东南极普里兹湾地区超高温变质作用

表璇 王伟 吴江 保红 刘晓春 赵越

研究进展

东南极普里兹湾地区超高温变质作用

表璇1, 2王伟1, 3吴江1, 2保红1, 2刘晓春1, 3赵越1, 3

(1中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;2中国地质大学(北京) , 北京 100083;3自然资源部古地磁与构造重建重点实验室, 北京 100081)

东南极普里兹湾地区主要包括西福尔丘陵、赖于尔(茹尔)群岛、拉斯曼丘陵、姐妹岛等。普里兹湾地区普遍记录高温-超高温变质作用, 在赖于尔(茹尔)群岛地区发育典型超高温变质作用, 最近研究表明超高温变质作用可能分布更广, 如拉斯曼丘陵、姐妹岛等地区也可能有超高温变质作用的记录。普里兹湾地区超高温变质作用矿物组合多样, 该地区的斜方辉石+夕线石、假蓝宝石+石英等矿物组合可以明确指示超高温变质作用, 含假蓝宝石但不含石英的矿物组合、尖晶石+石英的矿物组合、含刚玉的矿物组合等也可能指示超高温变质作用, 这些组合是否反映超高温条件还需根据具体矿物成分结合可靠温度计及相平衡模拟计算等方法进行精确限定。超高温变质作用的潜在热源不同, 可以归为自生热和外来热; 其中自生热主要有放射性生热、机械热; 外来热主要是深部热源经过热对流、热传导等方式提供。超高温变质作用可能发生在不同构造背景, 如洋脊俯冲、弧后盆地、造山带下地壳拆沉等。已有的研究显示普里兹湾地区记录了不同期次构造变质事件, 是一个典型的多期变质叠加造山带。最近的研究表明超高温变质作用主要形成于泛非期, 但具体时间、演化特征、构造背景以及热源仍存在争议, 需进一步研究限定。

普里兹湾地区 超高温变质作用 矿物组合 构造背景 热源

0 引言

高温-超高温变质作用(HT-UHT)是变质地质学中重要的研究领域, 同时也是地球科学研究中的前沿之一[1-3]。特别是超高温变质作用相关研究对于我们理解地壳的性质、成分分异、热演化以及构造历史等具有非常重要的意义[4-6]。超高温变质作用一般是指峰期温压条件为900～1100℃、3～ 7 kbar的变质作用[1]。最早报道的超高温变质作用在东南极的恩德比地 (Enderby Land), 该地区发育太古宙末期超高温变质作用, 其分布面积也最为广大[7]。目前报道的发育超高温变质作用的地区约有70处[5-6, 8-14]。超高温变质作用从太古宙到新生代都有发育[2, 4]。目前已知的最老的超高温变质作用发育于印度达瓦(Dharwar)克拉通与库格(Coorg)陆块之间的墨卡拉(Mercara)缝合带, 约30亿～31亿年[11]。有些超高温变质作用很年轻, 如喜马拉雅中部榴辉岩在20～15 Ma年前可能经历900～970℃、6～11 kbar的超高温变质作用[10]; 在印度尼西亚的斯兰(Seram)岛麻粒岩记录年龄为16 Ma左右的超高温变质作用[12]; 青藏高原羌塘地区年龄为2.3 Ma英安岩中的麻粒岩相捕虏体记录了超高温变质作用[13-14], 该超高温变质作用应发生于2.3 Ma左右或之前。Cipar等[9]在美国西南部的奥格兰德裂谷(RGR)地区Kilbourne Hole(KBH)火山岩中的下地壳和地幔捕掳体中识别出了超高温变质作用, 暗示该地区深部正在发生超高温变质作用。超高温变质作用热源复杂, 对应构造环境也可能不同。根据已有的研究, 热源可能有放射性元素衰变热[15]、机械热[16]、地幔热流等[17-18]。很多超高温变质作用形成的热源可能不止一种[19-20]。构造环境有洋脊俯冲[21]、弧后盆地[2, 4]、造山带下地壳拆沉[22]、大陆裂谷和地幔柱[23]等。

