東南極茹爾群島超高溫麻粒巖的研究進展

仝來喜劉 兆王彥斌

1.大陸動力學國家重點實驗室,西北大學地質(zhì)系,陜西 西安 710069;

2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所,北京 100037

0 引言

過去十幾年來,超高溫(UHT)變質(zhì)作用研究已成為繼超高壓(UHP)變質(zhì)作用研究之后國內(nèi)外變質(zhì)地質(zhì)學領(lǐng)域的另一個重要前沿課題。超高溫(UHT)變質(zhì)作用是指地殼巖石在7～13 GPa壓力條件下遭受峰期變質(zhì)溫度超過900 ℃的麻粒巖相變質(zhì)作用,通常會導致局部或區(qū)域性超高溫麻粒巖的形成,在FMAS體系發(fā)育指示超高溫條件的特征變質(zhì)礦物組合,如假藍寶石+石英、斜方輝石+矽線石+石英、尖晶石+石英,在KFMASH體系則出現(xiàn)特征的大隅石+石榴子石組合等。斜方輝石以高鋁(Al2O3＞8%)為特征,金紅石富鋯,鋯石則富鈦,在相圖中主要位于矽線石的穩(wěn)定域,其原巖多為富鎂和富鋁及硅飽和的變泥質(zhì)巖,變鐵巖中則出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)的易變輝石,鈣硅酸鹽麻粒巖中可出現(xiàn)硅灰石+方柱石組合 (Harley, 1998a, 2004, 2008)。關(guān)于超高溫變質(zhì)作用的特征與成因,國內(nèi)外已有不少論文對此進行了詳細總結(jié)(Harley, 1998a, 2004, 2008; Brown, 2007; 魏春景, 2012; Zheng and Chen, 2017; Lei and Xu, 2018)。目前,國際上已有六十余處不同產(chǎn)地含有指示性礦物組合的超高溫麻粒巖的報道(Lei and Xu, 2018)。超高溫麻粒巖可以形成于不同的地質(zhì)歷史時期,大多位于前寒武紀變質(zhì)地體中,其形成被認為與超大陸的聚合與裂解過程有關(guān)(Brown, 2007)。其中,著名的有南極的納皮爾雜巖(又稱內(nèi)皮爾雜巖,Napier Complex) (Harley and Motoyoshi,2000)和茹爾群島(又稱賴于爾群島,Rauer Group)超高溫麻粒巖(Harley, 1998b; Kelsey et al., 2003; Tong and Wilson, 2006)等。近年來,中國也有多處超高溫麻粒巖報道,代表性的產(chǎn)地有前寒武紀華北集寧的土貴烏拉和大青山的東坡 (Santosh et al., 2007; Guo et al., 2012)及晚古生代的阿爾泰南緣 (Li et al., 2014; Tong et al., 2014)等。超高溫麻粒巖既可以在伸展環(huán)境也可以在擠壓環(huán)境中形成,關(guān)于其構(gòu)造背景的討論主要有以下幾種觀點:由熱的弧后盆地的倒轉(zhuǎn)和增厚形成(Brown, 2006, 2007),由大陸碰撞造山期間同巖漿作用加熱形成 (Moraes et al., 2002; Tong and Wilson, 2006),由巖石圈伸展及鎂鐵質(zhì)巖漿底侵或底墊加熱形成 (Kemp et al., 2007),由于放射性元素長期造山的自加熱而形成 (Clark et al., 2011),由于洋脊俯沖及板片窗的發(fā)育而形成(Guo et al., 2012; Santosh et al., 2012),或由地幔柱活動引起的異常加熱而形成 (Tong et al., 2014; Liu et al., 2020)等。其中,軟流圈地幔上涌及巖石圈地幔減薄有關(guān)的活動性大陸張裂造山被認為是最有可能的構(gòu)造背景(Zheng and Chen, 2017)。

