中国西天山南部晚古生代花岗岩的成因及地质意义
文献类型：学位论文
| 作者 | 包子鹤 |
| 答辩日期 | 2019-06-30 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 蔡克大 |
| 关键词 | 花岗岩 晚古生代 中亚造山带 伊犁地块 南天山洋 起始俯冲 后碰撞 Granitoids Late Paleozoic CAOB Yili Block South Tianshan Ocean subduction initiation post-collision |
| 学位专业 | 工学博士 |
| 其他题名 | Petrogenesis and tectonic implication of the late Paleozoic granitic rocks in the southern part of the Chinese Western Tianshan |
| 英文摘要 | 花岗质岩石广泛分布于地球上，是大陆地壳的重要组成部分。花岗岩是特定地质背景的产物，记录了大陆地壳演化的丰富信息， 被用来探讨成矿过程、地球的深部物质组成、大地构造背景以及地球动力学机制。中亚造山带是显生宙以来全球陆壳增生与改造最显著的大陆造山带，可分为南蒙古拼贴系统、塔里木-华北拼贴系统以及哈萨克斯坦拼贴系统。哈萨克斯坦拼贴系统由多个岛弧、微陆块拼贴形成，这些构造单元在早古生代拼合形成一个狭长的复合大陆，并最终在晚古生代弯曲成现今的哈萨克斯坦山弯构造。中国西天山南部构造带位于哈萨克斯坦山弯构造南翼的外侧，该地区出露有大量的晚古生代花岗质岩石，其形成与南天山洋的俯冲消减及后续的碰撞和后碰撞演化有着密切关联， 记录了南天山洋盆的演化历史。然而，这些花岗岩的成因一直存有争议，有关南天山洋壳俯冲的起始时间与俯冲极性、南天山洋盆的闭合时限以及南天山洋是否存在等众多科学问题也尚需进一步讨论。基于此，本论文选择位于中国西天山南部构造带四个大型复式花岗岩体——昭苏岩体、夏特岩体、科克苏岩体和卡特巴阿苏岩体作为研究对象， 在详细野外地质考察工作的基础上， 进行了岩相学、全岩地球化学、同位素年代学和同位素地球化学的研究，综合区域上的研究资料，探讨了研究区内花岗岩的成因、时空分布和演化历史，以讨论其形成的构造环境，并进一步探讨南天山洋盆晚古生代的构造演化历史以及与哈萨克斯坦山弯构造的联系。本文初步得到认识如下：（1） 对四个岩体进行 LA-CP-MS 锆石 U-Pb 定年，得出四期年龄范围，分别为：泥盆世末期-早石炭世（365~350 Ma）、晚石炭世（313 Ma）、早二叠世（293Ma）和晚二叠世（268~265 Ma），这分别代表了四期重要的构造-热事件。（2）昭苏岩体中，花岗岩样品的铝指数 A/CNK < 1.1，普通刚玉含量 < 1.2%，A/NK > 1.0，同时，它们的 P2O5 含量随 SiO2含量的增大而减少，而 Pb 含量则随SiO2 含量的增大而增加，指示其均为 I 型花岗岩。其中，钾长花岗岩的分异指数极高（DI > 92%），且具有较低的锆石饱和温度（713~727℃）、较低的 Zr 含量（75.39~91.42 ppm）与较低的 Zr/Hf（22.57~27.22）和 Nb/Ta 比值（4.1~8.33）指示其为高分异 I 型花岗岩，而二长花岗岩（DI = 73~79%， TZr = 760~782℃，Zr = 136.70~178.66 ppm， Zr/Hf = 34.87~39.30， Nb/Ta = 9.77~14.54）则为未分异I 型花岗岩。较为一致的 Nd 同位素组成（εNd(t) =-3.5~-1.8）指示二者来自于同一岩浆房。二长花岗岩的 Cr、Co、Ni 含量（Cr = 6.59~12.17 ppm， Co = 6.89~8.77ppm，Ni = 5.3~8.01 ppm）与大陆地壳元素含量相似， Mg#值 < 47，在源区判别图解中落在变质英云闪长岩源区，表明其源区可能来自于中下大陆地壳。