李淼,刘晓春,赵越,2010东南极新元古代晚期_早古生代_泛非期_花岗岩类研究综述.pdf

第 22 卷第 4 期极地研究Vol 22 No 4 2010 年 12 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCHDecember 2010 收稿日期 2010 年 6 月收到来稿 2010 年 9 月收到修改稿 基金项目 国家自然科学基金 40702011 和国土资源大调查项目 1212010711509 资助 作者简介 李淼 女 1973 年生 博士 副研究员 岩石学专业 E mail limiao331 sohu com 櫑櫑櫑櫑 櫑 櫑櫑櫑櫑 櫑 毀 毀 毀 毀 研究论文 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 李淼刘晓春赵越 中国地质科学院地质力学研究所 北京 100081 提要东南极内部发育毛德和普里兹两条新元古代晚期 早古生代 泛非期 造山带 这两条造 山带中均发育大量同 后构造花岗岩类 本文系统总结了以往东南极泛非期花岗岩类的岩石 学 地球化学和年代学方面的研究成果 对不同地区岩体的岩石类型 岩浆源区及形成的构造环 境进行了对比研究 结果表明 除南龙达讷山为 I 型花岗岩外 大部分花岗岩类表现出与碰撞 造山作用相关的 A 型 或 S 型 花岗岩的特征 泛非期岩浆作用与区域高级变质作用的时代吻 合 600 500 Ma 两条造山带中泛非期岩浆作用与碰撞后岩石圈减薄 岩浆底侵以及上地壳 的伸展垮塌相联系 均具有碰撞造山带的构造演化特点 所以 冈瓦纳超大陆的形成很可能是 通过西冈瓦纳 印度 南极陆块和澳大利亚 南极陆块等 3 个陆块沿着两条造山带 毛德造山带 和普里兹造山带 近于同期发生拼合碰撞的结果 关键词东南极泛非期造山带岩浆活动花岗岩类 doi 10 3724 SP J 1084 2010 00348 0引言 东南极克拉通被认为是由不同时代的前泛非期高级变质基底组成的 在二叠纪之前 的古超大陆重建中曾与非洲 印度和澳大利亚相联 是罗迪尼亚 东冈瓦纳古陆的中心 早期的研究将东南极内部泛非期构造作用及相应的岩浆活动解释为对环东南极格林维尔 期 约 1000 Ma 造山带的叠加改造 1 6 而近十余年来各国地质学家的研究结果表明 东 南极泛非期高级变质作用和岩浆活动代表了继格林维尔造山事件之后又一次重要的造山 作用 7 14 并由此引发了对诸如东南极泛非期造山带如何向南极内部延伸 15 18 东南极 泛非期造山带与东非造山带的关系问题以及泛非期普里兹造山带的构造属性等一系列重 大地质问题的广泛关注和讨论 13 17 19 24 目前在东南极内部大体上已经识别出两条泛非期造山带 一条主要分布在吕措 霍尔 姆湾 L tzow Holm Bay 大和山 Yamoto Moutains 南龙达讷山 S r Rondane Moutains 毛德皇后地 Dronning Maud Land 甚至可能达到横断南极山脉的沙克尔顿岭 Shackleton Range 地区 本文简称毛德造山带 现在基本上被确认是莫桑比克缝合带向东南极的延 伸部分 8 10 16 19 21 25 28 另一条是普里兹造山带 包括埃默里冰架东缘 eastern Amery Ice Shelf 普里兹湾 Prydz Bay 沿岸 格罗夫山 Grove Mountains 登曼冰川 Denman Glac ier 地区 并可能影响到南查尔斯王子山的莫森陡崖 Mawson Escarpment 7 14 17 24 但有 关泛非期普里兹造山带的构造属性问题尚且存在碰撞造山带 12 13 17 23 24 29 35 和板内造山 带 18 21 36 42 的不同认识 一般来说 一条完整的碰撞造山带的发展经历了洋盆消减 陆 陆碰撞及碰撞后的伸 展和抬升三个构造演化阶段 而造山带的不同发展阶段对应着不同规模的岩浆活动和不 同程度的变质作用 板内造山带则通常是在陆内对大规模碰撞造山作用或大陆边缘俯冲 作用的构造响应 一般不具有碰撞造山带岩浆活动的阶段性和时空分布的特点 岩石类型 以非造山的碱性花岗岩和板内花岗岩为主 本文系统总结了东南极内部毛德造山带和普 里兹造山带中侵入杂岩的年代学和地球化学数据 从时空演化序列上对他们进行了对比 研究 并对两条造山带中的花岗岩类在相应的岩石类型 岩浆源区以及形成的构造背景作 进一步讨论 1地质背景 目前在东南极地盾共发现有 4 个地区存在 600 500 Ma 泛非期高级变质作用和岩浆 活动 分别归属于两个泛非期造山带 图 1 毛德皇后地 南龙达讷山 大和山一带和吕措 霍尔姆湾地区隶属于毛德造山带 普里兹造山带包括普里兹湾 格罗夫山地区 查尔斯王 子山兰伯特 Lambert 地体以及登曼冰川地区 大多数地区泛非期的变质 岩浆 构造热 事件叠加在早期格林维尔期变质基底之上 总体表现为广泛的变质变形和同 后构造岩浆 侵入 并形成一系列剪切带和大量镁铁 长英质侵入岩 少量喷出岩和伟晶岩脉 反映了古 老造山带的再循环 东南极各地区泛非期岩体的分布位置 岩石类型 侵位年龄和特征描 述如表 1 所示 1 1毛德造山带 1 1 1毛德皇后地 毛德皇后地北部出露太古代花岗质基底 Grunehogna 克拉通 被中元古代的沉积岩 和火山岩 Ritscherflya 超群 