东高止山脉奥里萨邦Nayagarh地区正长岩-单斜辉石岩套的U-Pb锆石-独居石-磷灰石地质年代学研究及锆石Hf同位素组成分析

《Precambrian Research》：U-Pb zircon-monazite-apatite geochronology and zircon Hf isotope composition of syenite-clinopyroxenite suite from Nayagarh (Odisha) of the Eastern Ghats Province

东岗脊省Nayagarh地区矽卡岩正片麻岩中的伟晶岩套经U-Pb年代学（zircon/monazite/apatite）及Hf同位素分析，揭示其侵入时代为979±6 Ma，与 Grenville期后造山运动相关。变质事件包括792±9 Ma的高温变质和541±10 Ma的低温变质，后者与华南地块的构造演化关联。研究显示该岩套具有地幔- crustal混合源特征，Hf等时线年龄支持 crustal fractionation 模式。

　　

迪瓦亚乔蒂·D·拉纳（Divyajyoti D. Rana）| 德瓦希什·乌帕德亚伊（Dewashish Upadhyay）| 贾扬塔·库马尔·南达（Jayanta Kumar Nanda）| 莫苏米·巴塔查吉（Mousumi Bhattacharjee）

印度理工学院地质与地球物理系，卡尔加普尔 721302

摘要

在东高止山脉纳亚加尔地区（Nayagarh region）的查尔诺克岩（charnockite）正片麻岩（orthogneiss）中，发现了一套含有单斜辉石（clinopyroxene）的正长岩（syenite）。这套岩石记录了多次岩浆作用和变质事件。本研究结合了岩石学、矿物化学、锆石（zircon）、独居石（monazite）和磷灰石（apatite）的U-Pb地质年代测定以及锆石的Hf同位素分析，以确定其成因和构造演化过程。该正长岩主要由钾长石（K-feldspar）组成，其中含有少量的单斜辉石以及锆石、铝榴石（allanite）、钛铁矿（thorite）、独居石和磷灰石等副矿物。切割正长岩-辉石体的磷灰石脉富含轻稀土元素。锆石颗粒具有岩浆核心和变质增生体。岩浆期的U-Pb年龄为979 ± 6 Ma（2σ, n = 28；MSWD = 2.0），表明这是正长岩的侵入作用。一个外来锆石的年龄为1744 ± 63 Ma，表明其具有更古老的地壳来源。变质增生体的年龄分别为792 ± 9 Ma（2σ, n = 9；MSWD = 0.060）和541 ± 10 Ma（2σ, n = 2；MSWD = 0.000117）。独居石的年龄为458 ± 8 Ma（2σ, n = 5；MSWD = 0.27），而磷灰石的Tera-Wasserburg截距为410 ± 15 Ma（2σ；MSWD = 10）。锆石的εHf(t)值介于-12.1至+4.7之间，表明其来源既包括年轻的岩浆成分也包括地壳物质，地壳提取的模型年龄为27.5–29.0 Ga。约979 Ma的正长岩侵入事件与东高止山脉带中的奇尔卡湖花岗岩（Chilka Lake anorthosite）及广泛分布的花岗岩-查尔诺克岩-花岗岩岩浆活动同期。约792 Ma的事件反映了奇尔卡湖地区的强烈变质作用和减压作用，这与罗迪尼亚（Rodinia）时期东高止山脉向印度盾（Indian Shield）和东南极洲（East Antarctica）碰撞后的构造伸展事件相关。约541 Ma的事件与库昂加（Kuunga）造山运动有关，而458 Ma的独居石和410 Ma的磷灰石则记录了后期热事件的影响。

引言

铁质岩浆作用（ferroan magmatism）是元古代（Proterozoic）的特征，其最终产物是铁氧化物（FeO）相对于镁氧化物（MgO）含量极高的长石岩石，并富含许多不相容的微量元素，包括稀土元素（REE）、锆（Zr）、铌（Nb）和钽（Ta）。铁质长石岩石的成分可以从花岗岩到含长石质矿物的正长岩不等，具体取决于源岩的成分和各自的侵入路径。这些岩石可能与富铝的花岗岩（metaluminous granites）、块状正长岩（massif anorthosites）以及富铁的玄武岩（iron-rich basaltic rocks）相关（Frost and Frost, 2013）。

