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地球经历了约4.6 Ga的漫长而复杂的演化历史（Cawood et al.，2022）。在其中的绝大多数时期，尤其是前寒武纪，岩石记录是不完整的，这是当前制约进一步探索地球演化相关动力学过程的主要瓶颈之一（Hu Peiyuan et al.，2023）。锆石是一种较为稳定的矿物，可以经历多期次变质、剥蚀、风化等过程后依然大量保存下来（Hoskin and Schaltegger，2003）。同时，21世纪以来，锆石相关实验分析测试技术得到了极大的发展，已经可以很方便、快捷的开展锆石年龄、微量元素、同位素等的测定（Jackson et al.，2004; Liu Yongsheng et al.，2010; Wu Fuyuan et al.，2006）。因此，锆石是当前开展地球早期形成与演化研究的关键素材之一。
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碎屑锆石广泛存在于沉积物中，主要源自沉积物源区的花岗质岩石，因而在一定程度上可以反映沉积物源区的时代和成分（Cawood et al.，2013; Tang Ming et al.，2020）。前人已经开发了多种基于碎屑锆石的方法来约束古老造山带的演化过程。例如，Cawood et al.（2012）通过系统地总结不同构造背景下碎屑锆石的来源特征，提出碎屑锆石年龄频谱可以一定程度上推测其沉积源区的构造背景；随后，Jian Dongchuan et al.（2022）和 Barham et al.（2022）通过全球典型碎屑锆石数据库的大数据研究进一步验证了这一方法。类似的，Sundell and Macdonald（2022）通过全球主要大陆的碎屑锆石Hf同位素数据的大数据分析提出：虽然碎屑锆石的来源受物源区岩石的时空分布特征约束，但是其Hf同位素成分依然可以在较长的时间尺度上（例如：数百百万年）反映物源区的构造演化过程。
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稀土元素（REE）在锆石中的扩散度极低，因此在锆石形成后其稀土元素含量变化较小（Cherniak et al.，1997）。前人已经开发了多种使用碎屑锆石稀土元素探索地壳厚度和成分的方法（例如： Belousova et al.，2002; Grimes et al.，2007; Tang Ming et al.，2020; Zhu Ziyi et al.，2020）。虽然Grimes et al.（2015）开发了使用碎屑锆石稀土元素区分造山（例如：洋-陆俯冲和陆-陆碰撞）和非造山（例如：大洋中脊和地幔柱）构造背景的方法，但是如何进一步区分洋-陆俯冲和陆-陆碰撞过程仍然是一个没有解决的问题。冈底斯山脉位于青藏高原南部，是世界上最典型的造山带之一，记录了印度-欧亚大陆的碰撞过程以及在此之前漫长的新特提斯大洋岩石圈俯冲消减过程（Ji Weiqiang et al.，2016; Zhu Dicheng et al.，2023），因而可以作为解决这一问题的良好研究素材。本文以冈底斯山脉东段林芝地区（图1）的河沙中碎屑锆石为研究对象，对其进行了U-Pb年龄和稀土元素含量分析；并在综合前人资料的基础上，探讨了使用碎屑锆石稀土元素数据区分洋-陆俯冲和陆-陆碰撞过程的可能性。
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1 地质背景和样品采集
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青藏高原由多个地块或微地块、多条蛇绿混杂岩带以及多条造山带体系所组成（Yin An and Harrison，2000）。目前，青藏高原内部已经确立5条主要构造界线，从北向南依次为：康西瓦-木孜塔格-玛沁-勉县-略阳断裂、金沙江板块缝合带、龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带、班公湖-怒江板块缝合带和雅鲁藏布江板块缝合带，继而将青藏高原划分为秦祁昆、松潘-甘孜、北羌塘、南羌塘和拉萨地块（图1a）。
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冈底斯岩基是构成冈底斯山脉的主体地质单元，主要发育于拉萨地体南部，东西向延伸超过1500 km，向西和向东分别延伸至克什米尔和缅甸地区（图1b）。该岩基主体形成于新特提斯大洋岩石圈长期北向俯冲到拉萨地体（欧亚大陆南缘）的过程中，同时也在之后叠加了印度-欧亚大陆碰撞过程中强烈的碰撞-后碰撞岩浆作用（Ji Weiqiang et al.，2016; Zhu Dicheng et al.，2023）。新特提斯大洋岩石圈的北向俯冲最早可以追溯到200 Ma左右，并且最终导致了新特提斯洋的关闭以及随后的陆-陆碰撞、板片断离和地壳拆沉等构造事件（Ji Weiqiang et al.，2009，2016; Wang Chao et al.，2016; Hao Lulu et al.，2019; Zhu Dicheng et al.，2023）。其中，陆-陆碰撞的时间通常认为在55±10 Ma左右（Zhu Dicheng et al.，2015; Hu Xiumian et al.，2016）；板片断离的时间存有一定争议，有53 Ma、45 Ma等多种观点（Ji Weiqiang et al.，2016; Zhu Dicheng et al.，2022）；地壳拆沉的时间集中于约25~17 Ma（Hao Lulu et al.，2019）。雅鲁藏布江是流经冈底斯岩基的主要河流（图1b），前人研究显示雅鲁藏布江中河沙的碎屑锆石绝大多数来自冈底斯岩基（Tang Ming et al.，2020）。本次研究的样品采集自林芝地区雅鲁藏布江中的河沙（编号20T031；图2、3），同时也收集了该地区的前人研究数据（图4）。采样过程中，选择河谷两侧发育的厚层细砂-泥质河漫滩，随后冲洗掉其中的泥质成分，并且使用1 mm孔径筛子过滤掉样品中夹杂的砾石。
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2 样品测试方法
