王涛等-CEE：同位素填图定量刻画造山带与地壳生长

来源:地调局地质所作者:王涛发布时间:2023-04-12

科学问题：如何定量刻画造山带与地壳生长及其相互关系？

　　造山带记录了最全的地球演化历史，是地质学的发源地。特别是，造山带是地壳生长的主要场所，记录了大陆地壳独特的形成和演化历史。因此，造山作用和地壳生长及其关系是地球科学的基本问题。但是，两个究竟有什么关系？如何量化描述？这些问题始终没有很好解决。

　　其中，造山带划分、描述、研究一直是固体地球科学研究的核心内容。前人已从多种角度对造山带进行分类、描述和研究，如最为常用的增生、碰撞和陆内（克拉通内，或裂离）三个基本端元类型。然而，自然界中绝大多数造山带都是连续过渡的，包括从俯冲增生到碰撞再到陆内，犹如连续变化的光谱。这导致对一些造山带类型的鉴别、划分意见不一。关键原因在于，对造山带的描述多是定性的，缺乏定量的指标。因此，寻求客观、定量描述的指标至关重要，也是固体地球科学由定性向定量不断发展的必经之路和探索方向。如何寻找定量指标是具有挑战性的难题。

　　针对上述科学问题和难题，中国地质科学院地质研究所（简称“地质所”）北京离子探针中心的王涛研究员团队，依托主持的IGCP662项目，联合中国科学院新疆分院生态与地理研究所肖文交院士、地质所侯增谦院士以及澳大利亚科廷大学、加拿大滑铁卢大学、英国自然历史博物馆和北京大学等国内外知名专家，通过建库编图，应用数据库（库）+数字编图（图）+科学研究（文）三位一体的研究范式，对全球典型的8个造山带，开展同位素示踪填图，以新生地壳的面积比例，确定地壳生长量，定量刻画造山带特征及两者的关系；据此，提出了造山带的物质分类（物质造山带）—新的造山带分类，取得了原创成果。

　　相关成果发表于Nature旗下的Communications Earth & Environment。

主要进展

（1）依据同位素数据开展填图研究，确定新生地壳分布范围及面积，据此估算地壳生长量，创新制作地壳生长曲线

　　该研究利用收集和实测的大量岩浆岩全岩Sm-Nd（9332件）同位素数据，针对全球8个典型造山带，开展同位素填图研究，确定了每个造山带的同位素省及其面积，进而计算出新生（年轻）地壳（εNd(t) >0）面积分别占整个造山带面积的比例，如中亚约58%、北美科迪勒拉约54%、纽芬兰阿巴拉契亚约40%、澳大利亚拉克兰约31%、特提斯青藏高原约3%、加里东约1%、华里西约1%和秦岭大别＜1%。对定量-半定量刻画这些造山带提供了指标依据(图1)。

图1. 全球8个典型造山带Nd同位素填图。蓝色表示新生地壳（εNd(t) >0）（Wang et al., 2023a, CEE）

　　他们进一步依据同位素填图确定的同位素省及新生地壳的面积，直接定量确定了地壳生长量和生长样式即深部新老物质分布架构，并依据新生地壳面积制作了地壳生长曲线。该方法不同与以往用同位素样品数构建的地壳生长曲线，即创新了地壳生长量估算及其生长曲线制作的方法，定量表达了各造山带的地壳生长。可以直观看出（图2），4个增生型造山带（中亚、北美科迪勒拉、纽芬兰阿巴拉契亚和拉克兰）的曲线均位于右侧（εNd(t)更正，TDM2更年轻），表明这些增生型造山带含有更多（>30%）年轻地壳。直观、定量展示，增生型造山带比碰撞型造山带含有更多的年轻地壳，从定量化角度证实增生造山带是新生大陆壳生成的主要地点。

图2. 全球8个典型造山带依据新生地壳的面积制作的地壳生长曲线（Wang et al., 2023a, CEE）。

　　通过与全球地壳生长曲线对比，发现中亚造山带的生长明显不同与其他造山带（图3），显示了显著的新元古代-显生宙巨量地壳生长（Wang et al., 2023b, NSR）。

