《Global and Planetary Change》：Alternating trench advance and retreat in the North Tianshan Ocean: Insights from Carboniferous magmatism in the Aqishan-Yamansu Belt, Chinese Eastern Tianshan
編輯推薦：
大陸地殼增長與俯沖帶熱力學演化：以中國 Eastern Tianshan 華北地殼地體拼合為例，通過巖漿地球化學與同位素年代學分析，揭示Carboniferous期次俯沖帶遷移驅(qū)動構(gòu)造轉(zhuǎn)換和海洋閉合的關(guān)鍵機制。
薛國亮|康煥|陳月龍|李大鵬|涂嘉潤|鄭文軍|張曉然
中國中山大學地球科學與工程學院地質(zhì)動力學與地質(zhì)災(zāi)害廣東省重點實驗室，廣州510275
摘要
海溝的推進-后退周期是大陸地殼生長和增生造山帶熱力學演化的主要調(diào)控因素。本研究通過對阿奇山-雅曼蘇帶內(nèi)巖漿活動的時空分析，揭示了中國東部天山地區(qū)石炭紀時期的海溝運動特征。研究識別出兩個不同的巖漿事件：中密西西比期的弧相關(guān)高鎂安山巖斑巖和早賓夕法尼亞期的高鋁玄武巖。地球化學和同位素數(shù)據(jù)顯示，這些巖漿來源于不同程度上的虧損地幔、地幔楔體以及俯沖板塊/沉積物來源的流體/熔體的相互作用。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景及弧巖漿活動的成分和地球化學變化，表明海溝存在反復遷移的周期性。海溝推進階段（早石炭紀和晚賓夕法尼亞期）以大量弧巖漿活動為特征，表現(xiàn)為Ho/Yb–Dy/Yb比值升高、全巖εNd(t)和鋯石εHf(t)值降低，以及鋯石Hf年齡偏老（TDMC），這些現(xiàn)象共同暗示了地殼貢獻的增加。相反，海溝后退階段（從晚密西西比期到中賓夕法尼亞期）則以弧后玄武巖為主，Ho/Yb–Dy/Yb比值降低、全巖εNd(t)和鋯石εHf(t)值升高以及鋯石Hf年齡偏年輕為特征，表明地幔物質(zhì)的輸入增加。這一后退階段促使中央天山弧的分裂和阿奇山-雅曼蘇弧后盆地的形成。我們的研究結(jié)果表明，北天山洋殼的向南俯沖控制了海溝的遷移周期，從而推動了從早石炭紀大陸弧向晚石炭紀弧后盆地的轉(zhuǎn)變。持續(xù)的俯沖最終導致了晚石炭紀的碰撞，封閉了海溝-弧-盆地系統(tǒng)，完成了中國東部天山地區(qū)的構(gòu)造拼合。這些結(jié)果強調(diào)了通過巖漿和元素同位素記錄重建的周期性海溝遷移周期，是受地幔動力學驅(qū)動的增生造山作用的關(guān)鍵機制。
引言
增生造山帶通過海洋巖石圈的持續(xù)俯沖而演化，為理解大陸生長、地幔-地殼循環(huán)和造山過程提供了重要線索（Xiao和Santosh，2014；Xiao等人，2013）。海溝的推進和后退周期是增生系統(tǒng)中的基本動態(tài)機制，受俯沖板塊幾何形態(tài)（如傾角）和運動參數(shù)（如匯聚速度）變化的控制（Cawood等人，2009；Collins，2002）。這些動態(tài)表現(xiàn)為低角度俯沖和平行于地殼的板塊回撤，對造山構(gòu)造和時空演化具有顯著影響（Collins，2002；Glen，2013）。海溝后退通常導致地殼變薄、弧后盆地裂解和減壓引起的軟流圈熔融，而海溝推進則通常伴隨地殼增厚以及地殼物質(zhì)向地幔的更多輸入（Cawood等人，2009；Collins，2002；Lallemand等人，2008）。海溝的交替遷移模式負責弧-弧后系統(tǒng)的形成和閉合（Cawood等人，2009；Kemp等人，2009；Zhang等人，2019）。然而，古代增生造山帶中這些事件的直接運動和地質(zhì)記錄常常被后續(xù)的構(gòu)造熱事件所掩蓋或覆蓋，使得重建變得復雜。
