普里特维普尔绿岩带（位于印度邦德尔坎德克拉通）太古代基性-超基性火山的成因：羽流-岩石圈地幔相互作用——地球化学及Sm-Nd同位素证据

高镁玄武岩和普通玄武岩的成因及其对绿岩带形成环境的启示。研究显示高镁玄武岩源自深部（~160km）地幔熔融，具有富集的Sm-Nd同位素特征，而普通玄武岩则与浅部（~22km）分异结晶相关，Sm-Nd同位素揭示地幔分层异质性。绿岩带形成于岩浆-俯冲混合环境，记录了2.7Ga地幔翻转事件。

　　

巴拉拉姆·萨胡（Balaram Sahoo）|普拉迪普·库马尔·辛格（Pradip Kumar Singh）|阿贾伊·库马尔（Ajay Kumar）|德巴乔蒂·保罗（Debajyoti Paul）|桑杰特·库马尔·维尔马（Sanjeet Kumar Verma）|埃尔森·P·奥利维拉（Elson P. Oliveira）|托雷斯·桑切斯·达里奥（Torres Sánchez Darío）|达克希塔（Dakshita）|P.M. 兰吉特（P.M. Ranjith）

印度北方邦瓦拉纳西市巴纳拉斯印度教大学（Banaras Hindu University, BHU）地质系

摘要

本研究对邦德尔坎德克拉通（Bundelkhand Craton）中的普里特维普尔绿岩带（Prithvipur Greenstone Belt, PGB）进行了综合研究，结合了岩石学、主要和微量元素地球化学以及全岩钐（Sm）同位素系统学方法，以阐明高镁玄武岩（high-Mg basalts）的起源和演化过程。高镁玄武岩具有较高的MgO（25–12.5 wt%）、Al₂O₃（13–3.7 wt%）、Mg#（82–65）、Ni（1248–190 ppm）和Cr（2954–846 ppm）含量，表明它们来源于经历了中等程度部分熔融的难熔幔源（refractory mantle source），熔融发生在约1522–1352°C的幔液相线温度（Tliq °C）下。这些玄武岩的低TiO₂（0.8–0.3 wt%）、负Nb₂Ti异常值、分馏的稀土元素（REE）模式以及平缓至略微贫化的重稀土元素（HREE）趋势（Gd/Yb = 1.46–0.64）表明它们来源于贫化的浅层幔源，且受石榴石影响较小。相比之下，相关玄武岩的Mg#（61–45）、Ni（201–68 ppm）和Cr（596–62 ppm）含量较低，TiO₂（1.9–0.5 wt%）含量较高，且轻稀土元素（LREE）富集程度适中（La/Sm = 3.8–1.1）。这些特征共同表明它们是通过分结晶作用或涉及残余石榴石的俯冲作用形成的。钐（Sm）同位素数据显示了基本的幔层二分性：高镁玄武岩具有负的初始εNd(t)值（?6.42至?1.70），表明其来源于富集的幔源或与地壳有显著相互作用；而同期玄武岩的εNd(t)值为正值（+4.37至+6.82），表明其来源于高度贫化的幔源。尽管变质作用有限，这种同位素差异为克拉通下方新太古代（Neoarchean）幔层的异质性提供了有力证据。该地区基性-超基性火山岩、高镁玄武岩和普通玄武岩的地球化学特征揭示了由幔柱驱动的两阶段幔层熔融历史：高镁玄武岩代表了来自热幔柱核心的更深层（约160 km）熔体，而普通玄武岩则形成于较浅层（约22 km）的幔柱外围。斜长石和橄榄石的分结晶作用主要控制了岩浆演化过程，局部也发生了少量地壳物质混入。我们提出PGB是在一次大约27亿年前的重大幔柱-俯冲事件中形成的。这一地体与巴比纳（Babina）和毛拉尼普尔（Mauranipur）绿岩带一起，记录了克拉通从古太古代TTG地壳形成到新太古代幔柱岩浆作用及弧岩增生阶段的演化过程，突显了深部幔柱与浅层构造过程在太古代大陆地壳形成中的动态相互作用。

引言

太古代（40–25亿年前）是地球历史上最长且最神秘的时代，目前仅保存了零星的地壳记录（Bleeker, 2003; Anhaeusser, 2014; Oliveira et al., 2020; Ellis et al., 2023）。地壳残余物的稀缺性阻碍了我们对早期幔层过程、地壳形成和构造机制的理解（Moyen and Laurent, 2018; Brown et al., 2020; Condie, 2021）。全球已识别的35个太古代克拉通中，花岗岩-绿岩地体是解读太古代地质动力学和大陆生长的关键资料（Kusky and Polat, 1999; Jayananda et al., 2018; Smithies et al., 2018）。然而，这些地体的起源——无论是由幔柱、俯冲作用还是混合过程形成——仍存在争议（Verma et al., 2017; Smithies et al., 2018; Brown et al., 2020; Wyman, 2020; Condie, 2021）。

