中大别超高压带中两类花岗片麻岩的锆石矿物包体及变质特点

<正>大别山,因含柯石英(Xu,1987;Okay et al.,1989;Wang et al.,1989)和金刚石(Xu et al.,1992)超高压变质带出露的规模巨大和岩石类型齐全而闻名于世。它是三叠纪华南板块向华北板块之下俯冲形成的碰撞型造山带,发育了与大陆俯冲-折返-碰撞过程相关的、不同变质等级的构造岩石单位(徐树桐等,2002),从南到北,大别山造山带主要包括宿松变质带、南大别低温榴辉岩带、中大别超高压变质带、北     

北大别罗田榴辉岩的原岩性质:微量元素及Sr-Nd-Pb同位素地球化学证据

近20年来,大别山造山带,因含柯石英和金刚石的超高压岩石的发现以及出露有大陆俯冲与碰撞过程中形成的不同构造岩石单位,一直是国内外的研究热点地区.其中,大别山超高压变质带由北大别杂岩带、中大别含柯石英超高压变质带和南大别低温榴辉岩带等三个不同的岩片组成.     

大别山花凉亭-弥陀剪切带与超高压变质岩片的斜向差异折返

超高压变质岩的折返过程是陆陆碰撞边界演化的关键问题。南倾的花凉亭-弥陀剪切带位于南大别低温-超高压变质 带和中大别中温-超高压变质带之间,矿物拉伸线理倾伏向为SE,逆冲和走滑分量大致相等。电子背散射衍射分析表明： 花凉亭-弥陀剪切带大多数样品的石英组构记录了上盘向NW的剪切变形,反映了中大别超高压变质岩向SE的快速折返, 而部分样品的石英具有上盘向SE的剪切指向,与早白垩世花岗岩穹隆发育导致的区域伸展有关。对前人的岩石学和年代学 成果进行总结,发现大别山进变质和超高压变质峰期/退变质的锆石U-Pb年龄从南往北逐渐变新,南大别和中大别在215~ 225 Ma同时经历了高压榴辉岩相退变质作用,在191~195 Ma经历了绿片岩相变质作用。超高压变质岩的白云母和黑云母的 40Ar/39Ar年龄靠近郯庐断裂时偏年轻,可能受到郯庐断裂活动的影响。南大别和中大别变质峰期温压的等值线与花凉亭-弥 陀剪切带的走向斜交,反映了超高压变质岩的斜向折返。因此,南大别低温-超高压变质带在~236 Ma最先开始折返,之后 中大别和北大别依次发生快速折返,具有不同折返速率和折返角度的构造岩片通过韧性剪切带调节相对运动。     

饶拔寨榴辉岩绿辉石中镁铁闪石及单斜钠长石出溶体

近年来,在北大别杂岩带中发现了榴辉岩[1～3]及榴辉岩相岩石[4,5],岩石地球化学及Sm-Nd和U-Pb同位素特征[6,7]证明,北大别杂岩带大多数属印支期扬子俯冲陆壳的一部分,引起了国内外学者的关注.相对于南大别超高压带中榴辉岩来说,北大别榴辉岩经历了麻粒岩相退变质阶段和燕山期热变质事件的影响,形成大面积强烈退变和相应的退变质显微构造.     

