南阿爾金尤努斯薩依退變榴輝巖的發(fā)現(xiàn)及地質(zhì)意義?

譚俊，宮相寬，李闊，木熱地力·買合蘇提

(新疆中亞造山帶大陸動力學(xué)與成礦預(yù)測自治區(qū)重點實驗室 新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

板塊俯沖與折返長期以來一直是固體地球科學(xué)研究的熱點與前沿[1]．高壓-超高壓變質(zhì)巖石作為陸殼巖石俯沖-深俯沖后折返抬升的產(chǎn)物，攜帶了造山帶形成演化過程的重要地質(zhì)信息，是了解板塊俯沖-折返過程物質(zhì)循環(huán)及其動力學(xué)機制的重要窗口[2?4]．榴輝巖是高壓-超高壓變質(zhì)帶的主要組成巖石類型之一，其空間分布和變質(zhì)時代的確定能夠為高壓-超高壓變質(zhì)帶形成演化歷史的恢復(fù)提供重要限定[5]．南阿爾金造山帶是我國西部重要的早古生代高壓-超高壓變質(zhì)帶之一[6?7]．近二十多年來，南阿爾金高壓-超高壓變質(zhì)作用及其演化過程一直是地學(xué)界研究的熱點，并陸續(xù)在陸殼俯沖深度、變質(zhì)P?T?t軌跡、俯沖陸殼屬性以及俯沖極性等方面取得重要進(jìn)展[8?10]．先期研究已發(fā)現(xiàn)的高壓-超高壓巖石包括榴輝巖、含鉀長石石榴子石輝石巖、花崗質(zhì)片麻巖、含藍(lán)晶石石榴子石泥質(zhì)片麻巖，它們主要分布在江尕勒薩依、英格利薩伊、淡水泉和木納布拉克四個地區(qū)[11?18]．其中有確切報道的榴輝巖露頭目前僅發(fā)現(xiàn)于江尕勒薩依[19?20]．盡管有研究認(rèn)為，南阿爾金地區(qū)的一些斜長角閃巖和基性麻粒巖可能也曾經(jīng)歷過榴輝巖相變質(zhì)[21?23]，但長期以來由于缺少確鑿的礦物學(xué)證據(jù)而未被證實．詳細(xì)的鋯石原位U-Pb年代學(xué)研究顯示，南阿爾金高壓-超高壓巖石的峰期變質(zhì)時代為486～505 Ma[14?15,17?18,24]，指示該地區(qū)曾在早古生代期間發(fā)生陸殼俯沖-深俯沖，部分高壓-超高壓變質(zhì)巖石還記錄了455～463 Ma變質(zhì)年齡，有學(xué)者將其解釋為俯沖-深俯沖陸殼巖石在486～505 Ma的峰期變質(zhì)后經(jīng)歷455～463 Ma折返抬升和退變質(zhì)作用[8,17]．但也有研究認(rèn)為，這兩期年齡時間跨度太大，代表的究竟是同一構(gòu)造事件的不同階段還是兩次獨立的構(gòu)造事件需要進(jìn)一步研究[25]．

尤努斯薩依位于南阿爾金西北緣，江尕勒薩依東部，主要巖石類型為花崗質(zhì)片麻巖和花崗巖．新近，馬拓等[23]通過平衡礦物溫壓估算和相平衡模擬，證實該地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖部分曾經(jīng)歷過超高溫變質(zhì)作用（T>970℃）．研究團(tuán)隊前期在該地區(qū)開展野外工作時發(fā)現(xiàn)，花崗質(zhì)片麻巖中出露了一些石榴子石輝石巖透鏡體，其是否經(jīng)歷過榴輝巖相變質(zhì)？變質(zhì)時代如何？為此，本文對其開展了詳細(xì)的巖相學(xué)、LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)和激光拉曼鋯石包裹體分析，以期獲得這些巖石變質(zhì)程度、變質(zhì)期次和變質(zhì)時代的詳細(xì)信息，為南阿爾金早古生代構(gòu)造演化歷史的恢復(fù)提供新的限定．

