2017, Vol. 36
2. 中国地质调查局 西安地质调查中心, 西安 710054;
3. 河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院, 河南 洛阳 471023;
4. 中国地质大学(武汉) 资源学院, 武汉 430074
, WANG Hong-jun3, XU Rong-ke1
, ZHENG You-ye1,4, JIA Qun-zi2, CHEN Xin4, CAI Peng-jie1
2. Xi'an Center of Geological Survey, Xi'an 710054, China;
3. No.1 Institute of Geological and Mineral Resources Survey, Development of Geology and Mineral Resources of Henan Province, Henan Luoyang 471023, China;
4. Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
柴北缘超高压变质带是系苏鲁-大别超高压变质带之后，在中国发现并确定的又一条超高压变质带，在这一区域相继见有榴辉岩、石榴橄榄岩以及柯石英、金刚石的报道(杨建军等，1994；杨经绥等, 1998, 2000, 2001；王惠初等，2001；Song et al., 2005, 2014；陈丹玲等，2007a)。在该超高压变质带上，自西至东为大柴旦的鱼卡河含榴辉岩地体、绿梁山含石榴橄榄岩地体、锡铁山榴辉岩地体和都兰含榴辉岩地体，沿西北西-东南东方向延伸达400 km，其西端被阿尔金左行走滑断裂所截(图 1)。带内的岩石组合为花岗质片麻岩、沉积岩变质的副片麻岩、大理岩、榴辉岩和石榴橄榄岩等，其中花岗质片麻岩占高压-超高压变质带岩石总体积的80%以上，榴辉岩以大小不等的岩块分布于两种片麻岩中(陈丹玲等，2007b；Zhang et al., 2013；Song et al., 2014)。
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(a)修改自Song等(2014) 图 1 柴北缘地质简图(a)和绿梁山地区地质图(b) Figure 1 Simplified geological map of North Qaidam(a) and Geological map of the Lüliangshan area (b) |
榴辉岩是造山变质带中较为常见的高级变质岩，其包含了高压-超高压变质矿物相及丰富的地球动力学信息(张安达，2006)。锆石一直被视为具有高度稳定性的矿物，具有能持久保持矿物形成时的物理和化学(特别是元素和同位素)特征，广泛用于各项研究中，尤其在年代学中。Zr和Hf的地球化学性质相似，因此锆石矿物是Hf元素最重要的寄主矿物，也是测定Hf同位素的理想矿物(Zheng et al., 2005；陈道公等，2007)。锆石的Lu/Hf值通常小于0.002，锆石形成后由176Lu衰变而形成的放射成因176Hf极少，因而根据锆石测定的176Lu/176Hf值可以代表锆石形成时的Lu-Hf同位素组成。将锆石Lu-Hf同位素和U-Pb定年结合起来，对示踪寄主岩石的形成时代和讨论原岩成因等提供重要信息(Kinny and Maas, 2003；吴福元等，2007；袁洪林等，2007)。
近十几年来，很多学者对柴北缘鱼卡、绿梁山、锡铁山、都兰地区出露的榴辉岩、中酸性岩脉体、花岗质片麻岩等进行了研究(Zhang et al., 2011；Zhang et al., 2008, 2010, 2015, 2016；Zhang et al., 2005, 2006, 2008, 2009；Zhang et al., 2016, 2017；陈丹玲等, 2007a, 2007b；Song et al., 2007, 2009, 2014；Xiong et al., 2011)。在柴北缘超高压变质带铁石观地区已发现金红石矿床，其为榴辉岩型金红石矿床(王永开等，2014)，但该区尚未见有榴辉岩年龄的报道，对榴辉岩的研究程度不高，其原岩形成及变质年龄是急需解决的问题。此外，其形成机制与邻近绿梁山出露的石榴橄榄岩、石榴辉石岩以及基性麻粒岩是否具有一致性，有待进一步研究。本文在详细的岩相学研究基础上，对铁石观榴辉岩进行了锆石U-Pb定年分析、锆石Lu-Hf同位素特征及锆石中的矿物包裹体研究，探讨了榴辉岩的变质时代。