北大别的高温超高压变质作用与多阶段折返

近期的变质岩石学、地球化学及同位素年代学研究表明,北大别整体经历了高温超高压变质作用和多阶段折返历史,因而表现为广泛发育的多期减压结构和极少保留早期的超高压变质记录。北大别榴辉岩以高温变质作用以及折返期间因麻粒岩相和角闪岩相退变质变质作用而形成的多期后成合晶为显著特征。石榴子石中伴有放射状胀裂纹的单晶和多晶石英包体指示早期柯石英的转变结果,这已被锆石中发现的柯石英残晶所证实。结合北大别北部榴辉岩和片麻岩中发现的金刚石等超高压证据以及三叠纪变质记录,由此证明北大别整体经历过深俯冲和印支期超高压变质作用。北大别榴辉岩的多阶段高温条件主要来自石榴子石-绿辉石矿物对温度计、单斜辉石中紫苏辉石+石英针状矿物出熔体以及金红石中较高的Zr含量和变质锆石中较高的Ti含量等得出的温度证据。此外,多期后成合晶以及石榴子石和单斜辉石等矿物中成分分带的存在,证明该区榴辉岩经历了一个多阶段、快速折返过程;而不同变质阶段的温度、压力和形成时代,却反映该区榴辉岩经历了长时间的高温变质演化与缓慢冷却过程。长时间的高温变质作用与缓慢冷却过程也许正是北大别长期难以发现柯石英和有关超高压记录的重要原因。因此,这些成果为大别山三个不同超高压岩片的差异折返模型的建立提供了新的证据。     

北大别北东地区榴辉岩温度条件分析

北大别榴辉岩温度条件的精确评价直接涉及到北大别变质单元性质的判定.由于榴辉岩温度分类方案的不同,以及温度估算时温度计选择和绿辉石Fe2+校正方法不同的影响,导致北大别榴辉岩温度评价和分类归属具有较大的不确定性.为此,本研究应用5个不同的温度计和4种不同的绿辉石Fe2+校正方法,评价了北大别北东地区榴辉岩的温度条件.研究显示,当应用Kogh (2000)的Grt-Cpx Fe-Mg温度计和设定绿辉石的铁为Fe3+/Fe2+=1∶1时,温度计算较为合理:P标定=3.5 GPa,温度范围为600～740℃或P标定=5.0GPa,温度范围为670～ 810℃.参照Carswell (1990)的温度分类,北大别榴辉岩应属于中温类型.但结合此次榴辉岩的地质特征、岩相学和矿物成分分析,以及前人的研究资料,北大别榴辉岩与中大别和南大别榴辉岩有明显的差异,其可能是在相对高温的条件下形成的.     

北大别罗田榴辉岩的减压出溶结构与超高压变质作用

岩石学研究表明北大别罗田榴辉岩经过了榴辉岩相、麻粒岩相和角闪岩相变质作用,表现出多种减压出溶结构.特征性的减压出溶结构有单斜辉石和石榴石中分别发育石英+角闪石+斜长石等与金红石+单斜辉石+角闪石等针状矿物出溶体,以及锆石中含有柯石英残晶.这些进一步证明北大别南部（罗田一带）同北部（如黄尾河、百丈岩等地）榴辉岩一样经过了>5～7CPa的超高压变质作用.     

北大别的高温变质作用与部分熔融

<正>大陆俯冲带中高压-超高压榴辉岩及相关岩石的峰期及之后的变质温度确定是了解其岩石成因和演化的关键。然而,这些高级变质岩石由于常常形成于极端条件下(如超高温变质作用)而给温度估算带来巨大挑战。因为900℃的变质温度已明显高于大多数传统矿物对温度计的阳离子交换封闭温度(Baldwin et al.,2007),峰期变质温度的准确估计常受到退变质作用和冷却过程中矿物再平衡或重结晶的明显影响(Harley et al.,2008;Kooijman et al.,2012;Liu et al.,2015)。因此,目前流行的微量元素     

大别山榴辉岩中石榴石的结构水:红外光谱分析

对大别山(包括南大别和北大别)几个典型产地榴辉岩中的石榴石进行了傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析,结果显示所有石榴石颗粒都含有一定量的结构水,以OH-的形式存在,结构水含量w(H2O)最高可达1859×10-6。水含量在同一榴辉岩样品不同石榴石颗粒间表现出较大的差异,反映了原岩中水含量的不均一分布。与以前报道的南大别碧溪岭榴辉岩中石榴石情况相似,水含量的不均一性表明:①榴辉岩原岩经历的水-岩交换作用的方式是“隧道式”而非“弥散式”;②超高压变质过程中流体的活动性十分有限;③整个超高压板块俯冲-折返的过程十分快速。南大别石榴石水含量总体上高于北大别,这种差异可能与北大别所经历的高温麻粒岩相变质作用有关。     

