高鵬 唐立梅 陳靈 田原 方銀霞
1.自然資源部海底科學(xué)重點實驗室,自然資源部第二海洋研究所,杭州 310012 2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院,成都 610059
羅斯造山帶(Ross Orogenic Belt)位于南極橫斷山脈(Transantarctic Mountains),是古太平洋板塊早古生代向西俯沖在南極東岡瓦納大陸形成的大型增生造山帶。東岡瓦納被動陸緣在早古生代向活動陸緣轉(zhuǎn)變,引發(fā)洋弧增生和大陸弧巖漿持續(xù)作用以及區(qū)域變質(zhì)作用,保存完好的侵入體和變質(zhì)巖系,由此記錄了古太平洋板塊西傾俯沖并形成陸內(nèi)造山帶的詳細(xì)過程(圖1b)(Cawood, 2005; Cawood and Buchan, 2007; Paulsenetal., 2007; Elliot and Fanning, 2008; Vaughan and Pankhurst, 2008; Goodge, 2020)。早古生代羅斯造山帶受到廣泛的長英質(zhì)、鎂鐵質(zhì)巖漿侵入,這些巖漿在南極橫斷山脈地區(qū)廣泛侵入形成的深成巖體統(tǒng)稱為花崗巖港侵入體(Granite Harbour Intrusive; Gunn and Warren, 1962),巖石類型主要為島弧性質(zhì)的高鉀鈣堿性花崗巖、閃長巖、堿性花崗巖等(Borgetal., 1987; Vetter and Tessensohn, 1987; Rocchietal., 1998; 2011, 2015; Federicoetal., 2006, 2009; Giacominietal., 2007)。北維多利亞地(Northern Victoria Land)位于南極橫斷山脈最北端(圖1b),廣泛分布早古生代花崗巖港侵入體侵入巖,構(gòu)造-巖漿活動長期活躍(圖1a)。前人關(guān)于北維多利亞地當(dāng)今威爾遜地體(Wilson Terrance)、鮑爾斯地體(Bowers Terrance)、羅伯遜灣地體(Robertson Terrance)平行北西走向的地體并置成因和閉合時限仍持不同觀點(Borgetal., 1987; Federicoetal., 2009; Rocchietal., 2011)。該區(qū)域構(gòu)造演化早期類似現(xiàn)今西太平洋大陸邊緣構(gòu)造模式(Goodge, 2020),古生代經(jīng)歷島弧增生和弧陸碰撞(Rocchietal., 2011),最終于泥盆紀(jì)沿蘭特曼斷裂帶發(fā)生閉合(Capponietal., 1999; Federicoetal., 2006; Palmerietal., 2012)。由于南極大陸幾乎都被冰雪覆蓋,僅有限的地質(zhì)露頭無法對其進(jìn)行精確的地質(zhì)區(qū)域劃分,羅斯造山帶廣泛巖漿作用和地體增生的構(gòu)造演化過程和模式仍然缺乏清晰認(rèn)識,因此該地區(qū)花崗質(zhì)巖石的研究對厘清俯沖帶結(jié)構(gòu)、俯沖板片性質(zhì)、俯沖物質(zhì)源區(qū)具有重要意義。
本文對北維多利亞地威爾遜地體難言島出露的閃長質(zhì)巖石進(jìn)行了詳細(xì)野外地質(zhì)調(diào)查研究和取樣,并選取典型巖石進(jìn)行U-Pb地質(zhì)年代學(xué)、地球化學(xué)和同位素分析。結(jié)合前人在北維多利亞地不同巖漿活動的侵入時代和源區(qū)演化,探討了難言島閃長質(zhì)巖石成因和大地構(gòu)造背景,為探討羅斯造山帶北維多利亞地殼-幔相互作用和造山帶構(gòu)造演化提供新的證據(jù)。
北維多利亞地位于南極橫斷山脈的北部(圖1b),主要由三個以斷層為界的地體組成(Bradshaw and Laird, 1983; Weaveretal., 1984; Kleinschmidt and Tessensohn, 1987; Tessensohn and Henjes-Kunst, 2005):代表東岡瓦大陸地殼性質(zhì)的威爾遜地體(Wilson Terrane)、鮑爾斯地體(Bowers Terrane)和羅伯遜灣地體(Robertson Bay Terrane)(圖1a)。威爾遜地體由一套變質(zhì)碎屑巖系列,包括一些殘余多相變質(zhì)麻粒巖混雜巖體組成(Talarico and Castelli, 1995),這些混雜巖在早古生代的羅斯造山運動中經(jīng)歷了低壓型的低級至高級變質(zhì)作用(Palmerietal., 1994);基底由寒武系低級到高級變質(zhì)沉積巖組成,具有綠片巖相向角閃巖相過渡的特征(Palmerietal., 2012),變質(zhì)巖系記錄了西威爾遜地體低壓高溫變質(zhì)作用和東威爾遜中壓變質(zhì)作用(Grewetal., 1984; Schüssleretal., 2004; Talaricoetal., 2004)。