2021, Vol. 37
高压-超高压变质岩石的出露遍布全球，它们通常记录了地质历史上地壳物质俯冲到地幔深度遭受高压-超高压变质作用，而后又折返到地表的过程(李继磊等, 2017)。研究这些岩石可以直接或间接了解俯冲带、大陆碰撞造山带内长时间跨度的地球动力学过程和物理化学状态(Chopin, 1984; Liou et al., 2009; Zheng et al., 2012)。目前的研究已经对高压-超高压变质作用过程中俯冲地壳物质的矿物相变和变质演化有了较深入的认识，但是在高压-超高压变质岩石的形成机制和折返就位过程方面的研究相对薄弱(李继磊等, 2017)。变质作用P-T-t轨迹记录了变质岩石曾经所处变质环境的压力(P)和温度(T)随着时间(t)连续变化的历史，建立变质岩石的变质作用P-T-t轨迹可以有效反映大地构造环境及地球动力学演化信息，目前已得到广泛应用(Xiao et al., 2001; Zhang et al., 2020; Liu et al., 2020; Li et al., 2021)。
大别山是三叠纪扬子板块向华北板块之下俯冲-碰撞形成的造山带，包含南大别低温榴辉岩带、中大别超高压变质带和北大别杂岩带等3个含榴辉岩的岩石单位，简称南大别、中大别和北大别(古晓锋等, 2013)，其中北大别以榴辉岩相变质后又经历了麻粒岩相变质有别于其它两个单元(Xu et al., 2000; 刘贻灿等, 2011)。目前普遍认为北大别呈现出顺时针的P-T轨迹(即超高压变质阶段、榴辉岩变质阶段、麻粒岩相变质阶段和角闪岩相变质阶段)。但是有学者将超高压变质作用与碰撞阶段联系起来(Ames et al., 1993)，这可能有待商榷，例如，在北美弗朗西斯科杂岩带中发现有大量蓝片岩和榴辉岩出露(Wakabayashi, 2015)，而太平洋并未闭合，这意味着高压-超高压变质作用与碰撞事件可能并不耦合，峰期变质发生的时间可能仍处在俯冲阶段。
北大别饶拔寨变质时代的厘定缺乏高精度手段的约束，从而极大限制了对北大别饶拔寨镁铁-超镁铁岩变质演化历史的认识。目前已有的研究大多是根据榴辉岩中矿物(石榴子石-绿辉石)的Sm-Nd年龄(Liu et al., 2005; 李曙光等, 1989; Li et al., 1994)和榴辉岩中锆石单颗粒U-Pb定年(刘贻灿等, 2000)。然而，Sm-Nd年龄代表的是矿物达到该同位素体系封闭温度时的年龄，而Sm-Nd同位素体系封闭温度(600~700℃)低于麻粒岩相的温度(~800℃)，极有可能被后期麻粒岩相改造而使体系重置；单颗粒锆石U-Pb年龄可能给出混合年龄从而不利于不同变质相阶段的约束。显然，这两种方法都不太适用于北大别经历过多期变质的超高压岩石变质年龄的精准测定。此外，对于该区变质阶段的时代划分尚存在争议，如对于角闪岩相退变质作用的时间，一部分学者认为是白垩纪(138~125Ma, Xiao et al., 2001; 孙贺等，2018)，另一部分学者则认为是侏罗纪(188±2Ma~176±2Ma, 刘贻灿等, 2009; 198±6Ma和174±1Ma, 古晓锋等, 2013)。因此，本文选取北大别饶拔寨石榴辉石岩为研究对象，通过详细的岩相学研究，根据矿物共生组合和化学成分的变化，运用矿物温压计估算变质作用的温压条件，并对变质锆石进行高精度SIMS U-Pb定年，以期建立完整的变质作用P-T-t轨迹，从而进一步探讨其形成和折返就位的动力学过程。
1 地质背景饶拔寨(超)镁铁岩体位于安徽省霍山县城西南方向25km左右，处在华北板块与扬子板块碰撞带上，是大别山北部出露面积最大的镁铁-超镁铁质杂岩体(图 1a)(杨锡庸, 1983; 徐树桐等, 2002; Zheng et al., 2008a)。岩体以方辉橄榄岩为主，次之为纯橄榄岩、二辉橄榄岩等，岩石发生不同程度的蛇纹石化。岩体内有大小不等的辉石岩、角闪岩、辉长岩、石榴辉石岩和榴辉岩等团块，呈现不规则状产出。围岩主要是角闪岩相或麻粒岩相的正片麻岩，两者呈构造接触(Jin et al., 2004)。
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图 1 研究区大地构造简图(a)和饶拔寨地质简图(b)(据Zheng et al., 2009; Tsai et al., 2000) Fig. 1 The tectonic framework of the studied area (a) and simplified geological map of Raobazhai (after Zheng et al., 2009; Tsai et al., 2000) |
