西南天山變質(zhì)俯沖雜巖帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
——來(lái)自木扎爾特剖面的啟示

姜雪薇，呂 增

(北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院， 造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100871 )

俯沖帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的確定是建立俯沖帶演化及相關(guān)地球動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ) (Guillotetal., 2009)。俯沖帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解析一般從溫壓條件、年代學(xué)以及地球化學(xué)等多方面開(kāi)展， 其中溫壓條件的準(zhǔn)確厘定是變質(zhì)作用研究的重點(diǎn)之一。西南天山造山帶俯沖變質(zhì)增生雜巖帶， 又稱西南天山高壓-超高壓變質(zhì)帶， 具有長(zhǎng)期演化、多階段折返、峰期地?zé)崽荻鹊鸵约傲黧w活動(dòng)記錄豐富等特點(diǎn)， 受到國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注(Bayetetal., 2018; Zhangetal., 2019)， 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)目前存在兩種不同的認(rèn)識(shí)： ① 變質(zhì)帶由來(lái)自不同深度的巖石無(wú)序“混雜”而成(Klemdetal., 2011)； ② 變質(zhì)帶由若干變質(zhì)程度不同的較大規(guī)模地質(zhì)體拼貼而成(Lüetal., 2012)。詳細(xì)的剖面巖石學(xué)比較研究有助于解析古俯沖帶內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)， 對(duì)于揭示陸緣增生楔沿較低地溫梯度的深俯沖行為及其折返動(dòng)力學(xué)機(jī)制具有重要意義。本文對(duì)西南天山變質(zhì)俯沖雜巖帶西端木扎爾特地區(qū)的剖面研究情況， 包括野外關(guān)系、巖相學(xué)、礦物學(xué)和熱力學(xué)模擬等進(jìn)行了綜述， 并與其它剖面進(jìn)行對(duì)比， 提出了當(dāng)前研究存在的問(wèn)題并對(duì)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 地質(zhì)背景及研究概況

南天山造山帶近東西向延伸約2 500 km， 其位于中國(guó)新疆伊犁地區(qū)的部分通常被稱為西(南)天山造山帶(圖1a)， 一般認(rèn)為是塔里木板塊向伊犁-中天山板塊之下長(zhǎng)期俯沖并最終于石炭紀(jì)碰撞形成的(Hanetal., 2011)。以中天山南緣斷裂帶為界， 以北的變質(zhì)巖石屬于低壓相系， 包括綠片巖、角閃巖和麻粒巖相巖石，其中綠片巖-角閃巖相巖石廣泛分布， 麻粒巖相巖石(包括富鋁和基性麻粒巖)主要出露于木扎爾特地區(qū)(李強(qiáng)等， 2004)。斷裂帶以南的高壓相系巖石呈楔形展布， 近東西向延伸約200 km， 南北向最寬處接近20 km。該高壓變質(zhì)帶主要呈“基質(zhì)”夾“巖塊”(block-in-matrix)的構(gòu)造特征， “巖塊”主要由透鏡狀變基性巖和少量超基性巖組成。變基性巖包括藍(lán)片巖及退變程度不一的榴輝巖。超基性巖透鏡體數(shù)量較少， 但往往以孤立的大型構(gòu)造巖塊產(chǎn)出， 與其密切伴生的巖石類型有(退變)榴輝巖、異剝鈣榴巖以及少量石英-菱鎂巖?；|(zhì)主要由泥質(zhì)-鈣質(zhì)-長(zhǎng)英質(zhì)片巖以及大理巖組成。

