斯里兰卡地质演化研究的进展与评述:岩石组合、变质演化及其与冈瓦纳大陆的关系

地球表生环境的演变及生命演化过程,与地球构造过程密切相关,新元古代-寒武纪时期的冈瓦纳大陆汇聚过程见证了一系列剧变。东非造山带(ca. 650～620Ma)和Kuunga造山带(ca. 600～500Ma)是冈瓦纳大陆块体汇聚过程中形成的两条主要造山带,二者在斯里兰卡所在的区域十字交叉。因此斯里兰卡地质演化历史的准确梳理,对理解新元古代时期全球构造过程的重要意义不言而喻。斯里兰卡的四个前寒武纪地质体(Wanni、Kadugannawa、Highland和Vijayan杂岩地体)中,中部的Highland杂岩地体最古老(ca. 2000～1800Ma)、变质程度最高(普遍麻粒岩相,局部为超高温麻粒岩相),其余三个地质体主要岩石的形成时代为中元古代晚期-新元古代(ca. 1100～700Ma),岩石记录的变质级别略低于Highland地体,为角闪岩相-麻粒岩相。现有研究表明斯里兰卡几个地质体在新元古代-寒武纪时期(ca. 610～500Ma)的变质作用记录最为显著,并伴随有广泛的陆壳重熔再造。该构造热事件晚于东非造山带的变质时代(ca. 650～620Ma),与Kuunga造山带活动时间(ca. 600～500Ma)吻合度较高,这与前人提出的莫桑比克缝合带(东非造山带)穿过斯里兰卡的认识相矛盾。斯里兰卡的高级变质作用究竟是单次造山作用的结果,还是代表了两期造山事件的叠加效应,目前尚无定论。高温-超高温变质作用是斯里兰卡前寒武纪基底岩系的显著特征,其中超高温麻粒岩具有假蓝宝石+石英、紫苏辉石(Al_2O_3含量可达～13%)+夕线石、尖晶石+石英等的矿物组合,不同研究者给出超高温峰期变质温度在950～1150℃的范围内,峰期变质压力在10～16kbar的范围内,多显示顺时针演化P-T轨迹。斯里兰卡中东部地区的基性麻粒岩,发育由斜方辉石+斜长石、角闪石+斜长石或单斜辉石+斜长石组成的环绕石榴石的蠕虫状后成合晶结构,指示近等温降压的P-T演化样式,以及峰期变质作用之后地体相对快速抬升的演化过程。紫苏花岗岩在斯里兰卡不同地体中都很常见,与所有的高级变质岩(如泥质、基性麻粒岩和钙硅酸盐岩等)密切伴生,是研究斯里兰卡地质演化不可忽视的岩石类型。紫苏花岗岩的原岩成因较为复杂,其最古老部分的形成时代可能为太古宙或古元古代(～1850Ma),但是没有很好的年代学限定。部分紫苏花岗岩原岩时代为ca. 1100～750Ma,具有钙碱性弧岩浆的地球化学特征,并记录ca. 580～500Ma的变质作用,还有一部分紫苏花岗岩时代与区域麻粒岩相变质作用的峰期时代相当,为ca. 580～550Ma。在一些地区的角闪片麻岩中,还可以观察到补丁状分布的初始紫苏花岗岩,其形成时代多被认为晚于峰期麻粒岩相变质时代。斯里兰卡四个前寒武纪地质体在岩石组合、变质级别、地质年代学格架等方面的差异被普遍认同,暗示这些地质体具有不同的演化历史。但是斯里兰卡不同地质体的汇聚过程是否对应于莫桑比克洋的闭合,以及Kuunga造山带如何改造斯里兰卡的基底岩石,目前并不清楚。本文综述了前人发表的研究结果,主要从斯里兰卡不同地质体岩石组合、高温-超高温变质作用(Highland地体)、变质地质年代学及其对冈瓦纳大陆重建的启示等几个方面,对斯里兰卡地质演化研究进行归纳和小结。在此基础上提出,在斯里兰卡基底构造框架、新元古代晚期-寒武纪高温-超高温变质作用、紫苏花岗岩成因、地质演化的年代学格架、斯里兰卡在冈瓦纳大陆重建中的位置和作用、下地壳热状态和热源机制等诸多方面,还存在问题和争议,是值得未来开展深入研究的方向。     

