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【前沿论坛】赵国春:大陆的起源——岛弧模式 vs. 洋底高原模式
2021-08-31 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

报告人:赵国春 | 整理:刘鹏、王冲(岩石圈室)  

  摘要:太阳系固体星球中只有地球具有长英质的大陆地壳。太古宙克拉通主要由TTG深成片麻岩(英云闪长岩 Tonalite-奥长花岗岩Trondhjemite-花岗闪长岩Granodiorite这三类岩石的首字母缩写)和由超基性-基性-酸性火山岩及少量沉积岩变质的表壳岩(绿岩)组成。以TTG为主的长英质大陆形成于板块构造体制还是地幔柱体制下仍然众说纷纭。板块构造体制下,俯冲板片脱水导致地幔楔部分熔融形成的玄武质地壳再次熔融所形成的钙碱性花岗质岩石相当于太古宙低压型TTG。然而,板块构造体制下的岛弧模式难以解释太古宙绿岩带火山岩组合中缺少大量的安山岩、科马提岩~1600℃高温形成环境、克拉通规模近于同时侵位的TTG岩套、大规模卵形构造样式、代表性的逆时针P-T轨迹变质作用演化等诸多特征。而地幔柱洋底高原模式能够合理解释太古宙绿岩双峰式火山岩组合的成因,也能合理解释太古宙TTG短时间内巨量产出的现象,同时也能合理解释太古宙克拉通穹隆构造(dome-and-keel structure)样式、近等压冷却型(IBC)逆时针P-T轨迹、缺少蓝片岩和双变质带的等典型岛弧俯冲带的标志的特征,但熔融过程中水如何加入的问题还没有得到很好的解决。

  地球是太阳系中唯一既具有板块构造,又具有长英质大陆的星球。地球上的板块构造和长英质大陆二者之间存在着必然联系,但核心问题是板块构造和长英质大陆哪个在地球上先出现。一些学者们认为板块构造出现在长英质大陆壳形成之前。而支持大陆起源于非板块构造的学者们的观点完全相反,长英质大陆在板块构造启动之前就已经形成,是前板块构造时期一系列地质过程,如地幔柱、重力差异沉降(Sagduction)等作用的产物,长英质大陆的密度较低,可以诱发密度较大的大洋岩石圈向密度较小的大陆岩石圈下面俯冲,所以他们认为地球上长英质大陆的形成是板块构造启动的前提。但无论哪种模式,以TTG为主的长英质古老大陆都应该起源于铁镁质地壳的部分熔融。现代的大洋环境包括大洋盆地、洋中脊、岛弧和洋底高原等。大洋盆地和洋中脊地壳厚度只有5-10 km,不可能成为长英质大陆壳起源的场所。因此,长英质大陆或起源于板块构造体制下的岛弧,或起源于地幔柱体制下的洋底高原。目前,古老大陆究竟是起源于岛弧还是洋底高原已成为地球科学领域研究的重中之重,是发展和完善板块构造理论和建立前板块构造理论的一个重要窗口。

  1 克拉通的主要特征 

  1展示了全球主要克拉通陆块的空间分布。古老的克拉通大陆长英质岩石除少量形成于冥古宙40亿年前的加拿大Acasta长英质片麻岩外,其余多数均主要形成于太古宙。有关北美、格陵兰、南非、澳大利亚等古老大陆太古宙岩石的同位素研究结果显示地球在冥古宙阶段可能已经形成一定规模的初始陆壳,称为原陆壳。由于晚期大冲击事件或者后来的板块构造的强烈改造,原陆壳物质在地球上很少得以保留。 

 

