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辽西三叠纪—侏罗纪火山岩：华北北缘东段下地壳再造与克拉通破坏

作　者: 马强
导　师: 郑建平
学　校: 中国地质大学
专　业: 矿物学、岩石学、矿床学
关键词: 克拉通破坏下地壳火山岩三叠纪侏罗纪岩石成因辽西
分类号: P588.14
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

华北克拉通岩石圈减薄破坏及其深部地质过程是我国固体地球科学研究的热点之一。岩浆作用是其形成时深部地质过程信息的载体,可以为克拉通破坏的时限、机制、动力学背景和下地壳再造过程提供约束。论文选取华北北缘燕山造山带为切入点,对辽西三叠纪-侏罗纪水泉沟组、海房沟组和蓝旗组火山岩开展了详细的岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学和Hf同位素组成研究,初步修订了辽西及其邻区中生代火山-沉积地层的年代学格架,探讨了燕山造山带中生代岩浆作用的成因及其记录的壳幔相互作用信息,为华北北缘中生代克拉通破坏的时限、机制和动力学背景提供了约束。水泉沟组火山岩主要由粗面岩、粗安岩、安山质火山碎屑岩和凝灰岩组成。其下部粗面岩和辉石安山岩中的岩浆锆石给出了-220Ma的谐和年龄,表明水泉沟组火山岩形成于晚三叠世。它们具有高Sr(≥841ppm)、低Yb(≤1.3ppm)和Y (≤17ppm)及高Sr/Y(>72)等“埃达克质”地球化学特征,同时富集轻稀土元素和大离子亲石元素Rb、Ba和Pb,亏损高场强元素Nb、Ta和Ti,以及低的Ce/Pb(<4.3)、Nb/U(<4.8)和中等的GdN/YbN(2.8～3.9)。-2.5Ga的继承和捕获锆石指示新太古代地壳物质可能参与了成岩过程。结合这些火山岩演化的全岩Sr-Nd同位素组成(初始87Sr/86Sr=0.70529-0.70540、εNd(t)=-3.9～-9.9)以及中生代锆石演化的Hf同位素组成(εHf(t)=-8.6～-1.1),我们认为水泉沟组埃达克质火山岩可能是在古亚洲洋俯冲之后的伸展背景下,由底侵的玄武质岩浆诱发大陆下地壳部分熔融的产物。它们高的Sr/Y可能是继承了源区的组成,与较高的熔融深度(如榴辉岩相下地壳)无关。因此,大陆伸展背景下埃达克质岩浆可能来自古老大陆下地壳的部分熔融作用。海房沟组主要由沉积碎屑岩夹中酸性火山岩组成,是燕山的运动A幕的产物,其沉积地层中Schmeissneria和Xingxueanthus化石的发现为揭示被子植物起源提供了关键证据。该组火山岩主要由玄武质粗安岩、粗安岩、粗面岩、英安岩及相应的火山碎屑岩组成。粗面岩中岩浆锆石的206Pb/238U加权平均年龄为173.4±3.1Ma,属于中侏罗世,由此推断被子植物的起源至少可以追溯到中侏罗世,燕山运动A幕的时代为中侏罗世。海房沟组火山岩具有变化的Si02(51.7-66.8wt.%),高的Al2O3(14.8～18.4wt.%),中等的MgO(0.6～4.4wt.%)和低的Mg#(19～50)、TiO2(0.57～1.03wt.%)、Ni (13～33ppm)、Cr(7.2～61.8ppm),富集轻稀土和大离子亲石元素,亏损高场强元素Nb、Ta和Ti,以及与埃达克岩相似的高Sr(≥695ppm),低HREE(Yb≤1.65ppm)和Y(≤19.6ppm)等地球化学组成。它们具有EM1型的Sr-Nd同位素组成(初始87Sr/86Sr=0.70491-0.70542,ENd(t)=-16.3--7.3),锆石具有演化的Hf同位素组成(εHf(t)=-21.7～-12.7, Tcrust=2.02～2.58Ga),表明这些岩石主要来自古老下地壳物质的部分熔融。海房沟组火山岩形成于由板内伸展向陆内造山转换的阶段,与蒙古鄂霍茨克洋闭合对燕山造山带的远程效应有关。早中侏罗世时华北北缘富集岩石圈地幔部分熔融产生的玄武质岩浆,持续底侵至下地壳底部形成热区(壳幔过渡带),并诱发上覆古老下地壳部分熔融,这些壳源熔体在源区混合了少量幔源岩浆并经镁铁质矿物分离结晶,喷出地表形成了海房沟组高Sr/Y火山岩。