利用石榴橄欖巖重建大陸俯沖帶的古動(dòng)力學(xué)環(huán)境及其演化過程*

張聰 黃杰，2 陳梅，2 楊經(jīng)綏

ZHANG Cong1，HUANG Jie1，2，CHEN Mei1，2 and YANG JingSui1

1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100871

1. State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics，Institute of Geology，Chinese Academy of Geosciences，Beijing 100037，China

2. School of Earth Science and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100871，China

2015-08-01 收稿，2015-10-11 改回.

1 引言

高壓-超高壓變質(zhì)帶是古板塊匯聚邊界及古大洋俯沖碰撞的重要標(biāo)志，記錄了洋殼或陸殼物質(zhì)由俯沖發(fā)生超高壓變質(zhì)作用到折返的一系列動(dòng)力學(xué)過程。自從在西阿爾卑斯Dora Maria 地塊(Chopin，1984)和挪威西片麻巖地區(qū)(Western Gneiss Region，WGR)的副片麻巖中(Smith，1984)發(fā)現(xiàn)超高壓指示性礦物柯石英以來，高壓-超高壓變質(zhì)作用的研究已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年，并在推動(dòng)大陸動(dòng)力學(xué)研究過程中取得了突破性進(jìn)展。作為造山帶中重要的巖石類型，石榴橄欖巖不僅記錄了大陸地殼俯沖發(fā)生超高壓變質(zhì)作用到折返的整個(gè)過程，同時(shí)也攜帶了俯沖帶地幔楔形成及演化，殼幔相互作用，俯沖帶水巖反應(yīng)等一系列信息，部分還記錄了俯沖帶形成之前巖石圈地幔形成時(shí)的物理化學(xué)特征(Brueckner，1998;Brueckner and van Roermund，2004;Scambelluri et al.，2008)。這些產(chǎn)于地幔深部的巖石經(jīng)歷了怎樣的演化過程，其是如何搬運(yùn)到淺部地殼層次及其如何侵位到大陸地殼中去的一系列問題仍存在較大爭(zhēng)議。前人利用深部塑性疊瓦狀構(gòu)造模式來解釋橄欖巖侵位大陸地殼的機(jī)制(Cuthbert et al.，1983;Cuthbert and Carswell，1990)。這種模式可以解釋部分淺部尖晶石橄欖巖的侵位機(jī)制，但對(duì)形成于大陸巖石圈深部超過70km 的石榴橄欖巖并不適用(van Roermund，2009a，b)。

在前人的工作基礎(chǔ)上，本文提出一種對(duì)造山帶石榴橄欖巖的簡(jiǎn)單分類模型，該模型通過對(duì)造山帶石榴橄欖巖的溫壓條件及P-T 軌跡的限定來區(qū)分其成因類型，主要分為地幔楔成因和俯沖帶成因兩種類型。地幔楔成因的石榴橄欖巖又被進(jìn)一步細(xì)分為四個(gè)亞類進(jìn)而重建古老造山帶的古動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

2 造山帶石榴橄欖巖的成因分類模型

不同造山帶中的石榴橄欖巖在結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、地球化學(xué)及年代學(xué)特征上均存在較大差異(Brueckner and Medaris，2000)，造成這種差異的原因主要有1)石榴橄欖巖的原巖來自不同的地幔源區(qū);2)受洋殼/陸殼俯沖過程中流體的影響;3)侵位于不同類型的陸殼巖石中。近幾十年來，針對(duì)世界范圍內(nèi)造山帶石榴橄欖巖的研究，已有不同的分類方法被提出(Brueckner and Medaris，2000;Zhang et al.，2000)。通過對(duì)造山帶石榴橄欖巖形成與演化過程的詳細(xì)研究，可以將其劃分為以下五個(gè)主要過程:1)大陸巖石圈地幔的形成與演化過程;2)俯沖盤上方地幔楔的形成過程;3)地幔楔石榴橄欖巖侵入俯沖陸殼侵位機(jī)制;4)攜帶石榴橄欖巖的俯沖陸殼物質(zhì)的折返過程;5)與俯沖帶流體/熔體相互作用發(fā)生水-巖/熔-巖反應(yīng)過程。以上五個(gè)地球動(dòng)力學(xué)過程在石榴橄欖巖中均有較好的記錄。對(duì)造山帶石榴橄欖巖開展詳細(xì)的野外勘察與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究有助于我們對(duì)造山帶演化過程的進(jìn)一步限定。

