【摘要】：大陸下地殼是聯(lián)接巖石圈上地幔和淺部地殼的紐帶,探索其演化過(guò)程是固體地球科學(xué)的核心研究之一。華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,且經(jīng)歷過(guò)減薄破壞的過(guò)程,廣泛分布的早前寒武變質(zhì)雜巖體和顯生宙深源包體為研究下地殼演化提供了最重要的載體,兩者共同記錄了下地殼早期生長(zhǎng)演化歷史,并且后者還包含了克拉通破壞過(guò)程中的殼幔演化信息。論文選擇華北北緣中段為研究區(qū)域,對(duì)漢諾壩長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖包體和輝石巖包體,以及漢諾壩周邊懷安和集寧地區(qū)的前寒武紀(jì)麻粒巖和片麻巖類(lèi)進(jìn)行了巖石學(xué)、LA-MC-ICPMS鋯石U-Pb年代學(xué)和Hf同位素組成分析測(cè)試,并且對(duì)其中的輝石巖包體和懷安麻粒巖進(jìn)行了地球化學(xué)、同位素組成和地震波速的分析測(cè)試。綜上所得以全面闡述華北北緣中段大陸下地殼從太古代到新生代時(shí)期多階段的增生和再造演化過(guò)程,探討巖漿底侵和殼幔相互作用以及它們?cè)谄茐谋尘跋聦?duì)克拉通下地殼改造的意義,最終結(jié)合漢諾壩地區(qū)鎂鐵質(zhì)麻粒巖包體信息建立華北北緣中段現(xiàn)今下地殼巖性-年齡-物性相結(jié)合的深部地殼結(jié)構(gòu)模型。本文懷安麻粒巖來(lái)自尚義和馬市口,前者以高壓鎂鐵質(zhì)麻粒巖為主,后者主要是普通鎂鐵質(zhì)麻粒巖且發(fā)育長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖條帶。尚義麻粒巖主要礦物組合是Cpx+Pl+Qz±Opx±Am±Grt,粒狀變晶結(jié)構(gòu),局部發(fā)育石榴子石的“白眼圈”現(xiàn)象,表明經(jīng)歷了高壓麻粒巖相及后期近等溫減壓退變質(zhì)作用過(guò)程。馬市口鎂鐵質(zhì)麻粒巖主要礦物組合是Cpx+Opx+Pl±Kfs±Am±Bi,長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖條帶礦物組合為Pl+Kfs+Cpx+Qz+Opx。兩地鎂鐵質(zhì)麻粒巖化學(xué)成分相似,大部分具有高的Al2O3含量(12.9~18.0%),堿性元素Na2O+K2O與SiO_2含量呈正相關(guān),MgO、Fe2O3T、MnO和CaO隨SiO_2含量升高而降低,Cr和Ni與MgO呈良好的正相關(guān),這些特征表明原巖巖漿可能經(jīng)歷了橄欖石、輝石等礦物的分離結(jié)晶。原巖在地球化學(xué)判別圖解中落在亞堿性玄武巖區(qū)域內(nèi),具有明顯的高場(chǎng)強(qiáng)元素(Nb、Ta、Zr、Hf)和Ti的負(fù)異常,類(lèi)似島弧玄武巖的特征。這些鎂鐵質(zhì)麻粒巖具有比較虧損的εNd(t)(-0.3~+4.5),Nd模式年齡主要在2.5-2.7 Ga之間,接近尚義高壓鎂鐵質(zhì)麻粒巖中巖漿鋯石記錄的U-Pb年齡~2.46 Ga,且這些鋯石也具有虧損的εHf(t)(+2.1~+11.0),表明懷安鎂鐵質(zhì)麻粒巖原巖形成于~2.46 Ga,母巖漿來(lái)自底侵的虧損地幔部分熔融,受下地殼混染程度比較微弱。馬市口長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖具有高的SiO_2(62.6%)、Al2O3(17.8%)、K2O(1.89%)、Na2O(5.72%)和低的Fe2O3T(4.16%)、MgO(1.79%),富集大離子親石元素,虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素。巖漿鋯石U-Pb年代學(xué)研究表明其原巖形成年齡與尚義鎂鐵質(zhì)麻粒巖相同,也是2.46 Ga,這些鋯石具有較低的正εHf(t)值(+2.9~+5.3)和2.7 Ga的Hf模式年齡。