中国科学技术大学博士学位论文皖南新元古代岩浆岩同位素年代学和地球化学研究I s o t o p eG e O c h r O n o I O g ya n dG e o c h e m i s t r yo fN e O p r O t e r O z O i cm a g m a t i cr o c k sf r O mS o u t hA n h u ii nS o u t hC h i n a研究生：昱苤堑导师：塑丞飞数援础杪专业：丝瑾他堂研究方向：他堂地遂动力堂所在院系：丝蔓麴窒闷型堂堂医2 0 0 5 年9 月中国科学技术大学博士学位论文摘要皖南地区位于江南造山带东端，扬子板块东南缘。对该地区新元古代岩浆岩的研究不仅对于认识新元古代华南陆块的大地构造演化具有重要意义，而且对于再造新元古代R o d i n i a 超大陆聚合与裂解、地幔柱与裂谷岩浆活动都有重要意义。前人对该地区新元古代岩浆岩作了大量的研究工作，但仍有许多问题与争议。本文主要研究对象为皖南新元古代花岗闪长岩( 包括休宁、许村和歙县岩体) 、石耳山新元古代花岗岩和伏川基性超基性岩。通过对各岩浆岩样品进行锆石微区u P b 定年、全岩主微量元素分析和S r - N d同位素分析以及矿物氧同位素分析，来探讨皖南新元古代岩浆岩形成与演化的化学地球动力学过程。L A I C P M S 锆石u P b 定年结果表明，皖南花岗闪长岩中存在两个时代的岩浆锆石。对应的U P b 年龄分别为8 2 1 士7M a 和8 8 1 土9M a ，其中较老年龄的分析点多在锆石核部。这些岩石以富A 1 2 0 3 为特点，为典型的过铝花岗岩；其全岩6 O 值高达1 1 I 1 3 6 o ，显示了突出的壳源s 型花岗岩的特点。但是，这些岩石的N d ( t ) 值为一2 0 6 0 0 2 ，初始8 7 S r 8 6 S r比值为O 7 0 3 3 0 7 0 8 7 ，指示其岩浆源区含有显著的初生地壳组分，类似于l 型花岗岩的特点。石英、锆石、石榴石等氧同位素封闭温度高的矿物保存了岩浆结晶时的6 1 8 0 值，而钾长石、斜长石等矿物在岩浆冷却中经受不同程度地中低温热液蚀变。根据这些岩石的同位素年代学和地球化学特征，我们将U P b 年龄8 8 1 士9M a 左右的锆石解释为继承来源，而年龄8 2 1 + 7 M a 的锆石解释为同岩浆成因。因此在约9 0 0 - - 8 8 0 M a ，在扬子板块东南缘的皖南地区出现过大规模的幔源岩浆活动。这些新生岩浆岩很快遭受风化沉积作用后，形成低成熟度的沉积岩。大约8 2 5M a 热事件( 地幔超柱活动? ) 使岩石圈地幔及其上覆地壳加热，导致拉伸如厚地壳内部的富水沉积岩重熔形成典型S 型花岗岩。在花岗岩浆冷却过程中，出现的是中低温热液蚀变而不是高温超固相热液蚀变，指示皖南花岗闪长岩体形成于大陆边缘前裂谷期而不是裂谷活动高峰期。前裂谷期阶段软流圈地幔物质上涌提供了充分的热源引起地壳加厚部位岩石部分熔融，因此由这种年青沉积物重熔所形成的花岗闪长岩兼具S 型花岗岩和初生地壳的岩石学和地球化学特点，从而见证了初生地壳的短周期再循环。L A I C P M S 和S H R I M P 锆石u P b 定年表明，石耳山花岗岩中存在两个时代的岩浆一! 里型兰垫查盔兰堡主兰竺望壅锆石，对应的U P b 年龄分别为7 7 7 士9M a 和8 2 7 士1 5M a 。总体上石耳山花岗岩的特征为高S 1 0 2 ( 7 4 7 7 8 5 ) 、高K 2 0 含量( 3 9 9 - 5 6 4 ) 和高K 2 0 N a 2 0 比值( 1 5 3 o ) ，以及很低的基性组分E T i 0 2 + F e O + M g O 含量( 1 2 3 O ) ，显示为高度演化的她壳物质。