从华北燕辽岩床群到哥伦比亚超大陆巨型裂谷系——燕辽大火成岩省近20年研究回顾与展望

近20年的研究工作表明,华北克拉通北部燕辽地区侵入到中元古代沉积地层中的大规模辉绿岩床群构成了一个1.32 Ga的基性大火成岩省。该大火成岩省与华北克拉通西北缘白云鄂博矿区富稀土-铌火成碳酸岩相伴生。大火成岩省、沉积地层对比和古地磁资料研究结果表明,燕辽大火成岩省与北澳大利亚克拉通代理姆-加里温库大火成岩省是被大陆裂解分割开来的同一个基性大火成岩省的组成部分,显示1.8~1.3 Ga期间华北克拉通北-北东缘与北澳大利亚克拉通北缘在哥伦比亚(奴那)超大陆中长期相邻(连)。全球1.4~1.3 Ga大火成岩省及基性岩浆活动的时空分布及其岩石学、地球化学及同位素组成对比研究显示,这些全球广泛分布的大火成岩省或基性岩浆活动主要形成于裂谷环境。结合1.4 Ga左右哥伦比亚超大陆古地理重建结果,发现在哥伦比亚超大陆中存在沿劳伦(北美+格陵兰)克拉通西缘、西伯利亚克拉通西缘及北缘、波罗地克拉通东南缘、西非克拉通西缘及北缘、亚马逊克拉通西南缘、刚果/圣弗朗西斯科克拉通南缘及东缘、卡拉哈里克拉通东缘、华北克拉通北缘及北澳大利亚克拉通北缘分布,长度>15000 km的巨型裂谷系。该巨型裂谷系由一个主裂谷带和三个分支裂谷组成,其中主裂谷带和位于华北与北澳大利亚克拉通之间的分支裂谷发展成了大洋,并导致了大陆分离;而位于西伯利亚东缘、格陵兰北缘和波罗地东缘的1.38 Ga分支裂谷,以及位于北美北缘和西伯利亚西南缘的1.35~1.32 Ga分支裂谷则为夭折裂谷,未导致大陆裂离。这一巨型裂谷系是哥伦比亚超大陆裂解的重要标志,并可能是其最终裂解的最主要原因。另外,研究结果也显示,虽然全球两个最大规模的火成碳酸岩型稀土矿床,即华北克拉通西北缘的白云鄂博超大型稀土矿床和北美克拉通西缘的Mountain Pass超大型稀土矿床在哥伦比亚超大陆中并不相邻(相连),但却可以通过1.4~1.3 Ga巨型裂谷系相联系起来,显示这一巨型裂谷系控制了白云鄂博和Mountain Pass大型稀土矿床的形成,并具有较好的稀土及金属成矿潜力。未来需要进一步加强燕辽辉绿岩床群侵位机制与岩浆补给系统,岩床侵位过程中温室气体排放量定量估算及其环境效应,哥伦比亚超大陆中1.4~1.3 Ga巨型裂谷系的形成机制、深部动力学背景、环境效应及资源能源潜力等方面的研究。

苏鲁造山带新沂地区新元古代花岗片麻岩成因及对Rodinia超大陆裂解的响应

新沂地区花岗片麻岩位于苏鲁造山带的西缘。本文通过新沂地区花岗片麻岩岩相学、岩石地球化学、锆石U-Pb同位素年代学等方面的研究,探讨其成因与构造环境,以揭示Rodinia超大陆裂解事件在该地区的反响。研究认为:研究区花岗片麻岩属准铝质-弱过铝质A型花岗岩,具有高SiO_(2)、富碱、贫CaO、低Al_(2)O_(3)质量分数的特征,以及右倾海鸥型稀土元素配分模式,富集Rb、Zr、Hf等元素,严重亏损Sr、Eu、Nb、Ta等元素,形成年龄为746.0~742.5 Ma。新沂地区花岗片麻岩是来自下地壳物质为主、少量幔源物质的部分熔融,在岩浆演化过程中经历了以钾长石和斜长石为主的分离结晶,而后经过超高压变质作用最终形成。研究区花岗片麻岩形成于新元古代后碰撞伸展环境,是Rodinia超大陆裂解事件在苏鲁造山带新沂地区的最初响应。

