塔里木东部敦煌地块的古元古代构造演化：来自深成岩地质年代学和岩石成因学的启示

《Precambrian Research》：Paleoproterozoic tectonic evolution of the Dunhuang Block, eastern Tarim: insights from geochronology and petrogenesis of meta-igneous rocks

研究敦煌块体东水沟地区新发现的晚前寒武纪元岩浆岩（角闪岩和花岗片麻岩），通过U-Pb年代学揭示其岩浆结晶年龄分别为2.02 Ga和2.04 Ga，并识别出晚古生代（约391-380 Ma）叠加变质事件。角闪岩轻稀土富集、大离子亲石元素富集特征表明其源自富集地幔楔的低程度熔融；花岗片麻岩高Sr/Y比值显示其由TTG型岩浆原岩部分熔融形成。新数据与敦煌-塔里木地区其他前寒武纪岩浆-变质事件时空同步性吻合，揭示敦煌块体在哥伦比亚超大陆聚合过程中与塔里木、华北块体的构造关联。

　　

作者：向仁、甘宝平、英娜·萨福诺娃、李法桥、孙庆飞、徐宏瑞

中国西南交通大学地球科学与工程学院，成都611756

摘要

识别古元古代大陆块中的构造热事件对于理解哥伦比亚超级大陆的形成历史至关重要。敦煌地块位于塔里木克拉通以东，记录了多次古元古代岩浆作用和变质作用事件。它为研究敦煌地块与相邻的塔里木克拉通和华北克拉通之间的构造关系以及其在哥伦比亚超级大陆形成过程中的构造演化提供了极好的窗口。在本文中，我们首次报道了从敦煌地块东水沟地区新发现的古元古代变质岩、角闪岩和花岗片麻岩中获得的锆石和磷灰石U-Pb地质年代学、全岩地球化学以及Hf在锆石中的同位素数据。角闪岩和花岗片麻岩的锆石结晶年龄分别为约20.2亿年和约20.4亿年。磷灰石U-Pb测年结果表明存在一次晚古生代的构造热事件，随后在约3.91–3.80亿年发生了叠加的变质作用。这些角闪岩富含轻稀土元素（LREE）和大离子亲石元素（LILE），而重稀土元素（HFSE）含量较低，并且具有较低的Hf在锆石中的同位素特征（ε_Hf(t) = +0.71至+4.93）；它们的岩浆原岩可能是由富集的地幔楔体经过低程度熔融形成的。花岗片麻岩具有TTG（典型花岗岩）的地球化学特征：SiO₂含量为73.03–78.05 wt%，K₂O/Na₂O比值低（0.17–0.22 wt%），富含LREE，重REE元素含量较低，Sr/Y比值高（57–82）。这些地球化学特征以及ε_Hf(t)值的范围（-2.7至+1.2）表明，花岗片麻岩可能是由热地幔岩浆侵入引发的TTG型岩浆原岩熔融形成的。这两种变质岩的原岩可能形成于活跃的大陆边缘环境。敦煌地块的新数据与其他新元古代-古元古代岩浆岩和变质岩的研究结果一致，表明整个敦煌-塔里木地区的构造演化过程相似且几乎同时发生：敦煌地块在约20.2–19.0亿年期间靠近塔里木克拉通，并在约18.5–18.2亿年经历了碰撞造山作用。敦煌地块和塔里木克拉通可能都在约21.0–18.0亿年参与了哥伦比亚超级大陆的形成。

引言

在地球的地质历史中，几乎所有大陆块都曾周期性聚集形成巨大的陆地masses——超级大陆（Condie, 2003a, Condie, 2003b, Condie, 2011, Li et al., 2016a, Li et al., 2016b, Mitchell et al., 2021, Murphy and Nance, 2013, Nance et al., 2014）。最早的超级大陆形成事件发生在古元古代，当时哥伦比亚（或称为Nuna）超级大陆开始形成（例如，Rogers and Santosh, 2002, Zhao et al., 2002, Zhao et al., 2004, Meert and Santosh, 2017, Evans and Mitchell, 2011）。关于哥伦比亚超级大陆最有力的证据来自约21.0–18.0亿年的全球性碰撞造山作用，这次事件导致地球上几乎所有主要大陆块合并形成了哥伦比亚超级大陆（例如，Rogers and Santosh, 2002）。因此，识别与造山作用（构造热事件）相关的古元古代岩浆作用和变质作用记录对于了解哪些前寒武纪陆地块参与了哥伦比亚超级大陆的形成及其与其他大陆块的构造关系至关重要，特别是对于那些相对较小的陆地块而言。

