糜棱巖化過程中鋯石的穩(wěn)定性
——以西南三江高黎貢、西盟地區(qū)花崗質(zhì)糜棱巖為例

王冬兵, 唐 淵, 王保弟, 羅 亮, 廖世勇

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610081; 2. 中國科學(xué)院紫金山天文臺,南京 210008)

鋯石廣泛存在于各類巖石中,其富含U 和Th,低普通Pb 以及非常高的礦物穩(wěn)定性,使得鋯石UPb 定年成為同位素年代學(xué)研究中最常用和最有效的方法之一[1-3]。 鋯石是目前已知礦物同位素體系中封閉溫度最高的,實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)表明鋯石中Pb 的封閉溫度高達(dá)900℃[4-5]。 研究者們根據(jù)鋯石U-Pb體系高封閉溫度的特征,將其廣泛應(yīng)用于確定巖漿巖結(jié)晶年齡和各種高級變質(zhì)作用峰期年齡并取得了大量重要成果[6-10]。 鋯石的形成和改造受溫度、壓力、熔流體性質(zhì)及物理化學(xué)條件等多因素影響。由于自然界這些條件非常復(fù)雜多變,復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)驗(yàn)室人工模擬條件,導(dǎo)致在自然界特別是在變質(zhì)作用、成礦作用過程中鋯石U-Pb 同位素體系并不完全遵循高封閉溫度這一結(jié)果。 有實(shí)驗(yàn)表明,在有流體存在的情況下,當(dāng)溫度≥400℃時(shí),嚴(yán)重蛻晶化鋯石可以很快發(fā)生重結(jié)晶作用[11-12],沒有蛻晶化的鋯石區(qū)域隨著溫度升高和/或流體作用時(shí)間增長,同樣可以發(fā)生重結(jié)晶作用。 盡管如此,人們迄今對自然界復(fù)雜變質(zhì)條件下的鋯石穩(wěn)定性仍然缺乏深入了解。

糜棱巖是韌性剪切帶廣泛出露的特征性巖石,能夠從不同尺度(野外露頭到納米級超顯微)記錄豐富的變形幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及溫壓條件等,具有非常重要的地球動(dòng)力學(xué)意義。 糜棱巖由構(gòu)造前或同構(gòu)造期的巖石在不同地殼層次受動(dòng)力變質(zhì)作用形成,典型特征是礦物經(jīng)受了塑性變形,并由塑性變形導(dǎo)致了明顯的重結(jié)晶及強(qiáng)烈的優(yōu)選方位。對糜棱巖開展顯微構(gòu)造、超顯微構(gòu)造研究能夠提供變形溫度條件等重要信息[13-15]。

為研究自然條件下糜棱巖鋯石穩(wěn)定性和變質(zhì)重結(jié)晶溫度條件,選擇西南三江造山帶高黎貢山韌性剪切帶和西盟穹形隆起帶花崗質(zhì)糜棱巖開展顯微構(gòu)造與鋯石年代學(xué)綜合研究。 選取研究的糜棱巖同時(shí)滿足兩個(gè)條件:(1)原巖是構(gòu)造前花崗巖,以便于通過鋯石結(jié)構(gòu)和U-Pb 年齡確定鋯石是否被改造;(2)為中—上地殼層次糜棱巖,未發(fā)生部分熔融,以保證研究的樣品在固態(tài)單相條件下變形。 對糜棱巖開展顯微構(gòu)造、石英EBSD 組構(gòu)分析以限定變形溫度條件,對糜棱巖鋯石開展形態(tài)、結(jié)構(gòu)和UPb 年齡研究以確定鋯石變質(zhì)特征,進(jìn)而綜合探討糜棱巖鋯石穩(wěn)定性,約束重結(jié)晶溫度。

