南極橫貫?zāi)蠘O山脈休斯陡崖花崗質(zhì)巖體的成因

崔迎春,馬立杰,劉晨光,王慶超,Andreas L?UFER

1.自然資源部第一海洋研究所,海洋地質(zhì)與地球物理實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061;

2.自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061;

3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237;

4.中科院青島海洋研究所, 中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071;

5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237;

6.Federal Institute for Geosciences and Natural Resources, Hannover 30655, Germany

0 引言

橫貫?zāi)蠘O山脈 (Transantarctic Mountains)是世界上最宏偉的山系之一,從南極洲太平洋奧茨海岸 (Oats Coast)延伸到威德?tīng)柡｝埬岜?Ronne Ice Shelf),長(zhǎng)達(dá)3000多千米,其前泥盆紀(jì)基底記錄了晚新元古代—早古生代期間區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境由被動(dòng)陸緣向活動(dòng)陸緣轉(zhuǎn)變的過(guò)程(Stump, 1995; Faure and Mensing, 2011; Goodge, 2020),受此影響,基底巖石普遍發(fā)生變質(zhì)、變形、抬升與剝蝕并伴隨巖漿的侵入。這期地質(zhì)作用被稱(chēng)為羅斯造山運(yùn)動(dòng) (Ross Orogeny;Stump, 1995),它是晚新元古代—早古生代期間古太平洋板塊與東南極板塊間匯聚的結(jié)果。

橫貫?zāi)蠘O山脈造山帶與羅斯造山運(yùn)動(dòng)相關(guān)的巖漿作用非常發(fā)育,侵入巖產(chǎn)狀主要呈巖株?duì)?還發(fā)育少量噴出巖 (Encarnación et al., 1999; Wareham et al., 2001)。侵入就位的巖體被統(tǒng)稱(chēng)為格拉尼特港侵入體 (Granite Harbor Intrusives; Gunn and Warren, 1962),主要由長(zhǎng)英質(zhì)巖石和少量超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)巖石組成,以鈣堿性系列巖石為主,還有少量的堿性系列巖石。規(guī)模上,它由羅斯海(Ross Sea)至彭薩科拉山脈 (Pensacola Mountains)逐漸減少(Stump, 1995)。

Borg et al.(1987)和Vetter and Tessensohn (1987)對(duì)位于北維多利亞地威爾遜地體(Wilson Terrane)的格拉尼特港侵入體研究后發(fā)現(xiàn),威爾遜地體內(nèi)側(cè)即靠近極地高原(Polar Plateau)一側(cè)主要由過(guò)鋁二云母花崗巖組成,具有S型花崗巖特征;而遠(yuǎn)離的一側(cè)即外側(cè)則以花崗閃長(zhǎng)巖至石英閃長(zhǎng)巖為主,具有I型花崗巖特征;其構(gòu)造環(huán)境為活動(dòng)陸緣環(huán)境。同時(shí)主微量元素由內(nèi)側(cè)至外側(cè)的變化表明地殼組分越來(lái)越多的參與。格拉尼特港侵入體氧同位素結(jié)果也顯示了類(lèi)似的結(jié)果(Dallai et al.,2002, 2003)。Read et al.(2002) 和Cottle and Cooper(2006)還發(fā)現(xiàn)了與區(qū)域拉張環(huán)境相關(guān)的A型花崗巖類(lèi)熔體。另外,Goodge et al.(2012)對(duì)位于中橫貫?zāi)蠘O山脈的格拉尼特港侵入體研究后發(fā)現(xiàn),該地區(qū)巖漿活動(dòng)時(shí)限長(zhǎng)達(dá)100 Ma,巖漿中心有海向遷移的特征,這可能反映了造山收縮過(guò)程中俯沖板塊的折返和弧前增厚。

至今,Stump(1995)、Goodge(2020) 和Faure and Mensing(2011)系統(tǒng)梳理了格拉尼特港侵入體相關(guān)研究動(dòng)態(tài)。資料顯示,格拉尼特港侵入體可分為前構(gòu)造期、同構(gòu)造期和構(gòu)造期后巖漿作用 (Allibone et al., 1993; Goodge et al.,1993; Encarnación and Grunow, 1996; Goodge et al., 2012),但由于造山帶剝蝕嚴(yán)重,且上覆巨厚的岡瓦納序列和年輕的冰川沉積以及橫貫?zāi)蠘O山脈內(nèi)側(cè)被現(xiàn)代冰帽覆蓋,造成對(duì)羅斯造山帶巖漿作用認(rèn)知仍很局限,尤其是由于可靠的U-Pb結(jié)晶年齡的缺乏,很難確定事關(guān)羅斯巖漿作用的開(kāi)始時(shí)間及其地球化學(xué)隨時(shí)間的演化。

