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扬子克拉通南华纪碎屑锆石U


第 34 卷 第 1 期 2 0 0 9 年 1 月

地球 科学 ) ) ) 中国地质大学学报 Earth Science ) Jour nal of China Univer sity of Geosciences

Vol. 34 Jan .

No. 1 2 0 0 9

扬子克拉通南华纪碎屑锆石 U2Pb 年龄、 同位素 Hf 对华南新元古代岩浆事件的指示
谢士稳 , 高
1, 2



1, 2, 3

, 柳小明 , 高日胜

3

4

1. 中国地质大学地球科学学院, 湖北武汉 430074 2. 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 湖北武汉 430074 3. 西北大学地质系大陆动力学国家重点实验室, 陕西西安 710069 4. 中油国际海外中心, 北京 100083

摘要: 对采自宜昌三峡地区南华纪沉积岩中碎屑锆石进行了 U2Pb 定年, 新元古代锆石 U2Pb 年龄在 833 Ma、 Ma 出 现高峰, 785 说明此时期有两期大规模岩浆活动. 结合前人的 Hf 同位素结果, 新元古代锆石 U2Pb 年龄与 EHf ( t) 值关系图表明: 910~ 890 Ma 之间锆石 EHf ( t) 值表现为高正值 ( U 10, 接近 亏损 地幔 演化 值) , 890~ 840 Ma 锆 石 E f ( t) 值明 显降 低, 并 有 负值 出现, 另外 在 H 890 Ma处有年龄峰出现. 笔者认为 扬子和 华夏板 块的拼 合可能 在 890 Ma 发生了 由俯冲 到陆- 陆或陆 - 弧的 碰撞, 之前的 高 EHf( t) 值由洋壳俯冲造成, 之后碰撞作用陆壳物质熔融造成了 EHf ( t) 值的降低; 840~ 800 Ma 的锆石 EHf ( t) 值有正 也有负, 800~ 780 Ma的锆石 EHf ( t) 值小于 0, 780~ 750 Ma 的锆石 EHf( t) 值大于 0. 这些数据与 830~ 795 Ma、 780~ 745 Ma 两期地幔柱事件吻合. 关键词: 扬子板块; 锆石 U2P b 定年; 地幔柱; R odinia 超大陆; Hf 同位素. 中图分类号: P 597 文章编号: 1000- 2383( 2009) 01- 0117- 10 收稿日期: 2008- 10- 10

U2Pb Ages and Hf Isotopes of Detrital Zircons of Nanhua Sedimentary Rocks from the Yangtze Gorges: Implications for Genesis of Neoproterozoic Magmatism in South China
XIE Shi2wen 1, 2 , GAO Shan 1, 2, 3 , LIU Xiao2ming3 , GAO Ri2sheng 4
1. F acul ty of Eart h Sciences, Chi na Univer sit y of Geosci ences , Wuhan 430074, Chi na 430074, China 710069, Chi na 2. St ate K ey Labor atory of Geol ogi cal P rocesses and Mi neral Resources, Chi na Uni ver sit y of Geosciences , Wuhan 3. St ate K ey Labor atory of Conti nent al Dynami cs , Depar tment of Geol og y , Nort hwest Univer sit y , Xi. an 4. CN P C Int er nati onal Resear ch Cent er , Bei j i ng 100083, Chi na

Abstr act: This paper repor ts LA2ICP S U2Pb dates of det rita l zircons from the Nanhua clastic sedimentary rocks in the Yan2 2M gtze gor ges. Neoproterozoic U2Pb ages show two peaks at 833 Ma and 785 Ma, assumably cor responding t o two large 2sca le pe2 r iods of magmatism. EHf ( t) values for the 910- 890 M a zircons are positive ( U 10, similar to the value of the coeval depleted mantle) , while those for the 890- 840 Ma zircons tend to decr ease t o negat ive values, and there shows age peaks at 890 Ma. These data allow us to infer that tr ansformation of oceanic subduct ion into continenta l collision or continental ar c collision oc2 2 curr ed at about 890 Ma via amalgamation of the Yangt ze and Catha ysia blocks. The high EHf ( t) values prior to 890 Ma resulted from t he subduct ion of oceanic crust. T he subsequent dr op of EH f( t) va lues was caused by the crust melting and crusta l colli2 sion. EHf ( t) values for the 840- 800 Ma zircons a re either negative or positive, whereas EH f( t) values for the 800- 780 Ma zir2 cons are all negat ive and EHf ( t) values for the 780- 750 Ma zir cons are most ly posit ive. T hese data ar e in coincidence with two stages of the mant le plume beneath the Yangtze craton at 830- 795 Ma and 780- 745 Ma. Key words: Yangtze block; zir con U2Pb dat ing; mantle plume; Rodinia super continent; Hf isotope.
基金项目: 教育部创新团队研究计划项目( Nos. IRT 0441, 306021) ; 国家自然科 学基金委 创新研究 群体科学 基金项目 ( No. 40521001) ; 高等 学 校学科创新引智计划( No. B07039). 作者简介: 谢士稳( 1983- ) , 男, 硕士研究生在读, 岩石圈地球化学专业. E2mail: swxie210@ 163. com