大别山宿松变质带~1.38 Ga花岗质岩浆作用的厘定及其对Columbia超大陆裂解的启示

宿松变质带位于大别碰撞造山带的南部,是一个相对低级变质的构造岩石单元,然而,却具有复杂的岩石组成和成因,并发育了被构造肢解、破碎的新太古代、古元古代和新元古代的变质岩石地层单位及相关的变质火成岩,为研究前寒武纪超大陆的聚合与裂解在研究区的响应提供了极其重要的对象和靶区。但是,研究区乃至扬子北缘都缺乏中元古代的火成岩。本文通过对宿松变质带北浴地区花岗片麻岩的岩石学、元素地球化学和锆石U-Pb年代学等方面的综合研究,首次发现研究区存在中元古代的花岗质岩石,其形成时代为~1.38Ga。全岩主微量元素地球化学特征及高的Zr饱和温度(875℃)表明,该类岩石的原岩属于板内A型花岗岩,形成于大陆裂解构造环境,是Columbia超大陆裂解在研究区的岩石学响应。结合已查明的~2.0Ga岩浆作用及相关盆地沉积,证明扬子北缘宿松变质带中原“宿松群”的部分岩石属于Columbia超大陆的一部分。

安哥拉地块北部Dondo地区古元古代花岗岩岩石成因:Columbia超大陆聚合的响应

安哥拉西部地区广泛发育古元古代Eburnean造山期花岗岩,是研究安哥拉地块构造岩浆作用特征的理想场所。本文对安哥拉地块北部Dondo地区大面积出露的花岗岩开展系统的岩相学、岩石地球化学和锆石U-Pb年代学研究。结果显示:Dondo地区斑状黑云母二长花岗岩与黑云母二长花岗岩的侵位年龄分别为(1983.3±7.7)Ma和(1956.6±7.5)Ma,均为古元古代中期岩浆活动的产物。全岩样品具有高SiO_(2)含量、富碱、高10~4Ga/Al值、高FeO^(T)/(FeO^(T)+MgO)值和Zr+Nb+Ce+Y含量,低MgO、TiO_(2)、CaO和P_(2)O_(5)含量的特征;微量元素富集Rb、K、Th、U、Zr和Hf,亏损Sr、Nb、Ta、P和Ti;稀土元素总量较高,轻稀土富集,重稀土亏损,整体不具有显著的负Eu异常;锆饱和温度计算所有花岗岩的结晶温度为757~889℃;以上这些岩石地球化学特征与A2型花岗岩一致。岩相学及地球化学的数据表明,两种花岗岩可能由来源于下地壳物质与地幔来源基性岩浆混合所形成。两种花岗岩具有相似的形成时代、矿物组成和连续的主微量元素变化趋势,这些特征表明它们的原始岩浆来自同一岩浆房,而二者之间特征的差别是由岩浆房内的晶体-熔体分异所主导。据此,本文认为:产生钾长石斑晶的岩浆曾经在地壳深部作过长时间滞留,导致钾长石稳定结晶,增加了岩浆的黏度和密度,使岩浆处于冻结状态;随后在幔源岩浆注入带来的热扰动和富集挥发分的作用下,冻结岩浆房迅速活化,从而发生晶体-熔体的分离,抽离的熔体形成了黑云母二长花岗岩,而混有先存晶体的岩浆则形成了斑状黑云母二长花岗岩。综合区域和全球构造演化历史,本次研究认为Dondo地区花岗岩形成于巴西Sao Francisco克拉通和Congo克拉通后碰撞的构造环境,该期岩浆活动可能是Columbia超大陆的碰撞造山事件在安哥拉地块的响应。

扬子板块西南缘古元古代双峰式岩浆事件:Columbia超大陆裂解的序幕?