鮑爾斯地體以蘭特曼-馬里納縫合帶與西部的威爾遜地體相接(圖1a),由格拉斯哥組的拉斑玄武巖和鈣堿性島弧巖漿巖(Weaveretal., 1984;Estrada and Jordan, 2003)與磨拉石建造組成(Henjes-Kunst and Schüssler, 2003)。羅伯遜灣地體由一套早-中奧陶世(Estradaetal., 2016)低級濁積巖序列組成(Henjes-Kunst and Schüssler, 2003)。羅斯運動時期,富鉀、強(qiáng)至弱過鋁質(zhì)的鈣堿性巖漿大量侵入到威爾遜地層當(dāng)中(Ghezzoetal., 1987; Vetter and Tessensohn, 1987; Armientietal., 1990),主要為S型和I型花崗巖(Borgetal., 1987; Vetter and Tessensohn, 1987; Rocchietal., 2015)。前人研究表明,該區(qū)后碰撞巖漿侵入作用大約為515~481Ma,峰期巖漿作用為495~490Ma(Bomparolaetal., 2007; Rocchietal., 2015)。
圖1 南極洲北維多利亞地大地構(gòu)造圖(據(jù)L?ufer et al., 2011; Di Vincenzo and Rocchi,1999; Estrada et al., 2016; Chen et al., 2019; Goodge, 2020修改)
本文研究的閃長質(zhì)巖石構(gòu)成了難言島主要侵入體雜巖(圖2),位于東經(jīng)163°35′~163°46′,南緯74°50′~74°57′之間, 面積約50km2,呈南北方向延伸。北面為普里斯特利冰川,南面為南森冰蓋,特拉諾瓦灣位于難言島東面。東部海灣大部分基巖覆蓋積雪和淺層松散的砂礫(Chenetal., 2019)。島上遍布第四紀(jì)冰川作用形成的礫石,使得基巖出露和辨識難度增加。主要的巖石出露點集中分布于南部較低海拔的定軍山、北部望鵝嶺,以及西部較高海拔的青龍山(圖2)。南部低海拔定軍山發(fā)育寬約5m的閃長質(zhì)巖墻,巖墻整體呈近北東走向,沿走向延伸約300m(圖3a)。北部望鵝嶺、青龍山發(fā)育長英質(zhì)和閃長質(zhì)混雜巖體(圖3b, c)。
圖2 難言島及周邊區(qū)域地質(zhì)簡圖和樣品采集點(據(jù)Chen et al., 2019修改)
圖3 難言島閃長質(zhì)巖石巖野外地質(zhì)照片和鏡下照片
定軍山閃長巖墻樣品(DJS-8、9、10、11、12、16,GPS位置:74°55′12.36″S、163°41′39.48″E)普遍呈半自形細(xì)粒結(jié)構(gòu),組成礦物主要為斜長石(60%),黑云母(20%)、角閃石次之,可見少量的鉀長石(2%)和石英,為閃長巖。斜長石可見環(huán)帶結(jié)構(gòu),包裹少量磷灰石包體;角閃石呈半自形柱狀或他形粒狀,與黑云母交生;石英多分布于自形斜長石間隙中;鉀長石主要為他形粒狀;可見微細(xì)粒自形柱狀磷灰石及磷灰石包體,例如DJS-10鏡下可見微細(xì)粒的磷灰石沿著晶面析出(圖3d)。DJS-11石英含量高于5%,但其具有較少的鉀長石,其鏡下可見局部較多的他形榍石,正交偏光顯微鏡下呈現(xiàn)高級干涉色。DJS-12為閃長玢巖。具斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要成分為斜長石、角閃石次之,可見少量的鉀長石斑晶,斑晶總體占比約10%。角閃石多呈半自形柱狀,且外圍被黑云母交代?;|(zhì)成分主要成分類似于斑晶,為斜長石、黑云母以及角閃石,結(jié)晶細(xì)小,粒徑多在0.1mm左右,結(jié)晶程度接近,基質(zhì)總含量為90%(圖3e)。DJS-16為細(xì)粒閃長巖,局部呈斑狀結(jié)構(gòu),成分以斜長石為主,角閃石和黑云母次之,含少量石英。局部可見結(jié)晶較粗的斜長石與角閃石交生(圖3f)。角閃石多呈半自形柱狀或他形粒狀,較多的角閃石呈粗粒,與斜長石交生,且角閃石常被黑云母交代,基質(zhì)中亦可見較多微細(xì)粒的角閃石。黑云母呈片狀分布于基質(zhì)當(dāng)中。
青龍山的細(xì)粒閃長巖樣品QLS-2(GPS位置:74°53′51.36″S、163°40′48.36″E),具半自形細(xì)粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。巖石主要成分為斜長石50%~60%、黑云母20%、石英1%~5%、角閃石小于1%。斜長石偶見環(huán)帶結(jié)構(gòu),部分斜長石可見內(nèi)部蝕變形成的凈邊結(jié)構(gòu);角閃石呈半自形-他形粒狀,多與黑云母交生;部分斜長石發(fā)育強(qiáng)烈絹云母化。