1 地質(zhì)背景與樣品

西南三江(怒江、瀾滄江、金沙江)地區(qū)是全球最復(fù)雜的造山帶之一,經(jīng)歷了長期、多階段、不同構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換,不僅保存了特提斯多階段構(gòu)造演化的重要記錄,而且還是新生代以來藏東南大陸塊體擠出、旋轉(zhuǎn)和逃逸的重要場所[16-22]。 采用地質(zhì)歷史時(shí)期優(yōu)勢構(gòu)造事件奠定的格架劃分,西南三江造山帶由一系列規(guī)模不等的結(jié)合帶及其間穩(wěn)定地塊/弧地體拼貼構(gòu)成。 在新生代,受印度—?dú)W亞大陸碰撞及其后的持續(xù)匯聚作用影響,還發(fā)育高黎貢山剪切帶、崇山剪切帶、哀牢山剪切帶等著名的條帶狀構(gòu)造帶(圖1)。 這些條帶狀構(gòu)造帶出露一系列中深變質(zhì)巖(蒼山巖群、哀牢山巖群、瑤山巖群、崇山巖群、高黎貢山巖群、西盟巖群等),早期研究者根據(jù)它們強(qiáng)烈變質(zhì)變形特征和不精確的同位素?cái)?shù)據(jù)認(rèn)為是前寒武紀(jì)基底巖石,但最新研究表明它們不是古老基底巖石,而是不同時(shí)代、不同性質(zhì)的巖石受新生代變質(zhì)影響而形成的變質(zhì)雜巖[23-24]。

圖1 三江—東南亞構(gòu)造格架簡圖及主要剪切帶、變質(zhì)雜巖(據(jù)文獻(xiàn)[28-29]修改)Fig.1 Tectonic schematic map of Sanjiang-Southeast Asia showing major faults, shear zones and the metamorphic complexes located in the area(modified after references [28-29])

高黎貢山剪切帶沿高黎貢山山脈發(fā)育,被認(rèn)為是三江地區(qū)發(fā)生“大陸逃逸”與地塊旋轉(zhuǎn)的西邊界,帶內(nèi)出露的巖石被定義為“高黎貢山巖群”,剪切帶內(nèi)的巖石普遍發(fā)育近水平右行剪切構(gòu)造,部分巖石同時(shí)發(fā)育右行剪切和熔融作用,變質(zhì)作用時(shí)間為68～40 Ma、32 ～13 Ma[25-27]。 花崗質(zhì)糜棱巖 11GLG16-1 采自高黎貢山剪切帶北段稱桿鄉(xiāng)公路剖面(圖1),剖面呈東西向橫穿整個(gè)高黎貢山變質(zhì)帶,露頭良好,出露的巖石類型有花崗巖、花崗片麻巖、黑云斜長片麻巖、條帶狀混合巖化片麻巖、眼球狀片麻巖、糜棱巖等。 剖面最西部為未變質(zhì)變形的花崗巖,往東巖石逐漸變形變質(zhì),發(fā)育片麻狀構(gòu)造、眼球狀構(gòu)造,長石旋轉(zhuǎn)殘斑和石英拔絲拉長等典型的糜棱巖構(gòu)造;中部面理不發(fā)育,線理非常發(fā)育,為典型的L-型構(gòu)造巖;東部則又出現(xiàn)片麻狀構(gòu)造、眼球狀構(gòu)造,長石旋轉(zhuǎn)殘斑和石英拔絲拉長等典型的糜棱巖構(gòu)造。 花崗質(zhì)糜棱巖11CGX16-1 采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)為(26°17.27′N,98°50.14′E,1457 m),巖石呈灰白色,長石、石英強(qiáng)烈拔絲拉長定向,線理非常發(fā)育,傾伏角度小(154°∠11°),面理不發(fā)育,礦物均已細(xì)粒化,為典型的L 型構(gòu)造巖(圖2a、b)。