本文提出的石榴橄欖巖分類模型中將上述五個(gè)俯沖帶形成與演化相關(guān)的過程歸結(jié)為兩個(gè)主要地球動(dòng)力學(xué)過程:1)板塊匯聚作用發(fā)生之前(＞200Ma)大陸巖石圈地幔的形成過程;2)陸殼俯沖/碰撞過程中大陸巖石圈地幔楔的形成，及地幔楔物質(zhì)侵位大陸地殼并發(fā)生折返過程。這兩個(gè)動(dòng)力學(xué)過程在石榴橄欖巖演化P-T 圖中得到了很好的體現(xiàn)(圖1b，c)。圖1b 表示在假設(shè)巖石圈地幔形成于軟流圈地幔上升過程的情況下，產(chǎn)于大陸巖石圈地幔中的石榴橄欖巖形成時(shí)的P-T 條件，即為地幔楔型石榴橄欖巖，此類石榴橄欖巖中的含石榴石相礦物組合即可以形成于發(fā)生深俯沖之前巖石圈地幔形成階段(圖2a1-d1)，同樣也可以形成于俯沖過程中大陸地殼所捕獲的淺部地幔楔物質(zhì)(圖2a2-d2)。圖1c 則表示殼源橄欖巖在經(jīng)歷俯沖帶演化過程中經(jīng)歷進(jìn)變質(zhì)作用獲得石榴石相礦物組合的P-T 條件，即為俯沖帶型石榴橄欖巖。該分類模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用計(jì)算石榴橄欖巖不同期次礦物組合的簡(jiǎn)單計(jì)算方法來對(duì)其物質(zhì)來源及成因類型進(jìn)行限定。

2.1 地幔楔型石榴橄欖巖

圖1 造山帶中不同石榴橄欖巖的成因關(guān)系及P-T 圖解(a)俯沖帶型石榴橄欖巖的兩種原巖類型關(guān)系圖解;(b)地幔楔型石榴橄欖巖形成與演化過程P-T 圖解;(c)俯沖帶型石榴橄欖巖中變質(zhì)石榴石-橄欖石礦物組合形成的溫壓范圍Fig.1 The genesis and P-T diagram of the orogenic garnet peridotite(a)the relationship diagram of the two type of protolith of subduction zone garnet peridotite;(b)the P-T diagram illustrated the formation and evolution of the mantle wedge garnet peridotite;(c)the P-T ranges of the formation of garnet-olivine assemblage of the subduction zone garnet peridotite

在本文的石榴橄欖巖分類模型中，地幔楔型石榴橄欖巖形成于軟流圈上涌經(jīng)歷等壓冷卻過程形成的古老大陸巖石圈地幔及克拉通巖石圈地幔中(圖1b)。該型石榴橄欖巖在大陸深俯沖過程中被俯沖的地殼所捕獲并隨之折返到淺部地殼。其記錄的P-T 條件可能代表古老巖石圈地幔形成時(shí)的狀態(tài)，一般可以早于深俯沖作用幾億年(Brueckner et al.，2010)。同樣的，地幔楔型石榴橄欖巖也可以產(chǎn)出于相對(duì)年輕的大陸巖石圈地幔中，這種巖石圈地幔形成于軟流圈物質(zhì)上涌到已有的巖石圈地幔底部發(fā)生熔巖反應(yīng)形成新的巖石圈地幔過程(圖2)。此類地幔楔型石榴橄欖巖記錄的P-T條件可能反應(yīng)了古老巖石圈地幔的增生過程(Spengler et al.，2006;van Roermund，2009b)。地幔楔型石榴橄欖巖中所記錄的P-T 條件決定于巖石圈地幔的厚度及其形成時(shí)間與其經(jīng)歷俯沖帶作用形成地幔楔過程的時(shí)間差(t)。不同類型的巖石圈厚度差別較大，一般認(rèn)為大洋巖石圈厚約為40km，普通大陸巖石圈厚度為100km，而克拉通巖石圈的厚度則為150 ～200km。形成于克拉通巖石圈底部的石榴橄欖巖中的礦物組合保存的壓力條件較大洋巖石圈和普通大陸巖石圈要高很多。另一方面，如果巖石圈地幔形成時(shí)間與進(jìn)入俯沖帶時(shí)間間隔較大(如t ＞＞250Ma)，則其中石榴橄欖巖記錄的溫壓條件則為穩(wěn)定大陸或克拉通巖石圈的地?zé)崽荻?如圖1b 中A 和C 所示)。如果軟流圈上涌過程與俯沖帶形成同時(shí)發(fā)生，或者時(shí)間間隔較短，則新生的巖石圈地幔沒有足夠的時(shí)間冷卻，其中保存的石榴橄欖巖所記錄的溫度則相對(duì)較高(＞1100℃)。

基于地幔楔型石榴橄欖巖形成的巖石圈厚度及其熱狀態(tài)的差異，可將其分為四種代表不同溫壓條件及成因的亞類(如圖1b)。軟流圈物質(zhì)上涌溫度變化一般介于1350 ～1750℃之間，圖1b 中簡(jiǎn)化為邊界溫度下兩條等壓降溫曲線。在高溫高壓條件下，壓力條件降至干橄欖巖固相線時(shí)，石榴橄欖巖會(huì)隨之發(fā)生減壓熔融作用，這也是甄別地幔楔型石榴橄欖巖的重要標(biāo)志之一。在軟流圈物質(zhì)達(dá)到原有巖石圈地幔底部經(jīng)歷減壓熔融過程以后，其中石榴橄欖巖經(jīng)歷等壓降溫的冷卻過程。如果石榴橄欖巖形成于厚的克拉通型巖石圈地幔底部(約150km)，則可能發(fā)生如下兩種情況:

(1)在巖石圈地幔形成后有足夠冷卻時(shí)間的情況下，石榴橄欖巖中保存的溫壓條件應(yīng)與圖1b 中所示克拉通巖石圈地幔相應(yīng)深度穩(wěn)定地?zé)崽荻鹊臏貕簵l件相似(如圖1b 及圖2中的A 型石榴橄欖巖)，其保存的含石榴石相礦物組合的年齡應(yīng)遠(yuǎn)大于俯沖帶的形成年齡。

(2)在巖石圈地幔形成后沒有足夠時(shí)間冷卻而進(jìn)入俯沖帶形成地幔楔的情況下，石榴橄欖巖中所記錄的溫壓條件則會(huì)明顯高于同深度克拉通巖石圈地幔的地?zé)崽荻?T ≥1200℃)。除此之外，含石榴石相礦物組合的形成年齡應(yīng)與大陸深俯沖事件時(shí)間相近(如圖1b 及圖2 中的B 型石榴橄欖巖)。

圖2 地幔楔型石榴橄欖巖四個(gè)亞類對(duì)應(yīng)的大地構(gòu)造環(huán)境及俯沖帶演化過程圖中A-D 四種類型分別對(duì)應(yīng)圖1b 中的地幔楔石榴橄欖巖的A-D 四個(gè)亞類. 圖中a1-d1 表示巖石圈地幔形成時(shí)的構(gòu)造環(huán)境，而a2-d2 表示發(fā)生俯沖作用在地幔楔中形成不同類型石榴橄欖巖的過程Fig.2 The tectonic settings and subduction zone evolution processes corresponded to the four subtypes of the mantle wedge garnet peridotiteThe A-D four types corresponded to the A-D subtypes of mantle wedge garnet peridotite in Fig.1b. The a1-d1 in this figure illustrates the tectonic settings of the formation of the lithospheric mantle，whereas the a2-d2 illustrates the processes of garnet peridotite formation in the mante wedge during subduction

如果石榴橄欖巖形成于普通巖石圈地幔底部(深度約100km)，其形成的地質(zhì)過程應(yīng)與上述兩種情況類似，但礦物組合中所保存的壓力條件明顯偏低(如圖1b 及圖2 中的C、D 型石榴橄欖巖)。如圖2 所示地幔楔型石榴橄欖巖每一種亞類均包括巖石圈地幔形成(圖2a1-d1)及其俯沖帶演化過程(圖2a2-d2)。地幔楔型石榴橄欖巖進(jìn)入俯沖帶最簡(jiǎn)單的方式為被俯沖陸殼從不同深度的地幔楔中捕獲(Brueckner and Medaris，2000)，進(jìn)而俯沖到更深的地幔深度經(jīng)歷俯沖帶變質(zhì)作用或被折返陸殼捕獲而直接帶到淺部地殼層次。伴隨發(fā)生的重結(jié)晶作用及變形過程使得地幔楔型石榴橄欖巖的礦物組合、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及地球化學(xué)特征均被不同程度的改造或被完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦_帶型石榴橄欖巖(Dijkstra et al.，2004)。

2.2 俯沖帶型石榴橄欖巖

俯沖過程中進(jìn)變質(zhì)作用使殼源低壓礦物組合獲得含石榴石礦物組合形成俯沖帶型石榴橄欖巖。其原巖可能由殼源的鎂鐵質(zhì)巖漿分異或者是在巖石圈淺部形成的蛇紋巖、斜長(zhǎng)石橄欖巖、尖晶石橄欖巖等。這種石榴橄欖巖常與榴輝巖互層產(chǎn)出并經(jīng)歷相似的變質(zhì)演化過程。部分俯沖帶型高壓/超高壓石榴橄欖巖中保存有完好的低壓礦物組合，如大別造山帶毛屋地區(qū)石榴石變斑晶中包裹的剛玉、斜綠泥石、角閃石等包體(Liou and Zhang，1998)。挪威西片麻巖地區(qū)Fe-Ti型石榴橄欖巖也屬于此種類型(Jamtveit，1987;Vrijmoed et al.，2006)。俯沖帶型石榴橄欖巖中含石榴石相礦物組合記錄了俯沖/碰撞過程的時(shí)代，巖石中保存的進(jìn)變質(zhì)P-T 軌跡都是區(qū)別于B 型及D 型地幔楔石榴橄欖巖的重要標(biāo)志。

3 石榴橄欖巖分類模型的適用性

我們選擇斯堪的納維亞加里東期造山帶和中國(guó)柴北緣含超高壓礦物的石榴橄欖巖對(duì)本分類模型的適用性進(jìn)行探討。對(duì)前人研究獲得的石榴橄欖巖的溫壓條件及同位素年代學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，如果已發(fā)表的數(shù)據(jù)與我們的理論模型相符，則該模型便可以作為重建造山帶石榴橄欖巖地質(zhì)動(dòng)力學(xué)背景的首要依據(jù)。