采自望鵝嶺的樣品WEL-6(GPS位置:74°53′51.00″S、163°40′45.12″E),二長閃長巖,具半自形細(xì)粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。巖石成分主要為斜長石,黑云母、角閃石次之,可見少量石英,局部可見副礦物榍石。斜長石多呈自形-半自形柱狀,其粒徑多為0.1~0.7mm,聚片雙晶現(xiàn)象十分普遍,有時可見環(huán)帶結(jié)構(gòu),部分斜長石內(nèi)部發(fā)生蝕變構(gòu)成凈邊結(jié)構(gòu),斜長石含量約為60%;黑云母呈片狀,半自形,片徑范圍0.1~0.5mm,其含量約為30%;角閃石多呈半自形柱狀或他形粒狀,且多與黑云母交生,粒徑范圍0.1~0.4mm,其含量約為5%。石英多呈他形粒狀,多分布于自形斜長石間隙之中,其粒徑范圍0.2~0.5mm,干涉色為一級灰白,正低突起,無解理,含量約為5%;榍石少見,多呈他形粒狀與黑云母、角閃石交生。文中使用的礦物名稱縮寫據(jù)文獻(xiàn)(Kretz, 1983; 沈其韓, 2009)。
在詳細(xì)的野外及手標(biāo)本觀察、薄片鑒定基礎(chǔ)上,對上述樣品進(jìn)行了全巖主微量元素分析,并對DJS-8、QLS-2、WEL-6進(jìn)行了全巖Sr-Nd同位素、鋯石U-Pb年代學(xué)和鋯石Hf同位素分析。本文所有樣品分析和前處理都在武漢上譜分析公司完成。
鋯石U-Pb同位素定年和微量元素含量分析的主檢設(shè)備為安捷倫電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7700)。詳細(xì)的儀器參數(shù)和分析流程見文獻(xiàn)(Zongetal.,2017)。GeolasPro激光剝蝕系統(tǒng)由COMPexPro 102 ArF 193nm準(zhǔn)分子激光器和MicroLas光學(xué)系統(tǒng)組成。本次分析的激光束斑和頻率分別為32μm和5Hz。U-Pb同位素定年和微量元素含量處理中采用2個鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500和玻璃標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST610作外標(biāo)分別進(jìn)行同位素和微量元素分餾校正,2個鋯石標(biāo)樣GJ-1分析是作為未知樣品來監(jiān)控數(shù)據(jù)分析質(zhì)量,推薦值引自GeoRem(http://georem.mpch-mainz.gwdg.de/)。單次時間分辨分析數(shù)據(jù)包括大約20~30s空白信號和50s樣品信號。對分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Pb同位素比值和年齡計算)采用軟件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008, 2010)完成。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡加權(quán)平均計算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig, 2003)完成。
鋯石陰極發(fā)光圖像拍攝的儀器為高真空掃描電子顯微鏡(JSM-IT100),配備有GATAN MINICL系統(tǒng)。工作電場電壓為10.0~13.0kV,鎢燈絲電流為80~85μA。
主量元素采用波長色散X射線熒光光譜儀(ZSXPrimus Ⅱ(XRF)分析測定,依據(jù)國標(biāo)GB/T14506.28—2010標(biāo)準(zhǔn),檢測項目包括SiO2、Al2O3、Fe2O3T、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5、MnO、燒失量。微量元素利用Agilent 7700e ICP-MS分析測試,分析方法依據(jù)GB/T 14506.3—2010硅酸鹽巖石化分析方法,分析精度優(yōu)于10%。具體的分析流程和原理見文獻(xiàn)(Liuetal., 2008)。
