北淮陽變質(zhì)單元中“淺變質(zhì)”帶
——佛子嶺群主期變質(zhì)條件和碎屑鋯石年代學(xué)探究*

趙俊先 石永紅 唐虎 李秋立 侯振輝 周甜

1. 合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 合肥 2300092. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 1000293. 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 1000494. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 合肥 230009

自二十世紀(jì)八十年代末至今, 大別碰撞造山帶的研究, 無論是在變質(zhì)巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)、年代學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué), 還是在大別造山帶俯沖-折返機(jī)制等方面的研究均取得了很大成果, 由此極大地豐富和推動(dòng)了大陸深俯沖的理論研究(Okayetal., 1989, 1993; Wangetal., 1989, 1990; Xuetal., 1992; Cong, 1996; Carswelletal., 1997; Faureetal., 1999, 2003; Zheng, 2008, 2012, 2016; Linetal., 2015; Jietal., 2017)。目前,大別碰撞造山帶突出的研究成果和熱點(diǎn)主要集中于高壓-超高壓變質(zhì)塊體,對(duì)其演化和形成機(jī)制研究極為成熟。然而,作為一個(gè)完整的造山帶而言,對(duì)于該造山帶淺、中層次變質(zhì)作用的研究則略顯不足,由此也影響了人們對(duì)大別碰撞造山帶由淺、中至深層次俯沖-折返全過程的系統(tǒng)理解。就大別碰撞造山帶而言,淺層次的變質(zhì)單元主要是位于該造山帶最北緣的北淮陽變質(zhì)單元。該單元由盧鎮(zhèn)關(guān)群和佛子嶺群兩部分構(gòu)成(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1987; Zhengetal., 2005; Zheng, 2008, 2012; 圖1)。對(duì)于盧鎮(zhèn)關(guān)群的認(rèn)識(shí)目前較為統(tǒng)一,普遍認(rèn)為其為花崗片麻巖或變質(zhì)變形侵入體,原巖結(jié)晶年齡為～750Ma (Chenetal., 2003; Zhengetal., 2004, 2007; Wuetal., 2007)。而對(duì)于佛子嶺群的研究則顯得較為薄弱,有關(guān)其變質(zhì)屬性、時(shí)限和構(gòu)造歸屬,以及在大別碰撞造山帶形成過程中間的作用缺乏相應(yīng)的研究。

佛子嶺群各類巖石由于礦物顆粒細(xì)小,“層理”發(fā)育,出露和連續(xù)性較好,故一直被視為“淺”變質(zhì)的沉積地層(張祖還, 1957; 鄭文武, 1964; 楊志堅(jiān), 1964)。安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1987)則綜合前人資料和變質(zhì)巖相學(xué)分析,定性判定佛子嶺群僅經(jīng)歷了綠片巖相變質(zhì),且該認(rèn)識(shí)一直為后期研究者所遵循。而在變質(zhì)年齡方面,則僅限于有限的白云母40Ar-39Ar分析 (牛寶貴等, 1994; Faureetal., 2003; 林偉等, 2005; Ratschbacheretal., 2006),大致將其主期變質(zhì)時(shí)限確定在270～260Ma范圍。至于佛子嶺群的構(gòu)造歸屬、動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其在華北和揚(yáng)子板塊碰撞俯沖過程的作用則存在較大的分歧。目前主要有三種不同的認(rèn)識(shí)：① Okayetal. (1993)和周建波等(2001)從沉積大地構(gòu)造角度認(rèn)為佛子嶺群為揚(yáng)子板塊北緣被動(dòng)陸緣沉積物,以“加積楔”形式產(chǎn)出于揚(yáng)子和華北板塊之間,屬于低級(jí)變質(zhì)產(chǎn)物；② Faureetal. (1999, 2003)和林偉等 (2005)根據(jù)構(gòu)造幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,認(rèn)為佛子嶺群卷入了較深層次的俯沖-折返過程,暗示其經(jīng)歷了中高級(jí)變質(zhì)作用；③ Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)則依據(jù)碎屑鋯石年齡分析,認(rèn)為其為揚(yáng)子和華北板塊之間的一個(gè)獨(dú)立微陸塊,并未經(jīng)歷俯沖-折返,為低級(jí)變質(zhì)塊體。然而,仔細(xì)比較分析可以看出,①和③的研究是基于佛子嶺群為“淺”變質(zhì)體這一共識(shí)(張祖還, 1957; 楊志堅(jiān), 1964; 鄭文武, 1964; 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1987)來進(jìn)行的,認(rèn)為其既未涉及大別碰撞造山帶的俯沖-折返事件,也沒有經(jīng)歷中-高級(jí)變質(zhì)作用。而②則僅是根據(jù)構(gòu)造解析認(rèn)為佛子嶺群卷入了較深層次的俯沖-折返過程,并結(jié)合同位素年代學(xué)相關(guān)的礦物封閉溫度推測其經(jīng)歷了較高級(jí)的變質(zhì),其本身缺乏嚴(yán)謹(jǐn)而精確定量的變質(zhì)巖石學(xué)分析數(shù)據(jù)的支持。此外,王勇生等 (2012)對(duì)北淮陽變質(zhì)單元中盧鎮(zhèn)關(guān)群的主期變質(zhì)P-T條件分析顯示,該單元經(jīng)歷了高壓榴輝巖相變質(zhì)作用(圖1),這也暗示了與其緊密共生的佛子嶺群可能也經(jīng)歷了更高級(jí)變質(zhì),并非為“淺”變質(zhì)產(chǎn)物。由此不難看出,佛子嶺群變質(zhì)巖石學(xué)的精確定量分析十分關(guān)鍵和重要,是解疑上述爭論的重要途徑之一,也是完備大別山深俯沖造山帶形成全過程和機(jī)制的重要補(bǔ)充。

