（地球化学专业论文）大别—苏鲁造山带浅变质岩石稳定同位素地球化学研究.pdf

捅安 对大别苏鲁造山带浅变质岩石进行了c 、o 和s r 同位索研究，并结合前人对超高压岩石的同 位素研究成果进行了讨论，其结果对扬子板块俯冲的化学地球动力学提供了制约。 所研究的大理岩包括了大别地区北淮阳、苏家河、桐柏、宿松和苏鲁地区张八岭、五莲和坪上 等地的浅变质大理岩和商压大理岩。碳酸盐碳氧同位素分析发现，除了张八岭大理岩6 ”c 值出现明 显正异常( 1 8 ) 外，其它地区大理岩的6 ”c 值均处于0 4 - 2 o ( p d b ) 范围之内。所有地区大理岩 的6 ”o 值都有不同程度的降低，最低的5 ”o 值达到4 5 0 ( s m o w ) 。与前人对大别苏鲁超高压大理 岩碳氧同位素研究结果相对比。发现大理岩6 1 3 c 值分布与岩石是否经过超高压没有联系，而主要反 映了其原岩沉积的时代和环境，并且其特征可以与发生在新元古代的冰川事件相关联。区域性的8 1 8 0 值降低则说明，大部分岩石都经过了流体交换，并且流体的主要成分是水，含碳很少或者不含碳， 因此流体的来源是大气降水，可能与新元古代冰川溶融有关。 从分析过碳氧同位素组成的大理岩样品中挑选出较纯的样品共3 2 件进行了锶同位素比值分 析，选择出保留原始同位素特征程度最高的四个样品进行盲区定年( b l i n dd a t i n g ) ，结果得到，分别 来自港河、张八岭、五莲、双河的四个样品基本给出了约6 0 0 m a 的原岩沉积年代，与m a r i n o a n 冰 期的时代紧密相关。另外分析数据也表现出冰川作用对沉积灰岩碳同位素组成的影响。此外，大别 苏鲁造山带大理岩样品普遍具有较高的8 7 s t ：6 s r 比值，除去他们可能受到了后期成岩作用、水岩交 换及变质作用的改变，也有可能是因为他们沉积时处于陆缘盆地的封闭沉积环境，并受到了冰期前 后陆壳风化加剧的联台作用。 对大别山双河地区榴辉岩和两种片麻岩、北淮阳的变火成岩和变沉积岩、港河地区变质程度校 浅的火成岩以及张八岭地区的细碧岩+ 片岩+ 闪长岩组合中微量碳酸盐进行了碳氧同位素分析。通过 对其6 ”o 和6 t 3 c 值、 i 1 3 c 值与微量碳含量之间关系等的分析，发现浅变质地区的样品普遍没有表 现出碳含量与6 1 3 c 值之间的相关性，因此可能分别记录了其原始火成，沉积来源的碳含量特点和碳同 位素组成特征。而超高压的双河地区表现出明显的原始低碳含量6 1 3 c 值与后期高碳含量高6 1 3 c 值之 间两种来源碳混台的特征原始的低6 1 3 c 值表明其原岩可能曾出露地表或近地表并接受了地表有机 物的贡献，后期的高6 1 3 c 值则表明其可能在板块折返过程中接受了邻近地区大理岩中析出的流体的 迭加变质作用。 对最近发现的超高压腹地出露的港河浅变质岩石进行了单矿物氧同位素分析，并对港河桥头 “浅变质岩石”中的榴辉岩脉进行剖面氧同位素研究，同时对港河地区的超高压岩石组合进行了氧 同位素分析。榴辉岩脉剖面氧同位索研究发现，榴辉岩脉体与浅变质火山角砾岩围岩具有明显的穿 插痕迹，在接触边界上也存在混杂的接触带。但是对浅变质火山角砾岩的矿物对同位素测温给出的 结果明显高于绿片岩相的变质温度，因此可能是高角闪岩相或低温榴辉岩相退变质的温度。对邻近 的超高压岩石组合氧同位素的分析发现，这些超高压岩石与以往报道的大别苏鲁超高压岩石具有相 似性，均表现出不同程度的”o 亏损，矿物对氧同位素测温也记录了榴辉岩相变质和后期角闪岩相 退变质两个温度。因此，港河浅变质岩在板块折返过程中受到了较高程度的退变质作用。 关键词：大理岩，碳同位素，氧同位素， 锶同位素，盲区定年，微量碳酸盐，浅变质岩 2 a b s t r a c t c a r b o n ，o x y g e na n ds t r o n t i u mi s o t o p ea n a l y s e sw e r ec a r r i e do u tf o rl o w g r a d em e t a m o r p h i cr o c k si n t h ed a n e - s u l ut e r r a n e s t h er e s u l t sa r ec o m b i n e dw i t hp r e v i o u ss t u d i e so nt h eu h p m e t a m o r p h i cr o c k st o d i s c u s st h ec h e m i c a ld y n a m i c so f t h e y a n g t z ep l a t es u b d u c a t i o n c a r b o na n do x y g e n i s o t o p ec o m p o s i t i o n s w e r e a n a l y z e d f o rm a r b l e s l i m e s t o n e sf r o ms e v e r a l l o c a l i t i e s ，i n c l u d i n gb e i h u a i y a n g ，s u j i a h e ，t o n g b a la n ds u s o n gi nt h ed a b i et e l t a n e ，a n dz h a n g b a l i n g ， w u l i a na n dp i n g s h a n gi nt h es u l ut e r r a n e t h er e s u l t ss h o wt h a to n l ys a m p l e sf r o mz h a n g b a l i n gh a v e s i g n i f i c a n tp o s i t i v e8 1 3 cv a l u e s ( 1t o8 0 ) ，s a m p l e sf r o mo t h e ra r e a sh a v e8 u cv a l u e ss i m i l a rt ot h en o r r e a l s e a w a t e r ( 0 士2 a p d b ) a l lt h es a m p l e ss h o wd e c r e a s e d8 t s ov a l u e sr e l a t i v et ol i m e s t o n e ，w i t ht h el o w e s t v a l u eu pt o4 5 o ( s m o w ) w h e nc o m p a r i n gt h e s ed a t aw i t ht h o s ef r o mu h p m a r b l e s ，i ti sf o u n dt h a tt h e 8 ) 3 cd i s t r i b u t i o ni nm a r b l e sh a sn o r e l a t i o n s h i pt ot h eu l t r a h i g h - p r e s s u r em e t a m o r p h i s m ，b u tm a i n l yr e f l e c t s t h es e d i m e n t a r y s e t t i n g sa n dp r e c i p i t a t i o nt i m e ，a n dt h e s ef e a t u r e so fi s o t o p i cc o m p o s i t i o nc o u l db er e l a t e d t ot h eg l a c i a t i o nt h a tt o o kp l a c ei nt h en e o p r o t e r o z o i c t h er e g i o n a ld e c r e a s ei n8 1 s 0i n d i c a t e ss i g n i f i c a n t f l u i d r o c ki n t e r a c t i o n t h ef l u i dm a i n l yc o n s i s t so f w a t e r , b u to f f e w e rc a r b o n t h ep r o b a b l es o n r c eo f f l u i d m a y b em e t e o r i cw a t e rt h a tc o u l db er e l a t e dt om e l t i n go f t h e n e o p r o t e r o z o i cg l a c i e r 3 2r e l a t i v e l y p u r e m a r b l es a m p l e st h a tw e r ep r e v i o u s l ya n a l y z e df o rc a r b o na n do x y g e ni s o t o p e c o m p o s i t i o na r es e l e c t e df o ra n a l y s e so f s t r o n t i u mi s o t o p ec o m p o s i t i o n g e o c h e m i c a lc r i t e r i o n sa r eu s e dt o e v a l u a t et h e p r e s e r v a t i o n o fo r i g i n a l i s o t o p i cf e a t u r e s ，a n df o u rl e a s ta l t e r e d s a m p l e sf r o mg a n g h e ， z h a n g b a l i n g ，s h u a n g h ea n dw u l i a na r es e l e c t e df o rb l i n dd a t i n g t h er e s u l t ss h o wt h a ta l lt h e s ef o u r s a m p l e sg i v ea na p p r o x i m a t e l yu n i f o r ma g e