柴北緣超高壓地體折返過程中地殼深熔的巖石學(xué)研究*

于勝堯 張建新 李三忠 彭銀彪 李云帥 呂沛 姚勇 李卓凡

1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，海洋高等研究院，海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 2661002. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 2660373. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 1000374. 天津大學(xué)表層地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，天津 3000721.

大陸俯沖帶超高壓變質(zhì)巖石的部分熔融是近年來超高壓變質(zhì)作用的重要進(jìn)展之一，它不僅會影響深俯沖巖片流變學(xué)特征和促進(jìn)深俯沖巖片快速折返，同時(shí)也對研究大陸俯沖隧道中礦物反應(yīng)和元素遷移行為具有重要意義(Labrousseetal., 2011; Zhengetal., 2011; Liuetal., 2012; Chenetal., 2013; Chen and Zheng, 2013; Wangetal., 2014)。在大陸碰撞過程中，超高壓變質(zhì)巖在俯沖和折返過程中通常經(jīng)歷了進(jìn)變質(zhì)、峰期變質(zhì)和多期退變質(zhì)等復(fù)雜的變質(zhì)演化階段，有效識別深熔作用發(fā)生的時(shí)間和溫壓條件對于揭示超高壓巖石的深熔作用與深俯沖巖片折返之間的聯(lián)系具有重要意義。但圍繞該問題的研究還存在較多爭議，一些學(xué)者通過對蘇魯造山帶、挪威西部片麻巖單元、格陵蘭加里東造山帶深熔作用的野外觀察、年代學(xué)、地球化學(xué)，以及實(shí)驗(yàn)和模擬研究認(rèn)為部分熔融作用主要發(fā)生在超高壓變質(zhì)條件下(Hermann and Green, 2001; Wallisetal., 2005; Lang and Gilotti, 2007; Labrousseetal., 2011; Chen and Zheng, 2013)。相反地，也有一些學(xué)者認(rèn)為深熔作用可能發(fā)生在熱的麻粒巖相退變質(zhì)階段(the hot exhumation stage)(Zongetal., 2010; Liuetal., 2012)或晚期角閃巖相退變質(zhì)階段(Bannoetal., 2000; Gordonetal., 2012)。值得注意的是，近年來的研究顯示一些典型的大陸碰撞造山帶(如喜馬拉雅、挪威西部片麻巖單元、新幾內(nèi)亞超高壓-高壓變質(zhì)地體和阿爾卑斯造山帶)可能記錄了多期深熔事件(Monteleoneetal., 2007; Rubattoetal., 2009; Imayamaetal., 2012; Gordonetal., 2012)。因此，揭示大陸碰撞造山帶深熔作用的時(shí)限、規(guī)模、程度、P-T條件和流體機(jī)制等不僅對于深入理解深俯沖巖片的流變學(xué)特征、大陸碰撞帶的構(gòu)造熱演化過程和折返動力學(xué)機(jī)制具有重要意義，同時(shí)也為對大陸俯沖隧道中元素遷移和殼-幔相互作用的研究提供了重要依據(jù)。

柴北緣是近十余年所厘定的一條主要由榴輝巖、石榴橄欖巖及相關(guān)片麻巖組成的大陸碰撞造山帶(圖1；Yangetal., 1998, 2006; Yang and Powell, 2008; Songetal., 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2014a; Zhangetal., 2005, 2008a, b, 2009a, b, 2010, 2016, 2017; Mattinsonetal., 2006, 2007; Yuetal., 2013; Chenetal., 2017, 2018)。前人已從巖石學(xué)、年代學(xué)和地球化學(xué)等方面對柴北緣地區(qū)高壓/超高壓榴輝巖、石榴橄欖巖及圍巖片麻巖開展了大量工作，并取得了一系列重要研究成果。近年來，與高壓-超高壓變質(zhì)巖石形成和折返有關(guān)的深熔作用也開始引起了一些學(xué)者重視，但目前關(guān)于柴北緣地區(qū)深熔作用的成因機(jī)制還存在洋殼折返熔融、陸殼折返熔融和上盤增厚陸殼熔融等爭議(Chenetal., 2012; Yuetal., 2012, 2014, 2015a, b, 2018, 2019a, b; Liuetal., 2014; Songetal., 2014b; Zhangetal., 2015; Caoetal., 2017)。有鑒于此，本文選擇柴北緣綠梁山和錫鐵山單元的混合巖為主要研究對象，在詳細(xì)的宏觀和微觀巖石學(xué)研究的基礎(chǔ)上，綜合已有的年代學(xué)和地球化學(xué)結(jié)果，探討超高壓折返過程的深熔作用機(jī)制及其與同碰撞花崗巖的成因聯(lián)系。