正长岩-辉石组合（syenite-pyroxenite association）是碱性岩浆岩套（alkaline magmatic suites）的典型特征，常见于裂谷（rifts）、板内区域（intraplate regions）和造山后环境（post-orogenic settings）中。正长岩是一种粗粒火成岩，主要由碱性长石和多种铁镁矿物组成，常与辉石共存。关于正长岩-辉石组合的源岩，提出了多种形成机制，包括：（1）岩石圈地幔或下地壳的部分熔融；（2）富钾的镁铁质岩浆与地壳的结晶分异；（3）地壳与地幔的相互作用，导致硅质岩浆与镁铁质岩浆的混合及后续的混合熔体分异；（4）与富CO₂的硅酸盐岩浆的不相容性（Kuang et al., 2020）。常见的正长岩岩浆起源模型包括：1）深部地壳或地幔储库中玄武质或中性岩浆的分异，形成长石、单斜辉石、角闪石和钛铁矿（Shellnutt et al., 2024, Chen et al., 2023, Zhang et al., 2019）；2）由于俯冲作用引起的富碱和REE的地幔熔融（Zhao et al., 1995, Zhu et al., 2020, Litvinovsky et al., 2015, Kube? et al., 2022, Vorontsov et al., 2021）；3）与已有大陆地壳的相互作用，导致锆、钛和磷等元素的富集（Zhao et al., 1995, Kube? et al., 2022, Liu et al., 2023, Zhang et al., 2019）。

东高止山脉带（Eastern Ghats Belt, EGB）分布有多处正长岩矿床。其中值得注意的是位于EGB与太古宙克拉通核（Archean cratonic nuclei）边界处的霓石正长岩岩体。这些变形的碱性正长岩/霓石正长岩体为研究地壳分异、碱性岩浆作用和金属成矿提供了重要线索（Biswal et al., 2007, Upadhyay, 2008, Ranjan et al., 2018, Sheikh et al., 2020）。最近，在东高止山脉省奇尔卡湖域（Chilka Lake Domain）的纳亚加尔地区（Nayagarh region）发现了富含REE和高场强元素（HFSE）的钛铁矿正长岩及其伴生的单斜辉石（Fig. 1）。纳亚加尔正长岩-辉石组合与中元古代（1300–1500 Ma）的米阿斯克岩（miaskitic nepheline syenite）岩体无关，后者分布于EGMB与相邻克拉通块之间的边界（Ranjan et al., 2018, Pachauri et al., 2022）。这些正长岩的特点是含有钡长石（hyalophane）、单斜辉石和零星的钛铁矿，具有较高的放射性，并富含REE和HFSE（Bhattacharjee et al., 2022）。在纳亚加尔镇东部发现了一条宽约10公里的含辉石正长岩带（10 × 2 km²），其中穿插着许多磷灰石脉，这些磷灰石脉显示出异常的REE值（尤其是轻稀土元素LREEs）。目前正在进行详细的REE勘探（Bhattacharjee et al., 2024）。位于维萨卡帕特南（Visakhapatnam）附近的卡希帕特南（Kashipatnam）的磷灰石-磁铁矿-铝榴石-透长石伟晶岩（apatite–magnetite-allanite-hyalophane pegmatite）矿床可能与纳亚加尔的正长岩-辉石组合相似。纳亚加尔岩浆组合主要由含辉石的正长岩、正长岩和辉石组成。含辉石的正长岩在纳亚加尔镇东部以孤立的丘状和透镜状分布，从东北部的贾穆萨希（Jamusahi）延伸到西南部的鲍拉斯希（Baulasahi），大致呈N30°E方向延伸。一些岩体形成了类似岩基（sill-like structures）的巨型结构。这套岩浆岩侵入到查尔诺克岩基中，同时也穿插着多条正长岩和辉石带。磷灰石脉普遍存在于辉石岩中，尤其在辉石岩中更为常见。这些正长岩、辉石及伴生磷灰石脉共同形成了一个约20平方公里的REE矿化区（Bhattacharjee et al., 2024）。磷灰石脉分为两种类型：一种富含REE，另一种贫REE。富含REE的矿物主要包括铝榴石、独居石、榍石（allanite）、钛铁矿和锆石（Bhattacharjee et al., 2022, Bhattacharjee et al., 2024）。

本研究利用锆石、独居石和磷灰石的U-Pb同位素测年技术，对纳亚加尔地区的正长岩岩浆岩进行了详细的地质年代学研究。结合锆石的Hf同位素组成，这些结果有助于确定这些岩石的岩浆和变质演化过程及其可能的地质动力学环境。