中国的主要前寒武纪大陆块包括华北克拉通（NCC）、塔里木克拉通（TC）和华南克拉通（SCC），这些克拉通都被认为经历了与哥伦比亚超级大陆形成相关的古元古代造山作用（例如，Zhao et al., 2003, Zhao et al., 2005, Zhao and Cawood, 2012, Zhai and Liu, 2003, Zhai and Santosh, 2011）。在这三个克拉通中，华北克拉通的研究最为深入：其地质结构包括三条古元古代碰撞带，其构造演化过程记录了哥伦比亚超级大陆的形成和解体（例如，Zhao et al., 2011）。华北克拉通的古元古代碰撞带包括Khondalite带、Jiao-Liao-Ji带和跨华北带。约19.5亿年的Khondalite带标志着 Yinshan块和 Ordos块的合并，形成了华北克拉通的西部块（Zhao et al., 2002, Zhao et al., 2005, Zhai et al., 2010, Zhai and Santosh, 2011）。约19亿年的Jiao-Liao-Ji带通过俯冲-碰撞造山作用形成（Faure et al., 2004, Zhou et al., 2008, Zhao et al., 2011, Zhao et al., 2012, Zhao and Zhai, 2013）。跨华北造山带主要由约18.5亿年的高压变质岩组成，它是东部块和西部块碰撞的结果，形成了哥伦比亚超级大陆形成过程中的一个单一克拉通块（例如，Wilde et al., 2002, Guo et al., 2005, Liu et al., 2006, Wang et al., 2010, Zhao et al., 2011）。华南克拉通也保存了大量与哥伦比亚超级大陆形成相关的古元古代变质作用和岩浆作用记录（例如，Guo et al., 2015, Li et al., 2016a, Li et al., 2016b, Wang et al., 2014a, Wang et al., 2014b, Wu et al., 2009, Yin et al., 2013, Zhang et al., 2006）。然而，由于塔里木克拉通及其周边地区被厚厚的新生代沉积物覆盖，其古元古代历史了解较少，前寒武纪基底岩石仅在其边缘暴露（Shu et al., 2011, Xin et al., 2011, Xin et al., 2013, Long et al., 2012, Ge et al., 2013a, Ge et al., 2013b, Ge et al., 2013, Xu et al., 2013），因此对其古元古代历史了解有限。在塔里木克拉通内重建了两条古元古代造山带：约20.0–19.0亿年的南塔里木造山带和约19.0–18.0亿年的北塔里木造山带（Ge et al., 2013b, Ge et al., 2015）。在此背景下，塔里木克拉通的古元古代历史被认为与华北克拉通的阿尔克沙地块相似（Ge et al., 2015），两者都被认为参与了哥伦比亚超级大陆的形成（例如，Xu et al., 2013, Ge et al., 2015, Wu et al., 2019）。

敦煌地块位于塔里木克拉通的东部，东侧与阿尔克沙地块相邻（图1）。关于敦煌地块在新元古代-古元古代时期相对于相邻的塔里木克拉通和华北克拉通的构造位置仍存在争议。根据对新元古代地壳生长以及古元古代岩浆作用和变质作用的分析，敦煌地块之前被认为属于塔里木克拉通的一部分（Mei et al., 1997, Meng et al., 2011, Long et al., 2014），或者是华北克拉通向西部的延伸（Zhang et al., 2011, Zhang et al., 2012b）。后来，通过比较区域性的古元古代岩浆-变质作用，认为包括敦煌地块在内的塔里木克拉通与华北克拉冲的阿尔克沙地块具有相关性（Ge et al., 2015, Zhao et al., 2015b）。敦煌地块广泛暴露了前寒武纪基底岩石，因此有助于理解其与周围大陆块的构造关系。在过去十年中，敦煌地块发现了大量古元古代岩浆岩和变质岩的露头（图2；He et al., 2013, Zhang et al., 2012b, Zhang et al., 2013a, Zhao et al., 2015a, Zhao et al., 2019b, Zhao et al., 2020, Zhao et al., 2022）。来自敦煌地块南部石宝城地区约18.5亿年高压花岗岩的证据表明，敦煌地块经历了晚古元古代的碰撞后岩浆作用（Yu et al., 2014, Gan et al., 2020）。这些发现与全球范围内的古元古代造山事件相吻合，这些事件与哥伦比亚超级大陆的形成有关（Zhao et al., 2002, Zhao et al., 2004）。然而，敦煌地块在约18.5亿年大陆碰撞之前的古元古代构造演化尚未得到很好的约束。因此，识别敦煌地块中的古元古代构造热事件对于理解其在古元古代期间与邻近大陆块的构造关系及其在哥伦比亚超级大陆形成过程中的构造位置尤为重要。

