岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (5): 1657-1674   PDF    
南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩变质作用及其锆石U-Pb年龄
梁莎1, 刘良1, 张成立1, 杨永成2, 杨文强1, 康磊1, 曹玉亭1     
1. 大陆动力学国家重点实验室,西北大学地质学系,西安 710069;
2. 陕西省地矿局区域地质矿产研究院,咸阳 712000
摘要: 勉县-略阳地区是勉略蛇绿构造混杂岩带的代表区段,本文在勉县北部徐家坪地区确定了主要矿物为Grt+Cpx+Pl和具有典型“白眼圈”反应结构的两类高压基性麻粒岩,分别对其进行细致的岩相学研究,并利用THERMOCALC 3.33程序进行P-T视剖面图计算。一类高压基性麻粒岩的峰期矿物组合为Grt1+Cpx+Pl1+Qz,对应温压条件为T=800~860℃,P=12.4~14.6kbar,晚期退变质矿物组合为Grt2+Hbl+Pl2+Qz。另一类是具有典型“白眼圈”反应结构的高压基性麻粒岩,“白眼圈”结构中斜长石为富Na的钠-更长石,以此推断该高压基性麻粒岩早期矿物组合中含绿辉石,因此其变质峰期矿物组合可能为Grt1+Omp (?)+Qz或Grt1+Cpx (?)+Pl+Qz,对应温压条件分别为T=775~900℃,P>19.2kbar和T=750~850℃, P=16.5~19.8kbar;该岩石后期经历了以矿物组合Grt2+Opx+Hbl1+Pl1+Qz为代表的麻粒岩相及以Grt3+Hbl2+Pl2+Qz为代表的角闪岩相两期退变质作用。造成这两种高压基性麻粒岩峰期变质矿物组合及其温压条件存在差异的原因可能是岩石原始成分的不同。对高压基性麻粒岩及其中的浅色脉体分别进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学分析,得到高压基性麻粒岩214±11Ma的变质年龄及脉体215±5Ma的结晶时代,并结合锆石微量元素特征分析,认为214±11Ma的年龄值代表该高压基性麻粒岩角闪岩相的退变质时代,同时获得该高压基性麻粒岩原岩形成时代可能为477Ma。综合两件高压基性麻粒岩的P-T演化轨迹及变质时代,建立高压基性麻粒岩的P-T-t演化轨迹,据此反映秦岭造山带在印支期沿勉略构造带发生俯冲-碰撞造山过程。
关键词: 高压基性麻粒岩     THERMOCALC 3.33程序     LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄     P-T-t演化轨迹     勉略缝合带    
Metamorphism and zircon U-Pb age of high-pressure mafic granulites in in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen
LIANG Sha1, LIU Liang1, ZHANG ChengLi1, YANG YongCheng2, YANG WenQiang1, KANG Lei1, CAO YuTing1     
1. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, China;
2. Shaanxi Institute of Regional Geology and Mineral Resources, Xianyang 712000, China
Abstract: Mianxian-Lüeyang area is a representative of Mian-Lüe tectonic mélange belt. Two types of HP mafic granulites were recognized in Xujiaping region in the northern Mianxian County. According to petrographic study and P-T pseudosections calculated by THERMOCALC 3.33, the peak metamorphic mineral assemblage of the first type granulite is associates with Grt1+Cpx+Pl1+Qz at the conditions of T=800~860℃, P=12.4~14.6kbar, and the retrograde assemblage is characterized by Grt2+Hbl+Pl2+Qz. The second type granulite is characterized by typical "white eye-socket" texture with albite or oligoclase, indicating that Omp was once existed in the rock. Therefore, the peak metamorphic mineral assemblage of the second granulite might be Grt1+Omp (?)+Qz or Grt1+Cpx (?)+Pl+Qz, and the condition is estimated to be T=775~900℃, P>19.2kbar and T=750~850℃, P=16.5~19.8kbar, respectively. The rock was subsequently suffered two stages retrograded metamorphism, a granulite facies stage with mineral assemblage of Grt2+Opx+Hbl1+Pl1+Qz and an amphibolite facies stage with Grt3+Hbl2+Pl2+Qz. The diversity initial composition might be the main factor that caused the different peak metamorphic mineral assemblages and conditions between the two types of the granulites. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating obtained the metamorphic age of 214±11Ma and the protolith age of 477Ma for the second type granulite, and the crystallization age of 215±5Ma for the leucosome crossing the granulite, respectively. Combined with characteristics of trace elements, the age of 214±11Ma might represents the amphibolite facies retrograded age. Thus a P-T-t path is established for these two types of HP mafic granulites, which reflects the process of subduction and collision of the Qinling orogen along the Mian-Lüe suture zone at Late Triassic.
Key words: HP mafic granulites     THERMOCALC 3.33     LA-ICP-MS zircon dating     P-T-t path     Mian-Lüe suture zone    
1 引言

