岩石学报  2018, Vol. 34 Issue (12): 3671-3689   PDF    
北秦岭超高压地体折返过程中的多期次部分熔融
罗芬红 , 陈丹玲 , 宫相宽 , 唐文娟 , 胡育华 , 任云飞     
大陆动力学国家重点实验室, 西北大学地质学系, 西安 710069
摘要:本文对丹凤地区秦岭岩群含柯石英超高压变质地体长英质片麻岩中的混合岩化长英质浅色体和含石榴子石暗色包体的花岗质脉体进行了详细的矿物学、地球化学和锆石U-Pb年代学以及Lu-Hf同位素研究。其中,长英质浅色体显示了近原位熔融的高硅、富钾的过铝质花岗岩地球化学特征;锆石的CL图像呈灰黑色,均匀无结构或云雾状内部结构,Th/U比值< 0.008,并含有钾长石、斜长石、石英和磷灰石等包裹体,显示深熔锆石的特征;花岗质脉体暗色包体中的石榴子石显示核-边成分环带,其中核部成分与秦岭岩群长英质片麻岩中石榴子石成分一致,边部Sps含量升高,显示熔体改造或退变质扩散特征,寄主花岗质脉体显示重稀土强烈亏损的与石榴子石平衡的熔体特征,指示它们是秦岭岩群含石榴子石长英质片麻岩部分熔融的产物。锆石LA-ICP-MS定年得到长英质浅色体和花岗质脉体的结晶年龄分别为445±4Ma和420±1Ma,明显晚于本区的超高压变质时代,而与折返过程中麻粒岩相和角闪岩相退变质叠加的时代基本一致。结合区域地质和前人的研究成果,提出秦岭岩群在深俯冲板块的折返过程中,分别在445Ma和420Ma发生了两期部分熔融作用。
关键词: 北秦岭     超高压变质地体     折返     多期部分熔融     锆石U-Pb定年    
Multi-stages partial melting of North Qinling ultrahigh pressure metamorphic terrane during exhumation
LUO FenHong, CHEN DanLing, GONG XiangKuan, TANG WenJuan, HU YuHua, REN YunFei     
State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, China
Abstract: This paper presents an integrated study of petrography, geochemistry, zircon U-Pb dating and Lu-Hf isotopic composition on felsic leucosome and granite vein with garnet-bearing enclave from Dasigou coesite-bearing ultrahigh pressure metamorphic terrane in Qinling Group. The felsic leucosome occurs as migmatitic veins in felsic gneisses from Qinling Group, indicating they were crystallized from in-situ anatectic melt. Geochemical data show that felsic leucosome is peraluminous granite with high K2O and SiO2 contents. Zircons from felsic leucosome show no zoning or weak zoning, very low Th/U ratios (< 0.008) and contain micro-inclusions of plagioclase, quartz, K-feldspar and apatite, indicating that they are anatectic origin. Garnets from the granite vein with garnet-bearing enclave show obvious core-rim structure. The garnet cores are similar with garnets from HP-UHP garnet-bearing paragneisses in Qinling Group in composition and the garnet rims have higher Sps contents than cores, indicating that they were modified by anatectic melt or retrograde diffusion. The granite vein with garnet-bearing enclave shows strong LREE enrichment and HREE depletion patterns, suggesting the magma was in equilibrium with garnet, and was a partial melting product of garnet-bearing paragneisses in Qinling Group. Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating yielded crystallization ages of 445±4Ma and 420±1Ma for the felsic leucosome and granite vein with garnet-bearing enclave, respectively. These ages are obviously later than the UHP metamorphic age but similar with the granulite facies overprint and amphibolite facies retrograde ages of the UHP eclogites and felsic gneisses in North Qinling respectively. Combined with the previous results and the geological background, we propose that Qinling Group experienced two stages of partial melting at around 445Ma and 420Ma during exhumation.
Key words: North Qinling     HP-UHP metamorphic terrane     exhumation     multi-stages partial melting     LA-ICP-MS zircon U-Pb dating    

北秦岭构造带作为秦岭造山带的重要组成部分,记录了其早期的构造演化过程,其中的秦岭岩群是北秦岭构造带的最古老部分,一直受到普遍的关注(张国伟等, 2001; Meng and Zhang, 2000; 杨经绥等, 2002; Ratschbacher et al., 2003; 陈丹玲等, 2004; 陆松年等, 2006; Dong et al., 2011a, b, 2014; Dong and Santosh, 2016; 张建新等, 2011; Bader et al., 2013; 刘良等, 2013; Liu et al., 2016; Wu and Zheng, 2013; Wang et al., 2013, 2014)。近年来,随着秦岭岩群斜长角闪岩(退变榴辉岩)锆石包裹体中指示超高压变质的标型矿物金刚石(杨经绥等, 2002; Wang et al., 2014)和柯石英(宫相宽等, 2016)的相继发现和报道,围绕秦岭岩群的超高压变质岩石形成和演化过程的研究引起了大家的普遍关注(Wu and Zheng, 2013; Dong and Santosh, 2016; Liu et al., 2016及其参考文献)。秦岭岩群目前发现的高压-超高压岩石主要呈透镜状或岩墙状产于围岩片麻岩之中,与之密切伴生的是强烈的混合岩化作用,表现为长英质片麻岩中发育大量不同形态、不同规模和不同成分的混合岩化浅色体或脉体,而且早古生代花岗质岩体分布广泛,它们应该是北秦岭造山带古生代时期强烈构造热事件的记录。有关其形成机制和形成时代的研究可为北秦岭造山带古生代时期构造演化提供重要约束。