所覆盖 45 该太古代基底被认为是南非 Kalahari 克拉通的 一部分 46 西毛德皇后地由西南向东北依次为 Heimefrontfjella Kirwanveggen 和 Sverdrupfjella 地 区 所有地区均受到格林维尔期和泛非期两期构造事件的影响 47 48 但泛非期构造事件 的影响程度有所不同 Heimefrontfjella 地区主要由三个被右旋剪切带分隔的格林维尔期 地体组成 其西部 Kottas Vardeklettane 两个地体未受泛非期事件的影响 而东部 Sivorg 地 体遭受到泛非期构造的叠加 主要表现为角闪石 黑云母40Ar 39Ar 年龄在 560 470 Ma 的 重置 22 49 Kirwanveggen 和 Sverdrupfjella 地区在泛非期也发生了强烈变形 但泛非期构 943第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 图 1东南极各地区在冈瓦纳超大陆中的位置 据文献 43 和 44 修改 AL 阿黛利地 BH 邦格 丘陵 DG 登曼冰川 DML 毛德皇后地 GM 格罗夫山 LHB 吕措 霍尔姆湾 MS 和平 站 NC 内皮尔杂岩 PB 普里兹湾 RC 瑞纳杂岩 S 南龙达讷山 SPCM 南查尔斯王子 山 SR 沙克尔顿岭 VH 西福尔丘陵 YM 大和山 GSM 甘布尔采夫冰下山脉 泛非期缝 合带的可能位置 文献 16 20 21 27 28 43 文献 12 文献 13 文献 17 30 Fig 1 Location of East Antarctica in the Gondwana reconstruction after 43 and 44 造线理与更早的格林维尔期构造线理较为一致 难以区分 该区在构造上显示向西逆冲并 具有向东倾的拉伸线理 指示受到东西向汇聚作用的影响 22 Sverdrupfjella 地区的泛非 期变质作用条件为0 5 0 6 GPa 600 45 48 该区镁铁质麻粒岩记录的峰期 P T 条件甚 至达到687 758 0 94 1 13 GPa 并存在压力 1 29 GPa 的前榴辉岩相变质作用 具 有顺时针 P T 演化轨迹 50 目前在 Heimefrontfjella 和 Kirwanveggen 地区尚未发现有泛非 期岩浆作用 Sverdrupfjella 地区主要出露两类泛非期花岗岩 一类是分布在 Brattskarvet 地区的具有弱变形的石英二长岩 二长岩岩系 该花岗岩系的侵位年龄约 520 Ma 6 是一 套与区域伸展或底侵作用有关的碱性 过碱性 A 型花岗岩 45 另一类是在区域发生韧性 变形的后期形成的含电气石的淡色花岗岩和岩脉 以 Dalmatian 二云母 S 型花岗岩 469 Ma 为代表 51 中毛德皇后地总体上是一个格林维尔期变质基底 由西向东依次为 Gjelsvikfjella M hlig Hofmann Gebirge 和Orvinfjella Wohlthatmassif地 区 所 有 地 区 均 遭 受 到 1000 Ma和500Ma两期构造事件影响 并有大量泛非期岩浆活动 16 27 28 52 Gjelsvikfjella 053极地研究第 22 卷 153第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 253极地研究第 22 卷 353第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 453极地研究第 22 卷 和 M hlig Hofmann Gebirge 地区泛非期构造热事件可分为两期 分别为 560 550 Ma 的高 角闪岩相 麻粒岩相变质作用和 520 480 Ma 的角闪岩相变质 岩浆作用 27 Gjelsvikfjel la 地区的岩石与矿物学证据显示泛非期造山作用为顺时针 P T 演化轨迹 泛非期峰期变 质作用条件为 709 785 0 7 0 95 GPa 53 Orvinfjella Wohlthatmassif 地区泛非期变 质作用也可分为两个阶段 第一阶段的中压麻粒岩相变质作用发生在 580 560 Ma 变质 条件为 830 0 68 GPa 第二阶段的角闪岩相变质叠加发生在 530 515Ma 变质条件在 为 650 0 4 GPa 16 27 28 54 显然 中毛德皇后地东部地区的变质时代要早于西部地区 约 20 Ma 1 1 2南龙达讷山 南龙达讷山位于中毛德皇后地东北约 300 km 处 主要由一套新元古代中高级变质杂 岩和泛非期侵入岩组成 泛非期中高级变质作用 混合岩化和花岗质岩浆作用对早期格 林维尔期事件的叠加改造主要发生在 570 530 Ma 55 南龙达讷山被一条主剪切带分 割为两部分 北部 东北部麻粒岩相变质地体和西南部角闪岩相 绿片岩相变质地体 56 利用 CHIME 方法对锆石和独居石定年结果也表明 该区麻粒岩相变质作用的年龄为 530 Ma 57 具有顺时针 P T 演化轨迹 其中未发生糜棱岩化变质岩的变质条件为 750 850 0 7 0 8 GPa 发生糜棱岩化的变质岩条件为 530 630 0 5 0 55 GPa 58 该区 侵入岩主要有新元古代 M 型花岗岩和早古生代 泛非期 A 型花岗岩 其侵位年龄分别 