大别山南缘～2.5Ga钾质花岗岩的发现及其意义*

刘述德 郭瑞禄 曾芳 刘鸿飞 武思琴

1. 中国地质大学(武汉)地球科学学院, 武汉 430074 2. 湖北省地质科学研究院, 武汉 430034

克拉通生长是指由镁铁质的地幔源区熔出的岩浆直接生成长英质地壳,或者地幔岩浆结晶而成的岩石在短时间内再次重熔形成地壳的过程(Belousovaetal.,2010),克拉通生长导致地球的壳幔分异;克拉通的再造是通过壳内重熔的方式形成花岗岩的过程,克拉通经过再造达到上、下地壳的分异,由此完成“克拉通化”(Laurentetal.,2014)。因此,古老的陆壳基底(或残片)尤其是其中的花岗质岩石是理解早期地壳形成和克拉通化的重要依据。尽管“现存大陆地壳的80%以上形成于2.5Ga之前”业已成为共识,但关于该时期造壳岩浆活动的方式却存在两种截然不同的观点:其一是以板块构造理论为基础的横向水平增生模式(Foleyetal.,2002;Rappetal.,2003;Steenfeltetal.,2005),其二是原始地幔柱假说的垂向增生模式(Condie,2005)。与此相关,即元古代之前是否存在典型意义的板块构造,或者说长英质大陆与板块构造孰先孰后,也是地学界长期争论的问题(Bickleetal.,1994;Hamilton,1998;Brown,2006;Furnesetal.,2009;Turneretal.,2014;李三忠等,2015;陆松年等,2016;Greberetal.,2017;Rozeletal.,2017;赵振华,2017;Zheng and Zhao,2020;赵国春和张国伟,2021)。

尽管对其成因机制尚有争论,但新太古代-古元古代大陆地壳的主要成分却是明确的,即主要由英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG)为主,含少量钾质花岗岩(HKG)组成的深成侵入片麻岩套,其中前者以明显的富Na为特征,可称为钠质系列(广义)花岗岩,后者则是明显的富K,暗示两者在岩浆源区和熔融机制等方面存在差异。一种理论认为,新太古代的钾质岩浆侵入事件发生在TTG质大陆形成之后:由于地幔物质上涌导致壳内重熔形成钾质岩浆,再向上侵位形成富钾的花岗质上地壳(Laurentetal.,2014)。而无论是钠质花岗岩还是钾质花岗岩,都与显生宙常见的钙碱性系列花岗岩存在明显区别,即这两类岩石在后期的地质过程中没有大量重复出现,说明地球早期的岩石-构造机制存在特异性。

扬子克拉通是我国三大前寒武纪陆块之一,但其上地壳大部分被元古代以来的地层覆盖,太古代基底偶见于克拉通内部的宜昌崆岭杂岩(高山等,2001;Liuetal.,2006;Zhangetal.,2006;Jiaoetal.,2009;Chenetal.,2013;Guoetal.,2014,2015)、钟祥杨坡杂岩(Wangetal.,2013;汪正江等,2013),西缘的陡岭(Wuetal.,2014)、赫章(何良伦等,2020)等地。其中,崆岭杂岩记录有3.3～3.2Ga、2.9～2.8Ga和2.7～2.6Ga三期岩浆增生作用(Jiaoetal.,2009;Gaoetal.,2011;Chenetal.,2013),以及2.0Ga变质年龄和1.8Ga基性岩侵位年龄(彭敏等,2009;Yinetal.,2013),暗示了扬子克拉通在太古代的生长历史和元古代的改造与破坏。

作为扬子北缘卷入主造山期的大别山被认为也大量出露有早前寒武纪的陆壳基底,但其精确的年龄信息此前仅来自该造山带核部的罗田穹隆(吴元保等,2003;Wuetal.,2008)。最近,邱啸飞等(2020)、Zhaoetal.(2021)、田洋等(2022)陆续在大别山地区报告了一系列2850±86Ma、2497～2645Ma的片麻状花岗岩,表明太古代基底在大别山地区应当广泛存在。本文报告了2018年于大别山南缘蕲春地区发现的2.5～2.0Ga钾质花岗岩,其性质显示为更早期地壳经过改造以后的产物,与以往认为扬子克拉通化的时限晚于中元古代的固有观点(Wuetal.,2012)存在差异,为重审其早期历史提供了新视角。