圖1 柴北緣UHP變質(zhì)帶區(qū)域地質(zhì)簡圖(a)及錫鐵山單元(b)和綠梁山單元(c)Fig.1 Simplified geological map of the North Qaidam UHP metamorphic belt (a), Xitieshan unit (b) and Lvliangshan unit (c)

1 區(qū)域地質(zhì)背景

位于青藏高原北緣的柴北緣超高壓變質(zhì)帶是典型的早古生代大陸深俯沖變質(zhì)帶(圖1a)，以發(fā)育花崗片麻巖(>80%)、副片麻巖/片巖，以及少量呈透鏡體(或塊體)形式存在的榴輝巖、基性麻粒巖、石榴橄欖巖等為特征(Zhangetal., 2016, 2017)。泥質(zhì)片麻巖鋯石中的柯石英包體，榴輝巖鋯石、石榴石和綠輝石等礦物中的柯石英包體(Zhangetal., 2009a, b, 2010)，以及石榴橄欖巖鋯石中的金剛石包體指示大陸板片俯沖深度可能超過200km(Songetal., 2005)。根據(jù)巖石組合、變質(zhì)演化歷史等特征的明顯差異，柴北緣超高壓變質(zhì)帶由東向西可劃分出四個(gè)次級構(gòu)造單元(Zhangetal., 2008b)：(1)都蘭榴輝巖-片麻巖單元(DLT)；(2)錫鐵山榴輝巖-片麻巖單元(XTT)；(3)綠梁山石榴橄欖巖-片麻巖單元(LLT)；(4)魚卡榴輝巖-片麻巖單元(YKT)。本文所研究的混合巖主要位于柴北緣的錫鐵山和綠梁山單元。

錫鐵山榴輝巖-片麻巖單元主要由石榴藍(lán)晶(夕線)黑云二長片麻巖/片巖、花崗片麻巖和少量以透鏡體形式存在的榴輝巖、超基性巖組成，并被～428Ma花崗巖巖體侵入(圖1b；孟繁聰?shù)? 2005)。定向的夕線石和黑云母所組成的SSE-NNW向面理(S1)和近水平拉伸線理指示區(qū)域高溫變形(Zhangetal., 2008b)。錫鐵山單元發(fā)育的榴輝巖以石香腸狀、透鏡狀抑或是夾層的形式存在于花崗片麻巖和副片麻巖中。與其它超高壓單元相比，錫鐵山單元很少存在新鮮的榴輝巖，其榴輝巖大多已退變?yōu)槁榱r和石榴角閃巖。榴輝巖峰期礦物組合為石榴子石+綠輝石+多硅白云母(極少)+金紅石，其峰期變質(zhì)條件為T=750～790℃和P=27～32kbar(Zhangetal., 2011)。研究表明，錫鐵山榴輝巖和圍巖石榴藍(lán)晶(夕線)黑云片巖/片麻巖經(jīng)歷了相同的變質(zhì)P-T演化軌跡，即在430～450Ma經(jīng)歷了陸殼深俯沖超高壓變質(zhì)，隨后在422～425Ma經(jīng)歷了折返麻粒巖相退變質(zhì)改造(Zhangetal., 2008b; Chenetal., 2013)。

圖2 錫鐵山和綠梁山地區(qū)混合巖的野外產(chǎn)物特征 (a)退變榴輝巖中不規(guī)則的花崗質(zhì)淺色體，脈體與圍巖不連通；(b)淺色體中見轉(zhuǎn)熔的粗粒石榴子石；(c、d)薄層淺色體平行于片麻巖的片麻理或面理；(e)淺色體發(fā)生褶皺變形；(f)淺色體發(fā)生近距離遷移和匯聚；(g)星云狀全熔巖中半自形-自形石榴子石；(h、i)淺色體發(fā)生大規(guī)模匯聚和遠(yuǎn)距離遷移形成長英質(zhì)巖席或巖墻Fig.2 Field characteristics of migmatites in the Xitieshan and Lvliangshan units (a) field occurrences of granitic leucosomes in the retrograde, euhedral-subhedral garnet grains within the leucosomes are larger than those in the melanosome; (b) peritectic garnets within the leucosomes are commonly larger than those within the melanosome; (c, d) thin layers of leucosomes are aligned subparallel to the gneissosity or foliation; (e) folding deformation leads to the migration and aggregation of felsic leucosome in migmatite; (f) the granitic leucosome merges into the felsic sheet with petrographic continuity; (g) euhedral-subhedral garnet in the nebulous diatexite migmatite; (h, i) array of interconnected leucosomes coalesce in felsic sheet or dyke

