華北克拉通清原地體新太古代和古元古代兩期麻粒巖相變質(zhì)作用*

崔潤(rùn)澤 魏春景 段站站

1. 造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,北京 100871 2. 河北地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,石家莊 050031

華北克拉通從新太古代到古元古代的構(gòu)造演化是近年來研究的熱點(diǎn),當(dāng)前主要有三種不同的構(gòu)造模型。第一種模型認(rèn)為,華北克拉通包括4個(gè)太古宙地塊,即陰山、鄂爾多斯、龍崗和狼林地塊(圖1a)。這些地塊依次拼合,在～1.95Ga形成了孔茲巖帶和西部陸塊,在～1.90Ga形成了膠-遼-吉帶和東部陸塊,最后在～1.85Ga形成了華北中部造山帶(TNCO)和整個(gè)華北克拉通(Zhaoetal., 2012, 2005)。第二種模型認(rèn)為,華北克拉通是在新太古代末期(～2.5Ga)通過微陸塊和島弧拼貼形成的(Zhaietal., 2005, 2000; Zhai and Santosh, 2011),隨后在古元古代(約2.0～1.82Ga)期間經(jīng)歷了裂谷-俯沖-增生-碰撞等一系列構(gòu)造過程,形成了三個(gè)活動(dòng)帶,即豐鎮(zhèn)帶、晉豫帶以及膠-遼-吉帶。第三種模型認(rèn)為華北克拉通可能包括兩個(gè)太古宙地塊,即東部、西部陸塊,二者在2.5～2.4Ga發(fā)生碰撞形成了中部造山帶(Central Orogenic Belt)(Kusky and Li, 2003; Kuskyetal., 2016)。隨后,在2.3～1.9Ga期間,華北克拉通北緣轉(zhuǎn)變?yōu)榘驳谒剐痛箨戇吘?在1.9～1.85Ga期間,華北克拉通與缺失大陸發(fā)生碰撞,并沿華北克拉通北緣形成內(nèi)蒙-冀北造山帶(Kuskyetal., 2016)。此外,對(duì)華北克拉通太古宙變質(zhì)作用的構(gòu)造體制也存在著爭(zhēng)論:(1)地幔柱模型(Gengetal., 2006; Wuetal., 2013; Zhaoetal., 1999);(2)板塊俯沖-碰撞模型(Kuskyetal., 2016);(3)微陸塊或島弧的碰撞拼貼模型(Zhai and Santosh, 2011);(4)太古宙特有的沉落(sagduction)模型(Duanetal., 2017; Liu and Wei, 2020; Wu and Wei, 2021; Yang and Wei, 2017)。沉落過程是指花崗質(zhì)巖漿底辟上涌同時(shí)表殼巖下墜,最終形成區(qū)域性的穹隆-龍骨(dome-and-keel)構(gòu)造(Collinsetal., 1998; Fran?oisetal., 2014)。因此,對(duì)華北克拉通新太古代和古元古代構(gòu)造演化仍需深入研究。

圖1 華北克拉通構(gòu)造分區(qū)(a,據(jù)Zhao et al., 2005修改)和清原地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b,據(jù)萬渝生等, 2005b; Peng et al., 2015; Li and Wei, 2017修改)。

清原地體位于遼寧北部,地處龍崗地塊的東北部(圖1a, b)。清原地體發(fā)育有太古宙克拉通典型的穹隆-龍骨構(gòu)造(Anhaeusser, 2014; Collinsetal., 1998; Hickman, 2004; Lin and Beakhouse, 2013),表現(xiàn)為不同規(guī)模的表殼巖以帶狀或皮筏狀散布在TTG(tonalite-trondhjemite-granodiorite)片麻巖穹隆之間或穹隆之內(nèi)。清原地體的表殼巖普遍在2.52～2.48Ga經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)作用,只有在線金廠和唐力地區(qū)分布著少量的麻粒巖相表殼巖(萬渝生等, 2005a, b; Pengetal., 2015; Wuetal., 2016; Li and Wei, 2017; Wu and Wei, 2021)。Wuetal. (2013)報(bào)道稱紅透山地區(qū)的新太古代石榴角閃巖可能具有逆時(shí)針P-T軌跡,峰值條件為0.77～0.84GPa/780～810℃,并推測(cè)其變質(zhì)可能是大量的幔源巖漿底侵導(dǎo)致的,但缺乏相關(guān)的年代學(xué)數(shù)據(jù)。Duanetal. (2019)報(bào)道稱線金廠地區(qū)部分變質(zhì)基性巖墻在～1.84Ga經(jīng)歷了高壓麻粒巖相變質(zhì)作用,P-T軌跡為順時(shí)針型,峰期條件為1.07±0.06GPa/780±70℃。Wu and Wei (2021)報(bào)道了清原地區(qū)兩種不同的石榴角閃巖:變質(zhì)年齡為～2.5Ga的石榴角閃巖具有逆時(shí)針的P-T軌跡,峰期條件為～1.0GPa/870～890℃,這期變質(zhì)作用與太古宙特有的垂俯沖構(gòu)造體制有關(guān);變質(zhì)年齡為～1.85Ga的石榴角閃巖具有順時(shí)針P-T軌跡,峰期條件為0.9～1.0GPa/720～740℃,與晚古元古代華北地殼增厚造山事件有關(guān)。但是,目前對(duì)清原地區(qū)新太古代的麻粒巖相變質(zhì)作用尚缺少系統(tǒng)研究,還不清楚它們是否經(jīng)歷了古元古代變質(zhì)作用疊加,因而制約了對(duì)其構(gòu)造意義的認(rèn)識(shí)。