1 地质背景

大别山是扬子板块与华北板块于晚古生代-早中生代俯冲-碰撞而成的造山带,由北向南可依次划分为北淮阳低温低压变质带(V)、北大别高温超高压变质带(IV)、中大别中温超高压变质带(III)、南大别低温超高压变质带(II)和大别山南缘低温高压变质带(I)(Zhengetal.,2005),其中前者由华北板块的前寒武纪基底和活动大陆边缘组合而成(张国伟,2015),后四个部分是扬子板块向北俯冲而后折返的变质基底和盖层(江来利等,2003)。南、中、北大别主要出露原大别群或大别杂岩,岩性以英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG岩系)变质而成的长英质片麻岩为主(Hackeretal.,1998),夹少量镁铁质-超镁铁质岩、变质表壳岩等,变质级别达高角闪岩相、麻粒岩相,局部出现混合岩化,并以含有榴辉岩等代表大陆深俯冲的超高压变质带(UHP)而受到地学界广泛关注(Hackeretal.,2000)。

大别山南缘位于该造山带外围,在湖北省境内出露原红安群,在安徽省境内出露原宿松群(安徽省地质矿产局,1987;湖北省地质矿产局,1990)。大别山南缘与扬子板块前陆带之间则是由新元古代张八岭岩群组成的构造滑脱带(图1)。原宿松群、红安群和张八岭群的原岩性质、形成时代长期存在争议(徐树桐等,1994;汤加富等,2000,2001,2002;邓乾忠和王昌平,2006)。20世纪90年代,安徽省地质矿产局(1997)将原宿松群解体,认为原视为地层的变质岩系中包含相当数量的变形变质侵入体,称为“蒲河杂岩”,将其剥离后的变质火山-含磷沉积岩系为重新定义的宿松群。江来利等(2003)则进一步剔除了宿松群中的片麻岩和基性岩,宿松群只保留变质沉积岩。最近获得的741±7Ma、739.1±6.4Ma等变火山岩年龄及疑似的化石线索表明区内变质地层的主体为新元古界及部分震旦系-下古生界(刘晓春等,2005;钱存超,2006;陈铁龙等,2013;李俊辉等,2016)。值得注意的是,大别山南缘还存在一套年龄相当古老的花岗质片麻岩,早期曾作为红安群或宿松群的一部分,徐树桐(2010)称其为“大别杂岩”,江来利等(2003)和吴维平等(2003(1)吴维平, 江来利, 张勇, 刘贻灿, 杨佩明, 孙仁伟, 史东方. 2003. 大别山南部蕲春至宿松一带花岗片麻岩的地质特征及其形成时代. 济南: 华东六省一市地学科技论坛)从中获得年龄值2010±38Ma和2018±73Ma、2010±39Ma。总体上看,大别山南缘主要分布着两类片麻岩和一类变质沉积岩:其中I1为“蒲河杂岩”,包括白云钠长片麻岩、白云钠长石英片岩夹少量斜长角闪岩等,其原岩可能是新元古代花岗岩和基性岩(江来利等,2003)或双峰式火山岩(汤加富等,2000);I2即所谓“大别杂岩”,主要为各类花岗质片麻岩,属于红安群或宿松群的下伏基底,部分地段可见其不整合伏于盖层之下(安徽省地质矿产局,1987;湖北省地质矿产局,1990),但在后期的变形改造中常发育与地层一致的片麻理,与地层之间呈剪切带或断层接触而“交织”在一起(图2);I3为剔除前两者之后重新定义的宿松群,主要为白云石英片岩、大理岩、石墨片岩等组成的含磷碎屑-碳酸盐岩。

图2 野外剖面及接触关系特征

2 样品特征

本次采样剖面野外可见花岗质片麻岩、变质基性岩呈构造透镜体产于变质沉积岩围岩之中,透镜体之间、透镜体与围岩之间为断层接触(图2)。变沉积岩围岩的岩性主要为白云母片岩,具有2480Ma等4个峰值年龄,最小年龄值限定的沉积时代下限为1904Ma(待发表)。共采集6件岩石样品(30°16′44″N、115°25′39″E),均为区域变质岩,且普遍叠加了不同程度的后期韧性变形,按照岩性可分为两类:一类为花岗质片麻岩(图3a-d),一类为变基性岩(图3e, f)。