綠梁山石榴橄欖巖-片麻巖單元分布在大柴旦南部約20km處，主要由含有藍(lán)晶石/夕線石的副片麻巖/片巖、花崗片麻巖、基性麻粒巖和超鎂鐵質(zhì)雜巖組成，并被志留紀(jì)花崗巖巖體侵入(圖1c；Zhangetal., 2008b)。 超鎂鐵質(zhì)巖以石榴二輝橄欖巖為主，夾有少量的純橄巖和石榴輝石巖，主要呈不規(guī)則透鏡體出露在片麻巖中(Yang and Deng, 1994; Songetal., 2004, 2005; Zhangetal., 2008a)。石榴子石中的金紅石+輝石+角閃石和橄欖石中的鈦鐵礦+鋁鉻鐵礦的出溶結(jié)構(gòu)，以及鋯石中存在的金剛石包體，表明該石榴橄欖巖俯沖深度超過200km。石榴橄欖巖的峰期變質(zhì)條件為T=980～1130℃和P=45～65kbar(Songetal., 2004, 2005)?；月榱r主要由石榴子石、單斜輝石、斜方輝石、斜長石、角閃石和石英組成，含少量金紅石、鈦鐵礦和鋯石。巖石學(xué)觀察和P-T計(jì)算結(jié)果表明其主要經(jīng)歷了高壓麻粒巖相階段(T=720～830℃和P=10～14kbar)和隨后的中壓麻粒巖相退變質(zhì)階段(T=730～850℃和P=6.2～8.5kbar)(Zhangetal., 2008b)。最近, 綠梁山單元中也報(bào)道有少量新鮮榴輝巖的出露(Caoetal., 2017; Chenetal., 2018)，推測其峰值變質(zhì)條件為T=647～768℃和P>30kbar(Chenetal., 2018)，但仍缺乏可靠溫壓計(jì)算結(jié)果和超高壓標(biāo)志礦物支持。

2 巖石學(xué)特征

在野外露頭上，富含斜長石的淺色體呈層狀、斑塊狀或脈狀分布在退變榴輝巖中(圖2a)，這些淺色體通常與寄主退變榴輝巖同時(shí)變形，且淺色體沒有直接與片麻巖接觸(Yuetal., 2019a)。由石英+斜長石±鉀長石組成的粗粒斑塊通常包裹中-粗粒石榴子石(圖2b)，被解釋為花崗質(zhì)淺色體和轉(zhuǎn)熔相組成的原位新成體(In situ)。在薄片尺度上，退變榴輝巖(殘留相)主要由石榴子石、角閃石、以及單斜輝石+斜長石組成的后成合晶等礦物組成(圖3a)，石榴子石內(nèi)部保存較少的綠輝石包體指示早期經(jīng)歷了峰期榴輝巖相變質(zhì)作用(Caoetal., 2017; Chenetal., 2018)。石榴子石內(nèi)部發(fā)育的云母+石英+長石組成的多相固體包裹體或納米花崗巖通常被解釋為石榴子石在生長過程中捕獲的花崗質(zhì)熔體(Cesareetal., 2009; Yuetal., 2015a)。單斜輝石和/或石榴子石之間或沿著石榴子石的顆粒邊界，發(fā)育的不規(guī)則拉長的斜長石+石英可能代表了早期熔體中的結(jié)晶(Caoetal., 2017)。沿著白云母-石榴子石(或單斜輝石)的顆粒邊界存在不規(guī)則、拉長的尖銳長石和石英顆粒同樣結(jié)晶自先前的熔體(圖3b)。由石英和長石組成的長英質(zhì)顯微脈體代表了早期熔體通道，表明熔體的微尺度遷移可能限于毫米級別(圖3c)(Sawyer, 2008; Holnessetal., 2011)。