南秦岭勉略印支期板块缝合带是二十世纪七十年代末由李春昱等(1978, 1982) 最早提出,随后,张国伟等(1995, 1996, 2001, 2003, 2004) 和其他研究者(如:杨永成等,1996李曙光等, 1996, 2003; 冯庆来等,1996许继峰和韩吟文,1996许继峰等, 2000赖绍聪等, 1998, 2003; 赖绍聪和张国伟, 1999李亚林等, 2001, 2002; 孙卫东等, 2000李三忠等, 2003;等) 通过大量深入的研究,进一步确定该构造带曾经是一条重要的洋壳消减、板块拼合的蛇绿构造混杂岩带,而且厘定勉略洋在泥盆纪中期打开,石炭纪-二叠纪达到扩张峰期,并于早-中三叠世最终闭合。然而,近年来对从该构造带内具有代表性蛇绿岩剖面中相关火山岩以及辉长岩和辉绿岩中分选出的锆石,利用SHRIMP和LA-ICP-MS方法,却获得大量新元古代的年龄信息(闫全人等, 2007; 张成立和赖绍聪等未公开发表数据);另外,对曾被认为代表该构造带石炭纪洋盆消减的斜长花岗岩(李曙光等,2003) 的进一步SHRIMP锆石定年,获得923±13Ma的形成时代(闫全人等, 2007)。因此,目前关于勉略蛇绿混杂岩带的构造属性、形成时代、演化过程等问题还存在严重分歧。针对这一问题,本文选择该构造带早前已报道的基性麻粒岩(李三忠等,2000) 为研究对象,试图通过对其变质作用、变质时代和P-T-t演化轨迹的深入研究,为进一步探讨该构造带的形成与演化过程提供的约束资料。

2 区域地质背景

勉略构造带是秦岭造山带中除商丹古缝合带又一条印支期板块拼合的古缝合带,以秦岭造山带南缘勉县-略阳蛇绿构造混杂岩带为代表,东西延展,向西可连接昆仑,向东则为巴山-大别山南缘逆冲推覆掩盖,是一条被强烈改造而出露不全的形成于印支期的板块缝合带,也是中国大陆印支期完成其主体拼合的主要结合带(张国伟等, 1995, 1996, 1997, 2001, 2003李曙光等,1996李亚林等,2001),该带以南为扬子板块,商丹缝合带以北为华北板块,两者之间为秦岭微板块(图 1)。

图 1 秦岭造山带构造简图(据Dong et al., 2011修改) Fig. 1 Simplified tectonic map of the Qinling orogen (modified after Dong et al., 2011)

勉略构造带以勉县-略阳蛇绿构造混杂岩带为代表,带内岩石组成复杂,包括不同时代、不同类型的蛇绿岩岩片、沉积岩系以及基底岩片,并且经历了不同程度的变质、变形及构造作用(李亚林等, 2002)。主要包括强烈变形的震旦系-寒武系及泥盆系-石炭系逆冲推覆岩片,构成了现今自北向南的叠瓦逆冲推覆构造,蛇绿混杂岩和变质火山岩以构造岩片形式卷入该构造带。蛇绿混杂岩由强烈剪切变形的基性熔岩、堆晶辉长岩、超基性岩块及辉绿岩组成(孙卫东等, 2000),在勉县鞍子山、关帝坪和略阳三岔子一带保存有较为完整的蛇绿岩套岩石组合(杨永成等, 1996; 赖绍聪, 2005)。在该构造带以北的早古生代地层中出露有大量由多个侵入体构成的中生代岩体群(严阵, 1985),对这些岩体的形成时代(孙卫东等, 2000; 吴峰辉等, 2009; 陈旭等, 2009; 雷敏等, 2011) 及成因和地质意义(张成立等, 2005; 秦江峰等, 2007秦江峰, 赖绍聪,2011) 已有细致深入的研究。结果显示:这些花岗岩体形成于晚三叠世(206~221Ma),明显晚于勉略洋盆闭合时代(242Ma) (李曙光等, 1996) 及大别山超高压变质时代(李曙光等, 1989);这一系列自西向东分布的花岗岩体的形成被认为分别对应秦岭造山带晚三叠纪不同阶段的岩浆作用。