大别地区的变质作用及与碰撞造山过程的关系

大别造山带从南到北可分为５个变质构造单元：扬子北缘蓝片岩带、突松变质杂岩带、南大虽碰撞杂岩带、北大别变质杂岩带和北淮阳变质带。各个变质构造单元中不同岩石的变质作用可划分为３种类型：（１）超高压型。以含柯石英（及金刚石）的榴辉岩为代表,仅见于南大别碰撞杂岩带中,这类岩石的ＰＴ轨迹反映洋壳Ｂ型俯冲的特点。（２）高压型。见于大别山南部的蓝片岩带、宿松变质杂岩带和南大别杂岩中的变质沉积岩及部分片麻岩中,与     

北大别超高压榴辉岩的快速折返与缓慢冷却过程

岩石学研究表明,北大别超高压榴辉岩经过了超高压和高压榴辉岩相变质作用以及麻粒岩相叠加和角闪岩相退变质作用.其中,高压麻粒岩相和角闪岩相变质阶段形成的后成合晶以及石榴子石和单斜辉石等矿物中成分分带的存在,证明该区榴辉岩经历了一个快速折返过程;而不同变质阶段的温度、压力和形成时代,却反映该区榴辉岩在峰期超高压变质作用之后又经历了一个缓慢冷却过程.超高压岩石折返期间的缓慢冷却过程也许正是北大别长期难以发现柯石英和有关超高压证据的重要原因.因此,本文为大别山不同超高压岩片的差异折返模型的建立提供了新的证据.     

北秦岭松树沟及其邻区高压-超高压榴辉岩的确定及其构造地质意义

详细的岩相学观察和激光拉曼矿物包裹体研究,在松树沟及其邻区秦岭群片麻岩中的榴闪岩和斜长角闪岩透镜体中发现了石榴石+绿辉石的典型榴辉岩相矿物组合,以及指示超高压变质的微粒柯石英包裹体,表明北秦岭松树沟及其邻区是超高压变质作用的产物。北秦岭松树沟超镁铁质岩体旁侧的榴闪岩一直以来都存在着接触交代变质(黄月华等,1984)、麻粒岩相变质(钱加慧等,2013)和退变榴辉岩(刘良等,2013;Zhang et al.,1999)等多种成因观点。本次研究在该榴闪岩的基质矿物角闪石的核部、石榴石变斑晶的幔部包裹体及锆石包体中都发现了残留绿辉石,而且发现石榴石变斑晶保存了很好的进变质矿物包裹体和主、微量元素成分环带,表明松树沟榴闪岩为榴辉岩相退变质的产物,至少经历了从角闪岩相到榴辉岩相再到角闪岩相的三阶段顺时针p-T演化。另外,采用激光拉曼光谱分析方法,对丹凤地区秦岭群片麻岩的多个榴闪岩和斜长角闪岩透镜体进行了详细的锆石包裹体矿物学分析,在其中的一个斜长角闪岩的锆石中发现了超高压矿物柯石英,表明该斜长角闪岩为超高压榴辉岩退变质的产物。LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究,得到松树沟榴辉岩的峰期变质年龄为(500±8)Ma,原岩结晶时代为(796±16)Ma;得到丹凤地区斜长角闪岩的峰期变质时代为(498±3)Ma,同时得到~450 Ma和~420 Ma两期退变质事件年龄;得到斜长角闪岩的围岩片麻岩的变质年龄为(502±4)Ma。其中榴辉岩和斜长角闪岩的~500 Ma的变质年龄分别来自锆石的石榴石+绿辉石以及柯石英包体的微区,应代表本区高压-超高压榴辉岩相变质的年龄。该年龄与秦岭岩群中已发现的官坡含金刚石榴辉岩(~500 Ma,杨经绥等,2002;陈丹玲等,2011)、清油河含金刚石斜长角闪岩(490±5.8 Ma;Wang et al.,2014)的峰期变质年龄一致,也与秦岭岩群区域片麻岩的~500 Ma的变质时代在误差范围内完全一致(刘良等,2013;Diwu et al.,2014),表明松树沟及其邻区榴辉岩与北秦岭造山带已发现的高压-超高压变质岩石一起都应是古生代大陆深俯冲作用的结果。     

