東南極Windmill群島與羅迪尼亞超大陸聚合相關構造熱事件的時代:來自Bailey半島鎂鐵質片麻巖和淡色片麻巖鋯石SHRIMP U-Pb年齡的約束

王彥斌王 浩任留東焦永艷仝來喜Ian S WILLIAMS

1.中國地質科學院地質研究所北京離子探針中心,北京 100037;

2.西北大學地質學系大陸動力學國家實驗室,陜西 西安 710069;

3.Research School of Earth Sciences, The Australian National University, Canberra, ACT 0200, Australia

0 引言

一般認為,位于東南極 Wilkes Land的Windmill群島與澳大利亞的Albany-Fraser造山帶在中元古代羅迪尼亞超大陸形成時曾連接在一起(Harris, 1995; Post et al., 1997; Clark et al., 2000; Fitzsimons, 2000, 2003; Li et al., 2008; Boger, 2011; Zhang et al., 2012; Aitken et al., 2016; Morrissey et al., 2017a, 2017b)。 東 南 極Windmill群島出露的變質雜巖的地質特征及構造熱事件年齡對比有助于羅迪尼亞超大陸形成演化的研究。相關學者曾先后提出了三種不同的構造熱模型來解釋Windmill群島的地質演化:第一種模型認為變沉積巖原巖在ca.1470 Ma沉積,隨后于ca.1250～1100 Ma發生單一的高級變質事件(Blight and Oliver, 1977, 1982; Oliver et al., 1983);第二種是根據同位素年代學研究提出的兩階段變質演化模型,認為Windmill群島經歷了兩期變質作用,ca.1400 Ma經歷第一次麻粒巖相變質事件,ca.1000 Ma經歷隨后的高角閃巖相變質事件(Williams et al., 1983);第三種模型則根據詳細的野外填圖、巖相學和鋯石U-Pb定年結果認為高角閃巖相變質和變形作用(M1/D1)和巖漿侵入發生在ca.1340～1300 Ma之后,ca.1240～1140 Ma又疊加麻粒巖相構造熱事件(M2/D2)和巖漿活動,同時伴隨ca.1170 Ma的Ford島花崗巖和ca.1160 Ma Ardery紫蘇花崗巖侵入 (Paul et al.,1995; Post, 2000; Zhang et al., 2012; Morrissey et al., 2017a, 2017b)。

盡管目前對Windmill群島部分露頭的石榴花崗片麻巖、副片麻巖、紫蘇花崗巖和花崗巖等巖石開展了同位素年代學研究 (Blight and Oliver, 1977,1982;Oliver et al.,1983;Williams et al., 1983; Post et al., 1997; Post, 2000; Zhang et al., 2012; Morrissey et al., 2017a, 2017b),但是,被花崗片麻巖包裹的早期鎂鐵質片麻巖和屬于正片麻巖的淡色片麻巖的原巖時代和變質時代一直存在疑問(Paul et al., 1995)。眾所周知,與區域地質演化有關的地質構造熱事件通常會被鋯石記錄(Hawkesworth et al., 2010),因此,文中對鎂鐵質片麻巖和淡色片麻巖中的鋯石進行了SHRIMP UPb同位素年代學研究,以期對兩類片麻巖的原巖形成時代和變質時代給予同位素年齡的厘定,并結合已有的地質及同位素年代學信息,對該區構造熱事件做進一步的分析和總結,最終探討該區的地質構造演化歷程。