休斯陡崖花崗質(zhì)巖體位于戴維冰川 (David Glacier)的南側(cè),屬于格拉尼特港侵入體的一部分,目前對(duì)此巖體的研究屬于空白。文中對(duì)休斯陡崖花崗質(zhì)巖體開(kāi)展了巖石成因研究,巖相學(xué)和地球化學(xué)研究結(jié)果顯示該巖體屬于I型花崗巖,源區(qū)可能為下地殼,但有幔源物質(zhì)的混入,巖漿演化過(guò)程中經(jīng)歷了不同程度的斜長(zhǎng)石、鈦鐵礦、金紅石和磷灰石的分離結(jié)晶作用。綜合巖石地球化學(xué)和區(qū)域地質(zhì)特征,認(rèn)為休斯陡崖巖體形成于與俯沖作用有關(guān)的火山島弧環(huán)境。

1 地質(zhì)背景

相關(guān)學(xué)者曾對(duì)橫貫?zāi)蠘O山脈的地質(zhì)特征進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)總結(jié) (Stump,1995;Faure and Mensing,2011;Goodge,2020),它的抬升主要發(fā)生在晚中生代和早新生代(Goodge, 2020)。目前該山脈出露的最古老巖石為位于中部米勒嶺-地質(zhì)學(xué)家?guī)X(Miller Range-Geologist Range)的中太古代尼姆洛德雜巖 (Nimrod Complex;Goodge and Fanning, 2016),它不但記錄了古元古代尼姆洛德造山作用(Nimrod Orogeny),也記錄了早古生代羅斯造山作用(Ross Orogeny)。

早古生代羅斯造山帶的形成是古太平洋板塊西向俯沖于東南極古陸之下所致 (Estrada et al., 2016)。位于太平洋奧茨海岸和羅斯海(Ross Sea)之間的北維多利亞地(Northern Victoria Land)是羅斯造山帶出露最好的區(qū)域,研究程度較高。北維多利亞地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,由陸向海方向依次為威爾遜地體 (Wilson Terrane)、鮑威爾地體(Bowers Terrane)和羅伯遜灣地體(Robertson Bay Terrane;Weaver et al., 1984;圖1a)。威爾遜地體主要由遭受多期變形的低—高級(jí)變沉積巖、混合巖組成,該套巖石記錄了被動(dòng)邊緣和活動(dòng)邊緣沉積環(huán)境,兩種陸緣環(huán)境的轉(zhuǎn)換時(shí)間即俯沖開(kāi)始時(shí)間約在550 Ma(Estrada et al., 2016)。羅斯造山運(yùn)動(dòng)造成了威爾遜地體巖石局部發(fā)生榴輝巖相超高壓變質(zhì)作用 (1.6～3.3 Gpa,T≈750～850℃;Di Vincenzo et al., 1997),同時(shí)威爾遜地體普遍遭受與羅斯造山作用不同演化階段有關(guān)的巖漿侵入(Armienti et al., 1990),這些巖漿的源區(qū)主要為深部殼源熔體或者地幔,巖漿成分變化較大,而且鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)巖漿并非來(lái)自同一巖漿源區(qū)(Cooper et al.,2007),最晚階段鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)巖漿活動(dòng)與板片折返有關(guān)(Rocchi et al., 2009)。

鮑威爾地體主要由中寒武世—早奧陶世極低級(jí)變火山-沉積巖組成(Weaver et al., 1984),火山巖具有大洋島弧特征 (Rocchi et al., 2011)。羅伯遜灣地體主要由晚寒武世—早奧陶世深水濁積巖組成(Goodge, 2007),屬于俯沖增生楔環(huán)境(Estrada et al., 2016)。鮑威爾地體與威爾遜地體和羅伯遜灣地體之間均以斷層接觸,前者為蘭特曼斷層 (Lantermann Fault),后者為閏年斷層(Leap Year Fault;Capponi et al., 1999)。 三個(gè)地體拼貼在一起后受到泥盆紀(jì)—早石炭世阿德默勒爾蒂侵入巖 (Admiralty Intrusives)的侵入并伴隨著加利波利火山巖 (Gallipoli Volcanics)的噴發(fā)(Federico et al., 2010)。

