安哥拉地块北部Dondo地区古元古代花岗岩岩石成因:Columbia超大陆聚合的响应

Petrogenesis of Paleoproterozoic granites in the Dondo area, northern Angola block: Geological response to the assembly of Columbia Supercontinent

摘要

安哥拉西部地区广泛发育古元古代Eburnean造山期花岗岩,是研究安哥拉地块构造岩浆作用特征的理想场所。本文对安哥拉地块北部Dondo地区大面积出露的花岗岩开展系统的岩相学、岩石地球化学和锆石U-Pb年代学研究。结果显示:Dondo地区斑状黑云母二长花岗岩与黑云母二长花岗岩的侵位年龄分别为(1 983.3±7.7) Ma和(1 956.6±7.5) Ma,均为古元古代中期岩浆活动的产物。全岩样品具有高SiO₂含量、富碱、高10⁴Ga/Al值、高FeO^T/(FeO^T+MgO)值和Zr+Nb+Ce+Y含量,低MgO、TiO₂、CaO和P₂O₅含量的特征;微量元素富集Rb、K、Th、U、Zr和Hf,亏损Sr、Nb、Ta、P和Ti;稀土元素总量较高,轻稀土富集,重稀土亏损,整体不具有显著的负Eu异常;锆饱和温度计算所有花岗岩的结晶温度为757~889 ℃;以上这些岩石地球化学特征与A2型花岗岩一致。岩相学及地球化学的数据表明,两种花岗岩可能由来源于下地壳物质与地幔来源基性岩浆混合所形成。两种花岗岩具有相似的形成时代、矿物组成和连续的主微量元素变化趋势,这些特征表明它们的原始岩浆来自同一岩浆房,而二者之间特征的差别是由岩浆房内的晶体-熔体分异所主导。据此,本文认为:产生钾长石斑晶的岩浆曾经在地壳深部作过长时间滞留,导致钾长石稳定结晶,增加了岩浆的黏度和密度,使岩浆处于冻结状态;随后在幔源岩浆注入带来的热扰动和富集挥发分的作用下,冻结岩浆房迅速活化,从而发生晶体-熔体的分离,抽离的熔体形成了黑云母二长花岗岩,而混有先存晶体的岩浆则形成了斑状黑云母二长花岗岩。综合区域和全球构造演化历史,本次研究认为Dondo地区花岗岩形成于巴西São Francisco克拉通和Congo克拉通后碰撞的构造环境,该期岩浆活动可能是Columbia超大陆的碰撞造山事件在安哥拉地块的响应。

关键词

安哥拉地块 / 古元古代 / 岩石成因 / A型花岗岩 / 冻结岩浆房活化 / Columbia超大陆

Key words

Angola Block / Paleoproterozoic / petrogenesis / A-type granites / remobilizing mechanism of frozen magma chambers / Columbia Supercontinent

0 引言

超大陆聚合和裂解是地质历史上最大规模的板块构造事件,直接导致地球岩石圈表层和内部的多种地质作用,同时也影响了全球海平面升降和古气候演化^{[1⇓⇓⇓-5]}。最新研究表明,前寒武纪至少发生了Columbia(或Nuna)和Rodinia两次全球规模的超大陆聚合和裂解事件^{[6⇓⇓⇓⇓-11]},其中Columbia超大陆聚合和裂解主要发生在古元古代,且伴生有强烈的古元古代地壳增生事件,因此一直是地质学界研究超大陆的热点^{[12⇓⇓⇓⇓⇓-18]}。

安哥拉地块位于安哥拉西部,向南延伸至纳米比亚西北部,是Congo克拉通西南部的重要组成部分。在地质历史演化过程中,安哥拉地块经历了古元古代Eburnean构造旋回、中元古代Kibaran构造旋回和新元古代Pan-Africa构造旋回多阶段的构造-岩浆和变质作用过程^[19],了解其早期形成演化对充分认识中南部非洲大陆地壳组成、构造格局演变乃至全球构造事件均具有重要意义。前人研究表明,巴西São Francisco(圣弗朗西斯科)克拉通与Congo克拉通在古元古代通过Trans-Amazonian(南美)和Eburnean(非洲)造山作用拼合成统一的克拉通大陆,成为Columbia超大陆的一部分,并认为巴西São Francisco克拉通与Congo克拉通在2.05 Ga~130 Ma期间,非洲与南美洲分离之前属于一个整体^{[20⇓⇓-23]}。

