冈底斯陆壳属性与显生宙生长演化

2022-02-07 02:16唐功建

大地构造与成矿学 2022年6期

马林 , 王强 , 唐功建 , 李成

(1.中国科学院广州地球化学研究所, 同位素地球化学国家重点实验室, 广东广州 510640; 2.中国科学院深地科学卓越创新中心, 广东广州 510640; 3.中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049)

0 引言

大陆地壳覆盖了40%的地球表面, 为人类提供了主要的栖息地和90%以上的固体资源与能源, 因此大陆地壳的形成与演化一直是人类认知固体地球形成与演化规律的核心科学问题之一。大陆地壳相较于洋壳和地幔具有更低的密度, 因此能够长期保存于地球的浅部, 从而保存和记录了大量地球长期演化的重要信息, 被称为地球历史的档案馆(Hawkesworth and Kemp, 2006)。在大陆地壳形成与演化的研究中, 其形成时间和机制是最受关注的关键问题之一。尽管仍存在激烈的争论, 但一个重要的共识是地球90%或以上的陆壳都形成于约距今40～10亿年前(Hawkesworth and Kemp, 2006; Cawood and Hawkesworth, 2019; Wang et al., 2022)。近10亿年, 特别是显生宙(540 Ma)以来, 由于地壳热梯度逐渐降低和板块活动的加强, 陆壳净增长量对于当前全球陆壳总量的贡献被认为是极为有限, 甚至是负面的(Scholl and von Huene, 2007; Hawkesworth et al., 2009; Cawood et al., 2013)。然而, 在全球部分显生宙造山带中先后发现大量具有新生陆壳特征的岩浆岩, 例如中亚造山带和科迪勒拉造山带, 再次引发了显生宙陆壳生长的研究热潮(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)。

显生宙陆壳生长研究更着重关注板块构造体系下陆壳的形成、消亡与演化等, 包括不同板片构造动力学背景下陆壳的形成与保存机制、陆壳生长与破坏的速率和通量、陆壳成分的演化及其资源效应等。由于全陆壳和新生陆壳在成分上都具有与弧玄武岩相似的微量元素和同位素特征(Morris et al., 1990; Hawkesworth et al., 1997), 且俯冲带是全球除洋中脊外最重要的岩浆岩产区, 因此显生宙以来的大陆地壳被认为主要形成于大洋俯冲带(Gill, 1981; Rudnick, 1995)。然而, 显生宙活跃的板块运动导致俯冲侵蚀和陆壳俯冲等强烈破坏性活动加剧(von Huene and Scholl, 1991; Clift and Vannucchi, 2004; Scholl and von Huene, 2007; Stern and Scholl, 2010), 也使得俯冲带不利于陆壳保存而缺乏显著的地壳净生长(Scholl and von Huene, 2007; Hawkesworth et al., 2009; Niu et al., 2013; Cawood, 2013)。Jahn (2004)对中亚造山带大规模后碰撞花岗岩研究后发现其具有与亏损地幔相似的Sr-Nd同位素特征, 提出该地区90%的显生宙地壳生长都形成于后碰撞造山阶段。近年来, 一些学者通过对青藏高原南部冈底斯地区林子宗群帕那组安山质火山岩研究发现, 这些巨厚的火山岩表现出与全陆壳相似的主量、微量元素成分特征, 考虑到同碰撞阶段更有利于陆壳保存等因素, 陆陆碰撞带被认为是地壳净生长最重要的场所(Niu et al., 2013; Zhu et al., 2015; Yan et al., 2019)。这些研究和观点极大地促进了板块构造运动背景下陆壳生长与演化的激烈思辨与讨论(Cawood, 2013; Moyen, 2017)。

