大別山榴輝巖研究概述

李靜++司志森++陸麗娜

摘 要：榴輝巖作為典型的超高壓變質(zhì)巖，是研究碰撞造山帶演化過程及地球深部變質(zhì)作用的物質(zhì)基礎(chǔ)。該文闡述了我國大別山造山帶榴輝巖的研究意義，大別山的地質(zhì)背景以及榴輝巖的特征及產(chǎn)出特點(diǎn)。總結(jié)了大別山榴輝巖的同位素地球化學(xué)（包括碳、氫氧和稀有氣體同位素）和稀土元素地球化學(xué)特征，并提出了一些在大別山榴輝巖的研究中尚有爭(zhēng)論的問題，如榴輝巖原巖的成因及來源、榴輝巖形成過程中板塊的俯沖深度、超高壓變質(zhì)過程中稀土元素的穩(wěn)定性等。這些問題的解決還有賴于對(duì)大別地區(qū)的超高壓變質(zhì)巖做進(jìn)一步的巖石地球化學(xué)及微量元素地球化學(xué)的研究。

關(guān)鍵詞：榴輝巖 大別山 同位素 稀土元素 地球化學(xué) 研究

中圖分類號(hào)：P587 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0073-03

1 大別山榴輝巖的研究意義

20世紀(jì)80年代以來的地質(zhì)研究表明，大別造山帶是橫亙于中朝板塊和揚(yáng)子板塊之間的陸、陸碰撞型造山帶，也是全球規(guī)模最大，剝露最好，保存最完整的超高壓變質(zhì)巖帶[1-2]。

榴輝巖是典型的超高壓變質(zhì)巖，通過對(duì)這類巖石的研究在追溯超高壓變質(zhì)作用的歷史、了解變質(zhì)帶的形成、演化等許多問題都具有重要的意義。

近年來，主要是巖石學(xué)、同位素和同位素年代學(xué)、礦物學(xué)這些學(xué)科集中對(duì)大別山榴輝巖進(jìn)行了研究，也奠定了大別造山帶的基本構(gòu)造架構(gòu)[3-4]。但不足之處在于，對(duì)榴輝巖中微量元素的研究卻不多，這就對(duì)認(rèn)識(shí)榴輝巖原巖成因以及性質(zhì)的地球動(dòng)力學(xué)模式和演化歷史具有一定的局限性。

2 大別山的地質(zhì)背景

過郯廬斷裂是蘇魯造山帶，是大別造山帶的東延部分，稱為大別—蘇魯造山帶，是晚三疊世由揚(yáng)子陸塊和華北陸塊相碰而形成的。

由南到北，將大別山劃分為宿松變質(zhì)帶、南大別低溫榴輝巖帶、中大別中溫超高壓變質(zhì)帶、北大別高溫超高壓雜巖帶及北淮陽帶等構(gòu)造巖石單位（圖1）。研究表明，大別山印支期深俯沖陸殼包括南大別低溫榴輝巖帶、中大別中溫超高壓變質(zhì)帶和北大別高溫超高壓雜巖帶3個(gè)超高壓巖片。其中，經(jīng)歷過高壓榴輝巖相、超高壓榴輝巖相以及角閃巖相退變質(zhì)作用的是中大別和南大別。不同于南大別和中大別的是，北大別超高壓變質(zhì)巖則是經(jīng)過獨(dú)特的麻粒巖相變質(zhì)作用疊加而成的[5]。

3 榴輝巖成因以及分類

由主礦物是綠輝石和富鎂的石榴石組成的巖石就叫榴輝巖（eclogite）?？聽柭萚6]將榴輝巖分3類：A類榴輝巖；指金伯利巖、玄武巖中的包體和超基性巖中的層狀體。B類榴輝巖：片麻巖地區(qū)的層狀或透鏡狀榴輝巖，常被玄武巖所包圍。C類榴輝巖：阿爾卑新型造山帶變質(zhì)巖區(qū)的層狀和透鏡狀榴輝巖，石榴石的鎂鋁榴石含量小于30%。其中A類被認(rèn)為是來自地幔的原始物質(zhì)形成，后兩者認(rèn)為在極高壓變質(zhì)條件下形成。