安哥拉地块作为Columbia超大陆内São Francisco-Congo克拉通的一部分^{[24⇓⇓⇓⇓-29]},广泛发育Eburnean造山期花岗质岩石,这些岩石是了解古元古代Congo克拉通西南缘构造环境及其与Columbia超大陆相互联系的关键。总结已有成果发现,前人主要围绕安哥拉地块是否存在太古宙基底、出露范围和基底形成时代等进行研究,例如,20世纪70年代初,有关学者通过对安哥拉地块南部进行区域地质和年代学研究,确定了以花岗岩为主的广泛古元古代地壳和分布局限的太古宙地壳的存在^[30];De Carvalho等^[19]总结了安哥拉西部前寒武纪年代学特征,重新定义了影响安哥拉西部前寒武纪岩石地层单元的事件和旋回,以此勾勒出安哥拉境内Congo克拉通西部边缘的位置及其与São Francisco克拉通的联系。但是,对安哥拉地块古元古代花岗质岩石的研究仍显薄弱,该期岩浆活动产生的机理及构造演化关系有待进一步深入研究。

近年来,项目组通过对安哥拉西北部Dondo地区开展区域地质调查工作发现,工作区内发育沉积盖层和以花岗岩为主的基底杂岩,其中花岗岩分布范围占工作区面积的60%左右,为研究安哥拉地块北部构造岩浆作用特征提供了有利条件。本文在野外地质调查工作的基础上,对Dondo地区的基底花岗岩开展详细的岩相学、岩石地球化学和锆石U-Pb年代学分析,为揭示岩浆作用时代、岩石成因及其构造环境提供了约束,对了解安哥拉地块古元古代构造演化历史、探讨Columbia超大陆在非洲的汇聚时限具有重要意义。

1 地质背景及岩相学特征

Congo克拉通主要由前寒武纪结晶基底组成,保存了从中太古代到中元古代地壳增生的记录,其大部分被新元古代和显生宙盖层所覆盖,仅在地块的边缘出露太古宙和古元古代基底,其中一个基底岩体为安哥拉地块,位于Congo克拉通西南边缘,其北部为西刚果造山带,南部为达马拉活动带^[31-32](图1a)。前人在安哥拉地块内识别出4个构造单元,分别为东部的中央地盾区(包括Kwanza 地垒)和Cassinga区,以及西部的中央Eburnean区和Lubango区^[33](图1b)。古元古代花岗岩是安哥拉地块的主要组成部分,其广泛出露于上述4个构造单元中,但在中央Eburnean区和Lubango区中最为发育。

研究区位于安哥拉地块中央Eburnean区的北部边缘(图1c),由基底和沉积盖层两部分组成。通过地质填图表明,研究区内沉积盖层主要为古元古界Oendolongo群和少量中-新生界沉积物。其中,Oendolongo群主要岩性为砾岩、变质砂岩、石英岩、铁英岩和片岩等,呈角度不整合关系覆盖于基底之上。基底部分主要由古元古代花岗岩类和新太古代片麻岩、斜长角闪岩组成,以古元古代花岗岩类为主,呈岩基、岩株状侵入到太古宙结晶基底之中。古元古代花岗岩类主体岩性为灰白色斑状中粒黑云母二长花岗岩、灰白色-浅肉红色中粒黑云母二长花岗岩,局部可观察到花岗岩向花岗闪长岩过渡。本次对研究区内主体发育的斑状黑云母二长花岗岩和黑云母二长花岗岩进行了全岩元素分析和锆石U-Pb同位素测试。采样位置如图1c所示。具体岩相学特征描述如下。

斑状黑云母二长花岗岩(图2a)是研究区分布最广泛的侵入岩,沿Cuanza河两岸呈岩株状产出,局部发育暗色包体,且包体内部见有来自寄主花岗岩的长石斑晶(图2b)。岩石弱风化,呈灰白色、浅肉红色,似斑状结构,块状构造。岩石中斑晶含量为15%~40%,局部含量可高达50%,主要为自形板柱状钾长石,少量遭受熔蚀呈圆状(图2c),钾长石斑晶粒径多为1~3 cm,平均2 cm,个别可达5 cm以上,斑晶风化后呈灰白-肉红色,明显凸起于岩石表面, 部分岩体中发育大量碱性长石聚合斑晶(图2a)。基质含量为60%~70%,中粒花岗结构,主要矿物组成为石英、钾长石和斜长石,少量黑云母和角闪石,副矿物为榍石和金属矿物。其中,斜长石呈板状,粒径0.8~2.5 mm,平均约2 mm,见聚片双晶,发生绢云母化;石英呈粒状,粒径0.4~1.0 mm;钾长石主要为微斜长石,呈柱状,粒径1~3.5 mm,可见格子双晶(图2e),也可见钠长石条纹;黑云母呈片状,具有多色性,部分发生绿泥石化。

