東南極普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用

表璇 王偉 吳江 保紅 劉曉春 趙越

研究進展

東南極普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用

表璇1, 2王偉1, 3吳江1, 2保紅1, 2劉曉春1, 3趙越1, 3

(1中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所, 北京 100081;2中國地質(zhì)大學(北京) , 北京 100083;3自然資源部古地磁與構(gòu)造重建重點實驗室, 北京 100081)

東南極普里茲灣地區(qū)主要包括西福爾丘陵、賴于爾(茹爾)群島、拉斯曼丘陵、姐妹島等。普里茲灣地區(qū)普遍記錄高溫-超高溫變質(zhì)作用, 在賴于爾(茹爾)群島地區(qū)發(fā)育典型超高溫變質(zhì)作用, 最近研究表明超高溫變質(zhì)作用可能分布更廣, 如拉斯曼丘陵、姐妹島等地區(qū)也可能有超高溫變質(zhì)作用的記錄。普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用礦物組合多樣, 該地區(qū)的斜方輝石+夕線石、假藍寶石+石英等礦物組合可以明確指示超高溫變質(zhì)作用, 含假藍寶石但不含石英的礦物組合、尖晶石+石英的礦物組合、含剛玉的礦物組合等也可能指示超高溫變質(zhì)作用, 這些組合是否反映超高溫條件還需根據(jù)具體礦物成分結(jié)合可靠溫度計及相平衡模擬計算等方法進行精確限定。超高溫變質(zhì)作用的潛在熱源不同, 可以歸為自生熱和外來熱; 其中自生熱主要有放射性生熱、機械熱; 外來熱主要是深部熱源經(jīng)過熱對流、熱傳導等方式提供。超高溫變質(zhì)作用可能發(fā)生在不同構(gòu)造背景, 如洋脊俯沖、弧后盆地、造山帶下地殼拆沉等。已有的研究顯示普里茲灣地區(qū)記錄了不同期次構(gòu)造變質(zhì)事件, 是一個典型的多期變質(zhì)疊加造山帶。最近的研究表明超高溫變質(zhì)作用主要形成于泛非期, 但具體時間、演化特征、構(gòu)造背景以及熱源仍存在爭議, 需進一步研究限定。

普里茲灣地區(qū) 超高溫變質(zhì)作用 礦物組合 構(gòu)造背景 熱源

0 引言

高溫-超高溫變質(zhì)作用(HT-UHT)是變質(zhì)地質(zhì)學中重要的研究領(lǐng)域, 同時也是地球科學研究中的前沿之一[1-3]。特別是超高溫變質(zhì)作用相關(guān)研究對于我們理解地殼的性質(zhì)、成分分異、熱演化以及構(gòu)造歷史等具有非常重要的意義[4-6]。超高溫變質(zhì)作用一般是指峰期溫壓條件為900～1100℃、3～ 7 kbar的變質(zhì)作用[1]。最早報道的超高溫變質(zhì)作用在東南極的恩德比地 (Enderby Land), 該地區(qū)發(fā)育太古宙末期超高溫變質(zhì)作用, 其分布面積也最為廣大[7]。目前報道的發(fā)育超高溫變質(zhì)作用的地區(qū)約有70處[5-6, 8-14]。超高溫變質(zhì)作用從太古宙到新生代都有發(fā)育[2, 4]。目前已知的最老的超高溫變質(zhì)作用發(fā)育于印度達瓦(Dharwar)克拉通與庫格(Coorg)陸塊之間的墨卡拉(Mercara)縫合帶, 約30億～31億年[11]。有些超高溫變質(zhì)作用很年輕, 如喜馬拉雅中部榴輝巖在20～15 Ma年前可能經(jīng)歷900～970℃、6～11 kbar的超高溫變質(zhì)作用[10]; 在印度尼西亞的斯蘭(Seram)島麻粒巖記錄年齡為16 Ma左右的超高溫變質(zhì)作用[12]; 青藏高原羌塘地區(qū)年齡為2.3 Ma英安巖中的麻粒巖相捕虜體記錄了超高溫變質(zhì)作用[13-14], 該超高溫變質(zhì)作用應(yīng)發(fā)生于2.3 Ma左右或之前。Cipar等[9]在美國西南部的奧格蘭德裂谷(RGR)地區(qū)Kilbourne Hole(KBH)火山巖中的下地殼和地幔捕擄體中識別出了超高溫變質(zhì)作用, 暗示該地區(qū)深部正在發(fā)生超高溫變質(zhì)作用。超高溫變質(zhì)作用熱源復雜, 對應(yīng)構(gòu)造環(huán)境也可能不同。根據(jù)已有的研究, 熱源可能有放射性元素衰變熱[15]、機械熱[16]、地幔熱流等[17-18]。很多超高溫變質(zhì)作用形成的熱源可能不止一種[19-20]。構(gòu)造環(huán)境有洋脊俯沖[21]、弧后盆地[2, 4]、造山帶下地殼拆沉[22]、大陸裂谷和地幔柱[23]等。

