東南極拉斯曼丘陵長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的深熔作用與鐵鈦氧化物的聚集機(jī)制

任留東

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037

在水分較為缺乏的高角閃巖相-麻粒巖相變質(zhì)條件下的深熔作用(亦稱部分熔融作用)中,大量出現(xiàn)淺色體條帶或團(tuán)塊,往往與之相伴的是非均勻分布的鐵鈦氧化物(如磁鐵礦、鐵鈦礦和赤鐵礦等)、矽線石(偶爾伴隨有尖晶石、剛玉等)(任留東等,2009),甚至堇青石(偶爾出現(xiàn)假藍(lán)寶石)(仝來喜等,1996)等變質(zhì)礦物的集中。由于這些巖石的成分較為特殊,人們往往根據(jù)變質(zhì)作用的封閉體系或礦物的化學(xué)性質(zhì),反推這些巖石原巖本身富鐵、富鎂,如富鎂泥質(zhì)巖(Harley, 2008;Grew et al., 2013)。對(duì)東南極拉斯曼丘陵地區(qū)——中國南極中山站所在地——變質(zhì)巖研究發(fā)現(xiàn),在高級(jí)變質(zhì)作用條件下,由于強(qiáng)烈的深熔作用,體系很難保持組分的封閉性,會(huì)發(fā)生一系列的組分調(diào)整,本次研究將重點(diǎn)討論高級(jí)變質(zhì)作用中這些鐵鈦氧化物的形成過程。

1 區(qū)域地質(zhì)

拉斯曼丘陵位于東南極普里茲灣地區(qū),該區(qū)主要由兩套巖類組成,一套是復(fù)合片麻巖雜巖,包括鎂鐵質(zhì)麻粒巖和長(zhǎng)英質(zhì)正片麻巖;另一套是變沉積巖序列,主要產(chǎn)出含石墨的矽線石榴片麻巖、長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖以及極少量的鈣硅酸鹽巖,間夾(角閃)二輝麻粒巖、輝石黑云斜長(zhǎng)片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖和少量的花崗質(zhì)片麻巖等(Stüwe et al., 1989)。變形作用分出3期,早期(D1) 由格林維爾期的地殼增厚而成,泛非期的壓剪(D2)和隨后的伸展變形(D3)造成了該區(qū)高應(yīng)變帶的形成(仝來喜等,2012),與D2基本同時(shí)的變質(zhì)峰期之后深熔作用強(qiáng)烈發(fā)育,并形成相當(dāng)數(shù)量的偉晶巖脈、混合巖和含榴花崗巖,局部為正長(zhǎng)花崗斑巖、二長(zhǎng)花崗巖,與之有關(guān)的變質(zhì)事件發(fā)生于泛非期 (Ren et al., 1992;Zhao et al., 1992;Carson et al., 1996;Liu et al., 2013)。

2 鐵鈦氧化物的產(chǎn)狀

拉斯曼丘陵的長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖中常見富鐵鈦氧化物集合體,中國中山站區(qū)附近的進(jìn)步花崗巖(正長(zhǎng)花崗巖)西側(cè)尤其豐富(圖1a)。鐵鈦氧化物集合體野外多呈深灰色、黑色,不規(guī)則、不均勻的透鏡狀或團(tuán)塊狀(圖1b—1d),可大可小,自1～2 cm至數(shù)米均可見;富含磁鐵礦、赤鐵礦、鐵鈦礦等鐵鈦氧化物(表1),可含有一定的矽線石、石榴子石和堇青石及偉晶巖(圖2)。富鐵鈦氧化物片麻巖中石榴子石往往較少甚至缺失。

表1 拉斯曼丘陵赤鐵-鈦鐵礦及相關(guān)礦物的電子探針成分分析Table 1 Microprobe composition of Fe-Ti oxides and related minerals in the Larsemann Hills

含鐵鈦氧化物的巖石多呈非均一結(jié)構(gòu),其產(chǎn)出可伴隨Sil-Grt-Mgt-Crd透鏡(圖3a—3c),常與富黑云母片麻理、偉晶巖或淺色體密切相伴(圖2a、2b,圖3d)。含榴淺色體及鐵鈦氧化物受控但不限于片麻理(圖2c—2e)。淺色體可呈近偉晶質(zhì)的粗粒石英、長(zhǎng)石,并伴隨鐵鈦氧化物集合體(圖2a、2b、2e,圖3e、3f),一起呈雁列狀排列(圖1c)。

野外可見鐵鈦氧化物由黑云(石英)斜長(zhǎng)片麻巖轉(zhuǎn)化而來(圖1c,圖2e),含矽線黑云片麻巖可以轉(zhuǎn)化為淺色體或淺色巖石,在偉晶巖中可包裹早期不定向的Sil、Spl及Sil±Op細(xì)脈(沿片麻理方向),Sil-Bt與Op-Kfs(鉀長(zhǎng)石)-Qtz脈可以分離,含榴偉晶巖脈中有矽線石的形成,出現(xiàn)于淺色體(脈)或偉晶巖的邊部,表明矽線石可能是淺色體或偉晶巖的初期產(chǎn)物,鐵鈦氧化物見于淺色體邊部、中部(圖3e);石榴子石主要形成于淺色體的中部(圖2c、2d,圖3e,圖4a),可能對(duì)應(yīng)峰期變質(zhì),與之不同的是堇青石形成于(原地)邊部或圍巖混合花崗質(zhì)片麻巖中(圖3c),從而有Sil→Op→Grt→Peg(偉晶巖)→Crd的形成順序(圖3b、3e,圖4b)。

