南非林波波带中央带Sand River地区高压麻粒岩变质作用

　　南非林波波带（Limpopo Belt）是一个存在于津巴布韦克拉通与卡普瓦尔克拉通之间的太古代到元古代高级变质地带[1-7]。林波波带作为位于两个太古宙花岗岩—绿岩省之间（即津巴布韦克拉通与卡普瓦尔克拉通之间）高级变质带的独特例子，被普遍认为是卡普瓦尔克拉通与津巴布韦克拉通碰撞的产物[7-10]。林波波带3个分带的变质作用连同它们的岩浆作用和变形作用特征都归因于“林波波造山作用”——津巴布韦克拉通与卡普瓦尔克拉通安第斯—喜马拉雅型陆陆碰撞事件[2，11-12]。岩浆作用和变质作用的时间、类型和范围，近些年来许多学者都做了大量研究。他们已经做出了林波波带北边缘带、中央带及南边缘带不同的压力（P）-温度（T）-时间（t）轨迹[6，13-23]，同时也引出了关于林波波带构造演化的许多争论。 
　　中央带一般麻粒岩的减压事件已经被许多学者认可[13-14]，并且被认为是代表了津巴布韦克拉通与卡普瓦尔克拉通碰撞后地壳的快速剥露事件[13，24]。但对于中央带高压麻粒岩变质情况却鲜有报道。高压麻粒岩既可形成于汇聚型构造环境（如俯冲带、碰撞带等），也可形成于伸展型构造环境（如岛弧底部）[25-26]。研究高压麻粒岩的变质作用和P-T-t轨迹已成为建立造山带演化构造模式的最重要途径之一。因此，研究大陆碰撞带内部的麻粒岩对认识区域大地构造演化具有重要意义。南非林波波带中央带Sand River地区高压麻粒岩为研究该区地壳演化的特殊性提供了良好条件。本文研究南非林波波带中央带Sand River地区存在的高压麻粒岩的岩石学、矿物学特征，通过温压计确定其各阶段的变质温压条件，并初步探讨其形成的大地构造背景。　　1 区域地质背景 
　　南非林波波带走向NEE，延伸大约700 km，宽度约250 km[12]（图1）。林波波带包含经过改造的太古宙花岗岩-绿岩地体、早元古代盖层及经过褶皱和变质的基底[27]。林波波带根据其构造特征及岩性特征又可以进一步划分为：北边缘带（NMZ）、中央带（LCZ）及南边缘带（SMZ）。两条主要的剪切带和横推断层带将中央带和两个边缘带分隔开来（图1）。北边缘带、中央带及南边缘带呈对称构造，这是林波波带最具代表性的区域构造。中央带的构造方向和林波波带整体的构造方向斜交，北边缘带与南边缘带的构造方向和林波波带整体的构造方向大致平行。中央带与北边缘带的界限为三角剪切带（Triangle Shear Zone），与南边缘带的界限为帕拉拉剪切带（Palala Shear Zone）[2，7-10]。 
　　中央带广泛存在深熔作用。中央带不管是在岩性特征还是构造特征上，与北边缘带和南边缘带都有很大区别。中央带具有经过多次变形变质的基底，存在林波波群，即具有经过强烈变质变形的盖层岩系，有斜长岩杂岩体；中央带的构造走向主要为SN向，构造形式与两个边缘带有明显区别[28]。 
　　采样地点位于Sand River地区。Sand River地区处于林波波带中央带穆西纳（Messina）东南部。Sand River地区岩石类型以Sand River片麻岩为代表，Sand River片麻岩由淡色片麻岩与灰色片麻岩组成[图2（a）]。高压基性麻粒岩出露于Sand River淡色片麻岩之中[图2（b）、（c）]。 
　　2 岩相学及变质阶段划分 