为950 Ma 和530 500 Ma 8 尽管泛非期花岗岩并未发生明显变形 但其分布明显受剪 切带控制 表明岩浆侵位与构造活动有紧密联系 Li 等 56 曾根据不同的地球化学特征将 泛非期花岗岩分为火山弧型和板内花岗岩两种类型 1 1 3大和山 大和山主要由新元古代长英质片麻岩 少量镁铁质麻粒岩 钙硅酸盐岩和变泥质岩组 成 并出露泛非期正长岩侵入体 10 该区镁铁质麻粒岩的变质条件为 700 750 0 5 GPa 59 属于单一的高温低压变质杂岩 60 利用 SHRIMP 分析的方法获得变泥质 岩中继承锆石的年龄为 2500 Ma 在 660 500 Ma 有明显的 Pb 丢失 10 因此 有学者认 为大和山的区域变质作用可能发生在 660 500 Ma 泛非期正长岩的侵位年龄为 520 Ma 61 1 1 4吕措 霍尔姆湾 该地区主要出露角闪岩相 麻粒岩相变质杂岩 包括超镁铁质麻粒岩 长英质片麻岩 钙硅酸盐岩 变泥质岩和少量泛非期花岗岩 吕措 霍尔姆杂岩总体上可分为角闪岩相 带 角闪岩相 麻粒岩相过渡带和麻粒岩相带 3 个区域 显示从东向西的递进变质作 用 10 其中麻粒岩相带峰期变质作用条件为800 850 0 7 0 8 GPa 62 在该区西南 部伦湾角 Rundv gshetta 和福尔芬格角 Forefinger Point 变质岩中的矿物组合还显示了 超高温变质作用 其峰期变质条件至少高达 900 1000 1 0 1 2 GPa 随后发生的减 压退变的条件为 824 1010 0 65 1 08 GPa 63 66 反映近等温减压的顺时针 P T 演 化历史 利用离子探针获得该区高级变质作用的年龄在 550 520 Ma 10 65 而伦湾角的 变质峰期年龄在 517 9 Ma 10 吕措 霍尔姆湾的中 高压变质杂岩与大和山低压变质杂岩共同组成一对双变质带 553第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 可能反映了陆 陆碰撞的构造模式 65 1 2普里兹造山带 1 2 1普里兹湾 普里兹湾沿岸地区主要包括三个地质单元 西福尔丘陵 Vestfold Hills 太古宙地块 赖于尔群岛 Rauer Island 太古宙 元古宙拼合杂岩以及普里兹湾 埃默里冰架东缘的中元 古 古生代变质杂岩 后一地区的变质杂岩主要由两组岩石单元组成 分别为基底复合正 片麻岩 长英质正片麻岩和镁铁质麻粒岩 和作为盖层的各种副片麻岩 67 基底杂岩侵位 于 1380 1020 Ma 32 68 69 而盖层岩系的沉积年龄为中元古代或新元古代 普里兹湾地 区为遭受到格林维尔和泛非两期高级变质作用叠加的多相变质地体 34 70 泛非期的峰期 变质作用 即中低压麻粒岩相变质作用 发生在 535 525 Ma 15 23 71 不同地区变质峰期 P T 条件基本限定在760 860 0 6 0 7 GPa 并在后期经历了近等温减压过程 72 76 另外 在赖于尔群岛的变泥质岩中发现泛非期超高温变质作用 34 77 其高峰变质条件达 950 1050 0 95 1 2 GPa 后期变质叠加条件为 800 850 0 70 GPa 78 81 普里兹湾地区广泛发育泛非期花岗岩 形成时代在520 490 Ma 之间 表1 Sheraton 等 1 82 和 St we 等 72 的研究表明 进步花岗岩和阿曼达花岗岩属于 S 型花岗岩 兰丁花岗 岩 蒙罗克尔山花岗岩和达尔克花岗岩属于 I 型花岗岩 所有花岗岩又同时具有 A 型花 岗岩的特征 是麻粒岩相深部地壳部分熔融形成的 75 1 2 2格罗夫山 格罗夫山位于普里兹湾以南约 400 km 主体为经历了泛非期麻粒岩相变质作用的正 片麻岩 包含少量副变质沉积岩 钙硅酸盐岩和镁铁质麻粒岩 29 83 格罗夫山主体由约 920 910 Ma 期间侵入的镁铁质 长英质火成岩和少量中元古代的沉积岩构成 与普里兹 湾地区基底岩石不同的是这些岩石仅在泛非期 约 570 500 Ma 经历了单相变质 构造 旋回 31 格罗夫山地区泛非期高峰变质条件达到 770 840 1 18 1 40 GPa 并在随 后经历了近等温减压 约 0 6 GPa 的顺时针 P T 演化过程 高压麻粒岩的研究结果表明 格罗夫山在泛非期造山作用过程中地壳曾被增厚达 40 50 km 而后又经历了约 20 km 地壳厚度的伸展垮塌和剥蚀 33 在泛非期高峰变质作用之后 格罗夫山发生了大规模的 低角度韧性剪切变形 变形时代在 530 480 Ma 伴随大量与深熔作用相关的花岗岩脉 体 84 年代学和地球化学研究表明该区所有的泛非期紫苏花岗岩 紫苏花岗岩脉 花岗 岩和花岗岩脉都具有 A 型花岗岩的特征 24 形成时代在 550 500 Ma 之间 表 1 1 2 3查尔斯王子山 查尔斯王子山由一些离散的冰原岛峰群组成 按照地质年代可将其划分为四个地质 单元 从北向南依次为雷纳 Rayner 杂岩 费希尔 Fisher 地体 兰伯特 Lambert 地体和 鲁克 Ruker 地体 40 雷纳杂岩主要由长英质正片麻岩 泥质 半泥质副片麻岩 镁铁质 麻粒岩和紫苏花岗岩组成 85 该地体在 990 900 Ma 发生中压麻粒岩相变质作用和紫苏 花岗质岩浆活动 86 87 此外还受到早古生代 泛非期 构造作用和岩浆活动的影响 12 88 