现有研究得到秦岭岩群混合岩化浅色脉体的形成时代变化于400~517Ma(向华等, 2014; Liu et al., 2014; Dong et al., 2011b; Bader et al., 2013; Faure et al., 2008; 毛小红等, 2017),如此大的年龄变化范围指示它们应该是多期次部分熔融的结果。但由于研究数据较为分散,尤其是缺乏系统的岩石学和地球化学研究,导致对其形成期次、成因和形成机制以及与区域古生代花岗质岩石的关系问题存在较大争议,有商丹洋向北俯冲引发岛弧地体部分熔融(向华等, 2014; Liu et al., 2014; Dong et al., 2011b)、区域麻粒岩相变质引发部分熔融(张建新等, 2011; 毛小红等, 2017)以及深俯冲陆壳折返过程的部分熔融(张成立等, 2013; 宫相宽, 2017)等不同认识。因此,详细厘定秦岭岩群部分熔融作用的成因、时限和形成机制,已成为北秦岭构造带早期构造格局和演化过程研究的关键问题之一。为此,本文选择东秦岭丹凤地区含柯石英超高压地体为重点研究区域,通过对该剖面秦岭岩群混合岩化片麻岩中的长英质浅色体和含石榴子石暗色包体花岗质脉体详细的岩石学、地球化学和年代学研究,探讨秦岭岩群部分熔融的时限、期次、成因和形成机制,进而为北秦岭早古生代的构造格局和演化过程提供重要约束。

1 区域地质背景

秦岭造山带是一条具有复杂物质组成和演化历史的复合型大陆碰撞造山带(张国伟等, 2001; Meng and Zhang, 2000)。以洛南-栾川-方城断裂、商丹断裂和巴山-勉略-大别断裂为界,秦岭造山带自北向南可划分为华北板块南缘、北秦岭、南秦岭和扬子板块北缘四大组成部分。北秦岭构造带是指商丹断裂带与洛南-栾川断裂之间的秦岭北部区域(图 1),由北向南依次由宽坪岩群、二郎坪岩群、秦岭岩群和丹凤岩群组成。其中,宽坪岩群主要由高绿片岩相-低角闪岩相变质的基性火山岩和陆源碎屑岩组成,最新年代学研究给出变基性火山岩的形成年龄为943Ma(第五春荣等, 2010)和1445Ma(Dong et al., 2014),而浅变质碎屑岩的形成年龄 < 600Ma(第五春荣等, 2010; Zhu et al., 2011; 高胜等, 2015),表明宽坪岩群是由形成于不同时代、不同构造背景的岩石单元经构造作用堆叠而成的混杂体(第五春荣等, 2010; Zhu et al., 2011; 高胜等, 2015; Dong et al., 2014)。二郎坪岩群由一套绿片岩-低角闪岩相变质的弧后盆地型蛇绿岩、基性火山岩、碎屑岩和少量大理岩组成(Dong et al., 2011a),其中基性火山岩和蛇绿岩的形成年龄为463~474Ma(Dong et al., 2011a; 陆松年等, 2009; 赵姣等, 2012; 杨士杰等, 2015),碎屑岩的最大沉积时限为~500Ma(杨敏等, 2016)。秦岭岩群曾被认为是北秦岭构造带的古老基底,为一套中深变质杂岩系,主体由长英质片麻岩、片岩和大理岩以及呈透镜状或似层状产出的斜长角闪岩和(退变)榴辉岩组成,岩石变形复杂并发育深熔作用。最新的年代学研究显示其主体可能形成于新元古代(时毓等, 2011; 万渝生等, 2011; Diwu et al., 2014; Shi et al., 2018)或中元古代至新元古代(陆松年等, 2009; 杨力等, 2010; 宫相宽, 2017)。近年来,在东秦岭多地秦岭群斜长角闪岩/榴闪岩透镜体中发现榴辉岩相变质矿物残留(Cheng et al., 2012; 陈丹玲等, 2015; Liao et al., 2016),在部分斜长角闪岩的锆石包裹体中甚至发现了超高压变质的金刚石(Wang et al., 2014)和柯石英(宫相宽等, 2016),结合已有的对北秦岭官坡地区含金刚石榴辉岩(杨经绥等, 2002)和松树沟超高压长英质片麻岩的最新研究结果(Liu et al., 2003, 2016),表明北秦岭造山带存在巨量陆壳物质的深俯冲(刘良等, 2013; Liu et al., 2016; Wu and Zheng, 2013; Wang et al., 2013, 2014; Zhang et al., 2015; 陈丹玲和刘良, 2011; 陈丹玲等, 2015; 宫相宽等, 2016)。定年结果得到了~500Ma、~450Ma和~420Ma三组变质年龄。其中~500Ma的变质年龄与含金刚石(Wang et al., 2014)和含柯石英(宫相宽等, 2016)微区的变质时代一致,被认为代表了超高压变质岩峰期变质时代;但对后两组年龄存在不同的认识,有人认为代表超高压榴辉岩折返过程中所经历的麻粒岩相和角闪岩相退变质叠加(Wu and Zheng, 2013; Wang et al., 2013, 2014; 刘良等, 2013; Liao et al., 2016; 宫相宽等, 2016),但也有学者认为是记录了秦岭岩群的两次区域性的麻粒岩相和角闪岩相变质事件(张建新等, 2009, 2011)。丹凤岩群主体由一套绿片岩相至低角闪岩相的火山-沉积岩系组成,形成于洋内岛弧构造环境(张旗等, 1995; 张成立等, 2004)。新近,在西秦岭的岩湾、关子镇、武山等地发现典型的N-MORB和E-MORB型蛇绿岩,发育时代为534~500Ma(Dong et al., 2011a, 2015; Li et al., 2015)。

