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王庆等:扬子地块中太古宙地壳增生:来自黄陵背斜南部地区花岗闪长质片麻岩的证据
王庆等:扬子地块中太古宙地壳增生:来自黄陵背斜南部地区花岗闪长质片麻岩的证据

王庆等:扬子地块中太古宙地壳增生:来自黄陵背斜南部地区花岗闪长质片麻岩的证据

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077;2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室,江西 南昌 330013;3.东华理工大学地球科学学院,江西 南昌 330013)

作者简介:王庆,硕士,工程师,构造地质学专业,主要从事煤田地质与灾害防治、前寒武纪大地构造学研究。Email:。

通信作者:蒋幸福,博士,讲师,构造地质学专业,主要从事前寒武纪大地构造学研究。Email:。

引用格式:王庆, 蒋幸福. 扬子地块中太古宙地壳增生:来自黄陵背斜南部地区花岗闪长质片麻岩的证据[J]. 现代地质, 2023, 37(02): 433-442

扬子地块黄陵背斜南部出露的花岗闪长质片麻岩是太古宙TTG片麻岩的重要组成单元,具有高Al2O3、Na2O、Sr以及低Rb、Nb等特征,属于高铝TTG系列,且具埃达克质岩石属性。结合片麻岩微量元素蛛网图显示的Nb、Ta和Hf等高场强元素富集以及Th、Pb和U等大离子亲石元素亏损的特征,本文认为该岩石形成于俯冲环境下玄武质洋壳的部分熔融作用。黄陵背斜北部出露的2.9~3.0 Ga TTG片麻岩和弧性质角闪岩,反映该时期是扬子地块陆壳生长的一次重要阶段,且以洋壳俯冲产生岛弧或安第斯型岩浆作用的陆壳水平增生为主,通过微陆块拼贴或规模较小的板块构造模式而形成。

扬子地块; 黄陵背斜南部; 花岗闪长质片麻岩; 高铝TTG系列; 地壳增生

TTG片麻岩是指具有成因联系的英云闪长质、奥长花岗质和花岗闪长质片麻岩岩套,它是太古宙初始陆壳的主要组成单元[1-2],记录了早期地壳的形成和构造演化过程,为探讨地球早前寒武纪动力学演化机制提供重要信息[3],因此一直是地学领域研究的重要对象。扬子地块出露有华南最主要的早前寒武纪变质基底,主要分布于地块北缘和西北缘(图1(a)),如黄陵背斜地区崆岭杂岩[4-8],钟祥地区杨坡杂岩[9-10],北大别黄土岭麻粒岩[11],勉略宁地区鱼洞子群[12-13],米仓山地区后河杂岩[14]以及南秦岭地区陡岭杂岩[15]。此外,在西南缘的黔西地区也见报道[16]。但这些早前寒武纪基底的形成时代主要集中于新太古代—古元古代,仅在黄陵背斜崆岭杂岩中出露有中太古代—古太古代的花岗质岩浆作用。

图1   扬子克拉通前寒武纪构造简图((a), 据文献[18] 修编)和黄陵背斜南部地质构造略图((b), 据文献[20]修编)

黄陵背斜崆岭杂岩中2.90~3.0 Ga和3.2~3.45 Ga TTG片麻岩主要分布于其北部[5,7 -8],南部仅在长江南侧的秭归地区发现,且形成时代约为 2.98 Ga[7]。本次研究在长江北侧古村坪—茅垭地区发现太古宙花岗闪长质片麻岩,在详细的野外地质调查基础上,选取露头的新鲜片麻岩样品,进行显微岩相学、全岩地球化学研究,对比分析长江两岸花岗闪长质片麻岩的岩石成因和构造演化联系,进而为研究扬子地块早前寒武纪地壳增生和构造动力学背景提供约束。

扬子地块北缘黄陵背斜核部出露的早前寒武纪变质基底(崆岭杂岩)被新元古代黄陵花岗岩侵入,大致沿雾渡河深大断裂分为南、北两部分。背斜南部基底岩石主要由太古宙古村坪组黑云斜长片麻岩、黑云角山斜长片麻岩、含石墨黑云斜长片麻岩和中元古代晚期的庙湾蛇绿杂岩[7,17-19],以及新元古代黄陵花岗岩基[20-22]组成(图1(b))。研究区太古宙片麻岩形成于洋岛构造背景,且在2.8 Ga时期经历了从TTG质岩浆向花岗质岩浆的转变[8];中元古代蛇绿杂岩形成于弧前俯冲带[18],并被晚期的岛弧拉斑质基性岩侵入[17],两者均经历了角闪岩相变质作用和韧性剪切变形。新元古代花岗岩则以脆性变形为主,为俯冲-碰撞后伸展环境的产物[18]。因此,总的来说,研究区岩浆作用整体显示出层次性和分区性[23]。研究区脆性断裂广泛发育,主要有近东西向、北西—北西西向和北东向三组,以北西—北西西向规模较大,连续性好,经历了前南华纪和显生宙活动阶段,显示多期活动特征[23]。