為此,本次研究通過區(qū)域變質(zhì)巖石學(xué)、熱力學(xué)和年代學(xué)的詳細(xì)研究,精確判定了佛子嶺群主期變質(zhì)條件和原巖形成時(shí)限,揭示其普遍經(jīng)歷了中-高級(jí)變質(zhì),并卷入了大別碰撞造山帶較深層次的俯沖-折返過程。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況和樣品介紹

北淮陽淺變質(zhì)單元位于大別造山帶北部,整體呈WNW-ESE向展布。其北界為合肥盆地所覆蓋,向西止于南陽盆地,南為曉天-磨子潭斷裂所限,東被郯廬斷裂帶切割(Zhengetal., 2005, 2008; 圖1)。其中該單元的盧鎮(zhèn)關(guān)群主體分布于毛坦廠-磨子潭以東地區(qū),而佛子嶺群則主要沿蘇仙石-金寨-油店-諸佛庵-佛子嶺-毛坦廠一線分布(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖及分析樣品圖Fig.1 Simplified geologic map and sample locations in the study area

結(jié)合前人資料和我們近幾年的野外調(diào)查,佛子嶺群主體由云母石英片巖、石英云母片巖、大理巖和少量石榴云母片巖構(gòu)成,并相間產(chǎn)出。巖石產(chǎn)狀變化較大,面理主體傾向北,傾角20°～70°之間,線理則以低緩傾角產(chǎn)出,傾伏向近東西,傾伏角在5°～10°左右,巖石基本以單斜層形式產(chǎn)出,其間發(fā)育大量的層間褶皺。

本次研究共實(shí)測兩條剖面：①磨子潭-牛角沖; ②諸佛庵-蘇家埠(圖1) 。采集樣品共78塊,用于分析的樣品總計(jì)10塊,分別為樣品HS1、HS2、HD24、HD25、HD26、HD27和HS3、HS5、HS6、HD33 (圖1),其中樣品HS1、HD27為石榴云母片巖,其余為石英云母片巖和云母石英片巖。由于這些樣品礦物組合較為充分,利于溫壓評(píng)價(jià),故本次研究主要針對(duì)該類巖石展開細(xì)致分析。礦物縮寫據(jù)Whitney and Evans (2010),具體為Pl=plagioclase；Grt=garnet；Bt=biotite；Ms=muscovite；Qz=quartz；Tur=tourmalin；Rt=rutile；Ep=epidote；Aln=allanite；Ilm=ilmenite。

2 主要巖石類型巖相學(xué)特征

石榴云母片巖 共計(jì)采集兩塊樣品(HS1、HD27),均采自牛角沖,兩者相距約15m (圖2a)，均以單斜層形式產(chǎn)出,與云母石英片巖和石英云母片巖相間整合產(chǎn)出(圖2a),礦物組合基本相同。主要礦物有石榴子石(3%～5%)+斜長石(10%～15%)+黑云母(15%～20%)+白云母(5%～10%)+綠簾石(3%～5%)+石英(50%～55%)+金紅石(0%～1%)+電氣石(1%)(圖2b, c)。其中石榴子石呈半自形-自形,粒徑0.25～1mm,內(nèi)部含有大量早期礦物包體石英、金紅石和磁鐵礦；斜長石呈他形,粒徑0.1～0.2mm；石英多為他形,粒徑0.1～2mm；白云母半自形-自形,粒徑0.3～1.0mm；黑云母呈半自形-自形,粒徑0.2～0.8mm,沿解理縫或邊緣常常被綠泥石所替代；綠簾石為他形-半自形,粒徑0.1～0.3mm,內(nèi)部含褐簾石包體；金紅石呈他形細(xì)小顆粒,粒徑～0.1mm,常常被鈦鐵礦所替代；電氣石呈半自形,粒徑0.1～0.2mm。

石英云母片巖 呈單斜層產(chǎn)出(樣品HS5),單層厚度約1～30 cm,常與云母石英片巖相間產(chǎn)出(圖2d),其主要組成礦物為斜長石(3%～5%)+石英(35%～40%)+白云母(40%～45%)+黑云母(5%～10%)+綠簾石(3%)+金紅石(2%)(圖2e)。斜長石呈他形,粒徑0.1～0.3mm,糙面顯著；石英呈他形,粒徑0.1～1.5mm；白云母半自形-自形,粒徑0.2～1.2mm；黑云母呈半自形-自形,粒徑0.1～0.6mm,可見綠泥石化；綠簾石為他形-半自形,粒徑0.05～0.2mm,內(nèi)部含褐簾石包體；金紅石呈他形,顆粒細(xì)??；電氣石呈半自形,粒徑0.1～0.2mm。

圖2 佛子嶺群中石榴云母片巖、石英云母片巖和云母石英片巖野外及顯微照片(a)石榴云母片巖(樣品HS1、HD27)野外照片; (b、c)石榴云母片巖(樣品HS1、HD27)顯微照片; (d、e)石英云母片巖(樣品HS5)野外和顯微照片; (f、g)云母石英片巖(樣品HS6)野外和顯微照片F(xiàn)ig.2 Field photos and micrographs for the garnet mica schists, quartz-mica schists and mica-quartz schists from the Foziling Group(a) the field photos of the garnet-mica schists (Sample HS1, HD27)；(b, c) the micrographs for the garnet mica schists (Sample HS1, HD27); (d, e) the field photo and micrograph for the quartz-mica schist (Sample HS5), respectively; (f, g) the field photo and micrograph for the mica-quartz schist (Sample HS6), respectively

