劉曉春趙 越王 偉陳龍耀鄭光高劉 健王亞飛任留東

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京100081;

2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局極地地學(xué)研究中心,北京 100081;

3.自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;

4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037

0 引言

地球的形成與早期演化是固體地球科學(xué)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)和前沿課題。自冥古宙至太古宙的地球早期歷史長(zhǎng)達(dá)～21億年,占據(jù)整個(gè)地球演化史的近一半。遺憾的是,由于后期漫長(zhǎng)的改造與破壞(如晚期大撞擊事件,板塊構(gòu)造引起的俯沖、剝蝕等),地球早期形成的地質(zhì)記錄保存相對(duì)較少,特別是冥古宙到古太古代的巖石更鮮有保存。事實(shí)上,這一重要地球演化階段涉及到大陸地殼的起源和演化 (沈其韓等, 2016; Hoffmann and Kr?ner, 2019)、地球早期的構(gòu)造體制與板塊構(gòu)造的起始 (翟明國(guó), 2012; Cawood et al., 2018)、 地球早期環(huán)境演變及成礦 (Frei and Polat, 2007; 張連昌等, 2012; Byerly et al., 2019; Philippot et al., 2019)等地球科學(xué)的重大前沿科學(xué)問(wèn)題,這些問(wèn)題對(duì)于認(rèn)識(shí)地球如何從形成時(shí)的高溫熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉斓囊司有乔蛑陵P(guān)重要。

現(xiàn)今對(duì)地球早期演化歷史的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自于幾個(gè)古老巖石較發(fā)育的古陸核,如格陵蘭、加拿大、南非、澳大利亞以及中國(guó)華北等地。東南極地盾是地球上最大、最古老的克拉通之一,也是世界上少數(shù)幾個(gè)保存有地球早期(始太古代—古太古代)巖石記錄的地區(qū)之一,部分巖石中還存在冥古宙鋯石(Harley et al., 2019)。與世界上其他地區(qū)的古陸核一樣,東南極古陸核也保留了多期巖漿和變質(zhì)事件的記錄,發(fā)育大規(guī)模的TTG片麻巖,產(chǎn)出古老的變質(zhì)表殼巖和條帶狀鐵建造(BIF),這為研究地球早期地殼的形成與演化提供了非常難得的對(duì)象。然而,與其他地區(qū)相比,對(duì)東南極太古宙陸塊/地體的研究程度還很低,對(duì)地球早期演化研究領(lǐng)域的貢獻(xiàn)有限,亟待開(kāi)展深入的研究工作。文章簡(jiǎn)要介紹了東南極古陸核的分布和研究現(xiàn)狀,對(duì)古陸核研究中存在的主要問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論,并提出了下一步研究工作的設(shè)想。

1 東南極古陸核的分布及研究現(xiàn)狀

太古宙陸核在東南極地盾(克拉通)中的分布比較廣泛(圖1),主要集中出露在面向印度洋扇區(qū)的內(nèi)皮爾山(Napier Mountains)、南查爾斯王子山 (Southern Prince Charles Mountains)以及普里茲灣東部的賴于爾群島(Rauer Group)和西福爾丘陵(Vestfold Hills),其中在西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)推測(cè)還存在一個(gè)古太古代的冰下陸塊 (Zhao et al., 2007, 2019; 劉健等, 2011)。此外,在其他地區(qū)也有零星的太古宙巖石(物質(zhì))出露,包括面向非洲扇區(qū)的格呂訥霍格納群峰 (Grunehogna Peaks)、面向澳大利亞扇區(qū)的登曼冰川(Denman Glacier)-邦杰丘陵 (Bunger Hills) 和阿黛利地(Terre Adélie)以及面向太平洋扇區(qū)的沙克爾頓嶺(Shackleton Range)和米勒嶺(Miller Range)等。以下對(duì)東南極古陸核的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,其中主要古陸核的地質(zhì)事件演化序列總結(jié)見(jiàn)圖2。

圖1 東南極與岡瓦納相鄰陸塊在～500 Ma的重建簡(jiǎn)圖(據(jù)Harley et al., 2013修改)Fig.1 Simplified map showing the reconstruction of Antarctica and adjacent areas of Gondwana at ～500 Ma (modified after Harley et al., 2013)AF-Albany-Fraser Orogen; AM-Amundsen Province; AP-Antarctic Peninsula; BH-Bunger Hills; BK-Bundelkhand Craton; BSBastar Craton; CB-Coompana Block;CD-central Dronning Maud Land; CG-Congo Craton; CH-Chatham Rise; CITZ-central Indian Tectonic Zone; CK-Choma-Kalomo Block; CL-Coats Land; CM-Campbell Plateau; CP-Cape Fold Belt; CPR-Capricorn Orogen; DG-Denman Glacier; DM-Damara Orogen; DO-Delamerian Orogen; DW-Dharwar Craton; EG-Eastern Ghats Belt; EWMEllsworth-Whitmore Mountains Block; FM-Falkland-Malvinas Plateau; G-Grunehogna Craton; GM-Grove Mountains; GSMGamburtsev Subglacial Mountains; GW-Gawler Craton; IR-Irumide Orogen; KH-Kalahari Craton; KB-Kibaran Orogen; LB-Lurio Belt; LF-Lufilian Arc; LH-Lützow-Holm Complex; LC-Lachlan Orogen; MD-Madagascar; MR-Miller Range; MZ-Mozambique Orogen; N-Napier Complex; NA-North Australian Craton; NE-New England Orogen; NH-Northampton Complex; NN-Namaqua-Natal Orogen; NPC-northern Prince Charles Mountains; NV-northern Victoria Land terranes; NZ-New Zealand; PAT-Patagonia; PB-Prydz Bay; PJ-Pinjarra Orogen; PL-Pilbara Craton; PM-Petermann Orogen; PT-Paterson Orogen; RG-Rauer Group; RO-Ross Orogen; RS-Ross Province; RY-Rayner Complex; SG-Southern Granulite Terrane; SI-Singhbhum Craton; SK-Shackleton Range; SP-South Pole; SPC-southern Prince Charles Mountains; SR-S?r Rondane Mountains; STR-South Tasman Rise; T-Tasmania; TATerre Adélie; TH-Thomson Orogen; TIB-Thurston Island Block; TZ-Tanzania Craton; VH-Vestfold Hills; VSH-Vostok Subglacial Highlands; WD-western Dronning Maud Land; WI-Windmill Islands; YG-Yilgarn Craton; ZM-Zambezi Orogen