圖3 錫鐵山和綠梁山地區(qū)混合巖的顯微結(jié)構(gòu)特征 (a)殘留相主要由石榴子石、角閃石，以及單斜輝石+斜長石后成合晶組成；(b)多硅白云母-輝石顆粒邊界發(fā)育的高度尖銳長石顆粒；(c)石榴子石-輝石顆粒邊界發(fā)育的顯微長英質(zhì)脈體；(d)混合片麻巖中淺色體和暗色體交替出現(xiàn)；(e、f)長石-石英顆粒邊界高度尖銳鉀長石；(g)多硅白云母分解為黑云母，鉀長石和石英；(h)長石顆粒邊界發(fā)育的鉀長石+斜長石+石英楔形礦物集合體；(i)長石顆粒發(fā)育的拉長的顯微脈體，主要由鉀長石、斜長石和石英等礦物組成. Grt-石榴子石；Cpx-單斜輝石；Amp-角閃石；Pl-斜長石；Kfs-鉀長石；Fsp-長石；Qtz-石英；Bt-黑云母；Ms-白云母Fig.3 Microtextures of migmatites in the Xitieshan and Lvliangshan units (a) the residuum is composed of garnet, amphibole, and clinopyroxene+plagioclase symplectite; (b) irregularly shaped films of feldspar grains along boundaries of phengite-phengite and phengite-clinopyroxene; (c) elongated veinlets between garnet and clinopyroxene; (d) leucosome and redidum within migmatite, the plagioclase and quartz grains in the leucosome layers are much coarser than those in the melanosome layers; (e, f) elongated K-feldspar grains occur in the form of veinlets along the feldspar-quartz and feldspar-feldspar grain boundaries, exhibiting low feldspar-feldspar-quartz dihedral angles; (g) phengite is rimmed by biotite, K-feldspar and quartz; (h) patch of plagioclase, K-feldspar, quartz occurs as pocket between boundaries of plagioclase-quartz; (i) elongated, veinlet comprising of K-feldspar + plagioclase + quartz between plagioclase boundaries. Grt-garnet；Cpx-clinopyroxene；Amp-amphibole；Pl-plagioclase；Kfs-K-feldspar；Fsp-feldspar；Qtz-quartz；Bt-biotite；Ms-muscovite

圖4 錫鐵山和綠梁山地區(qū)淺色體中鋯石的陰極發(fā)光特征 (a-c)榴輝巖中淺色體；(d-f)長英質(zhì)片麻巖中淺色體；年齡數(shù)據(jù)來自于Yu et al., 2015a, bFig.4 Cathodoluminescence images of zircons from leucosome in the Xitieshan and Luliangshan units (a-c) leucosome within eclogite; (d-f) leucosome within felsic gneiss. Some age data from Yu et al., 2015a, b

從野外關(guān)系上看，富含鉀長石的淺色體主要呈層狀、似脈狀或網(wǎng)脈狀分布在灰色、灰白色的長英質(zhì)片麻巖中，并顯示出混合巖化的特征，與典型原地深熔作用的野外特征基本一致 (圖2c, d)。淺色體寬度可從幾毫米變化到十幾厘米，在淺色體中偶爾可見暗色礦物(角閃石或云母)組成的條帶。在變形較強(qiáng)區(qū)域，淺色體和暗色體一起發(fā)生了褶皺變形(圖2e)，也可見暗色的長英質(zhì)片麻巖在淺色體中成布丁狀分布(Yuetal., 2019a)。一些淺色體發(fā)生近距離遷移和局部匯聚形成源區(qū)淺色體(In-source)(圖2f)。在全熔混合巖中(Diatexite)，轉(zhuǎn)熔中-粗粒石榴子石的粒度可達(dá)1～2cm(圖2g)。淺色體發(fā)生大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的遷移可形成長英質(zhì)巖墻或巖脈(圖2h, i)。從顯微結(jié)構(gòu)來看，不規(guī)則、細(xì)長且高度尖銳的鉀長石顆粒出現(xiàn)在基質(zhì)中長石-石英邊界之間，可解釋為先前熔體的結(jié)晶(圖3e, f)。白云母顆粒邊界發(fā)育尖銳的、不規(guī)則的微斜長石顆粒，而且白云母邊界溶蝕明顯，形成鋸齒狀不規(guī)則的邊界，指示深熔作用可能與白云母的分解密切相關(guān)(圖3g)。在粗粒石英和斜長石顆粒邊界發(fā)育的楔形斑或囊狀體主要由鉀長石+斜長石+石英±云母等礦物組成，可能結(jié)晶自先前的花崗質(zhì)熔體(圖3h)(Sawyer, 2008; Holnessetal., 2011)。由鉀長石+石英+斜長石組成的長英質(zhì)顯微脈體沿斜長石的顆粒邊界分布，也代表了早期熔體遷移的通道(圖3i)。