图 1 北秦岭构造带区域地质简图及采样位置(据Wang et al., 2011修改) Fig. 1 Simplified geological map of North Qinling orogen and sample locations (modified after Wang et al., 2011)
2 样品产状与岩石学特征

本文研究样品采自丹凤县城东北大寺沟地区。本区的秦岭岩群主体由含石榴子石夕线黑云斜长片麻岩组成,少量榴闪岩/斜长角闪岩呈透镜体状产于片麻岩中,片麻岩发育强烈的混合岩化,表现为长英质片麻岩中发育大量不规则状、网脉状的长英质浅色体(图 2a, b)或含石榴子石暗色包体的花岗质脉体(图 3a, b)。详细的岩石学研究,在区内榴闪岩/斜长角闪岩透镜体的锆石包裹体中发现了石榴子石、绿辉石和金红石等榴辉岩相的矿物组合,并在其中的一个斜长角闪岩的锆石包裹体中发现了柯石英,表明区内斜长角闪岩/榴闪岩是退变的超高压榴辉岩(宫相宽等, 2016)。年代学研究获得含柯石英的斜长角闪岩和围岩长英质片麻岩具有相同的496~501Ma的峰期榴辉岩相变质年龄以及451~453Ma和408~425Ma的两期连续的退变质年龄(宫相宽等, 2016),指示本区秦岭岩群应该经历了陆壳的深俯冲和两阶段的折返。

图 2 秦岭岩群长英质片麻岩中混合岩化长英质浅色体特征 野外(a)和手标本(b)照片;(c)长英质浅色体显微照片,白云母在粒间呈细小鳞片状;(d)长英质浅色体矿物组合,白云母呈港湾状 Fig. 2 Characteristics of felsic leucosome from migmatitic paragneisses in Qinling Group Photographs of field occurrence (a) and hand specimen (b); (c) muscovite occurs as little pieces between other minerals; (d) muscovite from the felsic leucosome with harbour shape

图 3 含石榴子石暗色包体花岗质脉体野外产状(a、b)和显微结构照片(c、d) (a)秦岭岩群长英质片麻岩中的花岗质脉体;(b)含石榴子石暗色包体与寄主花岗质脉体;(c)花岗质脉体镜下特征;(d)含石榴子石暗色包体镜下特征 Fig. 3 Field occurrence (a, b) and microtextures (c, d) of granite vein with garnet-bearing enclave (a) granite vein with garnet-bearing enclave in paragneisses of Qinling Group; (b) garnet-bearing enclaves and the host granitic vein; (c) microtextures of host granitic vein; (d) microtextures of garnet-bearing enclaves

本文研究样品为该剖面片麻岩中的长英质浅色体和含石榴子石暗色包体的花岗质脉体。其中,长英质浅色脉体呈白色,宽度几厘米到几十厘米,平行或切穿区域片麻理(图 2a, b),块状构造,中粗粒半自形-自形粒状结构。主要由钾长石(Kfs, 30%~35%)、斜长石(Pl, 25%~35%)、石英(Qtz, 20%~25%)、白云母(Ms, 3%~5%)和极少量黑云母(~1%)组成,白云母多呈港湾状或细小鳞片状(图 2c, d),副矿物为锆石、榍石、磷灰石等。

含石榴子石暗色包体花岗质脉体为灰白色,呈脉状产于秦岭岩群长英质片麻岩中(图 3a),脉宽1~2m,脉体走向与围岩片麻理平行。主要由细粒的钾长石(25%~30%)、斜长石(20%~25%)、石英(30%~35%)、黑云母(Bt, 7%~10%)和白云母(3%~5%)组成,半自形-他形粒状结构(图 3c, d),块状构造(图 3b)。其中的暗色包体粒径变化于0.5~1cm,与寄主花岗质脉体呈过渡关系,主要由石榴子石、黑云母和斜长石组成,黑云母和斜长石含量高于寄主岩石,石榴子石(Grt)仅见于暗色包体中。

