赞比亚班韦乌卢变质克拉通东北部姆巴拉组碎屑锆石U-Pb 年龄和Hf 同位素特征

任军平, 古阿雷, 王 杰, 孙宏伟, 左立波, 孙 凯, 许康康,CHIPILAUKA Mukofu, EVARISTO Kasumba, DANIEL Malunga,杜明龙, 邢 仕, 刘子江, 张津瑞, 董津蒙

(1. 中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170; 2. 赞比亚地质调查局, 赞比亚 卢萨卡 P. O.Box 50135; 3. 河北省地矿局第五地质大队, 河北 唐山 063000)

克拉通是前寒武纪长期稳定的构造单元,其稳定性归就于存在一个厚大的岩石圈地幔(Black and Liégeois,1993)。 同时,克拉通可能参与大陆碰撞,并部分重新活化形成大陆残片,其进一步演化可形成流变学、地质年代学和同位素特征相似的“变质克拉通”(Abdelsalam et al., 2002)。 太古宙和元古宙是大陆地壳形成的重要时期,了解该时期大陆地壳的演化史将为探究大陆地壳起源、巨量生长与稳定以及全球性板块构造作用的启动和建立等诸多重大科学问题提供有效线索(Condie,1998;第五春荣,2021)。

班韦乌卢变质克拉通(Bangweulu Metacraton)的概念首次由De Waele et al. (2006a)提出,但其活动时间和地壳增长未系统阐述,他依据基底花岗片麻岩等(元古宙地壳残片)同位素和岩石地球化学成果圈定了太古宙班韦乌卢变质克拉通范围,主要包括班韦乌卢地块(Bangweulu Block)、伊鲁米德(Irumide)构造带和卢费里安(Lufilian)构造带区域,涉及赞比亚北部、坦桑尼亚西南部和刚果(金)东南部地区(图1)。

图1 南部非洲地区构造简图(a)和班韦乌卢变质克拉通地质图(b)(修改自De Waele et al.,2006a)Fig.1 Tectonic framework of southern Africa (a) and geological map of the Bangweulu Metacraton (b)

沉积岩的碎屑锆石U-Pb 年龄及Hf 同位素数据能够收集较大面积不同类型岩石的信息,其中碎屑锆石U-Pb 年龄可以推测地层的最大沉积年龄及源区岩石特征,Hf 同位素可以有效探讨克拉通的活动时间和地壳增长问题(万渝生等,2015;Li et al.,2013)。 本文利用姆巴拉(Mbala)组中砂岩的碎屑锆石U-Pb 年龄及Hf 同位素数据,结合班韦乌卢变质克拉通中 Armstrong et al. (2005)、Master et al.(2005)、De Waele et al. (2007)、任军平等(2019a)、孙宏伟等(2021)、邢仕等(2021)和杜明龙等(2021)等碎屑锆石数据,系统总结姆巴拉组的最大沉积年龄和源区岩石特征,进一步探讨班韦乌卢变质克拉通的活动时间和地壳增长问题。

1 地质背景

班韦乌卢变质克拉通主要包括班韦乌卢地块、伊鲁米德构造带和卢费里安构造带三部分(De Waele et al.,2006a)。

1.1 班韦乌卢地块

Drysdall et al. (1972)首次提出“班韦乌卢地块”的概念并做了较系统地总结,Kröner(1977)称其为赞比亚克拉通(Zambian Craton),研究的焦点是班韦乌卢地块是否存在太古宙基底。 Andersen and Unrug(1984)对班韦乌卢地块的构造演化进行了较为详细的研究。 Unrug(1984)对赞比亚东北部古元古代姆波罗科索群(Mporokoso Group)地层及其沉积序列进行了研究,同时将阿伯康(Abercorn)砂岩定义为姆波罗科索群下卡萨马组的一部分。Andrews-Speed(1986,1989)详细研究了班韦乌卢地块中含金地层及其基底特征(Ren et al., 2021),认为基底岩石中不含金,金可能与坦桑尼亚克拉通中的绿岩带有关;NW-SE 向展布的乌本迪构造带将班韦乌卢地块从太古宙坦桑尼亚克拉通中分离出来(2.93 ~2.53 Ga;Pinna et al.,1999),其碰撞造山的时间为2.00 ~1.85 Ga(Lenoir et al., 1994;Boven et al.,1999)。 De Waele et al. (2006a)认为班韦乌卢地块是从中非的刚果克拉通(Congo Craton)演化而来,并且与乌本迪构造带的演化密切相关。 任军平等(2018a)对卡萨马—陇都地区碎屑锆石裂变径迹年代学特征进行了研究。