1.1 面向印度洋扇區(qū)的古陸核

1.1.1 內(nèi)皮爾山

位于恩德比地(Enderby Land)北側(cè)內(nèi)皮爾山的內(nèi)皮爾雜巖出露有南極洲最古老的巖石,也是地球上最古老的巖石之一?，F(xiàn)階段已被證實(shí)的內(nèi)皮爾雜巖中最古老的巖石是松斯山(Mount Sones)和蓋奇山脊(Gage Ridge)的正片麻巖,其侵位時(shí)代為始太古代(3.85～3.84 Ga),并在其內(nèi)發(fā)現(xiàn)了冥古宙-太古宙早期(4.12～3.89 Ga)具巖漿結(jié)構(gòu)的繼承鋯石 (Black et al., 1986; Harley and Black, 1997; Kelly and Harley, 2005)。此外,內(nèi)皮爾雜巖中還出露各種古太古代—新太古代的巖石,如:①蓋奇山脊和阿克爾群峰(Aker Peaks)的3.65～3.60 Ga英云閃長(zhǎng)質(zhì)和紫蘇花崗質(zhì)片麻巖(Belyatsky et al., 2011; Kusiak et al., 2013a, 2013b);②里瑟-拉森山(Mount Riiser-Larsen)和托納島(Tonagh Island) 的3.28～3.23 Ga正片麻巖(Hokada et al., 2003);③普羅克勒梅申島(Proclamation Island)、達(dá)爾維茨冰原島峰(Dallwitz Nunatak)和里瑟-拉森山的～3.0 Ga正片麻巖(Harley and Black, 1997; Kelly and Harley, 2005);④達(dá)爾維茨冰原島峰主體的2.8 Ga英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖 (Harley and Black, 1997; Kelly and Harley, 2005);⑤托納島的2.74～2.62 Ga正片麻巖(Carson et al., 2002a, 2002b; Crowe et al., 2002; Horie et al., 2012)。內(nèi)皮爾雜巖主體經(jīng)歷了2.84～2.82 Ga的高溫/低壓變質(zhì)作用,并在2.59～2.45 Ga遭受到區(qū)域超高溫(UHT)變質(zhì)作用的改造(Grew and Manton, 1979; James and Black, 1981; Black et al.,1983a; Kelly and Harley, 2005; Harley, 2016; Mitchell and Harley, 2017),格林維爾期(～1000 Ma)有角閃巖相剪切帶形成(Sandiford, 1985),泛非期(～500 Ma)的角閃巖相流體滲透導(dǎo)致了巖石的局部退變及偉晶巖侵入(Carson et al., 2002b)。與此不同的是,在東部肯普地(Kemp Land)厄于加倫群島(Oygarden Group)中的內(nèi)皮爾雜巖則經(jīng)歷了1650～1600 Ma熱事件和930～900 Ma麻粒巖相變質(zhì)作用的強(qiáng)烈改造(Kelly et al., 2002, 2004)。

1.1.2 南查爾斯王子山

南查爾斯王子山南側(cè)的魯克地體 (Ruker Terrane)是東南極內(nèi)陸基巖集中出露區(qū)域的典型代表之一。魯克地體主要由太古宙正片麻巖組成,上覆不同時(shí)代的變質(zhì)沉積巖系。主要的太古宙巖石是3.39～3.37 Ga的英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖、3.19～3.15 Ga的花崗質(zhì)片麻巖 (Mawson Orthogneiss Suite)以及分別在3.15 Ga和2.8 Ga之后沉積的變質(zhì)表殼巖 (Tingey, 1982, 1991; Boger et al., 2001, 2006; Mikhalsky et al., 2001, 2006a, 2006b, 2010; Phillipset al., 2006; Flowerdraw et al., 2013)。這些正片麻巖的Nd模式年齡達(dá)3.8～3.2 Ga,暗示可能有更加古老物質(zhì)的存在。Boger et al. (2008)在莫森陡崖 (Mawson Escarpment)中部的曼寧冰川 (Manning Glacier)附近發(fā)現(xiàn)了具有高Sr/Y比值的偏鋁質(zhì)TTG片麻巖,其侵位時(shí)代為3.52 Ga。然而,由于巖石中還含有個(gè)別新太古代和泛非期的鋯石,所以對(duì)這一年齡結(jié)果的解釋仍存爭(zhēng)議 (Corvino et al., 2011)。魯克地體經(jīng)歷了2.8～2.77 Ga綠片巖相-角閃巖相變質(zhì)和變形作用 (Boger et al., 2001, 2006)以及泛非期低角閃巖相變質(zhì)作用的改造 (Phillips et al., 2007a, 2007b)。值得指出的是,在南查爾斯王子山的魯克山(Mount Ruker)和斯蒂尼爾山(Mount Stinear)產(chǎn)出有新太古代—古元古代早期的條帶狀磁鐵礦層(或稱碧玉巖,即BIF),屬于蘇必利爾湖型和阿爾戈馬型鐵建造之間的過(guò)渡類型(Mikhalsky et al., 2001)。已有資料表明,BIF層出露厚度～70 m,礦石平均含鐵品位為33.5%,最富可達(dá)58%,整個(gè)巖系厚度達(dá)400 m,航磁異常長(zhǎng)達(dá)120～180 km,寬5～10 km,被認(rèn)為是世界最大鐵礦(Ravich et al., 1982; Tingey, 1990; Mikhalsky et al., 2001),但其產(chǎn)出背景、成因以及真實(shí)的儲(chǔ)量仍然需要做進(jìn)一步的調(diào)查和研究。