黑云母二长花岗岩(图2d)呈小的岩株状展布,在岩体的边部局部发育片麻理,可能与岩浆流动或强力侵位有关。岩石风化面呈灰褐色,新鲜面为灰白色、浅肉红色,中粒花岗结构,块状构造,主要矿物成分为石英(20%~35%)、斜长石(25%~30%)、钾长石(20%~35%)和黑云母(10%)等,局部绿帘石化发育。其中,斜长石呈板状,粒径0.5~1.5mm,见聚片双晶,发生绢云母化;钾长石主要为微斜长石,粒径0.5~2.0 mm,可见格子双晶(图2f),也可见钠长石条纹;石英呈它形粒状,粒径为0.1~0.8 mm;黑云母呈片状,具有多色性。

2 分析方法

花岗岩的主量、微量元素分析测试均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成,主量元素采用荧光光谱法完成,分析仪器为荷兰Axios^mAX型波长色散-X射线荧光光谱仪(XRF),分析误差低于5%。微量元素分析是在电感耦合等离子体质谱仪(NexION 300D型ICP-MS)上完成,相对标准偏差低于5%。

锆石阴极发光(CL)图像检测、U-Pb同位素测试均在核工业北京地质研究院分析测试中心完成。其中,锆石阴极发光(CL)图像检测在MonoCL3系统上完成,检测时其电子束加速电压为10 kV;锆石U-Pb同位素测年使用LA-ICP-MS完成,激光剥蚀系统为GeoLas Pro,等离子体质谱仪为ELEMENT XR型(HR-ICP-MS),分析时激光束斑直径为32 μm,测试频率为6 Hz。以国际标准锆石91500作为外标准矿物,元素含量采用NIST SRM610作为外标,²⁹Si作为内标元素^[34],仪器详细参数及操作方法(见参考文献[35])。数据处理采用ICPMSdatacal软件完成。按照普通铅校正方法对普Pb进行校正^[36],应用ISOPLOT3.0程序^[37]计算锆石年龄加权平均值和绘制U-Pb谐和图。

3 分析结果

3.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学

本次调查工作采集了2件花岗岩类样品进行锆石U-Pb测年,分析结果见图3和表1。

斑状黑云母二长花岗岩(编号:C33I-5-TW1):锆石主要呈长柱状,少量短柱状、破碎状,粒径多为100~200 μm。阴极发光图像(图3a)显示多数锆石发育振荡环带。24个测点的谐和度为94%~99%,数据可靠。锆石Th/U值为0.33~1.93,Th/U值普遍大于0.1,说明其成因为岩浆锆石。各数据点普遍沿着或靠近谐和线分布(图3b),未存在明显的铅丢失现象。为获取准确的岩浆作用时间,采用谐和度99%的14组数据进行分析,获得²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb加权平均年龄为(1 983.3±7.7) Ma,代表斑状黑云母二长花岗岩的固结年龄。

黑云母二长花岗岩(编号:C33I-7-TW1):锆石主要呈长柱状,少量短柱状、破碎状,粒径多为100~200 μm。阴极发光图像(图3c)显示多数锆石具有明显的振荡环带。锆石Th/U值为0.62~1.74,Th/U值普遍大于0.1,结合其明显的震荡环带特征,说明其成因为岩浆锆石。数据点普遍沿着或靠近谐和线分布(图3d),未存在明显的铅丢失现象。为获取准确的岩浆作用时间,采用谐和度99%的18组数据进行分析,得到²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb加权平均年龄为(1 956.6±7.5) Ma,代表了黑云母二长花岗岩的固结年龄。

3.2 全岩主、微量元素特征

全岩主、微量元素测试数据见表2。

斑状黑云母二长花岗岩的SiO₂含量为63.53%~71.77%,高钾(w(K₂O)=5.30%~7.35%)、富碱(w(Na₂O+K₂O)=8.97%~9.98%),在TAS判别图(图4a^[38])中,岩石落入花岗岩和石英二长岩区域;在K₂O-SiO₂图解^[39](图4b)中,岩石落入钾玄岩系列区域;岩石的A/CNK值变化范围为0.96~1.00,属于准铝质岩石^[40](图4c)。此外,所有样品具有相对较高的FeO^T含量(2.41%~4.37%)和低MgO(0.54%~0.88%)、TiO₂(0.41%~0.77%)、CaO(1.25%~2.52%)和P₂O₅(0.16%~0.36%)含量。FeO^T/(FeO^T+MgO)范围为0.81~0.83,属于铁质岩石^[41](图4d)。FeO^T/MgO值为2.82~5.10,平均值3.81,高于I型花岗岩(991个样品的平均值为2.27)、S型花岗岩(578个样品的平均值为2.38)和M型花岗岩(17个样品的平均值为2.37)的FeO^T/MgO值^[42]。所有样品的TiO₂、Al₂O₃、FeO^T、MgO、CaO和P₂O₅含量与SiO₂含量呈明显的负相关关系(图5a-f)。微量元素原始地幔标准化蛛网图^[43](图6a)上显示大离子亲石元素Rb、Th、U和K明显富集,而Sr明显亏损;高场强元素Nb、Ta、Ti和P明显亏损,但Zr和Hf相对富集。稀土元素球粒陨石标准化配分模式图^[43](图6b)显示,所有样品具有轻稀土元素富集、重稀土元素平坦的右倾配分模式,轻重稀土元素分异明显((La/Yb)_N=9.03~17.41),Eu负异常不明显(δEu=0.79~1.12,平均值为0.90)。

