白乃庙洋内弧与华北克拉通之间的弧-陆碰撞促进了晚奥陶世的气候变冷与冰川作用

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Arc-continent collision between the Bainaimiao intra-oceanic arc and the North China Craton facilitated the Late Ordovician climatic cooling and glaciation

　　

地球气候在早奥陶世无冰世界向晚奥ovician末期赫南特期（Hirnantian）冰川作用过渡的过程中，低纬度的与塔康造山运动（Taconic orogeny）相关的弧-陆碰撞曾被提出作为奥陶纪变冷事件的一种解释。除此之外，作为世界上最大的与古亚洲洋（Paleo-Asian Ocean）闭合相关的显生宙增生造山带，中亚造山带（CAOB）尚未获得足够的关注。中奥陶世前弧玄武岩（fore-arc basalts）的识别证实了白乃庙弧（Bainaimiao arc）具有IBM型（Izu-Bonin-Mariana型）洋内弧亲缘性。古地理重建阐明，在晚奥陶世，白乃庙弧与华北克拉通（North China Craton）北部均位于赤道以北15°以内。结合区域后造山碱性岩和磨拉石（molasse）沉积的综合研究表明，白乃庙洋内弧在约444–440 Ma与华北克拉通北部发生了碰撞。这一弧-陆碰撞事件，连同塔康造山运动，减少了火山排气，导致蛇绿岩（ophiolites）就位，并构建了地形起伏。温暖潮湿热带地区强烈的硅酸盐风化作用消耗了CO2浓度，促进了晚奥陶世赫南特期的气候变冷。这些发现建立了低纬度弧-陆碰撞与晚奥陶世冰川作用之间的成因联系。

本研究论文发表在《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》（《古地理学，古气候学，古生态学》）。

研究背景方面，奥陶纪作为地球气候变化最重要的地质时期之一，经历了从早奥陶世无冰世界到晚奥陶世末期赫南特期（Hirnantian）冰川作用及相关大灭绝事件的转变。目前虽有若干假说解释这一气候变冷事件，例如热带范围内的弧-陆碰撞可通过停止弧岩浆作用减少火山排气，并通过抬升和侵蚀热带温暖湿润环境中的富Ca和Mg的超基性-基性硅酸盐岩石来增强其风化能力，进而消耗大气CO₂，其中塔康造山运动（Taconic Orogeny）沿阿巴拉契亚边缘的弧-陆碰撞曾被提议作为晚奥陶世气候变冷的驱动因素。然而，作为显生宙最大的增生造山带，中亚造山带（CAOB）响应于古亚洲洋（Paleo-Asian Ocean）长期俯冲、增生及最终闭合而经历的多期弧-陆碰撞过程，尚未在古气候研究中得到足够重视。白乃庙弧（Bainaimiao arc）系统被视为CAOB中最重要的早古生代岩浆弧之一，尽管关于其是陆缘弧还是洋内弧及其俯冲极性的争议仍然存在，但古地理重建表明晚奥陶世时该系统位于赤道以北15°内的暖湿热带地区。鉴于这一弧-陆碰撞事件可能与全球气候变化存在潜在联系，明确白乃庙弧的形成与构造属性及其与华北克拉通北缘的碰撞对理解地球气候具有重要意义。因此，研究人员开展了相关的岩浆岩地质学与地球化学研究。

研究人员得出的主要结论包括：中奥陶世（约466 Ma）前弧玄武岩（fore-arc basalt）的识别证明了位于CAOB东南缘的白乃庙弧具有IBM型（Izu-Bonin-Mariana型）洋内弧亲缘性；白乃庙洋内弧在约444–440 Ma与华北克拉通北部发生了碰撞。这一研究的意义在于建立了低纬度弧-陆碰撞与晚奥陶世冰川作用之间的遗传关系，为理解显生宙全球长期气候变化的地质驱动机制提供了重要的构造与古气候耦合证据。

