印度南部麻粒巖地體Namakkal陸塊新太古代鈣硅酸鹽巖的巖石學(xué)和鋯石U-Pb年代學(xué)研究

周峰 茍龍龍 翟明國, 2 張成立 GEORGE Paul Mathews 盧俊生 趙燕 敖文昊

1. 大陸動力學(xué)國家重點實驗室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，西安 7100692. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室，北京 1000291.

雖然鈣硅酸鹽成分的巖石在麻粒巖地體中很少，但是它所含的礦物組合以及反應(yīng)結(jié)構(gòu)可以很好地指示變質(zhì)PT條件和流體活動(Motoyoshietal., 1991; Fitzsimons and Thost, 1992; Harley and Buick, 1992; Dasgupta, 1993; Fitzsimons and Harley, 1994; Harleyetal., 1994; Satish-Kumaretal., 1996; Stephenson and Cook, 1997; Senguptaetal., 1997; Satish-Kumar and Harley, 1998; Mathavan and Fernando, 2001; Sengupta and Raith, 2002; Groppoetal., 2013; Thu and Enami, 2018)。方柱石是一種在鈣硅酸鹽巖中常見的富含揮發(fā)性組分的架狀硅酸鹽礦物，成分變化范圍大，且可以提供關(guān)于變質(zhì)時期流體的組分信息(Mora and Valley, 1989; Kullerud and Erambert, 1999; Satish-Kumaretal., 2006)，其擁有兩個固溶體端元，分別是鈉柱石(Na4Al3Si9O24Cl)和鈣柱石(Ca4Al6Si6O24CO3)(Teertstra and Sherriff, 1997)。鈣柱石是下地殼的一種重要碳酸鹽儲備(Moecheretal., 1994)，而鈉柱石則富集鹵族元素，其被認(rèn)為形成于蒸發(fā)巖或者與高濃度含鹽流體有關(guān)(Oliveretal., 1994; Kullerud and Erambert, 1999; Deeretal., 2013)。與其它含氯元素礦物不同的是(例如磷灰石、角閃石和云母)，方柱石幾乎不含羥基。方柱石是一種水熱、變質(zhì)、或者交代成因的礦物，通常是由斜長石與富Cl或CO2的流體反應(yīng)生成(Goldsmith, 1976; Mora and Valley, 1989; Rebbert and Rice, 1997)，也可通過大理巖的交代和變質(zhì)作用形成(Markl and Piazolo, 1998; Guoetal., 2016)。前人研究的鈣硅酸鹽巖主要分布于印度的Eastern Ghats和Kerala孔茲巖帶、斯里蘭卡Maligawila地區(qū)、澳大利亞中部Arunta塊體和東南極的Rauer群與Northern Prince Charles Mountains，這些鈣硅酸鹽巖均分布于元古代時期的麻粒巖地體中，太古代時期的鈣硅酸鹽巖鮮有報道，并且這些麻粒巖地體中的鈣硅酸鹽巖峰期礦物常以出現(xiàn)硅灰石+方柱石為特征，鈣鋁榴石-鈣鐵榴石系列的石榴子石+單斜輝石常作為貫通礦物，鈣鋁榴石常以冠狀體形式出現(xiàn)(Warrenetal., 1987; Harley and Buick, 1992; Buicketal., 1993; Dasgupta, 1993; Fitzsimons and Harley, 1994; Bhowmiketal., 1995; Senguptaetal., 1997; Stephenson and Cook, 1997; Satish-Kumar and Harley, 1998; Mathavan and Fernando, 2001; Sengupta and Raith, 2002; Dasgupta and Pal, 2005)。

本研究對來自印度南部麻粒巖地體Namakkal陸塊Tammampatti地區(qū)鈣硅酸鹽巖進(jìn)行詳細(xì)的巖石學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)其礦物組合以方柱石+石榴子石+斜長石+榍石+鈦鐵礦為特征，而前人對該礦物組合穩(wěn)定的溫壓范圍缺乏有效限定，此外，它們的巖石成因和地質(zhì)意義也不清楚。因此，我們在詳細(xì)的巖相學(xué)觀察基礎(chǔ)上，通過Na2O-CaO-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-TiO2-Fe2O3-CO2-H2O體系相平衡模擬和LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年，限定了這些鈣硅酸鹽巖的變質(zhì)溫壓條件與時代，用以揭示它們的巖石學(xué)成因和地質(zhì)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

印度半島南部由太古代達(dá)瓦克拉通(DC)和南部麻粒巖地體組成(圖1; Brandtetal., 2014)。根據(jù)西部綠巖帶的分布范圍以及東部年輕的花崗質(zhì)侵入體，通常將達(dá)瓦克拉通劃分為西達(dá)瓦克拉通(WDC)與東達(dá)瓦克拉通(EDC)(Chadwicketal., 2000; Jayanandaetal., 2000; Hokadaetal., 2013)。最近有學(xué)者在東西達(dá)瓦克拉通之間進(jìn)一步劃分出了中達(dá)瓦克拉通(CDC) (Peucatetal., 2013; Jayanandaetal., 2018; Wang and Santosh, 2019)。