普里兹湾地区位于东南极, 经历了格林维尔期、泛非期等多次构造热事件[24-26]。岩石大多经历了麻粒岩相变质作用, 也发育典型的混合岩化作用[24]。普里兹湾地区发育高温-超高温变质作用, 如赖于尔(茹尔)群岛是世界上发育典型超高温变质作用的高级变质体[27-28], 最近研究[29]表明拉斯曼丘陵、姐妹岛等地也可能有超高温变质作用的发育。确定普里兹湾地区超高温变质作用的分布演化特征及确切时间可为理解地壳深部热演化、物质分异提供限定, 也可为探讨与南极大陆相关的哥伦比亚和冈瓦纳超大陆等演化提供制约。本文旨在对普里兹湾地区超高温变质作用(或可能的超高温变质作用)相关的研究进展进行综述, 对该地区超高温变质作用的岩相学特征、时代、演化历史、热源、构造背景等进行总结, 并对下一步研究进行了简要展望。

1 区域地质背景

普里兹湾地区包括西福尔丘陵 (Vestfold Hills)、赖于尔(茹尔)群岛(Rauer Group)、拉斯曼丘陵 (Larsemann Hills)、姐妹岛(Søstrene Island)、布拉特滨海陡崖(Brattstrand Bluffs)、兰丁陡崖(Landing Bluffs)、蒙罗克尔山(Munro Kerr Mountains)、伯灵恩群岛(Bolingen Islands)等大小不一的地体(图1)[30]。该地区主要地体的地质概况如下。

1.1 西福尔丘陵地质概况

西福尔丘陵是普里兹湾地区出露最大的地块之一。岩石主要形成于太古宙末期且经历了麻粒岩相变质作用[31]。西福尔丘陵的主体为切尔诺克副片麻岩(Chelnok Paragneiss), 局部产出泰纳亚副片麻岩(Taynaya Paragneiss)。切尔诺克副片麻岩主要由含石榴石变泥质岩组成, 含少量变质杂砂岩、石英岩、钙硅酸盐岩等; 泰纳亚副片麻岩具有高镁、硅不饱和等特征, 在某些岩石中含有假蓝宝石[32]。有研究[32]表明, 含假蓝宝石的矿物组合可能在830～880℃、3.5～8.5 kbar时达到平衡。两类副片麻岩中碎屑锆石U-Pb年龄谱峰相似, 所限定的原岩最大的沉积年龄在2575～2520 Ma之间[33-34]。西福尔丘陵还发育大量不同成分、不同时期侵入的基性岩墙群[31]。

图1 普里兹湾沿岸基岩露头分布图(据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 赖于尔(茹尔)群岛地质概况

赖于尔(茹尔)群岛主要由太古宙的梅瑟(马瑟)地体(Mather Terrane)和元古宙的菲拉地体(Filla Terrane)组成。其中太古宙的梅瑟地体主要包括长英质正片麻岩(3270～ 2800 Ma)[35]和梅瑟副片麻岩(Mather Paragneiss)。其中正片麻岩单元在2550 Ma之前经历了高级变质作用[36]; 梅瑟(马瑟)副片麻岩为富镁铝的变质表壳岩, 主要矿物组合包含石榴石、斜方辉石、夕线石、石英等, 其峰值温压条件为1050℃、12 kbar[29]。梅瑟副片麻岩被2840 Ma的层状辉长岩以及2550 Ma的英云闪长岩侵入[35,37]。元古宙菲拉地体主要由长英质正片麻岩、镁铁质麻粒岩、菲拉副片麻岩(Filla Paragneiss)等组成[38-39]。其中菲拉副片麻岩为富铁铝变质沉积岩, 含少量的钙硅酸盐岩和镁铁质岩石。菲拉副片麻岩主要矿物组合包含石榴石、夕线石和石英等, 峰期温压条件为820～860℃、7～9 kbar[40]。根据变质锆石和独居石的年龄推断菲拉副片麻岩的原岩沉积时代可能为中新元古代[34, 40-41]。