东南极茹尔群岛超高温麻粒岩的研究进展

茹尔群岛(又称赖于尔群岛)位于东南极普里兹构造带的东部边缘,是一个由太古宙和中元古代岩石组成的复合高级变质地体。中元古代岩石是含有富Fe-Al的含石榴子石-矽线石的费拉副片麻岩组合,经历了格林维尔和泛非两期变质作用。太古宙正片麻岩是含有富Mg-Al的含假蓝宝石的超高温泥质麻粒岩组合(梅瑟副片麻岩组合),主要由经历超高温变质作用的含假蓝宝石的泥质麻粒岩、富Mg的石榴子石-矽线石泥质片麻岩、斜方辉石-矽线石石英岩、含石榴子石镁铁质麻粒岩和钙硅酸盐麻粒岩等组成。其中,含假蓝宝石泥质麻粒岩中石榴子石变斑晶和矽线石集合体(蓝晶石假象)周围分别发育峰期后由假蓝宝石+斜方辉石和假蓝宝石+堇青石后成合晶组成的典型减压结构。含石榴子石镁铁质麻粒岩中石榴子石变斑晶周围则发育峰期后由斜方辉石+斜长石后成合晶组成的典型白眼圈减压结构。不同研究者得出了具有不同超高温峰期条件、峰期前及峰期后演化历史、不同形式的顺时针变质P-T轨迹。对超高温变质事件发生的时间和构造背景的认识也存在较大分歧,有认为超高温变质事件发生于格林维尔期(~1000 Ma)并与碰撞造山和弧岩浆作用有关,也有研究认为发生于泛非期(~590 Ma或~530 Ma)并与普里兹造山及冈瓦纳大陆聚合有关。因此,为理清该区超高温麻粒岩的变质演化历史和构造背景,需要对其进一步进行详细深入的矿物组合-变质结构分析、P-T轨迹重建及高精度的锆石-独居石U-Pb年代学研究,并进行区域上对比。      

内蒙古中南部古元古代高温型双变质带及其构造意义

内蒙古中南部集宁-丰镇-土贵乌拉地区发育了一条超高温变质岩带.通过对土贵乌拉地区超高温变质岩的矿物组合研究,发现其中包含了尖晶石+石英、假蓝宝石+石英、斜方辉石+夕线石+石英的超高温标型矿物组合,并且在超高温变质作用区域内,经历了初始近等压冷却,随后近等温降压的逆时针退变质过程.已有的年代学数据表明,超高温变质作用峰期变质时代为1 920 Ma左右,降压退变质时代为1 850 Ma左右.在超高温变质岩带的东南地区,包括怀安-宣化一带,还出露了高压麻粒岩带.高压麻粒岩经历了近等温降压的顺时针退变质过程.年龄数据表明高压麻粒岩峰期变质时代为～1 900 Ma,退变质时代为1 850 Ma左右.内蒙古中南部超高温变质岩带和高压麻粒岩带相邻分布、产状相似且变质时代接近,共同构成了类似都城秋穗提出的双变质带;由于其温度偏高,故称为高温型双变质带,为世界上最古老的双变质带之一.该高温型双变质带可能反映了内蒙古中南部不同层次地壳物质在早前寒武纪碰撞作用中经历了P-T演化截然不同的变质作用,两条变质带在经历了各自的峰期变质作用后,作为一个共同的地体抬升.对内蒙古中南部古元古代高温型双变质带开展进一步研究,为认识华北克拉通早期构造背景、地壳热演化,特别是板块构造、不同地壳层次的构造作用提供了难得的科学机遇.     