茹爾群島位于普里茲帶(Prydz Belt)的東部邊緣,出露著名的含假藍寶石超高溫麻粒巖相變質(zhì)巖。普里茲帶位于東南極大陸,是一條受早古生代泛非期(Pan-African) (～530 Ma)熱事件廣泛影響的重要高級活動帶 (Zhao et al., 1992; 趙越等, 1993; Dirks et al., 1993; 劉小漢等, 1995; Dirks and Wilson, 1995; Hensen and Zhou, 1995; Carson et al., 1996; Fitzsimons et al., 1997),主要由東南極普里茲灣(Prydz Bay)沿岸地質(zhì)露頭組成,從東部的茹爾群島向西南經(jīng)拉斯曼丘陵(Larsemann Hills)、埃默里冰架 (Amery Ice Shelf)延伸到內(nèi)陸格羅夫山(Grove Mountains) (劉小漢等, 2002; Zhao et al., 2003; Liu et al., 2006, 2007, 2009a; 劉曉春等, 2007, 2013; 劉曉春, 2009, 2018)。普里茲帶高級變質(zhì)巖(包括茹爾群島超高溫麻粒巖)的變質(zhì)P-T軌跡及其大地構(gòu)造背景在岡瓦納(Gondwana)和羅迪尼亞(Rodinia)超大陸聚合過程中所起的作用和意義,目前主要有兩種不同的觀點:一是該帶順時針近等溫減壓的P-T軌跡反映了與地殼增厚有關(guān)的泛非期(～530 Ma) 碰撞造山大地構(gòu)造背景 (Ren et al., 1992; Fitzsimons, 1996; Carson et al., 1997; Liu et al., 2006, 2007, 2009a),因此, 普里茲帶是一條代表了早古生代與東岡瓦納大陸最終聚合有關(guān)的碰撞造山帶 (Hensen and Zhou, 1997; Fitzsimons, 2000; Boger et al., 2001; 劉小漢等, 2002; Harley, 2003; Zhao et al., 2003; 劉曉春等, 2007; Liu et al., 2007;胡健民等,2008;Boger, 2011)。二是由于普里茲帶尤其普里茲灣也存在早期格林維爾期(～1000 Ma)構(gòu)造變質(zhì)熱事件,其變質(zhì)P-T軌跡由兩個無關(guān)的高級變質(zhì)事件組成 (Dirks and Hand, 1995; 劉小漢等, 1995; 仝來喜等,1998;Tong and Wilson, 2006; Wang et al., 2007, 2008; 劉曉春, 2009, 2018; Grew et al, 2012; Tong et al., 2014, 2019),因此普里茲帶是一條多期變質(zhì)帶(Dirks and Wilson, 1995;仝來喜等,1997,1998; Tong et al., 2002; Tong and Wilson, 2006; Kelsey et al., 2007; 劉曉春, 2009, 2018; Grew et al, 2012),并與羅迪尼亞和岡瓦納超大陸的聚合有關(guān)(劉小漢等, 1995; Wang et al., 2008; Liu et al., 2009b; 劉曉春, 2009; 仝來喜等, 2012; Tong et al., 2014, 2017, 2019)。但由于缺乏代表泛非期碰撞造山的直接標志性巖石組合(如蛇綠巖、高壓變質(zhì)巖及島弧增生雜巖),普里茲帶也被認為僅是東岡瓦納大陸在早古生代的一條板內(nèi)(即陸內(nèi))活動帶, 可能是由于東、西岡瓦納大陸沿莫桑比克帶的東非碰撞造山作用在東岡瓦納大陸內(nèi)部的構(gòu)造調(diào)整效應(yīng)形成的 (Phillips et al., 2007; Wilson et al., 2007; 仝來喜等,2012; Tong et al., 2014, 2019; 任留東等,2016)。

茹爾群島作為普里茲帶的重要組成部分,自從含假藍寶石超高溫麻粒巖首次從該區(qū)報道以來(Harley and Fitzsimons, 1991),不同研究者對其變形-變質(zhì)演化歷史、超高溫變質(zhì)事件的時間及構(gòu)造背景進行了研究,并得出了不同形式的進變質(zhì)和峰期后演化的P-T軌跡,以及超高溫變質(zhì)事件發(fā)生于不同的時間和構(gòu)造背景的結(jié)論 (Dirks and Wilson, 1995; Sims and Wilson, 1997; Harley, 1998b; Tong and Wilson, 2006; Kelsey et al., 2007; Wang et al., 2007; Wilson et al., 2007; Harley et al., 2009; Hokada et al., 2016; Clark et al., 2019)。因此,對茹爾群島超高溫麻粒巖研究進展進行了概括性梳理和總結(jié),并找出該區(qū)超高溫麻粒巖研究中仍然存在的一些科學問題,希望可以作為下一步研究的方向。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

茹爾群島位于東南極普里茲灣地區(qū)的東部,東北面距新太古代西福爾丘陵(Vestfold Hills)麻粒巖地體僅10 km(Harley, 1998b),西南面距普里茲帶的布拉特濱海陡崖 (Brattstrand Bluffs)約30 km(圖1a)。茹爾群島是一個以正片麻巖為主的多期麻粒巖相變質(zhì)地體,其巖石單元主要由活化的太古宙長英質(zhì)正片麻巖、中元古代復合片麻巖及其中的層狀副片麻巖組成,其中太古宙長英質(zhì)正片麻巖單元中發(fā)育變形變質(zhì)的多期元古代鎂鐵質(zhì)巖墻群 (Harley, 1987; Dirks et al., 1994; Sims et al., 1994)?；罨奶胖嬲閹r主要分布于茹爾群島的東北部和西南部,而中元古代復合片麻巖則分布在其余的島嶼和半島上(圖1a)。中元古代復合片麻巖主要由花崗質(zhì)正片麻巖及其中的費拉副片麻巖單元 (Filla Paragneiss)組成,花崗質(zhì)正片麻巖具有1050～1000 Ma的SHRIMP鋯石U-Pb年齡(Kinny et al., 1993)。活化的太古宙長英質(zhì)正片麻巖被認為代表了茹爾群島的古老基底,其上為中元古代的沉積蓋層序列(費拉表殼巖),其正副片麻巖具有中元古代1520～1160 Ma的Sm-Nd模式年齡 (Sheraton et al., 1984)。費拉副片麻巖單元主要由富鐵的變泥質(zhì)-變砂質(zhì)副片麻巖、淺色片麻巖、含石榴子石的鈣硅酸鹽麻粒巖及少量鎂鐵質(zhì)麻粒巖組成,較早期被認為在晚元古代的格林維爾事件(1100～1000 Ma)期間經(jīng)歷了一次主要的中壓麻粒巖相構(gòu)造變質(zhì)事件,具有峰期變質(zhì)條件為0.7～0.9 GPa、820～860 ℃,峰期后具有0.2～4 GPa減壓的順時針P-T演化軌跡(Harley, 1988; Harley and Fitzsimons, 1991)。