为开展研究，研究人员采用了以下几个主要关键技术方法：研究区位于内蒙古库伦旗和辽宁法库地区（华北克拉通北缘，北以赤峰-开原断裂为界），研究人员系统采集了早古生代岩浆岩样品，包括中奥陶世前弧玄武岩和安山岩、早泥盆世I型花岗岩、早-中泥盆世火山凝灰岩；对代表性岩石样品进行了全岩元素分析、锆石U-Pb定年以及Hf同位素组成测量；此外，整合了已有的早古生代地层碎屑锆石数据，以约束岩石形成的地球动力学演化框架。

研究结果部分如下：

地质背景（Geological background）：CAOB呈东西向延伸超过2400公里，是自显生宙以来地球上最大最复杂的增生造山拼贴体之一，北邻东欧和西伯利亚克拉通，南接塔里木和华北克拉通。广泛认同其通过大洋岛弧、洋底高原、海山、微大陆和弧地体的增生与拼合而形成，与古亚洲洋的俯冲、增生和闭合有关。

样品描述（Sample descriptions）：研究在内蒙古库伦地区和辽宁北部法库地区进行，该区域经历了与古亚洲洋相关的俯冲、增生、闭合和后碰撞伸展，并后续受蒙古-鄂霍茨克及古太平洋构造域叠加。

结果（Results）：测量了代表性岩石样品的全岩元素、锆石U-Pb定年和Hf同位素组成。分析方法详见补充信息。

中奥陶世前弧玄武岩和玄武质安山岩的岩石成因（Petrogenesis of Middle Ordovician fore-arc basalt and basaltic andesite）：次生矿物存在和较高的LOI值（高达4.78 wt%）表明玄武岩和玄武质安山岩已发生蚀变，这可能改变一些移动性微量元素含量，但蚀变对原始地球化学组成影响不显著，因为LOI值与SiO₂、MgO、P₂O₅、Nb、Ta或稀土元素（REEs）无明显相关性。此外，不活动元素和活动元素均呈现一致的变化趋势。

结论（Conclusions）：基于白乃庙洋内弧内早古生代火成岩的全岩地球化学和锆石U-Pb-Hf同位素研究，并结合现有区域数据，研究人员得出结论：1. 中奥陶世（约466 Ma）前弧玄武岩（fore-arc basalt）的识别表明CAOB东南缘的白乃庙弧具有IBM型（Izu-Bonin-Mariana型）洋内弧亲缘性。2. 白乃庙洋内弧在约444–440 Ma与华北克拉通北部发生碰撞。

讨论部分总结：研究人员在文中讨论了弧系统主要形成于俯冲带，分为陆缘弧（如安第斯型）和洋内弧（如IBM型），后者虽体积小但是通过岛弧增生实现初生大陆地壳持续生长的重要贡献者，也是理解化石俯冲带中洋-陆转换和弧-盆系演化的关键。弧-大陆碰撞不可避免，已有研究表明赤道附近的弧-陆碰撞与全球气候变化相关，例如新特提斯洋构造演化中低纬度大陆地壳上大规模基性-超基性岩就位与全球气候变冷事件吻合，并提出低纬度弧-陆碰撞通过增强硅酸盐风化消耗大气CO₂显著影响冰川气候。Macdonald等人（2019）重建了显生宙所有主要弧-陆碰撞古地理位置，发现长期气候变冷与热带湿润带内的弧-陆碰撞事件之间存在强相关性。本文研究即在此背景下，将CAOB中的白乃庙弧-陆碰撞事件与晚奥陶世赫南特期气候变冷相联系，通过地质与地球化学证据链确立了低纬度洋内弧-陆碰撞对全球气候影响的成因关系。

翻译研究结论部分：1. 中奥陶世（约466 Ma）前弧玄武岩（fore-arc basalt）的识别证明了CAOB东南缘的白乃庙弧具有IBM型（Izu-Bonin-Mariana型）洋内弧亲缘性。2. 白乃庙洋内弧在约444–440 Ma与华北克拉通北部发生了碰撞。