圖1 拉斯曼丘陵鐵鈦氧化物的野外宏觀產(chǎn)狀Fig.1 Mesoscopic occurrence of the Fe-Ti oxides in the Larsemann Hills(a) Fe-Ti oxide minerals abundant in Mirror Peninsula, Larsemann Hills; (b) Irregular patches of Fe-Ti oxides within the leucocratic granite; (c) En echelon Fe-Ti oxides and leucosomes; (d) Fe-Ti oxide minerals interlayered with leucosomes Op-opaque mineral

圖2 拉斯曼丘陵與鐵鈦氧化物有關(guān)的巖石結(jié)構(gòu)和礦物Fig.2 Minerals related to the Fe-Ti oxides in the Larsemann Hills(a) Fe-Ti oxides with adjacent pegmatite; (b) Fe-Ti oxide and biotite-rich band with pegmatitic leucosome; (c) In situ anatexis with garnet-bearing leucosome patch; (d) Irregular garnet-bearing leucosome; (e) Fe-Ti oxide band with granitic lens; (f) Crd-Qtz emplaced between boudin fissure and nearby leucosome patch Crd-cordierite;Qtz-quartz

圖4 與鐵鈦氧化物有關(guān)的顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microscopic textures with Fe-Ti oxides(a) Sillimanite partially transformed into cordierite and spinel; (b) Spinel and cordierite in the sillimanite gneiss; (c) Fe-Ti oxides and corundum; (d) The successive magnetite, spinel and biotite; (e) Sulphides accompanying the Fe-Ti oxides and sillimanite; (f) Garnet rim retrograded to spinel and quartz. a, b, d, f-plane polarized in transmitted light; c, e-plane polarized in reflection light.Spl-spinel; Crn-corundum; Hem-hematite; Ilm-ilmenite; Mgt-magnetite; Sulphide-sulfide; Abbreviations for other minerals are shown in Fig.2 and Fig.3

3 變質(zhì)、深熔作用中的水分含量變化

拉斯曼丘陵高級(jí)變質(zhì)巖系中深熔作用強(qiáng)烈發(fā)育。在水不飽和的深熔作用體系中,內(nèi)部不同部位之間水含量有差別,即水分的空間轉(zhuǎn)移,而這種轉(zhuǎn)移可以是升溫脫水,亦可有其他方式,即水在“熔體”和礦物之間的轉(zhuǎn)換。深熔作用中,水和揮發(fā)分同為“熔體”的組成部分,且水可優(yōu)先進(jìn)入 “熔體”(Thompson, 1983; Vielzeuf and Holloway, 1988)。因此,在水分含量總體較低的深熔作用過程中,水分基本被“熔體”吸收,使得體系中其他部位水分含量顯著降低,這種差異性失水很大程度上屬于物理脫水或滲透式失水,而體系整體失水并不明顯,如在淺色體中既可有鐵鈦氧化物亦可有一定量的黑云母存在,局部甚至有富黑云母集合體(圖3d),并伴有石英、斜長(zhǎng)石的分別聚集。含石榴子石的淺色體基本無黑云母,則可能屬于化學(xué)脫水:體系升溫過程中的脫水作用,主要伴隨鉀長(zhǎng)石和石英的形成。不論何種方式,水遷移的同時(shí)結(jié)合并遷出一定量的硅質(zhì)組分,形成近飽和的少量“熔體”,而剩余組分相對(duì)富Al2O3及其他鐵鈦組成,少部分殘留形成Al、Fe、Si等鐵鈦氧化物、矽線石;硅質(zhì)組分的遷出或“熔體”的萃取導(dǎo)致剩余(殘留)組分硅不飽和,可出現(xiàn)剛玉等礦物(圖4c)。

體系不同部位經(jīng)歷了多次的水分遷出、遷入過程,從而有階段性的礦物組合(Pl—斜長(zhǎng)石;Opx—斜方輝石;Dis—一水硬鋁石):

Sil-Crn-Op→Bt-Pl-Qtz→Grt-Opx-Kfs→Crd-Spl→Sil±Dis-Bt

構(gòu)造分異 第一次水化 干化 第二次水化(退變)

其中,第一次水化是構(gòu)造調(diào)整過程中的局部富水,之后為早期的“干化”(相當(dāng)于峰期變質(zhì)),如石榴子石、斜方輝石形成;不同階段的黑云母結(jié)構(gòu)、成分有所差別;晚期的水化形成一水硬鋁石及黑云母。這些過程中,水在“熔體”和基質(zhì)中的轉(zhuǎn)換很可能以自由水的形式發(fā)生滲透式遷移,最終體現(xiàn)為含水礦物(如黑云母)的結(jié)晶。