1.3 拉斯曼丘陵地质概况

拉斯曼丘陵位于东南极普里兹湾的中心地带, 主要由斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)、米洛半岛、布洛克内斯半岛等众多半岛和小岛组成。拉斯曼丘陵的岩性多样且复杂, 主要有高角闪岩相至麻粒岩相的泥质、杂砂质副片麻岩、铁镁质-长英质复合正片麻岩, 以及少量基性麻粒岩、花岗岩和花岗质伟晶岩等[42-45]。其中副片麻岩的主要类型有尖晶石-石榴石-夕线石片麻岩、尖晶石-堇青石-夕线石副片麻岩、含柱晶石片麻岩[46]等; 基性麻粒岩包括原地的超镁铁质-镁铁质麻粒岩及转石[43, 47], 主要类型有石榴角闪二辉麻粒岩[43]、石榴紫苏麻粒岩[48]等; 花岗岩的岩性主要有黑云母钾长花岗岩等[42]。前人的研究[46, 49]认为拉斯曼丘陵在格林维尔期变质事件的峰期温压条件可能为800～900℃、6～9 kbar, 在泛非期变质事件的峰期温压条件可能为800～860℃、6～7.5 kbar[24, 50]。该地区紫苏石英岩中粗粒紫苏辉石含假蓝宝石、磁铁矿、尖晶石、夕线石以及石英等多种早期矿物包裹体, 其估测的峰期变质条件不低于847℃[48]。温压计的计算结果显示该地区含石榴石镁铁质麻粒岩转石的峰期变质作用可能达到了超高温条件(900～950℃、8.6～11.1 kbar)[51]。但这些研究缺少直接的年龄限定。最近研究[29]显示拉斯曼丘陵有些岩石记录有泛非期超高温变质作用。

1.4 姐妹岛地质概况

位于普里兹湾的姐妹岛为角闪岩相至麻粒岩相变质地体[52], 推测该地体形成于元古宙[53]。该岛主要由含斜方辉石的长英质片麻岩和镁铁质片麻岩组成, 局部有少量变质泥质岩和钙硅酸盐岩[54]。Hensen和Zhou[54]根据石榴石-全岩Sm-Nd同位素法测年法, 认为麻粒岩相变质作用主要有两期: 一期发生在约1000 Ma (M1), 被认为只影响正片麻岩基底; 另一期发生在约500 Ma (M2), 影响正片麻岩基底和沉积盖层。离子探针U-Pb锆石定年结果也显示变质沉积岩受到500 Ma事件的广泛影响[55]。根据石榴石的二辉麻粒岩估算出其峰期变质温压条件为980℃、10 kbar[56]。

2 普里兹湾地区超高温矿物组合特征

超高温变质作用可根据矿物组合进行鉴别。其中明确指示超高温变质作用的矿物组合有斜方辉石+夕线石[57]、假蓝宝石+石英[1, 58]等; 可能用于指示超高温变质作用的矿物组合(单矿物)有尖晶石+石英[59]、含条纹长石和反条纹长石组合[60]、含刚玉矿物组合[61]、大隅石+相关矿物(石榴石、石英等)[58]、富Al斜方辉石[1]、夕线石出溶赤铁矿[62]、条带状铁建造(BIF)中出现Ca-Fe-Mg-Al 四相辉石矿物组合[58]等。在东南极普里兹湾地区, 存在多种可以明确指示和可能用于指示超高温变质作用的矿物组合。对普里兹湾地区超高温变质作用矿物组合的岩相学特征总结如下.

1. 斜方辉石+夕线石: 该组合可以明确指示超高温变质作用[57, 63]。含斜方辉石+夕线石矿物组合主要发育在赖于尔(茹尔)群岛等地区的富镁铝片麻岩中(如样品91-95L[27]、041[64]、RG-108[65]、SH/88/218、TH/06/30C[66], 表1)。除斜方辉石和夕线石外, 矿物组合中还常含有石榴石、石英、钾长石等矿物, 退变质阶段可发育假蓝宝石、堇青石等矿物(如样品RG-108[65], 图2a)。有的样品广泛发育斜方辉石+堇青石后成合晶[65]。