样品具有L R E E 富集的右倾模式和强烈的E u 负“ 常( E u E u * = 0 2 0 4 ) 。全岩N d ( t ) 值为O 5 3 + O 7 2 ，指示其岩浆源区含有显著的亏损地幔组分。样品的锆石6 1 8 0 值为2 4 7 1 9 6 0 ，石英值为1 8 8 - 9 2 7 0 ，指示石耳山花岗岩为低6 1 8 0 值岩浆岩；较大8 1 8 0 值变化范围，说明其成因与高温超固相热液蚀变作用有关。其余矿物与锆石相比，大多数表现出很大的6 ”0 值变化范围，表明经历了不同程度的高温热液蚀变。根据这些岩石的同位素年代学和地球化学特征，我们将U P b 年龄8 2 7 士1 5M a 的锆石解释为继承来源，而将年龄7 7 7 d ：9M a 的锆石解释为同岩浆成因。约8 2 5M a 热事件( 地幔超桩活动? ) 使岩石圈地幔及其上覆地壳加热，导致拉伸加厚地壳内部的初生地壳重熔形成岩浆岩。随着裂谷的快速打开，约7 8 0M a 幔源岩浆沿裂谷带上涌，同期喷发了大量的火山岩，而裂谷带内约8 2 7 士1 5M a 的岩浆岩重熔形成了石耳山花岗岩。岩浆带来的热启动了中上地壳裂谷带高温热液蚀变，石耳山花岗岩也经受了不同程度的高温水岩交换，形成不同低6 墙O 值的花岗岩。较老的继承锆石大多被熔融，大量形成的为约7 7 7M a 结晶的岩浆锆石。形成石耳山花岗岩的初生地壳至少经历了二阶段部分熔融成岩过程，因而具有高硅、高钾和低基性组分等高度演化的地壳物质特征。L A I C P M S 和S H R I M P 锆石u P b 定年表明，皖南伏川辉长岩中存在三个时代的岩浆锆石，对应的u P b 年龄分别为8 9 1 士1 3M a 、8 2 6 土4M a 和7 6 4 士1 0M a 。橄榄岩、辉长岩和细碧岩样品均具有低含量的T i 0 2 ( + 8 ) 所涉及的源岩物质曾处于地表或近于地表，为沉积岩或风化蚀变的岩石；来自幔源物质的岩浆6 ”0 通常在5 7 + 1 O o 左右；而在拉张构造带和大规模裂谷带地区，由高温蚀变岩石熔融形成的岩浆通常为低6 1 8 0 岩浆( 6 1 8 0 9 8 。3 2 锆石内部结构分析锆石内部结构可通过电予探针下阴极发光( c L ) 图像及背散射( B s E ) 图像进行观察。阴极发光的发生是由于物质中有杂质元素的存在或晶体结构中如位错、空位和偏离化学计量比、结晶体中的无序、晶格破坏( 如a 衰变) 等缺陷的存在。锆石矿物中常含有多种杂质元素和其它一些结构缺陷，通常具有较好的阴极发光。锆石C L 和，或B S E 图像可以揭示出透射光和反射光无法观察到的内部结构，而这些内部结构又与不同的锆石生长事件相关。结合离子探针原位定年分析，可以有助于解释复杂岩体的形成历史。通常，C L和B S E 图像揭示出类似的结构，只是C L 图像更为精细：且C L 与B S E 常呈反相关，C L 明亮，则B S E 暗，反之亦然( H a n c h a re ta l ，1 9 9 3 ，1 9 9 5 ；R u b a t t oa n dG e b a u c r , 2 0 0 0 ；K e m p ee ta l ，2 0 0 0 ；周剑雄等，2 0 0 2 ) 。对于本课题研究，在中国地质科学院矿产资源研究所J X A - 8 8 0 0 R 电子探针上，采用C L 图像技术来揭示锆石内部结构。3 3 锆石u P b 定年锆石U - P b 同位素体系是地质年代学中最重要的计时体系之一。常用方法有：常规2 0中国科学技术大学博士学位论文的热电离质谱法( T I M S ) ，高分辨率高灵敏度离子探针质谱法( S H 心M P ) ，激光探针等离子体质谱法( L A I C P M S ) 等( C o m p s t o ne ta l ，1 9 9 2 ；闰欣等，1 9 9 8 ；刘海臣等，1 9 9 8 ；粱细荣等，1 9 9 9 ；宋彪等，2 0 0 2 ；Y u a ne ta l ，2 0 0 3 ) 。