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扬子克拉通是我国重要构造单元之一, 其中广 泛发育新元古代岩浆事件, 这些岩浆岩的年龄多分 布在 830~ 740 Ma( Li, Z. X. , et al . , 2003; Zheng et al . , 2004, 2006; Li, W. X. , et al . , 2005; 钟玉 芳等, 2005; Zhou et al . , 2006a, 2006b; Zhu et al . , 2006; Wu et al . , 2007; Li, X. H . , et al . , 2008; T ang et a l . , 2008; Wang et al . , 2008) , 随 着 Rodinia 超大陆重建的进一步研究, 以及 华南超 级地幔柱的提出( Li, Z. X. , et al . , 1995, 1999, 2003; Li, X. H . , et a l . , 2003) 扬子新元古代岩浆 岩的成因已成为地质学家们研究的热点. 这些岩浆 岩的成因也成为大家争论的焦点, 目前已提出 3 种 成因模 式: ( 1) 地 幔 柱 成 因 ( Li, Z. X. , et al . , 1999, 2003; Li, X. H . , et al . , 2003, 2006) , 认为 这些岩浆活动 是地幔 柱成因, 在 830~ 750 Ma 期 间, Rodinia 超大陆下存在一个超级地幔柱, 通过主 要的两次地幔柱活动导致了华 南大规模的地 壳抬 升、 去顶、 大陆裂谷和广泛的双峰式岩浆作用, 并最 终导 致 了 Rodinia 超大 陆 的 裂 解; ( 2 ) 岛 弧 模 式 ( Zhou, M. F. , et a l . , 2002a, 2002b; Zhou, J. C. , et a l . , 2004; Wang et al . , 2004a, 2004b, 2006) 认为这些岩浆活动是洋壳俯冲消减于扬子板 块下引起的岛弧岩浆, 并认为新元古代时期, 华南是 一个被消减海洋岩石圈俯冲带包围的孤立陆块; ( 3) 板块- 裂谷模式, 认为这些岩浆产物是早期弧- 陆 碰撞、 晚期拉张垮塌和大陆裂谷的再造产物( Wu et al . , 2006; Zheng et al . , 2007) . 扬子克拉通由于震 旦纪及显生宙巨厚沉积物的覆盖, 限制了对扬子板 块新元古代岩浆事件的认识, 碎屑锆石是研究岩浆 事件的重要手段, 可以记录源区地壳演化中的各期 地质事件. 为了更全面研究华南新元古代的岩浆事 件, 本文报道采自宜昌黄陵地区南华纪沉积岩中碎 屑锆石的 U2Pb 年龄分布和 H f 同位素组成, 以期对 扬子克拉通新元古代岩浆事件提供新的研究思路.