区域地质背景

东高止山脉带（EGB）是印度半岛东部的一个重要片麻岩地体，在哥伦比亚（Columbia）、罗迪尼亚（Rodinia）和冈瓦纳（Gondwana）超级大陆/巨大陆的聚合与解体过程中处于碰撞和增生作用的核心位置（Upadhyay et al., 2009, Bose et al., 2011, Ranjan et al., 2018；图1插图）。该地区经历了从新元古代到元古代的多期构造演化（Dobmeier and Raith, 2003, Dasgupta et al., 2013），并经历了超高温（UHT）变质作用（>900°C；Dasgupta, 2020）。

纳亚加尔地区的岩石类型

纳亚加尔地区位于EGB北部CMZ内，靠近EKZ边界（Ramakrishnan et al., 1998），属于Rickers等人（2001）划分的第三域（Domain III）。该地区位于EGP的奇尔卡湖域（Chilka Lake Domain）的西北部，靠近Phulbani域边界。约983 Ma的奇尔卡湖花岗岩岩体（Chatterjee et al., 2008）位于纳亚加尔以南约40公里处的EKZ内。该地区经历了多阶段的变形和变质作用。主要的片理方向为S₁

正长岩和辉石的样品细节、岩石学特征及矿物组成

含辉石的正长岩岩浆岩套分布在一条长约10公里的连续带状区域内。主要采样地点包括鲍拉斯希（Baulasahi）、诺塔拉（Notara）和昆塔帕达（Khuntapada），这些地方局部暴露出了长度为100至200米的岩体。GSI正在通过钻探探索昆塔帕达地区的伟晶质辉石（pegmatoidal pyroxene）的规模。用于地质年代研究的样品来自

扫描电子显微镜和电子探针分析

使用JEOL JSM 6490扫描电子显微镜在印度理工学院卡尔加普尔分校的地质与地球物理系获得了背散射电子（BSE）和阴极发光（CL）图像。这些图像有助于识别在光学显微镜下难以分辨的矿物相和结构关系。此外，还利用能量色散光谱（EDS）分析了未知和微量矿物成分。

矿物化学

诺塔拉（Notara）地区的正长岩中的长石为钙质长石（perthitic K-feldspar），含有溶解出的斜长石层（plagioclase lamellae），并富含钡（BaO: 9.62–10.32 wt%）。铝长石（Ab）在Ba-K长石中的比例较低（5.44–6.78%），而斜长石（anorthite）含量几乎可以忽略不计。相比之下，达尔帕纳拉扬普尔（Darpanarayanpur）含辉石的正长岩中的长石主要为钙质斜长石（X_An = 0.06–0.39），且不含BaO（表S2）。

辉石的化学式已计算得出

纳亚加尔正长岩组合的构造热历史及其在东高止山脉省地壳演化中的位置

纳亚加尔正长岩中的锆石振荡带状结构的U-Pb年龄为979 ± 6 Ma，这被认为是正长岩-单斜辉石组合的岩浆侵入时间。这些正长岩的侵入与格伦维尔造山运动（Grenvillian orogeny）期间的EGP花岗岩重结晶作用（M₂变质事件）同时发生，当时的P–T条件达到约800–850°C和8.0–8.5 kbar，随后经历了近等温减压至约5 kbar（Dasgupta and Sengupta, 2003）。

总结与结论

本研究的主要结论如下：纳亚加尔正长岩形成于979 Ma，与格伦维尔时期的花岗岩相（Grenville-age granulite facies）同期。根据U–Pb锆石年龄，识别出两个不同的变质事件，分别发生在约792 Ma和541 Ma。此外，独居石和磷灰石的年龄为450–400 Ma，反映了泛非造山运动（Pan-African overprint）后的变质冷却过程。铪同位素分析表明，这些正长岩含有地幔和地壳成分。

CRediT作者贡献声明

迪瓦亚乔蒂·D·拉纳（Divyajyoti D. Rana）： 负责初稿撰写、研究工作和数据管理。德瓦希什·乌帕德亚伊（Dewashish Upadhyay）： 负责审稿和编辑、初稿撰写、方法论制定、研究工作及资金筹集、概念构思。贾扬塔·库马尔·南达（Jayanta Kumar Nanda）： 负责审稿和编辑、概念构思。莫苏米·巴塔查吉（Mousumi Bhattacharjee）： 负责审稿和编辑。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关联：德瓦希什·乌帕德亚伊报告称印度理工学院卡尔加普尔分校提供了设备、药品或物资。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的财务利益冲突或个人关联。

致谢

DU感谢IIT Kharagpur为Diamond Jubilee放射性同位素设施的建设提供的财务支持。本手稿的完善得益于三位匿名审稿人的宝贵意见和建议。同时，也非常感谢M. Babinski在编辑工作中的帮助。