北秦嶺松樹溝榴輝巖的確定及其地質(zhì)意義*

陳丹玲 任云飛 宮相寬 劉良 高勝

西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，西安 710069

1 引言

北秦嶺東段商南松樹溝超鎂鐵巖體周緣分布著一套以斜長(zhǎng)角閃巖為主體的鎂鐵質(zhì)變質(zhì)巖，其內(nèi)零星出露一些透鏡狀榴閃巖和石榴輝石巖。由于與超鎂鐵巖之間密切的空間分布關(guān)系，長(zhǎng)期以來有關(guān)松樹溝超鎂鐵巖的屬性、侵位機(jī)制和時(shí)代的認(rèn)識(shí)多來自于其圍巖斜長(zhǎng)角閃巖，尤其是榴閃巖的研究結(jié)果。自20 世紀(jì)80 年代開始，有關(guān)榴閃巖成因的認(rèn)識(shí)就存在超鎂鐵巖侵位產(chǎn)生的熱接觸變質(zhì)(黃月華，1984;孫衛(wèi)東等1997)、退變質(zhì)的上地幔巖經(jīng)深部熔融的巖漿高壓轉(zhuǎn)變而成的榴輝巖(安三元等，1985)以及變質(zhì)的大洋蛇綠巖殘片(周鼎武等，1995;董云鵬等，1996;裴先治等，1996)等不同認(rèn)識(shí)。也因此，用不同方法獲得的該榴閃巖兩個(gè)定年結(jié)果(983Ma，Sm-Nd 等時(shí)線法，李曙光等，1991;～510Ma，鋯石原位定年，劉軍鋒和孫勇，2005;蘇犁等，2005)也被不同的研究者用來為解釋格林威爾時(shí)期蛇綠巖就位年齡(董云鵬等，1997;Dong et al.，2008)或者古生代時(shí)期幔源超鎂鐵巖就位年齡(劉軍鋒和孫勇，2005;蘇犁等，2005)。雖然之后的研究，也有人提出該榴閃巖可能是區(qū)域變質(zhì)的高壓榴輝巖退變質(zhì)作用的產(chǎn)物(劉良等，1995;陳丹玲等，2004;Zhang，1999;Bader et al.，2012)，但由于缺乏榴輝巖相礦物組合的確鑿證據(jù)而未得到廣泛的認(rèn)可。新近，錢加慧等(2013)雖然在榴閃巖中獲得了和北秦嶺高壓-超高壓變質(zhì)巖相同的變質(zhì)年齡，但依然解釋是代表了麻粒巖相變質(zhì)的時(shí)代。本文通過詳細(xì)的巖相學(xué)和礦物化學(xué)研究，在該榴閃巖的石榴石及鋯石包裹體和基質(zhì)礦物組合中都發(fā)現(xiàn)了綠輝石的殘留，結(jié)合石榴石的元素地球化學(xué)特征及定年結(jié)果，從而明確提出松樹溝石榴角閃巖是榴輝巖退變質(zhì)作用的結(jié)果。該研究可為松樹溝鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石的成因以及秦嶺造山帶古生代時(shí)期的構(gòu)造演化提供重要約束。

