华南陆块北缘新元古代负δ18O岩浆作用.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn18#华南陆块北缘新元古代负δO岩浆作用**贺强，张少兵，郑永飞（中国科学技术大学地球和空间科学学院中国科学院壳-幔物质与环境重点实验室，合肥5230026）摘要：为了探究新元古代负δ18O岩浆作用，我们采用锆石原位O同位素分析和U-Pb定年，对苏鲁造山带东北部花岗片麻岩进行了研究。锆石U-Pb定年结果给出765±14Ma和776±13Ma的原岩年龄，变质年龄为227±14Ma和240±30Ma。谐和U-Pb年龄锆石核具有很大变10化范围的δ18O值，从−10.6‰到4.2‰，这与不谐和U-Pb年龄锆石核的δ18O值变化范围基本相似。锆石边部具有比较均一的O同位素组成，δ18O值约为−10‰。对于谐和新元古代U-Pb年龄的锆石，超高压变质过程中重结晶作用和O扩散作用对O同位素组成的改造有限。核-边O同位素的巨大差异也支持它们保存了原始O同位素信息。谐和新元古代U-Pb年龄锆石具有最低至约−11.0‰的δ18O值是首次报道，提供了新元古代负δ18O岩浆作用的直接15记录。根据保守估计得到：参与水-岩反应的热液流体具有至少低于−8.8‰的δ18O值，对应于寒冷气候的大气降水或者大陆冰川融水。地表水与深部岩石发生强烈的O同位素交换要求一个伸展的、高地温梯度的构造背景，这与新元古代中期华南陆块从Rodinia超大陆裂解出来相关。关键词：地球化学；锆石；O同位素；负δ18O岩浆作用20中图分类号：P518NegativeδOmagmatisminthenorthernmarginofSouthChinaBlockintheNeoproterozoicHEQiang,ZHANGShaobing,ZHENGYongfei25(CASKeyLaboratoryofCrust-MantleMaterialsandEnvironments,SchoolofEarthandSpaceSciences,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026)Abstract:Toseektheoccurrenceofnegativeδ18OmagmatismintheNeoproterozoic,weconductedin-situzirconOisotopeanalysisandU–PbdatingforgraniticgneissfromthenortheasternSuluorogen.ZirconU–Pbdatingyieldsprotolithagesof765±14Maand776±13Maandmetamorphicagesof30227±14and240±30Ma.ThezirconcoreswithconcordantU–Pbagesexhibitawideδ18Orangefrom−10.6‰to4.2‰,whichissimilartotherangeforcoreswithdiscordantU–Pbages.TheTriassicrimshaverelativelyhomogeneousOisotopiccompositionswithδ18Ovaluesaround−10‰.ForNeoproterozoiczirconswithconcordantU-Pbages,recrystallizationandOdiffusionduringultra-highpressuremetamorphisminsignificantlymodifiedtheOisotopiccompositions.Thelargecore-rimO35isotopicdifferencesalsosupportthattheypreserveprimaryOisotopiccompositionsintheNeoproterozoic.Theδ18Ovaluesasnegativeas−11.0‰forzirconswithconcordantNeoproterozoicU–Pbagesarereportedforthefirsttime,providingthedirectrecordofnegativeδ18OmagmatismintheNeoproterozoic.Aconservativeestimatesuggeststhatthehydrothermalfluidreactedwiththerocksshouldhaveδ18Ovalueslowerthan−8.8‰,correspondingtothemeteoricwaterincoldpaleoclimate40orthemeltwaterofcontinentalglaciation.TheextensiveOisotopeexchangebetweenthesurfacewaterandthedeeprockrequiresanextensionaltectonicsettingwithhighgeothermalgradients,whichisascribedtomid-NeoproterozoicsplittingoftheSouthChinaBlockfromtheRodiniasupercontinent.Keywords:Geochemistry;zircon;Oisotopes;negativeδ18Omagmatism450引言[1,2]自从在大别-苏鲁造山带超高压榴辉岩中发现O同位素负异常以来，大量超高压变质基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金博导类资助课题(编号：20133402110004)作者简介：贺强(1988-)，男，主要研究方向：地球化学、地质学通信联系人：张少兵(1980-)，教授，主要研究方向：地球化学、地质学.E-mail:sbzhang@ustc.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1818岩的主要造岩矿物和副矿物都被报道具有低到负的δO值。对于这些O亏损变质岩，前18人研究达成一个共识：原岩在新元古代通过高温大气降水热液蚀变作用获得其O亏损特18[3]征。苏鲁造山带花岗片麻岩中的锆石，激光氟化法分析给出了低至−7.8‰的δO值。由于50这些岩石经历过三叠纪超高压变质作用，锆石普遍发育核-边结构，激光氟化法并不能区分18锆石核部和边部的O同位素组成，因此，锆石O同位素负异常指示新元古代负δO岩浆还18是三叠纪负δO流体还存在比较大的争议。二次离子探针(SIMS)锆石原位O同位素分析和U-Pb定年可以很好地解决这一问题，也被应用到华南陆块其他地区同原岩时期的岩石，包[4][5][6][7]括苏鲁造山带的青龙山、南华裂谷、秦岭-桐柏造山带和秦岭造山带的耀岭河群。但1855是，这些研究结果鲜有报道具有负δO值的新元古代锆石。因此，华南陆块新元古代是否18存在负δO岩浆作用还值得进一步验证。本研究选择苏鲁造山带威海地区皂埠镇花岗片麻岩中的锆石作为研究对象，应用SIMS锆石原位O同位素分析和U-Pb定年，来探究华南陆1818块新元古代负δO岩浆作用，并确定这一期O亏损与古气候和古构造的联系。1地质背景60大别-苏鲁造山带由三叠纪华南陆块向华北陆块俯冲形成。由于郯庐断裂的走滑错动，它被分为西部东-西向的大别造山带和东部北东-南西向的苏鲁造山带。苏鲁造山带南部以嘉山-响水断裂为界，北部以五莲-烟台断裂为界，并被一系列断裂分成许多块体。它由高压(HP)和超高压(UHP)变质域组成，两者又都被侏罗纪碎屑沉积岩地层和白垩纪火山碎屑盖层不整合覆盖，并被中生代花岗岩侵入。苏鲁造山带北部UHP变质域主要由正片麻岩、副片麻岩65以及大量榴辉岩、石榴橄榄岩、角闪岩、石英岩和大理岩的夹层或团块组成。岩石学研究表[8]明UHP变质作用峰期条件为750-850°C和3.0-4.5GPa。地质年代学研究给出花岗片麻岩和[8]榴辉岩740-780Ma的原岩年龄和220-240Ma的变质年龄。与大别造山带中的变质火成岩18相似，苏鲁造山带中的变质岩也表现出广泛的O亏损，代表华南陆块北缘的一部分。70图1(a)苏鲁造山带的位置；(b)山东半岛地质图，其中黄色五角星标记出采用区域；(c)采样区域简图Fig.1(a)LocationoftheSuluorogen;(b)SimplifiedgeologyfortheShandongPeninsulawithayellowstarlabelingthesamplelocation;(c)Asketchmapofthesamplingarea-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn752分析方法在岩石样品破碎和筛选之后，经过重液和磁选分选出主要造岩矿物和副矿物，再在双目镜下手工挑出锆石。选择具有代表性的锆石颗粒，粘在环氧树脂靶里，抛光至露出锆石内部。