1.1.3 賴于爾群島

賴于爾群島是一個(gè)太古宙—中元古代復(fù)合高級(jí)變質(zhì)地體,包含太古宙英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖和中元古代鎂鐵質(zhì)-長(zhǎng)英質(zhì)侵入體,間夾少量表殼副片麻巖和基性巖脈(基性麻粒巖)。太古宙巖石主要出露在馬瑟半島 (Mather Peninsula)、肖特角(Short Point)、謝爾比尼納島 (Scherbinina Island)和托克勒島 (Torckler Island)等,主要由3.47～3.27 Ga 和2.84～2.80 Ga兩個(gè)時(shí)期的TTG片麻巖以及少量的2.55 Ga的英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖所構(gòu)成 (Sheraton et al., 1984; Kinny et al., 1993; Harley et al., 1995, 1998; Hokada et al., 2016; Harley et al., 2019)。3.47～3.27 Ga TTG片麻巖的Nd模式年齡為3.8 Ga,2.85～2.80 Ga TTG片麻巖的Nd模式年齡為3.5 Ga(Sheraton et al., 1984; Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998)。 同時(shí),2.85～2.80 Ga和2.55 Ga的TTG片麻巖中含有大量的3.50～3.25 Ga的繼承巖漿鋯石 (Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998; Harley et al., 2019)。在古太古代巖石中已識(shí)別出2.84～2.80 Ga熱事件,而所有太古宙巖石均經(jīng)歷了泛非期麻粒巖相變質(zhì)作用的改造,且在局部有超高溫(＞1000 ℃)變泥質(zhì)巖的報(bào)道 (Harley and Fitzsimons, 1991; Harley, 1998; Kelsey et al., 2003; Tong and Wilson, 2006; Hokada et al., 2016; Liu et al., 2021)。

1.1.4 西福爾丘陵(西福爾陸塊)

西福爾丘陵是一個(gè)獨(dú)特的新太古代/古元古代克拉通陸塊,位于賴于爾群島東北15 km 處,但與賴于爾群島的巖石組成明顯不同。新的大地電磁調(diào)查推測(cè)二者之間存在一條古縫合線,但其時(shí)代無(wú)法準(zhǔn)確推斷(Peacock and Selway, 2016)。西福爾丘陵的巖石主要由2.52～2.48 Ga英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖和新太古代變質(zhì)表殼巖所組成 (Oliver et al., 1982; Black et al., 1991; Snape et al., 1997; Clark et al., 2012)。2.52～2.48 Ga英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖中含有2.80 Ga的巖漿成因繼承鋯石和3.05 Ga的Nd模式年齡 (Black et al., 1991; Kinny et al., 1993)。新太古代變質(zhì)表殼巖的沉積作用發(fā)生在2.58～2.52 Ga,其主要年齡峰值為2.75～2.60 Ga,且含有3.3～3.1 Ga的碎屑鋯石和5顆年齡＞3.7 Ga的鋯石(Clark et al., 2012)。西福爾丘陵新太古代/古元古代地殼普遍經(jīng)歷了2.50～2.45 Ga高角閃巖相-麻粒巖相變質(zhì)作用 (Zulbati and Harley, 2007; Clark et al., 2012)?；诘刭|(zhì)事件對(duì)比,Clark et al.(2012)提出西福爾陸塊來(lái)自于華北克拉通的邊緣,在新太古代/古元古代時(shí)期與印度古陸核碰撞對(duì)接,而后隨著印度與東南極的匯聚-分離而遺留在南極大陸之上。西福爾丘陵的另一個(gè)重要特征是在古元古代—中元古代(2.47～1.23 Ga)有大量的,不同時(shí)期的基性巖墻群侵入(Lanyon et al., 1993; Seitz, 1994),并經(jīng)歷了格林維爾期(～960～940 Ma)麻粒巖相變質(zhì)作用的改造以及泛非期構(gòu)造熱事件的影響 (Liu et al., 2014)。

1.1.5 西福爾丘陵(冰下陸塊)

西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)古太古代冰下陸塊是近年在進(jìn)行冰下地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)獨(dú)特的古太古代陸塊(Zhao et al., 2007, 2019; 劉健等, 2011)。西福爾丘陵?yáng)|南部存在一條斷續(xù)延伸～20 km、寬～0.3～0.7 km的冰磧石帶,主要由TTG片麻巖、基性巖、石英巖、淺變質(zhì)火山巖(片巖類)、沉積巖(砂巖類)等礫石和松散沙組成,具有混雜堆積、分選差的特征。根據(jù)冰川流動(dòng)方向等資料,以及碎石帶中礫石組成和周圍冰川漂礫構(gòu)成情況,推測(cè)這些冰磧物是從西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)冰川下面搬運(yùn)而來(lái)。初步的鋯石U-Pb定年表明,TTG片麻巖和淺變質(zhì)火山巖礫石樣品中的鋯石U-Pb上交點(diǎn)年齡主要集中在～3.5～3.3 Ga,下交點(diǎn)年齡或?yàn)椤?50 Ma,或?yàn)椤?00 Ma;沉積巖礫石樣品中碎屑鋯石U-Pb年齡主要集中在～2.5 Ga;冰磧物松散沙樣品的碎屑鋯石U-Pb峰值年齡主要集中在～3.5～3.3 Ga、2.5～2.4 Ga、 ～900～800 Ma和～600～500 Ma。這些年齡信息一方面說(shuō)明西福爾陸塊的分布范圍可能遠(yuǎn)比目前所出露的廣闊,另一方面暗示在西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)的冰蓋之下可能存在一個(gè)從前未知的,年齡可達(dá)～3.5～3.3 Ga的冰下陸塊,該陸塊只遭受到綠片巖相變質(zhì)作用的改造。不僅如此,在冰磧物中還發(fā)現(xiàn)了大量的條帶狀鐵建造(BIF)樣品,說(shuō)明該古老陸塊也是潛在的鐵礦賦存區(qū)。