高壓-超高壓變質(zhì)帶在木扎爾特主河道東側(cè)的南北向剖面(以下簡(jiǎn)稱木扎爾特剖面)出露約4 km (圖1b)， 是貫穿該變質(zhì)帶的最短剖面， 其北部邊界為長(zhǎng)阿吾子斷裂， 南部邊界為圖拉蘇斷裂(王寶瑜等， 1994)。木扎爾特河是連接天山南北的交通要道(又稱夏塔古道)， 其沿岸剖面上的藍(lán)片巖自20世紀(jì)70年代開(kāi)始逐漸進(jìn)入人們的視野(中國(guó)科學(xué)院登山科學(xué)考察隊(duì)， 1985)， 但早期文獻(xiàn)更多強(qiáng)調(diào)的是木扎爾特藍(lán)片巖和超基性巖(已充分蛇紋巖化)這一巖石組合在限定板塊縫合帶構(gòu)造位置方面的作用。Gao等(1999)研究了木扎爾特剖面的藍(lán)片巖， 但未報(bào)道榴輝巖的相關(guān)數(shù)據(jù)。李旭平等(2003)首次報(bào)道了長(zhǎng)阿吾子溝南坡的殘余榴輝巖相礦物組合和礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)， 表明這一地區(qū)的巖石曾經(jīng)達(dá)到榴輝巖相變質(zhì)條件。Zhang等(2003) 的研究表明木扎爾特的泥質(zhì)片巖達(dá)到了榴輝巖相的壓力范圍。近年來(lái)， 在木扎爾特地區(qū)高壓巖石的主要工作集中于長(zhǎng)阿吾子溝的蛇紋巖及其伴生巖石的形成及演化研究(Lietal., 2007; Shenetal., 2015)。雖然前人對(duì)木扎爾特剖面進(jìn)行了剖面繪制和描述(王作勛等， 1990; 王寶瑜等， 1994)以及零星的礦物學(xué)和變形研究(Gaoetal., 1999； Scheltensetal., 2015)， 但是缺少系統(tǒng)的巖石學(xué)研究， 人們對(duì)其變質(zhì)演化歷史及其地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程并不清楚。

圖1 西南天山高壓-超高壓變質(zhì)帶木扎爾特區(qū)域地質(zhì)圖(a)和木扎爾特剖面圖(b) (改自Lü et al., 2019b)

2 木扎爾特剖面概況

與世界上典型的高壓變質(zhì)帶一樣， 木扎爾特的高壓巖石也由基性巖塊和變沉積巖系巖石組成(圖2)。變基性巖以規(guī)模不等的透鏡體產(chǎn)出， 大部分情況下它們零星分布于剖面上， 而在個(gè)別地段則成群出現(xiàn)。大部分變基性巖具有綠片巖的特點(diǎn)， 外觀呈灰綠色， 少數(shù)因富含藍(lán)閃石而呈藍(lán)色。一些變基性巖中不均勻分布著由草綠色基質(zhì)綠輝石和暗紅色石榴子石組成的斑塊， 代表殘余的榴輝巖(圖3a)。它們受到次生碳酸鹽化作用改造和綠片巖相疊加， 可見(jiàn)大量細(xì)小的碳酸鹽脈和鈉長(zhǎng)石脈穿插其中。變沉積巖系巖石以泥質(zhì)片巖(白云母片巖)、鈣質(zhì)片巖、大理巖和鈉長(zhǎng)片巖為主， 少數(shù)為藍(lán)閃片巖(圖3b～3d)。除鈉長(zhǎng)片巖外， 這類巖石絕大部分變形強(qiáng)烈， 產(chǎn)狀近直立， 其白云母定向形成的面理與區(qū)域上由中天山南緣斷裂帶走滑活動(dòng)形成的面理平行。鈉長(zhǎng)片巖富含鈉長(zhǎng)石， 定向較弱， 團(tuán)塊狀， 可見(jiàn)大量粗粒它形鈉長(zhǎng)石變斑晶， 主要分布于剖面北段的塔勒一帶， 往往與變基性巖伴生。大理巖分布無(wú)規(guī)律， 大部分以薄層狀?yuàn)A于鈣質(zhì)片巖和白云母片巖中， 只有剖面的北段可見(jiàn)厚層-巨厚層大理巖。白云母片巖分布范圍極廣， 靠近長(zhǎng)阿吾子溝的白云母片巖與土黃色的鈣質(zhì)片巖伴生， 二者風(fēng)化破碎極其嚴(yán)重。綠泥石片巖主要產(chǎn)于剖面南端(圖1b)， 在其它位置有零星出露；它們的綠泥石含量一般大于5%， 呈淺灰綠色， 包括綠泥藍(lán)閃片巖和綠泥白云母片巖兩種類型， 與相鄰的灰白色白云母片巖區(qū)別明顯。