绿岩带是太古代上地壳组合的典型特征，通常具有三部分火山岩层：（i）基性-超基性熔岩（科马蒂岩、科马蒂质玄武岩、高镁玄武岩和普通玄武岩），（ii）变沉积岩（条带状铁矿床、硅质岩和火山碎屑岩），以及（iii）长英质火山岩（Arndt et al., 2008; Anhaeusser, 2014）。自首次在津巴布韦和加拿大克拉通中发现以来，太古代高镁火山岩被广泛解释为幔柱或俯冲相关弧岩浆作用的产物，具有玻尼岩或辉长岩特征（Keep, 1929; Viljoen and Viljoen, 1969; Boily and Dion, 2002; Polat et al., 2002; Polat and Hofmann, 2003）。然而，高镁熔岩的分类因不同的分类标准而复杂化，尤其是对于CaO/Al₂O₃比例变化较大的高镁玄武岩（Williams, 1972; Nesbitt and Sun, 1976; Arndt et al., 1977）。两种主要假说试图解释其成因：（1）来源于不同的幔源；（2）超基性母岩的分结晶作用（Arndt et al., 2008; Smithies et al., 2018; Brown et al., 2020; Taylor et al., 2020）。更复杂的是，太古代高镁玄武岩与Fe-富集的托莱岩（Fe-tholeiites）之间的关联，在新太古代的邦德尔坎德（Bundelkhand）、伊尔加恩（Yilgarn）、达尔瓦尔（Dharwar）和亚马逊（Amazonia）克拉通的绿岩带中普遍存在（Sun and Nesbitt, 1978; Polat et al., 2006; Manikyamba and Kerrich, 2011; Hayman et al., 2015; Verma et al., 2017; Rossignol et al., 2023）。这些关联类似于显生代大型火成省（LIPs）的特征，暗示了类似的地壳形成过程（Bryan and Ernst, 2008）。

现代和太古代玄武岩的地球化学变化表明了长期的幔层异质性（Herzberg et al., 2010; Keller and Schoene, 2018），但太古代岩浆作用的构造背景与现代玄武岩系统相比仍存在争议（Keller and Schoene, 2018; Brown et al., 2020; Taylor et al., 2020; Condie, 2021）。虽然有人主张太古代存在类似现今的板块构造机制（Van Kranendonk, 2010; Condie and Stern, 2023），但也有人强调幔层耗竭和地壳提取过程的不确定性（Condie, 2021; Smithies et al., 2018）。一个关键且未解决的争议焦点是27亿年前地质动力学转变期间基性-超基性火山作用的驱动因素，这一时期以广泛的岩浆活动、克拉通稳定和潜在的幔层翻转为特征（Arndt, 2013; Ernst, 2014; Hayman et al., 2015; Moyen and Laurent, 2018; Condie, 2021; Rossignol et al., 2023）。不同的模型提出了幔柱、俯冲或混合机制（Bédard, 2018; Wyman, 2018; Brown et al., 2020），但由于太古代火山序列保存不佳，难以得出明确结论。在这里，我们采用综合的地球化学和同位素方法来约束岩浆成因和幔源，从而填补了对太古代岩浆作用理解的关键空白（Smithies et al., 2018; Kumari et al., 2019; Johnson and Brown, 2020）。

位于印度中北部的邦德尔坎德克拉通（Bundelkhand Craton, BuC）保存了具有复杂演化历史的太古代地壳（Basu, 1986; Kaur et al., 2016; Singh and Slabunov, 2015）。尽管太古代绿岩带具有重要意义，但对它们的基性-超基性序列的研究仍较为有限。以往的研究主要依赖于全岩地球化学（Malviya et al., 2006; Singh et al., 2018; Singh et al., 2019a; Pandey and Paul, 2022），但地质年代学约束有限：钐（Sm）同位素示踪表明年龄约为34.4亿年和29.8亿年（Babina和Girar-Khurrat带），而毛拉尼普尔（Mauranipur）变玄武岩中的U₂Pb锆石测年结果为约26.9亿年（Singh et al., 2019a; Slabunov and Singh, 2019; Hiloidari et al., 2021）。因此，绿岩岩浆作用的时间和地质动力学背景仍不明确。