大別山的榴輝巖產(chǎn)于由不同類的一種或者幾種巖石構(gòu)成的巖石復(fù)合體中。其產(chǎn)狀根據(jù)圍巖（寄主巖石）的類型以及與圍巖的相互關(guān)系，榴輝巖體的形態(tài)可分為[7]：（1）大型榴輝巖雜巖體，與超基性巖有關(guān)的；（2）條帶狀、透鏡狀的榴輝巖，夾于片麻巖中超基性巖內(nèi)的；（3）似層狀或石香腸狀，條帶狀的榴輝巖，產(chǎn)于片麻巖中；（4）團(tuán)塊狀、角礫狀的榴輝巖，在含大理巖夾層的片麻巖中；（5）有不規(guī)則團(tuán)塊狀透鏡狀包體的榴輝巖，存在于在大理巖中。

4 同位素地球化學(xué)方法

在地質(zhì)年齡確定、巖石物質(zhì)來源追溯、巖石演化過程中，起重要作用的就是同位素地球化學(xué)方法。U-Pb、K-Ar、Sm-Nd、SHRIMP等多種同位素定年技術(shù)為眾多研究者所采用，來對(duì)大別山榴輝巖和超高壓片麻巖進(jìn)行了年代學(xué)研究，不同作者或不同方法的測(cè)年結(jié)果，給出了一個(gè)較大的時(shí)限范圍。在三疊紀(jì)，發(fā)生了大別山-蘇魯超高壓變質(zhì)作用，則是根據(jù)其大致時(shí)限在200 Ma至250 Ma之間來確定的[8]。

4.1 稀有氣體同位素方法

因氦同位素在地殼和地幔中存在很大的組成差別，加之氦又有極強(qiáng)的活性，因此將氦同位素作為最靈敏的示蹤劑，對(duì)地幔相互作用進(jìn)行研究，和地幔、地殼物質(zhì)的區(qū)分。在系統(tǒng)研究了大別山地區(qū)各類型的榴輝巖中氦同位素的組成后，李善芳等[9]發(fā)現(xiàn)，大別山地區(qū)榴輝巖全巖的3He/4He均值是0.200×10-6，從3He-4He分布圖來看，處于地殼氦和大氣氦的過渡段，進(jìn)而提出，大別一蘇魯?shù)貐^(qū)超高壓變質(zhì)榴輝巖沒有俯沖到100多 km的地幔深度，而在地殼中形成的可能性大。

杜建國等[10]在對(duì)大別山區(qū)新鮮榴輝巖中的單礦物石榴石和綠輝石的氦氬同位素時(shí)發(fā)現(xiàn)，與國外的一些幔巖石相比，氦、氬同位素在綠輝石和石榴石中的地球化學(xué)特征具有一致性。尤其是，與漢諾壩新生代玄武巖中二輝橄欖巖包體的氦、氬同位素地球化學(xué)具有相似特征，并認(rèn)為虧損型地幔的氣體同位素地球化學(xué)特征被大別山榴輝巖保留了下來，虧損型地幔的巖石可能是大別山榴輝巖的來源。

4.2 穩(wěn)定同位素研究—— 氫氧及碳同位素研究

地殼中與流體有關(guān)的地質(zhì)過程可以通過穩(wěn)定同位素來示蹤，還能提供殼-幔、流體-巖石相互作用等重要信息。

鄭永飛等在對(duì)榴輝巖中的單礦物的氫氧同位素進(jìn)行大量研究[11]時(shí)發(fā)現(xiàn)，氧同位素不僅在含柯石英榴輝巖出現(xiàn)局部負(fù)異常（δ18O=-10‰），并且區(qū)域分布不均（δ18O=-10‰～+10‰）。前者需要經(jīng)歷大氣降水熱液的蝕變，才能使榴輝巖原巖變質(zhì)，表明大陸地殼特點(diǎn)是俯沖板塊所具有的；后者說明快速俯沖變質(zhì)特征是揚(yáng)子板塊具有的，如果不是這樣，那么同位素是具有均一性的。