　　在野外露头上，南非林波波带Sand River地区高压麻粒岩呈灰绿至灰黑色，肉眼可见淡红色的石榴石[图2（d）]。在偏光显微镜下，可见主要矿物有石榴石（Grt）、单斜辉石（Cpx）、斜方辉石（Opx）、斜长石（Pl）、石英（Qtz）、角闪石（Amph）、钛铁矿（Ilm）和磁铁矿（Mag）。其中大部分斜长石都发生了黝帘石化（图3）。 
　　石榴石呈自形—半自形，粒径为3～6 mm，目估体积分数为20%～22%。单斜辉石呈半自形—他形，粒径为1～4 mm，体积分数为15%～20%。斜方辉石呈半自形—他形，粒径为1～3 mm，体积分数为13%～15%。斜长石呈自形板状—他形，大部分斜长石已发生黝帘石化，体积分数为20%～25%。角闪石呈柱状—他形粒状，粒径为0.5～1.5 mm，体积分数为2%～5%。部分辉石被角闪石替代。石英呈他形粒状，粒径为1～6 mm，体积分数为10%～15%。钛铁矿和磁铁矿为黑色不透明矿物，体积分数为5%～8%。 
　　根据南非林波波带中央带Sand River地区高压麻粒岩的矿物组合关系、结构特征，可划分出3个变质阶段。 
　　（1）峰期高压变质阶段（M1）：该阶段峰期矿物组合为石榴石+单斜辉石+石英+钛铁矿+磁铁矿。这一阶段可以看到石榴石、单斜辉石、石英、钛铁矿和磁铁矿共生，是典型的高压麻粒岩相变质矿物组合，表明其经历了高压麻粒岩相变质作用。 
　　（2）早期退变质阶段（M2）：该阶段以石榴石和单斜辉石之间发育的斜方辉石和大部分经历黝帘石化的斜长石为特征，为过峰期退变质阶段。斜方辉石和黝帘石化斜长石已部分或全部取代了石榴石与单斜辉石。该阶段矿物组合为斜方辉石+斜长石±石榴石±单斜辉石+石英。从M1到M2阶段，推测可能的变质反应是：石榴石+单斜辉石+石英→斜方辉石+斜长石。 
　　（3）晚期退变质阶段（M3）：该阶段以基质中出现退变质角闪石为特征。该阶段矿物组合为角闪石+斜长石±斜方辉石±石榴石±单斜辉石+石英。从M2到M3阶段，推测可能的变质反应是：石榴石+单斜辉石+石英+H2O→角闪石+斜长石；单斜辉石+H2O→角闪石。 
　　3 矿物化学分析 
　　矿物成分电子探针分析在吉林大学地球科学学院测试中心完成。所用仪器为日本JEOL JXA-8230型电子探针仪；测试条件为加速电压15 kV，束流10 nA，束斑1 μm；标样为SPI 53硅酸盐或氧化物。矿物成分见表1～3，矿物端元组分计算使用Geokit及AX程序。 
　　3.1 石榴石 
　　石榴石成分剖面见图4（b）。石榴石主要成分为铁铝榴石（Alm）、镁铝榴石（Prp）、钙铝榴石（Grs），含1%～2%的锰铝榴石（Sps），具有轻微的退变质扩散环带，成分环带不明显。石榴石核部组分平均为Prp15.1Alm60.3Grs23.4Sps1.2，Mg#值为0.17～0.21；边部组分平均为Prp13.0Alm64.8Grs20.4Sps1.8，Mg#值为0.14～0.17。 
　　石榴石与斜方辉石+斜长石接触部位，铁铝榴石含量升高，镁铝榴石与钙铝榴石含量降低。在退变质形成斜方辉石+斜长石的过程中，石榴石边部流失了Mg与Ca，具有典型退变边特点。 
　　3.2 单斜辉石 
　　单斜辉石成分投图见图4（a）。单斜辉石为次透辉石、铁次透辉石、普通辉石和铁普通辉石，Mg#值为0.47～0.57。 
　　3.3 斜方辉石 