2. 含假蓝宝石的矿物组合(图2b、c): 该矿物组合分为硅饱和与硅不饱和两类。硅饱和岩石中发育假蓝宝石+石英的矿物组合, 是确定超高温变质作用的可靠标志[5, 27, 58]。早期文献提及在普里兹湾地区赖于尔(茹尔)群岛可能有假蓝宝石+石英的矿物组合[67], 但无图像和详细描述。在硅不饱和的情况下, 常见的含假蓝宝石矿物组合有假蓝宝石±尖晶石±堇青石、假蓝宝石+斜方辉石±黑云母±堇青石、假蓝宝石+石榴石, 这些组合稳定的温度范围往往较宽[68], 既可以稳定在超高温条件, 也可以出现在高温条件。它们是否反映超高温条件还需要根据矿物成分并结合温压计或相图来进一步限定。普里兹湾地区含假蓝宝石硅不饱和矿物组合的岩石主要分布在赖于尔(茹尔)群岛的梅瑟(马瑟)半岛(Mather Peninsula)与肖特角(Short Point)、拉斯曼丘陵的斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)(Stornes Peninsula)、西福尔丘陵等地。这些不同地区的含假蓝宝石矿物组合可能形成于不同的时代。赖于尔(茹尔)群岛地区梅瑟(马瑟)半岛的富镁铝变泥质岩发育假蓝宝石, 主要的矿物组合包括石榴石、斜方辉石、黑云母、假蓝宝石、尖晶石、堇青石等。该类岩石中石榴石颗粒的边部发育假蓝宝石+堇青石的后成合晶(如样品tlx61[69])、假蓝宝石+斜方辉石的后成合晶(如样品tlx59-2[69]), 也可在大颗粒的石榴石与斜方辉石周围发育堇青石±斜长石±斜方辉石±假蓝宝石±尖晶石的后成合晶(如样品037[70])。肖特角的富镁铝麻粒岩的矿物组合含有斜方辉石、假蓝宝石、黑云母、长石等(如样品129c[70]), 与梅瑟(马瑟)半岛不同的是肖特角的富镁铝麻粒岩样品不含尖晶石且黑云母较多。拉斯曼丘陵斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)片麻岩和麻粒岩中也含有假蓝宝石, 其中硼柱晶石夕线堇青片麻岩的矿物组合含黑云母、斜长石、尖晶石、柱晶石、赤铁矿、钛铁矿、假蓝宝石等(如样品20202[71]), 柱晶石黑云斜长片麻岩主要的矿物组合含黑云母、斜长石、少量的柱晶石、刚玉、假蓝宝石等(如样品126-9[71]), 泥质麻粒岩主要的矿物组合含黑云母、柱晶石、堇青石、假蓝宝石等(如样品7051[72])。西福尔丘陵部分麻粒岩中也含有假蓝宝石, 典型的矿物组合含假蓝宝石、顽火辉石、尖晶石、堇青石、刚玉等[32]。有关普里兹湾地区假蓝宝石相关的矿物组合总结见表1。

图2 普里兹湾地区典型超高温矿物组合。a)富镁铝片麻岩中Opx+Sil矿物组合, Sil、Opx包裹于Crd之中。样品RG-108, (据Kelsey等[65]修改, 赖于尔(茹尔)肖特角); b)泥质麻粒岩中石榴石边部Opx+Spr、Opx+Spr+Crd后成合晶(BSE图像, 赖于尔(茹尔)梅瑟半岛); c)泥质麻粒岩中有Opx+Spr后成合晶(单偏光图像, 赖于尔(茹尔)梅瑟半岛); d)泥质麻粒岩中石榴石+斜方辉石矿物组合, 其中斜方辉石边部Al2O3 > 8 wt%(单偏光图像, 赖于尔(茹尔)梅瑟半岛)

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 普里兹湾地区超高温矿物组合

3. 尖晶石+石英组合: 该矿物组合可能指示超高温变质作用[59, 73], 但尖晶石的成分变化影响其稳定范围, 当尖晶石中含较高Fe3+、Al 等元素并且含少量Zn、Cr等元素时, 该组合在高温条件下也可以稳定存在。有研究[74]指出若尖晶石中XZn<2.5%并且与石英共生, 则一般可以指示超高温变质作用。含尖晶石+石英的矿物组合在赖于尔(茹尔)群岛的梅瑟(马瑟)半岛和拉斯曼丘陵的斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)、米洛半岛等地发育。梅瑟(马瑟)半岛的富铁铝变泥质岩(如样品tlx67、tx1a[69])矿物组合主要含有尖晶石、石英、石榴石、蓝晶石、黑云母、钾长石等矿物, 在粗粒蓝晶石假象中可见有斜长石(如样品tlx67[69]), 拉斯曼丘陵的石榴石夕线尖晶石片麻岩的主要矿物组合含有石榴石、夕线石、尖晶石、石英等[20, 44]。有关普里兹湾地区尖晶石+石英相关的矿物组合总结见表1。

