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江南造山带西段前震旦纪构造演化:来自湘粤桂地区碎屑锆石年代学和Hf同位素的制约

申报人:王冬 申报日期:2024-05-29

基本情况

2024年批次
江南造山带西段前震旦纪构造演化:来自湘粤桂地区碎屑锆石年代学和Hf同位素的制约 学生申报
创新训练项目
理学
地理科学类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
该项目以江南造山带西段湘粤桂交界地区出露的三大前寒武纪基底(湘桂交界的桂北-湘西地区、桂粤交界的桂东鹰扬关地区和粤桂交界的桂东南云开地区)为研究区,选择前震旦纪地层(包括四堡群、丹洲群、南华系)为研究对象,开展系统的碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素研究,结合岩相古地理、岩石地球化学、同位素和构造地质学等研究成果,从碎屑锆石年代学所体现的物质组成时空耦合关系来约束江南造山带西段前震旦纪构造演化过程和限定扬子和华夏陆块西南段的汇聚边界。

1、国家自然科学基金地区基金项目《桂东南云开地区前寒武纪变质基底的构造归属及对江南造山带西南地段边界的约束》,项目编号:42162018,开展时限:2022.01-2025.12,在研;

2、广西自然科学基金青年基金项目《桂北前寒武纪地层年代学及其对扬子和华夏陆块碰撞拼贴时限的制约》,项目编号:2017GXNSFBA198166,开展时限:2017.09-2020.09,结题;

3、广西自然科学基金面上项目《早古生代扬子和华夏陆块拼合时限——来自桂北龙胜地区镁铁质糜棱岩中热液锆石U-Pb年龄的约束》,项目编号:2018GXNSFAA281248,开展时限:2019.01-2021.12,结题;

4、广西自然科学基金面上项目《桂东南云开地区深熔事件年代学序列的构建及其成因动力学研究》,项目编号:2022GXNSFAA035570;开展时限:2022.04-2025.03,在研。

该大学生创新项目的研究内容为国家自然科学基金项目和广西自然科学基金项目等纵向项目的部分研究内容,承诺将对该项目的开展提供所需研究经费和技术支持,全力保障该项目的顺利完成。

校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
王冬 地球科学学院 地球化学 2022 全程负责项目运行
王嘉璐 地球科学学院 地球化学 2022 实验方案的设计和优化
张世粹 地球科学学院 资源勘查工程 2023 数据整理、后期撰写论文等
姜斐民 地球科学学院 资源勘查工程 2022 实验监测及数据分析
曾柏思 地球科学学院 资源勘查工程 2023 数据整理、后期撰写论文等

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
秦亚 地球科学学院
冯佐海 地球科学学院

立项依据

该项目通过系统的碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素研究,结合岩相古地理、岩石地球化学、同位素和构造地质学等研究成果,从碎屑锆石年代学所体现的物质组成的时空耦合关系来约束江南造山带西段前震旦纪构造演化过程和限定扬子和华夏陆块西南段的汇聚边界。

该创新项目的主要研究内容如下:

1研究现状分析:通过搜集资料、查阅文献,针对扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界开展现状分析,分析前人的研究方法手段、结果和结论、出发点等。

2岩相学研究:通过电子显微镜观察,分析碎屑岩的物质组成、碎屑结构构造、碎屑颗粒的磨圆和分选及其定名。

3碎屑锆石年龄谱系研究:对桂北、桂东北和桂东南地区的前寒武纪地层开展碎屑锆石U-Pb年龄分析、讨论其年龄谱系、物质来源和可能的成岩构造背景。

4Hf同位素研究:分析桂北、桂东北和桂东南地区的前寒武纪地层的碎屑锆石Hf同位素特征。

5综合系统的碎屑锆石年龄谱系时空演变研究:综合前人的研究成果、项目的研究内容,开展综合的碎屑锆石U-Pb年龄谱系的时空演变规律研究,制约江南造山带前震旦纪构造演化过程和约束扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界研究。