圖1 茹爾群島與梅瑟半島地質(zhì)圖(Tong and Wilson, 2006)Fig.1 Geological maps of the Rauer Group and Mather Peninsula (Tong and Wilson, 2006)(a) Lithological unit map of the Rauer Group. Insert shows the locations of the Rauer Group (RG), the Vestfold Hills (VH), the Larsemann Hills (LH), the Brattstrand Bluffs (BB), S?strene Island (SI) and the Bolingen Islands (BI), the dashed line shows the major Mather Shear Zone defined by a ～500 m wide planar high-strain zone; (b) Lithological distribution and sample locations on Mather Peninsula, the dashed lines show representative recognized cm- to m-wide high-grade shear zones; (c) Stereographic projections for the major foliation orientations; (d) Mineral elongation lineations on Mather Peninsula

茹爾群島活化的太古宙正片麻巖具有3470 Ma、3270 Ma及2800 Ma的巖漿結(jié)晶年齡(Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998),而一個變形的層狀鎂鐵質(zhì)侵入雜巖則具有2840 Ma的侵入年齡(Harley et al., 1998)。這些活化的太古宙正片麻巖被認為在2500 Ma前經(jīng)歷了一次高級變質(zhì)作用(Harley and Kelly, 2007)。在太古宙的英云閃長質(zhì)正片麻巖中分布著一些鎂橄欖石大理巖、鈣鐵榴石矽卡巖、富鎂鋁的變泥質(zhì)麻粒巖捕虜體或布丁,由于其經(jīng)歷了超高溫變質(zhì)作用且主要分布于梅瑟(又稱馬瑟)半島(圖1b),被稱為梅瑟副片麻巖(Mather Paragneiss)(Harley, 1998b)。梅瑟副片麻巖是一個分布不很廣泛但卻很重要的巖石單元,其巖石類型主要包括含石榴子石-斜方輝石-矽線石-假藍寶石的泥質(zhì)混合巖、相關(guān)富鎂的石榴矽線變泥質(zhì)麻粒巖、紫蘇矽線石英巖、含斜方輝石淺色片麻巖、含石榴子石鎂鐵質(zhì)麻粒巖、含石榴子石鈣硅酸鹽麻粒巖及石榴子石英巖等 (圖2;Harley, 1998b; Tong and Wilson, 2006),大多以5m×15 m大小的捕虜體或無根的褶皺或布丁產(chǎn)出于太古宙正片麻巖圍巖之中(Harley, 1998b)。近年來,在托克勒島又發(fā)現(xiàn)了含假藍寶石-石英的超高溫變質(zhì)的泥質(zhì)麻粒巖(Harley, 2008)。梅瑟副片麻巖以繼承鋯石具有太古宙的源區(qū)年齡而區(qū)別于中元古代的費拉副片麻巖(Harley, 2014)。

圖2 代表性超高溫麻粒巖的野外照片F(xiàn)ig.2 Representative field photographs of the UHT granulites on Mather Peninsula(a) Mg-Al-rich UHT Spr-bearing metapelitic granulite and interlayered Opx-Sil-bearing quartzite, the pencil is 15 cm long as a scale;(b) Mg-rich Grt-Sil-bearing metapelitic gneiss and coarse-grained Grt-bearing leucosome, the hammer is 30 cm long as a scale; (c) Fe-Al-rich Grt-Sil-bearing metapelitic gneiss lens develop obvious SE-dipping mineral elongation lineation (L6) and foliation (S6), the marker is 14 cm long as a scale; (d) Grt-bearing mafic granulite boudin, the hammer is 30 cm long as a scale.

