综述：北阿巴拉契亚地区的地壳构造与构造单元：Nd同位素测年的启示

《Earth-Science Reviews》：Crustal architecture and tectonic terranes of the Northern Appalachians: Insights from Nd isotope mapping

基于1391个中酸-酸性火成岩Sm-Nd同位素数据，研究揭示了北美北部阿帕拉契安山脉深部地壳的异质性及构造单元划分，将区域分为5个同位素群（I-V），揭示了古老地壳基底（TDM 1.2-2.3 Ga）与新生地壳（TDM <0.9 Ga）的复杂混合，并修正了Dunagge构造单元的划分方案。

　　

王朝阳|王涛|C.R. van Staal|侯增谦|林守发

中国地质科学院深部地球与矿产资源探测国家重点实验室，北京100037

摘要

准确界定构造单元的构造框架和来源是研究造山带的基础。阿巴拉契亚造山带是研究增生造山带的理想天然实验室。然而，其构造划分的许多方面及其来源仍存在争议。本研究通过基于1391个中等到长英质岩浆样本的数据集（包括52个新的分析结果），在造山带尺度上绘制Nd同位素数据的分布图，探讨了北阿巴拉契亚地区的深部地壳构造。该图谱识别出五个不同的同位素组（I-V），这些组由贫化的地幔模型年龄（T_DM）和ε_Nd(t)值定义：组I-II（T_DM = 0.5–0.9和0.9–1.2 Ga）主要代表年轻的地壳添加物，而组III-V（T_DM = 1.2–1.4 Ga；1.4–1.7 Ga；1.7–2.3 Ga）则表明存在古老的地壳基底。劳伦蒂安边缘和劳伦蒂安边缘附近的Dunnage区域主要由具有劳伦蒂安亲缘性的古老前寒武纪地壳构成（组IV-V）。异质性的Dashwoods地块的古老同位素特征表明，它可能起源于远距离迁移的劳伦蒂安地块，而不仅仅是纽芬兰劳伦蒂安边缘裂谷作用和重新合并的简单产物。在泛冈瓦纳地区，我们发现了沿走向的显著同位素异质性，并提出了对Dunnage、Ganderia和Avalonia基底精细的构造划分，这反映了相对古老和年轻地壳来源的不同贡献。同位素特征在造山带尺度上的分布显示了原始基底异质性、地块组合的走滑作用以及较年轻覆盖层不同程度的掩蔽作用之间的复杂相互作用。我们的结果突出了北阿巴拉契亚地区纽芬兰段和 Maritime Canada-New England 段之间的主要成分差异。同位素框架为划分缝合带和主要构造单元的内部地壳特征提供了有力工具，从而有助于完善复杂增生系统的来源和古地理重建。

引言

造山带保存了大陆生长和演化过程的关键记录，是地球系统科学的核心研究焦点（例如，Dewey和Horsfield，1970；Jahn，2004；Kr?ner等人，2014）。这类系统具有复杂的成分，特别是在增生造山带中。因此，精确界定其构造单元和组成部分对于研究造山带至关重要（例如，Windley等人，2007；Cawood和Buchan，2007；Cawood等人，2009；van Staal和Zagorevski，2020）。

北阿巴拉契亚地区就是一个典型的造山系统，记录了大约4.8亿至3.6亿年前劳伦蒂安和冈瓦纳地块的增生和合并过程（图1a；Hibbard等人，2007；Hatcher，2010；van Staal，2021）。这些过程是由劳伦蒂安边缘长期的俯冲作用驱动的，最终导致了Iapetus洋和Rheic洋的闭合、多个泛冈瓦纳地块的增生，以及北阿巴拉契亚地区最终形成典型的增生造山带（van Staal和Barr，2012）。尽管经过数十年的研究，北阿巴拉契亚地区的构造架构仍在不断被探索和完善。不同的解释源于使用各种方法——如地表岩石学、地层学、沉积物来源（特别是碎屑锆石研究）和地球物理数据。早期的研究将北阿巴拉契亚地区划分为六个明显的NW–SE走向的构造单元（例如，Hibbard等人，2007；van Staal和Barr，2012；van Staal，2021）。最近，综合地层学和碎屑锆石数据使一些研究人员将Ganderia区域（van Staal等人，2021b）细分为几个独立但构造上相连的奥陶纪至泥盆纪地块组合（Waldron等人，2019；Waldron等人，2022）。

