地质力学学报  2021, Vol. 27 Issue (5): 691-704
引用本文
刘晓春, 赵越, 王伟, 陈龙耀, 郑光高, 刘健, 王亚飞, 任留东. 东南极古陆核的研究现状、问题与设想[J]. 地质力学学报, 2021, 27(5): 691-704.
LIU Xiaochun, ZHAO Yue, WANG Wei, CHEN Longyao, ZHENG Guanggao, LIU Jian, WANG Yafei, REN Liudong. Ancient cratonic nuclei in East Antarctica: Research status, problems and prospects[J]. Journal of Geomechanics, 2021, 27(5): 691-704.
东南极古陆核的研究现状、问题与设想
刘晓春1,2,3, 赵越1,2,3, 王伟1,2,3, 陈龙耀1,2,3, 郑光高1,2,3, 刘健1,2,3, 王亚飞4, 任留东4    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 中国地质调查局极地地学研究中心, 北京 100081;
3. 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室, 北京 100081;
4. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
摘要:东南极地盾(克拉通)中的太古宙陆核主要分布在面向印度洋扇区的内皮尔山、南查尔斯王子山、赖于尔群岛和西福尔丘陵,在面向澳大利亚、非洲和太平洋扇区只零星出露。这些古陆核被早元古代—早古生代(泛非期)造山带所分割,它们具有不同的早期演化历史和后期改造过程,并且产于不同扇区的陆核与相邻冈瓦纳陆块具有密切的亲缘关系。对东南极古陆核开展系统的冰上和冰下地质调查以及岩石地球化学综合研究,查明太古宙岩石(物质)的时空分布、岩石成因、源区性质、构造属性及其变质改造历史,进而构建东南极古大陆从初始成核到最终聚陆的历史框架,这将弥补地球早期演化研究领域的南极短板,同时也必将促进地球早期演化研究领域的发展。
关键词太古宙陆核    多样性    亲缘性    东南极    冈瓦纳    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.05.057     文章编号:1006-6616(2021)05-0691-14
Ancient cratonic nuclei in East Antarctica: Research status, problems and prospects
LIU Xiaochun1,2,3, ZHAO Yue1,2,3, WANG Wei1,2,3, CHEN Longyao1,2,3, ZHENG Guanggao1,2,3, LIU Jian1,2,3, WANG Yafei4, REN Liudong4    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Research Center for Polar Geosciences, China Geological Survey, Beijing 100081, China;
3. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction of Ministry of Natural Rescources, Beijing 100081, China;
4. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: The Archean cratonic nuclei in the East Antarctic Shield (Craton) occur mainly in the Napier Mountains, southern Prince Charles Mountains, Rauer Group and Vestfold Hills in the Indian Ocean sector, and are sporadically exposed in the Australian, African and Pacific sectors. These ancient nuclei with diverse earlier crustal histories and later reworking processes are separated by the Paleoproterozoic-Early Paleozoic (Pan-African-aged) orogens. The nuclei in different sectors have a close affinity with the adjacent Gondwana continental blocks. Integrated bedrock and subglacial geological investigations and petrological and chemical studies will ascertain the temporal and spatial distributions, petrogenesis, source regions, tectonic affinities and multiple metamorphic records of the Archean rocks (materials) in East Antarctica.This can help to reveal the major history from nucleation to assembly of the East Antarctica continent, and thus to contribute to a better understanding of the early history of the Earth from an Antarctic perspective.
Key words: Archean cratonic nuclei    diversity    affinity    East Antarctcia    Gondwana    
0 引言

地球的形成与早期演化是固体地球科学研究领域的基础和前沿课题。自冥古宙至太古宙的地球早期历史长达~21亿年,占据整个地球演化史的近一半。遗憾的是,由于后期漫长的改造与破坏(如晚期大撞击事件,板块构造引起的俯冲、剥蚀等),地球早期形成的地质记录保存相对较少,特别是冥古宙到古太古代的岩石更鲜有保存。事实上,这一重要地球演化阶段涉及到大陆地壳的起源和演化(沈其韩等, 2016; Hoffmann and Kröner, 2019)、地球早期的构造体制与板块构造的起始(翟明国, 2012; Cawood et al., 2018)、地球早期环境演变及成矿(Frei and Polat, 2007; 张连昌等, 2012; Byerly et al., 2019; Philippot et al., 2019)等地球科学的重大前沿科学问题,这些问题对于认识地球如何从形成时的高温熔融状态转变为今天的宜居星球至关重要。

现今对地球早期演化历史的认识主要来自于几个古老岩石较发育的古陆核,如格陵兰、加拿大、南非、澳大利亚以及中国华北等地。东南极地盾是地球上最大、最古老的克拉通之一,也是世界上少数几个保存有地球早期(始太古代—古太古代)岩石记录的地区之一,部分岩石中还存在冥古宙锆石(Harley et al., 2019)。与世界上其他地区的古陆核一样,东南极古陆核也保留了多期岩浆和变质事件的记录,发育大规模的TTG片麻岩,产出古老的变质表壳岩和条带状铁建造(BIF),这为研究地球早期地壳的形成与演化提供了非常难得的对象。然而,与其他地区相比,对东南极太古宙陆块/地体的研究程度还很低,对地球早期演化研究领域的贡献有限,亟待开展深入的研究工作。文章简要介绍了东南极古陆核的分布和研究现状,对古陆核研究中存在的主要问题进行了详细的分析和讨论,并提出了下一步研究工作的设想。