4. 条纹长石和反条纹长石: 条纹长石或反条纹长石可以在高温-超高温条件稳定, 但具体温度还需根据三元长石温度计或相平衡模拟计算来确定[29, 60, 75]。在赖于尔(茹尔)群岛的梅瑟(马瑟)半岛与肖特角、拉斯曼丘陵斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)、米洛半岛等地发育条纹长石或反条纹长石。例如在梅瑟(马瑟)半岛(样品037)与肖特角(样品129c)的富镁铝麻粒岩[70], 斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)的石榴石斜方辉石片麻岩(样品LSM178-2)[44]、石榴石夕线尖晶石麻粒岩(样品LSM163-4)[29]以及米洛半岛的石榴石斜方辉石麻粒岩(样品LSM244-1)[29]中可见条纹长石或反条纹长石。

5. 含刚玉的矿物组合: 刚玉+石英、刚玉+斜方辉石、刚玉+石榴石等, 经常出现在超高温的地体中, 但由于热力学稳定性尚不十分清楚, 是否作为超高温变质作用仍有争论[58, 61]。在拉斯曼丘陵的斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)、西福尔丘陵地区有含刚玉的岩石发育。如斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)的柱晶石黑云斜长片麻岩, 主要含有石英、斜长石、尖晶石、刚玉等矿物组合(如样品126-9[71]), 西福尔丘陵地区含假蓝宝石麻粒岩主要含有夕线石、堇青石、假蓝宝石以及刚玉等[32]。

6. 富Al斜方辉石(图2d): 有研究[27, 70]认为斜方辉石Al2O3一般大于7 wt%～8 wt%, 代表进入了超高温变质作用的范围。赖于尔(茹尔)群岛的梅瑟(马瑟)半岛出露的富镁片麻岩, 斜方辉石核部的Al2O3为7.5%～8.5%, 边部Al2O3上升到10.6%左右, 峰期温压条件为1050℃、12 kbar(如样品88-218, 91-38[27])。斜方辉石+石榴石不是一种典型的超高温变质作用的指示性矿物组合, 但很多研究发现斜方辉石+石榴石矿物组合可以出现在超高温条件[5]。该矿物组合在赖于尔(茹尔)群岛的兰尼(Lunnyj)半岛与梅瑟(马瑟)半岛、拉斯曼丘陵斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)与米洛半岛等地都有发育。兰尼半岛的麻粒岩主要矿物组合含石榴石、斜方辉石、石英、金红石、钛铁矿等, 退变质矿物阶段发育堇青石、长石、黑云母, 其峰期温压条件为910±50℃、9±0.5 kbar(如样品RG07-21[28]); 梅瑟(马瑟)半岛的富镁片麻岩主要矿物组合为石榴石、斜方辉石、长石等(如样品91-38[27])。斯图尔内斯半岛(斯托尼斯半岛)含斜方辉石的麻粒岩主要矿物组合包括石榴石、斜方辉石、堇青石、钾长石、石英等[72, 76]。米洛半岛含斜方辉石的麻粒岩主要矿物组合为石榴石、斜方辉石、反条纹长石、石英等, 并含有少量退变质阶段的堇青石[29]。

3 普里兹湾地区超高温变质作用时代

普里兹湾地区主要记录3期较明确的变质作用: (1)发生在新太古代—古元古代初, 年龄大致为2520～2450 Ma, 主要发育在西福尔丘陵地区; (2)发生在中元古代末—新元古代初, 年龄大致为1060～900 Ma; (3)发生在新元古代末—早古生代初, 年龄大致为580～510 Ma[29, 34, 65, 77]。普里兹湾地区很多地体不同程度地经历了格林维尔期(1060～900 Ma)和泛非期(580～510 Ma)两期变质作用的叠加[39]。

