東南極哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃的顯微構(gòu)造、年代學(xué)及其地質(zhì)意義

劉建民劉曉春趙 越張拴宏徐 剛董樹文毛 騫陳柏林

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;

2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局極地地學(xué)研究中心,北京 100081;

3.自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;

4.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210023;

5.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029

0 引言

假玄武玻璃是由隕石沖擊或地震斷層的快速滑移而形成的一種暗色脈狀、網(wǎng)脈狀隱晶質(zhì)巖石(Shand,1916;Magloughlin and Spray,1992)。由于假玄武玻璃基質(zhì)粒度很細(xì),因此,顯微結(jié)構(gòu)研究是鑒別其形成機(jī)制的主要手段。在顯微結(jié)構(gòu)上,假玄武玻璃通常表現(xiàn)為兩種類型:一種是由于隕石沖擊或斷層的剪切摩擦熱使母巖發(fā)生摩擦熔融形成的玻璃質(zhì)熔融體(Sibson, 1975; Allen, 1979;Magloughlin and Spray, 1992; Spray, 1995; Lin and Shimamoto,1998),這一機(jī)制已經(jīng)為其內(nèi)部所含有的玻璃質(zhì)基質(zhì)、樹枝狀、球粒狀等不同形態(tài)的新生礦物微晶體的存在和硫化物微滴的形成等特點(diǎn)所支持;另一種則僅僅表現(xiàn)為母巖的超碎裂巖化(Philpotts,1964;Wenk,1978;Lin,1996),二者野外產(chǎn)狀幾乎完全一致(劉建民等, 2003)。

愈來愈多的資料表明地震斷層作用導(dǎo)致的摩擦熔融可以形成于地震帶內(nèi)整個(gè)地殼深度,因此,由地震斷層摩擦熔融形成的假玄武玻璃可以沿整個(gè)地震構(gòu)造帶深度范圍內(nèi)發(fā)育,既可以在地下幾百米的脆性變形域內(nèi)形成,也可以在地殼下一定深度的韌性變形域中發(fā)生(Hobbs,1986; Magloughlin and Spray, 1992; Austrheim and Boundy, 1994)。從變質(zhì)作用環(huán)境出發(fā),假玄武玻璃在包括綠片巖相、角閃巖相、麻粒巖相以及榴輝巖相等不同級(jí)別的構(gòu)造環(huán)境中均有發(fā)現(xiàn)。其中,假玄武玻璃基質(zhì)中發(fā)育的微晶體成分及礦物組合對(duì)于說明假玄武玻璃的形成環(huán)境具有重要的指示意義。Austrheim and Boundy(1994)正是根據(jù)所研究的假玄武玻璃基質(zhì)中所存在的一套以“綠輝石+石榴石+斜長(zhǎng)石+石英”為代表的微晶體礦物組合,推斷了挪威西部Bergen弧內(nèi)發(fā)育在榴輝巖相中的假玄武玻璃本身形成深度可以達(dá)到地下60～80km的深度。

除此之外,已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)表明K-Ar方法和40Ar/39Ar定年技術(shù)可以基本上反映假玄武玻璃及其構(gòu)造事件的發(fā)生年齡 (Reimold et al.,1990,1992;Trieloff et al., 1994; Kelley et al., 1994;Spray et al., 1995; Magloughlin et al., 2001;Sherlock and Hetzel, 2001; Muller et al., 2002;Davidson et al.,2003;Liu et al.,2004;劉建民等,2004,2009),為進(jìn)一步將假玄武玻璃的形成與區(qū)域性構(gòu)造事件相聯(lián)系提供了可能。

