邓涛，胡修棉
大别-苏鲁造山带，这个位于中国东部的地质奇迹，出露有全球最大规模（>30万平方公里）的高压-超高压变质岩（Zhang et al., 2009），以其含柯石英和微粒金刚石而闻名于世（Wang et al., 1989; Xu et al., 1992），见证了地球深处的力量如何塑造地表的壮丽景观。从 20 世纪 80 年代至今，大别-苏鲁造山带俨然成为国内外开展大陆动力学、大陆深俯冲等研究的重要地区。科学家们对这片古老山脉的研究，就像是在翻阅一本厚重的地球历史书，试图从中解读出大陆板块相互碰撞、俯冲的秘密。
1大别造山带大陆俯冲时间的争议
基于大别造山带中含柯石英榴辉岩变质矿物的多方法高精度定年，科学家已基本明确了大别山峰期超高压变质作用发生于早-中三叠世（245-222 Ma）（郑永飞, 2008），大陆俯冲持续时间>12 Myr，这代表华南陆壳向华北地块之下深俯冲的时间，也被视为华南-华北大陆碰撞的最晚时间（上限年龄）。
然而，由于后期变质-变形事件以及随后的侵蚀作用，造山带早期构造演化常常难以确定，这妨碍了科学家对造山过程的全面理解。关于大别造山带的大陆俯冲起始时间，仍存在很大的争论。这是因为参与大陆俯冲早期阶段的地壳块体在俯冲通道内可能只经历了俯冲深度较浅的低级变质作用，然后就迅速被折返至地表。由于低级变质作用对诸如锆石等副矿物仅仅形成非常薄的变质边（<5微米），因此常规的LA-ICP-MS技术很难对这种低级变质事件进行准确定年。最近针对大别造山带最北侧的北淮阳构造带（图1）的低级陆壳变质岩进行的高精度未抛光锆石、金红石和榍石SIMS U-Pb定年（唐虎, 2022；Zhao et al., 2023），记录了更古老的（264±6 Ma至283±5 Ma）变质事件，目前被认为这是迄今最好的大陆俯冲开始时间的估计（唐虎, 2022）。类似地，最新的高精度地质年代学数据表明大别造山带中存在稀少的大陆属性高压榴辉岩，经历了晚石炭世-二叠纪（约310 Ma和256-297 Ma）的高压变质作用，这也表明它经历了更早的陆壳俯冲作用（Cheng et al., 2018）。总之，大别造山带陆壳俯冲的开始阶段，即华南板块大陆边缘被俯冲至深处的过程，有待更多研究开展。而解析初期陆壳俯冲的时间对于理解大别造山带和超高压造山带的详细构造演化具有广泛的意义。
从大别造山带基岩记录中确定陆壳俯冲的开始可能具有挑战性，因为造山带的上地壳部分（可能记录了陆壳早期浅俯冲的证据）可能已经被随后的侵蚀作用所移除。而相邻盆地（图2）的沉积岩潜在地记录了整个造山带的演化过程，有望成为揭秘并约束陆壳俯冲历史的主要档案。为了探究大别造山带三叠纪时期的盆山构型，本文以大别造山带周缘的黄石、月山和南京三个盆地（图2）为研究对象，开展了砂岩岩相分析、重矿物分析、多矿物U-Pb年代学和地球化学分析等，试图通过造山带周缘盆地最早的碎屑记录来反演大别造山带的早期演化。
图1 大别造山带的地质背景
（A）秦岭-大别-苏鲁造山带在中国的位置；（B）大别造山带简化的地质图，显示大别造山带构造单元的划分以及本次研究主要关注的沉积盆地。
图2 大别造山带周缘中-上三叠统沉积盆地分布图。地层厚度等值线来自于朱光等, 2006。
2 地层与沉积环境
南京盆地的早中生代碎屑岩地层包括中三叠统晚期至上三叠统早期的黄马青组（李超和胡修棉, 2022）、上三叠统范家塘组、下侏罗统钟山组和中侏罗统北象山组（图3）。黄马青组碎屑岩总体分为两段，下段为海陆交互相的杂色碎屑岩，上段为具有交错层理的陆相红色细粒碎屑岩。上三叠统范家塘组是一套以湖沼相为主（有短暂的海浸）的含煤碎屑岩。
月山盆地位于大别造山带东侧，又称为潜山盆地或望江盆地。早中生代碎屑岩地层包括中-上三叠统黄马青组、上三叠统拉犁尖组和不整合覆盖于其上的下侏罗统磨山组。黄马青组形成于低能、浅水、粒度向上增粗的海退型三角洲体系（岳文浙等, 1999）。拉犁尖组是含煤的湖相沉积，产出晚三叠世的昆虫和陆生植物化石。