圖2 木扎爾特剖面代表性巖石的野外產(chǎn)狀

圖3 木扎爾特剖面保存較好的巖石類型的典型結(jié)構(gòu)

3 變沉積巖系巖石(變質(zhì)火山碎屑巖)的超高壓標(biāo)志

目前所報(bào)道的西南天山超高壓變沉積巖主要來(lái)自阿克牙孜河流域 (Lüetal., 2019a)， 在這類巖石中超高壓標(biāo)志礦物-柯石英均直接或間接包裹于石榴子石中。雖然一些早期的研究認(rèn)為木扎爾特地區(qū)的泥質(zhì)片巖也達(dá)到超高壓條件(Zhangetal., 2003)， 但是缺少直接的超高壓礦物學(xué)證據(jù)。作為最具代表性的巖石類型， 木扎爾特地區(qū)變沉積巖系巖石的石榴子石中有無(wú)柯石英包體將是解決西南天山超高壓變質(zhì)帶空間尺度問(wèn)題的關(guān)鍵。與阿克牙孜地區(qū)相似的是， 木扎爾特剖面的含石榴子石的高壓變質(zhì)沉積巖以泥質(zhì)片巖和長(zhǎng)英質(zhì)片巖為主。新鮮的泥質(zhì)片巖富含白云母和石英， 次要礦物為鈉長(zhǎng)石、石榴子石、簾石、碳酸鹽礦物、角閃石(包括鈉質(zhì)閃石和鈉鈣質(zhì)閃石)、石墨、金紅石和榍石。與泥質(zhì)片巖不同的是， 長(zhǎng)英質(zhì)片巖(又稱鈉長(zhǎng)片巖)的主要礦物是鈉長(zhǎng)石和石英， 鈉長(zhǎng)石多為變斑晶， 其包裹有定向排列的白云母和角閃石， 這種特點(diǎn)表明這些鈉長(zhǎng)石均形成于退變質(zhì)階段， 很可能由硬玉轉(zhuǎn)變而來(lái)。這類長(zhǎng)英質(zhì)巖石的石榴子石含量較低， 其包體以石英和金紅石為主。Lü 等(2019a)借助拉曼光譜儀識(shí)別出木扎爾特長(zhǎng)英質(zhì)片巖的石榴子石變斑晶中的微?？率ⅲ?這表明西南天山超高壓變質(zhì)帶向西延伸到了木扎爾特地區(qū)。這些柯石英包體分布于石榴子石的核部及幔部， 其粒徑不超過(guò)50 μm， 光性均勻且不發(fā)育放射狀裂紋。那些具有放射狀裂紋的較大的二氧化硅包體均由多邊形鑲嵌狀多晶石英構(gòu)成。這些結(jié)構(gòu)特征表明， 粒徑越小的柯石英越容易得以保存， 這很可能是由于顆粒越小其減壓膨脹產(chǎn)生的力較難使石榴子石發(fā)生破裂而增大其保存概率。目前， 僅在變沉積巖系的長(zhǎng)英質(zhì)片巖中發(fā)現(xiàn)柯石英， 可能的原因在于， 和泥質(zhì)片巖相比， 這類由火山碎屑變質(zhì)而來(lái)的巖石以粒狀礦物為主， 其力學(xué)特征使它們能夠相對(duì)有效地抵抗中天山南緣斷裂的強(qiáng)烈剪切作用， 進(jìn)而使作為壓力容器(pressure vessel)的石榴子石免遭或遭受很弱的破壞。