1 东南极古陆核的分布及研究现状

太古宙陆核在东南极地盾(克拉通)中的分布比较广泛(图 1),主要集中出露在面向印度洋扇区的内皮尔山(Napier Mountains)、南查尔斯王子山(Southern Prince Charles Mountains)以及普里兹湾东部的赖于尔群岛(Rauer Group)和西福尔丘陵(Vestfold Hills),其中在西福尔丘陵东南侧推测还存在一个古太古代的冰下陆块(Zhao et al., 2007, 2019; 刘健等, 2011)。此外,在其他地区也有零星的太古宙岩石(物质)出露,包括面向非洲扇区的格吕讷霍格纳群峰(Grunehogna Peaks)、面向澳大利亚扇区的登曼冰川(Denman Glacier)-邦杰丘陵(Bunger Hills)和阿黛利地(Terre Adélie)以及面向太平洋扇区的沙克尔顿岭(Shackleton Range)和米勒岭(Miller Range)等。以下对东南极古陆核的研究现状进行简要介绍,其中主要古陆核的地质事件演化序列总结见图 2

AF—奥尔巴尼-弗雷泽造山带;AM—阿蒙森省;AP—南极半岛;BH—邦杰丘陵;BK—本德尔坎德克拉通;BS—巴斯塔克拉通;CB—Coompana地块;CD—中毛德王后地;CG—刚果克拉通;CH—查塔姆隆起;CITZ—中印度构造带;CK—霍马-卡洛莫地块;CL—科茨地;CM—坎贝尔高原;CP—凯普褶皱带;CPR—Capricorn造山带;DG—登曼冰川;DM—达马拉造山带;DO—Delamerian造山带;DW—达尔瓦尔克拉通;EG—东高止带;EWM—埃尔斯沃斯-惠特莫尔地块;FM—福克兰-马尔维纳斯高原;G—格吕讷霍格纳克拉通;GM—格罗夫山;GSM—甘布尔采夫冰下山脉;GW—高勒尔克拉通;IR—伊鲁米德造山带;KH—卡拉哈里克拉通;KB—基巴尔安造山带;LB—卢里奥带;LF—卢弗里安弧;LH—吕措-霍尔姆湾;LC—拉克兰造山带;MD—马达加斯加;MR—米勒岭;MZ—莫桑比克造山带;N—内皮尔杂岩;NA—北澳大利亚克拉通;NE—新西兰造山带;NH—北安普顿杂岩;NN—纳马夸-纳塔尔造山带;NPC—北查尔斯王子山;NV—北维多利亚地地体;NZ—新西兰;PAT—巴塔哥尼亚;PB—普里兹湾;PJ—平贾拉造山带;PL—皮尔巴拉克拉通;PM—皮特曼造山带;PT—帕特森造山带;RG—赖于尔群岛;RO—罗斯造山带;RS—罗斯省;RY—雷纳杂岩;SG—南部麻粒岩地体;SI—辛格布姆克拉通;SK—沙克尔顿岭;SP—南极点;SPC—南查尔斯王子山;SR—南龙达讷山;STR—南塔斯曼隆起;T—塔斯马尼亚;TA—阿黛利地;TH—汤姆森造山带;TIB—瑟斯顿岛地块;TZ—坦桑尼亚克拉通;VH—西福尔丘陵;VSH—东方冰下高地;WD—西毛德王后地;WI—温德米尔群岛;YG—伊尔岗克拉通;ZM—赞比西造山带 AF-Albany-Fraser Orogen; AM-Amundsen Province; AP-Antarctic Peninsula; BH-Bunger Hills; BK-Bundelkhand Craton; BS-Bastar Craton; CB-Coompana Block; CD-central Dronning Maud Land; CG-Congo Craton; CH-Chatham Rise; CITZ-central Indian Tectonic Zone; CK-Choma-Kalomo Block; CL-Coats Land; CM-Campbell Plateau; CP-Cape Fold Belt; CPR-Capricorn Orogen; DG-Denman Glacier; DM-Damara Orogen; DO-Delamerian Orogen; DW-Dharwar Craton; EG-Eastern Ghats Belt; EWM-Ellsworth-Whitmore Mountains Block; FM-Falkland-Malvinas Plateau; G-Grunehogna Craton; GM-Grove Mountains; GSM-Gamburtsev Subglacial Mountains; GW-Gawler Craton; IR-Irumide Orogen; KH-Kalahari Craton; KB-Kibaran Orogen; LB-Lurio Belt; LF-Lufilian Arc; LH-Lützow-Holm Complex; LC-Lachlan Orogen; MD-Madagascar; MR-Miller Range; MZ-Mozambique Orogen; N-Napier Complex; NA-North Australian Craton; NE-New England Orogen; NH-Northampton Complex; NN-Namaqua-Natal Orogen; NPC-northern Prince Charles Mountains; NV-northern Victoria Land terranes; NZ-New Zealand; PAT-Patagonia; PB-Prydz Bay; PJ-Pinjarra Orogen; PL-Pilbara Craton; PM-Petermann Orogen; PT-Paterson Orogen; RG-Rauer Group; RO-Ross Orogen; RS-Ross Province; RY-Rayner Complex; SG-Southern Granulite Terrane; SI-Singhbhum Craton; SK-Shackleton Range; SP-South Pole; SPC-southern Prince Charles Mountains; SR-Sør Rondane Mountains; STR-South Tasman Rise; T-Tasmania; TA-Terre Adélie; TH-Thomson Orogen; TIB-Thurston Island Block; TZ-Tanzania Craton; VH-Vestfold Hills; VSH-Vostok Subglacial Highlands; WD-western Dronning Maud Land; WI-Windmill Islands; YG-Yilgarn Craton; ZM-Zambezi Orogen 图 1 东南极与冈瓦纳相邻陆块在~500 Ma的重建简图(据Harley et al., 2013修改) Fig. 1 Simplified map showing the reconstruction of Antarctica and adjacent areas of Gondwana at ~500 Ma (modified after Harley et al., 2013)