3 样品处理和分析方法

本文锆石的分选在河北省地勘局廊坊区调研究所实验室完成,其余的分析测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。其中电子探针在JEOL JXA-8230型电子探针分析仪(EPMA)上进行。分析条件为:加速电压15kV,束流1×10-8A,束斑1μm,所用分光晶体分别为TAP(Si、Al、Mg、Na),LiF(Fe、Mn)以及PET(K、Ca、Ti、P)。锆石的激光拉曼包裹体分析采用英国Renishaw公司生产的型号为inVia的激光拉曼分析仪,仪器的重复性小于±2.0个波数,硅的三节峰性噪比大于10:1,空间分辨率横向为1μm,纵向为2μm,激光阻挡水平优于1014;全范围无等离子线,光谱范围100~9000cm-1

锆石定年是将分离出的锆石在显微镜下挑选无裂隙、透明颗粒用环氧树脂固定,制成锆石靶,用抛光液抛光后,用超声波去除表面残留再进行光学(透射光和反射光)和阴极发光(CL)观察,最后利用LA-ICP-MS进行锆石的U-Th-Pb同位素分析。其中锆石的CL图像拍摄由加载在FEI Quanta 400 FEG扫描电镜上的英国Gatan公司的Mono CL3+型阴极发光探头完成。锆石微量元素分析和U-Pb年龄测定在Hewlett Packard公司的Agilient 7500a ICP-MS,德国Lambda Physik公司的ComPex102 Excimer激光器(工作物质ArF,波长193nm)以及MicroLas公司的GeoLas 200M光学系统的联机上进行,激光束斑直径为30μm,激光剥蚀样品的深度为40μm。同位素比值及元素含量采用Glitter(Ver4.0)程序获得,以标准锆石91500为外标进行同位素比值校正,元素浓度用NIST 610作外标,用29Si作内标;锆石的U-Th-Pb年龄计算及谐和图的绘制用Isoplot(Ver2.49)完成。锆石原位Lu-Hf同位素的测定是在配备了Geolas 2005激光剥蚀系统的Nu Plasma HR (Wrexham, UK)多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)上完成,激光剥蚀的脉冲频率10Hz,激光束斑为44μm,测试时使用锆石国际标样91500作为外部标样。εHf(t)的计算采用176Lu衰变常数为1.867×10-11/a(Scherer et al., 2001),球粒陨石现今的176Hf/177Hf=0.282772,176Lu/177Hf=0.0332(Blichert-Toft and Albarède, 1997),两阶段Hf模式年龄计算(tDM2)采用大陆地壳平均值176Lu/177Hf=0.015。

全岩主量元素分析采用日本理学RIX 2100型号荧光光谱仪(XRF)自动进样系统进行测试。测试过程中采用BCR-2和GBW07105标样以及重复样监控,分析精度一般优于±2%。全岩微量和稀土元素分析用Agilient 7500a电感耦合等离子质谱仪完成,测试过程中采用USCG标样BHVO-2、AGV-2、BCR-2、GSP-2以及重复样监控,分析精度对大多数元素优于10%。

4 分析结果 4.1 石榴子石的化学组成

为研究含石榴子石暗色包体成因,对暗色包体中的石榴子石进行了电子探针剖面分析(表 1图 4)。结果可见,该石榴子石成分以铁铝榴石为主,其端元组成为Alm80.52-85.63Sps2.83-11.69Pyr3.61-12.93Grs2.71-4.18,而且保存了较好的成分环带(图 4),表现为从核部到边部,Alm组分先升高后在最边部略有降低,Sps和Grs组分连续升高,Pyr组分持续降低。

表 1 含石榴子石暗色包体花岗质脉体中石榴子石电子探针分析结果(wt%) Table 1 Garnet composition of the garnet enclave-bearing granite vein (wt%)

图 4 含石榴子石暗色包体花岗质脉体中石榴子石特征及成分剖面 Fig. 4 Morphology and composition profile of garnet from granite vein with garnet-bearing enclave
4.2 锆石U-Pb年代学 4.2.1 混合岩化长英质浅色体

长英质浅色体中的锆石为自形柱状形态,粒径介于50~400μm。CL图像(图 5a)上可见锆石内部发光性差,为灰黑色,均匀无结构或斑杂状结构,含有斜长石、钾长石、石英和磷灰石等包裹体(图 6)。所有测点均具有较低的Th含量(12.03×10-6~42.08×10-6)和非常高的U含量(1936×10-6~6074×10-6)以及很低的Th/U比值(0.002~0.008)(表 2)。LA-ICP-MS定年结果显示,锆石主体测点的206Pb/238U年龄介于440~449Ma之间,加权平均年龄为445±4Ma(MSWD=0.35,n=10)(图 5b)。锆石稀土元素分析结果见表 3,在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图上(图 5c),所有测点具有一致的轻稀土亏损、重稀土富集的特征,有明显的Eu负异常,部分测点Eu的正异常可能与锆石中的斜长石包裹体有关。