图3 大别山南缘变质火成岩样品显微薄片照片

花岗质片麻岩样品(PM01-4-1、PM02-0-1、PM02-0-2、PM02-4-1)多保留变余花岗结构,典型矿物组合为Ms+Bi+Af+Q,个别样品见斜长石和角闪石,副矿物可见磷灰石和磁铁矿,原岩应为花岗岩类,属长英质正变质岩。变晶中石英含量往往远高于其他矿物,约占40%～50%;碱性长石含量次之,以微斜长石和正长石为主,部分样品见条纹长石,约占整体的10%～30%,多呈半自形-自形粒状,发育完全解理,轻微土状蚀变;薄片中白云母和黑云母晶体或相伴而生(图3a),或独存一种(图3b-d),含量约占10%～25%,多呈纤状变晶结构,部分样品被后期韧性变形强烈改造,使云母颗粒丝带与碱性长石晶体组成眼球状构造(图3d);斜长石见于样品PM01-4-1(图3a),含量约2%,呈细小板状颗粒,见聚片双晶;普通角闪石见于样品PM02-0-1(图3b),约占15%,呈长柱状-针状。

变基性岩中绿泥黑云阳起石岩(PM01-6-1)手标本呈暗草绿色调,镜下为鳞片变晶结构,块状构造,矿物组合为Chl+Bi+Pl+Act+Q,另见副矿物榍石和磁铁矿。其中阳起石含量约占45%～50%;斜长石晶型往往不完整,呈溶蚀状,部分保留有聚片双晶,含量20%左右;黑云母含量15%～20%,半自形-他形填隙存在;石英亦呈填隙存在,且多为细小颗粒集合体,含量5%～8%;绿泥石含量约2%,半自形板状-他形粒状。透辉石角闪岩(PM02-1-1)为纤状变晶结构,多种矿物集合体在基质中定向展布形成眼球状或串珠状构造,矿物组合为Pl+Hb+Di+Q。普通角闪石含量约占50%～65%,呈半自形-他形带状定向展布;透辉石含量约占15%～25%;斜长石含量约5%,多呈自形板柱状,发育聚片双晶;石英往往填隙存在,含量5%～8%。

3 分析方法

样品的主量和微量元素地球化学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完成。主量元素采用X荧光光谱法(XRF)分析;微量元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析。所用试剂HNO3和HF均为由优级纯酸经亚沸蒸馏装置制得的高纯试剂;标准系列为由美国Spex公司的ClaritasPPT常规多元素混标溶液配制的多元素混合溶液。测试用的ICP-MS为Agilient公司的Agilient 7700x,借用BHVO-2、AGV-2为标准参考物质,微量元素测试数据的准确度基本达到100%。

锆石挑选在河北省地质测绘院岩矿实验测试中心(廊坊)完成,样品粉碎至200目后采用浮选和电磁分离法分离,并在双目镜下挑选晶形完好的锆石,分析前利用反射光、透射光和阴极发光照相。锆石U-Pb定年在南京宏创地质勘查技术服务有限公司微区分析实验室使用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)完成。激光剥蚀平台采用Resolution SE型193nm深紫外激光剥蚀进样系统,配备S155型双体积样品池。质谱仪采用Agilent 7900型电感耦合等离子体质谱仪。采用ICPMSDataCal(V3.7)软件对同位素比值数据进行处理。实验所测得的数据用ISOPLOT程序进行谐和图的绘制和加权平均年龄计算。

Nd同位素分析在在南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成。岩石粉末经高压密闭溶样弹消解后,一部分消解液经过阳离子-锶特效联合树脂,分离出总稀土。总稀土组分再经过Ln特效树脂,分离出Nd。采用美国地质调查局USGS地球化学标准岩石粉末(玄武岩BCR-2、玄武岩BHVO-2、安山岩AGV-2、正长岩STM-2)作为质控盲样。Nd同位素比值测定过程中,采用146Nd/144Nd=0.7219校正仪器质量分馏。Nd同位素国际标准物质JNdi-1作为外标,校正仪器漂移,具体流程可参见文献(Chenetal.,2000,2007)。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb年龄

