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柴北缘造山带是一个典型的大陆碰撞型造山带,它经历了从大洋俯冲、大陆俯冲/碰撞到碰撞后造山带垮塌这一完整演化过程。前人在该造山带厘定出洋壳型和陆壳型两类榴辉岩,同时将大陆地壳俯冲和超高压变质的时间限定在440-423 Ma左右。区内出露不同阶段的岩浆岩,这为我们研究该造山带演化和不同阶段俯冲地壳物质循环以及壳幔相互作用提供了理想的研究对象。本学位论文以柴北缘造山带古生代不同阶段岩浆岩为研究对象,通过系统的年代学和地球化学研究,结果不仅揭示了它们的地球化学特征和岩浆源区性质,而且深化了对俯冲地壳物质再造和古大洋/大陆俯冲隧道内壳幔相互作用的认识,这对于理解造山带俯冲地壳物质循环和构造演化历史具有十分重要的意义。俯冲带是地球各圈层之间相互作用的重要场所。然而,关于俯冲带初始俯冲的标志、机制以及早期演化过程仍不清楚。我们以柴北缘超高压变质带内寒武纪镁铁质岩浆岩为研究对象,结合本文数据和前人数据,发现它们的形成时间为542-513 Ma。这些岩石在全岩主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素组成以及锆石Hf同位素组成上,都表现出一定的时空分布规律。形成时代为542 Ma左右的镁铁质岩浆岩(组Ⅰ)仅在锡铁山地区出露,表现为钙碱性和岛弧型的微量元素特征,并具有亏损的Sr-Nd-Hf同位素组成,但亏损程度低于N-MORB,其全岩(87Sr/86Sr)i值为 0.7039至0.7044,εNd(t)值为0至+2.6,εHf(t)值为+3.7至+6.6,锆石εHf(t)值为+2.0至+7.2。形成时代为535 Ma左右的玄武岩(组Ⅱ)分布在绿梁山蛇绿岩内,它们亏损轻稀土元素(LREE),相对于高场强元素(HFSE)略微富集大离子亲石元素(LILE)。这些微量元素特征和模拟计算以及蛇绿岩的空间分布位置和形成时代共同表明,它们形成于弧后盆地背景。形成时代为520 Ma左右的镁铁质岩浆岩(组Ⅲ)出露于锡铁山地区,显示洋岛玄武岩(OIB)、富集洋中脊玄武岩(E-MORB)和大陆弧玄武岩(CAB)的微量元素特征。模拟结果显示,这主要是由不同比例板片物质的加入和软流圈地幔上涌所致。绿梁山地区还出露有513 Ma左右的蛇绿岩,其上部主要由弧前玄武岩(组Ⅳ)、玻安岩和安山岩组成。此外,在柴北缘造山带还出露同时期形成的高Nb玄武岩和埃达克质岩浆岩,指示当时俯冲板片温度较高。我们的模拟结果显示当时地幔熔融的温度可达1380℃。因此,约513 Ma的蛇绿岩和同时代岩浆岩的形成与弧后盆地洋脊俯冲有关。通过岩石学、地球化学以及模拟计算,本文认为在柴北缘古俯冲带的弧后盆地内存在洋脊俯冲。大陆碰撞造山带深俯冲陆壳在折返阶段通常可以发生部分熔融,由此产生的熔体不仅能够形成同折返花岗岩,而且能够交代上覆地幔楔从而改变其地球化学组成。我们以柴北缘造山带早古生代花岗岩为研究对象,对其开展了全岩主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素以及锆石原位U-Pb年龄和Lu-Hf同位素研究,结果用于探讨大陆碰撞过程中俯冲陆壳深熔作用及其与花岗岩形成和壳-幔相互作用之间的成因联系。锆石U-Pb定年结果显示,这些花岗岩形成于416±6 Ma至393 ± 2 Ma,与深俯冲陆壳折返时间一致,表明它们是同折返岩浆活动的产物。这些花岗岩中含有新元古代和早古生代年龄的残留锆石,分别与柴北缘造山带超高压变火成岩的原岩年龄和变质年龄一致。这些花岗岩具有钙碱性到高钾钙碱性的特征,全碱含量为4.07-8.09 wt%;它们的A/CNK值为0.86-1.14,属于准铝质到弱过铝质花岗岩。它们富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,呈现出弧型的微量元素特征;同时,它们具有富集的全岩Sr-Nd-Hf同位素组成,其(87Sr/86Sr)i 值为 0.7058-0.7195,εNd(t)值为-7.1 至-1.4,εHf(t)值为-2.8至+2.7,锆石εHf(t)值为-8.6至+4.7。