关于赖于尔(茹尔)群岛超高温变质作用的时代已有一些研究。Kelsey等[64]通过电子探针U-Th-Pb化学等时线法测定梅瑟(马瑟)半岛的富镁铝麻粒岩相变泥质岩原位独居石的年龄, 认为超高温变质作用可能发生于泛非期(～511±4 Ma)。Kelsey等[65]对肖特角的麻粒岩相变泥质岩中的独居石中Y、Th、U、Pb元素进行了研究, 并运用电子探针U-Th-Pb测定原位独居石年龄, 认为超高温变质作用可能发生于泛非期(540～520 Ma)。Wang等[78]对梅瑟(马瑟)半岛含假蓝宝石的变泥质岩中分选的锆石运用离子探针U-Pb定年, 结果显示从锆石幔部获得的年龄在格林维尔期(～995 Ma), 从边部获得的年龄在泛非期(～530 Ma), 并认为超高温变质作用可能发生于格林维尔期。Hokada等[66]利用电子探针U-Th-Pb化学等时线法测定梅瑟(马瑟)半岛的超高温富镁铝片麻岩原位独居石的年龄, 认为超高温变质作用的年龄可能发生在590～580 Ma之前。Clark等[28]对兰尼半岛麻粒岩分选的锆石边缘和新结晶的独居石颗粒进行U-Pb定年, 获得的年龄约514 Ma, 推测相应的超高温变质作用可能在此之前。姐妹岛的石榴石二辉麻粒岩, 峰期变质作用温压条件在980℃、10 kbar, 通过石榴石全岩Sm-Nd同位素测得主期矿物组合的年龄为990 Ma[54, 56]。Wang 等[29]通过系统分析拉斯曼丘陵不同类型麻粒岩中锆石和独居石等结构关系、年龄以及成分特征, 认为该地区超高温变质作用的峰期应在550～540 Ma左右。总之, 普里兹湾地区超高温变质作用的时代仍存在分歧, 一种观点认为超高温变质作用发生在格林维尔期, 另一种观点认为超高温变质作用发生在泛非期。该地区超高温变质作用的确切时代还需结合矿物反应关系以及原位年代学分析技术进行深入研究。

4 普里兹湾地区超高温变质作用的P-T-t轨迹

多期变质作用叠加导致普里兹湾地区岩石变质历史较为复杂, P-T-t轨迹仍存在争议。大多研究给出的P-T-t轨迹为顺时针, 但有少数为逆时针[72]。一般认为较高温度和压力的P-T轨迹对应新元古代格林维尔期, 较低温度和压力的P-T轨迹对应晚新元古代-早古生代泛非期, 但目前缺乏精确的年龄限定。

对赖于尔群岛局部地体中的富镁铝变泥质岩使用传统温压计方法估算出峰期条件为1050℃、12 kbar, 峰期后沿近等温降压的轨迹演化, 最终退变到750℃、5 kbar[27, 40]。Kelsey等[64]使用相平衡模拟获得降温降压的P-T轨迹, 并认为峰期温压条件比之前的估算偏低, 为950～975℃、10～10.6 kbar, 峰后可能沿降温减压轨迹至800～850℃、>7 kbar, 并不一定需要近等温降压过程。Tong和Wilson[69]对含石榴石镁铁质麻粒岩的变质反应结构等做了细致研究, 认为峰期前的温压条件为850℃、10～11 kbar, 峰期温压条件为960～970℃、12 kbar, 之后近等温减压至1000℃、10 kbar, 随后进一步减压冷却至800℃、7 kbar, 整体经历了顺时针演化的P-T轨迹。并认为初始阶段至超高温变质峰期可能与格林维尔期的构造事件有关, 随后的减压冷却可能与早古生代泛非期构造事件有关。Clark等[28]对赖于尔群岛的兰尼半岛不含假蓝宝石的麻粒岩进行了研究, 认为其峰期温压条件为 910±50℃、9±0.5 kbar , 并推测其整体经历了顺时针P-T轨迹。