拉斯曼丘陵長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖中矽線石的形成,是富含揮發(fā)分組分的溶液或“熔體”快速遷移、丟失揮發(fā)分的結(jié)果,此時(shí)處于深熔作用的初期,即(升溫)脫水階段?？赡苡捎趹?yīng)力的作用,導(dǎo)致裂隙形成、“熔體”因壓力突然降低導(dǎo)致失穩(wěn)脫水,出現(xiàn)一些類似淬火結(jié)構(gòu)的毛發(fā)狀矽線石(fibrolite)集合體殘留物,并于矽線石邊緣或中部伴以鐵鈦氧化物(圖4b),即在矽線石形成的同時(shí)形成(鎂)鐵鈦氧化物(磁鐵礦-鐵鈦礦-赤鐵礦±尖晶石±剛玉),之后才出現(xiàn)其他的鎂鐵質(zhì)礦物(黑云母-石榴子石-堇青石)和長(zhǎng)英質(zhì)礦物(鉀長(zhǎng)石-斜長(zhǎng)石-白云母-石英)等,大量的巖相結(jié)構(gòu)證明,盡管石榴子石可能在進(jìn)變質(zhì)階段開始結(jié)晶,但是其主要的形成階段為變質(zhì)峰期(Grt+Kfs±Opx)的脫水階段。

研究區(qū)堇青石的出現(xiàn)則意味著開始進(jìn)入了降溫階段(仝來喜等, 1997)。局部“熔體”結(jié)晶形成淺色體和局部脫水(圖2c、2d,圖3d),或熔體結(jié)晶過程中組分可局部富集,如MgO(FeO)的集中形成堇青石,并釋放出揮發(fā)分,造成揮發(fā)分回流和重新集中,形成黑云母,如堇青石旁的粗粒黑云母。盡管這里經(jīng)歷了多次局部脫水階段,但整體上并沒有明顯的脫水過程,甚至開始了水化過程,如堇青石周邊的類似水漬(?)結(jié)構(gòu)(邊緣塊云母),反映了深熔作用晚期冷卻、水分局部集中的現(xiàn)象。

黑云母的重新形成則代表了進(jìn)一步降溫過程中的水化晚期階段,即第二次水化,屬于降溫冷卻過程(Mgt→Bt+Qtz,Ilm→Bt),即金屬氧化物集合體邊緣出現(xiàn)黑云母等含水礦物,有時(shí)伴隨矽線石(圖4d)。

4 關(guān)于深熔作用及“熔體”

拉斯曼丘陵長(zhǎng)英質(zhì)巖石中礦物的先后出現(xiàn)是變質(zhì)、深熔不同階段的產(chǎn)物,淺色體中相對(duì)粗粒、自形的石榴子石、偶爾半自形的斜長(zhǎng)石,表明淺色體形成過程中有一定的自由空間,而不是純固相結(jié)晶,可能相當(dāng)于深熔作用中的轉(zhuǎn)熔現(xiàn)象:石榴子石及一些鐵鈦氧化物(磁鐵礦+鐵鈦礦±矽線石±石榴子石+堇青石) (圖3b、3e)屬于轉(zhuǎn)熔而成的包晶,類似熔體部分結(jié)晶形成淺色體,即鐵鈦氧化物的形成與無水深熔殘余有關(guān)。

深熔淺色體組成不固定,常以石英為主,可有一種或兩種長(zhǎng)石,偶見石榴子石甚至不透明金屬氧化物。露頭上還有這樣的情況:變質(zhì)巖原位轉(zhuǎn)化為淺色體,即經(jīng)歷了 “全熔”。 “全熔”可以局限于片麻理的某一段(圖2c、2d),但未能流動(dòng)或遷移,形成“準(zhǔn)熔體” (meta-melt),即原巖中的幾乎全部礦物進(jìn)入熔體(或塑性體)狀態(tài),部分熔融形成的熔體與尚未熔融的固相殘留物交織在一起,未能形成真正的熔體,只是有部分組分相對(duì)集中到一起,其成分、物理性質(zhì)與熔體迥然不同。“全熔體”極難或不能遷移,不具有熔體的流動(dòng)性;多數(shù)的淺色體并不具有低共結(jié)礦物組成(給定溫壓條件下的特定比例的Kfs-Ab-Qtz組合;其中Ab—鈉長(zhǎng)石)、淺色體中的鋯石沒有振蕩環(huán)帶,即沒有經(jīng)歷真正的巖漿狀態(tài)。因此,淺色體的結(jié)構(gòu)和礦物組成均不支持其曾有巖漿過程,淺色體前身沒有達(dá)到真正的熔融程度,不是真正的巖漿結(jié)晶形成。包含石榴子石(或磁鐵礦)的淺色體團(tuán)塊更是如此。類似的情形也發(fā)生在內(nèi)蒙古大青山石榴混合花崗質(zhì)巖石中,其形成與深熔作用及隨后熔體與殘留體的逐漸分離有關(guān),殘留礦物相成分富鎂鐵質(zhì)(宋海峰等,2005)。