1.2 面向其他扇區(qū)的古陸核

1.2.1 格呂訥霍格納群峰

在毛德王后地(Dronning Maud Land)格呂訥霍格納群峰中的安南達(dá)格斯群峰(Annandagstoppane)出露一個(gè)中太古代S型淡色花崗巖體,并由此厘定出一個(gè)與非洲卡拉哈里(Kalahari)克拉通相對(duì)應(yīng)的格呂訥霍格納克拉通。以前使用礦物-全巖Rb-Sr法和全巖Pb-Pb法定年獲得花崗巖的侵位年齡為～3.0 Ga,并經(jīng)歷了～2.82 Ga熱事件的疊加(Barton et al., 1987)。后經(jīng)鋯石U-Pb定年獲得3067±8 Ma的精確年齡,并含有3433±7 Ma的繼承鋯石 (Marschall et al., 2010)。全巖地球化學(xué)和鋯石Hf-O同位素研究表明花崗巖源于表殼沉積巖的部分熔融,而Hf同位素示蹤進(jìn)一步表明其來(lái)自于～3.90 Ga、 ～3.75 Ga和～3.50 Ga等三個(gè)始太古代—古太古代殼源層 (Marschall et al., 2010)。此外,該花崗巖的Rb-Sr同位素體系在～1.15 Ga被重設(shè),并在～460 Ma受到熱液活動(dòng)的影響(Barton et al., 1987)。

1.2.2 登曼冰川和邦杰丘陵

登曼冰川最古老的巖石出露在沙爾科角(Cape Charcot),那里英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖的形成年齡為3.00 Ga,并經(jīng)歷了2.89 Ga麻粒巖相變質(zhì)作用的改造,在516±7 Ma有正長(zhǎng)巖侵入 (Black et al., 1992)。此外,在奧布魯切夫丘陵 (Obruchev Hills)也有2.64 Ga英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖的報(bào)道(Sheraton et al., 1992)。最近,在邦杰丘陵?yáng)|南部露巖區(qū)也識(shí)別出新太古代基底巖石,主要由鎂鐵質(zhì)-長(zhǎng)英質(zhì)正片麻巖和副片麻巖構(gòu)成,其原巖年齡集中在2.77～2.71 Ga,新太古代鋯石的δ18O為+5.80,與原始地幔值相似,初始Hf同位素比值εHf(t)為-5至+8,表明也受到陸殼物質(zhì)的影響(Tucker et al., 2017)。該新太古代基底在1.26～1.20 Ga被英云閃長(zhǎng)質(zhì)-花崗質(zhì)巖漿侵入,并在同期(1.25～1.20 Ga)經(jīng)歷了麻粒巖相變質(zhì)作用(Tucker et al., 2017)。

1.2.3 阿黛利地、米勒嶺和沙克爾頓嶺

阿黛利地太古宙巖石主要有3.15～3.05 Ga的片麻巖殘留 (?)和2.56～2.45 Ga的表殼巖系,二者在2.44 Ga遭受變質(zhì),并在1.71～1.69 Ga經(jīng)歷了綠片巖-角閃巖相變質(zhì)作用的改造(Peucat et al., 1999; Ménot et al., 2005)。在米勒嶺的尼姆洛德群(Nimrod Group),初始地殼由3.15～3.0 Ga的巖漿作用產(chǎn)生,地殼固結(jié)和變質(zhì)作用發(fā)生在2.96～2.90 Ga,而后遭受到～2.50 Ga、1.73～1.72 Ga和540～515 Ma三次造山作用的改造(Goodge and Fanning, 2002)。沙克爾頓嶺含有一個(gè)被泛非期構(gòu)造熱事件強(qiáng)烈改造的古元古代地質(zhì)體,其內(nèi)可見(jiàn)2.85 Ga的碎屑鋯石 (Will et al., 2009)。 實(shí)際上,在這三個(gè)地區(qū)報(bào)道的太古宙年齡大多來(lái)自于碎屑或繼承鋯石,這里是否有真正的太古宙巖石(特別是火成巖石)并不是十分明確。

2 東南極古陸核研究中存在的主要問(wèn)題

2.1 太古宙巖石分布、規(guī)模及相互關(guān)系確定的困難性

南極大陸的98%終年被冰雪覆蓋,基巖出露面積僅占2%,且缺乏連續(xù)性。東南極地盾太古宙巖石雖然分布廣泛,但由于出露有限和野外考察的困難,現(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)和確定的太古宙巖石均比較零星,對(duì)一個(gè)地區(qū)太古宙巖石的分布特征難以形成總體上的認(rèn)識(shí)。另一方面,也是因?yàn)槁额^的不連續(xù)性,在南極大陸很難觀察到不同地質(zhì)體之間的界限,而地質(zhì)體的劃分幾乎都是依靠同位素年齡來(lái)推斷,這給太古宙巖石的識(shí)別及與其他地質(zhì)體關(guān)系的確定帶來(lái)很大困難。例如,內(nèi)皮爾雜巖是南極大陸太古宙巖石發(fā)現(xiàn)最早、最多和研究程度最高的地區(qū),且太古宙各個(gè)時(shí)期的巖石均有出露,然而,各個(gè)時(shí)期巖石的分布特征及相互間的關(guān)系到現(xiàn)在也不十分清楚;賴于爾群島是一個(gè)太古宙—中元古代復(fù)合地體,不僅二者界限不清,除已知的幾個(gè)島嶼外,其他島嶼是否含有太古宙巖石仍然不清楚;最近在西福爾丘陵?yáng)|南部推測(cè)出的古元古代冰下陸塊,其與其他地質(zhì)體的關(guān)系更不清楚。實(shí)際上,南極未被冰雪覆蓋的太古宙巖石只是太古宙地體或陸塊的一小部分,其冰下到底達(dá)到多大的規(guī)模,需要地球物理調(diào)查資料的推測(cè)和冰巖鉆探的驗(yàn)證。遺憾的是,無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,冰巖鉆探工作都處在技術(shù)研發(fā)階段,短期內(nèi)還無(wú)法開(kāi)展,而地球物理調(diào)查工作也并非易事。現(xiàn)有的地球物理探測(cè)主要集中在航空地球物理方面,全南極洲的重磁異常數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)更新(Scheinert et al., 2016; Golynsky et al., 2018), 但區(qū)域性針對(duì)冰下基巖大比例尺構(gòu)造單元?jiǎng)澐值墓ぷ鞑⒉欢嘁?jiàn) (Golynsky et al., 2006a, 2006b),天然地震和大地電磁測(cè)量工作也受后勤保障影響開(kāi)展的不多 (An et al., 2015; Peacock and Selway, 2016)。盡管如此,使用地球物理手段來(lái)探測(cè)冰下地質(zhì)構(gòu)造仍是今后南極固體地球科學(xué)研究的重要方向。