样品PM01-4-1和PM01-6-1的锆石形态具相似性,整体受后期改造明显,外部普遍发育阴极发光强度低的面状或斑杂状变质增生边,增生边宽度约10～20μm,导致颗粒形态发生圆化,内部残留晶晶型多不完整,仅个别可见晶棱平直的自形晶,但多数颗粒保留有清晰的振荡环带结构,少数包含继承锆石的残留核(图4);普遍发育大量裂隙,裂隙分为两期,早期裂隙多呈细密网状,仅保留在残留晶内部,并未穿透增生边,部分裂隙以继承核为中心呈放射状展布,后期裂隙多宽大,贯穿整个晶体,切割增生边,指示锆石颗粒曾受到多期强应力作用。PM01-4-1锆石颗粒粒径90～150μm,长宽比介于1.0～2.5之间,Th/U比介于0.2～1.4之间,绝大多数大于为0.4～0.7;PM01-6-1锆石颗粒粒径40～220μm,长宽比介于1.2～2.9之间,Th/U值绝大多数介于0.3～0.8之间(刘述德,2022),整体符合岩浆锆石的特点(吴元保和郑永飞,2004)。

图4 大别山南缘变质火成岩样品锆石CL图像

PM01-4-1共20个测点,测得数据见表1。除去798Ma、828Ma两个年轻年龄(锆石颗粒完整,疑似混样),其余18个测点共同构成一条不一致线,不一致线与谐和曲线上交点介于2400～2500Ma之间,图5a红色虚线框内谐和度≥97%的测点基本呈正态分布,其207Pb/206Pb年龄加权平均值为2463±18Ma(MSWD=1.4),代表花岗岩的结晶年龄。不一致线与谐和曲线下交点大致落在200～300Ma的区间内。PM01-6-1有效测点共18个,大部分测点Pb丢失严重,偏离谐和曲线,可甄别出一条不一致线(图5b),上交点落在2500Ma附近,其207Pb/206Pb年龄加权平均值为2443±35Ma(MSWD=4.8);不一致线与谐和曲线下交点同样落于200～300Ma区间内,代表因变质作用发生Pb丢失事件的年龄。总之,该两组样品代表岩体的形成时代基本一致,同属古元古代早期,并受到同一期变质事件的影响。

表1 大别山南缘变质火成岩样品锆石U-Pb年代学测试结果

图5 样品PM01-4-1和PM01-6-1锆石U-Pb谐和图

PM02-0-1、PM02-0-2、PM02-1-1和PM02-4-1四件样品的锆石形态相似,大致可分为两群:一群多呈半自形-自形板状-长柱状,粒径40～220μm,长宽比介于1.0～2.5之间,阴极发光强度高,振荡环带清晰且较细密,部分可见较弱的扇形分带结构,普遍无继承核,Th/U比介于0.6～1.3之间(刘述德,2022),显示出典型的岩浆锆石的特点,占总颗粒数的70%～80%;另一群边缘多圆化,呈椭圆形或圆角矩形,粒径100～220μm,长宽比介于1.3～2.3之间,阴极发光强度相对较弱,多数内部结构杂乱,部分可见相对完整的振荡环带,无扇形分带结构;少数颗粒保留继承核,部分颗粒发育细密裂隙,可见裂隙沿继承核或强硬包裹体放射状展布现象,个别发育极窄的变质增生边(图4),Th/U比介于0.2～1.3之间,整体也属于岩浆锆石,但经历了较强的后期改造作用,其颗粒数占总体的20%～30%。

样品PM02-0-1有效测点共25个,测得数据见表1。在207Pb/235U-206Pb/238U谐和图上明显分为两群(图6a),其中较年轻的一群207Pb/206Pb年龄加权平均值为2048±36Ma(MSWD=2.0),属古元古代早期;较老的一群207Pb/206Pb年龄加权平均值为2507±38Ma(MSWD=1.4),属新太古代晚期。将颗粒年龄与锆石形态对应后发现,明亮、自形程度高的多数群为年轻锆石,应为岩浆冷却过程中的正常结晶颗粒,其年龄代表原花岗岩的结晶年龄;暗淡、裂隙发育的少数群为老锆石,应为岩浆上升过程中捕获的颗粒。样品PM02-0-2年龄结构与PM02-0-1类似,谐和图上19个有效测点同样分为两群(图6b),较年轻的一群207Pb/206Pb年龄加权平均值为2032±25Ma(MSWD=0.37),较老的一群207Pb/206Pb年龄加权平均值为2502±29Ma(MSWD=0.43),误差范围内与PM02-0-1结果保持一致。