圖1 印度南部區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)Ishwar-Kumar et al., 2013; Plavsa et al., 201; Lancaster et al., 2015; He et al., 2020修改)KSZ-Kumta剪切帶；COSZ-Coorg剪切帶；ChSZ-Chitradurga剪切帶；MKSZ-Mettur-Kolar剪切帶；NSZ-Nallamalai剪切帶；MSZ-Moyar剪切帶；MSASZ-Moyar-Salem-Attur剪切帶；EN-Erode-Namakkal 剪切帶；BSZ-Bhavani 剪切帶；CSZ-Cauvery剪切帶；KKPTSZ-Karur Kambam Painavu Trichur剪切帶；ASZ-Achankovil 剪切帶；WDC-西達(dá)瓦克拉通；CDC-中達(dá)瓦克拉通；EDC-東達(dá)瓦克拉通；EGMB-Eastern Ghats 活動帶Fig.1 Map showing geo-tectonic framework of southern India (modified after Ishwar-Kumar et al., 2013; Plavsa et al., 2014; Lancaster et al., 2015; He et al., 2020)KSZ-Kumta shear zone; COSZ-Coorg shear zone; ChSZ-Chitradurga shear zone; MKSZ-Mettur-Kolar shear zone; NSZ-Nallamalai shear zone; MSZ-Moyar shear zone; MSASZ-Moyar-Salem-Attur shear zone; EN-Erode-Namakkal shear zone; BSZ-Bhavani shear zone; CSZ-Cauvery shear zone; KKPTSZ-Karur Kambam Painavu Trichur shear zone; ASZ-Achankovil shear zone; WDC-Western Dharwar craton; CDC-Central Dharwar craton; EDC-Eastern Dharwar craton; EGMB-Eastern Ghats mobile belt

西達(dá)瓦克拉通主要由～3.3Ga TTG片麻巖和綠巖帶(Peucatetal., 1995; Jayanandaetal., 2008)，ca. 2.7～2.6Ga的Dharwar群(Nutmanetal., 1996; Trendalletal., 1997a, b; Jayanandaetal., 2013b)，以及2.61Ga 的鉀質(zhì)花崗巖(Jayanandaetal., 2006)組成。中達(dá)瓦克拉通發(fā)育有大量超過3.0Ga的TTG片麻巖與少量～2.7Ga的綠巖帶(Jayanandaetal., 2000, 2013b; Chardonetal., 2011)，以及～2.52～2.51Ga Closepet花崗巖 (Friend and Nutman, 1991; Jayanandaetal., 1995, 2000; Moyenetal., 2003; Pengetal., 2019)。東達(dá)瓦克拉通發(fā)育有ca. 2.7～2.6Ga英云閃長質(zhì)片麻巖，～2.7Ga的綠巖帶，以及ca. 2.55～2.53Ga的長英質(zhì)巖漿巖(Peucatetal., 2013; Glorieetal., 2014; Jayanandaetal., 2013a, 2018)。

達(dá)瓦克拉通的南部由幾個紫蘇花崗巖微陸塊圍繞，自西向東依次為Coorg、Nilgiri、Billigiri Rangan、Shevaroy、Madras和Namakkal陸塊(圖1)。前人研究認(rèn)為這些微陸塊在新太古代-古元古代早期沿著不同的縫合帶聚合在一起(Lietal., 2018)。然而，達(dá)瓦克拉通西南方向的Coorg陸塊，由于缺乏在其它紫蘇花崗巖微陸塊廣泛發(fā)育的～2.5Ga區(qū)域變質(zhì)作用記錄，推測其很可能是一個外來的中太古代陸塊(Santoshetal., 2015)。

Nilgiri 陸塊主要由紫蘇花崗巖、基性麻粒巖、角閃石-黑云母片麻巖、變沉積巖、輝石巖、角閃巖和條帶狀含鐵建造組成(Raithetal., 1999; Samueletal., 2014, 2015, 2016, 2018)。紫蘇花崗巖原巖結(jié)晶年齡為2676±13Ma和2560±7Ma(Peucatetal., 2013)，變質(zhì)年齡在2.52～2.45Ma之間變化(Peucatetal., 2013; Samueletal., 2014)?；月榱r的巖漿結(jié)晶年齡為2539±3Ma，變質(zhì)年齡為2459±9Ma，其記錄了一個逆時針的P-T軌跡，峰期變質(zhì)條件為ca. 850～900℃/ca. 14～15kbar(Samueletal., 2015)。石榴子石輝石巖的巖漿結(jié)晶年齡為2532±22Ma，變質(zhì)時代為2520±27Ma和2478±27Ma，同樣記錄了逆時針的P-T軌跡，峰期變質(zhì)達(dá)到ca. 900～1000℃/ca. 18～20kbar(Samueletal., 2018)。

Billigiri Rangan 陸塊主要由紫蘇花崗巖、基性麻粒巖、花崗巖、長英質(zhì)片麻巖、角閃巖、混合巖和變花崗巖組成(Peucatetal., 2013; Ratheesh-Kumaretal., 2016, 2020)。鋯石U-Pb定年結(jié)果顯示紫蘇花崗巖的原巖結(jié)晶年齡為3.36Ga、2.60Ga和2.55～2.54Ga(Peucatetal., 2013; Ratheesh-Kumaretal., 2020)，變質(zhì)年齡從2.53Ga到2.50Ga之間變化(Peucatetal., 2013; Ratheesh-Kumaretal., 2016, 2020)，而基性麻粒巖記錄的變質(zhì)年齡為～2.55Ga(Ratheesh-Kumaretal., 2020)。

