大陸俯沖帶交代作用：蘇魯造山帶橄欖巖地球化學制約

大陸俯沖帶交代作用：蘇魯造山帶橄欖巖地球化學制約大別-蘇魯造山帶是世界上規(guī)模最大、出露最為完整的超高壓變質(zhì)帶之一,其中發(fā)育了大量造山帶橄欖巖。這些造山帶橄欖巖記錄了橄欖巖與片麻巖接觸界面上發(fā)生的流/熔體-橄欖巖反應(yīng),是研究大陸俯沖帶殼幔相互作用的理想天然實驗室。本文對蘇魯造山帶東北部榮成地區(qū)的純橄巖和圍巖片麻巖及中部日照地區(qū)的石榴單斜輝石巖進行了系統(tǒng)的巖石學、地球化學和鋯石學研究,對造山帶橄欖巖的成因和演化,地殼交代作用的溫壓條件、時間,交代組分的組成、性質(zhì)和來源,鋯石的形成機制,超基性巖中名義上無水礦物的水儲存能力和控制因素等進行了詳細討論,為大陸俯沖隧道殼幔相互作用提供了新的重要制約。對蘇魯造山帶滕家純橄巖及其寄主片麻巖進行了系統(tǒng)的全巖主微量元素、Sr-Nd同位素及礦物主微量元素和礦物氧同位素分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),大陸俯沖隧道板片-地幔界面存在多期地殼交代作用。滕家純橄巖高度富集難熔組分、虧損富沃組分。橄欖石具有高的Fo值和高的NiO含量。斜方輝石具有高的Mg#但低的CaO和Al2O3含量。尖晶石具有高的Cr#但低的TiO2含量。這些特征指示,滕家純橄巖來源于高度虧損的華北克拉通之下的大陸巖石圈地幔。滕家純橄巖富集大離子親石元素、虧損高場強元素,具有正Pb異常和富集的Sr-Nd同位素組成。造巖礦物表現(xiàn)出正的Pb和Sr異常,低Th/U比值以及相似或低于正常地幔δ18O值。這些觀察指示,滕家純橄巖經(jīng)歷了地殼衍生流體的交代作用。礦物結(jié)構(gòu)和主微量元素組成表明,純橄巖中存在多期次礦物重結(jié)晶和生長。礦物組成和P-T計算指示,滕家純橄巖隨著俯沖從弧前深度到弧下深度,從尖晶石橄欖巖轉(zhuǎn)變?yōu)槭耖蠙鞄r。在橄欖巖從地幔楔進入俯沖隧道并進一步俯沖過程中,在弧前深度受到第一階段俯沖大陸地殼衍生的富水流體交代作用,形成交代橄欖巖。這些交代巖在俯沖隧道內(nèi)進一步俯沖至弧下深度,并在4.0-4.4GPa和773-838℃經(jīng)歷超高壓變質(zhì)作用。第二階段交代作用發(fā)生在初始折返階段,從碳酸鹽熔體中生長白云石質(zhì)碳酸鹽。第三階段交代作用發(fā)生在早期折返階段,形成交代鋯石和角閃石。交代流體并非源于現(xiàn)今出露地表的寄主片麻巖,而是來自深俯沖大陸地殼的其它部位,是在俯沖帶深部與純橄巖接觸的地殼巖石,目前并不出露在純橄巖附近。這些多階段地殼交代作用指示,地幔楔底部的橄欖巖在大陸俯沖過程中被刮削進入俯沖隧道,并且在不同深度經(jīng)歷不同組分地殼來源流體的交代作用。因此,造山帶橄欖巖記錄了大陸俯沖帶從俯沖板片向地幔楔的地球化學傳輸。對蘇魯造山帶滕家純橄巖及其寄主片麻巖不同鋯石區(qū)域進行了礦相學(內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài))、U-Pb定年、微量元素和Hf-O同位素聯(lián)合分析。結(jié)果不僅揭示了造山帶橄欖巖中鋯石為地殼來源流體交代成因,而且為大陸俯沖隧道殼幔相互作用提供了重要制約。滕家純橄巖中鋯石具有明顯的核-(幔)-邊結(jié)構(gòu)。交代生長鋯石弱分帶或無分帶,U-Pb年齡為220±2至231±4Ma。這些區(qū)域具有相對低的Th/U比值(<0.1)和HREE含量、陡峭的MREE-HREE配分模式、負的Eu異常和負至低的δ18O值(-11.3至0.9‰),包含有石英和磷灰石包裹體。因此,這些鋯石在深俯沖大陸地殼早期折返階段在地殼流體交代橄欖巖的過程中新生長。相反,殘留鋯石區(qū)域具有典型的巖漿鋯石特征,具有振蕩環(huán)帶或模糊的振蕩環(huán)帶,主要為新元古代U-Pb年齡,同時含有少量中至古元古代的U-Pb年齡。這些鋯石區(qū)域具有高的Th/U比值(>0.1)和陡峭的MREE-HREE配分模式,包含有石英、磷灰石和斜長石包裹體。它們的U-Pb年齡、微量元素和Hf-O同位素組成與大別-蘇魯造山帶超高壓變質(zhì)巖的原巖鋯石相似。因此,這些殘留巖漿鋯石是被來自深俯沖大陸地殼的交代流體物理遷移到純橄巖之中。總之,滕家純橄巖經(jīng)歷了來自深俯沖大陸地殼早期折返階段變質(zhì)脫水形成的富水溶液的交代作用。在大陸俯沖隧道的板塊-地幔界面,這些地殼來源的流體不僅攜帶Zr和Si等化學組分,而且把深俯沖地殼來源的微小鋯石顆粒物理遷移進入橄欖巖。有鑒于此,造山帶橄欖巖通過化學遷移(溶解元素)和物理遷移(微小礦物顆粒)等機制記錄了大陸俯沖帶深部的殼幔相互作用。對蘇魯造山帶胡家林石榴單斜輝石巖進行了全巖主微量元素、Sr-Nd同位素及礦物水含量、主微量元素和氧同位素聯(lián)合分析。結(jié)果不僅為造山帶石榴輝石巖成因和石榴輝石巖水儲存能力及其在地球水循環(huán)中作用提供了制約,而且為大陸俯沖隧道殼幔相互作用提供了重要制約。胡家林石榴單斜輝石巖由地幔楔橄欖巖與三疊紀深俯沖大陸地殼部分熔融衍生的含水長英質(zhì)熔體發(fā)生交代反應(yīng)而形成。單斜輝石水含量為523-1213ppm,石榴石水含量為55-1476ppm。這些礦物的水含量不僅與礦物主微量元素含量具有相關(guān)性,而且礦物顆粒內(nèi)部水含量相對均一。該特征排除了礦物水含量在輝石巖從地幔深度折返到地表過程中存在明顯擾動,也就是說,地幔交代巖的原始水含量得到了保存。石榴輝石巖高的水含量主要由富水單斜輝石的豐度控制。石榴石也具有高的水含量,說明其也是地幔深度賦存水的重要礦物相。計算的全巖水含量和H20/Ce比值分別為424-660ppm和63-145。輝石巖的水含量高于洋中脊玄武巖的地幔源區(qū),相似或高于洋島玄武巖的地幔源區(qū),接近于島弧玄武巖巖漿源區(qū)的下限。輝石巖的H20/Ce比值高于夏威夷石榴輝石巖和SWIR大洋輝石巖。這