劳伦大陆东缘的志留纪火山作用：对南阿巴拉契亚西部蓝岭（美国）超俯冲带构造、变质作用年龄和后继盆地形成的新约束

《Tectonophysics》：Silurian volcanism along the eastern margin of Laurentia: New constraints on suprasubduction zone tectonics, age of metamorphism, and successor basin formation in the southern Appalachian western Blue Ridge (U.S.A.)

　　

南阿巴拉契亚地区的变质基性岩证实了志留纪火山作用的存在。马布尔山角闪片岩（Marble Hill Hornblende Schist, MHHS）及其相关岩墙/岩床的岩浆年龄约为424 Ma。这些碱性变质基性岩记录了劳伦大陆边缘的弧后火山作用。来自西部蓝岭的年龄约束表明，峰期变质作用发生在志留纪之后。南阿巴拉契亚的弧后俯冲起始可能解释了塔康造山作用（Taconic orogenesis）的成因。

**论文解读：劳伦大陆东缘志留纪火山作用对南阿巴拉契亚西部蓝岭构造演化的新约束**

**研究背景、存在问题与研究目的**

南阿巴拉契亚造山带前缘的西部蓝岭/塔拉迪加带（Talladega belt）包含大面积出露的格林威尔期（~1.1 Ga）基底、新元古代裂谷序列（Ocoee超群）以及寒武纪被动陆缘沉积（Hiwassee河群）。在这些地层之上，不整合地覆盖着志留纪及更年轻的岩石，这些岩石形成于前造山期抬升和剥蚀之后，代表“后继盆地”序列。其中，墨菲向斜（Murphy synclinorium）是规模最大的后继盆地，其核心的矿物布拉夫群（Mineral Bluff Group, MBG）底部发育一套独特的碱性变质基性岩——马布尔山角闪片岩（MHHS）。关于MHHS和MBG的年龄及构造背景，长期存在争议：一派认为MBG属于中奥陶世塔康（Taconic）造山作用的碎屑楔，峰期变质作用发生在奥陶纪；另一派则认为MBG是志留纪-泥盆纪的后继盆地，变质作用发生在密西西比纪。这一争议的核心在于，MHHS的年龄直接决定了西部蓝岭峰期变质作用的时间，并影响对劳伦大陆东南缘整个早古生代构造格局的认识。研究人员开展此项研究，旨在通过精确的锆石U-Pb定年和地球化学分析，厘定MHHS及其相关侵入体的形成时代，并探讨其形成的构造环境，从而为南阿巴拉契亚的构造演化模型提供关键约束。论文发表在《Tectonophysics》。

**主要技术方法**

研究人员在佐治亚州和北卡罗来纳州的墨菲向斜及马布尔山地区，系统采集了MHHS（样品NEL001）和墨菲大理岩中呈透镜状的角闪岩岩墙/岩床（样品HM01、HM02）等变质基性岩样品。采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）对分选出的锆石进行U-Pb同位素定年。同时，对12件样品进行全岩微量元素（包括高场强元素）分析，使用ICP-MS完成。利用锆石阴极发光（CL）图像和U/Th比值判别岩浆成因，并通过岩石分类和构造判别图解（如Zr/TiO₂ vs. Nb/Y、V vs. Ti/1000、Th-Zr/117-Nb/16）对比现代弧后碱性玄武岩，以约束镁铁质岩浆的源区特征和构造背景。

**研究结果**

**4.1. 地球化学分类**
地球化学分析显示，所有样品（包括MHHS、MBG的Mission Mountain和Fort Butler Mountain组，以及Miss Linda矿的岩墙/岩床）在Zr/TiO₂ vs. Nb/Y图解上均落入碱性-亚碱性玄武岩区。在V vs. Ti/1000图解中，样品主要落在洋岛玄武岩（OIB）+碱性玄武岩和洋中脊玄武岩（MORB）+弧后玄武岩（BAB）重叠区。在Th-Zr/117-Nb/16图解上，多数样品落入板内碱性玄武岩区。微量元素蛛网图显示，样品显著富集大离子亲石元素（LILE）而亏损高场强元素（HFSE），与现代太平洋弧后盆地（如日本海、安第斯弧后）的碱性玄武岩特征高度一致。研究人员由此得出结论：这些岩石的原岩为碱性玄武岩，形成于弧后盆地环境，而非洋岛玄武岩热点。