普里茲灣地區(qū)位于東南極, 經(jīng)歷了格林維爾期、泛非期等多次構(gòu)造熱事件[24-26]。巖石大多經(jīng)歷了麻粒巖相變質(zhì)作用, 也發(fā)育典型的混合巖化作用[24]。普里茲灣地區(qū)發(fā)育高溫-超高溫變質(zhì)作用, 如賴于爾(茹爾)群島是世界上發(fā)育典型超高溫變質(zhì)作用的高級變質(zhì)體[27-28], 最近研究[29]表明拉斯曼丘陵、姐妹島等地也可能有超高溫變質(zhì)作用的發(fā)育。確定普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的分布演化特征及確切時間可為理解地殼深部熱演化、物質(zhì)分異提供限定, 也可為探討與南極大陸相關(guān)的哥倫比亞和岡瓦納超大陸等演化提供制約。本文旨在對普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用(或可能的超高溫變質(zhì)作用)相關(guān)的研究進展進行綜述, 對該地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的巖相學特征、時代、演化歷史、熱源、構(gòu)造背景等進行總結(jié), 并對下一步研究進行了簡要展望。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

普里茲灣地區(qū)包括西福爾丘陵 (Vestfold Hills)、賴于爾(茹爾)群島(Rauer Group)、拉斯曼丘陵 (Larsemann Hills)、姐妹島(S?strene Island)、布拉特濱海陡崖(Brattstrand Bluffs)、蘭丁陡崖(Landing Bluffs)、蒙羅克爾山(Munro Kerr Mountains)、伯靈恩群島(Bolingen Islands)等大小不一的地體(圖1)[30]。該地區(qū)主要地體的地質(zhì)概況如下。

1.1 西福爾丘陵地質(zhì)概況

西福爾丘陵是普里茲灣地區(qū)出露最大的地塊之一。巖石主要形成于太古宙末期且經(jīng)歷了麻粒巖相變質(zhì)作用[31]。西福爾丘陵的主體為切爾諾克副片麻巖(Chelnok Paragneiss), 局部產(chǎn)出泰納亞副片麻巖(Taynaya Paragneiss)。切爾諾克副片麻巖主要由含石榴石變泥質(zhì)巖組成, 含少量變質(zhì)雜砂巖、石英巖、鈣硅酸鹽巖等; 泰納亞副片麻巖具有高鎂、硅不飽和等特征, 在某些巖石中含有假藍寶石[32]。有研究[32]表明, 含假藍寶石的礦物組合可能在830～880℃、3.5～8.5 kbar時達到平衡。兩類副片麻巖中碎屑鋯石U-Pb年齡譜峰相似, 所限定的原巖最大的沉積年齡在2575～2520 Ma之間[33-34]。西福爾丘陵還發(fā)育大量不同成分、不同時期侵入的基性巖墻群[31]。

圖1 普里茲灣沿岸基巖露頭分布圖(據(jù)Grew等[30]修改)

Fig.1. Distribution of main geological units along the coast of Prydz Bay (modified according to Grew et al[30])

1.2 賴于爾(茹爾)群島地質(zhì)概況

賴于爾(茹爾)群島主要由太古宙的梅瑟(馬瑟)地體(Mather Terrane)和元古宙的菲拉地體(Filla Terrane)組成。其中太古宙的梅瑟地體主要包括長英質(zhì)正片麻巖(3270～ 2800 Ma)[35]和梅瑟副片麻巖(Mather Paragneiss)。其中正片麻巖單元在2550 Ma之前經(jīng)歷了高級變質(zhì)作用[36]; 梅瑟(馬瑟)副片麻巖為富鎂鋁的變質(zhì)表殼巖, 主要礦物組合包含石榴石、斜方輝石、夕線石、石英等, 其峰值溫壓條件為1050℃、12 kbar[29]。梅瑟副片麻巖被2840 Ma的層狀輝長巖以及2550 Ma的英云閃長巖侵入[35,37]。元古宙菲拉地體主要由長英質(zhì)正片麻巖、鎂鐵質(zhì)麻粒巖、菲拉副片麻巖(Filla Paragneiss)等組成[38-39]。其中菲拉副片麻巖為富鐵鋁變質(zhì)沉積巖, 含少量的鈣硅酸鹽巖和鎂鐵質(zhì)巖石。菲拉副片麻巖主要礦物組合包含石榴石、夕線石和石英等, 峰期溫壓條件為820～860℃、7～9 kbar[40]。根據(jù)變質(zhì)鋯石和獨居石的年齡推斷菲拉副片麻巖的原巖沉積時代可能為中新元古代[34, 40-41]。