Thost等[56]使用传统温压计估算出姐妹岛的石榴二辉麻粒岩的温压条件为980℃、10 kbar, 该岩石在后期经历了两个阶段的减压退变, 其中第二个阶段退变的温压条件为850℃、7 kbar, 并基于矿物反应结构确定其经历了顺时针演化的P-T轨迹, 根据石榴石-全岩Sm-Nd等时线定年揭示该麻粒岩形成于格林维尔期[54]。Tong 等[51]对拉斯曼丘陵转石中含石榴石镁铁质麻粒岩进行了研究, 估测峰变质作用的温压条件为900～ 950℃、9.3 kbar (M1), 随后减压冷却至810～ 830℃、7.2～7.6 kbar (M2), 之后进一步减压冷却至730～770℃、6.2～6.9 kbar (M3), 整体经历了顺时针演化的P-T轨迹; 推测其中峰期M1形成于格林维尔期, M2、M3退变质阶段形成于泛非期, 但缺少直接年代学约束。Wang 等[29]通过对拉斯曼丘陵不同类型麻粒岩进行研究认为有些岩石记录了超高温变质作用, 峰期可能达到950℃以上, 整体应沿顺时针轨迹演化。

5 普里兹湾地区超高温变质作用的热源

5.1 超高温变质作用热源类型

超高温变质作用的地热梯度在75℃/ kbar以上[2]。超高温岩石可以在很多变质带中出现[79], 但对于超高温变质作用的热源有着不同的观点。根据已有的研究可以将热源归纳为自生热和外来热两大类。自生热主要有放射性元素衰变热和机械热, 外来热主要是深部基性岩浆等通过热对流及热传导等方式传入。

5.1.1 自生热

自生热包括放射性元素衰变热和机械热。U、Th、K等元素放射性衰变可以产生热量[80]。通过模拟计算表明放射性热与超高温变质作用有紧密的联系, 至少在一定程度上会为超高温变质作用提供一定的热源[75, 79]。

机械热可以产生热量[16, 79]。在上地壳的脆性区域内, 机械热实际上可能仅限于摩擦生热; 在中下部地壳的韧性区域中, 机械热为应变热[16]。应变热与应变率和剪切强度有关。有研究[16]表明, 根据单斜辉石流变特征, 在应变率为3×10−13s−1时, 温度可以达到1040℃。

5.1.2 外来热

超高温变质作用的外来热主要是由深部基性岩浆提供, 主要通过热对流方式进行, 在局部热传导方式也起一定作用。地壳中大量外来热的获得可能与下地壳拆沉、软流圈上涌、洋脊俯冲、地幔柱活动等机制有关[58, 81-82]。

5.2 普里兹湾地区超高温变质作用的可能热源

东南极普里兹湾地区发育典型超高温变质作用, 以往的相关研究主要集中在岩石学与年代学等方面, 对其热源缺乏系统研究。有研究推测普里兹湾地区的热源与陆壳之下大量岩浆物质侵入导致的岩浆垫板作用[76]、岩石圈地幔减薄[24, 46, 76]等机制有关, 但还缺少坚实的证据, 将来需要对该地区超高温变质作用的热源进行深入研究。

6 普里兹湾地区超高温变质作用的构造背景

关于超高温变质作用的构造环境存在不同的认识, 是一个有待解决的重要问题。已有的研究显示超高温变质作用通常发生在超大陆形成期间, 可能与超大陆的演化密切相关[2, 4]。板块构造的不同演化阶段可能为超高温变质作用的发生提供潜在背景。洋脊俯冲[21]、弧后盆地[2, 4]、碰撞后板片断离引起的软流圈上涌[58]、造山带下地壳拆沉[22]都可能是超高温变质作用发生的构造环境。另外, 大陆裂谷和地幔柱也可能导致超高温变质作用[23]。洋脊俯冲: 洋中脊俯冲可以形成板片窗, 导致软流圈上涌, 使浅部增生楔异常高温, 并可能导致高温-超高温变质作用[21, 83-84]。弧后盆地: 是俯冲系统的一部分, 一般是指汇聚板块边缘的延伸区域[85]。弧后盆地由于具有薄而弱的地壳和较高的热流[18], 因此可能是发生超高温变质作用和生成未来活动带的合适场所[4]。如泛非时期活动带内发生的许多超高温变质作用可能与倒转和加厚的弧后盆地有关[5]。碰撞后板片断离引起的软流圈上涌: 在碰撞后阶段, 俯冲大洋板块从大陆板块分离, 在两个板块之间形成了一个间隙(板片窗), 软流圈地幔通过此间隙向上移动, 为岩石圈地幔提供了高热量。岩石圈地幔发生部分熔融, 形成基性岩浆并在陆壳底部底侵, 增加了下地壳的地热梯度, 导致超高温变质作用的形成[86]。朝鲜半岛Odaesan地区发生的超高温变质作用, 与碰撞后板片断离引起的软流圈上涌有关[86]。造山带下地壳拆沉: 过度增厚的下地壳和岩石圈地幔由于重力不稳定, 导致岩石圈地幔等沉入下伏软流圈或地幔[22]。拆沉导致了地幔软流圈上涌, 为高温-超高温变质作用提供条件[22]。大陆裂谷和地幔柱:大陆裂谷反映岩石圈减薄的过程, 最终可能导致大陆的分裂、洋中脊的形成[87]。很多大陆裂谷的形成与地幔柱有关。地幔柱可能源自核-幔边界, 是高温、狭窄的地幔上升流[88-89], 地幔柱提供的热量和挥发成分有利于在下地壳产生超高温矿物组合[23, 75]。