全巖Sr-Nd同位素前處理在配備100級操作臺的千級超凈室完成。樣品處理:(1)將200目樣品置于105℃烘箱中烘干12小時;(2)準(zhǔn)確稱取粉末樣品50~200mg置于Teflon溶樣彈中;(3)依次緩慢加入1~3mL高純HNO3和1~3mL高純HF;(4)將Teflon溶樣彈放入鋼套,擰緊后置于190℃烘箱中加熱24小時以上;(5)待溶樣彈冷卻,開蓋后置于140℃電熱板上蒸干,然后加入1mL HNO3并再次蒸干;(6)用1.5mL的HCl(2.5M)溶解蒸干樣品,待上柱分離?;瘜W(xué)分離:用離心機(jī)將樣品離心后,取上清液上柱。柱子填充AG50W樹脂。用2.5M HCl淋洗去除基體元素。最終用2.5M HCl將Sr從柱上洗脫并收集。收集的Sr溶液蒸干后等待上機(jī)測試。樹脂殘留物質(zhì)通過4.0M HCl淋洗可獲得REE溶液。接收的REE溶液蒸干后以0.18M HCl淋洗去除基體元素,最后用0.3M HCl可以將Nd從柱上洗脫并收集。對于高Rb的樣品,經(jīng)過AG50W樹脂分離后,還進(jìn)行二次Sr特效樹脂分離。一次分離獲得的溶液首先轉(zhuǎn)換為3M HNO3介質(zhì),然后樣品上柱。柱子填充Sr特效樹脂。用3M HNO3淋洗去除干擾元素。最終用MQ H2O將Sr從柱上洗脫并收集。收集的Sr溶液蒸干后等待上機(jī)測試。Sr-Nd同位素分析采用美國Thermo Fisher Scientific 公司的MC-ICP-MS(Neptune Plus),儀器配備9個法拉第杯接收器。
BCR-2(玄武巖)和RGM-2(流紋巖)(USGS)被選擇作為Sr-Nd同位素分析流程監(jiān)控標(biāo)樣,兩個樣品分別代表了基性巖和酸性巖,具有顯著的物理化學(xué)差異。數(shù)據(jù)表明,本實驗流程可以對樣品進(jìn)行有效分離,分析準(zhǔn)確度和精密度滿足高精度的Sr-Nd-Pb同位素分析。
原位微區(qū)鋯石Hf同位素比值測試?yán)眉す鈩兾g多接收杯等離子體質(zhì)譜(LA-MC-ICP-MS)完成。激光剝蝕系統(tǒng)為Geolas HD(Coherent,德國), MC-ICP-MS為Neptune Plus(Thermo Fisher Scientific,德國)。分析過程同時配備了信號平滑裝置以提高信號穩(wěn)定性和同位素比值測試精密度(Huetal., 2012a)。載氣使用氦氣,并在剝蝕池之后引入少量氮氣以提高Hf元素靈敏度(Huetal., 2012b)。分析采用Neptune Plus新設(shè)計高性能錐組合。前人研究表明,對于Neptune Plus的標(biāo)準(zhǔn)錐組合,新設(shè)計的X截取錐和Jet采樣錐組合在少量氮氣加入的條件下能分別提高Hf、Yb和Lu的靈敏度5.3倍、4.0倍和2.4倍。激光輸出能量可以調(diào)節(jié),實際輸出能量密度為~7.0J/cm2。采用單點剝蝕模式,束斑直徑為44μm。詳細(xì)儀器操作條件和分析方法可參照文獻(xiàn)(Huetal., 2012b)。為確保分析數(shù)據(jù)的可靠性,91500和GJ-1兩個國際鋯石標(biāo)準(zhǔn)與實際樣品同時分析。91500用于進(jìn)行外標(biāo)校正以進(jìn)一步優(yōu)化分析測試結(jié)果,GJ-1作為第二標(biāo)樣監(jiān)控數(shù)據(jù)校正質(zhì)量。91500和GJ-1的外部精密度(2SD)優(yōu)于0.000020,測試值與推薦值在誤差范圍內(nèi)一致。
為了精確限定閃長質(zhì)巖漿作用的時空侵入序列,以及研究巖漿演化源區(qū)特征的差異性和繼承性,我們對難言島3個閃長質(zhì)巖石樣品進(jìn)行了鋯石U-Pb年代學(xué)研究(表1)。
表1 北維多利亞地難言島閃長質(zhì)巖石LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結(jié)果
青龍山閃長巖(QLS-2)的鋯石具有較為清晰的亮暗振蕩環(huán)帶,具有薄的振蕩邊(圖4a),大多透明無色,呈半自形-自形的柱狀或粒狀。鋯石顆粒平均長約為110μm,寬約50μm。未對鋯石核心進(jìn)行年代學(xué)分析,但鋯石的振蕩年齡群具有普遍一致的諧和年齡,我們分析了19個鋯石點位,分帶清晰的鋯石的一致年齡為498.7±3.2Ma(MSWD=1.7,N=19)(圖5a, b),鋯石Th/U比值為0.29~1.17,比值波動較大,但綜合分析屬于巖漿鋯石。
望鵝嶺二長閃長巖(WEL-6)鋯石具有典型的中性巖漿鋯石特征,普遍為他形粒狀,Th/U比值0.11~1.02,沒有顯著的振蕩環(huán)帶或弱分帶(圖4b)。我們對18個鋯石進(jìn)行了年代學(xué)分析,獲得的加權(quán)平均諧和年齡為500.4±1.2Ma(MSWD=6.9,N=18)(圖5c, d)。
定軍山閃長巖墻(DJS-8)的鋯石顆粒普遍長約100μm,寬約60~80μm,呈半自形-自形,發(fā)育較明顯的振蕩環(huán)帶,Th/U比值為0.35~0.91,為巖漿成因鋯石(圖4c)。對20個鋯石進(jìn)行了原位分析,其中10個鋯石點位獲得了較為可靠的一致年齡,加權(quán)平均諧和年齡為501.5±1.6Ma(MSWD=0.27,N=12)(圖5e, f)。
圖4 難言島閃長質(zhì)巖石鋯石CL圖像,示鋯石靶點的U-Pb年齡(206Pb/238U)及同位素測點位置
圖5 難言島閃長質(zhì)巖石鋯石U-Pb諧和年齡曲線圖和加權(quán)平均年齡圖