图6 样品PM02-0-1、PM02-0-2、PM02-1-1和PM02-4-1锆石U-Pb谐和图

样品PM02-1-1有效测点共8个,测得数据见表1。在207Pb/235U-206Pb/238U谐和图上全部落在谐和曲线上及曲线附近(图6c),除去两颗捕获锆石年龄,其余6颗集中成群,其207Pb/206Pb年龄加权平均值为2009±38Ma(MSWD=1.5),代表原岩的结晶年龄,属古元古代早期。样品PM02-4-1的26个有效测点全部落在谐和曲线上及曲线附近(图6d),除去两颗捕获锆石年龄,其余24颗集中成群,207Pb/206Pb年龄加权平均值为1995±16Ma(MSWD=0.92)。

总之,样品PM02-0-1、PM02-0-2和PM02-4-1代表的花岗质岩体年龄为1995～2048Ma,属古元古代早期;而PM02-1-1则相当于同时期的基性岩浆岩。

4.2 岩石地球化学特征

本次获得的样品主、微量元素数据见表2。其中～2.5Ga酸性岩样品(PM01-4-1)具有较高的SiO2含量(74.01%)、K2O含量(5.07%)和Al2O3含量(15.0%),相对较低的Na2O含量(2.58%)和CaO含量(0.19%);K2O/Na2O值高(1.96);FeOT/MgO值低(1.84),Mg#=19.3;稀土元素总量低(∑REE=75.90×10-6),轻、重稀土明显分异((La/Yb)N=8.66),稀土元素配分图解呈右倾型,且具有一定的正Eu异常(δEu=1.51)(图7c);微量元素蛛网图也呈右倾型,Rb、Ba、Th强烈富集,Nb、Ta、Ti严重亏损(图7d)。同期的基性岩(PM01-6-1)则具有低SiO2含量(46.5%)和高Al2O3含量(16.0%),K2O、Na2O含量相近(分别为2.24%和1.72%);MgO、Fe2O3、FeO含量分别为5.01%、11.3%和3.55%,Mg#=43.4;稀土和微量元素特征与酸性岩不同,稀土总量偏高(∑REE=144.8×10-6),分异程度偏低((La/Yb)N=4.92),基本无Eu异常(δEu=0.91),Nb、Ta亏损程度比酸性岩偏低,不具有Ti负异常(刘述德,2022)。在火成岩TAS图解中,两件样品分别落入玄武岩区和流纹岩区;在微量元素Zr/Ti-Nb/Y图解中,两件样品落入亚碱性玄武岩与玄武岩/安山岩界线附近和流纹岩与流纹英安岩/英安岩界线附近(图7a, b),即原岩分别相当于辉长岩(或闪长岩)和花岗岩(或花岗闪长岩),与薄片鉴定的结果基本吻合。

表2 大别山南缘变质火成岩样品主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析结果

图7 大别山南缘变质火成岩样品地球化学图解

～2.0Ga酸性岩样品普遍具有高SiO2含量(67.7%、73.8%、75.6%),中等Al2O3含量(10.3%、11.8%、12.0%),显著的高K2O含量(8.03%、6.76%、3.98%)和低Na2O含量(0.30%、0.40%、2.89%),K2O/Na2O值最高达26.4;FeOT/MgO值较低(0.92、2.41、7.31);稀土和微量元素图解均呈右倾型,稀土总量偏高,轻、重稀土明显分异,其中∑REE值为144.8×10-6～166.2×10-6,LREE/HREE为13.7～20.9,(La/Yb)N为21.39～20.38(图7c);微量元素Rb、Ba、Th、Pb强烈富集,Nb、Ta和Sr亏损(图7d)。而同期的基性岩(PM02-1-1)具有中等的SiO2含量(50.7%)和Al2O3含量(15.0%),偏高K2O含量(4.26%)和低Na2O含量(1.85%),K2O/Na2O=2.31;稀土元素总量与酸性岩相似,但分异程度更低,∑REE=131.3×10-6,LREE/HREE=4.10,(La/Yb)N=4.59(刘述德,2022)。在火成岩TAS图解中,基性岩样品落入玄武质粗面安山岩区,酸性岩样品落入流纹岩和英安岩区;在微量元素Zr/Ti-Nb/Y图解中,基性岩落入亚碱性玄武岩与玄武岩/安山岩的界线附近,酸性岩落入粗面安山岩与流纹岩或粗面岩界线附近(图7a, b),二者有一定差异,应为后期变质、蚀变作用带来的影响,结合薄片鉴定结果,推测原岩分别为辉长岩(或闪长岩)与花岗岩(或二长岩)。