最近在東南極科學(xué)考察過程中,在普里茲灣西南部發(fā)現(xiàn)了廣泛分布的假玄武玻璃。這些假玄武玻璃宏觀上沿著兩條近東西向的斷裂帶發(fā)育,具有分布廣、單體規(guī)模大、熔融程度高等特點(diǎn)。顯微構(gòu)造研究發(fā)現(xiàn),該地區(qū)的假玄武玻璃基質(zhì)中包含有豐富的、代表假玄武玻璃熔融成因的球粒結(jié)構(gòu)以及不同形狀及組合的礦物微晶體,尤其是微晶體中含有豐富的富鋁紫蘇輝石。與此同時(shí),還對(duì)該地區(qū)的假玄武玻璃開展了全巖K-Ar和40Ar/39Ar定年的研究工作。這些顯微結(jié)構(gòu)及微晶體礦物組合的確定,結(jié)合假玄武玻璃年代學(xué)的數(shù)據(jù),對(duì)說明東南極地區(qū)假玄武玻璃形成的構(gòu)造環(huán)境提供了重要的指示意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于東南極普里茲灣西南部蘭丁陡崖(Landing Bluff) 和姊妹島 (S?strene Island) 之間。基底巖石主體為新元古代花崗質(zhì)片麻巖(正片麻巖)夾中性、中基性麻粒巖條帶或透鏡體 (Liu et al., 2009),局部有條帶狀鈣硅酸鹽巖等(圖1)?；◢徺|(zhì)片麻巖主要礦物組合為斜長(zhǎng)石+鉀長(zhǎng)石+石英+石榴子石±黑云母±紫蘇輝石,次要礦物為鋯石、榍石和磁鐵礦等。斜長(zhǎng)石主要為鈣長(zhǎng)石,其CaO含量為17.98(wt%)。而中基性麻粒巖主要礦物組合為普通輝石+單斜輝石+角閃石+斜長(zhǎng)石(±黑云母等)。花崗質(zhì)片麻巖及麻粒巖中的主要礦物化學(xué)成分見表1。片麻巖普遍為花崗變晶結(jié)構(gòu)、片麻狀構(gòu)造。花崗質(zhì)片麻巖中片麻理產(chǎn)狀穩(wěn)定:走向近東西(85°～95°),向南陡傾,傾角75°～85°。這些花崗質(zhì)片麻巖的侵位年齡為1380～1170Ma(Liu et al., 2007, 2009),但在格林維爾期(晚中元古代—早新元古代)及泛非期普遍遭受高級(jí)變質(zhì)作用的改造 (Black et al., 1991; Kinny et al.,1993;Henson and Zhou,1995; Zhao et al., 1995; Fitzsimons et al., 1997; Snape et al., 1997;Harley et al.,1998; Liu et al., 2007, 2009)。姊妹島一帶的石榴二輝麻粒巖,其高峰變質(zhì)條件為980 ℃、1.0 GPa,并在后期經(jīng)歷了兩階段的減壓退變,第二期退變的P-T條件為850 ℃、0.7 GPa,與區(qū)域麻粒巖相變質(zhì)作用的條件相吻合 (Thost et al., 1991)。

表1 東南極哈姆峰地區(qū)花崗質(zhì)片麻巖(假玄武玻璃圍巖)中主要礦物化學(xué)成分(wt%)電子探針數(shù)據(jù)Table 1 Chemical composition (wt%) of major minerals in the granitic gneisses and granulites(the wall rocks of pseudotachylite)from the Hamm Peak, East Antarctica

根據(jù)有限的地表露頭地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),以花崗質(zhì)片麻巖為主體的地體在哈姆峰(Hamm Peak)地區(qū)被一系列同方向的斷裂帶所穿切。斷裂帶走向北東東向,向南陡傾,包括主干斷裂和一系列分支斷裂。比較明顯的構(gòu)造帶有兩條。斷層面上的擦痕等運(yùn)動(dòng)學(xué)指示證實(shí),斷裂帶普遍以右行走滑為主。斷裂帶內(nèi)不同性質(zhì)的糜棱巖化片麻巖、糜棱巖、及碎裂巖發(fā)育,說明構(gòu)造帶經(jīng)歷過由早期淺—中深部構(gòu)造相的擠壓剪切到后期淺部構(gòu)造相的脆性變形的轉(zhuǎn)變過程。與這些構(gòu)造巖一起,沿?cái)嗔褞е鲾嗔衙婕捌鋬蓚?cè)圍巖邊部發(fā)育了大量假玄武玻璃脈體(圖1)。

圖1 東南極普里茲灣哈姆峰地區(qū)地質(zhì)圖及假玄武玻璃分布和取樣位置圖Fig.1 Map of the Hamm Peak area, Prydz Bay, East Antarctica, showing the localities where pseudotachylites have been found(a) The Antactica continent with tectonic location of the study area; (b) The outcrops of Northern Prince Charles Mountain and location of the study area; (c) The localities where pseudotachylites have been found

