岡瓦納大陸邊緣羅斯運動的巖漿活動時代:來自北維多利亞地松散沉積物鋯石年齡的證據

陳 虹王宏暉包國棟

1.中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081;

2.中國地質調查局極地地學研究中心,北京 100081;

3.自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室,北京 100081

0 引言

南極大陸由西南極、東南極以及中部的橫貫南極山脈等三部分組成(Boger, 2011)。其中橫貫南極山脈在經歷了尼姆諾德(Nimrod)和羅斯(Ross)運動之后,結束了洋盆發展史,進入陸內造山階段,形成了羅斯造山帶 (Farabee et al., 1990; Goodge et al., 2001; Boger and Miller, 2004; Elliot and Fanning, 2008; Federico et al., 2010; Palmeri et al., 2012; Estrada et al., 2016)。該造山帶與澳大利亞東南部的德拉美(Delamerian)造山帶相連,形成了羅斯-德拉美造山帶 (Estrada et al., 2016; Glen and Cooper, 2021)。羅斯-德拉美造山帶的形成以及羅斯運動代表了古生代時期岡瓦納古陸最終形成的過程 (Goodge et al., 2001; Federico et al., 2009)。

羅斯運動造成羅斯-德拉美造山帶內羅斯超群(Ross Supergroup)的變形和變質,同時還伴隨有大規模寒武紀—奧陶紀花崗質巖漿的侵入(Stump, 1995; Giacomini et al., 2007; Federico et al., 2009, 2010; Di Vincenzo et al., 2016; Hagen-Peter and Cottle, 2016; Paulsen et al., 2016; Chen et al., 2019)。對比羅斯超群中碎屑鋯石、巖漿巖和冷卻年齡發現,羅斯造山帶內巖漿活動明顯早于沉積地層和變形變質的時代 (Estrada et al., 2016; Paulsen et al., 2016; Glen and Cooper, 2021)。其中,花崗質巖漿活動的時代主要為550～480 Ma (Giacomini et al., 2007; Federico et al., 2009; Hagen-Peter and Cottle, 2016),而變形變質的時代主要為480～460Ma (Di Vincenzo et al., 997, 2001, 2014),在維多利亞地(Victoria Land)等地區的變質沉積巖中還獲得了少量460～440Ma年輕碎屑鋯石年齡 (Paulsen et al., 2015, 2016; Estrada et al., 2016),這些較年輕的年齡被認為與最年輕花崗巖類侵入后的韌性剪切變形有關(Di Vincenzo et al., 2007, 2013;Rossetti et al., 2011)。上述不同地質體的時代差異,造成羅斯運動的時限缺乏準確限定,對于岡瓦納大陸邊緣羅斯運動結束的時代也缺乏更加精確的限定(Estrada et al., 2016)。

通過大量關于維多利亞地北部沉積巖中碎屑鋯石年齡組成的研究,基本確定了羅斯超群的沉積時代和物源特征,其中寒武紀碎屑鋯石與羅斯造山帶內巖漿巖體的年齡一致,反映了古太平洋板塊俯沖階段的巖漿活動;而奧陶紀碎屑鋯石年齡是否也與羅斯運動有關,則缺乏詳細的鋯石成因和物源對比分析 (Elliot and Fanning, 2008; Paulsen et al., 2015,2016; Estrada et al., 2016)。而且通過U/Th＞20和鋯石CL圖像等特征統計發現存在變質繼承鋯石與巖漿鋯石重疊的特征,進一步增加了以碎屑鋯石年齡來解釋羅斯造山帶內巖漿鋯石年齡組成和巖漿演化過程研究的難度(Paulsen et al., 2016),也無法對羅斯造山帶內巖漿演化過程提供更加精確的限定。所以,研究奧陶紀碎屑鋯石年齡的特征,對于限定羅斯運動的時限具有重要意義。由于冰雪和冰磧物覆蓋的影響,很難全面獲取羅斯造山帶內基底巖石的物質組成信息,但是通過大陸邊緣松散堆積物的碎屑鋯石年齡分析,能夠獲得更多羅斯造山帶內巖漿演化的時代信息。文章依托羅斯海新建站選址工作,在北維多利亞地難言島地區采集了冰磧物和海岸沉積物中的松散砂礫石樣品,并開展碎屑鋯石U-Pb測年,以獲得該地區羅斯運動時期巖漿活動的年齡組成特征,為認識橫貫南極山脈地區羅斯運動的演化過程提供新的依據。