4 兩類硬柱石榴輝巖的識(shí)別及其差異演化

如上所述， 雖然木扎爾特的大部分變基性巖的基質(zhì)礦物與綠片巖無(wú)異， 但是通過(guò)詳細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)分析， 發(fā)現(xiàn)石榴子石、角閃石和綠簾石等變斑晶中均含有綠輝石包體， 這說(shuō)明這些變基性巖均達(dá)到了榴輝巖相， 只是經(jīng)歷了不同程度的綠片巖相退變質(zhì)改造作用(Lüetal., 2019b)。雖然一些石榴子石也遭受局部綠泥石化， 但殘余石榴子石中包裹的礦物種類最為豐富， 以硬柱石和綠輝石為代表， 表明這些巖石來(lái)自冷俯沖高壓變質(zhì)帶。根據(jù)包體礦物的總體特征， 明顯可以將這些榴輝巖劃分為兩類， 即超高壓和高壓硬柱石榴輝巖， 它們的石榴子石成分具有明顯不同的變化范圍(圖4)， 前者較富鎂而低鈣， 后者低鎂而高鈣， 它們的峰期礦物組合分別為石榴子石+綠輝石±硬玉+硬柱石+藍(lán)閃石+柯石英+金紅石和石榴子石+綠輝石±透輝石+硬柱石±陽(yáng)起石+藍(lán)閃石+石英+榍石。在THERMOCALC軟件算得的p-T視剖面基礎(chǔ)上， 結(jié)合實(shí)際觀察的礦物組合和石榴子石成分等值線溫壓計(jì)， 最終確定二者的峰期變質(zhì)條件分別為2.8～3.2 GPa、480～590℃和1.3～1.85 GPa、390～500℃ (Lüetal., 2019b)。在空間分布上， 前者僅出露于剖面的北段(塔勒溝以北， 即北帶)， 后者則位于剖面的南段(塔勒溝以南， 即南帶)。這種空間關(guān)系表明二者來(lái)源于兩個(gè)深度不同的變質(zhì)單元， 與東部的阿克牙孜地區(qū)研究結(jié)果一致。結(jié)合變沉積巖系中柯石英的空間分布， 確定木扎爾特剖面超高壓帶的寬度約為1 km。另外， 前人在木扎爾特地區(qū)報(bào)道的一些變基性巖石中石榴子石具有低鈣的特點(diǎn)(圖4， Gaoetal., 1999, 2012)， 它們應(yīng)當(dāng)來(lái)自高壓?jiǎn)卧?其個(gè)別石榴子石核部因極富錳而導(dǎo)致鈣含量偏低， 落入超高壓?jiǎn)卧氖褡邮秶?。與長(zhǎng)阿吾子溝超高壓蛇紋巖伴生的榴輝巖的石榴子石成分投在高壓和超高壓過(guò)渡區(qū)域(圖4) (Lietal., 2007； Shenetal., 2015)， 根據(jù)野外關(guān)系， 筆者認(rèn)為這些與蛇紋巖伴生的榴輝巖峰期達(dá)到了超高壓條件， 其石榴子石鈣含量偏高可能暗示原巖受到含鈣流體的交代作用(例如異剝鈣榴巖化)。

