罗迪尼亚和冈瓦纳超大陆构造-岩浆作用对比研究取得新认识

 中国科学技术大学地球和空间科学学院博士研究生武广辉，在对比研究罗迪尼亚和冈瓦纳超大陆构造-岩浆作用中取得了新认识，相关成果以“Distinct tectono-magmatism on the margins of Rodinia and Gondwana”为题发表于国际知名地学期刊Earth and Planetary Science Letters上。

 格林威尔期造山运动(~13-9亿年前)形成罗迪尼亚超大陆(图1)，该时期处于海洋、大气、生物演化均较为迟缓的“无聊的十亿”阶段(Boring Billion，18-8亿年前)。该地质历史时期主要发育有高温无水岩浆作用、高温/高压变质作用、同造山和造山后伸展构造作用等，可能与现代板块构造体制有很大的不同。泛非时期的造山运动(~5.5亿年前)导致冈瓦纳超大陆最终拼合(图1)，该时期气候和生命演化甚是活跃，广泛地发育高压-超高压变质、马里亚纳型的板块俯冲、深部板片断离等地质现象，指示已有现代板块构造范式。

 图1  (A) 东南亚区域地质图(黄圈为采样位置)；(B) 锆石U-Pb年龄分布图；(C) 冈瓦纳大陆重建；(D) 罗迪尼亚重建。缩写：A, Amazon; AN, Arabia-Nubia; AU, Australia; B, Baltica; C, Congo; EA, East Antarctic; IN, India; K, Kalahari; LA, Lhasa; LR, Laurentia; MS, Mawson; NC, North China; QT, Qiangtang; RP, Rio de Plata; SA, Sahara; SB, Siberia; SC, South China; SI, Sibumasu; WA, West Africa

 地质学上，滇缅泰马地块(Sibumasu)裂解自东冈瓦纳超大陆北缘，其早古生代地层接受来自罗迪尼亚和冈瓦纳超大陆腹地古造山带内的物源供给(图1)。本次研究利用这些地层沉积岩中超过2700颗碎屑锆石的Eu异常、P含量、Ce/U、U/Ti比值、U/Yb比值等地球化学参数，限定地壳厚度、岩浆氧逸度、岩浆作用构造背景等。通过锆石Hf同位素组成和潜在物源区的岩石Nd同位素组成，探讨罗迪尼亚和冈瓦纳超大陆时期构造-岩浆作用及地壳物质组成结构演化(图2)。结合全球海洋碳酸盐碳同位素和大气氧同位素组成特征变化，讨论两次超大陆期间构造-岩浆作用差异对地表圈层的潜在影响。

 研究结果显示，相比罗迪尼亚时期，与冈瓦纳超大陆拼合时期相关的碎屑锆石颗粒普遍具有高Eu异常，暗示冈瓦纳大陆地壳厚度比罗迪尼亚超大陆地壳厚度大(图3)；罗迪尼亚超大陆腹地厚度(约35 km)明显地比其核部格林威尔单元(约55–60 km)薄。多个地球化学参数指标表明，罗迪尼亚拼合时以非弧的板内岩浆作用为主，与该时期广泛发育高温岩浆作用和麻粒岩相变质作用相一致。可能覆盖于异常热的地幔之上的薄地壳和相应的低海拔地形，限制了大陆风化通量以及中元古代海洋的初级生产力。

 图2. (A) 14-4亿年古老锆石ε_Hf(t)值与年龄关系图(红色散点：本次研究；双变量KDEs图：东冈瓦纳陆块数据汇编；紫色拟合曲线：全球数据汇编）；(B) 潜在物源区火成岩年龄与全岩ε_Nd(t)值图解

图3. (A)元古代海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr曲线和变质温压比曲线；(B) 锆石Eu异常模拟14-4亿年时期地壳厚度变化；(C) 锆石中P浓度和大气O₂随时间变化以及汇总海相碳酸盐C同位素演化

 相比之下，导致冈瓦纳超大陆拼合的造山运动可能以现代板块构造范式进行的。冈瓦纳超大陆边缘地壳快速抬升，大量碎屑沉积物随后循环进入5亿年期间的后造山岩浆作用，形成大量的S型花岗岩。这种大规模的地壳再造体现在负锆石ε_Hf(t)值，明显不同于中元古代锆石，全岩ε_Nd(t)值同样表现出类似的趋势。较厚的冈瓦纳超大陆形成高大的山脉，加速了大陆的风化和侵蚀，并提供了关键的营养物质。这些营养物质可能进一步促进前寒武纪晚期和古生代早期生命形式迅速的多样化。

 博士研究生武广辉为论文第一作者，通讯作者有多伦多大学初旭教授和我校陈福坤教授，共同作者有北京大学唐铭教授和我校李为用博士研究生。本次研究得到国家自然科学基金项目(42172051、41888101)和国家留学基金委(202106340089)联合资助。

 原文链接https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118099