1 研究区地质背景研究区位于柴北缘超高压变质带上，其南为柴达木地块，北为祁连地块(图 1)。区内出露地层主要有古元古界达肯大坂(岩)群，中元古界鱼卡河岩群、古生界滩间山群、泥盆纪耗牛山组砂砾岩、火山碎屑岩，城墙沟组生物碎屑灰岩、新近系中-上新统油砂山组和狮子沟组以及较大面积分布的第四纪堆积物。区内岩浆活动频繁，从元古代到晚古生代均有岩浆活动，尤其是中-新元古代、早古生代岩浆活动最为强烈(王惠初等，2001；张建新等, 2007, 2015；许荣科等，2012；陈青等，2013；汪劲草等，2013；夏文静等，2014；朱小辉等，2014)。该超高压变质带上的榴辉岩在鱼卡、绿梁山、锡铁山、都兰野马滩、都兰沙柳河等地主要呈透镜状寄主于沙柳河群、中元古代花岗闪长质片麻岩体及新元古代二长花岗质片麻岩体中，少量在绿梁山一带的达肯大坂岩群中呈透镜状或似层状产出。带内岩石组合主要为花岗质片麻岩、沉积变质的副片麻岩、大理岩、榴辉岩和石榴橄榄岩等，榴辉岩和石榴橄榄岩都以大小不等的岩块分布于两种片麻岩中。
铁石观位于大柴旦镇以南约30 km处，大部分地区被第四系覆盖，西有志留纪花岗岩侵入(图 1b)。岩石类型主要以花岗质片麻岩和含夕线石(蓝晶石)的副片麻岩为主。石榴辉石岩、石榴子石二辉橄榄岩及纯橄岩以透镜体形式产于其中(Song et al., 2005, 2009, 2014)，此外，在石榴橄榄岩的锆石中还发现有金刚石包裹体，Song等(2010)通过地球化学研究认为石榴橄榄岩、石榴辉石岩及纯橄岩所组成的这一超基性岩石组合可能来自上升地幔楔的熔体，并认为其形成深度超过200 km。张建新等(2007)报道了绿梁山地区片麻岩中的基性麻粒岩的两组变质年龄：448±3 Ma和421±5 Ma，认为前者为高压麻粒岩岩阶段(矿物组合为Grt+Cpx+Pl+Qtz±Rt，温压条件为：p=0.96~1.35 GPa，t=730~870℃)，后者为中低压麻粒岩阶段(张建新等，2007)。Xiong等(2012)在对绿梁山橄榄岩地质体研究后指出，辉石岩同橄榄岩一同在430 Ma进入俯冲的大陆地壳并发生超高压变质作用，随后在400 Ma发生折返。
2 样品及岩石学特征研究所用的榴辉岩样品采自剖面Pm01出露的新鲜榴辉岩，采样点坐标E:95°20′15″，N:37°37′42″，样品号13TSGecl-slk-1。岩石主体呈深褐色，块状构造，粒状变晶结构(图 2a、2b)，主要矿物组成为石榴子石(含量50%±)、绿辉石(35%±)，次要矿物为角闪石(含量5%~10%)、云母(5%~10%)、斜长石(5%)和石英等，另有少量金红石、榍石、锆石等副矿物(图 2c、2d、2e、2f)。石榴子石的边部局部退变成角闪石和斜长石的冠状体，绿辉石也在不同程度上被透辉石+角闪石+钠长石以及后生合晶形式取代。
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(a)榴辉岩野外产状；(b)榴辉岩出露情况；(c)金红石包裹体矿物填充在石榴子石中(单偏光)；(d)石榴子石、金红石、石英等矿物(单偏光)；(e)石榴子石幔部云母、石英，绿辉石边部后成合晶，退变的绿辉石粒间充填的金红石矿物；(f)靠近围岩片麻岩部位，退变的榴辉岩(正交)；Ecl-榴辉岩；Gn-片麻岩；Grt-石榴子石；Amp-角闪石；Omp-绿辉石；Phe-多硅白云母；Rut-金红石，Qtz-石英 图 2 榴辉岩野外产状及镜下照片 Figure 2 Photographs of field outcrops and petrography of eclogites |
本次用于测试的锆石样品系从约30 kg的新鲜榴辉岩样品中挑选出来。锆石挑选由河北廊坊区域地质矿产研究所实验室完成，锆石制靶和阴极发光图像在武汉上谱有限公司完成。锆石阴极发光图像仪器为高真空扫描电子显微镜(JSM-IT100)，配备有GATAN MINICL系统。工作电场电压为10.0~13.0 kV，钨灯丝电流为80~85 μA。
锆石U-Pb定年、Lu-Hf同位素分析及包裹体激光拉曼分析，均在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。