前人在饶拔寨岩体的工作主要集中于橄榄岩岩体的成因(杨锡庸, 1983; 张旗等, 1995;王希斌等, 2005)和榴辉岩的变质演化(孙先如等, 2000; Tsai et al., 2000; Xiao et al., 2001; Liu et al., 2005; 孙贺等, 2018)方面。其中，针对饶拔寨岩体是否经历过超高压变质作用，前人存在两种不同看法：一部分学者认为，饶拔寨地区的橄榄岩多为尖晶石橄榄岩，缺乏石榴子石橄榄岩，同时，对石榴辉石岩进行传统温压计计算的结果显示压力大多小于2.0GPa，因此认为该岩体未经历超高压变质作用(Xiao et al., 2001; Zheng et al., 2008a)；一部分学者根据岩石中不同变质矿物的出溶现象，认为该岩体经历了超高压变质作用，如发现饶拔寨退变质榴辉岩基质中Ca-Na单斜辉石出溶的定向针状石英，认为它是超高压(≥2.5GPa)条件下的“超硅”单斜辉石降压形成的(Tsai et al., 2000)；Tsai and Liou (2000)根据饶拔寨橄榄岩中的尖晶石+斜方辉石+单斜辉石具有石榴子石的假象，认为该橄榄岩峰期应为石榴橄榄岩，估算出的峰期变质压力应高于2.0GPa。针对饶拔寨地区变质岩演化过程的研究，大多数研究者认为其经历了榴辉岩相变质阶段、高压麻粒岩相阶段和角闪岩相阶段(孙先如等, 2000; Xiao et al., 2001; 孙贺等, 2018)，但缺乏相应的年代学制约，仅有榴辉岩中的Sm-Nd等时线年龄(243Ma±5.6Ma, 李曙光等, 1989)和榴辉岩单颗粒锆石年龄(230±6Ma, 刘贻灿等, 2000)。前者被认为是饶拔寨岩体的就位时代，即代表了华北-扬子碰撞时代的下限；后者则被看作是榴辉岩高压/超高压的变质年龄。
2 分析方法矿物化学成分分析在合肥工业大学资源与环境工程学院JOEL JXA 8230型电子探针仪上完成，工作条件：加速电压15kV，电流20nA，电子束斑直径为3~5μm，数据检测时间10~20s。使用天然矿物作标样，使用程序ZAF对实验本底进行校正。每个阶段变质矿物组合中每种矿物至少测试3个颗粒，以检测不同矿物颗粒间化学成分差异。
锆石U-Pb年代学以及氧同位素均在中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室CAMECA IMS-1280二次离子质谱仪上完成。锆石样品与Plešovice、Qinghu、Penglai锆石标样制作离子探针标准靶。U-Pb定年过程中一次离子采用O2-，束流强度在10~15nA，束斑大小为10μm×15μm椭圆，采用质量分辨率7000(50%峰高定义)以排除U-Pb干扰离子。锆石详细分析方法见Li et al. (2009)，标样与样品以1∶3比例交替测定。锆石Pb/U分馏采用标准锆石Plešovice(337.13±0.37Ma, Sláma et al., 2008)校正获得，以长期监测标准样品获得的标准偏差(1SD=1.5%, Li et al., 2010a)和单点测试内部精度共同传递得到样品单点误差，以标准样品Qinghu(159.5±0.2Ma, Li et al., 2009; 李献华等, 2013)作为未知样监测数据的精确度。普通Pb用实测的207Pb进行校正。单点分析的同位素比值及年龄误差均为1σ，U-Pb平均年龄误差为95%置信度。数据结果采用ISOPLOT软件(Ludwig, 2001)来进行处理。
锆石氧同位素分析流程参见Li et al. (2010b)，这里仅做简要描述。一次离子采用133Cs+, 束流大小为1~2nA，采用高斯能量分布的10μm束斑在10μm范围内扫描方式进行样品表面剥蚀，分析区域约为20μm×20μm。采用电子枪在样品表面形成电子云的方式进行样品表面电荷积累的自动补偿，以消除荷电效应。二次离子以-10kV高压激发，采用多接收方式以两个法拉第杯分别接收16O和18O，信号收集20个循环，每个循环4s积分时间，单点内部精度优于0.3‰(2SE)。仪器质量分馏以Penglai O同位素标准锆石(δ18O=5.31±0.10‰)进行校正，以Qinghu锆石(δ18O=5.4±0.2‰)作为未知样进行质量监控，获得Qinghu锆石氧同位素标准偏差为0.28‰(2SD，n=9)，以该不确定度作为本次锆石未知样单点的分析精度。
3 岩相学和矿物化学本文所采饶拔寨石榴辉石岩样品(DB-8a和DB-8c)位于饶拔寨岩体南部(图 1b)，与橄榄岩呈构造接触。整体表现为高压麻粒岩相的矿物组合特征(石榴子石+单斜辉石+斜长石±石英)，石榴子石边部发育后成合晶(斜方辉石+斜长石、斜长石+角闪石)，代表样品经历了后期的退变质作用，因此极有可能保存了完整的变质过程的信息，这对解析造山过程中岩石经历的俯冲、折返过程具有重要意义。
3.1 岩相学特征饶拔寨石榴辉石岩(DB-8a和DB-8c)主要矿物组合为石榴子石+单斜辉石+角闪石+斜长石，副矿物为金红石+石英+磷灰石+锆石，整体表现为麻粒岩相的峰期矿物组合特征(石榴子石+单斜辉石)。石榴辉石岩呈现出不同程度的退变质，其中DB-8c样品相对DB-8a样品退变质程度更高，这表现在前者存在围绕石榴子石的两期“白眼圈”(图 2a, b)以及基质中更为广泛的角闪石分布(图 2f)。
