平流驱动（超）高温变质作用：来自加拿大Frontenac地体Shawinigan造山运动的案例研究

《Canadian Journal of Earth Sciences》：Advection-driven (ultra-)high temperature metamorphism: a case study from the Shawinigan orogeny in the Frontenac Terrane, Canada

　　

摘要：超高温（UHT）变质作用（温度超过900 °C，压力为8–12千巴）在造山带中日益被识别，但其起源于碰撞环境的机制仍存在争议。在西南Grenville省的Frontenac地体中，沉积岩的沉积之后是Shawinigan造山运动（1200–1150 Ma）期间的早期挤压变形以及镁铁质-长英质岩浆的侵入。碎屑锆石年龄和地球化学指向一个弧后（back-arc）环境，而Frontenac序列花岗质岩石在中地壳水平的就位提供了驱动UHT变质作用的热量。矿物组合（斜方辉石–堇青石–石榴子石–夕线石、假蓝宝石–堇青石和条纹长石）结合相平衡模拟和温压计记录了在约5–7千巴条件下超过900 °C的条件，这与来自同碰撞侵入体的平流加热一致。随后的D2开阔褶皱（其走向与Grenville趋势斜交）可能反映了隆升和岩石圈拆沉（delamination），随后是约1060 Ma的D3Ottawan期缩短和岩浆作用。由于Shawinigan期后的叠加作用微弱且早期历史得以保存，Frontenac地体是前OttawanLaurentian边缘演化的关键记录，同时为同碰撞岩浆作用在压缩造山带内产生UHT变质作用的作用提供了证据。

研究背景与意义

超高温（UHT）变质作用代表了地壳热状态的极端条件，通常定义为温度超过900 °C且发生在中上地壳深度。尽管这种极端热事件在全球多个造山带中被陆续发现，但在碰撞构造背景下如何引入足够热量至地壳浅部，一直是地质学界的未解之谜。传统的地球动力学模型预测，在薄化的弧后区域，通过岩石圈地幔拆沉导致软流圈上涌，可以在地壳底部产生极端高温。然而，这些模型难以解释随后的碰撞过程中致密地幔物质如何在地壳中的容纳问题。镁铁质岩浆作用常被认为是产生UHT的主要热源，但在碰撞环境中广泛发育的镁铁质岩浆作用却鲜有地质记录。这导致部分学者提出，地幔与地壳岩浆的混合作用可能是这种热量传递的残留证据，但这通常发生在碰撞前或碰撞后的环境中。鉴于此，探究碰撞环境中如何将充足热量引入地壳，对于理解全球热造山带的地质记录至关重要。加拿大Grenville省的Frontenac地体作为前Ottawan Laurentian边缘演化的重要记录，因其在Shawinigan造山运动期间经历了显著的UHT变质作用且后期叠加改造较弱，成为破解这一科学难题的理想天然实验室。本文发表于《Canadian Journal of Earth Sciences》，旨在通过多学科综合研究，阐明该地体UHT变质作用的热源机制及其对区域构造演化的启示。

主要技术方法

研究人员采用了多学科交叉的研究手段。野外地质调查涵盖了274个露头的观测，并对169个薄片样品进行了详细的岩相学分析，以厘清岩石类型与变形特征。在地球化学方面，研究人员收集了201个Frontenac序列岩浆岩及231个上地壳岩石的全岩主微量元素数据，并在多伦多大学使用JEOL JXA-8530F电子探针对矿物成分进行了测定。热力学模拟采用GeoPS程序在MnNCKFMASHTO体系下构建了平衡相图，并结合石榴子石-黑云母、石榴子石-堇青石及石榴子石-斜方辉石温压计进行压力-温度估算。此外，研究还综合分析了大量的独居石和锆石U-Pb年代学数据，以精确限定构造-热事件的时序。