1.3 拉斯曼丘陵地質(zhì)概況

拉斯曼丘陵位于東南極普里茲灣的中心地帶, 主要由斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)、米洛半島、布洛克內(nèi)斯半島等眾多半島和小島組成。拉斯曼丘陵的巖性多樣且復雜, 主要有高角閃巖相至麻粒巖相的泥質(zhì)、雜砂質(zhì)副片麻巖、鐵鎂質(zhì)-長英質(zhì)復合正片麻巖, 以及少量基性麻粒巖、花崗巖和花崗質(zhì)偉晶巖等[42-45]。其中副片麻巖的主要類型有尖晶石-石榴石-夕線石片麻巖、尖晶石-堇青石-夕線石副片麻巖、含柱晶石片麻巖[46]等; 基性麻粒巖包括原地的超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)麻粒巖及轉(zhuǎn)石[43, 47], 主要類型有石榴角閃二輝麻粒巖[43]、石榴紫蘇麻粒巖[48]等; 花崗巖的巖性主要有黑云母鉀長花崗巖等[42]。前人的研究[46, 49]認為拉斯曼丘陵在格林維爾期變質(zhì)事件的峰期溫壓條件可能為800～900℃、6～9 kbar, 在泛非期變質(zhì)事件的峰期溫壓條件可能為800～860℃、6～7.5 kbar[24, 50]。該地區(qū)紫蘇石英巖中粗粒紫蘇輝石含假藍寶石、磁鐵礦、尖晶石、夕線石以及石英等多種早期礦物包裹體, 其估測的峰期變質(zhì)條件不低于847℃[48]。溫壓計的計算結(jié)果顯示該地區(qū)含石榴石鎂鐵質(zhì)麻粒巖轉(zhuǎn)石的峰期變質(zhì)作用可能達到了超高溫條件(900～950℃、8.6～11.1 kbar)[51]。但這些研究缺少直接的年齡限定。最近研究[29]顯示拉斯曼丘陵有些巖石記錄有泛非期超高溫變質(zhì)作用。

1.4 姐妹島地質(zhì)概況

位于普里茲灣的姐妹島為角閃巖相至麻粒巖相變質(zhì)地體[52], 推測該地體形成于元古宙[53]。該島主要由含斜方輝石的長英質(zhì)片麻巖和鎂鐵質(zhì)片麻巖組成, 局部有少量變質(zhì)泥質(zhì)巖和鈣硅酸鹽巖[54]。Hensen和Zhou[54]根據(jù)石榴石-全巖Sm-Nd同位素法測年法, 認為麻粒巖相變質(zhì)作用主要有兩期: 一期發(fā)生在約1000 Ma (M1), 被認為只影響正片麻巖基底; 另一期發(fā)生在約500 Ma (M2), 影響正片麻巖基底和沉積蓋層。離子探針U-Pb鋯石定年結(jié)果也顯示變質(zhì)沉積巖受到500 Ma事件的廣泛影響[55]。根據(jù)石榴石的二輝麻粒巖估算出其峰期變質(zhì)溫壓條件為980℃、10 kbar[56]。

2 普里茲灣地區(qū)超高溫礦物組合特征

超高溫變質(zhì)作用可根據(jù)礦物組合進行鑒別。其中明確指示超高溫變質(zhì)作用的礦物組合有斜方輝石+夕線石[57]、假藍寶石+石英[1, 58]等; 可能用于指示超高溫變質(zhì)作用的礦物組合(單礦物)有尖晶石+石英[59]、含條紋長石和反條紋長石組合[60]、含剛玉礦物組合[61]、大隅石+相關(guān)礦物(石榴石、石英等)[58]、富Al斜方輝石[1]、夕線石出溶赤鐵礦[62]、條帶狀鐵建造(BIF)中出現(xiàn)Ca-Fe-Mg-Al 四相輝石礦物組合[58]等。在東南極普里茲灣地區(qū), 存在多種可以明確指示和可能用于指示超高溫變質(zhì)作用的礦物組合。對普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用礦物組合的巖相學特征總結(jié)如下.

1. 斜方輝石+夕線石: 該組合可以明確指示超高溫變質(zhì)作用[57, 63]。含斜方輝石+夕線石礦物組合主要發(fā)育在賴于爾(茹爾)群島等地區(qū)的富鎂鋁片麻巖中(如樣品91-95L[27]、041[64]、RG-108[65]、SH/88/218、TH/06/30C[66], 表1)。除斜方輝石和夕線石外, 礦物組合中還常含有石榴石、石英、鉀長石等礦物, 退變質(zhì)階段可發(fā)育假藍寶石、堇青石等礦物(如樣品RG-108[65], 圖2a)。有的樣品廣泛發(fā)育斜方輝石+堇青石后成合晶[65]。