1 區域地質概況

Windmill群島位于Wilkes Land海岸,1947年在美國海軍代號為“Operation Windmill”的南極探險任務行動中首次被發現,面積大約400 km2(圖1)。露頭組成包括正片麻巖、副片麻巖和鎂鐵質-超鎂鐵質片麻巖等巖石,其中正片麻巖多為石榴花崗片麻巖、淡色片麻巖等,副片麻巖包括變砂屑巖、變泥質巖、混合巖化片麻巖、鈣硅酸巖、條帶狀磁鐵石英巖建造(BIF)、錳氧化物和含富鎂假藍寶石-矽線石-堇青石-柱晶石-硅硼鎂鋁礦等礦物透鏡體的表殼巖。此外,還出露紫蘇花崗巖、斑狀花崗巖、花崗偉晶巖、含石榴子石-矽線石-藍線石的細晶巖巖墻和晚期的粗玄巖巖墻和輝長巖巖墻等侵入巖 (Blight and Oliver, 1977, 1982; Paul et al., 1995; Post et al., 1997; Post, 2000; M?ller et al., 2002; Zhang et al., 2012; Morrissey et al., 2017a, 2017b; 圖1),大約70%的露頭由含石榴子石的花崗片麻巖或紫蘇花崗巖組成。Windmill群島由北向南經歷了角閃巖相到麻粒巖相的變質過程 (Blight and Oliver, 1977; Post, 2000; M?ller et al., 2002)。北部的角閃巖相片麻巖以變泥質巖的黑云母-矽線石-斜長石-堇青石-石英±石榴子石組合為特征,鎂鐵質巖以黑云母-角閃石組合為特征,峰期變質溫壓為ca.760 ℃、0.5～0.6 GPa(Blight and Oliver, 1977, 1982;Post, 2000)。而南部的麻粒巖相變泥質巖中則廣泛出現石榴子石,鎂鐵質巖石中普遍發育單斜輝石-斜方輝石組合(Post, 2000),石榴紫蘇斜長片麻巖記錄的麻粒巖相的峰期變質溫壓為800±50 ℃、0.5～0.7 GPa(Post et al., 1997; Post, 2000)。Kilpatrick and Elis(1992)報道的南部高級變質區Ardery紫蘇花崗巖結晶時的溫壓為ca.960～1100 ℃、0.3～0.4 GPa。研究區變沉積巖被正片麻巖侵入,被認為是該區最古老的巖石,變沉積巖的繼承鋯石中含有1450～1350 Ma巖漿結晶年齡的鋯石(Post, 2000; Zhang et al., 2012),該年齡被認為是沉積原巖的最大沉積年齡或者是巖漿活動的早期記錄(Post, 2000; Zhang et al., 2012)。侵入的正片麻巖的原巖指示有兩期巖漿活動:一期為ca.1315 Ma,另一期為ca.1250～1210 Ma (Post, 2000;Zhang et al., 2012,Morrissey et al., 2017 a,2017b)。Windmill群島的巖漿作用對應于兩幕構造變質事件:M1/D1是1340～1300 Ma之間的高角閃巖相變質和變形事件,M2/D2則為1240～1140 Ma之間的麻粒巖相變質和變形事件 (Post et al., 1997; Post, 2000;Zhang et al., 2012;Morrissey et al., 2017 a, 2017b)。Windmill群島的構造變質關系具有多旋回的演化特征,早期變質(M1)為低壓高溫相,以變泥質巖中矽線石+黑云母±堇青石組合為特征,同時伴隨著D1韌性變形形成的廣泛的水平組構,在Clark半島可見ca.1315 Ma的花崗巖侵入,主要的擠壓相D2的韌性變形使得M1/D1組構再次褶皺。在同D2構造時期,長英質巖石廣泛的原地部分熔融是變質峰期M2的特征,M2為高級變質,疊加在M1組合之上,M2/D2的變質和變形向南方向逐漸增加,在南部群島達到麻粒巖相條件,期間大量的含石榴子石花崗巖侵入并且具弱變形,含石榴子石花崗片麻巖和片麻狀含石榴子石花崗巖的巖漿年齡為1250～1240 Ma,記錄了該事件(Zhang et al., 2012),同構造D2和后構造D2正片麻巖的鋯石年齡1214±10 Ma制約了該期事件的時代(Post, 2000)。M2變質事件和D2變形最后階段的時代由Windmill群島南部Fold島年齡為1173±9 Ma的花崗巖和ca.1200～1163 Ma的Ardery紫蘇花崗巖侵入事件制約(Post, 2000; Zhang et al., 2012, Morrissey et al., 2017a, 2017b),且M1/D1和M2/D2為兩個獨立的構造熱事件 (Paul et al., 1995; Post, 2000)。 研究區D3和D4則分別對應了早期構造單元的南北向褶皺、北東—南西向左旋剪切和脆性斷裂(Post, 2000)。

圖1 Windmill群島地質簡圖(據Zhang et al., 2012修改)Fig.1 Sketch geological map of the Windmill Islands (modified after Zhang et al., 2012)(a and b) Location of the Windmill Islands in Antarctica; (c) Sketch geological map of the northern part of the Windmill Islands

2 樣品描述

樣品采自南極Windmill群島Bailey半島澳大利亞凱西站(GPS位置:66°16′55″S;110°31′39″E)附近(圖2)。鎂鐵質片麻巖 (樣品編號:C0121-1),露頭呈灰黑色,成層產于變砂屑巖和含石榴子石花崗片麻巖之間(圖2),多在含石榴子石花崗片麻巖內呈不連續的豆莢狀或者透鏡狀,表明其為石榴子石花崗片麻巖形成之前的連續塊體 (Blight and Oliver, 1977; Paul et al., 1995)。鎂鐵質片麻巖呈片麻理構造,巖石主要由單斜輝石、紫蘇輝石、角閃石、黑云母、斜長石和石英組成,副礦物為鋯石(圖3a、3b),為典型的麻粒巖相變質礦物組合。鐵鎂質片麻巖的鋯石呈淺黃色,透射光和陰極發光圖像顯示鋯石呈渾圓狀,具核邊結構,鋯石核部可見典型的巖漿結晶環帶,鋯石的增生邊寬窄不等(圖4a),Th/U比值較低(Th/U=0.01～0.07),具變質鋯石生長特征(Williams et al., 1996)。

圖2 Bailey半島地質簡圖(據Paul et al., 1995修改)Fig.2 Geological map of the Bailey Peninsula (modified after Paul et al., 1995)

圖3 Bailey半島鎂鐵質片麻巖和淡色片麻巖顯微鏡下照片Fig.3 Micrographs showing petrographic features of the mafic gneiss and leucogneiss in the Bailey Peninsula, Windmill Islands(a) Plane-polarized light image of mafic gneiss; (b) Cross-polarized light image of mafic gneiss; (c) Plane-polarized light image of leucogneiss; (d) Cross-polarized light image of leucogneiss Hbl-hornblende;Opx-orthopyroxene;Cpx-clinopyroxene; Bt-biotite;Pl-plagioclase;Qtz-quartz;Mag-magnetite; Kfs-K-feldspar