2 區(qū)域地質(zhì)及樣品的巖石學(xué)特征

秦嶺造山帶地處中國(guó)大陸中部，分割南北，連接?xùn)|西，在中國(guó)大陸構(gòu)造地質(zhì)演化和成礦成藏過程以及中國(guó)南北氣候帶的形成中扮演者重要的角色，是一個(gè)經(jīng)歷了長(zhǎng)期復(fù)雜演化的復(fù)合型造山帶(許志琴等，1986，1988;許志琴和崔軍文，1996;游振東等，1991;張國(guó)偉等，1995，1997，2001;張本仁等，1996;張本仁和高山，2002;Zhai et al.，1998;陸松年等，2006，2009;Dong et al.，2011a，b;Ding et al.，2013)。秦嶺造山帶以商丹和勉略縫合帶為界劃分為北秦嶺構(gòu)造帶(華北板塊南緣構(gòu)造帶)、南秦嶺構(gòu)造帶(秦嶺微板塊)和揚(yáng)子板塊北緣構(gòu)造帶三部分(張國(guó)偉等，1995，2001;Meng and Zhang，2000)。北秦嶺構(gòu)造帶是指商丹斷裂帶與洛南-欒川-方城斷裂帶之間的秦嶺北部區(qū)域(圖1)，是秦嶺造山帶中變形變質(zhì)、巖漿活動(dòng)最為強(qiáng)烈的地帶。帶內(nèi)以多條斷裂為界自北向南依次劃分為寬坪巖群、二郎坪巖群、秦嶺巖群和丹鳳巖群。其中，寬坪群位于北秦嶺造山帶的最北邊，由一套強(qiáng)烈變形，變質(zhì)達(dá)高綠片巖相-低角閃巖相的碎屑巖和基性火山巖組成。利用Sm-Nd 等時(shí)線和TIMS 鋯石定年方法獲得寬坪巖群的形成時(shí)代為中-新元古代(張壽廣等，1991;張宗清和張旗，1995);新近，利用鋯石原位定年方法獲得其中變基性火山巖的形成年齡為943Ma，變質(zhì)沉積巖原巖的形成年齡介于530～600Ma(第五春榮等，2010;Zhu et al.，2011;高勝等，2015)，甚至也有人給出400～500Ma 的碎屑巖形成年齡(陸松年等，2009)，表明寬坪群很可能是由不同時(shí)代、不同背景的巖石單元組成的一個(gè)構(gòu)造混雜體。二郎坪群分布于寬坪群以南，主體為一套火山-沉積巖系，其下部的火山巖具有弧后盆地型火山巖和蛇綠巖類特征，其中的硅質(zhì)巖夾層中發(fā)現(xiàn)早中奧陶世牙形石和放射蟲化石(王學(xué)仁等，1995)，最新定年獲得火山巖和蛇綠巖中的輝長(zhǎng)巖-輝綠巖中鋯石的形成年齡為463～474Ma (陸松年等，2003;Dong et al.，2011a;趙姣等，2012)。秦嶺巖群呈透鏡狀?yuàn)A于二郎坪群和丹鳳群之間，以造山帶東段豫陜交界一帶出露的規(guī)模最大，向西經(jīng)澇峪在太白、西秦嶺地區(qū)和向東經(jīng)內(nèi)鄉(xiāng)至桐柏地區(qū)斷續(xù)出露，為一套中深變質(zhì)雜巖系，是北秦嶺構(gòu)造帶的一個(gè)重要組成部分。秦嶺巖群主體由各種正、副片麻巖、石英片巖和大理巖以及少量呈透鏡狀或似層狀產(chǎn)出的斜長(zhǎng)角閃巖和石榴石角閃巖組成。早期研究認(rèn)為秦嶺巖群的形成時(shí)代為古元古代，但近年來的研究顯示其主體可能為新元古代(時(shí)毓等，2009;萬渝生等，2011)或中元古至新元古代(陸松年等，2009;楊力等，2010)。細(xì)致的巖石學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，秦嶺群片麻巖中的這些斜長(zhǎng)角閃巖或榴閃巖透鏡體多數(shù)為退變的高壓-超高壓榴輝巖(楊經(jīng)綏等，2002;陳丹玲和劉良，2011;劉良等，2013;Wang et al.，2014)，在部分圍巖片麻巖中也發(fā)現(xiàn)了指示超高壓變質(zhì)的金剛石顯微包裹體(楊經(jīng)綏等，2002)或礦物的特殊出溶結(jié)構(gòu)(Liu et al.，2003)。年代學(xué)研究揭示，北秦嶺造山帶高壓-超高壓變質(zhì)作用的時(shí)代為485～511Ma(楊經(jīng)綏等，2002;陳丹玲等，2004;陳丹玲和劉良，2011;Wang et al.，2011，2014;Cheng et al.，2012;劉良等，2013);榴輝巖原巖具有板內(nèi)玄武巖特征，形成時(shí)代為～800Ma(張安達(dá)等，2003;陳丹玲和劉良，2011;Wang et al.，2013)。丹鳳群位于北秦嶺造山帶的最南側(cè)，構(gòu)成分割南、北秦嶺的縫合構(gòu)造帶，是秦嶺古生代洋盆閉合的產(chǎn)物。丹鳳群主體由一套綠片巖相至低角閃巖相的火山-沉積巖系組成，具有以島弧型火山巖為特點(diǎn)的鎂鐵質(zhì)、超鎂鐵質(zhì)巖石組合，形成于洋內(nèi)島弧構(gòu)造環(huán)境(張成立等，2004;張旗等，1995;張旗和周國(guó)慶，2001;張國(guó)偉等，2001;陸松年等，2003)，其中的放射蟲硅質(zhì)巖夾層中發(fā)現(xiàn)寒武-奧陶紀(jì)放射蟲(崔智林等，1995);新近，在丹鳳群西段的巖灣、關(guān)子鎮(zhèn)、武山等地發(fā)現(xiàn)典型的N-MORB 和E-MORB 型蛇綠巖，并確定其形成時(shí)代為523～450Ma(Dong et al.，2011a，b 及其參考文獻(xiàn))。