2.2 太古宙巖石年齡記錄的復(fù)雜性和多解性

東南極太古宙巖石以TTG片麻巖為主,各個(gè)時(shí)期的太古宙巖石均遭受了后期不同程度角閃巖相-麻粒巖相甚至是超高溫變質(zhì)作用和強(qiáng)烈變形作用的改造。在這些過(guò)程中巖石中的鋯石也遭受了Pb同位素體系不同程度的重置并經(jīng)歷新的鋯石生長(zhǎng),如果這些TTG片麻巖本身就來(lái)源于古老地殼的熔融,在進(jìn)行鋯石U-Pb定年時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),巖石中含有不同時(shí)期的太古宙鋯石,而哪些是繼承鋯石?哪些是TTG巖漿結(jié)晶的鋯石?哪些是后期改造的鋯石?以及如何對(duì)這些不同時(shí)期的太古宙鋯石進(jìn)行甄別將直接關(guān)系到TTG侵位時(shí)代的確定。以內(nèi)皮爾雜巖為例,該雜巖中包含不同時(shí)期的太古宙巖石,且主體經(jīng)歷了2.84～2.82 Ga的高溫/低壓變質(zhì)作用和2.59～2.45 Ga的區(qū)域超高溫變質(zhì)作用的改造,局部地區(qū)還遭受到3.1 Ga構(gòu)造熱事件的影響;一方面,多期高溫?zé)崾录母脑焓沟迷瓗r形成年齡很難精確測(cè)定,另一方面,所獲得的年齡數(shù)據(jù)到底代表哪期地質(zhì)事件的時(shí)代(繼承、原巖侵位還是變質(zhì)年齡?)也不好推測(cè),存在多解性。目前在內(nèi)皮爾雜巖不同地區(qū)獲得的冥古宙—太古宙的巖漿鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)從4.12 Ga延續(xù)到2.62 Ga(Harley et al., 2019),有關(guān)這些不同時(shí)代巖石的分布規(guī)律和早期巖漿演化序列尚未查清。其他含有古太古代巖石的地質(zhì)體如魯克地體和賴于爾群島的情況也大致如此,且如前所述,對(duì)魯克雜巖中最老巖石(3.52 Ga)的侵位年齡的認(rèn)識(shí)也存在爭(zhēng)議 (Boger et al., 2008; Corvino et al., 2011)。所以,在東南極太古宙陸核中開(kāi)展精細(xì)的年代學(xué)工作仍是必要的,該工作的重要前提則是鋯石成因研究,這也是構(gòu)建南極早期地質(zhì)事件(包括巖漿事件和變質(zhì)事件)演化序列的基礎(chǔ)。

2.3 太古宙巖石地球化學(xué)和巖石成因研究的薄弱性

元素地球化學(xué)、全巖Sr-Nd-Pb同位素和鋯石Hf-O同位素研究對(duì)探討太古宙巖石成因,乃至揭示地球早期構(gòu)造體制、殼幔動(dòng)力學(xué)和大陸生長(zhǎng)機(jī)制等都具有重要的作用。東南極太古宙陸核雖然發(fā)現(xiàn)的較早且比較典型(世界上最古老巖石之一),但是主體的研究工作仍集中在古老地殼物質(zhì)的識(shí)別上,特別是正片麻巖(主要是TTG片麻巖)的地質(zhì)年代學(xué)工作,而對(duì)其地球化學(xué)特征和巖石成因的研究則涉及的很少?，F(xiàn)階段,對(duì)東南極內(nèi)皮爾雜巖、魯克地體、賴于爾群島、西福爾丘陵格和呂訥霍格納群峰中的太古宙正片麻巖只有少量地球化學(xué)數(shù)據(jù)的報(bào)道 (Sheraton et al., 1984; Mikhalsky et al., 2001, 2006b; Marschall et al., 2010),除安南達(dá)格斯群峰花崗巖外,基本上都未開(kāi)展系統(tǒng)的巖石成因研究,而針對(duì)沉積巖和BIF的專門性研究更是少見(jiàn) (Phillips et al., 2006;Ernst and Bau, 2021)。在全巖Sr-Nd-Pb同位素和鋯石Hf-O同位素方面,內(nèi)皮爾雜巖是太古宙巖石研究程度最高的地區(qū),對(duì)始太古代和古太古代正片麻巖進(jìn)行了少量的全巖Sr-Nd同位素 (Black et al., 1983b; McCulloch and Black, 1984; Black and McCulloch, 1987; Belyatsky et al., 2011)和鋯石Hf同位素 (Choi et al., 2006; Halpin et al., 2005; Hiess and Bennett, 2016)分析,這些工作對(duì)探討最古老巖石(3.85 Ga)的形成時(shí)代和地球早期地幔特征提供了重要的制約。相比而言,魯克地體、賴于爾群島、西福爾丘陵和邦杰丘陵則只有很零星的Sr-Nd-Pb-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)的報(bào)道 (Sheraton et al., 1984; Black et al., 1991; Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998; Mikhalsky et al., 2006b; Flowerdew et al., 2013; Tucker et al., 2017)。 所以,對(duì)不同太古宙陸核開(kāi)展系統(tǒng)的元素和同位素地球化學(xué)研究也十分必要,從而為追溯早期大陸殼的演化、源區(qū)性質(zhì)及構(gòu)造屬性提供制約。