2. 含假藍寶石的礦物組合(圖2b、c): 該礦物組合分為硅飽和與硅不飽和兩類。硅飽和巖石中發(fā)育假藍寶石+石英的礦物組合, 是確定超高溫變質(zhì)作用的可靠標志[5, 27, 58]。早期文獻提及在普里茲灣地區(qū)賴于爾(茹爾)群島可能有假藍寶石+石英的礦物組合[67], 但無圖像和詳細描述。在硅不飽和的情況下, 常見的含假藍寶石礦物組合有假藍寶石±尖晶石±堇青石、假藍寶石+斜方輝石±黑云母±堇青石、假藍寶石+石榴石, 這些組合穩(wěn)定的溫度范圍往往較寬[68], 既可以穩(wěn)定在超高溫條件, 也可以出現(xiàn)在高溫條件。它們是否反映超高溫條件還需要根據(jù)礦物成分并結(jié)合溫壓計或相圖來進一步限定。普里茲灣地區(qū)含假藍寶石硅不飽和礦物組合的巖石主要分布在賴于爾(茹爾)群島的梅瑟(馬瑟)半島(Mather Peninsula)與肖特角(Short Point)、拉斯曼丘陵的斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)(Stornes Peninsula)、西福爾丘陵等地。這些不同地區(qū)的含假藍寶石礦物組合可能形成于不同的時代。賴于爾(茹爾)群島地區(qū)梅瑟(馬瑟)半島的富鎂鋁變泥質(zhì)巖發(fā)育假藍寶石, 主要的礦物組合包括石榴石、斜方輝石、黑云母、假藍寶石、尖晶石、堇青石等。該類巖石中石榴石顆粒的邊部發(fā)育假藍寶石+堇青石的后成合晶(如樣品tlx61[69])、假藍寶石+斜方輝石的后成合晶(如樣品tlx59-2[69]), 也可在大顆粒的石榴石與斜方輝石周圍發(fā)育堇青石±斜長石±斜方輝石±假藍寶石±尖晶石的后成合晶(如樣品037[70])。肖特角的富鎂鋁麻粒巖的礦物組合含有斜方輝石、假藍寶石、黑云母、長石等(如樣品129c[70]), 與梅瑟(馬瑟)半島不同的是肖特角的富鎂鋁麻粒巖樣品不含尖晶石且黑云母較多。拉斯曼丘陵斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)片麻巖和麻粒巖中也含有假藍寶石, 其中硼柱晶石夕線堇青片麻巖的礦物組合含黑云母、斜長石、尖晶石、柱晶石、赤鐵礦、鈦鐵礦、假藍寶石等(如樣品20202[71]), 柱晶石黑云斜長片麻巖主要的礦物組合含黑云母、斜長石、少量的柱晶石、剛玉、假藍寶石等(如樣品126-9[71]), 泥質(zhì)麻粒巖主要的礦物組合含黑云母、柱晶石、堇青石、假藍寶石等(如樣品7051[72])。西福爾丘陵部分麻粒巖中也含有假藍寶石, 典型的礦物組合含假藍寶石、頑火輝石、尖晶石、堇青石、剛玉等[32]。有關(guān)普里茲灣地區(qū)假藍寶石相關(guān)的礦物組合總結(jié)見表1。

圖2 普里茲灣地區(qū)典型超高溫礦物組合。a)富鎂鋁片麻巖中Opx+Sil礦物組合, Sil、Opx包裹于Crd之中。樣品RG-108, (據(jù)Kelsey等[65]修改, 賴于爾(茹爾)肖特角); b)泥質(zhì)麻粒巖中石榴石邊部Opx+Spr、Opx+Spr+Crd后成合晶(BSE圖像, 賴于爾(茹爾)梅瑟半島); c)泥質(zhì)麻粒巖中有Opx+Spr后成合晶(單偏光圖像, 賴于爾(茹爾)梅瑟半島); d)泥質(zhì)麻粒巖中石榴石+斜方輝石礦物組合, 其中斜方輝石邊部Al2O3 > 8 wt%(單偏光圖像, 賴于爾(茹爾)梅瑟半島)

Fig.2. Typical mineral assemblages in Prydz Bay region. a) the sillimanite+orthopyroxene mineral assemblage in Mg-Al rich gneiss. Sillimanite and orthopyroxene are wrapped in cordierite. Sample RG-108 (modified after Kelsey et al[65]; Rauer Group, Short Point); b) symplectites of sapphirine+orthopyroxene, sapphirine+cordierite+orthopyroxene along the edge of garnet in pelitic granulite (BSE image; Rauer Group, Mather Peninsula); c) symplectites of orthopyroxene+sapphirine in pelitic granulite (Single polarized image; Rauer Group, Mather Peninsula); d) the garnet+orthopyroxene assemblage in pelitic granulite. The Al2O3of the orthopyroxene rim is high than 8 wt% (Single polarized image; Rauer Group, Mather Peninsula)

表1 普里茲灣地區(qū)超高溫礦物組合

3. 尖晶石+石英組合: 該礦物組合可能指示超高溫變質(zhì)作用[59, 73], 但尖晶石的成分變化影響其穩(wěn)定范圍, 當尖晶石中含較高Fe3+、Al 等元素并且含少量Zn、Cr等元素時, 該組合在高溫條件下也可以穩(wěn)定存在。有研究[74]指出若尖晶石中XZn<2.5%并且與石英共生, 則一般可以指示超高溫變質(zhì)作用。含尖晶石+石英的礦物組合在賴于爾(茹爾)群島的梅瑟(馬瑟)半島和拉斯曼丘陵的斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)、米洛半島等地發(fā)育。梅瑟(馬瑟)半島的富鐵鋁變泥質(zhì)巖(如樣品tlx67、tx1a[69])礦物組合主要含有尖晶石、石英、石榴石、藍晶石、黑云母、鉀長石等礦物, 在粗粒藍晶石假象中可見有斜長石(如樣品tlx67[69]), 拉斯曼丘陵的石榴石夕線尖晶石片麻巖的主要礦物組合含有石榴石、夕線石、尖晶石、石英等[20, 44]。有關(guān)普里茲灣地區(qū)尖晶石+石英相關(guān)的礦物組合總結(jié)見表1。