1 地質背景

橫貫南極山脈是一個早古生代造山帶,又稱羅斯造山帶(圖1a),其地層由基底和蓋層兩大部分組成 (Talarico et al., 1995; Talarico and Castelli, 1995; Boger and Miller, 2004; Giacomini et al., 2007; Paulsen et al., 2007)。羅斯造山帶是一條橫跨南極洲約3500 km、沿橫貫南極山脈出露的變形變質沉積巖和花崗質巖帶,代表了岡瓦納大陸古太平洋邊緣上發育的新元古代—早古生代與俯沖相關的增生造山帶 (圖1a;Estrada et al., 2016; Glen and Cooper, 2021)。

圖1 羅斯造山帶與北維多利亞地地質簡圖(據Estrada et al., 2016;Chen et al., 2019修改)Fig.1 Geological map of the Ross Orogen and Northern Victoria Land (modified after Estrada et al., 2016; Chen et al., 2019)(a) Tectonic framework of the Ross-Delamerian orogenic belt and the magmatic age distribution in it; (b) Tectonic features and magmatic age in Northern Victoria Land

橫貫南極山脈的基底是由元古宇及下古生界兩個構造層所組成,稱之為雙構造層基底,蓋層則由上古生界及更年輕地層組成,不整合覆蓋于基底巖系之上(陳廷愚等, 2008)。雙構造層基底的形成經歷過兩次較重要的構造運動,其一發生于晚前寒武紀距今大約1000～630 Ma之間,即尼姆諾德或比得莫爾(Beardmore)運動(Craddock,1970);其二發生于早古生代奧陶紀,即羅斯運動(Giacomini et al., 2007)。羅斯運動一詞最早是指發生于羅斯超群中的褶皺和變質作用(Gunn and Warren, 1962),隨著研究的深入,羅斯運動逐漸被認為是發生于橫貫南極山脈地區早古生代地層中的變形和變質作用,以及伴生的大規模寒武紀—奧陶紀花崗質巖漿的侵入活動(Stump, 1995; Giacomini et al., 2007; Federico et al., 2009, 2010; Di Vincenzo et al., 2016; Hagen-Peter and Cottle, 2016; Paulsen et al., 2016; Chen et al., 2019)。 羅斯運動結束了橫貫南極山脈地區的洋盆發展史,開始了橫貫南極山脈陸內造山與隆升的發育過程(Stump and Fitzgerald, 1992)。

北維多利亞地(Northern Victoria Land) 位于橫貫南極山脈靠近羅斯海的區域(圖1),羅斯運動在該區形成了大量的早古生代巖漿巖 (Rocchi et al., 1998; Di Vincenzo and Rocchi, 1999; Giacomini et al., 2007; Hagen-Peter and Cottle, 2016)。這些花崗巖分布范圍廣泛,從北維多利亞地經中橫貫南極山脈直到毛德王后山(Queen Maud Mountains)和霍利克山(Horlick Mountains)均有大量出露(Rocchi et al., 1998, 2015; Giacomini et al., 2007; Paulsen et al., 2007;Hagen-Peter and Cottle, 2016),其中最典型的代表為麥克默多海峽(McMurdo Sound)東南側的花崗巖港侵入體(Granite Harbor Intrusives)和北維多利亞地的特拉諾瓦(Terra Nova)雜巖體(Rocchi et al., 1998)。花崗巖港侵入體的巖石組成為花崗巖、花崗閃長巖及英云閃長巖,其鋯石U-Pb年齡為544～481Ma之間(Black and Sheraton, 1990; Bracciali, et al., 2009; Rocchi et al., 2011)。特拉諾瓦雜巖體巖漿活動時代為510～475 Ma(Giacomini et al., 2007; 王偉等, 2014; Chen et al., 2019),與花崗巖港侵入體和其他地區花崗巖的侵入時代基本一致,例如南維多利亞地(Southern Victoria Land)萊特山谷(Wright Valley)中的忒修斯花崗閃長巖(Theseus granodiorite)(Hagen-Peter and Cottle, 2016),伊麗莎白女王地(Queen Elizabeth Land)東段米勒嶺 (Miller Range)的希望花崗巖 (Hope granite)(Paulsen et al., 2013),都反映了岡瓦納大陸及羅斯造山帶形成的過程(Rocchi et al., 1998; Di Vincenzo and Rocchi, 1999; Federico et al., 2009; Chen et al., 2019)。巖漿活動及后期陸內演化過程導致了地殼大面積的隆升與剝蝕,形成了不整合覆蓋于寒武紀地層之上的陸相礫巖和砂巖地層,其上又被上泥盆統—三疊系的比肯超群 (Beacon Supergroup)不整合或假整合覆蓋 (Elliot and Fanning, 2008)。