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锆石的分选在河北省区域地质调查院完成，采用常规的重液和磁选方法进行分选，最后在双目显微镜下挑纯。样品靶的制备在中国地质科学院地质研究所完成，制成的样品靶直径为25 mm。锆石的阴极荧光图像分析在中国地质科学院地质研究所的阴极荧光分析系统（HITACH S-3000N型场发射环境扫描电镜和Gatan公司Chroma阴极荧光谱仪）上完成。样品的锆石U-Pb测年和稀土元素分析在北京科荟测试技术有限公司完成，分析仪器为美国ESI公司生产的NWR 193 nm激光剥蚀进样系统和德国AnlyitikJena公司生产的PQMS Elite型四级杆等离子体质谱仪联合构成的激光等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）。本次分析中激光器工作频率为10 Hz；测试点束斑直径为25 μm，剥蚀采样时间为45 s，具体分析流程见侯可军等（2009）。锆石GJ-1（Jackson et al.，2004）作为外部标准来校正分析过程中的同位素分馏，获得的206Pb/238U平均年龄为600.3±2.6 Ma，与推荐值（599.8±1.7 Ma）在误差范围内保持一致。锆石U、Th、Pb和稀土元素含量通过SRM610作为外标、Si作内标的方法进行定量计算。锆石U-Pb年龄和稀土元素成分用ICPMSDataCal数据处理软件（Liu Yongsheng et al.，2010）计算获得，加权平均年龄的计算和谐和图的绘制采用ISOPLOT3.0程序（Ludwig，2003）。
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图1 青藏高原构造划分简图（a）和冈底斯山脉东段区域地质简图（b）（据Xu Wei et al.，2021）
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Fig.1 Simplified tectonic map of the Tibetan Plateau (a) and geological map of the eastern Gangdese Mountains (b) (after Xu Wei et al., 2021)
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前人样品位置引自Tang Ming et al.（2020）；①—康西瓦-木孜塔格-玛沁-勉县-略阳断裂；②—金沙江板块缝合带；③—龙木错-双湖-澜沧江板块缝合带；④—班公湖-怒江板块缝合带；⑤—雅鲁藏布江板块缝合带
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The sample locations of previous studies are from Tang Ming et al. (2020) ; ①—Kangxiwa-Mugetazi-Maqin-Mianxian-Lueyang fault; ②—Jinsha suture zone; ③—Longmu Co-Shuanghu-Lancangjiang suture zone; ④—Bangong-Nujiang suture zone; ⑤—Yarlung Zangbo suture zone
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3 分析结果
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本文对河沙样品中的碎屑锆石进行了U-Pb定年（表1）以及典型稀土元素（轻稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm和Eu；重稀土元素：Gd、Dy、Ho、Er、Yb和Lu）成分（表2）分析。样品中的锆石颗粒大部分具有相似的形态，长度范围为50~200 μm，长宽比为3∶1~1∶1。大多数锆石为透明、无色、自形颗粒，表现出规则的振荡环带，部分颗粒周围可见窄的暗色变质边（宽度＜ 10 μm）（图2）。共分析了75个锆石测点，其中多数测点（61个）具有较高的Th/U比值（＞0.1），符合岩浆成因锆石特征，其余测点的Th/U比值＜0.1，可能为变质成因（吴元保和郑永飞，2004）。多数测点（66个）具有较低的La含量（＜1×10-6），符合锆石特征，其余测点的La含量＞1×10-6，可能混入了其他矿物的包裹体（Hoskin and Schaltegger，2003）。在排除了Th/U＜0.1和La＞1×10-6的测点之后，剩余测点的206Pb/238U年龄集中于200~10 Ma，覆盖了新特提斯大洋岩石圈的北向俯冲、以及随后的陆-陆碰撞、板片断离和地壳拆沉等构造事件（Ji Weiqiang et al.，2009，2016; Wang Chao et al.，2016; Hao Lulu et al.，2019; Zhu Dicheng et al.，2023）。这些测点多数呈现明显左倾的配分曲线，轻、重稀土元素分异明显，并且具有明显的正Ce异常和变化的Eu异常，仅23T031-56和23T031-67测点呈现出重稀土元素亏损的特征（图3）。
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续表1
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图2 林芝地区河沙中典型碎屑锆石的阴极荧光图像和锆石的U-Pb年龄
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Fig.2 Cathodoluminescence images and their U-Pb zircon ages of representative detrital zircon grains from river sands in the Nyingchi area
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续表2
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4 讨论
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4.1 描述锆石稀土元素成分的主要参数
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由于原子结构不同，稀土元素常常呈现出分异的特征。以锆石为例，因为重稀土元素（HREE）相对于轻稀土元素（LREE）更容易进入锆石（Hoskin and Schaltegger，2003），所以通常呈现总体左倾的稀土元素配分曲线（图3）。在进行全岩地球化学研究中，通常使用单个轻、重稀土元素比值（例如：La/Yb等）来描述稀土元素成分的分异情况（例如：Wu Hao et al.，2019）；但是，由于锆石中轻稀土元素的含量较低，具有较大的分析误差，导致单个轻、重稀土元素比值往往效果不好。近年来，Hu Peiyuan et al.（2023）提出了一个新参数，即多个轻、重稀土元素的平均值比值（），可以更为有效地描述锆石稀土元素成分的分异情况。其中，N代表稀土元素数据使用了全球典型花岗质岩石中锆石稀土元素均值（Belousova et al.，2002）进行了标准化计算。和代表多个轻、重稀土元素含量的平均值。因此，本文也使用了这一新参数。