1 地質(zhì)概況

阿爾金造山帶位于青藏高原東北緣，夾于柴達(dá)木盆地與塔里木盆地之間，東鄰祁連山，西接昆侖山（圖1(a)），經(jīng)歷了早古生代板塊俯沖碰撞及多期次巖漿活動等一系列復(fù)雜的地質(zhì)演化過程，是由不同時期、經(jīng)歷不同構(gòu)造過程、形成于不同構(gòu)造環(huán)境的地質(zhì)體所組成的復(fù)合造山帶[26?28]．前人由北向南依次將其劃分為阿北地塊、北阿爾金俯沖碰撞雜巖帶、米蘭河-金雁山地塊和南阿爾金俯沖碰撞雜巖帶四個構(gòu)造單元（圖1(b)）．南阿爾金俯沖碰撞雜巖帶以大量早古生代花崗巖的發(fā)育為特征，已有研究在該雜巖帶中識別出～517 Ma、501～496 Ma、462～451 Ma和426～385 Ma四個期次花崗質(zhì)巖石[10,29]．依據(jù)巖石組合及形成環(huán)境，南阿爾金俯沖碰撞雜巖帶又可進(jìn)一步劃分為高壓-超高壓變質(zhì)帶[8,12,16,24]和蛇綠構(gòu)造混雜巖帶[16,30?31]．前者大致呈NE向沿阿爾金主斷裂帶展布，帶內(nèi)已確定的超高壓巖石主要有榴輝巖、石榴子石橄欖巖和含藍(lán)晶石石榴子石花崗質(zhì)片麻巖等[6,8?9,12,20]，高壓變質(zhì)巖石主要是一些泥質(zhì)麻粒巖、花崗質(zhì)麻粒巖及基性麻粒巖等[16?17,32?33]，它們主要呈透鏡體狀產(chǎn)出于副片麻巖或者花崗質(zhì)片麻巖之中[6,8,14,20,24]．蛇綠構(gòu)造混雜巖帶同樣呈NE向沿阿爾金主斷裂帶展布，帶內(nèi)蛇綠巖主要由超鎂鐵質(zhì)巖體和淺變質(zhì)的基性火山巖組成，兩者均呈透鏡體或構(gòu)造巖片的形式賦存于復(fù)理石及碳酸鹽巖地層之中[6,34?36]．

圖1 阿爾金造山帶構(gòu)造位置簡圖（a據(jù)文獻(xiàn)[8]修改）與地質(zhì)簡圖（b據(jù)文獻(xiàn)[9]修改）

2 巖石野外產(chǎn)狀及巖相學(xué)特征

尤努斯薩依地區(qū)位于南阿爾金高壓-超高壓變質(zhì)帶的西北緣（圖1(b)，圖2(a)），出露的巖石類型主要為花崗質(zhì)片麻巖，石榴子石輝石巖呈透鏡狀產(chǎn)出于片麻巖中，透鏡體大小一般為1～8 m，其長軸方向與片麻巖的片麻理方向一致（圖2(b)、圖2(c)）．此外，區(qū)內(nèi)還發(fā)育了一些花崗質(zhì)侵入體．

圖2 尤努斯薩依地質(zhì)簡圖（a據(jù)1﹕100萬青藏高原北部地質(zhì)圖[西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，2006]和文獻(xiàn)[23]修改）與巖石野外產(chǎn)狀（b、c）

本文所研究的石榴子石輝石巖主要組成礦物為石榴子石（40%～45%）、綠輝石（5%～10%）、單斜輝石（10%～15%）、角閃石（10%～15%）、斜長石（10%～15%）和石英（～3%），局部可見少量金紅石和鈦鐵礦（圖3(a)）．其中：石榴子石和綠輝石多以斑晶形式存在，斜長石、石英主要為基質(zhì)．根據(jù)巖相學(xué)觀察，該巖石可識別出三期變質(zhì)礦物組合：（1）榴輝巖相變質(zhì)礦物組合，由粒狀石榴子石、柱狀綠輝石及粒狀金紅石組成（圖3(a)），該組合是典型榴輝巖相變質(zhì)礦物組合；（2）麻粒巖相變質(zhì)礦物組合，以綠輝石邊部出現(xiàn)蠕蟲狀“單斜輝石+斜長石”后成合晶為特征（圖3），可能的礦物組合為石榴子石+單斜輝石+斜長石±金紅石；（3）角閃巖相變質(zhì)礦物組合，以角閃石變斑晶和“角閃石+斜長石”后成合晶的出現(xiàn)為代表（圖3），該階段礦物組合可能為角閃石±石榴子石+斜長石+鈦鐵礦+石英．