超高温变质作用：以华北内蒙古土贵乌拉地区为例

超高温麻粒岩(富Mg-Al)是指温度高于900℃、压力为0.7~1.3GPa条件下形成的麻粒岩相变质岩,它记录了下地壳超高温极端变质作用的地质信息。富Mg-Al典型超高温矿物组合有:假蓝宝石+石英,尖晶石+石英,大隅石+石榴石,斜方辉石+夕线石+石英,高氟黑云母和钙镁闪石,刚玉+石英。目前世界上发现的超高温麻粒岩带(块)地区有非洲阿尔及利亚、南非、东南极、巴西中部、澳大利亚中部、印度南部和东南部等地。我们在华北克拉通北部内蒙古中南部地区孔兹岩区中发现了超高温麻粒岩,岩性主要为灰黑色条带状夕线石榴黑云片麻岩,其中含有尖晶石+石英、假蓝宝石+石英、斜方辉石+夕线石+石英以及刚玉+尖晶石+石榴石等超高温矿物组合,指示温度达1000℃,压力超过1.0GPa的变质作用。独居石定年获得了(1927±11)Ma以及(1819±11)Ma两个峰期年龄,代表变质年龄。华北克拉通北部超高温麻粒岩的发现对研究华北克拉通与哥伦比亚超大陆的演化关系有重要意义。     

东南极拉斯曼丘陵镁铁质麻粒岩的变质作用演化

拉斯曼丘陵（Larsemann Hills）位于东南极普里兹构造带的中部,研究该区麻粒岩的变质作用演化对于理解普里兹带的构造属性至关重要。通过对该区含石榴石镁铁质麻粒岩转石详细的岩相学观察表明,峰期前进变质阶段矿物组合（M1）由角闪石+斜方辉石+单斜辉石+斜长石+黑云母+钛铁矿±石英±磁铁矿组成,其峰期矿物组合（M2）为石榴石+斜方辉石+单斜辉石+角闪石+钛铁矿±磁铁矿±石英,而代表后期与降压有关的叠加变质组合（M3）为斜方辉石+斜长石+单斜辉石+黑云母+钛铁矿±磁铁矿。矿物化学分析,结果显示其中石榴子石和斜方辉石具有弱的成分环带特征。利用THERMOCALC软件在NCFMASHTO体系下对该麻粒岩进行了详细的热力学模拟,结合传统温压计和平均温压计算结果,得出不同阶段温压条件分别为650~750℃/5.5~6.5kb （M1）,850~950℃/8~8.5kb （M2）,800~900℃/5.5~7.5kb （M3）。其变质作用演化为典型的峰期后近等温减压的（ITD）顺时针P-T轨迹。通过区域上镁铁质麻粒岩的对比分析,我们认为该镁铁质麻粒岩可能来源拉斯曼丘陵基岩露头。结合已有的年代学资料,表明该镁铁质麻粒岩的峰期变质事件可能对应于晚元古代格林威尔期构造事件,而后期退变质作用与早古生代的泛非期构造事件有关,意味着泛非期普里兹带可能是陆内造山带。     