Shevaroy陸塊主要由紫蘇花崗巖、長英質(zhì)片麻巖和堿性雜巖組成(Peucatetal., 2013; Glorieetal., 2014; Lietal., 2018)。紫蘇花崗巖原巖年齡為2.76Ga和～2.55Ga，變質(zhì)年齡為～2.52Ga，長英質(zhì)片麻巖原巖年齡為2.90～2.63Ga和～2.55Ga，變質(zhì)年齡為2.53～2.50Ga(Peucatetal., 2013; Glorieetal., 2014)。堿性雜巖的巖漿結(jié)晶時代為820～800Ma(Glorieetal., 2014)。Madras陸塊主要由紫蘇花崗巖、混合巖、花崗閃長巖、長英質(zhì)片麻巖、角閃巖以及條帶狀含鐵建造組成(Lietal., 2018)。現(xiàn)有年代學(xué)數(shù)據(jù)顯示這些巖石的巖漿結(jié)晶年齡為2.58～2.50Ga，變質(zhì)時代為2.54～2.46Ga(Crawford, 1969; Bernard-Griffithsetal., 1987; Lietal., 2018)。

Namakkal陸塊北部以Salem Attur剪切帶(SASZ)為界，主要由長英質(zhì)片麻巖、基性麻粒巖與變沉積巖組成(Andersonetal., 2012; Noacketal., 2013; Saitohetal., 2011; Satoetal., 2011a)。長英質(zhì)片麻巖的地質(zhì)年代學(xué)研究表明其原巖結(jié)晶年齡為2.65Ga、2.60Ga和2.54～2.53Ga，于2.49～2.44Ga發(fā)生變質(zhì)作用(Andersonetal., 2012; Noacketal., 2013; Saitohetal., 2011; Satoetal., 2011a)。Noacketal. (2013)利用全巖Lu-Hf限定基性麻粒巖原巖年齡為2536±300Ma，峰期變質(zhì)年齡為2434±17Ma (石榴子石Lu-Hf測年)。該地區(qū)的含藍(lán)晶石-石榴子石的長英質(zhì)片麻巖記錄的峰期溫壓條件為820～860℃/14～16kbar，變質(zhì)時代為2490～2470Ma(Andersonetal., 2012)。此外，Santoshetal. (2014)在該地區(qū)報道了大約800Ma的堿性巖漿侵入時代。

Namakkal 陸塊中部主要由紫蘇花崗巖、長英質(zhì)片麻巖、角閃石黑云母片麻巖、花崗巖、輝石巖、基性-超基性雜巖體以及少量的條帶狀磁鐵石英巖組成(Clarketal., 2009; Mohanetal., 2013; Glorieetal., 2014; Beheraetal., 2019; Pengetal., 2019; Georgeetal., 2019; Talukdaretal., 2020)。鋯石U-Pb定年顯示紫蘇花崗巖原巖結(jié)晶年齡為2580～2530Ma，變質(zhì)時代為2520～2480Ma(Clarketal., 2009; Glorieetal., 2014; Beheraetal., 2019; Pengetal., 2019)。此外，前人對位于Namakkal地區(qū)的Sittampundi層狀基性雜巖體進(jìn)行了研究(Sajeevetal., 2009; Mohanetal., 2013)，Sajeevetal. (2009)認(rèn)為出現(xiàn)于斜長巖中的退變榴輝巖變質(zhì)條件為1020℃/20kbar。鋯石U-Pb定年得到斜長巖的原巖結(jié)晶年齡為2541±13Ma，變質(zhì)年齡為2461±14Ma(Mohanetal., 2013)，而Heetal. (2021)得到斜長巖的原巖結(jié)晶年齡為2522±12Ma。Georgeetal. (2019)對Jambumalai地區(qū)的石榴子石輝石巖進(jìn)行研究，得到其變質(zhì)年齡為2526±38Ma，峰期變質(zhì)條件為22kbar/980℃。

Namakkal陸塊南部以Cauvery剪切帶(CSZ)為界，主要由太古代的角閃石片麻巖組成，其中有年輕花崗巖體的侵入，鋯石U-Pb定年顯示這些花崗巖結(jié)晶年齡為～560Ma(Brandtetal., 2014; Plavsaetal., 2015; Glorieetal., 2014)。該區(qū)域也分布有含假藍(lán)寶石的超高溫麻粒巖(Santoshetal., 2004, 2006; Shimpoetal., 2006; Collinsetal., 2007; Nishimiyaetal., 2010)。CSZ邊緣的Devannur-Mahadevi地區(qū)，Yellappaetal. (2012)對奧長花崗巖進(jìn)行鋯石U-Pb定年，得到奧長花崗巖的結(jié)晶年齡分別為2528±61Ma和2545±56Ma。Talukdaretal. (2020)對該地區(qū)的長英質(zhì)片麻巖進(jìn)行鋯石U-Pb定年，得到原巖年齡大于2530Ma, 變質(zhì)年齡為2479±4Ma。在Manamedu地區(qū)，Satoetal. (2011b)對斜長花崗巖進(jìn)行鋯石U-Pb定年，得到817±16Ma的巖漿結(jié)晶年齡，而Santoshetal. (2012)對該地區(qū)的斜長花崗巖與變輝長巖進(jìn)行研究，分別得出782±24Ma～737±23Ma和786±7Ma～744±11Ma的巖漿結(jié)晶年齡，其被認(rèn)為是岡瓦納超大陸聚合(～550Ma)之前莫桑比克洋洋殼的殘留(Santoshetal., 2009)。

2 分析方法

本次研究中，除了鋯石的分選和陰極發(fā)光照相(CL)在廣州拓巖檢測技術(shù)有限公司進(jìn)行外，其它的分析測試均在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室完成。

LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析條件：激光頻率為6Hz，束斑直徑為32μm。實驗中采用He作為剝蝕物質(zhì)的載氣，使用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST SRM 610進(jìn)行儀器最佳化，每完成6個測點的樣品測定，加測標(biāo)樣一次。鋯石年齡采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，元素含量采用NIST SRM 610作為外標(biāo)，29Si作為內(nèi)標(biāo)。同位素比值與微量元素含量通過GLITTER軟件進(jìn)行處理。

