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燕山造山带后石湖山碱性环状杂岩体的成因及其构造意义

作　者: 文霞
导　师: 马昌前
学　校: 中国地质大学
专　业: 矿物学、岩石学、矿床学
关键词: 环状杂岩体浅成次火山相侵位模式岩石成因燕山造山带
分类号: P58
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

大陆地壳的形成和演化主要受岩浆作用的控制,因此理解“岩浆管道系统”(Magma plumbing system)的时空演化成为深入探讨大陆生长和演化的关键。环状杂岩体作为破火山口以下浅部岩浆通道的直接表现,为破火山口/火山根带与上地壳岩浆房顶部的演化提供了丰富的信息来源。燕山造山带是位于华北克拉通北缘的陆内造山带,晚中生代的岩浆活动强烈,不仅形成了许多大小不一的深成岩体,还引起了一系列破火山口的形成。破火山口的垮塌及与垮塌同时(或随后)侵入的岩浆侵入体构成了许多包含不同侵入相的次火山环状杂岩体。目前,在燕山造山带,有关侵入岩体的研究资料丰富,成果丰硕,但对出露有限的环状火山-侵入杂岩体的研究重视不够。本文选取该造山带内最具代表性的后石湖山次火山环状杂岩体作为主要研究对象,对其进行详细的地质学、岩相学、年代学和地球化学研究,剖析其内部精细结构,以探讨其成因,重塑了次火山岩浆系统,这为阐明华北北缘晚中生代岩浆活动的动力学背景提供了一定的制约。此外,我们选择与后石湖山杂岩体邻近的同时代形成的昌黎岩基作为对比,以更好地研究华北北缘燕山造山带早白垩世岩浆作用的时空分布特征和动力学机制。详细的野外地质调查和岩相学研究表明,后石湖山杂岩体是一个典型的火山-侵入环状杂岩体,主要包括：内环的张家口组火山岩、外环的斑状石英正长岩侵入体、中心嵌套的碱长花岗岩复式岩株、围绕中心岩株呈环形/近环形分布的石英正长斑岩和花岗斑岩岩墙群。在斑状石英正长岩环状侵入体中新发现一条规模不大的辉绿玢岩岩墙侵入,据野外穿插关系,该岩墙还稍晚于碱长花岗岩。斑状石英正长岩和碱长花岗岩具有晶洞构造,发育熔蚀结构和花斑结构,石英正长斑岩和花岗斑岩斑晶具熔蚀结构、基质为隐晶质-玻璃质,岩墙边部发育冷凝边和流动构造,均表明它们为浅成侵入相。石英正长斑岩具有特殊的球粒构造,球粒与基质成分的明显差异,可能反映岩浆混合或熔离作用。LA-ICPMS锆石U-Pb年代学研究表明,斑状石英正长岩环状岩墙、晶洞碱长花岗岩岩株、石英正长斑岩和花岗斑岩锥状岩席的侵位年龄分别为119±3Ma、118±1Ma、121±2Ma和121±2Ma,粗面英安岩结晶年龄亦为119±2Ma,与杂岩体其它碱性岩浆岩的年龄在误差范围内一致。该杂岩体火山岩与侵入岩的形成年龄相近,体现了它作为火山-侵入杂岩体的特征。辉绿玢岩岩墙的侵位年龄亦为～120Ma,与杂岩体的形成近于同时。与之邻近的昌黎岩基主要由较晚期侵入的中粗粒含角闪石黑云钾长花岗岩和较早期侵入的中细粒黑云钾长花岗岩组成,LA-ICPMS锆石U-Pb年代学研究表明,含角闪石黑云钾长花岗岩的侵位时代为119±2Ma。后石湖山岩石根据其岩相学和地球化学特征可分为三组：第一组包含花岗斑岩、石英正长斑岩、碱长花岗岩、流纹岩和粗面英安岩,具有富碱、高FeOtot/MgO、Ga/Al、Zr、Nb和REE含量(Eu除外),以及低A1203、CaO和MgO含量,Ba、Sr、P、Eu和Ti显著负异常等特征,都属于A型花岗岩质岩石。其中石英正长斑岩和流纹岩为铝质A型花岗质岩石,具有854～930℃的高初始岩浆温度,花岗斑岩和碱长花岗岩为过碱质A型花岗岩。这些岩石富集Th、U含量,Sr-Nd-Hf同位素组成变化范围较大((87Sr/86Sr)i=0.7049～0.7170,εNd (t)=-13.9～-8.4,εHf(t)=-16.8～-6.8)。它们可能来源于上地壳钙碱性花岗岩类部分熔融产生的熔体与同时的EM1型岩石圈地幔来源的玄武质岩浆或下地壳源的熔体发生混合,并经历斜长石和黑云母的分离结晶而形成。第二组为辉绿玢岩,它们的Si02=47.8％～49.2%,TFe203=9.74%～10.9%,Cr=177～196×10-6,Ni=64.7～81.2×10-6,Mg#值=50.6-53.3,LREEs弱富集、HREEs平坦,亏损HFSEs和Th、U,Eu异常不明显(Eu/Eu*=0.9～1.0),具变化的初始87Sr/86Sr比(0.7058～0.7110)和中等富集的εNd(t)(-6.5～-6.4)。