岡底斯陸殼屬性與顯生宙生長演化

2022-02-07 02:16唐功建

大地構造與成礦學 2022年6期

馬林 , 王強 , 唐功建 , 李成

(1.中國科學院廣州地球化學研究所, 同位素地球化學國家重點實驗室, 廣東廣州 510640; 2.中國科學院深地科學卓越創新中心, 廣東廣州 510640; 3.中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 100049)

0 引言

大陸地殼覆蓋了40%的地球表面, 為人類提供了主要的棲息地和90%以上的固體資源與能源, 因此大陸地殼的形成與演化一直是人類認知固體地球形成與演化規律的核心科學問題之一。大陸地殼相較于洋殼和地幔具有更低的密度, 因此能夠長期保存于地球的淺部, 從而保存和記錄了大量地球長期演化的重要信息, 被稱為地球歷史的檔案館(Hawkesworth and Kemp, 2006)。在大陸地殼形成與演化的研究中, 其形成時間和機制是最受關注的關鍵問題之一。盡管仍存在激烈的爭論, 但一個重要的共識是地球90%或以上的陸殼都形成于約距今40～10億年前(Hawkesworth and Kemp, 2006; Cawood and Hawkesworth, 2019; Wang et al., 2022)。近10億年, 特別是顯生宙(540 Ma)以來, 由于地殼熱梯度逐漸降低和板塊活動的加強, 陸殼凈增長量對于當前全球陸殼總量的貢獻被認為是極為有限, 甚至是負面的(Scholl and von Huene, 2007; Hawkesworth et al., 2009; Cawood et al., 2013)。然而, 在全球部分顯生宙造山帶中先后發現大量具有新生陸殼特征的巖漿巖, 例如中亞造山帶和科迪勒拉造山帶, 再次引發了顯生宙陸殼生長的研究熱潮(Sengor et al., 1993; Jahn et al., 2000a, 2000b; Jahn, 2004; Wu et al., 2000; Tang et al., 2010, 2012, 2017; Ma et al., 2013a, 2013b, 2019a; Ma X X et al., 2017c, 2017d)。

顯生宙陸殼生長研究更著重關注板塊構造體系下陸殼的形成、消亡與演化等, 包括不同板片構造動力學背景下陸殼的形成與保存機制、陸殼生長與破壞的速率和通量、陸殼成分的演化及其資源效應等。由于全陸殼和新生陸殼在成分上都具有與弧玄武巖相似的微量元素和同位素特征(Morris et al., 1990; Hawkesworth et al., 1997), 且俯沖帶是全球除洋中脊外最重要的巖漿巖產區, 因此顯生宙以來的大陸地殼被認為主要形成于大洋俯沖帶(Gill, 1981; Rudnick, 1995)。然而, 顯生宙活躍的板塊運動導致俯沖侵蝕和陸殼俯沖等強烈破壞性活動加劇(von Huene and Scholl, 1991; Clift and Vannucchi, 2004; Scholl and von Huene, 2007; Stern and Scholl, 2010), 也使得俯沖帶不利于陸殼保存而缺乏顯著的地殼凈生長(Scholl and von Huene, 2007; Hawkesworth et al., 2009; Niu et al., 2013; Cawood, 2013)。Jahn (2004)對中亞造山帶大規模后碰撞花崗巖研究后發現其具有與虧損地幔相似的Sr-Nd同位素特征, 提出該地區90%的顯生宙地殼生長都形成于后碰撞造山階段。近年來, 一些學者通過對青藏高原南部岡底斯地區林子宗群帕那組安山質火山巖研究發現, 這些巨厚的火山巖表現出與全陸殼相似的主量、微量元素成分特征, 考慮到同碰撞階段更有利于陸殼保存等因素, 陸陸碰撞帶被認為是地殼凈生長最重要的場所(Niu et al., 2013; Zhu et al., 2015; Yan et al., 2019)。這些研究和觀點極大地促進了板塊構造運動背景下陸殼生長與演化的激烈思辨與討論(Cawood, 2013; Moyen, 2017)。