勉县地区位于勉略蛇绿混杂岩带的中段,主要由片岩类、大理岩类及夹杂其中的镁铁-超镁铁质岩块组成,该地区按韧性剪切带由北向南可划分为8个不同的构造岩片(图 2)(李三忠等, 2000),分别为长坝子岩片、徐家坪岩片、鞍子山岩片、朱家河岩片、酒店垭-小砭河岩片、清家沟-张家沟岩片、将台寺-峡里-白云寺岩片及窑沟-琵琶寺沟-舒坪岩片。这些岩片与区内光头山花岗岩体呈明显的侵入接触关系(张成立等,2005)。

图 2 勉县地区勉略构造带地质简图(据李三忠等,2000修编) Fig. 2 Simplified geological map of Mian-Lüe suture zone in Mianxian County (modified after Li et al., 2000)

李三忠等曾报道在徐家坪岩片中发现基性麻粒岩(李三忠等, 2000),张宗清等(2002)曾获得该基性麻粒岩中矿物Sm-Nd等时线年龄为206±55Ma、黑云母40Ar/39Ar坪年龄为199.7±1.7Ma。本次重点研究的两件麻粒岩样品亦先后采自该岩片(图 2中蓝色箭头所指) 的南部(样品12Q-15) 与北部(样品11Q-28),野外观察显示该岩片呈透镜体夹于区内长坝子岩片强烈变形的大理岩及斜长角闪岩之中(图 2),在露头尺度上基性麻粒岩被浅色脉体侵入(图 3a)。

图 3 南秦岭勉略构造带基性麻粒岩野外照片 Fig. 3 Outcrop photographs for the mafic granulite in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen
3 分析方法

本文矿物成分分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室电子探针室完成,所用仪器型号为日本电子(JEOL) JXA-8100型电子探针,测试条件:加速电压15kV,束流1×10-8A,束斑1μm,标样采用硅酸盐或氧化物。

锆石阴极发光(CL)、U-Pb定年和微量元素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。首先将分选出的锆石固定在双面胶带上并以环氧树脂固定,抛光至锆石颗粒有三分之一到一半完全露出,进行阴极发光照相及微量元素、U-Pb定年分析测试,样品测定之前用2%稀HNO3清洗表面,除去潜在污染(Liu et al., 2007)。阴极发光(CL) 分析仪器为捷克FEI公司生产的FEI Quanta 400 FEG型环境扫描电子显微镜系统,同时配备了英国Gatan公司生产的Mono CL3+阴极发光装置系统。激光剥蚀系统为德国MicroLas公司生产的GeoLas 2005准分子激光剥蚀系统。该系统由Coherent公司COMPex 102 ArF准分子激光器及相应的光学系统(MicroLas) 组成,斑束直径的变化范围为5~120μm,可在不同束斑直径时保持相同的能量密度。Q-ICP-MS为美国Agilent公司生产的Agilent 7500a,剥蚀过程中以He作为载气,由于锆石粒径较小,使用激光束斑直径为20μm,频率为6Hz。用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM610进行仪器最佳化,使仪器达到最大的灵敏度、最小的氧化物产率以及最低的背景值和稳定的信号。数据处理采用ICPMSData Cal 7.5程序,年龄计算及谐和图绘制用Isplot完成(Yuan et al., 2004)。文中所有矿物缩写据(Whitney and Evans, 2010)。

4 岩相学特征及变质期次划分

本次研究的2件基性麻粒岩样品均为深灰-绿色,中粗粒,呈条带状或块状构造,斑状变晶结构。

4.1 样品11Q-28

主要组成矿物为石榴石(25%~30%)、单斜辉石(15%~20%)、角闪石(20%~25%)、斜长石(10%~15%) 和少量石英(5%~10%), 副矿物为锆石、金红石、钛铁矿、榍石及少量方解石等。其中,石榴石自形程度较差,常呈残斑状与单斜辉石(图 4a) 或斜长石平衡共生(图 4b)。单斜辉石除与石榴石或斜长石共生外,还呈孤岛状与不规则状石英平衡共生(图 4c)。角闪石有两种产状,少数呈纤维状包绕或穿插单斜辉石(图 4a),大部分呈柱状与斜长石平衡共生(图 4d)。不同产状的斜长石光性特征稍有差异,与石榴石和单斜辉石共生的斜长石表面较脏(图 4b, c),双晶纹细密(图 4b);与角闪石共生的斜长石表面洁净,双晶纹较为稀疏(图 4d),暗示了它们可能形成于不同的世代。这些显微结构特征表明该岩石的早期矿物组合为Grt1+Cpx+Pl1+Qz, 晚期矿物组合为Grt2+Hbl+Pl2+Qz,前者为典型的高压基性麻粒岩(O’Brien and Rötzler, 2003),后者为角闪岩相的退变质矿物组合,其间涉及的矿物反应关系可能为Grt+Qz+H2O→Hbl+Pl。