本文研究的花岗闪长质片麻岩出露于黄陵背斜南部古村坪—茅垭地区一带,位于中元古代晚期庙湾蛇绿杂岩北侧(图1)。区域地质调查结果将这套片麻岩划入古村坪组,提出其与黄陵背斜北部东冲河片麻杂岩的形成时代相当[23]。大量年代学研究表明北部东冲河片麻岩作为扬子克拉通最古老基底岩石,其形成时代为2.9~3.0 Ga和3.2~3.45 Ga[5,7 -8],然而背斜南部的古村坪组片麻岩却缺少同位素年代学和全岩地球化学研究。前期详细地质勘查结果表明,花岗闪长质片麻岩强烈变形变质,并遭受构造破碎(图2(a)和(b)),多被北北西向的基性岩脉沿片麻理侵入或与岩脉呈小角度相交(图2(c)和(d)),指示侵入时间与片麻岩片麻理化的时间接近,且很可能遭受同一构造运动。

黄陵背斜南部花岗闪长质片麻岩为灰白色,中细粒结构,片麻状构造。主要组成矿物为斜长石(45%~50%)、钾长石(10%~15%)、石英(30%~35%)和黑云母(5%~8%)以及少量的磁铁矿和锆石,镜下可观察到矿物呈弱定向排列(图2(e))。粒径多为0.2~0.5 mm,最大可达1.2 mm。斜长石呈半自形板状—它形粒状,可见典型的聚片双晶结构(图2(f)),绢云母蚀变程度较弱;钾长石和石英均呈它形粒状,前者因高岭土化而显浑浊,后者则发育波状消光结构。

本文采集的7件花岗闪长质片麻岩全岩地球化学分析样品出露于黄陵背斜南部古村坪—茅垭地区一带,采样位置见图1(b)。

扬子克拉通黄陵背斜南部花岗闪长质片麻岩的全岩主量、微量元素分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)完成。野外露头选取远离构造破碎的新鲜样品并粉碎至200目。全岩主量元素分析采用湿化学法,在X 荧光光谱仪(XRF,RIGAKU2100)上完成,含量校正曲线 种标准样品分析结果所建立,按GB/T14506.28-1993 标准执行。其中H2O+按GB/T14506.2-1993 标准,CO2按GB 9835-1988 标准,烧失量(LOI) 按LY/T 1253-1999 标准。全岩微量元素分析利用Agilent 7500a ICP-MS分析完成。分析的样品处理过程如下:(1)称取粉碎至大约200 目的岩石粉末50 mg 于Teflon溶样器中;(2)采用Teflon溶样弹将样品用HF+HNO3在195 ℃条件下消解48 h;(3)将在120 ℃条件下蒸干除Si后的样品用2%HNO3 稀释2000倍,定容于干净的聚酯瓶。详细的样品消解处理过程、分析精密度和准确度见文献[24]。

表1   扬子克拉通黄陵背斜南部花岗闪长质片麻岩主量(%)、微量和稀土元素(10-6)分析结果

图4   黄陵背斜南部花岗闪长质片麻岩稀土元素配分模式(a)和微量元素蛛网图(b)(球粒陨石和原始地幔数据据文献[26])

黄陵背斜地区出露有华南最古老的TTG岩石, 形成时代为2.9~3.0 Ga和3.2~3.45 Ga[5,7-8],其中Gao等2011年在黄陵南部秭归地区(长江以南)获得了约2.98 Ga的花岗闪长质片麻岩,并提出黄陵南部和北部的中太古宙寒武纪基底存在一定的成因联系[7]。本文在黄陵南部古村坪—茅垭一带(长江以北)发现的片麻岩岩性也为花岗闪长岩,且根据前人区域地质调查资料将两者均划入太古宙古村坪组,指示其形成时代相似。野外地质露头显示花岗闪长质片麻岩被晚期的基性岩脉沿片麻理侵入,表明前者形成时代应早于该岩脉。Jiang等2021年对该基性岩脉进行了锆石U-Pb年代学测试,获得其形成年龄约2.85 Ga [27]。因此,本文认为黄陵背斜南部古村坪—茅垭一带出露的花岗闪长质片麻岩形成时代应为约2.98 Ga,为中太古代基底岩石。

TTG岩石根据SiO2和Al2O3的含量可划分为高铝型和低铝型两类[28-29]。黄陵背斜南部TTG片麻岩在判别图解中主要落入高铝TTG区域(图5(a))。此外,全岩分析结果中显示样品具有高的Sr含量(>

300×10-6)和低的Nb含量(0.90×10-6~8.05×10-6),只有样品17MY-16的Sr和Nb含量分别为241×10-6和21.02×10-6。片麻岩分析样品的低Rb/Sr比值(0.03~0.63,均小于0.15)以及富集轻稀土元素和亏损重稀土元素等特征,进一步证明研究区TTG片麻岩主要为高铝型系列,这与世界范围内太古宙TTG以高铝型为主(图5(a))的认识[30]以及已报道的黄陵地区中太古代—古太古代TTG片麻岩特征一致[5,7]。这一结果也得到元素的(La/Yb)N-YbN二者关系图解(图5(b))的进一步证明。