这些地球化学特征与柴北缘造山带超高压变火成岩相似,表明它们之间存在成因联系。综上,我们认为这些花岗岩是深俯冲陆壳在同折返阶段部分熔融形成的。由此形成的花岗质熔体,不仅能够形成该区出露的同折返花岗岩,而且能够交代上覆地幔楔,从而导致大陆俯冲隧道内的壳幔相互作用。大陆碰撞造山带以发育同折返和碰撞后岩浆岩而缺乏同俯冲岩浆岩为特征。同时,超高压变质带内还常见造山带橄榄岩,它们具有俯冲隧道壳幔相互作用的直接记录。然而,从同折返到碰撞后阶段,造山带镁铁质岩浆岩的地幔源区发生了何种变化,它们与造山带橄榄岩之间是否存在成因联系,仍缺乏系统性的研究。为了解决上述问题,我们以柴北缘造山带都兰地区和嗷唠山地区镁铁质岩浆岩为研究对象,对其开展系统的岩石学、全岩主微量元素和Sr-Nd同位素以及锆石U-Pb年龄和Hf-O同位素研究。锆石U-Pb定年结果显示,这些镁铁质岩浆岩的形成时代为420±8 Ma到368±3 Ma,对应于深俯冲大陆地壳同折返和碰撞后阶段。这些镁铁质岩中含有新元古代和早古生代U-Pb年龄的残留锆石,分别与柴北缘造山带超高压变火成岩的原岩年龄和变质年龄一致。这些岩石主要为钙碱性,少数为高钾钙碱性,富集LILE、亏损HFSE,呈现出弧型微量元素分布特征。这些镁铁质岩具有富集到亏损的Sr-Nd同位素组成,但碰撞后镁铁质岩的亏损程度高于同折返镁铁质岩,且均落入该区正片麻岩和大陆型榴辉岩的区域内,指示这些镁铁质岩的地幔源区受到了正片麻岩和大陆型榴辉岩来源的熔体交代作用。锆石原位Hf-O同位素组成上,同折返镁铁质岩的同岩浆锆石整体具有与同折返花岗岩锆石一样富集的同位素组成;碰撞后镁铁质岩具有两组不同的Hf-O同位素组成,但均落入大陆型榴辉岩锆石区域内。两阶段镁铁质岩的残留锆石都具有与该区变火成岩相同的Hf同位素组成。这些证据表明同折返镁铁质岩的地幔源区主要受俯冲大陆上地壳岩石来源的熔体交代,碰撞后镁铁质岩的地幔源区主要受到俯冲大陆下地壳来源的熔体交代。此外,我们还对这些镁铁质岩进行了初始熔体回算和地幔源区组成计算,结果显示这些镁铁质岩主要由石榴二辉橄榄岩部分熔融形成,少数主要由石榴辉石岩和橄榄岩部分熔融形成。这也得到了碰撞后镁铁质岩与造山带橄榄岩具有相同的锆石Hf-O同位素组成的证实。碰撞后花岗岩在大陆碰撞造山带分布广泛,研究其源区性质和形成条件有助于我们理解造山带演化和大陆地壳分异。我们以都兰、锡铁山和嗷唠山地区碰撞后花岗岩为研究对象,并综合考虑全区范围内已报到的所有碰撞后花岗岩。锆石U-Pb定年结果显示,柴北缘造山带碰撞后花岗岩的形成时代为384±5 Ma至356±3 Ma,晚于大陆碰撞时间;残留锆石U-Pb年龄为405-1414 Ma,大部分与该区同折返岩浆岩的形成年龄、超高压变火成岩原岩和变质年龄一致,少量早于变火成岩原岩的形成年龄。这些花岗岩具有钙碱性到高钾钙碱性的特征,全碱含量为4.25-9.39 wt%;大多数样品的A/CNK值小于1.1,少量大于1.1,表明大多数样品为准铝质到弱过铝质花岗岩。这些花岗岩中有少量样品具有高的Sr/Y和(La/Yb)N比值,并落入埃达克岩区域内,它们还具有低的MgO、Ni含量和低的Mg#,指示它们形成于加厚下地壳部分熔融。它们富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,呈现出弧型微量元素分布特征;同时,它们具有富集到亏损的全岩Sr-Nd同位素组成,其(87Sr/86Sr)i值为0.7060-0.7129,εNd(t)值为-9.2至+0.6,大部分锆石的εHf(t)值为-7.56至+8.38,少数锆石的εHf(t)值低至-15。大部分花岗岩地球化学特征与该造山带超高压变火成岩相似,表明它们之间存在成因联系,少部分样品具有比正片麻岩更富集的全岩Sr-Nd同位素组成,指示源区可能还有少量沉积物。综上,我们认为这些花岗岩是深俯冲陆壳在碰撞后阶段部分熔融形成的,由于大陆岩石圈地幔伸展或底部岩石重力不均衡,造山带发生垮塌并导致软流圈地幔上涌,从而造成地壳内不同层位和不同组成的岩石发生大规模熔融。这一阶段不仅会形成大规模花岗质熔体,同时也会使大量残留体遗留在源区,从而导致大陆地壳发生壳内地球化学分异。