华南大陆位于欧亚大陆的东南缘,由NW侧的扬子陆块和SE侧的华夏陆块构成(张国伟等,2013;舒良树等,2020)。华南大陆作为新元古代以来全球地质构造演化最为复杂的地区之一,经历了多阶段的超大陆聚合与裂解事件,是创新大陆地质理论、认识大陆演化历史的经典地区之一(Fang et al., 2018; Zhao et al., 2021; 严加永等,2022)。

晋宁运动(或称四堡运动)促使扬子和华夏陆块碰撞拼贴而形成古华南大陆,碰撞拼贴带被称为江南造山带(郭令智等,19801996Wang et al., 2007a; Zhao et al., 2011; 张国伟等,2013)。随着Rodinia超大陆的裂解,古华南大陆开始伸展裂陷,并演化出分离的扬子和华夏陆块,以及夹于其间的南华裂谷盆地等(郭福祥,1994;周继斌,2006;李献华等,20082012;王剑等,2001,2006;夏林圻等,2009;杨明桂等,2012;舒良树等,2012;张国伟等,2013)。经历漫长的伸展裂陷演化后,分离的扬子和华夏陆块于早古生代再次汇聚造山形成统一的华南大陆(舒良树,2012;张国伟等,2013)。再次汇聚的华南大陆经历晚古生代、中生代和新生代构造-岩浆-热事件的叠加影响而形成现今的地质构造格局(舒良树等,2020)。

华南大陆经历了碰撞、拼贴、裂解、破坏、再造的复杂构造演化历程(Fang et al., 2018; 严加永等,2022),因而识别和分析扬子和华夏陆块的汇聚边界成为查清华南大陆基底、查明地质块体的构造归属、构建华南大陆地质演化过程的关键。扬子和华夏陆块的汇聚边界在华南东段较为清晰,基本已厘定为萍乡-江山-绍兴断裂(Zhang et al., 2005; Li et al., 2009; 舒良树,2012)。然而,泥盆纪以来的巨厚沉积以及晚古生代以来的构造-岩浆-热事件的叠加改造,造成萍乡-江山-绍兴断裂是否继续向西延伸、以及如何延伸仍然存在较大的争议(周新民,2003;夏元等,2022),即扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界仍存在不同的认识。

目前,扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界主要存在如下观点:1、罗甸-师宗-弥勒断裂(董云鹏等,19992002Guo et al., 2009);2、凭祥-南宁-荔浦-茶陵断裂(刘宝珺等,1993;洪大卫等,2002;陈凌云等,2003;陈懋弘等,2006;饶家荣等,2012Guo et al., 2018);3、郴州-临武-鹰扬关-岑溪-博白-北海断裂(Wang et al., 2003, 2008; Liu et al., 2018);4、吴川-四会断裂(Wang et al., 2003; Zhang et al., 2007)。上述可能的汇聚边界断裂均位于湘粤桂交界地区,故该地区成为研究扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界的关键地带。

关于扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界,不同的研究者基于各自的方法手段而给出不同的认识,但远未到达形成统一意见的地步。主要的研究方法包括岩相古地理学(陈凌云等,2003;陈懋弘等,2006),碎屑锆石年代学(王鹏鸣等,20122013;李敏业等,2014;邹和平等,2014;张雄等,2016;冯洋洋等,2021;刘奕志等,2021;王雅迪等,2021),地幔组分差异(高秦等,20182019;秦亚等,2022),地球物理(饶家荣等,2012He et al., 2013; Guo et al., 2018, 2019;严加永等,20192022;师钦俊,2020;符平礼等,2021),构造变形(张成龙等,2020;秦亚等,2021;胡乔帆,2022),花岗岩侵位机制及其捕获锆石等(缑雪清,2020;崔钰,2023)。