图 4 基性麻粒岩11Q-28显微照片 (a)-石榴石(Grt) 与单斜辉石(Cpx) 共生,单斜辉石有被角闪石(Hbl) 包绕或穿插的现象;(b)-石榴石与斜长石(Pl) 共生;(c)-单斜辉石呈孤岛状出现在斜长石和石英(Qz) 中;(d)-角闪石和斜长石平衡共生 Fig. 4 Microphotographs of the mafic granulite 11Q-28 (a)-equilibrium assemblage containing Grt and Cpx, partial Cpx surrounded or traversed by Hbl; (b)-equilibrium assemblage containing Grt and Pl; (c)-island Cpx in Pl and Qz; (d)-equilibrium assemblage containing Hbl and Pl
4.2 样品12Q-15

主要由石榴石(25%~30%)、斜方辉石(15%)、角闪石(25%~30%)、斜长石(15%~20%) 及石英(10%) 组成,最显著的特征是手标本和显微镜下均见石榴石具有“白眼圈”结构(图 3b图 5a, b)。岩相学研究显示“白眼圈”主要是由斜方辉石、角闪石、斜长石组成的后成合晶,其中靠近石榴石的内圈由斜长石和条带状或蠕虫状的斜方辉石组成,外圈由斜长石+角闪石组成(图 5a, b),指示可能发生过Grt+Cpx+Qz→Opx+Pl和Grt+Qz+H2O→Hbl+Pl的反应(刘福来, 1998),但目前在斑状石榴石中仅发现石英包裹体,未见单斜辉石或斜长石。另外,在远离“白眼圈”的区域,可见大量的角闪石与斜长石平衡共生(图 5c),部分角闪石中见呈残岛状的斜方辉石(图 5d),暗示该角闪石的形成晚于斜方辉石。这些显微结构特征表明该岩石至少经历了三期变质作用:峰期变质阶段的矿物组合可能为Grt1+Cpx (?)+Qz或Grt1+Cpx (?)+Pl+Qz,可能对应于榴辉岩相或高压麻粒岩相变质;退变质早期阶段形成“白眼圈”结构,主要组成矿物为Grt2+Opx+Hbl1+Pl1+Qz,应代表麻粒岩相变质;退变质晚期阶段形成的矿物组合为Grt3+Hbl2+Pl2+Qz,代表了角闪岩相变质。

图 5 基性麻粒岩12Q-15显微照片 (a、b)-石榴石(Grt) 与斜长石(Pl)+斜方辉石(Opx)+角闪石(Hbl) 构成“白眼圈”结构;(c)-角闪石与斜长石共生;(d)-角闪石及其中残岛状的斜方辉石 Fig. 5 Microphotographs of the mafic granulite 12Q-15 (a, b)-Grt and the "white eye-socket" texture consisted of Pl+Opx+Hbl; (c)-equilibrium assemblage containing Hbl and Pl; (d)-Hbl and the residual Opx
5 矿物化学

2件样品主要矿物成分分析结果见表 1

表 1 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩主要变质矿物电子探针分析结果(wt%) Table 1 Mineral compositions (wt%) of main metamorphic minerals from the HP mafic granulite in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen
5.1 样品11Q-28

石榴石富集铁铝榴石和钙铝榴石,其成分环带剖面(图 6) 显示Alm组分在44.99~48.78之间,核部含量最高,向幔部逐渐降低,到最边部略有上升;Grs为37.74~41.21,从核部到边部呈现出缓慢增长后降低又升高的趋势;Sps约7.07~10.03,变化特征与Grs相反;Prp为4.43~5.98,从核部向幔部略有降低后至边部基本保持平稳。

图 6 样品11Q-28石榴子石成分剖面(左) 与电子探针成分环带(右) Fig. 6 Locations of profile (left) and the compositional profiles of garnet grain (right) in sample 11Q-28

单斜辉石中的CaO为23.44%~24.10%,FeO在11.72%~13.95%之间,MgO为9.32%~10.96%,Na2O含量均低于1.5%,Al2O3为0.22%~0.44%,XMg=(Mg/(Mg+Fe)) 为0.54~0.62,均为透辉石。

不同产状的斜长石成分有明显的差异,与石榴子石共生的斜长石(Pl1) An为43.72~48.09,属中长石;与角闪石共生的斜长石(Pl2) 中的CaO含量较高,An在67.72~79.84之间,为拉长石或培长石。

两类角闪石成分基本一致,FeO为18.02%~19.65%,MgO和CaO含量分别为7.46%~9.44%和11.64%~12.47%,属钙质角闪石(Leake et al., 2004)。