2.4 太古宙地殼后期改造的多期性及聚合時(shí)間的爭(zhēng)議性

多期構(gòu)造熱事件的改造是南極大陸地質(zhì)演化的重要特色之一。在所有的古陸核中,除了在邦杰丘陵和西福爾丘陵?yáng)|南古太古代冰下地塊的巖石中沒(méi)有找到太古宙的變質(zhì)線索外,在內(nèi)皮爾雜巖、魯克地體、賴于爾群島、格呂訥霍格納群峰和登曼冰川中的古老巖石均識(shí)別出了太古代變質(zhì)作用或熱事件,而且,內(nèi)皮爾雜巖在新太古代還經(jīng)歷了超高溫變質(zhì)作用 (Mitchell and Harley, 2017)。與華北克拉通具有類似演化歷史的西福爾陸塊也經(jīng)歷了兩幕(分別為2520～2495 Ma和2475～2450 Ma)或者一幕延時(shí)的(protracted)高級(jí)變質(zhì)作用 (Zulbati and Harley, 2007; Clark et al., 2012)。此外,廣泛分布于東南極大陸的格林維爾(～1000～900 Ma)和泛非(～580～500 Ma)兩期構(gòu)造熱事件也不同程度地影響到太古宙陸核,其中影響最弱的是內(nèi)皮爾雜巖的主體,僅有局部角閃巖相流體流動(dòng)和偉晶巖脈侵入 (Carson et al., 2002b),但其東部邊緣則遭受到格林維爾期麻粒巖相變質(zhì)作用的改造 (Halpin et al., 2007)。其他地區(qū)中,西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)冰下陸塊達(dá)綠片巖相,魯克地體達(dá)角閃巖相,西福爾丘陵和邦杰丘陵達(dá)麻粒巖相,賴于爾群島達(dá)超高溫變質(zhì)相。然而,由于兩期構(gòu)造熱事件的普遍性,使人們難以判斷巖石的現(xiàn)存礦物組合到底是形成于格林維爾期還是泛非期?這種爭(zhēng)議在經(jīng)歷了超高溫變質(zhì)的賴于爾群島更加突出 (Kelsey et al., 2003, 2007; Tong and Wilson, 2006; Wang et al., 2007)。這直接影響到關(guān)于南極大陸,乃至整個(gè)東岡瓦納到底是在格林維爾期還是泛非期拼合的長(zhǎng)期爭(zhēng)論 (Liu et al., 2013),并成為東南極研究的最前沿科學(xué)問(wèn)題之一 (Harley et al., 2013)。

2.5 東南極太古宙陸核與其他岡瓦納陸塊的親緣性

東南極地盾太古宙陸核另一個(gè)重要特征是,各個(gè)陸核記錄了不同的地殼演化歷史,因此不能將其連接成一個(gè)統(tǒng)一的克拉通陸塊。即便是在陸核比較集中的面向印度洋扇區(qū),其各個(gè)陸塊也具有迥異的早期演化歷史(Harley, 2003)。根據(jù)岡瓦納古陸的重建模型(圖1),一般認(rèn)為南極大陸邊緣靠近哪個(gè)大陸,就具有哪個(gè)大陸的屬性。據(jù)此,將面向非洲扇區(qū)的格呂訥霍格納群峰的太古宙花崗巖劃歸于非洲的卡拉哈里克拉通;將面向澳大利亞扇區(qū)的登曼冰川-邦杰丘陵劃歸伊爾崗(Yilgarn craton)克拉通;阿黛利地劃歸與高勒爾(Gawler)克拉通相連的莫森(Mawson)克拉通;將面向印度洋扇區(qū)的內(nèi)皮爾雜巖劃歸于印度的達(dá)爾瓦爾(Dharwar)克拉通,賴于爾群島和西福爾丘陵劃歸于印度的辛格布姆(Singhbhum)克拉通(Fitzsimons, 2003; Harley, 2003; Boger, 2011;Tucker et al., 2017)。然而,對(duì)南極內(nèi)陸南查爾斯王子山的魯克地體、沙克爾頓嶺和米勒嶺的歸屬并不明確,而對(duì)新發(fā)現(xiàn)的西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)的古太古代冰下陸塊的構(gòu)造歸屬尚未開(kāi)展研究。必須指出,上述推測(cè)多來(lái)自于同位素年代學(xué)數(shù)據(jù)的對(duì)比,除了在面向印度洋扇區(qū)開(kāi)展了Pb同位素示蹤(Flowerdew et al., 2013)、在格呂訥霍格納群峰和邦杰丘陵開(kāi)展了少量Hf-O同位素示蹤(Marschall et al., 2010; Tucker et al., 2017)外,尚缺乏巖石地球化學(xué)(特別是同位素)證據(jù)的支持。查明不同太古宙陸核之間的親緣性不僅是地球早期演化研究的重要內(nèi)容,同時(shí)對(duì)不同地質(zhì)歷史時(shí)期里超大陸的復(fù)原也具有重要的啟示。

3 東南極古陸核下一步研究工作設(shè)想

東南極地盾的太古宙巖石雖然分布廣泛,但其出露零散且基巖露頭規(guī)模有限。根據(jù)前期野外調(diào)研基礎(chǔ)以及南極現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)考察的國(guó)內(nèi)保障和國(guó)際合作條件,建議我國(guó)對(duì)東南極古陸核調(diào)查和研究的重點(diǎn)主要放在面向印度洋扇區(qū)的內(nèi)皮爾山-查爾斯王子山-普里茲灣地區(qū),研究對(duì)象主要包括產(chǎn)出古太古代及更老巖石(或物質(zhì))的內(nèi)皮爾雜巖、魯克地體、賴于爾群島和西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)的冰下陸塊,并以后者為核心,兼顧新太古代/古元古代初期的西福爾丘陵。同時(shí),選擇面向非洲扇區(qū)的格呂訥霍格納群峰、面向澳大利亞扇區(qū)的登曼冰川-邦杰丘陵、澳大利亞伊爾崗和皮爾巴拉克拉通、印度達(dá)爾瓦爾和辛格布姆克拉通、南非卡拉哈里(即卡普瓦爾)克拉通以及華北克拉通等古老克拉通陸塊開(kāi)展對(duì)比研究,近期的研究工作可聚焦在以下幾個(gè)方面。