位于青藏高原拉萨地块南部的冈底斯造山带出露有大规模的花岗岩基, 其东西延伸可达1500 km, 主要由中生代-新生代花岗岩和部分镁铁质侵入岩组成, 是泛喜马拉雅岩基的主要组成部分(Yin and Harrison, 2000; Wen et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2013)。已有的大量岩石学和地球化学调查研究发现, 冈底斯岩基主要形成于中生代以来的幕式岩浆作用, 这些岩浆岩主要表现为具有类似亏损地幔的Nd-Hf同位素特征, 因此也被认为代表了显著的显生宙地壳生长(Ji et al., 2009, 2019, 2020a, 2020b; Zhu et al., 2011, 2013; Mo et al., 2007, 2008; 张泽明等, 2019; 莫宣学等, 2020及其引证文献)。这些新生大陆地壳的形成与特提斯域重要的斑岩铜金成矿作用紧密相关(Hou et al., 2004, 2009, 2015; Wang et al., 2014, 2018; Yang et al., 2015; 王瑞等, 2020)。冈底斯地区历经了完整的特提斯洋俯冲、印度-欧亚大陆碰撞及后碰撞造山等系列演化过程并出露有丰富的岩浆岩记录, 是理解和研究板片构造体系下不同造山演化阶段陆壳的生长与演化最理想的天然实验室之一。本文基于作者近年来对冈底斯地区不同阶段岩浆岩成因与数据分析的部分整理, 对南部拉萨地块的属性、显生宙以来构造动力学演化阶段的厘定和陆壳的生长与演化开展了初步的探讨, 期望能够对上述问题抛砖引玉, 不周之处请各位读者指正, 也期待与更多专家同仁深入探讨。

1 拉萨地体的基本地质特征

青藏高原是当今世界最高最大的高原, 并拥有全球最厚的地壳(Tian et al., 2015; Wang et al., 2021), 其形成于显生宙以来多个由冈瓦纳超大陆裂解起源的陆块由南向北漂移汇聚的过程(Yin and Harrison, 2000; Chung et al., 2005; Zhu et al., 2013)。在这些冈瓦纳起源的陆块中, 位于高原南部的拉萨地块代表了印度大陆碰撞前的欧亚大陆最南缘, 经历和记录了古特提斯洋与新特提斯洋的俯冲以及印度-欧亚大陆碰撞等的动力学演化过程和重要信息(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; 张泽明等, 2019; Dan et al., 2019, 2020; Wang et al., 2019; 王瑞等, 2020)。以东西向的狮泉河-纳木错混杂岩带和洛巴堆-米拉山断裂带为界, 拉萨地块可分为南、中、北三部分(图1; Zhu et al., 2011, 2013)。系统的Hf同位素填图结果显示拉萨地体的地壳呈现出中部古老而两侧新生的特征(Zhu et al., 2011; Hou et al., 2015)。其中, 中拉萨地体具有元古代-太古代的结晶基底, 其上沉积有石炭纪-二叠纪的变质沉积岩, 代表了曾经的微陆块; 北拉萨地体缺乏前寒武纪的结晶基底, 区域出露最老的沉积地层为中-晚三叠世的板岩、砂岩和放射虫硅质岩(潘桂棠等, 2006; Zhu et al., 2011, 2013)。

图1 拉萨地块地质简图(据Chung et al., 2005; Zhu et al., 2011, 2013, 2019修改) Fig.1 Geological sketched map of the Lhasa block, Southern Tibet

南拉萨地块仅在东部出露有少量前寒武纪基底岩石, 沉积岩盖层主要是晚石炭世-三叠纪碎屑沉积岩和大量的火山岩(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)。南拉萨地块广泛分布有中、晚三叠世以来的岩浆岩, 包括冈底斯岩基和叶巴组、桑日群、林子宗群火山岩等(Allègre et al., 1984; Yin and Harrison, 2000; 潘桂棠等, 2004; Chung et al., 2005; Chu et al., 2006; 董国臣等, 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)。这些岩浆岩具有钙碱性和相对亏损的Nd-Hf同位素组成特征, 代表了显生宙新生地壳的形成(Mo et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2011; Xu et al., 2017)。