無水巖石體系的熔點(diǎn)很高,一般的變質(zhì)溫度下無法熔融(魏春景等,2021);當(dāng)體系中具有少量水分時(shí),可局部出現(xiàn)初始熔融團(tuán)塊,但難以形成真正的熔體,形成的“熔體”黏度較大且不容易遷移,形成近原地結(jié)晶的淺色體條帶或“無根”淺色團(tuán)塊,更像是分異作用。即體系中水含量較低(不飽和)情況下,深熔作用可導(dǎo)致二相分離:(準(zhǔn))熔體當(dāng)作一個(gè)相,而殘留物是一個(gè)固體相(組成可以不固定),二相分離導(dǎo)致淺色體、富鋁鐵組分和組合的形成(圖3c、3d),即深熔作用具有顯著的“分異作用”效果,有微團(tuán)狀的(準(zhǔn))熔體,也有轉(zhuǎn)熔固相礦物。這種過程介于固相和熔融之間的狀態(tài),其間有(準(zhǔn))熔體的遷移,更有活動(dòng)性組分、揮發(fā)分組分的遷移和局部富集,但體系中的揮發(fā)分并沒有逸失(如脫水),而是仍舊保留在體系中,只是保存的方式或位置不斷調(diào)整或轉(zhuǎn)換。

深熔“準(zhǔn)熔體”的穩(wěn)定性、遷移性往往較差,條件稍有變化,很容易分解、沉淀(結(jié)晶)。通常的表現(xiàn)就是含水礦物(黑云母)的分解,形成“全熔體”,水和揮發(fā)分優(yōu)先進(jìn)入類熔體部分,先形成 “準(zhǔn)熔體”,并可有一定的聚集 (圖2a、2b)。在降壓抬升或冷卻過程中,降壓使得熔融(點(diǎn))溫度升高,促使揮發(fā)分更易逸失,這種去揮發(fā)分繼而加劇了熔融(點(diǎn))溫度的上升。其結(jié)果是,深熔作用形成的非低共熔組分發(fā)生解體,把硅、鋁質(zhì)組分均“卸載”而滯留下來,形成殘留體及矽線石團(tuán)塊或矽線石-石英球,甚至石榴子石、堇青石等(圖3c、3d),其中少、無揮發(fā)分。原巖轉(zhuǎn)化為淺色體(非熔體)的過程,伴隨著巖石結(jié)構(gòu)和礦物組成、化學(xué)成分上的變化,特別是活動(dòng)性或揮發(fā)分組分容易遷出,使得巖石不均勻。

另外,較深層次的深熔體系水較少,難以形成典型的含水花崗巖,只能形成較小的花崗巖體,且其中的巖漿結(jié)構(gòu)(Vernon and Collins, 1988)并不典型,如拉斯曼丘陵516～514 Ma正長(zhǎng)花崗巖(Carson et al., 1996)、內(nèi)蒙大青山的(粗粒含榴)花崗巖(宋海峰等,2005;吳新偉等,2013)。

熔體或易遷移組分優(yōu)先向低壓(裂隙)部位遷移,且遷移較遠(yuǎn)。一旦揮發(fā)分被轉(zhuǎn)移并集中,如果水含量足夠高(飽和或過飽和),部分熔融形成的熔體能夠在一個(gè)特定部位聚集,形成一個(gè)熔體集中、甚至真正的熔體,或高溫形成真正的熔體團(tuán)塊,呈網(wǎng)脈狀相連形成巖漿熔體,可以出現(xiàn)較大規(guī)模的普通花崗巖,如拉斯曼丘陵以東偏南6 km的Dalkoy島上產(chǎn)出的501±11 Ma二長(zhǎng)花崗巖(Wang et al., 2008)。

5 深熔作用與偉晶巖

如前所述,拉斯曼丘陵長(zhǎng)英質(zhì)巖石深熔作用過程中,流體揮發(fā)分容易向(水不飽和)類熔體集中,其原地、半原地結(jié)晶形成淺色體或偉晶質(zhì)脈體。偉晶巖的形成與矽線石的形成有密切聯(lián)系,矽線石代表 “熔體”生成之處,而偉晶巖則是“熔體”就位、結(jié)晶的位置。