3.1 斯堪的納維亞加里東期造山帶

斯堪的納維亞加里東期造山帶是一條早古生代造山帶，其中可見一系列構(gòu)造推覆體(圖3)，其中包含復(fù)雜的高級(jí)片麻巖基底和表殼巖石。多數(shù)高級(jí)片麻巖為前寒武紀(jì)結(jié)晶基底，時(shí)代與出露于外來體東部的波羅的陸殼一致。然而一些片麻巖，特別是出露于大陸西部地區(qū)的巖石，如西片麻巖地區(qū)顯示出加里東期的結(jié)晶時(shí)代，該時(shí)代代表了波羅的大陸經(jīng)歷不同程度的加里東期變質(zhì)事件發(fā)生再活化的時(shí)間。斯堪的納維亞加里東期造山帶中四個(gè)主要地體中均有石榴橄欖巖的報(bào)道，其產(chǎn)出位置見圖3。

3.1.1 西片麻巖(WGR)地區(qū)

圖3 斯堪的納維亞加里東期造山帶構(gòu)造簡(jiǎn)圖及石榴橄欖巖出露位置(據(jù)Brueckner and van Roermund，2004 修改)Fig. 3 The sketch geological map of the Scandinavian Caledonides and the position of the garnet peridotite(modified after Brueckner and van Roermund，2004)

WGR 是斯堪的納維亞加里東期造山帶的下部構(gòu)造單元，它位于波羅的大陸的最外緣，形成于斯堪的納維亞碰撞時(shí)期(Krogh，1977)。區(qū)內(nèi)出露有與大陸巖石圈形成相關(guān)的橄欖巖體。WGR 北部地區(qū)出露的橄欖巖體中含有石榴石，其穩(wěn)定的溫壓條件為700 ～950℃，2.0 ～6.0GPa(Medaris and Carswell，1990;Cuthbert et al.，2000;van Roermund，2009a;Brueckner et al.，2010)。斯堪的納維亞地區(qū)造山帶石榴橄欖巖及與之伴生的俯沖地殼物質(zhì)中微型金剛石的發(fā)現(xiàn)表明這些巖石在斯堪的納維亞造山作用過程中經(jīng)歷了相同的俯沖演化過程(Spengler et al.，2009;van Roermund，2009b)，而太古代和中元古代石榴橄欖巖中輝石出溶物的發(fā)現(xiàn)表明WGR 石榴橄欖巖的起源深度遠(yuǎn)大于其圍巖片麻巖(van Roermund and Drury，1998)。

WGR 地區(qū)出露兩種不同成分的石榴橄欖巖(Fe-Ti 型和Mg-Cr 型，Carswell et al.，1983)，F(xiàn)e-Ti 型石榴橄欖巖礦物組合記錄了進(jìn)變質(zhì)演化過程，被認(rèn)為是低壓的(超)鎂鐵質(zhì)地殼侵入體在斯堪的納維亞俯沖時(shí)期變質(zhì)而成(Jamtveit et al.，1991)。由于同位素體系不平衡，Jamtveit et al. (1991)未能準(zhǔn)確獲得WGR 地區(qū)Eiksunddal 雜巖中Fe-Ti 型石榴橄欖巖的Sm-Nd 年齡，但測(cè)得同一個(gè)雜巖體中榴輝巖的Sm-Nd 同位素年齡為412 ～612Ma，與WGR 地區(qū)的斯堪的納維亞Sm-Nd 變質(zhì)時(shí)代一致(Griffin and Brueckner，1980)。加里東期微晶金剛石的發(fā)現(xiàn)(Vrijmoed et al.，2006，2008)，進(jìn)一步揭示了WGR 北部Svartberget 地區(qū)Fe-Ti 石榴橄欖巖的俯沖起源，在石榴橄欖巖分類模型中為“俯沖帶型石榴橄欖巖”。