锆石U-Pb定年的激光剥蚀系统为GeoLas 2005准分子激光发生器，ICP-MS仪器设备为Agilent 7500。采用标准锆石91500外部校正法进行锆石分析，标样NIST610为外标，29Si为内标，每分析4~6个样品点，分析2次91500。激光束斑直径为32 μm。对样品和空白信号的选择、灵敏度漂移校正、U-Th-Pb同位素比值及年龄测算等采用软件ICPMSDataCal进行处理(Liu et al., 2010)。年龄计算采用国际标准程序Isoplot(版本号3.0)(Ludwig，2003)，结果见表 1。
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表 1 铁石观榴辉岩锆石LA-ICP-MS分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb analyse of the Tieshiguan eclogite |
锆石Lu-Hf同位素分析选择较大锆石测年点相邻位置测定，激光束斑直径为40 μm，方法详见Hu等(2012)。εHf(t)计算采用Lu衰变常数1.867×10-11 a-1(Söderlund et al., 2004)，球粒陨石176Hf/177Hf值为0.282 785，176Lu/177Hf值为0.033 6(Bouvier et al., 2008)。Hf亏损地幔模式年龄计算采用现今的亏损地幔176Hf/177Hf值(0.283 25)和176Lu/177Hf值(0.0384)(Griffin et al., 2000)。
锆石的激光拉曼包裹体分析仪器为显微激光拉曼光谱仪Renishaw RM-1000，其中光源为氩离子激光器，波长为514.5 nm，激光功率20 mW，狭缝为25 μm。
4 分析测试结果 4.1 锆石显微特征本次锆石U-Pb定年先在透射光及反射光下仔细观察，选择透射光下锆石形态完整，无裂隙，无包裹体，反射光下表面平滑，结合CL图像(图 3)，可以看出锆石多为卵圆形，或等轴状，少量长条状，部分锆石保留有很小的残核，其粒径大小在100~150 μm。锆石内部环带不明显或有弱的环带，部分具有“杉树叶”结构，反映典型的变质锆石特征(吴元保和郑永飞，2004；Xiong et al., 2012)。部分锆石具有窄的、不完整的暗变，可能与变质过程中高U流体的作用有关。
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红色圆圈为U-Pb测试位置，内数字为锆石测点编号；黄色圆圈为Lu-Hf测试位置，黄色数字为测点编号及对应的εHf(t)值 图 3 锆石Cl图像、锆石测点年龄及计算εHf(t)值 Figure 3 CL image, age and εHf(t)values of zircon |
样品13TSGecl-slk-1的锆石U-Pb分析得到的同位素比值和年龄见表 1。本次测试选择锆石颗粒大、无裂隙，避开包裹体，得到17个有效点。锆石U含量为10.58×10-6~227.45×10-6，Th含量为1.09×10-6~38.58×10-6；Th/U值为0.03~0.4，15号点为0.4，23号点0.28，其余测点均较小。206 Pb/238U表面年龄为412.7~458 Ma，测点连续，对17个测点年龄值进行U-Pb年龄谐和投图及加权平均年龄计算(图 4)显示，测点数据均位于或接近U-Pb谐和线，其206 Pb/238U表面年龄加权均值为426.1±4.9 Ma(MSWD=1.18)。
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图 4 锆石谐和图及加权平均年龄 Figure 4 Concordia diagram and weighted average age showing LA-ICP-MS U-Pb analyses of zircon |
由于锆石能在较大的温压区间保持稳定，其中的包裹体是提取各类岩石，尤其是经受过强烈变质变形作用岩石地质信息的重要介质(Chopin and Sobolev, 1995；徐永婧等，2009)。铁石观榴辉岩中包裹体的激光拉曼光谱分析(图 5)发现，包裹体中的矿物有金红石、磷灰石、绿辉石、长石等，绿辉石、金红石多位于锆石核部，斜长石、磷辉石多位于锆石边部，可能为榴辉岩变质峰期捕获的产物。
