中国东部苏北—合肥新生代大陆玄武岩地球化学研究

论文摘要

中国东部广泛出露新生代大陆玄武岩,近三十年来国内外学者对其开展了大量的地质地球化学研究。根据放射成因同位素组成,这些研究识别出不同的地幔源区组分（包括富集和亏损地幔组分）,但就其产生的化学地球动力学过程来说,目前仍然存在严重分歧。主流观点包括:软流圈地幔或软流圈地幔与岩石圈地幔相互作用,地幔与拆沉/俯冲大陆基性下地壳（榴辉岩）熔体/残留体相互作用,俯冲洋壳来源熔体与岩石圈地幔相互作用。为了进一步确定中国东部新生代大陆玄武岩的成因机制,本文选取郯庐断裂带中段江苏北部和安徽东部地区的新生代玄武岩作为研究对象,对其进行了全岩Ar-Ar定年、全岩主量和微量元素、放射成因同位素（Sr-Nd-Hf-Pb）、全岩和单矿物O同位素、微量碳酸盐C-O同位素以及斑晶矿物成分分析。在这些地球化学数据的解释时,强调了主量-微量元素制约与稳定-放射成因同位素制约想结合的方法。结果表明,俯冲脱水后的洋壳部分熔融生成的埃达克质熔体与新生大陆岩石圈地幔相互作用产生辉石岩,辉石岩与地幔橄榄岩的混合源区部分熔融形成了这一地区的新生代玄武岩。合肥盆地小蜀山和鸡鸣山玄武岩全岩Ar-Ar坪年龄为37.8±0.4-38.3±0.3 Ma。苏北-合肥新生代玄武岩SiO2含量为41.61-48.57 wt.%,Al2O3含量为11.86-15.55 wt.%,Fe2O3t含量为11.78-15.45 wt.%,CaO含量为7.56-10.63 wt.%,全碱含量（Na2O+K2O）为4.05-10.10 wt.%,Mg#为52.9-68.7,Fe/Mn比值为60.9-74.2。这些玄武岩均为碱性玄武岩,出现标准矿物霞石（Ne）。在稀土配分模式和微量元素蛛网图上都显示出与OIB相似的特征:LREE富集,HREE亏损（[La/Yb]N为11-39）,Nb和Ta正异常,Rb和Pb负异常。总体上,不相容微量元素含量随碱性程度的增强而增加,轻重稀土分异也随之增加。苏北-合肥新生代玄武岩具有相对亏损的放射成因同位素（Sr-Nd-Hf）组成,但变化范围较大。全岩Sr87/Sr86初始比值为0.7033-0.7042;εNd（t）值为1.8-7.3,单阶段Nd模式年龄为237-874 Ma;εHf（t）值为6.7-13.1,单阶段Hf模式年龄为177-545 Ma。Pb206/Pb204比值为17.414-18.815 , Pb207/Pb204比值为15.355-15.473 , Pb208/Pb204比值为37.365-38.041。苏北-合肥新生代玄武岩中橄榄石斑晶的δO18值为4.9-5.9‰,与正常地幔来源橄榄石δO18值（5.2±0.2‰）基本一致。单斜辉石斑晶δO18值为4.1-6.2‰,绝大多数低于正常地幔值5.6±0.2‰。斜长石斑晶δO18值主要为4.4-7.1‰,少数样品δO18值明显偏高（9.6-15.9‰）。这些新生代玄武岩均含有微量碳酸盐,大部分样品的碳酸盐含量低于0.3 wt.%,个别样品大于0.5 wt.%。微量碳酸盐的δC13值-15.6 - -4.7‰,δO18值为14.2-21.3‰。微量碳酸盐低的δC13值和高的δO18值以及部分斜长石斑晶异常高的δO18值表明,在岩浆上升过程中发生了不同程度的CO2去气作用,使得幔源碳酸盐含量下降,并伴随δC13值降低;成岩后经历了不同程度的低温热液蚀变作用,使得碳酸盐和部分斜长石斑晶δO18值升高。全岩δO18值为4.1-6.0‰,类似或略低于新鲜大洋中脊玄武岩的δO18值分布范围,表明后期低温热液蚀变对全岩δO18值的影响较小。