已發(fā)現(xiàn)的假玄武玻璃主要發(fā)育在南、北兩個(gè)斷裂帶內(nèi)。假玄武玻璃的發(fā)育程度與構(gòu)造帶的規(guī)模相一致。其中,北部構(gòu)造帶規(guī)模較大,構(gòu)造帶長(zhǎng)大于2km,寬度為20m左右,總體走向65°～80°。該構(gòu)造帶內(nèi)的假玄武玻璃規(guī)模較大,假玄武玻璃單個(gè)條帶幅度較寬、較長(zhǎng)。假玄武玻璃可見范圍,從野外觀察(D39～D43點(diǎn)間),東西長(zhǎng)度大于500m以上,寬度大于20m。與北部構(gòu)造帶相比,南部構(gòu)造帶規(guī)模要小很多,構(gòu)造帶寬僅0.3～1m。而假玄武玻璃數(shù)量也明顯較北部構(gòu)造帶偏少、且規(guī)模較小。文章中所描述的假玄武玻璃主要來自于北部構(gòu)造帶。

與文獻(xiàn)中描述的大多數(shù)假玄武玻璃類似,該地的假玄武玻璃主要沿著構(gòu)造帶的最大主剪切面呈簡(jiǎn)單的帶狀產(chǎn)出(圖2a),部分呈細(xì)的網(wǎng)脈狀產(chǎn)出。假玄武玻璃多與糜棱巖共生在一起,假玄武玻璃條帶斜切糜棱面理(圖2b),說明假玄武玻璃形成于糜棱巖之后。假玄武玻璃條帶寬變化較大,從1～2 mm到0.5m不等,其中的D43點(diǎn)假玄武玻璃條帶寬大于0.5m。假玄武玻璃基質(zhì)為隱晶質(zhì)(圖2a、2b),顏色以灰黑色為主,部分表現(xiàn)為燧石狀外部特征。假玄武玻璃脈中普遍包含有一定數(shù)量的次棱角狀-磨圓狀來自于母巖的長(zhǎng)石、石英晶屑和巖屑。巖屑成分以破碎的糜棱巖為主。巖屑和晶屑的大小也相差很大,從1 cm到小于1mm不等。從野外觀察來看,假玄武玻璃形成以后基本未受到后期構(gòu)造及熱事件的破壞。

圖2 東南極普里茲灣哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃野外照片F(xiàn)ig.2 Photographs of the field outcrop of pseudotachylites from the Hamm Peak area, Prydz Bay, East Antarctica(a) Simple pseudotachylite vein (pst);(b) Complex veinlet of pseudotachylite (pst) with mylonite

2 顯微構(gòu)造特征

顯微構(gòu)造的研究主要是通過普通光學(xué)顯微鏡(OPT)和掃描電鏡(SEM)等方法對(duì)假玄武玻璃及圍巖進(jìn)行觀察分析。其中,SEM的實(shí)驗(yàn)分析是在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所大陸動(dòng)力學(xué)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室完成的,儀器型號(hào)為JEOL/JSM-5610LV。所觀察分析的樣品主要取自D39～D43點(diǎn)間。對(duì)假玄武玻璃基質(zhì)中發(fā)育的微晶體礦物成分主要是通過SEM掃描電鏡所配置的能譜進(jìn)行的,部分礦物通過電子探針方法進(jìn)行了分析,兩種方法所獲數(shù)據(jù)基本一致。

2.1 D39點(diǎn)假玄武玻璃的顯微構(gòu)造特征

D39點(diǎn)假玄武玻璃在光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡影象特征下最典型的特征是發(fā)育豐富的球粒結(jié)構(gòu)和不同形狀的新生礦物微晶體(圖3a—3d)。其中,對(duì)球粒結(jié)構(gòu)來說,球粒大小比較均勻,單一球粒直徑約為0.4mm;球粒之間大致呈緊密堆積結(jié)構(gòu)。球粒本身從中心向外具有明顯的分帶性,中心部位由針狀、放射狀的斜長(zhǎng)石、黑云母等晶簇組成,這些新生礦物雛晶一般小于或等于0.08mm長(zhǎng)。中心向外靠近球粒的邊部由相對(duì)均一、混濁不清的顯微晶質(zhì)-隱晶質(zhì)礦物集合體組成“氈狀”結(jié)構(gòu)。根據(jù)SEM影像及成分分析(表2),這些顯微晶質(zhì)-隱晶質(zhì)主要由黑云母、斜長(zhǎng)石等礦物組成,另有少量微斜長(zhǎng)石、石英、氧化亞鐵、鈦鐵礦、黃鐵礦和富含稀土的礦物相等(圖3e、3f)。在某些晶形發(fā)育較好的視域內(nèi),基質(zhì)中的黑云母和鈦鐵礦長(zhǎng)度可以達(dá)到30μm,且鈦鐵礦本身具有一定的方向性。根據(jù)能譜分析確定的新生雛晶礦物的斜長(zhǎng)石成分以中長(zhǎng)石為主,而構(gòu)造帶母巖中的斜長(zhǎng)石則包括鈣長(zhǎng)石和中長(zhǎng)石;黑云母成分與母巖差別不大,但Ti含量均比較高(表2)。