圖4 Bailey半島鎂鐵質片麻巖和淡色片麻巖樣品鋯石透射光和陰極發光圖像Fig.4 Characteristic images of the analyzed zircons from the mafic gneiss and leucogneiss in the Bailey Peninsula(a) The mafic gneiss sample (C0121-1); (b) The leucogneiss sample (C0121-2)

淡色片麻巖(樣品編號:C0121-2)呈灰白色,主要由斜長石、鉀長石、石英組成,含極少量的黑云母,副礦物主要為磁鐵礦、鋯石(圖3c、3d),其周緣為含石榴子石花崗片麻巖(圖2)。淡色片麻巖的鋯石呈淺黃色,其透射光和陰極發光圖像顯示鋯石呈長柱狀、渾圓狀,具核邊結構,鋯石晶體核部具典型的巖漿結晶環帶,增生邊寬窄不一,寬的增生邊對應鋯石核已經很小,部分鋯石顯示溶蝕核的重結晶特征,部分鋯石已經重結晶變為無結構高U的新生鋯石顆粒(圖4b),Th/U比值較低(Th/U=0.02～0.07),具高級變質鋯石生長特征(Williams, 2001)。

3 測試方法

把鋯石從0.5 kg的樣品中分選出來,在雙目鏡下挑選具有代表性的顆粒。將待測鋯石與澳大利亞國立大學地球科學研究院(RSES)的一粒鋯石標樣SL13及數粒鋯石標樣TEM置于環氧樹脂中做成樣品靶(Mount)。將靶上的鋯石磨至約厚度的一半,以使鋯石內部暴露。接著進行透射、反射照相、陰極發光(CL)分析、拋光、清洗、鍍金,然后進行SHRIMP分析(宋彪,2015)。上述碎樣、挑選、透反射照相以及CL照相均在中國地質科學院地質研究所北京離子探針中心完成,其中CL的目的是在進行SHRIMP U-Pb分析時,參考鋯石顆粒剖面的陰極發光圖像,以便對鋯石顆粒的不同區域U、Th、Pb同位素成分進行分析。鋯石SHRIMP U-Pb分析在中國地質科學院地質研究所北京離子探針中心的SHRIMP II上完成。詳細分析流程和原理見參考文獻Williams(1998)。一次離子源氣體為氧氣,將其電離后,由O-2打擊鋯石顆粒,激發出鋯、鉛、鈾、釷的氧化物離子或金屬 離 子。 測 定196Zr2O、204Pb、206Pb、207Pb、208Pb、238U、248ThO、254UO 質量峰的強度,每個峰的積分時間分別 為2.0、10.0、10.0、10.0、15.0、5.0、5.0、2.0、2.0秒,每個點的數據由5次掃描組成。一次離子為約4.5 nA、10 kV的O-2,打到鋯石上束斑的直徑為25～30 μm,質量分辨率約5400(1%峰高)。將待分析未知點與標樣TEM的點交叉進行分析。應用RSES的鋯石SL13(572 Ma、238×10-6)標定樣品的U、Th、Pb含量,Temora(417.2 Ma)進行年齡校正。數據處理采用SQUID 1.02及ISOPLOT程序,詳細分析流程和原理參考文獻(Ludwig, 2001)。普通鉛根據實測的204Pb進行校正,加權平均年齡具95%的置信度(2σ)。

4 鋯石U-Pb定年實驗結果

采用SHRIMP U-Pb方法對鎂鐵質片麻巖中鋯石核部和鋯石增生邊分別進行了U-Pb年齡分析,其中巖漿結晶鋯石核部分析了12個測點,鋯石增生邊分析了7個測點。所有測點中除3.1不和諧度為-22%外,其余18個鋯石測點的不和諧度范圍為-6%～3%(表1,圖5)。12個鋯石核部測點的U含量變化范圍為26×10-6～118×10-6,Th含量變化范圍為11×10-6～60×10-6,Th/U=0.28～0.56,鋯石核部的U含量較低,測點的207Pb/206Pb年齡誤差稍大。不含測點3.1(207Pb/206Pb年齡為1224±200 Ma)的其他11個鋯石核部測點的207Pb/206Pb年齡范圍從1239±22 Ma到1500±77 Ma,207Pb/206Pb加權平均年齡為1403±28 Ma,MSWD=0.64。樣品7個鋯石增生邊測點的U含量變化范圍為127×10-6～1910×10-6,Th含量變化范圍為0×10-6～25×10-6, Th/U=0～0.07,207Pb/206Pb年齡范圍從1205±22 Ma到1392±71 Ma,207Pb/206Pb加權平均年齡為1318±34 Ma,MSWD=6.5。不包括年齡最小的測點14.1(207Pb/206Pb年齡為1205±22 Ma),其余6個鋯石增生邊測點的207Pb/206Pb加權平均年齡為1318±34 Ma,MSWD=3.0。

圖5 Bailey半島鎂鐵質片麻巖樣品鋯石U-Pb諧和圖Fig.5 U-Pb concordia diagram of zircons from the mafic gneiss in the Bailey Peninsula