例如在 Jetty 半岛出露泛非期花岗岩 主要为 565 524 Ma 的黑云母花岗岩和 500 Ma 的 伟晶岩 19 88 费舍尔地体以发生绿片 角闪岩相变质的中元古代 1300 1200 Ma 双峰 式火山岩为特征 之后在 1050 1020 Ma 又发生一次岩浆活动 86 89 兰伯特地体主体为 653极地研究第 22 卷 大量太古宙 古元古宙正片麻岩夹硅质岩和少量钙质变沉积岩 90 其中莫森陡崖中部明 显受到泛非期角闪岩相变质作用的改造并伴有花岗岩的侵位 时代为 550 490 Ma 17 兰伯特地体变泥质岩纪录泛非期峰期变质作用条件为 650 700 0 6 0 7 GPa 随后 也经历了近等温减压 约 0 3 GPa 的顺时针 P T 演化过程 90 鲁克地体则是一个具有 复杂演化历史的太古宙地体 上覆晚太古代 新元古代变沉积岩盖层 40 其中在费希尔冰 川北部地区的变质岩中还发育早古生代中 细粒淡色花岗质侵入岩 19 1 2 4登曼冰川 登曼冰川以西地区主要出露一套麻粒岩相变质岩 包括英云闪长质正片麻岩 镁铁质 麻粒岩 副片麻岩 少量辉长岩和闪长岩 在戴维岛 David Island 被后期的正长岩 二长 岩 花岗质岩体侵入 91 正片麻岩具有 3000 Ma 的锆石 U Pb 年龄 并在 2900 Ma 发生强 烈的变质和变形作用伴有锆石的生长 之后在 600 500 Ma 发生 Pb 丢失 91 利用 SHRIMP 锆石 U Pb 定年方法得出戴维岛正长岩的侵位年龄为 516 2 Ma 91 登曼冰川 西部和平站的紫苏花岗岩 Rb Sr 全岩等时线年龄为 502 24 Ma 92 登曼冰川以东的邦格丘陵 Bunger Hills 和奥布鲁切夫丘陵 Obruchev Hills 主要由 一套英云闪长质 花岗质正片麻岩 副片麻岩和辉长质 花岗质侵入岩组成 邦格丘陵的 正片麻岩具有 1700 1500 Ma 的锆石 U Pb 年龄 并在1190 Ma 发生麻粒岩相高级变质和 变形作用 随后被辉长质 花岗质侵入岩 1170 1150 Ma 侵入 两者又均被大量 1140 Ma 的粗玄岩岩脉侵入 91 93 94 另外 该区还有少量碱性玄武岩和粗面玄武岩侵入 其 Rb Sr 矿物等时线年龄为 502 Ma 93 奥布鲁切夫丘陵的正片麻岩具有更老的锆石 U Pb 年龄 2640 Ma 也被少量 1140 Ma 的粗玄岩岩脉侵入 91 94 从已有年代学数据看来 登曼冰川的两侧地区可能均受到泛非期事件的影响 但登曼 冰川以西地区受到的影响更强烈 并且缺失晚中元古代 1190 Ma 的高级构造事件和岩 浆作用 2地球化学 东南极地盾内部泛非期的岩浆作用形成了具有不同矿物组成和岩石类型的岩体 包 括紫苏花岗岩 二长岩 正长岩 石英二长岩 花岗岩和少量辉长岩及玄武岩 各岩体的分 布位置 岩石类型 年龄和特征描述如表 1 所示 从已发表的文献中搜集了 100 多个岩石 标本的地球化学数据进行对比研究 其中剔除了混合岩 细晶岩 伟晶岩及包体等不具代 表性的岩石样品 2 1主量元素 在侵入岩岩石的 TAS 分类图解中 图 2 大和山与登曼冰川地区的样品分布在碱性 岩系列中的正长岩和二长岩的区域 普里兹湾 查尔斯王子山 格罗夫山和吕措 霍尔姆湾 地区的样品主要分布在亚碱性系列的二长岩 石英二长岩和花岗岩的区域 南龙达讷山地 区的样品则可以分为两类 一类相对低硅 高碱的样品分布在碱性系列二长岩中 另一类 相对高硅 低碱的样品分布在亚碱性系列花岗岩范围中 毛德皇后地的样品在两个岩石系 列中均有分布 利用 K2O SiO2图解对亚碱性侵入岩进一步分类 除南龙达讷山和个别吕 753第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 措 霍尔姆湾花岗岩落在高钾的钙碱性岩范围外 大部分花岗岩均落在橄榄玄粗岩系的区 域中 图 3 除部分南龙达讷山花岗岩外 大多数样品富钾 K2O Na2O 1 普里兹湾和 北查尔斯王子山 Jetty 半岛花岗岩的 K2O Na2O 比值总体较其他地区偏高 北查尔斯王 子山花岗岩相对南查尔斯王子山花岗岩具有相对较高的 K2O FeOtot MgO TiO2和 CaO 含 量 反映了岩浆源区的差异性 19 图 2东南极泛非期侵入岩岩石分类图解 数据源自文献 8 19 24 27 51 52 61 66 88 93 94 96 99 岩石分类界限据文献 100 系列界限据文献 101 Fig 2 Classification of the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 图 3东南极泛非期花岗岩的 K 2O SiO2图解 系列界限据文献 102 符号同图 2 Fig 3 Plot of K2O vs SiO2diagram for the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 853极地研究第 22 卷 岩石系列划分总体上与按照 Frost 等 95 的钙碱指数划分结果一致并落在 A 型花岗岩 的区域中 其中吕措 霍尔姆湾地区的花岗岩从钙性 钙碱性 碱钙性和碱性均有分布 说 明其形成过程中可能受到不同成分岩浆混合作用的影响 图 4 除大和山外 东南极泛 非期造山带中大多数花岗质岩石的 