北天山洋地区的交替性海沟前进与后退：来自中国东天山阿奇山-雅满苏带石炭纪岩浆活动的启示

大陆地壳增长与俯冲带热力学演化：以中国 Eastern Tianshan 华北地壳地体拼合为例，通过岩浆地球化学与同位素年代学分析，揭示Carboniferous期次俯冲带迁移驱动构造转换和海洋闭合的关键机制。

薛国亮|康焕|陈月龙|李大鹏|涂嘉润|郑文军|张晓然

中国中山大学地球科学与工程学院地质动力学与地质灾害广东省重点实验室，广州510275

摘要

海沟的推进-后退周期是大陆地壳生长和增生造山带热力学演化的主要调控因素。本研究通过对阿奇山-雅曼苏带内岩浆活动的时空分析，揭示了中国东部天山地区石炭纪时期的海沟运动特征。研究识别出两个不同的岩浆事件：中密西西比期的弧相关高镁安山岩斑岩和早宾夕法尼亚期的高铝玄武岩。地球化学和同位素数据显示，这些岩浆来源于不同程度上的亏损地幔、地幔楔体以及俯冲板块/沉积物来源的流体/熔体的相互作用。结合区域地质背景及弧岩浆活动的成分和地球化学变化，表明海沟存在反复迁移的周期性。海沟推进阶段（早石炭纪和晚宾夕法尼亚期）以大量弧岩浆活动为特征，表现为Ho/Yb–Dy/Yb比值升高、全岩εNd(t)和锆石εHf(t)值降低，以及锆石Hf年龄偏老（TDMC），这些现象共同暗示了地壳贡献的增加。相反，海沟后退阶段（从晚密西西比期到中宾夕法尼亚期）则以弧后玄武岩为主，Ho/Yb–Dy/Yb比值降低、全岩εNd(t)和锆石εHf(t)值升高以及锆石Hf年龄偏年轻为特征，表明地幔物质的输入增加。这一后退阶段促使中央天山弧的分裂和阿奇山-雅曼苏弧后盆地的形成。我们的研究结果表明，北天山洋壳的向南俯冲控制了海沟的迁移周期，从而推动了从早石炭纪大陆弧向晚石炭纪弧后盆地的转变。持续的俯冲最终导致了晚石炭纪的碰撞，封闭了海沟-弧-盆地系统，完成了中国东部天山地区的构造拼合。这些结果强调了通过岩浆和元素同位素记录重建的周期性海沟迁移周期，是受地幔动力学驱动的增生造山作用的关键机制。

引言

增生造山带通过海洋岩石圈的持续俯冲而演化，为理解大陆生长、地幔-地壳循环和造山过程提供了重要线索（Xiao和Santosh，2014；Xiao等人，2013）。海沟的推进和后退周期是增生系统中的基本动态机制，受俯冲板块几何形态（如倾角）和运动参数（如汇聚速度）变化的控制（Cawood等人，2009；Collins，2002）。这些动态表现为低角度俯冲和平行于地壳的板块回撤，对造山构造和时空演化具有显著影响（Collins，2002；Glen，2013）。海沟后退通常导致地壳变薄、弧后盆地裂解和减压引起的软流圈熔融，而海沟推进则通常伴随地壳增厚以及地壳物质向地幔的更多输入（Cawood等人，2009；Collins，2002；Lallemand等人，2008）。海沟的交替迁移模式负责弧-弧后系统的形成和闭合（Cawood等人，2009；Kemp等人，2009；Zhang等人，2019）。然而，古代增生造山带中这些事件的直接运动和地质记录常常被后续的构造热事件所掩盖或覆盖，使得重建变得复杂。

海沟迁移可以直接影响岩浆生成和地壳循环（Cawood等人，2009；Kemp等人，2009）。尽管没有单一的地球化学或Nd-Hf同位素特征能够唯一对应特定的地质动力学环境，但在海沟推进期间形成的弧岩浆往往具有富集的Nd-Hf同位素，这是由于吸收了大量大陆地壳物质。相比之下，与海沟后退相关的岩浆通常显示更放射性的同位素特征，这可能归因于地壳相互作用减弱（Boekhout等人，2015；Haschke等人，2002；Kemp等人，2009；Phillips等人，2011）。因此，结合岩石学、地球化学、同位素和精确年代学的高分辨率时空分析，可以为重建古代造山带中的俯冲带运动模式（推进、后退或过渡阶段）及其与演化中的构造体制的关系提供有效方法。

中亚造山带（CAOB）是地球上最大的显生宙增生造山带，为研究此类全球尺度过程提供了无与伦比的档案。该造山带位于欧亚板块和塔里木-华北克拉通之间，通过长期的俯冲-增生作用形成了微大陆、海山、岛弧和古亚洲洋中的洋壳平台（Han和Zhao，2018；Xiao等人，2013）。北天山洋作为古亚洲洋的南部分支，位于伊犁-中央天山弧以北（Xiao等人，2004），为约束俯冲-增生动力学和CAOB西南部的最终拼合提供了关键地质证据（Du等人，2024；Han和Zhao，2018；Xiao等人，2013）。然而，早石炭纪至中三叠纪期间从俯冲到碰撞的转变时间仍存在争议，因为岩浆、构造和沉积数据之间存在矛盾（Ao等人，2021；Han和Zhao，2018；Wang等人，2024；Zhang等人，2018）。这一争议主要取决于两种机制的区分：（1）由岩石圈减薄驱动的碰撞后伸展；（2）伴有压缩和伸展之间的应力循环的活跃俯冲。