2 冈底斯岩浆作用与地壳生长

地壳生长通常以岩浆作用为主要载体。年代学研究表明, 位于拉萨地块南部的冈底斯岩浆岩带拥有长期的岩浆活动历史, 且表现为幕式分布特征, 可粗略划分为四个主要的岩浆峰期, 分别是侏罗纪(199～176 Ma)、晚白垩世(90±5 Ma)、早始新世(51±4 Ma)和早-中中新世(15±3 Ma)(图2; Wen et al., 2008; Ji et al., 2009; Zhu et al., 2011, 2019; Chapman et al., 2017; 张泽明等, 2019)。

图2 冈底斯岩浆岩形成时间统计图 Fig.2 Statistical diagram of the formation time of the Gangdese magmatic rocks

侏罗纪岩浆岩主要以中酸性岩为主, 包括了钙碱性的冈底斯侵入岩、叶巴组和桑日群火山岩等, 具有与大陆弧岩浆和弧后岩浆岩相似的地球化学特征(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冲(Zhu et al., 2013, 2019)或雅鲁藏布江新特提斯洋板片的北向俯冲(Zhu et al., 2008; Ji et al., 2009; Hou et al., 2015; Wei et al., 2017)。这一时期的地壳生长主要与新特提斯北向俯冲导致的弧后增生(Wei et al., 2017)或壳幔相互作用(舒楚天等, 2018)有关, 且可能为冈底斯同碰撞-后碰撞斑岩成矿提供了主要的成矿物质(Hou et al., 2015)。

晚白垩世(95～90 Ma)的岩浆活动代表了一次重要的岩浆爆发事件, 表现为以镁铁质岩浆岩为主(图3c; Ma et al., 2013a), 伴生有部分中酸性侵入岩等(Zhang et al., 2010, 2011; Ma et al., 2013b)。该期岩浆活动在动力学机制上存在新特提斯洋的俯冲板片后撤(Ma et al., 2013a, 2013b, 2015; Ma X X et al., 2017d; Liu et al., 2019; Yin et al., 2019; Meng et al., 2020)、洋脊俯冲(Zhang et al., 2010, 2011; Zhu et al., 2013, 2019; Kapp and Decellce, 2020)或同时共存(Huang et al., 2022)等不同观点, 但均认为晚白垩世冈底斯造山带演化主要受控于新特提斯洋俯冲相关的动力学过程。这一时期的地壳生长方式包括幔源弧岩浆的垂向底侵增生(Ma et al., 2013c)和再循环洋壳组分贡献(Ma et al., 2013b; He et al., 2018)。晚白垩世(90 Ma)冈底斯钙碱性辉长岩中发现了钙质斜长石(An＞90)和大量岩浆成因的绿帘石(TiO2＜0.2%), 这些矿物指证了岩浆具有高水压、高氧逸度特征(Beard, 1986; 周新民等, 1994; Pertermann and Lundstrom, 2006), 且岩浆最小侵位压力约为0.5～0.6 GPa, 相当于15～20 km的地壳深度(Zen and Hammarstrom, 1984), 为大洋俯冲阶段幔源弧岩浆通过垂向底侵方式增生至地壳提供了关键的岩石学证据(Ma et al., 2013c)。此外, 晚白垩世早期含石榴石的紫苏花岗岩在冈底斯岩基东段被广泛发现, 这些花岗岩具有高MgO (2.0%～4.5%)、富钠(Na2O/K2O=1.6～14.4)、高Sr/Y值(27.2～138.7)和亏损的 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冲洋壳组分, 暗示俯冲洋壳组分增生也是大洋俯冲阶段另一种重要的地壳生长方式与物质来源(Zhang et al., 2010, 2011; Ma et al., 2013b; He et al., 2018)。

古近纪早期(60～40 Ma)岩浆记录是当前冈底斯带保存规模最大的, 其岩浆峰期为51±4 Ma, 主要包括冈底斯岩基的侵入岩和林子宗群火山岩(Yin and Harrison, 2000; Chung et al., 2005; Mo et al., 2005, 2007, 2008; 董国臣等, 2008; Ji et al., 2009; Lee et al., 2009, 2011; Zhu et al., 2013, 2015, 2019; Ma et al., 2014; 张泽明等, 2019; 莫宣学, 2020; Liu et al., 2021)。该期岩浆活动以中酸性岩浆岩为主, 有少量镁铁质岩(图3; 董国臣等, 2008; Lee et al., 2011; 龙晓平等, 2019; 张泽明等, 2019; Tian et al., 2021)。中酸性岩浆表现为多种类型, 包括I型、S型、碱性花岗岩、高分异花岗岩和流纹岩等(Lee et al., 2012; Ma et al., 2017a; Qi et al., 2018; Zhang et al., 2021),