圖3 D39點(diǎn)假玄武玻璃中顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.3 Microphotographs of the microstructure of pseudotachylite at the locality of D39, obtained by OPT and SEM imaging(a) Spherulitic texture in pseudotachylite, plain light (-); (b) Spherulitic texture in pseudotachylite, crossed polarized light (+); (c) Acicular and radial crystallite texture around the crystal minerals in the pseudotachylite, crossed polarized light (+); (d)Corrosion texture of crystal minerals themselves, crossed polarized light (+); (e,f) The SEM-BSE (Backscattered electron) image features and the acicular and radial crystallite textures of the matrix in pseudotachylite Pl-plagioclase/anorthite/andesine; Fer-ferrous oxide; Bt-biotite

表2 D39點(diǎn)假玄武玻璃基質(zhì)中微晶體成分Table 2 Contents (wt%) of microlites in the matrix of pseudotachylites at the locality of D39, Hamm Peak, East Antarctica

除了豐富的球粒結(jié)構(gòu)外,假玄武玻璃基質(zhì)中包含有分布不均勻的母巖晶屑(或殘碎斑晶),這些晶屑主要為斜長(zhǎng)石和石英,晶屑大小為0.1～0.5mm不等;基質(zhì)為顯微晶質(zhì)-隱晶質(zhì)組成的,其成分主要為由黑云母(Bt)和斜長(zhǎng)石(Pl)以及鐵礦物相組成的“氈狀”交織集合體。晶屑普遍發(fā)生碎粒化,發(fā)育渾圓狀、港灣狀等熔蝕結(jié)構(gòu),石英殘碎斑晶周邊尚有鉀長(zhǎng)石細(xì)粒集合體。而晶屑的邊緣普遍為針狀、放射狀斜長(zhǎng)石、黑云母雛晶,暗示著假玄武玻璃是母巖發(fā)生熔融的產(chǎn)物多種形式及成分的礦物雛晶是熔融體冷卻結(jié)晶過程的產(chǎn)物,而渾園狀、港灣狀等熔蝕結(jié)構(gòu)是由于熔融體對(duì)殘碎斑晶同化吸收所造成(Maddock,1983;Magloughlin,1989,1992)。

2.2 D43點(diǎn)假玄武玻璃的顯微結(jié)構(gòu)特征

D43點(diǎn)假玄武玻璃的光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡影象特征主要表現(xiàn)為斑狀結(jié)構(gòu),斑晶為斜長(zhǎng)石、石英等,斑晶粒徑一般0.2～1.5mm,多呈不規(guī)則狀,熔蝕結(jié)構(gòu)發(fā)育。圍繞長(zhǎng)石和石英殘斑,針狀、放射狀礦物雛晶發(fā)育。與D39點(diǎn)不同,該點(diǎn)所發(fā)育的雛晶普遍以紫蘇輝石(Hy)和斜長(zhǎng)石(Pl)為主(圖4a—4d),成分見表3?；|(zhì)主要為顯微晶質(zhì)及隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),SEM影像特征顯示,在礦物晶形相對(duì)完好的視域,基質(zhì)主要表現(xiàn)為由斜長(zhǎng)石(Pl)和紫蘇輝石(Hy)交織而成的“氈狀”交織結(jié)構(gòu)(圖4e),黃鐵礦(磁黃鐵礦)、鈦鐵礦呈浸染狀在基質(zhì)中分布,部分圍繞著殘碎斑晶周邊發(fā)育。紫蘇輝石(Hy) 呈骨架狀、骸狀、針狀、放射狀等。其鐵/鎂比值(XFe=FeO/(FeO+MgO))為0.64～0.67,這一數(shù)值與母巖中紫蘇輝石明顯不同,后者XFe比值為0.75;另外,基質(zhì)中的紫蘇輝石Al2O3含量明顯偏高,平均為7%～8%左右,個(gè)別接近10%。而母巖中相應(yīng)的輝石Al2O3含量很低。這一特征可能代表了假玄武玻璃及其內(nèi)部的礦物雛晶是在相對(duì)高溫高壓環(huán)境下形成的。Wood(1974)證實(shí)在高溫下從玻璃中結(jié)晶出來的輝石是非常富Al2O3的;Wenk and Weiss(1982)在Musgrave山脈發(fā)育的假玄武玻璃中發(fā)現(xiàn)了富Al2O3的單斜輝石,其成分與金伯利巖和榴輝巖相中的天然輝石成分相似,尤其是與超過3.0 Gpa的壓力下合成的輝石成分相似,并由此推斷這種富Al2O3的輝石是在異常高溫高壓條件下形成的,其估計(jì)壓力超過3.0 Gpa。由此推斷,文章中所研究的假玄武玻璃中的紫蘇輝石是在相對(duì)較高的溫度、壓力條件下形成的。除紫蘇輝石外,經(jīng)大量分析,在該地區(qū)的假玄武玻璃中尚未發(fā)現(xiàn)母巖中可見的普通輝石。

