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创新花岗岩成因学 揭示地壳演化机制

2017-04-28

花岗质岩石作为大陆地壳的重要组成部分,记录了大陆地壳生长历史、壳幔相互作用和造山带构造演化等多方面信息,又与许多重要矿产的成矿作用密切相关。因此,花岗质岩石成因及其构造意义一直是国际上前缘研究领域。南京大学地球科学与工程学院姜耀辉教授在国家自然科学基金及国家973计划项目的支持下,一直紧密围绕花岗质岩石成因与造山带构造演化等方面开展工作。

一、通过我国某些典型造山带花岗岩岩石成因研究,在花岗岩成岩理论方面取得新进展

1.对青藏高原东部玉龙超大型斑岩铜矿的含矿斑岩和青藏高原西部新生代花岗岩-正长岩组合的岩石成因机制进行了深入解剖,从SHRIMP锆石U-Pb年代学、岩相学与矿物化学、元素地球化学和Sr-Nd-Pb-Hf同位素地球化学以及与同时代镁铁质岩石综合对比和元素地球化学模拟等方面,阐明了岩浆源区性质及岩浆形成与演化过程,认为这些岩石直接由当地岩石圈地幔中交代形成的含金云母(角闪石)辉石岩脉发生低程度部分熔融而形成。这一成果发展了传统的花岗岩壳源成因论,对于丰富花岗岩成岩理论具有重要的科学意义。

2发现直接由岩石圈地幔中交代成因岩脉低程度部分熔融形成的花岗岩具有钾玄岩(shoshonite)系列岩石的地质地球化学特征,认为存在钾玄质花岗岩,它们既不同于低钾拉斑玄武岩系列的M型花岗岩和(高钾)钙碱性系列的S型花岗岩,也不同于(高钾)钙碱性系列的I型花岗岩和碱性系列的A型花岗岩,把它们定义为一种新的成因类型,即SH型花岗岩,进一步完善了国际上传统的花岗岩ISMA分类方案。

3通过西昆仑造山带乌依塔克蛇绿岩中的斜长花岗岩与席状辉绿岩墙岩石成因和构造属性研究,发现乌依塔克斜长花岗岩形成于古岛弧环境,岛弧的基底为早先洋壳,从而表明蛇绿岩中的斜长花岗岩不仅可以形成于洋脊环境,还可以形成于岛弧环境,蛇绿岩还存在古岛弧型蛇绿岩。这一成果对于进一步认识斜长花岗岩的起源和蛇绿岩的构造属性具有重要的科学意义。

二、东秦岭造山带印支期花岗岩岩石成因和构造意义研究

通过东秦岭造山带印支期花岗岩岩石成因和构造意义研究,提出了东秦岭造山带在晚三叠世Norian阶段早期(227218 Ma)还处于陆缘弧环境、中国南北大陆最终碰撞始于晚三叠世Norian阶段晚期(约211 Ma)的新认识,并据此推论中国南北大陆之间的古特提斯洋盆很有可能是剪刀式收缩的,其东部(大别-苏鲁造山带)闭合时间要早(约231 Ma),并发生大陆深俯冲,而其西部(东秦岭造山带)闭合时间相对较晚(约211 Ma)。

秦岭造山带与西昆仑-东昆仑造山带及大别-苏鲁造山带一起构成了中国的中央造山带。秦岭造山带又大致以宝成铁路为界分为西秦岭和东秦岭造山带。东秦岭造山带与其东延的大别-苏鲁造山带的形成与演化记录了中国南(扬子克拉通)北(华北克拉通)大陆最终焊接的历史。近20多年来,国内外学者对秦岭造山带进行了广泛研究,取得了一系列研究成果。最近几年来,通过大别-苏鲁造山带中广布的超高压变质岩的锆石年代学研究,对中国南北大陆碰撞拼贴时限做出了较精确的限定。其中含柯石英的SHRIMP锆石U-Pb年龄介于240220 Ma之间,加权平均值为231±4 Ma。这些年龄代表了大陆深俯冲的超高压变质作用时代,从而表明在大别-苏鲁地区扬子克拉通与华北克拉通的最终碰撞发生于晚三叠世早阶段(Carnian)(约231 Ma)。对于秦岭造山带三叠纪时期扬子克拉通与华北克拉通开始碰撞的确切时间还存在很大的争论和不确定性。以前的主流观点认为秦岭造山带中国南北大陆最终焊接时间与大别-苏鲁造山带基本同时,也就是晚三叠世早阶段(约231 Ma),东秦岭造山带晚三叠世花岗岩主要形成于碰撞后阶段。姜教授的研究成果发现中国南北大陆最终焊接时间在东秦岭造山带与在大别-苏鲁造山带并不同时,前者要晚于后者,东秦岭造山带晚三叠世花岗岩主要形成于陆缘弧和同碰撞阶段。该认识对于进一步探讨秦岭造山带乃至整个中央造山带以及古特提斯构造演化具有重要的科学意义。