北維多利亞地羅斯超群總體由威爾遜地體(Wilson Terrane)、鮑爾斯地體 (Bowers Terrane)和羅伯遜灣地體 (Robertson Bay Terrane)三部分組成(圖1b),不同地體之間為斷層接觸,其巖石組成、變形變質特征差異明顯 (Weaver et al., 1984; Sheraton et al., 1987; Capponi et al., 1999; Goodge et al., 2001; Federico et al., 2010; Paulsen et al., 2016)。威爾遜地體中的新元古代威爾遜群主要由角閃巖、片麻巖及片巖等低級—高級變質沉積巖組成;鮑爾斯地體中的寒武紀—奧陶紀鮑爾斯超群主要由玄武巖、砂巖、泥巖及灰巖等低級變質島弧性火山沉積巖組成;羅伯遜灣地體中的寒武紀—早奧陶世羅伯遜灣群主要由雜砂巖和泥巖等低級變質濁積巖組成(圖1;Estrada et al., 2016)。以花崗巖港侵入體為代表的晚寒武世—奧陶紀花崗巖僅發育于威爾遜地體;而以阿德默勒爾蒂侵入體(Admiralty Intrusion)為代表的泥盆紀花崗巖僅發育于羅伯遜灣地體和鮑爾斯地體(圖1;Estrada et al., 2016)。羅伯遜灣地體和鮑爾斯地體與威爾遜地體之間具有完全不同的地質演化史,因此羅伯遜灣地體和鮑爾斯地體被認為是寒武紀之后才拼貼到東南極大陸威爾遜地體之上的外來巖塊 (Federico et al., 2010)。三個地體在羅斯運動期間均發生了褶皺隆升,說明它們在早奧陶世時已經開始拼合,同時泥盆紀—石炭紀阿德默勒爾蒂侵入體的廣泛發育表明它們是在泥盆紀—石炭紀才最終拼合、碰撞在一起的,從而轉入陸內構造演化階段(陳廷愚等, 2008)。

難言島 (Inexpressible Island)位于東南極大陸羅斯海與維多利亞地交接處的特拉諾瓦灣(Terra Nova Bay)南部的島上,地理坐標為南緯74°50′—74°57′;東 經163°35′—163°46′。島 嶼 陸地面積約為50 km2,總體呈南北走向的菱形。該島的北側為普利斯特利冰川 (Priestley Glacier),西側和南側為南森冰架(Nansen Ice Sheet),東側毗鄰羅斯海的特拉諾瓦灣(圖2)。在該島上出露的主要巖石組成為淡色花崗巖、閃長巖、變質花崗巖和其他花崗巖(Di Vincenzo and Rocchi, 1999; Chen et al., 2019)。最新研究表明,其他花崗巖的主要巖石類型為二長巖,并有少量二長閃長巖,其侵入時間為486～479Ma,均為早奧陶世早期(圖3;Chen et al., 2019)。

圖2 難言島及周邊地區綜合地貌圖(航空正射影像圖由黑龍江測繪地理信息局極地測繪工程中心提供)Fig.2 The location and geomorphological map of the Inexpressible Island and its surrounding areas (The aerial orthophoto map was provided by the Polar Mapping Engineering Center of Heilongjiang Bureau of Surveying and Mapping Geographic Information)(a) Geomorphological features around the Inexpressible Island; (b) Geomorphological features of the Inexpressible Island

圖3 難言島中部U形谷地區基巖和松散堆積物地質特征Fig.3 Geological characteristics of the bedrocks and Quaternary deposits in the middle U-shaped valley area of the Inexpressible Island