云母石英片巖 該巖石是佛子嶺群主體,單層厚度約20～50cm(圖2f)(樣品HS6)，組成礦物有斜長石(5%～10%)+石英(65%～70%)+白云母(10%～15%)+黑云母(5%～10%)+綠簾石(3%)+金紅石(2%)(圖2g)。斜長石呈他形,粒徑0.1～0.5mm,表面常糟化；石英呈他形,粒徑0.1～1.1mm；白云母半自形-自形,粒徑0.1～1mm；黑云母呈半自形-自形,粒徑0.1～0.3mm,沿解理縫常形成綠泥石；綠簾石呈他形,粒徑0.1～0.3mm,具褐簾石包體；金紅石呈他形,顆粒細(xì)小,粒徑～0.1mm,常被鈦鐵礦替代。

3 主要礦物化學(xué)成分分析

本次礦物化學(xué)成分測試分析由合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院電子探針(EPMA)實(shí)驗(yàn)室完成,儀器型號(hào)為JEOL JXA-8230,工作條件為加速電壓15kV,電子束流20nA,束斑尺寸為5μm。代表性礦物化學(xué)分析成分見表1和表2。

表1石榴云母片巖中代表性礦物化學(xué)成分(wt%)

Table 1 Geochemical compositions (wt%) of the representative minerals from the garnet mica schists

樣品號(hào)HS1HD27礦物GrtBtPlMsGrtBtPlMsSiO236.7938.2763.5046.0536.7337.6364.5246.30TiO20.021.760.040.620.101.560.000.30Al2O320.8017.6123.2432.4820.5017.2622.7831.04Cr2O30.000.040.000.010.000.000.000.00FeO24.4715.020.043.2021.7115.180.113.51MnO11.230.060.000.0114.420.040.000.01MgO3.1213.440.001.102.6213.820.001.55CaO3.490.003.830.024.070.013.450.00Na2O0.020.239.001.290.030.189.230.98K2O0.009.350.109.200.009.020.059.73Total99.9396.1799.7594.00100.1894.69100.1493.42O12118111211811Si2.952.822.813.132.952.812.843.18Al1.971.531.212.601.941.521.182.51Fe3+0.130.000.000.000.150.000.000.00Ti0.000.100.000.030.010.090.000.02Fe2+1.520.930.000.181.310.950.000.20Cr0.000.000.000.000.000.000.000.00Mg0.371.480.000.110.311.540.000.16Mn0.760.000.000.000.980.000.000.00Ca0.300.000.180.000.350.000.160.00Na0.000.030.770.170.000.030.790.13K0.000.880.010.800.000.850.000.85Sum8.007.774.987.028.007.794.977.05

表2云母石英片巖和石英云母片巖中代表性礦物化學(xué)成分(wt%)

Table 2 Geochemical compositions (wt%) of the representative minerals from the mica-quartz schist quartz and mica schist

樣品號(hào)HS2HS3HS5HS6HD24HD25HD26HD33HS2HS3HS5HS6HD24HD25HD26HD33礦物黑云母白云母SiO237.2138.4537.8936.9037.7537.5638.1437.4146.6546.0345.7345.2646.8246.5847.4545.92TiO21.911.532.792.901.881.672.181.750.520.940.951.120.500.730.801.14Al2O315.6517.2816.3416.5316.3915.6016.8616.8429.8031.2129.4429.5230.5128.9828.3830.92Cr2O30.020.060.040.040.000.020.080.000.070.030.100.400.040.080.260.00FeO16.5312.1915.6216.7317.4417.4613.9514.013.233.614.544.773.343.814.133.46MnO0.060.400.460.700.090.240.090.820.000.040.030.040.000.000.000.13

續(xù)表2

Continued Table 2

樣品號(hào)HS2HS3HS5HS6HD24HD25HD26HD33HS2HS3HS5HS6HD24HD25HD26HD33礦物黑云母白云母MgO12.3015.2012.0511.7612.0912.4214.4413.911.781.181.421.281.841.761.901.14CaO0.000.130.040.000.010.000.220.000.010.030.010.120.000.010.010.00Na2O0.020.240.140.050.120.080.110.081.010.170.080.090.730.820.160.15K2O9.969.6110.459.869.908.628.709.0310.1010.2610.6610.3210.3010.319.9310.26Total94.4895.2495.9995.4895.8594.0595.1594.0793.1793.5093.2293.1194.2693.0893.1893.14O11Si2.852.832.832.782.842.872.822.823.223.163.193.163.203.233.283.16Al1.411.501.441.471.451.401.471.492.422.522.422.432.452.362.312.51Fe3+0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.050.000.000.000.000.000.00Ti0.110.090.130.160.110.100.120.100.030.050.050.060.030.040.040.06Fe2+1.060.750.981.061.101.110.860.880.190.210.270.280.190.220.240.20Cr0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.010.020.000.010.010.00Mg1.411.671.341.321.351.411.591.560.180.120.150.130.190.180.200.12Mn0.000.030.030.050.010.020.010.050.000.000.000.000.000.000.000.01Ca0.000.010.000.000.000.000.020.000.000.000.000.010.000.000.000.00Na0.000.030.020.010.020.010.020.010.140.020.010.010.100.110.020.02K0.970.901.000.950.950.840.820.870.890.900.950.920.900.910.870.90Sum7.817.817.777.807.837.767.737.787.077.037.057.027.067.066.976.98