全巖主量元素分析步驟如下：先將樣品粉碎到200目，然后稱取樣品0.7±0.0001g，加入Li2B4O75.2±0.001g、助熔劑及脫模劑的LiF 0.4±0.001g，氧化劑NH4NO30.3±0.001g，將四者混和均勻后，放入鉑金鍋中，再加滴1～2滴脫模劑溴化鋰。在1200℃下加熱8分鐘，至冷卻后將玻璃熔片從鍋中取出，將玻璃熔片放入熒光光譜儀(XRF)自動進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)行測試。

礦物化學(xué)分析測試儀器型號為JEOL JXA-8230，分析條件為加速電壓15kV，電流10nA，分析束斑因測試礦物而異，方柱石采用10μm，其余礦物均采用2μm。不同元素采用SPI公司提供的不同礦物標(biāo)樣進(jìn)行校正，石英/硬玉-Si，硬玉/斜長石-Al，硬玉/鈉長石-Na，透輝石-Ca，橄欖石-Mg，透長石-K，鈦鐵礦-Fe，薔薇輝石-Mn，金紅石-Ti。本文中礦物縮寫符號均采用Whitney and Evans (2010)。部分礦物縮寫如下：Grt：石榴子石；Ep：綠簾石；Pl：斜長石；Scp：方柱石；Cal：方解石；Kfs：鉀長石；Qz: 石英；Spn：榍石；Ilm：鈦鐵礦。

圖2 南部麻粒巖地體Namakkal陸塊地質(zhì)圖(據(jù)George and Sajeev, 2015; George et al., 2019修改)Fig.2 Geological map of the Namakkal Block of the Southern Granulite Terrain (modified after George and Sajeev, 2015; George et al., 2019)

3 巖相學(xué)與礦物化學(xué)

本次研究的鈣硅酸鹽巖樣品來自南部麻粒巖地體Namakkal陸塊Tammampatti地區(qū)東南方向約18km的紫蘇花崗巖地體 (11°17′16.2″N、78°32′09.1″E)(圖2)，該鈣硅酸鹽巖取自農(nóng)田附近的采石堆中(圖3a)，野外產(chǎn)狀并不清楚，手標(biāo)本呈灰黑色，塊狀構(gòu)造，與紫蘇花崗巖的接觸邊界清晰(圖3b)。在詳細(xì)巖石學(xué)觀察和全巖化學(xué)成分分析的基礎(chǔ)上，本研究選擇18ID-24和18ID-25兩個樣品進(jìn)行研究。這2個樣品的巖石學(xué)特征與全巖主量元素成分存在細(xì)微差異，為了更準(zhǔn)確限定它們的變質(zhì)溫壓條件，我們對它們同時進(jìn)行了巖石學(xué)和相平衡模擬計算研究，起到相互補(bǔ)充印證的作用。詳細(xì)的巖石學(xué)和礦物化學(xué)介紹如下。

3.1 樣品18ID-24

該樣品具有花崗變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物有方柱石(10%)、石榴子石(30%)、斜長石(50%)、方解石(5%)、綠簾石(4%)和石英(1%)，副礦物有鋯石、榍石、鈦鐵礦、磷灰石(圖4a～c)。方解石，斜長石與石英以冠狀體的形式出現(xiàn)在方柱石的邊緣(圖4b)，可能為方柱石分解的產(chǎn)物。綠簾石出現(xiàn)在石榴子石顆粒邊緣(圖4c)。石榴子石為鈣鋁榴石-鈣鐵榴石-鐵鋁榴石固溶體，幾乎不含錳鋁榴石和鎂鋁榴石(Grs=0.620～0.635; Adr=0.164～0.175; Alm=0.192～0.203; Prp=0.004～0.006; Sps=0.002～0.003)(表1)。石榴子石從核部到邊部，除了鈣鐵榴石含量有輕微升高，鈣鋁榴石有輕微降低趨勢外，其余組分端元沒有明顯變化(圖5)。斜長石主要為鈣長石端元(XAn=0.988～0.992;XAb=0.007～0.011;XOr=0.000～0.001)(表1)。方柱石主要為鈣柱石端元(EqAn=89.700～92.135；Me%=95.450～95.700)(表1)。

3.2 樣品18ID-25

該樣品同樣具有花崗變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物有方柱石(10%)、石榴子石(36%)、斜長石(46%)、方解石(4%)、綠簾石(4%)、以及石英(1%)；副礦物有鋯石、榍石、鈦鐵礦、磷灰石(圖4d-f)。方解石，斜長石與石英以后成合晶的形式出現(xiàn)在方柱石的邊緣(圖4e)。石榴石為鈣鋁榴石-鈣鐵榴石-鐵鋁榴石固溶體，幾乎不含錳鋁榴石和鎂鋁榴石(Grs=0.590～0.605; Adr=0.185～0.210; Alm=0.195～0.210; Prp=0.003～0.005; Sps=0.001～0.003)(表2)。石榴子石成分比較均一，自核部到邊部，除了鈣鐵榴石稍有降低，鐵鋁榴石稍有升高外，其余端元組分沒有明顯變化(圖5)。斜長石主要為鈣長石端元(XAn=0.975～0.985;XAb=0.017～0.025;XOr=0.000～0.001)(表2)。方柱石成分較為均一，主要為鈣柱石端元(EqAn=85.830～88.000; Me%=93.350～94.321)(表2)。

表1 方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖(樣品18ID-24)礦物成分(wt%)

表2 方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖(樣品18ID-25)礦物化學(xué)成分(wt%)