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稀土元素的价态也会影响其在锆石中的分布特征。Ce和Eu具有+2和+3两种价态，而其他稀土元素仅具有+3价态。其中，相对于+2价态，+3价态的稀土元素具有不同的元素行为特征（Hu Peiyuan et al.，2023），从而导致锆石稀土元素数据常常呈现：Ce和Eu相对于其相邻稀土元素具有正或负的异常（图3）。因为Ce的2个相邻稀土元素（La和Pr）在锆石中含量很低，难以高精度测量，所以Ce异常往往难以精确计算。与此对应的是，Eu的2个相邻稀土元素（Sm和Gd）在锆石中含量适中，因此Eu异常被广泛应用于锆石成因研究（例如：Tang Ming et al.，2020）。目前，最常用的Eu异常（Eu/Eu*）计算方法为，其中Eu、Sm和Gd数据均使用球粒陨石数据（Sun and McDonough，1989）进行了标准化计算。
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图3 林芝地区河沙中碎屑锆石的稀土元素数据的标准化蛛网图
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Fig.3 Normalized rare-earth element patterns of detrital zircon grains from river sands in the Nyingchi area
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标准化数据为全球典型花岗质岩石中锆石稀土元素的均值，据Belousova et al.（2002）
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The standardize data are the REE average values of global typical granitoids from Belousova et al. (2002)
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此外，相关系数是统计学中常用的统计指标，用于研究变量之间线性相关程度（Garg et al.，2023），本文将这一指标引入锆石稀土元素的研究。和Eu/Eu*的相关系数（rDz）可以使用下述公式计算：
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rDz值的范围为-1~+1。更高的rDz值指示和Eu/Eu*具有更为一致的正相关演化关系。rDz值的可靠性可以使用其95%置信度区间（CI）和显著性系数（p）来描述。其中，95%置信度区间是指rDz的真实值有95%概率落在这一区间内；更低的显著性系数指示和Eu/Eu*具有更为明显和可靠的相关性，通常认为p≤0.05指示计算结果具有统计学意义。95%置信度区间和显著性系数可使用IBM SPSS Statistics软件计算。
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4.2 影响锆石稀土元素成分的主要因素
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虽然最近的相平衡模拟结合元素分配计算研究指示锆石具有复杂的稀土元素系统（Yakymchuk et al.，2023），但是大量的研究实例表明锆石稀土元素主要受母岩浆的结晶压力、源岩类型、氧逸度和水含量影响（McKenzie et al.，2018; Tang Ming et al.，2020; Zhu Ziyi et al.，2020; Brudner et al.，2022; Hu Peiyuan et al.，2023; Wu Guanghui et al.，2023）。
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Eu2+与Sr2+和Ca2+具有类似的元素行为特征，所以Eu2+在斜长石中具有较高的相容性，继而导致斜长石的分离结晶会使母岩浆中Eu含量降低和锆石中Eu/Eu*降低（Tang Ming et al.，2020）。同时，重稀土元素相对于轻稀土元素在石榴子石中具有更高的相容性（Rubatto et al.，2013），导致石榴子石的分离结晶会使母岩浆中HREE含量降低和锆石中升高。较高的母岩浆结晶压力会抑制斜长石结晶，但是会促进石榴子石结晶（Rubatto et al.，2013; Tang Ming et al.，2020）。因此，在不考虑其他影响因素的情况下，Eu/Eu*和均与母岩浆结晶压力呈现正相关的关系，继而导致较高的rDz值。
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母岩浆的氧逸度和水含量也一定程度上影响着锆石稀土元素特征（Hirschmann，2006; Tang Ming et al.，2018; Triantafyllou et al.，2023）。更为氧化的环境会导致母岩浆中Eu3+/Eu2+和Fe3+/Fe2+比值升高，而更为还原的环境则具有相反效果。由于Eu3+相对于Eu2+在锆石中具有更高的相容性，因此更高的Eu3+/Eu2+比值会导致更高的锆石Eu/Eu*值。相对于Fe3+，石榴子石的形成更倾向于从母岩浆中获取Fe2+，所以更高的Fe3+/Fe2+比值会抑制石榴子石结晶分异，继而导致更低的锆石值。此外，虽然目前没有证据指示母岩浆水含量控制着石榴子石的生长过程，但是大量实验岩石学资料指示较高的母岩浆水含量会抑制斜长石分离结晶（Hirschmann，2006; Triantafyllou et al.，2023），继而升高锆石Eu/Eu*值。因此，母岩浆的氧逸度和水含量的浮动（无论增加或降低）均会导致Eu/Eu*和呈现不同的变化，继而导致较低的rDz值。
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如前文所述，碎屑锆石主要来自沉积物源区的花岗质岩石。基于不同的源岩类型，可以将花岗质岩石划分为I型（岩浆岩源区）和S型（沉积岩源区）（Chappell and White，1974）。源岩类型在多个方面影响着锆石的稀土元素特征。首先，通常情况下，S型花岗质岩石主要源自具有明显Eu负异常的上地壳，而I型花岗质岩石则源自Eu负异常不明显的中、下地壳（Rudnick and Fountain，1995）；锆石母岩浆的Eu异常程度一定程度上受源岩控制，继而影响着锆石的Eu/Eu*值（Tang Ming et al.，2020）。其次，实验岩石学资料表明，石榴子石在S型花岗质岩浆（约0.5 GPa）中的稳定压力低于I型花岗质岩浆（约1.2 GPa）（Wang Qiang et al.，2012; Palin et al.，2016），导致同等条件下S型花岗质岩浆中锆石会具有更高的值。再次，锆石的稀土元素成分也受其共生矿物影响。例如，在某些S型花岗质岩石中（例如：喜马拉雅地区的淡色花岗岩），锆石会与石榴子石共生，导致部分重稀土元素进入石榴子石中，继而升高锆石值（例如：Ding Huixia et al.，2021）。因此，碎屑锆石源区S型花岗岩质岩石的比例升高，将会降低Eu/Eu*值、升高值，继而导致较低的rDz值。