2 難言島地區地貌特征與松散層覆蓋特征

難言島總體呈現了西高東低的地貌特征,其西側為一條近南北向的山脊,最高海拔達到370.2m。其東部則由多個北西—南東走向的凹谷組成,由北向南主體發育三個U形谷(圖2)。北部U形谷總體呈斜坡狀,由南東向北西逐漸增高;中部U形谷總體較平坦,平均海拔在10m左右,僅在靠近東部海岸線附近存在高差約5m的堆積壟;南部U形谷總體較平坦,平均海拔在40m左右,僅在靠近海岸線位置變陡。

研究區主要位于難言島中部U形谷分布范圍內。該地區總體呈西高東低,西側有一個南北走向的山脊,東側為平地和海岸地貌(圖3)。U形谷內總體海拔高度8～20m,區域內高差在15 m之內,谷底和西側山脊高差約為110m。

野外地質調查顯示,難言島內基巖主要出露在西側山脊和東部沿海岸線地區,以及部分較高山丘頂部位置,出露巖石主要為二長巖和花崗巖脈,局部出露有閃長巖脈和玄武巖(圖3)。

難言島大部分地區均被松散堆積物覆蓋,包括冰磧物和現代海岸堆積,并以冰磧物堆積覆蓋為主(圖3)。冰磧物分布受后期沉積影響,可以劃分為冰湖堆積和不同粒徑的冰磧物堆積(圖3)。冰磧物堆積區內礫石粒徑較大,冰磧物呈尖棱狀,無磨圓,無分選(圖4a)。礫石成分復雜,巖性有花崗巖、片麻巖、二長巖、石英巖、玄武巖等。礫石大小混雜,總體以大于50cm的礫石為主。局部低洼處出露有粒徑較小的礫石,其大小以＜10cm為主,而且表面鹽堿明顯,代表了早期干旱—半干旱冰湖沉積的底部(圖4b)。冰磧物覆蓋區內均發育有典型六邊形或網格狀的凍脹紋(圖4c),而且在裂紋交匯處往往形成巨型礫石的堆積(圖4d)。在南部基巖區二長巖表面發育有冰川擦痕,其傾伏向為南東向,傾伏角約30°(圖4e),表明該地區曾經歷了由北西往南東方向運動的冰川作用,這與現今U形谷走向和冰川流動的方向一致(圖2)。

在難言島東部沿海岸線還堆積有不同粒徑的礫 石,這種礫石有一定的磨圓和分選,與冰磧物特征差異明顯,而且其延伸方向明顯沿現代海岸線,反映了受到海水沖刷的特征,代表了現代海岸堆積(圖3,圖4f)。通過野外實地考察發現,礫石成分在東西橫剖面上的變化較大。剖面西部礫石以多種巖性的混雜堆積為主,包括花崗巖、二長巖、片麻巖和玄武巖等巖性,礫石磨圓和分選較差,粒徑以10～30cm為主,而且表面發育大量裂紋,裂紋寬度、深度和延伸長度不均一(圖4g);中部以花崗巖為主,分選較好,磨圓一般,礫石多以＜10cm礫石為主(圖4h);而在東部沿海岸線區域,礫石多為二長巖和花崗巖,礫石分選和磨圓均較好,而且礫石多以＞30cm為主,尤其在靠近現代海岸線地區,礫石的分選和磨圓均極好,顯示了強烈海水侵蝕的特征(圖4i)。中東部地區礫石層覆蓋厚度較薄,一般以＜0.5m為主,下伏為二長巖或花崗巖的基巖(圖4i)。

3 樣品采集與測試方法

為了對比分析難言島松散堆積物中冰磧物和海岸堆積物的物源特征,在細顆粒的冰磧物和海岸堆積物中分別篩選了5～12目(直徑1400～4000μm)和＞12目(直徑＜1400μm)兩種粒徑的礫石樣品開展碎屑鋯石分析,樣品位置見圖3,具體樣品信息見表1。

表1 難言島表層松散物碎屑鋯石樣品及年齡特征Table 1 Detrital zircon samples and their age characteristics of surface Quaternary deposits in the Inexpressible Island

