Origin of Archean Continental Crust in the Tarim Craton: Progresses and Issues
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摘要:
塔里木克拉通是中国三大古老陆块之一，但由于大面积沉积覆盖，其古老基底的形成演化研究程度较低。然而，近年来在塔里木盆地周缘的库鲁克塔格、敦煌、北阿尔金、铁克里克等地，以及塔里木盆地基底钻井岩心中，均发现了太古宙岩石，表明其可能普遍存在太古宙基底。笔者对塔里木克拉通太古宙岩石的研究历史和最新进展进行了简要总结，对太古宙大陆地壳的形成时间、机制和动力学背景进行了讨论，并指出了未来研究的方向。结果表明，塔里木克拉通的太古宙大陆地壳形成似乎具有区域差异性，北部的库鲁克塔格、敦煌和北阿尔金地区广泛发育新太古代岩浆作用，峰期为～2.5 Ga和～2.7 Ga，北阿尔金地区～3.7 Ga岩石的发现为塔里木克拉通始太古代陆核的存在提供了可靠证据，而西南部的铁克里克地区和盆地基底以中太古代（3.2～2.8 Ga）地壳生长和再造为特征，目前尚未发现新太古代岩石。地球化学、热力学模拟和锆石氧逸度–湿度计研究表明，太古宙大陆地壳可能是不同源岩在不同深度（压力）通过水致熔融产生的，形成于俯冲相关构造背景，而早期板块构造自始太古代以来就已运行。太古宙大陆地壳物质组成的确定、变质–变形的识别、岩浆形成物理化学条件的厘定等方向仍是未来塔里木克拉通太古宙地质研究的重点。
Abstract:The Tarim Craton is one of the three ancient continental blocks in China, but the formation and evolution of its ancient basement have been poorly studied due to extensive sedimentary cover. However, in recent years, Archean rocks have been found in the Kuruktag, Dunhuang, North Altyn Tagh, Tiekelike areas on the periphery of the Tarim Basin, as well as in the drill core from its basement, indicating that there may be a widespread Archean basement. In this paper, the study history and recent progress of Archean rocks in the Tarim Craton are summarized, the formation time, mechanism and geodynamics of Archean continental crust are discussed, and the future research direction is pointed out. The results show that the formation of the Archean continental crust in the Tarim Craton appears to have regional differences. Neoarchean magmatism was widely developed in the Kuruktag, Dunhuang and North Altyn areas, with peaks of ～2.5 Ga and ～2.7 Ga. The discovery of ～3.7 Ga rocks in the North Altyn Tagh area provides reliable evidence for the existence of an Eoarchean continental nucleus in the Tarim Craton. The Tiekelike area and basin basement in the southwest Tarim are characterized by Mesoarchean (3.2～2.8 Ga) crustal growth and reworking, and no Neoarchean rocks have been found. Geochemistry, thermodynamic modelling and zircon oxybarometer-hygrometer indicate that the Archean continental crust might have been produced by water-induced melting of different source rocks at different depths (pressures) and formed in subduction-related tectonic settings, indicating that early plate tectonics have been in operation since the Eoarchean. The elucidation of the components of the Archean continental crust, the identification of metamorphism and deformation, and the determination of the physical and chemical conditions of magma formation are still the focus of future studies of the Archean geology in the Tarim Craton.
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Key words:
- Archean /
- continental crust /
- plate tectonics /
- zircon /
- TTG gneisses /
- Tarim craton
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大陆的形成演化与地球早期圈层物质分异、热演化、构造体制转变等重要过程密切相关，对地表环境、生命演化和矿产富集均有重要影响，是当代地学研究的核心问题之一，受到国内外学者的广泛关注（Rudnick, 1995; Hawkesworth et al., 2006; Taylor et al., 2009; 翟明国等, 2020; 赵国春等, 2021; Zhu et al., 2021; Cawood et al., 2023; 郑永飞, 2024）。大陆由大陆地壳和下覆岩石圈地幔组成，前者平均成分为安山质，具有典型的岛弧岩浆微量元素特征，富集不相容元素（包括U、Th、K等放射性生热元素），是幔源基性岩浆分异或含水基性岩部分熔融的产物（Rudnick et al., 2014），而后者则高度亏损不相容元素，是地幔橄榄岩高程度熔融的残留体。这种部分熔融导致的岩石圈成分的分异、热结构的稳定和机械强度的增加是大陆保持长期稳定的重要原因（Lee et al., 2011; Pearson et al., 2021）。然而，目前关于大陆地壳和岩石圈地幔的形成时间、机制和动力背景仍存在很多争议。造成争议的根本原因在于地球早期的地质过程无法直接观测，早期地质记录大多已被强烈的后期地质活动摧毁殆尽。目前，发现的太古宙（40～25亿a）早期岩石面积非常有限（Van Kranendonk et al., 2019），而冥古宙（40亿a之前）仅有少量的碎屑锆石记录（Harrison, 2020），这些古老岩石和锆石普遍遭受了多期变质、变形的叠加和改造，对其成因解释带来很大的困难。因此，任何古老地质记录的发现及其原始成分的厘定和成因解析对理解地球早期大陆起源和构造体制乃至表生环境的演化均具有重要意义。
