摘要
增生造山带形成于汇聚板块边缘,是研究地壳生长和演化的关键地区。中亚造山带是世界上典型的增生造山带,但在增生造山作用过程中是否有大规模的地壳生长仍然是亟待解决的关键科学问题。南天山造山带作为中亚造山带重要组成部分,古生代期间卷入到中亚造山带的形成历史,是探讨中亚造山带的形成与演化、地壳生长和地壳深部物质组成的重要窗口。本文以流经南天山造山带南部(渭干河、克孜尔河、库车河、迪娜尔河和策得尔河)、中天山地块南缘(乌拉斯台河及东塔西台河)和塔里木克拉通北缘(吉格代河)的8条河流沉积物中的碎屑锆石为研究对象,开展了系统的U-Pb年代学、微量元素及Hf同位素分析,并结合区域上已有数据,探讨了南天山造山带及其邻区构造单元的河流碎屑锆石来源及古生代地壳生长与演化过程,本论文取得如下成果:(1)报道了现代河流碎屑锆石的年龄组成。来自南天山造山带南部的河流碎屑锆石年龄主要集中在310~260 Ma、460~380 Ma、840~600 Ma、2100~1800Ma和2500~2300 Ma等年龄区间,塔里木克拉通北缘河流中碎屑锆石年龄区间主要为320~290 Ma、460~400 Ma、820~600 Ma、2100~1800 Ma和2500~2200Ma;中天山地块南缘河流碎屑锆石年龄分布主要为320~260 Ma、380~320 Ma、470~390 Ma、1000~800 Ma、2500~2200 Ma,与南天山造山带和塔里木克拉通相比,含有丰富的380~320 Ma的年龄记录。(2)物源分析表明南天山造山带南部河流中碎屑锆石主要来自于南天山造山带和塔里木克拉通北缘。河砂中前寒武纪碎屑锆石的CL图像显示其形态大多为近圆形,自形程度较差,表明锆石经过了长距离的搬运过程,且这些锆石年龄上与塔里木克拉通北缘前寒武纪岩体年龄相一致,暗示南天山造山带南部河流中的前寒武纪锆石来源于塔里木克拉通北缘;河砂中460~380 Ma和310~260 Ma的碎屑锆石多为自形-半自形,具有典型的岩浆环带,且Th/U比值较高(多数大于0.2),结合上翘型的重稀土元素特征和明显的Eu负异常及Ce正异常,表明它们均为岩浆锆石。样品中460~380 Ma锆石部分为长柱状,部分呈次圆状,分选性较差且这些锆石年龄分布与河流流域内的沉积岩碎屑锆石年龄和南天山造山带南部及塔里木克拉通北缘的岩浆岩年龄分布相吻合,此外,该年龄区间的锆石ε_(Hf)(t)值(-15.4~+17.7),均与南天山造山带南部和塔里木克拉通北缘早古生代岩浆岩锆石Hf同位素组成一致,表明其来源于南天山造山带南部和塔里木克拉通北缘;310~260 Ma的锆石多长柱状,磨圆度较差,表明其搬运距离有限,该年龄段锆石年龄分布特征与南天山造山带晚古生代岩体年龄分布一致,且其ε_(Hf)(t)值(-11.1~+15.2),与南天山造山带晚古生代岩浆岩锆石Hf同位素组成相似,表明南天山造山带为其提供物源。综合碎屑锆石形貌学、岩浆岩锆石U-Pb年龄分布及锆石Hf同位素组成特征分析表明,中天山地块南缘乌拉斯台河及东塔西台河河流碎屑物质主要来自于中天山地块西段的巴伦台地区,塔里木克拉通东北缘的库鲁克塔格地区是吉格代河河流碎屑锆石的物源区。(3)依据南天山造山带及其邻区构造单元河流碎屑锆石U-Pb年龄,确立了岩浆活动的年代学框架,并以此为基础探讨了南天山造山带的古生代构造演化过程。中天山地块南缘年龄在470~390 Ma的河流碎屑锆石,南天山造山带南部460~380 Ma的河流碎屑锆石很可能记录了南天山洋在中奥陶-晚泥盆世期间发生南北双向俯冲的弧岩浆作用。南天山造山带南部与塔里木克拉通北缘的河流中明显缺少380~320 Ma的锆石颗粒,而该年龄段的碎屑锆石在中天山南缘河流河砂样品中大量出现,暗示晚泥盆-晚石炭世塔里木克拉通北缘处于岩浆活动沉寂期,而在这一时期,伊犁-中天山地块南缘岩浆活动却依然频繁。南天山洋闭合以及塔里木克拉通与伊犁-中天山地块的最终碰撞可能发生在晚石炭世,随后发生同碰撞和后碰撞岩浆作用,以样品中大量310~260 Ma的碎屑锆石为代表。(4)探讨了早古生代南天山造山带大陆地壳生长及其动力学内因。根据U-Pb年代学及Hf同位素特征,并结合地壳厚度演化、锆石结晶温度以及岩浆岩性质和时空分布规律,推测南天山造山带早古生代地壳演化与南天山洋前进式和后撤式俯冲有关。中奥陶-中志留世(约460~435 Ma)在南天山洋前进式俯冲形成的挤压环境下,南天山造山带南部和塔里木克拉通北缘地壳逐渐增厚,古老地壳物质逐渐加入到岩浆形成过程中,表现为锆石ε_(Hf)(t)值随年龄的减小呈下降趋势,对应的二阶段模式年龄则呈上升趋势,以地壳再造作用为主;中志留-晚泥盆世(约435~380 Ma)南天山洋进入后撤式俯冲阶段,在伸展环境下,地壳减薄,岩浆岩源区年轻物质占比逐渐增加,表现为锆石ε_(Hf)(t)值随年龄变小呈上升趋势,对应的二阶段模式年龄呈下降趋势,以地壳生长作用为主。在约435 Ma表现出Hf同位素演化趋势的明显差异,推测南天山造山带南部和塔里木克拉通北缘在中志留世发生构造转换,可能由前进式向后撤式造山类型转换。(5)探讨了南天山造山带晚古生代地壳演化方式及其动力学机制。在锆石U-Pb年龄、Hf同位素、锆石微量元素和全岩地球化学综合分析的基础上,推测南天山洋闭合时间为晚石炭世,晚石炭-早二叠世期间(约300~290 Ma),南天山造山带和伊犁-中天山地块南缘在同碰撞挤压环境下,地壳逐渐增厚,导致岩浆岩源区古老地壳物质的占比显著增加,表现为同期锆石的ε_(Hf)(t)值随年龄减小呈下降趋势,对应的二阶段模式年龄值呈上升趋势,以地壳改造作用为主;约290~265 Ma期间,南天山造山带和伊犁-中天山地块南缘处于后碰撞伸展环境并伴随着地壳减薄,导致岩浆岩源区新生物质占比逐渐增加,同期锆石显示出ε_(Hf)(t)随年龄的减小呈上升趋势,相应的二阶段模式年龄呈下降趋势。(6)一般认为中亚造山带在古生代发生显著的地壳增生,但通过对南天山造山带的研究表明其经历了阶段性的大陆地壳再造与生长。早古生代南天山造山带与中亚造山带其他构造单元(如伊犁地块、中天山地块及北天山造山带)地壳演化相似,均以古老地壳的再造和新生地幔物质的加入为主,但在晚古生代,南天山造山带地壳演化主要以古老基底岩石的再造为主,相对有限的新生组分加入到岩浆的形成过程中,较中亚造山带其他组成单元,晚古生代南天山造山带并没有显著的地壳增长。该论文有图49幅,表10个,参考文献317篇