大陆俯冲带交代作用：苏鲁造山带橄榄岩地球化学制约

大陆俯冲带交代作用：苏鲁造山带橄榄岩地球化学制约大别-苏鲁造山带是世界上规模最大、出露最为完整的超高压变质带之一,其中发育了大量造山带橄榄岩。这些造山带橄榄岩记录了橄榄岩与片麻岩接触界面上发生的流/熔体-橄榄岩反应,是研究大陆俯冲带壳幔相互作用的理想天然实验室。本文对苏鲁造山带东北部荣成地区的纯橄岩和围岩片麻岩及中部日照地区的石榴单斜辉石岩进行了系统的岩石学、地球化学和锆石学研究,对造山带橄榄岩的成因和演化,地壳交代作用的温压条件、时间,交代组分的组成、性质和来源,锆石的形成机制,超基性岩中名义上无水矿物的水储存能力和控制因素等进行了详细讨论,为大陆俯冲隧道壳幔相互作用提供了新的重要制约。对苏鲁造山带滕家纯橄岩及其寄主片麻岩进行了系统的全岩主微量元素、Sr-Nd同位素及矿物主微量元素和矿物氧同位素分析。结果发现,大陆俯冲隧道板片-地幔界面存在多期地壳交代作用。滕家纯橄岩高度富集难熔组分、亏损富沃组分。橄榄石具有高的Fo值和高的NiO含量。斜方辉石具有高的Mg#但低的CaO和Al2O3含量。尖晶石具有高的Cr#但低的TiO2含量。这些特征指示,滕家纯橄岩来源于高度亏损的华北克拉通之下的大陆岩石圈地幔。滕家纯橄岩富集大离子亲石元素、亏损高场强元素,具有正Pb异常和富集的Sr-Nd同位素组成。造岩矿物表现出正的Pb和Sr异常,低Th/U比值以及相似或低于正常地幔δ18O值。这些观察指示,滕家纯橄岩经历了地壳衍生流体的交代作用。矿物结构和主微量元素组成表明,纯橄岩中存在多期次矿物重结晶和生长。矿物组成和P-T计算指示,滕家纯橄岩随着俯冲从弧前深度到弧下深度,从尖晶石橄榄岩转变为石榴橄榄岩。在橄榄岩从地幔楔进入俯冲隧道并进一步俯冲过程中,在弧前深度受到第一阶段俯冲大陆地壳衍生的富水流体交代作用,形成交代橄榄岩。这些交代岩在俯冲隧道内进一步俯冲至弧下深度,并在4.0-4.4GPa和773-838℃经历超高压变质作用。第二阶段交代作用发生在初始折返阶段,从碳酸盐熔体中生长白云石质碳酸盐。第三阶段交代作用发生在早期折返阶段,形成交代锆石和角闪石。交代流体并非源于现今出露地表的寄主片麻岩,而是来自深俯冲大陆地壳的其它部位,是在俯冲带深部与纯橄岩接触的地壳岩石,目前并不出露在纯橄岩附近。这些多阶段地壳交代作用指示,地幔楔底部的橄榄岩在大陆俯冲过程中被刮削进入俯冲隧道,并且在不同深度经历不同组分地壳来源流体的交代作用。因此,造山带橄榄岩记录了大陆俯冲带从俯冲板片向地幔楔的地球化学传输。对苏鲁造山带滕家纯橄岩及其寄主片麻岩不同锆石区域进行了矿相学(内部结构和外部形态)、U-Pb定年、微量元素和Hf-O同位素联合分析。结果不仅揭示了造山带橄榄岩中锆石为地壳来源流体交代成因,而且为大陆俯冲隧道壳幔相互作用提供了重要制约。滕家纯橄岩中锆石具有明显的核-(幔)-边结构。交代生长锆石弱分带或无分带,U-Pb年龄为220±2至231±4Ma。这些区域具有相对低的Th/U比值(<0.1)和HREE含量、陡峭的MREE-HREE配分模式、负的Eu异常和负至低的δ18O值(-11.3至0.9‰),包含有石英和磷灰石包裹体。因此,这些锆石在深俯冲大陆地壳早期折返阶段在地壳流体交代橄榄岩的过程中新生长。相反,残留锆石区域具有典型的岩浆锆石特征,具有振荡环带或模糊的振荡环带,主要为新元古代U-Pb年龄,同时含有少量中至古元古代的U-Pb年龄。这些锆石区域具有高的Th/U比值(>0.1)和陡峭的MREE-HREE配分模式,包含有石英、磷灰石和斜长石包裹体。它们的U-Pb年龄、微量元素和Hf-O同位素组成与大别-苏鲁造山带超高压变质岩的原岩锆石相似。因此,这些残留岩浆锆石是被来自深俯冲大陆地壳的交代流体物理迁移到纯橄岩之中。总之,滕家纯橄岩经历了来自深俯冲大陆地壳早期折返阶段变质脱水形成的富水溶液的交代作用。在大陆俯冲隧道的板块-地幔界面,这些地壳来源的流体不仅携带Zr和Si等化学组分,而且把深俯冲地壳来源的微小锆石颗粒物理迁移进入橄榄岩。有鉴于此,造山带橄榄岩通过化学迁移(溶解元素)和物理迁移(微小矿物颗粒)等机制记录了大陆俯冲带深部的壳幔相互作用。对苏鲁造山带胡家林石榴单斜辉石岩进行了全岩主微量元素、Sr-Nd同位素及矿物水含量、主微量元素和氧同位素联合分析。结果不仅为造山带石榴辉石岩成因和石榴辉石岩水储存能力及其在地球水循环中作用提供了制约,而且为大陆俯冲隧道壳幔相互作用提供了重要制约。胡家林石榴单斜辉石岩由地幔楔橄榄岩与三叠纪深俯冲大陆地壳部分熔融衍生的含水长英质熔体发生交代反应而形成。单斜辉石水含量为523-1213ppm,石榴石水含量为55-1476ppm。这些矿物的水含量不仅与矿物主微量元素含量具有相关性,而且矿物颗粒内部水含量相对均一。该特征排除了矿物水含量在辉石岩从地幔深度折返到地表过程中存在明显扰动,也就是说,地幔交代岩的原始水含量得到了保存。石榴辉石岩高的水含量主要由富水单斜辉石的丰度控制。石榴石也具有高的水含量,说明其也是地幔深度赋存水的重要矿物相。计算的全岩水含量和H20/Ce比值分别为424-660ppm和63-145。辉石岩的水含量高于洋中脊玄武岩的地幔源区,相似或高于洋岛玄武岩的地幔源区,接近于岛弧玄武岩岩浆源区的下限。辉石岩的H20/Ce比值高于夏威夷石榴辉石岩和SWIR大洋辉石岩。这