在班韦乌卢地块中,基底包括片岩、片麻岩、酸性变质火山岩和花岗岩类,年龄特征见表1。 其中,泥质片岩带出露于地块西部,与Mulungwizi 片麻岩岩体的走向类似(Schandelmeier,1981)。 沉积盖层穆瓦超群(Muva Supergroup)不整合覆盖于基底之上,包括姆波罗科索群、卡萨马群/米托巴(Mitoba)河群、曼甘加(Manganga)河群和曼希亚(Manshya)河群(任军平等,2016)。 其中,Andersen and Unrug(1984)认为姆波罗科索群地层的沉积总厚度超过5 km,其从下至上依次包括姆巴拉(Mbala)组、萨马(Nsama)组、卡布韦卢马(Kabweluma)组和奇波特(Chibote)组。 南非地球科学委员会(2009)编制的1∶250 万南部非洲发展共同体(SADC)国家地质图中,将班韦乌卢地块的基底划为新太古代,盖层划为古元古代。

表1 班韦乌卢地块岩浆岩年龄统计Table 1 Summary of isotopic ages for the Bangweulu Block

1.2 伊鲁米德构造带

Ackermann(1950)首次提出并描述“伊鲁米德构造带”,认为其属于一个古元古代地体,分布于赞比亚中东部地区,北东端可达乌本迪构造带,南西端可达乔马—卡洛莫(Choma-Kalomo)地块。 该构造带的地质填图工作开始于上世纪60 年代。

在伊鲁米德构造带中,基底包括片麻岩和花岗岩类,年龄特征见表2。 姆库希(Mkushi)片麻岩杂岩体位于该带西南部,包括条带状黑云母片麻岩,眼球状片麻岩和斑状花岗质片麻岩,形成时代属于古元古代(Rainaud et al., 2005;De Waele et al.,2006b)。 侵入姆库希片麻岩杂岩体和通过地质填图发现的花岗岩类锆石SHRIMP U-Pb 年龄分别为1.65Ga 和 1.05 ~1.02 Ga(De Waele et al.,2003b)。沉积盖层主要是穆瓦超群中的曼希亚河群,其与区域上的卢费里安、赞比西和莫桑比克等构造带中的沉积岩相比,曼希亚河群顶部缺乏碳酸盐岩的分布(Daly and Unrug,1982),表明伊鲁米德构造带一直处于构造演化过程中,从未处于相对稳定的沉积阶段。 另外,在前陆区域和构造带中部均显示出地壳缩短的特点(Daly et al.,1984;Mapani,1992)。

表2 伊鲁米德构造带岩浆岩年龄统计Table 2 Summary of isotopic ages for the Irumide Belt

1.3 卢费里安构造带

Garlick 首次提出“卢弗里安构造带”(任军平等,2013),其形成于罗迪尼亚超大陆裂解,以及新元古代晚期至显生宙早期的碰撞、变形和变质作用时期。 De Swardt et al. (1965)对卢弗里安构造带的研究实施了开拓性工作,后期许多地质工作者也开展了大量的研究工作(Cosi et al., 1992;Cailteux et al., 2005;Mc Gowan et al., 2006;Kampunzu et al.,2009;Muchez et al.,2010;Ren et al., 2017,2020;任军平等,2013,2017a,2017b,2018b,2021a;许康康等,2021)。