位于青藏高原拉薩地塊南部的岡底斯造山帶出露有大規模的花崗巖基, 其東西延伸可達1500 km, 主要由中生代-新生代花崗巖和部分鎂鐵質侵入巖組成, 是泛喜馬拉雅巖基的主要組成部分(Yin and Harrison, 2000; Wen et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2013)。已有的大量巖石學和地球化學調查研究發現, 岡底斯巖基主要形成于中生代以來的幕式巖漿作用, 這些巖漿巖主要表現為具有類似虧損地幔的Nd-Hf同位素特征, 因此也被認為代表了顯著的顯生宙地殼生長(Ji et al., 2009, 2019, 2020a, 2020b; Zhu et al., 2011, 2013; Mo et al., 2007, 2008; 張澤明等, 2019; 莫宣學等, 2020及其引證文獻)。這些新生大陸地殼的形成與特提斯域重要的斑巖銅金成礦作用緊密相關(Hou et al., 2004, 2009, 2015; Wang et al., 2014, 2018; Yang et al., 2015; 王瑞等, 2020)。岡底斯地區歷經了完整的特提斯洋俯沖、印度-歐亞大陸碰撞及后碰撞造山等系列演化過程并出露有豐富的巖漿巖記錄, 是理解和研究板片構造體系下不同造山演化階段陸殼的生長與演化最理想的天然實驗室之一。本文基于作者近年來對岡底斯地區不同階段巖漿巖成因與數據分析的部分整理, 對南部拉薩地塊的屬性、顯生宙以來構造動力學演化階段的厘定和陸殼的生長與演化開展了初步的探討, 期望能夠對上述問題拋磚引玉, 不周之處請各位讀者指正, 也期待與更多專家同仁深入探討。

1 拉薩地體的基本地質特征

青藏高原是當今世界最高最大的高原, 并擁有全球最厚的地殼(Tian et al., 2015; Wang et al., 2021), 其形成于顯生宙以來多個由岡瓦納超大陸裂解起源的陸塊由南向北漂移匯聚的過程(Yin and Harrison, 2000; Chung et al., 2005; Zhu et al., 2013)。在這些岡瓦納起源的陸塊中, 位于高原南部的拉薩地塊代表了印度大陸碰撞前的歐亞大陸最南緣, 經歷和記錄了古特提斯洋與新特提斯洋的俯沖以及印度-歐亞大陸碰撞等的動力學演化過程和重要信息(Chung et al., 2005; Chu et al., 2006; Dong, 2008; Ji et al., 2009; Zhang et al., 2010, 2013, 2014; Zhu et al., 2013, 2019; Ma et al., 2013a, 2013b, 2015, 2017a, 2017b, 2019a; 張澤明等, 2019; Dan et al., 2019, 2020; Wang et al., 2019; 王瑞等, 2020)。以東西向的獅泉河-納木錯混雜巖帶和洛巴堆-米拉山斷裂帶為界, 拉薩地塊可分為南、中、北三部分(圖1; Zhu et al., 2011, 2013)。系統的Hf同位素填圖結果顯示拉薩地體的地殼呈現出中部古老而兩側新生的特征(Zhu et al., 2011; Hou et al., 2015)。其中, 中拉薩地體具有元古代-太古代的結晶基底, 其上沉積有石炭紀-二疊紀的變質沉積巖, 代表了曾經的微陸塊; 北拉薩地體缺乏前寒武紀的結晶基底, 區域出露最老的沉積地層為中-晚三疊世的板巖、砂巖和放射蟲硅質巖(潘桂棠等, 2006; Zhu et al., 2011, 2013)。

圖1 拉薩地塊地質簡圖(據Chung et al., 2005; Zhu et al., 2011, 2013, 2019修改) Fig.1 Geological sketched map of the Lhasa block, Southern Tibet