4. 條紋長石和反條紋長石: 條紋長石或反條紋長石可以在高溫-超高溫條件穩(wěn)定, 但具體溫度還需根據(jù)三元長石溫度計或相平衡模擬計算來確定[29, 60, 75]。在賴于爾(茹爾)群島的梅瑟(馬瑟)半島與肖特角、拉斯曼丘陵斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)、米洛半島等地發(fā)育條紋長石或反條紋長石。例如在梅瑟(馬瑟)半島(樣品037)與肖特角(樣品129c)的富鎂鋁麻粒巖[70], 斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)的石榴石斜方輝石片麻巖(樣品LSM178-2)[44]、石榴石夕線尖晶石麻粒巖(樣品LSM163-4)[29]以及米洛半島的石榴石斜方輝石麻粒巖(樣品LSM244-1)[29]中可見條紋長石或反條紋長石。

5. 含剛玉的礦物組合: 剛玉+石英、剛玉+斜方輝石、剛玉+石榴石等, 經(jīng)常出現(xiàn)在超高溫的地體中, 但由于熱力學穩(wěn)定性尚不十分清楚, 是否作為超高溫變質(zhì)作用仍有爭論[58, 61]。在拉斯曼丘陵的斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)、西福爾丘陵地區(qū)有含剛玉的巖石發(fā)育。如斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)的柱晶石黑云斜長片麻巖, 主要含有石英、斜長石、尖晶石、剛玉等礦物組合(如樣品126-9[71]), 西福爾丘陵地區(qū)含假藍寶石麻粒巖主要含有夕線石、堇青石、假藍寶石以及剛玉等[32]。

6. 富Al斜方輝石(圖2d): 有研究[27, 70]認為斜方輝石Al2O3一般大于7 wt%～8 wt%, 代表進入了超高溫變質(zhì)作用的范圍。賴于爾(茹爾)群島的梅瑟(馬瑟)半島出露的富鎂片麻巖, 斜方輝石核部的Al2O3為7.5%～8.5%, 邊部Al2O3上升到10.6%左右, 峰期溫壓條件為1050℃、12 kbar(如樣品88-218, 91-38[27])。斜方輝石+石榴石不是一種典型的超高溫變質(zhì)作用的指示性礦物組合, 但很多研究發(fā)現(xiàn)斜方輝石+石榴石礦物組合可以出現(xiàn)在超高溫條件[5]。該礦物組合在賴于爾(茹爾)群島的蘭尼(Lunnyj)半島與梅瑟(馬瑟)半島、拉斯曼丘陵斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)與米洛半島等地都有發(fā)育。蘭尼半島的麻粒巖主要礦物組合含石榴石、斜方輝石、石英、金紅石、鈦鐵礦等, 退變質(zhì)礦物階段發(fā)育堇青石、長石、黑云母, 其峰期溫壓條件為910±50℃、9±0.5 kbar(如樣品RG07-21[28]); 梅瑟(馬瑟)半島的富鎂片麻巖主要礦物組合為石榴石、斜方輝石、長石等(如樣品91-38[27])。斯圖爾內(nèi)斯半島(斯托尼斯半島)含斜方輝石的麻粒巖主要礦物組合包括石榴石、斜方輝石、堇青石、鉀長石、石英等[72, 76]。米洛半島含斜方輝石的麻粒巖主要礦物組合為石榴石、斜方輝石、反條紋長石、石英等, 并含有少量退變質(zhì)階段的堇青石[29]。

3 普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用時代

普里茲灣地區(qū)主要記錄3期較明確的變質(zhì)作用: (1)發(fā)生在新太古代—古元古代初, 年齡大致為2520～2450 Ma, 主要發(fā)育在西福爾丘陵地區(qū); (2)發(fā)生在中元古代末—新元古代初, 年齡大致為1060～900 Ma; (3)發(fā)生在新元古代末—早古生代初, 年齡大致為580～510 Ma[29, 34, 65, 77]。普里茲灣地區(qū)很多地體不同程度地經(jīng)歷了格林維爾期(1060～900 Ma)和泛非期(580～510 Ma)兩期變質(zhì)作用的疊加[39]。

關(guān)于賴于爾(茹爾)群島超高溫變質(zhì)作用的時代已有一些研究。Kelsey等[64]通過電子探針U-Th-Pb化學等時線法測定梅瑟(馬瑟)半島的富鎂鋁麻粒巖相變泥質(zhì)巖原位獨居石的年齡, 認為超高溫變質(zhì)作用可能發(fā)生于泛非期(～511±4 Ma)。Kelsey等[65]對肖特角的麻粒巖相變泥質(zhì)巖中的獨居石中Y、Th、U、Pb元素進行了研究, 并運用電子探針U-Th-Pb測定原位獨居石年齡, 認為超高溫變質(zhì)作用可能發(fā)生于泛非期(540～520 Ma)。Wang等[78]對梅瑟(馬瑟)半島含假藍寶石的變泥質(zhì)巖中分選的鋯石運用離子探針U-Pb定年, 結(jié)果顯示從鋯石幔部獲得的年齡在格林維爾期(～995 Ma), 從邊部獲得的年齡在泛非期(～530 Ma), 并認為超高溫變質(zhì)作用可能發(fā)生于格林維爾期。Hokada等[66]利用電子探針U-Th-Pb化學等時線法測定梅瑟(馬瑟)半島的超高溫富鎂鋁片麻巖原位獨居石的年齡, 認為超高溫變質(zhì)作用的年齡可能發(fā)生在590～580 Ma之前。Clark等[28]對蘭尼半島麻粒巖分選的鋯石邊緣和新結(jié)晶的獨居石顆粒進行U-Pb定年, 獲得的年齡約514 Ma, 推測相應(yīng)的超高溫變質(zhì)作用可能在此之前。姐妹島的石榴石二輝麻粒巖, 峰期變質(zhì)作用溫壓條件在980℃、10 kbar, 通過石榴石全巖Sm-Nd同位素測得主期礦物組合的年齡為990 Ma[54, 56]。Wang 等[29]通過系統(tǒng)分析拉斯曼丘陵不同類型麻粒巖中鋯石和獨居石等結(jié)構(gòu)關(guān)系、年齡以及成分特征, 認為該地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的峰期應(yīng)在550～540 Ma左右?？傊? 普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的時代仍存在分歧, 一種觀點認為超高溫變質(zhì)作用發(fā)生在格林維爾期, 另一種觀點認為超高溫變質(zhì)作用發(fā)生在泛非期。該地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的確切時代還需結(jié)合礦物反應(yīng)關(guān)系以及原位年代學分析技術(shù)進行深入研究。