塔里木克拉通是中国三大古老陆块之一，但由于大面积沉积覆盖，其太古宙大陆地壳的形成演化研究程度较低。近年来，在许多学者的共同努力下，塔里木克拉通太古宙地质研究取得了一系列进展，在库鲁克塔格、敦煌、北阿尔金、铁克里克等地以及塔里木盆地内部均发现太古宙岩石的存在（陆松年, 1992; 胡霭琴等, 2006; Lu et al., 2008; Long et al., 2010, 2011, 2015; Shu et al., 2011; Zhang et al., 2012, 2014, 2013; Zong et al., 2013; 赵燕等, 2013; Ge et al., 2014a, 2018, 2020, 2022; Zhao et al., 2015; Cai et al., 2018, 2020），特别是北阿尔金地区～3.7 Ga的TTG（英云闪长岩–奥长花岗岩–花岗闪长岩）片麻岩和铁克里克地区3.2～2.8 Ga的TTG和花岗片麻岩的发现，为塔里木克拉通太古宙早期大陆地壳的存在提供了可靠的地质证据（Ge et al., 2018, 2020, 2022）。许多学者对这些太古宙及相关岩石进行了全岩地球化学和锆石Hf同位素分析，积累了大量数据，并据此对太古宙地壳的形成时间进行了探讨，部分学者还进行了锆石O同位素分析和热力学–地球化学模拟，并在此基础上对早期大陆形成的岩石学过程和动力学机制进行了探讨，提出了一些新认识。
笔者对近年来塔里木克拉通太古宙岩石的研究进行了简要总结，并对大陆地壳形成的时间、机制和动力学背景进行了简要探讨，提出了一些存在的问题和亟待深入研究的方向。
1. 塔里木克拉通太古宙地质记录
塔里木克拉通位于欧亚大陆中心，北接中亚造山带西南部天山造山带，南临青藏高原，面积约为60万km2，总体呈眼球形，其中90%以上被沙漠或新生代沉积岩覆盖，早前寒武纪岩石主要出露在库鲁克塔格、北阿尔金、铁克里克和敦煌等4个边缘基底隆起带（图1）。近年来的研究表明，在库鲁克塔格、北阿尔金、铁克里克和敦煌这4个基底露头区均有不少太古宙岩石出露（图2～图5）。此外，在塔里木盆地覆盖区的钻井岩心中，也获得了少量的太古宙岩石的信息（Cai et al., 2020）。
图 1. 塔里木克拉通的位置及前寒武纪岩石分布图 （据Ge et al., 2018修改）Figure 1. Location and distribution of Precambrian rocks of the Tarim craton
图 3. 敦煌地区太古宙岩石分布图 （据Si et al., 2022修改）Figure 3. Distribution of Archean rocks in the Dunhuang area
Figure 4. Distribution of Archean rocks in the North Altyn Tagh area
图 5. 赫罗斯坦杂岩太古宙岩石分布图 （据Ge et al., 2022修改）Figure 5. Distribution of Archean rocks in the Heluositan Complex1.1 库鲁克塔格地区
库鲁克塔格地区位于塔里木克拉通东北缘，东起罗布泊，西至库尔勒，呈近EW向延伸约400 km，南北宽约为5～60 km（图1、图2）。目前，在库鲁克塔格中部的辛格尔和兴地地区、西部的库尔勒地区以及东部的帕尔岗塔格地区均发现有太古宙岩石的出露（郭瑞清等，2018）。其中，库鲁克塔格中部辛格尔地区的托格拉克布拉克杂岩（简称“托格杂岩”）是塔里木克拉通最早确认的太古宙岩石，它主要由富钠长石的TTG片麻岩和混合岩组成，含少量斜长角闪岩透镜体，局部含较多云母石英片岩等表壳岩（陆松年, 1992; 高振家等, 1993）。陆松年（1992）首次报道了托格杂岩中一个TTG片麻岩的ID-TIMS锆石U-Pb年龄为（
2582 ± 11）Ma，并发现一粒～2.8 Ga的捕获锆石。胡霭琴等（1992）报道了托格杂岩中10个斜长角闪岩样品的全岩Sm-Nd等时线年龄为（3263 ±129）Ma，这一年龄一直被解释为库鲁克塔格地区最古老的地壳组分。郭召杰等（2003）报道了托格杂岩中灰色片麻岩的ID-TIMS锆石U-Pb上交点年龄为（2337 ±6）Ma，并发现其中存在＞2.78 Ga的继承锆石。胡霭琴等（2006）及Long等（2010）分别用SIMS和LA-ICP-MS方法对托格杂岩中的TTG片麻岩进行了锆石原位U-Pb定年，获得（2565 ±18）Ma和（2516 ±6）Ma的结晶年龄，确认了辛格尔地区太古代岩石的存在。在库鲁克塔格中部兴地附近蛭石矿周边出露～50 km2的TTG片麻岩、闪长质–辉长质片麻岩、以及少量富钾片麻状花岗岩，1∶20万兴地幅地质图将其解释为晋宁期闪长岩，1∶5万中途站幅地质图将其解释为古元古界达格拉格布拉克群，为一套海相碎屑岩和中基性火山岩建造，但近年来的岩石学和锆石U-Pb年代学研究表明，其原岩主体为一套太古宙晚期至古元古代早期形成的中-基性至酸性的侵入岩，目前获得的锆石U-Pb年龄在2.64～2.42 Ga（邓兴梁等, 2008; Long et al., 2010; Shu et al., 2011; Zhang et al., 2012; Sun et al., 2023）。在库尔勒北部铁门关至G216公路一带发育一套不同程度变质变形和混合岩化的片岩和片麻岩，夹大量斜长角闪岩、大理岩、钙硅酸岩。Ge等（2014a）将其称为库尔勒杂岩。目前，库尔勒杂岩中的正片麻岩和斜长角闪岩获得锆石U-Pb年龄为2.74～2.29 Ga（郭召杰等, 2003; Long et al., 2010, 2011; Shu et al., 2011; 董昕等, 2011; Ge et al., 2013, 2014a; 朱文斌等, 2022）。其中，Ge等（2014a）和朱文斌等（2022）报道的2.74～2.70 Ga的角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩是目前库鲁克塔格地区发现的具有锆石U-Pb年龄的最老岩石。朱文斌等（2022）还在库尔勒地区的一个石英岩中获得了大量太古宙碎屑锆石，其中最年轻的年龄峰为～2.5 Ga，表明该区可能存在太古宙变质表壳岩。此外，Cai等（2018）在库鲁克塔格东部的帕尔岗塔格地区的角闪岩和花岗片麻岩中分别获得了（2524 ±20）Ma 和 （2501 ±17）Ma的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄，说明该区同样出露太古宙末期岩石。上述新太古代岩石普遍遭受了古元古代晚期（1.9～1.8 Ga）的高级变质作用，但目前尚未报道太古宙变质作用记录，这与敦煌、阿拉善及华北其他地区的记录有所不同。锆石Lu-Hf同位素研究表明，库鲁克塔格地区的太古宙岩石初始εHf（t）值变化范围较大，平均为−2.8～+5.7，说明古老地壳的再造和同期新生地壳的添加均具有重要作用，但不同地区有所差异，辛格尔和库尔勒地区的锆石εHf（t）以负值为主，说明这两个地区可能存在更古老地壳物质，而兴地和帕尔岗塔格地区～2.5 Ga的岩石具有高正εHf（t）值，说明其源区主要为亏损地幔或其产生的新生地壳（Long et al., 2010, 2011; Ge et al., 2014a; Cai et al., 2018; Sun et al., 2023）。Ge等（2014a）还对库尔勒地区～2.7 Ga长英质片麻岩中的锆石进行了原位O同位素分析，其中保存最好的岩浆锆石（不谐和度为−2%～2%）的δ18O值达6.8‰～8.5‰，表明经历低温热液蚀变的表壳物质对太古宙岩浆源区有重要贡献。
全岩地球化学研究表明，库鲁克塔格地区的新太古代变质基性岩（斜长角闪岩、变质辉长岩）大多具有岛弧玄武岩属性，而中酸性岩石则大多类似于太古宙TTG或显生宙埃达克岩，被解释为俯冲板片或上覆岛弧部分熔融的产物（Long et al., 2010, 2011; Zhang et al., 2012; Ge et al., 2014a; Cai et al., 2018; 朱文斌等, 2022; Sun et al., 2023）。
1.2 敦煌地区
敦煌地区位于北山造山带以南，阿尔金造山带以北，向西被库姆塔格沙漠覆盖，东南以阿尔金断裂为界与祁连造山带和华北克拉通阿拉善地块相邻（图1、图3）。传统上认为，敦煌地区是一个具有古老结晶基底的微陆块，是塔里木克拉通的东延。敦煌地区广泛发育一套强烈变质变形与混合岩化的高级变质岩，前人称之为敦煌杂岩，主要出露在三危山–多坝沟、东巴兔–蘑菇台、石包城–红柳峡等3条NEE–SWW向延伸的山脉，主要由长英质片麻岩、片岩、大理岩、斜长角闪岩及少量石英岩和钙硅酸盐岩等组成，在野外不同岩石类型呈平行片理/片麻理构造接触，并被大量未变形或弱变形的花岗质岩石侵入。梅华林等（1998）最早在石包城附近的水峡口地区报道了一个英云闪长质片麻岩的ID-TIMS锆石U-Pb年龄为（