南拉薩地塊僅在東部出露有少量前寒武紀基底巖石, 沉積巖蓋層主要是晚石炭世-三疊紀碎屑沉積巖和大量的火山巖(潘桂棠等, 2006; Dong et al., 2010; Ji et al., 2012; Xu et al., 2013; Zhu et al., 2013; Guo et al., 2016)。南拉薩地塊廣泛分布有中、晚三疊世以來的巖漿巖, 包括岡底斯巖基和葉巴組、桑日群、林子宗群火山巖等(Allègre et al., 1984; Yin and Harrison, 2000; 潘桂棠等, 2004; Chung et al., 2005; Chu et al., 2006; 董國臣等, 2008; Ji et al., 2009;Zhu et al., 2011, 2013, 2015, 2018, 2019; Kang et al., 2014; Wang et al., 2016, 2019; Tian et al., 2020)。這些巖漿巖具有鈣堿性和相對虧損的Nd-Hf同位素組成特征, 代表了顯生宙新生地殼的形成(Mo et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2011; Xu et al., 2017)。

2 岡底斯巖漿作用與地殼生長

地殼生長通常以巖漿作用為主要載體。年代學研究表明, 位于拉薩地塊南部的岡底斯巖漿巖帶擁有長期的巖漿活動歷史, 且表現為幕式分布特征, 可粗略劃分為四個主要的巖漿峰期, 分別是侏羅紀(199～176 Ma)、晚白堊世(90±5 Ma)、早始新世(51±4 Ma)和早-中中新世(15±3 Ma)(圖2; Wen et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2011, 2019; Chapman et al., 2017; 張澤明等, 2019)。

圖2 岡底斯巖漿巖形成時間統計圖 Fig.2 Statistical diagram of the formation time of the Gangdese magmatic rocks

侏羅紀巖漿巖主要以中酸性巖為主, 包括了鈣堿性的岡底斯侵入巖、葉巴組和桑日群火山巖等, 具有與大陸弧巖漿和弧后巖漿巖相似的地球化學特征(Chu et al., 2006; Ji et al., 2009; Guo et al., 2013; Kang et al., 2014; Zhu et al., 2008; Ma X X et al., 2019b), 可能受控于班公湖-怒江特提斯洋板片的南向俯沖(Zhu et al., 2013, 2019)或雅魯藏布江新特提斯洋板片的北向俯沖(Zhu et al., 2008; Ji et al., 2009; Hou et al., 2015; Wei et al., 2017)。這一時期的地殼生長主要與新特提斯北向俯沖導致的弧后增生(Wei et al., 2017)或殼幔相互作用(舒楚天等, 2018)有關, 且可能為岡底斯同碰撞-后碰撞斑巖成礦提供了主要的成礦物質(Hou et al., 2015)。