本文選取清原地區(qū)麻粒巖和變質(zhì)基性巖墻樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的巖相學(xué)、礦物化學(xué)、相平衡模擬和鋯石-獨(dú)居石年代學(xué)研究,以確定它們的變質(zhì)演化過程及其構(gòu)造意義。

1 地質(zhì)背景

遼北清原地體主要由英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)-花崗閃長(zhǎng)質(zhì)(TTG)-花崗質(zhì)片麻巖和少量表殼巖組成,TTG質(zhì)-花崗質(zhì)片麻巖呈穹隆產(chǎn)出,而表殼巖則以帶狀或皮筏狀產(chǎn)于片麻巖中(圖1b)。表殼巖由下至上可劃分為石棚子組、紅透山組和南天門組(Zhaietal., 1985)。石棚子組主要由麻粒巖、斜長(zhǎng)角閃巖、輝石角閃巖、黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、石榴方輝石巖等組成,可能的原巖有科馬提巖、拉斑玄武巖、英安巖和富鐵沉積物。紅透山組以斜長(zhǎng)角閃巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖為主,含少量夕線石或藍(lán)晶石片麻巖,其原巖可能為拉斑玄武巖、英安巖以及泥質(zhì)-雜砂質(zhì)沉積巖。南天門組主要由黑云斜長(zhǎng)片麻巖、二云母片巖、斜長(zhǎng)角閃巖、磁鐵石英巖和大理巖組成,其原巖可能為凝灰?guī)r、泥質(zhì)-雜砂質(zhì)沉積巖、基性火山巖、條帶狀鐵質(zhì)建造以及碳酸鹽巖。鋯石年代學(xué)顯示,表殼巖的變質(zhì)年齡約為2.55～2.43Ga(萬渝生等, 2005a; 白翔等, 2014; Pengetal., 2015; Wangetal., 2016a; Wuetal., 2016; Li and Wei, 2017; Wu and Wei, 2021)。

清原地區(qū)的TTG質(zhì)-花崗質(zhì)片麻巖侵位時(shí)間為2.57～2.48Ga(萬渝生等, 2005a; 白翔等, 2014; Pengetal., 2015; Wangetal., 2016a, b; Wuetal., 2016; 王康等, 2018; Lietal., 2020; 袁玲玲等, 2020),并且和表殼巖一樣經(jīng)歷了角閃巖相到麻粒巖相的變質(zhì)作用,變質(zhì)年齡為2.55～2.42Ga(白翔等, 2014; Lietal., 2020; Wangetal., 2016a, b)。Wangetal. (2016a)指出湯圖-馬圈子地區(qū)的英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)(TT)片麻巖為中鉀鈣堿性系列,可分為高鎂型和低鎂型兩類。高鎂型片麻巖形成于2.55～2.53Ga,由俯沖板片部分熔融所致,而低鎂型形成于2.59～2.58Ga,與新生下地殼部分熔融有關(guān)。Wangetal. (2016b)認(rèn)為清原地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖,包括石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)質(zhì)-二長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖,侵位于2.52～2.49Ga,其中石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿是由受到板片來源流體交代的虧損地幔部分熔融形成的,而二長(zhǎng)花崗質(zhì)巖漿則由變雜砂巖部分熔融形成。王康等(2018)報(bào)道了新賓-葦子峪地區(qū)的二長(zhǎng)花崗巖-正長(zhǎng)花崗的侵位年齡為～2.55Ga,其成因可能與雜砂巖部分熔融或含有沉積物的基性火山巖部分熔融有關(guān)。

對(duì)清原地區(qū)新太古代構(gòu)造機(jī)制眾說紛紜。萬渝生等(2005b)認(rèn)為,清原地區(qū)在2.56～2.51Ga期間發(fā)生了洋殼俯沖,隨后在2.48～2.47Ga演變?yōu)榛?陸碰撞。Wangetal. (2016a, b, 2017)關(guān)于花崗質(zhì)巖石的研究也支持這種“活動(dòng)大陸邊緣”構(gòu)造模型。與此相似,Pengetal. (2015)也認(rèn)為清原地體代表殘留的新太古代弧根,可能與熱洋板片平俯沖有關(guān),沒有地幔楔出現(xiàn)。然而,Li and Wei (2017)通過對(duì)清原地區(qū)玄武質(zhì)巖石的研究認(rèn)為它們形成于一種原始地幔柱環(huán)境。Zhaietal. (1985)認(rèn)為清原綠巖帶可能代表位于熱點(diǎn)之上的大陸裂谷。

清原地區(qū)還存在很多古元古代變質(zhì)基性巖墻(圖1b、圖2),它們穿切了新太古代侵入巖和表殼巖。Duanetal. (2019)和 Wu and Wei (2021)的研究認(rèn)為它們經(jīng)歷了高壓麻粒巖相-角閃巖相變質(zhì)作用,具有順時(shí)針型P-T軌跡,峰值條件為0.9～1.1GPa/720～780℃。巖墻侵位時(shí)間為～2.12Ga,變質(zhì)時(shí)間為～1.85Ga,變質(zhì)作用可能與地殼增厚造山事件有關(guān)。

圖2 顯示巖性分布和樣品采集點(diǎn)的清原地區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)Duan et al., 2019修改)

