华北克拉通南缘古元古代五龙辉长岩的岩石成因：对碰撞后伸展启动的深部过程约束

《Precambrian Research》：Petrogenesis of the Paleoproterozoic Wulong Gabbros: Insights into the post-collisional evolution of the southern North China Craton

本文针对华北克拉通碰撞后伸展的起始时间及壳幔演化过程这一关键科学问题，研究了~1830 Ma的五龙辉长岩。通过锆石/榍石U-Pb定年、全岩地球化学、Nd同位素及热力学模拟，揭示其源于俯冲流体交代的富集岩石圈地幔（εNd(t) = -7.34 ~ -3.26），在~60 km（~1.83 GPa）深度的尖晶石稳定域经3-5%部分熔融形成，并在地壳加厚背景下（~33 km）经历分离结晶。该研究首次识别出华北克拉通~1830 Ma的碰撞后伸展幔源岩浆记录，揭示了碰撞后壳幔伸展的异步性，为理解威尔逊旋回碰撞后阶段的深部过程提供了重要启示。

　　

地球的演化历史漫长而复杂，大陆地壳的形成与稳定是理解这颗星球演化的关键。作为世界上最古老的克拉通（稳定陆块）之一，华北克拉通（North China Craton, NCC）保存了近38亿年的地质记录，堪称一部活的地球历史教科书。尽管地质学家们普遍认同华北克拉通在约18.5亿年前（Ga）完成了其最终的碰撞拼合，进入了一个长达十亿年的稳定期，但关于碰撞后伸展作用究竟何时开始、其下的地幔和地壳经历了怎样的演化过程，却一直众说纷纭，缺乏精确的时间约束。这个时间点至关重要，因为它标志着华北克拉通从激烈的造山碰撞构造体制转向相对平静的伸展环境的关键转折。是碰撞结束后立即伸展，还是存在一个时间差？地幔的伸展和地壳的伸展是同步的吗？这些问题的不明确，直接影响了我们对克拉通长期稳定性机制以及完整威尔逊旋回（Wilson cycle，即大洋张开和闭合的循环过程）的理解。

为了解决这一科学难题，研究人员将目光投向了华北克拉通南缘出露的古元古代五龙辉长岩。先前的研究对这套岩石的形成时代存在截然不同的认识（~480 Ma versus ~1830 Ma），其成因和构造意义更是迷雾重重。因此，对五龙辉长岩开展精细的岩石学、年代学和地球化学研究，有望为揭示华北克拉通碰撞后伸展的启动时间和深部过程提供新的关键证据。相关研究成果发表在权威地学期刊《Precambrian Research》上。

本研究综合运用了多种关键技术方法：首先，采用二次离子质谱（SIMS）对锆石和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）对榍石进行U-Pb同位素定年，精确厘定岩体形成时代；其次，利用X射线荧光光谱（XRF）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析全岩主量和微量元素组成；第三，通过热电离质谱（TIMS）或MC-ICP-MS获取Sm-Nd同位素数据，计算εNd(t)值；第四，借助电子探针（EMP）测定单矿物（如辉石）的主量元素成分；最后，基于矿物化学数据和全岩成分，运用Petrolog等热力学软件进行反向结晶模拟和部分熔融模拟，反演原始岩浆成分和源区特征。

4.1. 锆石和榍石U-Pb地质年代学

对来自五龙辉长岩两个样品的锆石和榍石进行了U-Pb同位素分析。锆石颗粒大多呈无色-浅褐色透明短柱状，阴极发光图像显示其具有微弱而宽缓的环带，Th/U比值介于0.09-0.21之间，指示其为岩浆成因。20颗锆石的分析数据给出了一致的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄，上限交点年龄为1831 ± 9 Ma（样品21wl-4）和1830 ± 19 Ma（样品21wl-7）。此外，一颗圆形锆石核部获得了~2506 Ma的古老年龄，被解释为捕获晶。榍石颗粒则呈均一结构，Th/U比值多大于1（平均1.7），同样指示岩浆成因。其U-Pb分析数据在Tera-Wasserburg图上给出下交点年龄为1833 ± 31 Ma。锆石和榍石的定年结果高度一致，共同约束五龙辉长岩的结晶年龄为~1830 Ma，支持了Guo et al. (2022) 的结论，并排除了~480 Ma侵位的可能性。

4.2. 全岩地球化学

五龙辉长岩显示出低SiO₂（48.5-54.1 wt%）、变化较大的MgO（3.9-7.2 wt%）含量，以及亚球粒陨石的Nd同位素组成（εNd(t)介于-7.34至-3.26）。在原始地幔标准化蛛网图上，它们富集大离子亲石元素（LILEs，如K、Rb、Ba）和高场强元素（HFSEs，如Zr、Th、U），但亏损Nb、Ta、Sr。稀土元素配分模式相对平坦，（La/Yb）_N = 6.6-14.1，Eu异常（Eu/Eu*）变化于0.7至1.2之间。这些地球化学特征共同指向一个经历过俯冲组分交代的富集地幔源区。