難言島閃長質(zhì)巖石主量、微量元素分析結(jié)果見表2,8個樣品的SiO2變化范圍為54.80%~60.83%,都具有高的K2O含量(3.12%~4.05%)。AR(堿度)為1.80~2.11;K2O/Na2O>1, 里特曼指數(shù)為2.67~3.68,屬于高鉀鈣堿性巖石。在侵入巖TAS圖解上(圖6a)落入二長閃長巖至二長巖區(qū)域,靠近二長巖與閃長巖邊界。在SiO2-K2O圖解中(圖6b),所有樣品均落入超鉀質(zhì)巖石區(qū)域,靠近高鉀鈣堿性巖附近;鋁飽和指數(shù)A/CNK=0.77~0.85(圖6c),屬準(zhǔn)鋁質(zhì)、弱過鋁質(zhì)系列。巖石總體具有較高的TiO2、MgO、Fe2O3T、P2O5含量。
表2 北維多利亞地難言島閃長質(zhì)巖石地球化學(xué)組成(主量元素:wt%; 稀土和微量元素:×10-6)
圖6 難言島閃長質(zhì)巖石地球化學(xué)圖解
在N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖7a),難言島閃長質(zhì)巖石顯著富集大離子親石元素,虧損高場強(qiáng)元素如Nb、Ta、Ti,呈現(xiàn)明顯負(fù)異常。難言島閃長質(zhì)巖石的稀土總量較高(ΣREE=338.4×10-6~458.8×10-6),在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解中(圖7b)表現(xiàn)為右傾輕稀土富集、重稀土相對虧損(LREE/HREE=4.00~4.51)的特征,輕、重稀土之間分餾明顯,(La/Yb)N=12.99~14.60,(La/Sm)N=3.28~3.46;δEu=0.62~0.71,為中等-弱Eu負(fù)異常。
圖7 難言島閃長質(zhì)巖石正常洋中脊玄武巖標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(a,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(b,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton, 1984)
閃長質(zhì)巖石的全巖Sr-Nd同位素成分測定結(jié)果見表3,我們通過對應(yīng)樣品的平均U-Pb年齡進(jìn)行校正計算,獲得閃長質(zhì)巖漿初始同位素組成。難言島閃長質(zhì)巖石87Sr/86Sr為0.713440~0.713540,143Nd/144Nd為0.511972~0.511982;εNd(t)為-7.1~-7.4(圖8),初始Sr值為0.709521~0.709795。根據(jù)U-Pb定年結(jié)果校正獲得(87Sr/86Sr)i范圍0.7095~0.7098,(143Nd/144Nd)t范圍0.511502~0.511629,Nd模式年齡tDM為1.67~1.70Ga,顯示古老的下地殼源區(qū)特征。
表3 北維多利亞地難言島閃長質(zhì)巖石全巖Sr-Nd同位素分析結(jié)果
圖8 難言島閃長質(zhì)巖石Sr-Nd圖解
本次分析共獲得47個鋯石Hf同位素數(shù)據(jù)。從表4中可以看出,3個閃長質(zhì)巖石樣品的鋯石群Th/U比值均>0.1,Th/U平均值為0.51,Th與U之間正相關(guān)性較好。根據(jù)三個不同時空分布關(guān)系的鋯石群年齡峰判斷,難言島閃長質(zhì)巖石樣品接近同期形成于約500Ma。εHf(t)比值(圖9)為-10.7~-6.3,Hf同位素具有較老的地殼模式年齡,tDM、tDMC分別為1331~1515Ma、1847~2118Ma,暗示初始巖漿可能起源于富集源區(qū)。
表4 難言島閃長質(zhì)巖石鋯石Hf同位素測試結(jié)果
圖9 難言島閃長質(zhì)巖石鋯石Hf同位素隨時間分布圖(底圖據(jù)Wang et al., 2018)
Bomparola and Ghezzo(2007)對登山家山脈東部的鈣堿性花崗巖進(jìn)行Rb-Sr假等時線定年獲得610Ma年齡。威爾遜地體東部兩角閃長巖測得鋯石U-Pb年齡為496.7±6.8Ma(Rocchietal., 2015);弗杰泰申單元煌斑巖、石英閃長巖、花崗閃長巖侵位時間在521~487Ma之間。難言島閃長質(zhì)巖侵入體中,定軍山含角閃石斑晶閃長質(zhì)巖墻鋯石記錄了501.5±1.6Ma年齡(Di Vincenzo and Rocchi, 1999; Rocchietal., 2009; Hagen-Peter and Cottle, 2016),望鵝嶺和青龍山閃長質(zhì)包體分別記錄了500.4±1.2Ma和498.7±3.2Ma年齡,這三者年齡在誤差限內(nèi)基本一致(圖5),王偉等(2014)研究表明難言島石英閃長巖侵位年齡最晚至482±4.2Ma。