所采集樣品的沉積物中的碎屑鋯石在廊坊河北省區域地質礦產調查研究所實驗室利用標準技術進行分選,鋯石制靶后,進行了鋯石陰極發光、反射光以及透射光照像,以觀察鋯石的內部結構,鋯石U-Pb年齡在武漢上譜分析科技有限責任公司利用LA-ICP-MS方法測定,分析用的激光剝蝕系統為GeoLasHd,等離子體質譜儀為Agilent7900。激光能量80 mJ,頻率5 Hz,激光束斑直徑為32μm(Liu et al., 2008, 2010),NIST610作為微量元素校正標準樣品,91500作為同位素比值校正標準樣品,GJ-1為同位素比值監控標準樣品。鋯石測定點的U-Pb表面年齡采用ICPMSDATACAL10.8軟件進行處理。用 Anderson 等方法對普通Pb進行校正(Anderson, 2002),并采用 ISOPLOT程序進行鋯石諧和圖和相對概率分布圖的繪制(Ludwig, 2003)。用206Pb/238U 和207Pb/206Pb年齡來分別代表＜1000Ma和＞1000Ma鋯石年齡。同時對鋯石中稀土元素進行采集,用于分析鋯石的成因類型。具體測試結果數據可掃描文后OSID碼進行查看。

4 測試結果

選擇上述4件樣品進行碎屑鋯石的年代學分析,每件樣品挑選60顆鋯石顆粒進行U-Pb測年分析(圖5)。

樣品VC161-1是冰磧物中5～12目(直徑1400～4000μm)的礫石,總共測試了60顆鋯石,僅有2個點的諧和度＜90%。鋯石顆粒一般為100～150μm,通常具有棱角到次棱角形的形狀,具有明顯的自形特征,鋯石內部振蕩環帶明顯(圖5a)。所有鋯石測點的Th/U比值為0.16～1.16,平均值為0.67,其中比值大于0.4的鋯石有52顆。對于諧和度＞90%的58個鋯石測點,其年齡值主要分布在550～323Ma之間,峰值年齡區間為500～480Ma,峰值年齡約為494Ma,另外還有一顆鋯石的年齡為2440Ma (圖6a)。

樣品VC161-2是冰磧物中＞12目(直徑＜1400μm)的礫石,總共測試了60顆鋯石,僅有4個點的諧和度＜90%。鋯石顆粒一般為100～150μm,通常具有棱角到次棱角形的形狀,具有明顯的自形特征,鋯石內部振蕩環帶明顯(圖5b)。所有測點的Th/U比值為0.24～1.36,平均值為0.67,其中比值大于0.4的鋯石有53顆。對于諧和度＞90%的56個鋯石測點,其年齡值主要分布在517～421Ma之間,峰值年齡區間為480～460Ma,峰值年齡約為474Ma (圖6b)。

圖5 典型碎屑鋯石CL圖像及其U-Pb年齡Fig.5 Cathodoluminescenc images of typical detrital zircons and their U-Pb ages

樣品VC163-1是海岸堆積物中5～12目(直徑1400～4000μm)的礫石,總共測試了60顆鋯石,僅有3個測點的諧和度＜90%。鋯石顆粒一般為150～200μm,以次棱角狀—次圓形為主,具有明顯的自形特征,少數鋯石顆粒具有鋯石內部振蕩環帶明顯(圖5c)。全部測點的Th/U比值為0.28～5.37,平均值為0.77,其中比值大于0.4的鋯石有52顆。對于諧和度＞90%的57個鋯石測點,其年齡值主要分布在568～414Ma之間,峰值年齡區間為480～460Ma,峰值年齡約為476Ma (圖6c)。

樣品VC163-2是海岸堆積物中＞12目(直徑＜1400μm)的礫石,總共測試了60顆鋯石,所有測點的諧和度均＞90%。鋯石顆粒一般為100～200μm,以次棱角狀—次圓形為主,鋯石顆粒內部振蕩環帶明顯,部分鋯石發育明顯的次生邊(圖5d)。所測鋯石的Th/U比值為0.09～1.46,平均值為0.57,其中比值小于0.1的鋯石僅1顆(測點46),而大于0.4的鋯石有42顆。鋯石年齡值主要分布在960～458Ma之間,峰值年齡區間為500～480Ma,峰值年齡約為489Ma,另外還有7顆鋯石的年齡值＞1000Ma,最大年齡為2443Ma (圖6d),年齡大于1000Ma的鋯石具有明顯核幔結構,顯示了繼承鋯石的特征(圖5d)。