东南极普里兹湾地区超高温变质作用的构造背景目前还没有清晰查明。超高温变质作用的形成时代存在争议: 一种观点认为超高温变质作用发生于格林维尔期[27, 69, 78], 另一种观点认为超高温变质作用发生于泛非期[28, 65-66]。而普里兹湾地区格林维尔期和泛非期的构造背景可能存在明显差异。格林维尔期变质事件的构造背景可能与碰撞作用有关[69]。关于泛非期变质事件的构造背景有两种观点: 一种观点认为与碰撞造山作用有关[44-45, 90-92], 另一种观点认为与陆内造山作用有关[93-95]。因此, 准确限定超高温变质作用的形成时代对限定其构造背景具有重要意义。Harley[38]推测(超)高温变质作用发生于格林维尔期, 其构造背景可能与碰撞作用有关, 并根据麻粒岩的P-T轨迹认为普里兹湾地区的构造模型包括增厚地壳通过伸展垮塌快速折返, 但Kelsey等[64]认为超高温变质作用很可能发生于泛非期, 并认为超高温变质作用的构造背景可能不需要增厚地壳的快速折返。Wang等[29]认为超高温变质作用发生于泛非期, 构造背景可能与加厚地壳的伸展过程有关。

7 总结与展望

已有的研究表明, 普里兹湾地区发育超高温变质作用, 其中赖于尔(茹尔)群岛的超高温变质作用最为典型, 拉斯曼丘陵、姐妹岛等地主要记录高温变质作用, 但局部也可能记录超高温变质作用。该地区高温、超高温变质作用岩石类型多样, 具有不同矿物组合。已有研究显示该地区超高温变质作用可能经历了顺时针演化轨迹, 一般认为较高温度和压力的P-T轨迹对应格林维尔期, 较低温度和压力的P-T轨迹对应泛非期, 但还缺少精确的年代限定。主要的超高温变质作用可能发生于新元古代-早古生代的泛非期, 但也存在不同认识。尽管已有的研究取得了不少的进展, 但由于各种因素制约, 超高温变质作用具体的分布范围、形成条件、演化特征、形成时代以及构造背景等都还缺乏清晰限定, 需要深入研究。

普里兹湾地区的超高温变质作用既典型又复杂, 是研究超高温变质作用的理想地区之一。深入开展相关研究将有助于深入理解超高温变质作用过程中矿物演化与部分熔融作用以及地壳分异过程, 也有助于揭示南极大陆的构造-热演化历史。因此, 将来的工作中应从岩石学、年代学、构造-热演化历史等方面对普里兹湾地区超高温变质作用开展综合研究, 以期解决相关的重要科学问题。

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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 Søstrene 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, Søstrene 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月收到来稿, 2022年4月收到修改稿

国家自然科学基金(41941004, 42172068)和地质调查项目(DD20221810)资助

表璇, 女, 1996年生。硕士, 主要从事岩石学研究。E-mail:biaoxuan11@163.com

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

10.13679/j.jdyj.20210074