大别-苏鲁造山带变沉积岩锂同位素地球化学及其示踪意义

论文摘要

多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）的发展大大提高了锂（Li）同位素的分析精度,使得Li同位素逐渐被应用于各种地质研究中。Li是最轻的金属元素,有两个稳定同位素6Li（7.6%）和7Li（92.4%）,两个同位素间较大的相对质量差（17%）和扩散速率差（3-5%）,使得各种地质过程中可以产生显著的Li同位素分馏（高达80‰）。目前已有大量关于各地质储库Li同位素组成特征的研究,尤其是地壳和地幔储库Li同位素组成的差异,使得Li同位素在示踪壳幔物质循环方面显示出巨大的潜力。但目前关于俯冲带变质岩,尤其是深俯冲进入地幔的超高压变质岩Li地球化学研究还不完善,除了超高压榴辉岩,其他超高压变质岩的Li同位素组成还鲜有报道,俯冲带超高压变质过程的Li同位素地球化学行为及其分馏尺度还存有争议。因此,本博士论文基于以上科学问题,选取大别-苏鲁造山带广泛出露的超高压变沉积岩（大理岩和硬玉石英岩）展开详细的Li同位素地球化学研究。本博士论文的第一部分内容是超高压大理岩的Li同位素地球化学研究及其对深部碳循环的示踪意义。地球表层和内部的碳循环是维持全球宜居气候的关键环节,俯冲带是表层碳循环进入地球深部的主要通道。我们对大别-苏鲁造山带的超高压大理岩全岩主微量元素和Li同位素组成进行了详细的分析。结果显示超高压大理岩的Li同位素组成（δ7Li=+1.3-+21.5‰,平均+8.3‰）显著高于正常地幔的Li同位素组成（δ7Li=+2.0-+5.7‰,平均+3.7‰）,Li含量（[Li]=0.5-6.5 ppm,平均 1.9ppm）与地幔的 Li 含量相当（0.9-2.7ppm,平均 1.5 ppm）。结合主微量元素组成特征,排除了风化作用、流体活动、俯冲及折返过程Li同位素分馏对超高压大理岩Li同位素组成的影响,折返回地表的超高压大理岩可以代表深俯冲进入地幔的碳酸盐岩Li同位素组成特征。由于硅酸盐组分的Li同位素组成通常低于碳酸盐组分的Li同位素,因此大理岩中含有不等量的硅酸盐矿物可能是大理岩Li含量及Li同位素组成变化范围大的主要原因。但部分超高压大理岩的Li同位素组成显著高于正常地幔。因此这些重Li同位素组成的超高压大理岩可以作为载体将地表重的Li同位素组成携带至深部地幔,为地幔源区提供重Li同位素组成的物源,在地幔形成局部重Li同位素不均一。这种重Li同位素不均一可能通过地幔来源的岩石样品表现出来。因此,超高压大理岩作为俯冲带重要的含碳物相,其显著高于地幔的Li同位素组成特征,使得Li同位素具有示踪深部碳循环的潜力。本博士论文的第二部分研究内容为超高压硬玉石英岩的Li同位素地球化学及其对俯冲带流体活动和交代过程的示踪意义。我们对15个硬玉石英岩全岩的主微量元素和Li同位素组成,硬玉和石英单矿物的Li同位素组成进行了详细的研究。新鲜硬玉石英岩样品全岩Li含量（3.6-17.0 ppm,平均11.2 ppm）高于地幔值（1.5 ppm）,Li同位素组成（-2.6～-13.5‰,平均-6.0‰）低于地幔值（+3.7‰）。全岩的δ7Li值与Li含量呈正相关,与Th/U比呈负相关,表明其成因与流体活动相关。由于俯冲脱水过程Li同位素分馏程度很小,因此硬玉石英岩的Li同位素组成特征可能是流体交代所致。新鲜硬玉石英岩中石英与硬玉间的δ7Li值之差变化范围很小,Δ7Li Qz-Jd几乎都在3‰左右,表明流体与变质杂砂岩交代形成硬玉石英岩的过程中石英和硬玉之间Li同位素达到平衡状态。根据平衡分馏计算,与硬玉石英岩平衡的超高压变质流体具有轻Li同位素组成（-11.6‰）;根据杂砂岩与超高压变质流体混合计算,结果显示俯冲带超高压变质流体具有低Li含量（3-6.5 ppm）和轻Li同位素组成（-14‰）。两种计算都表明超高压变质流体具有极轻的Li同位素组成特征。退变质硬玉石英岩的Li含量（2.1-13.6ppm,平均 5.3ppm）略低于新鲜样品（3.6-17.0ppm,平均 11.2ppm）,但其 δ7Li 值（0～+4.3‰,average+1.9‰）高于新鲜样品（-2.6～-13.5‰,平均-6.0‰）,退变质样品中石英与后成合晶的δ7Li值之差（Δ7Li（quartz-symplectite））都在1‰左右,表明硬玉石英岩与退变质流体交代时,石英与硬玉退变形成的后成合晶矿物间达到了新的Li同位素平衡。这可能是由退变质流体活动时矿物与流体间Li同位素扩散分馏所致。综上,由俯冲带超高压变质流体交代形成的硬玉石英岩具有显著轻于地幔的Li同位素组成特征,随板片俯冲进入深部地幔后可能在地幔形成局部轻Li同位素异常,这可能解释了某些交代地幔显示出异常轻的Li同位素组成特征。因此,硬玉石英岩的Li同位素组成对俯冲带变质流体活动及交代过程具有示踪意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 前言