4 普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的P-T-t軌跡

多期變質(zhì)作用疊加導致普里茲灣地區(qū)巖石變質(zhì)歷史較為復雜, P-T-t軌跡仍存在爭議。大多研究給出的P-T-t軌跡為順時針, 但有少數(shù)為逆時針[72]。一般認為較高溫度和壓力的P-T軌跡對應(yīng)新元古代格林維爾期, 較低溫度和壓力的P-T軌跡對應(yīng)晚新元古代-早古生代泛非期, 但目前缺乏精確的年齡限定。

對賴于爾群島局部地體中的富鎂鋁變泥質(zhì)巖使用傳統(tǒng)溫壓計方法估算出峰期條件為1050℃、12 kbar, 峰期后沿近等溫降壓的軌跡演化, 最終退變到750℃、5 kbar[27, 40]。Kelsey等[64]使用相平衡模擬獲得降溫降壓的P-T軌跡, 并認為峰期溫壓條件比之前的估算偏低, 為950～975℃、10～10.6 kbar, 峰后可能沿降溫減壓軌跡至800～850℃、>7 kbar, 并不一定需要近等溫降壓過程。Tong和Wilson[69]對含石榴石鎂鐵質(zhì)麻粒巖的變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)等做了細致研究, 認為峰期前的溫壓條件為850℃、10～11 kbar, 峰期溫壓條件為960～970℃、12 kbar, 之后近等溫減壓至1000℃、10 kbar, 隨后進一步減壓冷卻至800℃、7 kbar, 整體經(jīng)歷了順時針演化的P-T軌跡。并認為初始階段至超高溫變質(zhì)峰期可能與格林維爾期的構(gòu)造事件有關(guān), 隨后的減壓冷卻可能與早古生代泛非期構(gòu)造事件有關(guān)。Clark等[28]對賴于爾群島的蘭尼半島不含假藍寶石的麻粒巖進行了研究, 認為其峰期溫壓條件為 910±50℃、9±0.5 kbar , 并推測其整體經(jīng)歷了順時針P-T軌跡。

Thost等[56]使用傳統(tǒng)溫壓計估算出姐妹島的石榴二輝麻粒巖的溫壓條件為980℃、10 kbar, 該巖石在后期經(jīng)歷了兩個階段的減壓退變, 其中第二個階段退變的溫壓條件為850℃、7 kbar, 并基于礦物反應(yīng)結(jié)構(gòu)確定其經(jīng)歷了順時針演化的P-T軌跡, 根據(jù)石榴石-全巖Sm-Nd等時線定年揭示該麻粒巖形成于格林維爾期[54]。Tong 等[51]對拉斯曼丘陵轉(zhuǎn)石中含石榴石鎂鐵質(zhì)麻粒巖進行了研究, 估測峰變質(zhì)作用的溫壓條件為900～ 950℃、9.3 kbar (M1), 隨后減壓冷卻至810～ 830℃、7.2～7.6 kbar (M2), 之后進一步減壓冷卻至730～770℃、6.2～6.9 kbar (M3), 整體經(jīng)歷了順時針演化的P-T軌跡; 推測其中峰期M1形成于格林維爾期, M2、M3退變質(zhì)階段形成于泛非期, 但缺少直接年代學約束。Wang 等[29]通過對拉斯曼丘陵不同類型麻粒巖進行研究認為有些巖石記錄了超高溫變質(zhì)作用, 峰期可能達到950℃以上, 整體應(yīng)沿順時針軌跡演化。

5 普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的熱源

5.1 超高溫變質(zhì)作用熱源類型

超高溫變質(zhì)作用的地熱梯度在75℃/ kbar以上[2]。超高溫巖石可以在很多變質(zhì)帶中出現(xiàn)[79], 但對于超高溫變質(zhì)作用的熱源有著不同的觀點。根據(jù)已有的研究可以將熱源歸納為自生熱和外來熱兩大類。自生熱主要有放射性元素衰變熱和機械熱, 外來熱主要是深部基性巖漿等通過熱對流及熱傳導等方式傳入。