羅斯造山運(yùn)動(dòng)造成區(qū)域抬升和剝蝕,這種過(guò)程持續(xù)到了晚志留世或早泥盆世,形成了區(qū)域性剝蝕面——庫(kù)克里剝蝕面 (Kukri Erosion Surface;Isbell, 1999)。在該剝蝕面之上沉積了志留紀(jì)—三疊紀(jì)陸源沉積序列——貝肯超群 (Beacon Supergroup;Barrett, 1981)。它與結(jié)晶基底一起被侏羅紀(jì)柯克帕特里克玄武巖 (Kirkpatrick Basalts)和弗拉爾粒玄巖 (Ferrar Dolerites) 侵入 (Antonini et al., 1999)。此后為晚新生代的麥克默多火山巖組(McMurdo Volcanic Group)和冰川沉積。

斷裂構(gòu)造是北維多利亞地主要特征構(gòu)造類(lèi)型之一。最為典型的斷裂構(gòu)造是西北—東南方向的右旋走滑斷層,如鮑威爾地體與威爾遜地體之間的蘭特曼斷層以及威爾遜地體和伯遜灣地體之間的閏年斷層 (Capponi et al., 1999),這些斷層為早古生代斷層 (Ferraccioli et al., 2009),此后還發(fā)生了不同程度的活化 (Rossetti et al., 2000; Di Vincenzo et al., 2004)。除此之外,區(qū)域上還發(fā)育受右旋拉張動(dòng)力背景影響的東北—西南方向斷層(Salvini et al., 1997)。

休斯陡崖位于戴維冰川南側(cè),為一冰原島峰。大地構(gòu)造位置上屬于威爾遜地體,周邊出露的露頭多為與羅斯造山作用相關(guān)的巖漿巖體。北側(cè)緊鄰戴維磁條帶 (David magnetic lineation),西南側(cè)為B1磁條帶 (B1 magnetic lineation),Ferraccioli and Bozzo(2003)認(rèn)為這些磁條帶可能是新生代正斷層(圖1)。

圖1 休斯陡崖區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖及地貌特征Fig.1 The generalized geologic map and geomorphic features of the Hughes Bluff region (a) Geological sketch map of Northern Victoria Land, Antarctica (modified after Ferraccioli & Bozzo,1999; L?ufer et al., 2005); (b) Sampling locations in the Hughes Bluff region;(c and d) Geomorphic features of the sampling locations

2 巖體地質(zhì)特征

休斯陡崖巖體面積約1.7 km2,鑒于安全因素和時(shí)間,并未在該巖體出露點(diǎn)開(kāi)展全面考察,僅在直升機(jī)著陸處附近開(kāi)展了地質(zhì)考察并進(jìn)行了取樣(圖1b)。總體上看,該巖體經(jīng)受了較強(qiáng)的冰川作用影響,發(fā)育有羊背石、冰川擦痕和磨光面等冰川構(gòu)造(圖1c),這表明戴維冰川的進(jìn)退對(duì)此巖體地形地貌產(chǎn)生了巨大影響?；◢弾r體總體呈紅褐色,鉀長(zhǎng)石呈斑晶出現(xiàn)且定向排列,大致走向近東西向(280°),同時(shí)也存在指示運(yùn)動(dòng)方向的多米諾結(jié)構(gòu)等(圖1d)。巖體中也見(jiàn)有灰色包體,由于極難找到最佳取樣點(diǎn),并未采集該類(lèi)樣品。巖體遭受后期中細(xì)?；◢弾r脈侵入,巖脈寬度約30 cm,云母定向性明顯,基本與鉀長(zhǎng)石方向一致。此外,巖體發(fā)育X節(jié)理,受節(jié)理影響,巖石局部破碎嚴(yán)重,節(jié)理面非常光滑。

3 樣品采集與分析

休斯陡崖巖體樣品采集位置見(jiàn)圖(圖1b),35LC108-2和35LC108-3采樣位置在75.3990°S,162.2040°E;35LC108-4采樣位置在75.3976°S,162.1975°E。其中35LC108-2和35LC108-4取自巖體主體部分,35LC108-3為后期侵入巖脈樣品(圖2)。

圖2 休斯陡崖巖體二長(zhǎng)花崗巖及二長(zhǎng)花崗巖脈野外露頭接觸關(guān)系及顯微照片F(xiàn)ig.2 Outcrop and photomicrographs of the Hughes Bluff pluton(a) Photograph of the sample 35LC108-2; (b) Photomicrograph of the monzogranite sample 35LC108-2 (crossed-polarized light); (c) Photograph of the outcrop of monzogranite and dyke; (d) Photograph of the sample 35LC108-3; (e) Photomicrograph of the finegrained monzogranite sample 35LC108-3 (crossed-polarized light)Qtz-quartz; Pl-plagioclase; Bt-biotite; Chl-chlorite; Cb-carbonate