晚白堊世(95～90 Ma)的巖漿活動代表了一次重要的巖漿爆發事件, 表現為以鎂鐵質巖漿巖為主(圖3c; Ma et al., 2013a), 伴生有部分中酸性侵入巖等(Zhang et al., 2010, 2011; Ma et al., 2013b)。該期巖漿活動在動力學機制上存在新特提斯洋的俯沖板片后撤(Ma et al., 2013a, 2013b, 2015; Ma X X et al., 2017d; Liu et al., 2019; Yin et al., 2019; Meng et al., 2020)、洋脊俯沖(Zhang et al., 2010, 2011; Zhu et al., 2013, 2019; Kapp and Decellce, 2020)或同時共存(Huang et al., 2022)等不同觀點, 但均認為晚白堊世岡底斯造山帶演化主要受控于新特提斯洋俯沖相關的動力學過程。這一時期的地殼生長方式包括幔源弧巖漿的垂向底侵增生(Ma et al., 2013c)和再循環洋殼組分貢獻(Ma et al., 2013b; He et al., 2018)。晚白堊世(90 Ma)岡底斯鈣堿性輝長巖中發現了鈣質斜長石(An＞90)和大量巖漿成因的綠簾石(TiO2＜0.2%), 這些礦物指證了巖漿具有高水壓、高氧逸度特征(Beard, 1986; 周新民等, 1994; Pertermann and Lundstrom, 2006), 且巖漿最小侵位壓力約為0.5～0.6 GPa, 相當于15～20 km的地殼深度(Zen and Hammarstrom, 1984), 為大洋俯沖階段幔源弧巖漿通過垂向底侵方式增生至地殼提供了關鍵的巖石學證據(Ma et al., 2013c)。此外, 晚白堊世早期含石榴石的紫蘇花崗巖在岡底斯巖基東段被廣泛發現, 這些花崗巖具有高MgO (2.0%～4.5%)、富鈉(Na2O/K2O=1.6～14.4)、高Sr/Y值(27.2～138.7)和虧損的 Nd-Hf同位素(εNd(t)=+2.4～+4.0;εHf(t)= +10.1～+15.8)等特征, 代表了部分熔融的俯沖洋殼組分, 暗示俯沖洋殼組分增生也是大洋俯沖階段另一種重要的地殼生長方式與物質來源(Zhang et al., 2010, 2011; Ma et al., 2013b; He et al., 2018)。

古近紀早期(60～40 Ma)巖漿記錄是當前岡底斯帶保存規模最大的, 其巖漿峰期為51±4 Ma, 主要包括岡底斯巖基的侵入巖和林子宗群火山巖(Yin and Harrison, 2000; Chung et al., 2005; Mo et al., 2005, 2007, 2008; 董國臣等, 2008; Ji et al., 2009; Lee et al., 2009, 2011; Zhu et al., 2013, 2015, 2019; Ma et al., 2014; 張澤明等, 2019; 莫宣學, 2020; Liu et al., 2021)。該期巖漿活動以中酸性巖漿巖為主, 有少量鎂鐵質巖(圖3; 董國臣等, 2008; Lee et al., 2011; 龍曉平等, 2019; 張澤明等, 2019; Tian et al., 2021)。中酸性巖漿表現為多種類型, 包括I型、S型、堿性花崗巖、高分異花崗巖和流紋巖等(Lee et al., 2012; Ma et al., 2017a; Qi et al., 2018; Zhang et al., 2021),

圖3 岡底斯主要巖漿峰期巖石成分類型(數據來源同圖2) Fig.3 Statistical diagrams for SiO2 contents of magmatic rocks of main magmatic periods in Gangdese

其中以具有典型弧巖漿特征的高鉀鈣堿性花崗巖和安山質火山巖為主(Mo et al., 2007, 2008; Zhu et al., 2015)。鎂鐵質巖主要包括輝長巖、輝綠巖和玄武巖, 部分巖石類似于MORB, 具有虧損的Nd-Hf同位素特征(Lee et al., 2012; Tian et al., 2021)。大量研究顯示這一時期可能是印度與歐亞大陸的碰撞階段(Wu et al., 2014; Ding et al., 2016; Hu et al.2016; 朱弟成等, 2016; 丁林等, 2017; 胡修棉等, 2017; Kapp and DeCelles, 2020), 伴有高溫麻粒巖相變質作用(Zhang et al., 2015; Ding et al., 2017)和淡色花崗巖的形成(王珍珍等, 2018; Ma et al., 2017; Xia et al., 2018; Zhang et al., 2021)。該期巖漿爆發與新特提斯洋板片斷離(Zhu et al., 2015; Kapp and DeCelles, 2020)、板片后撤(Chung et al., 2005; Kelly et al., 2020)或巖石圈拆沉(Qi et al., 2020)等動力學過程相關。該期岡底斯花崗巖中廣泛出現了大量鎂鐵質微粒包體, 可能代表了大規模的殼幔巖漿混合作用與大陸地殼生長(Mo et al., 2007, 2008; Ma et al., 2017c)。而同期大規模的林子宗群安山巖, 是尚未俯沖的洋殼碎片在角閃巖相條件下部分熔融的產物, 具有相似陸殼的元素特征, 由此提出了同碰撞陸殼凈生長的假說模型(Niu et al., 2013)。這一模型克服了玄武質弧巖漿陸殼成因模型的成分悖論和俯沖階段陸殼易破壞難保存等缺點(Niu et al., 2013)。此外, 同碰撞混雜巖(mélange)底辟熔融模型也被用于解釋典中組安山巖的形成與陸殼生長作用(Yan et al., 2019; 龍曉平等, 2019)。這里的混雜巖指由大洋板片玄武巖、大洋沉積物和地幔楔橄欖巖等組分在俯沖隧道內經機械混合形成的混雜物質(Nielson and Machelle et al., 2017)。由于其含有大量低密度的沉積物等組分, 混雜巖容易發生底辟熔融(Nielson et al., 2019)。