在卢费里安构造带中,基底主要包括古元古代的片岩、片麻岩和花岗岩类,年龄特征见表3。 除少量来源于新太古代的花岗片麻岩信息外(SHRIMP锆石 U-Pb 为 2738 ±24 Ma;De Waele et al.,2009),其他各类岩石年龄主要介于(2058 ±7 Ma) ~(1853±58 Ma)之间(Key et al., 2001;Ren et al., 2017)。从目前数据看,恩昌加(Nchanga)花岗岩是基底中最年轻的侵入岩(SHRIMP 锆石U-Pb 年龄为883 ±10 Ma;Armstrong et al., 2005),其以不整合形式被新元古代加丹加(Katanga)超群覆盖(Cailteux et al.,1994)。 沉积盖层主要为加丹加超群,Cailteux and De Putter(2019)在基于前人对该带地层大量研究的基础上(Kampunzu and Cailteux,1999;Key et al.,2001;Wendorff,2005;Master et al., 2005;Cailteux et al.,2005,2007),对加丹加超群的地层层序重新进行了梳理,将其中的罗安群从下至上分为穆索诺伊亚群(R1)、矿山亚群(R2)、丰谷鲁梅亚群(R3)和穆瓦夏亚群(R4);恩古巴群从下至上分为姆瓦尔(Mwale)“大砾石层”(Ng-1)、蒙贝(Muombe)亚群(Ng-2)和本凯亚(Bunkeya)亚群(Ng-3);昆德隆古群由下至上分为金达姆(Kyandamu)“小砾石层”(Ku-1)、贡贝拉(Gombela)亚群(Ku-2)和恩格尔(Ngule)亚群(Ku-3)。

表3 卢费里安构造带中岩浆岩年龄统计Table 3 Summary of isotopic ages for the Lufilian Belt

2 分析方法

2.1 样品采集及描述

采集样品为卡帕图(Kapatu)地区姆巴拉组一段上部的石英砂岩(D4127GS,图1),经纬度坐标为:30°35′9″E,9°41′33″S,样品重量约 3 kg。 姆巴拉组地层野外露头较少,主要沿着一个小沟谷出露,地表多以风化的岩屑为主(任军平等,2021b)。 手标本及其显微镜下的特征分别见图2a 和b。 石英砂岩样品的原始颜色为灰白色,风化色为浅紫色,颗粒呈次棱角状—次圆状,中等粒度(0.15 ~ 0.45 mm),砂状结构,块状构造。 石英砂岩主要由石英(93%)、硅质(燧石或变石英岩)碎屑(2%)、硅质或少量泥质胶结物(4%)和绢云母(1%)组成。

图2 石英砂岩(D4127GS)的手标本(a)和显微特征(b)Fig.2 Hand specimens (a) and micrograph (b) of quartz sandstone (D4127GS)

2.2 锆石挑选及样品制备

锆石分选由廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成,制靶、阴极发光图像(CL)照相由北京锆年领航科技有限公司完成,锆石透射光及反射光照相与观察工作在中国地质调查局天津地质调查中心实验室进行。 首先,室内对野外采集的岩石样品进行粉碎和自然晾干,利用电磁选及重液选等方法,对晾干后的样品进行单矿物提纯,分离出锆石单矿物。 其次,手工挑选锆石颗粒粘贴到不含U、Pb 和Th 的环氧树脂靶中,打磨和抛光样品靶使得锆石颗粒的中心出露。 在分析锆石的U/Pb 含量之前,在双目显微镜下确定了锆石颗粒的位置、显微结构和靶区。 本次研究共挑选石英砂岩中104 颗锆石进行U-Pb 同位素测年,并对其中77 颗碎屑锆石进行了Lu-Hf 同位素测试研究。