表3 D43點(diǎn)假玄武玻璃基質(zhì)中微晶體成分Table 3 Contents (wt%) of microlites in the matrix of pseudotachylites at the locality of D43, Hamm Peak, East Antarctica

圖4 D43點(diǎn)假玄武玻璃中顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.4 Microphotographs of the microstructure of pseudotachylite at the locality of D43, obtained by OPT and SEM imaging(a) Crystallitic acicular, drusy and beam crystal aggregate of hypersthene textures in the pseudotachylite, plain light (-); (b)Cataclastic and corrosion textures of crystal minerals themselves and the cryptocrystalline textures around the crystal minerals, crossed polarized light (+); (c) The microstructure of matrix of pseudotachylite under the crossed polarized light;(d) The microstructure of matrix of pseudotachylite under the crossed polarized light with conoscope; (e) The SEM-BSE (Backscattered electron) image features of the keleton and skeletal textures made up by hypersthene and plagioclase; (f) The SEM-BSE (Backscattered electron) image features of the microcrstalline textures made up by the crystals of biotite, plagioclase/anorthite/andesine and other crystallites

除了上述由“紫蘇輝石+斜長(zhǎng)石”組成的微晶體外,從SEM影像特征中,也發(fā)現(xiàn)部分基質(zhì)由“黑云母+微斜長(zhǎng)石+斜長(zhǎng)石”組成的礦物組合,后者的黑云母呈短板狀或不規(guī)則狀,略有定向排列(圖4f)。長(zhǎng)石類礦物雖然在影像中無法區(qū)分其晶形特征,但通過能譜分析確定的成分顯示二者可能混雜在一起,但仍然以斜長(zhǎng)石為主。與D39點(diǎn)類似,在基質(zhì)中,尚發(fā)現(xiàn)少量富含稀土元素的礦物相存在,稀土元素以輕稀土為主,含稀土元素的礦物相背散射影像非常明亮,大小一般小于1μm。

如上所述,發(fā)育在哈姆峰地區(qū)的假玄武玻璃是由地震斷層帶剪切摩擦熔融形成的。假玄武玻璃基質(zhì)中包含有豐富的球粒結(jié)構(gòu)及新生礦物微晶體,微晶體的形狀復(fù)雜多樣,從簡(jiǎn)單的如針狀、球狀、板狀、長(zhǎng)柱狀、短柱狀,到比較復(fù)雜的骨架狀、樹枝狀、球粒狀、束狀等,各種形狀的微晶體往往組合在一起。其中,以球粒狀結(jié)構(gòu)、骨架狀結(jié)構(gòu)與其他形狀的組合最為明顯。微晶體的大小不一,變化較大,從小于1μm到大于10μm。同時(shí),在不同地段的假玄武玻璃基質(zhì)中微晶體礦物組合具有明顯差別,在D39中以“斜長(zhǎng)石+黑云母+鈦鐵礦”為主;而在D43中則以“紫蘇輝石+斜長(zhǎng)石”為主,兼有“黑云母+斜長(zhǎng)石+微斜長(zhǎng)石”組合的存在。