3 年代學(xué)和地球化學(xué)特征

陰極發(fā)光圖像顯示，錫鐵山和綠梁山地區(qū)退變榴輝巖中富含斜長石的淺色體中的鋯石具有明顯的核-邊雙層結(jié)構(gòu)(圖4)。鋯石核部無明顯分帶特征，屬典型變質(zhì)成因鋯石，拉曼光譜分析結(jié)果顯示鋯石內(nèi)部發(fā)育石榴子石和單斜輝石等礦物包裹體，并呈現(xiàn)出重稀土平坦和無Eu異常的稀土配分模式，反映鋯石可能形成在榴輝巖相變質(zhì)階段，且～450Ma的年齡結(jié)果也與區(qū)域上榴輝巖的峰期變質(zhì)時(shí)代一致。發(fā)光較弱的鋯石邊部具不明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu)和較低的Th/U比值，～426Ma的年齡結(jié)果代表了熔體的結(jié)晶時(shí)代(圖5；Yuetal., 2015a, 2019a)。長英質(zhì)片麻巖中發(fā)育的富含鉀長石的淺色體中的鋯石U-Pb定年結(jié)果主要分為三組：～910Ma、～450Ma和～426Ma。鋯石的繼承性核部發(fā)育典型巖漿環(huán)帶，而且～910Ma的年齡結(jié)果與區(qū)域上花崗質(zhì)片麻巖原巖結(jié)晶時(shí)代基本一致。鋯石幔部發(fā)光較弱，無明顯分帶特征，屬典型變質(zhì)成因鋯石，而～450Ma的年齡結(jié)果與區(qū)域上榴輝巖相變質(zhì)作用時(shí)代基本一致，指示鋯石弱發(fā)光的變質(zhì)幔部可能形成在高壓/超高壓榴輝巖相變質(zhì)階段。鋯石邊部具有低的Th/U比值，并發(fā)育不明顯環(huán)帶，與大別-蘇魯、阿爾卑斯等地混合巖中的深熔鋯石特征較為相似，～426Ma的年齡結(jié)果代表了富含鉀長石淺色體的結(jié)晶時(shí)代(Yuetal., 2015b, 2019a)。

圖5 錫鐵山和綠梁山地區(qū)淺色體中鋯石U-Pb年齡結(jié)果 年齡數(shù)據(jù)來自于Chen et al., 2012; Yu et al., 2015a, b, 2019a; Zhang et al., 2015; Cao et al., 2017;圖6、圖7同F(xiàn)ig.5 Zircon U-Pb ages of leucosomes in the Xitieshan and Lvliangshan units Some age data from Chen et al., 2012; Yu et al., 2015a, b, 2019a; Zhang et al., 2015; Cao et al., 2017; also in theFig.6 andFig.7

圖6 錫鐵山和綠梁山地區(qū)淺色體和同碰撞花崗巖的K2O-Na2O (a)和A/NK-A/CNK (b)圖解Fig.6 Plots of K2O vs. Na2O (a) and A/NK vs. A/CNK (b) for leucosomes and plutons in the Xitieshan and Lvliangshan units

總體上講，退變榴輝巖中富含斜長石的淺色體具有較高的SiO2、Al2O3、Na2O和CaO含量, 而相對較低的K2O、TiO2、MgO和MnO含量，其A/CNK值主要介于1.0和1.1之間，顯示出弱過鋁質(zhì)的特征(圖6b；Chenetal., 2012; Yuetal., 2015a, 2019a)。值得注意的是，富含斜長石的淺色體Na2O/K2O比值明顯大于2.0。在An-Ab-Or的分類判斷別圖解中(圖7)，淺色體主要落入英云閃長巖和奧長花崗巖區(qū)域，與變玄武巖或榴輝巖部分熔融實(shí)驗(yàn)的熔體地化特征較為相近。此外，淺色體具有高Sr和La，低Y和Yb含量，以及相對應(yīng)的高Sr/Y和La/Yb比值，與典型的埃達(dá)克質(zhì)巖石類似。根據(jù)稀土元素特征，富含斜長石的淺色體可以進(jìn)一步劃分為兩種類型：類型Ⅰ具有相對較低的稀土含量，以及明顯的正Eu、Sr異常，可能代表了早期的斜長石堆晶；類型Ⅱ具有更高的稀土含量，且無明顯的Eu異常(Yuetal., 2015a; Caoetal., 2017)。片麻巖中發(fā)育的富含鉀長石的淺色體具有高的SiO2、Al2O3和K2O+Na2O含量，以及較低的CaO、MgO和FeOT含量，且Na2O/K2O比值大多都明顯小于1.0(圖6a)。淺色體的A/CNK值主要介于1.0和1.1之間，屬弱過鋁質(zhì)(圖6b)。在An-Ab-Or的分類判別圖解中，這些富含鉀長石的淺色體主要落入花崗巖區(qū)域，與變雜砂巖、云母片巖或英云閃長巖部分熔融實(shí)驗(yàn)的熔體地化特征較為相近。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖整體表現(xiàn)為右傾型，即輕稀土富集，而重稀土相對虧損，部分樣品具有明顯的正Eu異常(Yuetal., 2015b, 2019a; Zhangetal., 2015)。