2670 ±12）Ma。Zhang等（2013）和赵燕等（2013）进一步的对该区的英云闪长质片麻岩进行了LA-ICP-MS和SHRIMP锆石微区U-Pb定年，结果显示其原岩主要形成于2.56～2.50 Ga。Zong等（2013）、Zhao等（2015）和赵燕等（2015）对东巴兔–蘑菇台一带的TTG片麻岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，揭示出2.48～2.45 Ga、2.64～2.63 Ga、2.72～2.71 Ga和～3.06 Ga等多期岩浆事件。其中，赵燕等（2015）报道的～3.06 Ga花岗闪长质片麻岩是目前敦煌地区已知的最古老岩石，其锆石初始εHf（t）多为负值（除两个正值外平均值为−3.6 ± 4.8，2SD），二阶段模式年龄达4.0～3.8 Ga，说明其来源于更加古老的地壳物质的再造。其余新太古代TTG片麻岩的锆石初始εHf（t）多为正值（除了一个～2.64 Ga的奥长花岗质片麻岩之外，其他样品εHf（t）平均值为+1.3～+7.0），但关于这些岩石代表的地壳演化历史则存在不同的解释。赵燕等（2013）认为～2.5 Ga代表新生地壳生长，而Zhang等（2013）根据Hf模式年龄认为地壳生长发生在2.7 Ga，2.5 Ga岩石是新生地壳再造的结果。Zong等（2013）则根据对该区锆石Hf模式年龄的总结识别出了～3.4 Ga、～3.2 Ga、～2.95 Ga、～2.8 Ga和～2.6 Ga等5个峰值，认为其代表幕式地壳生长。值得注意的是，上述样品中的锆石大多具有复杂的内部结构和年龄组成，其LA-ICP-MS定年结果常具有较大误差，且锆石Hf同位素组成极不均一。因此，在进行地壳演化解释时要非常谨慎。从地球化学特征来看，敦煌地区的太古宙TTG大多具有较高的Sr含量和较低Y和Yb含量，类似于中压或高压型TTG，但其中～2.5 Ga的岩石具有相对较低的SiO2和较高的MgO、Cr、Ni含量，类似于低硅埃达克岩或太古宙赞奇岩（Zhang et al., 2013; Zong et al., 2013; 赵燕等, 2013, 2015; Zhao et al., 2015）。
与库鲁克塔格地区类似，敦煌地区的太古宙岩石普遍记录了2.0～1.8 Ga的变质作用，不同的是，石包城地区的样品还记录了与原岩结晶年龄类似的～2.5 Ga变质作用，与阿拉善和华北其他地区类似（Zhang et al., 2013）。此外，敦煌地区的太古宙—古元古代岩石还普遍记录了早古生代（～400 Ma）的叠加变质作用，其变质级别达到高压麻粒岩相至榴辉岩相，不少学者将其解释为中亚造山带南缘古亚洲洋俯冲拼贴导致的增生造山作用的结果，从而认为敦煌地区属于古生代造山带，而非前寒武纪古老陆块（Zhao et al., 2016; Wang et al., 2017; Feng et al., 2018; Shi et al., 2020）。
1.3 北阿尔金地区
北阿尔金地区位于塔里木克拉通东南缘，又称为阿北地块，南以红柳沟–拉配泉早古生代缝合带为界与中阿尔金地块和南阿尔金超高压变质带相邻，东以阿尔金断裂为界与柴达木盆地和祁连造山带分割，北部被库姆塔格沙漠覆盖。北阿尔金地区位于敦煌地区西南约250 km，虽然两者的地质记录有所差异，但目前尚未识别出可靠的地质边界。因此，部分学者将北阿尔金地区作为敦煌地块的一部分。北阿尔金地区发育一条EW向展布、长约为250 km、宽为10～50 km的高级变质岩，前人称之为米兰群，岩性主要为黑云角闪片麻岩、混合岩、斜长角闪岩、紫苏辉石麻粒岩等（新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993）。 1∶25万和1∶5万区域地质调查显示其中包含大量岩体特征明显的TTG片麻岩和后期侵入体，辛后田等（2011, 2012, 2013）将其统称为阿克塔什塔格杂岩。李惠民等（2001）在一个花岗片麻岩（样品I9809）中获得了3.6 Ga左右的ID-TIMS锆石U-Pb上交点年龄，并将其解释岩浆结晶年龄，但值得注意的是，该样品中同时存在一组～2.4 Ga的岩浆锆石，且全岩K2O含量偏高，不同于全球其他始太古代地体中以钠质TTG片麻岩为主的岩石组成；Lu等（2008）对同一个样品进行了锆石CL成像和SHRIMP锆石微区U-Pb年龄测试，发现～3.67、～3.57和～2.4 Ga等3组锆石，其中前两组古老锆石以继承核产出，因而将～2.4 Ga解释为岩石形成年龄。Gehrels等（2003）报道了一个闪长质片麻岩的ID-TIMS锆石U-Pb年龄为～2.93 Ga；陆松年等（2003）报道了一个二长片麻岩和一个英云闪长质片麻岩的ID-TIMS锆石U-Pb年龄分别为～3.10 Ga 和～2.60 Ga，前者后来通过SHRIMP锆石U-Pb定年修订为～2.83 Ga（Lu et al., 2008）。这些研究揭示了该区存在中太古代岩石及更老地壳组分。近年来，不少学者对该区的长英质片麻岩进行了LA-ICP-MS和SHRIMP锆石U-Pb定年，发现了大量新太古代（2.8～2.5 Ga）岩石，年龄峰期为～2.73 Ga和～2.51 Ga（辛后田等, 2013; Long et al., 2014; Zhang et al., 2014; 辜平阳等, 2019, 2020; 叶现韬等, 2020; Dong et al., 2022）。这些新太古代岩石的锆石εHf（t）大多位于球粒陨石附近，εHf（t）平均值为−2.8～+1.3（除一个～2.5 Ga的变质闪长岩εHf（t）平均值为+3.4外（Long et al., 2014）），部分样品具有非常富集的同位素组成，εHf（t）平均值低至−8.3～−12.4（Dong et al., 2022），表明更加古老的太古宙早期地壳对岩浆源区具有重要贡献。
Ge等（2018）对李惠民等（2001）和Lu等（2008）报道的～2.4 Ga富钾花岗质片麻岩露头（3.7～3.6 Ga锆石）进行了详细的年代学填图，发现该露头具有复杂的岩石组合，并将其统称为阿克塔什杂岩。其中，～2.4 Ga富钾花岗片麻岩以一个～2 m宽的构造透镜体的形式产出于条带状英云闪长质片麻岩中，后者是该露头的主体，总体较均匀，但局部镁铁质矿物含量较高，过渡为闪长质片麻岩，包含大量规模不等（宽1 cm～2 m）的斜长角闪岩/基性麻粒岩条带和透镜体，并被～2.0 Ga闪长质片麻岩平行片麻理包裹。上述岩石类型均遭受了不同程度的变质变形和混合岩化，形成统一的NW–SE向陡倾片麻理，并被未变形火成碳酸岩（～1.9 Ga）、花岗岩脉（～1.8 Ga）和基性岩墙（年龄未知）侵入，表明变质变形发生在2.0～1.9 Ga之间，与样品中变质锆石的年龄（～1.97 Ga）一致。Ge等（2018）在其中的多个英云闪长质片麻岩样品中获得了大量始太古代锆石U-Pb年龄，单个样品的最老谐和锆石加权平均207Pb/206Pb年龄或上交点年龄为3.72～3.68 Ga，其中最古老谐和锆石的加权平均207Pb/206Pb年龄为（
3713 ±8）Ma，并将其解释为原岩结晶年龄。Ge等（2020）对这些古老岩石进一步开展了SHRIMP锆石U-Pb定年，将该年龄修订为（3720 ±4）Ma。这些始太古代锆石幔部普遍发生重结晶，其U-Pb年龄与岩浆核年龄一致，Ge等（2018）将其中最年轻重结晶锆石的加权平均207Pb/206Pb年龄（3561 ±9）Ma解释一期变质事件的时代。值得注意的，这些始太古代英云闪长质片麻岩中除了～3.7 Ga岩浆锆石外，不含其他年龄的岩浆锆石，从而排除了古老锆石为继承锆石的可能性，进而确认了始太古代岩石的存在。这是迄今为止塔里木地区发现的最古老的岩石，为塔里木克拉通始太古代陆核的存在提供了可靠的地质证据。Ge等（2018, 2020）对阿克塔什杂岩中的始太古代岩石进行了详细的锆石Hf-O同位素分析，并结合锆石结构和同位素组成均一性分析，获得了最可靠的岩浆锆石Hf-O同位素组成。结果显示，除一个蚀变样品外，εHf（t）平均值为−0.6～−1.0，δ18O值达6.2‰，表明这些古老岩石的源岩可能是来自球粒陨石质地幔的玄武岩，并经历了与地表水的低温相互作用，且在较短（＜300 Ma）时间内发生部分熔融。元素地球化学数据显示，阿克塔什塔格地区的始太古代岩石具有典型的高压型TTG的地球化学特征（Moyen, 2011），且可能是全球最老的高压型TTG。热力学–地球化学模拟表明，其母岩浆可能是富集型玄武岩在相对低温、高压条件下（800～850 ℃，1.8～2.0 GPa）水致熔融的产物，对应的表观地温梯度为400～500 ℃/GPa，与太古宙俯冲带的地温梯度一致，说明俯冲作用在～3.7 Ga已至少局部运行，从而为板块构造的启动时间提供了重要证据（Ge et al., 2018, 2022）。
