Rodinia研究意义、重建方案与华南晋宁期构造运动.pdf

Rodinia研究意义、 重建方案与 华南晋宁期构造运动 α α 凌文黎 程建萍 中国地质大学地球科学学院,湖北 武汉, 430074 摘 要综述了目前有关Rodinia超大陆的研究内容、 意义、 动态与方向;介绍了新元古代超大陆的重建方案及其修正方案。结 合我国晋宁期构造运动研究成果及华南陆块在Rodinia超大陆重建方案的验证研究中的关键位置,对在我国进一步开展相关研究 提出了工作建议。 关键词Rodinia超大陆;晋宁期构造运动;研究意义;重建方案 中图分类号P541 文献标识码A 文章编号10002784920000320007205 “晋宁运动” 被用来泛指我国尤其是南方前寒 武纪地壳在中元古代晚期至新元古代早期发生的造 山运动。近10年来,有关晋宁运动的研究受到了越 来越多的关注,其原因除这一事件使扬子陆块与江 南古陆等 发生拼合外,更重要的是,扬子周边晋 宁 期 构 造 事 件 对 新 元 古 代Rodinia超 大 陆 supercontinent重建的研究具有极其重要的意义。 Rodinia超大陆假说于90年代初提出 [1～3], 该 学说认为在中元古代晚期存在一个以劳伦古陆 L aurentia为中心,周缘与澳大利亚-东南极、 波 罗的Baltica、 南美和非洲古陆块等拼合的超级大 陆,该超大陆在新元古代早期发生裂解。 提出超大陆 假说的主要依据是劳伦古陆、 澳大利亚-东南极和 波罗的等古陆块边缘存在可拼合的格林威尔 Grenville期 1 13～110 Ga造山带;各主要陆块边 缘存在可以对比的新元古代具裂谷性质的张裂盆地 和沉积地层。这一学说稍后得到了古地磁数据的支 持[4 ～6]。虽然在超大陆重建的早期方案中未能标出 中国各主要陆块的位置,但由于我国有明显记录的 中、 新元古代构造运动在时间上与格林威尔期造山 运动的相近或类似,因而有学者认为晋宁运动与格 林威尔造山运动具对比性,并提出了我国主要陆块 在Rodinia超大陆中的位置的重建方案[7 ～9]。 1 研究意义 111 建立全球动力学演化模型 在地球科学的发展历史上,科学新理论的提出 往往建立在人们对地质过程的认识有了较大进步的 基础之上,并经不断修正在更高的层次上加深了对 其体系内在联系的了解。 如早期槽台学说的提出,是 建立在区内地层单元和岩浆作用对区域地壳运动发 生过的沉降与隆升和活动与稳定的历史记录的观察 基础上,进而使人们可以从区域构造稳定与活动的 地质旋回的角度去认识地壳运动规律; 60～70年代 发展起来的板块构造学说的基础建立于对大洋和岛 弧玄武岩、 洋底定年和古地磁等观察与研究,从而以 大陆的裂解、 洋盆的形成和洋壳消减直至陆-陆造 山的威尔逊旋回来认识地壳运动,使人们的认识水 平从区域地壳范围提高到陆壳与洋壳相互联系和地 壳与地幔之间再循环系统的高度;近10年来关于超 大陆学说的研究,已系统地扩展到了下地幔的深度, 并有望使人们的认识水平提高到全球动力学层次。 越来越多的证据表明,已证实的显生宙泛大陆 pangea, 450～250M a现象可能曾在地质历史上 多次出现[10 ～14], 超大陆从聚合形成至张裂解体的过 程被称之为超大陆旋回supercontinental cycle。 有 研究表明,超大陆旋回与大陆初生地壳的幕式增加 相对应,并由此提出了其成因学说[13 ～18] 在超大陆 旋回中,古超大陆的裂解与新超大陆的孕育同时发 生,古超大陆的裂解过程将使发生俯冲的板块在地 幔660 km的地震不连续面发生聚集,经一定时期 累积的俯冲物质将发生灾变性catastrophic下沉 而进入地幔。 下沉的板块将诱发地幔柱的形成,并对 第19卷 第3期 2000年 9月 地 质 科 技 情 报 Geological Science and Technology Ination Vol119 No13 Sep1 2000 α α基金项目国家自然科学基金资助项目49794043, 49873010和国土资源部 “壳幔体系组成、 物质交换及动力学开放研究实验室” 基金资助项目 第一作者简介凌文黎,男, 1962年9月生,副教授,主要从事同位素地球化学、 造山带和前寒武纪地球化学科研和教学工作 收稿日期 2000205212 编辑曲梅兰 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 上覆大陆岩石圈形成冲击,所产生的初生地壳被发 展中的新超大陆捕获。