在實(shí)驗(yàn)室,首先對(duì)采集的手標(biāo)本進(jìn)行觀察記錄,開(kāi)展薄片制樣與巖相學(xué)觀察,確定元素地球化學(xué)分析樣品;其次,樣品粉碎至0.075 mm,用于常微量(稀土)元素分析。

樣品主量元素分析在青島斯巴達(dá)測(cè)試公司完成,測(cè)試流程如下:首先在105℃烘干巖石粉末樣品,然后準(zhǔn)確稱(chēng)取0.5000 g,加入4.000 g助熔劑(Li2B4O7),于30 mL瓷坩堝中充分混勻;隨后將混勻的樣品轉(zhuǎn)移至鉑黃坩堝中,并滴加3滴10%的LiBr溶液;隨后將盛有樣品的鉑黃坩堝置于熔片機(jī)內(nèi),梯度升溫至1050℃,保持60 s,使樣品充分氧化;把溫度恒定在1050℃,進(jìn)行樣品熔融,鉑黃坩堝前后左右不停搖勻,時(shí)間持續(xù)15 min;熔樣結(jié)束后,靜置60 s后,取出盛有樣品的鉑黃坩堝進(jìn)行冷卻,不斷翻轉(zhuǎn)冷卻,完整取出玻璃熔片,所得玻璃熔片表面平整、光滑并且內(nèi)部無(wú)氣泡和塊狀物的痕跡,標(biāo)記樣品號(hào),準(zhǔn)備上機(jī)測(cè)試;最后采用日本理學(xué)ZSX Primus Ⅱ型X射線熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試項(xiàng)目包括SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5、TiO2、MnO等元素。實(shí)驗(yàn)選用巖石標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)AGV-2、GSR-4、GSD-2、GSR-3作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控,所有數(shù)據(jù)基本都在標(biāo)準(zhǔn)值及不確定度范圍內(nèi),所測(cè)試數(shù)據(jù)精度偏差小于2%。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,每5個(gè)樣品,制備平行樣一次,控制實(shí)驗(yàn)流程穩(wěn)定性。

微量元素測(cè)試在自然資源部第一海洋研究所測(cè)定,具體流程為準(zhǔn)確稱(chēng)取50.00 mg樣品粉末于特氟龍溶樣內(nèi)膽中,加幾滴高純水潤(rùn)濕后,加入1.50 ml高純HNO3、1.50 ml高純HF后搖勻,加蓋并使用鋼套密閉,放入190℃烘箱中分解48 h以上。冷卻后取出溶樣內(nèi)膽,置于電熱板上蒸干后,加入1 ml HNO3蒸至濕鹽狀,加入3 ml體積分?jǐn)?shù)為50%的HNO3和0.5ml Rh(1.0×10-6)內(nèi)標(biāo)溶液后,加蓋并使用鋼套密閉,放入150℃烘箱中分解8 h以上,以保證對(duì)樣品的完全提取。冷卻后用去離子水定容至50.00 g。從待測(cè)溶液中取出10.00g,用去離子水稀釋至20.00 g,使用Thermal X series 2 ICP-MS分析系統(tǒng), 測(cè) 定Li、 Be、 Co、Cr、Ni、 Cu、 Ga、 Ge、 Rb、 Nb、 Mo、 Cd、 In、Cs、Hf、 Ta、W、Tl、Pb、 Bi、Th、U、Sc、 Y、La、Ce、Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、Er、Tm、Yb、Lu等元素。

4 分析結(jié)果

4.1 巖相學(xué)特征

4.1.1 樣品35LC108-2

巖性為二長(zhǎng)花崗巖,呈紅褐色,具有中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖2a)。礦物主要為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英和黑云母 (圖2b)。斜長(zhǎng)石(38%～40%)呈半自形柱狀,粒徑多數(shù)為2～4 mm,部分粒徑為0.5～2.0 mm,表面發(fā)生較強(qiáng)烈土化和絹云母化,表面較渾濁;鉀長(zhǎng)石(23%～45%)呈他形粒狀,粒徑多數(shù)為2～5 mm,個(gè)別粒徑為1～2 mm,表面發(fā)生輕微土化,多見(jiàn)鉀長(zhǎng)石內(nèi)部包含或邊緣鑲嵌斜長(zhǎng)石和黑云母構(gòu)成包含嵌晶結(jié)構(gòu);石英(20%～23%)呈他形粒狀,粒徑多數(shù)為2～4 mm,表面干凈無(wú)色;黑云母(5%～8%)呈半自形片狀,片徑0.10～1.75 mm,多數(shù)發(fā)生強(qiáng)烈綠泥石化,沿解理縫析出黑色不透明礦物。副礦物主要有鋯石和褐簾石。次生礦物主要有高嶺土、碳酸鹽礦物和絹云母。