本次研究主要包括3個(gè)樣品,其中中性麻粒巖(樣品17GN01)采自枸乃甸子鄉(xiāng)公路旁(N42°11′21.758″、E124°54′54.721″),石榴方輝石巖(樣品18XM09)采自新民屯公路對(duì)面山根處的采石坑(N124°57′21.839″、E42°13′0.113″),變質(zhì)基性巖墻(樣品20DJ08)采自東井溝村公路旁的采石坑(N124°57′55.523″、E42°12′14.957″),具體的采樣地點(diǎn)如圖2所示。清原地區(qū)不同巖石之間的關(guān)系如圖3a-c所示,表殼巖中的基性麻粒巖、中性麻粒巖以及變富鐵沉積巖互層產(chǎn)出,與TTG質(zhì)片麻巖的片麻理產(chǎn)狀一致,但TTG質(zhì)片麻巖中可見大小不等的表殼巖包體。表殼巖呈現(xiàn)不同程度的部分熔融,所形成的淺色體多呈條帶狀分布(圖3b)。有些基性麻粒巖的淺色體中出現(xiàn)石榴石和斜方輝石等。變富鐵沉積巖主要為石榴方輝石巖(圖3d, e),在石英層、石英脈或淺色體脈中常含有粒度較粗、較自形的石榴石和斜方輝石。變質(zhì)基性巖墻穿切了區(qū)內(nèi)表殼巖和TTG質(zhì)片麻巖的片麻理,保留了較好的輝綠結(jié)構(gòu),礦物粒度從巖墻邊部向中心有變粗的趨勢(shì)。

圖3 清原地區(qū)表殼巖的野外露頭照片

2 分析方法

本文所研究的清原地區(qū)樣品的全巖主量元素測(cè)試分析是在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的,使用的儀器是電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)。礦物化學(xué)分析、背散射電子成像(BSE)使用了北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院的JXA-8100型號(hào)的電子探針以及南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司的JXA-iSP100型號(hào)的電子探針。JXA-8100的測(cè)試條件為:加速電壓15kV,電流10nA,束斑直徑為2μm(測(cè)試黑云母時(shí)為5μm),使用SPI公司的53種礦物作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。JXA-iSP100的測(cè)試條件為:加速電壓為15kV,電流為20nA,束斑直徑為5μm(測(cè)試黑云母時(shí)為10μm)。

所研究樣品的鋯石靶制作:鋯石和獨(dú)居石礦物顆粒先進(jìn)行重液-磁選分離,然后在雙目顯微鏡下手工挑選。將挑選出的礦物顆粒固定在環(huán)氧樹脂上,通過拋光以暴露顆粒中心。將鋯石和獨(dú)居石在透射光和反射光下拍攝,用以辨別其中的包裹體和裂隙。鋯石陰極發(fā)光圖像(CL)和獨(dú)居石的背散射圖像(BSE)是在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司的Tescan MIRA3 LM儀器上完成的。

樣品17GN01的鋯石U-Pb年代學(xué)測(cè)試及微量元素分析在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,使用連接了193nm ArF準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)(COMPexPro 102)和自動(dòng)定位系統(tǒng)的Agilent 7500c ICP-MS系統(tǒng)。激光頻率為10Hz,激光束斑直徑為32μm。測(cè)試主標(biāo)為鋯石91500(Wiedenbecketal., 1995),次標(biāo)為鋯石Ple?ovice(Slámaetal., 2008)。測(cè)試的8個(gè)91500的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1055±21Ma(2SE; MSWD=0.39),和參考的TIMS年齡(1065.4±0.3Ma; 2SE)幾乎一致(誤差在2σ以內(nèi))(Wiedenbecketal., 1995)。測(cè)試的4個(gè)Ple?ovice鋯石的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為337±11Ma(2SE; MSWD=0.067),和參考的TIMS年齡(337.1±0.4Ma; 2SE)幾乎一致(Slámaetal., 2008)。測(cè)試REEs、Ti、U、Th和Pb元素的濃度使用29Si作為內(nèi)部校準(zhǔn),NIST(610、612、614)作為外部參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。使用GLITTER 4.4計(jì)算207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235U比值和表觀年齡(Van Achterberghetal., 2001)。使用Isoplot 4.15繪制鋯石U-Pb諧和圖及加權(quán)平均年齡圖(Ludwig, 2012)。

樣品18XM09以及20DJ08的鋯石U-Pb年代學(xué)測(cè)試及微量元素分析在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室完成,使用配備Resolution SE 193nm激光燒蝕(LA)系統(tǒng)的Agilent 7900 ICP-MS系統(tǒng)。詳細(xì)的調(diào)優(yōu)參數(shù)可參照Thompsonetal. (2018)。測(cè)試的主標(biāo)和次標(biāo)分別為鋯石91500(Wiedenbecketal., 1995)、GJ-1(Jacksonetal., 2004)。測(cè)試過程中,對(duì)于樣品18XM09測(cè)試了7次鋯石91500,207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1046±28Ma(2SE; MSWD=0.34);對(duì)于樣品20DJ08測(cè)試了21次鋯石91500,207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1032±35Ma(2SE; MSWD=0.13)。它們的測(cè)試結(jié)果和參考的TIMS年齡(1065.4±0.3Ma; 2SE)幾乎相同(誤差在2σ以內(nèi))(Wiedenbecketal., 1995)。樣品18XM09測(cè)試了4次鋯石GJ-1,207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為584±32Ma(2SE; MSWD=0.88);對(duì)于樣品20DJ08測(cè)試了10次鋯石GJ-1,207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為582±48Ma(2SE; MSWD=0.08)。它們的測(cè)試結(jié)果和參考的TIMS年齡(608.5±0.4Ma; 2SE)保持一致(Jacksonetal., 2004)。使用91Zr作為內(nèi)部校準(zhǔn),NIST(610)作為外部參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)來測(cè)試REEs、Ti、U、Th和Pb元素。數(shù)據(jù)處理采用Iolite軟件包(Patonetal., 2010)。使用Isoplot 4.15繪制鋯石U-Pb諧和圖及加權(quán)平均年齡圖(Ludwig, 2012)。

