中国东部A型花岗岩形成时代及物质来源的Nd—Sr—O同位素地球化学制约

对中国东部A型花岗岩有代表性的碾子山、山海关、崂山、苏州以及魁岐岩体的Nd-Sr-O同位素地球化学组成进行了系统研究。经过筛选的全岩Rb-Sr等时线拟合结果表明,基本未遭受岩浆期后大气降水交换的苏州和魁岐Rb-Sr等时线年龄分别是108±10Ma和109±5Ma,它们代表岩浆冷却结晶时代。其它遭受热液蚀变较为显著的碾子山、山海关以及崂山岩体Rb-Sr等时线年龄的地质意义不明确。全岩εNd(t)、(87Sr/86Sr)0以及锆石δ18O综合示踪研究表明,中国东部A型花岗岩可能起源于曾经历过高温海水热液交换的再循环下部俯冲洋壳的部分熔融。模型计算结果表明,碾子山、山海关以及崂山等岩体所表现出的εNd(t)-δ18O脱耦变化与大洋沉积物析出流体与下覆辉长岩洋壳之间不同程度的交代有关。在此基础上,提出了中国东部A型花岗岩统一的成因模式,并对其地球动力学意义进行了讨论。     

大陆碰撞造山带镁铁质岩浆岩记录俯冲古洋壳物质再循环

在大陆碰撞造山带中寻找消失的古洋壳再循环及其壳幔相互作用的证据,对理解从洋壳俯冲到陆壳俯冲化学地球动力学过程的转变,以及板块构造理论的发展具有重要意义.通过对桐柏-红安造山带晚古生代和晚中生代镁铁质岩浆岩的岩石地球化学特征进行总结,可以识别出俯冲古洋壳再循环的岩石学和地球化学记录.晚古生代岛弧型镁铁质岩石具有弧型微量元素特征和相对亏损的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧下深度（80~160 km）的流体交代作用;而晚中生代洋岛型镁铁质岩石OIB型微量元素特征和亏损-弱富集的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧后深度（>200 km）的熔体交代作用.这一定性的解释也进一步得到了定量计算的证实,其结果表明镁铁质岩浆岩中的不相容元素的含量以及放射性成因同位素的富集程度,主要受控于地幔源区中所加入的地壳组分的性质和比例.因此,碰撞造山带中的岛弧型和洋岛型镁铁质岩浆岩,分别记录了弧下和弧后深度的俯冲古洋壳物质再循环.      

中国东部碱性花岗岩氢氧同位素特征及其地球动力学意义

对中国东部五个有代表性的碱性花岗岩体氢氧同位素研究表明,δ18O基本正常的苏州和福州碱性花岗岩D亏损分别受单阶段与连续岩浆去气作用的影响,后期大气降水的扰动相对较弱．D-18O同步亏损特征明显的碾子山和山海关碱性花岗岩则主要受岩浆期后大气降水高温亚固态同位素交换机理的制约青岛复式花岗岩基则较为复杂,可能受岩浆去气与晚期大气降水交换的联合作用．未明显受后期地质作用扰动、典型的中国东部碱性花岗岩浆氢氧同位素组成分别为δD＝（50±5）‰和δ18＝（7．5±1．0）‰这表明中国东部碱性花岗岩是由稳定同位素组成基本正常的内地壳或上地幔物质通过低程度部分熔融产生的,而不是由再循环亏损源区物质产生的低δ18O岩浆结晶分异形成的．中国东部碱性花岗岩总体上表现出的D亏损纬度效应,预示自中生代以来其所在板块位置未发生过大规模水平位移同时,碱性花岗岩与拉张环境之间的内在联系表明,至少在中生代中国东部大陆岩石圈地壳处于拉张减薄状态．     

矿物之间的元素和同位素平衡:地质测温和等时线定年的热力学和动力学控制

在特定的地质事件过程中,矿物等时线放射体系是否达到并且保持了平衡是变质岩Sm-Nd和Rb-Sr同位素年代学中的一个重要问题。在这个问题上矿物对O同位素测温与矿物等时线定年相似,因此两者之间可以相互制约。在岩浆岩和变质岩中,矿物中Sm-Nd、Sr和O之间的扩散速率在无水的条件下一般具有可比性,因此矿物之间O同位素的平衡状态可以用来对Sm-Nd和Rb-Sr定年的有效性进行检验。对大别-苏鲁造山带超高压变质岩的Sm-Nd和Rb-Sr等时线矿物进行O同位素测温,得到Sm-Nd等时线有时给出三叠纪年龄,有时给出非三叠纪年龄;对应的矿物O同位素分馏分别处于平衡和不平衡状态。对于引起非三叠纪等时线年龄的原因,一方面可以是由于榴辉岩相变质过程中同位素体系没有达到平衡,另一方面则可能角闪岩相退变质作用打破了平衡。等时线矿物中初始同位素比值的均一化速率主要受慢扩散矿物的影响,而矿物等时线时钟的启动主要受高母/子比值矿物控制。因此在变质作用过程中,只有当高母/子比值矿物同时具有快的放射成因同位素扩散速率,才可能得到有效的矿物等时线来用于变质年龄的测定。根据不同矿物中不同元素在扩散速率上的差异,能够定量估计大陆碰撞过程中榴辉岩相变质的持续时间。应用增量方法和离子孔隙度经验模型,不仅分别能够从理论上准确计算所有固体矿物的氧同位素分馏系数和获得不同矿物中元素的扩散参数,而且分别能够定量预测热力学平衡条件下共生矿物之间的¹⁸O富集顺序和相同条件下矿物中元素扩散速率的相对快慢。     