4.1.2 樣品35LC108-3

巖性為二長(zhǎng)花崗巖,呈灰褐色,細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖2d)。巖石中的礦物主要為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英和黑云母 (圖2e)。斜長(zhǎng)石(48%～50%)呈半自形板柱狀,粒徑多數(shù)為0.2～2.0 mm,少數(shù)粒徑為2.0～4.5 mm,多數(shù)斜長(zhǎng)石表面發(fā)生絹云母化和土化,少數(shù)發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu),個(gè)別環(huán)帶結(jié)構(gòu)發(fā)育的斜長(zhǎng)石中心蝕變較強(qiáng),邊緣較干凈,形成凈邊結(jié)構(gòu);鉀長(zhǎng)石(18%～20%)呈他形粒狀,粒徑多數(shù)為0.2～2.0 mm,少數(shù)粒徑為2～4 mm,鉀長(zhǎng)石表面發(fā)生輕微土化;石英(23%～25%)呈他形粒狀,粒徑多數(shù)為0.2～2.0 mm,少數(shù)粒徑為2.0～4.5 mm,石英表面干凈無(wú)色;黑云母(5%～8%)呈半自形片狀,片徑0.2～1.5 mm,個(gè)別黑云母發(fā)生輕微綠泥石化。副礦物主要有榍石。

4.1.3 樣品35LC108-4

巖性為二長(zhǎng)花崗巖,呈肉紅色,具有似斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。巖石主要由斑晶和基質(zhì)組成,斑晶主要為微斜長(zhǎng)石(13%～15%),呈半自形板柱狀,粒徑10～20 mm不等,鉀長(zhǎng)石表面多發(fā)生土化?；|(zhì)主要為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英和黑云母。斜長(zhǎng)石(28%～30%)呈半自形柱狀,粒徑多數(shù)為2～4 mm,部分粒徑為0.5～2.0 mm,斜長(zhǎng)石表面發(fā)生較強(qiáng)烈土化和絹云母化,個(gè)別斜長(zhǎng)石邊緣與石英交生構(gòu)成顯微蠕蟲(chóng)結(jié)構(gòu);鉀長(zhǎng)石(23%～25%)呈他形粒狀,粒徑1～5 mm不等,鉀長(zhǎng)石表面發(fā)生土化和輕微碳酸鹽化,多見(jiàn)鉀長(zhǎng)石邊緣鑲嵌斜長(zhǎng)石和黑云母構(gòu)成嵌晶結(jié)構(gòu);石英(20%～23%)呈他形粒狀,粒徑多數(shù)為1.0～4.5 mm,石英表面干凈無(wú)色;黑云母(3%～5%)呈半自形片狀,片徑0.10～1.25 mm,部分黑云母發(fā)生綠泥石化,沿解理縫析出黑色不透明礦物。副礦物主要由榍石、磷灰石、綠簾石和褐簾石等組成。

4.2 巖石地球化學(xué)特征

4.2.1 主量元素特征

休斯陡崖巖體的全巖主量元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表 1中可以看出,主期二長(zhǎng)花崗巖(35LC108-2和35LC108-4)的主量元素中SiO2含量介于70.50%～71.20%之間,平均值為70.85%;Na2O含量介于3.86%～4.07%之間,平均值為3.97%;K2O含量介于4.17%～4.44%之間,平均值為4.43%;全堿含量(Na2O+K2O)為8.37%～8.65%,K2O/Na2O為1.09～1.15,相對(duì)富鉀;Al2O3含量為平均值為14.00%,CaO含量的平均值為1.75%,樣品的鋁飽和指數(shù)(A/CNK=Al2O3/(K2O+Na2O+CaO);分子比)介于0.95～0.98,A/NK(Al2O3/(K2O+Na2O);分子比)為1.22～1.26,屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)巖石。巖石里特曼指數(shù)σ =2.15～2.55,Mg#值介于38.92～41.55。CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物中出現(xiàn)剛玉分子,含量為0.36%～0.64%,無(wú)透輝石。該巖石屬準(zhǔn)鋁質(zhì)鈣堿性花崗巖類(lèi)。

細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈(35LC108-3)的主量元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。其SiO2含量為74.47%,CaO含量為1.63%, Na2O含量為4.06%,K2O含量為4.17%,全堿含量(Na2O+K2O)為8.25%,K2O/Na2O為1.03,樣品相對(duì)富鉀。樣品的Al2O3含量為13.36%,鋁飽和指數(shù)(A/CNK)為0.94,A/NK為1.19,屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)巖石。巖石里特曼指數(shù)σ=2.15,Mg#值為22.28。CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物中出現(xiàn)透輝石,含量為0.61%,無(wú)剛玉分子。該巖石屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)鈣堿性巖類(lèi)。