此外，Dong等（2022）在阿克塔什塔格地区报道了一个～3.63 Ga和一个～3.1 Ga的片麻岩，笔者未发表数据显示该区还存在～3.5和～3.4 Ga岩石，表明该区发育丰富的始太古代至新太古代地质记录，有待进一步探索。
1.4 铁克里克地区
铁克里克地区位于塔里木克拉通西南缘，以库地–欧伊塔格缝合带为界与西昆仑造山带和青藏高原相邻，呈NWW至NNW向沿塔里木盆地西南缘延伸超过400 km。黎敦朋等（2007）最早报道和田南部一条变质辉长岩脉的SHRIMP锆石U-Pb上交点年龄为（
2671 ±13）Ma，认为该区可能存在太古宙岩石。然而，这些岩脉与新元古代变质沉积岩（埃连卡特岩群）呈侵入接触关系，后者的碎屑锆石最大沉积年龄为～800 Ma（Wang et al., 2015; Zhang et al., 2016），因此侵入其中的基性岩脉不可能形成于太古宙；笔者对同一地点的基性岩墙进行锆石U-Pb定年，未发现太古宙锆石。铁克里克地区最古老的岩石单元叫做赫罗斯坦杂岩，出露在新藏公路阿卡孜达坂以北，呈NW–SE向延伸约60 km，宽约为 5～10 km，其主体为一套强烈变质变形和混合岩化的古元古代（2.4～2.3 Ga）花岗质片麻岩，含斜长角闪岩包体，变质时代约～1.9 Ga，并被大量未变质基性岩墙侵入（张传林等, 2003; Zhang et al., 2007; 郭新成等, 2013; Wang et al., 2014; Ye et al., 2016）。郭新成等（2013）结合1∶5万地质调查对赫罗斯坦杂岩进行了实测剖面，基本厘清了其岩石组合，识别出了大量的TTG片麻岩、花岗片麻岩以及基性麻粒岩，并报道了一个紫苏辉石麻粒岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为（3137 ±4）Ma，将其解释为原岩结晶年龄，表明赫罗斯坦杂岩中太古宙岩石的存在。Ge等（2022）对赫罗斯坦杂岩进行了详细的野外工作和锆石U-Pb年代学研究，证实了其中存在大量太古宙岩石，并通过初步年代学填图制约了太古宙岩石的出露范围，发现这些古老岩石以构造透镜体产出于古元古代片麻岩中，其中规模最大的达1 km（图5）。岩相学观察表明，这些太古宙岩石主要由TTG片麻岩和少量二长花岗片麻岩组成，而其围岩则为钾长花岗片麻岩和正长片麻岩。LA-ICP-MS和SHRIMP锆石U-Pb定年表明，TTG片麻岩的原岩年龄为3.2～3.0 Ga，二长花岗片麻岩的原岩形成于2.82～2.81 Ga，并含少量2.91～2.86 Ga的继承锆石，而其围岩的形成年龄则介于2.36～2.31 Ga （Ge et al., 2022）。这些太古宙岩石普遍记录了～1.9 Ga变质作用，部分样品还记录了～2.35 Ga的变质锆石年龄，前者代表一期区域变质事件，而后者则与其围岩侵位时代一致。锆石Hf同位素研究表明，赫罗斯坦杂岩中太古代TTG和二长花岗片麻岩的岩浆锆石Lu-Hf同位素组成相对均匀，εHf（t）加权平均值介于（+4.4±0.3）～（+2.1±0.3），表明岩浆源区为中太古代亏损地幔来源的新生地壳，而古元古代钾长花岗片麻岩和正长片麻岩的εHf（t）加权平均值介于−4.3～−7.8，表明其来源于中太古代地壳的再造。地球化学研究显示，赫罗斯坦杂岩中的3.2～3.0 Ga片麻岩原岩属于中压型TTG，～2.8 Ga的二长花岗片麻岩属于富钾花岗闪长岩和花岗岩，而～2.35 Ga的钾长花岗片麻岩和正长片麻岩的原岩则属于A型花岗岩（Ge et al., 2022）。Ge等（2022）进一步开展了热力学–地球化学模拟工作。结果表明，3.2～3.0 Ga的TTG片麻岩可能是富集型玄武岩在10～12 kbar、750～850 ℃条件下水致熔融的产物；～2.8 Ga的二长花岗片麻岩可能来源于相似的熔融条件，只不过源区可能更加富集或熔融程度更低；而～2.35 Ga的A型花岗质则可能形成于中太古代片麻岩在相对低压、高温（～5 kbar、850～950 ℃）条件下脱水熔融，或中太古代地壳再循环产生的富集地幔再熔融。
图 9. 热力学–地球化学模拟结果与岩石成分的对比图 （据Ge et al., 2022修改）Figure 9. Comparison of thermodynamic–geochemical modelling results and rock compositions1.5 塔里木盆地
塔里木盆地巨厚的新元古代—新生代沉积覆盖了塔里木克拉通的大部分前寒武纪结晶基底，为其研究带来困难。近年来，一系列钻穿沉积盖层的取芯深钻为塔里木克拉通前寒武纪结晶基底的性质提供了重要制约。许多学者对这些基底岩心进行了研究，揭示出2.0～1.8 和0.8～0.7 Ga两期构造–热事件，与盆地周缘前寒武纪露头区类似（Guo et al., 2005; 邬光辉等, 2009; Xu et al., 2013; Yang et al., 2018; 李晓剑等, 2018）。Cai等（2020）对塔里木盆地西南部3口深钻（MB1、ZS1和BT5）中的基底岩心（花岗片麻岩）进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，分别获得了2.80 Ga、2.44Ga和2.23 Ga的岩浆结晶年龄，以及2.0～1.9 Ga的变质锆石年龄和1.85～1.79 Ga的40Ar/39Ar年龄，这是目前为止在塔里木盆地基底岩芯中获得的最古老岩石年龄，表明塔里木盆地具有中太古代—古元古代结晶基底，且应该具有相当大的规模（否则钻遇几率很小）。值得注意的是，这3口钻井中获得中太古代—古元古代年龄信息与塔西南赫罗斯坦杂岩中的记录相似，特别是MB1井中～2.8 Ga的花岗片麻岩的锆石U-Pb年龄和Hf同位素组成均与赫罗斯坦杂岩中～2.8 Ga二长花岗片麻岩类似，表明两者可能属于同一古老陆块（图6、图7）。
图 6. 塔里木克拉通早前寒武纪构造–热事件对比图 （据Ge et al., 2022修改）Figure 6. Comparison of Early Precambrian tectonothermal events in the Tarim Craton
图 7. 塔里木克拉通早前寒武纪锆石Hf同位素组成与地壳演化图 （据Ge et al., 2022修改）Figure 7. Early Precambrian zircon Hf isotope composition and crustal evolution of the Tarim craton2. 讨论
2.1 大陆地壳的形成时间
关于大陆地壳的形成时间，目前学术界仍存在许多不同观点。一种观点认为，大陆地壳的形成和分异发生在地球形成不久的冥古宙—早太古宙（4.5～3.5 Ga），只是这些古老地壳物质大多已通过沉积物俯冲和俯冲侵蚀作用再循环至地幔（Armstrong, 1968, 1991; Korenaga, 2021）。另一种观点则认为，大陆地壳是太古宙（4.0～2.5 Ga）以来逐渐生长形成的，但关于地壳生长的速率，一些学者认为是幕式的，即存在多个快速生长阶段（Taylor et al., 1995; Condie, 1998; Kemp et al., 2006），而另一些学者则认为地壳生长是连续的（Belousova et al., 2010; Dhuime et al., 2012）。
关于塔里木克拉通大陆地壳的初始形成时间和生长期次，以及各前寒武纪露头区地壳演化历史的异同，前人存在不同的认识。例如，Long等（2010, 2011, 2014）根据库鲁克塔格和北阿尔金地区新太古代岩石的锆石Hf模式年龄，认为这两个地区具有相似的地壳演化历史，可能属于同一古老地块，且不存在老于3.5～3.3 Ga的大陆地壳。Ge等（2014b）对库鲁克塔格西段碎屑锆石的Hf-O同位素研究表明，该区最古老的大陆地壳组分形成于3.9～3.7 Ga。Zhang等（2014）根据北阿尔金地区一些变质锆石的Hf模式年龄（达4.3～4.2 Ga）认为该区可能存在冥古宙大陆地壳，并根据Hf模式年龄的对比提出阿尔金地区可能是与库鲁克塔格、敦煌具有不同地壳演化历史的独立陆块。Ge等（2018, 2020）在北阿尔金地区发现的～3.7 Ga的TTG片麻岩，证实塔里木克拉通确实存在始太古代大陆地壳，但通过详细的锆石Hf同位素分析，发现这些岩石的源区可能是球粒陨石质地幔，不存在冥古宙古老地壳或亏损地幔的贡献。