它们主要来源于EM1型岩石圈地幔部分熔融产生的玄武质岩浆,在岩浆演化过程中受到下地壳物质的混染作用,并经历少量磷灰石和Fe-Ti氧化物的分离结晶而产生。第三组岩石包括(斑状)石英正长岩和粗面岩,具有变化的SiO2(55.7%～65.6%)、Al203(15.8%～16.5%)和Na2O+K20(7.44%～10.5%)和较高的K2O含量(2.99%～5.42%),Mg#值为20.6～37.6。它们富集某些LILEs、LREEs和Pb,亏损HFSEs,Th、U含量相对亏损,无明显的Eu异常(Eu/Eu*=0.75～1.40)。Sr-Nd-Hf同位素组成为：(87Sr/86Sr)i=0.7057～0.7099,εNd(t)=-14.4～-13.0,εHf(t)=-19.5～-11.1,Nd-Hf模式年龄分别为1.97～2.09Ga和1.88～2.41Ga。它们是古老下地壳中-基性麻粒岩和片麻岩部分熔融产生的熔体混合EM1型岩石圈地幔来源的玄武质岩浆,并经历单斜辉石、磷灰石和榍石等矿物分离结晶的产物。昌黎钾长花岗岩SiO2含量为72.85%～76.51%,具有A型花岗岩的许多特征(如：富碱、低A1203,Ba、Sr、P、Eu和Ti显著负异常)。但通过与A型花岗岩、我国东北和澳大利亚南东部Lachlan褶皱带的高分异Ⅰ型花岗岩的某些地球化学特征的比较,我们将其划为高分异Ⅰ型花岗岩。昌黎高分异Ⅰ型花岗岩具有不同于后石湖山A型花岗质岩石的元素地球化学和Sr-Nd-Hf同位素特征,暗示它们具不同的岩石成因。其中,昌黎中细粒黑云钾长花岗岩具有相对较高的147Sm/144Nd比(-0.14)以及LREEs相对Th、U和HFSEs(Nb和Ta)亏损的特征。εNd(t)较低(-15.5),(87Sr/86Sr)i值异常低(0.6996),TDM2为2.17Ga。它们可能来自古老下地壳中基性麻粒岩部分熔融产生的Ⅰ型熔体,经历长石、磷灰石和Fe-Ti氧化物的强烈分离结晶作用而产生。而中粗粒含角闪石黑云钾长花岗岩的(87Sr/86Sr)i(0.7049～0.7065)、εNd(t)(-14.8～-14.6)和TDM2(2.10～2.12Ga),其锆石εHf(t)值为-12.9～-9.4,平均地壳Hf模式年龄(TDMC)为1.77～1.99Ga。它们是古老下地壳部分熔融产生的熔体与EM1型岩石圈地幔来源的玄武质岩浆混合,并经历了长石、磷灰石和Fe-Ti氧化物分离结晶作用的产物。基于详细的野外地质调查、岩相学和地球化学研究,我们对后石湖山杂岩体的内部结构进行细致剖析,厘定其环状岩墙和锥状岩席等环状杂岩体的重要要素,并结合它们的岩石成因,推出后石湖山环状杂岩体形成的四个阶段：(1)张家口组火山爆炸性喷发形成大量的碱性粗面岩、碱流岩、粗面英安岩及相应成分的火山碎屑岩；(2)岩浆房空虚导致压力下降,其顶板围岩块体沿火山口周围近直立的环状断裂垮塌,形成塌陷的破火山口。在此同时,下覆岩浆房的石英正长岩岩浆被动挤入环状断裂而形成环状岩墙；(3)浅部地壳的长英质岩浆房过压,促使其过碱质A型花岗质高温岩浆上升侵位形成了中心的斑状碱长花岗岩岩株,这些岩浆的上涌导致上覆围岩产生倾角缓-陡的、内倾的锥状裂隙,为石英正长斑岩锥状岩席侵位提供了空间；(4)浅部岩浆房复活阶段,该阶段高温过碱质A型花岗质岩浆再度上升侵位形成同源、被嵌套的晶洞碱长花岗岩岩株,与斑状碱长花岗岩构成复式岩株。岩浆的再度上侵导致上覆围岩产生了倾角较陡而内倾的锥状裂隙,提供了花岗斑岩锥状岩席的侵位空间。我们总结了燕山造山带以及华北东部辽东半岛、胶东半岛和鲁西早白垩世侵入岩的时空分布特征,发现广泛发育的早白垩世A型花岗岩类和相伴生的碱性岩、中-基性侵入岩以及Ⅰ型花岗岩类,与区域上的晚中生代伸展型盆地和变质核杂岩的形成、盆地中强烈的双峰式火山喷发作用以及受构造控制的大规模金成矿时代基本相同,是华北东部早白垩世与克拉通破坏相关的伸展构造体制下的产物,这种构造体制可能与太平洋板块的俯冲作用有关。早白垩世,由于太平洋板块的正交、深俯冲和后撤引起华北东部的伸展,同时热的软流圈上涌,强烈侵蚀岩石圈地幔,导致岩石圈的剧烈伸展减薄,克拉通破坏达到峰期。