對長英質淡色片麻巖樣品中鋯石核部、鋯石增生邊及無結構高U的新生鋯石顆粒分別進行了SHRIMP U-Pb年齡分析,其中巖漿結晶鋯石核部分析了8個測點,鋯石增生邊及無結構高U的新生鋯石分析了7個測點。所有顆粒測點中除7.1測點不和諧度達15%外,其余14個鋯石測點的不和諧度范圍為-6%～10%(表1,圖6)。8個鋯石核部測點的U含量范圍為92×10-6～506×10-6, Th含量范圍為112×10-6～1698×10-6,Th/U=0.62～2.78,U含量低,測點的207Pb/206Pb年齡誤差大,8個鋯石核部測點的207Pb/206Pb年齡范圍從1191±50 Ma到1395±78 Ma,207Pb/206Pb年齡加權平均年齡為1257±51 Ma,MSWD=1.4。樣品鋯石增生邊和無結構高U的新生鋯石的U含量范圍為1698×10-6～3436×10-6,Th含量范圍為33×10-6～233×10-6,Th/U=0.02～0.07,鋯石增生邊的7個測點的207Pb/206Pb年齡范圍從1180±14 Ma到1277±11 Ma,207Pb/206Pb加權平均年齡為1197±26 Ma,MSWD=10.6,不包括年齡較大的測點6.1(207Pb/206Pb年齡為1247±10 Ma) 和11.1(207Pb/206Pb年齡為1277±11 Ma),其余5個鋯石增生邊和無結構高U的新生鋯石測點的207Pb/206Pb加權平均年齡為1197±26 Ma,MSWD=3.1。

?

圖6 Bailey半島淡色片麻巖樣品鋯石U-Pb諧和圖Fig.6 U-Pb concordia diagram of the zircons from the leucogneiss in the Bailey Peninsula

5 分析與討論

5.1 鎂鐵質片麻巖原巖形成時代和變質事件的年齡

鎂鐵質片麻巖為變火成巖 (Blight and Oliver, 1977; Paul et al., 1995; Post et al., 1997),屬于變形前的巖石 (Blight and Oliver, 1977; Paul et al., 1995)。巖石的鋯石呈渾圓狀,具核邊結構,鋯石晶體核部具巖漿結晶環帶,鋯石的增生邊寬窄不均勻,部分鋯石增生邊較窄,鋯石核部的巖漿環帶和高Th/U比值(＞0.1)指示其原巖具巖漿巖特征 (Williams and Claesson, 1987;Kinny et al., 1990; Maas et al.,1992)。11個鋯石核部測點的207Pb/206Pb加權平均年齡為1403±28 Ma,MSWD=0.64,這可能代表了鎂鐵質片麻巖原巖經歷的中元古代中期的巖漿事件年齡,對應ca.1415～1400 Ma期間Musgrave西和Madura省俯沖到Loongana-Papulankutja弧下開始的巖漿事件(Aitken et al., 2016)。Hf同位素研究表明,Windmill群島地質體的新生物質與澳大利亞Albany-Fraser造山帶東緣Madura省增生的新生物質一致 (Spaggiari and Smithies, 2015; Morrissey et al., 2017a, 2017b);Windmill群島、Albany-Fraser造山帶東緣和Musgrave Inlier (Arid Basin)同時在ca.1600～1305 Ma發生沉積,并推測沉積于弧前-前陸盆地等被動邊緣環境,主要的碎屑來自于大洋島弧(1.4 Ga) (Spaggiari and Smithies, 2015);而Morrissey et al. (2017a, 2017b)則認為沉積于弧后環境。根據與Windmill群島東部地質體的地質事件年齡對比,認為新發現的1403±28 Ma的鎂鐵質片麻巖原巖指示的巖漿作用可能是其東部莫森大陸的構造巖漿活動在該區的響應記錄(Payne et al., 2009; Liu et al., 2018;圖7)。鎂鐵質片麻巖6個鋯石增生邊測點的Th/U比值較低(＜0.1),具有高級變質作用期間次固相鋯石的生長特征(Williams et al., 1996)。其207Pb/206Pb加權平均年齡為1318±34 Ma,記錄了該區高級變質作用期間鋯石重結晶作用。該變質年齡對應區域高角閃-麻粒巖巖相變質和變形作用 (M1/D1)的時間ca.1340～1300 Ma,由于Windmill群島地區經歷了早期高角閃-麻粒巖相(M1)和晚期疊加的麻粒巖相(M2)變質事件,巖石中同位素體系經歷了多次重結晶疊加擾動,1318±34 Ma的鋯石增生邊年齡可能僅記錄了該區高角閃-麻粒巖相高級變質事件(M1)。Windmill群島以西約400 km的Bunger丘陵高級變質巖的變質鋯石的特征與此類似(Tucker et al., 2017)。其他地區也報道過由鋯石生長所記錄的高級變質事件 (He et al., 2018; Kadowaki et al., 2019; 翟明國,2019; Hirayama et al., 2020)。