1 全球主要克拉通的空间分布

  太古宙克拉通陆块可以进一步划分为高级区片麻岩地体和低级区花岗绿岩带,二者岩石组合基本相同但变质程度的不同。TTG是太古宙克拉通片麻岩地体的主要组成岩石。Condie(2014)总结TTG具有五个主要特征:富集大离子亲石元素(KRb ThLa);②明显地亏损NbTaTi明显的轻稀土和重稀土分异(La/Yb)SrEu无亏损;许多TTG具有高NiCrCo含量。如图2所示,多数太古宙TTGLa/YbSr/Y比值远高于太古宙之后的钙碱性花岗质岩石。许多学者据此提出富含重稀土的石榴子石应该是其岩浆源区部分熔融的主要残留相,表明玄武质岩石的部分熔融形成太古宙TTG应该发生在相对高压的条件下,而符合这样环境下的镁铁质变质岩石应该是石榴斜长角闪岩和榴辉岩。然而,近期一些研究表明,由于太古宙地壳相对富Mg,石榴石在~7 kbar的正常地壳厚度环境下就能出现,不需要加厚地壳的高压环境下形成。TTG通常分为低压型、中压型和高压型。低压型TTG具相对低的La/Yb比值、Al2O3Na2O Sr和高的YYbTaNb含量,其岩浆源区部分熔融的主要残余相可能是斜长石和辉石,而高压般形成于高压(>20Kbar)条件,有相对高的La/Yb比值、Al2O3Na2OSr和相对低的YYbTaNb含量,反映其岩浆源区部分熔融的主要残余相可能是石榴子石和金红石。 

  在太古宙表壳岩或绿岩中,常见的火山岩组合是超基性的苦橄岩、科马提岩,基性的玄武岩和酸性的英安岩、流纹岩构成的双峰式火山岩组合,而现代岩浆弧的主要火山岩组合安山岩的含量较为缺乏。太古宙表壳岩或绿岩地体中的科马提岩和玄武岩岩浆可由地幔部分熔融产生,但由于科马提岩MgO含量一般在18 wt.%以上,地幔部分熔融程度需要高达40%-60%,这要求极高的部分熔融温度。 

2 太古宙TTG与太古宙之后花岗质岩石的La/Yb-Yb差异图

  早期的陆壳内部构造样式常常以垂向构造运动的片麻岩穹窿(3)为特征,表现为组成克拉通主体的TTG岩浆以底辟形式上涌形成不同规模的片麻岩穹窿构造(dome structure),同时周缘的相对密度较大的超基性、基性变质表壳岩沉降下凹形成向形或龙骨构造(keel structure)。这种构造样式在不同古老克拉通内部依然保留很好记录,在野外记录中则体现为,片麻岩穹窿与表壳岩接触边界往往以强烈垂向剪切拉伸为特征,表现为大量发育近竖直方向的拉伸线理或L型构造岩,反映垂向构造运动。这与显生宙反映水平运动为特征的板块构造体制所具有的大规模逆冲带、线性构造带、韧性剪切带、鞘褶皱、矿物拉伸线理、构造混杂岩带等构造样式具有明显差异。 

 

图3 太古宙克拉通片麻岩穹窿构造样式和剖面解析

  太古宙克拉通变质作用特征太古宙克拉通在变质作用方面具有以下特征: 

  1变质作用都是克拉通规模,与元古宙和显生宙的变质作用大多局限在线性构造带(造山带)内形成鲜明对比; 

  2变质作用温压条件在正常地热梯度范围内(10-30/km),即以低压-中压绿片岩相、角闪岩相和麻粒岩相为主; 

  3缺少高压蓝片岩相和高压超高压榴辉岩相变质作用; 

  4变质作用演化以具有近等压冷却(IBC)逆时针P-T轨迹为主(图4)。 

  华北克拉通东部陆块和阴山陆块的晚太古宙基底岩系其变质作用演化均以逆时针P-T轨迹为特征,并且多具有等压冷却(IBC)演化过程。类似轨迹在全球其它太古宙克拉通基底岩石中也有广泛记录。导致岩石发生近等压冷却型(IBC)逆时针P-T演化的变质作用一般认为与岩浆弧根部带或弧后盆地、大陆裂谷,或地幔柱环境中的大量地幔岩浆底侵有关。 