注：Bt-Ti適用范圍及成分限定:T=450～800℃,P=0.1～1.9GPa; XFe=0.19～0.55, XMg=0.23～0.67, XTi=0.02～0.14. Ms-Ti適用范圍及成分限定:T=450～800℃,P=0.1～1.4GPa: Ti=0.01～0.07, Fe=0.03～0.16, Mg=0.01～0.32, Mg/(Mg+Fe)=0.05～0.73

3.1 石榴云母片巖

(1)石榴子石：在X-ray Mapping圖中表現(xiàn)為較弱的成分變化(圖3a),而在成分剖面中則表現(xiàn)為較明顯的核邊結(jié)構(gòu)(圖3b),由核部至邊部XFe和XMg逐漸升高,分別由0.45和0.09增加至0.55和0.12，XCa由0.33下降至0.23，XMn則呈平緩變化趨勢,總體顯示了一個(gè)進(jìn)變質(zhì)成分環(huán)帶特征。

(2)斜長石：在X-ray Mapping圖和成分剖面中(圖3c, d),均展現(xiàn)了均一性特征,無環(huán)帶結(jié)構(gòu)。由核部至邊部,Ab、An和Or變化范圍分別為79.40～81.50、18.10～20.10和0.20～0.70。

(4)白云母：在BSE圖和成分剖面中(圖3g, h),顯示均勻變化特征,其中AlVl=1.71～1.79、Ti=0.03～0.04和Fe=0.17～0.19。

3.2 云母石英片巖

(2)白云母：其無環(huán)帶結(jié)構(gòu),顯示了均勻變化特征(圖4c, d),成分呈平緩線型,其中AlVl=1.65～1.72、Fe=0.16～0.21、Mg=0.10～0.16和Mg/(Mg+Fe)=0.36～0.44。

3.3 石英云母片巖

(2)白云母：該礦物在BSE圖和成分剖面圖(圖4g, h),同樣表現(xiàn)為均勻特征,無成分環(huán)帶,其中AlVl=1.58～1.62、Fe=0.26～0.30、Mg=0.13～0.15和Mg/(Mg+Fe)=0.31～0.35。

4 佛子嶺群主期變質(zhì)P-T條件估算

綜合巖相學(xué)和礦物化學(xué)分析,石榴云母片巖具完整的石榴子石+斜長石+黑云母+白云母+石英礦物組合,云母石英片巖和石英云母片巖礦物組合相對(duì)單一。因此,本文對(duì)前者應(yīng)用Holdaway (2000)的Grt-Bt溫度計(jì)(GB)和Wuetal. (2004)的Grt-Bt-Pl-Qz壓力計(jì)(GBPQ),以及Wu and Zhao (2006)的Grt-Ms溫度計(jì)(GM)和Grt-Ms-Pl-Qz壓力計(jì)(GMPQ)對(duì)石榴云母片巖進(jìn)行聯(lián)合求解。而對(duì)于后兩類巖石則應(yīng)用Wuetal. (2015a)的Bt-Ti溫度計(jì)和Wuetal.(2015b)的Ms-Ti溫度計(jì)進(jìn)行主期溫度評(píng)價(jià)。在P-T估算成分選取方面,根據(jù)礦物成分剖面分析(圖3),石榴云母片巖的石榴石取其邊部的成分進(jìn)行計(jì)算(圖3a, b),該石榴石顯示了進(jìn)變質(zhì)的環(huán)帶特征,邊部應(yīng)代表了主期變質(zhì)成分。斜長石、黑云母和白云母則顯示平坦變化趨勢,成分均勻(圖3c-h和表1),故選取核部或近邊緣部分。云母石英片巖和石英云母片巖中的黑云母和白云母同樣具有均勻的成分特征(圖4a-h),其成分選取也在核部或近邊緣部分(表2)。同時(shí),為保證計(jì)算的統(tǒng)計(jì)性,每個(gè)樣品選取15～25個(gè)礦物對(duì)進(jìn)行計(jì)算,詳細(xì)結(jié)果見表3。

圖3 石榴云母片巖中主要礦物的X-Ray Mapping、BSE圖和成分剖面圖(a、b)石榴石X-Ray Mapping和成分剖面; (c、d)斜長石X-Ray Mapping和成分剖面; (e、f)黑云母X-Ray Mapping和成分剖面; (g、h)白云母BSE圖像和成分剖面Fig.3 X-ray mapping, BSE images and compositional profiles for the main minerals in the garnet-mica schist(a, b) the X-ray mapping and compositional profile of garnet, respectively; (c, d) the X-ray mapping and compositional profile of plagioclase, respectively; (e, f) the X-ray mapping and compositional profile of biotite, respectively; (g, h) the BSE images and compositional profile of muscovite, respectively

表3佛子嶺群主期變質(zhì)P(℃)-T(GPa)條件

Table 3 The mainP(℃)-T(GPa) conditions for the Foziling Group

巖石石榴云母片巖樣品T-GBP-GBPQT-GMP-GMPQ礦物對(duì)數(shù)HS16160.936701.0225誤差50.04120.04HD276210.967001.1415誤差50.05140.05巖石石英云母片巖和云母石英片巖樣品T-Bt-0.6T-Bt-0.9T-Bt-1.2T-Ms-0.6T-Ms-0.9T-Ms-1.2礦物對(duì)數(shù)HS253656058657758559015HS352655157664565365916HS560262965867168068615HS659862665567868669315HD2453455958457858559015HD2552855257758959760218HD2656158761464565365915HD3355257760467568469016