松樹溝巖體是北秦嶺造山帶規(guī)模最大的一個(gè)鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體，分布于陜西商南縣富水鎮(zhèn)以北，商丹構(gòu)造帶的北側(cè)。巖體長(zhǎng)約27km，寬約2km，呈巨大扁長(zhǎng)透鏡體狀產(chǎn)于秦嶺群片麻巖中，透鏡體的長(zhǎng)軸方向與圍巖片麻理一致(圖1)。其中超鎂鐵巖體分布于透鏡體的核部，主要由橄欖質(zhì)糜棱巖、中粗粒純橄巖及少量方輝橄欖巖組成;鎂鐵質(zhì)巖類主要由斜長(zhǎng)角閃巖及少量呈透鏡狀產(chǎn)于其中的石榴石角閃巖(榴閃巖)和基性麻粒巖(劉良等，1995)組成，它們繞超鎂鐵巖體圍成一圈，兩者以構(gòu)造關(guān)系相接觸，在接觸面發(fā)育滑石菱鎂片巖(安三元等，1981)。圍巖片麻巖主要為含不等量黑云母和角閃石的長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖和大理巖等，部分長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖保留了高壓麻粒巖相變質(zhì)作用的記錄(劉良和周鼎武，1994)。其后，Liu et al.(2003，2013)又在這些長(zhǎng)英質(zhì)高壓麻粒巖的石榴石中發(fā)現(xiàn)大量礦物的出溶結(jié)構(gòu)，從而提出這些長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用，是大陸地殼俯沖到200km 以下地幔深度的產(chǎn)物。

圖1 北秦嶺松樹溝地區(qū)地質(zhì)略圖(據(jù)Dong et al.，2008 修改)Fig.1 Geological sketch map of Songshugou area in North Qinling (after Dong et al.，2008)

本文研究的松樹溝榴輝巖原稱榴閃巖，呈透鏡狀產(chǎn)于超鎂鐵巖體北側(cè)的斜長(zhǎng)角閃巖中(圖1)。巖石呈深綠褐色，中-粗粒粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀或條帶狀構(gòu)造。主要由石榴石(30%～40%)、角閃石(40%～50%)、黑云母(5%)、斜長(zhǎng)石(5%)、榍石(5%)、透輝石+斜長(zhǎng)石或者角閃石+斜長(zhǎng)石后成合晶以及少量綠簾石和鈦鐵礦組成。巖石中石榴石呈淡粉色-粉色、自形-半自形粗粒變斑晶(圖2a)，粒度變化于0.3～1.0mm，內(nèi)含多種礦物包裹體(圖2b)，其中核部富含細(xì)粒角閃石(AmpI)、榍石、石英和斜長(zhǎng)石(PlI)，幔部及邊部包體較少，主要為金紅石和角閃石(AmpII)或角閃石與斜長(zhǎng)石的集合體(圖2b)，也可見到一些細(xì)小的鋯石包裹體。石榴石邊部發(fā)育蠕蟲狀的角閃石+斜長(zhǎng)石(AmpII +PlII)組成的冠狀體，向外變?yōu)樯罹G色角閃石，再向外為基質(zhì)中的綠色角閃石(圖2a，b)。本次研究在石榴石幔部的角閃石包體(圖2b，c)和基質(zhì)角閃石的核部(圖2d)都發(fā)現(xiàn)了殘存的綠輝石。其中基質(zhì)中的綠輝石呈明顯短柱狀形態(tài)殘留于角閃石的核部(圖2d)，多發(fā)生強(qiáng)烈退變形成透輝石+斜長(zhǎng)石(Di+PlII)后成合晶，再次的退變形成角閃石。石榴石幔部的綠輝石包體多已退變?yōu)榻情W石，綠輝石僅見于個(gè)別角閃石的核部。角閃石為巖石中的另一種主要組成礦物，有三種產(chǎn)狀(圖2)，一種呈綠色包裹于石榴石核部(AmpI)，一種呈深綠色出現(xiàn)在石榴石和綠輝石的退變后成合晶中(AmpII)，還有就是巖石中大量存在的粗粒角閃石(AmpIII)(粒度＞1mm)，多呈綠色-深綠色，或核部為淺綠色，邊部為深綠色。榍石主要作為石榴石中的包體或基質(zhì)礦物，粒徑1～2mm，多具有鈦鐵礦反應(yīng)邊。另外，巖石中還可見Pl +Amp +Ilm +Ep 細(xì)粒后成合晶，呈石榴石或輝石的假象形態(tài)。個(gè)別樣品中石榴石或單斜輝石消失，變?yōu)樾遍L(zhǎng)角閃巖。

3 礦物化學(xué)及變質(zhì)溫壓條件

對(duì)巖石中的石榴石和綠輝石及其退變產(chǎn)物進(jìn)行了詳細(xì)的電子探針分析。電子探針分析在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使用儀器為JXA-8230 型電子探針儀，工作條件:加速電壓15kV 束斑電流1 ×10-8A，束斑直徑1μm。Fe3+的計(jì)算采用電價(jià)平衡法獲得，礦物晶體化學(xué)式的計(jì)算采用氧原子數(shù)方法。代表性礦物的化學(xué)成分及計(jì)算結(jié)果列于表1、表2。

