辽北地区晚古生代-早中生代岩浆作用与深部地球动力学过程
增生型造山带的时限和增生机制是造山带研究的核心问题。作为全球典型的增生型造山带，中亚造山带的演化历史与古亚洲洋的长期俯冲-增生以及闭合过程密切相关。目前普遍认为索伦-西拉木伦-长春-延吉缝合带记录了古亚洲洋东段主洋盆的最终闭合及两侧地块的碰撞拼贴过程，但是由于缺少大陆深俯冲以及高压-超高压变质作用等陆-陆碰撞相关的地质证据，古亚洲洋东段的闭合时限和精细的俯冲动力学过程仍存在较大争议，争议的焦点是华北克拉通北缘东段晚古生代-早中生代的构造属性和地球动力学机制。华北克拉通北缘东段发育的晚古生代-早中生代岩浆岩显示复杂的时空变化，蕴含古生代-中生代构造-岩浆演化的重要信息，为解决上述问题提供了可能。本论文以华北克拉通北缘增生带东段辽宁北部法库-开原-铁岭地区晚古生代-早中生代岩浆岩为研究对象，主要针对不同阶段、不同类型岩浆岩的成因及其地球动力学过程两个关键问题，开展详细的野外地质调查、岩石学、SIMS和LA-ICP-MS锆石U-Pb定年、全岩主量-微量元素、全岩Sr-Nd同位素、锆石原位Hf-O同位素和磷灰石原位Sr同位素研究，查明了岩浆活动期次，确定了不同期次岩石组合、岩石成因及其形成的构造背景。综合华北克拉通北缘东段不同期次岩浆作用的特征，分析晚古生代-早中生代构造-岩浆演化及其深部地球动力学过程，最终揭示华北克拉通北缘增生带的俯冲增生-碰撞-拆沉过程。 本文通过系统的SIMS和LA-ICP-MS锆石U-Pb测试分析，限定辽北地区晚古生代-早中生代岩浆岩的形成时代并建立精确的年代学格架：分别为中-晚二叠世（262~256Ma）、早三叠世-中三叠世早期（252~246Ma）、中三叠世晚期（243~242Ma）和晚三叠世（223~221Ma），各期岩浆作用分别对应板片俯冲增生-碰撞-拆沉过程。 1.中二叠世-中三叠世早期（262~246Ma）—古亚洲洋板片南向俯冲及断离 辽北地区中-晚二叠世（262~256Ma）主要出露钙碱性中基性侵入岩和花岗质侵入岩。中基性侵入岩以角闪辉长岩、闪长岩和石英闪长岩为主，显示弧型岩浆岩的属性，富集大离子亲石元素和轻稀土元素，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素和重稀土元素，岩浆源区为受俯冲流体交代的尖晶石相二辉橄榄岩。花岗质侵入岩包括正长花岗岩、二长花岗岩以及少量石英二长岩，显示I型花岗岩的特征，代表不同深度下地壳（角闪岩相-石榴子石相）部分熔融的产物，与同期幔源岩浆底侵作用密切相关。本文认为辽北地区中-晚二叠世辉长岩-闪长岩和I型花岗质岩石，与同时期出露的玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩，共同构成一条二叠纪巨型大陆弧岩浆岩带，大致呈东-西向展布，与古亚洲洋东段的南向俯冲作用密切相关。 辽北地区早三叠世-中三叠世早期（252~246Ma）发育特殊的火成岩类型，包括辉绿岩脉（墙）、高镁安山岩和富铌镁铁质岩石-埃达克岩组合。其中铁岭地区辉绿岩脉（墙）为亚碱性岩石，富集轻稀土和大离子亲石元素，亏损重稀土和高场强元素，发育Nb-Ta负异常，显示典型弧型岩浆岩的属性。辉绿岩具有高度亏损的同位素组成，起源于俯冲熔体交代的地幔楔，由尖晶石-石榴子石过渡带的二辉橄榄岩发生5%~10%的减压熔融过程形成，并伴有少量软流圈物质的贡献。开原地区高镁安山岩富集大离子亲石元素，亏损Nb-Ta-Ti和P等高场强元素，起源于受俯冲陆源沉积物熔体交代的地幔楔，源区残留有石榴子石和尖晶石，类似于日本新生代的Setouchi岛弧的赞歧岩。全岩微量元素和锆石Hf-O同位素模拟计算表明地幔楔源区含有~20%的俯冲陆源沉积物组分的贡献。