茹爾群島具有典型的多期變質(zhì)演化歷史,最初被認為經(jīng)歷了至少四期高級構(gòu)造變形過程,其中主要的變質(zhì)變形事件(D1、D2、D3)被認為發(fā)生于鎂鐵質(zhì)巖墻的侵入之前,而在麻粒巖相條件下鎂鐵質(zhì)巖墻發(fā)生變形變質(zhì)的事件被認為發(fā)生于D4期高級構(gòu)造變形事件期間。D4期高級構(gòu)造變形事件導致了茹爾群島南部南傾的開闊到緊閉直立褶皺的形成,以及該區(qū)南北向和東西向直立的韌性剪切帶的發(fā)育。D5期變形則與面狀偉晶巖的侵入有關(guān)(Harley, 1987)。在基底片麻巖中的平臥等斜褶皺和陡傾的礦物拉伸線理被認為發(fā)生于巖墻侵入前的一期主要變形事件(D3)期間,并形成于晚元古代1030～1000 Ma(Harley and Fitzsimons, 1991)。之后進一步的構(gòu)造研究顯示,茹爾群島的大部分構(gòu)造與廣泛的高級韌性剪切變形事件有關(guān),發(fā)生于D6期構(gòu)造變形事件期間,并導致了該區(qū)面狀高應(yīng)變帶的廣泛發(fā)育 (Sims et al., 1994; Sims and Wilson, 1997)。在整個茹爾群島,區(qū)域一致的向東南傾向的礦物拉伸線理普遍平行于褶皺軸和布丁頸(Dirks and Wilson, 1995)。早期的構(gòu)造一般作為低應(yīng)變帶中重復褶皺的鎂鐵質(zhì)麻粒巖和長英質(zhì)片麻巖層被局部保留,而幾乎所有早期的面理在面狀高應(yīng)變帶中或多或少都被強烈置換,其置換程度從厘米級到千米級變化 (Dirks et al., 1994; Sims et al., 1994)。

由于茹爾群島太古宙基底巖石比相鄰的新太古代西福爾丘陵具有更老的結(jié)晶形成年齡(Kinny et al., 1993; Harley et al., 1995, 1998),二者具有不同的太古宙地質(zhì)演化歷史,因此認為茹爾群島太古宙基底巖石是不同于西福爾丘陵的地體單元,稱為茹爾地體(Rauer Terrane) (Harley and Kelly, 2007)。茹爾群島中元古代費拉副片麻巖經(jīng)歷的一期主要的晚元古代(～1000 Ma)麻粒巖相高級構(gòu)造變質(zhì)事件 (Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998),又被稱為茹爾構(gòu)造事件 (Rauer Tectonic Event),而疊加的早古生代泛非期(～530 Ma)構(gòu)造變質(zhì)事件則被稱為普里茲構(gòu)造事件 (Prydz Tectonic Event;Harley and Kelly, 2007)。

2 超高溫麻粒巖礦物組合與結(jié)構(gòu)特征

茹爾群島典型的超高溫麻粒巖主要包括富鎂鋁的含假藍寶石變泥質(zhì)麻粒巖、不含假藍寶石的石榴紫蘇堇青變泥質(zhì)麻粒巖、石榴矽線變泥質(zhì)片麻巖、紫蘇矽線石英巖和含石榴子石鎂鐵質(zhì)麻粒巖等,并發(fā)育一系列變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu),不同研究者已對其進行了詳細的研究和報道(包括會議論文;Harley and Fitzsimons, 1991; Harley, 1998b; Kelsey et al., 2003;Tong and Wilson, 2006; Kelsey et al., 2007; Harley et al., 2009; Clark et al., 2019), 這里列出一些代表性的變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)(圖3),對其礦物組合和變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)分別進行概括描述。

含假藍寶石變泥質(zhì)麻粒巖:在梅瑟半島,該巖石主要由石榴子石(Grt)、斜方輝石(Opx)、矽線石(Sil)、假藍寶石(Spr)、堇青石(Crd)、鉀長石(Ksp)、斜長石(Pl)、黑云母(Bt)及少量尖晶石(Spl)等組成,矽線石集合體顯示藍晶石(Ky)假象特征,不含石英(Qtz),因此為硅不飽和麻粒巖。石榴子石變斑晶中含有小的斜方輝石、定向的矽線石與黑云母等包裹體(圖3a),指示其代表峰期前的礦物組合。樣品tlx61中的矽線石集合體顯示藍晶石假象(圖3b),表明峰期前到峰期的進變質(zhì)階段發(fā)生了藍晶石向矽線石的轉(zhuǎn)變反應(yīng):Ky→Sil。樣品tlx20的淺色體中出現(xiàn)粗粒的假藍寶石(圖3c),說明其為峰期礦物組合(Tong and Wilson, 2006),而不是之前認為的是峰期后的變質(zhì)組合 (Harley and Fitzsimons, 1991; Harley, 1998b)。因此,其峰期超高溫變質(zhì)礦物組合為粗粒的Grt-Opx-Sil-Spr-Ksp。矽線石集合體周圍發(fā)育假藍寶石和堇青石后成合晶(圖3b),石榴子石變斑晶周圍發(fā)育斜方輝石和假藍寶石后成合晶(圖3d),這兩個結(jié)構(gòu)指示峰期后經(jīng)歷了典型的減壓過程,其變質(zhì)反應(yīng)分別為:Sil→Spr+Crd, Grt→Opx+Spr。另外,石榴子石變斑晶周圍還發(fā)育斜方輝石、假藍寶石和矽線石,斜方輝石和堇青石后成合晶(Harley, 1998b),同樣指示了峰期后的減壓過程,其變質(zhì)反應(yīng)分別為:Grt→Opx+Spr+Sil, Grt→Opx+Crd。此外,一些黑云母周圍還發(fā)育晚期斜方輝石反應(yīng)邊和粒間鉀長石,可能反映了退變質(zhì)的冷卻或減壓熔融過程。在托克勒島的超高溫麻粒巖產(chǎn)地,Harley et al. (2009)發(fā)現(xiàn)在含假藍寶石變泥質(zhì)麻粒巖中,石榴子石變斑晶里藍晶石假象周圍發(fā)育假藍寶石和石英組成的后成合晶結(jié)構(gòu),指示了進變質(zhì)階段藍晶石向矽線石的轉(zhuǎn)變:Ky→Sil,以及峰期典型超高溫變質(zhì)組合的形成:Grt+Sil→Spr+Qtz,由于該巖石含石英,因此屬于硅飽和的麻粒巖。

