發(fā)布時間：2018-02-23 17:53

  本文關鍵詞： 新太古代-古元古代 巖漿作用 變質作用 阜平雜巖 華北克拉通　出處：《中國地質大學(北京)》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：克拉通是大陸地殼上長期穩(wěn)定的地質構造單元,形成穩(wěn)定克拉通的過程和機制一直是國內外學者們研究的熱點問題。華北克拉通,作為歐亞大陸東部最重要的克拉通之一,其早前寒武紀地質演化在近二十年來受到廣泛關注。前人在華北克拉通的構造劃分、新太古代 古元古代結晶基底的形成、碰撞拼合形成穩(wěn)定克拉通的演化過程等方面存在較大爭議。阜平雜巖作為華北克拉通中部的一個典型的基底巖石單元,出露了各種類型的新太古代 古元古代基底巖石,包括TTG(英云閃長巖、奧長花崗巖和花崗閃長巖)片麻巖、片麻狀花崗巖、基性 超基性侵入巖(輝石角閃石巖和角閃石巖)、基性麻粒巖、角閃巖、大理巖、鈣硅酸鹽巖、泥質片麻巖和片巖等。阜平雜巖記錄了豐富的新太古代 古元古代巖漿作用、沉積作用和變質作用的信息,對阜平地區(qū)、中部帶乃至華北克拉通的早前寒武紀地質演化的研究具有舉足輕重的地位。本文以阜平地區(qū)出露的各種巖石類型為主要研究對象,以野外地質調查和高精度測試分析技術為手段,從野外地質特征、巖石學、礦物化學、巖石地球化學、地質年代學、穩(wěn)定同位素地球化學和變質溫度 壓力條件模擬等方面入手,系統(tǒng)研究阜平地區(qū)各種巖石類型的巖石成因和時空演化特征,在以下4個方面獲得了重要研究成果和創(chuàng)新認識:(1)新太古代末期的巖漿活動與微陸塊之間的碰撞拼合密切相關,五臺花崗綠巖帶包括五臺雜巖、阜平雜巖和恒山雜巖,五臺花崗綠巖帶是鄂爾多斯陸塊和遷懷陸塊俯沖碰撞的產物;(2)古元古代(2.1~2.0 Ga)巖漿活動與中部帶復雜的俯沖-弧后擴張系統(tǒng)密切相關;(3)古元古代阜平雜巖中的大理巖和鈣硅酸鹽巖是弧前盆地海相沉積的產物,贊皇雜巖中的大理巖是弧后盆地沉積的結果;(4)東、西部陸塊沿中部帶碰撞拼合及發(fā)生高溫麻粒巖相變質作用的時間為1.96~1.90 Ga,而非1.85 Ga左右。1.90~1.80 Ga為退變質作用年齡,記錄碰撞后巖石折返和降溫的過程。對阜平地區(qū)出露的TTG片麻巖和楊木橋基性-超基性侵入巖體(輝石角閃石巖和角閃石巖)開展了系統(tǒng)的野外地質調查、巖石學、礦物化學、全巖地球化學(主量、微量、稀土和鉑族元素)、鋯石U-Pb年代學和Hf-O同位素研究。1.1巖石學和礦物學TTG片麻巖樣品的礦物組成為斜長石(50~60%)、石英(15~20%)、黑云母(10~15%)、鉀長石(5~10%)、角閃石(2~5%),少量磁鐵礦、鋯石和磷灰石。角閃石巖樣品主要由角閃石(90~95%)、斜長石(2~3%)和黑云母(2~3%)組成。輝石角閃石巖含有普通角閃石(75~85%)、輝石(10~20%)、少量斜長石、黑云母和鉻鐵礦,具堆晶結構。電子探針分析結果顯示,角閃石巖和輝石角閃石巖中的大部分角閃石為鎂角閃石,少量為陽起石。輝石主要是普通輝石和透輝石,其中FeO、MgO、CaO含量分別為9.8 10.9 wt.%、14.9 16.5 wt.%、11.6 12.5 wt.%,在SiO_2-Al_2O_3投圖中所有的輝石落入Quetico阿拉斯加型侵入巖體范圍。鉻鐵礦的Cr_2O_3和FeO含量分別為49.90~52.53 wt.%和35.85~38.71 wt.%,在Cr#-Fe2+/(Mg+Fe2+)圖解中與阿拉斯加型侵入巖體的區(qū)域重合,在TiO_2-Al_2O_3圖解中落入島弧區(qū)域。