淺色體的形成伴隨著組分的遷移變化,先是較富足的惰性組分的結(jié)晶,隨著結(jié)晶作用的不斷進(jìn)行,原先含量較低的一些(活動(dòng))組分逐漸遷移、富集,并開始結(jié)晶;作為一個(gè)熱異常體,其外圍溫度較低的邊緣先結(jié)晶,或者出現(xiàn)較多的偉晶巖、與片麻理平行的花崗巖脈,進(jìn)而平行或切割片麻理的花崗巖體形成,如正長(zhǎng)花崗巖(Zhao et al., 1992;Carson et al., 1996)?；◢弾r的圍巖中出現(xiàn)了較多的堇青石等(圖3c),即“藍(lán)色片麻巖”(Stüwe et al., 1989),這樣就形成了一個(gè)封閉性的邊緣或“外殼”,實(shí)質(zhì)性阻礙了熱流、組分(尤其是后者)的遷移,即變成一個(gè)封閉體系,造成一些活動(dòng)性組分、揮發(fā)性組分的集中。一些偉晶巖周圍可產(chǎn)出較多的堇青石 (Dirks et al., 1993),說明堇青石的結(jié)晶與偉晶巖有關(guān),某種意義上說堇青石相當(dāng)于蝕變(帶)產(chǎn)物,在(準(zhǔn))巖漿開始結(jié)晶時(shí)相關(guān)組分釋放出來,現(xiàn)在看到的偉晶巖礦物組成只是最后保留下來的產(chǎn)物。

淺色體的前身(類熔體)揮發(fā)分含量較高,使淺色體有相當(dāng)程度的活動(dòng)性從而有一定的遷移,沿特定裂隙聚集即可形成偉晶巖,如偉晶質(zhì)的輝石、石榴子石。因此,這類偉晶巖的形成應(yīng)與深熔作用有關(guān)(Robles et al., 1999),即偉晶巖形成于巖漿之前的深熔作用階段,而不是巖漿晚期由于分異作用形成。

6 深熔作用中的組分分異

深熔作用中,與水等揮發(fā)分組分的含量變化相對(duì)應(yīng),其他組分也有相應(yīng)的活動(dòng)變化。有限尺度封閉體系下的深熔、隆升,造成組分分異和鐵鈦氧化物的聚集,揮發(fā)分不飽和狀態(tài)下的深熔作用、組分遷移范圍有限,從而保存了組分分異的各階段礦物組成。

6.1 鋁鐵殘留

隨著深熔作用的進(jìn)行,體系出現(xiàn)了組分的分異,體系對(duì)水和K2O、Na2O和MgO(部分)活動(dòng)組分開放,形成一些富含K、Na和Ca組分的硅質(zhì)淺色體,這些接近熔體狀態(tài)的物質(zhì)優(yōu)先吸收了有限的水分,造成剩余主要組分的順序結(jié)晶:伴隨組分MgO(FeO)的遷移,Fe2O3的遷移要差一些,形成磁鐵礦;Al2O3、FeO和 TiO2形成矽線石和不透明鐵鈦氧化物,如赤鐵礦-鈦鐵礦-磁鐵礦聚片結(jié)構(gòu)(圖4c)。這些組分的聚集相當(dāng)于變質(zhì)作用過程中的惰性組分滯留;前期可有富鋁過程(Sil±Op±Crn),富鋁的同時(shí),多富SiO2,亦可貧SiO2形成剛玉等(Riesco et al., 2004),顯然,這些礦物的形成并非原巖富鐵鈦和鋁組分所致。

另外,矽線石的形成亦與分異作用有關(guān),組分分解(分異)為兩種極端:惰性組分與活性組分,其中惰性組分包括Sil-Mgt-Ilm,矽線石可出現(xiàn)于裂隙中,多數(shù)情況下,矽線石呈相對(duì)富集的片(麻)理,并表現(xiàn)為“斷層”:其兩側(cè)的礦物顆?；静贿B續(xù)。矽線石形成于淺色體(脈)的(邊部)初期(Sil→Kfs→Crd),其中鉀長(zhǎng)石(Kfs)顯微脈體礦物中可包裹矽線石,且該脈中的矽線石除平行脈壁排列外,可呈任意方向延伸,說明矽線石的定向與類似流體物質(zhì)的流動(dòng)有關(guān),而不是應(yīng)力下的變形定向。換言之,體系中矽線石集中的“面理”反映了微觀尺度的破裂、斷裂,甚至剪切帶,并伴隨某種臨界狀態(tài)下的差異性抬升,而不是簡(jiǎn)單的泥質(zhì)巖原巖富鋁而成。

組分分異過程中,MgO和FeO之間亦有分化。少量可遷移的鐵組分以Fe2+為主,如主要的含鐵礦物黑云母;殘留體則以Fe3+為主,至少二者相當(dāng)(形成Mgt或Hem-Ilm)。伴隨著富Al-Si±Fe殘余組分與其他(Mg±Fe-Ca-K-Na)組分的分異過程,殘留硅、鐵組分析出矽線石和鐵鈦氧化物。作為殘留體的一部分,鋯石、獨(dú)居石、甚至硫化物可與鐵鈦氧化物一起形成(圖4e),并與矽線石伴生。當(dāng)類熔體結(jié)晶殆盡,原先的活動(dòng)組分淪為封閉體系之下的局部殘余,形成尖晶石、堇青石(圖3c),即Grt→Crd稍晚。