Mg-Cr 型石榴橄欖巖多產(chǎn)于重結(jié)晶的綠泥石橄欖巖中，與其圍巖角閃巖相片麻巖具有相同的巖相特征(Carswell，1986;Jamtveit，1984)。其中特殊的上地幔礦物，全巖化學(xué)成分和同位素特征顯示Mg-Cr 型石榴橄欖巖起源于高度虧損的大陸巖石圈地幔(Brueckner，1977)。Mg-Cr 石榴橄欖巖與之伴生的石榴輝石巖Sm-Nd 及Re-Os 同位素特征表明其中早期的含石榴石礦物組合形成于中元古代時(shí)期或者更老(Jamtveit et al.，1991;Brueckner et al.，2002，2010;Lapen et al.，2005)，形成年齡遠(yuǎn)大于斯堪的納維亞大陸發(fā)生碰撞的年齡?；趯?duì)WGR 最北部地區(qū)Mg-Cr 石榴橄欖巖詳細(xì)的巖相學(xué)，礦物化學(xué)，地球化學(xué)，同位素年代學(xué)研究，前人將其劃分為三個(gè)主要的演化階段:太古代(M1)、元古代(M2)巖石圈地幔形成與演化過程及斯堪的納維亞期(M3)超高壓變質(zhì)作用及橄欖巖侵位過程(van Roermund，2009b)。硫化物Re-Os 同位素年齡表明石榴橄欖巖中橄欖石，石榴石和斜方輝石巨晶所組成的的礦物組合(M1)形成于太古代(Brueckner et al.，2002)，后被M1 礦物組合的2.53Ga 和2.9Ga Sm-Nd 模式年齡進(jìn)一步限定(Spengler et al.，2006)。這些同位素年齡數(shù)據(jù)清楚的顯示高度虧損的石榴橄欖巖具有太古代特征。Mg-Cr 型石榴石橄欖巖巖體的石榴石巨晶中輝石出溶片晶的發(fā)現(xiàn)(van Roermund and Drury，1998;van Roermund et al.，2001)表明石榴石中包含相當(dāng)含量的超硅石榴石組分(5% ～8%)，這說明了高溫條件下石榴石的最小形成壓力為6.0 ～6.5GPa(van Roermund et al.，2000)，解釋為軟流圈物質(zhì)對(duì)流上涌穿越干的橄欖巖固相線，導(dǎo)致高溫壓減壓熔融的結(jié)果(van Roermund and Drury，1998;Spengler et al.，2006)。減壓熔融伴隨著難熔橄欖巖在石榴石-橄欖石穩(wěn)定域增生至克拉通巖石圈底部(1% 鎂鐵榴石，van Roermund，2009a)冷卻到達(dá)該深度的地溫梯度。石榴石橄欖巖中元古代含石榴石礦物組合(M2)由太古代礦物組合重結(jié)晶而形成(Brueckner et al.，2002;Spengler et al.，2006)，其形成溫壓條件為1300 ～1500℃、3.0 ～4.5GPa(Carswell and van Roermund，2005)。由于M3 期微晶金剛石的發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為Mg-Cr 型石榴石橄欖巖侵位大陸地殼發(fā)生的溫壓條件為840～900℃，3.4 ～4.1GPa(Jamtveit，1987;van Roermund et al.，2002;Scambelluri et al.，2010)。Spengler et al. (2009)獲得的含微晶金剛石的M3 礦物集合體的Sm-Nd 平均年齡為430Ma，說明Mg-Cr 型石榴橄欖巖在斯堪的納維亞俯沖/碰撞早期發(fā)生了超高壓變質(zhì)作用。

3.1.2 Seve Nappe 雜巖地區(qū)

根據(jù)巖石的伴生關(guān)系和碎屑鋯石的源區(qū)年齡，Seve Nappe 雜巖被認(rèn)為是波羅的大陸西緣和古大西洋之間的洋陸轉(zhuǎn)換區(qū)(Brueckner and van Roermund，2007)。前人在Seve Nappe 的J?mtland 區(qū)域發(fā)現(xiàn)榴輝巖，石榴石橄欖巖及石榴輝石巖的高壓巖石組合認(rèn)為其曾經(jīng)歷了高壓變質(zhì)作用(圖3，van Roermund，1989)。

J?mtland 地區(qū)包含一套中-高級(jí)泥質(zhì)到長(zhǎng)英質(zhì)片巖和片麻巖，角閃巖，榴輝巖和次生大理巖及其中包裹的石榴橄欖巖。石榴橄欖巖透鏡體的變質(zhì)溫壓條件為620 ～796℃，1.9～2.1GPa(圖4a，b;van Roermund，1989)，其Sm-Nd 礦物等時(shí)線年齡452.9 ±5.3Ma 表明含石榴石巖石的結(jié)晶年齡與相鄰的榴輝巖的結(jié)晶年齡一致(Brueckner et al.，2004)。硫化物的Re-Os 同位素研究表明石榴橄欖巖的原巖年齡至少為元古代，或者更晚至晚太古代(Brueckner et al.，2004);結(jié)合Sm-Nd 同位素和微量元素研究認(rèn)為石榴橄欖巖起源于古老的巖石圈地幔而非先前認(rèn)為的大洋巖石圈。此外，斜方輝石顆粒Sm-Nd 同位素研究給出了石榴石橄欖巖中元古代的模式年齡，斜方輝石富集的微量元素特征則與俯沖帶流體疊加作用有關(guān)。石榴橄欖巖的地球化學(xué)特征顯示J?mtland 橄欖石起源于從古大西洋裂解形成的微陸塊巖石圈地幔(厚度約60km，Brueckner and van Roermund，2007)。以上研究結(jié)果表明J?mtland 石榴橄欖巖屬于分類模型中C 型的地幔楔石榴石橄欖巖，其原巖形成于相對(duì)較薄的大陸巖石圈地幔底部。

