华北中央造山带古元古代碳酸岩及其不同深源捕虏体的成因机制和动力学背景

Carbonatites are the 'probe' rock of studying the dynamics of the deep mantle. The origin of carbonatites in the orogenic belts is closely related to the subducted slab. But the initiation timing and dynamic mechanism of plate tectonics are still controversial, and the old residual of deeply subducted plate have never been found within the craton. The North China craton is one of the most important and unique cratons in the world, which recorded a large number of Precambrian geological events. Many Paleoproterozoic carbonatites have been found in Huai'an, Hebei, and Fengzhen, Inner Mongolia from the Trans-North China Orogen. The discovery of eclogite, garnet peridotite and garnet pyroxenite xenoliths in the carbonatites provide a natural window for studying the early plate subduction, subduction-related mantle evolution and crust-mantle interaction progresses. Based on the systematically studies of mineralogy, petrology and geochemistry of the carbonatites and their xenoliths, this application is intended to identify the age and geological dynamics of these xenoliths from different Earth depth, further to recover the properties of the original rocks and the history of metamorphic evolution. Moreover, the nature and composition of the early mantle of the craton and the interaction between the subduction fluids and mantle will be also discussed, in order to reveal the source and origin of the carbonatites and the dynamic mechanism of the plate tectonic, and mantle evolution of the Late Archean-Paleoproterozoic in the North China craton. The achievements will provide new scientific basis for the further study of the initiation timing and dynamic mechanism of plate tectonics and the compositional evolution of the deep mantle.

碳酸岩是研究地幔深部动力学的‘探针岩石’，造山带碳酸岩的起源与俯冲板块密切相关。但板块构造启动的时间和机制一直存在争论，以往研究也未在克拉通内发现古老深俯冲板片的残余。华北克拉通记录了大量前寒武纪的重大地质事件，是全球重要而独特的克拉通之一，其中央造山带河北怀安-内蒙古丰镇一带出露了大量古元古代碳酸岩。岩体内榴辉岩、石榴橄榄岩和石榴辉石岩捕虏体的发现，为研究地球早期板块俯冲、俯冲带地幔演化和壳幔相互作用提供了天然窗口。本申请拟对上述碳酸岩及其捕虏体进行系统的矿物学、岩石学和地球化学研究，查明不同深源捕虏体的年龄及其地质意义，原岩属性和变质演化历史；探讨华北克拉通早期地幔性质和组成，以及俯冲流体与地幔的相互作用；揭示造山带碳酸岩的源区性质和起源条件，以及华北克拉通晚太古代-古元古代的板块构造和地幔演化的动力学机制；为今后深入研究早期地球板块俯冲启动机制和地幔深部物质演化提供新的科学依据。

板块构造是地球区别于其它类地行星的主要地质特征，然而板块构造启动的时限一直存在争论，制约了我们对早期地幔组成和地壳增长的认识。碳酸岩是地表出露相对较少的幔源岩石之一，造山带碳酸岩的起源与俯冲板块密切相关，记录了深部碳循环过程。华北克拉通是全球重要而独特的克拉通之一，其中部造山带河北怀安-内蒙古丰镇一带出露了大量古元古代碳酸岩和共生碱性岩。岩体内榴辉岩、石榴橄榄岩和石榴辉石岩捕虏体为研究地球早期板块俯冲、造山带地幔演化和壳-幔相互作用提供了天然窗口。我们对华北中部造山带怀安-丰镇古元古代碳酸岩-辉石岩-正长岩及其地幔包体和共生的麻粒岩进行了岩石学、矿物学和地球化学研究，获得了三个主要研究成果：1，确定丰镇碳酸岩内榴辉岩捕虏体是板块俯冲的产物，获得榴辉岩内两组独居石的U-Th-Pb加权平均年龄分别为1766±7 Ma和1839±26 Ma，提供直接的岩相学证据限定现代板块构造启动于古元古代。2，发现碳酸岩内石榴橄榄岩捕虏体的矿物化学组成明显不同于典型的克拉通地幔橄榄岩，通过石榴石-顽火辉石-透辉石矿物对温压计，获得石榴石橄榄岩的平衡温压为：T = 1100 oC和P = 29 kbar，说明华北古元古代90公里以下地幔已受到地壳物质的交代作用，发生非克拉通化；石榴辉石岩捕虏体的全岩和矿物化学组成显示富集不相容元素，指示其源区也受到俯冲物质的交代作用，这为中元古代内蒙古白云鄂博碳酸岩稀土成矿提供了物质基础。3，发现丰镇和怀安碳酸岩-辉石岩-正长岩具有富集的初始Sr-Nd同位素组成，碳酸岩的C-O同位素超出地幔范围，正长岩锆石具有高的O同位素组成，这些说明华北古元古代地幔来源的碳酸岩及其共生碱性岩的成因与俯冲物质相关。目前已发表标注基金号论文7篇，其中SCI论文6篇；2018年项目负责人获得国家杰出青年基金资助。