此外，许多学者根据锆石Hf模式年龄的统计峰值，认为塔里木克拉通经历了多期幕式地壳生长（Long et al., 2010, 2011, 2014; Zong et al., 2013; Zhang et al., 2014; Ye et al., 2016），但不同学者给出的年龄峰的数量和位置均存在差异。更重要的是，这些锆石Hf同位素数据并没有与之配套的O同位素数据，因此其模式年龄是否代表新生地壳形成年龄仍存在疑问。Ge等（2014a, 2014b, 2015）对库鲁克塔格西段的新太古代—古元古代岩石进行了锆石Hf-O联合示踪研究，发现大多数锆石具有高δ18O（＞6.5‰）。正如Kemp等（2006）指出，这种高δ18O锆石的Hf同位素模式年龄是混合年龄，并不能用来直接约束地壳生长时间。Ge等（2014a, 2015）注意到，库鲁克塔格和敦煌地块普遍存在～2.7、～2.5及～1.9 Ga等3期岩浆作用，其锆石Hf同位素均存在显著的不均一，Hf-O同位素模拟显示大多数锆石可能记录了亏损地幔与古老大陆地壳的混合，并据此提出了多期同时地壳生长与再造的观点。
需要指出的是，锆石Hf同位素数据，特别是模式年龄的解释，存在很多复杂因素和不确定假设，必须慎之又慎（Vervoort et al., 2016）。首先，变质锆石不能用来计算亏损地幔模式年龄，因为变质锆石通常具有复杂成因，如变质重结晶和变质矿物分解形成变质新生锆石等，这些过程可能导致Lu/Hf的分馏或Lu-Hf同位素与U-Pb年龄的解耦。例如，变质重结晶作用通常导致U-Pb定年变年轻，而Lu-Hf同位素并不改变，这时如果用变质年龄去计算亏损地幔模式年龄，将会产生非常古老的数据，Zhang等（2014）在北阿尔金地区获得的冥古宙模式年龄正是来自2.0～1.9 Ga的变质锆石。其次，许多样品，甚至单颗锆石，存在Hf同位素不均一，这种不均一数据的解释需要非常谨慎，因为这种不均一性既可能来自分析过程，也可能来自复杂的地质过程。分析过程导致Hf同位素不均一的原因包括：高Yb锆石的不准确校正；激光剥蚀过程中与高176Hf/177Hf值变质边的混合；用岩浆结晶年龄计算εHf（t）值时未剔除年轻锆石（如变质锆石、深融锆石）等，其中后两个过程对遭受多期热事件叠加的太古宙古老岩石特别重要。导致锆石Hf同位素不均一的地质过程包括岩浆混合和非平衡熔融（Tang et al., 2014） 等，前者通常被用来解释样品锆石Hf同位素组成的巨大变化，但是在没有其独立证据（如野外观察、锆石Hf-O同位素相关性）之前说服力存疑，而后者同样需要其他证据的支持（如大量继承锆石的存在）。更重要的是，在这两种情况下，单颗锆石甚至单个样品的锆石Hf同位素数据不代表岩浆源区的Hf同位素组成，因此不能直接用来反演地壳生长的时间。最后，亏损地幔模式年龄的计算本身存在两个重要的假设，即亏损地幔模型和平均地壳成分（即Lu/Hf值），目前对这两个方面学术界仍存在很多争议。比如，以现代MORB源区为代表的亏损地幔到底是何时出现的？它是不是太古宙大陆的源区？太古宙大陆地壳的平均Lu/Hf值与现代大陆地壳一致吗？这些问题涉及到地球早期壳幔分异的时代、早期大陆成分的演变等众多前沿科学问题，目前尚未有定论。
为了深入分析讨论塔里木克拉通的太古宙地壳生长和演化，笔者总结了已发表的塔里木克拉通太古宙—古元古代变质岩浆岩的锆石U-Pb年龄和Hf同位素数据，并进行了数据过滤和清洗，以期获得最可靠的岩浆源区Hf同位素组成。具体的数据处理方法见（Ge et al., 2020）。图7展示了未经过滤的原始数据（统一计算后）（图7a），单个样品的平均值（图7b），以及最可靠样品（样品尺度锆石Hf同位素组成在所有误差范围内均一）的加权平均εHf（t）值（图7c），结合前文对各早前寒武纪露头区太古宙岩石的描述，对塔里木克拉通太古宙—古元古代地壳形成演化做简要讨论。
塔里木克拉通可能普遍存在太古宙—古元古代基底。目前已在库鲁克塔格、敦煌、北阿尔金以及铁克里克地区发现大量太古宙古元古代岩浆事件的岩石记录，钻井岩心资料显示，在塔里木盆地数千米厚的沉积盖层之下同样存在太古宙—古元古代岩石（Cai et al., 2020）。尽管受后期沉积覆盖和多期造山作用叠加改造，这些太古宙—古元古代的出露规模不像典型的太古宙克拉通那么广泛，但其分布范围遍布塔里木克拉通的所有早前寒武纪露头区，说明其原始规模要比现今出露范围大得多。
塔里木克拉通最老的大陆地壳形成于始太古代。阿克塔什塔格地区3.7～3.6 Ga岩石的发现为始太古代大陆地壳的存在提供了可靠证据（Ge et al., 2018, 2020; Dong et al., 2022）。锆石Hf同位素表明，这些古老岩石的源区可能是来自球粒陨石质地幔的新生地壳，并在较短时间（200～300 Myr）内发生部分熔融（Ge et al., 2018,2020），因此，目前没有证据表明塔里木克拉通存在更古老（冥古宙）的大陆地壳。此外，阿克塔什塔格地区～3.1 Ga和部分～2.5 Ga片麻岩（Dong et al., 2022），敦煌地区～3.05 Ga片麻岩（赵燕等, 2015），以及库鲁克塔格地区3.5～2.0 Ga碎屑岩浆锆石（Ge et al., 2014b），都具有非常富集的锆石Hf同位素组成，模式年龄均达到始太古代，表明始太古代大陆地壳可能具有相当规模。因此，始太古代可能是初始大陆地壳大规模形成的时代，这与全球范围内始太古代长英质岩石的出现相一致（Van Kranendonk et al., 2019）。
塔里木克拉通各个早前寒武纪露头区记录的太古宙岩浆作用时间和Hf同位素组成既有相似性，也有不同之处，是否表明这些地区的大陆地壳具有共同的起源和演化历史，尚难以定论。例如，库鲁克塔格、敦煌和北阿尔金地区普遍发育～2.7和～2.5 Ga两期新太古代岩浆作用，而铁克里克地区以中太古代（3.2～2.8 Ga）和古元古代早期（～2.35 Ga）岩浆记录为主，目前尚未发现确凿的新太古代岩浆事件的岩石记录（图6）。但是需要指出的是，这些地区研究程度仍非常低，特别是铁克里克地区，太古宙岩石的研究才刚起步。如前文所述，敦煌和北阿尔金地区中太古代岩石的存在已有可靠的年代学证据，更重要的是，敦煌、北阿尔金和库鲁克塔格地区不少新太古代岩石的锆石εHf（t）值落在铁克里克地区中太古代—古元古代岩的地壳演化线上（图7），因此不能排除这些陆块具有共同的演化历史。
塔里木克拉通可能经历了多期太古宙幕式地壳生长事件。除了始太古代（3.9～3.7 Ga）古老陆核形成之外，目前可识别出中太古代（3.2～3.0 Ga）和新太古代（2.8～2.5 Ga）两期重要的地壳生长事件（图7）。这两期地壳生长事件均有同期亏损地幔物质的重要贡献，但这些新生地壳物质在后期岩浆事件中被不同程度再造或重熔。例如，中太古代新生地壳的再造对新太古代和古元古代早期岩浆作用具有重要的物质贡献，而新太古代新生地壳对古元古代晚期岩浆作用同样具有重要贡献。可能正是这种多期次的新生地壳添加与古老地壳再造的共同作用，导致大陆地壳体积的增长和成分的分异，形成了相对成熟、稳定的克拉通地壳。
2.2 太古宙大陆地壳形成的物理条件与岩石学过程