3.1.3 Troms? Nappe 雜巖地區(qū)

Troms? Nappe 包含一系列多期變質(zhì)的高級(jí)變質(zhì)沉積物(含石榴石云母片巖、大理巖、鈣硅酸巖巖石)，伴隨著大量鎂鐵質(zhì)巖體和少量超鎂鐵質(zhì)巖石如石榴橄欖巖和純橄欖巖(Ravna and Roux，2006;Ravna et al.，2006)。Ravna et al.(2006)通過對(duì)石榴橄欖巖中石榴石礦物包裹體的巖石學(xué)研究得到粗粒石榴石核部的角閃石和綠泥石包體及邊部的單斜輝石、貧鉻尖晶石包體是從基質(zhì)中的石榴石、鎂橄欖石，透輝石和富鉻尖晶石繼承而來。這一系列的礦物組合演化被用來解釋俯沖過程中溫壓條件為675 ～740℃，1.4 ～2.4GPa的進(jìn)變質(zhì)演化過程，此類石榴橄欖巖屬于俯沖帶型石榴橄欖巖。同區(qū)域出露的榴輝巖中石榴石+綠輝石+多硅白云母礦物組合計(jì)算得出了更高的變質(zhì)條件(735℃，3.36GPa)，表明Troms? Nappe 曾經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用(Ravna and Roux，2006)。榴輝巖中鋯石保存的變質(zhì)年齡為452 ±2Ma(Corfu et al.，2003)，該年齡與Seve Nappe 雜巖中榴輝巖和石榴石橄欖巖的高壓變質(zhì)年齡一致。

3.1.4 Lind?s Nappe 雜巖地區(qū)

Lind?s Nappe 位于斯堪的納維亞加里東造山帶南部(圖3)，Lind?s Nappe 主體由斜長(zhǎng)巖-花崗閃長(zhǎng)巖組合在920 ～1230Ma 麻粒巖相條件下變質(zhì)而成(Bingen et al.，2001)。Lind?s Nappe 中橄欖巖巖體(二輝橄欖巖、異剝橄欖巖)呈透鏡狀產(chǎn)出，與斜長(zhǎng)巖互層。橄欖巖與其寄主巖石具有相似的麻粒巖相礦物組合(Austrheim，1990)，Kühn et al. (2000)將其解釋為尖晶石橄欖巖原巖形成于元古代(840 ～992Ma)下部地殼層次。尖晶石橄欖巖轉(zhuǎn)化為石榴橄欖巖的過程記錄了與加里東期陸-陸碰撞相關(guān)的高壓變質(zhì)作用，該變質(zhì)作用發(fā)生于440 ～460Ma 之間，導(dǎo)致麻粒巖相殼源巖石進(jìn)入650 ～700℃，1.6 ～2.1GPa 高壓變質(zhì)范圍內(nèi)(Krogh et al.，1990;Bingen et al.，2001)。綜上，Lind?s Nappe 橄欖巖被認(rèn)為是俯沖帶型石榴橄欖巖。

圖4 斯堪的納維亞加里東期造山帶石榴橄欖巖的溫壓數(shù)據(jù)匯總(d)中P-T 軌跡1，2，3，4 分別與(1)van Roermund (2009b);(2)Ravna et al. (2006);(3)Jamtveid et al. (1989);(4)Brueckner et al.(2010)對(duì)應(yīng)Fig.4 The published P-T data of the garnet peridotite from Scandinavian CaledonidesThe P-T path in Fig.4d corresponded to the one published from (1)van Roermund (2009b);(2)Ravna et al. (2006);(3)Jamtveid et al.(1987);and (4)Brueckner et al. (2010)

我們總結(jié)了斯堪的維亞地區(qū)出露于不同構(gòu)造層次的石榴石橄欖巖保存的巖石學(xué)及變質(zhì)溫壓條件特征。石榴橄欖巖礦物-地球化學(xué)特征所記錄的變質(zhì)條件列于表1 中。在參考石榴橄欖巖原巖年齡的基礎(chǔ)上，在橄欖巖分類模型P-T 圖中繪制其形成溫壓范圍(圖4)。地幔楔型和俯沖帶型石榴橄欖巖具有典型的溫壓范圍特征。具有普通巖石圈地幔(SCLM1)溫壓條件特征的石榴橄欖巖(圖4a 中T，SP和LP)均產(chǎn)于斯堪的納維亞加里東期造山帶的上部外來塊體(圖3中藍(lán)色和綠色區(qū)域)，代表相對(duì)淺的巖石圈地幔(C 型地幔楔石榴橄欖巖)及部分地殼物質(zhì)。除此之外，其經(jīng)歷俯沖帶變質(zhì)作用的時(shí)間均為加里東造山帶形成初期階段(＞425Ma)，變質(zhì)程度相對(duì)較淺(圖4b)。然而，產(chǎn)于相對(duì)較厚的克拉通型巖石圈地幔(SCLM2)中的石榴橄欖巖僅在挪威西片麻巖地區(qū)有所出露(圖4a 中M2c、M2d1、M2d2)，代表造山帶的底部構(gòu)造單元(圖3)，其溫壓條件結(jié)合同位素年代學(xué)數(shù)據(jù)代表了厚的古老的冷的克拉通巖石圈地幔特征(A 型地幔楔石榴橄欖巖)。此類石榴橄欖巖進(jìn)入俯沖帶的時(shí)間較前者晚(＜425Ma)，并經(jīng)歷了深俯沖變質(zhì)作用(圖4b 所示約150 ～200km)。上述石榴橄欖巖溫壓條件及年代學(xué)特征均與本文提出的地幔楔(A，C 型)和俯沖帶型石榴橄欖巖分類依據(jù)相吻合，說明該分類模型可以適用于斯堪的納維亞加里東造山帶的石榴橄欖巖分類方案。