　　斜方辉石形成于早期退变质阶段（M2）。斜方辉石的Mg#值为0.36～0.41，顽火辉石（En）含量为35.5%～38.8%，铁辉石（Fs）含量为61.1%～64.4%。该斜方辉石为铁紫苏辉石。 
　　3.4 角闪石 
　　角闪石主要为铁镁钙闪石（Fts）和钙镁闪石（Ts），还有少量镁普通角闪石（Mg-Hbl）和绿钙闪石（Hs）。 
　　3.5 斜长石 
　　斜长石主要出现在石榴石边缘，退变质斜方辉石+斜长石后成合晶中，与辉石或角闪石相互交生。大部分斜长石已发生黝帘石化。钙长石含量为82.1%～90.4%，为培长石-钙长石。 
　　4 高压基性麻粒岩变质作用演化　麻粒岩的岩相学特征、矿物成分特征表明，该岩石经历了至少两阶段的退变质过程。根据矿物岩相学分析以及矿物化学数据，使用传统的矿物温压计对不同阶段的变质作用温压条件进行计算。 
　　由于岩石中石英含量较高，岩石SiO2过饱和，可以采用Green等通过石英拉斑玄武岩成分试验得出的斜长石不稳定反应线[29]限定高压麻粒岩的下限压力。Green等根据岩石化学成分以及温压条件，确定了“石榴石出现”和“斜长石消失”反应分界线，并在P-T图中给出了“斜方辉石-单斜辉石-斜长石”、“石榴石-斜方辉石-单斜辉石-斜长石”和“石榴石-单斜辉石-石英”3个分区[29]。对于峰期高压变质阶段（M1）高压矿物组合石榴石-单斜辉石-石英，采用石榴石-单斜辉石的Fe-Mg交换地质温度计进行计算。利用石榴石的核部成分及单斜辉石成分，采用Ravna的石榴石-单斜辉石温度计[30]，得到峰期变质温度为820 ℃～900 ℃。根据斜长石的不稳定反应线，得到该温度范围相对应的压力为13.5～15.4 kbar。 
　　早期退变质阶段（M2）斜方辉石+斜长石的变质条件，使用石榴石的边部成分及相邻的斜方辉石+斜长石成分，采用石榴石-斜方辉石-斜长石-石英温压计来计算其形成条件。采用Lal的石榴石-斜方辉石-斜长石-石英温压计[31]、Bhattacharya等的石榴石-斜方辉石-斜长石-石英温压计[32]，得到早期退变质阶段（M2）温压条件为T=800 ℃～890℃，P=8.8～11.2 kbar。该阶段变质温度与变质峰期的温度接近，但压力明显降低，属于典型的近等温降压（ITD型）P-T轨迹。 
　　对于晚期出现角闪石的温压条件计算，采用Gerya等的角闪石单矿物温压计[33]，得到晚期退变质阶段（M3）温压条件为T=540 ℃～650 ℃，P=2.7～4.4 kbar。与早期退变质阶段相比，该阶段温度、压力有明显下降。 
　　以上3个变质阶段的温压条件计算结果表明，林波波带中央带Sand River地区高压基性麻粒岩记录了顺时针型退变质作用P-T轨迹，其中包含近等温降压、之后降温降压的两个阶段退变质过程（图5）。 
　　5 高压基性麻粒岩形成时代及地质意义 
　　区域变质高压麻粒岩形成于地壳加厚或热地壳俯冲进入岩石圈地幔等构造环境[37-38]。该麻粒岩可能形成于卡普瓦尔克拉通与津巴布韦克拉通的碰撞过程。林波波带中央带Sand River地区高压基性麻粒岩经历的这种顺时针近等温降压P-T轨迹与林波波带的陆陆碰撞构造体制是一致的。这种P-T轨迹的形成，通常与快速的剥蚀抬升或深大逆冲断裂上盘的快速抬升有关[39-42]。 