Fe Fe FeOtot FeOtot MgO 值较高 大于0 7 在 FeOtot FeOtot MgO SiO2图解中落在 A 型花岗岩的区域中 图 5 几乎所有样品 都具有中等 高的 Al2O3含量 11 18 18 4 铝饱和指数 A CNK 变化很大 其中 大和山 登曼冰川与格罗夫山地区花岗岩表现为准铝质 其他地区花岗岩具有准铝质 过 铝质连续分布的特点 图 6 图 4东南极泛非期侵入岩 Na 2O K2O CaO vs SiO2图解 系列界限据文献 95 符号同图 2 Fig 4 Na2O K2O CaO vs SiO2diagram for the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 图 5FeOtot FeOtot MgO SiO 2图解 系列界限据文献 95 符号同图 2 Fig 5 FeOtot FeOtot MgO SiO2diagram for the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 从以上地球化学图解中可以看出 大和山地区的花岗岩类总体表现为低硅 富碱 富 镁 相对较高的 CaO 含量 1 77 9 34 明显不同于其他地区的钙碱性准铝 过铝质 花岗岩类 反映了岩浆源岩性质的差异性 强烈分异演化的高硅 过铝质花岗岩主要分布 在毛德皇后地部分地区 普里兹湾和北查尔斯王子山的 Jetty 半岛 此外 东南极泛非期 953第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 紫苏花岗岩主要分布在毛德皇后地和格罗夫山地区 但前者的紫苏花岗岩有更高的全碱 含量和 Al2O3含量 更低的 TiO2和 P2O5含量 可能反映岩浆熔体的演化程度更高而温度 更低 图 7 与印度和斯里兰卡同时代富镁的紫苏花岗岩相比较 东南极泛非期紫苏花 岗岩富铁 标志铁辉石与石英达到共生平衡 27 温压计算和岩石学的研究结果表明 毛 德皇后地紫苏花岗岩的熔体一般相对较干 温压条件大于 900 0 45 GPa 104 图 6东南极泛非期花岗岩的 A NK A CNK 图解 系列界限据文献 103 符号同图 2 Fig 6 Plot of A NK vs A CNK for the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 图 7东南极泛非期花岗岩的 Al 2O3 TiO2 SiO2图解 虚线为毛德皇后地紫苏花岗岩 实线为格罗夫山 紫苏花岗岩 符号同图 2 Fig 7 Plot of Al2O3 TiO2vs SiO2for the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 花岗岩类的铝饱和指数通常受控于岩浆源区的物质成分和岩浆熔融结晶过程 例如 橄榄石 辉石和角闪石的结晶分离作用可以明显提高岩浆的铝饱和指数 但这种影响是非 常有限的 而岩浆源区成分是主控因素 95 换句话说 形成过铝质花岗岩的岩浆本身就 是过铝质的 这种岩浆或者由上地壳中富铝的泥质 半泥质岩部分熔融形成 或者是含水 条件下麻粒岩相基性岩部分熔融形成 因此 毛德皇后地 普里兹湾和 Jetty 半岛的过铝 质花岗岩可能是富铝的上地壳部分熔融的结果 即 S 型花岗岩 铝质 A 型花岗岩 花岗 岩的 Fe 值则主要受岩浆不同的分异路径影响 相对贫水 还原条件下的玄武质岩浆源 063极地研究第 22 卷 区物质的部分熔融最终形成具更高 Fe 值的花岗岩 如后碰撞的伸展环境 镁质花岗岩 则可能与相对含水 氧化条件下的岩浆源区有关 如与俯冲作用相关的岛弧岩浆作用密切 联系 95 此外 在岩浆分异演化的后期由于铁质壳源熔体的加入也使熔体逐渐向富铁趋 势演化 95 据此大和山地区富镁的花岗岩可能与俯冲带岩浆活动有关 或者至少是形成 大和山花岗岩的源岩在早期经历过俯冲作用影响 2 2微量元素 在微量元素标准化蛛网图中 图 8 除大和山外所有泛非期花岗岩类均富集 Rb Ba Th K 等大离子亲石元素和轻稀土元素 呈现 Sr Nb P 和 Ti 的负异常 反映岩浆演 化过程中与斜长石 磷灰石 钛铁矿 或榍石或角闪石 等矿物的分异有关 并与大陆地壳 有密切关系 普里兹湾 Jetty半岛和部分毛德皇后地的花岗岩类还表现出Ba相对于Th 图 8东南极泛非期花岗岩微量元素原始地幔标准化蛛网图 标准化据文献 106 数据来源同图 2 Fig 8 Primitive mantle normalized incompatible element abundance diagrams for the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 163第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 和 Rb 亏损 表现为成熟度较高的陆壳岩石的特点 大和山地区的花岗岩与其他地区不 同 虽然也显示有 Nb 和 Ti 的负异常 但缺乏明显的 Sr 和 P 负异常 说明岩石成分变化基 本未受斜长石和磷灰石分离结晶作用影响 与一般的非造山碱性花岗岩相比较 除南龙 达讷山以外的东南极泛非期花岗岩都具有富钾 明显的 Nb 负异常特征 