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北山造山带位于中亚造山带南部,它由多个岛弧、微陆块、蛇绿混杂岩、增生杂岩等拼贴而成。公婆泉岛弧位于北山造山带中部,其南部以红柳河-洗肠井蛇绿岩与花牛山岛弧为界,北部以石板井-小黄山蛇绿岩与明水-旱山地体为界。岛弧上发育大量具有一定时间跨度的基性-中酸性侵入岩和火山岩,且基性与中酸性岩浆作用往往同时出现,因此公婆泉岛弧是我们了解岛弧演化和壳幔相互作用的理想区域。通过对岛弧上多个岩体进行岩石学、锆石U-Pb年代学和地球化学研究,结合区域上构造、沉积等地质记录,本论文尝试反演公婆泉岛弧岩浆演化、研究壳幔相互作用以及重建构造演化模式。在野外地质调查的基础上,作者选取了公婆泉岛弧上白头山、哈尔根、尖山、石板井花岗岩体和马鬃山基性杂岩作为研究对象。白头山和哈尔根岩体分别是白云母花岗岩和二云母花岗岩,LA-ICPMS锆石U-Pb年代学结果指示白头山花岗岩形成于409–395 Ma,哈尔根花岗岩形成于408.5±3.1 Ma。两个岩体都具有过铝质特征,A/CNK值介于1.10~1.20之间,具有S型花岗岩的特征。岩石具有高Si O2(>70.0 wt.%)和K2O(>4.27 wt.%)含量,并具有较高的Ca O/Na2O比值(0.2~0.4)。此外,岩石具有较高的初始87Sr/86Sr比值(0.7139~0.7152)、低的εNd(t)(-3.15~-5.17),指示了花岗岩源于地壳熔融。同时,岩石具有低Mg O含量(0.25~0.82 wt.%)、Rb/Sr(1.3~2.1)和Rb/Ba(0.2~0.5)比值,指示了它们的源区具有富集斜长石、贫泥质的特征。马鬃山基性杂岩锆石U-Pb年代学显示岩体形成于早泥盆世(403.8±2.6Ma)。岩体中部主要为一套相对均一的粗粒橄长岩,而边部主要是一套细粒、斑杂构造的基性杂岩。粗粒橄长岩中的矿物结构和化学成分表明矿物之间达到相对平衡,指示其可能形成于一个相对稳定的结晶环境。粗粒橄长岩具有相对均一的Sr-Nd同位素((87Sr/86Sr)i=0.7079~0.7080;εNd(t)=-2.56~-2.76),表现出富集的特征。然而,细粒基性杂岩中橄榄石(Fo:63~97)、单斜辉石(Mg#:51~89)、斜方辉石(Mg#:89~93)等矿物均为捕掳晶,在成分和结构上均表现出被后期富斜长石成分熔体(斜长石An值:30~82)捕获的特征。细粒杂岩具有变化较大的SrNd同位素组成((87Sr/86Sr)i=0.7042~0.7066;εNd(t)=-0.55~+5.22),表现出壳源和幔源的同位素特征,指示了强烈的壳-幔相互作用。尖山岩体LA-ICPMS锆石U-Pb年龄为363.4±2.9 Ma,石板井岩体锆石UPb年龄为362.6±3.0 Ma,两个岩体近同时形成。尖山花岗闪长岩具有典型的埃达克岩特征,如较高Si O2(>56 wt.%),Al2O3(>15 wt.%)、Sr含量(>400 ppm)以及高Sr/Y(60~88)、(La/Yb)N(7.73~15.5)比值,较高的Na2O含量(Na2O>K2O)、低Y(8.15~11.2 ppm)和Yb(0.57~1.01 ppm)含量,并表现出弱的正铕异常(δEu=1.04~1.27)。而石板井花岗岩不具有埃达克质特征。尖山和石板井岩体均富集大离子亲石元素(LILE),而亏损高场强元素(HFSE,如Nb、Ta元素)。结合其它的地质、地球化学证据,作者认为晚泥盆世尖山和石板井岩体是北部小黄山洋向南俯冲作用的结果,其中尖山埃达克岩为洋壳熔融形成的。尖山岩体的Sr-Nd同位素显示弱富集的特征,其中(87Sr/86Sr)i介于0.7057~0.7058之间,εNd(t)介于-0.4~-1.1之间,而石板井岩体具有更高的(87Sr/86Sr)i(0.7070~0.7071)和更低的εNd(t)(-2.9~-2.6),推测二者在岩浆源区或侵位过程中受到不同程度地壳物质的参与。基于岩石组合和地球化学数据,作者识别出公婆泉岛弧和其南部花牛山岛弧上共发育三期岩浆作用,分别为中奥陶世-晚志留世(约470–423 Ma)玄武岩和I型花岗岩类、早泥盆世(约424–395Ma)S/A型花岗岩、晚泥盆世-早石炭世(371–349Ma)I型花岗岩。前两期岩浆作用(470–423Ma与424–395Ma)分别与俯冲作用和同碰撞-后碰撞有关。岩石学上,第一期更偏辉长质-闪长质,而第二期显示以花岗岩为主的特征;地球化学上,后者具有更高的Si O2(>66%)和K2O含量、更低的δEu值和更微弱的轻重稀土分异。另外,Sr-Nd同位素显示后者((87Sr/86Sr)i=0.7038~0.7327;εNd(t)=-6.70~+0.33))比前者((87Sr/86Sr)i=0.7024~0.7080;εNd(t)=-2.56~+8.86)表现出更富集的同位素特征,指示了早泥盆世时期(约424–395Ma)可能发生了更大规模的地壳熔融。综合北山公婆泉弧和花牛山弧的早泥盆世区域地质特征,如区域不整合以及强烈变形-变质作用,作者认为早泥盆世时期公婆泉与花牛山岛弧之间的红柳河-洗肠井古大洋关闭,从而发生了弧-弧拼贴作用,并导致了大量地壳发生重熔作用。随后,中-晚泥盆世公婆泉和花牛山地区处于伸展的构造体制,并促使了区域上基性岩浆的活动。晚泥盆-早石炭世初期,公婆泉岛弧进入石板井-小黄山洋南向俯冲构造演化阶段。