以上結果顯示,楊木橋基性-超基性侵入巖體與阿拉斯加型巖體類似,具有與俯沖作用相關的島弧成因。1.2巖石地球化學TTG片麻巖樣品具有高硅(63.20~71.02 wt.%)、富鋁(15.17~16.80 wt.%)和鈣堿性(K2O=1.42~2.32 wt.%,Na2O=3.96~4.84 wt.%,CaO=2.96~3.57 wt.%)等特征,為典型的富鋁TTG巖系。巖石的輕稀土相對富集,具弱負Eu異常,富集大離子親石元素(如K,Rb,Ba和Pb等),虧損高場強元素(如Nb,Ta和Ti等)。輝石角閃石巖和角閃石巖含有SiO_2(47.20~50.65 wt.%),富集大離子親石元素(如K和Rb等),虧損高場強元素(如Nb,Ta,Zr和Hf等)。以上特征表明TTG片麻巖和基性-超基性巖體的形成均與島弧環(huán)境下富水的巖漿活動密切相關。輝石角閃石巖的IPGE(Os,Ir,Ru)總含量為1.69~2.39 ppb,明顯高于角閃石巖的IPGE總含量(0.56~0.72 ppb)。由于在部分熔融和結晶分異過程中,IPGE傾向于相容元素,PPGE傾向于不相容元素,因此輝石角閃石巖和角閃石巖中IPGE含量的明顯差異指示在結晶分異過程中前者先結晶形成。1.3新太古代末期巖漿活動采用LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年,獲得TTG片麻巖的平均年齡為2513±13Ma(MSWD=0.31),輝石角閃石巖的平均年齡為2514±15 Ma(MSWD=0.20),指示新太古代末期在阜平地區(qū)發(fā)生了廣泛的與俯沖作用相關的島弧巖漿活動。鋯石Hf-O同位素結果顯示,TTG片麻巖的εHf(t)和虧損地幔模式年齡分別為-1.8~4.9和2627~2888 Ma,δ18O分布范圍主要為5.8‰~6.7‰。輝石角閃石巖的εHf(t),虧損地幔模式年齡和δ18O分別為2.6~6.7,2570~2723 Ma和6.0‰~7.0‰。以上結果說明輝石角閃石巖的母巖漿源于虧損地幔,TTG片麻巖的母巖漿源于富集地�；蚴芄爬系貧せ烊�。1.4小結綜上所述,阜平雜巖中的TTG片麻巖和輝石角閃石巖的形成年齡為~2.51 Ga,兩者均具有島弧巖漿巖的特征。研究區(qū)位于阜平雜巖的西部,緊鄰五臺綠巖帶,傳統(tǒng)意義上的五臺綠巖帶僅包括五臺雜巖。結合前人鋯石U-Pb定年結果,阜平-五臺-恒山地區(qū)記錄了統(tǒng)一的2550~2475 Ma巖漿活動。我們認為,五臺花崗綠巖帶應包括阜平雜巖和恒山雜巖,阜平雜巖中的TTG片麻巖和基性-超基性巖體是鄂爾多斯陸塊和遷懷陸塊沿五臺花崗綠巖帶俯沖碰撞的產物。華北克拉通被認為由7個微陸塊(膠遼陸塊、徐淮陸塊、遷懷陸塊、許昌陸塊、鄂爾多斯陸塊、阿拉善陸塊和集寧陸塊)沿多條新太古代花崗綠巖帶拼合形成,如雁翎關、五臺、登封、魯西、遵化、東五分子、紅透山-清源、義縣-阜新等花崗綠巖帶。雁翎關花崗綠巖帶形成于2.75~2.6 Ga,帶內出露的巖石單元包括TTG片麻巖、科馬提巖、變質玄武巖和變質沉積巖等。TTG片麻巖和變質玄武巖具有島弧巖石的特征,因此認為雁翎關花崗綠巖帶是地幔柱-島弧共同作用的產物;其它花崗綠巖帶的年齡為2.6~2.5 Ga,主要受板塊俯沖作用控制,部分綠巖帶可能受地幔柱作用的影響,證據(jù)如下:(1)2.6~2.5 Ga綠巖帶內的變質玄武巖具有N-MORB,E-MORB,洋島玄武巖和鈣堿性玄武巖的特征;(2)部分變質玄武巖和所有花崗質巖石具有島弧巖石的特征,如富集輕稀土元素和大離子親石元素,虧損重稀土元素和高場強元素;(3)火山-沉積巖石和花崗質巖石的形成年齡集中于2.6~2.48 Ga,變質年齡分布于2.52~2.47 