西盟穹形隆起位于滇西南西盟老縣城勐卡鎮(zhèn)一帶(圖1),出露的巖石被定義為“西盟巖群”,早期認(rèn)為是受逆沖推覆作用出露的基底巖石,近期研究表明為一穹形隆起構(gòu)造,核部出露奧陶紀(jì)花崗質(zhì)糜棱巖和未變形的新生代花崗巖,邊部發(fā)育淺變質(zhì)巖系,新生代糜棱巖構(gòu)造作用時(shí)間為23 ～20 Ma、16～8 Ma[23,30-33]。 花崗質(zhì)糜棱巖 12XM04-1 采自西盟縣老縣城勐卡鎮(zhèn)—新廠彈石路阿莫村小學(xué)籃球場西南采石場,采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)為(22°48.88′N,99°26.94′E,1639m)。 野外露頭上構(gòu)造面理非常發(fā)育,傾向 326°,傾角 24°,線理中等發(fā)育,傾伏向340°,傾伏角13°。 巖石主要由長石、石英、云母及少量的電氣石等礦物構(gòu)成。 長石部分呈殘斑狀,大多數(shù)拉長定向排列,石英、云母等礦物幾乎全部拔絲拉長,部分長石殘斑拖尾及發(fā)育的“S-C”組構(gòu)指示巖石遭受了順時(shí)針方向的剪切作用(圖2c、d)。 用于石英組構(gòu)EBSD 分析的樣品11XM04-1 采自同一露頭位置。

圖2 糜棱巖露頭及巖石剪切特征。 (a),(b).高黎貢;(c),(d).西盟Fig.2. Field outcrop and shear structure of mylonites in the Gaoligong (a and b) and Ximeng (c and d)

2 巖石顯微構(gòu)造與溫度條件

溫度和壓力是影響巖石和礦物變形的重要因素,在不同的溫壓條件下,受不同變形機(jī)制的控制,會(huì)顯示出不同的變形行為和變形現(xiàn)象[13]。 對變形巖石進(jìn)行詳細(xì)地顯微構(gòu)造變形現(xiàn)象觀察,可以大致估算其變形溫壓條件。

高黎貢花崗質(zhì)糜棱巖(11CGX16-1)主要由石英、長石及少量黑云母組成,顯微鏡下總體上呈現(xiàn)由矩形石英多晶條帶和長石多晶條帶組成的顯微分層,黑云母晶體呈片狀不連續(xù)定向排列(圖3a)。長石多晶條帶中為完全重結(jié)晶的細(xì)小新晶粒集合體(圖3a,紅色箭頭所示)。 石英條帶中的新晶粒呈現(xiàn)出多邊形粒狀形態(tài),局部可見重結(jié)晶新顆粒(Qz2)內(nèi)含有老顆粒殘晶(Qz1)(圖3b),表明其主要是由顆粒邊界遷移重結(jié)晶作用形成,推測其變形溫度為高溫條件(500 ～700℃)[13-15]。

西盟花崗質(zhì)糜棱巖(12XM04-1)主要由石英、長石及少量白云母組成(圖3c、d)。 長石為殘斑狀且長軸定向排列,晶體邊緣發(fā)生膨凸重結(jié)晶作用而表現(xiàn)出核幔構(gòu)造(圖3d)。 石英呈矩形多晶條帶,或繞長石殘斑發(fā)育,或平行于長石殘斑長軸定向的方向發(fā)育;條帶內(nèi)部的鋸齒狀顆粒形態(tài)表明顆粒邊界遷移重結(jié)晶作用在變形過程中占主導(dǎo)地位。 白云母晶體或呈魚狀,或平行于石英條帶連續(xù)定向排列。石英發(fā)生顆粒邊界遷移重結(jié)晶作用也指示其經(jīng)歷了高溫條件下(500 ～700℃)的塑性變形作用[13-15]。

3 石英EBSD 組構(gòu)分析與溫度條件

礦物晶內(nèi)變形過程中溫度常常影響著不同滑移系類型的發(fā)育,進(jìn)而影響著晶體組構(gòu)型式[13,15]。在非共軸變形環(huán)境下,石英的組構(gòu)與溫度關(guān)系密切,兩者有較好的對應(yīng)關(guān)系[34-36]。 石英的晶體內(nèi)部可以出現(xiàn)滑移系有底面、菱面、柱面和柱面[37];石英的C 軸組構(gòu)圖有點(diǎn)極密、大圓環(huán)帶、小圓環(huán)帶、交叉環(huán)帶等四種基本類型。 利用電子背散射衍射儀(EBSD)對變形石英進(jìn)行組構(gòu)分析,可以有效揭示變形溫度條件。 在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對研究的糜棱巖石英進(jìn)行電子背散射(EBSD)組構(gòu)分析。高黎貢花崗質(zhì)糜棱巖樣品(11CGX16-1)的石英C 軸組構(gòu)圖主要由位于X0Z0面上I-III 象限的一對極密、Y0軸附近極密及大圓環(huán)帶疊加組成(圖4a),這種組構(gòu)形式為糜棱巖中常見的樣式;Y0軸附近極密為中溫條件下(550 ～650°C)柱面滑移的產(chǎn)物,I-III象限的一對極密偏離X0的角度約40°,可能為較低溫度下(400 ～550°C)菱面 滑移的結(jié)果。 該樣品的組構(gòu)樣式表明其經(jīng)歷了早期中溫到后期低溫條件的遞進(jìn)變形作用。