so fa b o u t6 0 0 m a ，w h i c hh a sc l o s er e l a t i o n s h i pt ot h em a r i n o a n g l a c i a t i o n t h ed a t aa l s oi n d i c a t e st h ei n f l u e n c eo ft h eg l a c i a t i o no nt h ec a r b o ni s o t o p ec o m p o s i t i o no f l i m e s t o n e s m a r b l e sf r o mt h ed a b i e - s u l ut e r r a n e sc o m m o n l ys h o wm u c h h i g h e r8 7 s r 户6 s rr a t i o st h a nc o e v a l l i m e s t o n e sf r o mo t h e rl o c a l i t i e si nt h ew o r l d b e s i d e st h ep o s t d i a g e n e s i sa l t e r a t i o ns u c ha sf l u i d - r o c k i n t e r a c t i o n ，t h e ym a y a l s oc o m ef r o mt h es p e c i a le n v i r o n m e n to fc l o s e db a s i nu n d e rc o n d i t i o n so f i n c r e a s e d w e a t h e r i n go f c o n t i n e n t a lm a t e r i a l sd u et ot h em e l t i n go f g l a c i e r c a r b o na n do x y g e ni s o t o p i cc o m p o s i t i o n so fm i c r o c a r b o n a t ew e r e a n a l y z e df o re c i o g i t ea n dg n e i s s f r o ms h u a n g h e ，m e t a 。s e d i m e n t sa n dm e t a - i g n e o u sf r o mb e i h u a i y a n g ，m i d d l e t o - l o wg r a d em e t a m o r p h i c r o c k sf r o mg a n g h e ，a n ds o m eh i g h - g r a d em e t a m o r p h i cs i l i c a t e sf r o mz h a n g b a l i n g t h er e s u l t ss h o wt h a t a i lt h e s a m p l e s f r o mt h er o c k so t h e rt h a nu h pr o c k s h a v en o r e l a t i o n s h i p b e t w e e n8 1 3 ca n d m i c r o 。c a r b o n a t ec o n t e n t ，a n dt h u sr e c o r dt h eo r i g i n a li g n e o u s s e d i m e n t a lc h a r a c t e r so f c a r b o nc o n t e n ta n d 8 c s a m p l e sf r o mu h ps h u a n g h el o c a l i t ym a y b ec o n t a i nt h em i c r o c a r b o n a t ef r o mt h et w os o u r c e s ：( i ) o r i g i n a lo n e sw i t hl o wc a r b o nc o n t e n ta n dl o w8 1 3 cv a l u e s ，i n d i c a t i n gt h a tt h er o c k sh a v ei n v o l v e ds o m e o r g a n i cc a r b o nw h e ne m p l a c e dt os u r f a c e - t o 。