在Columbia超大陆的聚合和裂解过程中,扬子板块西南缘扮演着重要角色,前人认为Columbia超大陆在古元古代末期—中元古代中期裂解,对于其最初裂解在扬子板块西南缘的响应时间存在~1.85 Ga及~1.75 Ga两种认识(Liu Kang et al.,2019;刘军平等,2020)。扬子板块西南缘广泛分布的古元古代1.77~1.65 Ga板内镁铁质岩浆活动代表着超大陆裂解的高峰,而古元古代双峰式岩浆作用则相对罕见。

古—中元古代哥伦比亚超大陆裂解的动力学过程及效应

超大陆的聚合与裂解是板块构造运动的自我表达形式,其聚合过程伴随有全球性俯冲、碰撞造山活动,而裂解过程则发育大规模基性岩浆事件。哥伦比亚超大陆是地球地质历史时期第一个真正意义上的全球性超大陆,其主体于2.1~1.8Ga完成聚合,并于1.3 Ga最终裂解。相较于其他年轻的超大陆,哥伦比亚超大陆的古地理重建模型还存在较大的不确定性,这限制了对其裂解动力学过程及效应的认识。本文以全球古—中元古代基性岩浆事件对比为主线,综合已有研究成果及全球岩浆岩地球化学数据,提出古—中元古代多期地幔柱活动主导了哥伦比亚超大陆的不彻底裂解,影响了当时大陆地壳的化学成分和地形高度。高度分异的大陆地壳与低地形导致由陆壳物质风化剥蚀进入海洋的营养物质的通量大大降低,进而限制了海洋生物的初级生产力,最终阻碍了哥伦比亚超大陆至罗迪尼亚超大陆过渡时期的生命演化进程。

从中亚正ε_(Nd)值花岗岩看超大陆演化和大陆地壳生长的关系

超大陆演化着重研究超大陆的聚合和裂解、离散,大陆地壳生长着重探索大陆地壳的生长和消亡。长期以来,人们都是如此将两者割裂开来研究的。本文从中亚造山带显生宙花岗岩同劳亚大陆的关系出发,进一步探讨超大陆演化、大陆地壳生长和地幔中俯冲板片雪崩事件(slab avalanche events)三者之间的关系,强调在超大陆形成时伴随大陆地壳急剧生长,在超大陆裂解、离散时大陆地壳的生长和消亡大体上保持平衡。无论超大陆演化或是大陆地壳生长都同地幔对流形式的变化有着密切的联系。

Rodinia超大陆构造演化研究的新进展和主要目标

概略评述了 1997年以来国际上有关 Rodinia超大陆构造演化问题的研究成果 ,并提出今后工作的主要目标。 Rodinia超大陆的聚合造山发生在 130 0～ 10 0 0 Ma,基本形式表现为早期弧—陆碰撞和晚期陆—陆碰撞 ,并在 10 0 0～ 90 0 Ma继以伸展作用。Rodinia超大陆的裂解发生于 830 Ma之后 ,但其过程具有明显的时、空分布不均一性。地幔柱可能是导致超大陆裂解的主要机制 ,“大火成岩省”是表明地幔柱发育的关键性标志。已经初步证实裂解过程影响地球大气圈和水圈中二氧化碳的循环 ,进而改变晚前寒武纪的全球气候 ,控制生物圈的兴衰和岩石圈表层的碳酸盐、铁、锰和磷等沉积。这些现象可用“雪球化地球”( SnowballEarth)

华北克拉通对前寒武纪超大陆旋回的基本制约

全球大陆克拉通在前寒武纪至少记录了 3次超大陆聚合 -裂解的构造旋回。不同大陆前寒武纪地质的研究证明 ,板块构造模式可以前推至新太古代。超大陆的聚合表现为大规模造山带的穿时性发育 ,而裂解则表现为大陆裂谷系、非造山花岗岩及巨型基性岩浆岩省的同期快速发育。广泛的区域地质研究揭示华北克拉通前寒武纪地质构造演化具有明显的阶段性差异特征 ,克拉通主体形成于新太古代陆壳增生与碰撞造山过程。华北克拉通在太古宙末期首次经历强烈的裂解作用 ,在古元古代晚期涉及强烈的陆缘再造作用。在古元古代末期发生第二次大规模的裂解活动 ,随后以中元古代末期的造山带拼合为Rodinia超大陆的组成部分。详细的区域构造对比证明 ,华北克拉通长期以来与波罗的地盾、东南极克拉通、印度南部克拉通、巴西克拉通等具有构造亲缘关系。