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图 2 饶拔寨石榴辉石岩显微照片 (a)石榴子石边部两圈“白眼圈”，内圈“斜方辉石+斜长石”，外圈“角闪石+斜长石”(DB-8c)；(b)石榴子石边部一圈“白眼圈”，矿物组合为“角闪石+斜长石”(DB-8a)；(c)石榴子石出溶针状金红石(DB-8a)；(d)石榴子石出溶针状金红石(DB-8c)；(e)基质单斜辉石出溶石英(DB-8a)；(f)角闪石成片分布(DB-8c)；(g)石榴子石包裹磷灰石(DB-8a)；(h)磷灰石包裹钛铁矿，磷灰石出溶针状不透明矿物(DB-8a)；Grt-石榴子石；Cpx-单斜辉石；Opx-斜方辉石；Amp-角闪石；Pl-斜长石；Rut-金红石；Ap-磷灰石；Qtz-石英；Ilm-钛铁矿；ex-出溶晶 Fig. 2 Photomicrographs of garnet pyroxenite from Raobazhai (a) two "white-eye socket" surrounding garnet, the inner is composed of "orthopyroxene + plagioclase" and the outer is made up of "amphibole + plagioclase" (DB-8c); (b) one "white-eye socket" surrounding garnet is composed of "amphibole + plagioclase" (DB-8a); (c) garnet dissolves rutile (DB-8a); (d) garnet dissolves rutile (DB-8c); (e) clinopyroxene dissolved quartz in matrix (DB-8a); (f) amphibole is distributed in the matrix (DB-8c); (g) garnet encloses apatite (DB-8a); (h) apatite encloses ilmenite and apatite dissolves acicular opaque minerals (DB-8a). Grt-garnet; Cpx-clinopyroxene; Opx-orthopyroxene; Amp-amphibole; Pl-plagioclase; Rut-rutile; Ap-apatite; Qtz-quartz; Ilm-ilmenite; ex-exsolution lamellae |
石榴辉石岩中主要矿物内部存在清晰可见的针状出溶结构(图 2c, d)，前人在该区榴辉岩的石榴子石中也发现了类似现象(石榴子石中金红石±磷灰石出溶)，认为这是岩石先经历过超高压变质作用，后退变质降压出溶形成(孙贺等, 2018)。在石榴子石的外围，不同退变质程度的样品表现出不同的退变质组合，如退变质程度较高的岩石(DB-8c)内可以观察到两期“白眼圈”结构(图 2a)，内圈矿物颗粒较细小，矿物组合为“斜方辉石+斜长石”，外圈颗粒较为粗大，矿物组合为“斜长石+角闪石”；退变质程度较低的岩石(DB-8a)仅见一期“白眼圈”(矿物组合为“角闪石+斜长石”)(图 2b)。
单斜辉石位于基质中，其内部出溶的石英清晰可见(图 2e)。部分颗粒边部可见角闪石，但未见清晰的矿物边界，这可能是单斜辉石向角闪石退变或者是变质流体围绕基质单斜辉石发生反应产生的。
角闪石呈棕色-深棕色，主要以两种形式产出，一种呈蠕虫状，以“白眼圈”的矿物组合形式分布在石榴子石周围(图 2a, b)。另一种则产于基质中，多围绕基质单斜辉石生长，局部可见“成片”分布的角闪石(图 2f)。
斜长石的产状与角闪石类似，产于“白眼圈”(图 2a, b)和基质中(图 2e)。
饶拔寨石榴辉石岩中有少量钛铁矿、金红石、磷灰石等副矿物。钛铁矿常与角闪石共生，金红石在基质矿物和石榴子石中均有出现。磷灰石仅在石榴子石内部产出，其内部可见不透明针状矿物的出溶(图 2g, h)。有关磷灰石中不透明矿物的出溶现象已有较多报道(朱永峰和Massonne, 2005; 梁凤华等, 2006; 陈晶等, 2006)，这些现象大多发生在高压-超高压岩石中，可能暗示饶拔寨石榴辉石岩经历过超高压变质阶段。
3.2 矿物化学成分及变质作用温压条件估算石榴子石饶拔寨石榴辉石岩样品中石榴子石的化学成分随退变质程度的不同而存在差别(表 1，测试剖面如图 3所示)，退变质程度较低的样品(DB-8a)中石榴子石由镁铝榴石(摩尔分数为34.8%~37.1%)、铁铝榴石(摩尔分数为44.0%~46.4%)、钙铝榴石(摩尔分数为17.2%~18.5%)和锰铝榴石(摩尔分数为1.0%~1.7%)组成，石榴子石环带不明显。而退变质程度较高的石榴辉石岩(DB-8c)中的石榴子石保存了较为明显的扩散环带，其端元组成为镁铝榴石(摩尔分数为44.4%~52.0%)、铁铝榴石(摩尔分数为32.1%~37.0%)、钙铝榴石(摩尔分数为16.0%~19.1%)和锰铝榴石(摩尔分数为0.7%~1.1%)，在矿物边缘，可见轻微的XMg和XCa降低，XFe升高，这是退变质阶段扩散作用的反映，因此可以用来估算石榴子石与周缘铁镁矿物发生Fe-Mg再交换反应的温度条件。
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表 1 石榴辉石岩中石榴子石的矿物化学成分(wt%) Table 1 Mineral chemical composition of garnet from garnet pyroxenite (wt%) |