2.3 LA-MC-ICP MS 锆石 U-Pb 同位素

根据可见光和CL 图像(图3),选取锆石颗粒测点的合适位置,以避开晶体中的裂纹、包裹体及不同结晶世代的区域。 其中,石英砂岩样品的锆石多为椭圆状—圆状,反映它们具有搬运磨蚀的特征。粒径为80 μm ~130 μm,长宽比为 1∶1 ~2∶1,大部分锆石重结晶或增生边不明显,振荡环带发育,具有酸性岩浆锆石的特征。 锆石U-Pb 同位素分析在中国地质调查局天津地质调查中心实验室用激光烧蚀多接收器等离子体质谱仪(LA-MC-ICP MS)完成,将美国ESI 公司生产的NEW WAVE193 nm FX ArF 准分子激光器与 Thermo Fisher 公司生产的Neptune 多收器电感耦合等离子体质谱仪联用,采用氦气作为剥蚀物质的载气,激光束斑直径为35μm,剥蚀时间为30 s,剥蚀深度约为20 μm,具体参数见Geng et al. (2017)。 采用中国地质大学刘勇胜博士研发的 ICPMS Data Cal 程序(Liu et al.,2010)和Ludwig 的 Isoplot 程序进行数据处理。 同时,利用SRM610 玻璃标样作为外标计算锆石样品的 U、Pb 和 Th 含量。

图3 石英砂岩(D4127GS)样品锆石阴极发光(CL)图像、测点编号及207Pb/ 206Pb 年龄Fig.3 CL image, point numbers and U-Pb isotopic ages of zircons from the quartz sandstone (D4127GS)

2.4 锆石Lu-Hf 同位素

锆石原位微区Lu-Hf 同位素测试由中国地质调查局天津地质调查中心实验室利用激光烧蚀多接收器等离子体质谱仪(LA-MC-ICP MS)完成。 测试位置与锆石U-Pb 同位素位置相同,采用单点剥蚀,激光束斑直径为51 μm,剥蚀深度约为20 μm。 测试过程中用GJ-1 和91500 标准锆石做标样,并通过指数方法进行同质异位数干扰校正,标样的测定结果与标准值在误差范围内一致。 具体分析方法见文献耿建珍等(2011)。

3 分析结果

3.1 LA-MC-ICP MS 碎屑锆石U-Pb 同位素

利用LA-MC-ICP MS 锆石U-Pb 分析方法对来源于石英砂岩(D4127GS)的碎屑锆石进行测试。 分析结果见图4 和附表1①,标注 U-Pb 和 Lu-Hf 同位素分析结果的典型的碎屑锆石CL 图像见图3。 共分析了104 个锆石颗粒,获得了其U-Pb 同位素组成,其中88 个锆石颗粒的年龄值一致性在97% ~100%之间。 88 个年龄数据分布范围为(2728 ±22 Ma) ~ (1833 ± 22 Ma),其中一个年龄组区间为2728 ~2602 Ma(峰值为2650 Ma),另一个年龄组区间为2246 ~1833 Ma(峰值为1880 Ma)。 除测试点41、42 和84 以外,锆石 Th/U 比值主要介于 0.10 ~1.66 之间,显示岩浆锆石属性(Hoskin and Black,2000)。 19 个测年数据可能来源于同一岩浆岩,其上交点年龄是1985 ±17 Ma。 测试点18 的207Pb/206 Pb 年龄为2594 ±19 Ma(谐和度为 91%),Th/U 比值为 0.37。 测试点 23 的207Pb/206 Pb 年龄为 2502 ±20 Ma(谐和度为94%),Th/U 比值为0.89。

图4 石英砂岩(D4127GS)锆石U-Pb 谐和图(a)及直方图(b)Fig.4 LA-MC-ICP MS U-Pb concordia diagrams (a) and histogram (b) of detrital zircons from quartz sandstone (D4127GS)