5.2 淡色片麻巖原巖形成時代和變質事件的年齡

Bailey半島地質圖(圖2)中可見淡色片麻巖(C0121-2)周緣巖石為含石榴子石花崗片麻巖,在Midgley和Holli島淡色片麻巖產出與含石榴子石花崗片麻巖有關,可見長英質片麻巖逐漸過渡到淡色片麻巖再到含石榴子石花崗片麻巖(圖1;Paul et al.,1995),認為是同變質-變形后D2的變火成巖(Post et al., 1997),淡色片麻巖中鋯石核部具有典型的巖漿結晶環帶和高的Th/U比值(＞0.1),指示其原巖為花崗質侵入巖(Williams and Claesson, 1987; Kinny et al., 1990; Maas et al.,1992; 徐芹芹等,2015)。鋯石核部8個測點記錄的207Pb/206Pb年齡加權平均年齡為1257±51 Ma,MSWD=1.4,指示淡色片麻巖原巖年齡主體,記錄了淡色片麻巖原巖的結晶年齡。Zhang et al.(2012)報道了Bailey半島2塊含石榴子石花崗片麻巖樣品和1塊片麻狀含石榴子石花崗巖的侵位年齡分別為1247±13 Ma、1258±12 Ma、1242±13 Ma,這些巖石的繼承鋯石年齡1372±13 Ma,可見此次所測淡色片麻巖鋯石核部的年齡在誤差范圍內與石榴子石花崗片麻巖圍巖的侵位年齡一致, 指示同時期的巖漿活動。樣品中鋯石增生邊測點6.1和測點11.1的207Pb/206Pb年齡分別為1247±10 Ma和1277±11 Ma,與鋯石核部測點9.1的年齡一致,可能為溶蝕核的混合年齡。其余鋯石增生邊和無結構高U的新生鋯石的5個測點的207Pb/206Pb加權平均年齡為1197±26 Ma。結合該區經歷了麻粒巖相變質作用,以及淡色片麻巖與含石榴子石花崗片麻巖的接觸關系(Paul et al., 1995),把鋯石增生邊和無結構高U的新生鋯石的1197±26 Ma的年齡解釋為高級變質作用的事件年齡(M2)。實際上,從同位素年齡數據上看,鋯石核部207Pb/206Pb年齡1257±51 Ma和增生邊和無結構高U的新生鋯石的207Pb/206Pb年齡1197±26 Ma十分相近,說明該巖石經歷的巖漿事件和變質事件的時間十分短暫。

5.3 Windmill群島主要構造熱事件年代格架的同位素年齡記錄

根據研究區已獲得的構造、巖漿、變質、同位素(包括鋯石、獨居石和石榴子石-全巖Sm-Nd同位素年齡信息)等資料總結了該區主要構造熱事件年代格架 (Oliver et al., 1983; Williams et al., 1983; Post et al., 1997; Post, 2000; M?ller et al., 2002; Zhang et al., 2012; Morrissey et al., 2017a, 2017b)。已有的Windmill群島部分露頭年代學資料表明該區的主要構造熱事件發生在中元古代,變沉積巖序列的沉積建造沉積于1450～1350 Ma之間,之后經歷了兩幕高級構造熱事件,第一幕為發生在ca.1340～1300 Ma的高角閃相變質作用(M1)和廣泛的變形事件 (D1),隨后在ca.1240～1140 Ma疊加了第二幕的麻粒巖相事件(M2)、兩次變形事件(D2a和D2b)以及有關的巖漿活動,如ca.1170 Ma Ford島花崗巖、ca.1200～1163 Ma Ardery紫蘇花崗巖、ca.1138 Ma細晶巖墻侵位 (Post et al., 1997;Post, 2000; Zhang et al., 2012; Morrissey et al., 2017a, 2017b)。根據對區內鎂鐵質片麻巖和淡色片麻巖首次開展的SHRIMP鋯石U-Pb年齡測試結果,結合已有的資料對該區鋯石年齡記錄的地質演化進行了總結,詳見表2。

5.3.1 中元古代早期(ca.1400～1370 Ma) 巖漿作用

此次報道的Bailey半島的鎂鐵質片麻巖的鋯石核部207Pb/206Pb加權平均年齡為1403±28 Ma,代表原巖結晶年齡,指示該區存在中元古代中期的巖漿活動;Bailey石榴石花崗片麻巖和片麻狀石榴花崗巖中也含有1372 Ma的巖漿成因的鋯石(Zhang et al., 2012),進一步證實了研究區最早期的巖漿活動可追溯到中元古代早期(ca.1400～1370 Ma)。

5.3.2 中元古代中期(ca.1450～1350 Ma) 變沉積巖的原巖沉積時代

?