4.3 全岩Nd同位素特征

本次研究Nd同位素数据见表3。其中～2.5Ga基性岩样品(PM01-6-1)的147Sm/144Nd值为0.141,εNd(t)为2.0,采用一阶段Nd模式年龄计算得tDM为2.81Ga;而～2.5Ga酸性岩(PM01-4-1)的147Sm/144Nd值为0.102,εNd(t)值为-0.1,一阶段模式年龄tDM为2.87Ga,二阶段模式年龄t2DM为2.92Ga,略高于原岩的结晶年龄。～2.0Ga基性岩样品(PM02-1-1)的147Sm/144Nd值为0.142,εNd(t)值为-2.1,一阶段Nd模式年龄2.88Ga;而3件～2.0Ga酸性岩样品的147Sm/144Nd值为0.068～0.089,二阶段模式年龄计算得t2DM为3.03～3.24Ga,均远大于其结晶年龄,εNd(t)值为-6.8～-9.4(刘述德,2022)。质控盲样AGV-2、BCR-2、BHVO-2、STM-2获得的143Nd/144Nd值分别为0.512775、0.512625、0.512977、0.512915,推荐值(0.512790、0.512638、0.512990、0.512913)。

表3 大别山南缘变质火成岩样品Nd同位素数据

5 讨论

5.1 岩石成因与成壳作用

“M-I-S-A四分法”是常用于显生宙花岗岩的成因类型划分方案(Barbarin,1999),其中A型花岗岩又分为A1和A2型(Eby,1990,1992)。部分学者将这一方案引入到扬子克拉通早前寒武纪花岗岩的判别,如汪正江等(2013)将钟祥地区侵入杨坡群中的一套2655±9Ma花岗岩厘定为太古代A2型花岗岩,是目前已报道扬子克拉通中最古老的A型花岗岩;而邱啸飞等(2015)将宜昌崆岭杂岩中一套1822±44Ma侵入岩体划定为古元古代A2型花岗岩,代表2.0～1.8Ga扬子克拉通参与全球Columbia超大陆聚合向裂解转换的构造岩浆活动。

本次花岗岩样品具有较高的K含量和K2O/Na2O值,在K2O-SiO2图解中基本落入钾玄岩区(图8a)。但它们的Al、Mg含量也偏高,属于过铝质-准铝质范围(图8b);在FeO/(FeO+MgO)-SiO2图解中落入镁质花岗岩区(图8c),在Nb-1000Ga/Al图解中落入I型和S型花岗岩范围(图8d),因此不属于典型的A型花岗岩(Kingetal.,1997;Frostetal.,2001;袁忠信,2001;Frost and Frost,2010;Whiteetal.,2006;Bonin,2007)。其高K、Al和高Mg的地球化学特征与太古代钾质花岗岩(HKG)相符(Jahnetal.,1984;Martin,1987;Wedepohletal.,1991)。

图8 大别山南缘变质火成岩样品地球化学判别图解

目前,关于地壳的成因还存在板块和非板块模式两种观点的争论,板块构造的观点将其类比于埃达克岩,认为微陆块的横向拼合是地壳生长的主营力;而地幔柱模式则更强调幔源岩浆自下而上的作用(张旗和翟明国,2012)。本次～2.5Ga花岗岩样品具有中等偏高的Sr含量(238×10-6)和Sr/Y值(17.3),但Sr的富集程度远低于TTG(416×10-6)(张旗和翟明国,2012)与埃达克岩的平均水平(786×10-6)(朱弟成等,2002),在Sr/Y-Y图解和La/Yb-Yb图解中基本不落入埃达克岩的范围(图9),说明其并非来自俯冲板片的部分熔融(刘述德,2022)。部分保留的地幔源区地特征(Mg#=19.3),与同期基性岩接近的负低的εNd(t)值(-0.1),以及与形成年龄接近的二阶段模式年龄(～2.8Ga)暗示它是由地幔派生的新生地壳在短时间内再次重熔而成,是一次典型的大陆地壳生长事件,而这正是板块构造体制之前太古代陆壳形成的主要方式(Hamilton,1998)。