图3 冈底斯主要岩浆峰期岩石成分类型(数据来源同图2) Fig.3 Statistical diagrams for SiO2 contents of magmatic rocks of main magmatic periods in Gangdese

其中以具有典型弧岩浆特征的高钾钙碱性花岗岩和安山质火山岩为主(Mo et al., 2007, 2008; Zhu et al., 2015)。镁铁质岩主要包括辉长岩、辉绿岩和玄武岩, 部分岩石类似于MORB, 具有亏损的Nd-Hf同位素特征(Lee et al., 2012; Tian et al., 2021)。大量研究显示这一时期可能是印度与欧亚大陆的碰撞阶段(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), 伴有高温麻粒岩相变质作用(Zhang et al., 2015; Ding et al., 2017)和淡色花岗岩的形成(王珍珍等, 2018; Ma et al., 2017; Xia et al., 2018; Zhang et al., 2021)。该期岩浆爆发与新特提斯洋板片断离(Zhu et al., 2015; Kapp and DeCelles, 2020)、板片后撤(Chung et al., 2005; Kelly et al., 2020)或岩石圈拆沉(Qi et al., 2020)等动力学过程相关。该期冈底斯花岗岩中广泛出现了大量镁铁质微粒包体, 可能代表了大规模的壳幔岩浆混合作用与大陆地壳生长(Mo et al., 2007, 2008; Ma et al., 2017c)。而同期大规模的林子宗群安山岩, 是尚未俯冲的洋壳碎片在角闪岩相条件下部分熔融的产物, 具有相似陆壳的元素特征, 由此提出了同碰撞陆壳净生长的假说模型(Niu et al., 2013)。这一模型克服了玄武质弧岩浆陆壳成因模型的成分悖论和俯冲阶段陆壳易破坏难保存等缺点(Niu et al., 2013)。此外, 同碰撞混杂岩(mélange)底辟熔融模型也被用于解释典中组安山岩的形成与陆壳生长作用(Yan et al., 2019; 龙晓平等, 2019)。这里的混杂岩指由大洋板片玄武岩、大洋沉积物和地幔楔橄榄岩等组分在俯冲隧道内经机械混合形成的混杂物质(Nielson and Machelle et al., 2017)。由于其含有大量低密度的沉积物等组分, 混杂岩容易发生底辟熔融(Nielson et al., 2019)。

早-中中新世岩浆岩广泛分布在东西延展达1500 km的藏南地区, 主要以岩脉形式侵入到冈底斯岩基和林子宗群火山岩中, 在成分上主要表现为钾质-超钾质和钙碱性埃达克质两种特征。钙碱性埃达克质岩与Cu-Au-Mo成矿作用关系紧密(Chung et al., 2005)。钾质-超钾质岩源自碰撞前俯冲交代的岩石圈地幔(Chung et al., 2005; Zhao et al., 2009)、拉萨地块古老地壳混染交代的岩石圈地幔(Liu et al., 2014a, 2014b, 2015, 2017)或被印度陆壳俯冲交代的岩石圈或软流圈地幔(Guo et al., 2006, 2013, 2015, 2019; Ma et al., 2017b; Hao et al., 2022); 埃达克质岩被认为源自增厚下地壳熔融(Chung et al., 2003, 2009)、俯冲印度陆壳熔融(Chung et al., 2009; Xu et al., 2010; 姜子琦等, 2011)或残留的俯冲大洋板片熔融并与地幔相互作用(Gao et al., 2003)。动力学方面可能受控于加厚岩石圈拆沉(Chung et al., 2003, 2005)或印度大陆俯冲-断离-后撤(Guo et al., 2006, 2013, 2015, 2019; Ma et al., 2017b)等相关过程。这一阶段岩浆作用尽管分布广泛, 但多具有规模小与成分富集的特征, 目前对其地壳生长贡献的评估和研究也较少。

