中国科大揭示26亿年前板块构造作用的岩石地球化学证据

早前寒武纪板块构造作用的最早启动时间一直是国际上存在较大争议的地球动力学问题。此外，近三十五年以来，尽管前人对超钾质岩石的形成和演化进行了广泛的研究，普遍认为其形成于碰撞后环境中，然而，具体成因及演化过程仍存在较大分歧。而且，早前寒武纪碱性超钾质花岗岩极为罕见，因而，前人也很少报道或研究太古代超钾质岩石。

为此，中国科学技术大学地球和空间科学学院刘贻灿教授研究组在国家自然科学基金项目的持续资助下，根据近十五年的研究积累，在华北克拉通东南缘前寒武纪变质基底岩石（五河杂岩或“五河群”）中首次发现晚太古代26亿年碱性超钾质花岗片麻岩，证明其原岩是由富集的幔源物质受俯冲大洋沉积物产生的熔流体交代改造而形成的超钾质正长岩岩浆经分离结晶而形成的，从而为早前寒武纪板块构造作用的最早启动时间提供了直接的岩石地球化学方面证据。

图1 碱性超钾质花岗片麻岩的锆石SHRIMP U-Pb年龄谐和图

红色、黑色和绿色符号分别表示锆石岩浆核、变质幔和变质边的U-Pb定年数据

锆石U-Pb定年结果表明（图 1），碱性超钾质花岗片麻岩的原岩形成时代为~2.6 Ga，并经历了~2.5 Ga麻粒岩相变质；随后，又经历了~1.85 Ga变质叠加，并与该地区古元古代碰撞造山作用有关。

碱性超钾质花岗片麻岩富硅、碱，SiO₂含量为69.85-74.51 wt%，碱含量较高（K₂O+Na₂O = 9.67-12.17 wt%）。在TAS图中位于花岗岩区域（图 2a），属于硅饱和的碱性系列。片麻岩具有轻微过碱性到过铝质特征，其A/CNK比值为0.86-1.05（图 2b）；FeO_T/(FeO_T + MgO)比值为0.75-0.86，对应于铁质花岗岩（Frost et al., 2001) （图 2c）。该类岩石具有较高的K₂O含量（8.52-11.50 wt%），而Na₂O含量相对较低（0.47-1.15 wt%），在K₂O vs Na₂O图中位于碱性超钾质系列（图 2d)。此外，碱性超钾质花岗片麻岩具有明显的Eu正异常（Eu/Eu* = 0.87-5.26）（图 3a），并表现出显著富集大离子亲石元素（如Rb、Ba、K和Th），以及较强的Nb、Ta、P和Ti负异常和显著的Pb正异常（图3b）。结合上述测年结果，证明华北克拉通东南缘存在~2.6 Ga的碱性超钾质花岗岩。

图2 碱性超钾质花岗片麻岩的地球化学分类图

图3 碱性超钾质花岗片麻岩的球粒陨石标准化稀土元素图（a）和原始地幔标准化元素蛛网图（b）

碱性超钾质花岗片麻岩的岩石成因存在一定的争议。岩浆混合通常会导致锆石中记录的Hf 同位素组成变化范围较大，并且往往会存在同期的镁铁质岩石（Griffin et al., 2002; Kempet al., 2007）。本文研究的花岗片麻岩显示出锆石ε_Hf(t)值变化范围较小（+2.5-+6.6，图 4），并且未发现相关镁铁质岩石。因此，简单的岩浆混合难以解释它们的岩石成因和相关特征。此外，简单的地壳混染也无法解释大多数片麻岩样品的远高于大陆地壳（总地壳的平均Rb含量为49 ppm，而上地壳为82 ppm）的高Rb（183-297 ppm）特征。此外，上述岩石的LILE（如LREE、Ba、Rb、K、Pb）含量也远高于上、中大陆地壳值，表明它们的主要成因机制并非是大陆地壳同化混染。超钾质片麻岩的异常地球化学特征表明，它们源自于富集 LREE、K、Ba和Rb的源区。

在锆石形成年龄与ε_Hf(t)图（图4）中，岩浆锆石显示正的ε_Hf(t)值（+2.5-+6.6），位于亏损地幔和球粒陨石的演化曲线之间，进一步表明片麻岩原岩的源区主要来自于幔源物质。此外，所研究的超钾质花岗片麻岩与Plá Cid和Nardi (2006) 以及Nardi (2008) 等在巴西东北部所研究的超钾质花岗岩具有类似的地球化学以及岩石学特征。Nardi (2008) 等利用质量平衡计算模拟结果表明，碱性长石 (36 wt%) + 透辉石 (23 wt%) + 云母 (23 wt%) + 中长石 (15 wt%) + 磷灰石 (3 wt%) 的矿物组合约70–90 wt% 的分离结晶即相当于正长岩的初始组成，可能最终形成类似于超钾质花岗岩的成分。高的大离子亲石元素（特别是Ba 和 Rb）含量也是正长岩岩浆分离结晶的结果（Plá Cid and Nardi，2006）。超钾质片麻岩低 Mg#（22.18-37.51）和低 Cr（7.90-27.98 ppm）、Ni（5.27-13.65 ppm）以及FeO_T+MgO（2.33-4.01 wt%）含量特征可归因于正长岩岩浆的分离结晶，而非幔源成因影响。此外，在Th/Yb vs.Ta/Yb的曲线图上，片麻岩也表现出与俯冲相关的高Th/Yb-高Ta/Yb特征，指示形成过程中存在俯冲沉积物质的加入。

图4 华北东南缘前寒武代表性岩石的锆石U-Pb年龄与ε_Hf(t) 图解

综上所述，我们首次在华北克拉通发现了原岩时代为~26亿年的碱性超钾质花岗片麻岩，而且，证明其原岩是由富集的幔源物质受俯冲大洋沉积物产生的熔流体交代改造而形成的超钾质正长岩岩浆经分离结晶而形成的，揭示了早前寒武纪板块构造作用的最早启动时间。

相关研究成果以“Petrogenesis and tectonicsignificance of Neoarchean (~2.6 Ga) alkaline ultrapotassic granitic gneissesfrom the southeastern margin of the North China Craton: Constraints from U-Pbdating, Hf isotope and petrogeochemistry”为题发表在国际著名期刊Lithos上。论文第一作者是苏海燕博士研究生，通讯作者是杨阳博士后和刘贻灿教授。

该项研究受到国家自然科学基金项目（41773020）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.lithos.2021.106324