早-中中新世巖漿巖廣泛分布在東西延展達1500 km的藏南地區, 主要以巖脈形式侵入到岡底斯巖基和林子宗群火山巖中, 在成分上主要表現為鉀質-超鉀質和鈣堿性埃達克質兩種特征。鈣堿性埃達克質巖與Cu-Au-Mo成礦作用關系緊密(Chung et al., 2005)。鉀質-超鉀質巖源自碰撞前俯沖交代的巖石圈地幔(Chung et al., 2005; Zhao et al., 2009)、拉薩地塊古老地殼混染交代的巖石圈地幔(Liu et al., 2014a, 2014b, 2015, 2017)或被印度陸殼俯沖交代的巖石圈或軟流圈地幔(Guo et al., 2006, 2013, 2015, 2019; Ma et al., 2017b; Hao et al., 2022); 埃達克質巖被認為源自增厚下地殼熔融(Chung et al., 2003, 2009)、俯沖印度陸殼熔融(Chung et al., 2009; Xu et al., 2010; 姜子琦等, 2011)或殘留的俯沖大洋板片熔融并與地幔相互作用(Gao et al., 2003)。動力學方面可能受控于加厚巖石圈拆沉(Chung et al., 2003, 2005)或印度大陸俯沖-斷離-后撤(Guo et al., 2006, 2013, 2015, 2019; Ma et al., 2017b)等相關過程。這一階段巖漿作用盡管分布廣泛, 但多具有規模小與成分富集的特征, 目前對其地殼生長貢獻的評估和研究也較少。

除上述四個主要的巖漿活動峰期外, 古生代(496 Ma)花崗巖和晚泥盆世-早石炭世(371～353 Ma)雙峰式巖漿巖近年來也被發現和報道(董昕等, 2010; Ji et al., 2012; Dong et al., 2014; Hou et al., 2015; Wei et al., 2017; Ma et al., 2019), 這些晚古生代幔源巖漿巖表現出弧后巖漿巖成分和虧損地幔同位素特征, 被認為代表了古特提斯洋俯沖背景下的地殼生長(Ma et al., 2019)。綜上所述, 岡底斯地區經歷了長期的幕式巖漿活動, 然而這些幕式巖漿活動是否都代表了顯著的地殼生長？如何識別和判斷地殼生長？不同時期與動力學演化階段地殼生長的貢獻或占比應如何評估？