n e a r - s u r f a c ep l a c e ；( 2 ) t h o s ew i t hh i g hc a r b o nc o n t e n ta n d h i g h8 1 3 cv a l u e sm a y b ea f f e c t e db yt h e n e a r b ym a r b l e sd u r i n gr e t r o g r a d em e t a m o r p h i s m 3 o x y g e ni s o t o p i cc o m p o s i t i o no f m i n e r a ls e p a r a t e sw a sa n a l y z e df r o ml o w - g r a d em e t a m o r p h i cr o c k s a tg a n g h e ，w h i c hl i e sw i t h i nt h eu h p m e t a m o r p h i cb e l ti nd a b i e ，a n df r o mt h es e c t i o no f t h ee c l o g i t ed y k e a tt h ee n do f o a n g h eb r i d g ew h i c hw a se n c l o s e db yl o w - g r a d em e t a v o l c a n i c s ，a sw e l la st h en e a r b yu h p r o c k s t h er e s u l t ss h o wh i n t st h a ti n d i c a t et h ei n t e r l a c e dr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne e l o g i t ed y k ea n dl o w - g r a d e m e t a 。v o l c a n i c s t h e s er o c k sg a v eh i g h e rt e m p e r a t u r eo fa b o u t5 0 0 f r o m o x y g e ni s o t o p ef r a e t i o n a t j o n s i n d i c a t i n gt h a tw h a tw eu s e dt oc a l l e d “l o w - g r a d er o c k s ”h a v ea c t u a l l ye x p e r i e n c e dm e t a m o r p h i s mh i g h e r t h a ng r e e n s c h i s tf a c i e s n e a r b yu h p r o c k sw e r ea l s oa n a l y z e df o rt h e i ro x y g e ni s o t o p i cc o m p o s i t i o na n d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e ys h a r et h es a m ei s o t o p ef e a t u r e sa su h pr o c k ss t u d i e di no t h e ra r e a s ，s u c ha s d e p l e t i o ni n5 ”o a n dr e c o r do ft w ot e m p e r a t u r e st h a tc o r r e s p o n d e dt ot h ee c l o g i t ef a c i e sm e t a m o r p h i s m a n da m p h i b o l i t ef a c i e sr e t r o g r a d em e t a m o r p h i s m ，r e s p e c t i v e l 弘 k e yw o r d ：m a r b l e ，c a r b o ni s o t o p e ，o x y g e ni s o t o p e ，s t r o n t i u mi s o t o p e ，b l i n dd a t i n g ，m i c r oc a r b o n a t e ， l o w - g r a d er o c k 4 刖旨 大别一苏鲁造山带的变质岩中发现柯石英距今已有1 0 多年的历史。随着柯石英、柯石英假相、 粒间柯石英甚至金刚石在越来越多的区域岩石中发现，人们对与超高压变质作用的认识和研究广泛 的铺展开来并取得了丰富的成果( 详见综述z h e n g e t a l ，2 0 0 3 ) 。在对大别苏鲁地质构造结构详细划 分的基础之上，矿物学、岩石学为我们揭示了超高压岩石高达几个g a 的变质压力和与之伴随的8 0 0 ( 2 左右的峰期变质温度，以及扬子大陆板块向北俯冲的深度超过了1 0 0 k m ，达到了上地幔的位置等。 这些结论引起了全世界范围的广泛关注。 作为一种有力的地球化学手段，放射性同位素研究对于建立大别苏鲁造山带的形成及大陆深 俯冲折返事件的地质年代框架起到了重要的作用，随着测定技术的发展，至今科学家们已经积累了 大量的大别- 苏鲁变质岩年代学数据。去除掉不理想和不成熟的实验数据，他们可以为我们大体描绘 出大别- 苏鲁变质岩自从形成以来所经历的地质事件。 