高镁安山岩样品较低的MnO和Sc含量以及较高的Fe/Mn比值，表明它们的源区可能包含辉石岩。法库地区花岗闪长斑岩具有富钠、贫钾、高Sr、低Y、低Yb含量的特征，Sr/Y和（La/Yb）N比值较高、轻重稀土元素分异明显，属于埃达克岩。结合其显著亏损的Sr-Nd-Hf同位素组成，相对高的Mg#值，低的Th/Ce和Rb/Sr比值以及Th含量，表明该埃达克岩是俯冲的古亚洲洋板片部分熔融的产物。法库地区富铌镁铁质岩石组合具有相似的地球化学特征，即硅饱和、富钠的特征，较高Nb、TiO2和P2O5含量，类似于典型的富铌玄武岩。它们显示大陆弧岩浆岩的地球化学特征，富集轻稀土和大离子亲石元素，显著亏损重稀土和高场强元素，发育Nb-Ta-Ti负异常。微量元素及Sr-Nd-Hf-O同位素特征表明该富铌镁铁质岩石起源于尖晶石相-石榴子石相二辉橄榄岩，且地幔楔源区在部分熔融之前遭受俯冲板片熔体的交代作用。富铌镁铁质岩石-埃达克岩组合证实辽北地区在早-中三叠世期间存在板片熔融过程及熔体-地幔楔相互作用。这种特殊的岩石组合指示伸展环境，而板片熔融所需的热异常环境指示板片窗的存在，表明俯冲的古亚洲洋板片发生断离并引发软流圈物质上涌。 2.中三叠世晚期（243~242Ma）—古亚洲洋闭合及同碰撞环境 辽北地区中三叠世晚期花岗岩包括正长花岗岩和二长花岗岩，属于高钾钙碱性岩石，并具有高Sr，高Sr/Y和（La/Yb）N比值、贫Y和重稀土元素的地球化学特征，以及明显低的Mg#值和MgO、Cr、Ni含量，这与典型的加厚下地壳起源的埃达克岩较为相似。微量元素特征表明这些花岗岩起源于增厚的石榴子石角闪岩相下地壳，代表碰撞造山过程的产物。综合区域资料，查明沿西拉木伦-长春缝合带发育一条呈东-西向线性展布的具有高Sr/Y特征的花岗岩带，代表中亚造山带东南缘最终软碰撞造山的岩浆岩标志，与古亚洲洋东段最终闭合密切相关。 3.晚三叠世（223~221Ma）—古亚洲洋闭合后的岩石圈拆沉过程 辽北地区识别出一套晚三叠世闪长岩，它们具有高Sr，低Y和Yb含量，高（La/Yb）N比值的特征，结合其较高的MgO、Cr、Ni含量和Mg#值，显示其属于埃达克质高镁闪长岩。开原地区高镁闪长岩具有较高的K2O/Na2O比值以及与大陆地壳相似的不相容元素比值（如Nb/U、Ce/Pb和Nd/Sm），表明它们是拆沉的增厚下地壳部分熔融所形成的初始埃达克质熔体在上升过程中与地幔楔橄榄岩发生相互作用的产物。晚三叠世埃达克质高镁闪长岩以及中亚造山带东南缘广泛发育的同时代碱性杂岩及镁铁质-超镁铁质岩石、A型花岗岩和双峰式火山岩，记录了构造模式由挤压向伸展的转变，与中亚造山带东段最终碰撞拼合后造山带垮塌-岩石圈拆沉过程相关。 综合本文研究成果以及区域已发表资料，本文构建了华北克拉通北缘东段辽北地区晚古生代-早中生代构造-岩浆演化的动力学模型。即（1）262~256Ma：古亚洲洋板片持续向南俯冲，产生二叠纪大陆弧型深成侵入岩；（2）252~246Ma：俯冲过程中古亚洲洋板片发生断离，形成板片窗，大洋板片熔融并与地幔楔发生相互作用，形成辉绿岩脉（墙）-高镁安山岩-埃达克岩-富铌镁铁质岩石组合；（3）243~242Ma：古亚洲洋的主洋盆最终闭合，华北克拉通北缘增生带和东北陆块群通过软碰撞完成拼贴，发育增厚下地壳来源的埃达克质花岗岩；（4）223~221Ma：中亚造山带东段碰撞造山后发生岩石圈拆沉，伴有埃达克质高镁闪长岩的形成。
辽北地区;晚古生代-早中生代;岩浆岩;岩石成因;深部动力学过程
吉林大学
博士
地球化学
葛文春
2023
中文
P588.1
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）