•   1.2 研究内容
•   1.3 论文工作量小结
• 第2章 Li同位素地球化学及选题意义
•   2.1 Li元素赋存状态及地球化学性质
•   2.2 Li同位素体系及其表达方式
•   2.3 Li同位素分馏
•     2.3.1 Li同位素热力学平衡分馏
•     2.3.2 Li同位素动力学非平衡分馏
•   2.4 Li在地质过程中的分馏行为
•     2.4.1 大陆风化过程
•     2.4.2 洋壳低温蚀变过程
•     2.4.3 部分熔融及结晶分异过程
•   2.5 地质储库的Li同位素组成
•     2.5.1 地幔Li同位素组成
•     2.5.2 洋壳Li同位素组成
•     2.5.3 大陆壳Li同位素组成
•     2.5.4 水圈Li同位素组成
•   2.6 选题依据及其意义
• 第3章 分析方法
•   3.1 矿物拉曼光谱分析
•   3.2 全岩主量元素分析
•   3.3 全岩微量元素分析
•   3.4 Li同位素分析
•     3.4.1 溶样流程
•     3.4.2 离子交换柱层析分离
•     3.4.3 Li同位素组成测定
• 第4章 大别山硬玉石英岩Li同位素研究
•   4.1 引言
•   4.2 地质背景及研究现状
•   4.3 岩相学特征
•   4.4 分析结果
•     4.4.1 主微量元素
•     4.4.2 Li含量和Li同位素组成
•   4.5 讨论
•     4.5.1 硬玉石英岩Li同位素组成特征
•     4.5.2 Li同位素对硬玉石英岩成因的制约
•     4.5.3 硬玉石英岩对深部流体Li同位素组成的制约
•     4.5.4 退变质硬玉石英岩示踪退变质流体活动
•     4.5.5 Li同位素示踪俯冲物质再循环
•   4.6 小结
• 第5章 大别-苏鲁造山带大理岩Li同位素研究
•   5.1 区域地质背景
•     5.1.1 大别-苏鲁造山带空间分布
•     5.1.2 大别-苏鲁造山带超高压大理岩
•   5.2 俯冲带变质岩Li同位素研究现状
•     5.2.1 俯冲带低级变质岩-片岩相
•     5.2.2 俯冲中级变质岩-角闪岩相
•     5.2.3 俯冲带高级变质岩-榴辉岩
•   5.3 大理岩与深部碳循环
•   5.4 样品描述及岩相学研究
•   5.5 分析结果
•     5.5.1 超高压大理岩微量元素地球化学
•     5.5.2 超高压大理岩微量元素地球化学
•     5.5.3 Li含量和Li同位素
•   5.6 讨论
•     5.6.1 超高压大理岩Li含量和Li同位素组成
•     5.6.2 深俯冲碳酸盐岩与地幔Li不均一
•     5.6.3 Li同位素对示踪深部碳循环的意义
•   5.7 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文和会议摘要

文章来源

类型: 博士论文

作者: 万红琼

导师: 肖益林

关键词: 同位素,大陆俯冲,流体活动,变质交代,同位素分馏,大别苏鲁造山带,超高压大理岩,深部碳循环,超高压硬玉石英岩

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地质学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P588.2;P597

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000439

总页数: 148

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