大别一苏鲁造山带中不同变质程度的各个构造带所获得的年龄数据具有如下特点： 1 2 2 0 2 4 0 m a 和7 0 0 8 0 0 m a 这两个年龄普遍的出现在大别山各个构造单元( z h e n ge t a 1 2 0 0 3 ) ，尤其是钻石的s h r i m p ( 离子探针) 年龄。微区探针使同时测定锆石环带核部与边部年龄成为 可能，两者分别代表锆石形成的时代以及后期蚀变增生的时代，而新元古和三叠纪的这两个作为测 量得到边部与核部年龄，可以很好的证明岩石侵位于新元古代，并在三叠纪经受了超高压变质事件。 2 北大别地区大量出现的1 2 0 1 4 0 m a 的年龄代表了燕山期火山活动对整个大别地区的广泛影 响。 3 在从片岩、片麻岩、榴辉岩中获得大量年代学数据的同时，对于大别山各个构造带中普遍 出露的大理岩、灰岩至今尚缺乏可靠完整的年龄数据。这主要是由于目前的实验方法无法准确地测 定大理岩中含量极低的放射性同位素的各项参数。目前认为中大别超高压带的大理岩原岩沉积在新 元古代( 王清晨和r u m b l e ，1 9 9 9 ；r u m b l ee t a l ，2 0 0 0 ；z h e n g e t a l ，2 0 0 3 ) ，其主要证据是全球范围以及 中国扬子板块北缘发现的新元古代沉积灰岩的碳同位素组成特征变化曲线与大别山超高压大理岩的 碳同位索组成特征的相似性。 限定超高压变质过程各个阶段的时间尺度，即就是冷却史的研究，使得我们可以对板块俯冲和 折返的动力学机制进行深入的研究a 己知伴随着超高压岩石的抬升，具有不同封闭温度的矿物随温 度降低相继封闭开始计时，从而记录下超高压岩石抬升冷却历史，由此得到的t - t 曲线就是折返机制 研究最直接的资料和证据。研究超高压岩石冷却史所面临的第一个问题是确定它们同片麻岩围岩的 关系及对冷却史研究的影响。如果两者为“原地接触”，则它们具有相同的冷却史，可以用来构置同 一条冷却曲线。而若为“外来”接触，则不具有在一起讨论的价值。通过对大比例尺填图以及岩石学 研究( c o n ge t a l ，1 9 9 5 ) 、构造地质学研究( 徐树桐等，1 9 9 2 ) 以及超高压带中低级变质绿片岩相构造 片岩的发现( 董树文等，1 9 9 6 ) ，基本可以证明大别山含柯石英榴辉岩与周围片麻岩和大理岩等围岩属 于“原地”接触，一同经受了超高压变质过程。 5 过剩氩的存在使得超高压岩石的4 0 a r ，3 9 a r 定年通常得到偏大的年龄( l i e la 1 ，1 9 9 4 ) ，因此超高 压岩石冷却史的研究多采用s m - n d 、r b s r 、u p b 等方法( l ie la 1 ，2 0 0 0 ) 。但对于围岩正片麻岩和 麻粒岩来说，由于尚未发现过剩a r 的存在，4 0 a r 户9 a r 仍然可以使用( l ie ta 1 ，1 9 9 9 ) 。 超高压岩石冷却史的研究均发现在峰期变质之后有一次快速冷却。l ie la l ( 2 0 0 0 ) 对大别山双 河地区的超高压岩石及其围岩进行了s m - n d 、r b s r 定年工作，他们在含柯石英榴辉岩的石榴石+ 绿 辉石+ 金红石组合上得到了s m - n d 等时线年龄2 2 6 3 3 2 m a ，在超高压片麻岩的石榴石+ 两个多硅白 云母组合中获得了s m n d 等时线年龄2 2 6 5 a ：2 3 m a 。两个一致的年龄指示这些岩石中n d 同位素的 平衡，进一步指示了峰期变质的温度是在8 0 0 ( 2 。在超高压片麻岩中的多硅白云母+ 石榴石上得到的 r b - s r 年龄为2 1 9 6 6 m a ，指示了第一次快速冷却到5 0 0 ( 2 的时间。再根据封闭温度约在4 5 0 c 3 0 0 的退变质矿物如角闪石或黑云母等得到的1 7 4 士7 8 m a 一1 6 9 2 * 3 3 m a 以及围岩花岗片麻岩中广泛得到 的类似年龄数据，确定了第二次快速冷却的时代，从而得到超高压岩石和围岩花岗片麻岩等都有着 类似的冷却曲线。 稳定同位素研究在大别苏鲁造山带的化学地球动力学研究中占有重要地位。在前人对大别苏 鲁造山带岩石所进行的稳定同位素研究中，绝大多数集中在超高压榴辉岩及其片麻岩或大理岩围岩 上( y u ie t a l ，1 9 9 5 ，1 9 9 7 ；z h e n ge t a l ，1 9 9 6 ，1 9 9 8 a ，1 9 9 8 b ，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ；f ue t a l ，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ，2 0 0 2 ； r u m b l ee t a l ，1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) 并且取得了重要的进展。在对超高压变质榴辉岩进行的氢氧同位素研究中 ( z h e n ge ta 1 ，1 9 9 8 a , 1 9 9 9 ) ，发现了大别苏鲁超高压榴辉岩8 1 8 0 的强烈降低，大别山榴辉岩的6 ”o 值变化范围从- 2 6 0 - - + 7 0 9 6 0 。