Ba Sr 和 P 负异 常表现相对不显著的特点 另外 大多数东南极泛非期花岗岩具有中等 高的 K Rb 比值 92 1073 和较高的 Th U 比值 10 99 80 35 中等 高的 K Rb 比值则明显不同于由强烈分异形成的碱性 岩的特征 K Rb 比值低 Th U 比值远高于地壳平均值 3 8 105 说明相对于 Th 而 言强烈亏损 U 可能受到变质作用的影响 Jetty 半岛花岗岩与其他地区花岗岩 Y 正异常 或若负异常 的不同之处则表现为 Y 负异常 可能与高压熔融条件下的岩浆形成相关或 岩浆源区有石榴石的残留 并且包括 Jetty 半岛在内的北查尔斯花岗岩与南查尔斯王子山 的花岗岩相比较具有更高的轻稀土 Th U 比值和 Ba Sr 和 Zr 含量 19 表明二者源岩性 质的差异性 在 FeOtot MgO Zr Nb Ce Y 花岗岩分类图解中 南龙达讷山地区的花岗岩落在 I 型花岗岩的区域 其他地区大部分花岗岩落在 A 型花岗岩的区域 图 9 在 Rb Y Nb 与 Nb Y 构造划分图解中 南龙达讷山花岗岩主要落在火山弧花岗岩的区域 查尔斯 王子山 部分普里兹湾地区和毛德皇后地的花岗岩落在同碰撞花岗岩的区域 其余大部分 花岗岩落在板内花岗岩的区域 同时许多样品也落在后碰撞花岗岩的区域 图 10 图 9FeOtot MgO Zr Nb Ce Y 图解 界限据文献 107 符号同图 2 Fig 9 Plot of FeOtot MgO Zr Nb Ce Y of the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 2 3同位素 由于岩浆的同位素比值在其分异过程中保持恒定 所以岩浆岩的同位素比值代表了 源区的特征 同位素分析结果表明 除几个吕措 霍尔姆湾地区花岗岩外 所有东南极泛 非期花岗岩具有 Nd t 0 Sr t 0 的特征 但毛德皇后地 登曼冰川地区的花岗岩具 有相对更小的 Nd t 值 说明在成岩物质来源中再循环的古老地壳占有明显的控制作用 图 11 普里兹湾 格罗夫山和 Jetty 半岛地区的花岗岩类的87Sr 86Sr 初始比值变化范围 较大 呈水平带状分布 反映了他们的源岩组成比较复杂 或者受到源岩本身 Sr 同位素组 263极地研究第 22 卷 成不均一的影响 也可能是受成岩后地质作用影响的结果 利用两阶段模式计算出大和 山和吕措 霍尔姆湾地区 普里兹湾和格罗夫山地区以及毛德皇后地和登曼冰川地区花岗 岩类的 Nd 同位素模式年龄分别为 1 1 1 8 Ga 2 0 2 3 Ga 和 2 4 2 7 Ga 代表了平 均地壳的残留年龄 可能与早 中元古代古老地壳物质的再循环有关 从图 11 可以看 出 普里兹湾 Jetty 半岛与格罗夫山地区花岗岩类的岩浆来源主要是富集地幔 但可能受 到地壳物质不同程度的混染 大和山与大部分吕措 霍尔姆湾地区的花岗岩演化方向指向 亏损地幔源区 是由亏损地幔与富集地幔混合而成的 但个别 Nd t 0 的样品 吕措 霍 尔姆湾地区 可能源于亏损地幔 毛德皇后地与登曼冰川地区的岩体则主要源于古老的 地壳组分 基本未受年轻地壳组分的混染 图 10Nb Y 与 Rb Y Nb 图解 界限据文献 108 109 符号同图 2 WPG 板内花岗岩 ORG 洋 中脊花岗岩 VAG 火山弧花岗岩 Syn COLG 同碰撞花岗岩 Post COLG 后碰撞花岗岩 Fig 10 Nb Y and Rb Y Nb diagrams of the Pan African intrusive rocks from East Antarctica 图 11东南极泛非火成岩 Nd t 87Sr 86Sr i图解 符号同图 2 数据源自文献 24 52 61 66 88 93 97 99 110 Fig 11 Nd t 87Sr 86Sr idiagram for the Pan African igneous rocks from East Antarctica 363第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 3岩浆演化序列与变质作用的关系 造山作用是一个非常复杂的地质过程 涉及到变质变形 岩浆活动等一系列地质事 件 因此通过建立两者的时间演化关系来恢复造山作用过程非常重要 3 1毛德造山带 西毛德皇后地 Sverdrupfjella 地区的泛非期变 质 作 用 条 件 为 0 5 0 6 GPa 600 45 48 泛非期岩浆作用大体上可以分为两期 一期是分布在 Brattskarvet 地区的具 有弱变形的石英二长岩 二长岩岩系 该花岗岩系的侵位年龄约 520 Ma 6 是与区域伸展 或底侵作用有关的一套碱性 过碱性 A 型花岗岩 45 另一期是在韧性变形后期形成的含 电气石的淡色花岗岩和岩脉 以 Dalmatian 二云母 S 型花岗岩 469 Ma 为代表 51 中毛德皇后地西部 Gjelsvikfjella 和 M hlig Hofmann Gebirge 地区的泛非期构造事件 可分为两个阶段 第一阶段为 560 550 Ma 东 西冈瓦纳陆块碰撞挤压期 区域上发生强 烈韧性变形 伴随角闪岩相 麻粒岩相变质作用和大量淡色花岗岩侵位 558 Ma 第二阶 段530 490 Ma 碰撞后松弛期 发生广泛部分熔融和弱的韧性变形 