圖3 Tammampatti地區(qū)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖野外照片(a)農(nóng)田附近的采石堆；(b)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖與紫蘇花崗巖接觸關(guān)系Fig.3 Field photographs of the scapolite-garnet calc-silicate in the Tammampatti area(a) the quarry near the farmland; (b) the boundary between the scapolite-garnet calc-silicate and charnockite

綜合2個樣品在鏡下觀察到的礦物反應(yīng)結(jié)構(gòu)，可以得出本研究中方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖的峰期變質(zhì)礦物組合為石榴子石+方柱石+斜長石+榍石+鈦鐵礦。綠簾石環(huán)繞石榴子石顆粒邊部生長，方解石、斜長石與石英則出現(xiàn)方柱石的邊緣，指示它們是在峰期變質(zhì)作用之后形成。

4 鋯石U-Pb年代學(xué)

4.1 鋯石結(jié)構(gòu)與定年結(jié)果

本研究的方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖中鋯石顆粒較大，粒徑為100～300μm，陰極發(fā)光(CL)顯示部分鋯石具有核邊結(jié)構(gòu)，核部表現(xiàn)為高亮度，弱分帶或無分帶現(xiàn)象，為典型的變質(zhì)鋯石，邊部為發(fā)光較暗的變質(zhì)邊。此外可見單顆粒的高亮度或低亮度鋯石，高亮度鋯石發(fā)光均勻，弱分帶或無分帶現(xiàn)象，為變質(zhì)成因鋯石；低亮度鋯石顯示補(bǔ)丁狀、冷杉樹狀結(jié)構(gòu)，為典型的變質(zhì)鋯石(圖6)。在年齡諧和圖中，高亮度變質(zhì)鋯石測點(32個測點)年齡整體上比低亮度變質(zhì)鋯石(17個測點)要老一些(表3)。除去3個信號異常測點(12、13和49)(圖7a)，分別對剩余的高亮度和低亮度鋯石較為諧和測點年齡進(jìn)行加權(quán)平均，得到高亮度變質(zhì)鋯石的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為2562±17Ma，而低亮度變質(zhì)鋯石207Pb/206Pb加權(quán)平均為2495±15Ma(圖7b, c)。

圖4 Tammampatti地區(qū)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖顯微照片樣品18ID-24的花崗變晶結(jié)構(gòu)和礦物組合(a, 正交偏光)、方柱石周圍的方解石、斜長石以及石英后成合晶(b,背散射圖像)及石榴子石邊緣的綠簾石冠狀體(c, 背散射圖像)；樣品18ID-25的花崗變晶結(jié)構(gòu)和礦物組合(d, 正交偏光)、方柱石周圍的方解石、斜長石以及石英冠狀體(e, 背散射圖像)及斜長石中出溶鉀長石(f, 背散射圖像)Fig.4 Photo-micrographs of the scapolite-garnet calc-silicate in the Tammampatti areaGranoblastic texture and mineral assemblages (a, cross-polarized light), calcite and plagioclase surrounding scapolite (b, BSE image) and epidote corona between garnet and plagioclase (c, BSE image) in the Sample 18ID-24;Granoblastic texture and mineral assemblages (d, cross-polarized light), symplectite of calcite, plagioclase and quartz surrounding scapolite (e, BSE image) and K-feldspar exsolution in plagioclase (f, BSE image) in the Sample 18ID-25

4.2 鋯石微量元素特征

本次研究共進(jìn)行了49個鋯石微區(qū)微量元素測試，所得結(jié)果見表4和圖7d。高亮度變質(zhì)鋯石稀土元素總量為4.8×10-6～152.6×10-6，Th/U為0.02～0.65，(Gd/Yb)N比值在0.01～0.39之間，球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分圖顯示輕稀土變化范圍較大，Eu的負(fù)異常不明顯，Eu/Eu*比值為0.46～4.27。低亮度變質(zhì)鋯石稀土元素總量為7.2×10-6～112×10-6，Th/U為0.06～0.24，(Gd/Yb)N比值在0.04～0.30之間，在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分圖中顯示較低的輕稀土配分模式，Eu/Eu*比值在0.55～1.25，兩種鋯石的重稀土配分樣式相似。

5 溫壓條件計算

本文選用Perple_X 6.9.0(Connolly, 1990, 2005) 熱力學(xué)軟件，對方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖樣品18ID-24和18ID-25分別進(jìn)行了相平衡模擬。全巖主量成分見表5，其中FeO含量使用滴定法確定。鈣硅酸鹽巖樣品中MnO和K2O成分含量很低，在模擬中忽略這些組分，因此在復(fù)雜體系NCFMASTO-CO2-H2O(Na2O-CaO-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-TiO2-Fe2O3-CO2-H2O)下進(jìn)行計算，計算相圖的成分如表5所示。數(shù)據(jù)庫選用hp62ver. dat (Holland and Powell, 1998, 2011)，流體狀態(tài)方程采用Holland and Powell (1998)。采用的礦物活度模型如下：石榴子石和鈦鐵礦為Whiteetal. (2000)，斜長石為Newtonetal. (1980)，方柱石為Kuhn (2004)，綠簾石為Holland and Powell (2011)，方解石與石英等均為純的固溶體端元。