6.2 鎂組分富集

在深熔作用前期富Al2O3的基礎(chǔ)上,晚期逐漸富集MgO及揮發(fā)分,形成堇青石、甚至假藍(lán)寶石等富鎂礦物,類似H2O等揮發(fā)分的“回流”造成逆反應(yīng)發(fā)生,其中的MgO、K2O和H2O等組分亦可在熔體結(jié)晶晚期局部相對(duì)富集,結(jié)晶形成黑云母。

“全熔體”冷卻結(jié)晶或時(shí),伴隨H2O及MgO活性組分的逸出,隨著深熔作用的進(jìn)行,結(jié)晶礦物逐漸富鎂,即說明了MgO和FeO組分的活性差異。在鐵鈦氧化物之后出現(xiàn)石榴子石和長(zhǎng)石。隨著峰期這些無或貧MgO礦物的結(jié)晶,剩余MgO相對(duì)集中,如在拉斯曼丘陵中部島嶼可以形成紫蘇輝石,一定溫度下的水致深熔和分異,有利于分異作用的發(fā)生,形成豐富的淺色體(脈)。

一般來說,長(zhǎng)英質(zhì)巖石中MgO為少量或次要組分,假藍(lán)寶石、堇青石等富鎂礦物的出現(xiàn)可能是原巖富鎂造成(Harley, 2008)。但是,如同研究區(qū)表現(xiàn)的一樣,變質(zhì)—深熔作用過程中所經(jīng)歷的鎂富集過程同樣可以形成Grt、Opx、Crd和Bt等礦物,如最后MgO和H2O回流或局部富集形成堇青石等,或遷移至異地形成堇青石、黑云母等(圖2e、2f,圖3c、3d),因此,假藍(lán)寶石、堇青石之類礦物的形成,可能僅為深熔作用過程中的一種組分調(diào)整,而未必是原巖富鎂。一些高溫、超高溫變質(zhì)組合的形成亦可能具有類似的機(jī)制,不一定是所謂的富鎂泥質(zhì)巖所致。也就是說,長(zhǎng)英質(zhì)巖石中不同組分開放程度不同,體現(xiàn)在遷移組分的差別上。惰性組分遷移距離最短,往往形成殘留,滯留的礦物分別有鐵鈦氧化物、矽線石,即深熔初期的殘留或富集。組分CaO、MgO、K2O、Na2O和H2O則發(fā)生遷移(圖2c),尤其是MgO、H2O組分的遷移,且Mg(Fe)遷移稍遠(yuǎn)。隨著分異作用逐漸減弱,活動(dòng)性組分開始聚集形成石榴子石,此時(shí),分異程度稍弱,MgO部分遷出或FeO遷入,CaO、K2O、Na2O和H2O發(fā)生遷移。有堇青石時(shí)伴隨著MgO遷入,有黑云母時(shí)MgO、K2O和H2O遷入或不變:從早到晚,開放程度遞減。

鐵鈦氧化物被尖晶石、剛玉疊加(Op→Spl、Crn)表明了Mg、Fe、Al對(duì)Fe和Ti的置換,或Mg、Al對(duì)Ti的置換。而Sil→Spl+Crd則是Mg、Fe對(duì)Si的置換,或Mg、Fe對(duì)Si、Al的置換。在活動(dòng)性組分遷移過程中裹挾了少量的惰性組分,熱液失卻揮發(fā)分或伴隨P、B的結(jié)晶,偶見鐵鈦氧化物的形成。早期形成鐵鈦氧化物的環(huán)境與晚期Mg-Fe環(huán)境不一致,晚期發(fā)生各種可能的逆反應(yīng)(任留東,2005)及蝕變。且這種活動(dòng)多次或幕式發(fā)生,造成類熔體的多次侵位;或伴隨幕式活動(dòng)下的短暫冷卻、降壓過程,并出現(xiàn)或強(qiáng)或弱的流體揮發(fā)分活動(dòng)。

6.3 揮發(fā)分組分的集中

深熔作用中活動(dòng)組分除水(H2O)外,還包括B、F、Cl和P等揮發(fā)分。作為活動(dòng)組分的揮發(fā)分組分,可以有較長(zhǎng)距離的遷移,遷移越遠(yuǎn)越容易分散或富集。這些組分的分異、聚集形成硼硅酸鹽礦物組合,硅硼鎂鋁礦位于堇青石的內(nèi)部或界面上,受“MgO+揮發(fā)分”雙重控制。而硼柱晶石長(zhǎng)于巖性界面上,表明其生長(zhǎng)受揮發(fā)分控制。B和P組分不易溶于熔體,而很容易分異出來沿通道富集,但總體上對(duì)硅酸鹽熔融影響不大(任留東等,2021)。硅硼鎂鋁石的產(chǎn)出,結(jié)合含水礦物分解為“干”礦物組合,表明高級(jí)變質(zhì)作用及伴隨的深熔作用基本屬于封閉體系(其中Prs—堿柱晶石;Trn—電氣石)。