黄石盆地位于大别造山带南侧，又称为鄂东南盆地（刘少峰和张国伟, 2013）。早中生代地层包括中三叠统蒲圻组、上三叠统鸡公山组、下侏罗统武昌组和中侏罗统花家湖组（图3）。蒲圻组自下而上分别由灰白色、紫红色和顶部深灰色的细粒碎屑岩组成，厚度大于1200m，底界不清，顶部与侏罗系之间为平行不整合接触）（杨江海, 2012）。鸡公山组在黄石地区露头很少，残留地层厚度仅为20m，不整合覆盖在蒲圻组之上。
图3 大别造山带早中生代周缘沉积盆地年代地层框架
简化地层柱还显示了沉积相、碎屑矿物U-Pb、岩石学和重矿物分析的样品位置以及样品可靠的最大沉积年龄。
3 沉积物源数据
碎屑组成定量统计揭示三个盆地的砂岩都属于岩屑石英砂岩（图4；图5），变质岩岩屑含量最高，以低-中级变质千枚岩和片岩岩屑为主，白云母常见。三个盆地三叠系砂岩的重矿物组合主要由磷灰石（平均：78%；范围：69-86%，n=5）为主（图6和图7），除了来自月山盆地的样品21DB13和来自黄石盆地的样品21DB25，它们分别主要富集了绿帘石和镁电气石（分别占总透明重矿物比例的56%和83%，图6）。
图4 代表性的三叠系砂岩岩石显微照片
（A）岩屑石英砂岩，21HM13；（B） 岩屑石英变质碎屑砂岩，21HM09；（C）岩屑石英变质碎屑砂岩，21DB10；（D） 岩屑石英变质碎屑砂岩，21DB26。Qm =单晶石英，Pl =斜长石，Mus =云母，L =岩屑（Lm =变质岩岩屑，Ls =沉积岩岩屑，Lv =火山岩岩屑）。
图5 三叠系砂岩岩石学组成
（A，B）岩石学三角图。Q =石英，F =长石，L =岩屑。注意A图中的50%石英含量等值线。
图6 三叠系砂岩重矿物组成三角图
图7 月山盆地三叠系黄马青组样品（21DB10）的重矿物组合镜下特征
（A）单偏光图像；（B）同一视域的正交偏光图像。
本文针对三个盆地的10件三叠系砂岩样品共测定了2853个单颗粒U-Pb年龄（Deng et al., 2024）。在这三个盆地中，三叠纪样品锆石、金红石、磷灰石三种单矿物都具有显著的270-290 Ma的峰值年龄（图8）。
图8 碎屑U-Pb年龄的核密度估计图，标记了模态年龄峰。注意，X轴是对数刻度
4 沉积物源解释
将岩石学和重矿物数据与碎屑矿物的U-Pb年龄和微量元素相结合，可以揭示三叠系砂岩的物源信息。高含量的石英和变质岩岩屑以及白云母颗粒表明物源主要来自于一个具有大陆属性的变质岩源区，其中还包括一些（变质）沉积岩的再旋回。高的磷灰石重矿物丰度很可能表明了一个初始旋回的物源区（Chew & Spikings, 2015）。对黄马青组古流向沉积构造（n>500）的测量表明了向东的古流向（夏邦栋等, 1994），可能与大别造山带的物源相关。在空间上，三叠纪砂岩的成分成熟度（Q/（F+L））显示它们在大别造山带山前地区的成熟度较低，但在远离造山带的地方成熟度显著较高，也表明这些前陆沉积物是直接来自大别造山带的原地沉积物（朱光等, 2006）。
图9 单个三叠纪沉积盆地碎屑矿物U-Pb年龄和潜在源区碎屑锆石U-Pb年龄的汇编。数据来自本研究和文献汇编（详见Deng et al., 2024）
对于单个盆地的三叠系，同类副矿物相的物源趋势（尤其是主要的U-Pb峰值年龄群）总体保持相似，尽管峰值年龄的相对比例略有变化（图8）。因此，本文在图9中为每个盆地绘制了一个综合的核密度估计（KDE）图，并纳入了这些周缘盆地三叠系先前发表的碎屑锆石U-Pb年龄数据（详见Deng et al., 2024中的文献来源）。结果显示，锆石U-Pb年龄谱表现出259-278 Ma的峰值年龄，磷灰石的峰值年龄为278-299 Ma。金红石U-Pb年龄分布因盆地而异，南京和黄石盆地的峰值年龄为266-278 Ma，而月山盆地在约299 Ma处有一个显著的峰值。
为了进一步约束基于碎屑锆石U-Pb地质年代学诊断的沉积物分散模式，图9还展示了来自五个潜在物源区的碎屑锆石U-Pb年龄谱。如果先不考虑二叠纪（270-290 Ma）的峰值年龄，三叠系砂岩的碎屑锆石年龄群（429-440 Ma的峰值）通常与北淮阳带（447 Ma的峰值）显示出明显的相似性。然而，在三叠系中，对于二叠纪的U-Pb年龄群，附近没有明显的潜在物源区。