3 岡底斯陸殼性質及其生長與演化初探

巖漿巖是地殼生長的載體, 但不是所有的巖漿巖都能夠代表地殼生長。陸殼生長是指幔源物質或其產物以直接或間接方式加入或形成陸殼的一部分的過程?；◢弾r是構成陸殼最重要的巖石類型之一, 也是陸殼形成與演化研究中最主要的研究對象, 記錄了地殼的成分、源區、形成與侵位條件等諸多重要信息(Hawkesworth and Kemp, 2006)?；◢弾r的成因十分復雜(吳福元等, 2007; 陳駿等, 2008, 2014), 但已有的實驗巖石學研究指出花崗巖主要形成于玄武質或長英質源區的部分熔融(Vielzeuf and Holloway, 1988; Clarke, 1992; Skjerlie and Johnston, 1992; Montel and Vielzeuf, 1997; Scaillet et al., 2016), 而非地幔巖石源區(方輝橄欖巖、二輝橄欖巖或輝石巖等),這一特性致使花崗巖的形成年齡并不能直接代表陸殼的形成年齡(Goodwin, 1996)。正如地球陸殼的主體被認為形成于25億年前, 然而當前全球保存下來的太古代地殼卻極為有限(Harrison, 2009; Cawood et al., 2019; Wang et al., 2022), 全球陸殼的定年結果主要集中在10億年以來(Korenaga, 2018), 這主要是由于陸殼花崗巖經歷了長期、廣泛和復雜的重熔再造與演化過程(Hawkesworth et al., 2009)。因此, 要準確地判定和評估陸殼生長, 需要建立在對巖漿巖, 特別是花崗巖的起源與成因準確認知的基礎上。

如上所述, 岡底斯帶巖漿活動呈現幕式分布特征。根據當前已有的構造演化研究成果, 本文分別以印亞大陸初始碰撞(～62 Ma; Wu et al., 2014; Zhu et al., 2015; Hu et al., 2016; 丁林等, 2017及其引用文獻)和印度大陸巖石圈深俯沖(～35 Ma; Ma et al., 2017b)為主要界線(圖4), 將岡底斯動力學演化大致劃分為碰撞前、同碰撞和后碰撞3個主要階段, 而不同演化階段的巖漿巖成分與成因均有所差別:

(1) 在大陸碰撞前(約360～62 Ma), 岡底斯巖漿巖主要包括拉斑或鈣堿性幔源鎂鐵質巖漿巖和鈣堿性I型花崗巖, 以及少量的S型花崗巖(Ji et al., 2009, 2014, 2020b; Zhu et al., 2008, 2013, 2015, 2019; Zhang et al., 2010, 2013, 2014; Ma et al., 2015, 2017a, 2019a)。鎂鐵質巖和I型花崗巖表現為與典型弧或弧后玄武巖-英安巖相似的主微量元素成分、具有與虧損地幔相似的Nd-Hf同位素特征, 主要形成于特提斯洋俯沖相關的過程(Chu et al., 2006; Zhu et al., 2008, 2013, 2019; Ji et al., 2009, 2012, 2014; Zhang et al., 2010, 2013; 董昕等, 2010; Dong et al., 2014, 2019; Ma et al., 2013a, 2015; Wang et al., 2016, 2021; Ma X X et al.2017c; Meng et al., 2020, 2021)。鎂鐵質巖漿巖主要形成于俯沖交代的地幔楔或上涌的軟流圈地幔(Zhu et al., 2008; Ma et al., 2013; Hou et al., 2015; Wang et al., 2016; 侯增謙等, 2021; 莫宣學等, 2021), 花崗巖則主要源于新生下地殼或洋殼(Ji et al., 2009, 2019, 2020a; Ma et al., 2013, 2017)。這些巖漿巖的研究表明新特提斯洋俯沖階段特別是侏羅紀弧后伸展環境發生了重要的地殼生長(Hou et al., 2015; Wei et al., 2017; Ma et al., 2019a), 主要通過幔源巖漿的垂向底侵增生和洋殼物質再循環等方式實現陸殼生長(Ma et al., 2013b, 2013c)。