3.1 古太古代及更老巖石(物質(zhì))的識(shí)別、分布及精細(xì)年代

(1)通過(guò)航空地球物理調(diào)查(冰雷達(dá)、重力和磁法)獲得西福爾丘陵至南查爾斯王子山區(qū)域冰下地貌以及冰蓋流域體系,查明魯克地體、賴于爾群島和西福爾丘陵等太古宙陸塊的冰下分布范圍及陸塊邊界,結(jié)合基巖和冰磧石代表性巖石樣品的物理性質(zhì)(磁性、密度、波速和電阻率等)測(cè)定,確定西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)古太古代冰下陸塊的位置及規(guī)模,為未來(lái)可能的基巖鉆探提供選址依據(jù)。

(2)對(duì)西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)廣泛分布的冰磧碎石帶開(kāi)展系統(tǒng)的調(diào)查,查明碎石帶的物質(zhì)組成特征,在已獲得少量古太古代TTG、淺變質(zhì)火山巖和BIF的基礎(chǔ)上,搜尋和收集所有的古老巖石類型。使用高精度的離子探針(SHRIMP或CAMECA)測(cè)年技術(shù)對(duì)不同類型的巖石(包括TTG片麻巖、淺變質(zhì)火山巖及可能的變質(zhì)沉積巖)開(kāi)展精細(xì)定年,尋找更古老(冥古宙—始太古代)的巖石或鋯石,建立早期巖漿演化的序列。

(3)對(duì)賴于爾群島、魯克地體和內(nèi)皮爾雜巖中的代表性TTG片麻巖及變質(zhì)沉積巖開(kāi)展系統(tǒng)的鋯石U-Pb定年,合理解讀片麻巖中的繼承鋯石和巖漿結(jié)晶鋯石,進(jìn)而限定原巖的侵位時(shí)代。結(jié)合部分冰原島峰或海中島嶼的大比例尺地質(zhì)填圖圈定＞3.2 Ga巖石的分布范圍并查明其與其他中太古代—新太古代巖石的接觸關(guān)系,繼續(xù)尋找冥古宙—始太古代古老巖石或鋯石,建立南極大陸太古宙(～3.8～2.5 Ga)地質(zhì)事件演化序列。

3.2 太古宙巖石的成因、大陸地殼生長(zhǎng)和演化

(1)對(duì)西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)冰磧碎石帶、賴于爾群島、魯克地體和內(nèi)皮爾雜巖中的古太古代及更老的TTG片麻巖和花崗質(zhì)片麻巖開(kāi)展元素和Nd-Pb-Hf-O同位素地球化學(xué)研究,并對(duì)碎石帶中的重要樣品開(kāi)展全巖Hf-W同位素示蹤,揭示古老片麻巖的巖石成因,探索南極大陸早期地殼的起源、性質(zhì)以及生長(zhǎng)和演化過(guò)程。

(2)對(duì)賴于爾群島、內(nèi)皮爾雜巖和西福爾丘陵中的中太古代—新太古代TTG片麻巖和花崗質(zhì)片麻巖開(kāi)展元素和Nd-Pb-Hf-O同位素地球化學(xué)研究,揭示中太古代—新太古代TTG和花崗質(zhì)片麻巖的巖石成因及其與古太古代片麻巖的成分差別和演變關(guān)系,探索南極大陸太古宙中晚期地殼的性質(zhì)、生長(zhǎng)、演化過(guò)程以及可能的構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)變。

(3)對(duì)西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)冰磧碎石帶中的變質(zhì)表殼巖(淺變質(zhì)火山巖和沉積巖)開(kāi)展元素和同位素地球化學(xué)研究,查明表殼巖的源區(qū)特征及其對(duì)太古宙構(gòu)造體制的制約。同時(shí),對(duì)該冰磧碎石帶和魯克地體中的BIF開(kāi)展元素和Nd同位素地球化學(xué)研究,揭示兩個(gè)區(qū)域BIF的物質(zhì)來(lái)源、成因及其反映的沉積環(huán)境,并查明兩者是否具有成因聯(lián)系。

3.3 古陸核新太古代—古元古代變質(zhì)演化與格林維爾期和泛非期改造

(1)新太古代—古元古代變質(zhì)作用主要疊加在內(nèi)皮爾雜巖和西福爾丘陵太古宙巖石之上。內(nèi)皮爾雜巖是世界上第一個(gè)被確定的超高溫(UHT)變質(zhì)地體,也是規(guī)模最大的UHT地體之一,目前的主要爭(zhēng)論在于其UHT變質(zhì)的持續(xù)時(shí)間,有短期(～40 Ma)和長(zhǎng)期(＞100 Ma)兩種不同的認(rèn)識(shí);西福爾丘陵的麻粒巖相變質(zhì)時(shí)間大致在2.52～2.45 Ga之間,也有兩幕和一幕變質(zhì)以及高溫和超高溫變質(zhì)之爭(zhēng)。所以,對(duì)兩個(gè)地體變質(zhì)時(shí)代和變質(zhì)P-T演化均有進(jìn)一步研究的必要,二者新太古代—古元古代變質(zhì)時(shí)間的近于一致性是否說(shuō)明它們?cè)谶@一時(shí)期已匯聚在一起?也值得進(jìn)一步探究。