表1 斯堪的納維亞加里東期造山帶及柴北緣造山帶石榴橄欖巖的溫壓條件匯總Table 1 The published P-T data of garnet peridotite from Scandinavian Caledonides and North Qaidam orogen，China

3.2 我國(guó)柴達(dá)木盆地北緣造山帶

圖5 柴北緣超高壓帶地質(zhì)簡(jiǎn)圖及其中石榴橄欖巖溫壓條件匯總(a，據(jù)Song et al.，2006 修改)圖c 中:G-lh-石榴二輝橄欖巖;GP-石榴輝石巖Fig.5 The Sketch geological map of the North Qaidam UHPM belt and the published P-T data of the garnet peridotite in it (a，modified after Song et al.，2006)In Fig.5c:G-lh-garnet lherzolite;GP-garnet pyroxenite

綠梁山石榴橄欖巖產(chǎn)于我國(guó)西北部柴北緣超高壓變質(zhì)帶中(圖5a)，巖石組合類型為含石榴石純橄欖巖，石榴石方輝橄欖巖，石榴石二輝橄欖巖，石榴石輝石巖和尖晶石純橄欖巖(楊建軍等，1994;Song et al.，2004，2005a，b，2007，2009a，b;Yang and Powell，2008)。3 個(gè)純橄欖巖和石榴石橄欖巖樣品Sm-Nd 同位素研究結(jié)果顯示εNd為負(fù)值，這與洋殼或者大陸巖石圈地幔起源的物質(zhì)有明顯不同(Song et al.，2007)。石榴石二輝橄欖巖中巖漿鋯石核部年齡為457 ±22Ma，被解釋為為石榴石橄欖巖原巖的年齡(Song et al.，2005b)。根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)特征，礦物化學(xué)特征及地球化學(xué)特征，Song et al.(2007，2009a，b)認(rèn)為綠梁山石榴橄欖巖起源于中奧陶紀(jì)阿拉斯加弧下型層狀低壓侵入體。Yang and Powell(2008)則根據(jù)石榴石、單斜輝石變斑晶中保存的利蛇紋石、陽起石、綠泥石及方解石等低溫低壓礦物，利用Thermalcalc 相平衡模擬方法，認(rèn)為石榴二輝橄欖巖的原巖來自于被蛇紋石化的深海橄欖巖，由于俯沖過程中蛇紋巖脫水作用形成了現(xiàn)今保留的礦物組合。以上研究均認(rèn)為綠梁山石榴橄欖巖應(yīng)屬于殼源俯沖帶型石榴橄欖巖。

圖5 柴北緣超高壓帶地質(zhì)簡(jiǎn)圖及其中石榴橄欖巖溫壓條件匯總(a，據(jù)Song et al.，2006 修改)

近年來，利用純橄欖巖Re-Os 同位素測(cè)試技術(shù)，獲得了純橄欖巖太古代的Re-Os 模式年齡(tRD= 2.6Ga，tMA=2.8Ga)，該年齡代表了原始熔融虧損事件的最小估計(jì)值，從而綠梁山石榴橄欖巖的另一種成因模式被提出(Shi et al.，2010;Xiong et al.，2015)。石榴石二輝橄欖巖和石榴石橄欖巖具有較高的全巖Ca，Al 和較高的Mg(Mg#＜92)，可投點(diǎn)于元古代大陸巖石圈地幔域(Griffin et al.，1999)，與太古代Re-Os 同位素年齡相結(jié)合，表明綠梁山石榴石橄欖巖可以代表了華北克拉通之下古老的太古代克拉通巖石圈地幔經(jīng)熔體抽離之后的殘留物(純橄欖巖，方輝橄欖巖，Shi et al.，2010)，與圖1 中A 型或C 型地幔楔石榴橄欖巖一致。石榴石中的金紅石+輝石+鈉質(zhì)角閃石出溶片晶及橄欖石中的鈦鐵礦，鋁鉻鐵礦和鋯石中的微晶金剛石包體均說明了綠梁山橄欖巖的原巖經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用，變質(zhì)溫壓條件為900 ～1000℃，5.5 ～6.5GPa(圖5b 中的L1，Song et al.，2004，2005b，2009a)。含金剛石的鋯石變質(zhì)時(shí)代被測(cè)定為423 ±5Ma(Song et al.，2005b)，表明石榴橄欖巖曾隨陸殼俯沖至超過200km 以下的地幔深度(Song et al.，2007)。綠梁山石榴橄欖巖的原巖經(jīng)歷了地幔(楔)演化過程及后期的俯沖帶變質(zhì)疊加過程，與分類模型中的地幔楔型石榴橄欖巖相吻合(圖5c)。

針對(duì)綠梁山同一巖體的巖石學(xué)及同位素地球化學(xué)研究得到了對(duì)于石榴橄欖巖起源兩種不同的認(rèn)識(shí)，如殼源低壓原巖經(jīng)歷俯沖帶進(jìn)變質(zhì)作用獲得石榴石相礦物組合而形成俯沖帶型石榴橄欖巖或來自于巖石圈地幔下部的虧損橄欖巖經(jīng)歷元古代或古生代的熔體“再富集”作用后進(jìn)入俯沖帶中經(jīng)歷超高壓變質(zhì)作用改造過程。產(chǎn)生這兩種分歧的主要原因在于強(qiáng)烈的俯沖帶變質(zhì)改造可能重塑了石榴橄欖巖的巖石學(xué)及同位素特征，從而部分或完全抹掉了其攜帶的地幔(楔)演化過程信息。