三、西昆仑造山带古生代和早中生代花岗岩及其中暗色微粒包体岩石成因和构造属性研究

西昆仑造山带位于青藏高原西北缘,是“特提斯构造域”与“古亚洲构造域”接壤、转换的地带,北以乌依塔克-库地缝合带与塔里木地块相接,南以麻扎-康西瓦缝合带为界与甜水海地体拼接。正确认识西昆仑造山带造山过程的多旋回性对于揭示青藏高原早期构造演化及欧亚大陆向南增生过程具有重要的科学意义。在20世纪90年代以前,西昆仑造山带被认为是印支造山带,然而随着库地蛇绿岩同位素年代学研究的进行,学者们获得了一系列新元古代到早古生代的年龄数据,据此又将乌依塔克-库地缝合带看作原特提斯洋的残余,并把西昆仑造山带看作早古生代(加里东期)造山带。

西昆仑造山带发育两条醒目的中酸性侵入岩带,即西昆仑北岩带和西昆仑南岩带。西昆仑北岩带主要形成于古生代,沿着乌依塔克-库地缝合带南侧展布;西昆仑南岩带主要形成于三叠纪,少数形成于早二叠世,出露于麻扎-康西瓦缝合带北侧。姜教授对两条岩带中的代表性岩体及其中暗色微粒包体开展了SHRIMP锆石U-Pb年代学和岩石成因与构造意义研究,取得了一系列研究成果。这些研究成果表明,乌依塔克-库地缝合带是一条复合型缝合带,它代表的是原特提斯洋和古特提斯洋两者的残余。原特提斯洋形成于新元古代,于中寒武世早期(约513 Ma)持续向南消减,并于中志留世最终闭合,从而实现西昆仑地体与塔里木地块第一次拼合;晚志留世(约421 Ma)进入造山后伸展阶段,并可能于晚泥盆世沿乌依塔克-库地缝合带再次拉开形成新的洋盆;该洋盆于早石炭世(338328 Ma)开始向北消减,可能于中-晚石炭世最终闭合,从而实现西昆仑地体与塔里木地块的最终焊接。研究成果还表明,麻扎-康西瓦缝合带及其北侧的西昆仑南岩带记录了古特提斯洋形成与演化过程。古特提斯洋可能形成于晚泥盆世,于早石炭世开始向北消减,并于中三叠世安尼西期(约243 Ma)最终闭合,从而实现西昆仑地体与甜水海地体的拼接及欧亚大陆进一步向南增生。综上所述,西昆仑造山带是一条至少经历了三个造山旋回、与原特提斯和古特提斯形成和演化相关的复合型造山带。

四、华南十-杭带附近中-晚侏罗世和早白垩世花岗岩与镁铁质岩石成因和构造意义综合研究

通过此研究,阐明了岩浆构造属性,揭示了岩浆起源的深部动力学机制,即构造-岩浆活动受控于古太平洋板块前进式与后撤式俯冲作用。华南以晚中生代强烈的构造岩浆活动和大规模成矿作用为特色而受到国内外地质学家长期关注。虽然目前对构造岩浆活动和成矿作用的地球动力学机制还存在争论,但越来越多的学者认为它们与古太平洋板块俯冲相关联。姜教授的研究成果表明,古太平洋板片在大约早侏罗世晚期-中侏罗世早期(178170 Ma)已平缓俯冲至十-杭带附近,形成区内中侏罗世陆缘弧岩浆作用。此后板片并没有持续向北西俯冲,而是发生后退,并诱发了沿十-杭带发生的晚侏罗世陆缘弧内裂谷作用(弧后伸展),形成一系列晚侏罗世A型花岗岩;随后板片持续发生后退,诱发由内陆向沿海变年轻的弧后伸展与陆缘弧并存的岩浆作用。这一成果对于进一步探讨和深入认识华南晚中生代花岗岩成因及其深部地球动力学机制具有重要科学意义。

上述成果不仅丰富和发展了花岗岩成岩理论,而且对于我国典型造山带构造模型重建具有较重要的指导意义。围绕上述成果,姜耀辉教授共发表论文55篇,其中SCI论文51篇,这些论文主要发表在Journal of PetrologyEarth and Planetary Science LettersLithos等期刊,并得到国内外同行广泛关注和正面引用。论文总被引2 001篇次,被包括Earth-Science ReviewsGeologyEarth and Planetary Science LettersGeochimica et Cosmochimica ActaJournal of PetrologyPrecambrian Research等在内的SCI期刊论文引用1 508篇次。