據(jù)上述特征推測(cè)長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖原巖來(lái)自虧損幔,并受到古老(2.7 Ga)下地殼混染。集寧雜巖體的研究包括卓資花崗片麻巖和涼城片麻巖兩個(gè)部分。卓資花崗片麻巖主要組成礦物為Pl+Kfs+Qz,含少量暗色礦物Am±Cpx以及Ms。鋯石年代學(xué)研究表明其原巖形成于~2.55 Ga,并經(jīng)歷了~2.40 Ga和1.87 Ga兩期變質(zhì)作用。代表原巖年齡的鋯石εHf(t)在+4.7到+7.7之間,~2.40 Ga變質(zhì)鋯石的εHf(t)為+1.2~+6.6,~2.40 Ga的變質(zhì)作用和~2.55 Ga的巖漿作用屬于同一期熱事件,指示虧損地幔熔融抽離。~1.87 Ga的變質(zhì)作用則可能是受到華北東部陸塊和西部陸塊碰撞拼合的影響,鋯石εHf(t)值為-6.0~+1.0,指示碰撞引起的地殼重熔。涼城石榴石斜長(zhǎng)片麻巖的礦物組合為Pl+Kfs+Qz+Grt±Bi,其沉積時(shí)間主要在2.20-1.98 Ga之間,這些鋯石的εHf(t)值在-2.5~+8.1之間,Hf模式年齡為2.4-2.7 Ga,說(shuō)明涼城片麻巖的原巖物質(zhì)來(lái)自新生地殼物質(zhì)和先存地殼重熔產(chǎn)物的混合。此外,涼城片麻巖中殘留一顆3196 Ma的鋯石核和發(fā)育~1.95 Ga的變質(zhì)鋯石,后者εHf(t)值為-0.3~+2.0,指示受陰山地塊和鄂爾多斯地塊碰撞影響產(chǎn)生的地殼增生和再造。漢諾壩堿性玄武巖中攜帶的下地殼包體主要包括麻粒巖和輝石巖兩個(gè)大類(lèi)。長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖包體受到不同程度的風(fēng)化蝕變,主要組成礦物為Pl+Oz+Opx+Cpx。鋯石U-Pb年代學(xué)分析結(jié)果在諧和圖中顯示的上交點(diǎn)年齡和諧和年齡分別為2449Ma,1880 Ma和140-73 Ma,均代表長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖的原巖結(jié)晶年齡,受變質(zhì)重結(jié)晶改造的部分鋯石落在不一致線(xiàn)上。鋯石Hf同位素分析顯示晚中生代和1880 Ma的鋯石都具有負(fù)的εHf(t)(-18.9~-23.3和-10.1~-3.7),Hf模式年齡分別集中在2.4-2.6 Ga之間和2.8-3.2 Ga之間,暗示中-新太古代先存下地殼的重熔。2449 Ma的鋯石εHf(t)值為+7.5~+10.6,其Hf模式年齡(2.5 Ga)與鋯石U-Pb年齡一致,暗示新生地殼物質(zhì)的增生。漢諾壩深源包體與周邊雜巖體中的鋯石共同記錄了華北北緣中段下地殼的多期生長(zhǎng)改造過(guò)程:2.6-2.5 Ga以增生為主;2.2-2.0 Ga和1.8-1.9 Ga增生伴隨重熔再造,140-73 Ma發(fā)生古老地殼重熔再造并受到巖漿底侵作用的影響。漢諾壩輝石巖包體可以分為斜方輝石巖、二輝石巖和石榴石輝石巖。斜方輝石巖和二輝石巖具有堆晶結(jié)構(gòu),主要由Cpx和Opx組成,含少量Fe-Ti氧化物。斜方輝石巖中Cpx含量小于10%,二輝石巖中Cpx和Opx含量相當(dāng)。根據(jù)Cpx的顏色可進(jìn)一步將二輝石巖分為黑色(G1)和綠色(G2)兩個(gè)亞類(lèi):G1中Cpx的Mg#在77.6-79.3之間,G2中的Cpx具有更高的Mg#值(89.8-90.3)以及Cr、Ni。石榴石輝石巖與橄欖巖包體呈過(guò)渡接觸,主要礦物組合為Grt+Opx+Cpx+Ol,含少量金紅石和鈦鐵礦。斜方輝石巖結(jié)晶溫度為850°C,G1二輝石巖平衡溫度為865-934°C,大部分G2二輝石巖平衡溫度為831~896°C,接近該地區(qū)鎂鐵質(zhì)麻粒巖包體而低于橄欖巖包體的平衡溫度,故推測(cè)這些二輝石巖包體來(lái)源于殼幔過(guò)渡帶。