岩石地层和岩相古地理等方面的研究成果表明,扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界可能沿凭祥-南宁-柳州-荔浦-恭城一带。关键证据是该带两侧分布的前泥盆纪岩石地层和生物群落明显不同。桂北三江-靖西一带及其以北地区的中、上寒武统以碳酸盐岩夹砂泥岩为主,盛产三叶虫;而荔浦断裂以南桂东地区的震旦-寒武系则为巨厚的砂岩、砂泥岩,生物化石较少(陈凌云等,2003;陈懋弘等,2006)。另一依据则是桂北地区广泛分布下震旦统陡山沱组白云岩,而荔浦断裂以南的桂东地区则未发现同期的白云岩(陈懋弘等,2006)。

碎屑锆石是由先存母岩(或源岩)经过风化剥蚀、搬运、堆积而广泛存在于各种碎屑沉积岩中。随着碎屑锆石U-Pb定年技术的不断发展,碎屑锆石年代学广泛应用于古地理环境、盆山耦合及沉积盆地演化和物源区剥蚀速率等方面(郭佩等,2017。近年来,不同的研究者在湘粤桂交界地区开展了大量的碎屑锆石年代学工作,并以此来约束扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界。如李青等(2009认为大瑶山-大明山地区寒武纪沉积盆地的陆源剥蚀区具有华夏陆块基底岩系的属性,扬子和华夏陆块的边界应位于大瑶山-大明山隆起区的西北一侧。张雄等(2016通过湘南-桂东北地区寒武-奥陶纪沉积岩的碎屑锆石年代学研究认为研究区位于扬子和华夏陆块的碰撞带内。王鹏鸣等(2013认为湘桂交界的苗儿山地区和湘南金鸡岭地区的震旦纪和寒武纪的浅变质岩具有不同的地球化学和碎屑锆石U-Pb年代学特征,进而认为扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界位于苗儿山和金鸡岭地区之间。刘奕志等(2021通过对比桂东北永福地区和贺州地区的晚震旦世-寒武纪砂岩的碎屑锆石U-Pb谱系而认为扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界可能从永福和贺州地区之间通过。王雅迪等(2021对桂北和桂东两个地区的新元古代-寒武纪浅变质沉积岩开展系统的地球化学、碎屑锆石年代学和Hf同位素研究,认为扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界最有可能从桂北龙胜地区与桂东大瑶山地区之间通过。冯洋洋等(2021通过西大明山地区中寒武统黄洞口组和下泥盆统莲花山组的碎屑锆石U-Pb年代学研究推测扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界应位于西大明山地区以北。Gou et al.(2022)通过对比分析粤桂交界地区和桂北龙胜地区的碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素特征约束扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界位于桂东北鹰扬关地区和桂北龙胜地区之间。由此可知,前人利用碎屑锆石年代学约束扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界的研究仅是点对点的碎片化研究,缺少系统的时空演变规律研究。

幔源岩浆是探知大陆深部地幔物质组成的岩石探针。高秦等(20182019利用广西及邻区基性岩脉(主要是煌斑岩)的地球化学(包括同位素)差异性特征提出扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界大致沿平乐-平南-蒙县-南宁-凭祥一带延伸。但由于分析样品的数量有限,该界线的精度受到限制,需与其它地质证据相佐证(王雅迪等,2021)。近年来,申请者及其团队成员通过桂北龙胜地区和贺州地区丹洲群中的镁铁质-超镁铁质岩中继承锆石U-Pb年龄的不同,以及桂北龙胜地区和贺州地区南华系中碎屑锆石U-Pb年龄的不同,将扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界约束在桂北龙胜和桂东北贺州地区之间(秦亚等,2022Gou et al., 2022)。