圖3 糜棱巖顯微構(gòu)造特征Fig.3 Microstructures of the mylonites

圖4 高黎貢糜棱巖(11CGX16-1)(a)和西盟糜棱巖(11XM04-1)(b)石英C 軸組構(gòu)圖Fig.4 Quartz c-axis fabrics of the mylonites from Gaoligong (a) and Ximeng (b)

西盟花崗質(zhì)糜棱巖樣品(12XM04-1)的石英C軸組構(gòu)圖表現(xiàn)出Y0軸附近的點(diǎn)極密或極密群(圖4b),該類組構(gòu)主要形成于中等溫度條件,大約為550 ～ 650°C,是由柱面 < a > 滑移完成[15,36-37];此外,還發(fā)育了IV 型微弱極密,表明巖石后期疊加了相對低溫(400 ～550℃)條件下的變形。

圖5 高黎貢糜棱巖(a)和西盟糜棱巖(b)代表性鋯石CL 特征Fig.5. Representative CL images of zircons from Gaoligong mylonite (a) and Ximeng mylonite (b)

表1 糜棱巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb 年齡Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the granitic mylonite

4 鋯石結(jié)構(gòu)與U-Pb 年齡

圖6 高黎貢糜棱巖(a)和西盟糜棱巖(b)鋯石U-Pb 年齡諧和圖Fig.6 U-Pb concordia diagrams of zircons from Gaoligong mylonite (a) and Ximeng mylonite (b)

花崗質(zhì)糜棱巖(11CGX16-1)中鋯石非常豐富,鋯石晶體為無色透明、淺黃色,大多數(shù)為自形柱狀,長軸長70 ～110 μm,長軸與短軸比例為 3∶2 ～2∶1。隨機(jī)對150 顆鋯石進(jìn)行制靶和陰極發(fā)光照相(CL),其中108 顆鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)單一,具有微弱的巖漿結(jié)晶振蕩環(huán)帶,另外42 顆鋯石有核-邊結(jié)構(gòu)。 核-邊結(jié)構(gòu)的鋯石,核部較寬,具有微弱的巖漿結(jié)晶振蕩環(huán)帶;邊部較窄,大多數(shù)為1 ～5μm,少量為5 ～10μm,不滿足定年條件(圖5a)。 核-邊結(jié)構(gòu)的鋯石總體保持了原始晶體形態(tài),邊部具有明顯的海綿狀結(jié)構(gòu)和溶蝕結(jié)構(gòu),海綿狀結(jié)構(gòu)區(qū)域顯示由外向內(nèi)改造程度增強(qiáng),這些特征指示邊部是在有少量流體條件下的變質(zhì)重結(jié)晶鋯石[3]。 在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用LA-ICP-MS對花崗質(zhì)糜棱巖(11CGX16-1)鋯石進(jìn)行U-Pb 定年,數(shù)據(jù)列于表1(下同)。 對單一巖漿結(jié)構(gòu)鋯石和鋯石核部進(jìn)行分析,分析點(diǎn)結(jié)果均分布在諧和線上(圖6a),Th/U 值較高(0.43 ～ 0.68),206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為513 ±8 Ma(MSWD =1.5,n =15),代表糜棱巖的花崗質(zhì)原巖形成時(shí)代。 鋯石U-Pb 定年未獲得變質(zhì)年齡,但根據(jù)高黎貢剪切帶發(fā)生深熔變質(zhì)作用和右行走滑運(yùn)動(dòng)時(shí)間為68 ～40 Ma、32 ～13 Ma[25-27],推斷該糜棱巖變質(zhì)時(shí)間在此范圍,其明顯晚于原巖時(shí)代。