大别造山带天柱山中生代中酸性岩成因的REE配分定量模拟

大量的同位素地质年代学和地球化学研究表明,大别山中生代中酸性岩为俯冲扬子陆壳再循环的产物．REE配分的定量模拟计算结果表明,与基性下地壳相似的北大别基性闪长质片麻岩部分熔融并经过结晶分异能够形成与天柱山中性岩类似的稀土元素组成,而与中性地壳相似的北大别中性灰色片麻岩部分熔融能够形成与天柱山花岗岩类似的稀土元素组成．残留相微量元素定量计算结果表明,大别山现今出露的中基性麻粒岩不是部分熔融后形成的残留体．早白垩世地幔超柱事件热扰动所引起的加厚地壳部分熔融后的残留体可能由于比重较大而拆离进入地幔,从而发生去山根作用和造山带的大面积隆起．     

大陆板片-地幔相互作用:来自大别造山带碰撞后安山质火山岩的地球化学证据

俯冲到地幔深度的地壳物质不可避免地在板片-地幔界面与地幔楔发生相互作用,由此形成的超镁铁质交代岩就是造山带镁铁质火成岩的地幔源区.因此,造山带镁铁质火成岩为研究俯冲地壳物质再循环和壳-幔相互作用提供了重要研究对象.为了揭示俯冲陆壳物质再循环的机制和过程,对大别造山带碰撞后安山质火山岩开展了元素和同位素地球化学研究.这些安山质火山岩的SIMS锆石U-Pb年龄为124±3~130±2 Ma,表明其形成于早白垩世.此外,残留锆石的U-Pb年龄为中新元古代和三叠纪,分别对应于大别-苏鲁造山带超高压变火成岩的原岩年龄和变质年龄.它们具有岛弧型微量元素特征、富集的Sr-Nd-Hf同位素组成,以及变化的且大多不同于正常地幔的锆石δ18O值.这些元素和同位素特征指示,这些安山质火山岩是交代富集的造山带岩石圈地幔部分熔融的产物.在三叠纪华南陆块俯冲于华北陆块之下的过程中,俯冲华南陆壳来源的长英质熔体交代了上覆华北岩石圈地幔楔橄榄岩,大陆俯冲隧道内的熔体-橄榄岩反应产生了富沃、富集的镁铁质地幔交代岩.这种地幔交代岩在早白垩世发生部分熔融,就形成了所观察到的安山质火山岩.因此,碰撞造山带镁铁质岩浆岩的地幔源区是通过大陆俯冲隧道内板片-地幔相互作用形成的,而加入地幔楔中长英质熔体的比例决定了这些镁铁质岩浆岩的岩石化学和地球化学成分.      

Pb、Sr和REE在矿物中的扩散补偿关系及其对扩散系数的预测

对现有实验扩散数据的检查发现，不仅Pb、Sr和REE元素在不同矿物中存在着扩散补偿关系，不同元素在同一矿物或同族矿物中也满足扩散补偿关系。阴离子孔隙度作为矿物内部离子堆积密度的一种量度，它与Pb和REE扩散活化能之间存在负的线性相关性，在固定温度下与Sr扩散系数（lnDT)之间呈正的线性相关，因而可以用于预测元素在矿物中的扩散系数。本文分别采用离子孔隙度法和双补偿法预测了Pb、Sr和REE在不同矿物中的扩散系数，这些结果与已有的实验数据在实验误差范围内是一致的，因此可以应用到与扩散有关的地球化学动力学研究中。     