蓝旗组火山岩主要由玄武岩、粗安岩、安山岩、粗面岩、英安岩、流纹岩和相应的火山碎屑岩组成。辽西北票常河营子蓝旗组上部安山质角砾熔岩的锆石LA-ICPMS U-Pb年龄分析结果表明,其结晶年龄为159.4±3.4Ma,属晚侏罗世。系统总结前人对蓝旗组/髫髻山组火山岩的同位素定年结果,并结合上下地层接触关系,认为蓝旗期火山作用时间的下限为166～168Ma,上限为152-154Ma。根据蓝旗组火山岩的岩性和地球化学组成,本文将其分为4个亚类：G1,以相对低Si02(<56wt.%)、LREE(La<35ppm)和较低的轻重稀土分异程度(LaN/YbN<14)为特征的玄武岩-玄武质粗安岩,是富集岩石圈地幔部分熔融产生的岩浆,在下地壳底部经橄榄石、单斜辉石和铁钛氧化物的分离结晶,并混染下地壳岩石形成的；G2,以中等的Si02(55.9-58.0wt.%),高ΣREE (273-308ppm)和低LaN/YbN为特征的安山岩-粗安岩,是玄武质岩浆底侵诱发下地壳中性麻粒岩部分熔融的产物；G3,以显著的轻重稀土分异(LaN/YbN=18-27)和高Sr/Y(>50)为特征的粗安岩-粗面岩-英安岩-流纹岩,是幔源岩浆底侵导致古老基性下地壳部分熔融的产物,并存在与幔源岩浆的物质交换;G4,以高SiO2(>65wt.%)和ΣREE (171～280ppm)、低Sr/Y和显著负Eu异常(δEu=0.60--0.79)为特征的粗面岩-英安转-流纹岩,是下地壳长英质麻粒岩或片麻岩部分熔融产生的熔体经角闪石、斜长石分离结晶而成。蓝旗组火山岩形成于侏罗纪古太平洋板块向亚洲大陆快速、斜向俯冲形成的活动大陆边缘环境,是幔源岩浆底侵过程,强烈的壳幔相互作用引起不同源区物质熔融并相互作用的产物。对辽西及其邻区中生代火山-沉积地层的同位素年代学数据、构造沉积记录和地层对比资料进行了系统的总结,初步修订了研究区三叠纪-侏罗纪火山-沉积地层年代学格架。凌源水泉沟组、北票兴隆沟组和京西-冀北南大岭组火山岩分别形成于-220Ma、208-202Ma和-174Ma,不能作为相互对比的火山岩地层。京西-冀北杏石口组、辽西凌源-建昌邓杖子组和辽西北票羊草沟组形成于晚三叠世-早侏罗世。京西窑坡组-龙门组-九龙山组、冀北下花园组、辽西凌源郭家店组、辽西北票海房沟组主体是在中侏罗世形成的。蓝旗组/髫髻山组火山岩形成于166-153Ma,其上的土城子组/后城组沉积岩形成于153-137Ma,张家口组火山岩形成于135-126Ma,义县组火山岩形成于132-120Ma。燕山造山带中生代火山岩的成因研究表明,在华北克拉通岩石圈地幔中生代减薄破坏过程中,幔源岩浆的底侵引起了华北北缘多期(-220Ma、160-152Ma、130-80Ma)、连续的下地壳增生-再造事件。辽西三叠纪-侏罗纪高Sr/Y火山岩可能是正常厚度/略厚的古老下地壳部分熔融的产物,与榴辉岩部分熔融没有直接联系,其高Sr/Y是继承源区(华北古老下地壳)的特征,高Mg#、Cr、Ni来自幔源岩浆的贡献。因而,华北东部中生代高Sr/Y埃达克质火成岩可能不足以作为支持克拉通破坏拆沉作用模型的主要证据。软流圈地幔组分参与了华北北缘晚三叠世岩浆岩的形成过程,表明华北北缘岩石圈地幔破坏可能在晚三叠世已经开始,古生代-早中生代古亚洲洋闭合及后续碰撞改造了华北北缘岩石圈属性,对克拉通破坏起到了唤醒作用。蒙古-鄂霍次克洋自西向东的逐渐闭合和华北-蒙古联合板块与西伯利亚板块的碰撞为华北北缘中侏罗世构造变形提供了动力,引起燕山造山带南北向挤压和地壳缩短,但未引发华北北缘岩石圈属性的改变。晚侏罗世初期(166-153Ma)古太平洋板块向亚洲大陆快速、斜向俯冲改变了燕山造山带构造格局,诱发了进一步的克拉通破坏作用,同时导致郯庐断裂在中晚侏罗世时发生大规模的左行走滑运动,为软流圈地幔物质上涌并侵蚀岩石圈地幔提供了通道。早白垩世,太平洋板片由低角度斜向俯冲转变为高角度正交俯冲/回撤,引起了大规模软流圈上涌、强烈的壳幔相互作用和伸展构造,克拉通破坏达到峰期。因此,华北北缘克拉通破坏是古生代开始的多板块俯冲-碰撞和软流圈地幔沿深大断裂上涌并侵蚀岩石圈地幔的结果。