地球物理方法可以探测深至岩石圈地幔的深部结构信息,其中深反射和宽频地震是深部结构探测的最为有效手段(严加永等,2022)。地球物理研究者从重磁、地电、天然地震等方法出发,深入探讨了扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界。如He et al. (2013)利用天然地震固定台站计算了波速比和莫霍面,分析了扬子和华夏陆块的边界。Guo et al. (20182019)结合泊松比和重磁资料,给出了扬子和华夏陆块碰撞拼贴带的东界和西界。严加永等(20192022利用综合地球物理资料,认为钦杭结合带可能是扬子和华夏陆块碰撞拼贴带的南东侧边界。符平礼等(2021利用重磁场分区、重力梯度带、磁场台阶、重磁异常等,确定三江-融安-河池-大新一线为扬子和华夏陆块广西段晋宁期(或四堡期)的陆弧拼接带;龙州-南宁-桂平-信都一线为扬子与华夏陆块广西段早古生代扬子克拉通与云开岛弧汇聚碰撞带。由此可知,不同的地球物理研究者基于各自的研究方法获得的扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界亦未形成统一的意见。

近年来,冯佐海教授率领的研究团队对广布于湘粤桂交界地区的NNE向韧性剪切带开展详细的变形时代、几何学、运动学和动力学研究,并将其与扬子和华夏陆块的早古生代造山事件相联系,通过构造变形样式的不同约束扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界(Qin et al., 2018; 秦亚等,2021;胡乔帆,2022)。此外,湘粤桂交界地区的早古生代花岗岩的侵位机制亦存在较大的差异,冯佐海教授团队通过约束花岗岩的侵位机制来约束扬子和华夏陆块的西南段边界。

尽管前人从各个方面对扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界开展了研究工作,但未进行系统的时空演变规律研究。此外,由于扬子和华夏陆块新元古代碰撞拼合后遭受多期次岩浆-构造-热事件的叠加改造和广泛的后泥盆系覆盖,造成扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界仍存在较大的争议。要透彻认识扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界,需选择关键地区作为研究区,结合岩石圈深部-浅部的地质特征、构造变形和区域岩浆岩特征进行系统的时空演化规律研究。

扬子和华夏陆块碰撞拼贴带(即江南造山带)延伸进入广西后,绝大部分地区被古生代以来的地层覆盖,仅在湘桂交界的桂北-湘西地区、桂粤交界的桂东鹰扬关地区和粤桂交界的桂东南云开地区出露有限的前寒武纪变质基底。因此,这些前寒武纪变质基底的形成时代、构造属性和归属,形成演化过程及其相互之间的时空演化关系对限定扬子和华夏陆块的西南段边界具有重要的科学意义。

项目的特色与创新之处在于以扬子华夏陆块西南段汇聚边界可能通过的三大前寒武纪基底(湘桂交界的桂北-湘西地区、桂粤交界的桂东鹰扬关地区和粤桂交界的桂东南云开地区)为研究对象,开展系统的碎屑锆石年龄谱系时空演变规律 研究,进而明确扬子和华夏陆块西南段汇聚边界和制约江南造山带西段前震旦纪构造演化过程。

1、技术路线

资料搜集:全面搜集研究区的前人研究成果和认识,搜集前人利用碎屑锆石U-Pb年龄约束扬子和华夏陆块西南段汇聚边界的成果。同时通过搜集研究区范围内的1:50万、1:20万、1:5万地质图和地质资料,设定野外地质调查的路线。

野外地质调查:按照设定的野外地质调查路线开展野外地质调查,主要包括岩性分布、古水流流向、岩相古地理分析、特殊结构构造的素描、岩相剖面的测制、系统的样品采集和典型地质现象的照相等。

样品的制备:对野外采集的样品磨制岩石薄片,年代学样品的制备。

电子显微镜观察:通过电子显微镜观察岩石的岩相学特征,确定岩性、描述样品的分选和磨圆、物质和组成,讨论其可能的物源、水动力条件等。

LA-ICP-MS测试:对野外采集的年代学样品开展单矿物的挑选、治靶和照相(反射光、透射光和阴极发光);锆石形貌学研究(形态、大小粒径);锆石成因研究(锆石内部环带、明亮程度、稀土微量元素等);锆石U-Pb年龄和Hf同位素研究。