黑云母二长花岗岩具有富硅(w(SiO₂₎=71.04%~75.57%),高钾(w(K₂O)=5.31%~5.84%),富碱(w(Na₂O+K₂O)=8.59%~8.96%),贫CaO、MgO、TiO₂和P₂O₅的特征。TAS图解^[38]和K₂O-SiO₂图解^[39]显示黑云母二长花岗岩落入花岗岩和高钾钙碱性-钾玄岩系列区域内(图4a,b)。样品的A/CNK值为1.03~1.07,属于弱过铝质岩石^[40] (图4c)。FeO^T/MgO值为6.05~11.75,平均值7.97,远高于I型花岗岩、S型花岗岩和M型花岗岩的FeO^T/MgO值^[42]。FeO^T/(FeO^T+MgO)范围为0.86~0.92,属于铁质岩石^[41](图4d)。所有样品的TiO₂、Al₂O₃、FeO^T、MgO、CaO和P₂O₅含量与SiO₂含量呈明显的负相关关系(图5a-f)。黑云母二长花岗岩的稀土元素球粒陨石标准化配分模式图^[43](图6b)显示其与斑状黑云母二长花岗岩具有相似的稀土配分模式,具轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损的右倾配分模式,轻重稀土元素分异明显((La/Yb)_N=13.66~20.97)。黑云母二长花岗岩稀土元素整体丰度(∑REE含量为120.78×10^-6~591.42×10^-6)略低于斑状黑云母二长花岗岩,但是其表现出更明显的Eu负异常(δEu=0.33~0.70,平均值0.57)。微量元素原始地幔标准化蛛网图^[43](图6a)上同样显示Rb、Th、U和K等大离子亲石元素的明显富集及Ba、Nb、Ta、Sr、P和Ti的强烈亏损。稀土和微量元素特征说明黑云母二长花岗岩岩浆在演化过程中可能存在斜长石、磷灰石和Fe-Ti氧化物等矿物的结晶分异作用。

4 讨论

4.1 安哥拉地块古元古代中期花岗质岩浆作用

关于安哥拉地块古元古代的岩浆作用,确切的年龄报道较少。例如,中央Eburnean区Cela-Cariango一带花岗岩的Rb-Sr全岩等时线年龄为(2 236±48) Ma^[44];Lubango区北部Quipungo附近花岗岩Rb-Sr全岩等时线的年龄为(2 191±60) Ma^[45]。随着高精度年代学的持续发展,部分学者获得一些安哥拉地块古元古代精确年代学数据,本文统计了这些高精度锆石 U-Pb 年龄数据,显示安哥拉地块内古元古代花岗岩主要形成于造山纪2 000~1 950 Ma 之间(图7^{[46⇓⇓-49]})。Delor等^[50]在中央Eburnean区开展工作,对Huambo地区的花岗岩提供了(1 980±9) Ma和(1 987±16) Ma年龄的限制;对更北的Conda地区的花岗闪长岩提供了(1 975±23) Ma的年龄限制。Jelsma等^[46⇓-48]报道的中央地盾区Andulo附近花岗岩和花岗闪长岩的U-Pb SHRIMP年龄为(1 974±5) Ma和(1 965±3) Ma,McCourt等^[49]记录的Lubango区花岗岩的SHRIMP年龄为(2 038±28) Ma和(1 954±6) Ma。本次年代学研究表明,中央Eburnean区北部Dondo地区斑状黑云母二长花岗岩和黑云母二长花岗岩的侵位年龄分别为(1 983.3±7.7) Ma和(1 956.6±7.5) Ma,与安哥拉地块其他构造单元内花岗岩定年结果基本一致或略晚,均为古元古代中期造山纪岩浆热事件的产物。精确的年龄数据证实了安哥拉地块古元古代约2.0 Ga时期花岗岩的面状展布特征:北至安哥拉地块Dondo地区,东南至Andulo地区,向南经Conda、Huambo和Lubango,直至纳米比亚西北部的Kamanjab-Grootfontein地区均有该时期花岗岩的发育^{[44⇓⇓⇓⇓⇓⇓-51]},其展布长度超过1 100 km(图1b)。