圖4 木扎爾特剖面兩類榴輝巖的石榴子石成分統(tǒng)計(jì)圖

5 木扎爾特高壓-超高壓變質(zhì)巖的獨(dú)特性

木扎爾特地區(qū)在構(gòu)造位置上是西南天山高壓變質(zhì)帶的西延部分， 但其與東側(cè)的阿克牙孜地區(qū)在構(gòu)造變形、巖石組合和變質(zhì)演化等方面具有明顯的不同。在構(gòu)造變形方面， 木扎爾特的高壓巖石產(chǎn)狀近直立， 其面理近北東東走向， 明顯受到中天山南緣斷裂帶更強(qiáng)的剪切作用控制。而在阿克牙孜地區(qū)， 產(chǎn)狀變化較大， 很多剖面向西傾， 只有在靠近中天山南緣斷裂帶的位置才表現(xiàn)出北東東走向。在巖石組合方面， 木扎爾特地區(qū)出露有較大規(guī)模的蛇紋巖， 阿克牙孜地區(qū)目前未發(fā)現(xiàn)這一巖石類型。和變沉積巖相比， 蛇紋巖具有較低的粘滯系數(shù)， 容易發(fā)生剪切滑動(dòng)， 更有利于超高壓榴輝巖的折返(Guillotetal., 2009)。巖石組合的差異可能意味著這兩個(gè)地區(qū)的超高壓榴輝巖在折返機(jī)制和折返速率等方面存在差異。在礦物學(xué)方面， 阿克牙孜地區(qū)的許多超高壓榴輝巖的石榴子石變斑晶具有明顯的生長(zhǎng)環(huán)帶， 與核部相比， 邊部具有高鈣和高鎂的成分特點(diǎn)。但是在木扎爾特剖面上， 超高壓榴輝巖的石榴子石雖然在邊部鎂升高， 但是鈣的變化并不明顯。造成這種東、西差異的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制并不明確， 有待進(jìn)一步深入研究。盡管如此， 兩個(gè)地區(qū)的超高壓和高壓變質(zhì)帶的空間配置特征是相同的， 即超高壓帶在高壓帶的北側(cè)， 超高壓帶以中天山南緣的深大斷裂為界， 這種空間關(guān)系很可能都是受到古天山洋自南向北的俯沖極性控制。

石榴子石的成分環(huán)帶往往記錄了溫壓條件的變化， 可以用來(lái)恢復(fù)變質(zhì)作用p-T軌跡。相平衡模擬表明， 木扎爾特的超高壓硬柱石榴輝巖的石榴子石核部和邊部均生長(zhǎng)于超高壓條件下(Lüetal., 2019b)， 與大別造山帶和西阿爾卑斯造山帶的超高壓硬柱石榴輝巖均不同(Groppoetal., 2009; Weietal., 2013)。這兩個(gè)造山帶的超高壓榴輝巖中只有石榴子石的邊部記錄了超高壓條件， 其核部形成于藍(lán)片巖相或角閃巖相條件(Groppoetal., 2009; Weietal., 2013)。和這兩個(gè)地區(qū)的同類巖石相比， 木扎爾特超高壓硬柱石榴輝巖的石榴子石具有較低的鈣含量， 但鎂含量變化較大，XMg可以低至0.05。這些成分特點(diǎn)很可能表明， 木扎爾特超高壓硬柱石榴輝巖的峰期變質(zhì)溫度要比其它變質(zhì)帶低得多。美國(guó)科羅拉多高原火山通道中的超高壓硬柱石榴輝巖捕虜體記錄了洋殼的冷俯沖作用(Usuietal., 2006)， 它們的全巖成分和石榴子石成分均與木扎爾特的超高壓硬柱石榴輝巖具有較大的相似度， 這說(shuō)明雖然二者的折返機(jī)制不同， 但它們?cè)诟_階段很可能具有相似的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