研究结果

3.1 Frontenac地体的岩石类型

研究识别出八种可填图的岩石单元。石英岩（Quartzite）主导东南部，包括纯净石英岩和石英砂屑岩。石英长石片麻岩（Quartzofeldspathic gneiss）含有超过50%的淡色体物质。镁铁质片麻岩（Mafic gneiss）主要由角闪石或黑云母组成。铝质片麻岩（Aluminous gneisses）矿物学多样性极高，包含斑状石榴子石或堇青石与夕线石、黑云母、石英、长石等，局部可见假蓝宝石和尖晶石。此外，研究区还分布有纯大理岩、斜长岩、辉长岩、闪长岩以及约占暴露基岩10%–15%的花岗质岩石（Granitoids）。这些岩石普遍经历了多期变形和高级变质作用，但峰期变质组合大多得以完好保存。

3.2 构造地质

Frontenac地体保留了多期韧性变形证据。最古老的变形事件（D₁）以S₁叶理和F₁开阔至闭合褶皱为特征，与区域片麻理平行，且被同构造期的Frontenac序列深成岩所穿切。随后的D₂事件表现为轴向近垂直于D₁的开阔褶皱，反映了拉张或隆升背景下的应变响应。D₃事件则表现为等斜褶皱和透入性构造，在Maberly糜棱岩带中尤为显著。Maberly糜棱岩带作为重要的构造边界，记录了Frontenac地体向西北方向逆冲推覆到Sharbot Lake域之上的构造过程。

3.3 全岩地球化学

Frontenac序列岩浆岩的SiO₂浓度变化较大，从FOID辉长岩到花岗岩均有发育，多数属于正长岩和石英二长岩。其化学成分被归类为镁质、准铝质和钾玄质（shoshonitic）。锆石饱和温度随二氧化硅含量增加从约775 °C升至1250 °C，但在1000至1050 °C之间达到准渐近线。微量元素特征显示其具有火山弧、板内和后碰撞环境的混合特征，并被归类为A型花岗岩。上地壳岩石的地球化学特征则揭示了其原岩主要为沉积岩和火山沉积岩，具有较高的化学蚀变指数。

3.4 矿物成分

石榴子石成分分析显示其主要成分为铁铝榴石（55–75 mol.%）和镁铝榴石（20–40 mol.%），具有平坦的分带特征。堇青石的X_Mg（摩尔Mg/(Mg+Fe)）值介于0.625至0.75之间。黑云母成分在不同岩石类型中有所变化，花岗质样品中的黑云母X_Fe值低于铝质片麻岩。斜方辉石主要为顽火辉石，部分含有高达5.2–9.5 wt.%的Al₂O₃。长石成分分析表明，花岗质岩石和石英长石片麻岩中的长石主要为三元长石，而条纹长石（Perthite）的成分重建指示了高温结晶环境。

3.5 稳定与放射性同位素

Frontenac序列花岗质岩石的εNd值介于-1至+6之间，初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值介于0.7043和0.7056之间。硅酸盐上地壳岩石的εNd范围为-6至5.5，初始锶同位素比值为0.7049至0.7337。氧同位素（δ¹⁸O）的高值（12.5–15.7‰）暗示了地壳混染作用。同位素混合模型表明，Frontenac序列代表了亏损地幔与沉积地壳物质（比例为50/50）或碳酸盐岩（比例为15/85）的理论混合物，揭示了显著的幔源输入与强烈地壳混染的共同作用。

3.6 变质作用与岩浆结晶条件

交换温压计估算的变质条件约为770–1100 °C（中位数945 °C）和5.1–9.1千巴（中位数6.7千巴），对应的视地热梯度约为140 °C/千巴。热力学模拟预测的峰期条件为约710–1150 °C和3.2–7.1千巴，中位数为900 °C和6千巴，视地热梯度约为130 °C/千巴。条纹长石温度计估算的Frontenac序列结晶温度平均约为950 °C。岩相学证据，如斜方辉石颗粒边界的熔体薄膜、丰富的条纹长石以及弥散的淡色体-寄主岩边界，均支持了超过900 °C的UHT变质条件。