图 5 长英质浅色体的锆石CL图像、U-Pb年龄及εHf(t)值(a)、U-Pb年龄谐和图(b)和球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(c) Fig. 5 Cathodoluminescence (CL) images, U-Pb dating and εHf(t) values (a), U-Pb concordia diagrams (b) and chondrite-normalized rare-earth element (REE) patterns (c) of zircons from felsic leucosome

图 6 长英质浅色体锆石中的矿物包裹体及拉曼图谱 Fig. 6 Plane-polarized (PL) images and representative Raman spectra of mineral inclusions in zircons from felsic leucosome

表 2 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析结果 Table 2 Zircon U-Pb isotope data obtained by LA-ICP-MS

表 3 LA-ICP-MS锆石稀土元素分析结果(×10-6) Table 3 LA-ICP-MS trace element analyses of zircon (×10-6)
4.2.2 含石榴子石暗色包体花岗质脉体

花岗质脉体中锆石主体呈自形柱状形态,粒径介于100~300μm,显示清晰的振荡环带内部结构(图 7),21个测点的206Pb/238U年龄变化于413~427Ma(表 2),在U-Pb谐和图上形成一个良好的年龄集中区(图 8a),加权平均年龄为420±1Ma(MSWD=0.2)。这些测点具有重稀土明显富集型稀土配分模式和明显的Eu负异常(图 8b);具有明显较高的Th、U含量(分别变化于50.27×10-6~719×10-6和151×10-6~2522×10-6)和较高的Th/U比值(0.06~1.07)。在少量锆石中可见有继承性残核,发光较弱,具有弱的振荡环带(图 7)。4个来自锆石核部测点的Th、U含量相对较低(分别为46.81×10-6~164×10-6,500×10-6~1954×10-6),Th/U比值为0.02~0.30;稀土配分曲线特征与边部测点相似(图 8b),但数据点位于U-Pb谐和线右侧(图 8a),指示发生了Pb丢失,没有得到可信继承年龄。

图 7 含石榴子石暗色包体花岗质脉体锆石CL图像、年龄以及εHf(t)值 Fig. 7 Cathodoluminescence (CL) images, U-Pb dating and εHf(t) values of zircons from granite vein with garnet-bearing enclave

图 8 含石榴子石暗色包体花岗质脉体锆石U-Pb年龄谐和图(a)和球粒陨石标准化稀土元素配分图解(b) Fig. 8 U-Pb concordia diagram (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) of zircons from granite vein with garnet-bearing enclave
4.3 锆石Lu-Hf同位素分析

为探讨长英质浅色体和花岗质脉体的来源,在U-Pb定年的同时进行了锆石Lu-Hf同位素分析(表 4)。长英质浅色体中锆石的176Lu/177Hf比值变化于0.000652~0.001678,均小于0.002,说明锆石在形成以后放射性成因Hf的积累很少,因此锆石的176Lu/177Hf比值可以代表锆石形成时的176Lu/177Hf比值。锆石的176Hf/177Hf比值变化于0.282262~0.282318,以长英质浅色体结晶年龄445±4Ma计算得到的εHf(t)值变化于-8.67~-6.53。

表 4 锆石Lu-Hf同位素分析结果 Table 4 Zircon Lu-Hf isotope data obtained by LA-MC-ICP-MS

花岗质脉体所有锆石测点的176Lu/177Hf比值变化于0.000093~0.001403,也均小于0.002。锆石的176Hf/177Hf比值变化于0.282286~0.282474,按照花岗质脉体结晶年龄420±1Ma计算,得到其εHf(t)值变化于-8.34~-1.51。在εHf(t)-t图中,长英质浅色体和花岗质脉体锆石测点均位于球粒陨石演化线以下(图 9)。

图 9 长英质浅色体和含石榴子石暗色包体花岗质脉体锆石εHf(t)-t图解(据吴福元等, 2007) Fig. 9 εHf(t) vs. t diagram of zircons from felsic leucosome and granite vein with garnet-bearing enclave (after Wu et al., 2007)
4.4 岩石地球化学 4.4.1 主量元素

长英质浅色体有具有高SiO2(72.58%~75.04%)、Al2O3(13.92%~15.78%)和高钾(K2O=6.34%~7.26%)高钠(Na2O=2.31%~3.22%)的特征,铝饱和指数A/CNK=1.09~1.11,Na2O/K2O为0.32~0.51 (表 5)。Fe2O3T、TiO2、MgO和CaO含量均较低,分别为0.17%~0.58%,0.01%~0.07%,0.08%~0.22%和0.46%~0.96%,显示过铝质富碱的特征(图 10)。

表 5 全岩主量(wt%)及稀土和微量元素(×10-6)分析结果 Table 5 Major (wt%) and trace (×10-6) element compositions of samples

图 10 花岗岩判别图解 (a) A/CNK-A/NK图解(Maniar and Piccoli, 1989);(b)花岗岩K2O-Na2O图解(Collins et al., 1982);(c)花岗岩SiO2-K2O图解(Peccerillo and Taylor, 1976);(d) An-Ab-Or三角图解(Barker, 1979) Fig. 10 Classificatory diagrams of granite