新元古时期中国古大陆与罗迪尼亚超大陆的关系

在概略介绍罗迪尼亚和冈瓦纳超大陆最新研究成果的基础上 ,重点介绍了中国华北、塔里木和扬子等三个克拉通前新元古代大陆地壳演化的主要特征 ,以及塔里木和扬子克拉通新元古代重大热构造事件序列和年代格架。提出塔里木和扬子克拉通新元古代地质历史具有较大的相似性 ,而与华北克拉通有明显差异。华北克拉通未出现与罗迪尼亚超大陆汇聚和裂解作用有关的、强烈的新元古代热构造事件群。根据现有的古地磁和地质资料 。

Rodinia超大陆裂解、Sturtian冰期事件和扬子地块东南缘大规模锰成矿作用

扬子地块东南缘是我国南华纪"大塘坡式"沉积型锰矿的重要富集区,南华纪大规模锰矿成矿作用与Rodinia超大陆裂解形成的裂谷盆地、Sturtian冰期-间冰期的气候事件具有密切关系。南华纪裂谷盆地呈北东东向展布,可分为地垒、地堑和次级地垒、地堑,锰矿主要形成于裂谷盆地的地堑区的次级地堑中。Sturtian冰期之后,冰后期经历了小冰期和小间冰期的气候波动,锰矿受这种气候波动影响,推测小冰期的富氧的寒冷海水受温度-密度环流影响进入海底,促使原生氧化锰矿的形成,之后准同生交代形成菱锰矿。冰期(或小冰期)海底的天然气水合物在冰后期(小间冰期)的泄漏促使了菱锰矿的形成。因此华南扬子地块东南缘大规模锰矿成矿作用受原型裂谷盆地和冰期-冰后期气候波动的双重影响。

塔里木西南缘新元古代辉绿岩及玄武岩的地球化学特征:新元古代超大陆(Rodinia)裂解的证据

塔里木西南缘(西昆仑北带)发育新元古代辉绿岩及玄武岩,辉绿岩侵入青白口系而被南华系超覆,玄武岩发育在南华系下部。初步的岩石地球化学研究表明,辉绿岩及玄武岩形成于大陆板内裂解背景,来自EMI型地幔源区。结合对本区格林威尔期造山事件的确定以及新元古代815Ma左右的A型片麻状花岗岩的发现,表明新元古代玄武岩喷发、辉绿岩岩墙侵入等是古塔里木板块作为Rodinia超大陆的一员在新元古代发生裂解的岩浆事件,我们推测超大陆裂解与地幔柱活动有关。

南苏鲁超高压变质地体中罗迪尼亚超大陆裂解事件的记录

通过苏鲁超高压变质地体南部不同类型超高压变质岩石的原岩重塑,揭示超高压变质岩的原岩形成于由大陆玄武质岩石、辉长岩、表壳岩和花岗岩组成的被动陆缘拉伸构造环境。中国大陆科学钻探主孔中不同类型超高压变质岩石的锆石SHRIMP U-Pb定年表明,花岗质片麻岩原岩年龄为780-680Ma;榴辉岩、石榴角闪岩的原岩年龄为765—730Ma,副片麻岩中包含了730Ma、680Ma、621Ma和较年轻的继承性碎屑锆石和结晶锆石年龄。结合前人的研究成果表明,苏鲁超高压变质地体南部正片麻岩类和榴辉岩的原岩所代表的花岗岩浆和基性岩浆活动为罗迪尼亚超大陆形成后的新元古代裂解事件的产物,而副片麻岩的原岩为新元古代-古生代时期形成的扬子被动陆缘的沉积-火山表壳盖层,它们与结晶基底一起在240- 220Ma期间经历了超高压变质作用。