4 討論與結(jié)論

大陸巖石圈地幔的成分和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是建立大陸巖石圈地幔模型的基礎(chǔ)，反應(yīng)了地球演化過程中地球化學(xué)和構(gòu)造演化特征(Griffin et al.，1999)。金伯利巖和深源火山巖中的捕虜體及捕擄晶是研究地幔成分及結(jié)構(gòu)信息的主要來源。隨著造山帶超高壓變質(zhì)作用的深入研究，古老造山帶中出露的石榴橄欖巖為我們研究造山帶巖石圈地幔的物理化學(xué)性質(zhì)提供了一個(gè)新的窗口。它們可用于研究巖石圈地幔的形成，俯沖帶地幔楔的演化，石榴橄欖巖侵位俯沖陸殼的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及隨之發(fā)生的深俯沖及折返作用等一系列地質(zhì)過程。為研究造山帶石榴橄欖巖中蘊(yùn)含的上述地質(zhì)過程信息，我們提出一種依據(jù)其形成溫壓條件和構(gòu)造環(huán)境對(duì)其進(jìn)行分類的簡(jiǎn)單分類模型，把造山帶石榴橄欖巖劃分為地幔楔型和俯沖帶型兩種類型，其中地幔楔型石榴橄欖巖的研究與大陸巖石圈的形成與演化過程關(guān)系密切。對(duì)于斯堪的納維亞加里東造山帶石榴橄欖巖來說，我們的分類模型能與前人發(fā)表的區(qū)內(nèi)石榴橄欖巖的巖相學(xué)、礦物化學(xué)、地球化學(xué)以及同位素特征很好的吻合。雖然我國(guó)柴北緣綠梁山石榴橄欖巖尚不能確定其在分類模型中的位置，但對(duì)于已發(fā)表的兩種不同石榴橄欖巖的形成假說均有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如俯沖帶型石榴橄欖巖(Song et al.，2009a)及A 型或C 型地幔楔型石榴橄欖巖(Shi et al.，2010;Xiong et al.，2015)，說明該分類模型具有廣泛的適用性。

該分類模型提出一種對(duì)石榴橄欖巖的簡(jiǎn)單分類方案，其最重要的分類標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè):(1)石榴橄欖巖由地幔楔被俯沖大陸地殼捕獲時(shí)所記錄的溫度T(如圖2 中區(qū)分冷/熱地幔楔);(2)俯沖帶上盤巖石圈地幔的厚度(如圖2 中區(qū)分克拉通型和普通大陸型巖石圈地幔)。同時(shí)發(fā)生部分(減壓)熔融作用的時(shí)間及深度也是對(duì)造山帶石榴橄欖巖分類的重要參數(shù)。圖1b 中所示的減壓熔融作用發(fā)生在不同溫度的軟流圈物質(zhì)上涌過程中，當(dāng)溫度達(dá)到干二輝橄欖巖固相線時(shí)，形成熔體及殘余難熔物質(zhì)，熔體可能保留在體系中參與反應(yīng)，也可能從體系中分離，視熔體規(guī)模及地幔的熱結(jié)構(gòu)而定。當(dāng)熾熱的軟流圈物質(zhì)上升到已有巖石圈地幔底部發(fā)生冷凝作用，部分難熔殘余地幔橄欖巖則記錄了當(dāng)時(shí)巖石圈地幔的形成深度及熱狀態(tài)(van Roermund，2009b)。另一種情況是相對(duì)冷的軟流圈物質(zhì)上涌，減壓熔融程度較低，則可能形成相對(duì)富集的巖石圈地幔，這種富集型巖石圈地幔同樣可以由后期基性巖墻與早期形成的虧損地幔物質(zhì)反應(yīng)而來。對(duì)于地幔楔型石榴橄欖巖，我們還應(yīng)該區(qū)分其不同期次的含石榴石相礦物組合及其顯微構(gòu)造，因?yàn)閹r石圈地幔形成與演化過程中形成的礦物組合與俯沖帶變質(zhì)作用產(chǎn)生的礦物組合在礦物學(xué)特征及成分上具有較大差別，如礦物的顆粒大小、包體類型、單礦物微量元素等諸多方面。通過對(duì)造山帶石榴橄欖巖的巖石學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)及同位素特征的研究，結(jié)合其礦物組合中保留的P-T 軌跡信息，我們能夠利用本文提出的分類模型重建造山帶巖石圈地幔的動(dòng)力學(xué)環(huán)境及古俯沖帶的演化過程。

致謝 成文過程中與北京大學(xué)張立飛教授及荷蘭烏特勒支大學(xué)van Roermund 教授等進(jìn)行了深入的討論，兩位教授均給出了建設(shè)性意見;兩位匿名審稿人提出了寶貴的建議和意見;在此一并表示感謝。

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