樣品18XM09的獨(dú)居石U-Pb年代學(xué)測(cè)試及微量元素分析在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室完成,使用配備了193nm ArF準(zhǔn)分子激光的Agilent 7900 ICP-MS系統(tǒng),激光剝蝕束斑直徑大小為16μm。測(cè)試主標(biāo)為獨(dú)居石44069(Aleinikoffetal., 2006),次標(biāo)為獨(dú)居石Trebilcock(Tomascaketal., 1996)。測(cè)試44069獨(dú)居石7次的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為424.7±2.3Ma(2SE; MSWD=0.29),和參考的TIMS年齡(427.6±3.6Ma)幾乎一致(誤差在2σ以內(nèi))(Aleinikoffetal., 2006)。測(cè)試Trebilcock獨(dú)居石4次,207Pb/235U加權(quán)平均年齡為271.2±5.5Ma(2SE; MSWD=0.76),和參考的TIMS年齡(271.5±2Ma; 2σ)幾乎一致(Tomascaketal., 1996)。測(cè)試REEs、Ti、U、Th和Pb元素的濃度時(shí),使用La、Ce作為內(nèi)部校準(zhǔn),NIST(610)作為外部參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。使用ICPMSDataCal軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(Liu, 2016; Liuetal., 2010)。使用Isoplot 4.15繪制獨(dú)居石U-Pb諧和圖及加權(quán)平均年齡圖(Ludwig, 2012)。

3 巖石學(xué)特征

3.1 全巖成份特征

中性麻粒巖(樣品17GN01)顯示高鋁安山巖成份(表1):SiO2=54.83%、Al2O3=19.57%、Fe2O3=9.10%、MgO=3.41%、CaO=5.63%、Na2O=4.17%,Mg#=0.42、A/CNK=1.05。與之相比,由富鐵沉積物形成的石榴方輝石巖(樣品17XJ01和18XM09)SiO2含量低(45.88%～46.54%)、Al2O3低(8.79%～8.95%)、Na2O低(0.01%～0.06%)、Mg#低(0.14～0.24),但Fe2O3含量高(35.66%～40.00%)、相對(duì)富鋁,A/CNK=1.59～1.70。變基性巖墻(樣品20DJ08)具有玄武巖的成份,Mg#=0.52。

表1 清原地區(qū)樣品的全巖成份以及相平衡模擬用的有效全巖

3.2 巖相學(xué)和礦物化學(xué)特征

樣品17GN01、18XM09、20DJ08的顯微照片見圖4、圖5、圖6,代表性礦物成份見表2、表3、表4,礦物成份變化圖見圖7、圖8。

表2 清原地區(qū)的中性麻粒巖(樣品17GN01)中代表性礦物的探針分析(wt%)

圖4 清原地區(qū)中性麻粒巖(樣品17GN01)顯微照片

圖5 清原地區(qū)石榴方輝石巖(樣品18XM09)顯微照片

圖6 清原地區(qū)變質(zhì)基性巖墻(樣品20DJ08)顯微照片

圖7 清原地區(qū)樣品中代表性礦物的成份特征圖

圖8 清原地區(qū)變質(zhì)基性巖墻(樣品20DJ08)代表性礦物的成份特征圖

3.2.1 中性麻粒巖(樣品17GN01)

樣品17GN01的礦物組合為石榴石(8vol%)、單斜輝石(2vol%)、斜方輝石(5vol%)、黑云母(12vol%)、斜長(zhǎng)石(63vol%)、鉀長(zhǎng)石(4vol%)、石英(5vol%)及鈦鐵礦(1vol%)(圖4a-j)。其中黑云母、斜方輝石和石英等均有定向分布,形成片麻理(圖4a)。石榴石有兩類(Grt1和Grt2),二者含量相等。Grt1為半自形-他形,粒度0.1～0.5mm,部分顆粒有黑云母(Bt0)和鉀長(zhǎng)石(Ksp1)包裹體(圖4b, c, e)。