含石榴子石暗色包体花岗质脉体也显示出高SiO2(73.14%~73.29%)、高Al2O3(13.75%~13.94%)和富碱(K2O=5.64%~6.07%,Na2O=2.61%~2.86%)的特征,Na2O/K2O为0.44~0.51,CaO为1.12%~1.21%,Fe2O3T、MgO和MnO分别为1.25%~1.45%、0.34%~0.40%和0.01%~0.02%,铝饱和指数A/CNK=1.05~1.09,属过铝质S型花岗岩系列(图 10)。

4.4.2 微量元素

长英质浅色体稀土元素含量低(∑REE=6.39×10-6~33.47×10-6),轻稀土相对富集,重稀土亏损(LREE/HREE=4.82~6.86),在球粒陨石标准化稀土元素配分图解中(图 11a),显示为右倾型配分曲线,Eu正异常明显(δEu=3.38~8.74)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图 11b),该样品具有明显的Rb、Ba、Sr、K和Pb正异常,Nb、Ta、Zr、Hf和Ti的负异常。

图 11 长英质浅色体和含石榴子石暗色包体花岗质脉体球粒陨石标准化稀土配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 11 Chondrite normalized rare-earth element diagram (a) and primitive mantle-normalized multi-element spidergram (b) of felsic leucosome and granite vein with garnet-bearing enclave (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

含石榴子石暗色包体花岗质脉体的稀土总量明显升高(∑REE=329×10-6~353×10-6),轻、重稀土分馏明显(LREE/HREE=20.4~21.5)。在球粒陨石标准化配分图解中(图 11a)表现为轻稀土明显富集、重稀土强烈亏损以及明显的Eu负异常(δEu=0.28~0.37)特征。在微量元素原始地幔标准化蛛网图中(图 11b),相对富集Rb、Th和K等大离子亲石元素(LILEs),亏损Nb、Ta和Ti等高场强元素(HFSEs)。

5 讨论 5.1 秦岭岩群的两期次部分熔融作用

秦岭岩群混合岩化发生的时间及机制,一直是研究者比较关心的问题,虽然取得了一些研究成果(Faure et al., 2008; Dong et al., 2011b; Bader et al., 2013; 向华等, 2014; Liu et al., 2014; 毛小红等, 2017),但始终存在争议。

本文研究的长英质浅色体和含石榴子石暗色包体花岗质脉体来自丹凤大寺沟含柯石英超高压地体。其中长英质浅色体呈无根的网脉状产于秦岭岩群片麻岩中,与围岩产状大致协调,显示了原地或近源聚集的特征(于胜尧等, 2016)。浅色体的锆石显示了灰黑色均匀无结构或斑杂状内部结构(图 5a),以及低Th、高U和低Th/U比值(0.002~0.008)的特点,与前人研究的变质深熔锆石特征一致(吴元保和郑永飞, 2004; 陈仁旭和郑永飞, 2013; Imayama et al., 2012)。结合锆石中发现的与浅色体矿物组合一致的石英、斜长石、钾长石和磷灰石等显微包裹体矿物的存在(图 6),证明研究的锆石结晶于深熔熔体,锆石的形成年龄应代表部分熔融熔体的形成时代。

另外,岩石地球化学研究显示,该浅色体具有高硅、富K2O(>3%)的过铝质花岗岩特征,与富泥质碎屑岩部分熔融的熔体成分相近(Yu et al., 2015),锆石εHf(t)较大的负值也符合熔体来源于壳源岩石部分熔融的结果。因此,综合浅色体的产状及其中锆石的包裹体、内部结构、微量元素特征及定年结果,我们认为该浅色体是秦岭岩群片麻岩在445Ma时发生的一次部分熔融作用的产物。浅色体所具有的低∑REE含量、正Eu异常和较高的Sr含量特征,应该与熔体中长石的堆晶作用有关(Brown, 2013; Milord et al., 2001)。

含石榴子石暗色包体花岗质脉体呈明显脉状产于片麻岩之中(图 3),具有晚期熔体的产状特征。分离自脉体中的锆石具有与深熔锆石明显不同的特征,显示了自形的柱状形态,清晰的岩浆振荡环带结构、较高的Th、U含量和Th/U比值,因此,420±1Ma的定年结果代表较晚的一期部分熔融事件。对脉体的暗色包体中的石榴子石成分分析,显示出明显的成分环带,从核部到边部Alm组分先升高后在最边部略有降低,Grs和Sps组分边部略有升高,Pyr组分持续降低。如果将其与围岩秦岭群长英质片麻岩和剖面上退变榴辉岩中石榴子石的成分进行对比(图 12)可发现,暗色包体石榴子石的核部成分与围岩秦岭岩群片麻岩中的石榴子石成分一致而与退变榴辉岩中石榴子石明显不同,暗示暗色包体中的石榴子石可能是长英质片麻岩部分熔融的残留体,边部Sps的升高可能与熔体的改造有关,也或者与原岩退变质扩散有关。结合寄主花岗质脉体显示的轻稀土富集,重稀土强烈亏损的与石榴子石平衡熔体的稀土配分曲线特征,我们认为该花岗质脉体得到的420±1Ma的定年结果指示秦岭岩群片麻岩在该时期发生了部分熔融作用。