在这里，我们对BuC中的PGB进行了综合研究，结合了岩石学、主要和微量元素化学以及全岩钐同位素系统学方法，以探讨高镁玄武岩的起源。我们的目标是：（1）揭示这些火山岩的起源和演化；（2）评估高镁玄武岩与托莱岩之间的遗传联系；（3）约束其地质动力学背景。这项工作有助于加深对BuC地区太古代地壳-幔层演化的理解，并为早期地球地质动力学提供更广泛的见解。

区域地质

印度盾状地（Indian Shield）包含五个太古代克拉通（图1a）。这些克拉通大致被东西走向的中央印度构造带（Central Indian Tectonic Zone, Acharyya, 2003）分为两个太古代克拉通块。东北-西南走向的大边界断层（Great Boundary Fault）将西侧的阿拉瓦利克拉通（Aravalli Craton）与东侧的BuC分隔开（Basu, 1986; Mondal et al., 2002; Ramakrishnan and Vaidyanadhan, 2010）。

BuC是最早的太古代地壳核之一，分布在一个约29,000平方公里的半圆形区域内。

普里特维普尔绿岩带（Prithvipur Greenstone Belt, PGB）的地质

火山-沉积序列分布在CBGGT的Mahoba、Mauranipur、Prithvipur、Babina和Umari地区，以及SBGGT的Girar、Bedawar和Khurrata地区（详见图1b和第2节）。识别出三个主要地体：CBGGT、NBGT和SBGGT，以及较小的单元如PGB，分别进行研究以阐明该地区的地质历史。早期研究将火山-沉积岩片与太古代绿岩序列联系起来，可能早于TTG基底岩石（Basu,

采样和分析技术

本研究收集了PGB地区的基性-超基性火山岩样本。为了加强我们的比较和岩浆成因分析，我们还纳入了Singh et al.（2019a）和Singh and Slabunov（2015）之前报道的Babina和Mauranipur带基性-超基性火山岩的已发表地球化学和同位素数据。采样地点经过精心选择，避开了受侵入体、严重变形或脉状构造影响的区域。

野外观察和岩石学特征

PGB地区保存了基性-超基性火山序列（图2），这些序列暴露在Hamirpur、Urdhorra和Papawani村庄附近，同时伴生于BIF露头的基底TTG单元（图2a, b, c, e, f）。普里特维普尔地区的基性-超基性火山岩呈块状，颜色从灰绿色到灰色不等，粒度细至中等，横向延伸范围达4公里，厚度在1至5米之间。这些岩石的独特野外特征有助于了解其沉积环境

BuC地区绿岩序列的地质年代学约束

BuC地区的基性-超基性序列缺乏全面的U₂Pb锆石结晶年龄数据，现有的钐（Sm）同位素年龄数据也存在较大不确定性，限制了其可靠性（Singh et al., 2019a; Hiloidari et al., 2021）。确定古老变质基性-超基性火山序列的形成年代具有挑战性，因为直接定年通常受到缺乏可靠计时器（如锆石）的阻碍。因此，我们通过同位素方法来确定其喷发年龄

结论

基于高镁玄武岩和普通玄武岩的全岩钐同位素、主要微量元素和岩石学特征，我们系统地约束了邦德尔坎德克拉通普里特维普尔绿岩带基性-超基性火山作用的起源和演化过程。综合数据集得出了以下结论：

1.

本研究首次对邦德尔坎德克拉通中的普里特维普尔绿岩带进行了综合研究，该绿岩带长约18–20公里，宽约6–8公里，结合了岩石学、主要和

CRediT作者贡献声明

巴拉拉姆·萨胡（Balaram Sahoo）：负责初稿撰写、软件使用、资源准备、方法学设计、数据整理、概念构建。普拉迪普·库马尔·辛格（Pradip Kumar Singh）：负责审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、资源协调、方法学设计、数据整理、项目管理和概念构建。阿贾伊·库马尔（Ajay Kumar）：负责软件使用、资源协调、方法学设计、数据整理。德巴乔蒂·保罗（Debajyoti Paul）：负责审稿与编辑、初稿撰写、验证工作及监督

未引用参考文献

Hoskin and Schaltegger, 2003

Rubatto et al., 2001

Zou et al., 2007

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们衷心感谢Nick Arndt教授、Derek Wyman教授和Jack Lowrey教授对手稿初稿提出的宝贵意见和反馈，这些意见显著改进了最终版本。本研究得以实施得益于BHU的卓越机构（IOE）计划颁发的种子基金[开发计划编号：6031(B)]“了解印度邦德尔坎德克拉通中邦德尔坎德花岗岩-绿岩地体记录的早期地球历史”的支持。