然而与该地区前寒武纪变质基底（(87Sr/86Sr)i = 0.7128, εNd(t) = -5.2）相比，二长花岗岩样品具有明显更高的 εNd(t)值（-3.5 ~ -3.0），因此在母岩浆形成过程中需要有较高 εNd(t)值的端元加入，而亏损地幔源区玄武质岩浆混合/底侵模型可以满足这一要求。将该地区同时代的玄武岩（(87Sr/86Sr)i =0.705, εNd(t) =5.8） 作为参与岩浆混合模型的另一个端元，通过计算可知在成岩过程中约有 20 - 40%的幔源物质加入。（3） 科克苏岩体中，与其他样品（Eu/Eu* = 0.34~0.73）相比，钾长花岗岩具有更强烈的负 Eu 异常（Eu/Eu* = 0.11~0.14）。加之它们具有更高的 FeO*/MgO值（8.67~13.35）与更低的 Zr/Hf 值（22.08~25.78），综合推断钾长花岗岩为高分异 I 型花岗岩，而二长花岗岩、花岗斑岩和黑云二长花岗岩均为低分异的 I 型花岗岩。 晚泥盆世-早石炭世二长花岗岩与花岗斑岩的 Mg#值较大（40.80 ~ 53.40），指示熔体起源于地壳物质部分熔融且有地幔组分的加入；而二叠纪黑云二长花岗岩的 Mg#值偏小，（35.77~36.37），指示样品的母岩浆可能主要来源于玄武质下地壳物质的部分熔融。晚泥盆世-早石炭世样品中，与花岗斑岩（εHf(t) = -6.25~5.29，TCDM = 1.03~1.76Ga）相比，二长花岗岩具有较高的 εHf(t)值（3.42~9.31）与较年轻的 Hf 同位素两阶段模式年龄（TCDM = 0.78 ~ 1.15Ga）；同时二长花岗岩也具有较高的 εNd(t)值（3.1）与较年轻的 Nd 同位素模式年龄（TDM = 782Ma）（花岗斑岩 εNd(t) = 1~3.4， TDM = 768 ~ 1340 Ma）。 二叠纪黑云二长花岗岩的 εHf(t)值（-10.05~2.71）与 εNd(t)值（-4.2）比较负， Hf 同位素两阶段模式年龄（TCDM = 1.12~ 1.93 Ga）和亏损地幔 Nd 模式年龄（1470 Ma）都比较古老。两组不同时代的花岗岩的 Nd-Hf 同位素可能指示了样品源区的物质混合比例的差异，因此，我们使用 Sr-Nd 同位素两端元混合模型来计算各端元的混合比例，两个端元分别为大哈拉军山组玄武岩和伊犁地块新元古代结晶基底岩石。模拟计算结果指示，晚泥盆世-早石炭世花岗岩的源区主要为年轻的玄武质下地壳（75~85%），而二叠纪黑云二长花岗岩的母岩浆则更多来自于伊犁地块古老的陆壳基底岩石的部分熔融（~75%）。（4） 中天山卡特巴阿苏钾长花岗岩的地球化学特征符合 I 型花岗岩的特点。夏特花岗闪长岩颜色较浅，结晶较细，其野外特征与 A 型花岗岩相符。而在 CIPW标准矿物计算结果中，刚玉的出现则反映了样品具有准铝质到弱过铝质的性质，其微量元素特征为具有较高的 Zr（211~322 ppm）含量与 Nb（27.7 ~ 30.3 ppm）含量，以及较高的 Ga/Al 比值（10000Ga/Al = 2.3~2.4），指示其为铝质 A 型花岗岩。卡特巴阿苏钾长花岗岩的 Mg#值（41.53~43.36）较低， εNd(t)值（1.5~3.2）与 εHf(t)值（0.8~5.9）均为正值，且具有较年轻的 Nd 模式年龄（740 ~ 898 Ma）和 Hf 同位素两阶段模式年龄（0.97 ~ 1.28 Ga），指示其母岩浆主要来自于年轻的玄武质下地壳的部分熔融，并有少量古老地壳物质的加入。 夏特花岗闪长岩比较负的 εNd(t)值（-4.3 ~ -4.9）和 εHf(t)值（-5.9 ~ -2.1）以及相对古老的 Nd 模式年龄（1.31 ~ 1.32 Ga）和 Hf 同位素两阶段模式年龄（1.45 ~ 1.69 Ga）指示其母岩浆主要来自于元古代古老的大陆地壳的部分熔融。