圖3 石榴子石輝石巖顯微結(jié)構(gòu)圖（a）與背散射圖（b）

3 樣品分析方法

本文的研究涉及LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年、激光拉曼礦物包裹體分析和電子探針礦物化學(xué)分析．鋯石分選工作是在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成的，其余分析測試項目在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室完成．鋯石U-Pb測年和包裹體分析在環(huán)氧樹脂樣品靶上完成．在雙目顯微鏡下挑選代表性鋯石顆粒經(jīng)環(huán)氧樹脂固定后，拋光至顆粒一半出露，之后進(jìn)行CL圖像采集、激光拉曼礦物包裹體分析和LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年．CL圖像采集在加載了Mono CL3+型陰極發(fā)光探頭的Quanta 400 FEG掃描電鏡上完成．激光拉曼礦物包裹體分析在ReniShaw公司配備514 nm氬離子激光的inVia型激光拉曼分析儀上完成，儀器空間分辨率橫向為1μm、縱向為2μm，測析過程所選光譜范圍為100～1 300 cm?1，為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，測試前以單晶硅為標(biāo)樣進(jìn)行校正．LA-ICP-MS分析在Agilient 7500a型ICP-MS、Compex 102 Excimer型激光器（工作物質(zhì)ArF，波長193 nm）和GeoLas 200M光學(xué)系統(tǒng)的聯(lián)機上進(jìn)行，激光束斑直徑為24μm．礦物微區(qū)分析在日本電子JXA-8230型電子探針儀上完成，分析過程加速電壓為15 kV、電流為20 nA，測點束斑直徑為1μm．

4 分析結(jié)果

4.1 礦物特征

電子探針分析結(jié)果見表1和表2．綠輝石SiO2含量在54.94%～55.80%之間，MgO含量為8.83%～9.18%，變化幅度相對較小，F(xiàn)eOT含量在6.63%～6.96%之間，CaO含量為15.01%～15.49%，Na2O含量介于4.34%～4.64%．通過計算，其硬玉組分達(dá)30 mol%～33 mol%．在輝石成分三角圖解中，所有測點均落入綠輝石區(qū)域（圖4(a)）．石榴子石SiO2含量為38.90%～39.72%，MgO含量為6.74%～7.08%，F(xiàn)eOT含量為21.67%～22.51%，CaO含量為8.79%～9.47%，MnO含量為0.20%～0.26%，鐵鋁榴石（Alm）、鎂鋁榴石（Pyr）和鈣鋁榴石（Grs）組分含量較高，錳鋁榴石（Sps）含量較低（圖4(b)），端元組成為Alm47～48Pyr26～27Grs24～26Sps0.4～0.6，從核部到邊部元素組成較為均一，未見明顯成分環(huán)帶．

表1 綠輝石電子探針分析結(jié)果（wt%）及端元計算

表2 石榴子石電子探針分析結(jié)果（wt%）及端元計算

圖4 輝石成分三角圖解（a據(jù)文獻(xiàn)[37]修改）和石榴子石成分剖面（b）

4.2 鋯石CL圖像及U-Pb年齡

鋯石外形上呈橢圓形或卵形，明顯不同于晶形規(guī)則的巖漿成因鋯石．鋯石顆粒較小，粒徑主要集中于45～70 μm×50～90μm．CL圖像顯示（圖5），部分鋯石具有明顯的“核-邊”結(jié)構(gòu)，另一部分鋯石具有均勻的面狀結(jié)構(gòu)，均表現(xiàn)變質(zhì)鋯石的特征[38]．個別鋯石顆粒發(fā)育強陰極發(fā)光窄邊，但由于寬度過窄而未進(jìn)行測試．