锆石详细的形态学和内部结构通过光学显微镜和阴极发光(CL)照相来观察。锆石CL照片用北京锆年领航科技有限公司JSM-6510型扫描电镜拍摄，工作条件为10kV和15nA。80锆石原位O同位素分析和U-Pb定年在北京中国科学院地质与地球物理研究所完成分析，二次离子探针型号为CAMECAIMS-1280。锆石原位O同位素分析的仪器参数和操作[9]18流程参照Lietal.(2010)的详细描述。仪器质量分馏(IMF)用锆石标样Penglai来校正，δO[10]18推荐值为5.31±0.10‰。实验室内标样Qinghu作监控，校正过的δO值与其推荐值[11][9]185.4±0.2‰一致。IMF校正流程参照Lietal.(2010)的详细描述，校正过的δO值给出2σ85误差。锆石原位U-Pb定年分析点与O同位素分析点基本保持一致，少数点略有调整，但也保证分析点处于锆石的同一区域(核或边)。锆石原位U-Pb定年的分析流程，Pb/U比值和U、[12]204Th含量计算参照Lietal.(2009)的详细描述。普通Pb校正用测量的Pb和地壳模式Pb[13]同位素组成。锆石U-Pb同位素数据用Isoplot/Ex_ver3.23处理。3结果90花岗片麻岩12SD33和12SD43的锆石原位O同位素分析和U-Pb定年结果展示于图2和图3中。图2锆石U-Pb谐和图，红色椭圆代表谐和U-Pb年龄锆石核，空心椭圆代表不谐和U-Pb年龄锆石核，蓝18色椭圆代表锆石边。两个样品中负δO值锆石的CL照片也作相应展示95Fig.2ConcordiadiagramsofzirconU–Pbisotopedata.TheredellipsesstandforzirconcoreswithconcordantU-Pbages,theopenellipsesrepresentzirconcoreswithdisconcordantU-Pbages,andtheblueellipsesstandfor18zirconrims.AlsoshownistheCLimagesofzirconswithnegativeδOvaluesintwosamples12SD33中的锆石大部分发育核-边结构，并且核与边的边界呈不规则状，一部分锆石核100还保留了岩浆振荡环带。锆石U-Pb定年数据点分布在一条不一致线上，与谐和线上交点为206238765±14Ma，下交点为227±14Ma。锆石核的表观Pb/U年龄范围为450到813Ma，两206238个锆石边的表观Pb/U年龄分别为225Ma和231Ma。U-Pb年龄谐和的锆石核具有很大1818变化范围的δO值，从−10.0‰到4.2‰。U-Pb年龄不谐和的锆石核的δO值从−9.9‰变化1818到4.5‰，和U-Pb年龄谐和的锆石核具有基本相同的δO值范围。两个锆石边的δO值分-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn18105别为−9.6‰和−8.8‰。一对核-边的δO值差值为12.1‰。18206238图3锆石δO值与表观Pb/U年龄关系图，红色正方形代表谐和U-Pb年龄锆石核，空心正方形代表不谐和U-Pb年龄锆石核，蓝色正方形代表锆石边。红色虚线连接同一锆石颗粒的核和边18206238Fig.3ZirconδOvaluesversusapparentPb/Uages.Redsquares:zirconcoreswithconcordantU–Pb110ages.Hollowsquares:zirconcoreswithdiscordantU–Pbages.Bluesquares:zirconrims.Reddashedlineslinkzirconcoresandcorrespondingrimsofthesamegrain花岗片麻岩12SD43中的锆石一部分具有混杂的内部结构，指示不同程度的重结晶作用；一部分锆石呈面状分布，不具有环带。由于锆石核在变质过程中被部分甚至完全消耗，或者115有些锆石边太窄，使得核-边结构不如花岗片麻岩12SD33中的锆石明显。大部分锆石边CL呈黑色，不具有振荡环带。锆石U-Pb定年数据点分布在一条不一致线上，与谐和线分别交206238于776±13Ma和240±30Ma。无环带锆石核的表观Pb/U年龄范围为567到800Ma，重206238结晶锆石核或锆石颗粒具有更年轻的表观Pb/U年龄，从248到687Ma。锆石边的表观20623818Pb/U年龄从215Ma变化到229Ma。