(2) 同碰撞階段(62～35 Ma)巖漿記錄以長英質巖漿巖為主, 表現為具有虧損到富集的Nd-Hf同位素特征等(圖4)。碰撞早期的巖漿巖多形成于新生地殼或變沉積巖重熔、俯沖洋殼部分熔融、地?；祀s巖以及少量巖石圈與軟流圈地幔熔融等(Ji et al., 2009; Lee et al., 2012; Ma et al., 2017a; Huang et al., 2017), 地殼生長方式主要包括俯沖洋殼再循環、殼幔巖漿混合、地?；祀s巖部分熔融等(Niu et al., 2013; Zhu et al., 2015; Yan et al., 2018; 侯增謙等, 2020; 莫宣學等, 2021)。

(3) 后碰撞階段(35 Ma至今)的巖漿巖主要為鉀質-超鉀質巖和埃達克質花崗巖, 均表現為富集的Nd-Hf同位素特征(圖4)。其中鉀質和超鉀質巖源自俯沖印度陸殼或拉薩古老基底物質交代的富集巖石圈(Zhao et al., 2009; Liu et al., 2011; Liu et al., 2014, 2015; Ma et al., 2017b; Hao et al., 2022)或軟流圈地幔(Guo et al., 2006, 2013, 2015), 埃達克質巖源自含有印度陸殼組分的增厚下地殼(Chung et al., 2009; Chu et al., 2011)或俯沖的印度陸殼(Xu et al., 2010; 姜子琦等, 2011)。這一階段巖漿巖具有較為富集的Nd-Hf同位素組成、巖漿規模較小, 陸殼生長的研究相對缺乏。

圖4 岡底斯巖漿巖全巖Nd同位素(a)和鋯石Hf同位素(b)特征(主要數據引自Ma et al., 2019a) Fig.4 Whole-rock Nd isotopes (a) and zircon Hf isotopes (b) for magmatic rocks in Gangdese