通過對4件樣品的碎屑鋯石年齡峰譜的對比發現,其年齡峰譜分布大體相似,具有單一峰譜的特征,主要集中于530～450 Ma之間,峰值年齡約為485Ma(圖6e)。另外在冰磧物中5～12目(直徑1400～4000μm)和海岸堆積物中大于12目(直徑＜1400μm)礫石中發育有少量＞600Ma的鋯石年齡,均以具有次生邊的繼承鋯石為特征(圖5)。

圖6 鋯石年齡直方圖Fig.6 Zircon age histogram diagram

5 討論

新元古代—早古生代時期與俯沖有關的羅斯造山帶是岡瓦納大陸古太平洋邊緣羅斯-德拉美俯沖增生帶的一部分 (Estrada et al., 2016; Paulsen et al., 2016)。羅斯造山帶內的巖漿巖的組成和時代對認識岡瓦納大陸最終形成以及東南極的冰下地質信息具有重要意義。

5.1 碎屑鋯石成因分析

早期通過北維多利亞地沉積巖中碎屑鋯石的年齡組成研究顯示,碎屑鋯石中含有大量變質繼承鋯石,如反映元古代時期格林維爾運動的構造活動 (Estrada et al., 2016; Paulsen et al., 2016)。因此,準確判別碎屑鋯石的成因,對于分析碎屑鋯石年齡組成特征至關重要。

利用Th/U比值來區分巖漿鋯石和變質鋯石是最常用的方法(吳元保和鄭永飛, 2004)。此次測試的鋯石樣品中,大部分鋯石的Th/U比值均大于0.4,僅樣品VC163-2中存在1顆鋯石小于0.1,而且4件樣品的鋯石Th/U平均值為0.57～0.77,總體顯示了巖漿鋯石的特征。同時通過CL圖像分析發現,鋯石主要以自形為主,除了樣品VC163-2中存在少量明顯發育次生邊的變質繼承鋯石,剩余鋯石顆粒均具有明顯巖漿鋯石的特征(圖5)。另外,通過鋯石稀土元素特征分析顯示,除了少量鋯石顆粒(約13個)具有熱液鋯石特征外,其余鋯石的稀土配分曲線與巖漿鋯石特征一致,也顯示出以巖漿鋯石為主的特征(圖7)。其中,樣品VC163-2中發育有次生邊的元古代鋯石其稀土元素均具有巖漿鋯石特征,代表了元古代時期巖漿活動的特征。

圖7 碎屑鋯石稀土配分曲線與巖漿鋯石和熱液鋯石特征對比圖(標準化值據Sun and McDonough, 1989;典型巖漿鋯石和熱液鋯石數據來源于Hoskin, 2005)Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of detrital zircons and comparison of characteristics between magmatic and hydrothermal zircons(Normalization values were after Sun and McDonough, 1994; Typical magmatic and hydrothermal zircon datas were obtained from Hoskin, 2005)

綜合Th/U比值、CL圖像和稀土元素等方面的特征分析,4件松散物樣品中獲得的231顆諧和度＞90%的鋯石顆粒中存在大約12顆可能的變質繼承鋯石,剩余巖漿鋯石的年齡區間總體以520～450Ma為主,代表了羅斯造山帶內的巖漿活動時代(圖6f)。

5.2 鋯石物源對比分析

此次測試樣品選擇了冰磧物和海岸堆積物中5～12目(直徑1400～4000μm)和＞12目(直徑＜1400μm)兩種粒徑的松散礫石。其中5～12目(直徑1400～4000μm)松散礫石的粒徑明顯大于此次測試鋯石的粒徑,所以這些鋯石全部來源于沉積物中的巖石礫石;而＞12目(直徑＜1400μm)的松散礫石中則可能包含有單獨的鋯石顆粒(圖5)。通過對比冰磧物和海岸堆積物的碎屑鋯石年齡發現,冰磧物中兩種粒徑礫石的鋯石年齡分別為550～323Ma和517～421Ma,表明粗細礫石中的巖石組成基本一致(圖6a、6b);而海岸堆積物兩種粒徑礫石的碎屑鋯石年齡主要為568～414Ma和2443～458Ma,細顆粒礫石中發育較多元古代的鋯石,而且鋯石磨圓較明顯,表明細顆粒松散物中發育較多單顆粒的鋯石(圖6c、6d)。進一步對比相同粒徑的沉積物發現,兩種松散沉積物中5～12目(直徑1400～4000μm)礫石的年齡組成基本一致(550～323Ma與568～414Ma),表明冰磧物和海岸沉積物中的巖石礫石組成基本一致(圖6a、6c);而＞12目(直徑＜1400μm)的礫石中年齡特征差異明顯,這種差異進一步表明元古代鋯石年齡可能來源于較細的單顆粒鋯石(圖6b、6d)。