Windmill群島Chappel島變沉積巖進行的SHRIMP U-Pb年齡測試獲得的最小年齡為ca.1450 Ma(Williams et al., 1983);Clark半島的石榴黑云斜長片麻巖中淡色體中繼承鋯石的SHRIMP U-Pb年齡峰值為ca.3000～2400 Ma、ca.1800～1700 Ma、ca.1600～1500 Ma、ca.1450～1400 Ma;Herring島含硅硼鎂鋁礦-柱晶石副片麻巖的鋯石年齡為ca.1350 Ma,指示變沉積巖的原巖沉積時代在ca.1450～1350 Ma之前(Williams et al., 1983; Post, 2000; Zhang et al., 2012)。Cameron島、Mitchell半島、Robinson脊、Herring島的4個變沉積巖碎屑鋯石核部中最年輕的、具巖漿振蕩環帶的鋯石LAICP-MS U-Pb年齡分別為1338±24 Ma、1354±22 Ma、1399±20Ma、1400～1340 Ma,13個碎屑鋯石核部的和諧年齡峰值為ca.1346 Ma, 指示變沉積巖的原巖沉積時代為 ca.1350 Ma(Morrissey et al., 2017b)。Morrissey et al.(2017b) 在Clark半島侵入變沉積巖的正片麻巖中獲得了2個不同的鋯石結晶年齡:1323±7 Ma和1315±6 Ma,認為這代表了巖漿作用的年齡,指示與M1/D1有關的巖漿作用發生在變沉積巖原巖沉積后非常短的時間內,正片麻巖的結晶年齡1315±6 Ma即是變沉積巖的原巖最小沉積年齡。Morrissey et al.(2017a)分析了Mitchell半島變泥質巖中獨居石的LA-ICPMS U-Pb年齡,最老的獨居石年齡ca.1320～1300 Ma和代表M1的和諧年齡1305±7 Ma約束了最小沉積年齡,同時指示沉積后很快就發生了變質作用。實際上,Windmill群島Clark半島的石榴黑云斜長片麻巖的淡色體中獲得的早期M1變質事件年齡1342±21 Ma(Post, 2000)與Morrissey et al. (2017a, 2017b)認為的變沉積巖的沉積時代1350～1315 Ma有矛盾,因此,筆者依據已有的同位素年齡資料認為變沉積巖的原巖沉積時代應在1450～1350 Ma期間。

5.3.3 中元古代中期M1/D1及巖漿作用

Post(2000)的研究顯示該區正片麻巖及包含的鎂鐵質巖石在第一次的構造熱事件(M1/D1)期間發生了強烈的變形和變質,D1變形作用被變沉積巖的黑云母、矽線石及鎂鐵質巖石的角閃石-黑云母確定的S1組構記錄,S1的面理與深熔的淡色體一致指示變形和變質作用是同時發生的。Clark半島的變形前D1-同變質M1石榴黑云斜長片麻巖中淡色體新生長的自形鋯石的1342±21 Ma年齡指示早期M1高角閃巖相變質事件,M1溫壓條件為溫度ca.750 ℃、ca.0.4 GPa。Clark半島同變形D1的黑云二長片麻巖侵入副片麻巖的鋯石結晶年齡為1315±6 Ma,代表早期D1的變形年齡,指示M1/D1的發生在1315±6 Ma之前。Morrissey et al.(2017a)對Mitchell半島變泥質巖中獨居石進行LA-ICP MS測年,獲得的M1和諧年齡為1305±7 Ma。此次研究的鎂鐵質片麻巖鋯石增生邊的變質年齡為1318±34 Ma,與該時期的變質作用時代一致,是一期高級變質事件。結合以上信息可知,該區M1/D1的時代為1340～1305 Ma,M1/D1事件是區域性的,也包括了殼源的巖漿活動,如Clark半島1315±6 Ma年齡的同變形D1長英質正片麻巖的侵入 (Morrissey et al., 2017a)。

Bailey半島2塊含石榴子石花崗片麻巖樣品和1塊片麻狀含石榴子石花崗巖的侵位年齡分別為1247±13 Ma、1258±12 Ma、1242±13 Ma(Zhang et al., 2012)。Mitchell半島黑云母花崗巖的鋯石結晶年齡為1235±7 Ma(Morrissey et al., 2017b),此次分析的淡色片麻巖的原巖侵位年齡為1257±51 Ma,與石榴子石花崗片麻巖侵位年齡一致,一同指示該區在1258～1235 Ma期間存在花崗巖的巖漿活動。

5.3.4 中元古代中期M2/D2及巖漿作用

該區在麻粒巖相條件下記錄了兩幕變形,分別為D2a和D2b。M2的溫壓條件為溫度ca.850～900 ℃、壓力ca.0.4～0.6 GPa,早期階段以變沉積巖中廣泛發生石榴子石-堇青石的部分熔融體為特征。M2開始后就發生D2a變形作用,形成早期M2淡色體。在麻粒巖相期間(M2/D2)少量的減壓和溫度的增加導致M1石榴子石形成堇青石、斜長石和斜方輝石或者堇青石和斜方輝石反應邊。在D2a期間廣泛的花崗巖熔體侵入并隨后變形,形成弱的S2a組構,Bailey半島同變質-變形后D2-同變質M2的石榴黑云二長片麻巖中鋯石年齡為1214±10 Ma,解釋為D2a變形作用和M2變質作用開始的年齡,其中的獨居石年齡為1171±13 Ma。Herring島石榴堇青紫蘇黑云二長混合片麻巖的礦物組合為石榴子石-堇青石-斜方輝石-柱晶石-鉀長石-斜長石-尖晶石-硅硼鎂鋁礦-黑云母-石英,其中深熔殘留體的鋯石增生邊SHRIMP U-Pb年齡為1171±9 Ma,解釋為麻粒巖相M2高級變質作用部分熔融的時代,獨居石年齡為1142±7 Ma,表明與M2變質作用相關的Windmill群島變沉積巖的廣泛部分熔融發生在ca.1170～1140 Ma期間。Clark半島的變形前D1-同變質M1石榴黑云斜長片麻巖中獨居石U-Pb年齡為1171±6 Ma,Clark半島同變形D1的黑云二長片麻巖的獨居石年齡為1169±7 Ma,顯然,不同巖石的獨居石年齡指示M2變質作用持續時期為ca.1170～1140 Ma(Post,2000)。