Grt1的XGrs(=Ca/(Mg+Fe+Ca+Mn),XAlm,XSps和XPy的定義以此類推)為0.18～0.21,從核到幔和邊部有先升高后降低的趨勢(shì)(圖7a)。XPy在核-幔部較為均勻,為0.16～0.18,但是到邊部降低到0.13。XAlm(0.59～0.65)則展現(xiàn)出與XPy相反趨勢(shì)的環(huán)帶,核-幔部比較均勻,向邊部升高。XSps比較均勻,為0.02～0.03。Grt1成份環(huán)帶變化微弱可能是受到了“均一化作用”的影響(Spear and Florence, 1992)。而環(huán)帶不對(duì)稱可能是由于Grt1內(nèi)存在的Bt0包裹體。Grt2與石英組成了環(huán)礁狀的后成合晶圍繞在黑云母(Bt1)、斜方輝石、Grt1或其他后成合晶周圍(圖4b, d, e, g, j)。在黑云母周圍,靠近黑云母一側(cè),Grt2包裹體變少(圖4d)。Grt2與Grt1的成份類似,XGrs=0.19～0.21,XPy=0.13～0.17,XAlm=0.60～0.65,XSps=0.02～0.03。單斜輝石粒度0.01～0.1mm,生長(zhǎng)在斜方輝石周圍或與黑云母(Bt1)和石英組成后成合晶(圖4b, c, f-i),具有透輝石成份,XWo=0.46～0.51,XEn=0.35～0.38(Morimoto, 1988)。斜方輝石為他形-半自形柱狀,粒度0.1～0.8mm(圖4a-c, f),具有斜鐵輝石成份(Morimoto, 1988),其XWo=0.01,XEn=0.44～0.52。黑云母有三類(Bt0-2)。Bt0作為其他礦物的包裹體出現(xiàn)(圖4b-d),其XMg=0.54～0.62,Ti=0.26～0.32p.f.u.(表2)。Bt1為半自形-自形片狀,出現(xiàn)于基質(zhì)中,粒度0.1～0.3mm(圖4b-d);XMg為0.52～0.56;Ti=0.26～0.34p.f.u.(表2)。Bt2為他形粒狀-半自形片狀礦物,與石英等構(gòu)成后成合晶,粒度0.01～0.03mm(圖4b, c, g-j),其XMg=0.54～0.57,Ti=0.28～0.31p.f.u.。斜長(zhǎng)石有兩種類型(Pl1和Pl2)。Pl1為半自形-他形,是巖石中的最主要礦物,粒度0.1～2mm(圖4b, d, f)。部分Pl1較自形,可能與熔體加粗有關(guān)(圖4b, f)。Pl1的XAn(=Ca/(Ca+Na+K))具有核-幔-邊先降低后升高的成份環(huán)帶(0.38→0.36→0.39),有些顆粒在外邊部XAn再次降低(0.38→0.31)(圖7c, d)。Pl2生長(zhǎng)在Pl1的邊部,在BSE圖像中顏色較Pl1更深(圖4b),其XAn更低,為0.30～0.35(表2)。鉀長(zhǎng)石為他形,粒度0.01～0.02mm,或與石英一起(Ksp1)出現(xiàn)于石榴石附近(圖4e)或出現(xiàn)于黑云母和石英等構(gòu)成的后成合晶中(Ksp2)(圖4c),二者成份相近,XOr=0.92～0.97。此外,該巖石發(fā)育大量深熔巖(anatexite)的結(jié)構(gòu),出現(xiàn)由后成合晶組成的熔體通道(圖4i)及熔體囊假象(圖4b, d, j)。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)關(guān)系和礦物成份,可以劃分出兩期變質(zhì)組合:第一期包括峰期礦物組合和固相線組合,前者為Grt1+Opx+Pl1+Ksp1+Qz+Ilm,后者以Bt1的生長(zhǎng)為特征,包體Bt0可能代表了進(jìn)變質(zhì)過程。第二期為疊加變質(zhì)組合,以出現(xiàn)Grt2+Qz和Bt2+Qz±Cpx±Ksp2后成合晶為特征。

3.2.2 石榴方輝石巖(樣品18XM09)

樣品18XM09礦物組合為:石榴石(40vol%)、斜方輝石(40vol%)、角閃石(1vol%)、黑云母(5vol%)、斜長(zhǎng)石(1vol%)、石英(6vol%)及磁鐵礦(7vol%),其中石榴石和斜方輝石分別集中呈條帶狀分布(圖5a)。石榴石可分成三類(Grt0-2)。Grt0呈包裹體產(chǎn)于斜方輝石Opx1中,自形粒狀-渾圓狀,粒度0.05～0.1mm(圖5d, e),其XGrs=0.19～0.20,XPy=0.06～0.07,XAlm=0.72～0.74,XSps=0.01～0.02。Grt1為半自形-自形顆粒,粒度0.1～2mm(圖5b, c),構(gòu)成巖石的主要礦物之一,偶爾含有斜方輝石(Opx0)以及黑云母(Bt0)的包裹體(圖5c, g),其XGrs=0.17～0.20,且具有從核到邊逐漸升高的微弱環(huán)帶(圖7b),XPy=0.05～0.10,XAlm=0.69～0.74,XSps=0.01～0.02。Grt2與石英構(gòu)成后成合晶,圍繞在Grt1或斜方輝石(Opx1)周圍生長(zhǎng)(圖5b),其成份為XGrs=0.16～0.20,XPy=0.07～0.10,XAlm=0.71～0.73,XSps=0.01。三類石榴石成份都很類似。斜方輝石分為兩類(Opx0-1)。Opx0呈渾圓狀包裹體產(chǎn)于Grt1中,粒度0.05～0.2mm(圖5c)。Opx1為他形-半自形柱狀顆粒,粒度0.1～2mm(圖5a, c),構(gòu)成巖石的主要礦物之一。Opx0和Opx1成份類似,都是斜鐵輝石(Morimoto, 1988),XWo=0.01～0.02,XEn=0.27～0.36。角閃石為他形,粒度0.01～0.2mm,呈填隙狀生長(zhǎng)在斜方輝石之間(圖5f),具有韭閃石或鎂質(zhì)普通角閃石成份(Hawthorneetal., 2012),Ti=0.11～0.18p.f.u.,XMg=0.29～0.34,A(Na+K)=0.38～0.57,C(Al+Fe3++2Ti)=1.14～1.38。黑云母(Bt1)呈填隙狀生長(zhǎng)在石榴石或斜方輝石之間,為巨大的骸晶狀(圖5a, e, g),其XMg=0.30～0.33,Ti=0.23～0.28p.f.u.。另一類黑云母Bt0為Grt1的包裹體,渾圓狀,粒度0.05～0.2mm,其XMg為0.32～0.41,Ti為0.25～0.26p.f.u.。斜長(zhǎng)石同樣呈巨大骸晶狀生長(zhǎng)在石榴石及斜方輝石顆粒之間(圖5h),其XAn=0.24～0.34。上述角閃石、黑云母(Bt1)和斜長(zhǎng)石均與熔體結(jié)晶有關(guān)。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)關(guān)系和礦物成份,可以劃分出四個(gè)世代礦物組合:峰前進(jìn)變質(zhì)組合、峰期組合、固相線組合及疊加變質(zhì)組合。峰前進(jìn)變質(zhì)組合以Grt1包裹Opx0為特征;峰期礦物組合主要為Grt0-1+Opx1+Qz。固相線組合以填隙生長(zhǎng)的斜長(zhǎng)石、黑云母和角閃石為特征,也包括峰后階段包裹Grt0生長(zhǎng)的Opx1。疊加變質(zhì)組合以Grt2+Qz的后成合晶為特征。前三個(gè)世代礦物組合代表第一期麻粒巖相變質(zhì)作用,疊加變質(zhì)組合代表第二期麻粒巖相變質(zhì)改造。