4 华北克拉通东部陆块晚太古宙末变质作用 P-T轨迹

  2 古老大陆起源的两种模式 

  2.1 俯冲模式 (图5 

  古老大陆形成于板块构造体制下还是形成于前板块构造(如地幔柱)体制目前仍众说纷纭。支持古老大陆起源于板块构造体制下的岛弧的主要证据包括以下几个方面: 

  (1) 许多显生宙岛弧的根部带深成岩岩石组合与太古宙克拉通大陆的变质深成岩岩石组合相似,都是富SiNa的长英质TTG岩套组成。 

  (2)显生宙俯冲带成因的埃达克岩(adakites)与太古宙高压型TTG非常相似. 

  (3)形成太古宙TTG的其源区岩石应该是富含石榴子石和/或金红石的斜长角闪岩或榴辉岩,而这些岩石是俯冲带的特征变质岩石。而古老大陆克拉通中几乎没有发现太古宙榴辉岩。 

  (4)尽管太古宙克拉通变形样式以反映垂向构造运动的片麻岩穹窿为主,但片麻岩穹隆之间也存在一些线性构造带(keel structure) 线性构造带内岩石经历强烈挤压性变形,与显生宙板块构造体制下的造山带构造样式相似。 

  (5)-高压变质岩,尤其是含夕线石的泥质片麻岩或泥质麻粒岩在太古宙地体中非常普遍,其变质压力一般达到7-8Kbar 

  (6)多数太古宙克拉通陆块经历的太古宙变质作用以具有等压冷却(IBC)型逆时针P-T演化轨迹为特征,具有等温减压(ITD)顺时针P-T轨迹的太古宙变质岩石在一些克拉通上也有所报道。具有等温减压(ITD)顺时针P-T轨迹的变质作用一般被认为是发生在板块俯冲或相互碰撞的构造环境中。 

  (7)古老大陆起源于岛弧俯冲带一个最重要的证据是TTG必须要在含水的环境下形成,而只有俯冲带能够提供这样含水环境。 

 

5 大陆起源于岛弧的构造模式图

  岛弧通常经历由不成熟岛弧至成熟岛弧的发展过程。不成熟岛弧由于洋壳较薄,熔浆会全部上涌穿过洋壳而喷发于地表,熔浆在上升过程中不会改变太大,形成的火山岩应该是玄武岩,不会形成大量的中-酸性火山岩,不可能有大量的长英质陆壳的形成。随着弧岩浆作用的不断进行,所形成的玄武岩层越积越厚,火山弧玄武质地壳的根部在新的地幔岩浆加热条件下再次发生部分熔融,形成中-酸性熔浆。中-酸性熔浆喷出于地表将形成安山岩或英安岩,而没有喷出地表的中-酸性熔浆将在地下结晶形成闪长岩、石英闪长岩、英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩等岩石,类似于太古宙低压型TTG岩套,而部分俯冲的大洋板片本身也可能发生部分熔融形成埃达克质岩石,相当于太古宙高压型TTG岩套,从而导致玄武质大洋岛弧向长英岛弧的转变。这些长英质岛弧随着俯冲导致洋盆的关闭会发生相互碰撞,形成具有一定规模长英质陆核的弧地体。具有长英质陆核的弧地体的拼合就形成了大陆克拉通,这就是板块构造体制下大陆形成模式(5) 

  上述岛弧模式似乎能够圆满地解释太古宙高压型和低压型TTG的形成环境,但现今岛弧并没有发现典型的高压或中压型TTG岩石,基本上都是钙碱性花岗质岩石。另外,其它许多地质事实也不支持太古宙大陆起源于岛弧这一构造模式。 