6 展望

對(duì)高壓變質(zhì)帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解析是建立俯沖帶地球動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)。Guillot 等(2009)對(duì)地表出露的高壓-超高變質(zhì)帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 并把它們劃分為3種類型， 即大陸型、蛇紋巖型和增生楔型。目前報(bào)道的絕大部分超高壓變質(zhì)帶都屬于大陸型俯沖帶。越來(lái)越多的研究表明大陸型俯沖帶的超高壓榴輝巖和圍巖經(jīng)歷了相同的變質(zhì)演化歷史(Rolfoetal., 2004; Brueckner, 2018)， 少部分巖石因反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原因未記錄超高壓條件(Young & Kylander-Clark, 2015)。深俯沖洋殼由于整體密度較大而通常難以折返(Agardetal., 2009)， 因此在地表極少出露且規(guī)模較小， 如西阿爾卑斯Zermatt-Saas帶(Groppoetal., 2009)。地表較常見(jiàn)的高壓變質(zhì)洋殼巖石多被裹挾于蛇紋巖和活動(dòng)陸緣增生雜巖中， 分別被稱為蛇紋巖型和增生楔型高壓帶(Guillotetal., 2009)。與大陸型和蛇紋巖型不同的是， 增生楔型高壓帶的主體為陸緣增生碎屑沉積巖， 它們以疊瓦狀巖片形式產(chǎn)于造山帶中， 峰期壓力一般不超過(guò)2.5 GPa， 未達(dá)到超高壓條件(Guillotetal., 2009)。大量的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)和地球化學(xué)研究表明， 增生楔雜巖可以沿冷俯沖帶俯沖至更大深度， 再通過(guò)底辟作用進(jìn)入地幔楔并發(fā)生部分熔融形成大規(guī)模島弧巖漿 (Nielsen & Marschall, 2017)。西南天山變質(zhì)帶是世界上唯一的經(jīng)歷超高壓變質(zhì)的增生楔雜巖帶， 雖然目前開(kāi)展了大量的工作(Zhangetal., 2019)， 但對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及折返過(guò)程中發(fā)生的流體交代、元素遷移和折返動(dòng)力學(xué)過(guò)程仍然缺乏深入了解。西南天山木扎爾特的高壓和超高壓巖石產(chǎn)狀均接近直立， 分別具有明確的地質(zhì)邊界， 這些特點(diǎn)很可能說(shuō)明西南天山的超高壓變質(zhì)增生雜巖帶的折返動(dòng)力學(xué)機(jī)制與其它增生楔型高壓變質(zhì)帶類似， 都是在大型逆沖推覆構(gòu)造作用下與較淺部高壓變質(zhì)帶發(fā)生了構(gòu)造并置。木扎爾特高壓-超高壓變質(zhì)帶雖然后期受到中天山南緣斷裂帶韌性剪切的改造， 可能在南北方向發(fā)生擠壓縮短， 但仍然保持了空間連續(xù)性和內(nèi)部一致性。一些研究表明， 走滑斷裂產(chǎn)生的局部拉張環(huán)境有助于超高壓巖片的折返(Boutelier & Chemenda, 2008)。西南天山超高壓增生楔北側(cè)緊鄰中天山南緣大型走滑斷裂， 是否屬于這一機(jī)制則有待進(jìn)一步深入研究。古天山洋從形成到閉合持續(xù)了數(shù)億年， 大量物質(zhì)可能沿洋盆北側(cè)俯沖帶進(jìn)入地幔。西南天山變質(zhì)帶不僅包含洋殼物質(zhì)， 也包含不成熟的弧火山物質(zhì) (Bayetetal., 2018)， 詳細(xì)研究不同單元物質(zhì)來(lái)源及其差異演化將對(duì)認(rèn)識(shí)洋殼俯沖過(guò)程中的物質(zhì)循環(huán)方式和效率以及島弧巖漿的形成和演化具有重要意義。

7 結(jié)論

西南天山造山帶木扎爾特地區(qū)的高壓變質(zhì)帶表現(xiàn)出“基質(zhì)”夾“巖塊”的構(gòu)造特征， 作為“巖塊”的變基性巖零星分布于變泥質(zhì)巖為主的“基質(zhì)”中。在南北向的木扎爾特高壓剖面上出露兩類變基性巖， 它們分別是受到不同程度退變質(zhì)改造的超高壓和高壓硬柱石榴輝巖，相平衡計(jì)算的峰期溫壓條件與巖相學(xué)所觀測(cè)到的石榴子石包體礦物組合一致。這兩類巖石分別位于剖面的北部和南部， 代表了兩個(gè)不同的變質(zhì)單元。超高壓硬柱石榴輝巖與其圍巖均含有柯石英， 具有共同的變質(zhì)演化歷史， 屬于同一個(gè)構(gòu)造單元。雖然受到不同程度的造山擠壓以及剪切變形改造， 但是這些俯沖帶巖石在折返和剝露過(guò)程中保持了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對(duì)完整性。這些研究表明， 來(lái)自不同深度的俯沖巖片在造山帶中各自具有一定的空間規(guī)模， 它們與相鄰的地質(zhì)單元之間具有明確的構(gòu)造界線。后續(xù)對(duì)于該剖面不同變質(zhì)單元的物質(zhì)來(lái)源和變質(zhì)作用差異性方面的進(jìn)一步研究， 有助于加深對(duì)冷俯沖物質(zhì)循環(huán)機(jī)制和相關(guān)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

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