3.2 碎屑锆石Lu-Hf 同位素

在U-Pb 同位素测试的基础上,对石英砂岩(D4127GS)中的锆石进行了Lu-Hf 同位素测试,测试结果见图3、图5 和附表2①。 锆石 Lu-Hf 同位素的点编号与锆石U-Pb 同位素的点编号一致。 分析结果显示77 颗锆石的176Lu/177 Hf 比值为0.0004 ~0.0020,显示出放射成因Hf 含量非常低,可以忽略。176Hf/177Hf 比值为0.280922 ~0.281632,可能代表了初始Hf 同位素组成(Amelin et al., 1999)。 在锆石年龄-εHf(t)图解(图5a)中,数据投点整体位于球粒陨石演化线下侧,表明以除来自古老地壳的再循环物质外,还存在少量新生地壳的物质来源。66 颗古元古代碎屑锆石的(176Hf/177Hf)i值为0.281126 ~0.281583,εHf(t)值为 -11.8 ~ +3.0,tDM2年龄变化范围为3260 ~2543 Ma(图5b);11 颗太古宙碎屑锆石的(176Hf/177Hf)i值为0.281126 ~0.281583,εHf(t)值为 -7.9 ~ +0.8,tDM2年龄变化范围为3587 ~3083 Ma(图5b),明显大于锆石的形成年龄。

图5 石英砂岩(D4127GS)碎屑锆石Lu-Hf 同位素组成Fig.5 Lutetium-Hf isotopic composition of detrital zircons from quartz sandstone (D4127GS)

4 讨论

4.1 沉积年龄

碎屑锆石年龄谱中最小U-Pb 年龄可以代表其原岩沉积时间下限(陆松年等,2006;Yang et al.,2013)。 De Waele et al. (2006a)获得曼萨地区卡布韦卢马组的最大沉积时限为1824 ±19 Ma。 邢仕等(2021)获得卡帕图西部卡布韦卢马组的最大沉积时限为1712 ±22 Ma。 孙宏伟等(2021)获得卡萨马西部变质表壳岩的最大沉积时限为1522 ±23 Ma。任军平等(2019a)通过研究卡萨马群的碎屑锆石UPb 年龄和Hf 同位素特征,认为卡萨马群的形成时间可能晚于1434 ±14 Ma。 杜明龙等(2021)获得伊索卡南部Kachinga 4 件长石石英砂岩的最大沉积时限为1331 ±26 Ma。 根据班韦乌卢变质克拉通中地层沉积序列,本次工作获得卡帕图地区姆巴拉组一段上部的石英砂岩(D4127GS)中最小的碎屑锆石年龄为1833 ±22 Ma(点号27),其地层沉积时间可能介于(1833 ±22 Ma) ~(1712 ±22 Ma)之间,属于古元古代。

4.2 物源分析

本次利用LA-MC-ICP MS 锆石U-Pb 分析方法获得卡帕图地区姆巴拉组石英砂岩(D4127GS)的碎屑锆石2728 ~2602 Ma(峰值为2650 Ma)和2246 ~1833 Ma(峰值为1880 Ma)两个重要年龄区间。 从目前资料来看,2728 ~2602 Ma(峰值为2650 Ma)的年龄区间在班韦乌卢地块中还是首次较大数量的发现,前人仅在班韦乌卢地块南部与卢费里安构造带东部交界的Kapiri Mposhi 地区报道了花岗岩锆石 SHRIMP U-Pb 年龄为 2727 ± 36 Ma(De Waele et al.,2005),表明班韦乌卢地块内部新太古代岩浆活动相对较弱。 Andrews-Speed(1986,1989)认为姆巴拉组的沉积物可能来源于坦桑尼亚克拉通的绿岩带。 De Waele et al. (2006a)认为班韦乌卢地块是从中非的刚果克拉通演化而来,坦桑尼亚克拉通又是距离班韦乌卢地块最近的刚果克拉通的重要组成部分。 Sanislav et al. (2014)认为坦桑尼亚克拉通中与绿岩带有关的最重要的地壳生长时间约为2700 Ma,其主要与花岗岩、花岗闪长岩、粗面安山岩、流纹岩等岩石有关。 2246 ~1833 Ma(峰值为1880 Ma)的年龄区间在班韦乌卢地块中报道较多(Andersen and Unrug,1984;De Waele and Fitzsimons,2007;任军平等,2019a,b,c;左立波等,2020;古阿雷等,2021;表1),主要来源于似斑状正长花岗岩、正长花岗岩、黑云母花岗岩、二长花岗岩、黑云母二长花岗岩、黑云母花岗闪长岩、石英闪长岩及火山岩类等。