样品的 Mg#值（42.09~47.58）较高，则指示其熔体可能有地幔组分的加入，幔源岩浆为其形成提供了热源和物源。（5） 伊犁地块南缘的双变质带的空间展布特征指示了南天山洋在石炭纪存在向北的俯冲。科克苏岩体伊犁地块南缘部分处于伊犁-中天山地块南部岩浆岩带，样品的稀土配分模式与微量元素组成均与该地区同时代的岛弧型玄武岩高度一致。在花岗岩构造判别图解中，样品投于火山弧花岗岩区域。我们推断伊犁-中天山南缘在石炭纪为火山岛弧的构造环境。而乌孙山岩体与伴生的火山岩共同构成乌孙山岩浆带，考虑到现今挤压缩短后距伊犁-中天山南缘岩浆带的距离约100km，这种两条独立的岩浆带的分布格局符合环太平洋造山带弧-弧后系统的岩浆带分布格局。因此推断，伊犁-中天山地块南缘可能在南天山洋的俯冲作用下构成一个晚泥盆世火山弧；而乌孙山岩浆带则是在与之相对应的弧后部位中形成的，此构造格局类似现今北美的科迪勒拉弧后地区。将伊犁地块南缘与中天山地块火成岩的锆石 U-Pb 年龄进行统计，结果显示了该地区存在着 500-400 Ma 与 365-320 Ma 的两个呈幕式爆发的岩浆活动事件。人们普遍认为俯冲过程的开始，标志着被动大陆边缘向汇聚型板块边界的转变，伴随着大洋板片后撤，将会导致俯冲洋壳板片的脱水和上覆的大陆板块的伸展，从而引起交代地幔楔部分熔融形成弧岩浆活动；还会在弧后地区引发地幔减压熔融上涌，并与高地温梯度下造成的地壳部分熔融一起形成弧后岩浆活动。而在~365 Ma 所形成的“爆发式”的岩浆活动，则可能是与南天山洋向北开始俯冲相响应的构造-岩浆事件。在整个弧-弧后地区，样品的 εNd(t)值随年龄的年轻而逐渐增高，说明地壳物质的参与减少，幔源物质的参与增多，指示了一个地壳逐渐拉张减薄的构造环境。（6） 南天山高压-超高压变质的峰期年龄主要集中于 321~305 Ma，指示南天山洋进入了俯冲消亡的晚期，而卡特巴阿苏钾长花岗岩（313 Ma）具有富钾、LREE 富集、 HFSE 负异常的岛弧岩浆的地球化学特征，稀土配分模式与微量元素组成也与新源地区石炭纪岛弧形玄武岩高度一致，结合该地区同时代的岩浆岩性质，推断南天山洋的北向俯冲在晚石炭世（~313 Ma）依然存在。（7） 夏特花岗闪长岩在地球化学特征上兼有 A 型花岗岩和板内花岗岩的一些特征，符合后碰撞花岗岩的特点。而南天山分布的二叠纪低压变质岩和后碰撞花岗岩（298~260 Ma）也指示西天山南部构造带在~300 Ma 发生了一次由聚敛型向拉张型的构造转换，进入了后碰撞演化阶段。样品中的继承锆石年龄为 293Ma，推断在后碰撞阶段早期（~298 Ma），俯冲洋壳板片发生断离，引起软流圈地幔上涌，使上覆板片发生部分熔融，从而在该地区形成了低压-高温变质岩与后碰撞花岗岩。而夏特花岗闪长岩（268 Ma）与科克苏黑云二长花岗岩的年龄（265Ma）则指示后碰撞演化阶段可能持续至晚二叠世（~263 Ma）。 |
| 学科主题 | 地球探测与信息技术 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.xjlas.org/handle/365004/15309]  |
| 专题 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 新疆生态与地理研究所_研究系统 |
| 作者单位 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 包子鹤. 中国西天山南部晚古生代花岗岩的成因及地质意义[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆生态与地理研究所
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