活動(dòng)性組成MgO等的遷移往往與揮發(fā)分相伴,伴隨揮發(fā)分凝結(jié)之后MgO結(jié)晶:揮發(fā)分可與MgO組分結(jié)合并一起遷移,揮發(fā)分的離解導(dǎo)致MgO沉淀。MgO、H2O組分同步遷移(Prs→Crd),Mg、Ca開始聚集,尤其是Mg,形成逐漸富鎂的礦物。之后,若伴有揮發(fā)分P、B、F和Cl等,則可穿插形成含這些組分的礦物,同時(shí)確定了事件順序。

7 構(gòu)造意義

地質(zhì)單元或巖石差異性(如底劈式)上升過程中,降壓(可能伴隨有一定的降溫)使得揮發(fā)分自體系或部分熔融(準(zhǔn))熔體中釋放出來,造成惰性殘留組分、活動(dòng)性遷移組分的分異作用,組分的流動(dòng)性或滲透性表現(xiàn)為晚期反應(yīng)往往局限于裂隙或特定邊緣,而不是遍布所有礦物或邊緣(如Grt→Crd) (圖4a)。這種變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)可能與降壓有關(guān),但與流體揮發(fā)分的變化關(guān)系更為密切,因?yàn)橥灰曈蛑械氖褡邮挥屑饩?、石英反?yīng)邊(圖4f),可以無堇青石。另外,矽線石、鐵鈦氧化物和黑云母等礦物亦可出現(xiàn)堇青石退變邊,即Grt、Sil→Crd、Spl,體現(xiàn)的是結(jié)晶組分或成分梯度的變化,如晚期逆反應(yīng)過程中MgO組分的聚集,未必是體系降壓 (Tong et al., 2014)的結(jié)果。至于Crd→Bt則是逆反應(yīng)或最后水化所致,均說明強(qiáng)調(diào)流體揮發(fā)分的作用,而不僅是溫度、壓力的控制。

從這個(gè)意義上說,不論其變質(zhì)P-T軌跡是ITD 或 IBC型式,堇青石等礦物的形成需要活動(dòng)組分保持封閉,即體系有一定程度的冷卻,而不是加熱,而且在存在流體(揮發(fā)分)組分梯度的地質(zhì)體內(nèi)才可以形成,即在一端流體很少,另一端流體稍多。邊緣結(jié)晶后使得內(nèi)部活動(dòng)性組分回流(矽線石裂隙成為流體“回流”的通道,并發(fā)生“逆反應(yīng)”),在合適的位置結(jié)晶,甚至溶蝕、取代先存礦物:如Spl-Crd的形成,屬于準(zhǔn)熔體(淺色體前身)結(jié)晶的晚期活躍組分聚集所致。

與拉斯曼丘陵周圍廣泛出露“基底”式巖石單元相比,以長(zhǎng)英質(zhì)副片麻巖為主的部位發(fā)育較多的剪切帶,整體變形不均勻。拉斯曼丘陵及鄰區(qū)深熔作用強(qiáng)烈,其中的剪切帶可經(jīng)熔體強(qiáng)化(Piazolo et al., 2020),體系中矽線石類礦物組合的形成即與臨界狀態(tài)下的差異抬升有關(guān),以長(zhǎng)英質(zhì)成分為主的偉晶質(zhì)淺色體密度較小,可能位于上部,而鎂鐵質(zhì)組分集中于下部(圖2e)。如果存在隆起,中山站區(qū)東部處于相對(duì)下部,而西部處于相對(duì)上部的位置。研究區(qū)內(nèi)分布有或大或小的花崗巖體或巖脈,其中輕的花崗質(zhì)物質(zhì)集中上升,形成穹窿,重的表殼巖下沉,伴隨區(qū)域縮短事件,出現(xiàn)類似Dome and Keel的構(gòu)造 (Marshak et al., 1992)。泛非構(gòu)造即這種收縮構(gòu)造的顯示,早期為張性構(gòu)造,伴隨熱流異常,片麻理產(chǎn)狀較為紊亂,沒有固定的方向,產(chǎn)狀變化舒緩且片麻理呈曲面狀,說明巖石經(jīng)歷了塑性為主的活動(dòng) (Dirks et al., 1993)。后期擠壓造成褶皺和剪切活動(dòng),差異上升使得深熔作用形成熔體的過程未能充分演化,沒能形成典型的熔體,表現(xiàn)為大量偉晶巖和斷續(xù)出現(xiàn)的大致平行片麻理的花崗巖透鏡或脈體。大部分泛非期花崗巖類表現(xiàn)出與碰撞造山作用相關(guān)的A型(或S型)花崗巖的特征,與碰撞后巖石圈減薄、巖漿底侵或上地殼的伸展垮塌可能有聯(lián)系,似乎顯示碰撞造山帶的構(gòu)造演化特點(diǎn)(李淼等,2010),但是,早期與洋殼活動(dòng)有關(guān)的巖石如斜長(zhǎng)花崗巖還未見報(bào)道。