4.2.2 微量元素特征

休斯陡崖巖體的微量元素分析見(jiàn)表2。二長(zhǎng)花崗巖(35LC108-2和35LC108-4)明顯相對(duì)富集Ba、Sr、Zr和Rb,其含量分別介于1124.32×10-6～123.89×10-6、369.72×10-6～625.32×10-6、112.33×10-6～179.32×10-6和133.03×10-6～149.48×10-6之間。Nb/Ta值介于8.69～12.57,總體低于幔源巖漿的 Nb/Ta=17(Hofmann, 1988; Green, 1995)。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蜘蛛網(wǎng)圖中(圖3a),二長(zhǎng)花崗巖具有明顯的K、La、Pb、P和Zr異常峰和U、Ta、Nb、Ce、Sm和Ti異常谷,具有右傾型式。

細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈(35LC108-3)也具有較高的Ba、Sr、Zr和Rb含量,分別為1124.32×10-6、369.72×10-6、112.33×10-6和138.87×10-6。在原 始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蜘蛛網(wǎng)圖中(圖3a),細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈具有明顯的K、La、Pb和Zr異常峰和U、Ta、Nb、P、Sm和Ti異常谷,也具有右傾型式。

?

?

?

4.2.3 稀土元素特征

二長(zhǎng)花崗巖(35LC108-2和35LC108-4)的稀土元素總量(ΣREE)偏低(表3),介于120.06×10-6～128.76×10-6之間。輕稀土元素(LREE)相對(duì)富集,重稀土元素(HREE)相對(duì)虧損(LREE/HREE=16.66～17.69)。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分曲線顯示右傾型分布模式,輕重稀土元素分餾明顯((La/Yb)N=15.71～23.70),且具有輕微的負(fù)Eu異常(δEu=0.72～0.83;圖3b)。

細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈(35LC108-3)的稀土元素總量偏低,為95.05×10-6。輕稀土元素(LREE)相對(duì)富集,重稀土元素(HREE)相對(duì)虧損(LREE/HREE=14.75)。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分曲線顯示右傾型分布模式,輕重稀土元素分餾明顯((La/Yb)N=23.70),具有輕微的正Eu異常(δEu=1.10;圖3b)。

圖3 休斯陡崖巖體稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖與微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(球粒隕石和原始地幔數(shù)據(jù)據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.3 Primitive mantle (PM) normalized spider diagram (a) and chondrite-normalized REE pattern (b) for the Hughes Bluff pluton (Chondrite and PM values used for normalization are from Sun and McDonough, 1989)

5 討論

5.1 巖石成因類(lèi)型

花崗巖是地球分布較為廣泛的一類(lèi)巖石,是大陸地殼重要的組成部分。盡管花崗巖的礦物組成在所有巖石類(lèi)型中并非復(fù)雜,但類(lèi)型多樣(吳福元 等, 2007)。目前最被廣泛接受的花崗巖成因分類(lèi)方案是MISA型分類(lèi),其中M型十分少見(jiàn)。但這種方案對(duì)于經(jīng)歷高度分異結(jié)晶作用,礦物組成和化學(xué)成分都趨于低共結(jié)的花崗巖而言并非有效(吳福元 等, 2007)。因此,在花崗巖成因探討及其分類(lèi)研究時(shí),有必要先分析其是否經(jīng)歷了高度分異結(jié)晶作用。

高分異花崗巖具有較為特殊的地質(zhì)、巖石、礦物和地球化學(xué)組成,吳福元等(2017)曾對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)。休斯陡崖巖體在礦物組成上并未出現(xiàn)高分異花崗巖的標(biāo)志性礦物鋰電氣石、鋰云母或含鋰白云母,元素組成不具有鋁過(guò)飽和特征,以及不具有稀土元素四組分效應(yīng)特征(吳福元等,2017)。此外,在二元圖(K2O+Na2O) /CaO-(Zr+Nb+Ce+Y)(圖4a)中,研究樣品均落入了未分異的花崗巖域內(nèi),這表明休斯陡崖巖體不屬于高分異花崗巖。