图 2 东南极主要古陆核的地质事件时空演化图解 Fig. 2 Temporal and spatial diagram showing geological events in ancient cratonic nuclei in East Antarctica
1.1 面向印度洋扇区的古陆核 1.1.1 内皮尔山

位于恩德比地(Enderby Land)北侧内皮尔山的内皮尔杂岩出露有南极洲最古老的岩石,也是地球上最古老的岩石之一。现阶段已被证实的内皮尔杂岩中最古老的岩石是松斯山(Mount Sones)和盖奇山脊(Gage Ridge)的正片麻岩,其侵位时代为始太古代(3.85~3.84 Ga),并在其内发现了冥古宙-太古宙早期(4.12~3.89 Ga)具岩浆结构的继承锆石(Black et al., 1986; Harley and Black, 1997; Kelly and Harley, 2005)。此外,内皮尔杂岩中还出露各种古太古代—新太古代的岩石,如:①盖奇山脊和阿克尔群峰(Aker Peaks)的3.65~3.60 Ga英云闪长质和紫苏花岗质片麻岩(Belyatsky et al., 2011; Kusiak et al., 2013a, 2013b);②里瑟-拉森山(Mount Riiser-Larsen)和托纳岛(Tonagh Island)的3.28~3.23 Ga正片麻岩(Hokada et al., 2003);③普罗克勒梅申岛(Proclamation Island)、达尔维茨冰原岛峰(Dallwitz Nunatak)和里瑟-拉森山的~3.0 Ga正片麻岩(Harley and Black, 1997; Kelly and Harley, 2005);④达尔维茨冰原岛峰主体的2.8 Ga英云闪长质片麻岩(Harley and Black, 1997; Kelly and Harley, 2005);⑤托纳岛的2.74~2.62 Ga正片麻岩(Carson et al., 2002a, 2002b; Crowe et al., 2002; Horie et al., 2012)。内皮尔杂岩主体经历了2.84~2.82 Ga的高温/低压变质作用,并在2.59~2.45 Ga遭受到区域超高温(UHT)变质作用的改造(Grew and Manton, 1979; James and Black, 1981; Black et al., 1983a; Kelly and Harley, 2005; Harley, 2016; Mitchell and Harley, 2017),格林维尔期(~1000 Ma)有角闪岩相剪切带形成(Sandiford, 1985),泛非期(~500 Ma)的角闪岩相流体渗透导致了岩石的局部退变及伟晶岩侵入(Carson et al., 2002b)。与此不同的是,在东部肯普地(Kemp Land)厄于加伦群岛(Oygarden Group)中的内皮尔杂岩则经历了1650~1600 Ma热事件和930~900 Ma麻粒岩相变质作用的强烈改造(Kelly et al., 2002, 2004)。

1.1.2 南查尔斯王子山

南查尔斯王子山南侧的鲁克地体(Ruker Terrane)是东南极内陆基岩集中出露区域的典型代表之一。鲁克地体主要由太古宙正片麻岩组成,上覆不同时代的变质沉积岩系。主要的太古宙岩石是3.39~3.37 Ga的英云闪长质-奥长花岗质片麻岩、3.19~3.15 Ga的花岗质片麻岩(Mawson Orthogneiss Suite)以及分别在3.15 Ga和2.8 Ga之后沉积的变质表壳岩(Tingey, 1982, 1991; Boger et al., 2001, 2006; Mikhalsky et al., 2001, 2006a, 2006b, 2010; Phillips et al., 2006; Flowerdraw et al., 2013)。这些正片麻岩的Nd模式年龄达3.8~3.2 Ga,暗示可能有更加古老物质的存在。Boger et al. (2008)在莫森陡崖(Mawson Escarpment)中部的曼宁冰川(Manning Glacier)附近发现了具有高Sr/Y比值的偏铝质TTG片麻岩,其侵位时代为3.52 Ga。然而,由于岩石中还含有个别新太古代和泛非期的锆石,所以对这一年龄结果的解释仍存争议(Corvino et al., 2011)。鲁克地体经历了2.8~2.77 Ga绿片岩相-角闪岩相变质和变形作用(Boger et al., 2001, 2006)以及泛非期低角闪岩相变质作用的改造(Phillips et al., 2007a, 2007b)。值得指出的是,在南查尔斯王子山的鲁克山(Mount Ruker)和斯蒂尼尔山(Mount Stinear)产出有新太古代—古元古代早期的条带状磁铁矿层(或称碧玉岩,即BIF),属于苏必利尔湖型和阿尔戈马型铁建造之间的过渡类型(Mikhalsky et al., 2001)。已有资料表明,BIF层出露厚度~70 m,矿石平均含铁品位为33.5%,最富可达58%,整个岩系厚度达400 m,航磁异常长达120~180 km,宽5~10 km,被认为是世界最大铁矿(Ravich et al., 1982; Tingey, 1990; Mikhalsky et al., 2001),但其产出背景、成因以及真实的储量仍然需要做进一步的调查和研究。