除上述四个主要的岩浆活动峰期外, 古生代(496 Ma)花岗岩和晚泥盆世-早石炭世(371～353 Ma)双峰式岩浆岩近年来也被发现和报道(董昕等, 2010; Ji et al., 2012; Dong et al., 2014; Hou et al., 2015; Wei et al., 2017; Ma et al., 2019), 这些晚古生代幔源岩浆岩表现出弧后岩浆岩成分和亏损地幔同位素特征, 被认为代表了古特提斯洋俯冲背景下的地壳生长(Ma et al., 2019)。综上所述, 冈底斯地区经历了长期的幕式岩浆活动, 然而这些幕式岩浆活动是否都代表了显著的地壳生长？如何识别和判断地壳生长？不同时期与动力学演化阶段地壳生长的贡献或占比应如何评估？

3 冈底斯陆壳性质及其生长与演化初探

岩浆岩是地壳生长的载体, 但不是所有的岩浆岩都能够代表地壳生长。陆壳生长是指幔源物质或其产物以直接或间接方式加入或形成陆壳的一部分的过程。花岗岩是构成陆壳最重要的岩石类型之一, 也是陆壳形成与演化研究中最主要的研究对象, 记录了地壳的成分、源区、形成与侵位条件等诸多重要信息(Hawkesworth and Kemp, 2006)。花岗岩的成因十分复杂(吴福元等, 2007; 陈骏等, 2008, 2014), 但已有的实验岩石学研究指出花岗岩主要形成于玄武质或长英质源区的部分熔融(Vielzeuf and Holloway, 1988; Clarke, 1992; Skjerlie and Johnston, 1992; Montel and Vielzeuf, 1997; Scaillet et al., 2016), 而非地幔岩石源区(方辉橄榄岩、二辉橄榄岩或辉石岩等),这一特性致使花岗岩的形成年龄并不能直接代表陆壳的形成年龄(Goodwin, 1996)。正如地球陆壳的主体被认为形成于25亿年前, 然而当前全球保存下来的太古代地壳却极为有限(Harrison, 2009; Cawood et al., 2019; Wang et al., 2022), 全球陆壳的定年结果主要集中在10亿年以来(Korenaga, 2018), 这主要是由于陆壳花岗岩经历了长期、广泛和复杂的重熔再造与演化过程(Hawkesworth et al., 2009)。因此, 要准确地判定和评估陆壳生长, 需要建立在对岩浆岩, 特别是花岗岩的起源与成因准确认知的基础上。

如上所述, 冈底斯带岩浆活动呈现幕式分布特征。根据当前已有的构造演化研究成果, 本文分别以印亚大陆初始碰撞(～62 Ma; Wu et al., 2014; Zhu et al., 2015; Hu et al., 2016; 丁林等, 2017及其引用文献)和印度大陆岩石圈深俯冲(～35 Ma; Ma et al., 2017b)为主要界线(图4), 将冈底斯动力学演化大致划分为碰撞前、同碰撞和后碰撞3个主要阶段, 而不同演化阶段的岩浆岩成分与成因均有所差别:

(1) 在大陆碰撞前(约360～62 Ma), 冈底斯岩浆岩主要包括拉斑或钙碱性幔源镁铁质岩浆岩和钙碱性I型花岗岩, 以及少量的S型花岗岩(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)。镁铁质岩和I型花岗岩表现为与典型弧或弧后玄武岩-英安岩相似的主微量元素成分、具有与亏损地幔相似的Nd-Hf同位素特征, 主要形成于特提斯洋俯冲相关的过程(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)。镁铁质岩浆岩主要形成于俯冲交代的地幔楔或上涌的软流圈地幔(Zhu et al., 2008; Ma et al., 2013; Hou et al., 2015; Wang et al., 2016; 侯增谦等, 2021; 莫宣学等, 2021), 花岗岩则主要源于新生下地壳或洋壳(Ji et al., 2009, 2019, 2020a; Ma et al., 2013, 2017)。这些岩浆岩的研究表明新特提斯洋俯冲阶段特别是侏罗纪弧后伸展环境发生了重要的地壳生长(Hou et al., 2015; Wei et al., 2017; Ma et al., 2019a), 主要通过幔源岩浆的垂向底侵增生和洋壳物质再循环等方式实现陆壳生长(Ma et al., 2013b, 2013c)。