4.3 变质克拉通活动时间

在班韦乌卢变质克拉通中,本次研究利用LAMC-ICP MS 锆石U-Pb 测试方法获得卡帕图地区姆巴拉组石英砂岩(D4127GS)的年龄数据,其中88 个锆石年龄数据分布范围为2728 ~1833 Ma。 比亚诺(Biano) 群中(KPM3) 红色粉砂岩和基普希(Kipushi)矿床(K30—41,151 ~207 m)钻孔中巨砾岩碎屑锆石SHRIMP U-Pb 年龄分别为1977 ~1689 Ma 和1945 ~1846 Ma(Master et al.,2005)。 上覆于恩昌加花岗岩的下罗安组(lower Roan)砂岩(LRS2)和长石砂岩(LRS1)碎屑锆石SHRIMP U-Pb 年龄分别为2018 ~1699 Ma 和 1995 ~1676 Ma(Armstrong et al., 2005)。 从穆索希(Musoshi)(SPOTMU 和MUS3)、 孔 科 拉 (Konkola) (KNS7) 及 谦 比 希(Chambishi)盆地(RCB2/4)的下罗安组中获得四件长石砂岩碎屑锆石SHRIMP U-Pb 年龄分别为2081~1570 Ma、2066 ~1883 Ma、1996 ~1694 Ma 和 2062~1813 Ma(Master et al., 2005)。 从 下 卡 萨 马(Kasama)组二段中获得紫红色粉砂岩(DPM01-18)碎屑锆石LA-MC-ICP MS U-Pb 年龄为2783 ~1540 Ma,主要集中于1993 ~1849 Ma(任军平等,2019a)。从卡诺纳(Kanona)群底部的砾岩(MK8)、姆波罗科索群卡布韦卢马组的石英砂岩(MA6)、曼希亚河群石英砂岩(IL14)及卡萨马群石英砂岩(KAS)中获得碎屑锆石SHRIMP U-Pb 年龄分别为2057 ~1953 Ma、2710 ~1805 Ma、3011 ~1860 Ma 及 2593 ~1434 Ma(De Waele and Fitzsimons,2007)。 从穆富利拉(Mufulira)南部地区穆瓦超群石英砂岩(MVQ1)中获得碎屑锆石SHRIMP U-Pb 年龄为3180 ~1941 Ma(Rainaud et al.,2003)。 孙宏伟等(2021)获得卡萨马西部变质粉砂岩(D0018)中碎屑锆石LA-MC-ICP MS U-Pb 年龄为2244 ~1902 Ma,总体呈现1980 Ma一个明显的主峰值年龄和2044 ~1954 Ma、2244 ~2059 Ma 及1943 ~1902 Ma 三个年龄组;变质粉砂岩(D5590)中碎屑锆石LA-MC-ICP MS U-Pb 年龄为3034 ~1522 Ma,总体呈现2000 Ma 一个峰值年龄和2490 ~2060 Ma、2036 ~1958 Ma、1942 ~1887 Ma、1865 ~1817 Ma 以及1641 ~1522 Ma 五个年龄组,此外获得两个太古宙的碎屑锆石年龄分别为2671±20 Ma 和 3034 ±19 Ma。 邢仕等(2021)获得卡布韦卢马组石英砂岩(D2003)中碎屑锆石LA-MC-ICP MS U-Pb 年龄为(2228 ±20 Ma) ~(1742 ±22 Ma),呈现两个明显的年龄峰值分别为2050 Ma 和1850 Ma;长石石英砂岩(D5013)中碎屑锆石LA-MC-ICP MS U-Pb 年龄为(2087 ±23 Ma) ~(1712 ±22 Ma),年龄峰值为1780 Ma。 杜明龙等(2021)获得伊索卡南部2 件长石砂岩碎屑锆石LA-MC-ICP MS U-Pb年龄,其中 TGS01 中碎屑锆石年龄为(2144 ± 23 Ma) ~ (1331 ±26 Ma),主要年龄分布于1950 ~1700 Ma 之间;TGS02 中碎屑锆石年龄为(2677 ±21 Ma) ~ (1488 ±27 Ma),主要年龄分布于1950 ~1750 Ma。