1.1.3 赖于尔群岛

赖于尔群岛是一个太古宙—中元古代复合高级变质地体,包含太古宙英云闪长质片麻岩和中元古代镁铁质-长英质侵入体,间夹少量表壳副片麻岩和基性岩脉(基性麻粒岩)。太古宙岩石主要出露在马瑟半岛(Mather Peninsula)、肖特角(Short Point)、谢尔比尼纳岛(Scherbinina Island)和托克勒岛(Torckler Island)等,主要由3.47~3.27 Ga和2.84~2.80 Ga两个时期的TTG片麻岩以及少量的2.55 Ga的英云闪长质-奥长花岗质片麻岩所构成(Sheraton et al., 1984; Kinny et al., 1993; Harley et al., 1995, 1998; Hokada et al., 2016; Harley et al., 2019)。3.47~3.27 Ga TTG片麻岩的Nd模式年龄为3.8 Ga,2.85~2.80 Ga TTG片麻岩的Nd模式年龄为3.5 Ga(Sheraton et al., 1984; Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998)。同时,2.85~2.80 Ga和2.55 Ga的TTG片麻岩中含有大量的3.50~3.25 Ga的继承岩浆锆石(Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998; Harley et al., 2019)。在古太古代岩石中已识别出2.84~2.80 Ga热事件,而所有太古宙岩石均经历了泛非期麻粒岩相变质作用的改造,且在局部有超高温(>1000 ℃)变泥质岩的报道(Harley and Fitzsimons, 1991; Harley, 1998; Kelsey et al., 2003; Tong and Wilson, 2006; Hokada et al., 2016; Liu et al., 2021)。

1.1.4 西福尔丘陵(西福尔陆块)

西福尔丘陵是一个独特的新太古代/古元古代克拉通陆块,位于赖于尔群岛东北15 km处,但与赖于尔群岛的岩石组成明显不同。新的大地电磁调查推测二者之间存在一条古缝合线,但其时代无法准确推断(Peacock and Selway, 2016)。西福尔丘陵的岩石主要由2.52~2.48 Ga英云闪长质片麻岩和新太古代变质表壳岩所组成(Oliver et al., 1982; Black et al., 1991; Snape et al., 1997; Clark et al., 2012)。2.52~2.48 Ga英云闪长质片麻岩中含有2.80 Ga的岩浆成因继承锆石和3.05 Ga的Nd模式年龄(Black et al., 1991; Kinny et al., 1993)。新太古代变质表壳岩的沉积作用发生在2.58~2.52 Ga,其主要年龄峰值为2.75~2.60 Ga,且含有3.3~3.1 Ga的碎屑锆石和5颗年龄>3.7 Ga的锆石(Clark et al., 2012)。西福尔丘陵新太古代/古元古代地壳普遍经历了2.50~2.45 Ga高角闪岩相-麻粒岩相变质作用(Zulbati and Harley, 2007; Clark et al., 2012)。基于地质事件对比,Clark et al.(2012)提出西福尔陆块来自于华北克拉通的边缘,在新太古代/古元古代时期与印度古陆核碰撞对接,而后随着印度与东南极的汇聚-分离而遗留在南极大陆之上。西福尔丘陵的另一个重要特征是在古元古代—中元古代(2.47~1.23 Ga)有大量的,不同时期的基性岩墙群侵入(Lanyon et al., 1993; Seitz, 1994),并经历了格林维尔期(~960~940 Ma)麻粒岩相变质作用的改造以及泛非期构造热事件的影响(Liu et al., 2014)。

1.1.5 西福尔丘陵(冰下陆块)

西福尔丘陵东南侧古太古代冰下陆块是近年在进行冰下地质调查过程中新发现的一个独特的古太古代陆块(Zhao et al., 2007, 2019; 刘健等, 2011)。西福尔丘陵东南部存在一条断续延伸~20 km、宽~0.3~0.7 km的冰碛石带,主要由TTG片麻岩、基性岩、石英岩、浅变质火山岩(片岩类)、沉积岩(砂岩类)等砾石和松散沙组成,具有混杂堆积、分选差的特征。根据冰川流动方向等资料,以及碎石带中砾石组成和周围冰川漂砾构成情况,推测这些冰碛物是从西福尔丘陵东南侧冰川下面搬运而来。初步的锆石U-Pb定年表明,TTG片麻岩和浅变质火山岩砾石样品中的锆石U-Pb上交点年龄主要集中在~3.5~3.3 Ga,下交点年龄或为~950 Ma,或为~500 Ma;沉积岩砾石样品中碎屑锆石U-Pb年龄主要集中在~2.5 Ga;冰碛物松散沙样品的碎屑锆石U-Pb峰值年龄主要集中在~3.5~3.3 Ga、2.5~2.4 Ga、~900~800 Ma和~600~500 Ma。这些年龄信息一方面说明西福尔陆块的分布范围可能远比目前所出露的广阔,另一方面暗示在西福尔丘陵东南侧的冰盖之下可能存在一个从前未知的,年龄可达~3.5~3.3 Ga的冰下陆块,该陆块只遭受到绿片岩相变质作用的改造。不仅如此,在冰碛物中还发现了大量的条带状铁建造(BIF)样品,说明该古老陆块也是潜在的铁矿赋存区。

1.2 面向其他扇区的古陆核 1.2.1 格吕讷霍格纳群峰

在毛德王后地(Dronning Maud Land)格吕讷霍格纳群峰中的安南达格斯群峰(Annandagstoppane)出露一个中太古代S型淡色花岗岩体,并由此厘定出一个与非洲卡拉哈里(Kalahari)克拉通相对应的格吕讷霍格纳克拉通。以前使用矿物-全岩Rb-Sr法和全岩Pb-Pb法定年获得花岗岩的侵位年龄为~3.0 Ga,并经历了~2.82 Ga热事件的叠加(Barton et al., 1987)。后经锆石U-Pb定年获得3067±8 Ma的精确年龄,并含有3433±7 Ma的继承锆石(Marschall et al., 2010)。全岩地球化学和锆石Hf-O同位素研究表明花岗岩源于表壳沉积岩的部分熔融,而Hf同位素示踪进一步表明其来自于~3.90 Ga、~3.75 Ga和~3.50 Ga等三个始太古代—古太古代壳源层(Marschall et al., 2010)。此外,该花岗岩的Rb-Sr同位素体系在~1.15 Ga被重设,并在~460 Ma受到热液活动的影响(Barton et al., 1987)。