U-Pb年龄谐和的锆石核的δO值变化范围很大，1818120从−10.6‰到2.0‰。U-Pb年龄不谐和的锆石核的δO值和U-Pb年龄谐和的锆石核的δO18值基本范围一致，从−10.8‰变化到−0.1‰。一个重结晶锆石颗粒的δO值为−10.6‰。锆石1818边的δO值比较均一，从−11.2‰到−9.4‰，加权平均值为−10.2±0.8‰。一对核-边的δO值差值为4.3‰。4讨论181254.1华南陆块新元古代负δO岩浆作用18分析结果表明，研究区域存在δO值低至−10.6‰的新元古代锆石核，并且U-Pb年龄18保持谐和。考虑到苏鲁造山带花岗片麻岩经历过三叠纪超高压变质作用，在讨论负δO新元古代锆石所记录的地质信息之前，先讨论超高压变质作用对锆石核部O同位素组成的影响，包括超高压变质过程中的锆石重结晶作用和O扩散作用。130锆石变质重结晶作用包括固态重结晶作用、交代重结晶作用和溶解重结晶作用。固态重结晶作用会导致微量元素和放射性成因Pb的扩散丢失，造成表观U-Pb年龄降低，而不改18变锆石δO值；溶解重结晶作用会造成U-Pb同位素体系和Hf-O同位素组成的强烈改造，[14]甚至完全重置。交代重结晶作用沿锆石裂隙和边界发生，重置效应介于固态重结晶作用和溶解重结晶作用之间。因此，锆石U-Pb年龄谐和度是评估重结晶作用的一个重要指标。135对于具有谐和U-Pb年龄的新元古代锆石，交代重结晶作用和溶解重结晶作用的影响可以被-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn排除。在超高压变质过程中，锆石不可避免地会发生固态重结晶作用。但是，固态重结晶作用对原岩锆石O同位素的改造很不显著，与谐和U-Pb年龄锆石核和不谐和U-Pb年龄锆石18核具有相同的δO范围(图2)这一事实相符合。所以，锆石变质重结晶作用对原岩锆石O同位素的改造是很有限的。140根据理论和实验确定的锆石O扩散系数，在无水体系，温度为800°C，需要超过100Ma的时间重置100μm锆石的O同位素组成；在含水体系，相同温度和锆石粒径条件下，仅需[15]要约1Ma的时间重置锆石的O同位素组成。因此，在持续时间为5-15Ma的超高压变质过程中，如果体系含水，在理论上是可能完全重置原岩锆石的O同位素组成的。但大陆俯冲带的低水逸度和实验条件下存在自由水是有着非常大差异的，这使得实验确定的锆石O18145扩散系数不能简单地应用到自然体系。本研究结果表明，锆石核-边δO值差异非常显著(图3)，差值都大于4‰，这不支持含水体系O扩散作用改造原岩锆石O同位素组成。总结一下，18变质重结晶作用和O扩散作用对原岩锆石的O同位素组成改造不显著，负δO值记录了原岩时代的信息。1818锆石可以通过两种方式获得其负δO值：(1)超固相热液蚀变作用；(2)从负δO岩浆中18150结晶。由于地表的大气降水是唯一具有负δO值的水储库，它要直接加入到岩浆房中发生1818高温热液蚀变作用是不切实际的。因此，本研究负δO值锆石核记录了新元古代负δO岩[16]浆作用，它产生于大气降水高温热液蚀变过的岩石发生部分熔融。本研究首次证实了华18南陆块在新元古代存在负δO岩浆作用。4.2对新元古代古气候和古构造的指示意义18155根据原岩锆石的δO值，我们可以估算原始岩浆的O同位素组成，进而限定参与高温18热液蚀变作用的流体的δO值。第一种方法假定原始岩浆SiO2含量为70%，采用锆石与岩[17]18浆分馏值和SiO2的关系，得到原始岩浆的δO值范围为−8.8‰到6.0‰；第二种方法假[18]18定原始岩浆温度为800°C，采用锆石和岩浆分馏值与温度的关系，得到原始岩浆的δO18值范围为−7.9‰到6.9‰。考虑到热液蚀变作用进行程度这一因素，只有锆石最低δO值才18160能对热液流体的O同位素组成作最有效的估计。所以，我们保守认为热液流体的δO值应低于原始岩浆的最低值，也就是−8.8‰到−7.9‰。大别山北部北淮阳地区同原岩时期花岗岩18[19]18中的石榴石也具有−14.4‰的δO值，估算的流体δO值不应该高于−11.6‰。Herwartzet[20]18al.(2015)用三氧同位素方法确定参与华南陆块新元古代高温热液蚀变作用的流体的δO18值为−21±3‰。这些O极度亏损的特征都指示，热液流体有地表大气降水的贡献。[21]165另外，古地磁研究表明，华南陆块在约750Ma时期处于中低纬度地区。对比30°N现1818代大气降水的δO值(−10‰到−3‰)，很显然正常的大气降水是不足以造成本研究报道的O[19]18亏损。