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4.3 碎屑锆石稀土元素与构造环境的耦合关系
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前人研究表明，上述影响锆石稀土元素成分的4个因素在不同类型造山带中具有明显不同的变化特征。在洋-陆俯冲过程中，受大洋岩石圈的持续俯冲影响，岛弧岩浆岩的氧逸度和水含量总体稳定于较高的水平（Zhao Siyu et al.，2022; Hu Peiyuan et al.，2023）（图6a）。与此对应的是，在随后的陆-陆碰撞阶段，洋盆的最终关闭会导致大陆岩石圈被俯冲大洋岩石圈拖拽开始俯冲，但是由于大陆岩石圈密度相对较小，无法俯冲进入地幔，因而最终将导致俯冲板片断离（Wong et al.，1997）。沿板片断离窗上涌的软流圈地幔很可能会导致同时期岩浆记录的氧逸度和水含量发生明显波动（Zhu Dicheng et al.，2022）（图6b）。同时，在陆-陆碰撞过程中，由于岩石圈的显著增厚，其底部往往会发生榴辉岩相变质从而密度变的大于上地幔，继而导致发生岩石圈拆沉（Krystopowicz and Currie，2013）。这一过程将在岩石圈底部导致大规模的地幔上涌，继而加热上覆岩石圈产生大规模岩浆记录。在单向俯冲的情况下，因为仅有碰撞带一侧的大陆岩石圈受到了大洋岩石圈俯冲的改造，所以陆-陆碰撞带两侧的岩石圈往往具有不同的氧逸度和水含量，继而导致这些岩浆记录具有不均一的氧逸度和水含量（图6c）。此外，在陆-陆碰撞过程中，往往会形成巨型的山脉，其较高的风化、剥蚀速率为S型岩浆岩提供了大量的沉积岩源区，导致沉积物中S型碎屑锆石相对于洋-陆俯冲过程明显增多（Zhu Ziyi et al.，2020）。Zhu Ziyi et al.（2020）收集和整理了全球主要河流沉积中碎屑锆石的地球化学资料，指出洋-陆俯冲造山带中S型碎屑锆石的比例低于10%，而陆-陆碰撞造山带则普遍大于10%。综上，可以得出下述推论：① 在洋-陆俯冲造山带中，氧逸度和水含量总体稳定，且S型花岗质岩石较少，导致碎屑锆石Eu/Eu*和主要受控于母岩浆的结晶压力，因而其变化趋势耦合，具有较高的rDz值；② 在陆-陆碰撞造山带中，虽然母岩浆的源区深度依然是重要的控制因素，但是由于S型岩浆岩比例的上升和不稳定的氧逸度和水含量，碎屑锆石Eu/Eu*和比值呈现解耦的变化趋势，具有较低的rDz值。
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如前文所述，冈底斯山脉是世界上最典型的造山带之一，记录印度-欧亚大陆的碰撞过程以及在此之前漫长的新特提斯洋俯冲消减过程（Ji Weiqiang et al.，2016; Zhu Dicheng et al.，2023），因而可以作为验证上述推论的良好研究素材。本次研究以冈底斯山脉东段林芝地区（图1）的河沙中碎屑锆石为研究对象，并且系统收集了该地区前人研究数据；共获得了有效碎屑锆石年龄和稀土元素数据1533个，并将其以10 Ma为间隔进行了投图对比研究（图4a~c）。它们的年龄数据主要集中于250~0 Ma，并且可以划分为210~170 Ma和150~10 Ma两个岩浆峰期（每10 Ma区间内有效数据大于5个）（图4a）。其中，210~170 Ma岩浆峰期持续时间较短，难以获得确切的rDz值变化趋势，并且其rDz计算结果的p值偏高（多数＞0.05）（图4d）；与此对应的是，150~10 Ma岩浆峰期持续时间较长，较好地覆盖了新特提斯大洋岩石圈俯冲消减过程和随后印度-欧亚大陆的碰撞过程，并且其rDz计算结果的p值较低（全部＜0.05）（图4d、5）；因此，本次研究重点关注150~10 Ma岩浆峰期。
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碎屑锆石Eu/Eu*和的计算结果显示，它们在150~10 Ma期间的变化趋势与冈底斯山脉的地壳增厚过程总体一致（图4e），指示岩浆结晶压力是锆石稀土元素的主导控制因素。本次研究的绝大多数锆石均表现出重稀土富集特征，但是2个20~30 Ma左右的锆石测点（23T031-56和23T031-67）呈现重稀土亏损特征（图3），结合这一时期冈底斯山脉的巨厚地壳（＞70 km），其原因可以解释为较高的岩浆结晶压力促进了石榴子石的分离结晶。
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由于冈底斯山脉的板片断离时间尚存有一定争议，有53 Ma、45 Ma等多种观点（Ji Weiqiang et al.，2016; Zhu Dicheng et al.，2022），本文使用150~60 Ma和40~10 Ma分别代表碰撞前的大洋岩石圈俯冲阶段和碰撞后的板片断离、地壳拆沉阶段。在大洋岩石圈俯冲阶段，碎屑锆石的Eu/Eu*和变化趋势具有较好的耦合关系，其rDz值稳定于0.62~0.81。其中，80~60 Ma区间的rDz值（0.62~0.72）略低于150~80 Ma（0.74~0.81），其原因可能是混入了少量与中特提斯洋闭合相关的碎屑锆石（Fan Jianjun et al.，2024）。在发生板片断离之后，rDz值出现了明显下降，在40~30 Ma、30~20 Ma和20~10 Ma阶段分别为0.73（n=20，CI=0.44~0.88，p＜0.001）、0.57（n=49， CI=0.34~0.75，p＜0.001）和0.18（n=137，CI=0.01~0.33，p=0.034）（图5a~c）。值得注意的是，这一下降是一个逐渐过渡的过程，可能意味着板片断离和地壳拆沉对岩浆房各条件（氧逸度、水含量等）的破坏过程是一个循序渐进的过程。
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图4 冈底斯山脉的河沙中典型碎屑锆石的年龄分布直方图（a）、Eu/Eu*分布图（b）、分布图（c）、rDz及其统计显著性分布图（d）和Eu/Eu*和中值分布图（e）