喜马拉雅造山带中段亚东地区石榴角闪岩的成因：岩石学和锆石U- Pb年代学

喜马拉雅造山带中段出露的基性麻粒岩是理解印度大陆前喜马拉雅期演化历史和新生代碰撞造山作用的理想研究对象。本文对亚东多庆湖地区的石榴角闪岩进行了岩石学、全岩主微量元素地球化学和锆石U- Pb年代学研究,揭示了其原岩类型和新生代的变质作用过程。石榴角闪岩的原岩很可能为新元古代(~890 Ma)的玄武岩,具有E- MORB型岩石的地球化学特征。石榴角闪岩具有三期矿物组合：① 进变质矿物组合可能为石榴子石+角闪石+斜长石+钛铁矿+石英,即石榴子石核部及其中包裹体;② 峰期矿物组合为石榴子石+角闪石+斜长石+黑云母+石英,即石榴子石边部和基质矿物;③ 退变质矿物组合为角闪石+斜方辉石+斜长石+黑云母+石英,包括退变质域和石榴子石边部的后成合晶矿物。矿物温压计和相平衡模拟表明,石榴角闪岩进变质、峰期和退变质条件分别为609~621℃和0. 59~0. 65 GPa、805~845℃和0. 91~1. 04 GPa、825~840℃和0. 61~0. 68 GPa,经历了峰期高压麻粒岩相的变质作用。锆石U- Pb年代学研究表明,石榴角闪岩的峰期变质时间为34. 8~20. 3 Ma,退变质时间为18. 1~17. 7 Ma,可能经历了一个较长期的部分熔融过程。本文研究认为,亚东石榴角闪岩是印度板块向欧亚板块长期俯冲、地壳增厚成因的基性麻粒岩,原岩可能与Rodinia超大陆拼合相关;其以加热埋藏、近等温降压为特征的顺时针P- T轨迹指示了喜马拉雅造山带中段的大喜马拉雅岩系上部构造层位经历了长期持续的地壳增厚和高温麻粒岩相变质作用,以及早中新世(21~17 Ma)相对快速的减压抬升和随后(17 Ma之后)相对缓慢的折返至地表的演化过程。     

超高温麻粒岩中尖晶石成分、结构特征和矿物反应的指示意义:以阿尔泰造山带超高温尖晶石-斜方辉石-石榴石麻粒岩为例

超高温变质作用的研究已成为世界上热门的地球科学领域之一,其中斜方辉石+夕线石+石英、假蓝宝石+石英、尖晶石+石英、大隅石+石英以及富铝斜方辉石等标型矿物组合和特征可以指示岩石经历了超高温变质作用(温度>900℃),这对查明地球深部下地壳的物质组成和构造演化具有重要意义。初次对产于世界上不同地区超高温麻粒岩尖晶石+石英共生等的标型矿物组合、不同赋存状态的尖晶石ZnO含量、XZn[Zn/(Mg+Fe2++Zn)]、XMg等进行分析和对比,认为不同地区不同赋存状态的尖晶石,其ZnO含量、XZn和XMg有所不同,但总的来说,超高温麻粒岩尖晶石中ZnO质量分数多数低于2.5%,但个别特殊的有高达近15%。尖晶石中XZn较低且尖晶石与石英共生,可以作为超高温变质的证据之一。通过对阿尔泰南缘超高温尖晶石-斜方辉石-石榴石麻粒岩中尖晶石成分及ZnO含量分析,得出与石英共生的尖晶石ZnO质量分数约为2.50%,且有与XFe成正比的变化趋势,而与钛铁矿共生的尖晶石ZnO质量分数约为1.85%,虽然两者含量稍有不同,但与世界上超高温麻粒岩中多数尖晶石ZnO含量相比都相近。结合其他特征矿物组合,可以确定该岩石中尖晶石与石英共生组合可以作为阿尔泰地区发生超高温变质作用的证据。通过对阿尔泰南缘与尖晶石-石英有关的变质反应期次划分等的初步研究,认为变质期次可划分为峰期变质和退变质两期,推测峰期的温度条件可达到1000℃,且该超高温麻粒岩可能经历了顺时针p-T演化轨迹。该超高温麻粒岩在阿尔泰造山带的出现,可能与古生代时期发生的古亚洲洋俯冲、西伯利亚板块和哈萨克斯坦—准噶尔板块碰撞造山作用过程有关。     

东昆仑金水口地区格林威尔期超高温麻粒岩

格林威尔期构造事件是了解罗迪尼亚超大陆形成的关键。本文报道了东昆仑造山带东段金水口地区古生代花岗岩中新发现二辉麻粒岩包体,其峰期变质矿物组合为单斜辉石+紫苏辉石+钙长石+石英+磁铁矿。通过锆石U-Pb测年,我们确定二辉麻粒岩样品的峰期变质年龄为995±34Ma,并受到泥盆纪(～417Ma)构造热事件的叠加改造。利用单斜辉石-斜方辉石温压计估算出该区二辉麻粒岩变质峰期温度867～1079℃,压力46～89kbar,属于低压超高温变质的温压范围,可能形成于高地温梯度的岛弧环境。该二辉麻粒岩是首次在东昆仑地区发现的格林威尔期超高温麻粒岩,代表罗迪尼亚超大陆汇聚过程中低压高温变质的产物。该发现对了解东昆仑造山带前寒武纪基底的构造属性和起源有重要意义。     