北大别地体不同类型的变质p-t轨迹及其意义

在大别造山带中,北大别杂岩(NDC)作为一个高温混合岩地体,主要由丰富的条带状混合岩化片麻岩和少量的麻粒岩组成[1].由于以前其中高压/超高压变质证据(如Coe/Omp)的缺乏,北大别地体在更早曾被看作是一个非超高压单元,而区别于传统的南大别含柯石英的超高压榴辉岩单元或南大别杂岩(SDC).     

大别山超高压变质带中牛凸岭地区低温-高压榴辉岩的发现及其意义

依据时南大别超高压带腹地的榴辉岩野外地质调查、岩相学和热力学的研究表明,南大别腹地--牛凸岭地区榴辉岩属于低温高压榴辉岩,并未经历超高压变质作用.该地区榴辉岩的共生围岩主要为片岩、片麻岩和斜长角闪岩,石榴石多为自形-半自形,内含大量的早期矿物包体,峰期变质温压条件分别为:T=360～520℃;P=1.3～2.4GPa.对比南大别超高压榴辉岩形成的变质条件,两者压力差可达0.7GPa,约20km厚的地壳深度缺失.结合构造分析牛凸岭单元更类似于桐城-源潭铺高压块体,推测其属于构造上层部位岩片.     

大别山南部高压-超高压变质地体的峰期变质条件

长期以来,人们普遍认同南大别高压超高压变质地体是由“冷”、“热”榴辉岩带组成的观点,但关于两者的接触关系一直存在着不同的认识。本次研究重点解剖大别山太湖地区花凉亭水库附近地区,力图通过对各类榴辉岩峰期变质P-T条件的研究,揭示南大别变质地体的地质结构。全区由南向北出露4种岩石:云母片岩、黑云母片麻岩、花岗片麻岩和绿帘黑云斜长片麻岩。榴辉岩多呈大小不等的透镜体、岩块或层状分布于后3类岩石中。根据内洽地质温压计的计算结果,并结合各类榴辉岩的地理位置,可以看出榴辉岩的峰期变质PT条件自朱家冲经水口、大坝至金河桥是渐次增高的,并没有明显的压力差存在,其中水口、大坝附近的榴辉岩相当于高压/超高压过渡环境中形成的榴辉岩。因此,我们认为南大别变质地体是一个连续的整体,“冷”、“热”榴辉岩带并不是以断层形式相接触的;真正的断裂应位于南大别与宿松群之间。     

北大别洪庙榴辉岩相岩石Sm-Nd年龄:峰期变质时代

前人工作认为北大别榴辉岩在榴辉岩相变质后,经历了麻粒岩相退变质作用,因此获得的Sm-Nd矿物等时线年龄代表了麻粒岩相变质时代.本文对北大别安徽洪庙百丈岩榴辉岩相岩石(辉石石榴石岩)的研究表明,该岩石经历了三叠纪超高压变质作用,经历了角闪岩相退变质.所研究样品在峰期变质之后是否经历了麻粒岩相退变质尚不能明确界定.结合矿物氧同位素体系平衡判据,辉石石榴石岩在峰期变质时达到了Sm-Nd同位素体系的均一化和平衡,并且在后期角闪岩相退变质中该同位素体系未出现明显的扰动,因此其Sm-Nd矿物等时线年龄[(225±14)Ma和(229±13)Ma]代表了榴辉岩相变质时代.同时,样品中矿物的同位素组成表明,在俯冲板块折返和退变质过程中,岩石受到外来和内部流体的不均匀作用,造成退变的单斜辉石在同位素组成上的不均一.     