3.1 礦物化學(xué)特征

巖石中石榴石以鐵鋁榴石為主，但顯示明顯的核-幔-邊多期生長(zhǎng)成分環(huán)帶特征(圖3a，b;表1)，表現(xiàn)為從核部到幔部石榴石中錳鋁榴石(Sps)和鐵鋁榴石(Alm)分子含量降低(XSps從核部的6% ± 降低為幔部的2% ±;XAlm從58%～61%變?yōu)?3%～54%)，鎂鋁榴石(Pyr)和鈣鋁榴石(Grs)分

子含量升高(XPyr從核部的8.7%～10%升高到幔部的13%～15%;XGrs從25% ±變?yōu)?3% ±)，顯示進(jìn)變質(zhì)生長(zhǎng)的特征。在石榴石的邊部，錳鋁榴石(Sps)和鐵鋁榴石(Alm)分子含量升高(XSps升高為～4%;XAlm為58%～59%)，而鎂鋁榴石和鈣鋁榴石分子含量降低(XPyr降為10% ±;XGrs為26%±)，指示石榴石邊部經(jīng)歷峰期變質(zhì)之后的退變質(zhì)擴(kuò)散作用(圖3a)。

表1 松樹溝榴輝巖斜長(zhǎng)石、石榴石和角閃石代表性礦物成分(wt%)Table 1 Repesentative composition of plagioclases，garnets and amphiboles from the Songshugou eclogite (wt%)

圖2 松樹溝榴輝巖顯微結(jié)構(gòu)照片(a)和背散射照片(b-d)(a)石榴石的顯微照片;(b)為(a)對(duì)應(yīng)的背散射圖像，石榴石不同部位包體礦物組成及后成合晶;(c)為(b)中方框的放大圖，石榴石邊部角閃石包體中殘留的綠輝石;(d)基質(zhì)中綠輝石及后成合晶Fig.2 Micrograph and BSE images of eclogite from Songshugou

表2 松樹溝榴輝巖單斜輝石代表性礦物成分(wt%)Table 2 Repesentative composition (wt%)of clinopyroxenes from the Songshugou eclogite

圖3 石榴石成分剖面(a、b)和單斜輝石(c，據(jù)Morimoto et al.，1988)及斜長(zhǎng)石(d)分類圖Fig.3 Composition profile of garnet (a，b)and types of clinopyroxene (c，after Morimoto et al.，1988)and plagioclase (d)

巖石中的綠輝石有兩種產(chǎn)狀，作為石榴石幔部的包體礦物(圖2b，c)或者基質(zhì)礦物(圖2d)，但都經(jīng)受了強(qiáng)烈的退變質(zhì)改造，形成透輝石+斜長(zhǎng)石(Di+PlII)后成合晶(圖2d)或直接退變?yōu)榻情W石(AmpII)(圖2b，c)。電子探針分析結(jié)果(表2)得到殘留綠輝石中Na2O 含量變化于2.81%～3.57%之間，其中石榴石包體中綠輝石的Na2O 含量(3.11%～3.57%，平均3.35%)明顯高于基質(zhì)綠輝石的Na2O 含量(2.81%～3.36%，平均3.08%)，但包體輝石中較高的錐輝石分子含量(5%～10%)導(dǎo)致其硬玉組分的含量偏低(表2)，但在輝石分類圖中兩者都落于綠輝石區(qū)域(圖3c)。

巖石中的角閃石成分變化較大(表1)，其中石榴石核部包裹體中的為韭角閃石或鐵韭閃石(AmpI)，石榴石外圍冠狀交生體中的角閃石(AmpII)同樣為韭閃石和鐵韭閃石;基質(zhì)角閃石(AmpIII)的核部為陽起石/淺閃石質(zhì)角閃石，邊部向鎂質(zhì)角閃石或韭閃石轉(zhuǎn)變。斜長(zhǎng)石有兩種產(chǎn)狀，作為石榴石核部包體礦物或出現(xiàn)在石榴石和綠輝石的后成合晶產(chǎn)物中。其中，包體斜長(zhǎng)石為拉長(zhǎng)石-培長(zhǎng)石(PlI，An =67～84)，石榴石后成合晶或冠狀體中的長(zhǎng)石以拉長(zhǎng)石為主(PlII，An=56～71)，綠輝石后成合晶斜長(zhǎng)石為奧長(zhǎng)石-中長(zhǎng)石(PlII，An=21～43)(表1)。