由于新超大陆对其下伏地幔 的 “盾化” 作用shielding将促使地幔上涌mantle upw illing的发生,并最终导致使新超大陆裂解而开 始另一超大陆旋回。 在超大陆旋回过程中,俯冲板块 的灾变性下沉可由不同地区的3～4次事件构成,每 一事件的持续时间为50～80M a,这些事件的集合 称为超事件superevent。超事件旋回开始的时间 与超大陆旋回中新超大陆发生聚集的时间相对应。 根据对全球初生地壳形成时代和规模的统计,地质 历史上的壳幔相互作用可划分为 310 Ga, 310～ 110 Ga和 310 Ga的地壳物质规模较小,并在同一区域 内可同时存在富集和亏损两种地幔源区岩石。第二 阶段壳幔演化以约217, 119, 112 Ga的三个主要超 事件为特征,形成了现今大陆地壳的主体。 在第三阶 段壳幔演化过程中,因地幔温度下降,部分俯冲板块 可以直接俯冲进入下地幔,致使超事件的规模变小。 目前对前寒武纪超大陆的认识不尽一致,如 W indley [19]提出了在前寒武纪至少存在三个超大 陆,其聚合时间分别为215～211 Ga, 115 Ga和113 ～110 Ga,与超事件发生的时间[14]相对应。但事实 上目前得到相对充分的地质证据支持的超大陆聚合 时间发生于113～110 Ga格林威尔造山期的新元 古代Rodinia超大陆,这也是当前超大陆研究的焦 点。 超大陆学说的提出是在板块构造学说的基础上 地球科学理论丰富和发展的必然结果,它将地壳和 上、 下地幔作为统一的地球动力学体系来认识,对地 质历史上初生大陆地壳与地幔柱的形成、 壳幔再循 环作用、 地幔上涌和大陆岩石圈的聚合与裂解及其 周期变化规律等进行了较合理的解释。超大陆假说 所孕育的重要理论意义决定了其重要的研究意义, 同时由于超大陆学说目前仍处于假说阶段,对其进 行修正和完善的过程将取决于研究工作的不断深入 和取得的进展。 112 重新厘定影响中国大陆形成与演化重要地质 事件的性质 我国大陆由多陆块组成的特点决定了其形成与 演化过程的复杂性。长期的科学研究积累了大量的 研究成果,同时也存在许多认识上的分歧,部分焦点 问题表现为对不同陆块间的相互关系、 拼合时代及 其构造性质的不同认识。 例如,扬子与华北陆块间是 否存在过统一的太古宙大陆岩石圈[20, 21]和北秦岭 晋宁期造山事件是否反映为扬子与华北陆块在新元 古代的拼合[22, 23]以及西秦岭地区与扬子和华北陆 块间的相互关系[24]。显然,这类不同认识在很大程 度上都与对晋宁期构造事件性质的认识有关。晋宁 运动对我国大陆地壳的形成和演化过程有着极其重 要的影响[25 ～29], 并可能是全球性广义的格林威尔造 山运动在我国的具体表现,因此,以此构造背景来重 新思考和研究我国主要陆块边缘和或相互之间发 生的晋宁期构造运动的性质及其对我国大陆地壳形 成和演化的影响,对认识我国大陆前寒纪地质意义 重大。 2 研究现状与研究趋势 尽管超大陆旋回假说自提出以来所开展的相关 研究工作已有十余年的积累,但绝大多数研究者都 将研究重点放在新元古代解体的Rodinia超大陆的 重建之上。 虽然在这一时期内所开展的重建研究中, 不同研究者提出的重建方案存在许多不尽相同之 处,但仍取得了以下基本共识 Rodinia重建的核心 内容仍是围绕所谓的SW EA TSouthw est U1S East A ntarctic设想进行,即劳伦古陆L aurentia 的西缘与东冈瓦纳东缘在中元古代末期 1 13～110 Ga经格林威尔造山运动相互拼合于一体,该超大 陆稳定存在了约013 Ga 1 10～017 Ga , 并于750～ 530M a发生裂解。Rodinia超大陆解体的时间与泛 非期Pan2A frican造山运动的时间 650 ～550M a 部分重叠。泛非运动促使了新的超大陆冈瓦纳 超大陆的形成。 90年代初期Rodinia超大陆提出的主要依据是 全球规模的格林威尔造山带的可拼合性及被拼合大 陆边缘多存在新元古代具裂谷性质的岩系。此后研 究工作围绕两个重点进行对重建方案的验证和确 定其它古陆在Rodinia超大陆中的位置。研究方法 包括格林威尔造山带的识别、 年代学基础上的古地 磁测定、 前格林威尔期基底岩系的对比和新元古代 裂解事件的记录等。尽管有研究者稍后补充了对其 它主要陆块如其它东冈瓦纳陆块、 非洲大陆、 南美 大陆、 西伯利亚和波罗的地盾等在Rodinia超大陆 中的位置的重建方案,但Rodinia超大陆的重建研 究工作仍集中于对SW EA T,即构成Rodinia超大 陆中最关键陆块拼合关系的验证。 