后碰撞岩浆作用对晚太古代以来大陆地壳生长与再造的隐蔽贡献：华北克拉通大青山地体约2.49–2.45 Ga镁铁质–长英质岩浆岩的地球化学与Sm–Nd–O及锆石U–Pb–Hf–O同位素制约

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Role of Post-Collisional Magmatism in Continental Growth and Reworking Since the Late Archean

　　

导致大陆地壳（continental crust）形成和成分演化的机制仍是地球科学的核心问题。后碰撞岩浆作用（post-collisional magmatism）在大陆记录中广泛保存；然而，其在地壳生长中的贡献可能被低估，因为富集同位素特征掩盖了新生地幔输入。研究人员展示了整合的全岩地球化学（whole-rock geochemistry）、Sm–Nd–O同位素和锆石U–Pb–Hf–O同位素数据，对象为华北克拉通西部大青山地体约2.49–2.45 Ga后碰撞镁铁质（mafic）和长英质（felsic）岩石。大青山镁铁质岩石缺乏诊断性弧型特征，未显示高场强元素（high-field-strength elements, HFSEs）的明显亏损，并具有相对放射成因的Nd–Hf同位素组成，表明其来源于亏损但经历不同程度混合的地幔源区。系统的镁铁质–长英质同位素对应关系，加上大的同位素变化（全岩ε_Nd(t)=?3.1至+4.5，锆石ε_Hf(t)=?11.2至+6.4，锆石δ¹⁸O=2.9‰至9.2‰），表明长英质岩基（batholiths）与镁铁质岩浆存在成因联系，并通过镁铁质岩浆分异、岩浆混合和地壳深熔（crustal anatexis）的不同组合形成。Hf–O同位素混合和质量平衡估算表明，新生地幔来源物质至少占出露长英质–中酸性组合的约36%，当考虑未出露镁铁质底垫（underplates）时可能接近约50%。其他碰撞带中可比的岩浆时间尺度和镁铁质成分轨迹表明，类似过程可能更广泛地发生。这些结果将后碰撞镁铁质岩浆作用识别为晚太古代以来大陆地壳保存、生长和再造的一种隐蔽机制。

研究背景与问题：大陆地壳的形成与成分演化是地球科学核心问题。岛弧通常被视为大陆地壳形成的主要构造–岩浆场所，但弧来源物质可再循环进入地幔，使其净贡献难以评估并可能被高估。后碰撞岩浆作用体积大、成分多样，可能占全球花岗岩类记录约40%，但其大陆生长贡献长期被低估。一方面，不同造山阶段岩浆可趋同；另一方面，以往研究常孤立考察单一岩性，尤其长英质岩，导致源区和演化解释非唯一。此外，交代地幔可获地壳似Hf–O同位素特征，掩盖新生与再造组分区分。关键问题是地幔来源岩浆仅作为地壳深熔热源，还是直接贡献地壳生长。华北克拉通北部大青山地区保存早元古代后碰撞岩浆组合，包括镁铁质侵入体和同期闪长质–花岗质岩石，锆石U–Pb年龄约2480–2400 Ma，为检验上述问题提供机会。研究人员整合全岩地球化学、Sm–Nd同位素、锆石U–Pb年代学和Hf–O同位素，并结合已发表数据，约束后碰撞镁铁质岩浆（post-collisional mafic magmatism, PCMM）起源、其与长英质岩基的成因联系，以及后碰撞岩浆作用对晚太古代以来大陆地壳生长和再造的贡献。研究得出，后碰撞镁铁质岩浆作用是大陆地壳保存、生长和再造的重要但常被同位素掩盖的机制。

关键技术方法：样品来自华北克拉通西部大青山地体大青山岩浆杂岩（Daqingshan Igneous Complex, DIC）及红召 suite、金盆 pluton等，并纳入已发表同期闪长质–花岗质数据。对41件样品进行全岩主量X射线荧光光谱（XRF）和微量元素电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析；从11件闪长质–花岗质和5件镁铁质样品分选锆石；9件样品进行LA-ICP-MS锆石U–Pb定年，10件样品进行SIMS锆石U–Pb和O同位素分析；11件全岩O同位素激光氟化分析；19件全岩Sm–Nd同位素热电离质谱分析。

