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雷凯等-ESR:华北鞍山~38亿年古陆核的起源
2024-01-21 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

长英质大陆地壳的发育是地球有别于太阳系内其他星球的典型特征之一。地球上陆核的形成可以追溯到太古宙或冥古宙。然而,这些古陆核是如何形成和演化的目前仍不够清楚。核心问题之一是古老岩石往往因为经历了漫长的风化和改造历史而难以保存,因此自地球诞生起7亿年内的岩石特别稀少。鞍山太古宙杂岩位于华北克拉通东北部的辽东半岛,是世界上少数保存有~38 亿年古老岩石的地区之一,是研究早期壳幔分异和大陆地壳形成的理想对象。

来自鞍山岩石的第一个~38亿年年龄数据被报道之后,大量的地质年代学、构造地质学、岩石学、同位素地球化学等工作相继展开。但一些关键问题,包括鞍山~38亿年岩石的产状、成因以及构造背景等仍存在广泛的争议。争议来源之一是因为大部分鞍山古老岩石经历了改造和变形,因此锆石U–Pb定年的数据变化范围较大,而~38亿年的年龄能否代表鞍山岩石的结晶年龄仍需要进一步评估。野外的岩相学特征以及不同时代岩石间的接触关系有助于理解鞍山~38亿年的出露和保存情况。然而,对鞍山太古宙杂岩的1:25 000地质填图工作已经过了30余年,这期间产生的很多新认识和新观察需要进一步总结。此外,尽管许多独立的同位素体系(例如Lu–Hf、Sm–Nd、Hf–W)已经应用到鞍山~38亿年岩石的研究中,但不同同位素体系揭示的过程能否彼此联系仍不清楚。

针对上述问题,新京葡萄最新官网李献华院士研究团队和吉林大学金巍教授团队合作,对太古宙鞍山杂岩开展了1:10 000的大比例尺地质填图(图1),并对其中最古老的~38亿年岩石进行了锆石原位Si同位素分析,在此基础上结合前人工作,建立了鞍山~38亿年岩石的地质年代学框架,并探讨了鞍山~38亿年岩石的成因、构造背景以及其所揭示的早期地球分异事件等问题,取得了以下认识。

图1 华北克拉通太古宙鞍山杂岩地质图总结。蓝色五角星代表了~38亿年岩石出露的位置

(1)鞍山~38亿年岩石通常以包体的形式分别出露在白家坟、东山、深沟寺、锅底山以及胡家庙的古太古代片麻岩和混合岩单元中。其中~38亿年东山石英闪长岩、深沟寺和锅底山奥长花岗岩通常具有块状或弱条带状结构,变形较弱。而~38亿年白家坟、东山和胡家庙的奥长花岗岩则发育在构造变形强烈的区域,受到更年轻熔体的注入,因此具有条带状,在手标本尺度上很难单独分离出~38亿年岩石的成分。

(2)鞍山岩石中~38亿年的岩浆锆石具有相对地幔锆石更重的Si–O同位素组成(图2a–图2b),指示其源区有再循环地表物质的贡献。结合微量元素组成以及Nd–Hf同位素特征,鞍山~38亿年岩石可能形成于板块俯冲的环境下。

(3)大部分鞍山~38亿年岩石具有超亏损–亏损的Nd–Hf同位素组成,同时也有少量~38亿年岩石的Nd或Hf同位素表现出富集的特征(图2c–图2d)。大部分鞍山~38亿年岩石以及具有~38亿年岩石成分的~33亿年混合岩(F28-2)表现出142Nd以及182W正异常的特征(图2e-图2f)。这些同位素特征指示了早期地球发生了明显的分异事件,并产生了一个超亏损–亏损和一个相对轻微富集的地幔储库,这两个储库可能共同演化形成了鞍山~38亿年陆核的源区。

图2 鞍山~38亿年岩石的O–Si–Nd–Hf–W同位素特征

(4)结合全球的Si–Hf同位素数据表明,~39–38亿年可能是地球动力学体制转变的关键时期(图3)。在该时期,地球开启了受海水蚀变的地表物质的再循环,而且来自冥古宙时期分异的富集储库逐渐消失,取而代之的是新生地壳开始大量形成。该时期对应前人所推测的晚期重轰炸事件(LHB: Late Heavy Bombardment)的时间。LHB可能破坏了当时大部分的冥古宙地壳,并可能破坏了当时的“滞留板块”构造而诱发了俯冲。因而推测~38亿年大陆地壳的源区和构造背景可能与LHB存在潜在的联系。

图3 全球范围内在~39–38亿年期间Si–Hf同位素的变化特征。自~38亿年起,太古宙岩石具有一致的重Si同位素组成,Hf同位素组成由富集向亏损–超亏损转变

研究成果发表于国际学术期刊Earth-Science Reviews(雷凯,王亚飞,张晴,张家辉,金巍*,郑培玺,李献华*. Decoding the onset of ca. 3.8 Ga continental nuclei in Anshan, North China: A review integrated with 1:10,000 geological mapping, zircon U–Pb dating, and Si–O–Nd–Hf–W isotopes [J]. Earth-Science Reviews, 2023, 247: 104606. DOI: 10.1016/j.earscirev.2023.104606)。研究得到了国家自然科学基金项目(41890831、42103013)和新京葡萄最新官网岩石圈演化国家重点实验室设立项目(Z1005)的资助。

 
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