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Fig.4 Distribution diagrams of detrital zircon grains from river sands in the eastern Gangdese Mountains, showing: U-Pb age (a) , Eu/Eu* (b) , (c) , rDz and its statistical significance (d) , median Eu/Eu* and (e)
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冈底斯山脉的平均地壳厚度和前人报道数据引自Tang Ming et al.（2020）
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The crustal thinkness average data of the Gangdese Mountains and data from previous studies are from Tang Ming et al. (2020)
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上述结果表明，碎屑锆石稀土元素特征有潜力成为区分洋-陆俯冲和陆-陆碰撞过程的一种新方法。基于碎屑锆石统计分析一些独有特征，在未来的应用过程中，有一些注意事项。首先，与全岩样品不同，碎屑锆石往往经历了一定距离的搬运，因此在应用本方法前需要约束碎屑锆石的物源区。其次，虽然源自基性岩浆岩或者某些特殊花岗质岩石（例如：SiO2含量＞75%的高硅岩石）的锆石在碎屑锆石中仅占极少部分（Cawood et al.，2012; Tang Ming et al.，2020），在数据量较多时可以忽略，但是当数据量较少时（例如：少于5个数据），可能会造成较大影响，因此使用本方法需要基于充足的数据。同时，较少的数据量也会导致较大的置信度区间和较高的p值，继而影响最终结果的可靠性。再次，某些其它构造事件也可能在一定程度上影响岩浆源区的氧逸度和水含量，例如：地幔柱、俯冲板片后撤等等，因此有必要综合考虑多种方法和证据来约束构造环境的变化。
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图5 林芝地区河沙中典型碎屑锆石的Eu/Eu*与图解
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Fig.5 Eu/Eu*vs. diagrams for detrital zircon from river sands in the eastern Gangdese Mountains
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括号内数值范围为rDz的95%置信度范围，p为统计显著性，n为各个时间范围内有效数据数量
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The numbers in brackets are the95% confidence intervals of rDz values, p is statistical significance, and n is the number of solid data in each time bin
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图6 洋-陆俯冲（a）、板片断离（b）和地壳拆沉（c）过程影响rDz示意图
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Fig.6 Diagrams showing the influence of ocean-continent subduction (a) , slab break-off (b) , and continental delamination (c) processes on rDz
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5 结论
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综合上述分析讨论，初步得出以下结论：
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（1）锆石的Eu/Eu*和分别与斜长石和石榴子石分异相关，并且主要受控于4个因素，即母岩浆的源区深度、源岩类型、氧逸度和水含量。这些因素在不同类型造山带中具有明显不同的变化特征，因此碎屑锆石Eu/Eu*和的相关系数（rDz）有潜力成为区分洋-陆俯冲和陆-陆碰撞过程的一种新方法。
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（2）在洋-陆俯冲造山带中，氧逸度和水含量总体稳定，且S型花岗质岩石较少，导致碎屑锆石Eu/Eu*和主要受控于母岩浆的结晶压力，因而其变化趋势耦合，具有较高的rDz值；在陆-陆碰撞造山带中，虽然母岩浆的源区深度依然是重要的控制因素，但是由于S型岩浆岩比例的上升和不稳定的氧逸度和水含量，碎屑锆石Eu/Eu*和比值呈现解耦的变化趋势，具有较低的rDz值。
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（3）青藏高原冈底斯山脉的碎屑锆石稀土元素数据表明，碎屑锆石Eu/Eu*和的计算结果与冈底斯山脉的地壳增厚过程总体一致，指示岩浆结晶压力是锆石稀土元素的主导控制因素。碎屑锆石的Eu/Eu*和变化趋势在新特提斯洋俯冲消减阶段（约150~60 Ma）具有较好的耦合关系，其rDz值稳定于0.62~0.81，但是在发生板片断离之后，rDz值出现了明显下降，在40~30 Ma、30~20 Ma和20~10 Ma阶段分别为0.73、0.57和0.18，从而验证了碎屑锆石稀土元素与构造环境变化的耦合关系。
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致谢：谨以此文祝贺任纪舜院士九十华诞，感谢任先生多年来对我们的悉心教导和大力支持，敬祝任先生生日快乐、福寿双全！
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参考文献
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Barham M, Kirkland C L, Handoko A D. 2022. Understanding ancient tectonic settings through detrital zircon analysis. Earth and Planetary Science Letters, 583: 117425.