( Gao et al . , 1999) , 是扬子克拉通已知出露最古老 的基底岩系. 盖层包括南华系- 三叠系, 围绕基底由 老至新环状分布( 图 1) . 研究区位于宜昌三峡地区( 图 1) , 该区新元古 代地层由老至新可依次划分为莲沱组、 古城组、 大塘 坡组、 南沱组、 陡山沱组和灯影组. 其中, 莲沱组不整 合覆盖在黄陵花岗岩之上, 其下部为紫红色厚层含 砾石英砂岩、 长石石英砂岩及石英砂岩, 上部以紫红 色、 灰绿色细岩屑砂岩, 长石质砂岩和粉砂岩及流纹 质晶屑玻屑凝灰岩组成. 古城组下部为冰碛砾岩, 上 部为砂砾岩和含砾砂岩及冰碛纹泥层, 与下伏莲沱 组呈平行不整合接触. 大塘坡组主要为黑色薄层炭 质粉砂岩及砂质页岩夹含锰灰岩, 是我国南方南华 系重要的含锰层位之一. 南沱组主要为一套暗绿、 灰 绿色夹紫红色冰碛泥砾岩, 下与大塘坡组呈平行不 整合接触. 陡山沱与下伏南沱组呈平行不整合接触, 岩性主要是中- 薄层的灰、 褐灰色细晶白云岩、 灰白 色细晶白云岩夹黑色炭质页岩, 中下部常见有硅磷 质结核, 是我国南方重要含磷层位之一, 顶部为黑色 炭质页岩夹泥质白云岩. 灯影组与下伏陡山沱组为 连续沉积, 由巨厚白云岩和灰岩组成( 湖北地质矿产 局, 1990: 全国地层委员会, 2001, 2002) . 样品 LT01 和 LT 02 为 紫红色砂岩, 均采自宜

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地质概况和样品来源

黄陵穹隆是扬子克拉通太古宙岩石唯一出露的 地区, 该穹隆位于扬子克拉通北缘, 面积约970 km 2 , 主要由晚太古代崆岭群高级变质地体和以黄陵花岗 岩基为主的大量侵入体组成. 其中, 崆岭高级变质地 体主体由闪长- 英云闪长 - 奥长花岗- 花 岗闪长 ( DT TG) 质片麻岩和花岗质片麻岩组成, 其次为变 沉积岩和斜长角闪岩及少量基性麻粒岩等岩系组成
图1 黄陵背斜地质略图 Fig. 1 Sim plified geological map of Huangling antidine

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昌莲沱镇莲沱大桥附近的莲沱组底部, 该处见莲沱 组不整合覆盖在黄陵花岗岩之上, 样品 GP S 点位为 北纬 30 b51. 045c, 东经 111b9. 004c. 样 品 NT01 和 NT02 采自长阳县 高家堰镇 古城 村锰矿 采坑南 约 50 m山坡南沱组标准剖面底部 冰积砾岩和冰 积泥 岩, 样 品 GP S 点 位 为 北 纬 30b 33. 048c, 东 经 111b3. 413c. 每个样品采集约 20 kg. ZG01 采自秭归 九曲 垴 南 华 - 震 旦 纪 剖 面, GP S 点 位 为 北 纬 30b53. 052c, 东经 110b52. 867c( 图 1) . ZG01 是本文 新采样和分析的样品, 其余样品数据来自 Liu et al . ( 2008) .

