对辛格布姆克拉通中新太古代岩脉（约28.0–27.5亿年）的主量元素与微量元素地球化学、SrNd同位素地球化学以及岩石磁学和磁化率各向异性特征的研究：对其成岩作用和古构造的启示

《Geochemistry》：Major and trace element geochemistry, SrNd isotope geochemistry, rock magnetic and anisotropy of magnetic susceptibility studies for Neoarchean dykes (ca. 2.80–2.75?Ga) from the Singhbum craton: Implications for the petrogenesis and paleotectonics

　　

Ravi Shankar|Mahesh Kapawar|D. Srinivasa Sarma|Sambit Kumar Swain

印度海得拉巴CSIR国家地球物理研究所，邮编500007

摘要

本研究旨在探讨辛格布姆克拉通中新元古代基性岩脉（约28.0–27.5亿年）的成因及古构造形成环境，同时通过地球化学方法验证辛格布姆克拉通与皮尔巴拉克拉通、瓦尔巴拉克拉通存在遗传关联这一观点是否成立。研究结果表明，所有约28.0–27.5亿年的基性岩脉（包括本研究数据及已有公开数据）均源自同一母源物质在不同程度下的熔融作用，熔融程度介于5%到25%之间。该母源物质为亚大陆地幔柱来源物，其成分由橄榄石75%、正辉石15%、单斜辉石1%、斜长石2%以及尖晶石7%构成，是由上升的地幔柱逐渐与约100公里深度处经俯冲作用改造后的岩石圈地幔相互作用形成的。地质、地球化学及地质年代学证据均支持瓦尔巴拉-辛格布姆克拉通的同源关系，且约28.0–27.5亿年的基性岩浆活动引发了瓦尔巴拉克拉通的解体。

引言

辛格布姆花岗岩杂岩，也就是人们常说的辛格布姆花岗岩体，构成了辛格布姆克拉通的中心部分（见图1）。在这片花岗岩体中，分布着大量基性岩脉，这类岩脉也被称作新期辉长岩脉群。此前，由于精确度较低的钾氩法、氩氩法全岩年龄测定结果（2144百万年–950百万年；Sarkar等人，1969年；Mallik和Sarkar，1994年），以及一项铷锶全岩同位素年龄测定结果（2613±177百万年；Roy等人，2004年），人们很难确定辉长岩脉群的准确年龄，直到最近才有新的进展。Shankar等人（2014年）首次为呈西北-东南走向的辉长岩脉群测得了精确的铅铅巴德利石TE-TIMS年龄，数值为1765.3±1百万年，该岩脉群后来被命名为皮皮拉岩脉群（Srivastava等人，2019年）。Kumar等人（2017年）又为呈东北-西南走向的岩脉群测得了精确的铅铅巴德利石TE-TIMS年龄，数值分别为2800.2±0.7百万年、2762.4±2.0百万年以及2752.0±0.9百万年。