依據(jù)上述巖相學(xué)和礦物化學(xué)特征，松樹溝榴閃巖至少可以劃分出四個(gè)世代的礦物組合:(1)進(jìn)變質(zhì)角閃巖相礦物組合，以石榴石核部成分和核部包體礦物組合GrtI+AmpI+PlI+Ttn+Qtz 為代表;(2)峰期榴輝巖相礦物組合，以石榴石的幔部成分和幔部包體綠輝石、金紅石以及基質(zhì)中的綠輝石為代表，礦物組合為GrtII +Omp +Rt +Qtz;(3)早期退變礦物組合，以石榴石、綠輝石及金紅石外圍的冠狀體礦物以及部分石榴石最邊部的成分為代表PlII +Cpx +AmpII +Ilm +Qtz+GrtIII;(4)晚期退變質(zhì)礦物組合，以基質(zhì)中大量出現(xiàn)的AmpIII+PlIII+Ep+Ilm+Qtz 組合為代表。

3.2 變質(zhì)溫壓條件

在進(jìn)變質(zhì)階段和早期退變質(zhì)階段的礦物組合中都出現(xiàn)Grt+Amp+Pl+Qtz(+Cpx，早期退變組合)礦物共生組合，因此，采用Grt-Amp(Graham and Powell，1984)和Grt-Cpx(Ellis and Green，1979;Powell，1985;Krogh，1988)溫度計(jì)，以及Grt-Amp-Pl-Qtz 壓力計(jì)(Kohn and Spear，1990)，結(jié)合石榴石核部和最邊部化學(xué)組成及核部包體礦物成分，計(jì)算得到進(jìn)變質(zhì)角閃巖相和早期退變質(zhì)階段的溫壓條件分別為600～700℃，0.4～0.7GPa 和580～700℃，0.8～1.0GPa。峰期的變質(zhì)溫度利用Grt-Cpx Fe-Mg 交換反應(yīng)溫度計(jì)(Powell，1985;Ellis and Green，1979)，結(jié)合石榴石幔部成分和基質(zhì)以及石榴石包體綠輝石成分獲得。由于峰期礦物組合中缺乏多硅白云母、藍(lán)晶石、鈉云母等礦物，沒有合適的溫壓計(jì)直接計(jì)算峰期變質(zhì)壓力，依據(jù)鈉長(zhǎng)石=硬玉+石英變質(zhì)反應(yīng)(Holland，1980;Carswell，1990)，估算該榴輝巖的形成條件為T=690～750℃，P ＞1.3GPa。

4 鋯石年代學(xué)研究

為了準(zhǔn)確限定鋯石定年的地質(zhì)意義，在U-Th-Pb 同位素分析之前，本文首先對(duì)分離出的鋯石進(jìn)行了激光拉曼光譜包裹體分析和陰極發(fā)光內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微量元素分析。上述分析均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。其中拉曼光譜分析采用英國(guó)Renishaw 公司生成的inVia 激光拉曼分析儀，儀器空間分辨率橫向?yàn)?μm，縱向?yàn)?μm;光譜范圍為100～9000。鋯石U-Pb 年代學(xué)采用LA-ICPMS 鋯石原位定年方法完成，實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)流程和數(shù)據(jù)處理方法見文獻(xiàn)(Yuan et al.，2008)，結(jié)果見表3、表4 和圖4、圖5。

樣品中的鋯石均呈柱狀形態(tài)(圖4、圖5)，根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可區(qū)分為兩種類型。其中絕大多數(shù)為均勻無結(jié)構(gòu)或呈斑雜狀結(jié)構(gòu)，可見石榴石、綠輝石和金紅石包裹體(圖4)，具有低的Th/U 比值(0.02～0.08)，明顯低的稀土元素(REE)和重稀土元素(HREE)含量以及相對(duì)平坦的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化HREE 配分曲線形態(tài)，不顯示Eu 的負(fù)異常(圖5a)，表明其生長(zhǎng)或重結(jié)晶過程中存在石榴石而無斜長(zhǎng)石與之共生，應(yīng)為榴輝巖相變質(zhì)成因鋯石;另有少量鋯石的核部出現(xiàn)強(qiáng)弱不等的巖漿振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，可見綠簾石，斜長(zhǎng)石等包裹體，Th/U 比值變化于0.46～1.05，同時(shí)顯示明顯高的REE 和HREE 含量和HREE 明顯富集型稀土配分曲線，具明顯Eu 的負(fù)異常(圖5a)，代表原巖巖漿鋯石的殘留。定年結(jié)果在U-Pb 諧和圖上形成明顯不同的兩群(圖5b)，其中6 個(gè)核部測(cè)點(diǎn)偏離諧和線位于不一致曲線之上，可能在后期變質(zhì)過程中發(fā)生了部分重結(jié)晶或鉛丟失，5 個(gè)諧和核部測(cè)點(diǎn)獲得206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為796 ±16Ma，與不一致線的上交點(diǎn)年齡809 ±86Ma 一致，代表榴輝巖的原巖結(jié)晶年齡;21 個(gè)邊部測(cè)點(diǎn)獲得的206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為500 ±8Ma，代表榴輝巖相變質(zhì)時(shí)代。

