南非Namaqua-Natal变质杂岩区是环绕在Kalahari克拉通南缘的中元古代变质活动带,它从纳米比亚西海岸延伸到南非东南海岸,包括西部的Namaqua区和东部的Natal区。本次的研究区Bushmanland地区是位于Namaqua南部面积最大的分区,该地区包括古元古代至中元古代的侵入体以及变质火山-沉积表壳岩。区内普遍存在高级变质作用,麻粒岩相岩石占据中部和南部地区。前人对该地区麻粒岩的研究表明,最高的变质矿物组合到达铁尖晶石(Hc)+石英(Qz)+大隅石(Osm),有些地方还出现罕见的高温硼硅酸盐,峰期变质作用至少达到了向超高温(UHT)过渡的条件。此外,相对简单的P-T历史,加上保存良好的地层层序和包含的多种岩性,使得该区成为探索变质温度的理想案例。 本文以区内出露的典型的富镁铝麻粒岩、基性麻粒岩和泥质麻粒岩为主要研究对象,通过系统的岩相学观察、矿物化学分析、相平衡模拟、矿物温度计、全岩地球化学分析及LA-ICP-MS锆石、独居石U-Pb定年等分析测试技术和计算方法,重点研究其变质演化过程及其年代序列。 变质作用研究结果表明,富镁铝麻粒岩变质峰期(M1)的矿物组合出现了假蓝宝石+石英共存的证据。视剖面图中,假蓝宝石中的Al等值线进一步将变质峰期阶段限定在了1000℃-1050℃/7-8kbar的UHT变质条件,此外微量元素温度计也证实了UHT的存在。在此基础上,通过变质反应关系得到富镁铝麻粒岩顺时针的P-T演化轨迹。峰后(M2b)矿物组合为后期假蓝宝石+金云母+柱晶石+堇青石(Spr2+Phl+Krn+Crd),温压条件在750-800℃/3.5-6.5kbar的范围内。来自富镁铝麻粒岩的这两个变质期次分属于不同的变质事件。基性麻粒岩变质峰期(M2b)的矿物共生组合为斜长石十黑云母+角闪石+钛铁矿+石英+斜方辉石+单斜辉石+熔体(Pl+Bt+Hbl+Ilm+Qz+Opx+Cpx+Liq),出现在视剖面图的狭窄稳定域内,角闪石的Al等值线将峰期阶段限定在770℃-830℃/4.9-6.4kbar的温压范围内,角闪石包裹体中的Al等值线和黑云母包裹体的结晶温度将峰前阶段(M2a)的温压范围限定在600-650℃/3-4kbar,由此得到一条从M2a到变质峰期M2b的进变质阶段的逆时针演化轨迹。泥质麻粒岩中的石榴长英质片麻岩峰前(M2a)矿物组合以石榴石中的石英+黑云母(Qz1+Bt1)包裹体为代表,峰期(M2b)矿物组合为石榴石+斜长石+钾长石+石英+黑云母+钛铁矿+熔体(Grt+Pl2+Kfs+Qz+Bt2+Ilm+Liq),峰后(M2c)以石榴石边部的斜长石+钛铁矿+黑云母(Pl3+Ilm+Bt3)为特征矿物。视剖面图中黑云母的XMg和石榴石的XGrs等值线将变质峰期(M2b)温压条件限定在845-855℃/6-7kbar的范围内,斜长石中的XAn和黑云母中的XMg将峰后(M2c)温压条件限定在760-790℃/6-6.6kbar,由此得到一条从M2b到M2c的退变质阶段的逆时针的演化轨迹。泥质麻粒岩中的夕线石榴黑云二长片麻岩变质峰期的矿物组合为石榴石+条纹长石(斜长石+钾长石)+石英+黑云母+夕线石+钛铁矿+熔体(Grt+Prh+Qz+Bt+Sill+Ilm+Liq),黑云母的XMg和斜长石中的XAn和二长石温度计将变质峰期的温压条件限定在815-830℃/6-7kbar的范围内。事实上,在关于基性麻粒岩和泥质麻粒岩所有P-T轨迹重建中,加热-埋深轨迹之后是初始的近等压冷却,均记录了完整的逆时针演化轨迹但泥质麻粒岩相对基性麻粒岩经历了更深层次的俯冲。 岩石地球化学研究表明,Bushamanland地区的富镁铝麻粒岩表现出不同于基性麻粒岩和泥质麻粒岩的特殊全岩成分。主量和微量元素特征表明其原岩是长英质火成岩,其原岩在形成过程中,经历了较强程度的风化作用。随后由于俯冲相关的地壳物质熔融引发变质作用。最初的长英质火成岩在变质作用之前还经历了强烈的热液交代作用。 三种麻粒岩的锆石和独居石地质年代学分析结果明确了两个不同的年龄组,一组是锆石U-Pb定年产生的晚古元古代组~1787-1773Ma,另一组是来自锆石和独居石U-Pb定年产生的晚中元古代组~1075-1018Ma。前者范围较窄,来自富镁铝麻粒岩,包含锆石核部,与长英质寄主岩石的岩浆结晶有关。岩浆锆石在Bushmanland表壳层序中获得变质增生之前,经历了一个短距离的碎屑搬运阶段。在已编撰的Bushmanland地区的年龄谱中,该特定年龄组没有被记录。它指出了一个重要的源区,该源区或是没有暴露,或是还不能定位,对应于一个未被识别的较老的变质旋回。后者与本次识别到的较年轻的变质旋回有关。 综合变质作用、地球化学和年代学的研究结果表明,本次识别到的较年轻的变质旋回包含两个变质事件(在本文用M1和M2定名)。其中M2表现为研究区内基性麻粒岩和泥质麻粒岩普遍存在的逆时针P-T轨迹,在时间上被限定在~1040-1030Ma,与Namaqua造山运动有关。而M1是一个较早的变质造山事件,它早于已确定的1040-1030Ma的Namaquan造山运动(M2),表现为区内富镁铝麻粒岩顺时针的P-T轨迹,与俯冲相关的地壳物质熔融引发变质作用,局部(大约200×200km2)达到UHT变质条件,可能代表了1220-1170Ma之间的造山事件。富镁铝麻粒岩在M2阶段以含柱晶石的矿物组合(来自M2b的Spr2+Phl+Krn+Crd)为代表。