海溝遷移可以直接影響巖漿生成和地殼循環(huán)（Cawood等人，2009；Kemp等人，2009）。盡管沒有單一的地球化學或Nd-Hf同位素特征能夠唯一對應(yīng)特定的地質(zhì)動力學環(huán)境，但在海溝推進期間形成的弧巖漿往往具有富集的Nd-Hf同位素，這是由于吸收了大量大陸地殼物質(zhì)。相比之下，與海溝后退相關(guān)的巖漿通常顯示更放射性的同位素特征，這可能歸因于地殼相互作用減弱（Boekhout等人，2015；Haschke等人，2002；Kemp等人，2009；Phillips等人，2011）。因此，結(jié)合巖石學、地球化學、同位素和精確年代學的高分辨率時空分析，可以為重建古代造山帶中的俯沖帶運動模式（推進、后退或過渡階段）及其與演化中的構(gòu)造體制的關(guān)系提供有效方法。
中亞造山帶（CAOB）是地球上最大的顯生宙增生造山帶，為研究此類全球尺度過程提供了無與倫比的檔案。該造山帶位于歐亞板塊和塔里木-華北克拉通之間，通過長期的俯沖-增生作用形成了微大陸、海山、島弧和古亞洲洋中的洋殼平臺（Han和Zhao，2018；Xiao等人，2013）。北天山洋作為古亞洲洋的南部分支，位于伊犁-中央天山弧以北（Xiao等人，2004），為約束俯沖-增生動力學和CAOB西南部的最終拼合提供了關(guān)鍵地質(zhì)證據(jù)（Du等人，2024；Han和Zhao，2018；Xiao等人，2013）。然而，早石炭紀至中三疊紀期間從俯沖到碰撞的轉(zhuǎn)變時間仍存在爭議，因為巖漿、構(gòu)造和沉積數(shù)據(jù)之間存在矛盾（Ao等人，2021；Han和Zhao，2018；Wang等人，2024；Zhang等人，2018）。這一爭議主要取決于兩種機制的區(qū)分：（1）由巖石圈減薄驅(qū)動的碰撞后伸展；（2）伴有壓縮和伸展之間的應(yīng)力循環(huán)的活躍俯沖。
阿奇山-雅曼蘇帶的石炭紀構(gòu)造演化是中國東部天山地區(qū)的一個關(guān)鍵弧相關(guān)地塊。關(guān)于其性質(zhì)存在不同假說：海洋內(nèi)部弧或弧后盆地（Hou等人，2014；Xiao等人，2004，Xiao等人，2013）、大陸前弧盆地（Zhang等人，2019）或大陸弧后盆地（Luo等人，2016；Zhang等人，2016a）。海洋內(nèi)部弧模型得到了火山前沿系統(tǒng)向南遷移和阿奇山-雅曼蘇地區(qū)弧重新活躍的證據(jù)支持，這歸因于北天山洋的逐步回撤（Han和Zhao，2018；Xiao等人，2004）。而大陸前弧/弧后盆地模型則強調(diào)了石炭紀火山巖中繼承的鋯石特征，這些特征與中央天山地殼特征一致（Luo等人，2016）。因此，在石炭紀弧巖漿巖中識別古代地殼特征對于確定阿奇山-雅曼蘇帶的構(gòu)造環(huán)境至關(guān)重要，因為純海洋內(nèi)部系統(tǒng)缺乏大陸地殼物質(zhì)。