图 12 含石榴子石暗色包体花岗质脉体中石榴子石端元组分图解 变基性岩数据陈丹玲等,2015王亚伟,2015宫相宽, 2017, 副片麻岩数据宫相宽,2017 Fig. 12 Garnet composition diagram of granite vein with garnet-bearing enclave The data of metebasites are from Chen et al., 2015; Wang, 2015; Gong, 2017, and the data of paragneiss is from Gong, 2017

本文浅色体和花岗质脉体的研究结果,表明本区的秦岭岩群在445Ma和420Ma发生了两期的部分熔融事件,两者成分的差异可能与部分熔融程度和熔体的堆晶作用有关。浅色体明显低的稀土元素含量,尤其是Eu的正异常(图 11a)指示发生了斜长石的堆晶作用(Milord et al., 2001; Brown, 2013; 于胜尧等, 2016)。由于退变质以及强烈深熔作用的影响,浅色体和花岗质脉体的围岩-石榴子石夕线黑云斜长片麻岩的变质作用条件无法准确获得,我们利用锆石的Ti含量温度计,计算得到浅色体和花岗质脉体中的锆石平均结晶温度分别为735~847℃和628~751℃(Ferry and Watson, 2007)。该结果与邻区寨根退变榴辉岩和清油河高压-超高压变质地体中麻粒岩相(T=795~855℃, P=8.3~10kbar, Liao et al., 2016)和角闪岩相(T=696±56℃, P=14±3kbar, Cheng et al., 2012)退变质改造的温压条件相似,暗示本文研究的两期部分熔融作用可能与本区高压-超高压峰期之后的麻粒岩-角闪岩相退变质叠加作用有关。

那么,本区岩石的两期部分熔融事件是普遍现象还是局部事件?为探讨该问题,我们收集汇总了前人对秦岭岩群长英质片麻岩中浅色脉体的年代学研究结果(图 13)。从图中可见,绝大多数浅色体给出的部分熔融年龄变化于400~460Ma之间并且在~420Ma和~440Ma形成两个明显的峰值,该峰值与本文研究的长英质浅色体和含石榴子石暗色包体花岗质脉体得到的秦岭岩群长英质片麻岩两期部分熔融的时间(分别为445±4Ma和420±1Ma)在误差范围内完全一致。因此,结合本文的矿物学和地球化学研究结果,我们认为秦岭岩群分别在440Ma和420Ma时期发生了两期较明显的部分熔融事件。

图 13 秦岭岩群中深熔浅色体年龄累计频率图 数据来自本文以及向华等, 2014; Liu et al., 2014; Dong et al., 2011b Fig. 13 Cumulative frequency diagram of zircon ages of anatexis leucosomes in Qinling Group The data are from Xiang et al., 2014; Liu et al., 2014; Dong et al., 2011b and this paper
5.2 构造地质意义

秦岭岩群的两期次部分熔融作用是在什么样的背景和动力学机制下发生?这个问题始终存在争议。其中代表性观点认为:形成于商丹洋向北俯冲过程中岛弧地体的部分熔融(向华等, 2014; Liu et al., 2014; Dong et al., 2011b);形成于深俯冲超高压地体折返过程中的部分熔融(张成立等, 2013)或者是大陆碰撞造山后广泛存在的区域麻粒岩相-角闪岩相变质事件导致的部分熔融(张建新等, 2011)。本文的研究结果应该支持第二种观点,即秦岭岩群的两期次部分熔融作用发生于深俯冲板片折返过程。首先,本剖面及邻区秦岭岩群斜长角闪岩锆石包裹体中柯石英和金刚石的发现(Wang et al., 2014; 宫相宽等, 2016),以及松树沟长英质片麻岩指示超高压变质的矿物出溶结构的发现(Liu et al., 2003, 2016)表明北秦岭秦岭岩群发生过陆壳的深俯冲作用(刘良等, 2013; Liu et al., 2016; Wu and Zheng, 2013; Wang et al., 2013, 2014; Zhang et al., 2015; 陈丹玲和刘良, 2011; 陈丹玲等, 2015; 宫相宽等, 2016; 张建新等, 2011)。大量的年代学研究,获得秦岭岩群的变质年龄主要集中在~500Ma、~450Ma和420Ma,其中~500Ma的变质年龄与含柯石英和含金刚石微区得到的变质年龄一致(Wang et al., 2014; 宫相宽等, 2016),而且,从锆石CL图像(刘良等, 2013; 宫相宽等, 2016; Liao et al., 2016)可见,峰期和两期退变质时代均来自同一颗锆石的不同环带,以及Liao et al. (2016)通过对寨根地区退变榴辉岩的岩相学和变质P-T轨迹研究,表明超高压变质以及其后的两期退变质构成一个连续的俯冲和折返事件,无疑表明秦岭岩群在~500Ma的早古生代时期发生过陆壳的深俯冲(刘良等, 2013; Liu et al., 2016; Wu and Zheng, 2013; Wang et al., 2013, 2014; Zhang et al., 2015; 陈丹玲和刘良, 2011; 陈丹玲等, 2015; 宫相宽等, 2016; 张建新等, 2011),并在~450Ma和~420Ma发生了两期退变质的叠加改造;本文研究获得的部分熔融浅色体和含暗色包体花岗质脉体的形成年龄(~445Ma和~420Ma)明显晚于~500Ma的深俯冲超高压变峰期变质年龄,而与折返过程中的麻粒岩相和角闪岩相退变质年龄(分别为~450Ma和~420Ma, Liao et al., 2016; 王亚伟, 2015; 宫相宽等, 2016)几乎一致,而且在花岗岩的构造环境判别图(图 14)中,花岗质脉体的所有测点均落入造山后成因花岗岩的范围内。其次,本文研究的花岗质脉体中暗色微粒包体中的石榴子石的核部成分与围岩秦岭岩群片麻岩中石榴子石的成分特征一致(图 12)且其边部显示了熔体改造或退变质扩散的特征,指示该石榴子石来源于片麻岩部分熔融的残留;而且寄主花岗质脉体也显示出一种明显的轻稀土富集、重稀土强烈亏损(图 11)的与石榴子石平衡的熔体特征(Auzanneau et al., 2006)。具有这种特征的花岗质岩石一般有两种成因,一种是岩石在较高压力条件下发生部分熔融的产物,常见于板块俯冲环境(张旗等, 2010);或者是经历过高压变质的含石榴子石岩石在退变质阶段(比如,俯冲板块的折返阶段)发生部分熔融的结果(Chen et al., 2012及其参考文献);因此,我们认为秦岭岩群中广泛存在的长英质浅色体和花岗质脉体主体是深俯冲的秦岭岩群折返过程中发生部分熔融的结果。