圖5 鋯石CL圖像

利用LA-ICP-MS方法，對該樣品進(jìn)行了25個點的U-Th-Pb和微量元素組成分析，結(jié)果見表3和表4．分析表明，所有測點的Th/U比值均較低，介于0.01～0.14，顯示了變質(zhì)鋯石的特點[39?40]．25個測點的206Pb/238U年齡變化范圍為440～505 Ma，在U-Pb諧和圖上構(gòu)成了兩個年齡集中區(qū)（圖6(a)）．第一個年齡集中區(qū)由14個206Pb/238U年齡介于488～505 Ma的測點組成，加權(quán)平均值為(495±4)Ma（MSWD=0.42）．這些測點多位于均勻無結(jié)構(gòu)鋯石內(nèi)部或者具有“核-邊”結(jié)構(gòu)鋯石核部，重稀土配分曲線相對平坦（圖6(b)），基本無Eu異常（δEu=0.79～1.06），反映鋯石結(jié)晶時無長石類礦物共生，符合榴輝巖相變質(zhì)鋯石稀土元素特征[37]．其余11個206Pb/238U年齡為440～455 Ma的測點構(gòu)成第二個年齡集中區(qū)，加權(quán)平均值為(448±5)Ma（MSWD=0.41），這些測點主體位于具“核-邊”結(jié)構(gòu)鋯石邊部或者均勻無結(jié)構(gòu)鋯石內(nèi)部，重稀土含量范圍較大，部分測點顯示重稀土富集特征，出現(xiàn)明顯Eu負(fù)異常（δEu=0.59～0.63），具有麻粒巖相變質(zhì)鋯石特征．

表3 LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)分析結(jié)果

表4 鋯石稀土元素含量/×10?6

圖6 鋯石U-Pb年齡諧和圖（a）和鋯石稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖（b據(jù)文獻(xiàn)[41]修改）

4.3 激光拉曼鋯石包裹體

激光拉曼分析結(jié)果顯示，鋯石包裹體主要為綠輝石、石榴子石、單斜輝石及金紅石．其中：綠輝石的特征峰為674 cm?1（圖7(a)），石榴子石的特征峰為912 cm?1（圖7(b)），金紅石的特征峰為608 cm?1（圖7(c)），單斜輝石的特征峰為668 cm?1（圖7(d)）．

圖7 鋯石包裹體拉曼光譜分析結(jié)果

5 討論

5.1 退變榴輝巖的確認(rèn)

通過系統(tǒng)的巖相學(xué)、激光拉曼礦物包裹體和礦物化學(xué)研究證實，尤努斯薩依石榴子石輝石巖是榴輝巖退變質(zhì)作用的產(chǎn)物．證據(jù)如下：（1）首先是綠輝石的發(fā)現(xiàn)，本次研究在巖石薄片（圖3）和鋯石包裹體（圖7(a)）中均發(fā)現(xiàn)了綠輝石，綠輝石硬玉組分達(dá)30 mol%～33 mol%，在輝石分類三角圖解中均落入綠輝石區(qū)域（圖4(a)），而且石榴子石+綠輝石+金紅石礦物組合為典型的榴輝巖相礦物組合；（2）所獲鋯石均顯示典型變質(zhì)鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，加權(quán)平均年齡為(495±4)Ma的測點Th/U比值低（Th/U=0.01～0.14），具有HREE平坦、無明顯Eu負(fù)異常的典型榴輝巖相變質(zhì)鋯石稀土配分曲線特征[40]，對應(yīng)鋯石微區(qū)發(fā)現(xiàn)了石榴子石、綠輝石包裹體．上述資料一致表明，本文所研究的石榴子石輝石巖是退變質(zhì)的榴輝巖，南阿爾金高壓-超高壓變質(zhì)帶內(nèi)出露的大量斜長角閃巖、基性麻粒巖中不排除還有榴輝巖退變質(zhì)產(chǎn)物的可能性．