而在对苏北东海青龙山的榴辉岩样品的分析中，得到了已发现的最低 榴辉岩6 1 8 0 值：一1 0 4 0 。随着近几年来工作的进一步开展，大别苏鲁超高压榴辉岩普遍出现6 i s o 值的降低已成为共识( z h e n ge t a l ，2 0 0 3 ) 。同时分析发现含羟基矿物的8 d 值也显著降低，大别山分 析样品的5 d 值变化范围在5 1 w - - 8 3 n ，而东海青龙山样品中多硅白云母的6 d 值变化范围更低到了 * 1 0 4 o 一- 8 3 0 ( z h e n ge l a l ，2 0 0 3 ) 。 分析中得到的同一样品中不同矿物的6 s o 值富集顺序符合经验和理论预测的平衡分馏顺序， 矿物对同位素测温也基本给出一致的结果( 6 5 0 - 7 5 0 c ) ，证明超高压岩石形成后经历了快速降温或 降压( z h e n g e ta 1 ，1 9 9 8 a ) 。这种异常低6 ”o 值的出现表明岩石与强烈亏损”o 和d 的流体进行过同 位素交换，大范围的流体作用中一般的流体来源是海洋水或大气水，考虑到古海水不会具有如此之 低的6 j s o 值，与这些超高压榴辉岩原岩发生同位素交换的流体最可能是来源于古大气降水。同位素 平衡的保存也排除了峰期变质之后的退变质过程中流体的加入。 z h e n ge ta 1 ( 1 9 9 8 b ) 和r u m b l ee ta 1 ( 2 0 0 0 ) 对大别山与超高压榴辉岩共生大理岩的碳氧同位 素进行了研究。发现其具有明显正异常的6 1 3 c 值，范围在1 7 一5 7 。这种正异常可以告诉我们两 条信息：沉积岩灰岩的碳同位紊组成指示其特殊的沉积环境。由于地质历史上大部分时期海水以 及从其中沉积的海相灰岩的8 1 3 c 值均为0 a ：2 ( h c 0 3 一c 。c 0 3 r 2 5 o ) ，而正异常的6 1 3 c 值则般出现 在特殊的沉积环境中。z h e n ge t a l ，( 1 9 9 8 b ) 认为这些正异常的8 1 3 c 值代表了这些大理岩原岩沉积时 的封闭盆地环境；因为正常地幔6 ”c 值约为5 - + , 2 0 ，具有6 1 3 c 值正异常的灰岩在经历深俯冲到达 地幔时t 如果陆壳物质与地幔物质发生较大规模的质量交换，则一定会使得6 1 3 c 值向地幔方向靠拢。 6 因此这种高达+ 5 7 o 的大理岩6 ”c 值的保存，可以说明三叠纪的陆壳深俯冲过程中，陆壳物质在地 幔深度停留时间很短。并未与地幔物质发生明显的相互作用( z h e n g e la 1 ，1 9 9 8 b ) 。 一直以来对于大别苏鲁造山带的地球化学研究大多将重点放在超高压变质带上，而对于浅变 质地区尚有不足。其实鉴于浅变质带岩石与超高压带在时间和空间上的可比性，对其进行稳定同位 素地球化学研究更加有助于认识超高压变质作用的动力学过程。周建波等t ( 2 0 0 1 a ，b ) 已经对大别 苏鲁的浅变质构造带进行了初步研究，认为这些岩石与超高压岩石在时空上具有同源性，只是在陆 壳俯冲过程中行为不同。 对北淮阳和港河地区的浅变质岩石进行的放射性同位素地质年代学的研究得到了与超高压高 压变质带可以进行比较的年代学数据。大别山港河浅变质岩中有董树文等( 1 9 9 6 ) 得到的7 6 0 8 2 0 m a ( 锆石u p b ) 和7 9 0 土1 9 m a ( 全岩s m - n d ) 的浅变质岩原岩形成年龄，以及2 3 2 士8 m a ( r b s r 等时线) 的印支期年龄；谢智等( 1 9 9 9 ) 则得到了4 7 1 士6 9 m a 的加里东期事件的年龄。结合在港河浅变质岩中 发现的扬子型震旦纪藻类化石l e i o s p h a e r i d i as p ，t r a c h y s p h a e r i d i u ms p 和微植物碎片p r o t o t r a c h i t e s s p ，r e t i n a r i t s es p 等( 钱存超，1 9 9 6 ) ，可以认为超高压带内部港河浅变质岩石原岩形成时代至少在震 旦纪或以前，并且经受到了加里东期和三叠纪地质事件的影响。 北淮阳地区浅变质岩石中所获得的年龄数据主要包括 t 2 3 0 m a 的印支期年龄( 郝杰等，1 9 8 8 ； 叶伯丹等，1 9 9 3 ；牛宝贵等，1 9 9 4 ) 以及, - 4 0 0 m a 的加里东期年龄( 叶伯丹等，1 9 9 3 ；郝杰等，1 9 9 8 ) 。 在佛子岭群岩石中发现了丰富的扬子型微古生物化石如p r o t o t r a c h i t e ss p ，t r e m a t o s p h a e r i d i u m s p ， t a e n i a t u ms p ，s t e n o m a r g i n a t as p 等( 郑文武，1 9 6 4 ) ，庐镇关群的变辉长岩中获得了一7 5 0 m a 的锆石 u p b 谐和年龄( 谢智等，2 0 0 2 ) 。 综合北淮阳和港河地区的年代学数据和化石资料，可以发现大别地体的浅变质岩系与超高压单 元具有可比性。