1.2.2 登曼冰川和邦杰丘陵

登曼冰川最古老的岩石出露在沙尔科角(Cape Charcot),那里英云闪长质片麻岩的形成年龄为3.00 Ga,并经历了2.89 Ga麻粒岩相变质作用的改造,在516±7 Ma有正长岩侵入(Black et al., 1992)。此外,在奥布鲁切夫丘陵(Obruchev Hills)也有2.64 Ga英云闪长质片麻岩的报道(Sheraton et al., 1992)。最近,在邦杰丘陵东南部露岩区也识别出新太古代基底岩石,主要由镁铁质-长英质正片麻岩和副片麻岩构成,其原岩年龄集中在2.77~2.71 Ga,新太古代锆石的δ18O为+5.80,与原始地幔值相似,初始Hf同位素比值εHf(t)为-5至+8,表明也受到陆壳物质的影响(Tucker et al., 2017)。该新太古代基底在1.26~1.20 Ga被英云闪长质-花岗质岩浆侵入,并在同期(1.25~1.20 Ga)经历了麻粒岩相变质作用(Tucker et al., 2017)。

1.2.3 阿黛利地、米勒岭和沙克尔顿岭

阿黛利地太古宙岩石主要有3.15~3.05 Ga的片麻岩残留(?)和2.56~2.45 Ga的表壳岩系,二者在2.44 Ga遭受变质,并在1.71~1.69 Ga经历了绿片岩-角闪岩相变质作用的改造(Peucat et al., 1999; Ménot et al., 2005)。在米勒岭的尼姆洛德群(Nimrod Group),初始地壳由3.15~3.0 Ga的岩浆作用产生,地壳固结和变质作用发生在2.96~2.90 Ga,而后遭受到~2.50 Ga、1.73~1.72 Ga和540~515 Ma三次造山作用的改造(Goodge and Fanning, 2002)。沙克尔顿岭含有一个被泛非期构造热事件强烈改造的古元古代地质体,其内可见2.85 Ga的碎屑锆石(Will et al., 2009)。实际上,在这三个地区报道的太古宙年龄大多来自于碎屑或继承锆石,这里是否有真正的太古宙岩石(特别是火成岩石)并不是十分明确。

2 东南极古陆核研究中存在的主要问题 2.1 太古宙岩石分布、规模及相互关系确定的困难性

南极大陆的98%终年被冰雪覆盖,基岩出露面积仅占2%,且缺乏连续性。东南极地盾太古宙岩石虽然分布广泛,但由于出露有限和野外考察的困难,现阶段发现和确定的太古宙岩石均比较零星,对一个地区太古宙岩石的分布特征难以形成总体上的认识。另一方面,也是因为露头的不连续性,在南极大陆很难观察到不同地质体之间的界限,而地质体的划分几乎都是依靠同位素年龄来推断,这给太古宙岩石的识别及与其他地质体关系的确定带来很大困难。例如,内皮尔杂岩是南极大陆太古宙岩石发现最早、最多和研究程度最高的地区,且太古宙各个时期的岩石均有出露,然而,各个时期岩石的分布特征及相互间的关系到现在也不十分清楚;赖于尔群岛是一个太古宙—中元古代复合地体,不仅二者界限不清,除已知的几个岛屿外,其他岛屿是否含有太古宙岩石仍然不清楚;最近在西福尔丘陵东南部推测出的古元古代冰下陆块,其与其他地质体的关系更不清楚。实际上,南极未被冰雪覆盖的太古宙岩石只是太古宙地体或陆块的一小部分,其冰下到底达到多大的规模,需要地球物理调查资料的推测和冰岩钻探的验证。遗憾的是,无论是国内还是国外,冰岩钻探工作都处在技术研发阶段,短期内还无法开展,而地球物理调查工作也并非易事。现有的地球物理探测主要集中在航空地球物理方面,全南极洲的重磁异常数据会实时更新(Scheinert et al., 2016; Golynsky et al., 2018),但区域性针对冰下基岩大比例尺构造单元划分的工作并不多见(Golynsky et al., 2006a, 2006b),天然地震和大地电磁测量工作也受后勤保障影响开展的不多(An et al., 2015; Peacock and Selway, 2016)。尽管如此,使用地球物理手段来探测冰下地质构造仍是今后南极固体地球科学研究的重要方向。

2.2 太古宙岩石年龄记录的复杂性和多解性

东南极太古宙岩石以TTG片麻岩为主,各个时期的太古宙岩石均遭受了后期不同程度角闪岩相-麻粒岩相甚至是超高温变质作用和强烈变形作用的改造。在这些过程中岩石中的锆石也遭受了Pb同位素体系不同程度的重置并经历新的锆石生长,如果这些TTG片麻岩本身就来源于古老地壳的熔融,在进行锆石U-Pb定年时会发现,岩石中含有不同时期的太古宙锆石,而哪些是继承锆石?哪些是TTG岩浆结晶的锆石?哪些是后期改造的锆石?以及如何对这些不同时期的太古宙锆石进行甄别将直接关系到TTG侵位时代的确定。以内皮尔杂岩为例,该杂岩中包含不同时期的太古宙岩石,且主体经历了2.84~2.82 Ga的高温/低压变质作用和2.59~2.45 Ga的区域超高温变质作用的改造,局部地区还遭受到3.1 Ga构造热事件的影响;一方面,多期高温热事件的改造使得原岩形成年龄很难精确测定,另一方面,所获得的年龄数据到底代表哪期地质事件的时代(继承、原岩侵位还是变质年龄?)也不好推测,存在多解性。目前在内皮尔杂岩不同地区获得的冥古宙—太古宙的岩浆锆石U-Pb年龄数据从4.12 Ga延续到2.62 Ga(Harley et al., 2019),有关这些不同时代岩石的分布规律和早期岩浆演化序列尚未查清。其他含有古太古代岩石的地质体如鲁克地体和赖于尔群岛的情况也大致如此,且如前所述,对鲁克杂岩中最老岩石(3.52 Ga)的侵位年龄的认识也存在争议(Boger et al., 2008; Corvino et al., 2011)。所以,在东南极太古宙陆核中开展精细的年代学工作仍是必要的,该工作的重要前提则是锆石成因研究,这也是构建南极早期地质事件(包括岩浆事件和变质事件)演化序列的基础。