上述對比分析顯示,此次碎屑鋯石年齡的差異主要與沉積類型有關,其中海岸堆積物中發育有元古代巖漿鋯石,而冰磧物中主要以早古生代鋯石為主(圖6)。結合難言島所在的地理位置(圖2),難言島地區松散物碎屑鋯石年齡總體反映了北維多利亞地和周緣地區的年齡特征。其中,冰磧物和海岸沉積物中大顆粒礫石的碎屑鋯石年齡可能主體反映了其西側北維多利亞地內部的巖石年齡特征,而海岸沉積物中細顆粒物質,尤其是單顆粒鋯石,有可能是來源于遠離北維多利亞地的其他地區,如中橫貫南極山脈等地區(Paulsen et al., 2016)。

難言島所在的特拉諾瓦雜巖體巖漿活動時代主體為521～475Ma (Borsi et al., 1995; Rocchi et al., 1998; Di Vincenzo and Rocchi, 1999; Perugini et al., 2005; Giacomini et al., 2007; 王偉等, 2014; Chen et al., 2019);威爾遜地體內部巖體已獲得年齡為544～485Ma(Federico et al., 2009; Rocchi et al., 2011, 2015);南維多亞地和中橫貫南極山脈等地區巖漿巖年齡為565～484Ma (Paulsen et al., 2013; Hagen-Peter and Cottle, 2016; Glen and Cooper, 2021)。而羅伯遜灣地體和鮑爾斯地體中出露的阿德默勒爾蒂侵入體均為泥盆紀 (Estrada et al., 2016)。文中在難言島地區松散物中獲得的碎屑鋯石年齡值為2443～323Ma,其峰值年齡區間為530～450Ma,對比難言島地區所處的構造位置,元古代的碎屑鋯石可能來源于羅斯海南部的米勒嶺地區 (Boger, 2011; Estrada et al., 2016),而＜450Ma的碎屑鋯石可能來源于維多利亞地鮑爾斯地體和羅伯遜灣地體中的泥盆紀巖體。對于碎屑鋯石中年齡區間為520～450 Ma的巖漿鋯石物源特征,其中520～480Ma的巖漿鋯石與難言島所在的威爾遜地體南部地區的巖漿年齡完全一致,而480～440Ma的巖漿鋯石應該來源于維多利亞地內部陸內變形過程中的巖漿活動(Di Vincenzo et al., 1997, 2001, 2014)和變質沉積中的年輕碎屑鋯石 (Paulsen et al., 2015, 2016; Estrada et al., 2016),反映了羅斯造山帶內存在奧陶紀時期的與陸內變形相關的巖漿活動。

5.3 羅斯運動的巖漿演化過程

早期在北維多利亞地變質沉積巖中獲得的碎屑鋯石年齡組成特征表明沿太平洋-岡瓦納邊緣發育的中元古代至新元古代(1200～950Ma)的年齡群很可能與羅迪尼亞超大陸的巖石構造事件有關(Paulsen et al., 2016)。文中在海岸堆積物中也獲得了少量反映該構造事件的年齡組成。

羅斯運動最初的概念是指維多利亞地羅斯超群內地層變形與變質作用 (Gunn and Warren, 1962),隨著后期俯沖階段巖漿巖石學和年代學等方面研究的深入,羅斯運動的概念發生了變化,代表了岡瓦納大陸邊緣的俯沖增生過程,該過程除了包含寒武—奧陶紀地層的變形變質,也包含了早期俯沖階段產生的大量花崗質巖漿巖體(Stump, 1995; Giacomini et al., 2007; Federico et al., 2009,2010; Di Vincenzo et al., 2016; Hagen-Peter and Cottle, 2016; Paulsen et al., 2016; Chen et al., 2019),所以羅斯運動應該還包括了晚期陸內變形階段的巖漿活動。