上述所有碎屑锆石年龄数据见图6,从图中明显看出班韦乌卢变质克拉通的活动时间划分为中太古代、新太古代、古元古代和中元古代四个时期,其中古元古代为活动的高峰期。 中太古代最大的年龄为3180 Ma,其活动峰值时间主要有两个,分别为3020 Ma 和2810 Ma,其中3020 Ma 的活动最为重要,主要分布于穆富利拉、卡萨马及姆皮卡地区。新太古代的活动峰值时间主要有两个,分别为2650 Ma 和2570 Ma,其中2650 Ma 的活动最为重要,主要分布于穆富利拉和卡帕图地区。 古元古代的活动峰值时间主要有七个,分别为2490 Ma、2370 Ma、2190 Ma、2030 Ma、1970 Ma、1870 Ma 和 1770 Ma,其中1870 Ma 的活动最为重要,主要分布于伊索卡、卡萨马、卡帕图、曼萨、恩昌加、谦比希、穆索希及姆皮卡等地区。 中元古代最小的年龄为1331 Ma,其活动高峰期时间为1490 Ma,主要分布于伊索卡地区。由于坦桑尼亚克拉通中侵入体、火山岩及太古宙基底再活化的锆石U-Pb 年龄主要峰值分别约为3030 Ma 和2670 Ma(Sanislav et al., 2014),因此班韦乌卢变质克拉通内中太古代和新太古代的活动可能与坦桑尼亚克拉通演化密切相关。 古元古代时期班韦乌卢变质克拉活动强烈,其中最为重要的时间为古元古代的1870 Ma,该时间与全球范围内2.0 ~1.8 Ga 由碰撞造山所形成的哥伦比亚超大陆演化时间基本一致。 中元古代的活动高峰期时间为1490 Ma,主要与伊鲁米德构造带的演化有关。

图6 班韦乌卢变质克拉通碎屑锆石U-Pb 年龄特征(Rainaud et al.,2003;Master et al.,2005;Armstrong et al.,2005;De Waele and Fitzsimons,2007;任军平等,2019a;孙宏伟等,2021;邢仕等,2021;杜明龙等,2021)Fig.6 U-Pb zircon ages from the Bangweulu Metacraton

4.4 变质克拉通地壳增生

锆石的Lu-Hf 同位素是探测地壳和地幔物质演化历史的一种非常灵敏的地球化学示踪剂(Blichert-Toft and Albarède,1997)。 铪(Hf)元素比镥(Lu)元素在熔融过程中更易于熔融,所以地壳中的176Lu/177Hf值和176Hf/177Hf 值一般均低于地幔中的数值。 显示正εHf(t)值的岩浆岩通常被认为是来自亏损源区的部分熔融,而显示负εHf(t)值的岩浆岩则被认为是来自古老地壳。 鉴于多数的锆石来自地壳物质的再循环,所以使用锆石的二阶段模式年龄来进行探讨(吴福元等,2007)。

本次工作获得卡帕图地区姆巴拉组石英砂岩(D4127GS)77 颗锆石Lu-Hf 同位素数据,其显示εHf(t)值变化区间为-11.8 ~ +3.0。 77 颗锆石的tDM2年龄为3587 ~2543 Ma,平均值为2913 Ma。 任军平等(2019a)获得卡萨马组粉砂岩(DPM01-18,N =22) 中碎屑锆石的176Hf/177 Hf 值为 0.281049 ~0.281618,其εHf(t)值变化区间为 -12.8 ~ -1.6(图7 a),对应的tDM2年龄为3487 ~2406 Ma(图7 b)。 邢仕等(2021)获得卡布韦卢马组石英砂岩(D2003,N = 83) 中碎屑锆石的176Hf/177 Hf 值为0.281221 ~0.281754,其εHf(t)值变化区间为-8.6~ +5.1(图7 a),对应的tDM2年龄为3228 ~2250 Ma(图7 b);同时获得长石石英砂岩(D5013,N =90)中碎屑锆石的176Hf/177 Hf 值为 0.281408 ~0.281840,其εHf(t)值变化区间为-8.9 ~ +4.3(图7 a),对应的tDM2年龄为3034 ~2175 Ma(图7 b)。孙宏伟等(2021)获得卡萨马西部花岗岩体中的变质粉砂岩捕掳体中碎屑锆石的176Hf/177 Hf 值为0.281383 ~0.281808,其εHf(t)值变化区间为-6.3~ +7.4(图7 a),对应的tDM2年龄为2984 ~2150 Ma(图7 b)。