5.2 样品12Q-15

石榴石同样以富集铁铝榴石和钙铝榴石为特征,成分显示明显环带(图 7)。与样品11Q-28相比,Alm组分含量较高,为67.73~72.38,从核部到幔部略有降低后逐渐升高至最边部较为平稳;Grs约16.81~24.87,显现出与Alm相反的变化特征;Sps为4.08~8.14,从核部至边部先略有降低后逐渐升高;Prp为2.91~3.71,含量基本保持平稳。

图 7 样品12Q-15石榴子石成分剖面(左) 与电子探针成分环带(右) Fig. 7 Locations of profile (left) and the compositional profiles of garnet grain (right) in sample 12Q-15

“白眼圈”中的斜长石(Pl1) 与晚期斜长石(Pl2) 相比Na2O含量较高,在靠近Grt一侧,Na2O含量最高,An小于10,为钠长石;向外Na2O有逐渐降低的趋势,An在13.18~18.52之间,为更长石;与角闪石共生的斜长石(Pl2) CaO含量较高,是更长石(An=19.87~23.83)。依据形成“白眼圈”结构的反应,Grt+Cpx+Qz→Opx+Pl和Grt+Qz+H2O→Hbl+Pl推测,斜长石中的Na应来自早期参与反应但现已消失了的Cpx,钠长石与更长石的形成指示早期Cpx可能是富Na的Omp。

Opx中Al2O3为0.61%~0.83%,FeO为39.51%~40.28%,MgO为5.65%~7.05%,顽辉石(En) 组分为13.74~19.01%,铁辉石(Fs) 组分为68.0%2~69.29%。

“白眼圈”中角闪石(Hbl1) FeO为29%左右,CaO为8.89~9.38%;柱状角闪石(Hbl2) 中FeO约为26%,CaO在10%左右;两类角闪石中MgO含量均为3.7%左右。

6 变质温压条件与P-T演化轨迹

视剖面图是在某种模式体系下,依据岩石特定组分进行计算的一种定量相图,分为P-TP-XT-X三种类型,分别反映岩石变质过程中的不同信息(魏春景和周喜文, 2003; 魏春景, 2011; 周喜文等, 2007)。P-T视剖面图表示对特定全岩成分的相平衡关系,可以充分反映岩石随温压条件变化可能出现的各种矿物组合与成分演化信息(魏春景和周喜文, 2003; 魏春景, 2011; 曹玉亭等, 2009)。

本文计算使用的矿物固溶体活度模型如下:石榴石引自White et al. (2007),单斜辉石引自Green et al. (2007),斜长石引自Holland and Powell (2003),斜方辉石引自White et al. (2002),角闪石引自Diener et al. (2007),绿帘石引自Holland and Powell (1998),绿泥石引自Holland et al. (1998),钛铁矿引自White et al. (2000)。使用THERMOCALC 3.33程序进行P-T视剖面图计算时,选定压力范围为4~25kbar,温度为450~950℃,在计算时忽略全岩成分中含量极少的K2O和MnO,选用NCFMASHTO体系;在高温情况下,由于角闪石的出现,熔体仅占很小比例,且目前对于基性岩体系没有比较好的熔体活度模型,因此在计算过程中忽略(Poli and Schmidt, 2002; Tam et al., 2012),故流体设为纯水,并设定水和石英过剩。

6.1 样品11Q-28

图 8是样品11Q-28在NCFMASHTO (+H2O+q) 体系下的P-T视剖面图,依据岩石矿物组分换算得到的摩尔百分含量为SiO2=64.68,Al2O3=6.92,CaO=12.82,MgO=3.92,FeO=8.4,Na2O=1.75,TiO2=1.09,O=0.42。其中高压麻粒岩相组合Grt+Cpx+Pl+Qz出现在Grt+Cpx+Pl+Rt组成的五变域内,利用石榴石核部X(Mg)及Pl1的X(Ca)成分等值线,共同限定该期变质作用温压范围为T=800~860℃,P=12.4~14.6kbar;角闪岩相组合Grt+Hbl+Pl+Qz出现在由Grt+Cpx+Pl+Hbl+Ilm组成的四变域内,在该区域内利用石榴石最边部X(Mg)和Pl2的X(Ca)成分等值线,得到其角闪岩相变质条件为T=630~690℃,P=6.1~7.4kbar。

图 8 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩11Q-28在NCFMASHTO (+H2O+q) 体系下P-T视剖面图 Fig. 8 P-T pseudosection in NCFMASHTO (+H2O+q) for the HP magic granulite (11Q-28) in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