(2)初步研究結(jié)果表明,格林維爾期構(gòu)造熱事件在各個(gè)古陸核上的疊加與否及疊加程度(行為)是不相同的,在西福爾丘陵達(dá)到麻粒巖相,在內(nèi)皮爾雜巖東緣也達(dá)到麻粒巖相,而其內(nèi)部則為角閃巖相且具有局部的性質(zhì),在西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)冰下陸塊僅表現(xiàn)為鋯石的Pb同位素丟失,魯克地體沒(méi)有發(fā)現(xiàn)疊加的痕跡,而賴于爾群島的UHT變質(zhì)尚有格林維爾期和泛非期之爭(zhēng)。所以,查明格林維爾期變質(zhì)疊加改造的時(shí)代、變質(zhì)行為及P-T演化將有助于對(duì)格林維爾期造山作用的性質(zhì)及其對(duì)南極大陸匯聚過(guò)程的理解。

(3)泛非期構(gòu)造熱事件也疊加在所有古陸核之上,現(xiàn)研究的重點(diǎn)應(yīng)放在賴于爾群島、西福爾丘陵和西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)的冰下陸塊。在賴于爾群島,可以重點(diǎn)研究變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)非常發(fā)育的石榴二輝麻粒巖是否也經(jīng)歷了UHT變質(zhì)作用,UHT變質(zhì)的時(shí)代到底是格林維爾期還是泛非期?在西福爾丘陵,可以重點(diǎn)查明泛非期構(gòu)造熱事件的溫度到底有多高?是否引起了新礦物的生長(zhǎng),還是只表現(xiàn)為部分同位素體系(如Sm-Nd和40Ar/39Ar)的重設(shè)?在冰下陸塊,主要查明綠片巖相作用的時(shí)代和P-T條件。以此為基礎(chǔ),來(lái)探索南極大陸(乃至整個(gè)東岡瓦納)的匯聚時(shí)限、過(guò)程和機(jī)制。

3.4 東南極太古宙陸核之間以及與其他大陸古陸核的親緣關(guān)系

(1)在建立不同太古宙陸塊的地質(zhì)事件序列、巖石成因和源區(qū)性質(zhì)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)對(duì)比面向印度洋扇區(qū)的內(nèi)皮爾雜巖、魯克地體、賴于爾群島、西福爾丘陵、西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)冰下陸塊以及面向非洲扇區(qū)的格呂訥霍格納群峰和面向澳大利亞扇區(qū)的登曼冰川-邦杰丘陵的相似性和差別,揭示它們之間近緣、遠(yuǎn)緣或無(wú)緣的關(guān)系,探索地球早期陸核的形成過(guò)程。

(2)開(kāi)展南極太古宙古陸核與南半球?qū)呒{其他陸核的對(duì)比研究,并特別注重西福爾丘陵?yáng)|南側(cè)冰下陸塊和魯克地體與澳大利亞皮爾巴拉克拉通的對(duì)比,內(nèi)皮爾雜巖、賴于爾群島和西福爾丘陵與印度達(dá)爾瓦爾和辛格布姆克拉通的對(duì)比,以及格呂訥霍格納群峰與非洲卡拉哈里克拉通的對(duì)比,登曼冰川-邦杰丘陵與伊爾崗克拉通的對(duì)比,探索它們之間的親緣關(guān)系,為南極大地構(gòu)造分區(qū)及最終聚陸過(guò)程提供地質(zhì)依據(jù)。

(3)開(kāi)展西福爾丘陵與華北克拉通新太古代—古元古代沉積、巖漿和變質(zhì)事件的對(duì)比研究,對(duì)二者是否具有同源演化關(guān)系作出明確的回答。如果二者在新太古代—古元古代確曾連在一起,那么它們又是何時(shí)、如何分離的?

(4)通過(guò)國(guó)際合作獲取北半球格陵蘭和加拿大始太古代—古太古代典型樣品,對(duì)比全球早期大陸地殼的成分特征,探索南極古老陸核對(duì)地球早期地殼形成和演化的意義,為未來(lái)開(kāi)展北極地區(qū)地球早期歷史的研究做準(zhǔn)備。

4 結(jié)語(yǔ)

東南極地盾是地球上少數(shù)幾個(gè)保存有地球早期(始太古代—古太古代)巖石(鋯石)記錄的古老克拉通之一,是研究地球早期地殼的形成與演化的重要場(chǎng)所。然而,與其他地區(qū)相比,對(duì)東南極太古宙陸核(陸塊/地體)的研究程度還很低,目前仍停留在TTG片麻巖形成年齡的厘定和早期地質(zhì)記錄的尋找階段,較少涉及到巖石成因、大陸地殼生長(zhǎng)、沉積環(huán)境演變等方面,對(duì)早期變質(zhì)演化及其反映的構(gòu)造體制的研究也不多見(jiàn)。東南極古陸核主要出露在面向印度洋扇區(qū)的內(nèi)皮爾-查爾斯王子山-普里茲灣地區(qū),中山站在該區(qū)的建立為中國(guó)地質(zhì)學(xué)家在此開(kāi)展工作提供了便利條件。中國(guó)的近期目標(biāo)應(yīng)通過(guò)冰上基巖調(diào)查、冰磧物溯源、冰下地球物理探測(cè)以及巖石地球化學(xué)綜合研究,查明面向印度洋扇區(qū)太古宙巖石(物質(zhì))的時(shí)空分布、巖石成因、源區(qū)性質(zhì)、構(gòu)造屬性及其變質(zhì)改造歷史。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,隨著后勤保障能力的提高,中國(guó)研究的區(qū)域?qū)?huì)逐步擴(kuò)展到其他扇區(qū),并系統(tǒng)開(kāi)展東南極與其他岡瓦納乃至北半球陸塊中古陸核的對(duì)比研究。通過(guò)這項(xiàng)研究,將會(huì)彌補(bǔ)地球早期演化研究領(lǐng)域的南極短板,同時(shí)也必將促進(jìn)地球早期演化研究領(lǐng)域的發(fā)展。

致謝:南極野外現(xiàn)場(chǎng)考察得到國(guó)家海洋局極地考察辦公室和中國(guó)極地研究中心的支持,萬(wàn)渝生研究員和仝來(lái)喜教授審閱了文章并提出建設(shè)性修改意見(jiàn),在此一并感謝。