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图 3 石榴辉石岩石榴子石成分环带图解 (a)样品DB-8a；(b)样品DB-8c Fig. 3 Zoning profiles diagram of garnet in garnet pyroxenite |
辉石 单斜辉石大多为透辉石，常作为峰期矿物出现在基质中，整体Mg#较高(0.77~0.98)(表 2；图 4)。斜方辉石仅在退变质程度较高的样品(DB-8c)中出现，均为顽火辉石(体Mg#=0.75~0.80；表 3；图 4)。
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表 2 石榴辉石岩中单斜辉石的矿物化学成分(wt%) Table 2 Mineral chemical composition of clinopyroxene from garnet pyroxenite (wt%) |
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图 4 石榴辉石岩辉石Wo-En-Fs分类图解(据Deer et al., 1997) Fig. 4 Diagram of pyroxene in garnet pyroxenite (from Deer et al., 1997) |
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表 3 石榴辉石岩中斜方辉石的矿物化学成分(wt%) Table 3 Mineral chemical composition of orthopyroxene from garnet pyroxenite (wt%) |
角闪石 绝大多数为韭闪石(仅一例Ti含量较高的钛闪石)，常产出于基质和“白眼圈”中，退变质程度较高的石榴辉石岩(DB-8c)中角闪石Mg含量也较高(表 4;图 5)。
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表 4 石榴辉石岩中角闪石的矿物化学成分(wt%) Table 4 Mineral chemical composition of amphibole from garnet pyroxenite (wt%) |
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图 5 石榴辉石岩角闪石分类图解(据Leake et al., 1997) Fig. 5 Diagram of amphibolite in garnet pyroxenite (after Leake et al., 1997) |
斜长石 斜长石矿物同角闪石产状类似，产出在基质和“白眼圈”中。“白眼圈”中的斜长石具有CaO含量较高、An值较大的特征(表 5;图 6)。退变质程度较高的样品(DB-8c)中内圈斜长石的An值较高，外圈斜长石的An值较小，指示两期“白眼圈”为不同世代的变质矿物组合。
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表 5 石榴辉石岩中斜长石的矿物化学成分(wt%) Table 5 Mineral chemical composition of plagioclase from garnet pyroxenite (wt%) |
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图 6 石榴辉石岩斜长石分类图解(据Deer et al., 1997) Fig. 6 Diagram of plagioclase in garnet pyroxenite (after Deer et al., 1997) |
根据矿物间的反应关系及共生组合，结合矿物化学分析结果，本文根据特征出溶结构以及合适的地质温压计，对样品分别进行了温压估算，可分为四个变质阶段(表 6；图 7)。
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表 6 饶拔寨石榴辉石岩P-T计算 Table 6 P-T estimate of Raobazhai garnet pyroxenite |
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图 7 饶拔寨石榴辉石岩P-T轨迹 Al2SiO5矿物相变线据Holdaway and Mukhopadhyay, 1993; 变质相据O’Brien and Rötzler, 2003; 变质相系据Spear, 1993 Fig. 7 P-T paths of the Raobazhai garnet pyroxenites Al2SiO5 mineral phase transformation curve according to Holdaway and Mukhopadhyay, 1993; metamorphic phase according to O'Brien and Rötzler, 2003; metamorphic phase series according to Spear, 1993 |