圖3 超高溫麻粒巖中代表性的鏡下顯微照片F(xiàn)ig.3 Representative microphotographs of the UHT granulites on Mather Peninsula(a) Opx-Sil-Bt-Pl inclusions in garnet porphyroblast; (b) Post-peak Spr-Crd symplectite assemblage around Sil aggregates (Ky pseudomorph); (c) Coarse-grained Spr-Opx-Ksp assemblage in leucosome (sight width 2.0 cm); (d) Typical post-peak Spr-Opx symplectite assemblage on garnet porphyroblast; (e) Ky inclusions in garnet porphyroblast (sight width 1.0 cm); (f) Sil porphyroblast with Ky pseudomorph shows features of kink deformation; (g) Post-peak Crd-Qtz symplectite assemblage on Al-rich Opx prophyroblast in Opx-Sil-bearing quartzite; (h) Opx-Pl corona assemblage on Cpx grain and Opx-Pl-Mt symplectite assemblage on Grt prophyroblast in Grt-bearing mafic granulite

石榴紫蘇堇青變泥質(zhì)麻粒巖:在蘭尼島,該巖石主要由石榴子石、斜方輝石、堇青石、黑云母、斜長石、石英等組成,含有少量金紅石、鈦鐵礦等,雖然不含矽線石和假藍寶石,但石榴子石-斜方輝石礦物對溫壓計算、金紅石中Zr溫度計算結(jié)果及相圖模擬顯示其經(jīng)歷了峰期超高溫(＞900 ℃) 變質(zhì)作用過程 (Clark et al., 2019)。

石榴矽線變泥質(zhì)片麻巖:分為富鎂的和富鐵的兩類,主要由石榴子石、藍晶石及其假象、矽線石、斜長石、鉀長石、石英等組成,含有少量的黑云母、堇青石、尖晶石、金紅石、鈦鐵礦和石墨等,前者含有比后者更多的金紅石,后者比前者更粗粒并以團塊或透鏡體位于前者之中(圖3c)。在樣品tlx1a中,石榴子石變斑晶里存在藍晶石包裹體(圖3e),指示峰期前的進變質(zhì)階段位于藍晶石穩(wěn)定域。在樣品tlx67中,具有藍晶石假象的粗粒的矽線石變斑晶顯示特征的扭折變形特征(圖3f),其周圍含有尖晶石和堇青石的反應(yīng)邊,指示峰期后的減壓過程:Sil→Spl+Crd。

紫蘇矽線石英巖:主要由斜方輝石、矽線石、石英等組成,含有少量的斜長石、鉀長石、堇青石和黑云母,具有典型的峰期超高溫變質(zhì)礦物組合Opx-Sil-Qtz。在斜方輝石周圍發(fā)育細粒的堇青石和石英后成合晶組合(圖3g),指示峰期后典型的減壓過程,其減壓變質(zhì)反應(yīng)為:Opx+Sil→Crd+Qtz。

含石榴子石鎂鐵質(zhì)麻粒巖:主要由石榴子石、單斜輝石、斜方輝石、角閃石(Amp)、斜長石等組成,含有少量的石英、黑云母、鉀長石、不透明礦物磁鐵礦(Mt)等,礦物結(jié)構(gòu)關(guān)系指示峰期礦物組合為Grt-Cpx-Opx-Amp-Pl-Qtz。在樣品tlx6a中,粗粒的單斜輝石周圍發(fā)育相對粗粒的斜方輝石和斜長石反應(yīng)邊結(jié)構(gòu),而石榴子石變斑晶周圍發(fā)育相對細粒的斜方輝石、斜長石及磁鐵礦后成合晶結(jié)構(gòu)(圖3h),前者指示了一個前進的加熱或減壓加熱相關(guān)的變質(zhì)反應(yīng)過程:Grt+Cpx+Amp→Opx1+Pl+熔體,而后者指示了一個典型的峰期后減壓變質(zhì)反應(yīng):Grt+Qtz→Opx2+Pl+Mt。

