秦岭造山带中段早中生代花岗质岩浆作用与动力学过程

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秦岭造山带横贯中国大陆中央,西接祁连、昆仑造山带,东连大别造山带,是中国大陆地质的重要组成部分,其在早中生代的碰撞造山作用标志着华北和扬子地块发生陆陆碰撞,并最终形成统一的中国大陆。目前学术界对于古特提斯洋闭合的时限以及秦岭造山带早中生代的构造演化格局仍存在很大的争议。秦岭造山带尤其是南秦岭构造带中分布了大量的早中生代花岗质侵入体。这些花岗质侵入体记录了秦岭造山带早中生代造山作用过程,其岩石成因和形成的动力学背景是造山带演化过程最直接的物质证据,对解决秦岭造山带早中生代构造演化有着重要的意义。  本论文选取南秦岭构造带中何家庄岩体、华阳岩体、老城岩体、胭脂坝岩体和懒板凳岩体进行系统的野外地质、岩相学、锆石U-Pb年代学、地球化学和锆石Lu-Hf同位素研究,确立了秦岭造山带早中生代岩浆作用侵位的年代学格架,探讨了花岗质岩石的成因机制及源区性质。结合区域地质资料及前人研究成果,探讨了不同阶段岩浆作用与造山作用的耦合关系,提出不同阶段花岗质侵入体形成于俯冲-碰撞-碰撞后的造山作用阶段,进一步提出秦岭造山带早中生代新的构造-岩浆演化模式。论文主要取得以下成果及认识:  (1)本论文对南秦岭构造带中花岗质岩石精确的锆石LA-ICP-MS定年,确定了何家庄岩体花岗闪长岩形成于248-247Ma;老城岩体石英闪长岩形成于216+1Ma,早期花岗闪长岩形成于221±2Ma,晚期花岗闪长岩形成于211-210Ma;胭脂坝岩体花岗闪长岩形成于222±1Ma;懒板凳岩体二云母二长花岗岩形成于209-208Ma;华阳岩体花岗闪长岩形成于214-207Ma,二长花岗岩形成于198±1 Ma,英云闪长岩形成于194-196Ma。结合各个岩体地质特征、变形特征、地球化学特征和成因,将秦岭造山带早中生代岩浆作用划分为三个阶段:第一阶段为248-216 Ma;第二阶段为215-201Ma;第三个阶段为200-190Ma。  (2)第一阶段岩浆作用形成了何家庄岩体花岗闪长岩、老城岩体石英闪长岩和早期花岗闪长岩以及胭脂坝岩体花岗闪长岩。该阶段岩体主要分布在南秦岭构造带内,展布方向与南秦岭构造带一致,普遍发育铁镁质暗色包体,发育强烈的片麻理,且片麻理走向与区域构造线一致,说明该阶段岩石经历了区域性挤压变形作用。该阶段岩浆作用形成的岩石均属于准铝质中钾-高钾钙碱性岩石系列,其SiO2(57.4-70.0%)变化范围较大,具有高的Na2O(3.46-4.71%)和Al2O3(13.7-16.4%)含量。最突出的地球化学特征是高的Mg#(52.4-64.9)值、Sr(523-1019ppm)、Cr(55-3316ppm)、Ni(17.2-1260ppm)含量,低的Y含量(4.47-15.6ppm),轻重稀土强烈分异((La/Yb)n=16.7-55),重稀土元素相对平坦,从弱的负Eu异常到明显正Eu异常(δEu=0.75-2.22),富集大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、P和Ti。该阶段岩石岩浆锆石εHf(t)值在-8.1-+8.8范围变化内变化。岩石成因研究表明何家庄岩体花岗闪长岩形成于岛弧环境下俯冲洋壳残片和沉积物构成的混合源区的部分熔融,其熔体受到了地幔楔物质的混染;老城岩体石英闪长岩、早期花岗闪长岩及胭脂坝岩体花岗闪长岩是基性下地壳物质部分熔融产生的壳源岩浆与幔源岩浆发生岩浆混合作用产物。结合区域地质资料提出该阶段岩浆作用形成于勉略洋向南秦岭构造带俯冲过程中,南秦岭构造带活动大陆边缘环境下。  (3)第二阶段岩浆作用形成的岩石包括老城岩体晚期花岗闪长岩、华阳岩体花岗闪长岩和懒板凳岩体二云母二长花岗岩。该阶段岩体最突出的地质特征是分布上跨越主要的构造边界;岩体多呈小岩体状侵位;以块状构造为主,局部发育弱的片麻理,与第一阶段岩石呈明显的侵入接触关系。根据岩石的岩石学特征可以将该阶段的岩石分成两类,一类为花岗闪长岩,一类为二云母二长花岗岩。第一类岩石主要的矿物组合为黑云母+斜长石+钾长石+石英和少量角闪石。