全文目录

作者简介  7-9
摘要  9-12
ABSTRACT  12-17
第一章前言  17-23
  §1.1 论文选题  17-18
  §1.2 国内外研究现状  18-21
    1.2.1 大陆下地壳演化研究  18-19
    1.2.2 克拉通破坏与中生代岩浆作用研究  19-20
    1.2.3 关键科学问题  20-21
  §1.3 研究内容和路线  21-23
第二章区域地质背景  23-26
第三章分析测试方法  26-31
  §3.1 XRF主元素含量分析方法研究  26-28
    3.1.1 试验部分  26-28
    3.1.2 方法精密度与准确度  28
  §3.2 其他分析测试手段  28-31
第四章辽西水泉沟组火山岩的形成时代和岩石成因  31-49
  §4.1 水泉沟组火山岩的岩石学特征  32-35
  §4.2 水泉沟组火山岩的形成时代  35-41
  §4.3 水泉沟组火山岩的岩石成因及源区  41-47
    4.3.1 水泉沟组火山岩的地球化学特征  41-43
    4.3.2 水泉沟组火山岩的岩石成因及源区特征  43-47
  §4.4 本章小结  47-49
第五章辽西中侏罗世海房沟组火山岩的形成时代和岩石成因  49-67
  §5.1 海房沟组火山岩的岩石学特征  50-52
  §5.2 海房沟组火山岩的形成时代  52-58
  §5.3 海房沟组火山岩的岩石成因及源区  58-65
    5.3.1 海房沟组火山岩的地球化学特征  58-60
    5.3.2 海房沟组火山岩的岩石成因及源区特征  60-65
  §5.4 本章小结  65-67
第六章辽西晚侏罗世蓝旗组火山岩的形成时代和岩石成因  67-91
  §6.1 蓝旗组火山岩的岩石学特征  67-71
  §6.2 蓝旗组火山岩的形成时代  71-78
  §6.3 蓝旗组火山岩的岩石成因及源区  78-90
    6.3.1 蓝旗组火山岩的地球化学特征  78-86
    6.3.2 蓝旗组火山岩的岩石成因及源区特征  86-90
  §6.4 本章小结  90-91
第七章辽西中生代火山岩对华北北缘克拉通破坏和下地壳再造的制约  91-101
  §7.1 辽西中生代火山岩的构造背景分析  91-98
    7.1.1 辽西火山岩年代学格架  91-94
    7.1.2 辽西三叠纪-侏罗纪火山岩喷发的构造背景  94-98
  §7.2 华北北缘中生代克拉通破坏和下地壳再造  98-101
    7.2.1 华北北缘中生代下地壳增生-再造  98-99
    7.2.2 埃达克岩与克拉通破坏机制  99
    7.2.3 华北北缘克拉通破坏的动力学背景  99-101
第八章主要认识  101-103
  §8.1 主要认识  101-102
  §8.2 主要创新点  102
  §8.3 进一步研究方向  102-103
致谢  103-104
参考文献  104-124

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