Ga,分別代表沿綠巖帶發(fā)生俯沖相關的巖漿活動和碰撞相關的變質事件;(4)綠巖帶內出露新太古代蛇綠巖體,如五臺、遵化、沂水(魯西)和遼西(義縣-阜新)等蛇綠巖;(5)未1.3鋯石U-Pb年代學和Hf-O同位素變質的花崗巖脈和偉晶巖脈的結晶年齡為2.48~2.50 Ga,指示形成于后碰撞構造環(huán)境;(6)沿花崗綠巖帶出露條帶狀鐵建造(BIF),形成于弧前盆地或弧后盆地;(7)東五分子花崗綠巖帶中的科馬提巖和贊岐巖、遵化花崗綠巖帶中的BIF和紅透山-清源花崗綠巖帶中的火山成因塊狀硫化物礦床(VMS)被認為可能與洋殼地幔柱活動相關。因此,2.6~2.5 Ga花崗綠巖帶記錄了華北克拉通微陸塊之間的俯沖碰撞和地殼增生事件,在新太古代和古元古代之交(~2.5 Ga)拼合形成初始的華北克拉通。2.古元古代(2.1~2.0 Ga)巖漿活動對阜平地區(qū)出露的南營片麻狀花崗巖、角閃巖和變質沉積巖開展了系統(tǒng)的野外地質調查、巖石學、全巖地球化學、鋯石U-Pb年代學和Hf同位素研究。2.1野外地質特征和巖石學采自南營片麻狀花崗巖中的樣品包含4個片麻狀花崗巖和1個片麻狀正長花崗巖,片麻狀花崗巖樣品的礦物組成為斜長石,石英,鉀長石,黑云母,少量磁鐵礦和金紅石。片麻狀正長花崗巖包含中粗粒鉀長石,石英,斜長石,黑云母和磁鐵礦等。角閃巖呈帶狀或石香腸狀,與片麻狀花崗巖、條帶狀鐵建造(BIF)或大理巖相伴產出。變質沉積巖樣品主要為含綠簾石黑云母片巖和二云母片巖,其黑云母、斜長石和石英等礦物定向排列。2.2巖石地球化學片麻狀花崗巖和正長花崗巖樣品具有高硅(72.53~77.67 wt.%)、富鉀(5.09~9.22 wt.%)、貧鈣(0.15~0.82 wt.%)和鋁(11.08~12.71 wt.%)等特征。樣品的輕稀土相對富集,負Eu異常明顯,微量元素中富集K、Rb和Ce等元素,虧損Nb、Ta、Ti和P等元素。11個角閃巖樣品的SiO_2、MgO、FeOT和TiO_2含量分別為47.10~51.48 wt.%,4.47~12.06 wt.%,8.12~15.71 wt.%和0.50~2.32 wt.%。在一系列構造判別圖解中,角閃巖樣品具有鈣堿性玄武巖或島弧玄武巖特征。如在Zr/TiO_2-Nb/Y圖解中,所有角閃巖樣品落入次堿性玄武巖區(qū)域;在DF1-DF2判別圖解中,10個樣品落入島弧玄武巖區(qū)域,1個樣品落入洋島玄武巖區(qū)域;在La/10-Y/15-Nb/8三角圖解中,角閃巖具有鈣堿性玄武巖的特征;在Th-Hf/3-Ta圖解中,樣品分別落入鈣堿性玄武巖和島弧拉斑玄武巖區(qū)域。以上結果表明,南營片麻狀花崗巖和角閃巖的形成環(huán)境與俯沖作用密切相關。2.3鋯石U-Pb年代學和Hf同位素根據(jù)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結果,片麻狀花崗巖中的鋯石具典型的核-邊結構。核部具震蕩壞帶,18個核部分析數(shù)據(jù)得到平均年齡2050±21 Ma(MSWD=0.12),4個邊部分析點的平均年齡為1891±44 Ma(MSWD=0.79),結合Th/U比值差異,表明前者代表該片麻狀花崗巖的結晶年齡(Th/U=0.38~1.25),后者代表變質年齡(Th/U=0.14~0.26)。片麻狀正長花崗巖得到一組平均年齡2077±16 Ma(MSWD=0.24,Th/U=0.27~0.84),代表該巖石的結晶年齡。兩個角閃巖的鋯石核部也具有環(huán)帶特征,且平均年齡分別為2054±26 Ma(MSWD=0.67)和2044±61 Ma(MSWD=0.14),代表角閃巖的原巖玄武巖的形成年齡;角閃巖的鋯石邊部具典型變質重結晶鋯石的特征,獲得平均年齡分別為1870±38 Ma(MSWD=0.82)和1858±94 Ma(MSWD=0.72),代表角閃巖相變質作用的時間。