圖7 錫鐵山和綠梁山地區(qū)淺色體和同碰撞花崗巖的An-Or-Ab分類圖解Fig.7 Plots of An-Or-Ab for leucosomes, felsic sheets and plutons in the Xitieshan and Lvliangshan units

4 形成機(jī)制討論

4.1 超高壓榴輝巖的部分熔融機(jī)制

圖8 錫鐵山和綠梁山地區(qū)淺色體和同碰撞花崗巖的Sr-Nd同位素特征 數(shù)據(jù)來自于Yu et al., 2015a, b, 2019aFig.8 Sr-Nd isotope for leucosomes and syn-granitoids in the Xitieshan and Lvliangshan units Some data from Yu et al., 2015a, b, 2019a

實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明，在流體存在的條件下，變基性巖和變泥質(zhì)巖在650～700℃時(shí)即可發(fā)生部分熔融作用形成長英質(zhì)熔體(Sawyer, 2010; Zhengetal., 2011; Brown, 2013)。然而，在沒有流體加入的情況下，變基性巖脫水熔融反應(yīng)所需的溫度要明顯高于變泥質(zhì)巖和花崗質(zhì)巖石(Clemens, 2006)。在柴北緣綠梁山和錫鐵山地區(qū)，宏觀和微觀的巖石學(xué)觀察結(jié)果顯示富含斜長石的長英質(zhì)淺色體是來源于寄主退變榴輝巖的原地部分熔融，而非外來熔體注入(圖2和圖3)。另外，富含斜長石的淺色體和退變榴輝巖具有近乎一致的Sr和Nd同位素組成，進(jìn)一步證明它們具有親緣性(Yuetal., 2015a)。多硅白云母和黝簾石是超高壓榴輝巖中最重要的含水礦物，這些含水礦物的分解在大陸碰撞過程中超高壓巖石的部分熔融作用中至關(guān)重要(Lang and Gilotti, 2007; Zhengetal., 2011; Chen and Zheng, 2013)。微觀結(jié)構(gòu)觀察表明，榴輝巖的部分熔融可能與多硅白云母的分解有關(guān)，例如，不規(guī)則細(xì)長的長石或石英顆粒沿著多硅白云母的顆粒邊界生長(圖3b)。在變基性巖中，多硅白云母的脫水熔融通常會產(chǎn)生富K的熔體(Hermannetal., 2006; Schmidtetal., 2004)。然而，地球化學(xué)特征表明，退變榴輝巖中發(fā)育的淺色體含有少量的鉀長石礦物且K2O含量低，這排除了榴輝巖的深熔作用是以多硅白云母分解為主的可能性。此外，錫鐵山和綠梁山地區(qū)大多數(shù)的榴輝巖是具有非常低的K2O含量的雙礦物組合(綠輝石和石榴子石)(孟繁聰?shù)? 2003; 楊經(jīng)綏等, 2003)，通常幾乎沒有多硅白云母。也就是說，較少的多硅白云母不足以產(chǎn)生如此多的熔體。錫鐵山和綠梁山地區(qū)富含斜長石的淺色體具有高Sr、Sr/Y值和富集LREE的地球化學(xué)特征，與黝簾石分解實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的熔體性質(zhì)相似(Skjerlie and Patio Douce, 2002)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在P≤2.5GPa條件下，且溫度足夠高時(shí)，黝簾石和多硅白云母可以或多或少地同時(shí)分解。兩種含水礦物共存時(shí)的熔融起始溫度比只有一種礦物的熔融起始溫度低約100～200℃(Vielzeuf and Schmidt, 2001; Zhengetal., 2011)。錫鐵山和綠梁山榴輝巖的P-T軌跡也與多硅白云母和黝簾石脫水熔融實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。因此，錫鐵山和綠梁山單元的榴輝巖在折返過程中部分熔融可能主要受大部分的黝簾石和少量的多硅白云母的脫水熔融反應(yīng)控制(如：黝簾石+白云母+石英→石榴子石+藍(lán)晶石+熔體)(Skjerlie and Patio Douce, 2002)?；跍\色體較高的Ba/Rb和Na/K比值，以及較低的Rb/Sr比值，Caoetal. (2017)認(rèn)為鈉質(zhì)角閃石脫水熔融也可以解釋柴北緣地區(qū)富含斜長石淺色體的形成。