為了解決這些對立的假說并克服單一指標解釋的局限性，本研究利用了阿奇山-雅曼蘇帶中石炭紀高鎂安山巖和高鋁玄武巖的巖石成因敏感性。這些巖漿類型對地幔源成分、板塊來源流體/熔體輸入以及與大陸地殼的相互作用特別敏感，使其成為俯沖動力學和地殼演化的可靠示蹤劑。本研究采用了多指標方法，結(jié)合了新的地質(zhì)年代數(shù)據(jù)、鋯石Lu-Hf同位素、全巖地球化學（包括Nd同位素）和已發(fā)表的巖石地球化學數(shù)據(jù)集。我們的主要目標是：（1）闡明阿奇山-雅曼蘇帶的石炭紀構(gòu)造體制；（2）解碼北天山洋的海溝遷移模式（推進-后退周期性）；（3）揭示驅(qū)動西南CAOB構(gòu)造轉(zhuǎn)變和地殼拼合的造山機制。
地質(zhì)背景
中國東部天山位于準噶爾塊體和塔里木塊體之間，是一個復雜的構(gòu)造組合體，包括島弧群、洋殼殘余、增生楔體和大陸碎片（圖1；Han和Zhao，2018；Xiao等人，2013）。該地區(qū)從古生代到中生代早期經(jīng)歷了長期的復雜地質(zhì)過程，包括板塊俯沖、弧-大陸碰撞、大陸-大陸碰撞等。
樣品描述
在阿奇山-雅曼蘇帶西部的曉東山火山帶，沿NW-WS走向采集了22個代表性樣品，包括8塊玄武巖和14塊安山巖斑巖（圖1c–d和2a）。選擇玄武巖樣品時優(yōu)先考慮了斑晶發(fā)育較少的部分。安山巖斑巖呈現(xiàn)斑狀結(jié)構(gòu)（圖2b），主要斑晶礦物為斜長石和單斜輝石。
鋯石U-Pb年齡和Hf同位素組成
從安山巖斑巖樣品（AQS0910–3和AQS0709–1）中提取的鋯石晶體具有自形柱狀形態(tài)（圖2g和h），并表現(xiàn)出振蕩分帶現(xiàn)象，Th/U比值分別為0.5–1.0和0.4–1.3（表S1），表明其具有火成起源。對于樣品AQS0910–3，30次一致的U-Pb分析得到的206Pb/238U年齡范圍為327?±?4?Ma至340?±?6?Ma，加權(quán)平均年齡為334?±?2?Ma（2σ，MSWD?=?0.32），這被解釋為結(jié)晶過程的結(jié)果。
巖漿后蝕變作用
曉東山的高鎂安山巖斑巖和高鋁玄武巖的灼燒損失值分別為1.52–2.54和1.52–4.05（表S2），反映了不同的巖漿后蝕變強度。為了進行可靠的地球化學解釋，需要系統(tǒng)評估蝕變引起的元素再分配。鋯（Zr）通常被認為是一種不移動的元素，可以提供一個穩(wěn)定的地球化學基準，不易受到二次蝕變的影響。
結(jié)論
在阿奇山-雅曼蘇帶西部的曉東山火山帶新發(fā)現(xiàn)的石炭紀高鎂安山巖斑巖（約334?Ma）和高鋁玄武巖（約321–314?Ma）分別由部分熔融的地幔橄欖巖與沉積物來源的熔體混合形成，以及被俯沖板塊來源的流體改造的虧損地幔形成。綜合野外觀察和地球化學數(shù)據(jù)集記錄了巖石組合的顯著時間變化。
CRediT作者貢獻聲明
薛國亮：撰寫——初稿、方法學、數(shù)據(jù)管理。康煥：撰寫——審稿與編輯、撰寫——初稿、方法學、資金獲取、正式分析、數(shù)據(jù)管理、概念構(gòu)思。陳月龍：撰寫——審稿與編輯、研究、資金獲取、概念構(gòu)思。李大鵬：方法學、概念構(gòu)思。涂嘉潤：軟件應(yīng)用、方法學、資金獲取。鄭文軍：撰寫——審稿與編輯、資金獲取。張曉然：撰寫
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（項目編號：42302245、42473029）、中國地質(zhì)調(diào)查局（項目編號：1212011120497）和第二次青藏高原科學考察與研究計劃（項目編號：STEP 2019QZKK0901）的財政支持。新疆地質(zhì)調(diào)查局協(xié)助了我們的野外工作。我們感謝編輯楊志明教授、副編輯及三位匿名審稿人的支持性和有益的審稿意見。