(2) 同碰撞阶段(62～35 Ma)岩浆记录以长英质岩浆岩为主, 表现为具有亏损到富集的Nd-Hf同位素特征等(图4)。碰撞早期的岩浆岩多形成于新生地壳或变沉积岩重熔、俯冲洋壳部分熔融、地幔混杂岩以及少量岩石圈与软流圈地幔熔融等(Ji et al., 2009; Lee et al., 2012; Ma et al., 2017a; Huang et al., 2017), 地壳生长方式主要包括俯冲洋壳再循环、壳幔岩浆混合、地幔混杂岩部分熔融等(Niu et al., 2013; Zhu et al., 2015; Yan et al., 2018; 侯增谦等, 2020; 莫宣学等, 2021)。

(3) 后碰撞阶段(35 Ma至今)的岩浆岩主要为钾质-超钾质岩和埃达克质花岗岩, 均表现为富集的Nd-Hf同位素特征(图4)。其中钾质和超钾质岩源自俯冲印度陆壳或拉萨古老基底物质交代的富集岩石圈(Zhao et al., 2009; Liu et al., 2011; Liu et al., 2014, 2015; Ma et al., 2017b; Hao et al., 2022)或软流圈地幔(Guo et al., 2006, 2013, 2015), 埃达克质岩源自含有印度陆壳组分的增厚下地壳(Chung et al., 2009; Chu et al., 2011)或俯冲的印度陆壳(Xu et al., 2010; 姜子琦等, 2011)。这一阶段岩浆岩具有较为富集的Nd-Hf同位素组成、岩浆规模较小, 陆壳生长的研究相对缺乏。

图4 冈底斯岩浆岩全岩Nd同位素(a)和锆石Hf同位素(b)特征(主要数据引自Ma et al., 2019a) Fig.4 Whole-rock Nd isotopes (a) and zircon Hf isotopes (b) for magmatic rocks in Gangdese