5.2 多期變質(zhì)年齡及其地質(zhì)意義

大陸碰撞造山帶內(nèi)含柯石英、金剛石和斯石英（假象）等超高壓指示標(biāo)志正/副變質(zhì)巖石的發(fā)現(xiàn)，指示陸殼可以俯沖至>80 km的地幔并折返回地表[1]．高密度大洋板片的先期俯沖可以牽引拖曳與其連接的低密度大陸板片進(jìn)入地幔，俯沖大洋板片在地幔深處與大陸板片發(fā)生斷離是引起大陸巖石停止俯沖并折返的可能機制[42]．詳細(xì)的巖石學(xué)研究顯示，南阿爾金高壓-超高壓變質(zhì)帶出露的榴輝巖普遍保留了榴輝巖相、高壓麻粒巖相以及角閃巖相多期變質(zhì)礦物組合，榴輝巖相變質(zhì)礦物組合為“Grt+Omp+Ru+Q/Coe”，高壓麻粒巖相變質(zhì)階段以綠輝石分解為“Cpx+Pl1”后成合晶為標(biāo)志，之后圍繞石榴子石和“Cpx+Pl1”合晶邊部形成的“Amp+Pl2”后成合晶則代表了角閃巖相變質(zhì)作用[8,20,33,43?44]．淡水泉花崗質(zhì)麻粒巖、泥質(zhì)麻粒巖以及木納布拉克泥質(zhì)麻粒巖在峰期變質(zhì)后，同樣經(jīng)歷了至少2期退變質(zhì)改造[16?17,32]．而且相平衡模擬和傳統(tǒng)的礦物溫壓計算表明，這些出露于不同地區(qū)、不同類型的高壓-超高壓巖石均經(jīng)歷了順時針的P?T演化軌跡[8,16?17,32]，其形成與陸殼俯沖碰撞有關(guān)．年代學(xué)方面，帶內(nèi)的榴輝巖在493～503 Ma期間發(fā)生榴輝巖相變質(zhì)[8,20,33,43?44]，部分樣品記錄了1期455～463 Ma變質(zhì)年齡[8,20]，花崗質(zhì)麻粒巖與泥質(zhì)麻粒巖的峰期變質(zhì)時代為486～505 Ma[16?17,32]．盡管上述高壓-超高壓巖石的峰期變質(zhì)條件存在一定差異，但它們具有近乎一致的峰期變質(zhì)時代，表明南阿爾金地區(qū)在早古生代期間發(fā)生了大規(guī)模的陸殼俯沖-深俯沖[32]．但是，455～463 Ma變質(zhì)年齡代表的究竟是～500 Ma峰期變質(zhì)后的退變質(zhì)階段，還是與～500 Ma變質(zhì)事件代表了兩次獨立的構(gòu)造事件仍存在爭議[8,17,25]．

尤努斯薩依退變榴輝巖保留了3期變質(zhì)礦物組合，分別為榴輝巖相變質(zhì)礦物組合“石榴子石+綠輝石+金紅石”、麻粒巖相變質(zhì)礦物組合“石榴子石+單斜輝石+斜長石±金紅石”以及角閃巖相變質(zhì)礦物組合“角閃石+斜長石+鈦鐵礦+石英±石榴子石”（圖3），反映該巖石經(jīng)歷了多期變質(zhì)作用．鋯石原位U-Pb定年獲得2期變質(zhì)年齡，分別為(495±4)Ma和(448±5)Ma．其中：(495±4)Ma測點具榴輝巖相變質(zhì)鋯石稀土元素配分曲線特征（圖6(b)），包裹榴輝巖相變質(zhì)礦物組合（圖7(a)、圖7(b)），代表了榴輝巖相變質(zhì)時代；(448±5)Ma測點具有麻粒巖相變質(zhì)鋯石稀土元素配分曲線特征（圖6(b)），包裹體中出現(xiàn)單斜輝石（圖7(d)），代表了麻粒巖相變質(zhì)時代．值得注意的是，這兩期年齡測點部分位于單顆粒鋯石的不同微區(qū)，因此，更可能代表了同一變質(zhì)事件的不同階段，即該巖石在～500 Ma經(jīng)歷峰期變質(zhì)后，極有可能在～450 Ma折返過程中疊加了麻粒巖相退變質(zhì)作用．