2.3 太古宙岩石地球化学和岩石成因研究的薄弱性

元素地球化学、全岩Sr-Nd-Pb同位素和锆石Hf-O同位素研究对探讨太古宙岩石成因,乃至揭示地球早期构造体制、壳幔动力学和大陆生长机制等都具有重要的作用。东南极太古宙陆核虽然发现的较早且比较典型(世界上最古老岩石之一),但是主体的研究工作仍集中在古老地壳物质的识别上,特别是正片麻岩(主要是TTG片麻岩)的地质年代学工作,而对其地球化学特征和岩石成因的研究则涉及的很少。现阶段,对东南极内皮尔杂岩、鲁克地体、赖于尔群岛、西福尔丘陵格和吕讷霍格纳群峰中的太古宙正片麻岩只有少量地球化学数据的报道(Sheraton et al., 1984; Mikhalsky et al., 2001, 2006b; Marschall et al., 2010),除安南达格斯群峰花岗岩外,基本上都未开展系统的岩石成因研究,而针对沉积岩和BIF的专门性研究更是少见(Phillips et al., 2006; Ernst and Bau, 2021)。在全岩Sr-Nd-Pb同位素和锆石Hf-O同位素方面,内皮尔杂岩是太古宙岩石研究程度最高的地区,对始太古代和古太古代正片麻岩进行了少量的全岩Sr-Nd同位素(Black et al., 1983b; McCulloch and Black, 1984; Black and McCulloch, 1987; Belyatsky et al., 2011)和锆石Hf同位素(Choi et al., 2006; Halpin et al., 2005; Hiess and Bennett, 2016)分析,这些工作对探讨最古老岩石(3.85 Ga)的形成时代和地球早期地幔特征提供了重要的制约。相比而言,鲁克地体、赖于尔群岛、西福尔丘陵和邦杰丘陵则只有很零星的Sr-Nd-Pb-Hf同位素数据的报道(Sheraton et al., 1984; Black et al., 1991; Kinny et al., 1993; Harley et al., 1998; Mikhalsky et al., 2006b; Flowerdew et al., 2013; Tucker et al., 2017)。所以,对不同太古宙陆核开展系统的元素和同位素地球化学研究也十分必要,从而为追溯早期大陆壳的演化、源区性质及构造属性提供制约。

2.4 太古宙地壳后期改造的多期性及聚合时间的争议性

多期构造热事件的改造是南极大陆地质演化的重要特色之一。在所有的古陆核中,除了在邦杰丘陵和西福尔丘陵东南古太古代冰下地块的岩石中没有找到太古宙的变质线索外,在内皮尔杂岩、鲁克地体、赖于尔群岛、格吕讷霍格纳群峰和登曼冰川中的古老岩石均识别出了太古代变质作用或热事件,而且,内皮尔杂岩在新太古代还经历了超高温变质作用(Mitchell and Harley, 2017)。与华北克拉通具有类似演化历史的西福尔陆块也经历了两幕(分别为2520~2495 Ma和2475~2450 Ma)或者一幕延时的(protracted)高级变质作用(Zulbati and Harley, 2007; Clark et al., 2012)。此外,广泛分布于东南极大陆的格林维尔(~1000~900 Ma)和泛非(~580~500 Ma)两期构造热事件也不同程度地影响到太古宙陆核,其中影响最弱的是内皮尔杂岩的主体,仅有局部角闪岩相流体流动和伟晶岩脉侵入(Carson et al., 2002b),但其东部边缘则遭受到格林维尔期麻粒岩相变质作用的改造(Halpin et al., 2007)。其他地区中,西福尔丘陵东南侧冰下陆块达绿片岩相,鲁克地体达角闪岩相,西福尔丘陵和邦杰丘陵达麻粒岩相,赖于尔群岛达超高温变质相。然而,由于两期构造热事件的普遍性,使人们难以判断岩石的现存矿物组合到底是形成于格林维尔期还是泛非期?这种争议在经历了超高温变质的赖于尔群岛更加突出(Kelsey et al., 2003, 2007; Tong and Wilson, 2006; Wang et al., 2007)。这直接影响到关于南极大陆,乃至整个东冈瓦纳到底是在格林维尔期还是泛非期拼合的长期争论(Liu et al., 2013),并成为东南极研究的最前沿科学问题之一(Harley et al., 2013)。

