大陆地壳的形成与演化是固体地球科学领域的核心科学问题之一。大陆地壳生长是指幔源岩浆及其分异产物通过各种地质过程添加到陆壳中,导致陆壳面积和体积的增加。俯冲-增生是大陆地壳生长的主要方式,但是,俯冲作用可以导致地壳生长,也可以造成地壳消亡。因此,出现板块构造以来,特别是显生宙以来,是否发生了显著的大陆地壳净生长,仍旧是一个存在争议的科学问题。中亚增生造山带被视为全球最大、最典型的显生宙增生造山带,其中发育一系列具有前寒武纪基底的微陆块。这些卷入了增生造山带的微陆块是否发生了显著的地壳生长?新生陆壳是否大量被保存?保存的机制是什么?研究上述问题,对于精确评估中亚造山带显生宙地壳生长的规模、正确认识增生造山带地壳生长和保存的机制,都具有重要意义。

    自然资源部中国地质调查局地质研究所王涛研究员研究组长期在中亚造山带开展花岗岩和地壳生长方面的研究。研究组以大区域岩浆岩数字化编图、同位素填图为主要手段,试图揭示这一巨型造山带内不同类型的地壳(年轻地壳、古老地壳、混合地壳等)的时空分布和形成机制。针对前述的科学问题,研究团队中黄河副研究员、王涛研究员、童英研究员及其合作者选择中亚造山带西段的伊犁地块作为一典型的微陆块进行重点解剖,系统整理了出露于伊犁地块及邻区花岗岩和长英质火山岩的空间分布、年代学、主量与微量元素和Hf-Nd同位素等特征。在此基础上,开展了花岗岩和长英质火山岩的Hf-Nd同位素填图(图1),并总结其时空变化的趋势(图2)。得到以下主要结论:

    (1)通过同位素填图,查明了伊犁地块及邻区的新老地壳物质分布架构。在伊犁地块南北缘靠近缝合带的区域,分布相对古老地壳物质,长英质岩石Hf模式年龄为1.0~1.4 Ga。而在地块中心阿吾拉勒山一带则大量发育年轻地壳,长英质岩石Hf模式年龄普遍低于1.0Ga,局部低至0.6 Ga。从时间演化的角度,现有资料揭示在古生代,大陆地壳物质再循环(continental reworking)和大陆生长(continental growth)伊犁地块及邻区交替发生。

    (2)厘定伊犁地块南北两缘的古洋盆(均为古亚洲洋的分支)的两期俯冲作用(第一阶段:~460 Ma—~395 Ma;第二阶段:~375 Ma—~310 Ma)。其中,伊犁地块北缘的岛弧岩浆作用在~350 Ma发生了从向陆迁移到向洋迁移的转换(图2a),即大洋俯冲(北天山洋)的方式,从前进型俯冲(advancing subduction)转换为后撤型俯冲(retreating subduction),且板片后撤伴随着显著的上覆岩石圈伸展、弧后盆地发育。同样,在伊犁地块南缘,岩浆岩时空分布模式记录了在~420 Ma和~350 Ma两次古洋盆(南天山洋)俯冲方式从前进型到后撤型的转换,且泥盆纪末期—早石炭世的板片后撤同样导致弧后盆地的发育(图2b)。

    (3)伊犁地块南北洋盆的最终闭合均发生在晚石炭世。在南侧,古南天山洋的闭合跟随着大陆板块之间的“硬碰撞”。而在北侧,伊犁地块北缘与一不成熟/新生岛弧发生了“软碰撞”。从Pangea超大陆汇聚的视角观察,伊犁地块南缘和南天山造山带属于Pangea超大陆的“内造山带”(internal orogen)的一部分。而由于准噶尔残留洋的存在,伊犁地块北缘和北天山造山带在古生代晚期的特征更接近于“外造山系统”(external orogenic system)。

    (4)通过同位素填图和区域岩浆事件的综合研究揭示伊犁地块是一个在古生代被显著“再更新(rejuvenation)”的古老微陆块。本次研究显示,在伊犁地块及邻区,大洋板片后撤是导致显生宙地壳生长的主导性因素。这一长期的大陆“再更新”过程,同样发生在中亚造山带其他的微陆块中。一系列山湾构造的发育(如哈萨克斯坦山湾构造、图瓦—蒙古山弯构造),可能对中亚造山带中新生地壳的保存发挥了至关重要的作用。

    本研究表明,卷入了中亚增生造山带的微陆块发生了显著的地壳生长,其新生陆壳被大量保存,并指出了山弯构造对微陆块内部新生地壳保存的重要作用。研究成果对认识增生造山带微陆块内部地壳生长与保存的机制有重要意义,展示了通过大区域岩浆岩同位素填图探索重大科学问题的潜力,也为支撑地勘单位和矿业企业在伊犁地块及邻区开展深部地质研究与找矿提供了新的研究思路和重要的基础资料。本研究得到国家重点研发计划项目(2019YFA0708601和2017YFC0601305)、国家自然基金重点项目(41830216)和地质调查项目(DD20190001)的联合资助,也是对国际地学计划IGCP662项目的贡献。相关成果发表在国际地学权威期刊《Earth-Science Reviews》上:Huang, H.*, Wang, T.*, Tong, Y., Qin, Q., Ma, X.X., Yin, J.Y., 2020. Rejuvenation of ancient micro-continents during accretionary orogenesis: Insights from the Yili Block and adjacent regions of the SW Central Asian Orogenic Belt. Earth-Science Reviews 208, 103255.