Zhang et al.(2012)報道的花崗片麻巖中鋯石中也記錄了鋯石增生,如Bailey半島含石榴子石花崗片麻巖樣品33-1中測點10的U含量高達3364×10-6,其207Pb/206Pb年齡為1222±25 Ma,可能代表著鋯石變質重結晶的年齡;樣品34-1為片麻狀含石榴子石花崗巖,鋯石具有核-邊結構,鋯石增生邊測點14的的U含量達1796×10-6, 其207Pb/206Pb年齡為1221±16 Ma,代表著變質事件的年齡。Morrissey et al.(2017a) 把Mitchell半島和Herring島變泥質巖中獨居石的207Pb/206Pb和諧年齡1177±4 Ma和1185±8 Ma解釋為M2的峰期年齡。Cameron島、Mitchell半島、Robinson脊、Herring島的4個變沉積巖鋯石的變質增生邊的年齡分別為1325～1295 Ma、1310～1180 Ma、1310～1170 Ma、1250～1200 Ma,指示該區變沉積巖的變質事件發生在1325～1170 Ma期間(Morrissey et al., 2017b)。

此次報道的淡色片麻巖鋯石增生邊年齡為1197±26 Ma,與Morrissey et al.(2017a) 獲得的變泥質巖中獨居石的年齡1177±4 Ma和1185±8 Ma在誤差范圍內基本一致,與正片麻巖和淡色體的石榴子石-全巖Sm-Nd等時線年齡ca.1156 Ma和ca.1137 Ma年齡相比稍老 (M?ller et al., 2002),指示M2麻粒巖相變質事件年齡為ca.1137～1197 Ma。

同時期Windmill群島地區的Ardery紫蘇花崗巖巖漿活動強烈,該巖體不均一,鋯石年齡范圍變化較大。Post (2000)獲得的Bosner島Ardery紫蘇花崗巖的鋯石SHRIMP U-Pb年齡為1163±7 Ma,該年齡比Morrissey et al.(2017b)報道的Robinson脊的Ardery紫蘇花崗巖鋯石結晶年齡1178±7 Ma年輕約15 Ma,又比Zhang et al.(2012)報道的2塊Robinson脊紫蘇花崗巖樣品的侵位年齡1196±8 Ma和1205±13 Ma年輕約33 Ma。由于Ardery紫蘇花崗巖不是一個均一的地質體,從顏色、顆粒大小和礦物組成等的不同可知它是多個侵入體的聚集體,典型的Ardery紫蘇花崗巖是粗粒的火成侵入體,Robinson脊可見Ardery紫蘇花崗巖侵入層狀片麻巖和變沉積巖系,不同采樣地獲得的不同年齡指示Ardery紫蘇花崗巖巖漿活動可能為幕式侵位,其侵位時間約在1200～1160 Ma期間,持續約40 Ma。

研究區麻粒巖相變質作用M2晚期階段伴隨著強烈的巖漿活動,如Ford島同變質-變形后D2含榴黑云母花崗巖,侵入年齡為1173±9 Ma;Ardery紫蘇花崗巖侵入年齡為1163±7 Ma、1178±7 Ma、1196±8 Ma和1205±13 Ma。Ardery紫蘇花崗巖被認為是在ca.960～1100℃、0.3～0.4 GPa的溫壓條件下結晶的 (Kilpatrick and Ellis, 1992)。麻粒巖和侵入的Ardery紫蘇花崗巖年齡相似說明Ardery紫蘇花崗巖可能是鎂鐵質下地殼熔融作用的產物,是與麻粒巖相變質作用熱事件有關的巖漿作用,是巖漿侵位同變質形成的 (Morrissey et al., 2017a, 2017b)。

5.3.5 中元古代晚期細晶巖墻侵位Robinson脊的后D3的晚期細晶巖墻穿切了Ardery紫蘇花崗巖,代表晚期巖漿活動,其鋯石結晶年齡1138±9 Ma指示著細晶巖墻的侵位時代(Post, 2000),與Stark et al.(2018)報道的位于Windmill群島以西400 km處的Bunger丘陵中的巖墻侵位年齡ca.1140 Ma一致,認為侵位與鎂鐵質板底墊托并和高溫變質作用晚期階段的造山垮塌(如熱松弛)有關。對Windmill群島地區相似產出方位的橄欖輝長巖墻進行區域對比后,提出主要的巖墻群(范圍約400 km)的侵位與地幔柱活動和不均一交代巖石圈的地幔相互作用有關。

5.3.6 寒武紀早期Balaena島輝長巖侵位Balaena島輝長巖中斜長石K-Ar年齡為ca.519 Ma,是該巖石泛非期熱事件的記錄(Webb et al., 1963)。Windmill群島以西約400 km的Bunger丘陵存在泛非事件,泛非熱事件在Windmill群島的影響值得進一步探究。