3.2.3 變質(zhì)基性巖墻(樣品20DJ08)

樣品20DJ08的礦物組合為:石榴石(17vol%)、單斜輝石(20vol%)、角閃石(16vol%)、黑云母(4vol%)、斜長(zhǎng)石(27vol%)、石英(8vol%)、和鈦鐵礦及磁鐵礦(8vol%)(圖6)。石榴石或呈現(xiàn)他形-半自形粒狀(粒度0.05～0.25mm),或呈冠狀體圍繞輝石、斜長(zhǎng)石,后者常與石英構(gòu)成后成合晶(圖6b)。石榴石XPy從核到?；蜻叢柯杂猩?0.17(0.20),從幔到邊部降低到0.15(圖8a);XGrs從核到邊降低(0.29→0.23);XAlm為0.53～0.59,邊部明顯升高;XSps=0.02～0.03向邊部略有升高。單斜輝石分為兩類(Cpx1-2)。Cpx1為他形-半自形柱狀,粒度0.2～0.8mm,為殘留的巖漿單斜輝石(圖6a-c),其XWo=0.42～0.48,XEn=0.38～0.41,為普通輝石-透輝石(Morimoto, 1988)。Cpx2呈他形粒狀或呈晶芽狀與石英構(gòu)成后成合晶,生長(zhǎng)在Cpx1周圍,粒度0.01～0.05mm(圖6b, c),其XEn=0.37～0.40,XWo=0.47～0.51,為變質(zhì)成因透輝石。角閃石呈他形粒狀,或者呈晶芽狀與石英構(gòu)成后成合晶生長(zhǎng)在Cpx1周圍(圖6b, c),為韭閃石或鎂質(zhì)普通角閃石(Hawthorneetal., 2012),Ti=0.10～0.18p.f.u.,XMg=0.59～0.65(圖8c),A(Na+K)=0.23～0.54,C(Al+Fe3++2Ti)=0.72～1.25。黑云母為他形片狀,粒度0.05～0.2mm,XMg=0.45～0.53,Ti=0.27～0.29p.f.u.(圖6b)。斜長(zhǎng)石分為兩類,巖漿斜長(zhǎng)石Pla(核)與變質(zhì)斜長(zhǎng)石Plb(邊),二者的消光性與BSE圖像都有明顯差異(圖6c, d)。板柱狀的自形斜長(zhǎng)石直徑0.05～0.2mm,與單斜輝石構(gòu)成了很好的輝綠結(jié)構(gòu)(圖6a)。位于核部的Pla的XAn成份較均一、穩(wěn)定,XAn=0.59～0.64(圖8b)。位于邊部的Plb呈現(xiàn)出從核到邊XAn逐漸降低的環(huán)帶,XAn=0.36～0.48。根據(jù)上述礦物成份和結(jié)構(gòu)關(guān)系,推測(cè)其峰期變質(zhì)礦物組合為Grt+Cpx2+Amp+Plb+Qz+Ilm,黑云母可能形成較晚。

4 相平衡模擬

基于上述樣品的礦物組合及礦物化學(xué)成份,本文對(duì)在NCK(Mn)FMASHTO(Na2O-CaO-K2O-(MnO)-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-TiO2-Fe2O3)體系中,利用THERMOCALC 3.45(Powelletal., 1998)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)ds62(Holland and Powell, 2011)進(jìn)行視剖面圖計(jì)算。所用物相活度-成份(a-x)模型包括:石榴石(Whiteetal., 2014, 2007),斜方輝石、角閃石、熔體(Greenetal., 2016),斜方輝石、黑云母(Whiteetal., 2014),斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石(Holland and Powell, 2003),鈦鐵礦(Whiteetal., 2000),石英和金紅石為純端元組分。模擬中所使用的H2O和O值是依據(jù)T-M(H2O/O)圖解來確定的,以確保模擬的固相線組合與實(shí)際觀察的一致(Korhonenetal., 2013)。這樣確定的O值可避免樣品制備過程中潛在的污染或氧化以及在抬升出露過程中可能的流體作用導(dǎo)致的氧逸度的變化(Bento dos Santosetal., 2011; Caoetal., 2011; Korhonenetal., 2012)。

為了使視剖面圖更好地反映樣品的實(shí)際情況,本文采用有效全巖成份(mol/mol)進(jìn)行相平衡模擬。有效全巖是以實(shí)測(cè)ICP-OES全巖為參考,然后根據(jù)樣品的礦物組合、礦物的體積分?jǐn)?shù)及化學(xué)成份進(jìn)行整合計(jì)算得到的。所有樣品的有效全巖均列在了表1中,實(shí)測(cè)全巖成份與有效全巖成份之間的差別很小。

4.1 中性麻粒巖(樣品17GN01)