就年代而言,这一事件在非洲通常被称为Eburnean造山运动,影响了非洲大陆的大部分地区^[52]。Eburnean造山事件是安哥拉境内前寒武纪最主要的演化特征,其岩浆峰值年龄为2.0~1.96 Ga^[48]。因此,安哥拉地块北部Dondo地区斑状黑云母二长花岗岩和黑云母二长花岗岩是Eburnean造山运动时期形成的代表性岩石,这与纳米比亚西北部Kunene杂岩的基底、加蓬地块和班韦乌卢地块发育的约2.0 Ga时期重要的构造-岩浆热事件相吻合^{[53⇓⇓⇓⇓⇓⇓-60]},是Congo克拉通古元古代造山纪岩浆作用的典型代表之一。

4.2 岩石成因

斑状黑云母二长花岗岩和黑云母二长花岗岩的矿物组合均以钾长石、斜长石、石英和黑云母为主,未出现富铝硅酸盐岩矿物。所有岩石均具有高SiO₂,富碱(w(Na₂O+K₂O)=8.59%~9.98%),低Al₂O₃、CaO、MgO和P₂O₅,高K₂O/Na₂O和FeO^T/MgO值,富集REE、大离子亲石元素(除Eu以外的稀土元素,Rb、Th、U和K)和高场强元素(Zr、Hf、Nb和Y),强烈亏损Sr、P、Ti和Eu等(斑状二长花岗岩表现为弱Eu负异常)的特征。岩石10⁴Ga/Al值(2.30~3.04,平均2.78)和Zr+Nb+Ce+Y含量(178.5×10^-6~1 152.9×10^-6,平均含量667.43×10^-6)整体高于Whalen等^[42]推荐的A型花岗岩的下限值(分别为2.60×10^-6和350×10^-6),在FeO^T/(FeO^T+MgO)-SiO₂图解^[41](图4d)、A型花岗岩判别图^[42](图8a-c)和FeO^T/MgO-SiO₂图解^[61](图8d)中,所有样品均落在A型花岗岩区域内。A型花岗岩具有高温属性,根据锆石饱和温度公式^[62],计算得到Dondo地区斑状黑云母二长花岗岩和黑云母二长花岗岩的锆石饱和温度(T_Zr)分别为835~889 ℃(平均值869 ℃)和757~862 ℃(平均值803 ℃)(表2)。根据Dondo地区花岗岩的矿物组合、地球化学和结晶温度等特征,判定其属于A型花岗岩。

斑状黑云母二长花岗岩和黑云母二长花岗岩均形成于古元古代造山纪((1 983.3±7.7)~(1 956.6±7.5)Ma),二者侵位时间相近,具有相似的矿物组成,主量元素表现出紧密的线性趋势。随着SiO₂含量升高,花岗岩的TiO₂、Al₂O₃、MgO、CaO和FeO^T含量降低(图5)。二者在稀土元素配分模式图和微量元素蛛网图上表现出一致的微量元素亏损或富集特征(图6)。以上特征意味着黑云母二长花岗岩与斑状黑云母二长花岗岩(以下统称为Dondo地区A型花岗岩)可能是同一岩浆过程的产物,来自相同的岩浆房。

关于A型花岗岩的成因模式主要有以下几种观点:(1)幔源镁铁质岩浆分离结晶^[63⇓-65];(2)抽取花岗质岩浆之后的下地壳麻粒相残留体在高压下的部分熔融^[66-67];(3)结晶基底或者变质沉积岩的部分熔融^[41,68-69];(4)幔源岩浆与壳源岩浆混合作用模型^[70-71]。

研究区内缺乏与古元古代中期A型花岗岩同时代的大型基性岩体出露,且幔源岩浆的分异难以产生大规模的高硅花岗岩,因此可以排除Dondo地区A型花岗岩是由幔源岩浆分异而来的可能性。I型或S型岩浆出熔后的麻粒岩相残留体小比例部分熔融产生的熔体虽具有符合A型花岗岩的贫水、低氧逸度和高卤族元素特征^[72],但同时应该相对富集Ca和Al,而亏损K、Si和低的Fe/Mg值^[68],Dondo地区A型花岗岩的主量元素特征显然与之不符。英云闪长岩或花岗闪长岩这些本身含水量较低的岩石作为源岩,可以很好地解释A型花岗岩贫水的性质^[73-74]。然而,英云闪长岩或花岗闪长岩为源岩时,只有在极低的压力(≤0.4 GPa)情况下,其熔融产物才具备A型花岗岩的特征,且形成的熔体大部分都贫FeO^T[75],这与本文Dondo地区A型花岗岩的高FeO^T含量特征相悖。变质沉积岩源区部分熔融通常产生过铝质熔体,其总碱较低、Al₂O₃含量较高,表现为(强)过铝质特征^[76],而Dondo地区A型花岗岩的准铝质-弱过铝质(A/CNK=0.96~1.07)特征与上述实验岩石学结果不符,因此单一变质沉积岩熔融不可能是Dondo地区A型花岗岩源区。另外,Dondo地区A型花岗岩具有较高的结晶温度(757~889 ℃),正常的地温梯度下浅部地壳很难达到如此高的熔融温度,因此可以排除中-上地壳长英质岩石部分熔融的可能性。