休斯陡崖巖體無(wú)論是二長(zhǎng)花崗巖還是細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈巖均未發(fā)現(xiàn)角閃石、堇青石和堿性礦物等指示I、S和A型花崗巖的典型礦物(吳福元等, 2007),因此從礦物學(xué)角度判定其成因類(lèi)型比較困難。在花崗巖類(lèi)型判別指標(biāo)中,10000×(Ga/Al) ＞2.6、Zr＞250×10-6、Zr+Nb+Ce+Y＞350×10-6常作為A型花崗巖的有效識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)(吳福元等, 2007)。而休斯陡崖巖體的10000×(Ga/Al) ＜2.6、Zr＜250×10-6、Zr+Nb+Ce+Y＜350×10-6,并不符合典型的A型花崗巖地球化學(xué)特征。此外,休斯陡崖巖體稀土元素配分模式圖并未出現(xiàn)A型花崗巖的 “海鷗型” 稀土配分模式 (王金芳等,2018)。因此,休斯陡崖巖體不屬于A型花崗巖。

從巖石CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物角度看,休斯陡崖巖體二長(zhǎng)花崗巖的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物中出現(xiàn)剛玉分子,沒(méi)有出現(xiàn)透輝石分子,而且含量小于1%;細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物中出現(xiàn)透輝石分子,沒(méi)有出現(xiàn)剛玉分子,但其含量仍小于1%。而且二長(zhǎng)花崗巖和細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈的鋁飽和指數(shù)均低于1,屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)系列。相比于典型的I型和S型花崗巖的基本特征(Chappell and White, 2001),研究樣品更傾向于I型花崗巖。另外,在I型與S型判別圖解(TiO2-Zr;圖4b)中,研究樣品均落在I型花崗巖域內(nèi),綜合以上數(shù)據(jù)表明該巖體為I型花崗巖。

圖4 休斯陡崖花崗巖成因類(lèi)型判別圖解Fig.4 Petrogenesis discrimination diagrams for the Hughes Bluff granitic pluton(a) (K2O+Na2O) /CaO-(Zr+Nb+Ce+Y) diagram (modified after Whalen et al., 1987); (b) TiO2-Zr diagram (modified after Liu et al., 2016)

5.2 巖漿源區(qū)及演化過(guò)程

巖漿一般是指在由上地幔或地殼部分熔融形成的,常含有固體的混合物和富含揮發(fā)分的高溫粘稠的硅酸鹽熔融體。休斯陡崖巖體SiO2含量為70.50%～74.47%,Al2O3含量高于13%,K2O含量高于4%,Na2O的含量高于3%,但低于相應(yīng)K2O的含量。一般而言,SiO2含量大于71%的巖石中,Al2O3的含量不高于12% (李錦軼等,2007),這表明巖體主要是由殼源物質(zhì)熔融侵位形成的。Nb和Ta的虧損也說(shuō)明與陸殼有密切關(guān)系,因?yàn)樵谠嫉蒯Ｐ纬申憵さ牡谝浑A段過(guò)程中Nb和Ta會(huì)優(yōu)先殘留于地幔(Green, 1995)。休斯陡崖巖體Nb/Ta比值為8.69～12.97,低于幔源巖石的平均值 (17.5±2.0;Hofmann, 1988; Green, 1995),而接近于陸殼巖石的平均值(11;Taylor and Mclennan, 1985;Green, 1995)。同時(shí)該巖體的稀土元素配分曲線具有右傾特征,也表明源區(qū)環(huán)境為地殼環(huán)境。此外,Rb/Sr比值也常常用來(lái)判斷花崗質(zhì)巖石的源區(qū)性質(zhì),休斯陡崖巖體Rb/Sr比值介于0.21～0.38,遠(yuǎn)大于上地幔Rb/Sr比值(0.034;國(guó)顯正等,2019),綜合證據(jù)表明其源區(qū)為地殼。

休斯陡崖巖體具有相對(duì)較低的Sr、Yb和Y含量,暗示了其源區(qū)為中高壓環(huán)境(0.8～1.5 GPa;孟元庫(kù)等,2018)。Al2O3/TiO2比值是指示巖漿形成溫度的重要指標(biāo),若其值大于100,則源區(qū)溫度環(huán)境低于875℃,反之,則高于875℃ (何鵬 等, 2020)。休斯陡崖巖體Al2O3/TiO2比值均小于100,因此其源區(qū)溫度環(huán)境高于875℃,這相當(dāng)于區(qū)域羅斯造山運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造熱環(huán)境 (Di Vincenzo et al., 1997)。Mg#(＜40)也較低,顯示巖漿是玄武質(zhì)下地殼發(fā)生部分熔融所成 (Rapp and Watson,1995)。同時(shí)該巖體的Zr/Hf比值為35.58～37.73,高于殼源巖石的值 (33;Taylor and Mclennan, 1985; Green, 1995),而接近于幔源巖石的值(36±2.0;Taylor and Mclennan, 1985; Green, 1995),這表明可能發(fā)生了幔源物質(zhì)的混入。