結(jié)合巖石學(xué)特征,混雜斑塊狀的閃長巖包體和近N-E、N-N-E走向的巖墻指示了同期不同產(chǎn)狀的侵位形態(tài),表明巖漿被動侵位。綜合前人結(jié)果,北維多利亞地難言島閃長質(zhì)巖漿作用是晚寒武世羅斯造山作用的產(chǎn)物。前人報道的弗杰泰申島和難言島區(qū)域出露的長英質(zhì)巖體成分為堿性、準(zhǔn)鋁質(zhì)或強(qiáng)過鋁質(zhì)花崗巖(Rocchi, 2004),閃長質(zhì)巖體與這些淺色花崗巖從毫米級到米級以不同的形態(tài)接觸。前人通過斜長石-黑云母-石榴子石-白云母地質(zhì)壓力計估算獲得過鋁質(zhì)花崗巖在0.2GPa下形成(Ghent and Stout, 1981),弗杰泰申閃長質(zhì)巖石通過地質(zhì)壓力計獲取結(jié)果一致(Anderson and Smith, 1995),這表明巖漿在淺部地殼快速冷卻結(jié)晶。此外鏡下研究沒有發(fā)現(xiàn)難言島閃長質(zhì)巖石礦物結(jié)晶同變形結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,且結(jié)晶較差。暗示了巖漿快速向地殼淺部運移結(jié)晶的歷史。
難言島高鉀鈣堿性閃長質(zhì)巖石呈現(xiàn)典型的Nb、Ta、Ti負(fù)異常,在Nb-Y圖中(圖10a),難言島閃長質(zhì)巖石落入板內(nèi)巖漿作用區(qū)域,在Zr-104×Ga/Al圖解中(圖10b)也落在A型花崗巖的區(qū)域內(nèi),在Rb-(Nb+Y)圖解中(圖10c)落在后碰撞花崗巖區(qū)域(Whalenetal., 1987)。結(jié)合微量元素特征和構(gòu)造環(huán)境判別圖解,表明難言島晚寒武世閃長質(zhì)巖漿作用侵位于后碰撞構(gòu)造伸展環(huán)境下,屬于A型花崗巖。Loiselle and Wones(1979)定義了產(chǎn)生于裂谷帶和穩(wěn)定陸內(nèi)環(huán)境中非造山或者稱為A型花崗巖,指出A型花崗巖具有堿性(alkaline)、無水(anhydrous)、非造山(anorogenic)的特征。前人認(rèn)為這類花崗巖是非地殼成因的,而是遭受改造的幔源堿性玄武巖分離結(jié)晶形成(fractionation)(Bonin, 2007)。事實是大多數(shù)花崗巖在確定了源區(qū)的條件下,巖石普遍具有繼承性,早先巖漿發(fā)生過混合或更復(fù)雜的過程改變其組分,從化學(xué)組成上具有普遍的重疊關(guān)系。準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖漿的起源被認(rèn)為與俯沖帶板片的性質(zhì)密切相關(guān),主要發(fā)育在洋-陸俯沖體系中的大陸板塊邊緣,也可以產(chǎn)于碰撞后或造山后環(huán)境(Boger, 2004; 2011)。這些花崗巖具有典型的島弧花崗巖的地球化學(xué)和同位素特征,前人研究表明可由幔源鎂鐵質(zhì)巖漿和地殼深熔巖漿的混合作用形成,表現(xiàn)為巖漿作用常含有鎂鐵質(zhì)包體;或者高度準(zhǔn)鋁質(zhì)的巖石經(jīng)部分熔融產(chǎn)生,如俯沖板片(Martin, 1987)和鎂鐵質(zhì)下地殼(Wedepohl, 1991)部分熔融作用,形成英云閃長質(zhì)到低鉀花崗閃長質(zhì)巖石,如后太古宙準(zhǔn)鋁質(zhì)花崗巖(Roberts and Clemens, 1993)。以上結(jié)果表明,雖然殼源物質(zhì)顯著影響部分熔融產(chǎn)生的熔體性質(zhì),但無論是地殼深熔作用還是直接由地幔巖漿分離結(jié)晶作用,都受到幔源物質(zhì)或熔體與大陸地殼多次直接或間接反應(yīng)。這也反應(yīng)出北維多利亞地花崗巖I型、S型分類沿俯沖帶平行分布(Vetteretal., 1987; Borg and DePaolo, 1991)的俯沖帶巖漿動力學(xué)意義。此外,隨著對A型巖漿巖的深入研究,有的A型花崗巖不僅具有準(zhǔn)鋁質(zhì)系列巖石特征,還顯示高鉀的特征(Sunetal., 2011),指示俯沖帶巖石圈地幔源區(qū)的額外富集。
圖10 難言島閃長質(zhì)巖石構(gòu)造環(huán)境判別圖解
