俯冲带变质流体中Ti-Nb-Ta迁移和分异的机制：大别-苏鲁超高压榴辉岩和变质脉研究

Investigation of geochemical behavior of Ti-Nb-Ta in metamorphic fluids in subduction zones can play robust constraints on the generation of continental crust and island arc magmas. Ti, Nb, and Ta have long been regarded as fluid-immobile elements during subduction-zone metamorphism. However, the findings of Nb-Ta-rich rutile (TiO2) in metamorphic veins within (ultra)-high pressure metamorphic rocks indicate that Ti-Nb-Ta may be both transportable and fractionated during flow fluid within deep regions of subduction zones. Nonetheless, the mechanism of transportation and fractionation is controversial, focusing on the composition and property of subduction-zone metamorphic fluids and the intensity of fluid-rock interaction. As veins in metamorphic rocks are able to provide important information on fluid flow and element mobility during subduction-zone metamorphism, this study will carry out a combined study of petrology, fluid/multiphase solid inclusions, geochemistry and geochronology of zircon on the system of ultra-high pressure eclogite-vein from the Dabie-Sulu orogenic belt, trying to probe into and check: (1) the effects of the composition and property of metamorphic fluids and fluid-rock interaction on the Ti-Nb-Ta mobility/fractionation; (2) the formation mechanism and evolution of polymineralic metamorphic veins in Dabie-Sulu eclogites.

研究俯冲带变质流体中Ti-Nb-Ta的地球化学行为能够制约大陆地壳和岛弧岩浆岩的成因。传统观点认为Ti-Nb-Ta是流体"不活动性"元素。申请人及其它近年来的研究发现（超）高压岩石中变质脉内含有大量的富集Nb-Ta的金红石（TiO2），说明在特定的情况下，俯冲带变质流体能够导致Ti-Nb-Ta的有效迁移和分异。但是，迁移和分异的机制尚存在着较大争议，争论的焦点在于俯冲带变质流体的成份、性质和流体-岩石相互作用的强度等方面。变质脉能够提供俯冲带流体活动和元素迁移的重要信息，因此本申请拟以大别-苏鲁超高压榴辉岩-变质脉体系为研究对象，结合详细的岩相学、流体/多相固体包裹体、地球化学和锆石年代学等多种手段，探讨和验证：（1）Ti-Nb-Ta的迁移和分异与俯冲带变质流体的组成和性质以及流体-岩石相互作用的关系；（2）大别-苏鲁榴辉岩中矿物组合复杂脉的形成机制和演化。

研究俯冲带变质流体中微量元素（包括高场强元素Ti-Nb-Ta）的迁移和分异机制有助于理解大陆地壳和弧岩浆岩的成因。本项目选择苏鲁造山带池庄超高压榴辉岩及相关变质脉和大别山南部朱家冲地区角闪岩（榴辉岩退变质的产物）及接触的花岗片麻岩为研究对象，实施了详细的岩相学观察，分析了全岩和单矿物的主微量元素含量、Sr-Nd-O同位素组成以及锆石U-Pb年龄。池庄榴辉岩和变质脉的研究发现：（1）变质脉矿物组合为石英 + 石榴石 + 绿辉石 + 多硅白云母 + 蓝晶石 + 黝帘石 + 金红石 + 锆石，与寄主榴辉岩类似；（2）变质脉的峰期变质温压为692 ± 65 oC和3.6 ± 0.3 GPa；（3）脉体中锆石U-Pb年龄为218 ± 2.4 Ma；（4）榴辉岩和脉体中主要矿物石榴石、绿辉石和石英具有相似的O同位素组成；（5）相比榴辉岩，脉体中石榴石更加富集HREE，黝帘石更加富集LREE。这些结果说明：（1）变质脉形成于深俯冲陆壳折返初期的超高压变质阶段；（2）变质脉的形成与榴辉岩释放的内部流体有关；（3）成脉流体富集Si，Al，Ca，K，LILE，REE和HFSE等元素，表明成脉流体可能是溶解能力极强的超临界流体。朱家冲变质岩的研究发现：（1）相比其它角闪岩，靠近接触带的角闪岩具有较高的K，Al，LILE，REE和HFSE含量以及较低的Mg–Ca含量，但它们的SiO2含量接近；（2）靠近接触带角闪岩和片麻岩具有显著变化的δ18O值。这是因为超临界流体可以在南大别超高压峰期变质条件下的花岗片麻岩中形成；超临界流体具有极强的溶解能力，造成片麻岩中富集HFSE 和HREE 元素的副矿物（如金红石、石榴石和褐帘石）分解。在峰期变质条件下，这种富含LILE，HFSE 和REE 的流体汇聚在不同岩性接触带并交代紧邻的榴辉岩，导致岩性接触带边界角闪岩样品主微量元素含量发生显著的变化。本项目研究的结果证实，在俯冲带变质过程中超临界流体的出现对微量元素迁移和分异起到至关重要的作用。