在源區(qū)巖漿常發(fā)生復(fù)雜的演化過(guò)程。二長(zhǎng)花崗巖和細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈都具有明顯的Ti元素虧損,表明在源區(qū)發(fā)生了鈦鐵礦、金紅石等富Ti礦物的分離結(jié)晶。P元素在二長(zhǎng)花崗巖中富集,但在細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈中虧損,這表明休斯陡崖巖體主期巖漿沒(méi)有像晚期巖漿那樣發(fā)生磷灰石的分離結(jié)晶。主體二長(zhǎng)花崗巖具有弱的Eu負(fù)異常,可能暗示巖漿由低程度的熔融產(chǎn)生,而且經(jīng)歷了一定程度的斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用;而細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈具有弱的Eu正異常,表明巖漿分異作用不明顯,可能與原巖特征、結(jié)晶溫壓有關(guān)。

5.3 構(gòu)造環(huán)境

花崗質(zhì)巖石形成的構(gòu)造環(huán)境是花崗巖研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,但由于源區(qū)繼承性和熔融分異都會(huì)影響最終形成的花崗質(zhì)巖石的物質(zhì)成分,給判斷其形成構(gòu)造環(huán)境帶來(lái)不便,因此需要綜合運(yùn)用多種方法(吳福元等,2007)。休斯陡崖巖體主體二長(zhǎng)花崗巖具有Rb和K元素富集以及弱的負(fù)Eu異常,花崗巖的這種特征往往被認(rèn)為是反映了母巖漿的特點(diǎn) (Ma et al., 1998),因此,休斯陡崖巖體地球化學(xué)特征可以用來(lái)釋讀其形成時(shí)的地質(zhì)環(huán)境。休斯陡崖二長(zhǎng)花崗巖和細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈都具有明顯的Nb、Ta和Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損,這種特征被認(rèn)為是與俯沖作用有關(guān)的島弧巖漿巖特征(張亞峰等,2015)。同時(shí)在Y-Nb和(Y+Nb)-Rb構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(圖5),二長(zhǎng)花崗巖和細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈落在火山島弧環(huán)境中。此外,休斯陡崖巖體中存在鉀長(zhǎng)石線理,這種構(gòu)造現(xiàn)象區(qū)域上比較常見(jiàn),通常被認(rèn)為是與羅斯造山作用有關(guān)的俯沖作用引起的 (Capponi et al., 2020)。另外,與休斯陡崖臨近的伊里薩爾角(Irizar Cape)的花崗質(zhì)巖體的鋯石U-Pb年齡為489.9±4.4 Ma(Rocchi et al., 2009),它與休斯陡崖主體巖石具有相似的元素化學(xué)組成,被認(rèn)為是形成于羅斯造山帶的最晚階段的拉張環(huán)境中。綜合以上資料推測(cè),產(chǎn)生休斯陡崖巖體的構(gòu)造環(huán)境為活動(dòng)陸源的巖漿弧環(huán)境。

圖5 休斯陡崖巖體微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.5 Diagrams showing the tectonic setting of Y-Nb (a) and (Y+Nb)-Rb (b) for the Hughes bluff pluton (a after Pearce et al., 1984; b after Pearce, 1996)ORG-oceanic ridge granites; WPG-within-plate granites; VAG-volcanic arc granites; Syn-CLOG-syncollisional granites; Post-CLOGpostcollisional granites

6 結(jié)論

(1)休斯陡崖巖體主體巖石類(lèi)型為二長(zhǎng)花崗巖,后期被細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖巖脈侵入。無(wú)論是二長(zhǎng)花崗巖還是細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖脈,都具有高硅、高鉀、富堿特征,屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)鈣堿性花崗質(zhì)巖石。巖石普遍富集Rb、Th、K和U等大離子親石元素,明顯虧損Nb和Ti等元素,顯示島弧花崗巖地球化學(xué)特征,成因類(lèi)型為I型花崗巖。

(2)休斯陡崖巖體源區(qū)可能為下地殼,但有幔源物質(zhì)的混入。在源區(qū),巖漿發(fā)生了不同程度的斜長(zhǎng)石、鈦鐵礦、金紅石和磷灰石的分離結(jié)晶作用。休斯陡崖巖體形成于與俯沖作用有關(guān)的火山島弧環(huán)境,進(jìn)一步的年代學(xué)資料將有助于制約其形成環(huán)境。

致謝:在此感謝德國(guó)聯(lián)邦地球科學(xué)與自然資源研究所邀請(qǐng)參加德國(guó)第十三次北維多利亞地地質(zhì)考察(GANOVEX XIII)以及提供后勤支撐,同時(shí)也感謝考察隊(duì)隊(duì)友在取樣方面給予的幫助和相關(guān)問(wèn)題的建設(shè)性研討。