柴北缘欧龙布鲁克地块中元古代晚期麻粒岩相变质作用——来自石榴夕线堇青石片麻岩的岩石学、相平衡模拟和U-Pb年代学的制约

在欧龙布鲁克地块乌兰北部地区察汗河岩群中识别出麻粒岩相石榴夕线堇青石片麻岩,其矿物组合为石榴子石、夕线石、堇青石、黑云母、斜长石、钛铁矿和少量钾长石等。岩相学观察显示,M1阶段矿物组合有斜长石±钾长石+石榴子石+夕线石+石英,M2阶段矿物组合有斜长石±钾长石+石榴子石+夕线石+石英+钛铁矿+黑云母,M3阶段矿物组合有堇青石+黑云母+钛铁矿+石英+石榴子石+斜长石±钾长石。相平衡模拟计算结果显示,该岩石的峰期温压条件为p=0.92～1.08 GPa,峰期温度t>790℃,峰期之后经历升温降压的p-T演化轨迹。锆石和独居石LA-ICP-MS U-Pb年代学研究获得的变质年龄分别为1 133±14 Ma和1 125±37 Ma, 1 133～1 125 Ma应代表了该期麻粒岩相变质作用的时代。结合区域地质资料和已有的研究成果,我们认为乌兰北部察汗河岩群的石榴夕线堇青石片麻岩可能形成于大洋俯冲作用下的弧或弧后构造环境,乌兰北部的岩浆-变质杂岩带经历了从中元古代晚期-新元古代早期俯冲增生到碰撞造山的演化过程,是全球Rodinia超大陆汇聚过程的响应。     

高温-超高温变质作用成因研究——来自华北克拉通西部孔兹岩带和南非Kaapvaal克拉通西南部Namaqua活动带与Bushveld变质杂岩体的启示

超高温变质作用是在变质地质学领域,继超高压变质作用研究高峰之后的又一重要前缘课题,对于认识地壳构造-热演化具有重要意义。本文总结了华北克拉通西部孔兹岩带和南非Kaapvaal克拉通西南部Namaqua活动带与Bushveld变质杂岩体的高温-超高温麻粒岩的化学成分、矿物组合、变质演化特征,及其相应的变质事件与构造属性。我国的超高温变质作用带,包括华北克拉通西部的孔兹岩带——从内蒙西段的大青山到东段的集宁-凉城地区的超高温变质岩,皆为Al-Mg质和Al饱和体系的超高温变质岩石,常见假蓝宝石+石英、尖晶石+石英的典型超高温变质组合,以及含假蓝宝石±尖晶石、但缺少石英的非典型超高温变质组合。南非Namaqua活动带与Bushveld变质杂岩体分别发现有独特的Fe-Al饱和的铁尖晶石+石英+大隅石、刚玉+高温石英等超高温矿物组合,罕见的高温硼硅酸盐和硅硼铝镁石等超高温矿物组合;以及Ca-Mg质饱和的钙镁橄榄石+镁硅钙石镁黄长石+镁橄榄石等超高温矿物组合的麻粒岩。研究的核心问题是矿物和岩石在高温-超高温条件下的特殊行为方式,不同构造环境和岩石化学成分下的变质反应及其热动力学过程。由此提出超高温变质作用成因研究中的科学问题:包括不同类型和地质属性的高温-超高温麻粒岩的成因特征;麻粒岩的形成条件演化过程和构造背景;高温-超高温变质过程中部分熔融和重新水化过程中流体的作用以及岩体形变过程中的部分熔融;变质反应以及变质作用P-T-t轨迹、元素地球化学和熔体作用行为;岩石保留的可能的变质事件和年代学记录,定量评价高温-超高温过程中变质演化的时间跨度和演化速率。