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图 5 锆石中矿物包裹体拉曼光谱特征 Figure 5 Inclusions in zircon and their Raman spectra |
榴辉岩中锆石的Hf同位素分析是在锆石U-Pb定年基础上进行的，本次共分析15个测点，结果列于表 2。由表 2可见，其176Hf/177Hf=0.282691~0.282795，176Lu/177Hf=0.000002~0.000228，176Yb/177Hf=0.000007~0.003653，锆石Hf两阶段亏损地幔年龄为769.7~1002.8 Ma，加权平均889±37 Ma(MSWD=4.8)；锆石年龄对其εHf(t)值几乎无影响，范围为+6.0~+9.8，均值为+7.9。在锆石εHf(t)-年龄关系图(图 6)中位于亏损地幔线之下，在大陆地壳1.0 Ga演化线之上。
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表 2 锆石Hf同位素结果 Table 2 Hf isotopic compositions of zircon from the Tieshiguan eclogite |
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图 6 锆石Hf同位素-年龄关系图 Figure 6 Binary diagram of zircon ages and Hf isotopic compositions |
杨经绥等(2003)测得柴北缘超高压变质带榴辉岩的变质时代为500~470 Ma，之后大量研究人员获得的柴北缘超高压变质带榴辉岩、片麻岩和石榴橄榄岩的岩石年龄都主要集中在470~400 Ma(张建新等, 2000, 2007；孟繁聪等，2005；Song et al., 2014)。笔者测得的铁石观榴辉岩变质年龄及前人的年龄数据(表 3)都表明，在都兰地区，Song等(2010, 2012, 2014)获得经过超高压变质的、原岩为540~500 Ma的蛇绿岩组合，主要有变质的方辉橄榄岩、超基性堆晶岩、堆晶辉长岩、变质的蓝晶石榴辉岩和玄武岩变质的榴辉岩，锆石特征和年代学特征都反映蛇绿岩原岩的榴辉岩具有两期榴辉岩相变质作用，且都兰北带野马滩榴辉岩锆石具有明显的核边结构，反映两期变质生长的特征，核部的年龄为462±13 Ma，边部年龄为424±13 Ma，并认为早期年龄代表大洋俯冲的时间，晚期榴辉岩与石榴橄榄岩和柯石英片麻岩的变质年龄一致，反映大陆俯冲的超高压变质；都兰沙柳河蓝晶石榴辉岩也具有两期变质的核边结构，核部年龄为450±7 Ma和450±11 Ma，边部年龄为426±13 Ma和425±9 Ma，分别代表了早期大洋的冷俯冲变质和大陆俯冲的超高压变质年龄。Song等(2005)获得的绿梁山石榴方辉橄榄岩中锆石U-Pb年龄为423±5 Ma。Zhang等(2005)对锡铁山榴辉岩的研究，获得榴辉岩的年龄为480 Ma，并认为是榴辉岩相高压-超高压变质年龄；张建新等(2007)获得的绿梁山基性麻粒岩变质锆石年龄为448±3 Ma与421±5 Ma，前者代表早期高压麻粒岩变质阶段，后者代表降压过程中低压麻粒岩相变质阶段；Zhang等(2009)通过对石榴子石-蓝晶石片麻岩和变质基性岩锆石年龄的进一步研究，分别获得了451~461 Ma、423~430 Ma和409 Ma三组年龄，与都兰超高压地体的年龄谱一致(Song et al., 2003；Mattinson et al., 2009)，并将第一组年龄解释为高压麻粒岩相退变质年龄(锆石中含石榴子石和金红石包裹体)，将第二组年龄解释为低压麻粒岩相-高角闪岩相退化变质叠加年龄。但这种解释与鱼卡榴辉岩和都兰榴辉岩高压-超高压岩石的变质年龄相矛盾。熊庆(2014)报道的绿梁山地区橄榄岩的年龄为427±3 Ma、辉石岩年龄为429±2 Ma，橄榄岩中辉石岩脉年龄为430±5 Ma，401±7 Ma。本次锆石U-Pb法获得的榴辉岩变质年龄为426.1±4.9 Ma，与Song等(2005)、Xiong等(2011, 2012)获得的变质年龄时限一致，同时铁石观榴辉岩426.1±4.9 Ma变质年龄与该区域上含柯石英的泥质片麻岩锆石的年龄相当，代表大陆碰撞过程中约150~200 km深度条件下由超高压变质作用形成的产物(Song et al., 2007, 2014；张建新等，2007；Zhang et al., 2008, 2009a, 2009b, 2014, 2015, 2016；Zhang et al., 2008, 2009, 2010；Zhang et al., 2013)。