6 大陆起源于地幔柱的构造模式图

  2.2 地幔柱模式(图6 

  需要注意的是,岛弧模式无法解释太古宙克拉通绿岩带中常见的苦橄岩、科马提岩和一些双峰式火山岩组合。双峰式火山岩组合通常形成于拉伸的构造环境。适合大量幔源岩浆上涌的拉伸环境主要包括陆内裂谷、弧后盆地和地幔柱/热点等。太古宙绿岩带总是围绕TTG片麻岩穹隆分布,而不是局限在线性构造带中,并且缺乏大陆裂谷型沉积,这些基本上排除了太古宙绿岩的原岩形成于大陆线性裂谷带的可能性。Brown et al., (2020) 认为双变质带是确定俯冲带存在的标记,目前还没有发现太古宙的双变质带。因此,太古宙绿岩带中玄武岩和科马提岩形成于弧后盆地环境的可能性也非常低,而这些基性和超基性火山岩最可能的构造环境是地幔柱。 

  地幔柱是指地球深部核幔边界附近的高温低粘度层(D'')熔融所产生的呈柱状上升的巨量地幔熔浆。洋底高原和大洋岛玄武岩一般认为与地幔柱直接相关,它们具有较高的形成温度,富含大离子不相容元素、轻稀土元素和较高的87Sr/86Sr143Nd/144Nd207Pb/204Pb3He/4He的地球化学特征,都明显有别于大洋中脊玄武岩和俯冲带附近的岛弧玄武岩。 

  太古宙绿岩多为基性的拉斑玄武岩和超基性的科马提岩。科马提岩的形成温度一般在1600以上,远远高于拉斑玄武岩1200-1400的形成温度。Campbell et al.(1989) 曾提出太古宙绿岩带中科马提岩来自地幔柱尾柱通道的熔融产物,而玄武质岩石则是地幔柱巨大球状顶冠在岩石圈底部发生减压熔融后喷发地表所成。 

  地幔柱模式仅解决了太古宙绿岩的母岩的成因问题,但这能否解释以TTG为主要组成的古老大陆的起源问题呢?如前所述,地球化学和实验岩石学资料都证实,与其它钙碱性花岗质岩石一样,TTG岩石来源于玄武质基性岩在含水条件下的部分熔融。因此,太古宙TTG岩石的形成过程包括两个方面主要问题: 

  一是,形成太古宙TTG的镁铁质原岩于何处及以何种机制从地幔中被抽取出来? 

  二是,如何将从地幔抽取出来的玄武质地壳转变成太古宙TTG? 

  我们认为将玄武质地壳转变成太古宙TTG长英质大陆地壳必须满足以下三个条件: 

  (1) 必须有至少三倍于TTG体量的玄武质原岩(如大火成岩省)的存在。 

  (2) 必须有足够厚的玄武质地壳的存在,以保证产生TTG的玄武质岩石的部分熔融发生在石榴子石的稳定域。 

  (3) TTG的源区玄武质岩石曾经历过水化作用,即玄武质岩石部分熔融体系里必须含有一定量的水,在干的环境中玄武质岩石的部分熔融很难进行。 

  对于前两个条件,我们可以参考当今洋底高原的产出规模及厚度来分析说明。全球许多现今的洋底高原在洋底处露面积都非常巨大,如现今的翁通爪哇(Ontong-Java)洋底高原等。如此巨量的玄武质洋底高原足以满足上述第一个条件的要求。上述第二个条件取决于洋底高原的厚度。大多数现代洋底高原地壳的厚度在20-30 km,这样的地壳厚度不能满足上述第二个条件。但由于太古宙地幔温度高于现今地幔温度,太古宙洋壳也应该比现今洋壳厚,有学者估算在40 km左右。这样的厚度已非常接近形成高压型TTG岩石的玄武质岩石的部分熔融深度。另一方面,Kent et al.(1996)的模拟结果显示,太古宙洋底高原玄武质地壳MgO含量为~19%,属于科马提质。在原岩相对富Mg的条件下,石榴子石在7-8 Kbar的中压变质条件下就可以出现,这也与太古宙高级地体中普遍存在含石榴子石+斜方辉石+单斜辉石+斜长石组合的中压铁镁质麻粒岩吻合。因而我们认为太古宙洋底高原环境基本上能够满足.上述第二个条件要求。 