综上所述,班韦乌卢变质克拉通的5 件岩石样品中锆石的εHf(t)值由负到正变化范围较大(图7a),表明它们除来自古老地壳的再循环物质外,还存在新生地壳的物质。 同时,tDM2年龄分布范围广(3587 ~2150 Ma),属于古太古代—古元古代,表明班韦乌卢变质克拉通的地壳在该时期均实现了增长,并且地壳增生事件主要形成于古元古代2150 Ma 之前。tDM2年龄的峰值分别为中太古代的2850 Ma 和新太古代的2550 Ma(图7 b),其中以新太古代的2550 Ma 时期增长最快,这一重要的增生事件可能与凯诺兰(Kenorland)超大陆聚合过程有关(2.6 ~2.4 Ga;Pehrsson et al., 2013)。 与班韦乌卢变质克拉通关系密切的坦桑尼亚克拉通的地壳主增长期为 2.85 ~2.80 Ga、2.77 ~2.73 Ga、2.70 ~2.62 Ga 三个时期,表明二者在古元古代之前的地壳主增长期基本一致,且与全球大陆地壳主增长期基本一致(Condie,1998)。

图7 班韦乌卢变质克拉通锆石Hf 同位素特征(任军平等,2019a;邢仕等,2021;孙宏伟等,2021)Fig.7 Hf isotope composition from the Bangweulu Metacraton

5 结论

(1)卡帕图地区姆巴拉组沉积岩的形成时间可能介于(1833 ±22 Ma) ~(1712 ±22 Ma)之间,属于古元古代,可能与乌本迪构造带的演化有关。

(2)卡帕图地区姆巴拉组具有丰富的物质来源,其中2728 ~2602 Ma(峰值为2650 Ma)的物质可能来源于坦桑尼亚克拉通中的花岗岩类、粗面安山岩和流纹岩等岩石。 2246 ~1833 Ma(峰值为1880 Ma)的物质主要来源于班韦乌卢地块中花岗岩岩类、石英闪长岩及火山岩类等岩石。

(3)班韦乌卢变质克拉通的活动时间包括中太古代、新太古代、古元古代和中元古代四个时期,其中古元古代为活动的高峰期,1870 Ma 的活动最为重要。 变质克拉通内中太古代和新太古代、古元古代及中元古代的强烈活动分别与坦桑尼亚克拉通、哥伦比亚超大陆及伊鲁米德构造带的演化密切相关。

(4)班韦乌卢变质克拉通沉积岩的源区地壳增生除来自古老地壳的再循环物质外,还存在新生地壳的物质。 同时,地壳在古太古代—古元古代均实现了增长,其中凯诺兰超大陆聚合时期(2550 Ma)增长最快。 变质克拉通在古元古代之前的地壳主增长期与坦桑尼亚克拉通及全球大陆地壳主增长期基本一致。

致谢:在野外工作和室内研究过程中得到ALPHET PHASKANI Dokowe、EZEKIAH Chikambwe、CHISHIMBA Canisius、ABRAHAM Mukangwa、张航、卢宜冠、何胜飞、彭丽娜及纪山青等同行的大力支持,在成文过程中匿名审稿专家、编辑老师和东华理工大学地球科学学院戴朝成副教授提供了宝贵的意见,碎屑锆石挑选由廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成,碎屑锆石U-Pb-Hf 同位素分析由中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成,在此一并表示真诚的感谢!

注释:

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