伴随紫苏花岗岩 521 Ma 正长岩和后碰撞花岗岩 500 Ma 的侵位 温压演化表现为近等热减压的 P T 轨迹 最后的岩浆活动来自 Stabben 的变质辉长岩 480 Ma 对应温度冷却降温至 600 27 中毛德皇后地东部 Orvinfjella Wohlthatmassif 地区最早的泛非期岩浆活动以 Peter mannketten 的紫苏花岗岩 600 Ma 和 Grubergebirge 的斜长岩 580 Ma 为代表 之后该区 发生两期变质作用 第一期角闪岩相变质作用发生在 570 550 Ma 第二期麻粒岩相变质 作用发生在 530 515 Ma 伴随大量同构造淡色花岗岩 530 Ma 的侵位 最后是后构造 A 型花岗岩 512 Ma 的侵位 16 22 综合以往地质学和年代学研究结果 东南极毛德皇后地泛非期岩浆作用与区域变质 作用密切相关 岩浆演化具多期次和脉动性特点 由东向西随着构造变形程度逐渐减弱 岩体侵位的时代是由老变新的 表 1 最早的岩浆活动发生在陆块碰撞之前 以斜长岩 紫苏花岗岩为主 600 Ma 之后形成大量淡色花岗岩 558 Ma 对应于陆 陆碰撞引起的 地壳增厚和570 550 Ma 峰期变质作用 800 850 0 8 GPa 随后等热减压伴随大规 模的陆壳伸展 650 0 3 0 4 GPa 形成大量后碰撞的包括紫苏花岗岩在内的铁质 A 型花岗岩 500 530 Ma 最后是降温冷却形成以 Dalmatian 花岗岩和 Stabben 辉长岩为 代表的岩体 这与碰撞后地壳增厚随后伸展减压的碰撞造山的构造模式吻合 在南龙达讷山也识别出两期变质作用 与毛德皇后地比较发生时间较早 其中高级变 质事件发生在 650 630 Ma 而中级变质作用 混合岩化以及花岗质岩浆作用的叠加发生 在 570 530 Ma 55 大和山和吕措 霍尔姆湾的泛非期区域变质作用分别发生在 660 500 Ma 和 550 520 Ma 10 南龙达讷山和吕措 霍尔姆湾地区的泛非期花岗岩的侵位时 代大多是 Rb Sr 年龄 虽然该测试方法产生的结果可能不太准确 但大致在 580 480 Ma 之间 与区域泛非变质时代也是相互对应的 大和山地区的正长岩 520 Ma 并未发生明 显变质变形和重结晶作用 显然是在区域变质作用的后期形成的 61 3 2普里兹造山带 463极地研究第 22 卷 普里兹湾地区泛非期区域变质作用的峰期是在 535 Ma 之后发生广泛岩浆活动和花 岗岩类的侵位 同样具有阶段性 多期性 表 1 同位素年代学的研究结果表明 普里兹 湾地区泛非期岩浆演化可分两个阶段 第一个阶段为 520 510 Ma 产生达尔克岛二长岩 519 Ma 和拉斯曼丘陵进步花岗岩 516 Ma 第二个阶段为 500 Ma 形成兰丁花岗岩 500 Ma 蒙罗克尔山花岗岩 497 Ma 和阿曼达花岗岩 498 Ma 等 北查尔斯王子山东 部 Jetty 半岛的花岗岩 伟晶岩和埃默里冰架东缘詹宁斯岬的紫苏花岗岩形成时代均为 500 Ma 左右 也属于第二个阶段 格罗夫山的区域峰期变质作用在 550 Ma 而格罗夫山 的岩浆演化序列依次为紫苏花岗岩 547 Ma 紫苏花岗岩脉 533 Ma 花岗岩 两期分别 为 526 Ma 和 503 Ma 和花岗岩脉 501 Ma 普里兹构造带经历了 3 个重要的变形演化阶段 即早期与碰撞作用相关的挤压构造 变形 与峰期变质作用对应形成泛非期构造热事件的等温减压过程 中期大规模低角度韧 性拆离 与变质作用晚期的强烈花岗质深熔作用相关 形成泛非期构造热事件的晚期近等 压降温过程 很可能与碰撞造山后期岩石圈伸展作用相关 晚期高角度正断层变形阶段 与导致邻区兰伯特裂谷的形成的地壳伸展作用相关 84 北查尔斯王子山 Jetty 半岛泛非花岗岩在位置上处于普里兹造山带的边缘地带 而南 查尔斯王子山由于其构造走向与埃默里冰架东缘和格罗夫山地区近于垂直 泛非期变质 作用也只达到了中低压角闪岩相 41 42 暗示该地区泛非期构造热事件可能并不是普里兹 带的组成部分 而仅仅是对普里兹带碰撞造山作用的构造响应 泛非期普里兹造山带的 东延部分可能到达登曼冰川地区 岩浆活动以西戴维岛正长岩 516 Ma 与和平站的紫苏 花岗岩 502 Ma 为代表 而邦格丘陵地区发育的碱性玄武岩和粗面玄武岩 502 Ma 可 能是碰撞造山作用的末期并向板内构造环境转换期间形成的 4岩石的成因类型与构造环境 通过以上东南极泛非期花岗岩类的地球化学对比研究 结合岩石学和矿物学特征 可 以初步对东南极泛非期花岗岩类做以下总结 表 2 毛德皇后地花岗岩属于铁质准铝质 过铝质碱性 钙碱性花岗岩 包括 S 型和铁质 A 型两类 分别对应于 MPG 和 KCG 花岗 岩 南龙达讷山花岗岩属于准铝质碱性 钙碱性 I 型花岗岩 KCG 和 ACG 花岗岩 大和 山属于准铝质碱性 镁质 A 型花岗岩 ACG 花岗岩 吕措 霍尔姆湾属于准铝质 A 型花岗 岩 KCG 花岗岩 Jetty 半岛 普里兹湾和格罗夫山地区属于铁质准铝质 过铝质 钙碱 碱 钙性 S 型和 A 型花岗岩 MPG 和 KCG 花岗岩 登曼冰川属于准铝质碱性 A 型花岗岩 PAG 花岗岩 一般认为 I 型花岗岩以准铝质 弱过铝质 钠质为特点 形成的构造环境可以是火山 岛弧或后造山环境 原岩为镁铁质变质火成岩经部分熔融和分离结晶作用形成的 