兩個變質沉積巖樣品的碎屑鋯石定年結果基本一致,獲得兩組年齡分別為2450~2585 Ma和2004 2097 Ma,指示該變質沉積巖的物質源區(qū)主要為阜平TTG片麻巖和南營片麻狀花崗巖。以上結果說明阜平地區(qū)記錄了廣泛的2.1~2.0 Ga巖漿活動。南營片麻狀花崗巖和角閃巖中2.1~2.0 Ga鋯石的εHf(t)和虧損地幔兩階段模式年齡分別為0.3~8.5和2124~2639 Ma。變質沉積巖中2.1~2.0 Ga鋯石的εHf(t)和虧損地幔兩階段模式年齡分別為-0.8~-2.6和2710~2801 Ma。以上鋯石Hf同位素結果表明阜平地區(qū)2.1~2.0 Ga巖漿源自新太古代-古元古代新生物質和2.7~2.8 Ga古老地殼的重熔。2.4小結綜上所述,南營片麻狀花崗巖和角閃巖的原巖玄武巖的形成年齡為2.1~2.0Ga,兩者均為島弧巖漿活動的產物。2.1~2.0 Ga花崗質巖石和變基性巖石廣泛存在于華北克拉通中部帶,其形成環(huán)境包括俯沖相關的島弧環(huán)境和陸內裂解環(huán)境。如在阜平、五臺和呂梁地區(qū)分布的2.12~2.02 Ga花崗質巖石具有匯聚邊緣的島弧性質;在恒山、懷安和贊皇地區(qū)出露的2.09~2.00 Ga花崗質巖石和變基性巖石具有陸內裂解性質,懷安地區(qū)的A型花崗巖和贊皇地區(qū)的許亭A型花崗巖的結晶年齡分別為2003±24 Ma和2090±10 Ma。因此,我們提出一個新的構造演化模式解釋中部帶廣泛存在的2.1~2.0 Ga巖漿活動。即在2.1~2.0 Ga,中部帶中段的阜平雜巖和五臺雜巖被龍泉關洋間隔,龍泉關洋的洋殼同時向西北和東南雙向俯沖,在阜平、五臺和呂梁地區(qū)發(fā)生島弧巖漿活動,沿龍泉關斷裂帶(走向北東)斷續(xù)分布的變泥質巖石代表龍泉關洋的沉積物質;同時,五臺雜巖北西側的恒山和懷安地區(qū)和阜平雜巖南東側的贊皇地區(qū)發(fā)生弧后裂解擴張,形成了一系列與俯沖-弧后擴張相關的巖漿活動。3.古元古代沉積作用對阜平地區(qū)和贊皇地區(qū)出露的變質碳酸鹽巖(大理巖和鈣硅酸鹽巖)開展了系統(tǒng)的野外地質調查、巖石學、全巖地球化學、穩(wěn)定同位素(碳-氧同位素)和碎屑鋯石U-Pb年代學研究。3.1野外地質特征和巖石學阜平雜巖中的灣子群由一系列表殼巖石組成,包括泥質片麻巖、泥質片巖、大理巖、鈣硅酸鹽巖、石英巖和少量角閃巖。本次研究從灣子群中共采集9個大理巖樣品和9個鈣硅酸鹽巖樣品。大理巖和鈣硅酸鹽巖呈厚層狀分布,厚度幾十米到幾百米。大理巖的礦物組成主要為方解石和白云石,含少量白云母和金云母。鈣硅酸鹽巖由方解石、白云石、白云母、金云母、透輝石和橄欖石等礦物組成。贊皇雜巖中部分布一條變質沉積巖帶,走向北西,寬5~10千米,巖石單元包括石英片巖、火山沉積巖和碳酸鹽巖復理石建造、二云母片巖、副片麻巖和大理巖等。7個大理巖樣品采自贊皇雜巖中部變質沉積巖帶,大理巖呈薄層狀(0.4~10米)與二云母片巖、石英巖、角閃巖和變質火山巖等互層產出。3.2全巖地球化學和碳-氧同位素前寒武紀變質碳酸鹽巖的地球化學特征易受成巖作用、水巖反應和變質作用的影響。如成巖作用和變質作用可使Mn含量升高、Sr含量降低,從而Mn/Sr比值高于10;受成巖作用影響的大理巖常具有中稀土富集的“凸起狀”配分模式,Ca,Mg,Fe等其他元素與δ~(13)C、δ18O呈線性關系。因此在討論成巖環(huán)境時需排除被影響的樣品,如贊皇雜巖中的兩個樣品具有高Mn/Sr比值(128~166)。