超高压变质阶段(M1)，根据石榴子石、单斜辉石以及磷灰石的出溶结构，推测饶拔寨石榴辉石岩经历了超高压变质阶段，推测P≥2.5GPa；高压麻粒岩相变质阶段(M2)，石榴辉石岩记录了高压麻粒岩相变质，矿物组合主要为石榴子石(变斑晶)、单斜辉石(基质)和斜长石(基质)，选用不同的石榴子石和单斜辉石温度计和压力计对样品进行温压计算的结果为：T=648~700℃，P=1.47~1.94GPa；中压麻粒岩相变质阶段(M3)，仅退变质程度较高的石榴辉石岩(DB-8c)记录了中压麻粒岩相退变质矿物组合，主要矿物发育在石榴子石边部“白眼圈”的内圈，以交生的斜方辉石+斜长石为特征，采用石榴子石-斜方辉石温度计和石榴子石-斜方辉石-斜长石-石英压力计进行温压计算，结果为：T=781~796℃，P=0.92~0.98GPa；角闪岩相变质阶段(M4)，石榴辉石岩记录了角闪岩相的退变质矿物组合，以石榴子石边部外圈“白眼圈”中的“角闪石+斜长石”为特征，采用角闪石单矿物温压计(Gerya et al., 1997)得到此阶段的温压分别为：T=663~685℃，P=0.50~0.58GPa。
4 锆石U-Pb年代学饶拔寨石榴辉石岩样品中的锆石具有相似的特征，多为浑圆状或柱状，直径为40~200μm(图 8)，阴极发光图像显示主体为分带状、云雾状，极少数颗粒核部可见岩浆锆石环带。样品U、Th含量和Th/U比值变化范围较大(表 7)，其中，退变质程度较低的样品(DB-8a) 中锆石U含量为32×10-6~282×10-6，Th含量为1×10-6~188×10-6，Th/U比值为0.01~0.93，弃用明显存在Pb过高的三个点(DB-8a@18、DB-8a@22、DB-8a@26)，其余测试点的U-Pb反谐和图得到两组下交点年龄(图 9a)，分别为202.1±2.7Ma(n=11，MSWD=1.4)和227.6±8.3Ma(n=6，MSWD=2.6)。退变质程度较高的样品(DB-8c)中锆石U含量为24×10-6~1258×10-6，Th含量为0×10-6~925×10-6，Th/U比值为0.01~0.74，得到两组交点年龄(图 9b)，其中上交点年龄为817.7±11.9Ma，可能代表了原岩年龄，下交点年龄为208.1±4.7Ma(n=15，MSWD=0.63)。
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图 8 石榴辉石岩锆石阴极发光(CL)图像 Fig. 8 Cathodoluminescence (CL) images of zircon from garnet pyroxenite |
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表 7 饶拔寨石榴辉石岩SIMS锆石U-Pb年龄分析 Table 7 SIMS zircon U-Pb analyses of the Raobazhai garnet pyroxenite |
退变质程度较高的样品(DB-8c)中变质锆石均落在谐和线上(图 9b)，得到一组精确的交点年龄，下交点代表退变质过程中，锆石年龄被完全重置或为新生变质锆石，此时锆石氧同位素已不能代表其初始氧同位素特征。饶拔寨石榴辉石岩的锆石氧同位素整体呈现高于地幔的δ18O值的特征(表 8；图 10)。通过与年龄数据对比发现，退变质程度较低样品(DB-8a)中，记录227.6±8.3Ma的锆石氧同位素普遍较高(δ18O=8.3‰~9.4‰)，而记录202.1±2.7Ma的锆石氧同位素较低(δ18O=6.6‰~7.4‰)，但与退变质程度较高的样品(DB-8c)中多数锆石δ18O范围一致(6.2‰~7.0‰)。因此，饶拔寨石榴辉石岩中锆石记录的U-Pb年龄(202.1±2.7Ma和208.1±4.7Ma)代表的是同一期变质事件，此时石榴辉石岩已达地壳深度。
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图 9 饶拔寨石榴辉石岩中的锆石U-Pb谐和图和加权平均年龄图(a、c、d: DB-8a; b: DB-8c) Fig. 9 The U-Pb concordia and the weighted mean diagrams of zircons from the Raobazhai garnet pyroxenite |
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表 8 饶拔寨石榴辉石岩SIMS锆石O同位素分析 Table 8 SIMS zircon O isotopic analyses of the Raobazhai garnet pyroxenite |
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图 10 饶拔寨石榴辉石岩锆石氧同位素(δ18O)直方图 Fig. 10 Oxygen isotope (δ18O) histogram of zircons from the Raobazhai garnet pyroxenite |