在本文中，我们报告了来自敦煌地块中部东水沟地区的古元古代角闪岩和花岗片麻岩的新的U-Pb锆石和磷灰石年龄数据、全岩地球化学数据以及Hf在锆石中的同位素数据，以确定其岩浆原岩的年龄和叠加的变质事件，重建其成因，并区分不同的构造环境。此外，结合新的和之前的地质年代学数据，我们可以建立敦煌地块记录的新元古代-古元古代构造热事件序列，并讨论其与华北克拉通和塔里木克拉通的构造关系以及其在哥伦比亚超级大陆形成过程中的构造位置。

地质概况

敦煌地块位于塔里木克拉通的东部边缘，呈三角形分布，西侧被祁莫-兴兴夏断层与塔里木克拉通主体分隔，东侧和东南侧分别被阿尔金塔格断层和祁连造山带分隔（图1；Lu and Yuan, 2003, Lu et al., 2008）。先前的研究表明，敦煌地块包含来自阿尔金塔格北部Aktashtagh地区和敦煌地区的前寒武纪基底岩石。

采样与岩石学

我们在敦煌地区中部的NEE-SWW走向的构造带内的东水沟南部采集了古元古代变质岩（图2a）。东水沟地区的岩石组合包括云母-石英片岩、黑云母-斜长片麻岩和片麻状花岗岩，这些岩石被中泥盆世的岩浆（3.89亿年；Zhao et al., 2020）侵入，随后在18.4–18.2亿年经历了晚泥盆世的构造热事件（3.66亿年；Zhao et al., 2020）。

U-Pb锆石测年与Hf在锆石中的同位素

两种样品（角闪岩DSG01和花岗片麻岩DSG02）中的锆石颗粒无色透明，长度为100–300微米，长宽比为1:1至2:1（图S1）。角闪岩中的锆石呈亚圆形，在CL图像中显示出均匀、斑块状或条带状的内部结构，最外层边缘明亮（图S1），表明经历了岩浆后的改造（Corfu et al., 2003）。花岗片麻岩中的锆石大多为自形至亚自形的棱柱状。

古元古代变质岩中的岩浆作用和变质作用事件

这两种变质岩记录了岩浆作用和叠加的变质作用事件。角闪岩的岩浆原岩结晶年龄为20.21±5百万年（图4b）。经过测年的花岗片麻岩产生了两个U-Pb锆石年龄组：核心和边缘的年龄分别为20.35±7百万年和19.84±9百万年（图4d）。核心的Th/U比值通常高于0.2，显示出振荡分带和REE分布模式，这些都表明了它们的

结论

来自敦煌地块角闪岩和花岗片麻岩的新U-Pb锆石和磷灰石年龄数据证实了它们的岩浆原岩分别形成于20.2亿年和20.4亿年，并揭示了两次古元古代和晚古生代的叠加变质作用。具有弧状地球化学特征和正ε_Hf(t)值（+0.71至+4.93）的角闪岩可能是由富集了俯冲流体的地幔楔体经过低程度熔融形成的

CRediT作者贡献声明

向仁：撰写——初稿撰写、研究、正式分析、数据管理。甘宝平：撰写——审稿与编辑、研究、资金获取、正式分析、数据管理。英娜·萨福诺娃：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。李法桥：研究、正式分析。孙庆飞：方法学研究、研究。徐宏瑞：研究、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42302054, W2431031）、中国博士后科学基金（2022M712629）和中央高校基本科研业务费（2682022CX029, 2682024CX080）的财政支持。我们感谢主编张健教授的快速编辑处理和有益建议，也非常感谢两位匿名审稿人的深思熟虑和建设性意见，这些都极大地提高了本文的质量。