5.1 樣品18ID-24

研究中首先計算了T-XCO2視剖面圖，用來確定合適的CO2活度計算P-T視剖面圖，T-XCO2視剖面圖模擬選用的壓力為6.5kbar。該壓力是通過反復(fù)的P-T視剖面圖計算基礎(chǔ)上確定的，即在T-XCO2視剖面圖模擬之前通過假定多個XCO2值計算P-T視剖面圖(未顯示)，直到計算的P-T視剖面圖中出現(xiàn)巖石中觀察到的礦物組合為止。然后根據(jù)該P(yáng)-T視剖面圖中峰期礦物組合Scp+grt+pl+spn+ilm穩(wěn)定域與退變質(zhì)組合Scp+grt+pl+spn+ilm+cal穩(wěn)定域之間界限的壓力范圍中值確定。XCO2的變化范圍位于純水(XCO2=0)和純CO2(XCO2=1)流體之間，最后選擇XCO2=0.39作為合適的CO2活度計算最終的P-T視剖面圖(圖8a)。

表5 方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖全巖主量元素成分

圖5 方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖中石榴子石的成分剖面Adr-鈣鐵榴石；Grs-鈣鋁榴石；Alm-鐵鋁榴石；Prp-鎂鋁榴石；Sps-錳鋁榴石Fig.5 Compositional profiles of the garnets of the scapolite-garnet calc-silicate samplesAdr-andradite; Grs-grossular; Alm-almandine; Prp-pyrope; Sps-spessartine

圖6 Tammampatti地區(qū)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖(樣品18ID-24)代表性鋯石顆粒陰極發(fā)光圖像、測試點位和對應(yīng)表面年齡(Ma)Fig.6 Representative zircon cathodoluminescence (CL) images with analytical spots of the scapolite-garnet calc-silicate (Sample 18ID-24) from the Tammampatti area

P-T視剖面圖顯示方柱石和石榴子石在模擬的溫壓范圍內(nèi)均穩(wěn)定出現(xiàn)，而綠簾石和石英在較低溫度時出現(xiàn)(圖8b)。峰期礦物組合Scp+grt+pl+spn+ilm穩(wěn)定的壓力上下限分別以斜長石和榍石的消失為標(biāo)志，溫度下限則以方解石的出現(xiàn)為標(biāo)志。峰期礦物組合穩(wěn)定的溫壓范圍為800～960℃/4.3～7.1kbar，雖然實測鐵鋁榴石成分(0.192～0.203)穿越此礦物組合區(qū)域，但是峰期礦物穩(wěn)定的溫壓范圍沒有得到進(jìn)一步縮小(圖8b)。

圖7 Tammampatti地區(qū)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖鋯石U-Pb年齡諧和圖和鋯石球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線圖(a)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖所有分析的變質(zhì)鋯石U-Pb年齡諧和圖；(b)高亮度變質(zhì)鋯石U-Pb年齡諧和圖；(c)低亮度變質(zhì)鋯石U-Pb年齡諧和圖；(d)兩種變質(zhì)鋯石的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(標(biāo)準(zhǔn)化值引自Sun and McDonough, 1989)Fig.7 Concordia diagram and the chondrite-normalized REE patterns for zircon of scapolite-garnet calc-silicate in the Tammampatti area(a) concordia diagram for all analyzed metamorphic zircons of the scapolite-garnet calc-silicate; (b) concordia diagram for metamorphic zircons with high luminescence; (c) concordia diagram for metamorphic zircons with low luminescence; (d) the chondrite-normalized REE patterns for two metamorphic zircons from the scapolite-garnet calc-silicate (normalization values from Sun and McDonough, 1989)

圖8 Tammampatti地區(qū)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖(樣品18ID-24)相平衡視剖面圖(a) NCFMASTO-CO2-H2O體系下的T-XCO2視剖面圖；(b) NCFMASTO-CO2-H2O體系下的P-T視剖面圖，黃色陰影區(qū)為峰期礦物組合穩(wěn)定域Fig.8 Pesudosections calculated for the scapolite-garnet calc-silicate (Sample 18ID-24) in the Tammampatti area(a) the NCFMASTO-CO2-H2O T-XCO2 pseudosection; (b) the NCFMASTO-CO2-H2O P-T pseudosection, with the P-T range of the peak mineral assemblage marked by yellow color

圖9 Tammampatti地區(qū)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖(樣品18ID-25)相平衡視剖面圖(a) NCFMASTO-CO2-H2O體系下的T-XCO2視剖面圖；(b) NCFMASTO-CO2-H2O體系下的P-T視剖面圖，黃色陰影區(qū)為峰期礦物組合穩(wěn)定的溫壓范圍Fig.9 Pesudosections calculated for calc-silicate (Sample 18ID-25) in the Tammampatti area(a) the NCFMASTO-CO2-H2O T-XCO2 pseudosection; (b) the NCFMASTO-CO2-H2O P-T pseudosection, with the P-T range of peak mineral assemblage marked by yellow shaded area

5.2 樣品18ID-25

研究中首先計算了T-XCO2視剖面圖，用來確定合適的CO2活度計算P-T視剖面圖，壓力的選擇與樣品18ID-24保持一致，采用的壓力為6.5kbar。XCO2的變化范圍位于純水(XCO2=0)和純CO2(XCO2=1)流體之間，最終選擇XCO2=0.28作為合適的CO2活度計算P-T視剖面圖(圖9a)。

與樣品18ID-24相似，P-T視剖面圖顯示在模擬的溫壓范圍內(nèi)方柱石和石榴子石均穩(wěn)定出現(xiàn)，綠簾石和石英在較低溫度時出現(xiàn)(圖9b)。峰期礦物組合Scp+grt+pl+spn+ilm穩(wěn)定的溫度上限以鈦鐵礦的消失和鈣鐵輝石的出現(xiàn)為標(biāo)志，溫度下限以方解石的出現(xiàn)為標(biāo)志，壓力上限則以綠簾石的出現(xiàn)線為標(biāo)志。此樣品峰期礦物組合穩(wěn)定的溫壓范圍比較大，通過實測斜長石的鈣長石成分與石榴子石的鐵鋁榴石成分進(jìn)一步限定峰期礦物組合穩(wěn)定的溫壓范圍為750～854℃/4.0～7.8kbar(圖9b)。