4.3. 单斜辉石成分

岩相学观察显示单斜辉石是五龙辉长岩的主要镁铁质矿物之一。电子探针分析表明，这些单斜辉石具有较高的MgO（9.36-12.79 wt%）和CaO（19.05-23.48 wt%）含量，镁值（Mg^#）介于60-75之间。利用机器学习算法估算的辉石结晶温压条件为882-1022 °C和0.92-1.13 GPa（约合33-37公里深度），对应的熔体水含量估计为0.57-2.43 wt%。

5.1. 岩浆期后过程评估

通过分析烧失量（LOI）与流体活动性元素（如Rb、Ba、K₂O、Sr）之间的关系，以及观察不相容元素（如稀土元素）与Zr之间的良好线性相关性，研究人员认为后期蚀变和地壳混染对五龙辉长岩原始成分的影响可以忽略。单斜辉石缺乏反环带结构也排除了显著的岩浆混合作用。

5.2. 五龙辉长岩的岩石成因

五龙辉长岩相对较低的Mg^#（<55）、Ni（24.6-86.9 ppm）和Cr（23.9-158.9 ppm）含量表明它们并非原始地幔熔体，而是经历了以橄榄石和单斜辉石为主的分离结晶作用的演化岩浆。La/Yb和Dy/Dy比值随MgO变化不明显，说明石榴石和角闪石的分离结晶不显著。Eu/Eu与MgO无相关性，表明斜长石的堆晶或分离作用也很有限。

5.3. 岩浆源区特征

为了揭示源区性质和地幔热状态，研究人员选取了最原始样品（20WL-1，MgO=7.2 wt%）进行反向结晶模拟。计算表明，其原始岩浆具有低SiO₂（~48.1 wt%）和高MgO（~16.3 wt%）的特征。利用多种温压计估算，产生该原始岩浆的地幔潜在温度约为1361 °C，压力约为1.83 GPa（约合60公里深度），处于尖晶石二辉橄榄岩的稳定域。在Th/Yb vs. Nb/Yb以及Ba/Nb vs. Th/Nd等判别图上，五龙辉长岩的成分点明显偏离洋中脊玄武岩（MORB）和洋岛玄武岩（OIB）趋势，落在岛弧岩浆区域，强烈指示其源区曾受俯冲流体交代。高Ba/Nb和低Th/Nd比值进一步支持流体交代而非沉积物熔体加入是主要的富集机制。非模态批式部分熔融模拟结果显示，五龙辉长岩的母岩浆可能来自于一个曾被0.5-10%俯冲流体交代过的尖晶石地幔源区，经过3-5%的部分熔融所形成。

5.4. 对华北克拉通的构造意义

综合以上结果，研究人员提出了一个华北克拉通古元古代晚期的构造演化模型：约18.7 Ga之前，华北克拉通西部地块向东部地块之下俯冲，俯冲板片脱水释放流体交代上覆地幔楔，形成富集地幔。约1.85 Ga，东西部地块发生碰撞，形成横贯华北造山带（TNCO），地壳加厚。约1.83 Ga，碰撞作用结束，岩石圈地幔开始伸展松弛，引发减压熔融。五龙辉长岩的源区来自浅部（~60 km）的伸展地幔，但其岩浆却在仍处于加厚状态的下地壳（~33 km）深处经历了结晶分异，这表明地幔的伸展要早于地壳的显著伸展，即碰撞后壳幔伸展存在异步性。因此，~1830 Ma的五龙辉长岩记录了华北克拉通碰撞后伸展阶段最早期的幔源岩浆活动，标志着碰撞造山作用向伸展垮塌转变的开始。

本研究通过对华北克拉通南缘五龙辉长岩的精细研究，得出以下核心结论：首先，精确厘定了五龙辉长岩的形成时代为~1830 Ma，为讨论华北克拉通碰撞后演化提供了精确的时间锚点。其次，地球化学和同位素证据表明，其母岩浆来源于一个先前被俯冲流体交代过的富集岩石圈地幔，该源区在尖晶石稳定域（~60 km深度）经历了3-5%的部分熔融，熔融过程可能涉及约0.5-10%的俯冲流体加入。第三，热力学模拟揭示其原始岩浆具有高MgO、低SiO₂的特征，地幔潜在温度约1361 °C，而单斜辉石温压计显示岩浆主要在下地壳深度（~33 km）结晶，证实了岩浆在加厚地壳中的演化过程。最重要的是，该研究提出五龙辉长岩的形成代表了华北克拉通碰撞后伸展作用的开端，其源区来自已开始伸展的岩石圈地幔，但岩浆却侵位于尚未显著伸展的加厚地壳中，这清晰地揭示了碰撞后阶段地幔伸展与地壳伸展的非同步性。这一发现不仅深化了对华北克拉通自身演化规律的认识，强调了深部地幔过程在碰撞后构造转换中的先行作用，也为理解全球范围内古老造山带碰撞后演化及完整威尔逊旋回的深部动力学过程提供了重要案例。