综合以上分析,Dondo地区A型花岗岩更可能是壳源岩浆与幔源岩浆相互作用的结果。首先,野外观察表明,部分A型花岗岩体内部发育暗色包体(图3b),包体内部发育有来自寄主花岗岩的长石斑晶。其次,该花岗岩的Zr/Hf值(25.59~31.33)与地壳岩石Zr/Hf值(33)^[77]接近,而岩石的Nb/Ta值(14.17~21.85)又近似介于下地壳的Nb/Ta值(8.3)^[78]和地幔Nb/Ta值(17.7)^[79]之间。因此,Dondo地区A型花岗岩更可能是由深部壳源岩浆与幔源岩浆相互作用形成。壳源物质与幔源岩浆的混合也可以很好地解释所形成A型花岗岩的准铝质-弱过铝质特征^[70]。

4.3 岩浆演化过程

4.3.1 结晶分异与岩浆混合过程

尽管本文认为壳-幔岩浆混合作用模型可以用来解释研究区A型花岗岩的成因,并不排除岩浆混合之前经历过结晶分异作用。例如,黑云母二长花岗岩具有相对较高的SiO₂含量和Rb/Sr、FeO^T/MgO、 (K₂O+Na₂O)/CaO值,相对低的CaO、Fe₂O₃、MgO、Al₂O₃、全岩ΣREE、Ba和Sr含量及明显偏低的Zr+Nb+Ce+Y含量值,以及较明显的Eu负异常,这些地球化学特征表明黑云母二长花岗岩可能不是直接来自源区的原始熔体,而是经历了一定程度结晶分异作用,具有比斑状黑云母二长花岗岩更高的分异程度^[80-81]。其地球化学特征与经历过强烈分异的高硅流纹岩极为相似,表明黑云母二长花岗可能是从岩浆储库中抽离的进化岩浆侵入浅部地壳形成的^{[82⇓⇓-85]}。黑云母二长花岗岩低的Ba含量表明岩浆早期经历了碱性长石的分异,而低的Sr含量和明显的负Eu异常则支持了斜长石的分离结晶作用,或者岩浆形成于地壳的斜长石稳定区。同时,CaO、Fe₂O₃、MgO和TiO₂含量随SiO₂含量的增高而降低,则可能代表着角闪石、黑云母等暗色矿物的结晶分异。另外,随着Rb/Sr值上升,黑云母二长花岗岩的Zr/Hf、Sr/Y和La/Yb值逐渐降低,有可能暗示了锆石、磷灰石等富轻稀土副矿物的结晶分异。

斑状黑云母二长花岗岩具有相对低的SiO₂含量和Rb/Sr值以及高的CaO、Fe₂O₃、MgO、Al₂O₃、全岩ΣREE、Ba和Sr含量。野外观察发现,岩石中含有大量钾长石斑晶,部分岩石中钾长石斑晶呈聚合状(图3a),这种特征表明岩浆经历了两个不同的结晶阶段:斑晶形成于较深部稳定结晶环境;基质形成于较浅部快速冷却环境。这些岩相学特征和地球化学特征似乎与“堆晶花岗岩”较为相似^[86-87]。但是,钾长石晶体与花岗质熔体的密度相近,是否可以发生显著的结晶分异仍然是有疑问的。因此,可以认为斑晶为岩浆房中早期结晶的晶体,而基质则代表携带岩浆结晶的产物。即斑状黑云母二长花岗岩可能由新注入熔体和早期结晶的矿物斑晶混合形成^[88]。岩石具弱的Eu负异常,表明岩浆起源较深,位于斜长石稳定区,且岩浆形成后没有经历显著的斜长石结晶分离作用^[89],或者岩浆具有高氧逸度特征;高的Ba含量支持碱性长石加入;SiO₂与其他氧化物的线性关系也支持岩浆混合模型。但是,斑状黑云母二长花岗高的Zr/Hf、La/Yb和Sr/Y值以及高的CaO、Fe₂O₃、MgO和TiO₂含量表明,岩浆房中可能经历了锆石、磷灰石、榍石等副矿物和角闪石、黑云母、磁铁矿等暗色矿物的结晶。据此,斑状黑云母二长花岗岩的形成过程可能较复杂,既包含了结晶分异作用,也经历了岩浆混合作用。