图3 中亚造山带生长曲线与青藏高原、秦岭-大别及与全球地壳生长曲线图，明显不同（Wang et al., 2023b, NSR）。

（2）依据地壳生长量、深部物质架构刻画造山带特征类型
　　通过上述8个典型造山带的对比，研究团队认识到新生地壳在造山带内的发育量能客观刻画造山带的物质组成特征；据此，他们提出根据新老物质组成，描述和划分造山带类型：新生物质为主的造山带、古老物质为主的造山带及其之间的演化过渡，提出了划分和描述造山带的图解（图4）。

图4. 依据新生地壳量即地壳生长量刻画造山带特征类型及其演变，提出物质造山带概念（Wang et al., 2023a, CEE）。

　　值得注意的是，这种物质分类方案也很好地定量描述了增生到碰撞造山带的演化特点：增生造山带：年轻地壳含量＞70%；简单增生造山带：年轻地壳含量为50%~70%；复杂增生造山带：年轻地壳含量为30%~50%；复杂碰撞造山带：年轻地壳含量为10%~30%；简单碰撞造山带：年轻地壳含量为1%~10%；碰撞造山带：年轻地壳含量为＜1%。从而，从物质角度定量描述了增生到碰撞造山带的类型及其演化。

（3）依据地壳生长量变化，追索造山带演化轨迹及威尔逊旋回
　　从威尔逊旋回的角度来看，造山作用起始于俯冲、增生，以新生地壳为主（如洋内弧），为婴儿期。此后，俯冲增生，发展为典型的增生造山带，即演变到少儿期，以中亚、科迪勒拉为代表的增生造山带；之后，再经过俯冲增生到碰撞，经历了类似拉克兰造山带等过渡性造山带（壮年期）；最后，演化到碰撞造山带（暮年期），直至进入到陆内而终结。因此，每一个造山带都可以被看作是在威尔逊旋回中演化到的某个阶段。而这种演化阶段和过程，可以利用年轻地壳面积比例的下降，半定量地示踪造山带在威尔逊旋回中的演化到的阶段（或位置）。

重要意义

　　该研究创新地提出造山带的物质分类方法，即物质造山带的概念，定量揭示了各类造山带独具特色的物质组成特征，提供了认识造山带的基石（Collings，私人通讯）。这为深入认识造山带的特征，特别是从物质组成角度定量刻画造山带，提供了新的视角和方法，是造山带研究范式由定性的表述走向定量化评估的重要一步。

　　该研究还创新了大陆地壳生长曲线的制作和地壳生长量的估算方法，为破解地壳生长量难以估算这一问题提供了技术方法。研究团队应用这些方法，即对比不同造山带生长曲线及全球地壳生长曲线进一步证实中亚造山带发育显著的显生宙地壳生长。这为回答显生宙是否发育巨量地壳生长这一长期争论的基本科学问题提供了全新的视角，即在以中亚造山带为代表的显生宙增生造山带中，新生地壳可以大量形成并保存。

　　综上，通过量化分析地壳生长，来定量揭示造山带类型及演化过程。这对于深入了解增生、碰撞造山带的本质提供了定量化指标。此外，通过同位素填图揭示深部物质架构，将地壳生长、造山带类型及成矿特征三者紧密结合起来，对于深入研究和认识三者的关系提供了依据和途径，从物质架构角度深入研究不同造山带类型及其成矿制约将是一个新的研究方向（如Wang et al., 2023b, NSR）。

　　本研究受国家重点研发计划(2019YFA0708600)、国家自然科学基金(41830216、41888101)、新疆维吾尔自治区科技重大专项(2021A03001)、中国地质调查计划(DD20190685)等项目的资助，也是对执行IGCP 662、DDE项目的贡献。

　　相关成果可点击下方链接或阅读原文：

　　Wang et al., 2023a. Quantitative characterization of orogens through isotopic mapping. Communications earth & environment (CEE). DOI: 10.1038/s43247-023-00779-5

　　https://doi.org/10.1038/s43247-023-00779-5

　　备注：在CEE发表的文章，审稿人、编辑的评审意见和作者的答复、回应等都在网上公开，有兴趣者可以查阅，以加深对研究结果的了解。

　　Wang et al., 2023b. Voluminous continental growth of the Altaids and its control on metallogeny. National Science Review (NSR). https://doi.org/10.1093/nsr/nwac283

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