全文目录

作者简介  7-8
摘要  8-11
ABSTRACT  11-17
第一章前言  17-24
  §1.1 选题来源和意义  17-18
  §1.2 研究现状  18-22
    1.2.1 环状杂岩体的研究  18-21
    1.2.2 华北克拉通破坏与晚中生代岩浆作用  21-22
  §1.3 研究内容和工作量  22-24
第二章区域地质背景  24-29
  §2.1 华北克拉通及其东部区域地质概况  24-26
  §2.2 燕山造山带的区域地质  26-29
    2.2.1 燕山造山带组成岩石和地层  26-27
    2.2.2 岩浆活动  27-28
    2.2.3 构造  28-29
第三章野外地质与岩相学特征  29-51
  §3.1 后石湖山环状杂岩体  30-44
    3.1.1 张家口组火山岩  30-32
    3.1.2 斑状石英正长岩环状侵入体  32-34
    3.1.3 碱长花岗岩中心岩株  34-37
    3.1.4 斑岩岩墙群  37-42
    3.1.5 辉绿玢岩岩墙  42-44
  §3.2 昌黎岩基  44-49
    3.2.1 白旗组火山岩  45-46
    3.2.2 中细粒黑云钾长花岗岩  46-47
    3.2.3 中粗粒含角闪石黑云钾长花岗岩  47-49
  §3.3 新太古代秦皇岛花岗岩  49-51
第四章分析测试方法  51-55
  §4.1 LA-ICP-MS锆石U-PB定年  51-52
  §4.2 全岩主量和微量元素分析  52-53
  §4.3 全岩SR-ND同位素分析  53
  §4.4 锆石LU-HF同位素分析  53-55
第五章锆石U-PB年代学  55-71
  §5.1 后石湖山岩石的年代学  55-68
    5.1.1 花岗斑岩  55-58
    5.1.2 石英正长斑岩  58-60
    5.1.3 辉绿玢岩  60-62
    5.1.4 晶洞碱长花岗岩  62-64
    5.1.5 斑状石英正长岩  64-66
    5.1.6 粗面英安岩  66-68
  §5.2 昌黎钾长花岗岩的年代学  68-71
第六章地球化学特征  71-93
  §6.1 主量元素特征  71-78
    6.1.1 后石湖山岩石  71-76
    6.1.2 昌黎钾长花岗岩  76-78
  §6.2 微量元素特征  78-82
    6.2.1 后石湖山岩石  78-81
    6.2.2 昌黎钾长花岗岩  81-82
  §6.3 SR-ND同位素特征  82-83
    6.3.1 后石湖山岩石  82-83
    6.3.2 昌黎钾长花岗岩  83
  §6.4 锆石HF同位素特征  83-93
    6.4.1 后石湖山岩石  83-84
    6.4.2 昌黎钾长花岗岩  84-93
第七章岩石成因讨论  93-108
  §7.1 后石湖山岩石的岩石成因  93-103
    7.1.1 花岗质岩石和中酸性熔岩  93-99
    7.1.2 辉绿玢岩  99-101
    7.1.3 石英正长岩与粗面岩  101-103
  §7.2 昌黎钾长花岗岩的岩石成因  103-108
    7.2.1 岩石成因类型：高分异I型或A型?  103-105
    7.2.2 岩石成因  105-108
第八章后石湖山环状杂岩体的形成过程  108-111
  §8.1 环状杂岩体的厘定  108-109
  §8.2 后石湖山环状杂岩体的形成过程  109-111
第九章构造意义  111-122
  §9.1 华北东部早白垩世侵入岩的时空分布  111-118
  §9.2 地球动力学背景  118-120
  §9.3 华北东部早白垩世侵入岩与克拉通破坏的关系  120-122
第十章主要结论  122-124
致谢  124-126
参考文献  126-150

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