有研究表明高铝型TTG岩石为变玄武质岩石部分熔融的产物,由于残留相为富重稀土元素的石榴石和辉石/角闪石,导致该类型岩石表现出亏损重稀土元素特征[1,31]。黄陵背斜南部花岗闪长质片麻岩整体表现出明显的富集轻稀土元素、亏损重稀土元素特征(图4),与前人研究结果一致。此外,样品具有Nb、Ta和Hf等高场强元素负异常,Th、Pb、U等大离子亲石元素正异常以及低的Rb含量 (

Li 等2014年在黄陵穹窿北部报道了约2.95 Ga岛弧性质角闪岩,并提出该时期扬子陆核处于岛弧环境[39]。随后Guo等2015年发现该地区经历了2.80 Ga的岩浆作用,且在2.80 Ga之前,主要为TTG质岩浆,而2.80 Ga之后,为花岗质岩浆[40]。这些证据表明黄陵背斜北部在中太古代时期很可能经历了一次俯冲作用。黄陵背斜南部花岗闪长质片麻岩富集Nb、Ta和Hf等高场强元素,亏损Th、Pb和U等大离子亲石元素,具有弧岩浆的特征,表明其形成与中太古代约2.95 Ga的板块俯冲过程有关。Gao等2011年获得的黄陵南部约2.98 Ga花岗闪长质片麻岩的εHf(t)值绝大部分为负值,为-18~-0.4,最低可达-27;少数为正值,位于+1.0~+5.1之间,最高达到+15,模式年龄为2.9~4.0 Ga,指示其来源比较复杂,既有新生地壳也有古老地壳的再造[7]。

扬子地块与华北地块是中国最具典型的克拉通代表,然而两者早前寒武纪基底的岩石记录差别较大。华北克拉通主要发育约2.5 Ga新太古代岩浆事件,最近研究表明约2.7 Ga的岩浆活动也广泛出露于克拉通内[41-43],同位素资料显示两次构造热事件均代表了华北克拉通地壳生长的主要阶段。扬子地块虽出露有较多的早前寒武纪岩石,但只在黄陵穹窿、钟祥断隆和碧口地区发现并报道了太古宙变质基底,岩性主要为英云闪长质-奥长花岗质-花岗闪长质片麻岩(TTG)、花岗质片麻岩、钾长质花岗岩以及少量斜长角闪岩类等,形成时代为3.45~3.2 Ga[5,7-8],3.0~2.9 Ga[7,34]和2.8~2.6 Ga[6,10], 虽然有研究表明扬子地块可能存在广泛未剥蚀出露的太古宙基底,且最老可达3.8 Ga[39,44-45],但3.45~3.2 Ga TTG片麻岩是地块已记录的最早一期岩浆事件,代表了最古老基底,它们出露于黄陵背斜区域。部分约3.3 Ga奥长花岗质片麻岩的Nd-Hf模式年龄与其形成时代相似,这与3.0~2.9 Ga的花岗闪长质片麻岩同位素特征相似,指示该时期扬子地块古老陆壳形成过程中存在新生物质的加入[7],即这两期TTG片麻岩代表了扬子地块中太古代—古太古代大陆地壳的生长。本文在黄陵背斜南部发现的花岗闪长质片麻岩形成于俯冲环境下玄武质洋壳的部分熔融作用[38],反映该时期扬子地块以洋壳俯冲产生岛弧或安第斯型岩浆作用的陆壳水平增生为主,通过微陆块拼贴或规模较小的板块构造模式形成初始大陆地壳。约2.8 Ga TTG片麻岩的Nd同位素值反映该时期的新生地壳再造过程[8],而2.7~2.6 Ga花岗质岩石表现出的A型花岗岩特征[6,10],表明该时期地块已经发育有较为成熟的大陆地壳,这也与世界范围内陆壳生长的时间周期一致[46]。

(1)黄陵背斜南部太古宙花岗闪长质片麻岩具有高的Al2O3、Na2O、Sr以及低的Rb、Nb含量,显示其为高铝型TTG类型,高场强元素亏损和大离子亲石元素富集等特征指示其形成于俯冲环境下玄武质洋壳的部分熔融作用。

(2)结合黄陵背斜北部报道的2.9~3.0 Ga TTG片麻岩和岛弧性质的角闪岩,以及本文发现的其南部同时代花岗闪长质片麻岩,认为扬子地块太古宙陆壳增生以水平增生为主,通过微陆块拼贴或规模较小的板块构造模式形成初始大陆地壳。

[23]熊成云, 韦昌山, 金光富, 等.鄂西黄陵背斜地区前南华纪古构造格架及主要地质事件[J]. 地质力学学报, 2004(2):97-112.

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