( 2008) 对其中的 251 颗锆 石进行 了 H f 同位 素分 析. 有 40% 的谐和锆 石的年龄 在 730~ 920 Ma 之 间, 对其中的 78 颗锆石进行了 H f 同位素分析. 下 面笔者将讨论 这些新元 古代锆石 的 U2Pb 年 龄和 H f 同位素组成对 Rodinia 超大陆裂解的指示意义. 此阶段的碎屑锆石多具有岩浆震荡环带, 多为自形, 部分有后期的增生边结构, Th/ U 比值除 6 颗小于 0. 3 外, 大多都大于 0. 5( 图 2) , 指示这些锆石为岩 浆成因. 锆石年龄谐和图见图 3. 对 78 颗锆石的 H f 同位素研究发现, 176 H f/ 177 H f 分布在 0. 281 714~ 0. 282 667之间, E f ( t ) 变化 范围很大, 从 + 12. 6~ H - 22, 其中 52 颗具有正的 E f ( t) 值, 27 颗 E f ( t ) 值 H H 小于 0, 其 T C 分布在 1. 8~ 3. 0 Ga 之间. 2/ 3 的锆 DM 石具有正的 E f ( t) 值, 指示此阶段主要是大陆地壳 H 形成的时期, 并伴随有古老地壳的重熔. 从新元古代锆石年龄分布直方图( 图 4) 上看, 笔 者 很 明显 地 发 现 锆 石年 龄 主 要 分 布 在 780~ 910 Ma之间, 最高的年龄峰为 833 Ma. Li( 1999) 通过 对华南造山后花岗岩锆石 U2Pb 定年认为, 扬子与华 夏板块最终聚合的时期不晚于 820 Ma. 另外, Li, Z. X. , et al . ( 1999) 等测定华南地区铁镁- 超铁镁质岩 墙锆石的 SHRIMP 年龄为 828 ? 7 Ma, 认为在825 Ma 时, 扬子克拉通有超级地幔柱的作用. 830 Ma正好是 造山末期和地幔柱活动的叠加时期, 笔者认为此时的 拉张环境和地幔柱的烘烤更容易造成岩石圈的熔融, 再加上地幔柱带来的上涌物质, 因此该年龄有最高的 锆石年龄峰值. 780~ 745 Ma 是第二期地幔柱活动时 间( Li, Z. X. , et al . , 2003) . 因此, 785 Ma的峰值可 能与第二期地幔柱的开始和活动有关, 在两个峰值之 间的相对低谷可能反映了第一期地幔柱的衰减和相 对宁静时期的开始. 扬子克拉通的此次地幔柱活动持 续了近 100 Ma( Li, Z. X. , et al . , 2003) . 从图 5 看出, 锆石 U2P b 年龄和 E f ( t ) 值关系可 H 分为 5 个阶段: 910~ 890 Ma、 890~ 840 Ma、 840~ 800 Ma、 800~ 780 Ma、 小于 780 Ma. 年龄为 910~ 890 Ma 之间的锆石 E f ( t) 值表现为高正值( U10, 接 H 近亏损地幔演化值) , 可能此时期扬子和华夏板块还 未发生 陆 - 陆 碰 撞, 仍 为 洋 壳 俯 冲 阶 段. 890 ~ 840 Ma锆石 E f ( t ) 值 明 显 降 低, 并 有 负 值 出 现, H 890 Ma处有个小的年龄峰值( Liu et al . , 2008) . Li, W. X. , et al . ( 2008) 认为 890 Ma 时扬子和华夏已 拼合. Wang et al . ( 2007) 认为在 870 Ma 时华夏板 块和岛弧 碰撞并 发生超 高压变 质事 件. Ye et al . ( 2007) 和Li et al . ( 2007) 认为 在900Ma时扬子和

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样品制备与分析方法
样品 ZG01 的制 备 与分 析 方法 与 Liu et al .

( 2008) 报道的其余样品制备和分析方法类似. 所采集的样品, 经破碎人工分选出锆石. 每个样 品分选出的锆石颗粒为 500 至数千颗不等. 将待测 的锆石颗粒制成环氧树脂圆片, 抛光后进行 CL 显 微结构观察及年龄的测定. 锆石阴极发光( CL) 图像 分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成. 锆石 激 光 剥 蚀 等 离子 体 质 谱 ( LA2ICP2MS ) U2Pb同位素分析在在中国地质大学( 武汉) 地质过 程与矿产 资源国 家重点 实验室 完成, 实 验采 用的 ICP2MS 为美国 Agilent 公司生产的 Agilent7500a. 激 光 剥 蚀 系 统 为 德 国 MicroLas 公 司 生 产 的 GeoLas2005, 分析所用的激光斑束直径为 32 Lm, 分 析流程参见( Yuan et a l . , 2004) . 样品的同位素比值 及元素含量计算采用 GLITTER( ver4. 0, Macyuarie University) 程序完成. 普通 Pb 校正采用 ComPbCorr # 3_151 完成( Andersen, 2002) , 年龄计算及谐和图 的绘制采用 Isoplot 3. 0 完成( Ludwig, 2003) . 对 ZG01 未分 析 H f 同位素组成, 其余样品 的 H f 同位素分析 方法见 Liu et al . ( 2008) 和徐平 等 ( 2004) . E f ( t ) 值和 H f 模式年龄计算所采用参数见 H Liu et al . ( 2008) .

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结果与讨论
本次研究 分析 的 ZG01 结果, 加上 Liu et al .

( 2008) 的分析 结果, 本文 共获 得南华 纪沉 积岩 中 1 260颗碎屑锆石 U2P b 年龄值( 表 1) . 其中, 777 颗 锆石的 年龄谐 和度 在 100 ? 10% 之间. Liu et al .