注：GB=Holdaway (2000)的Grt-Bt溫度計(jì)；GBPQ=Wuetal. (2004)的Grt-Bt-Pl-Qz壓力計(jì)(GBPQ)；GM和GMPQ = Wu and Zhao (2006)的Grt-Ms溫度計(jì)(GM)和Grt-Ms-Pl-Qz 壓力計(jì)(GMPQ).T-Bt-0.6、0.9、1.2=在壓力設(shè)定為0.6、0.9、1.2時(shí),應(yīng)用Wu and Chen (2015a) Bt-Ti溫度計(jì)的計(jì)算的值;T-Ms-0.6、0.9、1.2=在壓力設(shè)定為0.6、0.9、1.2時(shí),應(yīng)用Wu and Chen (2015b) Ms-Ti溫度計(jì)的計(jì)算的值

圖4 石英云母片巖和云母石英片巖中黑云母、白云母BSE圖和成分剖面圖(a、b)石英云母片巖中黑云母BSE圖像和成分剖面; (c、d)石英云母片巖中白云母BSE圖像和成分剖面; (e、f)云母石英片巖中黑云母BSE圖像和成分剖面; (g、h)云母石英片巖中白云母BSE圖像和成分剖面Fig.4 BSE images and compositional profiles for biotite and muscovite in quartz-mica schist and mica-quartz schist(a, b) the BSE images and compositional profile of biotite from the quartz-mica schist, respectively; (c, d) the BSE images and compositional profile of muscovite in the quartz-mica schist, respectively; (e, f) the BSE images and compositional profile of biotite in the mica-quartz schist; (g, h) the BSE images and compositional profile of muscovite in the mica-quartz schist

此外,根據(jù)Wuetal. (2004, 2006, 2015a, b) 的闡述,這些溫度壓力計(jì)具有成分和適用的溫壓范圍的限定(見表1和2備注)。為此,本文將所有參與溫壓評(píng)價(jià)的礦物分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了投圖分析(圖5)。當(dāng)應(yīng)用GBPQ時(shí),石榴石、斜長石和黑云母成分均符合計(jì)算要求(圖5a-d)。而應(yīng)用GMPQ時(shí),除斜長石外,石榴石和白云母的成分則超出了成分要求,其中石榴石的XFe均<0.53,白云母的Fe2+均>0.17(圖5a, b, e, f)。就Bt-Ti和Ms-Ti溫度計(jì)而言,黑云母的成分則完全符合限定要求(圖5c, d),白云母成分則基本不符合限定要求(圖5e, f)。但為便于比較和相互印證,本次研究應(yīng)用了這些溫壓計(jì)進(jìn)行了主期P-T條件評(píng)價(jià)。

4.1 石榴云母片巖主期變質(zhì)P-T條件

4.2 云母石英片巖和石英云母片巖主期溫度

這兩類巖石為佛子嶺群主體,但如前述因其礦物組合并不充分,僅含有適用于溫度估算的黑云母和白云母,故本次研究應(yīng)用Bt-Ti和Ms-Ti溫度計(jì)進(jìn)行主期溫度評(píng)價(jià)。在溫度估算時(shí),根據(jù)Wu and Chen (2015a, b)的闡述,將壓力設(shè)定在0.3～1.4GPa范圍,并每間隔0.3GPa計(jì)算一個(gè)溫度值。從表3和圖7可以看出,Bt-Ti的溫度普遍低于Ms-Ti的溫度。當(dāng)壓力設(shè)定在0.3GPa至0.9GPa范圍時(shí),無論應(yīng)用何種溫度計(jì),所有的樣品的主期溫度均位于角閃巖相范疇。而當(dāng)壓力設(shè)定在0.9GPa至1.4GPa范圍時(shí),這些樣品溫度主體進(jìn)入角閃巖相,部分為綠簾角閃巖相、角閃石榴輝巖亞相范圍,變化范圍較大。然而,考慮到石榴云母片巖與云母石英片巖、石英云母片巖緊密共生(圖2a),以及這些巖石并未出現(xiàn)榴輝巖相特征礦物這一事實(shí)(圖2b, c, e, g),云母石英片巖和石英云母片巖并未達(dá)到角閃石榴輝巖亞相變質(zhì)范疇,即壓力應(yīng)當(dāng)小于1.1GPa。進(jìn)一步參照GB & GBPQ和GM & GMPQ 對(duì)石榴云母片巖主期變質(zhì)P-T條件計(jì)算結(jié)果(圖6和表3),可以將壓力限定在0.9～1.1GPa,作為保守的估計(jì),本文將其壓力標(biāo)定在0.9GPa。據(jù)此,進(jìn)一步通過比較可以看出,當(dāng)應(yīng)用Bt-Ti時(shí),這兩類片巖主期溫度在534～645℃范圍；而當(dāng)應(yīng)用Ms-Ti時(shí),主期溫度則在570～712℃范圍,其中前者普遍比后者偏低約60℃。

圖5 石榴云母片巖、石英云母片巖和云母石英片巖樣品主要礦物成分圖解(a)石榴石成分三角圖; (b)斜長石成分三角圖; (c、d)黑云母XFe-XTi和XMg-XTi比值圖; (e、f)白云母Fe-Ti和Mg-Ti比值圖Fig.5 The composition plots for main minerals in the garnet-mica schists, quartz-mica schists and mica-quartz schists(a) the composition triangular plot for garnet；(b) the composition triangular plot for plagioclase；(c, d) the ratio plots of XFe vs. XTi and XMg vs. XTi for biotite; (e, f) the ratio plots of Fe vs. Ti and Mg vs. Ti for muscovite

圖6 石榴云母片巖主期變質(zhì)P-T條件圖Fig.6 The main metamorphic P-T conditions for the garnet-mica schists