因此，热液流体只可能起源于寒冷气候大气降水或者大陆冰川融水。由于O极度亏损的原岩锆石U-Pb年龄早于新元古代两次全球性的冰期事件(Sturtian和Marinoan)，华南陆块的这一期冰川很可能是局地的大陆冰川。总之，这反映了当时非常寒冷的气候，很可能170为后面两次全球性的冰期事件拉开序幕。18当然，要使冰川融水的极度O亏损特征加入到岩石中，需要冰川融水渗透到地壳深部，与岩石发生高温热液蚀变作用。并且，在这过程中岩石和流体之间达到充分的O同位素交换。以上两点都要求一个伸展的、同时具有高地温梯度的构造背景，而大陆裂谷带是最理想[15][22]的区域。本研究原岩锆石U-Pb定年结果与Rodinia超大陆裂解的时间一致，进一步支175持华南陆块新元古代大陆裂谷带的构造背景。此外，华南陆块在新元古代发育双峰式的岩浆-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[23]作用，这与Rodinia超大陆裂解造成大陆裂谷发育是紧密相关的。温度更高的镁铁质岩浆可以进一步促进高温热液蚀变作用和蚀变岩石的部分熔融。总的来说，本研究报道的华南陆18块北缘新元古代锆石O极度亏损的特征是寒冷气候和大陆裂谷构造背景共同造成的结果。5结论18180本研究首次证实华南陆块北缘新元古代存在负δO岩浆作用，它产生于大陆冰川融水高温热液蚀变过的岩石发生部分熔融。大陆冰川融水的参与反映新元古代时期华南陆块非常寒冷的气候。地表水渗透到地壳深部，与岩石发生高温热液蚀变作用则指示伸展的、高地温梯度的大陆裂谷构造背景，与Rodinia超大陆裂解直接相关。所以，寒冷气候和大陆裂谷带18是发育负δO岩浆作用的两个理想条件。185致谢对陈仁旭和陈伊翔老师在野外工作中提供的帮助、李献华和李秋立研究员在二次离子探针分析过程中提供的帮助表示诚挚的谢意。[参考文献](References)190[1]Yui,T.-F.,Rumble,D.andLo,C.-H.Unusuallylowδ18Oultra-high-pressuremetamorphicrocksfromtheSuluTerrain,easternChina[J].GeochimicaetCosmochimicaActa,1995,59(13):2859-2864.[2]Zheng,Y.-F.,Fu,B.,Gong,B.andLi,S.Extreme18OdepletionineclogitefromtheSu-LuterraneinEastChina[J].EuropeanJournalofMineralogy,1996:317-324.[3]Tang,J.,Zheng,Y.F.,Gong,B.etal.Extremeoxygenisotopesignatureofmeteoricwaterinmagmaticzircon195frommetagraniteintheSuluorogen,China:ImplicationsforNeoproterozoicriftmagmatism[J].GeochimicaetCosmochimicaActa,2008,72(13):3139-3169.[4]Chen,Y.-X.,Zheng,Y.-F.,Chen,R.-X.etal.Metamorphicgrowthandrecrystallizationofzirconsinextremely18O-depletedrocksduringeclogite-faciesmetamorphism:EvidencefromU-Pbages,traceelements,andO-Hfisotopes[J].GeochimicaetCosmochimicaActa,2011,75(17):4877-4898.200[5]Wang,X.-C.,Li,Z.-X.,Li,X.-H.etal.Nonglacialoriginforlow-δ18ONeoproterozoicmagmasintheSouthChinaBlock:Evidencefromnewin-situoxygenisotopeanalysesusingSIMS[J].Geology,2011,39(8):735-738.[6]Fu,B.,Kita,N.T.,Wilde,S.A.etal.OriginoftheTongbai-Dabie-SuluNeoproterozoiclow-deltaO-18igneousprovince,east-centralChina[J].ContributionstoMineralogyandPetrology,2013,165(4):641-662.