-
Belousova E A, Griffin W L, O'Reilly S Y, Fisher N I. 2002. Igneous zircon: Trace element composition as an indicator of source rock type. Contributions to Mineralogy and Petrology, 143: 602~622.
-
Brudner A, Jiang Hehe, Chu Xu, Tang Ming. 2022. Crustal thickness of the Grenville orogen: A Mesoproterozoic Tibet?. Geology, 50: 402~406.
-
Cawood P A, Hawkesworth C J, Dhuime B. 2012. Detrital zircon record and tectonic setting. Geology, 40: 875~878.
-
Cawood P A, Hawkesworth C J, Dhuime B. 2013. The continental record and the generation of continental crust. Geological Society of America Bulletin, 125: 14~32.
-
Cawood P A, Chowdhury P, Mulder J A, Hawkesworth C J, Capitanio F A, Gunawardana P M, Nebel O. 2022. Secular evolution of continents and the Earth system. Reviews of Geophysics, 60: e2022RG000789.
-
Chappell B W, White A J R. 1974. Two contrasting granite types. Pacific Geology, 8: 173~174.
-
Cherniak D J, Hanchar J M, Watson E B. 1997. Rare-earth diffusion in zircon. Chemical Geology, 134: 289~301.
-
Ding Huixia, Kohn M J, Zhang Zeming. 2021. Long-lived (ca. 22~24 Myr) partial melts in the eastern Himalaya: Petrochronologic constraints and tectonic implications. Earth and Planetary Science Letters, 558: 116764.
-
Fan Jianjun, Zhang Bochuan, Zhou Jianbo, Niu Yaoling, Sun Silin, Lv Junpu, Wang Yang, Hao Yujie. 2024. The Meso-Tethys Ocean: The nature, extension and spatial-temporal evolution. Earth-Science Reviews, 255: 104839.
-
Garg H, Sun Yukun, Liu Xiaodi. 2023. Dual hesitant fuzzy correlation coefficient-based decision-making algorithm and its applications to engineering cost management problems. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 126: 107170.
-
Grimes C B, John B E, Kelemen P B, Mazdab F K, Wooden J L, Cheadle M J, Hanghøj K, Schwartz J J. 2007. Trace element chemistry of zircons from oceanic crust: A method for distinguishing detrital zircon provenance. Geology, 35: 643~646.
-
Grimes C B, Wooden J L, Cheadle M J, John B E. 2015. “Fingerprinting” tectono-magmatic provenance using trace elements in igneous zircon. Contributions to Mineralogy and Petrology, 170: 46.
-
Hao Lulu, Wang Qiang, Wyman D A, Ma Lin, Wang Jun, Xia Xiaoping, Ou Quan. 2019. First identification of postcollisional A-type magmatism in the Himalayan-Tibetan orogen. Geology, 47: 187~190.
-
Hirschmann M M. 2006. Water, melting, and the deep Earth H2O cycle. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 34: 629~653.
-
Hoskin P W O, Schaltegger U. 2003. The composition of zircon and igneous and metamorphic petrogenesis. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 53: 27~62.
-
Hu Peiyuan, Zhai Qingguo, Cawood P A, Weinberg R F, Zhao Guochun, Tang Yue, Liu Yiming. 2023. Paleogeographic reconstruction of Precambrian terranes reworked by Phanerozoic orogens: An example based on detrital zircon REE from Lhasa terrane in southern Tibet. Geophysical Research Letters, 50: e2023GL102979.
-
Hu Xiumian, Garzanti E, Wang Jiangang, Huang Wentao, An Wei, Webb A. 2016. The timing of India-Asia collision onset-Facts, theories, controversies. Earth-Science Reviews, 160: 264~299.
-
Hou Kejun, Li Yanhe, Tian Yourong. 2009. In situ U-Pb zircon dating using laser ablation-multi ion counting-ICP-MS. Mineral Deposits, 28: 481~492 (in Chinese with English abstract).
-
Jackson S E, Pearson N J, Griffin W L, Belousova E A. 2004. The application of laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry to in situ U-Pb zircon geochronology. Chemical Geology, 211(1~2): 47~69.
-
Ji Weiqiang, Wu Fuyuan, Chung Sunlin, Li Jinxang, Liu Chuanzhou. 2009. Zircon U-Pb geochronology and Hf isotopic constraints on petrogenesis of the Gangdese batholith, southern Tibet. Chemical Geology, 262(3~4): 229~245.
-
Ji Weiqiang, Wu Fuyuan, Chung Sunlin, Wang Xuance, Liu Chuanzhou, Li Qiuli, Liu Zhichao, Liu Xiaochi, Wang Jiangang. 2016. Eocene Neo-Tethyan slab breakoff constrained by 45 Ma oceanic island basalt-type magmatism in southern Tibet. Geology, 44: 283~286.