综合分析:分析锆石的年龄谱系和Hf同位素特征研究,结合前人的碎屑锆石年龄谱系研究、幔源成分研究、岩相古地理研究和构造变形研究成果,开展碎屑锆石U-Pb年龄谱系的系统时空演变研究,约束扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界研究。

2、拟解决的问题

制约江南造山带西段前震旦纪构造演化过程;

约束扬子和华夏陆块的西南段汇聚边界研究。

3、预期成果

预期从如下两个方面取得突破,一方面通过碎屑锆石年代学所体现的物质成分的时空观耦合关系约束江南造山带西段的前震旦纪构造演化过程;另一方面利用扬子和华夏陆块可能通过的三大前寒武纪块体的碎屑锆石年龄谱系的差异性约束扬子和华夏陆块的汇聚边界。

该项目的研究成果以结题报告和论文的形式体现,预期提交1份结题报告和发表1篇学术论文。

2024.05-2024.06:在指导教师的安排下,制定研究内容和研究目标,撰写申报书。同时搜集整理前人研究资料,设计野外地质考察路线和野外地质调查内容;

2024.06-2024.07:野外地质调查和样品的预处理;

2024.08-2024.10:野外地质调查资料整理,岩相学和年代学样品的制备;锆石U-Pb年代学样品的治靶和照相等;

2024.11-2025.01:碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb定年和Hf同位素分析,地质图件的绘制(包括区域地质图、交通位置图、地层柱状图、年龄谐和图解等);

2025.02-2025.03:碎屑锆石年代学和Hf同位素数据的分析处理;

2025.04-2024.05:结题报告的撰写,并撰写和发表相关的研究成果。

研究区基本图件完备,资料搜集齐全该创新项目涉及到的研究区已先后完成150万、125120万和15万区域地质调查和相关的物化探工作。前期在指导教师的指导下,已完成了相关资料的搜集工作,拥有相应的基础地质图件和文字报告。可为项目的顺利完成提供保障。

项目设计的实验方法成熟,且依托单位技术条件完备,能保障研究方案的顺利开展该创新项目设计的锆石U-Pb测年、同位素、岩相学等均是成熟的实验方法,前人在研究中均获得了较好的实验效果。学校的广西壮族自治区重点实验室(广西隐伏金属矿产勘查重点实验室)拥有XRFLA-MC-ICP-MS、等分析测试仪器。同时,论文指导老师与国内外相关的地球化学分析测试实验室及锆石年龄测试实验室长期保持有良好的合作关系,能够为论文的顺利开展提供保障。

论文指导教师带领的科研团队具有开展相关工作的长期工作积累:论文指导教师秦亚副教授入职桂林理工大学地球科学学院以来,长期从事广西境内基础地质的教学和科研工作,先后主持和参与多项包括国家自然基金项目和广西自然科学基金项目在类的基础科学研究项目。已立项的广西自然科学基金项目也聚焦于华南大陆早期地质演化研究,对湘粤桂交界地区的基础地质情况具有较深程度的工作积累和研究基础。

该创新项目所涉及的实验方法和实验条件包裹(1)电子显微镜岩相学分析,(2LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb年代学研究,(3LA-MC-ICP-MS锆石Hf同位素测试。创新项目所涉及到的实验方法均是成熟的实验方法,在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室均有相关的实验设备,可以保障该申请项目所设计的相关研究内容。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 60500.00 项目研究 52500.00 8000.00
1. 业务费 60000.00 用于野外地质调查和分析测试费用 52000.00 8000.00
(1)计算、分析、测试费 42000.00 用于碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测试和Hf同位素测试 42000.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 15000.00 用于野外地质调查所需要的租车费用、汽油、过路过桥费用、住宿和餐饮等差旅费用、野外的差旅补助等费用等 10000.00 5000.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 3000.00 论文的出版费用 0.00 3000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 500.00 用于打印申请书和相关的材料 500.00 0.00
结束