  地幔柱成因的洋底高原环境似乎无法满足上述的第三个条件。太古宙TTG中锆石氧同位素偏高,表明其源区岩石熔融前受到地表水的作用。Arndt (2013)认为这是古老大陆起源的地幔柱洋底高原模式的致命缺陷。尽管如此,与大陆起源的岛弧模式相比,地幔柱洋底高原模式还是得到更多学者们的接受,被广泛地用来解释全球各个克拉通大陆花岗-绿岩地体的成因。在一些现今洋底高原上发现TTG和相关的长英质岩石是对古老大陆起源于洋底高原模式的有力支持。    

  3 总 结

  综上所述,板块构造体制下的岛弧模式和地幔柱成因的洋底高原模式都能解释以TTG深成岩和绿岩(玄武岩和科马提岩)为代表的太古宙大陆的某些地质特征,但也都存在一定的问题。与岛弧模式相比,洋底高原模式能够很好地解释太古宙克拉通大陆以下一些主要特征: 

  (1) 地幔柱洋底高原模式能够合理地解释太古宙绿岩地体中科马提岩和拉斑玄武岩的成因,即太古宙科马提岩来源于地幔柱核部热的、低粘度物质,而构成绿岩的玄武岩来源于地幔柱冷的头部物质的部分熔融。 

  (2) 地幔柱—洋底高原模式不仅能够合理地解释太古宙绿岩地体中科马提岩和拉斑玄武岩的成因,也能够解释太古宙绿岩双峰式火山岩组合中酸性岩石的成因,即超基性的科马提岩和基性的拉斑玄武岩可以直接来源物资与地幔柱物质的部分熔融,而酸性的英安岩、流纹质英安岩和流纹岩是地幔柱热异常导致的地壳底部物质的部分熔融物。 

  (3)地幔柱能够合理地解释为什么太古宙TTG能够在短时间内巨量产出并在形成时间.上没有任何系统变化。 

  (4) 地幔柱上升及其导致玄武质下地壳部分熔融形成TTG岩浆的垂向底辟能更合理地解释太古宙克拉通穹隆构造样式的特征。 

  (6) 地幔柱洋底高原模式能够很好地解释绝大多数太古宙高级区变质作用所呈现的近等压冷却型(IBC )逆时针P-T演化特征。 

  (7) 地幔柱洋底高原模式能够解释太古宙克拉通为什么缺少蓝片岩和双变质带的等典型岛弧俯冲带的标志。 

  由此可见,大陆起源于洋底高原的模式不仅能解释太古宙克拉通大陆的岩石组合的形成,也能解释其构造变形样式和变质作用特征。不过,尽管我倾向于这种模式,但是其中的一个非常关键的问题——水如何加入的问题——还没有很好的得到解决。    

  【注:本文据赵国春院士68日在前沿论坛讲座内容和刊载于《地质学报》的“大陆的起源”一文综合整理。】

  主要参考文献 

  Arndt N T. Formation and evolution of the continental crust[J]. Geochemical Perspective, 2013, 2: 405-533. 

  Brown M, Johnson T. Gardiner N. Plate Tectonics and the Archean Earth[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2020, 48: 291-320. 

  Zhao G C, Wilde S A. Cawood P A, et al. Archean blocks and their boundaries in the North China Craton: lithological, geochemical, structural and P-T path constraints and tectonic evolution[J]. Precambrian Research, 2001, 107: 45-73. 

  Zhao G C, Sun MA, Wilde S A, et al. Late Archean to Paleoproterozoic evolution of the North China Craton: Key issues revisited[J]. Precambrian Research, 2005, 136: 177-202. 

  Zhao G C. Precambrian Evolution of the North China Craton[J]. Elsevier: Amsterdam, 2014. 

  赵国春,张国伟.大陆的起源[J].地质学报, 2021, 95 (1): 1-19

 
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