阿奇山-雅曼苏带的石炭纪构造演化是中国东部天山地区的一个关键弧相关地块。关于其性质存在不同假说：海洋内部弧或弧后盆地（Hou等人，2014；Xiao等人，2004，Xiao等人，2013）、大陆前弧盆地（Zhang等人，2019）或大陆弧后盆地（Luo等人，2016；Zhang等人，2016a）。海洋内部弧模型得到了火山前沿系统向南迁移和阿奇山-雅曼苏地区弧重新活跃的证据支持，这归因于北天山洋的逐步回撤（Han和Zhao，2018；Xiao等人，2004）。而大陆前弧/弧后盆地模型则强调了石炭纪火山岩中继承的锆石特征，这些特征与中央天山地壳特征一致（Luo等人，2016）。因此，在石炭纪弧岩浆岩中识别古代地壳特征对于确定阿奇山-雅曼苏带的构造环境至关重要，因为纯海洋内部系统缺乏大陆地壳物质。

为了解决这些对立的假说并克服单一指标解释的局限性，本研究利用了阿奇山-雅曼苏带中石炭纪高镁安山岩和高铝玄武岩的岩石成因敏感性。这些岩浆类型对地幔源成分、板块来源流体/熔体输入以及与大陆地壳的相互作用特别敏感，使其成为俯冲动力学和地壳演化的可靠示踪剂。本研究采用了多指标方法，结合了新的地质年代数据、锆石Lu-Hf同位素、全岩地球化学（包括Nd同位素）和已发表的岩石地球化学数据集。我们的主要目标是：（1）阐明阿奇山-雅曼苏带的石炭纪构造体制；（2）解码北天山洋的海沟迁移模式（推进-后退周期性）；（3）揭示驱动西南CAOB构造转变和地壳拼合的造山机制。

地质背景

中国东部天山位于准噶尔块体和塔里木块体之间，是一个复杂的构造组合体，包括岛弧群、洋壳残余、增生楔体和大陆碎片（图1；Han和Zhao，2018；Xiao等人，2013）。该地区从古生代到中生代早期经历了长期的复杂地质过程，包括板块俯冲、弧-大陆碰撞、大陆-大陆碰撞等。

样品描述

在阿奇山-雅曼苏带西部的晓东山火山带，沿NW-WS走向采集了22个代表性样品，包括8块玄武岩和14块安山岩斑岩（图1c–d和2a）。选择玄武岩样品时优先考虑了斑晶发育较少的部分。安山岩斑岩呈现斑状结构（图2b），主要斑晶矿物为斜长石和单斜辉石。

锆石U-Pb年龄和Hf同位素组成

从安山岩斑岩样品（AQS0910–3和AQS0709–1）中提取的锆石晶体具有自形柱状形态（图2g和h），并表现出振荡分带现象，Th/U比值分别为0.5–1.0和0.4–1.3（表S1），表明其具有火成起源。对于样品AQS0910–3，30次一致的U-Pb分析得到的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为327 ± 4 Ma至340 ± 6 Ma，加权平均年龄为334 ± 2 Ma（2σ，MSWD = 0.32），这被解释为结晶过程的结果。

岩浆后蚀变作用

晓东山的高镁安山岩斑岩和高铝玄武岩的灼烧损失值分别为1.52–2.54和1.52–4.05（表S2），反映了不同的岩浆后蚀变强度。为了进行可靠的地球化学解释，需要系统评估蚀变引起的元素再分配。锆（Zr）通常被认为是一种不移动的元素，可以提供一个稳定的地球化学基准，不易受到二次蚀变的影响。

结论

在阿奇山-雅曼苏带西部的晓东山火山带新发现的石炭纪高镁安山岩斑岩（约334 Ma）和高铝玄武岩（约321–314 Ma）分别由部分熔融的地幔橄榄岩与沉积物来源的熔体混合形成，以及被俯冲板块来源的流体改造的亏损地幔形成。综合野外观察和地球化学数据集记录了岩石组合的显著时间变化。

CRediT作者贡献声明

薛国亮：撰写——初稿、方法学、数据管理。康焕：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。陈月龙：撰写——审稿与编辑、研究、资金获取、概念构思。李大鹏：方法学、概念构思。涂嘉润：软件应用、方法学、资金获取。郑文军：撰写——审稿与编辑、资金获取。张晓然：撰写

利益冲突声明

作者声明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（项目编号：42302245、42473029）、中国地质调查局（项目编号：1212011120497）和第二次青藏高原科学考察与研究计划（项目编号：STEP 2019QZKK0901）的财政支持。新疆地质调查局协助了我们的野外工作。我们感谢编辑杨志明教授、副编辑及三位匿名审稿人的支持性和有益的审稿意见。