饶拔寨石榴辉石岩里锆石中的包裹体多呈浑圆状，电子探针测试结果显示，退变质程度较高的样品(DB-8c)中锆石里的包裹体为“角闪石+斜长石”(图 11)，为角闪岩相特征的变质矿物，表明其记录的是角闪岩相的退变质年龄(208.1±4.7Ma)。产于退变质程度较低的样品(DB-8a)中、具有类似氧同位素特征的锆石也在误差范围内记录了角闪岩相的退变质年龄(202.1±2.7Ma)，而227.6±8.3Ma则可能代表了高压麻粒岩相的变质年龄。通过不同饶拔寨石榴辉石岩样品中的锆石与年龄比对，发现锆石的氧同位素在变质过程中发生了变化。前人研究普遍认为苏鲁-大别造山带变质岩低的δ18O值代表了新元古代原岩形成时的氧同位素组成(Yui et al., 1995; Rumble and Yui, 1998; Tang et al., 2008; Zheng et al., 2008b)，但从本文研究结果来看，超高压变质岩的氧同位素组成可能已经受到后期变质作用的影响，从而并不能代表其原始氧同位素组成。
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图 11 饶拔寨石榴辉石岩(DB-8c)锆石包裹体BSE图像 Fig. 11 BSE images of zircon inclusions in garnet pyroxenite (DB-8c) from Raobazhai |
石榴子石的出溶在苏鲁-大别地区广泛发育，如青岛仰口地区榴辉岩中出溶单斜辉石±金红石±磷灰石±钛铁矿的石榴子石，被认为其峰期变质压力>7GPa(Ye et al., 2000)。出溶石英的单斜辉石被认为是早期的富Si单斜辉石在P≥2.5GPa和T=927℃条件下形成的，折返过程中压力降低才导致二氧化硅的针状出溶(Mao, 1971)；陈晶等(2006)在对江苏青龙山磷灰石中的出溶结构研究时，对比人工合成CuS2，认为其可能经历了4.5~5.0GPa的超高压变质作用。饶拔寨地区的各类矿物出溶现象十分发育，前人已经发现的主要包括以石榴子石和单斜辉石为寄主矿物的出溶现象，如孙贺(2018)对榴辉岩的研究发现石榴子石中出溶针状金红石±磷灰石，而石榴子石包裹的绿辉石也有粗大的长柱状金红石+石英+磷灰石，基质单斜辉石核部出溶短柱状的石英，认为岩石峰期温压条件为T≈750℃，P≈3.5GPa。Tsai et al. (2000)在单斜辉石中发现石英出溶体，认为其峰期压力应该>2.5GPa；刘祥文(2006)发现饶拔寨榴辉岩基质绿辉石核部常发育镁铁闪石和富Ca单斜钠长石出溶体，而石榴子石的绿辉石包体中常发育金红石和富Ca单斜钠长石出溶体，认为绿辉石中的富Ca单斜钠长石出溶体不仅是高温变质条件的标志，而且可能和钠钙质单斜辉石中的石英出溶体一样也是超高压变质的标志之一。绿辉石中大量细小的镁铁闪石出溶片晶, 表明在出溶发生之前绿辉石曾经含有大量的水(~3000×10-6)，从而认为榴辉岩可能经历了>8.0GPa的变质作用(刘祥文, 2006)。最近，王晓霞(2020)在饶拔寨橄榄岩中发现了微粒金刚石的存在，证明饶拔寨岩体经历了超高压变质过程。本文针对饶拔寨石榴辉石岩进行的详细观察，同样发现极其发育的出溶现象，如石榴子石中出溶金红石(图 2c, d)，单斜辉石出溶石英(图 2e)以及磷灰石中出溶的不透明矿物(图 2g, h)(可能为Fe、Cu的硫化物)。综合前人的研究结果，饶拔寨石榴辉石岩的一系列出溶现象也暗示其可能经历了超高压变质阶段(≥2.5GPa)。
5.2 变质P-T-t轨迹详细的岩相学观察和矿物化学研究表明，饶拔寨石榴辉石岩记录了四个变质阶段：1)超高压变质阶段(≥2.5GPa)，2)高压麻粒岩相变质阶段(T=648~700℃，P=1.47~1.94GPa)，3)中压麻粒岩相变质阶段(T=781~796℃，P=0.92~0.98GPa)，4)角闪岩相变质阶段(T=663~685℃，P=0.50~0.58GPa)。
对饶拔寨P-T-t轨迹中年代学(t)的约束，多来自区域内针对不同样品而采用的不同定年手段(孟宪刚等, 2001; 孙贺等, 2018; Tsai et al., 2000; Xiao et al., 2001)。如李曙光等(1989)针对饶拔寨榴辉岩进行研究，获得非常精确的Sm-Nd矿物内部等时年龄为243.9±5.6Ma，并解释为该岩体的就位年龄；Xiao et al. (2001)将244Ma左右的Sm-Nd等时线年龄解释为榴辉岩峰期变质年龄。近年来对不同岩性中的锆石年代学工作，也取得到了一系列进展，如刘贻灿等(2009)通过对罗田榴辉岩进行锆石定年，认为超高压变质的年龄为226±1Ma，这与古晓锋等(2013)获得的罗田榴辉岩超高压变质年龄一致；Liu and Liou (2011)对北大别榴辉岩、大理岩和片麻岩等岩石中的锆石定年研究，认为235~225Ma代表了峰期变质年龄，246~244Ma的年龄代表了进变质过程；Deng et al. (2021)通过对罗田混合岩中锆石研究认为，峰期变质年龄应该在226~219Ma之间，而247~230Ma则代表了进变质的时间。综上所述，北大别超高压变质岩的进变质时间为240~230Ma，而超高压峰期年龄为230Ma左右。
北大别榴辉岩相的变质时间大多认为是213Ma左右(刘贻灿等, 2009; 古晓锋等, 2013)。但也有学者(刘贻灿等, 2000)通过对饶拔寨榴辉岩的锆石进行定年，认为榴辉岩高压/超高压变质的年龄为230M±6Ma。这与我们得到的227.6±8.3Ma的年龄十分相近，可能暗示了本研究中227.6±8.3Ma的年龄代表了超高压/高压榴辉岩相转变到高压麻粒岩相的年龄，即高压麻粒岩相变质时代的下限。