P-T视剖面图显示该样品具有从高压麻粒岩相到角闪岩相顺时针近等温降压的P-T演化轨迹。

6.2 样品12Q-15

由于样品12Q-15的组分与样品11Q-28差异较大,因此对其也进行了P-T视剖面图计算。图 9为其在NCFMASHTO (+H2O+q) 体系下的P-T视剖面图,由矿物组分换算为得到的摩尔百分含量结果为SiO2=60.30,Al2O3=8.37,CaO=6.76,MgO=1.38,FeO=17.20,Na2O=3.68,TiO2=1.45,O=0.86。考虑到该岩石的峰期矿物组合可能为Grt+Omp (?)+Qz或Grt+Cpx (?)+Pl+Qz,本文对这两种矿物组合分别估算了温压条件。对于Grt+Omp (?)+Qz,即榴辉岩相矿物组合,落在视剖面图中由Grt+Cpx+Rt组成的六变域内,在该变域中利用石榴石核部X(Mg)成分等值线,限定温度范围为775~900℃;但由于Grt和Cpx之间Ca元素扩散较慢,在该区域内不能很好得出石榴石X(Ca)成分等值线来限定压力,故选择与其相邻出现Pl的五变域内石榴石X(Ca)的成分等值线,近似限定峰期变质压力的最低值为19.2kbar。而对于Grt+Cpx (?)+Pl+Qz,即高压麻粒岩相矿物组合,应落在Grt+Cpx+Rt+Pl组成的五变域内,选择石榴石核部的X(Mg)和X(Ca)限定其变质条件为T=750~850℃,P=16.5~19.8kbar。之后,该岩石经历退变质作用,穿过高压麻粒岩相组合在Grt+Pl+Opx+Cpx+Ilm构成的四变域和Grt+Pl+Opx+Cpx+Ilm+Hbl构成的的三变域,即分别形成“白眼圈”反应结构中的后成合晶Grt+Pl+Opx+Qz和Grt+Pl+Opx+Hbl,在这两个变域内利用斜长石的X(Ca)和斜方辉石的X(Al)成分等值线共同限定该期变质作用温压条件为T=650~760℃,P=7.1~9.2kbar。退变质晚期Grt+Hbl+Pl的矿物组合出现在Grt+Pl+Hbl+Ilm组成的五变域内,利用石榴子石最边部的X(Ca)和斜长石的X(Ca)成分等值线共同限定角闪岩相变质条件T=580~640℃,P=5.9~6.4kbar。

图 9 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩12Q-15在NCFMASHTO (+H2O+q) 体系下P-T视剖面图 Fig. 9 P-T pseudosection in NCFMASHTO (+H2O+q) for the HP magic granulite (12Q-15) in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

视剖面图计算结果显示该岩石在变质峰期可能达到榴辉岩相或高压麻粒岩相,之后经历近等温降压的退变质作用达到麻粒岩相,在退变质晚期继续降温降压至角闪岩相,具有顺时针的P-T演化轨迹。

7 锆石U-Pb定年

本文选择高压麻粒岩样品(12Q-15) 及侵入其中的浅色脉体(12Q-13) 分别进行了锆石U-Pb定年。

7.1 样品12Q-15

该样品中的锆石多为浑圆状或半自形短柱状,粒径较小,形态复杂,部分具核边结构,锆石核部发光性较好,边部发光性较差(图 10),总体显示了变质锆石或被变质作用改造的基性岩石中锆石的特征(Corfu et al., 2003)。

图 10 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩(12Q-15) 部分锆石CL图像 Fig. 10 Partial zircon CL images for the HP magic granulite (12Q-15) in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

对该样品共进行14个测点的分析(表 2表 3),年龄结果均分布在不一致曲线附近或下方(图 11a)。在年龄曲线下方有一个由五个测点构成的214±11Ma的年龄集中区,这五个测点都位于锆石边部,Th/U比值在0.01~0.10之间,符合变质锆石的特征(Corfu et al., 2003);但其重稀土富集,显示锆石并未与石榴石平衡共生,并具有明显的Eu负异常,表明锆石与斜长石平衡共生,结合锆石CL图像及微量元素含量特征,认为214±11Ma可能代表了该高压基性麻粒岩遭受角闪岩相退变质作用的发生时间(Schaltegger et al., 1999; Rubatto, 2002; Whitehouse and Platt, 2003; 吴元保和郑永飞, 2004)。获得核部最小谐和年龄为477±6Ma,最大的谐和年龄为825±9Ma,Th/U比值分别为1.16和1.43,显示岩浆锆石的特征,但在前一测点的边部获得215±4Ma的变质年龄,因此本文倾向于认为477±6Ma代表该高压基性麻粒岩原岩的形成时代,后一测点可能是该麻粒岩原岩侵位过程中捕获得到的围岩锆石。