3 超高溫變質(zhì)條件與變質(zhì)P-T軌跡

關(guān)于茹爾群島超高溫麻粒巖的變質(zhì)P-T軌跡,迄今為止,不同研究者給出了具有不同超高溫峰期條件、峰期前及峰期后演化歷史、不同形式的順時針變質(zhì)P-T軌跡 (圖4)。例如,Harley and Fitzsimons(1991)最初報道了梅瑟半島具有非常高溫變質(zhì)條件的含假藍寶石變泥質(zhì)麻粒巖殘留體,其峰期變質(zhì)條件為1.0～1.2 GPa和1000～1050 ℃,并具有峰期后高溫和中溫后兩次減壓的P-T演化過程 (圖4; Harley and Fitzsimons, 1991)。 之 后,Harley(1998b)在石榴子石變斑晶中斜方輝石包裹體的保留的成分環(huán)帶得出超高溫峰期前具有一個進變質(zhì)階段的升溫升壓的過程,整體具有一個峰期后等溫減壓的順時針P-T演化軌跡(圖4)。但是,Kelsey et al.(2003)的研究則認為峰期超高溫變質(zhì)條件沒有那么高,只達到了950～970 ℃和1.0～1.1 GPa,并具有一個簡單的峰期后減壓冷卻的P-T演化軌跡(圖4)。然而,Tong and Wilson(2006)通過對含假藍寶石變泥質(zhì)麻粒巖、石榴矽線變泥質(zhì)片麻巖及含石榴子石鎂鐵質(zhì)麻粒巖的詳細的野外和室內(nèi)巖相學研究,發(fā)現(xiàn)超高溫變質(zhì)峰期前存在早期進變質(zhì)階段的藍晶石假象、包裹體以及峰期形成的粗粒的假藍寶石礦物,認為峰期前進變質(zhì)階段的升溫升壓發(fā)生在藍晶石穩(wěn)定域,具有峰期溫壓條件1.2 GPa和960～970 ℃及峰期后溫壓條件1.0 GPa和1000 ℃,經(jīng)歷了一個先減壓加熱再減壓冷卻的順時針P-T演化軌跡(圖4)。而Kelsey et al.(2007)的進一步研究仍然認為峰期條件為950 ℃和1.0 GPa,但是具有一個由進變質(zhì)階段升溫升壓、峰期后減壓冷卻組成的緊閉的發(fā)卡型的順時針P-T演化軌跡(圖4)。另外,Harley et al.(2009)對托克勒島新發(fā)現(xiàn)的含假藍寶石和石英的超高溫泥質(zhì)麻粒巖的初步研究結(jié)果顯示,峰期超高溫變質(zhì)條件為1.3～1.4 GPa和～1000 ℃,其中石榴子石里的藍晶石假象指示峰期前進變質(zhì)階段位于藍晶石穩(wěn)定域,因此,Harley (2016)修改了其之前的P-T軌跡,認為進變質(zhì)階段的升溫升壓最初從矽線石穩(wěn)定域進入藍晶石穩(wěn)定域,之后在超高溫階段又進入矽線石穩(wěn)定域(圖4)。而最近,Clark et al.(2019) 對蘭尼島不含假藍寶石超高溫變泥質(zhì)麻粒巖的研究結(jié)果顯示,其峰期變質(zhì)條件為0.9 GPa和910～950 ℃,并具有一個先等壓加熱后等溫減壓再等壓冷卻的順時針P-T演化軌跡(圖4)。

4 超高溫變質(zhì)事件發(fā)生的時間和構(gòu)造背景

對茹爾群島的超高溫麻粒巖變質(zhì)作用發(fā)生的時間及其大地構(gòu)造背景的認識一直存在較大分歧。例如,茹爾群島和普里茲灣沿岸其他露頭最早一起被認為是屬于東南極幾個太古宙陸核(如納皮爾雜巖、西福爾丘陵及南查爾斯王子山(southern Prince Charles Mountains))之間廣泛的晚元古代格林維爾期高級活動帶的一部分 (Sheraton et al., 1984; Black et al., 1987; Fitzsimons and Harley, 1991; Tingey, 1991)。茹爾群島麻粒巖峰期后減壓的變質(zhì)P-T軌跡反映了晚元古代(～1000 Ma)增厚地殼伸展垮塌的構(gòu)造過程(Harley, 1988)。同一時期,Harley and Fitzsimons(1991)報道了梅瑟半島含假藍寶石變泥質(zhì)麻粒巖殘留體,并推其經(jīng)歷的非常高溫條件的構(gòu)造變質(zhì)事件可能發(fā)生于中元古代之前更早的新太古代時期。