这种可比性不但体现在其年龄时代上的一致性、空间位置的重叠性，也在原岩性质 上有所表现( 周建波等，2 0 0 1 a ) ：浅变质岩系作为扬子北缘的表层岩石组合，主要包括了震旦纪一古 生代浅变质沉积岩，以及表层岩石的陆壳结晶基底如新元古代花岗岩中基性杂岩体灰岩的组合， 这与经过深俯冲超高压变质岩的原岩组合基本相同。 对于大别地区浅变质岩石的大地构造和岩石学工作等，前人已经进行了比较详细的工作，同时 也存在许多的争论。而对于这些岩石的稳定同位素工作尚未系统地展开。由于其与超高压变质带岩 石的可比性基础，对其进行稳定同位素研究可以对陆陆碰撞深俯冲的动力学过程作出更具说服力 的认识。 虽然经过1 0 多年的热点研究，我们对于大别苏鲁造山带的许多方面包括大地构造框架、形成 机制，进而对于三叠纪陆一陆碰撞深俯冲- 折返的年代学和化学地球动力学问题取得了丰硕的成果 ( z h e n ge ta 1 ，2 0 0 3 ) ，然而仍然需要补充更多的观察事实和地球化学数据来严密解释已有的现象，同 时也存在一些仍未能解决的问题； 大理岩碳同位素正异常：超高压变质过程对于大理岩碳同位素是否有影响? 这些正异常值 代表了什么样的地质意义? 在前人对u h p 大理岩研究的基础之上，我们希望对比研究其 他地区的大理岩样品从而找到答案。 7 大理岩原岩灰岩沉积时代：大理岩普遍缺乏定年资料来限定其原岩的沉积时代，而这对于 正异常碳同位素组成大理岩的合理解释具有重要意义，因此我们希望通过对大理岩s r 同 位素比值的测定能够给出一些证据。 硅酸盐岩中微量碳酸盐组成制约：这直接对应于流体的存在，而其碳氧同位素组成则可以 指示可能的流体来源。本文对超高压变质的双河地区、浅变质的北淮阳地区和港河地区以 及高压变质的张八岭地区的部分硅酸盐样品进行了微量碳酸盐的碳氧同位素研究。 浅变质火山岩：最近在超高压带内部港河地区发现的浅变质的火山岩，引起学术界对于这 些浅变质岩的存在和其与周围超高压岩石的关系的激烈讨论。尤其是港河桥头浅变质火山 岩中夹榴辉岩脉体的现象，对我们已有的认识产生了巨大的挑战。本文特地对这个脉体做 了两个剖面，希望通过对其进行剖面上的氧同位素分析认定其存在关系。 本文的主要工作量小结如下表 8 第一章构造地质背景和年代学框架 1 大地构造框架 大别- 苏鲁造山带呈东西向位于中国中东部，是南部的扬子板块与北部的华北板块碰撞的产物 ( c o n g ，1 9 9 6 ) 。目前大多数学者认为这次剧烈的大陆板块碰撞发生在距今约2 2 0 2 4 0 m a 的三叠纪f l i “a 1 ，t 9 9 9 ) ，碰撞过程中扬子板块向华北板块之下俯冲超过1 0 0 公里的深度井迅速折返出露地表， 大别- 苏鲁榴辉岩和片麻岩中发现的超高压相变质矿物柯石英为这种判断提供了证据。在碰撞发生时 及之前，苏鲁地体与大别地体曾经是连为一体的，在俯冲之后由于构造运动使苏鲁地体沿郯庐断裂 左行平移约5 0 0 公里( x ue ta 1 ，1 9 8 7 ) 。 大别地体从北到南可以分为四个构造单元( 图1 - 1 ) ，即北淮阳构造带、北大别高压混合岩带、 中大别超高压变质带和南大别高压变质带。在三叠纪板块碰撞过程中各个构造单元的俯冲行为有所 不同，形成了代表不同温压条件的变质矿物集合体。 晓天磨子潭断裂以北属于北淮阳带，包括佛子岭群浅变沉积岩和庐镇关群变火成岩，其中前 者主要由石英岩、石英片岩、千枚岩、板岩和大理岩等岩石组合构成，变沉积岩主体为绿片岩相变 质复理石系。周建波等( 2 0 0 1 a ) 认为，北淮阳带是板块俯冲过程中刮下来的陆壳残片，称为“构造 加积楔”，在三叠纪的板块碰撞中没有深俯冲下去。佛子岭群含有丰富的震旦纪扬子型微古生物化石， 指示佛子岭群原岩的沉积年龄是在新元古代( 郑文武，1 9 6 4 ) 。 晓天- 磨子潭断裂以南、五河- 水吼断裂以北所夹部分为北大g m 高压杂岩带。主要出露岩石为云 母斜长片麻岩、二长片麻岩、花岗片麻岩等，此外也出露角闪岩、大理岩以及少量榴辉岩。这一构 造带中，也发现了大面积的燕山期岩浆活动。 北大别以南直到宿松群出露之间划为中大别。该地区的片麻岩和大理岩中广泛发育超高压相的 榴辉岩，以太湖石马、潜山牌楼、岳西菖蒲等地较为特征。榴辉岩露头大小不等，可以从几厘米到 数百米。其中最大的榴辉岩体出露在碧溪岭，长度约1 0 0 0 m ，宽则有7 0 0 m 。1 9 8 9 年在中大别地区 首次发现柯石英及其假象( o k a y e fa 1 ，1 9 8 9 ；w a n ge ta l ，1 9 8 9 ) ，之后又发现金刚石( x ue ta l ，1 9 9 2 ) 。 而含有柯石英的岩石类型则也不仅限于榴辉岩，而是扩展到了片麻岩和大理岩。因此，可以确定中 大别榴辉岩的围岩也一道经历了超高压变质。另外，根据阳离子地质温度计的计算发现，中大别超 高压岩石从南到北，从西向东变质程度逐渐增加。 南大别宿松群广泛出露大理岩、石英云母片岩、片麻岩等组合。宿松群的时代长久以来认为属 于早中元古代，其主要根据是宿松群对于原先的晚太古代大别群之间厘定为不整合接触和一些早期 年代学数据。但侯金明等( 1 9 9 5 ) 撰文指出，根据他们对宿松群的研究，重新认定其与大别群之间应 为过渡关系，并且根据孢粉组合、地层序列等方面认定宿松群的时代应该为震旦纪。