5.4 東南極Windmill群島及鄰區與西澳大利亞Albany-Fraser造山帶的關系

中元古代西澳大利亞的Albany-Fraser造山帶記錄有兩個階段的構造熱事件:第一階段是ca.1345～1260 Ma西澳大利亞和Mawson克拉通之間的初始碰撞;第二階段是ca.1215～1140 Ma克拉通內活化和伸展 (Clark et al., 2000)。顯然,東南極Windmill群島記錄巖漿作用和變質作用的兩個同位素年齡峰(ca.1330～1260 Ma和1220～1140 Ma)在Albany-Fraser造山帶東部的Nornalup帶中也有記錄 (Maritati et al., 2019; Spaggiari et al., 2011),地球物理研究結果也揭示Windmill群島基底與Nornalup帶相連接 (Aitken et al., 2014, 2016; 圖7)。故Windmill群島被認為是沿著走向延伸的Albany-Fraser造山帶的一部分(Paul et al.,1995; Post et al., 1997; Zhang et al., 2012; Morrissey et al., 2017 a,2017b)。 Morrissey et al.(2017b)通過對Windmill群島變沉積巖碎屑鋯石U-Pb-Hf同位素數據分析認為該區變沉積原巖是在1350～1300 Ma期間沉積的,而碎屑鋯石年齡主要峰值為ca.1800～1700 Ma、ca.1595 Ma和ca.1380 Ma,分別對應包括西澳克拉通、Musgrave省和Madura省鄰近地體的地質事件,Windmill群島位于西澳克拉通和Madura省之間,指示他們在沉積物沉積時相鄰。Windmill群島的沉積巖變質后有3期,分別為ca.1325～1315Ma、 ca.1250～1210Ma和ca.1200～1170 Ma的巖漿巖侵入,其中第2和第3期的巖漿巖的Hf同位素特征指示有一定量的新生物質加入,與Windmill群島相對薄的地殼特征一致;沉積物沉積與其之后經歷高熱流梯度的變質作用之間的時間間隔較短,指示Windmill群島可能形成于西澳克拉通延伸部分的弧后環境,揭示Albany-Fraser造山帶向東邊界是ca.1410～1350 Ma的Loongna弧。與Morrissey et al.(2017a, 2017b)推測的沉積物沉積在弧后環境不同,Spaggiari and Smithies(2015)認為沉積環境是弧前-前陸盆地被動邊緣。

圖7 南極洲和澳大利亞的岡瓦納大陸構造圖(據Liu et al.,2018修改)Fig.7 Tectonic map of Antarctica and Australia in a Gondwana configuration(modified after Liu et al., 2018)AFO-Albany-Fraser Orogen; BH-Bunger Hills; CCr-Curnamona Craton; M-F-C-Madura-Forrest-Coompana Provinces; MR-Miller Range; NC-Nornalup Complex; TA-Terre Adélie Craton; WAC-West Australian Craton; WI-Windmill Islands; WL-Wilkes Land

Windmill群島以西約400 km的Bunger丘陵于中元古代ca.1200～1170 Ma存在幕式巖漿作用,巖漿作用和Windmill群島的中元古代原巖年齡一致(1205～1196 Ma) (Post, 2000;Zhang et al., 2012; Tucker et al., 2020)。Tucker et al.(2018) 提出沿太古代澳大利亞和東南極克拉通的邊緣伸長超過2000 km范圍內存在區域上的中元古代高溫變質作用記錄,即Musgrave Inlier、Albany-Fraser造山帶、Windmill群島、High jump群島和Bunger丘陵等高級變質地體 (圖7;Morrissey et al., 2017a)。這些地體指示中元古代時期Bunger丘陵-Windmill群島-Albany-Fraser造山帶連接為一個格林維爾造山帶,為羅迪尼亞超大陸拼合的重要組成部分。

6 結論

(1)首次獲得Windmill群島Bailey半島早期鎂鐵質片麻巖鋯石的同位素年齡結果,其鋯石核部207Pb/206Pb加權平均年齡1403±28 Ma,代表原巖結晶年齡,是Windmill群島記錄的最早巖漿事件,可能與東部莫森大陸的構造巖漿活動相關。鋯石增生邊年齡1318±34 Ma,記錄了早期高級變質事件年齡,對應于該區M1高級變質事件。

(2)淡色片麻巖核部年齡為ca.1257±51 Ma,記錄與Bailey半島含石榴子石花崗片麻巖同期的巖漿活動。其鋯石增生邊年齡為1197±26 Ma,記錄晚期M2麻粒巖相變質事件。

(3)上述年齡數據可為1375～1151 Ma期間東南極Windmill群島與西澳大利亞Albany-Fraser造山帶相連接的構造模型提供年齡依據。

致謝:感謝國家海洋局極地考察辦公室和中國極地研究中心在作者參加中國第27次、35次南極考察期間提供的后勤支持。本文的寫作得到了劉曉春研究員的鼓勵,審稿人張拴宏研究員、焦淑娟博士和編輯熱心和認真耐心地對本文做了審閱并提出了很好的修改意見,在此一并表示感謝。