论文部分内容阅读
大陆地壳的生长与演化始终是地球科学最基本的问题之一。为了探究华南大陆地壳的生长与演化,本文对长江上、中和下游及其两条最大的支流(嘉陵江和汉江)分别采集了9个河沙样品,并对其中的碎屑锆石进行了U–Pb–Lu–Hf–O同位素测试。通过对这些河流碎屑锆石的详细研究,并结合全球其他的数据,我们有以下发现和结论:(1)报道了长江流域碎屑锆石的年龄组成。来自长江上游的河流碎屑锆石的U–Pb年龄主要集中在6个区间:0–100 Ma、200–300 Ma、400–500 Ma、700–1000 Ma、1800–1900 Ma和2300–2500 Ma,其中0–100 Ma年龄组的锆石具有一个强烈的41 Ma年龄峰。与上游样品相比,来自中下游的锆石具有大致相似的年龄分布:100–300 Ma、400–500 Ma、700–900 Ma、1800–2000 Ma和2400–2500 Ma,但缺失新生代的年龄。(2)定量比较了亏损地幔和岛弧地幔模式年龄的差异。在计算地壳形成的模式年龄时,亏损地幔和岛弧地幔都被用来作为地壳的原始源区。在本文中,我们通过定量计算推导了两种模式年龄的关系和差值。结果表明两种模式年龄表现出较好的线性关系,且其差值范围介于160–300 Ma之间。本研究中的锆石对于两种不同的模式年龄给出了与理论计算相似的年龄差值。(3)通过Hf-O同位素限定了地壳源区的性质。具有地幔氧同位素特征(δ18O=4.7–6.0‰)的锆石在εHf(t)对结晶年龄的投图上构建了5组阵列线。这些阵列线分别与亏损地幔演化线相交于~1.3 Ga,~1.35 Ga,~2.1 Ga,3.1 Ga和4.0 Ga。其中四条阵列线的斜率所对应的地壳源区176Lu/177Hf比值变化范围为0.020–0.025,显示出典型的镁铁质地壳特征,而交点年龄为1.35 Ga的阵列线斜率给出的176Lu/177Hf比值为0.016,指示一个较为酸性的地壳源区。另外,由于华南最古老岩石中的岩浆锆石和沉积物中最古老(3.5–3.8 Ga)碎屑锆石的εHf(t)值均落在具有最低εHf(t)碎屑锆石的阵列中,我们推测华南地区可能存在的最古老岩石应该不会早于4.0 Ga。(4)阶段式的大陆地壳生长模型及其地球动力学内因。长江流域的大部分地区被厚厚的显生宙沉积物所覆盖,出露于地表的太古宙岩石则只局限于扬子克拉通北部的极个别地区,因而使得在现代河流沉积物中太古宙锆石比例将会比实际比例低的多。为了校正这种采样偏差,使我们的结果更加符合实际地质情况,本文采用Dhuime et al.(2012)的方法来计算华南大陆地壳生长曲线。我们的结果表明华南地壳的生长演化曲线具有两个转折点:~2.8 Ga和~1.8 Ga。我们认为~2.8 Ga的转折点对应于板块构造运动在扬子克拉通的开始时间,略晚于全球板块构造运动3.0 Ga的开始时间。因此,我们认为全球范围内不同地区板块构造运动的起始时间很可能并不是同时的,而3.0 Ga更可能代表的是不同克拉通或者地区的板块构造运动开始的平均时间。较年轻的~1.8 Ga转折点标志着华南地壳在中元古代开始了另一个快速生长期,而这一时期与Columbia超大陆的聚合与裂解时间大致相吻合。因此,中元古代地壳的快速生长可能是由于在超大陆裂解过程中扬子克拉通在伸展构造背景下的大量新生地壳物质上涌。此外,我们对比了全球范围内有氧同位素控制和无氧同位素控制的基于碎屑锆石的大陆地壳生长曲线。结果表明基于地幔氧同位素特征的碎屑锆石得到的地壳生长曲线主要表现出阶段式的生长方式,而没有氧同位素控制的碎屑锆石得到的地壳生长曲线则表现出相对平滑和缓慢的生长方式。我们认为后者可能是不同年龄、不同源区物质混和的平均结果。结合本文华南地壳生长曲线,我们提出大陆地壳阶段式的生长方式。导致这种阶段式地壳生长的最根本原因则是地球内部动力学的转变。(5)碎屑锆石氧同位素与大气氧浓度和超大陆聚合裂解的关系。我们发现碎屑锆石δ18O最大值的变化趋势和大气中氧气浓度变化步调一致,表明碎屑锆石的δ18O值与大气氧浓度有着紧密的关系。锆石δ18O的升高表明岩浆源区地表成熟沉积物的增加,而这种地表成熟沉积物的增加可能是大气中氧气浓度升高导致的。其中最明显的表现是在大氧化事件后锆石δ18O的范围和最大值迅速升高。另外,我们发现形成于超大陆(除了Gandwana超大陆)聚合期,的锆石具有出较高的δ18O值,而在超大陆裂解期的锆石的δ18O值则明显降低。我们认为锆石δ18O值的降低标志着超大陆的裂解。Gandwana超大陆时期没有表现出较高的δ18O值,可能由于扬子克拉通在Gandwana期间活动并不明显,相反,华南在Gandwana超大陆裂解期(400–500 Ma)经历了强烈的加里东造山运动,产生大量S型花岗岩,因而使得这一时期的锆石具有较高δ18O值。