全球早古生代造山带(Ⅳ):板块重建与Carolina超大陆

古元古代与显生宙的板块构造特征和旋回演化过程具有明显区别,反映出地质记录为两种不同的板块构造体制。早古生代为这两个时期的过渡阶段,其构造过程研究与板块重建是地球板块构造旋回机制和周期分析的关键。本文采用综合集成的方法,在总结对比罗迪尼亚超大陆裂解以来全球早古生代主要碰撞造山带的地质事件基础上,分析早古生代碰撞造山带的演化特征,总结出与冈瓦纳大陆拼合、劳俄大陆拼合、古中华陆块群增生相关的7期碰撞-增生造山事件群:Brasiliano、东非、Kuunga、东亚与原特提斯洋和古亚洲洋演化相关的的加里东期造山事件、经典加里东造山、中欧加里东造山、Appalachian造山。再在这7期造山事件群基础上,结合古地磁、古生物、古地理等资料,重建了新元古代-早古生代末全球板块的拼合过程:罗迪尼亚超大陆从新元古代的~950 Ma开始经历了3个阶段裂解,此时存在泛大洋、莫桑比克洋和古太平洋3个大洋,随后615~560 Ma Iapetus洋打开,~560 Ma波罗的陆块与西冈瓦纳裂离导致狭窄的Ran洋打开;~540 Ma南半球Brasiliano、东非和Kuunga造山运动导致冈瓦纳大陆分阶段最终完成拼贴;~500 Ma冈瓦纳大陆北缘西段的微陆块群局部向北裂离,导致Rheic洋和Tornquist洋打开,并于~420 Ma随经典加里东造山带和中欧缝合带形成导致Iapetus洋闭合,此时斯瓦尔巴特和英国可能位于格陵兰地盾东南缘,同时冈瓦纳大陆北缘东段华北为代表的微陆块基本拼合在冈瓦纳大陆北缘;此外,虽然425 Ma西伯利亚板块有远离聚合了的劳俄大陆的趋势,但晚奥陶世-早泥盆世南美和北美板块靠近,北美板块与环冈瓦纳北缘西段的地体拼合碰撞。在大约400 Ma时,南、北美洲的混合生物群和古地理重建显示两者非常接近,因此,推测此时存在一个初始的逐步稳定的超大陆的可能,本文称为Carolina超大陆,因为Carolina造山带是这个超大陆最终拼合的地带。并据此判断超大陆旋回为7亿年。

华北古大陆与哥伦比亚超大陆

由Rogers和Santosh等 (2 0 0 2 )提出的哥伦比亚超大陆 ,是约从 1.9～ 1.5Ga由Nena ,Ur和Atlantic等 3个大陆块体群 ,通过逐步汇聚而形成的一个超级大陆。它是前罗迪尼亚古 -中元古时期的超大陆。从 1.5Ga开始的裂解作用使哥伦比亚超大陆逐步破裂 ,并在 1.0Ga左右这些破裂的大陆块体又重新汇聚形成罗迪尼亚超大陆。文中除介绍Rogers等提出的哥伦比亚超大陆的概念、组成和古大陆重建图外 ,重点阐述了中国华北古大陆 2 .0～ 1.8Ga期间吕梁—中条造山运动和 1.8～1.6Ga时期大规模裂解事件群的性质、特点和同位素年龄数据。文中提出哥伦比亚超大陆汇聚主要峰期与吕梁—中条造山运动的时限相一致 ,华北古大陆属于哥伦比亚超大陆的组成部分 ,并可能为Nena大陆块体群的一员 ,在造山及裂解事件群的性质、特点和时代等特征上 ,华北与北美、西伯利亚和西北欧有更大的相似性。

中国新元古代大陆拼合与Rodinia超大陆

在对前人研究成果分析的基础上，结合对中祁连地块前寒武纪基底的研究，认为新元古代（１０００～９００Ｍａ）中国各主要克拉通地块（包括华夏地块、扬子地块、华北地块、阿拉善—祁连—柴达木地块、塔里木地块）曾经通过晋宁期碰撞拼合带发生过一次全面的多块体复杂拼贴。这次拼贴过程是全球性新元古代格林威尔碰撞造山作用和Ｒｏｄｉｎｉａ超大陆形成过程的一个组成部分。新元古代拼合的古中国地块在当时位于Ｒｏｄｉｎｉａ超大陆中北部澳大利亚、劳伦提亚和西伯利亚克拉通地块之间。中国的各主要克拉通地块只不过是巨型格林威尔碰撞带之中夹裹的一些小型地块，且都处于新元古代晚期Ｒｏｄｉｎｉａ超大陆破裂的中心部位，这些正是中国大陆上克拉通地块活动性大的早期地质背景。