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表 3 柴北缘地区古生代变质岩年龄一览表 Table 3 Summary on reliable metamorphic ages of the North Qaidam UHP belt |
对于变质岩一些学者(吴福元等，2007；郑永飞，2008)认为锆石Hf同位素在变质作用下，石榴子石的参与对Hf同位素具有较大影响，变质新生的锆石相对岩浆岩原岩锆石的初始Hf值明显不同，因而变质新生锆石的变质年龄不能用于原岩示踪而是用原岩岩浆结晶年龄计算εHf(t)。Zheng等(2005)认为在大陆碰撞带的榴辉岩相峰期变质阶段，流体具有较低的活动性，使得榴辉岩中的Hf来自围岩片麻岩较为困难，基本是继承了原岩的Hf同位素值，结合锆石包裹体矿物：金红石，绿辉石，本文获得锆石的具有较低的176Lu/177Hf值，暗示可能与岩石变质过程中熔/流体有关，其变质重结晶锆石的Hf同位素则基本保存了原岩的稳定性。本文根据所测锆石的Hf同位素及锆石U-Pb计算εHf(t)，得到Hf同位素两阶段亏损地幔模式年龄为769.7~1002.8 Ma，与区域上(Zhang et al., 2006)在锡铁山榴辉岩中锆石LA-ICP-MS获得原岩年龄725~802 Ma，陈丹玲等(2007a)用LA-ICP MS对鱼卡榴辉岩中锆石获得748±6和795±7 Ma两个测点的年龄，Zhang等(2010)用SHRIMP在鱼卡榴辉岩核部获得835 Ma年龄基本一致，表明铁石观榴辉岩与区域上测得榴辉岩原岩年龄具有一致性(陈丹玲等，2007b；Zhang et al., 2009a, 2009b, 2010, 2014；Zhang et al., 2009, 2010；Zhang et al., 2017；宋述光等，2011；Zhang et al., 2013)。
5.3 柴北缘超高压变质带年龄限定由图 7可见，柴北缘超高压变质带榴辉岩、片麻岩和石榴橄榄岩的形成年龄主要有3期：第1期为470~440 Ma，主要出现在与蛇绿岩有关的榴辉岩和少量片麻岩中，为早期大洋俯冲变质产物；第2期为440~420 Ma，主要出现在大陆溢流玄武岩变质的榴辉岩、石榴橄榄岩和泥质片麻岩中，为大陆俯冲过程的超高压变质时期(Song et al., 2014)；第3期为420~400 Ma，为超高压变质岩石在折返过程中的退化变质时期。
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图 7 柴北缘超高压变质带变质年龄直方图 Figure 7 Frequency histogram of metamorphic ages in the North Qaidam UHP belt |
(1) 柴北缘超高压变质带铁石观地区榴辉岩的锆石U-Pb年龄为426.4±4.9 Ma(MSWD=1.18)，这与区域上榴辉岩峰期变质年龄一致；锆石中的包裹体经激光拉曼分析佐证了金红石、磷灰石、绿辉石和长石等包裹体矿物可能为榴辉岩变质峰期捕获的。
(2) 柴北缘超高压变质带铁石观榴辉岩的锆石Hf同位素两阶段亏损地幔年龄为769.7~1002.8 Ma，加权平均889±37 Ma(MSWD=4.8)，与区域上榴辉岩原岩年龄一致。
(3) 柴北缘超高压变质带岩石变质年龄可划分为3期：第1期(470~440 Ma)与洋壳俯冲事件相关，第2期(440~420 Ma)与陆陆俯冲碰撞事件相关，第3期(420~400 Ma)为岩石退变时期。
致谢: 野外工作得到项目组成员的大力帮助，在Lu-Hf同位素测试实验中赵葵东老师进行了有益指导，论文得到审稿专家的有益建议，在此一并致谢。
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