图9 大别山南缘变质火成岩样品埃达克岩判别图解(据Defant et al.,2002)

本次～2.0Ga花岗岩的K2O含量和K2O/Na2O相对2.5Ga样品明显提高,Rb、Cs、U、Th、∑REE等不相容元素含量也同步上升,Sr含量由238.5×10-6降低至80.9×10-6～115.1×10-6,Sr/Y值由17.3降低至6.0～11.6,且具有明显的Nb-Ta亏损(图7b),与显生宙大陆边缘弧或岛弧花岗岩相近(Sr/Y<10)。本文认为,～2.0Ga花岗岩已初步具有弧岩浆岩的特征,代表古元古代的扬子克拉通已开始向横向增生模式转化,可能暗示了板块运动启动的时限(刘述德,2022)。样品低Sr、高∑REE的地球化学特征,负中的εNd(t)值(-6.8～-9.4)和远大于成岩年龄的3.03～3.24Ga模式年龄说明该期岩浆作用完全来自古老大陆地壳的重熔,而几乎没有幔源物质添加,印证了元古代以后的扬子克拉通停止生长,陆块之间俯冲碰撞和壳内物质再循环已经成为其演化的主要方式。

5.2 对扬子克拉通早期历史的启示

一般认为,全球太古宙地壳主要由TTG质片麻岩组成,代表了地球最早的初始地壳(juvenile crust);而到新太古代晚期,大陆地壳的成分发生明显转变:由富钠的TTG质岩石过渡为富钾的准铝质或过铝质花岗岩(Condie,2008)。其中前者的岩浆演化符合富Na趋势,而后者则为富K趋势(钙碱性系列),K2O含量被认为是衡量陆壳成熟度的重要指标(邓晋福等,1999)。

华北板块和扬子板块作为我国主要的两大前寒武纪克拉通,其中前者的太古代TTG广泛出露,至少存在6～7个年龄>3.3Ga的古陆核(伍家善等,1998;Zhai and Liu,2003),在鞍山-本溪、冀东、辽西和鲁西地区还发现了～2.5Ga的钾质花岗岩(伍家善等,1998),花岗岩的Nd模式年龄普遍分布在3.0～2.5Ga范围(邓晋福等,1999),表明华北克拉通化的时间不迟于新太古代(Zhaietal.,2000;Wuetal.,2005;翟明国,2019)。然而,迄今为止在扬子克拉通报告～2.5Ga的地壳物质却寥寥无几,同期钾质花岗岩则更为罕见(Chenetal.,2013;邱啸飞,2015;Zhaoetal.,2021;田洋等,2022),这似乎暗示了扬子克拉通的演化进程要显著滞后于华北。但另一个方面,扬子克拉通的沉积盖层中普遍存在大量2.8～2.5Ga碎屑锆石(李俊辉等,2016;Liuetal.,2019),说明新太古代地壳应当在扬子克拉通基底中广泛存在,而来自少数几个新太古代岩体的Sm-Nd、Lu-Hf同位素证据还指向了更为古老(>3.0Ga)的地壳(Sunetal.,2008;Wuetal.,2008;Zhaoetal.,2021)。

本次在大别山发现的2.5～2.0Ga钾质花岗岩表明新太古代-古元古代在现今扬子北缘区域已经发育了相对成熟的大陆地壳。样品普遍具有2.5～3.2Ga的二阶段模式年龄,伴生沉积岩存在2420～2480Ma、～2600Ma、～2780Ma的碎屑锆石峰值年龄和3232Ma的单颗锆石年龄(待发表),表明扬子北缘的形成历史至少可以追溯至中太古代,且陆壳生长贯穿了整个新太古代。上述年龄不仅与克拉通核部基本相当,甚至与华北的早前寒武纪年龄也相差无几,暗示扬子克拉通(或最终合成扬子克拉通的各微陆块)起始时间比之前预计的更早。推测,扬子北缘于2.8～2.5Ga多次发生地幔岩浆上涌并诱发了先存地壳重熔,导致扬子克拉通的反复增生和再造。初始的长英质地壳不断向成熟方向演进,直至～2.5Ga代表上地壳的高钾花岗岩出现,说明扬子大陆岩石圈形成了垂向上的分异,标志其克拉通化基本完成。