5 討論

5.1 榴輝巖相變質(zhì)的確定

由于強(qiáng)烈的退變質(zhì)改造導(dǎo)致特征變質(zhì)礦物的缺乏，松樹溝榴閃巖的成因一直存在爭(zhēng)議(黃月華，1984;安三元等，1985;Zhang，1999;劉良等，2013;錢加慧等，2013)。本文的研究結(jié)果表明，松樹溝榴閃巖應(yīng)該是榴輝巖退變質(zhì)作用的產(chǎn)物。

圖4 松樹溝榴輝巖鋯石中綠輝石包裹體、基質(zhì)綠輝石及后成合晶單斜輝石拉曼光譜Fig.4 Raman spectra of omphacite inclusions in zircon，matrix omphacite and clinopyroxenes symplektite in Songshugou eclogite

圖5 松樹溝榴輝巖的鋯石稀土配分圖解(a)和U-Pb 諧和圖(b)Fig.5 REE-patterns (a)and U-Pb concordia diagrams (b)of zircons in Songshugou eclogite

首先是綠輝石的發(fā)現(xiàn)。本次研究在石榴石和鋯石的包體以及基質(zhì)礦物中都發(fā)現(xiàn)有綠輝石的殘留(圖2、圖4)。雖然最終測(cè)得綠輝石中硬玉組分的含量并不高(Jd 最高為22%)，但在輝石的分類圖中這些測(cè)點(diǎn)皆落入綠輝石區(qū)域(圖3c)。而且，Di+Pl 后成合晶斜長(zhǎng)石的Na 含量(Ab 56～78)明顯高出石榴石核部包體(Ab 15～32)和石榴石冠狀體中斜長(zhǎng)石(Ab 12～42)(圖3d)中的Na 含量，表明Di +Pl 源于先期富Na 鐵鎂礦物的分解，也間接證明了綠輝石的存在(Zhang，1999)。其次，該榴閃巖中石榴石普遍存在成分環(huán)帶，表現(xiàn)為從石榴石的核部到幔部再到邊部，其錳鋁榴石和鐵鋁榴石組分先降再升，而鈣鋁榴石和鎂鋁榴石組分先升再降(圖2a);結(jié)合石榴石核部、幔部包體礦物以及基質(zhì)中不同期次礦物的種類及成分特征，最終得到該巖石從角閃巖相進(jìn)變質(zhì)到榴輝巖相再退變到麻粒巖-角閃巖相的順時(shí)針變質(zhì)演化過程。由于強(qiáng)烈的退變質(zhì)改造，也由于缺乏合適的礦物壓力計(jì)，本次計(jì)算沒有獲得準(zhǔn)確的峰期變質(zhì)壓力，因此該巖石是否經(jīng)歷超高壓變質(zhì)有待進(jìn)一步的研究，但是對(duì)石榴石系統(tǒng)的稀土元素分析發(fā)現(xiàn)(作者未發(fā)表資料)，石榴石核部和邊部呈現(xiàn)兩種明顯不同的REE 配分模式(圖6)，其中核部為HREE 明顯富集型，具強(qiáng)弱不等的Eu 負(fù)異常，而邊部為MREE 富集、HREE 相對(duì)虧損型，不顯Eu 異常，與柴北緣?mèng)~卡河超高壓榴輝巖(Chen et al.，2015)以及已發(fā)表的世界各地超高壓榴輝巖中石榴石的稀土特征一致(Konrad-Schmolke et al.，2008;夏瓊霞和鄭永飛，2011;夏瓊霞等，2013)，至少也可以證明，松樹溝榴閃巖是榴輝巖相變質(zhì)作用的結(jié)果。另外，巖石中(表3、圖5a)變質(zhì)鋯石(或鋯石變質(zhì)微區(qū))明顯低的HREE 含量和Eu 負(fù)異常的缺乏也可以證明，這些鋯石形成于斜長(zhǎng)石不穩(wěn)定的榴輝巖相階段。因此，松樹溝的榴閃巖應(yīng)是榴輝巖退變質(zhì)作用的產(chǎn)物。

表3 榴閃巖鋯石LA-ICP-MS 微量元素分析結(jié)果(×10 -6)Table 3 Trace element composition (×10 -6)of zircons from Songshugou eleogite