在这项研究中，我们应用Sm-Nd同位素技术对北阿巴拉契亚地区的中等到长英质火成岩进行了分析，以重建深部地壳的成分结构并重新评估现有的构造划分。利用大规模同位素图谱解码深部地壳成分的方法已在主要造山系统中得到了可靠的验证，特别是在Grenville造山带（例如，Dickin等人，2020；Dickin等人，2023）、中亚造山带（CAOB；例如，Wang等人，2023a）等地区（Wang等人，2023b）。通过整合包括52个新分析结果在内的1391个样本的全面数据集，我们生成了同位素图谱，揭示了深部地壳成分的时空分布，并勾勒出了区域地壳结构。这些结果为完善构造划分和加深对北阿巴拉契亚地区地壳结构和形成过程的理解提供了基础。

北阿巴拉契亚地区的构造单元

阿巴拉契亚造山带包括北部和南部两个部分，位于北美洲东海岸（图1a-b）。在复合劳伦蒂亚与西冈瓦纳碰撞之前的Alleghanian时期，北阿巴拉契亚地区是一个显生宙的增生造山带，这一时期劳伦蒂亚与西冈瓦纳的最终闭合和盘古大陆的聚合发生了多次俯冲和增生事件（图1a-b）。该地区的构造历史记录了多次俯冲和增生事件，其中以不同来源的地壳添加为主。

新数据

我们在纽芬兰进行了实地研究，那里是北阿巴拉契亚地区岩浆岩的最佳露头区域（Wang等人，2025），并从28个岩体中采集了52个中等到长英质火成岩样本。这些样本涵盖了该地区的所有五个构造单元，分别来自劳伦蒂安Humber和Baie Verte边缘、劳伦蒂安边缘附近的Dunnage、泛冈瓦纳边缘附近的Dunnage、Gander边缘和Avalonia区域（图2）。

Nd同位素图谱

使用1391个Nd同位素记录的完整数据集（补充表3）生成了ε_Nd(t)和T_DM的等值线图。空间插值采用Surfer v13.0软件中的逆距离加权（IDW）方法进行。为了解释采样点的分布不均匀性，我们采用了5–100公里的网格间距。随后，网格数据被转换为*.img格式，并在ArcGIS环境中重新分类，然后使用Spatial Analyst进行处理。

北阿巴拉契亚地区的深部地壳构造

一般来说，中等到长英质火成岩来源于中下地壳（Annen等人，2006；Ducea等人，2015）。它们的同位素特征继承了其深部来源的特性。因此，对这些岩石的同位素图谱分析有效地反映了中下地壳的成分和构造，为地壳从地幔中初次提取的时间提供了可靠的指标（例如，DePaolo，1981；McCulloch和Wasserburg，1978）。

结论

• （1）
  基于1391个中等到长英质岩浆样本的数据集进行的造山带尺度Nd同位素图谱分析，划分出了北阿巴拉契亚地区的五个同位素组及其分布。这些组由它们的贫化地幔模型年龄（T_DM）和ε_Nd(t)值定义。组I（T_DM < 0.9 Ga，ε_Nd(t) > +3）和组II（T_DM = 0.9–1.2 Ga，ε_Nd(t) = 0至+3）代表年轻的地壳生长区。组III（T_DM = 1.2–1.4 Ga，ε_Nd(t) = ?3至0）表示略微演化的或混合的地壳。

未引用的参考文献

Cambeses等人，2017

Franke等人，2017

MacDonald等人，2002

Patchett等人，1984

van Staal等人，2003

Zagorevski等人，2015

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号42402209、U2544213）和“深部地球探测与矿产资源探测-国家科技重大专项”（项目编号2025ZD1004707）的支持。这是对IGCP 662项目“从增生到碰撞的造山构造与地壳生长”以及IUGS“深时数字地球（DDE）”大科学计划的贡献。