图 14 含石榴子石暗色包体花岗质脉体构造环境判别图(据Maniar and Piccoli, 1989) IAG-岛弧花岗岩;CAG-大陆弧花岗岩;CCG-大陆碰撞花岗岩;POG-造山后花岗岩;RRG-与裂谷有关的花岗岩;CEUG-陆内造陆运动隆起花岗岩 Fig. 14 Tectonic discrimination diagrams for garnet enclave-bearing granite vein (after Maniar and Piccoli, 1989) IGA-Island Arc Granite; CAG-Continental Arc Granite; CCG-Continental Collision Granite; POG-Post-Orogenic Granite; RRG-Rift-Related Granite; CEUG-Continental Epeirogeny Uplift Granite

另外,秦岭造山带内还存在与高压-超高压变质作用时代相近的早古生代的花岗质岩体,它们主要发育在由商丹断裂带和洛南-栾川-方城断裂限定的北秦岭范围内(图 1),形成时代主要集中于500~410Ma之间,可划分为499~495Ma、464~449Ma和417~413Ma三期(刘丙祥, 2014; 张成立等, 2004, 2013; 雷敏, 2010; 王涛等, 2009; 王晓霞等, 2015),其中第一期和第三期岩体的规模较小,~450Ma的第二期最为广泛和强烈。对于这三期花岗质岩石的成因和形成机制也存在不同的观点,部分学者依据花岗岩体基本位于商丹缝合带北侧,不越过商丹带且无明显变质作用,认为它们是商丹洋持续向北俯冲和碰撞以及抬升的结果(Wu and Zheng, 2013; Dong and Santosh, 2016)。张成立等(2013)则依据这三期花岗质岩石的侵位时代与北秦岭高压-超高压变质岩石的峰期变质以及两期退变质的时代大致相同,并结合不同期次花岗质岩石的野外产状和地球化学特征,提出北秦岭古生代的三期岩浆作用是陆壳岩石俯冲/深俯冲与折返过程的岩浆作用响应,其中,~500Ma的花岗岩形成于陆壳俯冲地壳加厚背景;464~449Ma的第二期形成于俯冲/深俯冲板片断离之后;417~413Ma的第三期形成于伸展构造环境(张成立等, 2013)。本文对丹凤超高压地体长英质片麻岩中浅色体和花岗质脉体的研究结果与北秦岭秦岭岩群早古生代第二和第三期花岗岩的形成时代和构造背景吻合,为北秦岭早古生代花岗质岩浆活动是古生代时期大陆深俯冲和折返过程岩浆响应的观点提供了直接的矿物学和岩石学证据。随着超高压岩体折返过程中压力的降低,易熔组分发生阶段性不同程度和规模的部分熔融,从而形成不同规模的各类浅色体、脉体和花岗岩体。

6 结论

(1) 矿物学、岩石学、地球化学研究表明,丹凤大寺沟长英质片麻岩中的浅色体和含石榴子石暗色包体的花岗质脉体是秦岭岩群长英质片麻岩分别在445Ma和420Ma发生两期次部分熔融的结果。

(2) 秦岭岩群的两期次部分熔融作用发生于深俯冲陆壳的折返阶段。

(3) 秦岭岩群古生代的多期次花岗质岩浆作用是大陆深俯冲及其折返过程的岩浆响应。

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