圖6 石榴石的稀土元素配分模式Fig.6 REE patterns of garnets in Songshugou eclogite

5.2 榴輝巖相變質(zhì)作用的時(shí)代

前人利用鋯石原位U-Pb 定年方法，已經(jīng)給出該巖石的變質(zhì)年齡介于496～514Ma(劉軍鋒和孫勇，2005;錢加慧等，2013)，與本文的定年結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致。但由于對(duì)巖石變質(zhì)成因認(rèn)識(shí)的差異而被解釋為超鎂鐵巖“熱”侵位年齡(劉軍鋒和孫勇，2005)或麻粒巖相變質(zhì)年齡(李曄等，2012;錢加慧等，2013;Wang et al.，2014)。本次研究在榴閃巖的石榴石包體和基質(zhì)礦物中殘留綠輝石的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合鋯石的形貌、Th/U 比值(0.02～0.08)以及重稀土平坦，無Eu 負(fù)異常的稀土配分曲線形態(tài)，尤其是鋯石包裹體中綠輝石和石榴石的發(fā)現(xiàn)(圖4a，b)皆無疑表明，本次得到的500 ±8Ma 應(yīng)是本區(qū)榴輝巖相變質(zhì)作用的年齡。該年齡與松樹溝超高壓長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖(496Ma，劉良等，2013)、官坡-獅子坪超高壓榴輝巖及其圍巖片麻巖(485～507Ma，楊經(jīng)綏等，2002;陳丹玲和劉良，2011;Wang et al.，2011;Cheng et al.，2012)、商南清油河榴輝巖和含金剛石斜長(zhǎng)角閃巖(劉良等，2013;Wang et al.，2014)，以及秦嶺群中呈透鏡狀產(chǎn)出的榴閃巖/斜長(zhǎng)角閃巖(～500Ma，劉良等，2013 及其參考文獻(xiàn))和圍巖片麻巖的變質(zhì)年齡(490Ma，Diwu et al.，2014)在誤差范圍內(nèi)一致，表明它們應(yīng)該是同一構(gòu)造作用過程的產(chǎn)物。而且，這些高壓-超高壓巖石在秦嶺群中的分布并不局限于某一側(cè)或兩側(cè)，而是具有面狀分布的特征，表明秦嶺巖群可能整體卷入了古生代的俯沖和碰撞作用。

表4 鋯石U-Pb 定年結(jié)果Table 4 LA-ICPMS U-Pb analyses results of zircons from Songshugou eclogite

5.3 構(gòu)造意義

隨著高壓-超高壓變質(zhì)巖石在秦嶺群的不斷發(fā)現(xiàn)，有關(guān)北秦嶺高壓-超高壓巖石的成因以及秦嶺造山帶的早期演化前人已提出多種模式(黃月華，1984;Dong et al.，2011a，b;張建新等，2011;Bader et al.，2013;Wu and Zheng，2013;劉良等，2013;Wang et al.，2014)。由于松樹溝榴閃巖在空間上與超鎂鐵巖關(guān)系密切，因此有的學(xué)者將其形成與超鎂鐵巖侵位引起的熱接觸變質(zhì)作用相聯(lián)系(黃月華，1984;蘇文等，2013)。最近也有學(xué)者依據(jù)南側(cè)的松樹溝一帶主要出露的是高溫低壓的麻粒巖，而北側(cè)官坡-獅子坪一帶主要是榴輝巖，兩者形成于不同的熱動(dòng)力學(xué)背景，從而提出“雙變質(zhì)帶”觀點(diǎn)(張建新等，2011)。本文的研究揭示，松樹溝榴閃巖應(yīng)該是榴輝巖退變質(zhì)的產(chǎn)物，因而不可能形成于低壓高溫的熱接觸變質(zhì)作用;而且該榴輝巖與官坡超高壓榴輝巖具有一致的順時(shí)針P-T 演化軌跡、一致的原巖結(jié)晶和榴輝巖相變質(zhì)年齡，說明兩者很可能經(jīng)歷了相同的演化過程，也與“雙變質(zhì)帶”的特征不符。

Dong et al.(2011a)用兩條俯沖帶的雙向俯沖模式來解釋已發(fā)現(xiàn)的HP-UHP 變質(zhì)巖石，認(rèn)為北側(cè)的榴輝巖是二郎坪弧后洋盆向南俯沖到北秦嶺地體之下形成，而松樹溝地區(qū)的高壓麻粒巖是商丹洋向北俯沖過程中刮削下來的秦嶺地體俯沖變質(zhì)而成。但現(xiàn)在越來越多的研究表明，北秦嶺的高壓-超高壓巖石并非局限于南北兩側(cè)而是具有面狀分布的特征(劉良等，2013;Wang et al.，2014);而且，年代學(xué)和地球化學(xué)研究也表明，官坡超高壓榴輝巖的原巖具有板內(nèi)玄武巖的地球化學(xué)特征，形成于～800Ma 的新元古代(張安達(dá)等，2003;陳丹玲等，2011;Wang et al.，2013)，而二郎坪玄武巖具有弧后盆地玄武巖的地球化學(xué)特征，形成時(shí)代為460～480Ma 的早古生代(孫衛(wèi)東等，1996;陸松年等，2009;趙姣等，2012)。因此，北秦嶺榴輝巖無論從形成時(shí)代還是構(gòu)造屬性上都與二郎坪弧后盆地玄武巖存在明顯差異，不具有成因關(guān)系。新近，Bader et al.(2013)提出陸內(nèi)俯沖模型來解釋北秦嶺榴輝巖與麻粒巖的形成，但是秦嶺巖群中高壓-超高壓巖石的廣泛分布以及斷層的缺失并不支持陸內(nèi)俯沖的模式。