以TTG（英云闪长岩–奥长花岗岩–花岗闪长岩）为主的太古宙花岗质岩石是现存早期大陆地壳最主要的物质组成，其岩石成因与构造背景是理解早期大陆起源和构造演化的关键。太古宙TTG大多具有高SiO2、高Na2O/K2O、高Sr、低Y、亏损重稀土和Nb-Ta-Ti等特征，一般认为是在相对高压条件下（石榴子石稳定域）含水基性岩部分熔融或幔源岩浆分离结晶的产物（Barker et al., 1976; Jahn et al., 1981; Moyen et al., 2012; Condie, 2014; Hoffmann et al., 2019）。岩浆形成的温度、压力、水含量（P-T-X（H2O））等物理化学条件对岩浆的形成和演化具有决定性作用，在很大程度上受控于其形成时的构造环境。近年来，太古宙TTG的岩石成分是否反映了岩浆形成压力这一问题备受争议。Barker等（1976）最初将TTG分为高铝型（Al2O3＞15%）和低铝型（Al2O3＜15%），认为前者是在相对高压下石榴子石或角闪石残留或分离结晶形成的，而后者则是相对低压下斜长石残留或分离结晶的产物。Moyen （2011, 2020）则进一步根据对熔融压力比较敏感的微量元素（如HREE、Y、Sr、Nb、Ta）的含量和比值，将TTG分为高压型、中压型和低压型。其中，低压型和中压型TTG分别形成于正常（≤10 kbar）或加厚（10～15 kbar）地壳底部，而高压型TTG的形成压力达～2.0 GPa（～60 km），要求蚀变玄武岩被带到地幔深度发生熔融，与俯冲作用一致，这一认识得到许多实验岩石学（Moyen et al., 2006; Hastie et al., 2016）和热力学模拟（Palin et al., 2016; Ge et al., 2018, 2022）结果的支持。然而，近年来，不少学者提出，“高压型”TTG的地球化学特征可以用其他岩石学过程解释，如低镁玄武岩的壳内熔融（Johnson et al., 2017）、角闪石分离结晶（Liou et al., 2019; Smithies et al., 2019）、斜长石堆晶（Laurent et al., 2020; Rollinson, 2021; Kendrick et al., 2022）、水致熔融过程中斜长石的选择性熔融（Pourteau et al., 2020）等，这些过程均发生在正常地壳压力条件下，无需高压熔融，从而对高压TTG对俯冲作用的指示意义提出了质疑。
近年来，热力学数据库的完善（Holland et al., 2011）、相关熔体–矿物活度模型的建立（Green et al., 2016; Holland et al., 2018）以及计算软件的发展（Xiang et al., 2022）为探索TTG岩浆形成时的P-T-X（H2O）条件注入了新的活力。为了限定不同成分的TTG的形成条件，Ge等（2018, 2022）对太古宙富集型玄武岩（EAB）的中值成分进行了详细的热力学–地球化学模拟，为TTG的成因提供了新的见解（图8、图9）。首先，脱水和含水熔融均可生产TTG熔体（K2O/Na2O≤0.6, SiO2≥65%），但在低于10 kbar条件下，近固相线附近生产的熔体为花岗质（K2O/Na2O＞0.6），而极高温（＞950 ℃）条件下则形成闪长质（SiO2＜65%）熔体。K2O/Na2O、La/Sm等不相容元素的浓度和比值受熔融程度的控制，而熔融程度又受温度和源区含水量的控制。在给定压力下，要达到类似的熔融程度，源区水含量每增加1%，所需的温度则降低30～150 ℃。对于固相线以上给定的温度和压力，源区水含量每增加1%，熔体就增加5%～10%。由于部分熔融是一个吸热过程，提高熔融温度需要大量的热量，而水致熔融则可以在相对低温的条件下产生大量TTG熔体。在一定压力下，水致熔融产生的熔体的Al2O3、Na2O、Sr和Eu*的含量略高于脱水熔融产生的熔体，这主要是由于斜长石在水致熔融过程中优先分解导致的。需要注意的是，稍高压力下脱水熔融产生的熔体也有同样的效应。然而，脱水熔融和水致熔融产生的熔体的温度和含水量存在巨大差别。例如，在11kbar下30%的熔融产生的熔体，源区含5%水的水致熔融产生的熔体温度为～800 ℃，熔体水含量达～12%，而脱水熔融产生的熔体温度为950 ℃，熔体水含量只有5%，如此巨大的差异为评估脱水熔融和水致熔融的相对重要性提供了一种有效手段。
图 8. 太古宙TTG成因的热力学–地球化学模拟图 （据Ge et al., 2022修改）Figure 8. Thermodynamic–geochemical modelling for the formation of TTG melts另一个重要的模拟结果是，在不同压力下产生的TTG熔体具有不同的成分，证实了压力在决定TTG成分多样性方面的关键作用。例如，Al2O3、Na2O、Sr、Eu和HREE含量以及Sr/Y、La/Yb、Gd/Yb和Eu/Eu*值与压力呈强 （但并非线性） 相关。这主要是由于随着压力的增加，残留体中石榴子石的含量增加，而斜长石的含量减少导致的。其中，与中压型和低压型TTG成分类似的熔体可能形成于下地壳深度（10～15 kbar），而与典型高压型TTG类似的熔体（Sr≥600×10−6, Sr/Y≥100，（La/Yb）N≥50，Nb≤4×10−6）只能形成于地幔深度（＞15 kbar）。在750～850 ℃条件下，10～12 kbar和18～20 kbar的水致熔融可以分别产生与全球中–低压型和高压型TTG中值成分非常一致的熔体（图9b）。需要注意的是，温度升高100～150 ℃后，脱水熔融可以产生成分非常类似的熔体，但其水含量较低。塔里木克拉通南缘赫罗斯坦杂岩中3.2～3.0 Ga的中压型TTGs和阿克塔什杂岩中～3.7 Ga的高压型TTG的中值成分也分别与10～12 kbar和18～20 kbar下水致熔融产生的熔体成分可以很好地吻合（图9c）。
与3.2～3.0 Ga的TTGs相比，赫罗斯坦杂岩中～2.8 Ga的高钾花岗质片麻岩的εHf值（～+2）略低于亏损地幔（图7），指示新生地壳的初始再造，其地壳滞留时间约为200～300 Myr，这与这些样品较为演化的性质是一致的（如较高的K2O含量）。事实上，这些岩石的主量元素组成与太古代钾质花岗岩非常相似，其微量元素组成变化很大，可能是部分熔融导致熔体提取和局部汇聚，或岩浆演化过程中斜长石分离结晶与堆晶的产物，因此其平均成分可能代表原始岩浆。实际上，～2.8 Ga片麻岩的平均成分与全球中低压 TTG非常相似，也与赫罗斯坦杂岩中3.2～3.0 Ga的 TTG非常相似，只是K和Rb较高，Sr/Y和La/Yb值略低，因此，可以解释为在较低的压力（～10 kbar）下相对低程度熔融的产物（图9c），也可能有先存大陆地壳（即中太古代TTG）的贡献，这与其中继承锆石的存在相一致。因此，这些岩石可能是中太古代新生大陆地壳初始再造的产物，标志着塔里木克拉通西南部大陆地壳的初始分异和稳定。
与中太古代岩石相比，早古元古代（～2.35 Ga） A型花岗岩锆石εHf与全岩εNd均为负值，表明其可能来自古老大陆地壳的再造。热力学地球化学模拟表明，在≤5 kbar、860～950 ℃条件下，赫罗斯坦杂岩中太古宙片麻岩经10%～30%的脱水熔融，可以产生～2.35 Ga的A型花岗岩的高REE、高HSFE、高Ga/Al、低Sr/Y、低La/Yb、Eu*负异常等特征（图9d），这与实验岩石学结果一致。模拟给出的P–T条件对应的表观地温梯度非常高（达～
1800 ℃/GPa或～60 ℃/km），可能是裂谷环境中幔源岩浆侵入导致的。然而，计算和实验产生的熔体具有较高的SiO2含量（≥70%），与～2.35 Ga 的A型花岗岩的高SiO2端元（平均SiO2为71%）相似，但显著高于赫罗斯坦杂岩中的正长片麻岩的SiO2（57%～64%），说明源区存在更多的基性物质，可能是富集地幔的部分熔融及幔源镁铁质岩浆演化的产物。因此，笔者推测，幔源基性岩浆侵入引发的太古宙大陆地壳的低压熔融可能对塔里木克拉通西南古元古代早期A型花岗岩的形成以及大陆地壳的进一步分异和克拉通化发挥了重要作用。为了进一步限定早期大陆地壳的形成机制和构造背景，特别是水在太古宙花岗质岩浆形成中的作用，Ge等（2023）最近结合两种基于锆石微量元素的氧逸度计（Smythe et al., 2016; Loucks et al., 2020），创新性地提出了锆石氧逸度–湿度计，该方法可以同时准确计算岩浆氧逸度和水含量，从而解决了花岗质岩石的岩浆氧逸度和水含量难以定量的科学难题（图10a）。在上述方法创新的基础上，Ge等（2023）首次系统厘定了太古宙花岗质岩石的岩浆氧逸度和水含量，取得了以下重要发现：①大多数太古宙花岗质岩浆的氧逸度（中值为FMQ −0.1±1.1，2SD，FMQ为铁橄榄石–磁铁矿–石英氧化还原缓冲对）低于显生宙岛弧岩浆，但相对于太古宙对流地幔来源岩浆的氧逸度（约FMQ −1.2）（Aulbach et al., 2016; Gao et al., 2022）升高了约一个数量级，这种差异类似于现代岛弧岩浆相对于洋中脊玄武质岩浆的变化（图10b）。②大多数太古宙花岗质岩浆具有较高的水含量（6.0%～10.5%）（图10b），类似于现代岛弧岩浆，且岩浆氧逸度和水含量均与指示岩浆分异程度和形成深度的地球化学指标具有较好的相关性，说明来源越深的岩浆越氧化、越富水，指示大量的水被从地表运输至深部地壳和地幔，与大洋板片俯冲、脱水作用相一致。③热力学模拟表明，太古宙花岗质岩浆氧逸度和水含量的变化受控于岩浆形成和侵位深度、源区氧化和水化等复杂过程，高压水致熔融是太古宙花岗质岩浆形成的重要机制。④在地球形成后约5～10亿a（40～36亿a前），花岗质岩浆的氧逸度和水含量发生了显著的升高，与锆石Hf、Si同位素（Zhang et al., 2023）及全岩Ti同位素（Aarons et al., 2020）的变化一致，可以用俯冲作用的启动来解释（图11），说明这一时期可能是从前板块构造向早期板块构造演变的关键转折期。