石榴石輝石巖結(jié)晶溫度約為1050°C,壓力1.5 Gpa,來(lái)源于上地幔。斜方輝石巖和二輝石巖具有較高的MgO含量(15.0-26.9%)和變化較大的Mg#(66.1-89.4)和Ni(98.6-977 ppm),為堆晶成因。石榴石輝石巖具有高M(jìn)g#(89.4-90.3)和高Ni(1052 ppm)、Cr(3387 ppm)含量,同時(shí)也富集大離子親石元素(Rb=8.25ppm,Sr=328 ppm,Ba=49.5 ppm),這種矛盾的特征指示其為熔體與橄欖巖反應(yīng)的產(chǎn)物。對(duì)一塊黑色二輝石巖包體進(jìn)行鋯石U-Pb分析表明其形成于158 Ma。G2二輝石巖初始87Sr/86Sr為0.703723-0.704403,εNd(t)為+1.1~+2.8,εHf(t)為+10.3,斜方二輝石巖和G1二輝石巖具有演化的Sr-Nd-Hf同位素組成(初始87Sr/86Sr=0.705636-0.707538,εNd(t)=-14.0~-18.7,εHf(t)=-17.0~-29.2),暗示下地殼物質(zhì)對(duì)源區(qū)的混染。石榴石輝石巖具有虧損的Sr-Nd-Hf組成(初始87Sr/86Sr=0.703576,εNd(t)=+5.7,εHf(t)=+20.7),反應(yīng)熔體可能來(lái)自軟流圈或洋殼。輝石巖及石榴石輝石巖包體的~(206)Pb/~(204)Pb為16.18-18.82,207Pb/~(204)Pb為15.27-15.56,208Pb/~(204)Pb為36.28-38.71,在208Pb/~(204)Pb-~(206)Pb/~(204)Pb圖解中顯示明顯的DUPAL異常,指示包體形成過(guò)程中可能都受到殘留古洋殼的影響。實(shí)測(cè)地震波速結(jié)果顯示長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖包體Vp=5.25-6.09 km/s,懷安鎂鐵質(zhì)麻粒巖Vp=6.33-7.44 km/s,輝石巖包體Vp=6.80-7.67 km/s,波速值與樣品的SiO_2含量呈負(fù)相關(guān)。長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖包體過(guò)低的波速為受到巖石樣品風(fēng)化蝕變的影響。在上述研究基礎(chǔ)上,對(duì)漢諾壩已發(fā)表的鎂鐵質(zhì)麻粒巖包體的形成年齡、平衡溫壓、地球化學(xué)特征及地震波速進(jìn)行歸納,與本文深源包體以及懷安鎂鐵質(zhì)麻粒巖地體綜合對(duì)比,我們認(rèn)為華北北緣中段的現(xiàn)今下地殼具有層狀的年齡-巖性結(jié)構(gòu):上部(24-33 km)主要由2.7-2.5 Ga的地體長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖和少量140-120 Ma長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖包體組成,該層下地殼SiO_2平均為62.1%;中部(33-38 km)主要由鎂鐵質(zhì)麻粒巖組成,既包括前寒武的麻粒巖地體,也含有晚中生代的鎂鐵質(zhì)麻粒巖包體;底部(38-42 km)絕大部分被中-新生代底侵產(chǎn)物占據(jù),以鎂鐵質(zhì)麻粒巖包體和部分輝石巖包體為代表。下地殼中部和底部均以鎂鐵質(zhì)巖石為主,平均SiO_2含量可能都在48.1%左右。該巖性-年齡的層狀結(jié)構(gòu)與地震波反射剖面有較好的吻合度。這種上老下新的下地殼層狀變化反映了幔源巖漿自晚中生代到新生代的持續(xù)底侵及其導(dǎo)致的古老下地殼的強(qiáng)烈改造-置換。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：P313;P542
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本文編號(hào)：2382036