该类岩石与第一阶段形成的岩石相比,具有相似的稀土配分模式和原始地幔标准化微量元素配分模式,但是具有明显高的SiO2(62.6-72.9)含量,低的MgO(0.59-2.86%)含量、Mg#(40.0-58.9)值、Cr(38-142 ppm)、Ni(20-82ppm)、Co(3.63-5.29ppm)。岩浆锆石Hf同位素组成变化范围很宽(εHf(t)=-14.5-+16.7),其最高的εHf(t)值落在亏损地幔演化线上,证明了幔源岩浆直接加入。岩石成因研究表明该类岩石为壳幔岩浆混合作用产物。第二类岩石主要矿物组合为黑云母+白云母+钾长石+斜长石+石英和少量石榴石。该类岩石最突出的特征是大量出现白云母和少量富铝矿物石榴石,强过铝(A/CNK=1.01-1.24),高SiO2(71.8-77.3%)和K2O(3.25-4.71%),低MgO(0.11-0.53%)含量和Mg#值,平坦的稀土配分模式((La/Yb)n=1.46-20)和强烈的负Eu异常(δEu=0.10-0.67),在原始地幔标准化微量元素图谱中,富集大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Sr和Ti,表现出典型S型花岗岩的特征。岩浆锆石表现了宽的εHf(t)(-6.4-+12.9)值。岩石成因研究表明该类岩石为副变质岩石部分熔融作用。结合该时期区域地质资料,提出该阶段岩浆作用形成于同碰撞和同碰撞-后碰撞转换阶段环境。  (4)第三阶段岩浆作用形成的岩石包括华阳岩体二长花岗岩和英云闪长岩。该阶段岩体空间上主要分布在南秦岭构造带内,多以大岩基形式展布,表现出块状构造特征,与第二阶段岩石呈明显的侵入接触关系。该阶段岩石最突出的地质特征是石英闪长岩中含有第二阶段S型花岗岩捕掳体。根据岩石学特征将该阶段岩石分为两类,一类岩石为二长花岗岩,一类为英云闪长岩。第一类岩石主要的矿物组合为白云母+黑云母+钾长石+斜长石+石英和少量石榴石。与第二阶段的二云母二长花岗岩相比该类岩石在稀土图谱、铝指数(A/CNK=0.95-1.34)、SiO2(71.7-76.7%)含量、MgO(0.06-0.69%)含量、Mg#值(17.8-44.7)以及相容元素浓度方面相似,但是具有明显低的K2O含量(2.88-6.73%),主体属于中钾-高钾钙碱性系列,亏损大离子亲石元素Rb和富集的岩浆锆石Hf同位素组成(εHf(t)=-11.7-4.1)。岩石成因研究表明该类岩石为杂砂岩和泥质岩部分熔融作用产物。与第二阶段花岗闪长岩相比第三阶段第二类岩石具有相对低的SiO2(64.3-66.8%)、K20(1.84-2.03%)含量和K2O/Na2O(0.37-0.45)比值,属于中钾钙碱性系列,但是具有高的Na2O(4.50-4.52%)和CaO(3.57-4.01%)含量。该类岩石具有轻重稀土强烈分异的稀土配分模式((La/Yb)n=13.4-15.8),弱的负Eu异常或正Eu异常,岩浆锆石εHf(t)=-15.9-+1.9。岩石成因研究表明该类岩石是玄武质下地壳部分熔融作用产物。结合区域地质资料提出该阶段岩浆作用形成于后碰撞环境下。  (5)基于上述研究,本文提出新的秦岭造山带早中生代构造-岩浆演化模型:①古特提斯洋在248-216Ma沿着勉略构造带向北部南秦岭地块之下发生俯冲作用。在俯冲过程中,俯冲的洋壳及沉积物发生部分熔融,产生的熔体受到地幔楔交代作用后侵位形成了何家庄岩体花岗闪长岩;交代的地幔楔发生部分熔融形成的铁镁质熔体底侵到下地壳位置,为下地壳部分熔融作用提供了热源和物质。玄武质下地壳发生部分熔融并与幔源岩浆发生混合形成了该阶段具有壳幔岩浆混合特征的石英闪长岩和花岗闪长岩;②秦岭造山带在215-201Ma进入同碰撞和同碰撞-后碰撞转换的演化阶段。在此过程中,秦岭微板块与扬子地块发生碰撞,加厚的地壳发生部分熔融形成了典型同碰撞S型花岗岩;同时俯冲的洋壳局部发生了板片断离作用,导致少量的幔源物质上涌,并与壳源岩浆混合形成了该阶段壳幔混合成因的花岗闪长岩;③秦岭造山带在200-190Ma进入碰撞后伸展作用阶段。在此过程中,加厚的下地壳和岩石学地幔发生拆沉作用,导致软流圈地幔上涌,上涌的软流圈地幔物质底侵到下地壳位置,导致玄武质下地壳部分熔融,形成了该阶段英云闪长岩:同时为中上部地壳部分熔融作用提供热源,导致中上部地壳发生部分熔融,形成了该阶段S型花岗岩。
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