研究结果：
4.1 锆石U–Pb和Sm–Nd年龄对DIC的约束：通过5件辉长质样品锆石U–Pb和13件辉长质样品Sm–Nd等时线研究，限定镁铁质单元侵位约2470 Ma；Sm–Nd回归年龄2474±94 Ma与锆石U–Pb约2465 Ma一致；结合已发表数据，K富闪长岩为2471–2451 Ma，Na富闪长岩为2474–2472 Ma，二长花岗岩为2472–2448 Ma，正长花岗岩为2481–2475 Ma，A型花岗岩约2450 Ma。
4.2 辉长岩全岩地球化学与Nd同位素：20件辉长岩SiO₂为47.56–56.14 wt.%，MgO为2.47–9.06 wt.%，Fe#为0.79–0.90；多数属亚碱性玄武岩并显示拉斑质亲和；稀土元素（REE）变化大，缺少明显HFSE亏损；ε_Nd(t)为?0.1至+4.1，T_DM^Nd约2.51–3.44 Ga；一个S型花岗岩中包体ε_Nd(t)为?1.8。
4.3 辉长岩锆石Hf同位素：对两件保留岩浆锆石样品进行原位Hf同位素分析，获得ε_Hf(t)加权均值4.8±0.5和5.1±0.7，T_DM^Hf约2.57–2.63 Ga和2.56–2.62 Ga。
4.4 辉长岩氧同位素：SIMS分析显示样品18DT10-2岩浆锆石δ¹⁸O为2.69–4.74‰，低于地幔值5.3±0.6‰；样品18OJP02岩浆锆石为5.92–7.20‰，变质锆石呈双峰分布；11件镁铁质全岩δ¹⁸O为3.58–7.56‰，不同岩性组差异明显。
4.5 闪长质–花岗质岩石：广泛锆石U–Pb定年显示K富闪长岩2471–2451 Ma，Na富闪长岩2474–2472 Ma，二长花岗岩2472–2448 Ma，正长花岗岩2481–2475 Ma，A型花岗岩约2450 Ma；这些岩套主微量元素、全岩Nd和锆石Hf–O同位素差异显著；岩浆锆石δ¹⁸O分别为K富闪长岩3.09–5.89‰、Na富闪长岩4.86–6.77‰、A型花岗岩5.71–6.77‰、二长花岗岩4.89–6.63‰、正长花岗岩8.07–9.91‰。

讨论总结：5.1 后碰撞性质与分类：区域地层、岩浆–变质记录支持约2.48–2.41 Ga为后碰撞伸展阶段；大青山镁铁质岩分为MME、ARM、NRM和KRM四组。5.2 岩浆演化序列：长英质岩约2490–2450 Ma，镁铁质岩约2470 Ma，构成约30–50 Myr后碰撞岩浆爆发，并从S型向A型演化。5.3 成分多样性与成因：蚀变、变质再造和地壳混染有限；分离结晶以橄榄石和单斜辉石为主，斜长石、角闪石和石榴子石作用有限；PCMM主要源自不同深度亏损软流圈地幔，有少量岩石圈地幔和再循环地壳组分。5.4 与长英质岩基联系：Nd–O和锆石Hf–O显示镁铁质与长英质岩存在成因联系；长英质岩通过镁铁质岩浆分异、混合和地壳深熔形成。5.5 碰撞带镁铁质岩浆演化：相较约2.58–2.51 Ga俯冲阶段镁铁质岩，PCMM成分范围更宽、MgO更低，TiO₂、Nb、Sr、Nb/Y、Ti/V、La/Yb更高，Ba/Nb和Ba/La更低，反映软流圈贡献增强。5.6 新生添加与地壳再造：锆石Hf–O混合模拟采用四个端元，质量平衡估算出露长英质–中酸性组合至少含约35%–37%新生地幔物质，代表值约36%；考虑未出露镁铁质底垫时可能接近或超过50%。5.7 构造模型：俯冲–碰撞加厚后，沉积物熔融形成过铝质花岗岩；拆沉、减薄和地幔底垫加热下地壳，形成Na富闪长岩和I型花岗岩；持续伸展减压熔融形成sanukitoids；最终高T/低P熔融形成A型花岗岩。5.8 大陆地壳生长意义：晚太古代地幔冷却增强岩石圈，后碰撞环境有利于新生添加、再造和保存；富集Hf–O特征不必然指示古老地壳再造，需综合镁铁质–长英质岩石判断。

结论翻译：通过系统研究大青山地区约2.48–2.45 Ga后碰撞镁铁质–长英质岩浆岩，研究人员得出以下结论：1）约2.47 Ga大青山镁铁质岩记录后碰撞岩浆事件；相对于先前俯冲阶段镁铁质岩，它们总体显示较弱弧型特征、较弱HFSE亏损和更放射成因Nd同位素组成，表明向更亏损但经历不同程度混合的地幔源区转变。2）同期镁铁质和长英质岩构成一体化岩浆系统；其Nd–O和锆石Hf–O同位素关系指示源区不均一性继承，并表明长英质岩套通过镁铁质岩浆分异、岩浆混合和地壳深熔的不同组合形成；结合区域同期岩浆记录，后造山岩浆活动持续约70 Myr。3）Hf–O同位素混合表明，长英质岩中的富集同位素特征不能仅归因于古老地壳再造，也反映新生地幔来源和再循环地壳组分贡献；一阶质量平衡计算表明，新生地幔来源物质至少占出露长英质–中酸性组合约36%，当考虑未出露镁铁质底垫和母岩浆时总贡献可能接近或超过约50%。大青山案例突出后碰撞岩浆作用是大陆地壳生长和成熟的重要但常被同位素掩盖的机制。