对于北大别麻粒岩相变质的年龄，不同学者提出了不同的观点。刘贻灿(2009)和古晓锋等(2013)分别对罗田榴辉岩的锆石进行定年，认为麻粒岩相的变质年龄为207~199Ma；刘贻灿等(2006)对塔儿河和罗田附近的条带状英云闪长质片麻岩的锆石定年结果也认为麻粒岩相变质年龄为199±10Ma。而Deng et al. (2021)对罗田混合岩的锆石研究认为，麻粒岩相的变质年龄为217~212Ma，综上所述，该区麻粒岩相的变质时间可能为217~199Ma。
角闪岩相的变质年龄也不尽相同，跨度也最大。其中，谢智等(2004)对舒城红庙乡百丈岩的片麻岩锆石研究，认为角闪岩相的变质年龄为212±11Ma，这与罗田混合岩锆石结果(214~198Ma)，以及北大别大理岩、片麻岩等锆石定年结果(215~208Ma)相近(Deng et al., 2021)。而刘贻灿等(2000)通过对鹿吐石铺石榴子石斜长角闪岩的角闪石+全岩Rb-Sr定年，认为角闪岩相的结束时间是172±3Ma。古晓锋等(2013)通过对罗田榴辉岩的锆石定年，认为北大别地区存在两期角闪岩相变质作用(198±6Ma和174±1Ma)。本文通过对饶拔寨石榴辉石岩中锆石的年代学和包裹体的研究，结果表明角闪岩相变质时代的下限为208.1~202.1Ma，而角闪岩相变质作用的上限为~170Ma。
综合前文研究结果，北大别饶拔寨镁铁-超镁铁质岩石记录了一条顺时针型变质P-T-t轨迹(图 12)，其在~230Ma经历超高压峰期变质作用，其后经历降压升温过程发生高压麻粒岩相变质作用(~227Ma)和中压麻粒岩相退变质作用，随后降温降压并经历角闪岩相退变质作用(208~202Ma)，直至折返至浅地表。
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图 12 饶拔寨镁铁-超镁铁岩P-T-t轨迹 Al2SiO5矿物相变线据Holdaway and Mukhopadhyay, 1993; 变质相据O’Brien and Rötzler, 2003; 变质相系据Spear, 1993 Fig. 12 P-T-t path of Raobazhai mafic-ultramafic rock Al2SiO5 mineral phase transformation curve according to Holdaway and Mukhopadhyay, 1993; metamorphic phase according to O'Brien and Rötzler, 2003; metamorphic phase series according to Spear, 1993 |
造山带高压-超高压变质岩记录的P-T-t轨迹与岩石所经历的构造过程密切相关，在大别山超高压变质带的研究中，有学者将变质压力峰期(即超高压变质)与碰撞时限联系起来(Ames et al., 1993)，这可能需要慎重。从大洋板片俯冲到大陆板片发生碰撞是一个连续的过程，碰撞事件本身不会留下任何直接的年龄记录，也就是说任何同位素年龄都不能代表碰撞事件发生的时间(李继亮等, 1999; 侯泉林, 2018)。不同岩石可能在造山过程的不同时间点以多种方式发生折返(Warren et al., 2008; Li, 2014)，因此不能用某一岩石的峰期压力条件(P)对应的时代(t)来代表造山带的碰撞时限，而仅代表了这一岩石“独立”的演化历史。Miyashiro (1994)提出三类变质相系，即高P/T(高压)型、中P/T(中压)型和低P/T(低压)型。不同的变质相系分别代表了不同的地质构造环境，如高P/T(高压)型一般位于俯冲带的构造环境中，典型地区如美国加利福尼亚州的海岸山脉；中P/T(中压)型常产于碰撞造山带，典型如苏格兰高地巴洛型变质带；而低P/T(低压)型以日本阿武隈型为代表。超高压岩石由于其极高的P/T比值，当属高压型，只能在冷的洋壳俯冲过程中形成。而碰撞过程中，已没有冷的板片俯冲，不会形成高P/T比值。因此，超高压变质只能发生于冷的板片俯冲阶段，而不可能发生于碰撞阶段(图 13)。
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图 13 碰撞造山带岩石形成的典型压力-温度路径(据Frisch et al., 2011改) 洋壳和一些大陆碎片物质可发生深俯冲，经历俯冲变质作用(高压变质作用)；在折返过程中，将会叠加角闪岩相或绿片岩相变质(实线轨迹). 大陆地壳在碰撞过程中经历区域变质作用(巴洛式变质)，折返过程中会进入阿武隈式变质作用范围(虚线轨迹). 