此外，對南阿爾金俯沖碰撞雜巖帶早古生代花崗質(zhì)巖石的詳細(xì)研究表明，該地區(qū)花崗質(zhì)巖漿活動具有階段性演化特征，可以分為～517 Ma、496～501 Ma、451～462 Ma和385～426 Ma四個期次[10,29]．其中：第1期（～517 Ma）主要巖石類型為花崗閃長巖，顯示低K2O、高Na2O和Mg#值的洋殼俯沖型埃達(dá)克巖特征，是南阿爾金早古生代洋殼在俯沖過程中部分熔融的產(chǎn)物[29]；第2期（496～501 Ma）花崗質(zhì)巖石以長沙溝花崗閃長巖和魚目泉混合花崗巖為代表，兩者均具有高K2O/Na2O比值以及高Sr、低Yb和Y的陸殼部分熔融埃達(dá)克巖特征，被解釋為陸殼深俯沖導(dǎo)致地殼加厚背景下由下地殼發(fā)生部分熔融的產(chǎn)物[29,31,45?46]；第3期（451～462 Ma）花崗質(zhì)巖石在南阿爾金地區(qū)廣泛分布，屬過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性巖石系列，主體顯示S型花崗巖特征[10,31,47?48]，部分熔融溫度高（>800℃），形成于碰撞擠壓向伸展抬升轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)力釋放階段，可能與俯沖陸殼板片斷離后幔源巖漿上涌引發(fā)中上地殼巖石部分熔融有關(guān)[10,29]；第4期（385～426 Ma）花崗質(zhì)巖石主要為富堿的高鉀鈣堿性A型花崗巖[47?50]，形成于造山后伸展減薄階段[10,51?52]．因此，多期次花崗質(zhì)巖石的發(fā)育同樣暗示南阿爾金在早古生代經(jīng)歷了>500 Ma的大洋俯沖、～500 Ma的大陸俯沖碰撞以及之后～450 Ma和＜426 Ma的俯沖陸殼折返抬升的構(gòu)造演化過程．

綜上所述，本文認(rèn)為尤努斯薩依退變榴輝巖是陸殼在(495±4)Ma發(fā)生俯沖-深俯沖和榴輝巖相峰期變質(zhì)、之后在(448±5)Ma由于俯沖板片斷離發(fā)生折返抬升并疊加了麻粒巖相退變質(zhì)作用的產(chǎn)物，角閃巖相退變質(zhì)發(fā)生在折返抬升過程的更晚期．

6 結(jié)論

（1）通過巖相學(xué)觀察和鋯石激光拉曼礦物包裹體分析，在尤努斯薩依石榴子石輝石巖中發(fā)現(xiàn)了綠輝石，表明其經(jīng)歷過榴輝巖相變質(zhì)作用，是榴輝巖退變質(zhì)的產(chǎn)物．

（2）利用LA-ICP-MS方法，獲得了(495±4)Ma和(448±5)Ma兩期變質(zhì)年齡，前者具有榴輝巖相變質(zhì)鋯石稀土元素組成特征，對應(yīng)鋯石微區(qū)礦物組合為“石榴子石+綠輝石”，代表了榴輝巖相變質(zhì)時代；后者具有麻粒巖相變質(zhì)鋯石稀土元素組成特征，對應(yīng)鋯石微區(qū)出現(xiàn)單斜輝石，代表了麻粒巖相變質(zhì)時代．

（3）結(jié)合已有研究，尤努斯薩依退變榴輝巖在(495±4)Ma經(jīng)歷了陸殼俯沖-深俯沖和榴輝巖相變質(zhì)作用，在(448±5)Ma經(jīng)歷折返抬升，疊加了麻粒巖相退變質(zhì)作用，這兩期變質(zhì)年齡代表了同一地質(zhì)事件的不同階段．