4.2 超高壓長英質(zhì)片麻巖的部分熔融機(jī)制

野外關(guān)系和巖相學(xué)特征指示錫鐵山和綠梁山地區(qū)富含鉀長石的淺色體可能主要來自于寄主超高壓長英質(zhì)片麻巖的原地深熔作用。富含鉀長石的淺色體和寄主片麻巖的鋯石中記錄的三組U-Pb年齡結(jié)果進(jìn)一步證明了這一推斷：例如～910Ma的繼承巖漿核、～450Ma的榴輝巖相變質(zhì)幔和～426Ma 的深熔邊。富含鉀長石的淺色體和超高壓長英質(zhì)片麻巖之間的親緣關(guān)系也得到類似的Nd和Hf同位素證實(shí)(圖8)(Yuetal., 2015b; Zhangetal., 2015)。實(shí)驗(yàn)和微觀研究表明，多硅白云母是超高壓變泥質(zhì)巖和變花崗巖中最常見的含水礦物之一，而多硅白云母的分解則通常會導(dǎo)致深俯沖板片發(fā)生部分熔融 (Hermann, 2002; Skjerlie and Patio Douce, 2002; Auzanneauetal., 2006)。在錫鐵山和綠梁山單元，混合片麻巖中粗粒多硅白云母的顆粒邊界發(fā)生明顯的溶蝕，且邊緣局部發(fā)育有黑云母、石英和不規(guī)則微斜長石等礦物，指示了多硅白云母的分解(圖3g)。在石榴子石內(nèi)部，也可見到多硅白云母顆粒邊界被鉀長石和石英等礦物取代，同樣證實(shí)了白云母的脫水熔融反應(yīng)(Yuetal., 2015b)。實(shí)驗(yàn)研究表明，多硅白云母分解引起的超高壓片麻巖熔融通常會形成富鉀的花崗質(zhì)熔體，這與研究區(qū)的富含鉀長石淺色體組分一致(Huang and Wyllie, 1981, 1986; Stern and Wyllie, 1981; Auzanneauetal., 2006)。此外，超高壓長英片質(zhì)麻巖的P-T軌跡與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)約束下的白云母脫水熔融曲線相交(Yuetal., 2015b)。因此，在錫鐵山和綠梁山單元，白云母參與的脫水反應(yīng)是觸發(fā)超高壓長英質(zhì)片麻巖部分熔融的主要機(jī)制：白云母+斜長石+石英→黑云母+藍(lán)晶石/夕線石+鉀長石+熔體(Vielzeuf and Holloway, 1988)。

5 超高壓片麻巖的部分熔融與同碰撞花崗巖的成因關(guān)系

地殼深熔作用能產(chǎn)生規(guī)模不一的熔體，如納米花崗巖(Nanogranite)、原位(In-situ)和源區(qū)淺色體(In-source)，長英質(zhì)巖席和深成巖體等。然而，同碰撞花崗質(zhì)巖漿作用與深俯沖板片部分熔融之間的關(guān)系還不清楚，主要受限于以下幾個(gè)因素：(1)后造山伸展作用疊加；(2)精確約束部分熔融、變質(zhì)作用和深成巖體的侵位時(shí)間存在困難；(3)變質(zhì)作用，巖漿作用和部分熔融作用的多期性(Costa and Rey, 1995; Foster and Fanning, 1997; Vanderhaeghe and Teyssier, 1997)。因而，野外觀察、巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)的綜合研究有助于揭示同碰撞花崗質(zhì)巖漿作用與深俯沖板片部分熔融之間的成因關(guān)系。