注意：折返过程中岩石的温度比下降期间同一深度下岩石的温度要高，因为加热和冷却都是缓慢的过程(相对压力来说) Fig. 13 Typical pressure-temperature loops from rocks in a collisional orogeny (modified after Frisch et al., 2011) Oceanic crust or continent splinters can be deeply subducted and experience subduction metamorphism; during their ascent they will be overprinted in amphibolite or greenschist facies (solid line paths). Other parts of continental crust experience pressure-emphasized regional metamorphism (Barrow-type) or even anatexis (partial melting) during burial and reach fields of the Abukuma-type regional metamorphism during ascent (dotted line paths). During their ascent the rocks are much hotter than during descent at the same depth, because both heating and cooling are slow processes |
对于超高压岩石的折返过程，不同学者提出了不同看法，至今已有多种折返模式(Warren et al., 2008; Guo et al., 2017; Li, 2014)。大别山超高压变质岩大多记录了顺时针的P-T轨迹，但不同点在于，有的样品在退变质过程中记录了升温过程，有的则并未记录此过程。这一方面归因于变质岩本身物理化学性质的不同(王玲, 2020)，另一方面可能反映了同一俯冲带中不同岩石所经历的折返路径不同(Li, 2014)。前文研究也已表明饶拔寨石榴辉石岩经历了超高压变质阶段，随后又经历了降压升温到高压麻粒岩相、中压麻粒岩相，最后降温降压到角闪岩相。同时，已有研究显示北大别并不存在三叠纪的幔源岩浆事件，因此可以排除来自幔源岩浆的加热作用。研究表明，俯冲带内部和外部温度随深度的变化存在明显的差异，表现在俯冲带内部温度较低，外部温度较高且等温线沿着俯冲带向下剧烈下降(Frisch et al., 2011)，而岩石作为一种热的不良导体，往往需要很长时间(数百万年)才能调整到相应深度的正常温度。饶拔寨石榴辉石岩从高压麻粒岩相(227.6±8.3Ma)折返过程中逐渐远离冷的俯冲板片，在压力随之降低的同时温度会有所回升，表现为降压升温。
冷的俯冲带可以将增生楔中的来自于上下盘的任何物质带入地壳甚至地幔深处从而发生高压-超高压变质，然后以不同方式折返就位，岩石的折返可以发生在碰撞之前，也可以发生在碰撞作用过程中，甚至碰撞作用之后。目前主流观点认为，华北板块和扬子板块的碰撞时间大约为240~225Ma(Wu and Zheng, 2013; 程昊和曹达迪, 2013)。结合本文及前人研究，推测饶拔寨镁铁-超镁铁岩在俯冲带经历超高压变质(≥2.5GPa)作用(~230Ma)，随后在大别山碰撞造山作用过程中开始折返，大约227Ma进入高压麻粒岩相(中压相系)，经历了折返初期的缓慢抬升阶段(降压升温过程)，到达中压麻粒岩相之后，由于浮力为主要抬升作用力而发生快速抬升折返(降温降压过程，208~202Ma)，且经历角闪岩相变质作用，最后随白垩纪区域伸展拆离作用最终就位。
6 结论本文通过对北大别饶拔寨石榴辉石岩进行岩相学观察、矿物化学研究和温压计算，结合锆石SIMS U-Pb定年结果，获得该区中生代变质演化的几点认识：
(1) 饶拔寨石榴辉石岩保存了四个阶段的变质矿物组合，发育有特征的“白眼圈”反应结构，比较完整地记录了退变质阶段的过程。计算获得石榴辉石岩中四个变质阶段的P-T条件分别为：1)超高压变质阶段(M1)：P≥2.5GPa；2)高压麻粒岩相阶段(M2)：P=1.47~1.94GPa，T=648~700℃；3)中压麻粒岩相阶段(M3)：P=0.92~0.98GPa，T=781~796℃；4)角闪岩相阶段(M4)：P=0.50~0.58GPa，T=663~685℃。
(2) 锆石SIMS U-Pb定年及包裹体研究结果指示，饶拔寨石榴辉石岩的新元古代年龄(817.7±11.9Ma)可能代表原岩年龄，227.6±8.3Ma代表了高压麻粒岩相变质时代的下限，208.1~202.1Ma为角闪岩相变质时代的下限。锆石的氧同位素在退变质过程中会受到影响而不能代表其初始氧同位素组成。
(3) 饶拔寨石榴辉石岩记录了顺时针P-T-t轨迹，揭示了板片俯冲(超高压变质)-碰撞-折返(降压升温过程，~227Ma)-抬升(降压降温过程，208~202Ma)的完整过程。
致谢 感谢合肥工业大学石永红教授、中国科学院地质与地球物理研究所电子探针实验室毛骞博士以及离子探针实验室刘宇博士、凌潇潇博士等在实验与测试过程中给予的指导和帮助。衷心感谢侯泉林教授在成文过程中的精心指导和无私帮助；感谢中国科学院新疆生态与地理研究所王浩博士，以及中国科学院大学张谦、刘嘉慧、李真对本文提出的建设性建议。两位审稿人详细审阅了本文并提出宝贵的修改意见，在此谨致谢意。
在李继亮先生逝世一周年之际，谨以此文缅怀和纪念先生！
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