5.1.1 自生熱

自生熱包括放射性元素衰變熱和機械熱。U、Th、K等元素放射性衰變可以產(chǎn)生熱量[80]。通過模擬計算表明放射性熱與超高溫變質(zhì)作用有緊密的聯(lián)系, 至少在一定程度上會為超高溫變質(zhì)作用提供一定的熱源[75, 79]。

機械熱可以產(chǎn)生熱量[16, 79]。在上地殼的脆性區(qū)域內(nèi), 機械熱實際上可能僅限于摩擦生熱; 在中下部地殼的韌性區(qū)域中, 機械熱為應(yīng)變熱[16]。應(yīng)變熱與應(yīng)變率和剪切強度有關(guān)。有研究[16]表明, 根據(jù)單斜輝石流變特征, 在應(yīng)變率為3×10?13s?1時, 溫度可以達到1040℃。

5.1.2 外來熱

超高溫變質(zhì)作用的外來熱主要是由深部基性巖漿提供, 主要通過熱對流方式進行, 在局部熱傳導方式也起一定作用。地殼中大量外來熱的獲得可能與下地殼拆沉、軟流圈上涌、洋脊俯沖、地幔柱活動等機制有關(guān)[58, 81-82]。

5.2 普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的可能熱源

東南極普里茲灣地區(qū)發(fā)育典型超高溫變質(zhì)作用, 以往的相關(guān)研究主要集中在巖石學與年代學等方面, 對其熱源缺乏系統(tǒng)研究。有研究推測普里茲灣地區(qū)的熱源與陸殼之下大量巖漿物質(zhì)侵入導致的巖漿墊板作用[76]、巖石圈地幔減薄[24, 46, 76]等機制有關(guān), 但還缺少堅實的證據(jù), 將來需要對該地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的熱源進行深入研究。

6 普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的構(gòu)造背景

關(guān)于超高溫變質(zhì)作用的構(gòu)造環(huán)境存在不同的認識, 是一個有待解決的重要問題。已有的研究顯示超高溫變質(zhì)作用通常發(fā)生在超大陸形成期間, 可能與超大陸的演化密切相關(guān)[2, 4]。板塊構(gòu)造的不同演化階段可能為超高溫變質(zhì)作用的發(fā)生提供潛在背景。洋脊俯沖[21]、弧后盆地[2, 4]、碰撞后板片斷離引起的軟流圈上涌[58]、造山帶下地殼拆沉[22]都可能是超高溫變質(zhì)作用發(fā)生的構(gòu)造環(huán)境。另外, 大陸裂谷和地幔柱也可能導致超高溫變質(zhì)作用[23]。洋脊俯沖: 洋中脊俯沖可以形成板片窗, 導致軟流圈上涌, 使淺部增生楔異常高溫, 并可能導致高溫-超高溫變質(zhì)作用[21, 83-84]?；『笈璧? 是俯沖系統(tǒng)的一部分, 一般是指匯聚板塊邊緣的延伸區(qū)域[85]?；『笈璧赜捎诰哂斜《醯牡貧ず洼^高的熱流[18], 因此可能是發(fā)生超高溫變質(zhì)作用和生成未來活動帶的合適場所[4]。如泛非時期活動帶內(nèi)發(fā)生的許多超高溫變質(zhì)作用可能與倒轉(zhuǎn)和加厚的弧后盆地有關(guān)[5]。碰撞后板片斷離引起的軟流圈上涌: 在碰撞后階段, 俯沖大洋板塊從大陸板塊分離, 在兩個板塊之間形成了一個間隙(板片窗), 軟流圈地幔通過此間隙向上移動, 為巖石圈地幔提供了高熱量。巖石圈地幔發(fā)生部分熔融, 形成基性巖漿并在陸殼底部底侵, 增加了下地殼的地熱梯度, 導致超高溫變質(zhì)作用的形成[86]。朝鮮半島Odaesan地區(qū)發(fā)生的超高溫變質(zhì)作用, 與碰撞后板片斷離引起的軟流圈上涌有關(guān)[86]。造山帶下地殼拆沉: 過度增厚的下地殼和巖石圈地幔由于重力不穩(wěn)定, 導致巖石圈地幔等沉入下伏軟流圈或地幔[22]。拆沉導致了地幔軟流圈上涌, 為高溫-超高溫變質(zhì)作用提供條件[22]。大陸裂谷和地幔柱:大陸裂谷反映巖石圈減薄的過程, 最終可能導致大陸的分裂、洋中脊的形成[87]。很多大陸裂谷的形成與地幔柱有關(guān)。地幔柱可能源自核-幔邊界, 是高溫、狹窄的地幔上升流[88-89], 地幔柱提供的熱量和揮發(fā)成分有利于在下地殼產(chǎn)生超高溫礦物組合[23, 75]。