大别山东部含柯石英榴辉岩锆石U-Pb测年——多期超高压变质作用证据

大别造山带东段南、北大别两类不同产状的柯石英榴辉岩同位素地质年代学对比研究表明:(1)石马榴辉岩超高压变质事件发生于471±2Ma前,并受到海西斯热事件(榴辉岩重结晶)的迭加;(2)碧溪岭与超镁铁质岩共生的榴辉岩是晚元古代北大别古岛弧(镁铁—超镁铁质堆晶岩系)超高压变质作用的产物,镁铁—超镁铁质堆晶岩系可能形成于914±56Ma;(3)大别地区东部加里东期和印支期超高压变质带并置,反映了造山带形成多期“开”“合”的复杂演化史.     

南大别高压-超高压过渡类型榴辉岩的确定及其构造意义

通过对大别山太湖地区榴辉岩的岩石学、矿物成分和峰期变质P-T条件的研究表明,南大别榴辉岩可分为:①高压榴辉岩;②高压/超高压过渡榴辉岩;③超高压榴辉岩。它们的峰期变质P-T条件分别为:T=570℃～680℃,P=2.00 GPa～2.40 GPa;T=650℃～810℃,P=2.70 GPa～3.20 GPa;T=760℃～980℃,P=3.50 GPa～4.00 GPa,表明三类榴辉岩形成于不同的变质环境中。其中高压/超高压过渡榴辉岩是本次研究新近确定的,该类榴辉岩无论是在变质环境,还是在岩石结构、成分特征方面,均显示了高压-超高压过渡变质的特征。这种榴辉岩的存在解释了南大别变质块体俯冲时的连续性和折返后的断块特征。     

大别造山带超高压变质岩稳定同位素地球化学

通过对大别造山带超高压变质岩的氢、氧和碳同位素地球化学研究，发现了显著的稳定同位素异常。结果对扬子板块向华北板块的俯冲提供了如下化学地球动力学制约： (1)北大别榴辉岩和基性麻粒岩与南大别超高压榴辉岩和片麻岩一样，具有较低的δ 18O值，表明它们在板块俯冲前经历了高温地表水热液蚀变，在超高压变质阶段流体以亏损 13C为特征； (2)部分低δ 18O值榴辉岩的共存矿物对之间保存了氧同位素平衡分馏，记录了榴辉岩相变质温度，指示这些榴辉岩在地幔的居留时间较短，折返初期的冷却速率较大； (3)退变质作用过程中存在显著的差异性氢氧同位素交换，早期阶段流体具有内部缓冲性质，而晚期则具有外部来源； (4)东大别大理岩显著富集 13C，反映出其母岩灰岩的沉积环境为封闭的大陆边缘盆地，西大别苏家河大理岩的δ 13C值接近于正常海相碳酸盐，指示其母岩形成环境为宽广开阔的海洋。     

南大别太湖地区榴辉岩峰期变质温压条件及所揭示的构造含义

通过岩石学、矿物成分和峰期变质温压条件的研究表明，南大别变质块体由超高压带、高压/超高压“混合”带和高压带3个变质单元组成，具有区域上的温压渐变趋势。应用5个Grt-Cpx温度计和Grt-Cpx-Phe压力计。对榴辉岩的峰期变质温压条件计算显示，自北向南，可分为4个温压域，温度压力逐渐降低：760～950℃，3．5～4．1GPa→660-750℃，2．7～3．1GPa→640-780℃，2．0～2．7GPa→550～680℃，1．5～2．3GPa，这表明南大别变质块体在俯冲过程中是一个连续的块体。然而，超高压带和高压带之间的压力差异以及不同变质带内相邻榴辉岩之间的压力差、无序分布特征及其与围岩的构造接触关系显示，南大别变质块体经历了强烈的缩短过程，现今榴辉岩的分布特征反映的是折返至地表的状态。