Dasgupta等人（2019年）对来自7条呈东北-西南至东北-西南走向的岩脉（约28.0–27.5亿年）的19个样本进行了首次地球化学分析。他们认为这些岩脉是由异质性的尖晶石橄榄岩地幔源在弧后环境中被流体和熔体改造后，经过5%到25%的不完全熔融作用而形成的。Pandey等人（2021年）则对从辛格布姆克拉通的凯沙加里亚（约28.0亿年）、加特高恩（约27.6–27.5亿年）、卡普蒂帕达（约22.6亿年）以及皮皮拉（约17.6亿年）岩脉群中采集的40个样本进行了主量元素、微量元素分析，同时还进行了全岩铷锶和钐钕同位素分析。他们得出结论：所有不同年龄的基性岩脉的源区均为被俯冲地壳物质污染的异质性亚大陆岩石圈地幔。这种富集型的亚大陆岩石圈地幔源在后来的热柱活动中会被周期性利用（同时还会伴随地幔中贫化成分的释放），从而在晚太古代到中元古代的10亿多年间形成了多期岩脉活动。尽管Pandey等人（2021年）收集了大量的数据，但他们的解释存在诸多问题。如果要“周期性利用同一源区”来形成至少4组不同年龄的基性岩脉群，那么辛格布姆克拉通在约28.0亿年到约17.6亿年期间必须处于相对静止状态。换句话说，在这段时间内，辛格布姆克拉通的古地理位置必须是固定的。然而现有证据并不支持这一观点。基于关键古地极的定性古地理重建结果显示，约27.7亿年时，辛格布姆克拉通与卡普瓦尔克拉通、皮尔巴拉克拉通处于同一极附近（Kumar等人，2017年）；而约17.6亿年时，辛格布姆克拉通、华北克拉通和波罗的海克拉通则位于赤道附近（Shankar和Sarma，2016年；Shankar等人，2018年）。考虑到辛格布姆克拉通是从极地位置移动到了赤道位置，因此Pandey等人（2021年）关于不同年龄的岩脉群都源自同一地幔源的结论缺乏说服力。

Srivastava等人（2019年）将克拉通西北部凯沙加里亚镇附近呈东北-西南走向的岩脉的形成年龄定为约2800百万年，并将其命名为凯沙加里亚岩脉群。而分布于克拉通其他区域、同样呈东北-西南走向的岩脉则被定为2760–2750百万年的形成年龄，被称为加特高恩岩脉群（Srivastava等人，2019年）。值得注意的是，Kumar等人（2017年）曾测定出克拉通西北部某条岩脉的更古老的年龄，约为28.0亿年。不过，在整个辛格布姆克拉通范围内，约28.0亿年的岩浆活动也有相应证据，比如南部的马拉伊吉里盆地的英安岩凝灰岩和伦加利花岗岩、西南部的布达帕尔花岗岩、西部的坦佩尔科拉花岗岩及相关酸性火山岩，以及西部的贾格纳特普尔火山岩（Kumar等人，2017年及其中引用的Adhikari等人，2021年的研究）。因此，认为约28.0亿年的凯沙加里亚岩脉群仅分布在克拉通西北部的假设需要进一步验证。此外，较年轻的约27.6–27.5亿年的加特高恩岩脉群也呈现出相似的东北-西南走向（Kumar等人，2017年；Srivastava等人，2019年）。所以，不能仅仅因为这些岩脉的走向和位置相似，就直接采用为它们确定的形成年龄。更好的做法是先将没有年龄数据的岩脉的地球化学特征与有精确年龄数据的岩脉的地球化学特征进行对比分析。

综合考虑上述所有问题，这些内容也在表1中进行了总结，我们开展了这项研究，旨在了解约28.0亿年的凯沙加里亚岩脉群和约27.6–27.5亿年的加特高恩岩脉群的成因，以及决定它们形成的构造环境。本文展示了来自辛格布姆克拉通的新元古代基性岩脉的全岩地球化学数据、锶钕同位素数据、岩石磁学数据以及磁化率各向异性数据。我们明确了这两组岩脉的源岩浆特征，并将本研究的结果与之前关于辛格布姆克拉通的研究成果，以及同期卡普瓦尔克拉通和皮尔巴拉克拉通的基性岩浆活动结果进行对比，以此验证Kumar等人（2017年）提出的基于地球化学特征的辛格布姆克拉通与卡普瓦尔克拉通、皮尔巴拉克拉通同源的假说。最后，我们还提出了这些岩脉形成机制的模型。

章节节选

地质背景

印度半岛上分布着多个太古代克拉通（见图1）。北部地区包括邦德尔坎德克拉通和阿拉瓦利克拉通，而南部地区则由东达尔瓦尔克拉通、西达尔瓦尔克拉通、巴斯塔尔克拉通和辛格布姆克拉通组成。本研究区域位于辛格布姆克拉通内，这是全球最古老的克拉通之一，也是印度最古老的克拉通（Chaudhuri等人，2018年；Miller等人，2018年；Sreenivas等人，2019年）。椭圆形的辛格布姆克拉通的大致面积约为