根據(jù)SEM影像特征及能譜物相成分分析(包括電子探針分析),假玄武玻璃中所發(fā)育的紫蘇輝石及斜長(zhǎng)石成分與母巖中相應(yīng)的礦物成分不同,說明這些微晶體是自熔融體中結(jié)晶出來,而不是母巖礦物的殘留成分。同時(shí),根據(jù)紫蘇輝石中富鋁特點(diǎn)推斷,文章中所研究的假玄武玻璃及其紫蘇輝石是在相對(duì)較高的溫度條件下形成的,最可能的條件是在斷裂帶中形成了類似于麻粒巖相的構(gòu)造環(huán)境。

值得注意的是,該點(diǎn)假玄武玻璃中具有的“紫蘇輝石+斜長(zhǎng)石”礦組組合特點(diǎn)與Clarke(1990)所描述的產(chǎn)于東南極麥克羅伯遜地(MacRobertson Land)莫森海岸(Mawson Coat)的紫蘇花崗巖中假玄武玻璃的微晶體礦物組合較為一致;而與目前文獻(xiàn)中所記錄的大部分假玄武玻璃中發(fā)育的微晶體礦物組合具有完全不同的特點(diǎn)。后者多以斜長(zhǎng)石為主,不同情況下可能有不同數(shù)量的堿性長(zhǎng)石、角閃石、黑云母等(Shand,1916;Park, 1961; Philpotts, 1964; Maddock, 1983;Magloughlin,1989, 1992; Lin, 1994; Lin and Shimamoto,1998)。但很明顯,該點(diǎn)假玄武玻璃中的微晶體成分較莫森紫蘇花崗巖的微晶體更為豐富而且復(fù)雜多樣。

3 假玄武玻璃的年代學(xué)

為挑選符合測(cè)年要求的樣品,盡量減小母巖碎屑對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,對(duì)所選擇的假玄武玻璃及相關(guān)的圍巖重新進(jìn)行了詳細(xì)的顯微鏡下及電子探針的觀察分析,然后選擇那些晶屑和碎屑含量最低的樣品(D43-7)。將所選假玄武玻璃粉碎、過篩,并分別放置在丙酮和蒸餾水的溶液中進(jìn)行超聲清洗,在雙目鏡下通過手工挑選出粒度在40～60目之間、不含雙目鏡下可見的石英和長(zhǎng)石碎屑以及非均質(zhì)性的顆粒。

3.1 樣品分析

K-Ar測(cè)年分析在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。分析采用常數(shù)為:λ=5.543×10-10a-1, λe=0.581×10-10a-1, λβ=4.962×10-10a-1, n (40K) /n (K) = 1.167×10-4。40Ar/39Ar測(cè)年分析在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所同位素地質(zhì)年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

選純的礦物(純度＞99%)經(jīng)再次放置在丙酮和蒸餾水溶液中用超聲波清洗后,被封進(jìn)石英瓶中送核反應(yīng)接受中子照射。照射工作是在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的“游泳池堆”中進(jìn)行的。使用H8孔道,中子流密度約為6.0×1012n·cm-2·s-1。照射總時(shí)間為3019分鐘,積分中子通量為1.2×同期接受中子照射的還有用做監(jiān)控樣的標(biāo)準(zhǔn)樣:ZBH-25黑云母國(guó)內(nèi)標(biāo)樣,其標(biāo)準(zhǔn)年齡為132.7Ma,K含量為7.6%。

樣品的階段升溫加熱使用電子轟擊爐,每一個(gè)階段加熱30分鐘,凈化30分鐘。質(zhì)譜分析是在MM-1200B質(zhì)譜計(jì)上進(jìn)行的,每個(gè)峰值均采集8組數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)在回歸到時(shí)間零點(diǎn)值后再進(jìn)行質(zhì)量歧視校正、大氣氬校正、空白校正和干擾元素同位素校正。系統(tǒng)空白水平:m/e=40、39、37、36分10-17mol。中子照射過程中所產(chǎn)生的干擾同位素校正系數(shù)通過分析照射過的K2SO4和CaF2來獲得,其值為: (36Ar/37Aro)Ca=0.0002389、 (40Ar/39Ar)K=0.004782、 (39Ar/37Ar0)Ca=0.000806。37Ar經(jīng)過放射性衰變校正;40K衰變常數(shù)λ=5.543×10-10/年;用ISOPLOT v2.49程序計(jì)算坪年齡及正、反等時(shí)線(Ludwig,2001),坪年齡誤差以2σ給出,詳細(xì)實(shí)驗(yàn)流程見參考文獻(xiàn)陳文等(2002)。