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华夏发生拼合. Li and McCulloch( 1996) 和 Li et al . ( 1997) 通过对扬子板块中元古代 - 二叠纪沉 积岩 Nd 同位素和安徽、 江西两套蛇绿岩套的地球化学、 Sm 2Nd 同位素的系统研究, 提出扬子和华夏板块的 陆- 弧- 陆碰撞模式, 并认为在 900~ 800 Ma 发生 弧- 陆碰撞和最终拼合, 笔者认为 890 Ma 时 E ( t ) Hf 值的降低可能记录了此次俯冲向碰撞的转变. 840~ 800 Ma 有相当 数目 锆石 E f ( t ) 值小 于 0, 但多 数 H E f ( t) 值大于 0, 笔者认为正的 E ( t ) 值表明地幔柱 H Hf 的活动, 而负的 E ( t) 则指示地壳的熔融作用. 根据
Hf

浆的侵入或喷发, 桂北元宝山超镁铁岩形成年龄为 841 Ma, 即被认为与 825 Ma 的地幔柱事件有关( 周 继彬等, 2007) . 笔者认为年龄为~ 840 Ma 的碎屑锆 石大于 0 的 E f ( t ) 值与此时幔源岩浆的侵入或喷发 H 有关. 825~ 820 Ma 是深熔花岗岩活动和侵入时期, Li, X. H . , et al . ( 2003) 在扬子克拉通识别出一些 825~ 820 Ma 的壳源花岗岩, 他们认为扬子克拉通 825~ 820 Ma 的花岗岩是由于~ 825 Ma 时地幔柱 烘烤地壳物质形成的, 830~ 820 Ma 之间 E f ( t) 值为 H 负值, 同样表明这个时期 主要为地壳物质 的重熔. 820~ 800 Ma 是地幔柱大量上涌时期, 笔者认为该 期大多数正的 E f ( t) 值与大量地幔物质上涌有关. H Li, Z. X. , et a l . ( 2003) 进一步指出, 830~ 795 Ma 和 780~ 745 Ma 是两期 地幔 柱大 规模 活动时 期,

Li, Z. X. , et a l . ( 1999) 提出的华 南地幔柱模型, 840~ 830 Ma 是地幔柱柱头上涌和有限的基性/ 超 基性岩墙侵入时期, 柱头上涌的过程中, 导致岩石圈 凸起, 由于凸起拉张引起压力的减小和地幔柱上涌 带来的热量, 引起地幔柱上部部分熔融, 造成幔源岩

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800~ 780 Ma 介于活动期之间, 处于地幔柱活动相 对宁静时期. 第一期地幔柱活动产生的岩浆及此时 休眠的地幔柱不断地烘烤地壳物质, 致使地壳重熔
Hf 形成一定规模的岩浆. 因此, 此阶段碎屑锆石 E ( t ) 值表现为负值; 780~ 750 Ma 时碎屑锆石 E f ( t) 值又 H