難言島閃長質(zhì)巖石的SiO2值在54.03%~60.10%之間,相比較兩角閃長巖(圖6)具有更高的總堿含量,整體比弗杰泰申煌斑巖、阿爾伯特輝長巖(Di Vincenzo and Rocchi, 1999; Rocchietal., 2009, 2015)具有更高的Si2O含量,閃長質(zhì)巖石整體演化程度較低,K2O-SiO2圖解顯示巖石具有超鉀質(zhì)組成(3.06%~3.9%)。超鉀質(zhì)特征和高的MgO(3.13%~3.98%)、Cr、Ni含量(表2)與初始地幔熔體的特征相似。全巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素顯示出難言島閃長質(zhì)巖石整體呈輕稀土富集,具有微弱的Eu負(fù)異常,富集大離子親石元素,相對于N-MORB強(qiáng)烈虧損Nb、Ta元素,圖中可見與前人研究弗杰泰申煌斑巖一致的分布曲線(圖7a)。相比于阿爾伯特輝長巖,Nb、Ta、Ti相對弱虧損,弗杰泰申煌斑巖更加虧損Nb、Ta。泰格爾輝長巖(Braccialietal., 2009)和難言島閃長質(zhì)巖石具有相似程度富集的Sr、Ti。巖石整體表現(xiàn)為準(zhǔn)鋁質(zhì),實驗巖石學(xué)表明,鎂鐵質(zhì)下地殼物質(zhì)部分熔融產(chǎn)生的熔體為準(zhǔn)鋁質(zhì)且K2O/Na2O比值<1;壓力大于1.5GPa時,產(chǎn)生的熔體為過鋁質(zhì)且K2O/Na2O比值>1的富鉀埃達(dá)克質(zhì)熔體(Rapp and Watson, 1995;Skjerlie and Patio Douce, 2002),這表明巖漿具有更深的源區(qū)或者其它的富集機(jī)制。難言島閃長質(zhì)巖石K2O/Na2O比值>1,但Sr、Y元素含量顯示出島弧巖漿源區(qū)性質(zhì),顯然不是鎂鐵質(zhì)下地殼部分熔融產(chǎn)生的。難言島閃長質(zhì)巖石樣品的Nb/U和Ce/Pb平均值為12.93和6.88,相比于大陸地殼平均Nb/U和Ce/Pb(分別為10和4,Hofmannetal., 1986)更為富集,暗示難言島閃長質(zhì)巖漿源區(qū)與俯沖帶地殼物質(zhì)貢獻(xiàn)密切相關(guān)。此外,高場強(qiáng)元素能夠在巖漿作用和后期流體蝕變作用中穩(wěn)定的保存下來,保留來自源區(qū)的特征(Rocchietal., 2009)。難言島閃長質(zhì)巖石Zr/Hf比值為44.9~41.7,高于原始地幔的Zr/Hf比值36.25(Sun and McDonough, 1989),表明源區(qū)在產(chǎn)生難言島閃長質(zhì)巖石熔體之前就已經(jīng)富集(Goodgeand Fanning, 2012),這與前人對非流體活動性元素區(qū)分源區(qū)的富集機(jī)制的結(jié)果相吻合(Rocchi, 2009)。前人運用同化混染和分離結(jié)晶(AFC)模型(DePaolo, 1981),模擬計算獲得弗杰泰申單元閃長質(zhì)源區(qū)熔體可能的微量元素和同位素組成(Rocchietal., 2009),其巖漿源區(qū)很可能是俯沖交代的巖石圈地幔。前人模擬初始物質(zhì)(詳細(xì)模擬參數(shù)見Di Vincenzoand Rocchi, 1999;Rocchietal., 2015)成分為高鋁安第斯山玄武巖,其相比于N-MORB更富集。羅斯造山帶尚無玄武巖漿作用的可靠報道,所以難言島閃長質(zhì)巖石的源區(qū)不可能來自新生鎂鐵質(zhì)下地殼部分熔融。綜合以上,表明早古生代閃長質(zhì)巖漿源區(qū)是先前遭受俯沖組分交代的弧下大陸巖石圈地幔,可能的熔體富集機(jī)制(Di Vincenzoand Rocchi, 1999)包括:(1)俯沖殼源沉積物地幔楔交代富集;(2)殼-幔界面可能存在的長期同化混染-分離結(jié)晶(R-AFC)的巖漿源區(qū)(O’Hara, 1977)。放射性同位素組成方面,閃長質(zhì)巖石總體具有(87Sr/86Sr)i范圍0.7095~0.7098,(143Nd/144Nd)t范圍0.511502~0.511629(表3),εNd(t)值為-7.1~-7.3,殼源花崗巖εNd(t)值一般為負(fù)值,通常εNd(t)偏離零值的程度越大,代表陸源物質(zhì)組分的對源區(qū)貢獻(xiàn)越多。此外SiO2與εNd(t)具有弱相關(guān)關(guān)系,這可能是巖漿從源區(qū)上升到地殼淺部與圍巖同化混染作用的結(jié)果(圖略)。對比前人研究北維多利亞地巖漿活動的Sr-Nd同位素雙曲線同化混染演化路徑,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同時期花崗質(zhì)巖漿作用校正到初始年齡的Sr-Nd同位素特征顯示出明顯從閃長質(zhì)巖石出發(fā)的同化混染分離結(jié)晶趨勢,這與廣泛的花崗巖港侵入體I、S型花崗巖(Armientietal., 1990)演化一致(圖9),這表明難言島閃長質(zhì)巖石組成可能是巖漿源區(qū)演化的結(jié)果。
綜合以上特征,作者認(rèn)識到難言島閃長質(zhì)巖石與弗杰泰申煌斑巖、阿爾伯特輝長巖、兩角花崗巖巖漿源區(qū)以及侵位時代、構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān),且其寄主圍巖發(fā)育相似的變形結(jié)構(gòu)特征,表明其巖漿源區(qū)的相似性。結(jié)合微量元素特征以及同位素特征,難言島閃長質(zhì)巖石來自于先前富集的大陸巖石圈地幔部分熔融,晚寒武世難言島構(gòu)造環(huán)境為板內(nèi)伸展。