3.2 分析結(jié)果

兩種不同方法所得到的數(shù)據(jù)分別列于表4和表5中,40Ar/39Ar的年齡圖譜見圖5。

表4 東南極哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃基質(zhì)的鉀-氬同位素及K-Ar年齡數(shù)據(jù)Table 4 Potassium-argon isotope and age data for the pseudotachylite from the Hamm Peak, East Antarctica

表5 東南極哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃的全巖氬同位素及40Ar/39Ar數(shù)據(jù)Table 5 Argon isotope and 40Ar/39Ar age data for the pseudotachylite from the Hamm Peak, East Antarctica

圖5 東南極哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃全巖40Ar/39Ar年齡圖譜Fig.5 Bulk step-heating release spectrum for the pseudotachylite from the Hamm Peak, southwestern Prydz Bay, East Antarctica

3.2.1 K-Ar定年結(jié)果

根據(jù)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)(表4)顯示,假玄武玻璃基質(zhì)的K-Ar年齡為878.1±16.8 Ma。

3.2.240Ar/39Ar定年結(jié)果

從表5中數(shù)據(jù)及圖5中所表示的階段升溫?cái)?shù)據(jù)譜系圖可以看出,對(duì)所選擇的黑色假玄武玻璃基質(zhì)階段升溫得到的12個(gè)階段升溫結(jié)果顯示,年齡譜系中所記錄的年齡值在1417～92Ma之間變化,沒有得出傳統(tǒng)上作為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的坪年齡。在去除兩端的主體39Ar釋放區(qū)域,4個(gè)加熱階段的表面年齡分別為1204±10 Ma、924.6±7.9 Ma、760.7±6.7 Ma和625.8±5.8 Ma。

4 地質(zhì)意義

假玄武玻璃是發(fā)育在古地震構(gòu)造帶不同深度的構(gòu)造巖,并經(jīng)構(gòu)造剝蝕達(dá)到地表。由于假玄武玻璃本身固有的隱晶質(zhì)及顯微晶質(zhì)-隱晶質(zhì)的粒度特點(diǎn),假玄武玻璃的顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn),尤其是基質(zhì)中所發(fā)育的新生礦物微晶體成分及礦物組合是判斷假玄武玻璃形成機(jī)制及周邊構(gòu)造環(huán)境的重要手段和方法。

發(fā)育在東南極普里茲灣西南部哈姆峰地區(qū)麻粒巖相花崗質(zhì)片麻巖中的假玄武玻璃沿著近東西向右行滑移斷裂或韌-脆性剪切帶分布。顯微構(gòu)造研究表明,假玄武玻璃中普遍發(fā)育緊密堆積、均勻分布的球粒結(jié)構(gòu)及不同形狀及組合的新生礦物微晶體,這些球粒體和微晶體是熔融相快速冷卻過程中存在的典型特征 (Magloughin and Spray,1992)。表明該假玄武玻璃為沿著地震構(gòu)造帶發(fā)生熔融作用的產(chǎn)物。

SEM影像特征及新生礦物微晶體分析表明,假玄武玻璃中的微晶體形狀復(fù)雜多樣,從簡(jiǎn)單的針狀、球狀、板狀、長(zhǎng)柱狀、短柱狀,到比較復(fù)雜的骨架狀、樹枝狀、球粒狀、束狀等。各種形狀的微晶體往往組合在一起。微晶體成分及礦物組合大致分為兩種,分布在構(gòu)造帶不同地段:一種是“紫蘇輝石+斜長(zhǎng)石”組合,分布于東北部地段;一種是“黑云母+斜長(zhǎng)石+鉀長(zhǎng)石+石英”的組合,分布于西南部地段。造成這種微晶體礦物成分及其組合分布差別的具體原因目前尚不十分清楚。但根據(jù)假玄武玻璃形成的機(jī)制及過程,有理由推斷:①由于發(fā)育假玄武玻璃的構(gòu)造帶中母巖原巖成分的差異,在地震斷層運(yùn)動(dòng)過程中,不同的母巖全部發(fā)生熔融,由此形成不同的熔融體成分并結(jié)晶出不同的礦物成分;②由于假玄武玻璃形成過程及后期結(jié)晶過程中構(gòu)造帶中應(yīng)力狀態(tài)不同(即周邊物理化學(xué)環(huán)境不同)所造成;③上述兩種原因以及較這些原因更為復(fù)雜的因素共同作用所造成。但無論如何,發(fā)育在哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃中富鋁紫蘇輝石+斜長(zhǎng)石的存在,表明在假玄武玻璃形成過程及應(yīng)力釋放后從熔融體中結(jié)晶過程中,整個(gè)環(huán)境仍然處于高溫的構(gòu)造環(huán)境下,也就是說,假玄武玻璃形成過程及后期結(jié)晶過程均可能處于麻粒巖相條件下。