本次研究用于討論的樣品均未受影響并具有以下特征:(1)Mn/Sr比值介于1.13~8.87;(2)稀土配分模式平坦,無中稀土富集現(xiàn)象;(3)δ~(13)C-δ18O,Mn、Sr、Mn/Sr、Mg/Ca、Ca/Sr和Fe/Sr分別與δ~(13)C、δ18O無線性關系。基于微量元素和C-O同位素結果,阜平雜巖和贊皇雜巖中出露的大理巖和鈣硅酸鹽巖的原巖屬于淺海相沉積的產物。在澳大利亞頁巖標準化的稀土配分模式圖中,海相沉積物的配分曲線低于1,河流相沉積物的配分曲線高于1。本次研究的樣品的配分曲線均低于1,指示海相沉積成因。未受成巖作用、水巖反應和變質作用影響的樣品的δ~(13)C變化于-2.68‰~3.65‰,δ18O變化于-12.89‰~-2.96‰,落入古元古代(2.0~1.8 Ga)全球典型海相碳酸鹽巖的區(qū)域,進一步指示海相沉積成因。據(jù)統(tǒng)計,古元古代(2.0~1.8 Ga)海相碳酸鹽巖的δ~(13)C和δ18O值分別為-3.0‰~3.5‰和-13.8‰~-2.4‰。由于大理巖和鈣硅酸鹽巖的產出與泥質片麻巖、泥質片巖和石英巖等陸源碎屑沉積巖石密切相關,鈣硅酸鹽巖為混入陸源碎屑物質的變質碳酸鹽巖,樣品中普遍存在硅質礦物和鋯石,指示沉積環(huán)境為靠近大陸的近海相沉積環(huán)境。3.3鋯石U-Pb年代學碎屑鋯石的研究可以指示沉積巖的物質源區(qū)和限定沉積年齡。對阜平雜巖中的2個鈣硅酸鹽巖和1個大理巖樣品開展了碎屑鋯石U-Pb定年,從具有環(huán)帶特征的鋯石核部獲得三組年齡:2.55~2.50 Ga,2.4~2.2 Ga(峰值2.35~2.30 Ga)和2.1~2.0 Ga。2.55~2.50 Ga鋯石的源區(qū)可能為阜平TTG片麻巖,及少量其他基底地質單元(如五臺、恒山、贊皇和呂梁等雜巖)中的新太古代巖體;2.35~2.30 Ga鋯石可能來源于阜平地區(qū)2.33~2.31 Ga基性巖脈;2.1~2.0 Ga鋯石來源于南營片麻狀花崗巖及上述中部帶廣泛發(fā)育的島弧-弧后擴張相關的花崗巖和基性巖石。最年輕的碎屑鋯石年齡和最老的變質年齡可以有效地限定沉積年齡。鈣硅酸鹽巖樣品中最年輕的碎屑鋯石年齡為1959±20 Ma,鋯石變質重結晶邊部的變質年齡變化于1877~1892 Ma,結合阜平雜巖中基性麻粒巖記錄的高溫麻粒巖相變質年齡1.92~1.93 Ga,灣子群的沉積年齡被限定在1.96~1.93 Ga。贊皇雜巖中的大理巖樣品的碎屑鋯石年齡也分為三組:~2.57 Ga,2.35~2.20 Ga和2.10~2.03 Ga,相似的年齡分布指示贊皇雜巖中部的變質沉積巖具有與灣子群相似的物質源區(qū),僅2.10~2.03 Ga鋯石更有可能源自贊皇雜巖中的許亭A型花崗巖。結合變質鋯石的年齡(1857~1898 Ma),將贊皇雜巖中部變質沉積巖的沉積年齡限定為2.03~1.90 Ga,該沉積年齡與贊皇雜巖西北部的甘陶河群的沉積年齡(2088~1850Ma)基本一致。3.4小結阜平雜巖灣子群中大理巖的δ~(13)C(-0.31‰~3.65‰)明顯高于贊皇雜巖中的δ~(13)C(-2.68‰~1.44‰),指示灣子群和贊皇雜巖中部變質沉積巖的沉積環(huán)境可能存在差異。根據(jù)上述研究,2.1~2.0 Ga期間在阜平和五臺地區(qū)發(fā)生雙向俯沖,贊皇地區(qū)發(fā)生弧后裂解擴張。因此灣子群的沉積環(huán)境可能為弧前盆地,贊皇雜巖的沉積環(huán)境可能為弧后盆地。據(jù)前人研究,華北克拉通的部分古元古代碳酸鹽巖地層對Jatulian事件有響應,Jatulian事件為2.33~2.06 Ga全球性的大氣圈、巖石圈、水圈和生物圈劇變事件并存在δ~(13)C正向漂移現(xiàn)象。阜平地區(qū)的洋盆形成于2.33~2.31 Ga之后,研究區(qū)2.33~2.31 Ga基性巖脈被認為是陸內裂解作用相關的巖漿底侵作用的產物。