在柴北緣超高壓變質(zhì)帶的錫鐵山和綠梁山地區(qū)分別出露～60km2、～15km2的同碰撞花崗巖。野外觀察研究表明這些花崗巖與周圍的長英質(zhì)片麻巖呈侵入接觸關(guān)系。年代學(xué)研究揭示同碰撞花崗巖在430～415Ma期間侵入到錫鐵山和綠梁山地體，與深俯沖板片部分熔融的時(shí)間重疊，這為我們建立超高壓變質(zhì)巖的部分熔融與同碰撞巖漿作用之間聯(lián)系提供了重要契機(jī)。一些研究認(rèn)為這些同碰撞花崗巖可能與超高壓榴輝巖或未俯沖的長英質(zhì)片麻巖的部分熔融有關(guān)。然而，部分同碰撞花崗巖中的繼承鋯石記錄了約450Ma的變質(zhì)年齡，與之前報(bào)道的錫鐵山和綠梁山榴輝巖以及長英質(zhì)片麻巖的超高壓變質(zhì)作用時(shí)代一致，這表明同碰撞花崗巖更可能來源于深俯沖大陸板片的部分熔融，而非未俯沖的長英質(zhì)片麻巖的部分熔融。地球化學(xué)結(jié)果表明這些富鉀的同碰撞花崗巖和超高壓片麻巖中富含鉀長石的淺色體具有相似的主微量元素特征，明顯不同于退變榴輝巖中富集斜長石的淺色體 (Yuetal., 2019a)。相似的高87Sr/86Sr比值和低εNd(t)值同樣證明超高壓片麻巖和同碰撞花崗巖之間具有一定的親緣性。然而，我們最新的研究發(fā)現(xiàn)柴北緣超高壓片麻巖在后期折返階段也經(jīng)歷了黑云母分解所引起的部分熔融作用。因此，柴北緣同碰撞花崗巖究竟是來源于超高壓片麻巖中白云母抑或是黑云母脫水熔融作用仍需進(jìn)一步工作驗(yàn)證。

6 深熔作用與大陸深俯沖板片的快速折返

柴北緣錫鐵山和綠梁山單元超高壓片麻巖和退變榴輝巖保存有完好的指示部分熔融的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)(Chenetal., 2012; Yuetal., 2015a, b; Zhangetal., 2015; Caoetal., 2017)。盡管一些學(xué)者認(rèn)為深俯沖板片的部分熔融可能發(fā)生在超高壓變質(zhì)階段(如深熔鋯石中的柯石英包體)(Chen and Zheng, 2013)，但越來越多的研究顯示大規(guī)模的部分熔融可能主要發(fā)生在熱的折返階段或者后期角閃巖相階段(Zongetal., 2010; Liuetal., 2012)。大量的研究表明柴北緣榴輝巖和片麻巖中長英質(zhì)淺色體的變質(zhì)鋯石記錄了榴輝巖相變質(zhì)作用時(shí)代約為445～450Ma，而新生鋯石或者鋯石增生邊部則記錄的熔體結(jié)晶時(shí)限約為422～433Ma，明顯早于晚期角閃巖相退變質(zhì)作用時(shí)代(約410Ma，Li and Yu, unpublished)。因此，柴北緣超高壓變質(zhì)巖在大陸碰撞的早期折返階段經(jīng)歷了由白云母+黝簾石或者角閃石脫水熔融誘發(fā)的初始深熔作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明少量的熔體可以急劇的改變深俯沖板片的流變學(xué)性質(zhì)從而促進(jìn)超高壓板片的快速折返(Hermann and Green, 2001; Labrousseetal., 2002; Chopin, 2003; Zhengetal., 2011)。數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)含熔體的超高壓板片折返到地殼深度的平均速率可達(dá)2～4.5cm/yr(Ellisetal., 2011; Sizovaetal., 2012)，這一速率與許多超高壓地體中超高壓巖石折返到地殼深度的最快折返速度類似。在巴布亞新幾內(nèi)亞地區(qū)，含熔體的超高壓板片折返到地殼深度的平均速率是1.5～2cm/yr(Monteleoneetal., 2007; Gordonetal., 2012)。在柴北緣地區(qū)，含熔體的超高壓板片從地幔折返到地殼深度的折返速率為1～2cm/yr(Yuetal., 2015b)，這一速率可以與其它超高壓地體中含熔體巖石的折返速率以及數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果相比較。因此，來源于早期折返階段產(chǎn)生的淺色體顯著的促進(jìn)了柴北緣超高壓地體從地幔深度折返到下地殼深度。巖石學(xué)、地質(zhì)年代學(xué)和地球化學(xué)的觀察結(jié)果表明深熔熔體經(jīng)歷了不同規(guī)模的運(yùn)移和聚集，并以長英質(zhì)巖脈、巖席的形式遷移到深俯沖大陸板片的外側(cè)。熔體的遷移導(dǎo)致了上覆地幔楔富集LILE、LREE和放射性同位素，這種熔體交代作用對于大陸俯沖隧道中的元素遷移和殼-幔作用具有重要影響(Zhengetal., 2011)。

致謝感謝宋述光教授、劉平華副研究員和匿名審稿人對本文提出的寶貴修改意見。

本文獻(xiàn)給肖序常院士90華誕暨從事地質(zhì)事業(yè)70周年，并向先生始終如一的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度和在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)致敬！