6 討論

6.1 變質(zhì)時代

本研究通過鋯石U-Pb定年揭示Namakkal陸塊Tammampatti地區(qū)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖記錄了兩組變質(zhì)年齡，分別為2562±17Ma(高亮度變質(zhì)鋯石)和2495±15Ma(低亮度變質(zhì)鋯石)。前人的研究顯示Namakkal陸塊的紫蘇花崗巖、基性麻粒巖、混合巖、花崗巖、角閃巖、含石榴子石片麻巖、石榴子石輝石巖以及斜長巖記錄了2530～2440Ma的變質(zhì)年齡(Clarketal., 2009; Saitohetal., 2011; Satoetal., 2011a; Andersonetal., 2012; Mohanetal., 2013; Peucatetal., 2013; Glorieetal., 2014; Georgeetal., 2019; Pengetal., 2019)。此外，Nilgiri陸塊的紫蘇花崗巖、基性麻粒巖、角閃石-黑云母片麻巖與藍(lán)晶石-石榴子石片麻巖記錄有2520～2450Ma的變質(zhì)年齡(Peucatetal., 2013; Samueletal., 2014, 2015)。Biligiri Rangan陸塊的紫蘇花崗巖和基性麻粒巖記錄有2550～2500Ma的變質(zhì)年齡(Peucatetal., 2013; Ratheesh-Kumaretal., 2016, 2020)。Shevaroy陸塊的紫蘇花崗巖和混合巖化片麻巖則記錄了2530～2500Ma的變質(zhì)年齡(Peucatetal., 2013; Glorieetal., 2014)。Madras陸塊的紫蘇花崗巖、花崗閃長巖、長英質(zhì)片麻巖、角閃巖以及條帶狀含鐵建造記錄了大約2.54～2.46Ga的變質(zhì)年齡(Lietal., 2018)。不難發(fā)現(xiàn)上述紫蘇花崗巖微陸塊共同經(jīng)歷了大約2530～2440Ma的區(qū)域變質(zhì)作用。

我們對Namakkal陸塊的紫蘇花崗巖年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該陸塊紫蘇花崗巖的繼承鋯石年齡為2750～2600Ma，原巖結(jié)晶年齡為2580～2530Ma, 變質(zhì)年齡為2520～2480Ma(表6)。本研究高亮度變質(zhì)鋯石的變質(zhì)年齡2562±17Ma與Pengetal. (2019)在該區(qū)域報道的紫蘇花崗巖的原巖結(jié)晶年齡2559±23Ma，2577±8Ma和2562±4Ma基本一致，而較為年輕的大約2530～2500Ma的紫蘇花崗巖巖漿結(jié)晶年齡(Clarketal., 2009; Saitohetal., 2011; Glorieetal., 2014; Beheraetal., 2019)可能是遭受了后期區(qū)域性高溫-超高溫變質(zhì)作用改造的結(jié)果。因此，我們認(rèn)為高亮度變質(zhì)鋯石記錄的2562±17Ma的年齡對應(yīng)于紫蘇花崗原巖侵入導(dǎo)致的接觸交代變質(zhì)作用時代，而低亮度變質(zhì)鋯石年齡2495±15Ma與該地區(qū)普遍經(jīng)歷的大約2530～2440Ma的變質(zhì)時代一致，應(yīng)為區(qū)域性變質(zhì)作用疊加的時代。

6.2 變質(zhì)溫壓

與本研究類似的鈣硅酸鹽巖在印度的Eastern Ghats和Kerala孔茲巖帶、斯里蘭卡Maligawila地區(qū)、澳大利亞中部Arunta塊體和東南極的Rauer群和Northern Prince Charles Mountains也有報道(Warrenetal., 1987; Harley and Buick, 1992; Harleyetal., 1994; Buicketal., 1993; Dasgupta, 1993; Fitzsimons and Harley, 1994; Bhowmiketal., 1995; Senguptaetal., 1997; Stephenson and Cook, 1997; Satish-Kumar and Harley, 1998; Mathavan and Fernando, 2001; Sengupta and Raith, 2002; Dasgupta and Pal, 2005)。

在Eastern Ghats地區(qū)，前人對發(fā)現(xiàn)的鈣硅酸鹽巖進(jìn)行了大量的研究(Dasgupta, 1993; Bhowmiketal., 1995; Senguptaetal., 1997; Sengupta and Raith, 2002; Dasgupta and Pal, 2005)。例如，Dasgupta (1993)根據(jù)與方柱石-硅灰石-石榴子石鈣硅酸鹽巖伴生的長英質(zhì)和基性麻粒巖，限定其峰期變質(zhì)溫壓為950℃/9kbar，而Bhowmiketal. (1995)通過相平衡模擬，認(rèn)為方柱石-硅灰石-石榴子石鈣硅酸鹽巖經(jīng)歷的峰期變質(zhì)溫壓條件為975℃/9kbar。Satish-Kumar and Harley (1998)通過巖石成因格子限定了Kerala孔茲巖帶的含方柱石-硅灰石-鈣鋁榴石的鈣硅酸鹽巖的峰期變質(zhì)條件，為>835℃/6kbar。通過計算T-XCO2和P-XCO2巖石成因格子，Mathavan and Fernando (2001)得到斯里蘭卡Maligawila地區(qū)的石榴子石-硅灰石-方柱石鈣硅酸鹽巖的峰期變質(zhì)溫壓條件為900～875℃/9kbar，此外，限定峰期的流體組分為0.1