图 10. 锆石氧逸度–湿度计的原理和应用 （据Ge et al., 2023修改）a．锆石氧逸度–湿度计的原理，以Bishop凝灰岩为例，插图展示了水含量计算结果的准确性；b. 锆石氧逸度–湿度计给出的太古宙花岗质岩浆的氧逸度和水含量及其与其他岩浆的对比Figure 10. Principle and application of the zircon oxybarometer–hygrometer
图 11. 太古宙花岗质岩浆氧逸度和水含量及锆石Hf同位素随时间的长期演化（据Ge et al., 2023修改）Figure 11. Secular change in magma oxygen fugacity, H2O content and zircon Hf isotopic composition of Archean granitoids2.3 太古宙大陆地壳形成的动力学背景
关于太古宙大陆形成的构造环境，目前仍存在激烈争论，前人提出的模型包括：①俯冲大洋板片（Martin, 1986; Drummond et al., 1990）、洋底高原（Martin et al., 2014）或岛弧（Ge et al., 2018, 2022）熔融模型。②加厚岛弧底部熔融（Atherton et al., 1993; Rapp et al., 2003; Arndt, 2013）或分异（Kleinhanns et al., 2003; Jagoutz et al., 2013）模型。③地幔柱引起的洋底高原底部熔融模型（Bédard, 2006; 赵国春等, 2021）。④绿岩“滴坠”（Dripping）或重力凹沉（Sagduction）模型（Johnson et al., 2017; Smithies et al., 2021）。⑤热管（Heat-pipe）（Moore et al., 2013）或软盖（Plutonic-squashy lid）（Rozel et al., 2017）模型。⑥天体撞击模型（Johnson et al., 2022）等。显然，模型（1）和（2）指示至少太古宙早期就已存在某种形式的板块构造，早期大陆的形成是俯冲带岛弧岩浆作用和岛弧拼贴构造的结果；而模型（3）～（6）则意味着地球早期可能处于停滞岩盖（Stagnant lid）构造体制，受控于地幔柱、天体撞击等过程引起的岩浆作用和垂向构造变形，认为板块构造启动于太古宙晚期甚至元古宙，是大陆岩石圈分异的结果。
前人从岩石地球化学、变质变形、热力学和动力学模拟以及比较行星学等多个角度对早期大陆形成的动力学背景进行了大量研究，但几乎每一个方面都存在很多争议和不确定性。例如，地球动力学数值模拟发现早期构造体制主要受控于地幔潜温（Tp），当Tp 比现今值（～
1350 ℃）高50～200 ℃时，岩石圈强度降低，俯冲板片经常发生断离；而当Tp比现今值高250 ℃以上时，岩石圈强度太低而难以俯冲，而是以小尺度对流和不稳定滴坠为特征，形成巨厚玄武质地壳（Van Hunen et al., 2008; Sizova et al., 2010, 2015; Fischer et al., 2016）。结合Herzberg等（2010）建立的地幔长期冷却模型，上述模拟结果表明地球早期可能处于地幔柱–停滞岩盖体制，至太古宙晚期—元古宙时期才逐渐转变为板块构造体制。通过更精细的模拟，Sizova等（2015） 厘定了地幔柱–停滞岩盖体制下TTG岩浆形成的3种可能过程，即下地壳拆沉、局部地壳加厚和小规模地壳翻转（凹沉），并识别出两种类型的大陆地壳，分别类似于太古宙花岗–绿岩带和高级变质地体。Rozel等（2017） 模拟了停滞岩盖体制下幔源岩浆不同喷发效率对地温梯度和TTG形成压力的影响，发现热管模型所倡导的高效火山喷发（Moore et al., 2013） 将导致地温梯度过低，难以形成中–低压型TTG，只有当喷发效率介于20%～40%时才能解释地质记录中的TTG组成（Moyen, 2011），据此，作者提出地球早期以岩浆侵入作用为主，形成温度高、强度低、易变形的软盖构造（模型5）。上述模拟结果对早期大陆的起源和构造体制演化具有重要启示意义，然而，数值模拟结果的可靠性依赖于模型参数的设置，其中最重要的参数就是地幔Tp值，目前，对前寒武纪地幔Tp演化的定量约束仍存在很大的不确定性。例如，Ganne等（2017）给出的太古宙Tp值比Herzberg等（2010）的模型要低～100 ℃。显然，这一不确定性对太古宙地球动力学数值模拟结果的解释具有重要影响，正如Kamber（2015）指出，在前寒武纪地幔Tp取得共识之前，接受动力学模拟的预测还为时尚早。地幔柱模型也被广泛用来解释太古宙花岗–绿岩带的科马提岩–拉斑玄武岩等岩石组合、穹脊构造（Dome-and-keel architecture）、具有顺时针P–T轨迹的高级变质作用等（Bédard, 2006, 2018; 赵国春等, 2021），但地幔柱在解释TTG成因方面存在以下困难：①TTG需要中等富集大离子亲石元素和亲稀土元素但同位素亏损的基性源岩。②TTG的形成需要大量含水玄武岩或自由水，并将其输送到至少30 km深。③至少部分高压TTG需要更高的熔融压力，很可能发生在地幔深度。尽管在类似冰岛的大洋高原环境下分离结晶或部分熔融可以解释一些高铁英云闪长岩和低压TTG，太古宙大陆地壳中占主导的中压型和高压型TTG很难用地幔柱模型解释。最近，太古宙绿岩“滴坠”（Dripping，即镁铁–超镁铁质火山岩通过重力凹沉进入下地壳乃至地幔）被用于解释地幔柱模型中水的运输（Smithies et al., 2019, 2021），然而，这种机制的可行性值得怀疑，理由如下：①太古宙绿岩“滴坠”构造是长英质中地壳和超镁铁质–镁铁质上地壳之间密度差的结果，而不是原因，因此不能解释最初始TTG的形成。②太古宙下大陆地壳可能也是镁铁–超镁铁质成分，其密度与上地壳绿岩相似或更高，因此绿岩“滴坠”不太可能穿透下地壳甚至地幔。③即使绿岩“滴坠”到了地壳的中下部，也必然经历了变质脱水，几乎没有能力将水输送到很深的地方。Wu等（2023）最近基于基底岩浆洋假说提出了含水地幔柱模型，但这个假说本身存在很大不确定性，而太古宙科马提岩水含量研究表明，大多数科马提岩水含量较低，且可能来源于俯冲板片脱水之后携带至上下地幔过渡带的残留水，而非原始岩浆水（Sobolev et al., 2016, 2019）。传统的俯冲相关模型在解释TTG成因方面同样存在困难。例如，板片熔融模型和洋底高原俯冲模型同样难以解释TTG源岩中不相容元素的富集，也无法解释大多数太古宙TTG形成于中低压条件（下地壳）这一观测结果。
基于上述讨论，Ge等（2022）提出了一个太古宙大洋岛弧在不同深度含水熔融的新模型，以解释不同TTG的起源（图12）。一般认为，太古宙地幔比现今地幔的潜能温度要高，导致洋中脊处地幔熔融程度更高，形成厚达25～35 km的大洋地壳，类似于现代洋底高原（Van Hunen et al., 2012）。然而，巨厚洋壳底部以无水镁铁–超镁铁质堆晶为主，不太可能发生熔融而产生TTG（Roman et al., 2020）。数值模拟显示，太古宙大洋岩石圈的流变强度可能更低，只能间歇性地俯冲到热的地幔中，伴随着频繁的板片断离（Van Hunen et al., 2012）。尽管如此，大量的水仍将被输送到地幔深处，导致俯冲板片和上覆地幔的水致熔融，由此产生的含水岩浆底侵或侵入上覆的大洋地壳，形成更厚的大洋岛弧。这种原始大洋岛弧底部（10～15 kbar）含水岩浆结晶释放的水将触发含水熔融，产生大量中–低压型TTG（图12）。这与Collins等（2020）提出的科迪勒拉岩基的水致熔融模型相似，但发生在更高的压力下，形成的熔体与大量石榴子石平衡。更重要的是，这种巨厚大洋岛弧在与其他岛弧、洋底高原或先存大陆碰撞时，将会更容易发生构造拼贴，而非俯冲至地幔，从而导致快速岛弧增生和地壳生长。高度亏损的岛弧岩石圈地幔的拼贴和构造增厚也解释了大陆岩石圈地幔的形成。然而，部分岛弧可能在拼贴过程中被带到地幔深处，并由于内部脱水导致表面发生含水熔融，产生高压型TTG（图12），这解释了高压型TTG的稀缺性及其相对较晚的侵位时间。上述过程类似于菲律宾板块上的一些列岛弧和弧后盆地向日本西南部的俯冲。太古宙以来，随着地幔的冷却，洋壳及其上形成的岛弧厚度逐渐变薄。Condie等（2013）的统计表明，现代海洋弧的平均厚度为12～28 km，因此很少达到TTG形成所需的深度，除非在加厚的成熟岛弧中，高压分离结晶仍然可以产生类似于太古宙TTG的岩体（Jagoutz et al., 2013）。此外，显生宙以来增生造山带的地质记录表明，显生宙大洋岛弧大多都被俯冲至地幔，而不像太古宙岛弧那样很容易发生拼贴和增生。据此，Condie等（2013）提出，地壳生长的主要地点由太古宙巨厚大洋岛弧转变为后太古宙大陆弧，随着俯冲侵蚀和沉积物俯冲向地幔提供了更多的大离子亲石元素，产生了高钾钙碱性玄武岩和安山岩，这些玄武岩和安山岩经过部分熔融或分离结晶产生了高钾花岗岩。这一过程与先存地壳的多次再造相结合，逐渐导致了大陆地壳的成熟。