從主期變質(zhì)P-T條件來看(圖6、圖7和表3),GB & GBPQ和GM & GMPQ,以及Bt-Ti和Ms-Ti計(jì)算的溫度壓力條件,均顯示佛子嶺群經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)特征。然而,參照Wuetal. (2004, 2006, 2015a, b) 的溫壓計(jì)的范圍和成分限定,正如前述,GB & GBPQ和Bt-Ti溫壓計(jì)符合限制要求,其給出的主期變質(zhì)P-T條件可能更為合適。據(jù)此,本文根據(jù)估算溫度值和分析樣品的空間分布位置(圖1),構(gòu)建了一條橫切佛子嶺群溫度剖面。從圖8可以看出,當(dāng)壓力為0.9GPa時(shí),佛子嶺群主期變質(zhì)溫度在534～645℃范圍,這表明該變質(zhì)單元普遍經(jīng)歷了中-高壓角閃巖相變質(zhì)。

5 鋯石U-Pb年代學(xué)研究

本次鋯石U-Pb定年主要是針對(duì)石榴云母片巖(樣品HS1)進(jìn)行。鋯石單礦物挑選由河北省廊坊市峰澤源巖礦檢測技術(shù)有限公司完成。鋯石制靶由合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院LA-ICP-MS潔凈實(shí)驗(yàn)室完成。鋯石陰極發(fā)光(CL)圖由合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院電子探針(EPMA)實(shí)驗(yàn)室完成,儀器型號(hào)JEOL XM-Z09013TPCL,測試電壓為700V,探針電流為5nA。鋯石U-Pb同位素定年測試由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜(LA-ICP-MS)實(shí)驗(yàn)室完成,實(shí)驗(yàn)以He作為剝蝕載氣,質(zhì)普儀為Agilent7700s。剝蝕束斑直徑為32μm,剝蝕方式為單點(diǎn)剝蝕,剝蝕時(shí)間為90s,背景時(shí)間為19s,每測試4個(gè)點(diǎn),測一次標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500。測試以標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500為年齡計(jì)算外標(biāo),元素29Si作內(nèi)標(biāo)。數(shù)據(jù)處理采用中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)的LaDating@Zrn軟件,普通鉛校正應(yīng)用ComPbCorr進(jìn)行,諧和圖和鋯石年齡直方圖的繪制使用Isoplot3.23完成。本次測試對(duì)年齡值的選擇使用以1000Ma為界：≤1000Ma采用206Pb/238U同位素年齡>1000Ma采用207Pb/206Pb同位素年齡。

對(duì)56顆鋯石進(jìn)行分析測定,獲得了62個(gè)數(shù)據(jù),其中45個(gè)為諧和年齡。巖相學(xué)觀測顯示,這些鋯石多為無色透明或半透明,略帶淡黃色,晶形呈短柱狀或渾圓狀,粒徑為50～120μm,長寬比為1:1～3:1。陰極發(fā)光圖像則顯示,這些鋯石多具振蕩環(huán)帶、無分帶和弱分帶結(jié)構(gòu),部分鋯石具白色亮邊(圖9a-h)。根據(jù)年齡數(shù)值可以看出(圖9i, j和表4),鋯石年齡較為寬泛,范圍在3101±48～413±9Ma,顯示出碎屑鋯石特征。鋯石Th含量為12.74×10-6～796.4×10-6,U含量為14.75×10-6～1048×10-6,除兩顆鋯石外,其余鋯石Th/U比值均大于0.1 (表4和圖9k)。

根據(jù)本次測試的年齡數(shù)據(jù)(圖9i, j),并結(jié)合前人的研究和背景分析(Lietal., 2001; Chenetal., 2003; Zhengetal., 2004, 2007; Liuetal., 2005; Zhaoetal., 2012; Zhuetal., 2017; 圖1),這些數(shù)據(jù)可分為5組：①組鋯石：共14個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),年齡范圍為3101±48Ma～1794±79Ma,Th/U為0.24～1.30。除3101±48Ma、2191±63Ma、1811±77Ma和1794±79Ma四個(gè)數(shù)據(jù)外,其余數(shù)據(jù)則較為集中,峰值年齡為2537Ma (圖9l)；②組鋯石：有6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),范圍為1699±57Ma～1444±60Ma,Th/U比值為0.33～1.02。該組數(shù)據(jù)較為集中,峰值年齡為1567Ma (圖9l)；③組鋯石：共11個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),年齡范圍為1089±74Ma～904±19Ma,除2顆年齡數(shù)值為944±20Ma和936±19Ma鋯石的Th/U<0.1外,其余鋯石Th/U為0.11～0.52。該組數(shù)據(jù)也較為集中,峰值年齡為940Ma (圖9l)；④組鋯石：9個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),年齡范圍為891±19Ma～602±14Ma,Th/U為0.14～1.25,峰值年齡為749Ma (圖9l)；⑤組鋯石：共計(jì)5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),Th/U=0.38～0.86,年齡范圍為474±16Ma～413±9Ma,峰值年齡為440Ma (圖9l)。

圖7 云母石英片巖和石英云母片巖主期溫度Fig.7 The main metamorphic temperature for the mica-quartz and quartz-mica schists