6.3 巖石成因

在變質(zhì)巖地體中，方柱石能夠穩(wěn)定在低角閃巖相(Trommsdorff, 1966; Hietanen, 1967; Groppoetal., 2017)至麻粒巖相(Abartetal., 2001; Searle and Cox, 2002)。許多學(xué)者嘗試通過實驗巖石學(xué)手段限定方柱石穩(wěn)定的溫壓范圍，例如Newton and Goldsmith (1975, 1976)得出純的鈣柱石穩(wěn)定域超過850℃；Comodietal. (1990)認(rèn)為方柱石能夠在上地幔的壓力條件下穩(wěn)定存在(≤18kbar)，這也被Goldsmith and Newton (1977)所證實。

本研究中觀察到在方柱石顆粒周圍發(fā)育細(xì)小的方解石與斜長石，應(yīng)為方柱石分解的產(chǎn)物，可能的變質(zhì)反應(yīng)如下：Mei=3An+Cal+Qz。在其它麻粒巖地體中也發(fā)現(xiàn)有類似的方柱石分解結(jié)構(gòu)(Schenk, 1984; Warrenetal., 1987; Motoyoshietal., 1991; Harley and Buick, 1992; Fitzsimons and Harley, 1994; Stephenson and Cook, 1997; Satish-Kumar and Harley, 1998)，其中有少量的石英作為方柱石分解產(chǎn)物出現(xiàn)(Schenk, 1984; Motoyoshietal., 1991; Satish-Kumar and Harley, 1998)，本研究觀察到細(xì)小綠簾石圍繞石榴子石顆粒周圍生長(圖4c)，指示的可能變質(zhì)反應(yīng)如下：An+Grt+H2O→Ep+Qz。

鈣硅酸鹽巖有多種成因，可以是侵入體附近的碳酸鹽巖或硅酸鹽巖經(jīng)接觸交代變質(zhì)作用形成的矽卡巖，典型礦物為鈣鋁榴石-鈣鐵榴石系列的石榴子石和透輝石-鈣鐵輝石系列的單斜輝石，這兩種主要礦物可伴生或單獨(dú)出現(xiàn)，其次為符山石、硅灰石、方柱石、鋰云母、白云母和電氣石等礦物；也可以是產(chǎn)于孔茲巖系中的鈣硅酸鹽巖，由富鐵白云質(zhì)-鈣質(zhì)泥巖經(jīng)變質(zhì)作用形成(徐仲元等, 2005)；也可以形成于陸陸碰撞的晚期，由高壓基性麻粒巖在折返過程中經(jīng)歷退變質(zhì)和Ca質(zhì)交代聯(lián)合作用的結(jié)果(李旭平等, 2011)。本文研究的方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖主要由鈣鋁榴石-鈣鐵榴石-鐵鋁榴石系列的石榴子石、鈣長石質(zhì)的斜長石以及鈣柱石質(zhì)的方柱石組成，表現(xiàn)出矽卡巖的礦物特征。依據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者Korzhenskii提出的矽卡巖分帶理論，本研究的鈣硅酸鹽巖礦物組合對應(yīng)于靠近侵入體一側(cè)的內(nèi)矽卡巖帶，以硅酸鹽礦物為主，僅有極少細(xì)粒方解石以退變質(zhì)邊的形式存在于方柱石顆粒邊緣，因此我們更傾向于認(rèn)為本次研究的鈣硅酸鹽巖為中酸性侵入巖(紫蘇花崗巖原巖)與碳酸鹽巖發(fā)生接觸交代變質(zhì)作用的產(chǎn)物。由于我們在野外并沒有觀察到碳酸鹽巖的出露，推測碳酸鹽巖的規(guī)模可能很小，以致發(fā)生接觸交代反應(yīng)時被消耗。

本文中方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖第一變質(zhì)階段以無水礦物組合為特征，是紫蘇花崗巖的原巖侵入導(dǎo)致的接觸交代作用的產(chǎn)物，第二階段變質(zhì)礦物為石榴子石周圍生長的綠簾石和方柱石周圍的方解石+斜長石+石英冠狀體，其可能為缺流體條件下的局部退變質(zhì)結(jié)果。同時該鈣硅酸鹽巖的組成以無水礦物為主，這可能是早期變質(zhì)礦物組合得以保留下來，而沒有被后期區(qū)域變質(zhì)作用改造的原因。

7 結(jié)論

(1)方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖的峰期變質(zhì)礦物組合為方柱石+石榴子石+斜長石+榍石+鈦鐵礦，對應(yīng)的變質(zhì)溫壓條件為800～960℃/4.3～7.1kbar和750～854℃/4.0～7.8kbar。

(2)LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年獲得2個207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡：2562±17Ma和2495±15Ma，分別對應(yīng)于紫蘇花崗巖原巖侵入造成的接觸交代作用時代和區(qū)域變質(zhì)作用疊加的時代。

(3)Tammampatti地區(qū)的方柱石石榴子石鈣硅酸鹽巖為中酸性侵入巖(紫蘇花崗巖原巖)與碳酸鹽巖發(fā)生接觸交代變質(zhì)作用的產(chǎn)物。

致謝感謝印度科學(xué)研究院地球科學(xué)中心K. Sajeev博士和西北大學(xué)胡育華同學(xué)在野外工作中的幫助！感謝兩位匿名審稿人的寶貴意見與建議；感謝編輯部老師在文章修改、校對過程中的指導(dǎo)與幫助。