本文研究采用L A I C P M S 法及S H R I M P 法进行锆石u P b 定年。L A I C P M S 激光等离子质谱法锆石U P b 分析在西北大学地质系教育部大陆动力学重点实验室进行。激光剥蚀系统为D e o L a s 2 0 0 M ，激光器为C o m P e x l 0 2 A r f 准分子激光器( 波长为1 9 3 n m ) ，I C P - M S 为E l a n 6 1 0 0D R C 型。详细的分析方法参见文献Y u a ne ta 1 ( 2 0 0 3 ) 。在双目镜下挑选出晶形完好、具有代表性的锆石颗粒粘贴在环氧树脂表面，然后抛光进行阴极发光扫描电镜图像分析( C L ) ，以检查锆石的内部结构，从而帮助选定最佳待测锆石部位和进行数据解释。测定时用9 1 5 0 0 标准锆石作外标，其2 0 6 P b 尸8 U 年龄为1 0 6 5 。4 + o 。6M a ( W i e d e n b e c ke ta 1 ，1 9 9 5 ) ，每隔4 5 个样品分析点测一次标准，用来校正锆石u P b 定年过程中的质量歧视和同位素分馏效应。在2 0 次锆石的分析前后各测2次N I S T 6 1 0 玻璃作为参考标准，咀2 9 s i 作为内标，用来标定锆石的U 、1 1 1 及P b 的含量。2 0 7 P b 2 0 6 P b 、2 0 6 P b 2 3 8 U 和2 0 8 P b 2 3 2 T h 比值采用G l i t t e r 4 0 软件包进行处理，并用L u d w i g ( 2 0 0 1 ) I S O P L O T 程序计算年龄。普通P b 校正采用A n d e r s o n ( 2 0 0 2 ) E X C E L 程序( C o m P b C o r r # _ 1 5 1 ) 。S H R I M P 锆石u P b 定年在中国地质科学院北京离子探针中心S H R I M PI I 仪器上进行，详细分析方法参见C o m p s t o ne ta l ( 1 9 9 2 ) 和宋彪等( 2 0 0 2 ) 。在双目镜下挑选出晶形完好、具有代表性的锆石颗粒与工作标准锆石T E M ( 4 1 7M a ) 一起粘贴在环氧树脂表面，然后抛光镀金，对待测锆石进行透射光和反射光显微照相，并进行阴极发光扫描电镜图像分析( c L ) ，以检查锆石的内部结构，从而帮助选定最佳待测锆石部位和进行数据解释。定年开始前采用S r iL a n k a 伟晶岩中锆石S L l 3 ( 5 7 2M a ) 进行工作标准校定。在样品分析过程中，采用参考标准锆石T E M ( 4 1 7 M a ) 进行年龄校正。每个数据点测定由5 次扫描构成，仪器测定的质量峰为1 9 6 ( Z r 2 0 ) + 、2 0 4 P b + 、背景值、2 0 6 P b + 、2 0 7 P b + 、2 惦P b * , 2 3 8 U + 、2 4 8 ( n l o ) +和2 5 4 ( U O ) + 。所有年龄结果均用2 0 4 P b 含量作了普通铅校正。数据处理采用S Q U I D l 0 及I s o p l o t ( v e r 2 7 5 ) 程序，单个数据点的年龄误差为lO 。3 4 主量和微量元素分析主量和微量元素分析在中国科学院广州地球化学研究所完成。主量元素在V A R I A NV i s t aP R O 型电感耦合等离子发射光谱仪( I C P - A E S ) I - 分析，分2 1一皇里型兰垫查奎堂堕主兰焦垒奎析精度优于1 2 ；微量元素在P EE l a n 6 0 0 0 型电感耦合等离子质谱仪