野外考察、采样及分析技术

所研究的岩脉是垂直侵入围岩中的（围岩主要为辛格布姆花岗岩体的花岗岩）。所有样本都是从河流切割面、采石场以及道路开凿面暴露出的露头处采集的（见图2a、b、c、d、e）。这些岩脉在所有采样点都与围岩有着清晰的接触面（见图2b、d）。在30个采样点中，有7个点的年龄数据已经有所公布（见表2；Kumar等人，2017年）。我们还从相同数量的不同岩脉中采集了新鲜的原位样本，对其进行了主量元素和微量元素分析

岩石学特征

图3展示了所研究样本的典型显微照片。来自不同岩脉的样本在矿物组成上并无显著差异，都属于中粒结构，其主要矿物为斜长石和单斜辉石，这些矿物以亚自形到无定形形态存在（见图3）。在副矿物方面，可见绿泥石、绿帘石和绢云母，这些都是次生蚀变产物。部分辉石颗粒已被绿泥石替代

分异结晶作用

镁数较高（≥60）、铬含量较高（≥1000 ppm）以及镍含量较高（≥200 ppm）的样本属于最原始的类型。所研究样本的镁数（70–46）、铬含量（1500–88 ppm）以及镍含量（610–39 ppm）存在明显差异，这一现象表明分异结晶作用发挥了重要作用。总碱金属含量与SiO?呈正相关关系（见图4a），而Fe?O?（见图5a）和TiO?（见图5c）与镁数呈负相关关系，这些也都说明辉石等硅酸盐矿物的分异结晶作用起到了关键作用

辛格布姆-瓦尔巴拉的成因关联

太古代期间，大陆地壳经历了大规模的生长与保存过程，这一过程与周期性的地幔翻转事件以及广泛的地幔柱火山活动密切相关（Condie，2001年）。全球范围内约有35个独特的克拉通保存了地球太古代的历史记录（Bleeker，2003年）。克拉通是由具有稳定核心的巨大太古代陆块分裂形成的，这种稳定的核心就是超克拉通（Bleeker，2003年）。其中有一个被提出的超克拉通就是“瓦尔巴拉”，它是

结论

通过对辛格布姆克拉通中新元古代基性岩脉（约28.0–27.5亿年）的地球化学、同位素、岩石磁学以及磁化率各向异性数据进行分析，再结合地质证据可以发现，尽管这些岩脉是在大约50百万年的时间里分三波岩浆活动侵入辛格布姆克拉通的，但它们源自同一母源物质，即由上升地幔柱形成的浅层亚大陆地幔柱源物质，该源物质的成分由橄榄石75%、正辉石15%、单斜辉石1%、斜长石2%以及尖晶石7%组成

作者贡献说明

Ravi Shankar：负责原文撰写——初稿撰写、方法论设计、实验研究、数据分析、数据整理以及概念构建工作。Mahesh Kapawar：负责原文撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据分析、数据整理工作。D. Srinivasa Sarma：负责原文撰写——审稿与编辑、项目监督以及项目管理工作。Sambit Kumar Swain：负责原文撰写——审稿与编辑、实验研究、数据分析工作。

未引用参考文献

Liu等人，2012年

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢CSIR-NGRI的主任Prakash Kumar博士，感谢他允许我们发表这些研究成果，相关文献编号为NGRI/Lib/2026/Pub-12。这项研究还得到了MLP-7015-28和ANRF核心研究基金（编号为CRG/2023/001919）的支持。地球化学分析工作是在CSIR-NGRI完成的，我们特别感谢Keshav Krishna博士和M. Satyanarayanan博士给予的协助。同时也要感谢M. Venkateshwarlu博士在岩石磁学和磁化率各向异性研究方面提供的帮助。我们还要感谢两位匿名人士的帮助