magmatism in the Cat haysia block of Sout h China and its tectonic significance. P r eca mbr ia n Resear ch, 136( 1) : 51- 66. Li, W. X. , Li, X. H . , Li, Z. X. , et al. , 2008. Obduction2type gr anites within the NE Jiangxi ophiolite: Implicat ions for the final amalgamation between the Yangtze and Cat haysia blocks. 288- 301. Li, X. H . , 1999. U2P b zircon ages of granites from the south2 er n mar gin of the Yangtze block: Timing of Neopr oter o2 zoic Jinning: Orogeny in SE China and implications for Rodinia assembly. P r eca mbr ia n Resea rch, 97: 43- 57. Li, X. H . , McCulloch, M. T. , 1996. Secular variation in the Nd isotopic composition of Neoproterozoic sediments from the southern margin of the Yangtze block: Evi2 dence for a P rot erozoic continenta l collision in Southeast China. P r eca mbr ia n R esea rch, 76: 67- 76. Li, X. H . , Zhao, J. X. , McCulloch, M. T. , et al. , 1997. Geo2 chemical and Sm 2Nd isotopic study of Neoproterozoic ophiolites from southeaster n China: Petr ogenesis and tect onic im plications. P recambr ian Resear ch, 81: 129- 144. Li, X. H . , Li, Z. X. , Ge, W. C. , et al. , 2003. Neoproterozoic gr anitoids in South China: Crustal melt ing above a man2 t le plume at ca. 825 M a? P recambr ian Resear ch, 122: 45- 83. Li, X. H . , Li, Z. X. , Sinclair, J. A. , et al. , 2006. Revisiting the / Yanbian terr ane0 : Implications for Neoproterozoic tect onic evolution of the western Yangtze block, South China. P r eca mbr ia n R esea rch, 151( 1- 2) : 14- 30. Li, X. H . , Li, W. X. , Li, Z. X. , et al. , 2008. 850- 790 Ma bi2 modal volcanic and intrusive rocks in northern Zhe2 jiang, South China: A major episode of cont inental rift magmatism during the br eakup of Rodinia. Lithos, 102: 341- 357. Li, Z. X. , Zhang, L. H. , Powell, C. M. , 1995. South China in Rodinia: Par t of the missing link between Australia 2East Antar ctica and Laur ent ia? Geolog y, 23( 5) : 407- 410. Li, Z. X. , Li, X. H. , Kinny, P. D. , et al. , 1999. The br eakup of Rodinia: Did it start with a mant le plume beneath South China? Ea r th and P laneta r y Science Letter s, 173: 171- 181. Li, Z. X. , Li, X. H . , Kinny, P. D. , et al. , 2003. Geochr onolo2 gy of Neopr oterozoic syn rift magmat ism in the Yangtze 2 craton, South China and corr elations with other conti2 nents: Evidence for a mantle super plume that br oke up Rodinia. P r eca mbr ia n R esea rch, 122( 1- 4) : 85- 109. Li, Z. X. , War tho, J. A. , Occhipinti, S. , et al. , 2007. Ear ly Gondwa na Resear ch, 13 ( 3 ) :

恢复到正值, 很少小于 0. Lin et a l . ( 2007) 对川西康 滇裂谷中康定- 泸定- 石棉地区广泛分布的基性岩 墙群 进 行 了 SH RIMP 锆 石 U2P b 年 龄、 素 和 元 Nd2H f同位素研究, 结果表明这些基性岩墙群形成 于 780~ 760 Ma, 很可能是高温地幔柱部分熔融的 产物. 笔者认为年龄为 780~ 750 Ma 碎屑锆石E f ( t) H 值的升高可能与地幔柱的第二期活动有关.

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结论
本文对采自宜昌三峡地区南华纪沉积岩中碎屑

锆石的 U2Pb 定年表明, 扬子和华夏板块的 拼合可 能在 890 Ma 发生了由俯冲到陆- 陆或陆- 弧的碰 撞转换, 之前的高 E f ( t) 值可能由洋壳俯冲造成, 之 H 后碰撞作用陆壳物质熔融造成了 E f ( t ) 值的降低; H 碎屑锆石 U2P b 年龄分布、 f 同位素组成支持了前 H 人提出的 830~ 795 Ma、 780~ 745 Ma 两期地幔柱 活动的认识. Refer ences
Andersen, T. , 2002. Corr ection of common lead in U2P b ana 2 lyses that do not repor t 59- 79. Bureau of Geology and Miner al Resouces of H ubei P rovince, 1990. Regional geology of H ubei P rovince. Geological P ublishing H ouse, Beijing, 7- 64 ( in Chinese) . China Commission on Str atigraphy, 2001. Str atigraphic guide of China and its explanatory notes ( revised edition) . Geological P ublishing H ouse, Beijing, 1 - 59 ( in Chi2 nese) . China Commission on Stratigr aphy, 2002. Explanatory notes to the r egional chr onostratigr aphic ( geochronologic ) scale. Geological P ublishing H ouse, Beijing, 1 - 72 ( in Chinese) . Gao, S. , Ling, W. L. , Qiu, Y. M. , et al. , 1999. Contr ast ing geochem ical and Sm Nd isotopic compositions of Arche 2 2 an met asediments f rom the Kongling high 2grade ter rain of the Yangtze cr aton: Evidence for cratonic evolution and r edistr ibut ion of REE dur ing cr ustal anatexis. Geochimica et Cosmochimca Acta , 63: 2071- 2088. Li, W. X. , Li, X. H . , Li, Z. X. , 2005. Neoproterozoic bimodal
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Pb. Chemica l Geology , 192:

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Ar/ Ar dat ing
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