大陆深俯冲过程中的熔/流体活动研究 ——以苏鲁和西阿尔卑斯造山带为例

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本博士论文对苏鲁造山带及西阿尔卑斯造山带俯冲陆壳内部的流体/熔体活动及其伴随的水岩相互作用进行了研究,主要获得以下认识:(1)苏鲁造山带东海池庄地区的超高压榴辉岩及变质脉能够反映榴辉岩内部脱水形成的变质流体的组成和演化。变质脉主要是由石英、石榴石、绿辉石、多硅白云母、蓝晶石、黝帘石、金红石和锆石等矿物组成,与寄主榴辉岩的矿物组成类似。相比于榴辉岩,脉体中的石榴石更加富集重稀土元素(HREE);黝帘石强烈富集轻稀土元素(LREE)。变质脉和榴辉岩中各主要矿物的氧同位素组成在误差范围内一致(石英的δ180分别为2.42‰和2.79‰;石榴石为-0.30‰和0.010‰;绿辉石为0.25‰和0.071‰),说明变质脉的形成与榴辉岩释放的内部流体有关。综合已有的研究,发现大别-苏鲁造山带不同地区的变质脉和榴辉岩具有极不均一的氧同位素组成,说明在陆壳深俯冲和折返过程中,榴辉岩内部流体活动有限。利用矿物温压计得到变质脉的峰期变质温压条件为692±65 ℃和3.6±0.3 GPa,脉体中的锆石U-Pb定年结果表明锆石的形成时代为218±2.4Ma,指示变质脉形成于深俯冲陆壳折返初期的超高压变质阶段。变质脉中矿物组合和矿物的主微量元素特征说明成脉流体富集Si、Al、Ca、K、LILE、REE和HFSE等元素,表明成脉流体可能是溶解能力极强的超临界流体。(2)苏鲁驼峰碱性花岗岩是陆壳板片折返部分熔融的产物。驼峰花岗岩富集Si和全碱,但是亏损Al、Ca、Mg、Ti和Sr。花岗岩中的熔体包裹体原位(LA)-ICP-MS分析表明,熔体包裹体具有较全岩更高的全碱、Ca、Mg和LILE组成,更低的Fe、HFSE和REE。锆石U-Pb年龄为214±4 Ma到216±3 Ma,晚于超高压变质峰期年龄。在深熔锆石中发现柯石英包裹体,证明部分熔融在超高压条件下已经发生。花岗岩低的O同位素值(-2.74~-3.57‰)和新元古代继承锆石核表明,岩浆来自俯冲的华南板片自身。这表明尽管俯冲陆壳含水量很低,在折返过程中可以发生较大规模的部分熔融。熔融的规模比前人预测的要更大,并且这种熔体能够改变俯冲陆壳的物理化学性质,或者作为壳幔相互作用的媒介。(3)苏鲁驼峰超高压榴辉岩与深熔花岗岩熔体发生了水岩相互作用,并产生了接触反应边脉体。接触反应边脉体主要为石英、蓝晶石、绿帘石、多硅白云母、和锆石、褐帘石等矿物组成。反应边脉体和榴辉岩中锆石具有相似的U-Pb年龄,分别为217±9 Ma和216±4 Ma。脉体中的褐帘石Th-Pb年龄为226±13 Ma和221±5 Ma。结果表明熔体-岩石相互作用发生在陆壳折返阶段。反应边脉体与榴辉岩具有相似的O同位素组成,表明脉体中有大量物质来自榴辉岩自身脱水。而富REE的褐帘石和锆石等特征表明深熔花岗岩物质的加入。质量平衡计算显示榴辉岩受水岩作用获得了 Sr、Pb、Th、U、LREE等元素,而丢失了大量LILE。因此我们认为榴辉岩与花岗岩边界处的交代边界脉体记录了大陆俯冲带深部流体复杂的演化过程,它可能包含榴辉岩脱水和片麻岩部分熔融的混合组分,这样的流体可以溶解大量俯冲带关键性元素。(4)西阿尔卑斯Dora-Maira地区白片岩记录了大陆俯冲带深部流体-岩石相互作用的重要信息。白片岩(δ7Li=-6.4‰~+2.4‰,平均值为-2.1‰)具有较围岩变花岗岩(δ7Li=1.2‰~+3.6‰,平均值为+1.4‰)轻的Li同位素组成。并且白片岩的δ7Li值与Mg、Fe、Li等元素或δ26Mg和δ18O均没有相关性,很难用化学扩散来解释白片岩轻的Li同位素组成。我们认为造成低δ7Li值的原因是交代了低δ7Li值的流体。水岩交换模型结果显示交代流体的δ7Li值要小于-4‰,Li含量为50-150 ppm。这样的流体很可能是来自深部蛇纹岩的脱水。地幔深度低δ7Li值的流体活动可能会造成地幔Li同位素不均一。
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