本文定年結(jié)果得到的松樹溝榴輝巖原巖結(jié)晶年齡(796±16Ma)與前人獲得的官坡榴輝巖～800Ma 的原巖結(jié)晶年齡(陳丹玲和劉良，2011;Wang et al.，2011;Cheng et al.，2012)一致，也與商南清油河榴輝巖(＞660Ma，劉良等，2013)以及秦嶺巖群中的榴閃巖/石榴輝石巖/斜長(zhǎng)角閃巖原巖結(jié)晶年齡(～800Ma，李曄等，2012;劉良等，2013;Wang et al.，2011)在誤差范圍內(nèi)一致，表明北秦嶺地區(qū)榴輝巖/榴閃巖的原巖主體形成于新元古代(～800Ma)，這與南秦嶺及華南板塊有明顯的親緣性(Wu et al.，2013;劉良等，2013;Wang et al.，2014)，因此，北秦嶺HP-UHP 變質(zhì)巖石的形成很可能是商丹洋拖曳南秦嶺部分新元古代陸殼物質(zhì)在(500Ma 向華北南緣之下發(fā)生陸殼俯沖-深俯沖作用的產(chǎn)物(劉良等，2013)。

5.4 松樹溝超鎂鐵巖的成因

如前所述，由于松樹溝超鎂鐵巖的礦物組合比較簡(jiǎn)單，有關(guān)超鎂鐵巖的成因多來自于與其關(guān)系密切的角閃巖/榴閃巖的研究結(jié)果。從地質(zhì)圖上(圖1)可以看出，松樹溝鎂鐵質(zhì)巖石(榴輝巖/榴閃巖/斜長(zhǎng)角閃巖)環(huán)繞超鎂鐵質(zhì)巖分布，如果松樹溝榴閃巖與秦嶺群大部分榴閃巖一樣都是與古生代大陸俯沖和折返作用有關(guān)的退變質(zhì)的高壓(超高壓)榴輝巖，那么，超鎂鐵巖與變質(zhì)鎂鐵質(zhì)巖石之間到底是“原位”關(guān)系?即兩者的原巖為新元古代時(shí)期就位的大洋蛇綠巖殘片(Dong et al.，2008 及其參考文獻(xiàn))，在古生代秦嶺洋關(guān)閉的過程中隨圍巖發(fā)生俯沖再折返回地表;還是“異地”關(guān)系?即鎂鐵質(zhì)巖石折返過程中或折返之后兩者構(gòu)造就位在一起。從目前的研究結(jié)果來看，同折返構(gòu)造就位的可能性更大。首先，現(xiàn)有的巖石地球化學(xué)研究表明，北秦嶺榴輝巖多具有大陸玄武巖的地球化學(xué)特征(陳丹玲和劉良，2011;Wang et al.，2013);另外野外觀察發(fā)現(xiàn)，松樹溝鎂鐵質(zhì)巖石與超鎂鐵巖之間存在滑石菱鎂片巖等低溫高壓變質(zhì)巖石(黃月華，1984)，而且，對(duì)松樹溝超鎂鐵巖體的變質(zhì)變形和顯微構(gòu)造的研究(董云鵬等，1997;許志琴等，1988;宋述光等，1998)發(fā)現(xiàn)該巖體先后經(jīng)歷了高溫和低溫兩次擠壓變形作用;說明兩者并不構(gòu)成一個(gè)整體或經(jīng)歷相同的變質(zhì)演化，它們之間為構(gòu)造侵位關(guān)系;另外，松樹溝超鎂鐵巖中大離子親石元素Rb、Ba、U、Sr和輕稀土元素的明顯富集以及LREE 富集型稀土配分模式(董云鵬等，1997;蘇犁等，2005;劉軍鋒等，2008)也與蛇綠巖下部的虧損地幔特征不同(蘇犁等，2005;劉軍鋒等，2008)而與俯沖流體交代的巖石圈地幔特征相似。因此，我們認(rèn)為松樹溝超鎂鐵巖很可能是古生代時(shí)期深俯沖的大陸板塊在折返的過程中攜帶上來的大陸俯沖隧道中受流體交代的地幔橄欖巖。

6 結(jié)論

(1)北秦嶺松樹溝超鎂鐵巖旁側(cè)的榴閃巖是退變質(zhì)的榴輝巖。

(2)該榴輝巖的原巖形成于新元古代(～800Ma)，在古生代早期(～500Ma)隨圍巖一起發(fā)生陸殼的俯沖和折返。

致謝 感謝西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的柳小明和楊文強(qiáng)老師在鋯石定年和礦物主、微量元素分析方面的幫助;感謝孫勇教授的有益討論和建議。

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