因此阜平地區(qū)的洋盆內的海水的化學特征和生物圈可能受到Jatulian事件的影響,導致灣子群中大理巖樣品的δ~(13)C發(fā)生正向漂移。而贊皇地區(qū)弧后盆地的打開發(fā)生在Jatulian事件之后,其大理巖樣品的同位素特征未受到Jatulian事件的影響。阜平雜巖和贊皇雜巖中的變質鋯石記錄了一致的變質年齡(1857~1898 Ma),與中部帶的變質年齡一致,說明阜平弧前盆地及贊皇弧后盆地的關閉與東、西部陸塊沿中部帶碰撞拼合密切相關。4.古元古代(1.96~1.80 Ga)變質作用對阜平雜巖中的三個基性麻粒巖開展了系統(tǒng)的野外地質調查、巖石學、礦物化學、全巖地球化學、變質溫度-壓力條件(礦物相平衡模擬和傳統(tǒng)地質溫壓計)和鋯石U-Pb年代學研究。4.1巖石學和礦物學基性麻粒巖樣品呈石香腸狀或透鏡狀(長1~30米,寬0.1~2米)產出于阜平TTG片麻巖中,透鏡狀基性麻粒巖的長軸方向與片麻巖的片麻理平行。巖相學和電子探針研究可識別出三期變質礦物組合:(1)早期進變質礦物呈包裹體賦存于石榴子石變斑晶中,礦物組合為石英+黑云母+鈦鐵礦±單斜輝石±角閃石,由于峰期高溫麻粒巖相變質作用的影響,早期進變質礦物的類型和數(shù)量保存較少;(2)峰期變質礦物由中-粗粒斑狀變晶礦物組成,礦物組合為石榴子石核部+單斜輝石+角閃石+石英+斜長石+鉀長石+鈦鐵礦±斜方輝石±磁鐵礦;(3)晚期退變質礦物由退變質反應結構中的礦物及基質中的部分細粒礦物組成,礦物組合為石榴子石邊部+斜長石+角閃石+石英+鉀長石±斜方輝石±單斜輝石±黑云母±磁鐵礦±鈦鐵礦。退變質反應結構廣泛發(fā)育,如樣品15FP-02中圍繞石榴子石分布的角閃石+斜長石+磁鐵礦交織連晶和斜方輝石+斜長石交織連晶,樣品15FP-03中圍繞石榴子石分布的角閃石+斜長石冠狀體和單斜輝石+斜長石+磁鐵礦幾乎完全替代石榴子石核部形成的石榴子石假象,樣品15FP-06中圍繞石榴子石分布的角閃石+斜長石冠狀體和單斜輝石+斜方輝石+角閃石+斜長石交織連晶。另外,手標本中普遍發(fā)育石英+長石淺色礦物集合體,石榴子石周圍發(fā)育石英環(huán)帶和石英+鉀長石+斜長石環(huán)帶,指示該基性麻粒巖發(fā)生過部分熔融作用并產生含鉀熔體。電子探針分析結果顯示,粗粒石榴子石變斑晶具有成分環(huán)帶,石榴子石核部的鈣鋁榴石和鎂鋁榴石含量較高,鐵鋁榴石和錳鋁榴石含量較低。石榴子石邊部的鐵含量更高、鎂含量更低是由于石榴子石與基質中的礦物(單斜輝石、斜方輝石或角閃石)發(fā)生鐵-鎂交換。石榴子石邊部鈣含量更低是由于退變質反應使邊部中的鈣用于形成退變質反應結構中的斜長石。其他變質礦物隨變質作用階段的不同,其成分存在明顯差異,如角閃石的Si和XMg、斜方輝石和單斜輝石的Al和XMg、斜長石的An和黑云母的Fe2+、Mg和Al等。4.2變質溫度-壓力條件和熔體特征應用傳統(tǒng)地質溫壓計和礦物相平衡模擬對峰期和退變質作用階段的溫度-壓力條件進行估算�；�于石榴子石-單斜輝石和石榴子石-斜方輝石溫度計,三個基性麻粒巖的峰期變質溫度分別為772~865℃(15FP-02),789~886℃(15FP-03)和783~859℃(15FP-06)。利用石榴子石-單斜輝石-斜長石-石英和石榴子石-斜方輝石-斜長石-石英壓力計,峰期變質壓力依次為8.2~10.2 kbar,8.9~12.3 kbar和9.1~11.3 kbar。退變質作用階段的溫度由普通角閃石-斜長石溫度計估算獲得,分別為750~765℃,780~795℃和800~810℃。