拉斯曼丘陵變形和變質(zhì)作用沒有一般宏觀上角閃巖相、麻粒巖相變質(zhì)強(qiáng)度的分帶或分區(qū),也沒有區(qū)域性的差異,整體上體系為非均勻變形和加熱(殼內(nèi)熱異常),體系內(nèi)部不同巖石間的分化占據(jù)主導(dǎo)地位。變質(zhì)和深熔過程中不是整體脫水,反映了體系整體的封閉性,有脫水、吸水的時(shí)空差異,深熔作用的這種差異性可伴隨一些組分的惰性滯留形成鐵鈦氧化物與另一些組分(如揮發(fā)分)的活動(dòng)遷移。因此,拉斯曼丘陵變形作用的這種非均勻性及相伴隨的組分分異作用,與早期構(gòu)造的再活動(dòng)有關(guān)。拉斯曼丘陵地區(qū)泛非期構(gòu)造局限于先前(格林維爾期甚至更早)活動(dòng)帶的殼內(nèi)層次,應(yīng)該是在早期格林維爾期基礎(chǔ)上的泛非期再活化,其中較為均勻分布、延伸較為穩(wěn)定的混合巖淺—暗條帶可能對(duì)應(yīng)早期構(gòu)造(圖2f),而切割了條帶狀混合巖的非均勻深熔團(tuán)塊及低壓區(qū)的堇青石富集則可能對(duì)應(yīng)泛非期的事件。

8 結(jié)論

東南極拉斯曼丘陵高級(jí)變質(zhì)長(zhǎng)英質(zhì)巖石中鐵鈦氧化物的局部聚集與水不飽和體系高級(jí)變質(zhì)作用過程中的深熔作用或部分熔融作用有關(guān),并非原巖富集這些組分。深熔作用過程中形成的淺色體不具低共結(jié)組分,沒有熔體結(jié)晶結(jié)構(gòu),不是真正的熔體。較粗粒的淺色體或偉晶巖也是與深熔作用有關(guān)的產(chǎn)物,其形成早于花崗巖脈或巖體,而與花崗質(zhì)巖漿分異無關(guān)。

深熔作用造成惰性組分如鐵鈦氧化物滯留和聚集以及活動(dòng)性組分的遷移,其中的一些特征礦物如矽線石、石榴子石、堇青石、尖晶石的形成也與組分分異作用有關(guān),但組分遷移范圍有限,并可保存組分分異的各階段產(chǎn)物,其特征為,①開始階段,裂隙、熱液(溶液)均有作用,較為活躍的MgO、K2O和Na2O組分短距離部分遷移,深熔初期惰性組分殘留、滯留,形成矽線石,局部定向排列的毛發(fā)狀矽線石與溶液或(準(zhǔn))熔體流向有關(guān),與應(yīng)變關(guān)系不大。②滲濾減緩,FeO、Fe2O3、TiO2和Al2O3形成鐵鈦氧化物或Sil-Op聚集或熔融殘余,是轉(zhuǎn)熔、包晶的產(chǎn)物。③裂隙逐漸愈合,但仍有少量熱液傳輸,體系中水含量較低,優(yōu)先進(jìn)入(準(zhǔn))熔體而遷移,其他組分遷移距離變短,未遷移部分強(qiáng)烈脫水進(jìn)入峰期變質(zhì),Fe(Mg)組分形成石榴子石,偶見斜方輝石;伴隨一定量的長(zhǎng)石、石英的結(jié)晶。④峰后期,長(zhǎng)英質(zhì)組分結(jié)晶末期,由于活動(dòng)組分的遷移,易揮發(fā)分結(jié)晶或逸失,Mg(Fe)組分沉淀,形成(準(zhǔn))熔體結(jié)晶殘余堇青石;對(duì)于堇青石的形成,降壓過程不是必要條件。拉斯曼丘陵地區(qū)一些傳統(tǒng)的減壓結(jié)構(gòu)、水變化反應(yīng)及富含揮發(fā)分礦物組合的出現(xiàn),同樣可以采用組分的活動(dòng)性變化來解釋。⑤最終冷卻階段水分固結(jié)形成黑云母等。

與周圍廣泛出露“基底式”單元相比,拉斯曼丘陵內(nèi)部發(fā)育較多的剪切帶,整體變形不均勻。有限尺度封閉體系下的隆升、深熔及溫壓、揮發(fā)分含量的變化造成一定程度上的組分分異和鐵鈦氧化物非均勻性聚集,體系中不透明鐵鈦氧化物和矽線石類礦物組合的形成,均反映了臨界狀態(tài)下的局部或差異抬升。拉斯曼丘陵這種變形作用的非均一性及相伴隨的礦物組合、巖石組分分異作用,很可能相當(dāng)于早期構(gòu)造的再活動(dòng),即拉斯曼丘陵地區(qū)泛非活動(dòng)很可能是殼內(nèi)局部早期格林維爾期構(gòu)造基礎(chǔ)上的泛非期再活化。

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邀約撰寫本文及對(duì)本文的重要修改建議。審稿人仝來喜教授和匿名審稿人認(rèn)真、細(xì)致地對(duì)本文做了審閱并提出了很好的修改意見,在此一并表示感謝。