本文推测二叠纪锆石颗粒可能存在两个来源。第一个潜在物源是通过来自华南板块下扬子地区二叠系（例如龙潭组）的沉积再循环作用。然而，以下两个证据表明早期沉积的二叠系不可能是三叠系的物源区：（1）锆石U-Pb年龄谱不匹配。除了二叠纪锆石峰值（约269 Ma），龙潭组还具有一个约18亿年的主要峰值年龄，而本研究中的三叠系只有极少量的古元古代碎屑锆石颗粒；（2）龙潭组砂岩的岩屑类型主要是酸性火山岩（Li et al., 2017），而本研究中的三叠系砂岩主要由变质岩岩屑组成，也缺乏特征性的下扬子地区广泛分布的二叠纪灰岩地层再旋回作用形成的灰岩岩屑。因此，可以排除来自下扬子地区下伏古老二叠系的再旋回或直接来自晚古生代大陆弧的可能贡献。第二种可能性则是这些二叠纪年龄的颗粒来自大别造山带自身。
综上，本文推断所研究的三叠系的物源来自于初始旋回的二叠纪变质岩（千枚岩-片岩岩屑，金红石和磷灰石颗粒的主要来源）和变质作用过程中相关的岩浆岩（锆石的主要来源），以及来自大别造山带北淮阳带的古生代地层的再旋回作用（高含量石英的主要来源）。本研究中的多种碎屑矿物U-Pb年龄和地球化学数据首次揭示了大别造山带周缘三叠纪盆地记录的一次二叠纪变质事件。
5 早于二叠纪的大陆初始俯冲
本文首次在大别造山带中发现了二叠纪（约270-290 Ma）变质事件，这触发了更多的问题而非答案。尤其是，这个二叠纪变质事件的构造意义是什么？广泛发育的三叠纪超高压变质作用是否真正标志着华北克拉通和扬子陆块之间古特提斯洋的闭合及随后的大陆深俯冲作用？首要的问题是华北克拉通和扬子陆块之间在石炭纪-二叠纪时期是否仍存在洋盆。
本文基于以下证据表明华北克拉通和扬子克拉通早在早古生代晚期就发生了碰撞，已经拼合在一起了，而晚古生代期间华北板块和华南板块之间没有洋盆存在。主要证据有：
（1）地层和沉积记录：华南板块下扬子地区在石炭纪-二叠纪时期是一个稳定的浅海碳酸盐岩台地，而华北克拉通南缘是浅水的含煤石炭纪-二叠纪地层。北淮阳带中唯一未变质的石炭系-二叠系也是含煤的碎屑海岸沉积物（Cheng et al., 2021）。华北克拉通和扬子板块之间缺乏石炭纪-二叠纪可能的大洋深水沉积，并且没有任何石炭纪-二叠纪蛇绿岩缝合带（杨志华等, 1994）、增生杂岩、俯冲相关岩浆岩、弧后盆地或双变质带的证据 （王清晨和从柏林, 1998），这说明推测的石炭纪-二叠纪洋壳很有可能并不存在。
（2）古生物记录：北淮阳带的中石炭世-二叠纪植物群具有华夏植物群的亲缘性（Chang, 1996），这一时期华北克拉通和扬子板块同样属于华夏植物群区系。
（3）碎屑物源记录：大别造山带北淮阳带的石炭纪-二叠纪（变质）沉积岩的碎屑物源自泥盆纪以来就来自华北克拉通和扬子板块的混合源区（Tuo et al., 2022）。
因为晚古生代华南和华北之间没有洋盆存在的可靠证据，推测两个板块至少在晚古生代之前已经发生碰撞。因此，我们将本次研究发现的二叠纪（约270-290 Ma）变质事件解释为扬子陆块向华北克拉通之下发生北向大陆俯冲作用的结果。如果事实如此的话，这意味着大别造山带的大陆俯冲作用早在早二叠世之前就开始了（图10）。这种推论得到了来自零星的中-高级二叠纪变质基岩的地质年代学数据的支持，以及有限的古地磁和沉积物物源数据的支持（详见Deng et al., 2024中的总结）。
本文提供的新数据对大别造山带大陆俯冲的时间提供了一个新认识，支持大别造山带发生过一期二叠纪变质事件，代表了大别造山带二叠纪大陆俯冲作用的开始。事实是否如此，还需要后续多学科的进一步研究。
图10 大别造山带及其周缘盆地的盆山耦合关系
早二叠世（A）、中-晚三叠世（B）期间大别造山带及其附近沉积盆地的构造重建示意图，并显示了大别造山带的剥露单元；（C）郯庐断裂带-大别/苏鲁造山带和三叠纪沉积盆地的关系，示意同碰撞盆地模型。
本文第一作者为南京大学博士后，相关问题交流可通过邮件[email protected]与作者联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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