图 11 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩(12Q-15) 锆石U-Pb年龄谐和图(a) 和稀土元素球粒陨石标准化图(b) Fig. 11 The zircon U-Pb concordia diagram (a) and chondrite-normalized REE pattern (b) for the HP mafic granulite in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

表 2 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩(12Q-15) 锆石的LA-ICP-MS定年分析结果 Table 2 The LA-ICP-MS dating analysis result of zircons from the HP mafic granulite (12Q-15) in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

表 3 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩(12Q-15) 锆石的微量元素分析结果(×10-6) Table 3 Trace element compositions (×10-6) of zircons from the HP mafic granulite (12Q-15) in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen
7.2 样品12Q-13

侵入于该高压基性麻粒岩中浅色脉体中的锆石主要为半自形的长柱状或浑圆状,有比较明显的核边结构(图 12),核部锆石形态结构大致分为两类,一类具有明显岩浆震荡环带,另一类呈斑杂状;部分边部具有较为明显的岩浆震荡环带,还有部分锆石边部阴极发光较暗,可能与流体作用有关(Corfu et al., 2003; 吴元保和郑永飞, 2004)。

图 12 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩中浅色脉体(12Q-13) 部分锆石CL图像 Fig. 12 Partial zircon CL images for the leucosome (12Q-13) in HP mafic granulite in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

该样品的锆石共进行了22个测点分析(表 4表 5),获得在不一致曲线下方从210Ma左右到850Ma左右连续分布,年龄曲线下方有一215±5Ma的年龄集中区(图 13a),8个测点位置均位于锆石边部,具有岩浆环带的边部测点年龄为219~220Ma,Th/U为0.34~0.39,暗色边部年龄分布在207~214Ma,Th/U比值均小于0.11,锆石边部稀土总量高于核部,重稀土相对较富集,Eu弱负异常(图 13b),215±5Ma应代表该脉体的结晶时代;锆石斑杂状核部的年龄大多集中在330~400Ma之间,Th/U比值在0.05~0.58之间,但其测点锆石具有明显的蜕晶化特征(图 12),因而不具有明确的地质意义;而具有岩浆环带的核部年龄较老,从630~846Ma连续分布,Th/U比值均大于0.47,应该代表了其源区残留锆石的年龄。

图 13 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩中浅色脉体(12Q-13) 锆石U-Pb年龄谐和图(a) 和稀土元素球粒陨石标准化图(b) Fig. 13 The U-Pb zircon concordia diagram (a) and chondrite-normalized REE pattern (b) for the leucosome (12Q-13) in HP mafic granulite in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

表 4 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩中浅色脉体(12Q-13) 锆石的LA-ICP-MS定年分析结果 Table 4 The LA-ICP-MS dating analysis result of zircons from the leucosome (12Q-13) in HP mafic granulite in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

表 5 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩中浅色脉体(12Q-13) 锆石锆石的微量元素分析结果(×10-6) Table 5 Trace element compositions (×10-6) of zircons from the leucosome (12Q-13) in HP mafic granulite in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen

该浅色脉体切穿高压基性麻粒岩,其结晶时代应晚于高压基性麻粒岩峰期变质时代,但年代学研究结果显示脉体结晶时代(215±5Ma) 与高压基性麻粒岩的变质时代(214±11Ma) 在误差范围内一致,进一步表明前述高压麻粒岩样品(12Q-15) 获得的214±11Ma的年龄值并非其峰期变质时代,而是代表了角闪岩相退变质时代。