4.3.2 冻结岩浆房活化和晶体-熔体分离机制

流变学实验表明,岩浆的总黏度随着晶体分数的增加而增加。当晶体体积分数达到50%,且晶体相互接触时,岩浆达到流变学锁定点。这时,岩浆不再具有运动能力,称为冻结岩浆(晶粥)^[90-91]。如果这样的岩浆再次活动,就必须经历一个活化过程。本文研究的斑状黑云母二长花岗岩具有大量的钾长石斑晶,且斑晶粒径粗大,表明产生这种晶体的岩浆在深部稳定环境中经历了较长时间的钾长石结晶作用。这将导致岩浆温度下降,晶体分数升高,黏度显著增加。如果基质与斑晶是来自同一岩浆的结晶,意味着该岩浆析出钾长石斑晶后又经历了一次冻结岩浆房的活化过程;否则,可能意味着有另一股输入先存岩浆房,并捕获那里已存在的钾长石斑晶;第三种可能性则是新注入岩浆与先存岩浆发生混合,既捕获了先存的钾长石斑晶,也与其残余熔体混合形成新的混合岩浆。在哈克型图解(图5)中,花岗岩投点的线性趋势和黑云母二长花岗岩投点分布在该趋势的富硅端,表明黑云母二长花岗岩与斑状黑云母二长花岗岩可作为互补的富熔体相和富晶体相,后者的成分变异趋势可以通过前者添加钾长石成分而得到,或者说不同比例的黑云母二长花岗岩熔体的注入导致斑状黑云母二长花岗岩的成分变异趋势。

但是,锆饱和温度(T_Zr)计算表明,黑云母二长花岗岩(757~862 ℃)具有比斑状黑云母二长花岗岩(835~889 ℃)低的岩浆温度。锆饱和温度估算结果支持前面依据Eu异常作出的关于黑云母花岗岩曾经发生过斜长石分离结晶作用的推论。但是,在Q-Ab-Or三角图^[92]中(图9),黑云母二长花岗岩的投点分布在更靠近石英(Q)顶点的位置。这表明,在等压条件下黑云母二长花岗岩具有较高的形成温度,与锆饱和温度估算结果相反;在等温条件下,黑云母二长花岗岩具有较低的形成压力,而这两类岩石目前分布在相近的海拔水平,表明先成岩的斑状黑云母二长花岗岩在黑云母二长花岗岩侵位之前已经上升到较浅部的位置。据此,推测斑状黑云母二长花岗岩经历过冻结岩浆房活化过程。岩体内部发育有暗色包体,钾长石斑晶具有明显的熔蚀现象,表明幔源岩浆的注入带来的挥发分和热扰动可能是导致冻结岩浆房再活化及晶体-熔体再分离的重要机制^{[93⇓⇓-96]}。

综合上述分析,本文认为斑状黑云母二长花岗岩与黑云母二长花岗岩可能形成于以下岩浆演化过程:来自深部的富含挥发组分的幔源基性岩浆底侵诱发了下地壳的部分熔融,并产生大规模的熔体^[97];熔体向上运移聚集形成了至少两个长英质岩浆房,其中水平位置较高的岩浆房持续结晶,含有大量的钾长石斑晶,从而导致岩浆的黏度和密度不断增大,使岩浆处于冻结状态;可能由于区域地壳抬升,两个岩浆房来到较浅部,这时较深部的岩浆房发生了斜长石的分离结晶作用;随后,幔源岩浆上涌并注入岩浆房使其发生活化,为岩浆房内的晶体-熔体分离过程提供热量和挥发分^{[84,94⇓-96,98⇓-100]},从而导致残余岩浆向上侵位形成黑云母二长花岗岩,而这种残余岩浆侵位过程中经过含有钾长石斑晶的岩浆房时则与其残留岩浆混合形成携带岩浆,并捕获其钾长石大斑晶,最终侵位形成斑状黑云母二长花岗岩。

4.4 构造背景和地质意义

一般认为,A型花岗岩形成于伸展环境。根据地球化学特征A型花岗岩可分为A1和A2两个亚型^[101],A1型形成于大陆裂谷或者板内的构造环境,A2型则形成于后碰撞伸展环境,如陆陆碰撞后期构造应力松弛阶段或者岛弧岩浆作用的环境。安哥拉地块北部古元古代花岗岩的Y/Nb值为1.22~3.24,符合A2型花岗岩特征(A1型Y/Nb小于1.2,而A2型Y/Nb大于1.2)。在A1-A2判别图解^[101]中,岩石全部投入A2型花岗岩区域(图10),在Rb-(Y+Nb)和Rb-(Y+Ta)图解^[102](图11)中,岩石全部落入后碰撞花岗岩范围内,以上均表明Dondo地区A型花岗岩形成于后碰撞环境。