**4.2. 年代学结果**
样品NEL001（MHHS）中128颗锆石（<10% discordant）的U-Pb年龄范围从~1500 Ma到410 Ma，主峰位于~1015 Ma和~422 Ma。其中24颗最谐和的年轻锆石得出加权平均年龄为423.50^+12.50/_?4.50 Ma（2SE），被解释为MHHS原岩的结晶年龄。样品HM01（岩墙/岩床）中30颗锆石（<5% discordant）的年龄范围为450–410 Ma，其中14颗谐和年龄得出加权平均年龄424.2±2.8 Ma，一致年龄为424.8±1.9 Ma，被解释为侵入体的结晶年龄。样品HM02仅含~900–1100 Ma的继承锆石，无岩浆锆石。MHHS的年龄（~424 Ma）与HM01的年龄在统计上无法区分，支持HM01为MHHS的补给岩墙/岩床。这些年龄明确表明，志留纪（约424 Ma）的镁铁质岩浆活动沿劳伦大陆远端边缘发生，且早于区域峰期变质作用。

**5. 讨论**
**5.1. 墨菲向斜变质基性岩的构造约束**
研究人员指出，MBG与下伏寒武-奥陶纪地层之间的不整合面（sub-MBG unconformity）代表被动陆缘沉积向志留纪-泥盆纪构造活动相关沉积的转变。MBG中发现的碱性玄武岩（MHHS）及其补给岩墙，排除了其为塔康碎屑楔的可能性，因为塔康碎屑楔中不可能包含与钙碱性弧玄武岩截然不同的碱性玄武岩。

**5.2. 洋岛玄武岩-地幔柱模型**
针对Yasar等（2025）提出的MHHS为洋岛玄武岩（OIB）热点的解释，研究人员进行了反驳：①MHHS的喷发不伴随大规模穹隆隆起或溢流玄武岩省（LIP）；②不存在辐射状岩墙群；③MHHS体积仅约25 km³，远小于典型LIP；④MHHS锆石含大量元古宙继承锆石，表明岩浆与劳伦大陆地壳发生混染，这与OIB特征不符；⑤全球地幔柱数据库显示志留纪无“已确认”或“可能”的地幔柱事件。因此，OIB模型不成立。

**5.3. 弧后盆地模型**
研究人员强调，现代弧后盆地（如安第斯弧后、日本海）中大量产出“OIB-like”的碱性玄武岩，其地球化学特征与MHHS一致。综合南阿巴拉契亚地区已有的地质证据，包括奥陶纪-志留纪的WEDB（Wedowee-Emuckfaw-Dahlonega）弧后盆地和达德维尔复合体弧，MHHS及其补给岩墙最合理的解释是：它们形成于劳伦大陆板块弧后盆地（WEDB）靠近大陆的一侧，与MBG的沉积作用同时发生。

**5.4. 对西部蓝岭变质作用年龄的启示**
MHHS（约424 Ma）被峰期变质等变线（如蓝晶石等变线）叠加，表明这一变质作用发生在志留纪之后。研究人员批判性回顾了支持奥陶纪峰期变质作用的证据，指出许多被认为是“变质成因”的独居石年龄（如约460 Ma）可能来自MBG中继承的碎屑独居石，因为MBG的碎屑物源区包含奥陶纪的弧后花岗岩体。此外，在古生物已确认的志留-泥盆纪地层中发现的奥陶纪独居石年龄，进一步说明这些年龄不能代表峰期变质时代。因此，西部蓝岭的峰期变质作用很可能发生在后志留纪（如密西西比纪）。

**5.5. 对早古生代劳伦大陆构造格架的启示**
研究人员总结，南阿巴拉契亚从西部蓝岭到内山麓地带广泛出露的奥陶-志留纪弧后岩石，表明该段劳伦大陆边缘处于增生型造山环境，与中、北阿巴拉契亚的碰撞型塔康造山带截然不同。一个大型转换断层（类似阿尔卑斯断层）可能分隔了南北两段，并容纳了俯冲极性的反转。

**5.6. 弧后盆地中的俯冲起始**
研究人员提出，在奥陶纪中期，WEDB弧后盆地内（对应于现今田纳西湾的薄陆壳区）可能发生了一次局部的、失败的俯冲起始事件，导致了中央和东部蓝岭中榴辉岩和麻粒岩相的变质作用，但该俯冲带在<8 Ma内便夭折，因此未形成成熟的火山弧。这一模型解释了为何南阿巴拉契亚缺乏典型的塔康期弧-陆碰撞记录。

**结论**
研究人员通过锆石U-Pb定年，明确证实了MHHS及其补给岩墙/岩床的志留纪（约424 Ma）岩浆年龄。这一年龄被峰期变质等变线叠加，排除了峰期变质作用发生在奥陶纪塔康造山期的可能性，而是支持后志留纪（如密西西比纪）的变质事件。MHHS的碱性玄武岩地球化学特征与弧后盆地环境一致，而非洋岛玄武岩热点。因此，南阿巴拉契亚西部蓝岭在奥陶-志留纪期间位于一个大型劳伦大陆板块弧后盆地（WEDB）的边缘，该弧后盆地与达德维尔弧共同构成一个增生型造山系统。任何关于这一区域的构造模型都必须考虑这一不断增长的证据，即该段劳伦大陆边缘在整个奥陶-志留纪期间面向一个广阔的弧后盆地。