-
Jian Dongchuan, Williams S, Yu Shan, Zhao Guochun. 2022. Quantifying the link between the detrital zircon record and tectonic settings. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127: e2022JB024606.
-
Krystopowicz N J, Currie C A. 2013. Crustal eclogitization and lithosphere delamination in orogens. Earth and Planetary Science Letters, 361: 195~207.
-
Liu Yongsheng, Gao Shan, Hu Zhaochu, Gao Changgui, Zong Keqing, Wang Dongbing. 2010. Continental and oceanic crust recycling-induced melt-peridotite interactions in the Trans-North China Orogen: U-Pb dating, Hf isotopes and trace elements in zircons from mantle xenoliths. Journal of Petrology, 51(1~2): 537~571.
-
Ludwig K R. 2003. Isoplot 3. 00: A geochronological toolkit for Microsoft Excel. Berkeley Geochronology Center Special Publication, 4: 70.
-
McKenzie N R, Smye A J, Hegde V S, Stockli D F. 2018. Continental growth histories revealed by detrital zircon trace elements: A case study from India. Geology, 46: 275~278.
-
Palin R M, White R W, Green E C R. 2016. Partial melting of metabasic rocks and the generation of tonalitic-trondhjemitic-granodioritic (TTG) crust in the Archaean: Constraints from phase equilibrium modeling. Precambrian Research, 287: 73~90.
-
Rubatto D, Chakraborty S, Dasgupta S. 2013. Timescales of crustal melting in the Higher Himalayan Crystallines (Sikkim, Eastern Himalaya) inferred from trace element-constrained monazite and zircon chronology. Contributions to Mineralogy and Petrology, 165: 349~372.
-
Rudnick R L, Fountain D M. 1995. Nature and composition of the continental crust: A lower crustal perspective. Reviews of Geophysics, 33: 267~309.
-
Sun S S, McDonough W F. 1989. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: Implications for mantle composition and processes. Geological Society, London, Special Publications, 42(1): 313~345.
-
Sundell K E, Macdonald F A. 2022. The tectonic context of hafnium isotopes in zircon. Earth and Planetary Science Letters, 584: 117426.
-
Tang Ming, Erdman M, Eldridge G, Lee C T A. 2018. The redox “filter” beneath magmatic orogens and the formation of continental crust. Science Advances, 4: eaar4444.
-
Tang Ming, Ji Weiqiang, Chu Xu, Wu Anbin, Chen Chen. 2020. Reconstructing crustal thickness evolution from europium anomalies in detrital zircons. Geology, 49: 76~80.
-
Triantafyllou A, Ducea M N, Jepson G, Hernández-Montenegro J D, Bisch A, Ganne J. 2023. Europium anomalies in detrital zircons record major transitions in Earth geodynamics at 2. 5 Ga and 0. 9 Ga. Geology, 51: 141~145.
-
Wang Qiang, Chung Sunlin, Li Xianhua, Wyman D, Li Zhengxiang, Sun Weidong, Qiu Huaning, Liu Yongsheng, Zhu Yingtang. 2012. Crustal melting and flow beneath northern Tibet: Evidence from MidMiocene to Quaternary strongly peraluminous rhyolites in the southern Kunlun Range. Journal of Petrology, 53: 2523~2566.
-
Wang Chao, Ding Lin, Zhang Liyun, Kapp P, Pullen A, Yue Yahui. 2016. Petrogenesis of Middle-Late Triassic volcanic rocks from the Gangdese belt, southern Lhasa terrane: Implications for early subduction of Neo-Tethyan oceanic lithosphere. Lithos, 262: 320~333.
-
Wong A, Ton S Y M, Wortel M J R. 1997. Slab detachment in continental collision zones: An analysis of controlling parameters. Geophysical Research Letters, 24: 2095~2098.
-
Wu Fuyuan, Yang Yueheng, Xie Liewen, Yang Jinhui, Xu Ping. 2006. Hf isotopic compositions of the standard zircons and baddeleyites used in U-Pb geochronology. Chemical Geology, 234(1~2): 105~126.
-
Wu Hao, Chen Jingwen, Wang Qiang, Yu Yunpeng. 2019. Spatial and temporal variations in the geochemistry of cretaceous high-Sr/Y rocks in central Tibet. American Journal of Science, 319: 105~121.
-
Wu Guanghui, Xu Chu, Tang Ming, Li Wei Yong, Chen Fukun. 2023. Distinct tectono-magmatism on the margins of Rodinia and Gondwana. Earth and Planetary Science Letters, 609: 118099.
-
Wu Yuanbao, Zheng Yongfei. 2004. Genesis of zircon and its constraintion interpretation of U-Pb age. Chinese Science Bulletin, 49: 1554~1569 (in Chinese).
-
Xu Wei, Zhu Dicheng, Wang Qing, Weinberg R F, Wang Rui, Li Shimin, Zhang Liangliang, Zhao Zhidan. 2021. Cumulate mush hybridization by melt invasion: Evidence from compositionally diverse amphiboles in ultramafic-mafic arc cumulates within the eastern Gangdese batholith, southern Tibet. Journal of Petrology, 62: 1~17.
-
Yakymchuk C, Holder R M, Kendrick J, Moyen J F. 2023. Europium anomalies in zircon: A signal of crustal depth?. Earth and Planetary Science Letters, 622: 118405.