估算不同构造阶段新生地壳的比例有助于全面了解冈底斯地区的陆壳形成和演化。关于陆壳生长速率和新生陆壳估算方面, 前人已有较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)。由于冈底斯造山带经历了特提斯洋长期俯冲、强烈的陆陆碰撞与陆壳的俯冲变形演化等过程(Yin and Harrison, 2000), 是全球陆壳最厚的地区(Zhang et al., 2015), 因此冈底斯陆壳的结构与组成非常复杂, 对于不同时期陆壳形成的体积和速率目前难以给出准确可靠的全面约束。针对这一现状, 我们通过研究不同阶段生成的陆壳中新生陆壳与既有陆壳的比例, 来约束和理解冈底斯陆壳形成与演化的历史格架(Ma et al., 2019a)。估算的方法是将新生陆壳与既有陆壳作为两个物质端元, 通过计算两端元物质在不同时期岩浆岩的贡献(所占比例)来约束陆壳新生状况。考虑到数据量与代表性, 我们主要选用了锆石的Hf同位素和年龄来开展研究。首先对分析和搜集的锆石数据进行质量筛选, 过滤掉变质锆石、热液锆石和有缺陷的数据影响, 然后以5 Ma为单位对挑选后的数据进行分组, 选取每一组样品中最亏损的镁铁质岩浆岩的锆石Hf同位素作为该期新生陆壳端元值。对于既有陆壳端元的选取, 传统的计算中通常选取全球陆壳的Hf同位素平均值。考虑到不同地区陆壳组成的差异, 我们对每一阶段之前所有岩浆锆石与碎屑锆石的Hf同位素数据进行加权计算得到该阶段开始时既有陆壳的成分和陆壳成分随时间的演化曲线(图5a), 尽可能贴近真实地反映研究区陆壳的演化情况(Ma et al., 2019a)。在此基础上, 对所有搜集的冈底斯岩浆锆石和碎屑锆石进行二阶段Hf模式年龄(tDM2(Hf))计算, 结果指示冈底斯陆壳的主体(＞70%)可能形成于前寒武纪时期(图5b)。因此, 南拉萨地块更可能代表了一个具有前寒武纪结晶基底但被后期构造岩浆强烈改造置换的微陆块, 而非水平拼贴增生的新生地体(Ma et al., 2019a)。此外, 通过两个端元的计算表明, 冈底斯陆壳在晚泥盆世前已经包含50%的新生陆壳组分(图5c), 指示冈底斯地区还存在早古生代或更早的地壳生长事件。新特提斯洋俯冲阶段是冈底斯地壳生长的主要阶段, 大约50%的新生陆壳组分输入与这一阶段相关, 特别是早侏罗世, 约有20%的新生陆壳组分在短时间内(约20 Ma)新增(图5c), 体现了陆壳脉冲和幕式生长的特征。我们的计算结果指示同碰撞及后碰撞阶段的冈底斯新生陆壳组分的贡献并不显著, 可能与以下原因有关: ①这一阶段岩浆岩主要为长英质岩石, 主要形成于先存陆壳的再造(Collins et al., 2011); ②古老的印度或亚洲陆壳组分的加入可能会弱化或掩盖同期新生地壳组分的相关信息(Couzinié et al., 2016)。例如, 冈底斯陆壳在印度大陆碰撞前已几乎完全表现为与亏损地幔相似的Nd-Hf同位素成分特征, 而代表幔源组分的新生代钾质-超钾质岩反而表现为更富集的同位素成分, 为同碰撞及后碰撞地壳生长的甄别和评估提出了新的挑战。另一方面, 尽管大陆碰撞阶段因缺乏俯冲侵蚀是利于陆壳保存的, 但现有的大量地球物理和地球化学研究都指示印度大陆和亚洲大陆在同碰撞和后碰撞阶段发生了陆壳物质的俯冲再循环(Zhao et al., 2010; Pandey et al., 2010; Liu et al., 2014; Ma et al., 2017b, 2021; Zheng et al., 2020)。模拟计算也指出印度与亚洲大陆碰撞以来, 有相当于碰撞前俯冲洋壳总量50%的巨量印度陆壳物质被再循环至深部地幔(Ingalls et al., 2016)。因此, 对同碰撞或后碰撞阶段地壳净生长的评估是否也应该一并将陆壳俯冲纳入考虑。

图5 冈底斯地壳累积曲线(a)、地壳体积曲线(b)和新生地壳占比演化线(c)(据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 小结与研究展望

通过上述的研究和梳理, 我们提出南拉萨地块是一个具有前寒武纪结晶基底的微陆块, 其陆壳主体形成于前寒武纪, 显生宙以来新增的陆壳约占20%。显生宙以来, 南拉萨地块经历了显著的陆壳增生和置换再造, 其陆壳生长表现为幕式脉冲分布特征。晚古生代泥盆纪末期前, 南拉萨地块陆壳中已包含50%以上的新生地壳组分, 指示其存在重要的古生代陆壳生长与置换事件。早侏罗世可能是南拉萨地块陆壳生长最重要的时期之一。当前对同碰撞和后碰撞阶段陆壳生长的评估还需要未来更多工作验证。此外, 南拉萨陆壳生长的研究还面临很多重要的问题。例如, 早古生代及之前南拉萨陆壳的形成机制; 在有限陆壳净生长状态下, 陆壳成分的演变及机制; 古老陆壳被置换和改造的机制; 被置换的古老陆壳的归宿及影响; 碰撞和后碰撞阶段的陆壳净生长的有效甄别与量化。这些问题都将推动对冈底斯乃至全球大陆地壳生长和演化的理解。