樣品17GN01第一期麻粒巖相組合的P-T視剖面圖如圖9a所示,在相關(guān)礦物組合區(qū)域中畫出了石榴石XGrs以及斜長(zhǎng)石XAn等值線。觀測(cè)的峰期組合Grt1+Opx+Pl1+Ksp1+Ilm+Qz穩(wěn)定于0.9～1.2GPa/860～1000℃溫壓區(qū)間內(nèi),含有黑云母的固相線組合穩(wěn)定于0.6～1.0GPa/830～870℃,指示峰后發(fā)生降溫降壓演化。斜長(zhǎng)石Pl1從核到幔XAn降低(0.38→0.36)再到邊XAn升高(0.36→0.39)(圖7c, d)指示峰期前升壓和峰后降壓降溫逆時(shí)針演化過程。有些斜長(zhǎng)石外邊部XAn再降低(圖7d),指示在固相線組合中降溫演化,并且受由于熔體局部集中產(chǎn)生的局部平衡域控制(Liu and Wei, 2018)。石榴石Grt1核-幔-邊XGrs先升高后降低的成份環(huán)帶(圖7a)也指示這一逆時(shí)針P-T演化過程,但是幔部最大XGrs(0.21)不能投影到圖9a中?，F(xiàn)有的礦物組合不能很好地限定變質(zhì)溫度,這里依據(jù)對(duì)附近基性麻粒巖的研究(未發(fā)表資料),推測(cè)峰期變質(zhì)溫度約為950℃。

圖9 在NCKFMASHTO體系下計(jì)算的中性麻粒巖(樣品17GN01)兩期變質(zhì)的P-T視剖面圖

第二期疊加變質(zhì)礦物組合表現(xiàn)為Grt2+Qz和Bt2+Qz±Cpx±Ksp的后成合晶結(jié)構(gòu)(圖4b, c, g-j)。本文根據(jù)疊加變質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)、礦物化學(xué)成份擬定了其有效全巖成份進(jìn)行相平衡模擬(表1)。如圖9b所示,疊加變質(zhì)礦物Grt2+Cpx+Bt2+Pl2+Ksp2+Ilm+Qz穩(wěn)定于0.9～1.1GPa/820～860℃的溫壓范圍,結(jié)合Pl2的XAn=0.30～0.35、Grt2的XGrs=0.19～0.21以及Bt2的Ti=0.28～0.31p.f.u.可進(jìn)一步限定溫壓條件為1.0～1.1GPa/830～860℃。

4.2 石榴方輝石巖(樣品18XM09)

依據(jù)樣品18XM09的有效全巖計(jì)算的P-T視剖面圖見圖10a。薄片中觀測(cè)的峰期組合Grt0-1+Opx1+Qz+Mt的在圖10a中的范圍為>0.86GPa/>890℃,觀測(cè)的固相線組合Grt1+Opx1+Bt1+Qz+Pl+Mt的范圍為0.2～0.6GPa/740～850℃,從峰期組合到固相線組合記錄一個(gè)降溫降壓過程?；蛟S由于受到熔體在某些區(qū)域匯聚而產(chǎn)生局部平衡的影響(Liuetal., 2020; Zhangetal., 2021),實(shí)測(cè)的斜長(zhǎng)石和石榴石的化學(xué)成份都不能投到圖10a中。該相圖可以解釋石榴石與斜方輝石之間復(fù)雜的包裹關(guān)系。例如,石榴石Grt1中包裹渾圓狀斜方輝石Opx0(圖5c)應(yīng)該形成于峰期前升壓演化階段,變質(zhì)反應(yīng)為Opx+Pl+L=Grt+Qz+Mt,該反應(yīng)消耗斜方輝石形成石榴石,所形成的石榴石傾向于自形狀,如Grt0。而斜方輝石Opx1中包裹自形到渾圓狀石榴石Grt0(圖5d, e)應(yīng)該形成于峰后降溫降壓階段,發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)+Grt+Qz=Opx+Pl±Amp,該反應(yīng)消耗石榴石而形成斜方輝石,其中自形石榴石應(yīng)被包裹于近峰期階段,而渾圓狀石榴石被包裹于晚些階段。

圖10 在NCK(Mn)FMASHTO體系下計(jì)算的樣品P-T視剖面圖

4.3 變質(zhì)基性巖墻(樣品20DJ08)

樣品20DJ08的P-T視剖面圖見圖10b。在相關(guān)礦物組合中畫出了斜長(zhǎng)石XAn,石榴石XPy和角閃石的Ti等值線,缺流體固相線出現(xiàn)在750～810℃的范圍內(nèi)。薄片中觀測(cè)的礦物組合峰期礦物組合Grt+Cpx+Amp+Pl+Qz+Ilm(+L)穩(wěn)定在>0.7GPa/750～910℃范圍內(nèi)。利用變質(zhì)斜長(zhǎng)石(Plb)邊部最低XAn(0.36),角閃石最高Ti含量(Ti=0.18p.f.u.)和石榴石的幔部最高XPy(0.20)等值線確定峰期P-T條件為～1.15GPa/830℃。變質(zhì)斜長(zhǎng)石Plb從核到邊XAn逐漸降低的環(huán)帶(圖8b)以及石榴石從核到幔XPy升高的環(huán)帶(圖8a)可以確定峰期前升溫升壓進(jìn)變軌跡。推測(cè)峰后變質(zhì)演化以降壓為主,在接近固相線時(shí)出現(xiàn)黑云母。

5 鋯石-獨(dú)居石年代學(xué)

對(duì)3個(gè)樣品(17GN01、18XM09、20DJ08)都進(jìn)行了鋯石定年。由于只在樣品18XM09中挑選出了獨(dú)居石,所以對(duì)18XM09還進(jìn)行了獨(dú)居石定年。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較均勻的鋯石/獨(dú)居石,只測(cè)試其核部;對(duì)于有核-邊結(jié)構(gòu)的樣品,會(huì)分別對(duì)其核部、邊部進(jìn)行測(cè)試(圖11)。所有樣品測(cè)試結(jié)果詳細(xì)數(shù)據(jù)見電子版附表1和附表2。