完好的球粒結(jié)構(gòu)及紫蘇輝石等微晶體的發(fā)育是哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃的典型特征,在文獻(xiàn)描述中尚未見報(bào)道。而Clarke(1990)所描述的東南極莫森紫蘇花崗巖中假玄武玻璃距離哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃僅400km左右,其假玄武玻璃中也普遍發(fā)育紫蘇輝石和斜長(zhǎng)石微晶體礦物組合。另外,在哈姆峰東北部的伯靈恩群島(Bolingen Islands)的麻粒巖中也發(fā)育有多期假玄武玻璃 (Dirks and Hand,1995),這些假玄武玻璃絕大部分與糜棱巖-超糜棱巖共生、并發(fā)生了重結(jié)晶,反映這些假玄武玻璃形成于韌性變形域。假玄武玻璃在東南極不同地區(qū)的廣泛發(fā)育,且大部分形成于與麻粒巖相或糜棱巖共生的環(huán)境下,可能反映出這種高溫環(huán)境下形成的假玄武玻璃在包括普里茲灣、伯靈恩群島以及莫森紫蘇花崗巖等在內(nèi)的東南極地區(qū)普遍存在。但很明顯,該點(diǎn)假玄武玻璃中的微晶體較莫森紫蘇花崗巖的假玄武玻璃中的微晶體更為豐富而且復(fù)雜多樣,可能反映該點(diǎn)假玄武玻璃的形成過程較麥克羅伯遜地一帶的假玄武玻璃復(fù)雜的多。

此次工作獲得哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃的全巖K-Ar年齡為878.1±16.8 Ma。同一樣品的39Ar/40Ar年齡中,除早期加熱階段獲得了較老的1204 Ma的表面年齡外,其他年齡集中在925～626 Ma。結(jié)合區(qū)域?qū)Ρ?推測(cè)假玄武玻璃應(yīng)該形成于格林維爾期,但受到了泛非期構(gòu)造熱事件的影響。主要的支持證據(jù)包括:①哈姆峰地區(qū)長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的鋯石U-Pb年齡集中在920～900 Ma(Liu et al.,

2009,2014),說明主期礦物組合形成于格林維爾期;②長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖和變質(zhì)石英巖中的石榴子石全巖Sm-Nd等時(shí)線年齡為865～814 Ma,也說明巖石中的石榴子石形成于格林維爾期,但因遭受到泛非期構(gòu)造熱事件的改造而使其Sm-Nd年齡低于鋯石U-Pb年齡;③莫森紫蘇花崗巖的形成時(shí)代也是格林維爾期,且該區(qū)未遭受到泛非期構(gòu)造熱事件的強(qiáng)烈改造,進(jìn)一步說明那里的假玄武玻璃也是格林維爾期形成的。這一年齡數(shù)據(jù)可能反映這樣一個(gè)地質(zhì)事實(shí),即南極地區(qū)廣泛存在的假玄武玻璃可能與Rodinia超大陸裂解過程中發(fā)生的格林維爾構(gòu)造事件 (Li et al., 1995,1996)有關(guān)。但限于目前的資料有限,尚需要進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論

(1)東南極普里茲灣西南部哈姆峰地區(qū)麻粒巖相花崗質(zhì)片麻巖中的假玄武玻璃為沿地震構(gòu)造帶發(fā)生熔融作用的產(chǎn)物。

(2)哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃發(fā)育完好的球粒結(jié)構(gòu)及紫蘇輝石等微晶體,假玄武玻璃與糜棱巖-超糜棱巖共生、并發(fā)生了重結(jié)晶,反映其形成于韌性變形域。

(3)哈姆峰地區(qū)假玄武玻璃的全巖K-Ar年齡為878.1±16.8 Ma,同一樣品的39Ar/40Ar年齡集中在925～626 Ma,推測(cè)假玄武玻璃可能形成于格林維爾期,但受到了泛非期構(gòu)造熱事件的影響。