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2022年01月17日
中国科大揭示26亿年前板块构造作用的岩石地球化学证据

近日,中国科学技术大学地球和空间科学学院刘贻灿教授研究组首次在华北克拉通发现了原岩时代为约26亿年的碱性超钾质花岗片麻岩,证明其原岩是由富集的幔源物质受俯冲大洋沉积物产生的熔流体交代改造而形成的超钾质正长岩岩浆经分离结晶而形成的,揭示了早前寒武纪板块构造作用的最早启动时间。相关研究成果以“Petrogenesis and tectonic significance of Neoarchean (~2.6 Ga) alkalineultrapotassic granitic gneisses from the southeastern margin of the NorthChina Craton: Constraints from U-Pb dating, Hf isotopeand petrogeochemistry”为题发表于Lithos上。

早前寒武纪板块构造作用的最早启动时间属于地球动力学方面科学问题,一直是国际上的研究热点,长期存在争议。此外,近三十五年以来,尽管前人对超钾质岩石的形成和演化进行了广泛的研究,普遍认为其形成于碰撞后环境中,然而,具体成因及演化过程仍存在较大分歧。而且,早前寒武纪(特别是大于25亿年的太古代)碱性超钾质花岗岩极为罕见,因而,前人也很少报道或研究。为此,刘贻灿教授研究组在国家自然科学基金项目的持续资助下,根据近十五年的研究积累,对华北克拉通东南缘前寒武纪变质基底岩石(五河杂岩或“五河群”)进行了系统的地质调查和深入研究,发现了碱性超钾质花岗片麻岩。

锆石U-Pb年代学研究结果(图1a、b)表明,碱性超钾质花岗片麻岩的原岩形成时代为26亿年,并经历了~25亿年麻粒岩相变质;随后,又在18.5亿年经历了与古元古代碰撞造山作用有关的变质作用叠加。该片麻岩富硅、碱,属于硅饱和的碱性超钾质花岗岩,并具有轻微过碱性到过铝质特征(图1c、d)。此外,样品具有明显的Eu正异常,以及较强的Nb、Ta、P和Ti负异常和显著的Pb正异常,并表现出显著富集大离子亲石元素(图1e、f)。上述结果证明华北克拉通东南缘确实存在约26亿年的碱性超钾质花岗岩。

图1碱性超钾质花岗片麻岩的锆石U-Pb定年及主微量元素图解

该碱性超钾质花岗片麻岩的锆石εHf(t)值变化范围较小(图2),并且未发现相关镁铁质岩石,与岩浆混合成因岩石的特征不符,因而难以用单一的岩浆混合过程解释其岩石成因和相关特征。此外,简单的地壳混染也无法解释大多数片麻岩样品的远高于大陆地壳的高Rb和高大离子亲石元素特征。上述异常地球化学特征表明华北东南缘超钾质片麻岩源自于富集K、Ba和Rb以及轻稀土元素的源区。而且,片麻岩中岩浆锆石具有正的εHf(t)值,位于亏损地幔和球粒陨石的演化曲线之间,进一步表明片麻岩原岩的源区主要来自于幔源物质(图2)。此外,所研究的样品与巴西东北部的超钾质花岗岩具有类似的地球化学以及岩石学特征。前人质量平衡计算模拟结果表明,碱性长石+透辉石+云母+中长石+磷灰石的矿物组合的分离结晶即相当于正长岩的初始组成,并可能最终形成类似于超钾质花岗岩的成分。因此,研究区超钾质花岗片麻岩的高大离子亲石元素(特别是Ba和Rb)、低Mg#、Cr、Ni以及FeOT+MgO等特征可归因于正长岩岩浆的分离结晶,而非幔源成因影响。此外,片麻岩也表现出与俯冲相关的高Th/Yb-高Ta/Yb特征,指示形成过程中存在俯冲沉积物质的加入。

图2 华北东南缘前寒武纪代表性岩石的锆石U-Pb年龄vs. εHf(t)图解

论文第一作者是中国科学技术大学博士研究生苏海燕,通讯作者是中国科学技术大学杨阳博士后和刘贻灿教授。该项研究受到国家自然科学基金项目(41773020)的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.lithos.2021.106324


(地球和空间科学学院、科研部)

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