西盟花崗質(zhì)糜棱巖(12XM04-1)中鋯石較多,為無色透明、淺黃色晶體,大多數(shù)為自形柱狀,長軸長100 ～150 μm,長軸與短軸比例為2∶1 ～3∶1。 200 顆鋯石CL 圖像顯示所有鋯石有核-邊結(jié)構(gòu),核部較寬,具有巖漿結(jié)晶振蕩環(huán)帶;邊部較窄,大多數(shù)寬為幾個(gè)微米,少量可達(dá)10 ～15 μm(圖5b)。 鋯石保持了原有的晶體形態(tài),邊部具有明顯的海綿狀結(jié)構(gòu),海綿狀結(jié)構(gòu)區(qū)域與未改造的巖漿振蕩環(huán)帶區(qū)域呈斜切狀、港灣狀接觸,這些特征說明邊部為有少量流體活動(dòng)的變質(zhì)重結(jié)晶鋯石[3]。 對鋯石核部進(jìn)行U-Pb 定年分析,分析點(diǎn)均分布在諧和線上(圖6b),Th/U 值為 0.12 ～0.42,206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為459 ±2 Ma(MSWD=0.7,n =20),代表花崗質(zhì)糜棱巖的原巖時(shí)代。 未獲得鋯石變質(zhì)年齡,前人對西盟雜巖研究表明變質(zhì)時(shí)代為 23 ～20 Ma、16 ～8 Ma[23,33],推斷該糜棱巖變質(zhì)時(shí)間在此范圍。

5 糜棱巖鋯石穩(wěn)定性及重結(jié)晶溫度

高黎貢、西盟地區(qū)的糜棱巖顯微結(jié)構(gòu)、鋯石結(jié)構(gòu)和U-Pb 年代學(xué)揭示出以下幾個(gè)事實(shí):(1)糜棱巖由早古生代(513 ±8 Ma、459 ±2 Ma)的花崗巖受新生代構(gòu)造變形變質(zhì)作用形成;(2)早期花崗巖的長石、石英、云母等主要礦物幾乎全部發(fā)生了變形和重結(jié)晶作用,而鋯石僅有邊部被改造,但核部仍然保留了原始結(jié)構(gòu)和U-Pb 同位素體系,部分單顆粒鋯石完全沒有受到影響;(3)受到影響的鋯石是在有少量流體條件下發(fā)生的變質(zhì)重結(jié)晶。 由此可見,鋯石是一種很穩(wěn)定的副礦物,其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常見造巖礦物長石、石英、云母等,在理想晶體或正常的巖漿體系下鋯石U-Pb 同位素體系封閉溫度可以用實(shí)驗(yàn)封閉溫度～900℃來約束。 糜棱巖化過程中微量流體對鋯石的變質(zhì)重結(jié)晶起到了促進(jìn)作用。

糜棱巖中石英顯微結(jié)構(gòu)顯示其變形機(jī)制為顆粒邊界遷移重結(jié)晶作用,指示發(fā)生變形溫度范圍為500 ～700℃。 石英晶體優(yōu)選方位(組構(gòu))記錄了早期變形變質(zhì)溫度為550 ～650°C,晚期疊加變形變質(zhì)溫度為 400 ～550°C。 我們選擇較高的溫度 550 ～650°C 作為對自然條件下糜棱巖化過程中鋯石UPb 同位素體系重結(jié)晶溫度的約束。

6 結(jié)論

(1)高黎貢和西盟地區(qū)花崗質(zhì)糜棱巖中鋯石能夠以獨(dú)立晶體或殘留核的形式保存原始巖漿結(jié)構(gòu)和U-Pb 同位素體系,糜棱巖化過程中微/少量流體會(huì)促進(jìn)鋯石發(fā)生重結(jié)晶作用。

(2)自然條件下糜棱巖化過程中溫度在550 ～650°C 時(shí)鋯石就會(huì)發(fā)生變質(zhì)重結(jié)晶,該溫度可對自然條件下糜棱巖鋯石U-Pb 同位素體系封閉溫度范圍作大致約束。