相比北維多利亞地羅斯超群變質沉積巖中的碎屑鋯石年齡組成特征 (Estrada et al., 2016; Paulsen et al., 2016),大陸邊緣松散堆積物中碎屑鋯石年齡數據更加集中,基本呈現出單個峰值區間的特征(圖5)。通過鋯石成因和物源分析發現,北維多利亞地難言島地區冰磧物和海岸沉積物中巖漿鋯石的年齡區間總體以520～450Ma為主,可以代表北維多利亞地或羅斯造山帶內俯沖碰撞和陸內變形階段巖漿活動的時代,該年齡值包含了該地區獲得的基巖巖體年齡(Chen et al., 2019),而且比北維多利亞地變質沉積巖中碎屑鋯石年齡譜的年輕端(約493～481Ma)分布范圍更廣(Paulsen et al., 2016)。

寒武—奧陶紀時期,羅斯造山帶總體處于巖漿弧的構造背景下,并且通過巖石地球化學特征的差異推測出古太平洋向西南俯沖的構造位置,而特拉諾瓦雜巖體正好位于俯沖帶邊緣靠近大陸的一側 (Rocchi et al., 1998; Federico et al., 2009)。難言島所在的特拉諾瓦雜巖體正好記錄了羅斯運動這一俯沖—碰撞—陸內伸展的演化過程(Rocchi et al., 1998; Di Vincenzo and Rocchi, 1999)。根據不同時期巖漿活動的構造環境研究顯示,特拉諾瓦雜巖體在500～480Ma期間經歷了俯沖—碰撞—陸內伸展的巖漿演化過程 (Black and Sheraton, 1990; Rocchi et al., 1998; Di Vincenzo and Rocchi, 1999; Giacomini et al., 2007; Federico et al., 2009; Chen et al., 2019),其中陸內伸展的起始時代大約在480Ma,表明羅斯造山帶在480Ma之后便進入了陸內演化階段,并造成了羅斯超群的變形與變質 (Di Vincenzo et al., 1997, 2001, 2014)。

文中在難言島東部松散堆積物中獲得的巖漿鋯石峰值區間的年輕年齡端為450Ma,該年齡與莫羅祖米嶺(Morozumi Range)巖脈中年輕鋯石的年齡(Rocchi et al., 2015)和威爾遜地體中剪切帶的變形時代基本一致 (Di Vincenzo et al., 2007),與北維多利亞地廣泛發育的不整合覆蓋于寒武紀地層之上的陸相沉積,以及構造事件結束的時間一致(Estrada et al., 2016),而且與岡瓦納大陸邊緣沉積相轉變的時代(443 Ma)基本吻合(Glen and Cooper, 2021)。這可能代表羅斯運動晚期陸內伸展階段巖漿活動結束的時代。而在羅斯超群變形變質之后的區域性不整合則為泥盆—三疊紀貝肯超群所覆蓋,該不整合代表了岡瓦納大陸的初始裂解 (陳廷愚等, 2008; Boger, 2011),這與羅斯運動無關。

6 結論

(1)北維多利亞地難言島大部分地區均被松散堆積物覆蓋,包括冰磧物和現代海岸堆積,并以冰磧物堆積覆蓋為主。

(2)4件冰磧物和海岸沉積樣品中的碎屑鋯石年齡值具有單一峰譜的特征,年齡區間為2443～323Ma,主要集中于530～450 Ma之間,峰值年齡約為485Ma。

(3)通過對碎屑鋯石Th/U比值、CL圖像和稀土元素等方面的特征分析顯示,大部分鋯石具有典型巖漿鋯石的特征,可以反映周緣地區巖漿活動的時代特征。

(4)北維多利亞地及其周緣地區在羅斯運動晚期陸內變形階段的巖漿活動持續至450Ma,該年齡可能代表了羅斯運動結束的時代。

致謝:感謝中國第30、31、32次南極考察隊和維多利亞地新站選址隊員在野外考察工作中的幫助,非常感謝審稿人提出的建設性意見和建議。