华北克拉通对罗迪尼亚超大陆事件的响应——GOSEN连接假设

中元古代晚期—新元古代早期的华北克拉通与塔里木、扬子克拉通存在明显差异,那里没有十分强烈的与罗迪尼亚超大陆汇聚及裂解有关的热-构造事件的地质记录,因此对华北克拉通与罗迪尼亚超大陆的关联存在不同的推测。近年来,在郯庐断裂带两侧新元古代碎屑岩地层中,从辽宁的榆树砬子群,经山东烟台蓬莱群至土门群,陆续测得众多具经典格林威尔期的碎屑锆石年龄。这一信息与西伯利亚东南缘上里菲碎屑岩中的碎屑锆石年龄谱十分相似。这些碎屑锆石的时代均不是华北或西伯利亚本土所具有的特点,说明华北东缘、西伯利亚东南缘与劳伦大陆东南缘格林威尔造山带存在某种亲缘关系。根据这种推测,笔者等提出了劳伦大陆格林威尔造山带、西伯利亚东南缘和华北东部(GOSEN)连接的假设。

华南新元古代裂谷盆地演化——Rodinia超大陆解体的前奏

沉积学研究表明 ,华南新元古代沉积盆地具典型裂谷盆地沉积演化特征。代表裂谷盆地早期形成阶段的成因相组合有 :冲洪积相组合、陆相 (或海相 )火山岩及火山碎屑岩相组合、滨浅海相沉积组合、淹没碳酸盐台地及欠补偿盆地黑色页岩相组合 ;而代表中、后期形成阶段的成因相组合有 :滨岸边缘相至深海相组合 ,冰期冰积岩相组合、碳酸盐岩及碳硅质细碎屑岩相组合。华南裂谷盆地岩相古地理演化经历了 5个重要的时期 ,整体上反映了一个由陆变海、由地堑 -地垒相间盆地变广海盆地、由浅海变深海、盆地由小变大的演化过程。裂谷盆地的形成经历了裂谷基的形成、地幔柱作用与裂谷体的形成、被动沉降(下拗 )与裂谷盖的形成三个阶段。华南裂谷盆地的形成演化与 Rodinia超大陆在新元古代时期的裂解作用密切相关 。

华南陆块的形成与Rodinia超大陆聚合-裂解——观察、解释与检验

本文重点回顾了近十年来华南前寒武纪地质演化的主要研究进展,特别是新元古代早期扬子-华夏块体拼合形成华南陆块、新元古代中期华南的陆内裂谷岩浆作用和盆地演化及其与Rodinia超大陆的聚合-裂解的关系,并对一些重要区域地质演化和深部动力学机制的学术争议进行评述,为进一步的研究提出建议。

滇中新元古代裂谷盆地充填序列及演化模式:对Rodinia超大陆裂解的响应

以滇中新元古代裂谷盆地沉积充填为研究对象,开展了系统的沉积学和盆地分析研究。结果表明,滇中新元古代裂谷盆地具有4个充填序列,分别代表盆地的4个发展阶段。其中,序列I为柳坝塘组及陆良组下段,沉积时限为820~800 Ma,属低密度浊流和深水饥饿沉积,代表裂谷盆地的快速沉降阶段;序列II为澄江组、陆良组上段及牛头山组,沉积时限为800~725 Ma,属扇三角洲—湖泊沉积,代表裂谷盆地的成熟发展阶段;序列III为南沱组,沉积时限可能为725~635 Ma,属大陆冰川沉积,代表裂谷盆地开始向被动大陆边缘盆地转换的阶段;序列IV主要为陡山沱组,沉积时限为635~551 Ma,属潮坪沉积,为裂谷盖地层。进一步研究揭示,滇中新元古代裂谷盆地由幼年期分布局限的小型同向半地堑盆地群演化为成熟期统一的大型半地堑盆地,属上叠滑脱盆地。综合研究证实,滇中新元古代裂谷盆地应为陆内裂谷盆地,是Rodinia超大陆裂解的产物。