計算相圖采用THERMOCALC 3.40程序,選擇ds62數(shù)據(jù)庫及Na2O CaO K2O FeO MgO Al_2O_3 SiO_2 H_2O TiO_2 Fe_2O_3(NCKFMASHTO)體系。(1)樣品15FP-02的峰期變質作用礦物組合為石榴子石+單斜輝石+斜方輝石+角閃石+石英+斜長石+鉀長石+鈦鐵礦+磁鐵礦,P M(H_2O)視剖面圖(基于峰期溫度850℃)顯示適合于峰期的H_2O含量為0.2 mol.%,在相應P T視剖面圖中峰期礦物組合穩(wěn)定區(qū)域所在的溫度和壓力分別為870~882℃和8.2~9.2 kbar。退變質作用階段的礦物組合為石榴子石+角閃石+斜方輝石+石英+斜長石+鉀長石+黑云母+磁鐵礦,P M(H_2O)視剖面圖(基于溫度760℃)顯示適合于退變質作用階段的H_2O含量為2.0 mol.%,在相應P T視剖面圖中退變質礦物組合穩(wěn)定于795℃和6.1 kbar。(2)樣品15FP-03的峰期變質作用礦物組合為石榴子石+單斜輝石+角閃石+石英+斜長石+鉀長石+鈦鐵礦,退變質礦物包括石榴子石+單斜輝石+角閃石+石英+斜長石+鉀長石+黑云母+鈦鐵礦+磁鐵礦,T M(H_2O)視剖面圖(基于峰期壓力11 kbar)中適合于峰期變質作用的H_2O含量為1.0 mol.%,P M(H_2O)視剖面圖(基于退變質作用溫度780℃)顯示適合于退變質作用階段的H_2O含量為3.5 mol.%,對應的P T視剖面圖中峰期和退變質作用的穩(wěn)定區(qū)域由礦物組合和石榴子石的鈣等值線(XCa=Ca/(Ca+Mg+Fe2+),峰期XCa=0.28~0.34,退變質XCa=0.20~0.26)共同限定,其峰期溫度和壓力分別為855~870℃和9.6~11.3 kbar,退變質作用的溫度和壓力分別為795℃和5.6~5.8 kbar。(3)樣品15FP-06的峰期礦物組合與樣品15FP-03相同,T M(H_2O)視剖面圖(基于峰期壓力10 kbar)中適合于峰期的H_2O含量為1.5 mol.%,其P T視剖面圖中峰期的溫度和壓力依次為880~900℃和9.7~10.5 kbar。退變質作用階段的礦物組合為石榴子石+單斜輝石+斜方輝石+角閃石+石英+斜長石+鉀長石+磁鐵礦,P M(H_2O)視剖面圖(基于溫度800℃)顯示適合于退變質作用階段的H_2O含量為2.0 mol.%,P T視剖面圖中退變質礦物組合穩(wěn)定于865℃和9 kbar。結合以上傳統(tǒng)地質溫壓計和礦物相平衡模擬結果,阜平雜巖中的基性麻粒巖經歷了峰期高溫麻粒巖相變質作用的溫度-壓力條件分別為8.2~9.2 kbar,870~882℃(15FP-02),9.6~11.3 kbar,855~870℃(15FP-03)和9.7~10.5 kbar,880~900℃(15FP-06)。晚期退變質作用的溫度-壓力條件分別為795℃和6.1kbar,710~795℃和5.6~5.8 kbar,865℃和9 kbar。由峰期變質作用階段到退變質作用階段經歷降壓、降溫為特征的順時針P T演化軌跡,該P T演化軌跡與中部帶(恒山、阜平、宣化、懷安等雜巖)廣泛報道的順時針P T演化軌跡一致,指示這些高級變質巖是碰撞造山帶經俯沖碰撞和折返的巖石,為東、西部陸塊沿中部帶碰撞造山的產物。適用于峰期的P T視剖面圖中,在壓力5~12 kbar范圍內,固相線趨于直立且溫度變化于800~880℃。手標本中的石英+長石淺色礦物集合體,鏡下石榴子石周圍發(fā)育的石英環(huán)帶和石英+鉀長石+斜長石環(huán)帶等特征指示熔體存在。在P T視剖面圖中,峰期礦物組合穩(wěn)定區(qū)域位于固相線之上,進一步說明峰期變質作用階段存在熔體相�；�性麻粒巖樣品可能在早期進變質作用至峰期變質作用的升溫過程中發(fā)生部分熔融作用,熔體的產生與早期進變質作用階段的石英和含水礦物(角閃石+黑云母)的脫水熔融密切相關。