-
Yin An, Harrison T M. 2000. Geologic evolution of the Himalayan-Tibetan orogen. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 28(1): 211~280.
-
Zhao Siyu, Yang A Y, Langmuir C H, Zhao Taiping. 2022. Oxidized primary arc magmas: Constraints from Cu/Zr systematics in global arc volcanics. Science Advance, 8: eabk0718.
-
Zhu Dicheng, Wang Qing, Zhao Zhidan, Chung Sunlin, Cawood P A, Niu Yaoling, Liu Shengwen, Wu Fuyuan, Mo Xuanxue. 2015. Magmatic record of India-Asia collision. Scientific Reports, 5: 14289.
-
Zhu Ziyi, Campbell I H, Allen C M, Burnham A D. 2020. S-type granites: Their origin and distribution through time as determined from detrital zircons. Earth and Planetary Science Letters, 536: 116140.
-
Zhu Dicheng, Wang Qing, Weinberg R F, Cawood P A, Chung Sunlin, Zheng Yongfei, Zhao Zhidan, Hou Zengqian, Mo Xuanxue. 2022. Interplay between oceanic subduction and continental collision in building continental crust. Nature Communications, 13: 7141.
-
Zhu Dicheng, Wang Qing, Weinberg R F, Cawood P A, Zhao Zhidan, Hou Zengqian, Mo Xuanxue. 2023. Continental crustal growth processes recorded in the Gangdese batholith, southern Tibet. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 51: 155~188.
-
侯可军， 李延河， 田有荣. 2009. LA-MC-ICP-MS锆石微区原位U-Pb定年技术. 矿床地质， 28(4)： 481~492.
-
吴元保， 郑永飞. 2004. 锆石成因矿物学研究及其对U-Pb年龄解释的制约．科学通报， 49(16)： 1589~1604.
-
摘要
碎屑锆石是开展地球早期造山带演化研究的关键素材之一。目前，如何使用碎屑锆石稀土元素(REE)区分洋-陆俯冲和陆-陆碰撞过程仍然是一个没有解决的问题。本文总结了前人的实验岩石学研究成果，并且以西藏冈底斯山脉为例提出和验证了使用碎屑锆石Eu异常(Eu/Eu*)和轻、重稀土比值( 
)的相关系数(rDz)区分洋-陆俯冲和陆-陆碰撞过程的可能性。实验岩石学研究表明，锆石的Eu/Eu*和 分别与斜长石和石榴子石分异相关，并且主要受控于母岩浆的源区深度、源岩类型、氧逸度和水含量。这些因素在不同造山带中具有不同的特征，因此可以推测：碎屑锆石稀土元素数据可以反映构造环境的变化。本文以西藏冈底斯山脉的碎屑锆石稀土元素数据为例验证了这一推测。在洋-陆俯冲阶段(约150~60 Ma)，碎屑锆石的Eu/Eu*和 变化趋势具有较好的耦合关系，rDz值稳定于0.62~0.81，其原因可能为在此期间氧逸度和水含量总体稳定，且S型花岗质岩石较少，导致碎屑锆石Eu/Eu*和 主要受控于母岩浆的结晶压力。由于陆-陆碰撞而发生板片断离之后，rDz值出现了明显下降，在40~30 Ma、30~20 Ma和20~10 Ma阶段分别为0.73、0.57和0.18，其原因可能为S型岩浆岩比例的上升和不稳定的氧逸度和水含量，导致碎屑锆石Eu/Eu*和 比值逐渐呈现解耦的变化趋势。上述结果表明rDz值有潜力成为区分洋-陆俯冲和陆-陆碰撞过程的一种新方法。
Abstract
Detrital zircon is a key mineral for studying the evolution of early Earth orogenic belts. However, distinguishing between oceanic subduction and continental collision settings using detrital zircon rare earth element (REE) data remains an unresolved issue. This paper reviews previous experimental petrology studies and uses the Gangdese Mountains in Tibet as a case study to investigate the potential of the correlation coefficient (rDz) between detrital zircon europium anomaly (Eu/Eu*) and light/heavy REE ratios ( ) as a discriminant for these tectonic settings. Experimental petrological studies indicate that the zircon Eu/Eu* and are influenced by the crystallization processes of plagioclase and garnet, which are in turn controlled by crystallization pressure, protolith composition, oxygen fugacity, and magmatic water content of parental melts. These controlling factors exhibit variability across different tectonic settings, leading to the hypothesis that detrital zircon REE characteristics can be used to differentiate between them. To test this hypothesis, we analyzed detrital zircon REE data from the Tibetan Gangdese Mountains. During the oceanic subduction stage, Eu/Eu* and show coupled evolutionary trends, resulting in a stable high rDz value of 0.62~0.81. This stability possibly reflects consistent oxygen fugacity and magmatic water content, a low abundance of S-type granitoids, and a dominant control of crystallization pressure on Eu/Eu* and . After slab break-off and the transition to continental collision, rDz exhibits a significant decrease. The rDz values for 40~30 Ma, 30~20 Ma, and 20~10 Ma are 0.73, 0.57, and 0.18, respectively. This decline is potentially due to a higher yield of S-type granitoids and more variable oxygen fugacity and magmatic water content, leading to decoupled evolution trends of Eu/Eu* and . Our findings suggest that rDz has the potential to be a new proxy to distinguish between oceanic subduction and continental collision settings.
Keywords
detrital zircon ； rare earth elements ； geochemistry ； orogenic belt ； Gangdese Mountains