東南極普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用的構(gòu)造背景目前還沒有清晰查明。超高溫變質(zhì)作用的形成時代存在爭議: 一種觀點認為超高溫變質(zhì)作用發(fā)生于格林維爾期[27, 69, 78], 另一種觀點認為超高溫變質(zhì)作用發(fā)生于泛非期[28, 65-66]。而普里茲灣地區(qū)格林維爾期和泛非期的構(gòu)造背景可能存在明顯差異。格林維爾期變質(zhì)事件的構(gòu)造背景可能與碰撞作用有關(guān)[69]。關(guān)于泛非期變質(zhì)事件的構(gòu)造背景有兩種觀點: 一種觀點認為與碰撞造山作用有關(guān)[44-45, 90-92], 另一種觀點認為與陸內(nèi)造山作用有關(guān)[93-95]。因此, 準確限定超高溫變質(zhì)作用的形成時代對限定其構(gòu)造背景具有重要意義。Harley[38]推測(超)高溫變質(zhì)作用發(fā)生于格林維爾期, 其構(gòu)造背景可能與碰撞作用有關(guān), 并根據(jù)麻粒巖的P-T軌跡認為普里茲灣地區(qū)的構(gòu)造模型包括增厚地殼通過伸展垮塌快速折返, 但Kelsey等[64]認為超高溫變質(zhì)作用很可能發(fā)生于泛非期, 并認為超高溫變質(zhì)作用的構(gòu)造背景可能不需要增厚地殼的快速折返。Wang等[29]認為超高溫變質(zhì)作用發(fā)生于泛非期, 構(gòu)造背景可能與加厚地殼的伸展過程有關(guān)。

7 總結(jié)與展望

已有的研究表明, 普里茲灣地區(qū)發(fā)育超高溫變質(zhì)作用, 其中賴于爾(茹爾)群島的超高溫變質(zhì)作用最為典型, 拉斯曼丘陵、姐妹島等地主要記錄高溫變質(zhì)作用, 但局部也可能記錄超高溫變質(zhì)作用。該地區(qū)高溫、超高溫變質(zhì)作用巖石類型多樣, 具有不同礦物組合。已有研究顯示該地區(qū)超高溫變質(zhì)作用可能經(jīng)歷了順時針演化軌跡, 一般認為較高溫度和壓力的P-T軌跡對應(yīng)格林維爾期, 較低溫度和壓力的P-T軌跡對應(yīng)泛非期, 但還缺少精確的年代限定。主要的超高溫變質(zhì)作用可能發(fā)生于新元古代-早古生代的泛非期, 但也存在不同認識。盡管已有的研究取得了不少的進展, 但由于各種因素制約, 超高溫變質(zhì)作用具體的分布范圍、形成條件、演化特征、形成時代以及構(gòu)造背景等都還缺乏清晰限定, 需要深入研究。

普里茲灣地區(qū)的超高溫變質(zhì)作用既典型又復雜, 是研究超高溫變質(zhì)作用的理想地區(qū)之一。深入開展相關(guān)研究將有助于深入理解超高溫變質(zhì)作用過程中礦物演化與部分熔融作用以及地殼分異過程, 也有助于揭示南極大陸的構(gòu)造-熱演化歷史。因此, 將來的工作中應(yīng)從巖石學、年代學、構(gòu)造-熱演化歷史等方面對普里茲灣地區(qū)超高溫變質(zhì)作用開展綜合研究, 以期解決相關(guān)的重要科學問題。

本文礦物縮寫依據(jù)國際礦物學會最新發(fā)布的縮寫系統(tǒng)[96]。

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Ultra-high temperature metamorphism in the Prydz Bay region, East Antarctica

Biao Xuan1, 2, Wang Wei1, 3, Wu Jiang1, 2, Bao Hong1, 2, Liu Xiaochun1, 3, Zhao Yue1, 3

(1Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;2China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China;3Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China)

The Prydz Bay region of East Antarctica consists of different terrains including the Vestfold Hills, the Rauer Group, the Larsemann Hills, and S?strene Island. The Prydz Bay region has undergone high to ultra-high temperature (UHT) metamorphism, with the Rauer Group typically experiencing UHT conditions. Recent studies suggest that UHT metamorphism may occur more widespread, and the Larsemann Hills, S?strene Island may also have undergone UHT metamorphism. The UHT metamorphism in the Prydz Bay region resulted in various mineral assemblages. The assemblages of orthopyroxene+sillimanite and sapphirine+quartz can reliably indicate UHT metamorphism in the region. Mineral assemblages including sapphirine (without quartz), spinel-quartz, or corundum may indicate UHT conditions, but whether these mineral assemblages reflect UHT conditions need to be further constrained by reliable thermometry or phase equilibrium modelling based on mineral composition analysis. Different heat sources for UHT metamorphism have been proposed and can be generally classified into two types: autogenic heat and external heat. Autogenic heat mainly includes radioactive heat and mechanical heat, whereas external heat can be provided through conduction and/or convection of a deep heat source. UHT may occur in different tectonic settings including ridge subduction, back-arc basins, and delamination of the lower crust. Previous studies have shown that the Prydz Bay region is a typical orogenic belt with overprinting of different metamorphic events. Recent studies support that UHT metamorphism occurred during the Pan-African period. However, the exact timing, evolutional process, tectonic setting, and heat source of UHT metamorphism are still controversial and thus call for further study.

the Prydz Bay region, ultra-high temperature metamorphism, mineral assemblage, tectonic setting, heat source

2021年9月收到來稿, 2022年4月收到修改稿

國家自然科學基金(41941004, 42172068)和地質(zhì)調(diào)查項目(DD20221810)資助

表璇, 女, 1996年生。碩士, 主要從事巖石學研究。E-mail:biaoxuan11@163.com

王偉, E-mail:atwangwei@163.com, wangwei0521@gmail.com

10.13679/j.jdyj.20210074