之后,廣泛的構(gòu)造-變質(zhì)和年代學研究顯示了拉斯曼丘陵和普里茲灣沿岸其他露頭的大部分高級構(gòu)造作用和變質(zhì)作用是發(fā)生于早古生代的泛非期 (～530 Ma) (Ren et al., 1992; 趙越等, 1993; Dirks et al., 1993; Zhao et al., 1995; 劉小漢等, 1995; Dirks and Wilson, 1995; Hensen and Zhou, 1995; Carson et al., 1996; Carson et al., 1997; Fitzsimons et al., 1997),而這導致了對茹爾群島超高溫麻粒巖的重新研究。例如,Hensen and Zhou(1997)認為太古宙巖石缺乏～1000 Ma事件的記錄,他們和Sims and Wilson(1997)均認為該區(qū)超高溫變質(zhì)事件可能發(fā)生于早古生代泛非事件期間,并與岡瓦納大陸聚合有關(guān)。而Harley(1998b)對該區(qū)超高溫麻粒巖的進一步研究認為,超高溫變質(zhì)事件既可能發(fā)生于新太古代,也可能是晚元古代(～1000 Ma)或早古生代(～530 Ma),其變質(zhì)P-T歷史是不清楚的。Kelsey et al.(2003) 則根據(jù)超高溫麻粒巖變質(zhì)P-T軌跡的研究,認為之前的增厚地殼伸展垮塌的構(gòu)造模型需要修改,并推測該區(qū)所有麻粒巖相變質(zhì)作用可能發(fā)生于早古生代泛非期。

然而,Tong and Wilson(2006)通過研究發(fā)現(xiàn),該區(qū)超高溫峰期前存在早期進變質(zhì)階段高壓藍晶石礦物殘留體,通過詳細區(qū)域?qū)Ρ日J為早期進變質(zhì)階段及峰期超高溫變質(zhì)事件應(yīng)發(fā)生于晚元古代的格林維爾事件(～1000 Ma)期間,并可能與晚元古代的碰撞造山和高溫弧巖漿作用有關(guān),而疊加的中溫中壓變質(zhì)事件應(yīng)發(fā)生于早古生代泛非期(～530 Ma)。之后,Wang et al. (2007) 從超高溫含假藍寶石麻粒巖里鋯石的幔部獲得的格林維爾期鋯石U-Pb年齡為～995 Ma,與鋯石邊部獲得的泛非期年齡(～530 Ma)進一步支持了該看法。與此同時,Kelsey et al.(2007)對梅瑟超高溫變質(zhì)副片麻巖和費拉副片麻巖進行了獨居石Th-Pb定年,從前者沒有獲得格林維爾期年齡數(shù)據(jù),于是認為超高溫變質(zhì)事件仍然發(fā)生于早古生代(540～520 Ma);從后者獲得了兩期變質(zhì)年齡數(shù)據(jù),則認為后者經(jīng)歷了兩期構(gòu)造變質(zhì)事件。但與此同時,Wilson et al.(2007) 通過單礦物Ar-Ar年齡研究,認為該區(qū)及普里茲帶早古生代高級構(gòu)造變質(zhì)事件代表了一期廣泛的板內(nèi)造山和陸內(nèi)剪切帶的發(fā)育。另外,Harley et al.(2009)對托克勒島(Torckler Island)發(fā)現(xiàn)的超高溫含假藍寶石麻粒巖中的獨居石進行了EPMA定年,認為茹爾群島超高溫變質(zhì)事件可能發(fā)生于～590 Ma期間,早于普里茲帶早古生代高級變質(zhì)事件的時間(～530 Ma)。Hokada et al.(2016)對梅瑟超高溫變質(zhì)副片麻巖又進行了鋯石和獨居石的U-Th-Pb年齡測定,盡管獲得了幾個900～700 Ma的鋯石年齡,但也認為由于太古宙圍巖沒有晚元古代～1000 Ma事件記錄,該區(qū)超高溫變質(zhì)事件可能發(fā)生于590～580 Ma期間。最近,Clark et al.(2019)對不含假藍寶石的超高溫麻粒巖中的鋯石和獨居石也進行了U-Pb年齡測定,獲得了514 Ma的年齡結(jié)果,認為其偏年輕可能是受到了超高溫事件影響,且超高溫變質(zhì)事件可能發(fā)生于早古生代普里茲構(gòu)造事件(～530 Ma)期間。