[7]Liu,J.andZhang,L.Neoproterozoiclowtonegativeδ18OvolcanicandintrusiverocksintheQinling205Mountainsandtheirgeologicalsignificance[J].PrecambrianResearch,2013,230(0):138-167.[8]Liu,F.andLiou,J.ZirconasthebestmineralforP-T-timehistoryofUHPmetamorphism:areviewonmineralinclusionsandU-PbSHRIMPagesofzirconsfromtheDabie-SuluUHProcks[J].JournalofAsianEarthSciences,2011,40(1):1-39.[9]Li,X.-H.,Li,W.-X.,Li,Q.-L.etal.Petrogenesisandtectonicsignificanceofthe~850MaGangbianalkaline210complexinSouthChina:EvidencefrominsituzirconU-Pbdating,Hf-Oisotopesandwhole-rockgeochemistry[J].Lithos,2010,114(1-2):1-15.[10]Li,X.-H.,Long,W.-G.,Li,Q.-L.etal.PenglaiZirconMegacrysts:APotentialNewWorkingReferenceMaterialforMicrobeamDeterminationofHf-OIsotopesandU-PbAge[J].GeostandardsandGeoanalyticalResearch,2010,34(2):117-134.215[11]Li,X.,Tang,G.,Gong,B.etal.Qinghuzircon:AworkingreferenceformicrobeamanalysisofU-PbageandHfandOisotopes[J].ChineseScienceBulletin,2013,58(36):4647-4654.[12]Li,X.-H.,Liu,Y.,Li,Q.-L.,Guo,C.-H.andChamberlain,K.R.PrecisedeterminationofPhanerozoiczirconPb/PbagebymulticollectorSIMSwithoutexternalstandardization[J].Geochemistry,Geophysics,Geosystems,2009,10(4):Q04010.220[13]Stacey,J.t.andKramers,J.Approximationofterrestrialleadisotopeevolutionbyatwo-stagemodel[J].EarthandPlanetaryScienceLetters,1975,26(2):207-221.[14]Tichomirowa,M.,Whitehouse,M.J.,Gerdes,A.etal.Differentzirconrecrystallizationtypesincarbonatitescausedbymagmamixing:EvidencefromU-Pbdating,traceelementandisotopecomposition(HfandO)ofzirconsfromtwoPrecambriancarbonatitesfromFennoscandia[J].ChemicalGeology,2013,353(0):173-198.225[15]Zheng,Y.-F.,Wu,Y.-B.,Chen,F.-K.etal.ZirconU-Pbandoxygenisotopeevidenceforalarge-scale18OdepletioneventinigneousrocksduringtheNeoproterozoic[J].GeochimicaetCosmochimicaActa,2004,68(20):-6- 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