3.7 地质年代学

碎屑锆石年龄显示沉积作用主要发生在约1400–1200 Ma期间，峰值出现在1900–1600 Ma和1400–1200 Ma。Frontenac序列花岗质岩石的结晶年龄集中在约1177–1154 Ma，其Nd亏损地幔模式年龄为约1600–1500 Ma。变质作用主要发生在约1177–1160 Ma。Maberly糜棱岩带内的构造活动时限与Frontenac序列的就位时间（约1161 Ma）相吻合。较年轻的Ottawan期（约1030–930 Ma）和Rigolet期（约990 Ma）年龄记录主要集中在剪切带内，表明后期叠加作用有限。

讨论与结论总结

4.1 Frontenac上地壳层序的沉积

综合碎屑锆石年龄和岩石组合特征，研究人员提出Frontenac地体的原岩沉积于约1350–1240 Ma的弧后盆地环境。该盆地的沉积序列自下而上大致为大理岩-石英长石片麻岩（含铝质和镁铁质片麻岩）-石英岩，记录了从稳定的陆架海相环境到近岸/滨海相沉积的演变，反映了弧后盆地的封闭过程。

4.2 Shawinigan造山运动与Frontenac岩浆作用

约1200–1150 Ma的Shawinigan造山运动导致了弧后盆地的闭合。约1177–1148 Ma期间，Frontenac序列的侵入与区域D₁缩短变形及UHT变质作用同时发生。同位素和地球化学证据表明，该序列源自亏损地幔与演化沉积物混合后的熔融，并经历了显著的分离结晶作用。研究人员强调，Frontenac序列在中地壳水平（20–25公里）的大规模就位是驱动同期UHT变质作用的主要平流热源，掩盖了早期可能存在于更高压力下的组合。

4.3 对Grenville省元古代演化的启示

Frontenac-Adirondack带及相关的Mont Laurier地体保留了完整的Shawinigan期构造记录，为理解前Ottawan Laurentian边缘的架构提供了关键制约。研究显示，Grenville省的演化始于约1390 Ma Laurentian边缘的弧后裂谷作用，随后在约1280–1210 Ma期间发生弧后扩张。约1200 Ma开始的板块平缓化和弧后盆地闭合引发了Shawinigan造山运动，伴随板块断离（slab breakoff）和软流圈上涌，形成了Frontenac序列等高热量岩浆岩，并最终导致约1100–990 Ma Laurentia与Amazonia大陆碰撞的Ottawan期造山运动。

4.4 区域性平流超高温变质作用

研究指出，尽管弧后扩张期间软流圈上涌可导致高地热流，但Frontenac地体的UHT变质作用发生在D₁缩短末期，排除了同伸展机制的贡献。岩石具低放射性生热率，排除了内部热源的可能性。因此，研究人员提出，同碰撞岩浆作用（即Frontenac序列的平流加热）是导致UHT的关键机制。高温镁铁质岩浆在中地壳分离结晶产生低密度长英质熔体，不仅实现了热量向上传导，还通过浮力调整解决了碰撞过程中致密地幔物质在地壳中的容纳难题。

结论

Frontenac地体记录了Laurentian边缘超过两亿年的盆地开启、充填与闭合历史。原岩沉积于反转的弧后盆地，并在同碰撞长英质岩浆侵入后经历了UHT变质作用。地幔物质与演化沉积物的显著混合产生了高δ¹⁸O岩浆。变形记录了多期褶皱和逆冲，以及在1200–1150 Ma Shawinigan造山运动后隆升至高位的过程。Frontenac地体保存了罕见的Shawinigan期岩浆、变质和变形记录，表明UHT条件是通过Frontenac序列花岗质岩石在中地壳水平的就位实现的，这为压缩构造期间的平流岩浆加热提供了近距离热源。板块断离及相关软流圈上涌对于建立必要的热体制至关重要。后续变形反映了岩石圈拆沉及Ottawan期变形的影响。总之，该研究阐明了弧后盆地闭合、岩浆底垫和平流加热如何共同在造山带内产生极端热条件。