苏北-合肥新生代玄武岩具有OIB型微量元素分布特征。高度不相容元素Nb/U比值为18.9-50.1,ΔNb值为0.11-0.41,与MORB明显不同,指示软流圈地幔不可能是这些玄武岩的直接源区。相对较低的Mg#、较高的Fe/Mn比值以及橄榄石斑晶高的Ni含量表明,其源区含有辉石岩组分。相对亏损但变化的放射成因同位素组成表明,它们来源于不同组分的混合源区（亏损地幔组分和富集组分）。新生大陆岩石圈地幔（SCLM）可以产生同位素组成上与软流圈地幔来源相近的玄武质熔体。斑晶矿物低的δO18值表明,其源区亏损O18。经历过高温海水热液蚀变的洋壳具有低的δO18值,因此可能对新生代玄武岩的形成有所贡献。综上所述,本文提出一个苏北-合肥新生代玄武岩的成因模型。中生代太平洋板块以低角度俯冲到欧亚大陆之下,低角度俯冲使下部古老SCLM拆沉进入软流圈,从而将俯冲洋壳上部的地幔楔转变成新生SCLM。脱水榴辉岩质洋壳发生部分熔融生成埃达克质熔体,埃达克质熔体上升并与上覆新生SCLM橄榄岩发生反应形成辉石岩,从而形成辉石岩-橄榄岩混合源区。新生代大陆岩石圈拉张引起该这些新生SCLM辉石岩发生部分熔融,从而形成这些OIB型新生代大陆玄武岩。因此,俯冲洋壳衍生熔体与地幔楔橄榄岩之间的相互作用可能是形成大陆玄武岩地幔源区的关键。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 导论
• 1.1 玄武岩
• 1.2 大洋玄武岩和地幔不均一性
• 1.3 大陆玄武岩
• 1.4 中国东部新生代玄武岩
• 1.5 研究内容和意义
• 1.6 工作量小结
• 第二章 区域地质概况及样品
• 2.1 中国东部新生代玄武岩分布
• 2.2 中国东部地质情况简介
• 2.3 苏北-合肥地区区域地质
• 2.3.1 安徽地区
• 2.3.2 江苏地区
• 2.4 样品产状和镜下特点
• 第三章 实验分析方法
• 3.1 全岩主量和微量元素分析
• 3.2 矿物电子探针分析
• 3.3 Ar-Ar 定年
• 3.4 全岩放射成因同位素Sr-Nd-Pb-Hf 分析
• 3.5 单矿物和全岩氧同位素分析
• 3.6 微量碳酸盐C-O 同位素分析
• 第四章 苏北-合肥玄武岩中的微量碳酸盐
• 4.1 硅酸盐岩中的碳酸盐研究
• 4.2 苏北-合肥玄武岩中的微量碳酸盐
• 4.2.1 微量碳酸盐和斜长石斑晶氧同位素
• 13 值与去气作用'>4.2.2 微量碳酸盐δC¹³值与去气作用
• 第五章 苏北-合肥玄武岩成因研究
• 5.1 火山岩年代学
• 5.1.1 前人获得的年代学数据
• 40-Ar³⁹ 定年'>5.1.2 全岩Ar⁴⁰-Ar³⁹定年
• 5.2 苏北-合肥新生代玄武岩的地球化学特征
• 5.2.1 主微量元素
• 5.2.2 放射成因同位素
• 5.2.3 O 同位素
• 5.3 岩浆期后影响
• 5.3.1 后期热液蚀变
• 5.3.2 地壳混染
• 5.3.3 分离结晶
• 5.4 岩浆源区及部分熔融
• 5.4.1 部分熔融
• 5.4.2 地幔源区性质
• 5.4.2.1 特征副矿物
• 5.4.2.2 辉石岩
• 5.4.2.3 橄榄岩
• 5.5 源区混合
• 5.5.1 俯冲洋壳
• 5.5.2 新生大陆岩石圈地幔
• 5.6 成因讨论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 博士研究生期间发表论文目录