刘栋：通过钙钛矿原位分析揭示西秦岭黄长岩成因和高原侧向生长过程

来源：中国地质大学

在印度-欧亚大陆碰撞之后，幔源碱性岩浆作用广泛分布于青藏高原及其周缘地区。在空间分布上与大型走滑断裂系统呈密切共生关系的晚古近纪-第四纪碱性岩浆岩被认为与高原侧向扩展和构造块体挤出有关，为揭示高原岩石圈深部物质组成、探索高原侧向生长的深部动力学机制提供了重要视角。然而，青藏高原岩石圈因印度-欧亚大陆的持续汇聚而显著加厚，导致幔源岩浆在演化过程中容易受到岩石圈地幔和地壳物质的强烈混染和改造，增加了利用幔源岩石全岩地球化学成分反演其岩浆源区性质的难度。而前人研究中广泛采用的K-Ar和Ar-Ar定年方法因较低封闭温度也难于准确约束幔源碱性岩浆作用的形成时间。

针对上述科学问题，我校“大陆汇聚与青藏高原隆升”求真研究群体刘栋博士、赵志丹教授及其合作者选择幔源贫硅富碱岩浆早期结晶的副矿物为突破口，借助EPMA、LA-ICPMS、SIMS和LA-MC-ICPMS等高精度原位分析技术，对青藏高原东北缘西秦岭造山带（图1）的早中新世黄长岩中的钙钛矿（CaTiO₃）开展了系统的U-Pb定年、主微量元素和Sr-Nd同位素测试。研究取得的新认识如下：

1、根据钙钛矿颗粒均匀无环带、无矿物包裹体、低SiO₂高CaO等判别特征，可确定钙钛矿结晶于黄长质岩浆演化的早期阶段，其成分并未受到后期蚀变改造；

2、钙钛矿颗粒具有与金伯利岩钙钛矿相似的微量元素配分模式；与基于全岩数据进行的平衡结晶模拟结果相比，这些早期结晶钙钛矿具有更低的Th/U比值和更高的HREE含量，表明西秦岭黄长岩的原始岩浆具有较高的CO₂含量；

3、钙钛矿颗粒显示了比黄长岩和地幔包体更低的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_i和更高的ε_Nd(t)，表明早期结晶的钙钛矿颗粒更好地保存了原始岩浆的Sr-Nd同位素成分，该原始岩浆在上升过程中与岩石圈地幔的相互作用导致其同位素组成发生了改变（图2）；

4、综合考虑岩石圈厚度、古特提斯洋俯冲消减对青藏高原东北缘上地幔的影响，认为西秦岭黄长岩的原始岩浆起源于软流圈地幔的低度部分熔融，其地幔源区经历过含碳酸盐洋壳沉积物的俯冲交代作用（图2）；该结论与实验岩石学观察结果和Sr-Nd同位素模拟结果相符，也与西秦岭黄长岩高Nb/U和Ce/Pb、低δ²⁶Mg的地球化学特征一致；

5、钙钛矿SIMS U-Pb定年结果（16-20 Ma）证明西秦岭黄长质岩浆作用与藏北碰撞后钾质-超钾质岩浆作用时代均为早中新世，在时-空分布上与昆仑走滑断系统带密切相关（图1）；

6、综合高原周缘碰撞后岩浆作用时空分布特征和藏北地区昆仑走滑断裂带深部地震层析结果（图3），提出印度-欧亚大陆持续汇聚激活了高原内部和周缘地区先存的薄弱地带（例如古老的缝合带），不仅造成构造块体沿的侧向挤出，还为富含挥发分的幔源碱性岩浆的形成、侵位和喷发提供了岩浆通道。

该研究基于岩浆成因钙钛矿的原位微区分析，不仅准确厘定了西秦岭黄长岩的形成时代并且阐明了其岩石成因，更深入刻画了古特提斯洋含碳酸盐沉积物的俯冲对深部地幔的交代改造过程。取得的成果对于幔源碱性岩浆岩的成因解析、地幔碳酸盐交代作用和深部碳循环过程的示踪、通过构造-岩浆作用探讨高原侧向生长过程中伴随的深部动力学过程等科学问题都有重要的参考意义。

图1：青藏高原东北缘构造和碰撞后岩浆作用时空分布特征

图2：钙钛矿、西秦岭黄长岩和地幔包体的Sr-Nd同位素组成

图3：青藏高原东北缘的地形和地震层析剖面

上述研究成果发表在地质学国际权威刊物《Geology》上：Liu, D.*, Zhao, Z., Niu, Y., Zhu, D.-C., Li, X.-H. 2018. Perovskite U-Pb and Sr-Nd isotopic perspectives on melilitite magmatism and outward growth of the Tibetan Plateau. Geology 46(12): 1027-1030. [IF2017=5.073]

全文链接：http://dx.doi.org/10.1130/G45329.1

附件20181204082811329531.pdf (644.57715KB)