　　目前，对卡普瓦尔克拉通和津巴布韦克拉通碰撞的时间存在很大争论。一种观点认为，地质年代学、构造以及变质证据表明，中央带在2.0 Ga经历了构造变质事件，2.0 Ga变质事件以卡普瓦尔克拉通和津巴布韦克拉通碰撞的挤压造山为代表[6，17，43-44]；另一种观点认为，两个克拉通是在2.6 Ga碰撞的，而不是2.0 Ga，2.0 Ga变质事件与太古代剪切带的再活化有关[2，11-12，45]。2.0 Ga变质事件的变质变形在北边缘带南部观察明显，而在南边缘带观察不到[46]。 
　　尽管碰撞的时间存在争论，但中央带峰期变质情况和顺时针演化轨迹是被认可的。而随后的抬升冷却历史存在争论，中央带的退变质轨迹表明其是 “弹出式”的近等温降压轨迹[13-14，16]，或者是受剥蚀作用控制的与折返作用有关的稳定降温降压轨迹[20-22]。 
　　本文采集的中央带Sand River地区高压麻粒岩首先经历了近等温降压的过程，之后在中压条件下发生水化及冷却的降温降压过程。本文所研究的高压麻粒岩与Ichihashi等报道的Beitbridge附近麻粒岩的变质条件[47]相似，峰期变质条件为T=825 ℃，P>10 kbar，之后经历近等温降压变质过程，温压条件为T=600 ℃～750 ℃，P=3～5 kbar。Jaeckel等通过Messina地区变质锆石的研究，认为文献[47]报道的麻粒岩相变质作用发生在2.0 Ga [17]。 
　　Jaeckel等提出Sand River地区的Sand River片麻岩经历了3期变质变形事件，这3期变质变形事件分别发生在3.24 Ga、2.61～2.64 Ga和2.01～2.03 Ga[17]。通过野外观察[图2（d）]，Sand River片麻岩第3期变形事件（D3）与高压麻粒岩的形成应为同一时期（2.01～2.03 Ga）。Droop认为中央带只经历一次麻粒岩相变质作用[14]， Jaeckel等通过定年研究认为该麻粒岩相变质事件发生在2.00～2.03 Ga[17]。综合前人研究，推断Sand River地区高压麻粒岩可能形成于2.0 Ga，可能与陆陆碰撞过程中地壳加厚有关，岩体在经历地壳加厚及麻粒岩相变质之后，由于构造运动，被快速抬升到地壳浅部，发育了近等温降压的退变质作用P-T轨迹。在地壳浅部层位，岩体可能受到流体影响，经历了晚期的角闪岩相变质作用[48]。通过Sand River地区高压麻粒岩的研究并结合前人研究成果，笔者支持中央带的退变质轨迹为“弹出式”的近等温降压型。中央带在地壳加厚及麻粒岩相变质之后快速抬升冷却的变质条件与世界其他高级变质岩体的变质特征相类似。这也支持了最早提出的“林波波造山事件”（至少对于中央带来说）发生在大约2.0 Ga的观点[17]。
　　6 结 语 
　　（1）南非林波波带中央带Sand River地区存在高压基性麻粒岩。麻粒岩的峰期高压变质阶段矿物组合为石榴石+单斜辉石+石英+钛铁矿+磁铁矿，峰期变质温压条件为T=820 ℃～900 ℃，P=13.5～15.4 kbar。该高压麻粒岩经历了两期退变质作用：早期退变质阶段矿物组合为斜方辉石+斜长石±石榴石±单斜辉石+石英，早期退变质的形成温压为800 ℃～890 ℃和8.8～11.2 kbar；晚期退变质阶段矿物组合为角闪石+斜长石±斜方辉石±石榴石±单斜辉石+石英，晚期退变质条件为540 ℃～650 ℃和2.7～4.4 kbar。退变质作用P-T轨迹为顺时针型近等温降压到降温降压的过程。