2.5 东南极太古宙陆核与其他冈瓦纳陆块的亲缘性

东南极地盾太古宙陆核另一个重要特征是,各个陆核记录了不同的地壳演化历史,因此不能将其连接成一个统一的克拉通陆块。即便是在陆核比较集中的面向印度洋扇区,其各个陆块也具有迥异的早期演化历史(Harley, 2003)。根据冈瓦纳古陆的重建模型(图 1),一般认为南极大陆边缘靠近哪个大陆,就具有哪个大陆的属性。据此,将面向非洲扇区的格吕讷霍格纳群峰的太古宙花岗岩划归于非洲的卡拉哈里克拉通;将面向澳大利亚扇区的登曼冰川-邦杰丘陵划归伊尔岗(Yilgarn craton)克拉通;阿黛利地划归与高勒尔(Gawler)克拉通相连的莫森(Mawson)克拉通;将面向印度洋扇区的内皮尔杂岩划归于印度的达尔瓦尔(Dharwar)克拉通,赖于尔群岛和西福尔丘陵划归于印度的辛格布姆(Singhbhum)克拉通(Fitzsimons, 2003; Harley, 2003; Boger, 2011; Tucker et al., 2017)。然而,对南极内陆南查尔斯王子山的鲁克地体、沙克尔顿岭和米勒岭的归属并不明确,而对新发现的西福尔丘陵东南侧的古太古代冰下陆块的构造归属尚未开展研究。必须指出,上述推测多来自于同位素年代学数据的对比,除了在面向印度洋扇区开展了Pb同位素示踪(Flowerdew et al., 2013)、在格吕讷霍格纳群峰和邦杰丘陵开展了少量Hf-O同位素示踪(Marschall et al., 2010; Tucker et al., 2017)外,尚缺乏岩石地球化学(特别是同位素)证据的支持。查明不同太古宙陆核之间的亲缘性不仅是地球早期演化研究的重要内容,同时对不同地质历史时期里超大陆的复原也具有重要的启示。

3 东南极古陆核下一步研究工作设想

东南极地盾的太古宙岩石虽然分布广泛,但其出露零散且基岩露头规模有限。根据前期野外调研基础以及南极现场地质考察的国内保障和国际合作条件,建议我国对东南极古陆核调查和研究的重点主要放在面向印度洋扇区的内皮尔山-查尔斯王子山-普里兹湾地区,研究对象主要包括产出古太古代及更老岩石(或物质)的内皮尔杂岩、鲁克地体、赖于尔群岛和西福尔丘陵东南侧的冰下陆块,并以后者为核心,兼顾新太古代/古元古代初期的西福尔丘陵。同时,选择面向非洲扇区的格吕讷霍格纳群峰、面向澳大利亚扇区的登曼冰川-邦杰丘陵、澳大利亚伊尔岗和皮尔巴拉克拉通、印度达尔瓦尔和辛格布姆克拉通、南非卡拉哈里(即卡普瓦尔)克拉通以及华北克拉通等古老克拉通陆块开展对比研究,近期的研究工作可聚焦在以下几个方面。

3.1 古太古代及更老岩石(物质)的识别、分布及精细年代

(1) 通过航空地球物理调查(冰雷达、重力和磁法)获得西福尔丘陵至南查尔斯王子山区域冰下地貌以及冰盖流域体系,查明鲁克地体、赖于尔群岛和西福尔丘陵等太古宙陆块的冰下分布范围及陆块边界,结合基岩和冰碛石代表性岩石样品的物理性质(磁性、密度、波速和电阻率等)测定,确定西福尔丘陵东南侧古太古代冰下陆块的位置及规模,为未来可能的基岩钻探提供选址依据。

(2) 对西福尔丘陵东南侧广泛分布的冰碛碎石带开展系统的调查,查明碎石带的物质组成特征,在已获得少量古太古代TTG、浅变质火山岩和BIF的基础上,搜寻和收集所有的古老岩石类型。使用高精度的离子探针(SHRIMP或CAMECA)测年技术对不同类型的岩石(包括TTG片麻岩、浅变质火山岩及可能的变质沉积岩)开展精细定年,寻找更古老(冥古宙—始太古代)的岩石或锆石,建立早期岩浆演化的序列。

(3) 对赖于尔群岛、鲁克地体和内皮尔杂岩中的代表性TTG片麻岩及变质沉积岩开展系统的锆石U-Pb定年,合理解读片麻岩中的继承锆石和岩浆结晶锆石,进而限定原岩的侵位时代。结合部分冰原岛峰或海中岛屿的大比例尺地质填图圈定>3.2 Ga岩石的分布范围并查明其与其他中太古代—新太古代岩石的接触关系,继续寻找冥古宙—始太古代古老岩石或锆石,建立南极大陆太古宙(~3.8~2.5 Ga)地质事件演化序列。

3.2 太古宙岩石的成因、大陆地壳生长和演化

(1) 对西福尔丘陵东南侧冰碛碎石带、赖于尔群岛、鲁克地体和内皮尔杂岩中的古太古代及更老的TTG片麻岩和花岗质片麻岩开展元素和Nd-Pb-Hf-O同位素地球化学研究,并对碎石带中的重要样品开展全岩Hf-W同位素示踪,揭示古老片麻岩的岩石成因,探索南极大陆早期地壳的起源、性质以及生长和演化过程。

(2) 对赖于尔群岛、内皮尔杂岩和西福尔丘陵中的中太古代—新太古代TTG片麻岩和花岗质片麻岩开展元素和Nd-Pb-Hf-O同位素地球化学研究,揭示中太古代—新太古代TTG和花岗质片麻岩的岩石成因及其与古太古代片麻岩的成分差别和演变关系,探索南极大陆太古宙中晚期地壳的性质、生长、演化过程以及可能的构造体制的转变。

(3) 对西福尔丘陵东南侧冰碛碎石带中的变质表壳岩(浅变质火山岩和沉积岩)开展元素和同位素地球化学研究,查明表壳岩的源区特征及其对太古宙构造体制的制约。同时,对该冰碛碎石带和鲁克地体中的BIF开展元素和Nd同位素地球化学研究,揭示两个区域BIF的物质来源、成因及其反映的沉积环境,并查明两者是否具有成因联系。