流体-岩石相互作用过程中氧同位素交换地球化学动力学评述

氧同位素研究对于示踪流体—岩石相互作用过程中流体的时间累积流量(或流体／岩石比)、流动方向和组成具有重要意义。基于质量平衡原理可以建立“封闭”体系和开放体系的氧同位素交换模型。“封闭”体系又可分为封闭、批式挥发和瑞利挥发体系。瑞利挥发较批式挥发造成岩石更大的^18O亏损，但在地质过程中两者差异并不显著。开放体系连续模型中氧同位素迁移的机制包括扩散称散和平流。由流体流动速率和扩散称散系数定义的Peclet数决定了上述两种机制在一定尺度上对氧同位素迁移的相对贡献。流体—岩石交换受表面动力学控制，当交换速率快于流体流动时，可认为流体和岩石达到了氧同位素分馆平衡，反之则没有达到平衡。由流体流动速率和流体—岩石反应速率常数定义的Damkoehler数决定了反应接近平衡的程度。如果采用多种矿物相监控，则矿物内部分馆可有效地区分这两种反应模型。对流体—岩石相互作用过程中氧同位素变化的地球化学动力学进行了系统评述，其原理和模型也可扩展到对其他元素的研究。     

大别山中生代中酸性岩浆岩锆石U-Pb定年、元素和氧同位素地球化学研究

对大别山中生代主簿源、天柱山和团岭中酸性岩浆岩进行了锆石U-Pb定年、全岩主量和微量元素分析以及全岩和单矿物的氧同位素分析。结果表明,这些富钾的中酸性侵入岩表现出明显的轻稀土富集和高场强元素(Nb、P和Ti)负异常,与围岩片麻岩之间具有类似的微量元素分布特征和初始Sr-Nd-Ph同位素组成。锆石U-Pb年龄指示了早白垩世(121～131Ma)的岩浆结晶年龄。通过CL照相和SHRIMP定年在某些锆石颗粒中发现了老的继承核,年龄分别为742～815Ma和222Ma。这些新元古代和三叠纪核年龄分别与大别-苏鲁造山带超高压变火成岩原岩年龄和超高压变质年龄一致。尽管石英和锆石具有较小的δ~(18)O值变化范围(石英:6.30‰～8.66‰,锆石:4.14‰～6.11‰),全岩和其它单矿物氧同位素比值变化较大(全岩:0.07‰～7.13‰,钾长石:0.55‰～7.40‰,斜长石:-4.88‰～6.96‰),大多数锆石具有与正常地幔锆石(5.3±0.3‰)一致的δ~(18)O值。大多数样品的石英-锆石之间保存了氧同位素平衡分馏,而其它矿物(如,钾长石、斜长石、黑云母和角闪石)与锆石之间则大多表现出明显的氧同位素不平衡分馏,指示它们受到了岩浆期后亚固相水-岩相互作用的扰动。元素和同位素特征表明,大别山中生代中性岩起源于加厚基性下地壳的脱水部分熔融,在岩浆侵位过程中伴随有结晶分异作用;而花岗岩则起源于与北大别TTG正片麻岩具有相似化学组成的中性地壳的部分熔融。因此,大别山中生代中酸性岩岩浆源区是三叠纪扬子陆块俯冲产生的加厚地壳,形成机制可能与早白垩世地幔超柱事件热扰动所引起的部分熔融有关。     

安徽月山石英闪长岩氧同位素分馏、Rb-Sr等时线定年与矿物蚀变之间的关系

受热液蚀变影响的侵入岩能否给出合理的矿物Rb-Sr等时线年龄是同位素年代学研究的一个重要课题。对月山岩体中的一个石英闪长岩样品进行了研究,对蚀变程度不同的矿物进行了氧同位素分析以及Rb-Sr等时线定年。各未蚀变矿物与石英构成的矿物对氧同位素表观温度的大小为:石英-角闪石对(470±15℃)>石英-黑云母对(340±10℃)>石英-斜长石对(265±20℃),表明了岩石在冷却过程中的氧同位素退化平衡。与此相应,3个未蚀变矿物(黑云母,角闪石,斜长石)的Rb-Sr等时线年龄为137.6±1.2Ma(MSWD=0.07),等时线的线性非常好,且与前人得到的Ar-Ar年龄在误差范围内一致。而石英-蚀变黑云母对的氧同位素表观温度(310±10℃)和石英-蚀变钭长石对的表观温度(325±25℃)与相应石英-未蚀变矿物对的相比,发生了显著改变,表明这两种矿物的氧同位素体系在蚀变过程中受到了扰动。但是未蚀变和蚀变共6个矿物的Rb-Sr等时线年龄为136.81±0.77Ma(MSWD=0.81),此等时线的线性也很好,且年龄与未蚀变矿物的在误差范围内一致。由于蚀变的影响,蚀变黑云母和斜长石的Rb、Sr含量和Sr同位素比值都发生了变化,但是蚀变矿物的~(87)Rb/~(86)Sr和~(87)Sr/~(86)Sr比值沿着等时线移动,因此等时线年龄不变,指示了蚀变时相当于全岩成分的内部流体与矿物之间的同位素交换。这表明受内部流体影响使花岗岩发生低温热液蚀变时,即使氧同位素体系受到扰动,Rb-Sr等时线仍可以有地质意义。