宿松群中发现 了高压的蓝片岩带，并存在记录三叠纪碰撞事件的同位素年代学证据( h a c k e re la 1 ，2 0 0 0 ) 说明宿 松群岩石在板块碰撞俯冲折返过程中变质程度较高。 9 图i - i 大别苏鲁地质构造简图 f i g1 - 1s k e t c hg e o l o g i c a lm a p o f d a b i e - s u l ut e r r a n e s 在四个构造带中，中大别单元俯冲最深，超过1 0 0 公里并达到了上地幔的深度，结果在其高的 压力条件下形成了柯石英和金刚石等特征矿物。北大别和南大别俯冲深度相对较浅，可能没有经过 超高压变质；而北淮阳可能仅仅是板块碰撞过程中刮下来的陆壳残片，并没有俯冲下去( 周建波等 2 0 0 1 a ) a 郯庐断裂以东苏鲁高压- 超高压变质带被北边的五莲威海断裂、南边的嘉山响水断裂和西边 的郯庐断裂所夹a 三叠纪碰撞以后发生左旋的郯庐断裂，苏鲁地体开始沿郯庐断裂左行平移，使得 其现在相对于大别地体向北错动大约5 0 0 公里。其主体分为两个部分，界线由东西向的连云港泗阳 断裂控制。以北为超高压变质带，其中发现大面积的含柯石英变质岩。超高压带主要由花岗片麻岩、 1 0 角闪岩、大理岩组成，一些花岗片麻岩和大理岩中含有大量榴辉岩夹层或岩块。超高压带中也有少 量浅变质岩石出露( 董树文等，1 9 9 6 ；周建波等，2 0 0 t b ) 。连云港一泗阳断裂以南属于高压变质带，称 为张八岭群( 或海州群) ，主要出露岩石为石英白云片岩、硬绿泥石- 兰晶石白云石英片岩以及少量绿 片岩的组合。 2 地质年代学研究 对大别地体各个构造带乃至各种岩石类型分类精确定年是研究三叠纪超高压事件的基础。在变 质程度不高的北淮阳地区等尚可以以化石来作为一个重要手段，但是对于超高压岩石来说，放射成 因同位素年代学则是目前的最佳途径，直到迄今为止的近1 0 年中，随着测定技术的发展，科学家们 积累了大量的大别山变质岩年代学数据，除去少数不理想数据，它们可以对于大别山变质岩自从形 成以来所经历的地质事件作出有效的限定。 北淮阳地区庐镇关群变质火成岩给出的锆石u 。p b 年龄约为7 5 0 m a ，这基本代表了这些岩石侵 位的时代( h a c k e r e ta 1 ，1 9 9 8 ；谢智等，2 0 0 2 ) 。而佛子岭群的绿片岩相浅变质岩石尚缺乏可靠的年代 学证据，不过其沉积原岩的时代应属震旦纪。 北大别片麻岩、榴辉岩的年龄数据主要集中在7 0 0 8 0 0 m a 、2 4 0 2 2 0 m a 、1 2 0 1 4 0 m a ( 李曙光 等，1 9 8 9 a ，1 9 8 9 b ；x u ee la 1 ，1 9 9 7 ；h a c k e re ta 1 ，1 9 9 8 ；刘贻灿等，2 0 0 0 ；x i ee ta l ，1 9 9 8 ；陈道公等， 2 0 0 0 ) 三组数据上，分别代表了其原岩侵入、高压变质和燕山期岩浆作用的年代。 中大别超高压岩榴辉岩和片麻岩等通过各种方法( 锆石u p b 、s m - n d 等时线) 都基本给出了 一致的年龄数据，包括了7 0 0 8 0 0 m a 和2 4 0 2 2 0 两个地质年龄，分别代表其原岩侵入和超高压变质 的年代( l i e ta 1 ，1 9 9 9 ；z h e n ge ta l ，2 0 0 3 ) 。 南大别宿松群的年龄数据不是很多，主要有h a c k e re ta 1 ( 2 0 0 0 ) 在钾白云母中得到的2 2 0 m a 的4 0 a t 3 9 a r 年龄，x i e e t a l ( 2 0 0 1 ) 在蓝片岩残留锆石中获得的一4 0 0 m a u p b 年龄。c h e ne t a l ( 2 0 0 3 ) 对锆石u - p b 定年的结果给出了7 8 5 7 m a 的岩浆侵入年龄和2 0 f f a ：1 2 的高压变质年龄。 第二章同位素分析方法 1 碳酸盐岩h 3 p 0 4 法分析 m c c r e a 于1 9 5 0 年提出的磷酸法提取碳酸盐样品中的碳，进行同位素分析的方法一直沿用至今， 并且随着稳定同位素地球化学的不断发展，磷酸法也不断的被改进和完善，现在已经成为国内外大 多数实验室进行碳酸盐碳氧同位素分析的常规方法。 相比较其他的可选反应物如有机酸或硝酸等，磷酸具有低蒸汽压、不与反应物碳酸盐样品中的 氧发生同位素交换，以及不会为实验系统带入杂质气体等优点，其反应原理方程式如下； 3 m c 0 2 + h s v 0 4 - - ) m s ( p 0 4 ) + 3 h 2 0 + 3 c 0 2 实验简要流程如下： 将碳酸盐样品粉碎成粉末状，开始装入真空系统反应之前至少将样品在8 0 。c 烘干1 小时。 称取样品2 0 3 0 m g 装入反应管主管中，并在支管中装入磷酸约3 5 m l ，使用连接活塞将 反应管接至真空系统上。 打开活塞使反应管和真空系统连通，开机械泵，使反应管在7 0 水浴环境中加热去气， 直至真空度优于1 p a 。 检查真空度保存状况良好，降低水浴温度到2 5 c ，封闭反应管，倒转支管使磷酸进入主 管通样品反应4 小时。 提取样品中方解石与磷酸反应放出的c