S 型花 岗岩以强过铝质 钾质 高 SiO2含量为特点 常形成于造山带中 是变沉积岩部分熔融形 成的 A 型花岗岩则以富钾 高 Fe 值和较高的高场强元素为特点 通常可以按照其形 成的构造环境分为两类 一类 A1 型 为侵位于类似大陆裂谷和地幔柱或热点有关的板 内非造山环境中 另一类 A2 型 来自陆壳或底侵的镁铁质地壳 是在后造山环境中侵 563第 4 期李淼等 东南极新元古代晚期 早古生代 泛非期 花岗岩类研究综述 位的 111 大量研究表明 花岗岩类的成因明显受地球动力学环境的制约 但花岗岩的地 球化学特征通常反映的是源岩的成分而不是特定的构造背景 108 因此 将花岗岩的成因 类型简单地对应于相关的地质构造背景是不可取的 要进一步搞清不同地区岩体形成的 构造环境必须将岩石成因与区域上的构造 变质地质学及年代学的资料相结合 进而才能 有助于解决区域构造演化的问题 4 1毛德造山带 东南极毛德造山带中花岗岩类在侵位时代上与泛非高级变质作用紧密联系 表 2 在空间产状上 毛德造山带中毛德皇后地 龙达讷山地区的泛非期同 后构造花岗岩大多 受泛非期左旋剪切构造带控制 并与莫桑比克带中的主剪切带一致 在构造演化与岩浆作 用方面 随碰撞造山发展的不同阶段岩浆演化表现出阶段性特点 另外 中毛德皇后地的 泛非期构造运动还表现为具有东倾拉伸线理的岩体向西逆冲 反映东 西向汇聚特征 22 温压演化表现为近等热减压的 P T 轨迹 均反映碰撞造山带的特点 中毛德皇后地紫苏 花岗岩和花岗岩类富集 Ba Zr Y Zn 和 Fe 低 Cs Rb Ca 反映出强烈分异的 A2 型花 岗岩的特点 表明其岩浆源于英云闪长质 花岗闪长质下地壳或底侵下地壳 112 毛德造 山带中的 S 型花岗岩以 Sverdrupfjella 地区的 Dalmatian 花岗岩为代表 是在碰撞造山的晚 期局部地壳物质部分熔融形成的 龙达讷山地区 I 型花岗岩可能主要为火山岛弧的构造背景 大和山地区的镁质 A 型 花岗岩因其特殊的富镁特征而与俯冲作用相关的岩浆演化有关 可能是俯冲带之上交代 地幔楔部分熔融的产物 61 考虑到在吕措 霍尔姆湾局部地区发现有泛非期超高温变质 作用 该变质作用发生的大地构造背景很可能与活动板块边缘的岛弧岩浆作用相关 其高 的地热梯度来自于地幔岩浆的贡献 113 114 相应的花岗岩应是相同构造背景下岩浆活动 的产物 因此 总体上毛德造山带是莫桑比克带向东南极内部的延伸部分 毛德皇后地一 系列同 后构造 A 型 S 型花岗岩应是在有岛弧参与作用下的陆陆碰撞 后碰撞的环境下 产生的 4 2普里兹造山带 普里兹造山带中普里兹湾地区花岗岩类的侵位时代略晚于区域峰期变质作用 在构 造上与整体的区域变形呈截然关系 大部分发育与区域片麻岩片理一致的弱变形 表现为 同 后构造花岗岩的特点 普里兹湾地区变质作用的研究显示该区经历了早期近等热减 压的演化过程 而这种顺时针 P T 轨迹通常与碰撞造山的构造演化过程密切相关 普里 兹湾地区普遍存在泛非期高级变质作用 在构造上以区域上早期挤压逆冲和晚期减压伸 展构造为特点 70 并且以强烈的热演化 850 25 km 深熔作用 广泛的韧性变形和地 壳的垂向增生以及变质峰期之后近 10 km 的剥蚀为特征 区域麻粒岩近等温减压的 P T 轨迹和减压的深融作用可与碰撞后的伸展和垮塌相联系 13 23 70 71 76 116 最终在碰撞造山 的构造背景下形成大量 A 型 S 型花岗岩 这种花岗岩兼具与俯冲作用相关的富集地幔成 分和下地壳成分的地球化学特征 格罗夫山地区花岗岩类的侵位时代与峰期变质作用的时代一致 岩浆活动持续了约 50Ma 格罗夫山与普里兹湾地区同样都经历了泛非期高级变质作用 近等温减压 约 663极地研究第 22 卷 0 6 GPa 的顺时针 P T 演化过程 地壳增厚及所后的伸展垮塌和剥蚀 33 地球化学研究 结果表明格罗夫山的花岗岩和紫苏花岗岩都属于 A 型花岗岩 是在同 后造山阶段由富集 地幔底侵物质的部分熔融形成的 24 北查尔斯王子山 Jetty 半岛的花岗岩与拉斯曼丘陵地区花岗岩相似 具有 S 型花岗岩 的特征 是碰撞造山过程中地壳物质部分熔融形成的 登曼冰川以西戴维岛正长岩 516 Ma 与和平站的紫苏花岗岩 502 Ma 属于准铝质碱性花岗岩 可能属于泛非期普里兹造 山带的东延部分 而登曼冰川以东邦格丘陵地区发育的碱性玄武岩和粗面玄武岩 502 Ma 可能是在碰撞造山作用之后局部地区伸展背景下的碱性岩浆在地壳较高部位侵位 形成的 5结论与讨论 近年来 从东南极内部不同地区陆续得出的大量同位素年龄证实了泛非期构造热事 件的普遍存在 7 10 12 45 70 这些信息使多数地质学家们相信在东南极内部有可能发育泛 非期缝合 构造 带 随后争论的重点主要集中在泛非期造山带是如何向东南极内部延伸 这一重大构造问题 图 1 目前对于东南极内部泛非期缝合带的展布主要有以下几种认 识 1 莫桑比克带 吕措 霍尔姆湾 毛德皇后地 沙克尔顿岭 16 20 21 27 28 43 2 吕措 霍 尔姆湾 北查尔斯王子山 普里兹湾南部 登曼冰川 12 3 甘布尔采夫冰下山脉 Gam burtsev Sub glacier Mountains 普里兹湾南部 登曼冰川 13 4 普里兹湾南部 南查 尔斯王子山 毛德皇后地中部 17 30 鉴于东南极毛德造山带的中毛德皇后地