5.3 对大别山构造格局的启示

自从李春昱(1980)提出大别山是华北与扬子板块之间的碰撞型造山带以后,有关该造山带的南、北归属曾引起广泛讨论,杨森楠等(1983)认为它是早-中元古代在华北地块南缘发育起来的变形变质地体或褶皱带;许志琴(1987)则将其作为扬子板块的前震旦纪基底;部分学者以超高压(UHP)变质榴辉岩的分布范围,将大别山划分为北大别“弧根带杂岩”(Wangetal.,1995)和南部的扬子板块俯冲前缘两部分(徐树桐等,1994;Zhaietal.,1995;汤加富等,2000)。然而,更多证据表明北大别杂岩和南大别超高压变质岩的原岩年龄都具有扬子陆块的年代学特征(江来利等,2003),而北大别和大别山南缘的榴辉岩露头也陆续被发现(魏春景等,1997;郝杰和刘小汉,2003),表明它们经历了共同的俯冲作用,暗示它们同属于扬子陆块北缘。

大别山南缘与大别山核部(南、北大别)之间的界线为太湖-上巴河剪切带(图1)。近来,田洋等(2022)在北大别贾庙识别出新太古代2645～2630Ma钾质花岗岩和2497Ma的富钠花岗岩,成因是中太古代基底物质的再造,并受2.0Ga构造-热事件影响。李远等(2018)则于大别山南缘“蒲河杂岩”中发现2691～2471Ma和768±5Ma两类花岗质片麻岩,研究显示“后者是由经历了2.0Ga变质作用的前者发生重熔作用形成,此后它们又共同经历了245Ma的变质事件”。而同属大别山南缘的“浠水片麻岩”中也报告了2.47～2.51Ga高钾钙碱性花岗质片麻岩,来自古-中太古代幔源岩浆和先存地壳的重熔,且存在三叠纪造山事件记录(Zhaoetal.,2021)。

此前,有关大别山地区太古代基底的出露范围多被限定在靠北的大别山核部,大别山的构造格局被认为以核部出露古老基底,南、北两侧保留元古代以后的沉积盖层为特色(李松生,1989)。本次大别山南缘2.5Ga钾质花岗岩的发现结合李远等(2018)和Zhaoetal.(2021)相关资料,表明大别山南缘应当广泛存在与核部相似年龄的太古代陆壳,其范围跨及安徽宿松和湖北浠水、蕲春一带,甚至可能是该造山带中规模最大和最完整的古老基底。

目前,尚无法明确扬子陆块究竟是以相对整一的规模持续发展至今,还是在太古代陆核的基础上通过“微陆块”之间的多期拼合、增生事件生长而成(Gaoetal.,1999; Zhang and Zheng,2013; Huietal.,2017)。此外,部分学者认同扬子陆块受到了Columbia超大陆和Rodinia超大陆汇聚事件影响(Lietal.,2003; Wuetal.,2009; Zhao and Cawood,2012; Yinetal.,2013)。本次发现的～2.0Ga“弧岩浆岩”暗示大别山南缘也存在古元古代造山运动,而且样品中锆石U-Pb谐和曲线普遍具有的下交点年龄同样指示了200～300Ma的变质事件。此外,本次还在同一地区识别出一套830～805Ma的花岗岩、闪长岩和凝灰岩,显示为产于陆壳基底之上的新元古代活动大陆边缘(待发表)。综合对比表明,相似的岩浆侵位和变质事件同步出现在大别山南缘与大别山核部,暗示两者可能早自古元古代起即作为一个整体参与扬子克拉通化的全过程,其后又共同卷入中生代的造山运动,它们要么始终处于扬子陆块北缘,要么都属于相关微陆块的组成部分。

6 结论

(1)大别山南缘存在2.5～2.0Ga古老陆壳基底,反映了扬子陆块早期的生长与再造历史,钾质花岗岩的出现代表此时该陆块已经完成克拉通化;

(2)大别山南缘与核部同步记录了自太古代以来的多期构造-热事件,表明该造山带整体属于扬子陆块北缘或相关微陆块的组成部分。

致谢本次样品处理与测试得到中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室老师的指导和帮助;匿名审稿专家和编辑部俞良军老师给出了大量富有建设性的建议和修改意见;在此一并致以诚挚的谢意!