3.3 古陆核新太古代—古元古代变质演化与格林维尔期和泛非期改造

(1) 新太古代—古元古代变质作用主要叠加在内皮尔杂岩和西福尔丘陵太古宙岩石之上。内皮尔杂岩是世界上第一个被确定的超高温(UHT)变质地体,也是规模最大的UHT地体之一,目前的主要争论在于其UHT变质的持续时间,有短期(~40 Ma)和长期(>100 Ma)两种不同的认识;西福尔丘陵的麻粒岩相变质时间大致在2.52~2.45 Ga之间,也有两幕和一幕变质以及高温和超高温变质之争。所以,对两个地体变质时代和变质P-T演化均有进一步研究的必要,二者新太古代—古元古代变质时间的近于一致性是否说明它们在这一时期已汇聚在一起?也值得进一步探究。

(2) 初步研究结果表明,格林维尔期构造热事件在各个古陆核上的叠加与否及叠加程度(行为)是不相同的,在西福尔丘陵达到麻粒岩相,在内皮尔杂岩东缘也达到麻粒岩相,而其内部则为角闪岩相且具有局部的性质,在西福尔丘陵东南侧冰下陆块仅表现为锆石的Pb同位素丢失,鲁克地体没有发现叠加的痕迹,而赖于尔群岛的UHT变质尚有格林维尔期和泛非期之争。所以,查明格林维尔期变质叠加改造的时代、变质行为及P-T演化将有助于对格林维尔期造山作用的性质及其对南极大陆汇聚过程的理解。

(3) 泛非期构造热事件也叠加在所有古陆核之上,现研究的重点应放在赖于尔群岛、西福尔丘陵和西福尔丘陵东南侧的冰下陆块。在赖于尔群岛,可以重点研究变质反应结构非常发育的石榴二辉麻粒岩是否也经历了UHT变质作用,UHT变质的时代到底是格林维尔期还是泛非期?在西福尔丘陵,可以重点查明泛非期构造热事件的温度到底有多高?是否引起了新矿物的生长,还是只表现为部分同位素体系(如Sm-Nd和40Ar/39Ar)的重设?在冰下陆块,主要查明绿片岩相作用的时代和P-T条件。以此为基础,来探索南极大陆(乃至整个东冈瓦纳)的汇聚时限、过程和机制。

3.4 东南极太古宙陆核之间以及与其他大陆古陆核的亲缘关系

(1) 在建立不同太古宙陆块的地质事件序列、岩石成因和源区性质的基础上,系统对比面向印度洋扇区的内皮尔杂岩、鲁克地体、赖于尔群岛、西福尔丘陵、西福尔丘陵东南侧冰下陆块以及面向非洲扇区的格吕讷霍格纳群峰和面向澳大利亚扇区的登曼冰川-邦杰丘陵的相似性和差别,揭示它们之间近缘、远缘或无缘的关系,探索地球早期陆核的形成过程。

(2) 开展南极太古宙古陆核与南半球冈瓦纳其他陆核的对比研究,并特别注重西福尔丘陵东南侧冰下陆块和鲁克地体与澳大利亚皮尔巴拉克拉通的对比,内皮尔杂岩、赖于尔群岛和西福尔丘陵与印度达尔瓦尔和辛格布姆克拉通的对比,以及格吕讷霍格纳群峰与非洲卡拉哈里克拉通的对比,登曼冰川-邦杰丘陵与伊尔岗克拉通的对比,探索它们之间的亲缘关系,为南极大地构造分区及最终聚陆过程提供地质依据。

(3) 开展西福尔丘陵与华北克拉通新太古代—古元古代沉积、岩浆和变质事件的对比研究,对二者是否具有同源演化关系作出明确的回答。如果二者在新太古代—古元古代确曾连在一起,那么它们又是何时、如何分离的?

(4) 通过国际合作获取北半球格陵兰和加拿大始太古代—古太古代典型样品,对比全球早期大陆地壳的成分特征,探索南极古老陆核对地球早期地壳形成和演化的意义,为未来开展北极地区地球早期历史的研究做准备。

4 结语

东南极地盾是地球上少数几个保存有地球早期(始太古代—古太古代)岩石(锆石)记录的古老克拉通之一,是研究地球早期地壳的形成与演化的重要场所。然而,与其他地区相比,对东南极太古宙陆核(陆块/地体)的研究程度还很低,目前仍停留在TTG片麻岩形成年龄的厘定和早期地质记录的寻找阶段,较少涉及到岩石成因、大陆地壳生长、沉积环境演变等方面,对早期变质演化及其反映的构造体制的研究也不多见。东南极古陆核主要出露在面向印度洋扇区的内皮尔-查尔斯王子山-普里兹湾地区,中山站在该区的建立为中国地质学家在此开展工作提供了便利条件。中国的近期目标应通过冰上基岩调查、冰碛物溯源、冰下地球物理探测以及岩石地球化学综合研究,查明面向印度洋扇区太古宙岩石(物质)的时空分布、岩石成因、源区性质、构造属性及其变质改造历史。从长远看,随着后勤保障能力的提高,中国研究的区域将会逐步扩展到其他扇区,并系统开展东南极与其他冈瓦纳乃至北半球陆块中古陆核的对比研究。通过这项研究,将会弥补地球早期演化研究领域的南极短板,同时也必将促进地球早期演化研究领域的发展。

致谢: 南极野外现场考察得到国家海洋局极地考察办公室和中国极地研究中心的支持,万渝生研究员和仝来喜教授审阅了文章并提出建设性修改意见,在此一并感谢。

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