后碰撞的动力学条件下加厚地壳的拆沉作用和俯冲板片的断离均可以引起幔源岩浆上涌并底侵下地壳。就一般情况来说,由拆沉作用形成的岩浆岩多呈面状分布^[103-104],而与板片断离作用有关的岩浆岩多呈线性分布^{[105⇓⇓-108]},且经常造成地壳沿着平行于缝合带的方向发生抬升。安哥拉地块古元古代中期花岗岩时空展布情况分析,清楚地表明其呈面状出露的特征(图1b,c)。由此我们初步推断,安哥拉地块北部花岗岩浆作用可能主要与岩石圈的拆沉作用有关,是对幔源岩浆长期底侵作用及地壳不断加厚的影响的一种响应。

在2.1~1.8 Ga,全球范围内发生了大规模的碰撞造山事件,各个古老克拉通拼合形成了Columbia超大陆^[109]。例如西非和南美之间的Trans-amazonian碰撞带(2.1~2.0 Ga)^[110]、南非Kaapvaal和Zimbabwe陆块之间的Limpopo碰撞带(2.0~1.9 Ga)^[111]等。越来越多的与Columbia 超大陆聚合有关的岩浆-变质记录在Congo克拉通内被识别,例如:赞比亚中东部卡帕图地区大面积发育的花岗岩形成时代为2.05~1.95 Ga,为同碰撞或碰撞后的构造环境,记录了Columbia 超大陆在班韦乌卢地块的聚合过程^[112];巴西São Francisco拉通Gavião地块内Ibitiara花岗闪长岩形成年代为(2 103±8) Ma,是古元古代层侵纪晚期—造山纪早期岩浆活动的产物,可能为Columbia超大陆聚合增生早期的岩浆作用^[113]。Congo克拉通安哥拉地块作为Columbia超大陆重要组成部分,在前文已报道存在大量的约2.0 Ga热事件证据。安哥拉地块广泛存在的2.0~1.93 Ga Eburnean岩浆事件^[49],将Congo克拉通和巴西的São Francisco克拉通拼接在一起,形成了古元古代的统一陆块,该拼合作用与Columbia超大陆的形成有关。本次研究表明,安哥拉Dondo地区大面积发育的A型花岗岩侵位时代为(1 983.3±7.7)~(1 956.6±7.5) Ma,为后碰撞的构造环境。据此,笔者认为安哥拉地块的古元古代中期的岩浆事件记录了 Columbia超大陆汇聚过程在该地区的结束。

5 结论

通过对安哥拉地块北部Dondo地区花岗岩的研究,得出以下结论。

(1)安哥拉地块北部Dondo地区斑状黑云母二长花岗岩与黑云母二长花岗岩的侵位年龄分别为(1 983.3±7.7) Ma和(1 956.6±7.5) Ma,属于古元古代造山纪,是Congo克拉通内古元古代Eburnean造山事件晚期的典型岩浆活动。

(2)地球化学特征显示,安哥拉地块北部Dondo地区斑状黑云母二长花岗岩与黑云母二长花岗岩均属于A2型花岗岩,二者具有相似的源区,是地壳物质与地幔来源基性岩浆混合的产物,岩浆演化经历了较显著的分离结晶作用。

(3)冻结岩浆房活化、岩浆混合和晶体-熔体分离机制可能是Dondo地区花岗岩的成因机制:来自深部的富含挥发组分的幔源基性岩浆底侵诱发了下地壳的部分熔融,产生的熔体上升运移聚集,并且持续结晶形成晶粥状态的岩浆房(冻结岩浆房)。随后,在幔源岩浆的注入带来的热扰动和富集挥发分的作用下,冻结岩浆房迅速活化,从而发生晶体-熔体的分离,抽离的熔体形成了黑云母二长花岗岩,而这种岩浆与含钾长石斑晶的岩浆混合则形成了斑状黑云母二长花岗岩。

(4)Dondo地区花岗岩形成于后碰撞的构造环境中,是Congo克拉通与巴西São Francisco克拉通碰撞环境下的产物,结合全球构造演化历史,笔者认为安哥拉地块应是古元古代-中元古代Columbia超大陆的组成部分,该期岩浆活动可能是Columbia超大陆的碰撞造山事件在安哥拉地块的地质响应。

实验测试过程中得到核工业北京地质研究院分析测试研究中心的大力支持,在此深表谢意!感谢审稿专家耐心细致地评审了本文,并就论文的修改提出了许多建设性意见,使得本文更为完善。

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基金资助

安哥拉国家地质调查计划项目(PLANAGEO)