因與沉積碳酸鹽巖（0±2‰）和地幔碳（-5‰±2‰）相比，地表有機(jī)碳的δ13C值（-25‰±5‰）有明顯的不同，所以超高壓巖石的化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)的形成過程，可以通過分析碳同位素來進(jìn)行示蹤。碳同位素正異常（δ13C=1‰～+6‰）在大別山地區(qū)大理巖中較常見，大陸邊緣封閉盆地的形成則受其原巖石灰?guī)r的沉積環(huán)境所指示[12]。大理巖碳同位素正異常和榴輝巖氧同位素負(fù)異常的保存指示，明顯的化學(xué)相互作用沒有發(fā)生在地幔與超高壓巖石之間。endprint

5 稀土元素研究

在經(jīng)歷了復(fù)雜的退變質(zhì)歷史和進(jìn)變質(zhì)歷史后，十分困難的一項(xiàng)工作就是確定榴輝巖原巖屬性和構(gòu)造環(huán)境。但是，變質(zhì)巖原巖特征和地質(zhì)構(gòu)造背景相關(guān)信息，可以由地球化學(xué)數(shù)據(jù)，尤其是稀土元素（REE）、弱遷移和非遷移（1ess mobile and immobile）微量元素提供。如此一來，榴輝巖原巖類型和構(gòu)造背景推測(cè)的有效手段之一就是利用稀土元素地球化學(xué)特征[13]。

張建珍等分析大別山區(qū)的共生片麻巖和榴輝巖的稀土元素得出，稀土特征因榴輝巖的產(chǎn)狀不同而有所差別。榴輝巖圍巖的稀土特征與共生榴輝巖差別較大，輕稀土富集型明顯。因此，差異很大在相同產(chǎn)出特點(diǎn)的榴輝巖化學(xué)成分及稀土元素特征方面也存在，說明他們不同由同一原巖類型變質(zhì)而來的；而稀土特點(diǎn)相同但圍巖不同的，表明是有成因聯(lián)系的巖石形成的圍巖，具有外來特征的榴輝巖，則可能是俯沖過程中大洋巖石的碎片。

黃智龍等[14]將大別山地區(qū)榴輝巖按REE特征劃分為六種主要類型，樣品的La/Yb-ΣREE投圖顯示大陸拉斑玄武巖區(qū)出現(xiàn)有絕大部分的榴輝巖，大陸拉斑玄武巖及其結(jié)晶分異的巖石可能為其主要原巖，是經(jīng)過相對(duì)富集地幔部分熔融而成的。

LREE富集型是蘇北榴輝巖的主要類型[15]，但具有巨大的稀土元素分配型式，其特點(diǎn)是差別明顯。結(jié)合其主元素特征及εNd（t）<0等特點(diǎn)，推斷蘇北榴輝巖總體具有大陸拉斑玄武巖的特征，源于富集型地幔，原巖所代表的基性巖漿活動(dòng)是在地殼拉張環(huán)境下發(fā)生的，可能屬于大陸裂谷環(huán)境。

6 問題討論

6.1 榴輝巖的原巖是原地成因還是外來

對(duì)榴輝巖的氦同位素研究表明，榴輝巖原巖具有陸殼巖石的特征，且榴輝巖的氦同位素比值與氧同位素比值與圍巖密切相關(guān)。研究表示，超高壓變質(zhì)過程是榴輝巖及其圍巖都要一起經(jīng)歷的，也就是說榴輝巖是原地成因的。