估算不同構造階段新生地殼的比例有助于全面了解岡底斯地區的陸殼形成和演化。關于陸殼生長速率和新生陸殼估算方面, 前人已有較多很好的探索研究和重要成果(Kemp and Hawkesworth, 2014; Tang et al., 2017; Dhuime et al., 2018; Cawood and Hawkesworth, 2019; Cawood, 2020)。由于岡底斯造山帶經歷了特提斯洋長期俯沖、強烈的陸陸碰撞與陸殼的俯沖變形演化等過程(Yin and Harrison, 2000), 是全球陸殼最厚的地區(Zhang et al., 2015), 因此岡底斯陸殼的結構與組成非常復雜, 對于不同時期陸殼形成的體積和速率目前難以給出準確可靠的全面約束。針對這一現狀, 我們通過研究不同階段生成的陸殼中新生陸殼與既有陸殼的比例, 來約束和理解岡底斯陸殼形成與演化的歷史格架(Ma et al., 2019a)。估算的方法是將新生陸殼與既有陸殼作為兩個物質端元, 通過計算兩端元物質在不同時期巖漿巖的貢獻(所占比例)來約束陸殼新生狀況?？紤]到數據量與代表性, 我們主要選用了鋯石的Hf同位素和年齡來開展研究。首先對分析和搜集的鋯石數據進行質量篩選, 過濾掉變質鋯石、熱液鋯石和有缺陷的數據影響, 然后以5 Ma為單位對挑選后的數據進行分組, 選取每一組樣品中最虧損的鎂鐵質巖漿巖的鋯石Hf同位素作為該期新生陸殼端元值。對于既有陸殼端元的選取, 傳統的計算中通常選取全球陸殼的Hf同位素平均值?？紤]到不同地區陸殼組成的差異, 我們對每一階段之前所有巖漿鋯石與碎屑鋯石的Hf同位素數據進行加權計算得到該階段開始時既有陸殼的成分和陸殼成分隨時間的演化曲線(圖5a), 盡可能貼近真實地反映研究區陸殼的演化情況(Ma et al., 2019a)。在此基礎上, 對所有搜集的岡底斯巖漿鋯石和碎屑鋯石進行二階段Hf模式年齡(tDM2(Hf))計算, 結果指示岡底斯陸殼的主體(＞70%)可能形成于前寒武紀時期(圖5b)。因此, 南拉薩地塊更可能代表了一個具有前寒武紀結晶基底但被后期構造巖漿強烈改造置換的微陸塊, 而非水平拼貼增生的新生地體(Ma et al., 2019a)。此外, 通過兩個端元的計算表明, 岡底斯陸殼在晚泥盆世前已經包含50%的新生陸殼組分(圖5c), 指示岡底斯地區還存在早古生代或更早的地殼生長事件。新特提斯洋俯沖階段是岡底斯地殼生長的主要階段, 大約50%的新生陸殼組分輸入與這一階段相關, 特別是早侏羅世, 約有20%的新生陸殼組分在短時間內(約20 Ma)新增(圖5c), 體現了陸殼脈沖和幕式生長的特征。我們的計算結果指示同碰撞及后碰撞階段的岡底斯新生陸殼組分的貢獻并不顯著, 可能與以下原因有關: ①這一階段巖漿巖主要為長英質巖石, 主要形成于先存陸殼的再造(Collins et al., 2011); ②古老的印度或亞洲陸殼組分的加入可能會弱化或掩蓋同期新生地殼組分的相關信息(Couzinié et al., 2016)。例如, 岡底斯陸殼在印度大陸碰撞前已幾乎完全表現為與虧損地幔相似的Nd-Hf同位素成分特征, 而代表幔源組分的新生代鉀質-超鉀質巖反而表現為更富集的同位素成分, 為同碰撞及后碰撞地殼生長的甄別和評估提出了新的挑戰。另一方面, 盡管大陸碰撞階段因缺乏俯沖侵蝕是利于陸殼保存的, 但現有的大量地球物理和地球化學研究都指示印度大陸和亞洲大陸在同碰撞和后碰撞階段發生了陸殼物質的俯沖再循環(Zhao et al., 2010; Pandey et al., 2010; Liu et al., 2014; Ma et al., 2017b, 2021; Zheng et al., 2020)。模擬計算也指出印度與亞洲大陸碰撞以來, 有相當于碰撞前俯沖洋殼總量50%的巨量印度陸殼物質被再循環至深部地幔(Ingalls et al., 2016)。因此, 對同碰撞或后碰撞階段地殼凈生長的評估是否也應該一并將陸殼俯沖納入考慮。

圖5 岡底斯地殼累積曲線(a)、地殼體積曲線(b)和新生地殼占比演化線(c)(據Ma et al., 2019a) Fig.5 Crustal accumulation (a), crustal volume (b) and juvenile crustal proportion evolution (c) curves for the crust in Gangdese of southern Tibet

4 小結與研究展望

通過上述的研究和梳理, 我們提出南拉薩地塊是一個具有前寒武紀結晶基底的微陸塊, 其陸殼主體形成于前寒武紀, 顯生宙以來新增的陸殼約占20%。顯生宙以來, 南拉薩地塊經歷了顯著的陸殼增生和置換再造, 其陸殼生長表現為幕式脈沖分布特征。晚古生代泥盆紀末期前, 南拉薩地塊陸殼中已包含50%以上的新生地殼組分, 指示其存在重要的古生代陸殼生長與置換事件。早侏羅世可能是南拉薩地塊陸殼生長最重要的時期之一。當前對同碰撞和后碰撞階段陸殼生長的評估還需要未來更多工作驗證。此外, 南拉薩陸殼生長的研究還面臨很多重要的問題。例如, 早古生代及之前南拉薩陸殼的形成機制; 在有限陸殼凈生長狀態下, 陸殼成分的演變及機制; 古老陸殼被置換和改造的機制; 被置換的古老陸殼的歸宿及影響; 碰撞和后碰撞階段的陸殼凈生長的有效甄別與量化。這些問題都將推動對岡底斯乃至全球大陸地殼生長和演化的理解。