图 12. 太古宙大陆起源的岛弧俯冲–拼贴模式图（据Ge et al., 2022修改）Figure 12. A subduction–arc accretion model for the origin of continents上述模型与前人提出的岛弧拼贴模型有两个不同之处：①在笔者的模型中TTG是通过含水熔融产生的，而不是脱水熔融或玄武质岩浆的分离结晶。②笔者的模型中，高压型TTG来源于岛弧的俯冲和熔融，而不是俯冲大洋板片或洋底高原的熔融。然而，需要指出的是，笔者的模型并没有排除这些与俯冲有关的模型，或地幔柱环境下低压脱水熔融和分离结晶。尽管如此，笔者的模型强调了水和俯冲–拼贴构造在大陆地壳形成过程中的作用，它有助于解释地球上大规模大陆地壳的独特性，还将地质记录中TTG比例和地壳生长速率的逐渐下降与地幔的长期冷却联系起来，并支持俯冲–拼贴构造至少从始太古代就开始运行的观点。
2.4 存在的问题与未来研究方向
虽然近年来塔里木克拉通太古宙大陆的形成演化取得了重要进展，但与典型的太古宙克拉通相比，其研究程度仍非常低，存在许多亟待解决的重要问题。其中最重要的问题是太古宙地质记录不完整、后期叠加改造强。目前，塔里木克拉通发现的太古宙岩石主要是以TTG为主的长英质片麻岩，这些岩石大多产出于古元古代（2.0～1.8 Ga）造山带中，遭受了强烈的古元古代变质变形和混合岩化，部分地区（如敦煌和库尔勒）还受到古生代构造–热事件的叠加，使得这些岩石大多呈大小不一的构造透镜体产出于年轻岩石中，为太古宙大陆地壳原始岩石组合及其时空分布的厘定带来困难。此外，强烈的变质变形和混合岩化使得大多数同位素体系乃至全岩化学成分遭受了不同程度的改造，为其源区属性和形成过程的示踪带来不确定性。因此，通过详细的大比例尺构造–岩性–年代学填图，厘定太古宙大陆地壳的物质组成和时空分布，特别是除TTG以外的其他太古宙岩石类型，如基性–超基性火山岩、碎屑–化学沉积岩等表壳岩石组合，以及富钾花岗岩、赞奇岩、辉长岩、斜长岩等深成岩组合，尽可能填补图6展示的不同地区不同时间段内地质记录的空白，仍是所有研究的基础。在此基础上，尽可能选择后期叠加较弱的地区，识别可能的太古宙变质变形，并选择稳定性较强、能够“透视”变质变形改造影响的同位素和元素地球化学指标，结合最新的分析技术和热力学、动力学模拟，揭示太古宙大陆演化的形成时间、机制和动力学背景，仍是未来研究的重点。
由于TTG岩石在塔里木及其他克拉通太古宙大陆地壳中的主导作用，其成因研究仍对理解早期大陆的起源与演化仍具有重要作用。目前，TTG成因研究中仍存在一些重要科学问题，如TTG的岩浆源区属性、TTG岩浆形成的物理化学条件和岩石学过程等。TTG相对富钠、富集大离子亲石元素和轻稀土元素的特征说明其最有可能的源区是相对富集的基性（超基性？）岩（图9a），但这些基性（超基性？）岩究竟代表太古宙洋壳、岛弧、洋底高原，还是与TTG同期的绿岩带基性–超基性火山岩，是否经历低温热液蚀变，是否存在其他组分（如燧石）的加入，是需要厘清的重要问题。随着分析技术的发展，全岩或锆石等稳定副矿物的非传统同位素示踪有望为这一问题提供重要约束（Aarons et al., 2021）。关于TTG岩浆形成的物理化学条件，前人研究大多聚焦在部分熔融的压力，笔者认为，虽然目前TTG的全岩成分能否反映岩浆形成压力存在诸多争议（见前文），但压力对平衡熔体成分具有重要控制这一点毋庸置疑，问题是如何厘清不同的岩浆形成模型（分离结晶 vs 部分熔融、脱水熔融 vs 水致熔融、平衡熔融 vs 非平衡熔融）和岩浆演化过程（如分离结晶、堆晶、熔体抽取、同化混染、岩浆混合）等对TTG成分的影响，从而获得能够用于反映熔融压力的原始岩浆成分。相对于熔融压力，TTG岩浆的形成温度、水含量和氧逸度的研究程度仍很低，实际上，这三个变量是相互依赖的，其中岩浆水含量可能具有决定性影响，高的水含量通常意味着更低的熔融温度和更高的氧逸度。因此，通过锆石氧逸度–湿度计（Ge et al., 2023）、锆石OH含量测试（Xia et al., 2019）、岩浆成因磷灰石（如岩浆锆石中的磷灰石包裹体，或未变质岩石中的基质磷灰石）的研究（Li et al., 2020） 等方法，准确厘定TTG和相关岩浆的水含量，是未来研究的重点方向。
3. 结论
（1） 虽然受到大面积沉积覆盖和强烈后期变质变形改造，塔里木克拉通早前寒武纪基底形成演化研究程度较低，但近年来在塔里木盆地周缘的库鲁克塔格、敦煌、北阿尔金、铁克里克等地，以及盆地西南基底钻井岩心中均发现太古宙岩石存在，说明塔里木克拉通可能具有广泛分布的太古宙基底。
（2） 塔里木克拉通最古老的大陆地壳形成于始太古代，北阿尔金地区～3.72 Ga的古老岩石的发现为始太古代陆核的存在提供了可靠证据，而敦煌、库鲁克塔格等地锆石Hf同位素模式年龄说明始太古代陆核可能具有相当规模。
（3） 塔里木克拉通的太古宙地壳演化历史似乎具有区域差异性，库鲁克塔格、敦煌、北阿尔金等地除了发育始太古代陆核外，还广泛发育新太古代～2.7 Ga和2.5 Ga两期岩浆事件，局部还伴随同期变质作用，而塔西南铁克里克地区和盆地基底以中太古代（3.2～2.8 Ga）地壳生长和初始再造为特征，目前尚未发现新太古代岩浆记录。但需要指出的是，这些地区的太古宙研究程度仍很低，是否指示塔里木南北具有不同的太古宙地壳演化历史仍需进一步检验。
（4） 岩石地球化学、热力学模拟、锆石氧逸度–湿度计等研究结果显示，以TTG为主的太古宙大陆地壳主要形成于俯冲相关环境，可能是太古宙巨厚原始大洋岛弧底部，以及俯冲岛弧残片，在不同压力通过水致熔融产生的。但这并不完全排除地幔柱、撞击作用等对初始地壳形成的贡献。
致谢：感谢国内外同行在塔里木盆地周缘艰苦地区长期以来开展的深入研究，由于笔者水平有限，本文对塔里木太古宙研究的总结难免有所疏漏，在此致歉。特别感谢天津地调中心陆松年研究员和相振群研究员，以及新疆地调院郭新成正高级工程师，分别提供北阿尔金地区始太古代岩石（锆石）和赫罗斯坦杂岩中太古代岩石露头点的GPS坐标。
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图 1 塔里木克拉通的位置及前寒武纪岩石分布图 （据Ge et al., 2018修改）
Figure 1.
图 3 敦煌地区太古宙岩石分布图 （据Si et al., 2022修改）
Figure 3.
图 4 北阿尔金地区太古宙岩石分布图 （据Ge et al., 2018, 2020修改）
Figure 4.
图 5 赫罗斯坦杂岩太古宙岩石分布图 （据Ge et al., 2022修改）
Figure 5.
图 9 热力学–地球化学模拟结果与岩石成分的对比图 （据Ge et al., 2022修改）
Figure 9.
图 6 塔里木克拉通早前寒武纪构造–热事件对比图 （据Ge et al., 2022修改）
Figure 6.
图 7 塔里木克拉通早前寒武纪锆石Hf同位素组成与地壳演化图 （据Ge et al., 2022修改）
Figure 7.
图 8 太古宙TTG成因的热力学–地球化学模拟图 （据Ge et al., 2022修改）
Figure 8.
图 10 锆石氧逸度–湿度计的原理和应用 （据Ge et al., 2023修改）
Figure 10.
图 11 太古宙花岗质岩浆氧逸度和水含量及锆石Hf同位素随时间的长期演化（据Ge et al., 2023修改）
Figure 11.
图 12 太古宙大陆起源的岛弧俯冲–拼贴模式图（据Ge et al., 2022修改）
Figure 12.
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