5 總結(jié)和認識

綜上所述,位于東南極普里茲帶東部邊緣的茹爾群島是一個不同于西福爾丘陵的、典型的、多期變質(zhì)的復合高級地體(茹爾地體),經(jīng)歷了新太古代、晚元古代格林維爾(～1000 Ma) (茹爾構(gòu)造事件)和早古生代泛非(～530 Ma) (普里茲構(gòu)造事件)多期變質(zhì)作用 (Harley and Kelly, 2007)。茹爾群島超高溫麻粒巖(梅瑟副片麻巖)保留了一系列進變質(zhì)、峰期超高溫變質(zhì)、峰期后減壓和冷卻等多階段礦物組合與反應(yīng)結(jié)構(gòu)(Harley, 1998b; Tong and Wilson, 2006; Kelsey et al., 2007)。至目前,不同研究者得出了不同的超高溫峰期變質(zhì)P-T條件、不同的峰期前和峰期后演化過程的變質(zhì)P-T軌跡。對超高溫變質(zhì)事件發(fā)生的時間及構(gòu)造背景的認識也存在較大分歧,一種觀點認為茹爾群島超高溫麻粒巖變質(zhì)事件發(fā)生于泛非期 (～530 Ma或～590 Ma; Kelsey et al., 2007; Harley et al., 2009; Hokada et al., 2016; Clark et al., 2019),并且只經(jīng)歷了一個單一的泛非期與碰撞構(gòu)造有關(guān)的P-T軌跡。另一種觀點則認為,茹爾群島超高溫含假藍寶石變泥質(zhì)麻粒巖和鎂鐵質(zhì)麻粒巖的變質(zhì)P-T演化軌跡由兩個高級構(gòu)造變質(zhì)事件組成,進變質(zhì)到超高溫階段可能與早期格林維爾期(～1000 Ma)碰撞造山及弧巖漿作用有關(guān),而疊加的中溫中壓退變質(zhì)階段應(yīng)反映了早古生代泛非期(～530 Ma)高級構(gòu)造變質(zhì)事件 (Tong and Wilson, 2006; Wang et al., 2007)。

另外,茹爾群島具有中元古代原巖年齡的富鐵鋁的費拉副片麻巖和具有太古宙原巖年齡的富鎂鋁的梅瑟副片麻巖,二者被認為經(jīng)歷了相似的超高溫變質(zhì)P-T軌跡 (Kelsey et al., 2003; Tong and Wilson, 2006)。獨居石年齡指示前者經(jīng)歷了晚元古代格林維爾期(～1000 Ma)和早古生代泛非期(～530 Ma)兩期構(gòu)造變質(zhì)事件(Harley, 2003; Kelsey et al., 2007)。而近年來的研究顯示,在茹爾群島東面相鄰的新太古代西福爾丘陵,中元古代侵入的鎂鐵質(zhì)巖墻在早新元古代(960～940Ma)經(jīng)歷了麻粒巖相高級構(gòu)造變質(zhì)事件,證明部分新太古代西福爾丘陵也卷入了格林維爾期高級構(gòu)造變質(zhì)事件(Liu et al., 2014)。這說明西福爾丘陵和茹爾地體都經(jīng)歷了格林維爾期高級構(gòu)造變質(zhì)事件。然而到目前,太古宙巖石中似乎沒有明確的格林維爾期的年齡記錄 (Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998; Hokada et al., 2016),只有含假藍寶石超高溫麻粒巖中鋯石幔部有該期的年齡記錄 (Wang et al., 2007)。

因此,盡管目前取得不少進展,茹爾群島超高溫變質(zhì)事件發(fā)生的時間、超高溫麻粒巖的變質(zhì)P-T演化軌跡及其大地構(gòu)造背景仍一直存在很大爭議。茹爾群島位于中國中山站所處的拉斯曼丘陵以東約100km處,是國際上研究超高溫麻粒巖及其大地構(gòu)造背景的理想天然實驗室。所以,為理清該區(qū)超高溫麻粒巖的變質(zhì)演化歷史和構(gòu)造背景,需要對其進一步進行詳細深入的野外地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系、室內(nèi)礦物組合-變質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、P-T軌跡重建及高精度鋯石-獨居石U-Pb年代學研究,并進行區(qū)域上對比。例如,該區(qū)含假藍寶石等超高溫麻粒巖和太古代圍巖片麻巖是否經(jīng)歷了格林維爾期(～1000 Ma)的構(gòu)造變質(zhì)事件?超高溫麻粒巖中獨居石記錄的年齡(590～580 Ma)是反映一個更早的不同于普里茲構(gòu)造事件(～530 Ma)的獨立事件,還是屬于普里茲造山事件的一部分?茹爾群島含石榴石子鎂鐵質(zhì)麻粒巖的超高溫變質(zhì)作用是否可以和姊妹島 (S?strene Island) 和拉斯曼丘陵含石榴石子鎂鐵質(zhì)麻粒巖記錄的峰期超高溫變質(zhì)作用進行對比 (Thost et al., 1991; Tong et al., 2019)?這些科學問題對認識和理解普里茲帶東部邊緣的構(gòu)造性質(zhì)、該區(qū)超高溫麻粒巖完整的變質(zhì)P-T演化歷史、羅迪尼亞和岡瓦納超大陸的形成以及聚合過程具有極其重要的科學意義。

致謝:感謝國家海洋局極地考察辦公室和中國極地研究中心在第27次和第33次南極考察期間給與的后勤支持和保障。感謝特邀主編劉曉春研究員盛情邀約撰寫本文。感謝任留東研究員和王偉研究員的仔細審閱和建設(shè)性的修改意見。