最早对M oores的SW EA T假说进行验证的研 究始于劳伦古陆与澳大利亚-东南极的地层对比 Young [30]通过对比同属新元古代的澳大利亚东南部 Heysen超群supergroup与加拿大西北部的W in2 dermere超群,认为两地层属同一裂谷作用的产物, 8地 质 科 技 情 报2000年 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 并发现澳大利亚新元古代的A delaid地槽与北美科 迪勒拉盆地彼此向面张开。 此后Borg和DePaolo [31] 应用钕同位素填图的方式,提出在澳大利亚和南极 存在TDM分别为116～119 Ga和111～115 Ga的中 元古代基底岩带,分别与北美大陆的两个中元古代 出露区的岩系相对应。 此外,北美大陆与澳大利亚- 东南极元古宙岩石的古地磁数据也支持SW EA T 假说[4 ～6]。 然而随着研究工作的进一步深入,这一方案遇 到了困难在北美西部分布有时代约为780M a的 大量镁铁质侵入岩群,而在澳大利亚东南部也存在 大量的新元古代基性岩群如Gairdner和Amata岩 群 , 并认为其成因与地幔柱上升有关[32]。据此现象 和部分北美约0178 Ga镁铁质侵入岩群的古地磁数 据, Park等[33]将其解释为在约780 M a时,中心位 于澳大利亚A delaide褶皱带东侧的巨型地幔柱的 上涌是形成这些基性岩群并导致Rodinia超大陆裂 解 的原因。 但对澳大利亚两基性岩群进行的 SHR I M P锆石U2Pb定年结果[ 827 6 M a [34]和 824 4 M a [35] ]表明其形成时代与北美大陆基性 岩 群 的 时 代 明 显 不 同, W ingate等[34]因 而 对 SW EA T的拼合和裂解假说提出了质疑。基于上述 矛盾和年代学事实,澳大利亚西澳大学李正祥 等[36, 37]提出了修正方案,将华南陆块扬子陆块和 江南古陆,两者通过晋宁造山运动拼合置于劳伦古 陆 与澳大利亚-东南极之间图1 ,且针对这一修 图1 新元古代Rodinia超大陆重建方案[40] Fig11 A model for reconstruction of Rodinia supercontinent at 1 000M a [40] Y1 扬子陆块 ; C 1 江南古陆LB1 贝加尔湖; PRC1Priest River complex 正方案所进行的验证工作取得了较大进展[38 ～40]。 如 果该修正方案基本正确,则华南陆块在Rodinia超 大陆重建研究中的重要性将不仅体现为明确了华南 陆块在Rodinia超大陆中的位置,而且在Rodinia超 大陆的重建研究中华南陆块将具极其关键的地位。 李正祥等提出的修正方案的核心内容是经晋 宁造山运动拼合后由扬子与江南古陆组成的华南陆 块,其东缘与劳伦古陆相连,而其西缘与澳大利亚 和东南极 相邻;在约820M a,一巨型地幔柱前缘 plume head上移到达华南陆块西南部,形成以此 为中心约1 000 km范围内的大量镁铁质-超镁铁 质岩群,并伴生了大量的花岗质岩体;巨型地幔柱上 涌诱发Rodinia超大陆开始裂解。围绕该设想进行 的验证工作目前已取得如下成果①与澳大利亚 Gairdner和Amata岩群时代相当的镁铁质-超镁 铁质岩群[ 828 7 M a ]已在华南陆块桂北地区 等被识别[39];②高精度定年结果SHR I M P和颗粒 级锆石化学UPb法表明,华南陆块存在大量时 代为820～830M a的花岗质岩体,其上覆被震旦系 地层覆盖。花岗岩的成因均与地壳的深熔作用有 关[39 ～40]; ③在华南陆块,晋宁造山运动的时限明显 晚于全球性的格林威尔造山运动约012～013 Ga , 晋宁运动使扬子与江南古陆拼合是Rodinia 超大陆发生聚合作用的一部分,也可能是Rodinia 发生裂解前的最后一次造山运动[40]。 由于超大陆假说对认识地球动力学演化过程所 具有的潜在重要意义和我国主要陆块尤其是华南 陆块在其重建方案的验证研究中所具有的关键地 位,我国晋宁期构造运动及其性质的研究正受到中 外学者的高度重视,其中扬子陆块西北缘米仓山新 元古代岩浆岩省和南秦岭中 - 新元古代火山岩 及基性-超基性岩群的研究将格外引人注目。 参考文献 [ 1 ] Moores J L. 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