4.3鋯石U-Pb年代學對三個基性麻粒巖樣品進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年。鋯石CL圖像顯示三個樣品具有相似的鋯石特征,鋯石可分為兩類:(1)具有典型核-邊結構,核部具有震蕩環(huán)帶、不均勻分帶和顏色較暗等巖漿鋯石的特征,邊部顏色較亮,不具有環(huán)帶或具微弱環(huán)帶,為典型變質重結晶鋯石的特征。(2)鋯石較為均勻,與前述鋯石邊部特征類似,指示變質成因。樣品15FP-02的鋯石核部顯示平均年齡2327±37 Ma(MSWD=2.0,Th/U=0.17~0.36),代表該基性麻粒巖的原巖基性巖脈的形成年齡,記錄了中部帶2.33~2.31 Ga陸內裂解事件。18個變質鋯石的分析點獲得平均年齡1831±10 Ma(MSWD=1.2,Th/U=0.01~0.11),代表變質年齡。樣品15FP-03和15FP-06的巖漿鋯石核部均十分微小,前者的變質鋯石U-Pb定年結果顯示兩組平均年齡分別為1924±21 Ma(MSWD=0.18)和1829±8 Ma(MSWD=0.97),結合低Th/U比值(0.01~0.14),結果代表兩期變質作用的年齡。后者的變質鋯石分析結果顯示相似的兩組平均年齡1923±19 Ma(MSWD=0.31)和1857±17 Ma(MSWD=0.35),大部分Th/U比值變化于0.01~0.17,該結果代表兩期變質作用的年齡。前人研究表明,當變質作用溫度900℃時鋯石可以記錄峰期變質作用的年齡,而當變質作用溫度900℃時鋯石不能在峰期變質作用時生長。另外,鋯石也經常在峰期之后的降溫過程結晶形成。本次研究的基性麻粒巖樣品的峰期變質作用溫度均900℃,且在含有硅和鋯的熔體存在的情況下,鋯石容易在峰期結晶生長。因此峰期變質作用和退變質降溫(穿過固相線)過程是基性麻粒巖樣品中鋯石結晶生長的兩個主要階段。上述變質鋯石的定年結果分為兩組:1.96~1.90 Ga(峰值1.93~1.92 Ga)和1.89~1.80 Ga(峰值1.86~1.83 Ga),分別代表峰期高溫麻粒巖相變質作用和退變質作用的年齡。4.4小結華北克拉通中部帶記錄了廣泛的古元古代變質年齡,經統(tǒng)計1425個變質鋯石定年結果,兩組變質年齡峰值分別為1.94~1.92 Ga和1.85~1.84 Ga。1.96~1.90Ga變質年齡在懷安、宣化、恒山、呂梁和太華等雜巖中均有報道。本次研究從阜平雜巖中首次獲得1.94~1.92 Ga高溫麻粒巖相變質作用的年齡,結合中部帶廣泛記錄的1.96~1.90 Ga變質年齡,我們認為東、西部陸塊沿中部帶碰撞拼合并發(fā)生峰期高級變質作用的時間為1.96~1.90 Ga,而非前人認為的~1.85 Ga。1.90~1.80Ga(峰值1.85~1.84 Ga)為退變質作用年齡,記錄碰撞后巖石折返和降溫的過程。另外,陰山陸塊和鄂爾多斯陸塊沿內蒙縫合帶(孔茲巖帶)碰撞造山并發(fā)生超高溫變質作用的時間為1.95~1.92 Ga,龍崗陸塊和狼林陸塊沿膠-遼-吉帶碰撞拼合的時間為~1.90 Ga。因此,在1.96~1.90 Ga期間,華北克拉通的多個陸塊沿中部帶、內蒙縫合帶和膠-遼-吉帶碰撞拼合最終形成統(tǒng)一的華北克拉通,此時的華北克拉通是哥倫比亞超大陸的重要組成部分。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P534.3
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本文編號：1527065