武岩浆活动是解决这一问题的关键之一。本文在系统总结华南新元古代玄武质岩石的基础上，选择华南中部益阳高温科马提质玄武岩和扬子西北缘最大的玄武岩省(碧口群玄武岩)为研究对象，通过详细的野外地质调查、室内岩相学、元素地球化学，同位素地球化学(Sm-Nd、Lu-Hf、Re-Os)和SHRIMP锆石年代学等的综合研究来探讨华南新元古代中期广泛分布的玄武岩所蕴涌的动力学意义，进而为华南新元古代的动力学演化和构造环境之争提供新的制约。
　　本论文取得了如下主要研究进展：
　　 1、SHRIMP锆石U-Pb年代学的研究表明，益阳科马提质玄武岩的年龄为(823±6)Ma(2σ)。这套玄武岩具有典型的枕状构造和鬣刺结构，拉长的橄榄石骸晶可以达到5毫米长。除了少数高分异的样品外，大部样品在地球化学组成上表现出典型科马提质玄武岩的特征，比如高MgO(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％)。地球化学模拟表明，在消除大约5％的橄榄石的结晶分之后，其原始岩浆为典型科马提岩：MgO≈20％、FeOT≈11％、SiO2≈47％、TiO2≈0.48％、Al2O3≈10％、Ni≈860 ppm和Cr≈1780 ppm。如此高的MgO含量意味着异常高的熔体温度(＞1500℃)，即形成于异常热的地幔柱，其地幔潜能温度(Tp)要比正常的软流圈地幔(MORB地幔源区)高～260℃。～825Ma益阳高温科马提质玄武岩是华南新元古代中期地幔柱活动最为有力的岩石学证据。
　　 2、系统分析了益阳科马提质玄武岩的Lu-Hf、Sm-Nd和Re-Os同位素组成：εNd(t)=-1.4到-3.75，εHf(t)=+3到+5，γOs(t)=+11到+132。其原始岩浆呈现高Os含量(600ppt)和高放射成因初始Os同位素(γOs(t)=+10)的特征，与全球典型地幔柱来源玄武质岩石一致。γOs(t)与Mg＃、Nb*、Os含量、εNd(t)、εHf(t)之间的显著相关性表明，在益阳科马提质玄武岩的形成过程中地壳同化混染作用是不可忽视的，纠正了以前关于益阳科马提质玄武岩没有遭受地壳混染的认识。Lu-Hf、Sm-Nd以及Re-Os同位素的综合研究表明益阳科马提质玄武岩的地幔源区中很可能有再循环的洋壳(榴辉岩)和远洋沉积物。
　　 3、碧口群玄武岩主要成分为拉斑质，从地层上可划分为上、下两部分。共生流纹岩的SHRIMP锆石U-Pb年代学的研究表明下部和上部玄武岩分别形成于821±7 Ma、811±12 Ma。下部和上部玄武岩在元素和Nd-Hf同位素特征上明显不同。前者的原始岩浆具有富Si和贫FeO、TiO2以及不同程度亏损Nb-Ta等典型交待变质大陆下岩石圈地幔(SCLM)来源熔体的特征，与典型大陆溢流玄武岩省中的低-Ti玄武岩相似。下部玄武岩的εNd(t)和εHf(t)值变化较大而且与La/Sm、Th/Ta和MgO呈显著负相关，表明在形成过程中有明显地壳物质的贡献。个别富MgO富SiO2样品(05BK61、05BK62)表现出独特的地球化学特征，极有可能是SCLM中石榴辉石岩脉体直接部分熔融的产物。上部玄武岩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)与OIB和大陆溢流玄武岩省中的高-Ti玄武岩相似。同时，其原始岩浆富FeO、MgO和TiO2，贫SiO2。元素和Nd-Hf同位素的综合研究表明，其地幔源区中可能有再循环组分。数值模拟显示两者的部分熔融条件为：熔体温度＞1350℃(下部)，＞1450℃(上部)；平均部分熔融压力1.4-2.2 GPa，2.6 GPa；平均熔体分数约14％、17％。地幔潜能温度下部为1400-1488℃，上部为(1550±30)℃。这表明，上部玄武岩起源于异常热的地幔源区，Tp值要比正常的软流圈地幔高～160℃。碧口群玄武岩与典型大陆溢流玄武岩省中，的高-Ti和低-Ti玄武岩组合非常相似，很可能是华南新元古大陆溢流玄武岩省的残留部分。
　　 4、对华南新元古代14个地区190个玄武质岩石的研究表明，主量元素组成上，绝大部分原始岩浆为苦橄质(MgO=12-18％)，而少部分为科马提质(MgO＞18％)。其原始熔体主量元素是部分熔融条件(熔体温度、部分熔融压力、熔体分数)、地幔热状态(地幔潜能温度)以及岩石圈厚度等的函数。华南新元古中期(825-760Ma)玄武岩原始熔体的温度为1300-1530℃(绝大部分＞1400℃)，地幔潜能温度的要比同期MORB地幔源区高80-170℃。数值模拟显示，在此期问岩石圈厚度从100km左右减薄到60-70km左右，暗示这些玄武岩形成于伸展机制下。
　　 5、华南四堡造山运动期间扬子板块东西两侧俯冲作用导致扬子板块大陆下岩石圈地幔(SCLM)组成的改变，使其选择性的富集强不相容元素(如Th、U、LREE)和含水矿物。同时，软流圈来源的熔体/流体的渗透作用也进一步影响SCLM的性质。这些过程降低了SCLM固相线温度，在下部地幔柱提供的热源下，发生大比例部分熔融。830-820Ma期间形成的玄武岩(比如，碧口群下部和广丰玄武岩)记录了地幔源区贫FeOT、TiO2和亏损HFSEs等特征，与典型大陆溢流玄武岩省中的低-Ti玄武岩和Karoo、Siberian玄武岩相似，为典型SCLM大规模部分熔融的产物。～825Ma地幔柱的活动有可能造成岩石圈底部的破坏，并沿着早期的薄弱带肢解岩石圈，从而导致部分岩石圈残片进入地幔对流，随后被晚期地幔柱带到较浅的位置参与790-760Ma玄武岩的形成。
　　 6、元素和同位素(Re-Os、Lu-Hf、Sm-Nd等)的综合研究表明，益阳科马提质玄武岩、碧口群上部玄武岩和苏雄碱性玄武岩极有可能是地幔柱源区直接熔融的产物。
　　 7、基于华南新元古代中期玄武岩分析，结合沉积盆地记录、构造分析，我们初步提出了华南825-760Ma演化的动力学模型：四堡造山运动期间俯冲作用对扬子SCLM的改造，降低了其固相线温度，随后在地幔柱引起的热传导作用下，诱发SCLM的大比例部分熔融。随后在仲展背景下，地幔柱本身在较浅位置的绝热减压熔融形成了810-800以及790-760Ma同裂谷期的玄武岩。

著录项

作者
王选策;
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作者单位

中国科学院广州地球化学研究所;

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授予单位中国科学院广州地球化学研究所;
学科地球化学
授予学位博士
导师姓名李献华;
年度 2007
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正文语种中文
中图分类 P588.145;
关键词
同位素体;

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