圖8 佛子嶺群溫度-地理位置圖Fig.8 The temperature-geography plot across the Foziling Group

6 佛子嶺群的原巖屬性及其形成的溫壓條件、時(shí)限及構(gòu)造歸屬探討

6.1 佛子嶺群的原巖屬性

由于佛子嶺群一直被視為“淺”變質(zhì)沉積巖(張祖還, 1957; 鄭文武, 1964; 楊志堅(jiān), 1964; 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1987)。因此,在揚(yáng)子板塊和華北板塊碰撞過程中,其通常被作為加積楔或未經(jīng)歷俯沖的沉積蓋層(Okayetal., 1993; 周建波等, 2001; Chenetal., 2003; Zhuetal., 2017)。盡管,Faureetal. (1999, 2003)和林偉等(2005)通過構(gòu)造解析認(rèn)為其經(jīng)歷了較深層次的俯沖、折返,但變質(zhì)巖石學(xué)的研究并未給予充分的支撐。

長期以來,佛子嶺群之所以被作為“淺”變質(zhì)沉積巖,可能的原因：(1)沉積“現(xiàn)象”的困擾。佛子嶺群主體巖性為細(xì)粒云母石英片巖和石英云母片巖,互層產(chǎn)出,總體表現(xiàn)出沉積“韻律”特征(圖2d, f),加之巖石礦物顆粒細(xì)小,具體礦物構(gòu)成和結(jié)構(gòu)不易清晰觀測。野外觀測往往認(rèn)為其保留了較好的“沉積巖石”特征,進(jìn)而判定其未經(jīng)歷高級(jí)變質(zhì)；(2)變質(zhì)巖石學(xué)研究不充分。早先研究由于條件所限,對(duì)該單元各類變質(zhì)巖多是定性的判定,缺乏定量礦物化學(xué)和特征性礦物的分析,影響了變質(zhì)級(jí)別的精確判別；(3)熱力學(xué)評(píng)價(jià)不充分。

6.2 佛子嶺群形成的溫壓條件

由于佛子嶺群特征性巖石和變質(zhì)礦物組合的缺乏,加之早期地質(zhì)溫壓計(jì)的不充分,對(duì)其精確的主期變質(zhì)P-T條件估算并沒有較為確實(shí)的認(rèn)定。例如,陳躍志等(1995)和石永紅等(2014)進(jìn)行了簡單的定量評(píng)價(jià),但由于溫壓計(jì)選用的不明確和適用范圍的不合適,他們給出了截然相反的認(rèn)識(shí)(圖6)。

本次研究選取GB & GBPQ、GM & GMPQ、Bt-Ti 和Ms-Ti溫壓計(jì),均適用于佛子嶺群的石榴云母片巖和云母片巖P、T條件估計(jì)(Wuetal., 2004, 2006, 2015a, b)。同時(shí),對(duì)各類巖石主要礦物進(jìn)行了精細(xì)的礦物成分剖面分析,確保了主期變質(zhì)成分選擇(圖3和圖4),并對(duì)每個(gè)樣品選取了多個(gè)礦物對(duì)進(jìn)行評(píng)價(jià),保證了統(tǒng)計(jì)上的意義。通過比較,由GB & GBPQ和Bt-Ti評(píng)價(jià)的結(jié)果較為合適。因此,根據(jù)此次熱力學(xué)評(píng)價(jià),佛子嶺群主期變質(zhì)P-T條件在610～620℃和0.9～1.0GPa范圍,再結(jié)合區(qū)域變質(zhì)巖石學(xué)和野外地質(zhì)剖面分析(圖8),其應(yīng)普遍達(dá)到了中-高壓角閃巖相變質(zhì)范疇(圖6)。當(dāng)然,由于此次研究的特征性巖石——石榴云母片巖發(fā)育較少,對(duì)該P(yáng)、T條件能否代表佛子嶺群普遍經(jīng)歷中-高壓角閃巖相變質(zhì)作用仍需進(jìn)一步求證。然而,考慮到本次對(duì)區(qū)域上出露的各類云母片巖的溫度評(píng)價(jià)(圖7和圖8),并結(jié)合石榴云母片巖主期變質(zhì)壓力限定,佛子嶺群應(yīng)處于中-高壓變質(zhì)條件。這是因?yàn)楦黝愒颇钙瑤r與石榴云母片巖緊密共生(圖2a),其間沒有任何構(gòu)造并置作用現(xiàn)象,暗示兩者應(yīng)經(jīng)歷相同的俯沖、折返作用。同時(shí),Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)對(duì)佛子嶺群中云母片巖的碎屑鋯石研究顯示(圖1),該類巖石形成于400～450Ma,與本次確定石的榴云母片巖原巖時(shí)限一致(圖9j和表4)。換言之,在大別碰撞造山帶形成過程中,這些片巖應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷了共同的變質(zhì)和構(gòu)造過程。進(jìn)一步地,從所處的構(gòu)造單元來看,佛子嶺群屬于北淮陽變質(zhì)單元的一部分,與盧鎮(zhèn)關(guān)群緊密共生,而王勇生等(2012)研究表明盧鎮(zhèn)關(guān)群經(jīng)歷了角閃巖相,局部達(dá)到高壓榴輝巖相變質(zhì),佐證了佛子嶺群也可能經(jīng)歷較高級(jí)的變質(zhì)。此外,Faureetal. (2003)和林偉等(2005)從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)角度,確認(rèn)佛子嶺群卷入了較深層次俯沖-折返過程,相應(yīng)地其變質(zhì)程度較高。因此,綜合本次溫壓評(píng)價(jià)和前人的分析,可以確定佛子嶺群并非為“淺”變質(zhì)產(chǎn)物,而應(yīng)普遍經(jīng)歷中-高壓角閃巖相變質(zhì),其形成深度大致在30～40km,地溫梯度在15～20℃/km之間。至于野外觀測到的沉積“韻律”層(圖2d, f),推測可能是在變質(zhì)過程中受原巖成分層控制,或者變質(zhì)分異所致。而巖相學(xué)觀測也充分表明這些巖石普遍具變晶結(jié)構(gòu)(圖2c, e, g),不具任何變余結(jié)構(gòu)和構(gòu)造,例如,沉積巖中的顆粒支撐、雜基支撐等。