還有一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，榴輝巖雖然與圍巖共同經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用，但榴輝巖在俯沖前是否就與其圍巖共生還值得商榷，從稀土元素研究來看，稀土元素特征差別很大的是產(chǎn)出不同的榴輝巖，而特征相同的則是不同的圍巖，反映榴輝巖具有外來的特點(diǎn)，很可能是在俯沖過程中帶入了大量大洋巖石碎片，并非簡(jiǎn)單的原地型變質(zhì)成因。但也有學(xué)者認(rèn)為，大別山地區(qū)絕大部分榴輝巖原巖可能主要為相對(duì)富集地幔部分熔融產(chǎn)物，即大陸拉斑玄武巖及其結(jié)晶分異的巖石。由此可見，榴輝巖是原地變質(zhì)成因還是外來，其原巖是陸殼巖石還是洋殼碎片還值得進(jìn)一步研究。

6.2 超高壓變質(zhì)過程中的俯沖深度

普遍認(rèn)為，榴輝巖中柯石英和金剛石的發(fā)現(xiàn)證明榴輝巖至少是在地表100 km以下經(jīng)高壓變質(zhì)作用形成的，多種同位素地球化學(xué)研究表明大別山地區(qū)俯沖板塊具有大陸地殼特點(diǎn)，榴輝巖氧同位素負(fù)異常和大理巖碳同位素正異常的保存指示，這些超高壓巖石與地幔之間五明顯化學(xué)作用。有人曾認(rèn)為，由于過快的俯沖和折返速度，大別造山帶在超高壓變質(zhì)時(shí)未及時(shí)與地幔物質(zhì)發(fā)生交換，所以地幔物質(zhì)參與的信息沒有留下來。不少人逐漸認(rèn)識(shí)到，大別一蘇魯?shù)貐^(qū)超高壓變質(zhì)巖并未俯沖至100多 km的地幔深度，可能是在地殼中形成。含柯石英和金剛石的超高壓變質(zhì)巖形成所需的壓力不一定都來自于巖石靜壓力，還包括構(gòu)造壓力[16]。

6.3 稀土元素在高壓變質(zhì)作用中的穩(wěn)定性

對(duì)變質(zhì)巖來說，人們研究稀土元素及其分布的主要興趣和目的在于探討原巖恢復(fù)及其形成過程，因?yàn)槠渌恍┰兀鏚、Rb、U、Th在變質(zhì)作用過程中有較大的活動(dòng)性而不能保持原來的特征，稀土元素在超高壓變質(zhì)作用過程中相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)恢復(fù)原巖巖性有較好的效果。但也有些學(xué)者對(duì)此持有不同的看法，伯納德等認(rèn)為礦物分結(jié)作用（變質(zhì)條帶）會(huì)使少數(shù)巖石出現(xiàn)階梯狀稀土配分型式，這種型式與巖石礦物組成密切相關(guān)，不是火成巖的特征，某種條件下，一些副礦物諸如褐簾石經(jīng)過分解，會(huì)造成REE的丟失。沙茨基等研究了高壓變質(zhì)過程中稀土元素的行為，實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)量可觀的稀土元素（主要是輕稀土元素），賦存于礦物粒間或者是副礦物相中，變質(zhì)作用過程中輕稀土元素的情性特點(diǎn)可能與低的溶液/巖石比存在一定的關(guān)系。關(guān)于REE高壓分配系數(shù)近年來的模擬實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)生的基性巖漿LREE富集、HREE虧損是因石榴石橄欖巖的低度部分熔融所導(dǎo)致，由于分配系數(shù)低的REE的固相/液相，使得低度部分熔融產(chǎn)生的液相REE豐度變高[17]。REE的豐度以及分配模式在有大量的流體相參與的變質(zhì)作用中，變化明顯[18]。

因此，用稀土元素討論原巖性質(zhì)時(shí)應(yīng)該首先保證榴輝巖在變質(zhì)過程中未發(fā)生部分熔融或者有大量流體參與，同時(shí)要考慮到是否有副礦物的分解而造成REE的丟失。由于大別山榴輝巖經(jīng)歷了進(jìn)變質(zhì)作用和退變質(zhì)作用，全巖成分可能會(huì)受到退變質(zhì)作用的影響，所以測(cè)定未蝕變的單礦物綠輝石和石榴石可能獲得更多的信息。

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