羅斯造山帶北維多利亞地在晚古生代俯沖碰撞構(gòu)造體制的形態(tài)是理解古太平洋板塊持續(xù)向西匯聚產(chǎn)生大量同-后構(gòu)造鉀質(zhì)、鈣堿性巖漿巖的關(guān)鍵。羅斯造山帶從南維多利亞地沿橫貫?zāi)蠘O山脈向北,巖漿巖持續(xù)記錄的U-Pb年齡逐漸變年輕,表明羅斯造山帶整體斜向俯沖構(gòu)造體制(Rowell and Rees, 1989; Goodgeetal., 1991; Janosy and Wilson, 1995; Encarnación and Grunow, 1996; Goodge and Dallmeyer, 1996; Storeyetal., 1996; Rocchietal., 1998; Goodge, 2002)。這與蘭特曼約480Ma威爾遜地體和鮑爾斯地體發(fā)育的左旋走滑剪切韌性縫合帶的特征相一致(Capponietal., 1999; Federicoetal., 2010)。前人認(rèn)為羅斯造山帶晚期板內(nèi)伸展巖漿作用是岡瓦納大陸外側(cè)地體拼合而引發(fā)俯沖板塊之間短暫耦合的結(jié)果(Cawood and Buchan, 2007)。早古生代北維多利亞地存在共軛板塊俯沖構(gòu)造(圖11a),主要觀點認(rèn)為北維多利亞地洋內(nèi)弧-大陸弧俯沖匯聚區(qū)域構(gòu)造體制沿羅斯造山帶延伸到南維多利亞地,由從主俯沖帶弧前-弧后分離開的交替俯沖形態(tài)(Fosteretal., 2005)過渡為單一的弧前俯沖(Rocchietal., 2011),進(jìn)而在之后的弧陸碰撞時期即晚寒武世發(fā)生鮑爾斯弧-弧后與威爾遜大陸弧拼貼(Rocchietal., 2011)(圖11b)。北維多利亞地榴輝巖相變質(zhì)作用發(fā)生在不晚于530Ma,同時伴隨530~520Ma鈣堿性巖漿侵入事件,表明該階段為活動大陸邊緣向碰撞造山帶轉(zhuǎn)變時期(Godard and Palmeri, 2013; Di Vincenzoetal., 2016)。威爾遜綠片巖相記錄了升溫升壓過程以及峰期近等壓降溫區(qū)域變質(zhì)過程,這一低壓(2~5kbar)相系順時針P-T軌跡表明北維多利亞地早古生代地殼縮短、減薄發(fā)生再伸展的多期構(gòu)造演化過程,這可能與泰格爾弧輝長巖漿作用相關(guān)的洋盆閉合有關(guān)(Braccialietal., 2009)。蘭特曼山脈榴輝巖記錄的二階段榴輝巖化溫度和年齡與外側(cè)島弧向?qū)呒{陸緣增生的時限吻合(Di Vincenzoetal., 2016)。證據(jù)支持了北維多利亞地洋洋俯沖到洋陸俯沖,最終弧陸對接碰撞的構(gòu)造歷史(Rocchietal., 2011)。北維多利亞地(Northern Victoria Land)晚寒武世伊里薩爾花崗巖和和弗杰泰申煌斑巖歸因于伸展環(huán)境下軟流圈地幔上涌,軟流圈地幔上涌的機(jī)制可能是羅斯造山帶弧陸碰撞榴輝巖折返過程中板塊回撤作用(圖11c)或造山帶減薄作用。
圖11 北維多利亞地中寒武世至早奧陶世構(gòu)造演化圖(據(jù)Rocchi et al., 2009, 2011; Goodge, 2002修改)
(1)羅斯造山帶花崗巖港侵入體在難言島形成的閃長質(zhì)巖石年齡為498.7~501.5Ma。表現(xiàn)為高鉀鈣堿性、準(zhǔn)鋁質(zhì)特點。結(jié)合微量元素構(gòu)造判別圖解,認(rèn)為閃長質(zhì)巖石為羅斯造山帶后碰撞伸展環(huán)境下快速侵位的A型花崗巖。為造山帶伸展環(huán)境下古老巖石圈地幔部分熔融產(chǎn)物。
(2)難言島閃長質(zhì)巖石整體演化程度較低,巖石具有超鉀質(zhì)組成(3.06%~3.90%)和較高的SiO2、MgO、Cr、Ni含量,鋯石εHf(t)值為-10.7~-6.3。綜合初始巖漿高Sr、低Nd特征,表明巖漿來自俯沖物質(zhì)交代富集的大陸巖石圈地幔。
(3)北維多利亞地難言島晚寒武世閃長質(zhì)巖漿作用是在古太平洋板塊西傾俯沖南極岡瓦納大陸的構(gòu)造格架下形成的。多俯沖構(gòu)造體系致使弧陸碰撞,伴隨弧地殼增生引起俯沖板片回撤作用,軟流圈地幔上涌使早先俯沖交代富集的巖石圈地幔發(fā)生部分熔融,并產(chǎn)生島弧特征的超鉀閃長質(zhì)巖漿作用,伸展環(huán)境下從源區(qū)快速侵位到地殼淺部形成難言島晚寒武時期的A型花崗巖。
致謝感謝中國第34次南極科學(xué)考察隊對本研究涉及的野外地質(zhì)考察和樣品采集的支持;感謝匿名審稿人在文章評審過程中提出的寶貴意見。