圖9 樣品HS1的鋯石陰極發(fā)光照片和諧和圖(a-h)樣品HS1的陰極發(fā)光照片; (i、j)樣品HS1的5組年齡諧和圖; (k) Th/U與年齡比值圖; (l) 樣品HS1年齡直方圖Fig.9 Cathode luminescence (CL) images and concordia diagram for zircons from Sample HS1(a-h) the cathode luminescence images for zircons from the sample HS1; (i, j) the concordia diagrams for 5 groups of age from the sample HS1; (k) Th/U to age plot; (l) the age histogram for the sample HS1

6.3 佛子嶺群形成的時(shí)間

關(guān)于佛子嶺群的形成時(shí)限,最初安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1987)綜合前人資料,將其劃歸為新元古代。然而,Lietal. (2001)依據(jù)Sm-Nd和Rb-Sr全巖等時(shí)線研究,認(rèn)為該單元形成于泥盆紀(jì)。Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)的碎屑鋯石研究則進(jìn)一步明確該單元形成于志留紀(jì)。同時(shí),基于年齡資料和大地構(gòu)造分析,均認(rèn)為佛子嶺群為揚(yáng)子板塊和華北板塊之間的一個(gè)獨(dú)立微陸塊,其物源分別來自這兩個(gè)板塊。對(duì)比本次研究確定的5組碎屑鋯石年齡來看 (圖9a, c, d-h),其中①、③、④、⑤組的年齡與前人的研究基本一致(Lietal., 2001；Chenetal., 2003 和Zhuetal., 2017),展現(xiàn)佛子嶺群物源的多樣性特征,其中⑤組的峰值年齡～0.44Ga進(jìn)一步支持了佛子嶺群形成于志留紀(jì)的認(rèn)識(shí)(Lietal., 2001; Chenetal., 2003; Zhuetal., 2017)。從年齡分布背景上來看,②、③和④組的～0.75Ga、～0.94Ga和～1.57Ga的年齡峰值(圖9i, j),顯示了親揚(yáng)子性(Gaoetal., 2001; Zheng, 2008; Lietal., 2014)。而①組年齡(圖9i),特別是～2.54Ga的峰值年齡,暗示了佛子嶺群具華北板塊物源特征(Zhaoetal., 2012; Zhao and Zhai, 2013),進(jìn)而表明佛子嶺群可能具有混合物源的特性。然而,由于揚(yáng)子板塊也具有少量2.5～2.6Ga的年齡 (Chen and Jahn, 1998; Chenetal., 2014; Gaoetal., 1999, 2011; Qiuetal., 2000; Wuetal., 2012; Lietal., 2014),影響了對(duì)其物源的準(zhǔn)確判定,但考慮到Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)的研究,本文遵從了前人混合物源的認(rèn)識(shí)。關(guān)于佛子嶺群主期變質(zhì)年齡,由于此次分析鋯石的顆粒細(xì)小和變質(zhì)鋯石不發(fā)育,并未獲得任何變質(zhì)年齡信息。但鑒于前人白云母40Ar-39Ar的270～260Ma年齡(牛寶貴等, 1994; Faureetal., 2003; 林偉等, 2005; Ratschbacheretal., 2006; 圖1),同時(shí),考慮到佛子嶺群構(gòu)造位置處于大別造山帶最北端,為揚(yáng)子板塊深俯沖的最前導(dǎo)巖片,相應(yīng)的俯沖時(shí)限較早,故推測其主期變質(zhì)年齡應(yīng)較老一些,也許該年齡能代表佛子嶺群的變質(zhì)時(shí)限。當(dāng)然,由于云母過剩Ar的影響(Lietal., 1994),該年齡準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步確證。

6.4 佛子嶺群的構(gòu)造屬性

對(duì)于佛子嶺群是否為古生代微陸塊(Chenetal., 2003; Zhuetal., 2017),本次研究并不能予以充分支持,目前在大別造山帶東段未見到大規(guī)模出露的古生代巖漿弧出露,現(xiàn)有的～0.44Ga碎屑鋯石物源存在較多的困惑。也許如Lietal. (2001)、Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)的研究,佛子嶺群是北秦嶺古生代巖漿弧東延部分剝蝕沉積產(chǎn)物,而古生代的巖漿弧由于被其覆蓋并未出露至地表。然而,基于本次變質(zhì)巖石學(xué)和年代學(xué)的研究,并結(jié)合前人構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究(Okayetal., 1993; Faureetal., 1999, 2003; 周建波等, 2001;林偉等, 2005),本文傾向于佛子嶺群為揚(yáng)子板塊最北緣的沉積單元,卷入了較深層次的俯沖和折返事件。

7 結(jié)論

(1)佛子嶺群主期變質(zhì)P-T條件范圍為610～620℃和0.9～1.0GPa,達(dá)到了高壓角閃巖相變質(zhì)范疇,普遍經(jīng)歷中-高壓角閃巖相變質(zhì),卷入了較深層次的俯沖折返過程。

(2)佛子嶺群物源具有多源性,其中～0.44Ga的年齡表明佛子嶺群形成于早古生代晚期,～0.75Ga、～0.94Ga和～1.57Ga的年齡峰值暗示了其物源具有親揚(yáng)子性,～2.54Ga的年齡則顯示該單元具有華北物源屬性。