8 讨论与结论

(1) 通过详细的岩相学研究与P-T视剖面图计算,本次研究在前人已报导出露基性麻粒岩的勉略构造带勉县北部徐家坪地区确定了两类高压基性麻粒岩。一类高压基性麻粒岩的峰期矿物组合为Grt1+Cpx+Pl1+Qz,对应温压条件为T=800~860℃,P=12.4~14.6kbar;退变质矿物组合为Grt2+Hbl+Pl2+Qz,对应温压条件为T=580~640℃,P=5.9~6.4kbar,二者共同构成该岩石降温降压的顺时针P-T演化轨迹(图 8)。另一类是具有典型“白眼圈”反应结构的高压基性麻粒岩,“白眼圈”结构中斜长石的牌号为富Na的钠-更长石,指示该岩石早期矿物组合可能为Grt1+Omp (?)+Qz或Grt1+Cpx (?)+Pl+Qz,分别对应榴辉岩相和高压麻粒岩相,对应温压条件为T=775~900℃,P>19.2kbar和T=750~850℃,P=16.5~19.8kbar;该岩石还经历了两期退变质作用,早期退变质是以“白眼圈”反应结构后成合晶Grt2+Opx+Hbl1+Pl1+Qz为代表的麻粒岩相变质,变质条件为T=650~760℃,P=7.1~9.2kbar;T=650~760℃,P=7.1~9.2kbar;晚期退变质是以矿物组合Grt3+Hbl2+Pl2+Qz为特征的角闪岩相变质,变质条件为T=580~640℃和P=5.9~6.4kbar;各变质期次的矿物组合及温压条件共同限定该岩石具有顺时针早期近等温降压,晚期降温降压的P-T演化轨迹(图 9)。本文研究获得的第一类高压基性麻粒岩的矿物组合、变质条件和变质演化与早期李三忠等(2000)对该区基性麻粒岩的研究结果类似。综合岩相学、矿物化学以及视剖面图的计算结果分析,造成两类高压基性麻粒岩在同一地区变质峰期温压条件不同以及在经历过相同或相似退变质作用后保存不同矿物组合的原因可能是这两类岩石原岩组分的差异。

(2) 张宗清等曾获得该区基性麻粒岩黑云母40Ar/39Ar坪年龄为199.7±1.7Ma和全岩Sm-Nd等时线年龄206±55Ma,并将该年龄值解释为麻粒岩形成后构造抬升退变质时代(张宗清等,2002);李三忠等利用该区切穿基性麻粒岩的光头山花岗岩的形成时代(200Ma) 限定基性麻粒岩的变质时代早于200Ma (李三忠等,2000)。本此研究获得该区高压基性麻粒岩(12Q-15) 角闪岩相退变质时代为214±11Ma,以及侵入其中的浅色脉体(12Q-13) 的结晶时代为215±5Ma。这些年龄数据在误差范围内基本一致,共同限定区内高压基性麻粒岩峰期变质时代应早于215Ma。

另外,该高压基性麻粒岩角闪岩相的退变质时代(214±11Ma) 和其中浅色脉体的结晶时代(215±5Ma) 与前人研究获得的该地区北部光头山花岗岩的形成时代(199~221Ma) (孙卫东等,2000陈旭等,2009吴峰辉等,2009) 在误差范围内亦基本一致。光头山花岗岩被认为形成于典型的后碰撞环境,是华北和扬子板块在三叠纪碰撞导致俯冲板片断离、软流圈物质上涌、地壳伸展背景下陆壳物质部分熔融的产物(张成立等,2005秦江峰等,2007秦江峰和赖绍聪, 2011),这可能与该区高压基性麻粒岩的折返存在动力学上的联系。

(3)李三忠等(2000)通过地球化学研究,认为该区基性麻粒原岩具岛弧火山岩性质;张宗清等(2002)通过对其主、微量元素地球化学与略阳庄科蛇绿岩相似性的对比研究,提出其原岩可能形成于大陆或大陆边缘扩张洋盆环境中。综合本次研究中获得的高压基性麻粒岩原岩形成时代(477Ma),可以认为该高压基性麻粒岩的形成可能是区内先期岛弧或洋壳物质俯冲作用的产物。

(4) 造山带中高压变质岩石虽然出露很少,但其包含造山带形成与演化过程中重要的信息,是了解板块俯冲、碰撞造山过程与动力学不可或缺的研究对象(Smith, 1988; Carswell and Zhang, 1999; Powell and Holland, 2010; Liu et al., 2012)。图 14是将前述两类高压基性麻粒岩样品P-T演化轨迹及变质时代合并得到的P-T-t演化轨迹,该顺时针型的P-T-t演化轨迹揭示形成时代约为477Ma的岛弧或洋壳岩石在早于215Ma的时间俯冲到地壳深部(约60km) 遭受榴辉岩相或高压麻粒岩相变质作用,之后,先快速近等温降压折返退变质经过麻粒岩相变质、再继续降温降压,在214Ma左右形成角闪岩相退变质矿物组合。这反映了秦岭造山带在印支期沿勉略构造带发生俯冲-碰撞-折返的造山过程,从变质作用演化的角度进一步证明勉略构造带是一条形成于印支期的板块缝合带。

图 14 南秦岭勉略构造带高压基性麻粒岩P-T-t演化轨迹 Fig. 14 P-T-t path for the HP magic granulites in Mian-Lüe suture zone, South Qinling orogen
致谢 陈意副研究员在P-T视剖面图计算中给予了帮助和建议;廖小莹和王亚伟在野外考察及实验测试过程中也提供了许多帮助;在此一并表示感谢。
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