圖11 清原地區(qū)中性麻粒巖(樣品17GN01)的鋯石分析結(jié)果

5.1 中性麻粒巖(樣品17GN01)的鋯石分析

鋯石顆粒為渾圓狀或長(zhǎng)柱狀,直徑50～150μm,長(zhǎng)寬比為1:1～4:1。鋯石的CL圖像顯示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)多數(shù)呈補(bǔ)丁狀,少數(shù)具有震蕩環(huán)帶,部分鋯石具有亮邊,顏色有深灰色-灰色-亮白色(圖11a)。27個(gè)U-Pb同位素分析點(diǎn)位顯示207Pb/206Pb表觀年齡范圍為2503±13Ma～2484±34Ma,加權(quán)平均年齡為2485.3±5.4Ma(MSWD=0.24),諧和圖上交點(diǎn)年齡為2484.9±9.5Ma(MSWD=0.097)(圖11b)。鋯石Th/U=0.05～0.38,(Lu/Gd)N=2.64～43.39,重稀土元素呈現(xiàn)微上升或近平坦的配分模式,具有負(fù)Eu異常(Eu/Eu*=0.07～0.31)(圖11c),表明鋯石在生長(zhǎng)過程中有石榴石共存(Rubatto, 2002; Whitehouse and Platt, 2003)。上述鋯石結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征表明,鋯石可能生長(zhǎng)于麻粒巖相變質(zhì)過程(Corfuetal., 2003; Rubatto, 2002; Vavraetal., 1999)。

5.2 石榴方輝石巖(樣品18XM09)的鋯石和獨(dú)居石分析

鋯石顆粒為渾圓狀或棱柱狀,直徑40～200μm,長(zhǎng)寬比為1:1～3:1。CL圖像的顏色有深灰色、灰色;部分鋯石很均勻,部分具有補(bǔ)丁狀、冷杉葉狀結(jié)構(gòu);部分鋯石具有核邊結(jié)構(gòu),邊部的年齡更年輕(圖12a)。測(cè)試了63個(gè)點(diǎn)位,207Pb/206Pb表觀年齡分布在2508±11Ma～2447±11Ma之間,加權(quán)平均年齡為2480.1±3.9Ma(MSWD=1.8),諧和圖上交點(diǎn)年齡為2502.7±4.7Ma(MSWD=2.1)(圖12c)。Th/U=0.04～0.27,(Lu/Gd)N=2.59～9.08,Eu/Eu*=0.15～0.29,球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖中,有負(fù)的Eu異常,且重稀土平坦(圖12d)。鋯石的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征表明其可能生長(zhǎng)于麻粒巖相變質(zhì)過程中(Corfuetal., 2003; Rubatto, 2002; Vavraetal., 1999; Whitehouse and Platt, 2003)。

獨(dú)居石的形狀不規(guī)則,有渾圓狀、短柱狀、四面體-八面體狀、梭形柱狀等(圖12b)。部分獨(dú)居石具有鋒利的棱角,可能與流體注入的溶解再沉淀(fluid-aided coupled dissolution-reprecipitation)反應(yīng)有關(guān)(Harlovetal., 2011; Tayloretal., 2014)。BSE圖像顯示獨(dú)居石顏色從深灰色到灰色都有,大部分獨(dú)居石結(jié)構(gòu)都比較均勻,部分獨(dú)居石具有核邊結(jié)構(gòu)(圖12b)。測(cè)試了15個(gè)獨(dú)居石點(diǎn)位,207Pb/206Pb表觀年齡為1799±28Ma～1713±29Ma,加權(quán)平均年齡為1751±15Ma(MSWD=0.57)(圖12e)。獨(dú)居石的Th/U=1.13～73.20,Ce/Ce*=1.05～1.15,Eu/Eu*=0.23～0.32,球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素圖譜呈現(xiàn)下降的重稀土配分模式,重稀土含量較低,推測(cè)獨(dú)居石在石榴石存在的條件下形成(圖12f)。

5.3 變質(zhì)基性巖墻(樣品20DJ08)的鋯石分析

鋯石顆粒為渾圓狀或短柱狀,直徑20～80μm,長(zhǎng)寬比為1:1～4:1。鋯石的CL圖像顯示所有的鋯石均呈補(bǔ)丁狀或冷杉葉狀結(jié)構(gòu),顏色為深灰色-淺灰色(圖13a)。27個(gè)U-Pb同位素分析點(diǎn)位顯示207Pb/206Pb表觀年齡范圍為1849±17Ma～1812±14.5Ma,加權(quán)平均年齡為1827.1±7.4Ma(MSWD=0.60),諧和年齡為1829.1±2.2Ma(MSWD=7.2)(圖13b)。鋯石Th/U=0.09～0.15,(Lu/Gd)N=4.55～20.57,Eu/Eu*=0.52～1.87,其稀土總量較低(圖13c)。上述鋯石結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征表明,鋯石生長(zhǎng)于高級(jí)變質(zhì)作用階段,可能與石榴石共存(Corfuetal., 2003; Vavraetal., 1999)。

圖13 清原地區(qū)變質(zhì)基性巖墻(樣品20DJ08)的鋯石分析結(jié)果

6 討論

6.1 兩期麻粒巖相變質(zhì)作用

6.1.1 第一期高溫-超高溫麻粒巖相變質(zhì)作用

清原地體中性麻粒巖和石榴方輝石巖的巖相學(xué)特征和相平衡模擬表明,其第一期麻粒巖相變質(zhì)作用為逆時(shí)針型P-T軌跡,包含峰期前升壓至峰期和峰后降溫降壓至固相線兩個(gè)變質(zhì)階段。其中石榴方輝石巖18XM09中石榴石(Grt1)包裹斜方輝石(Opx0)(圖5c)的結(jié)構(gòu)關(guān)系指示峰前升壓過程,即在升壓過程中消耗斜方輝石(和斜長(zhǎng)石)形成石榴石,在這一過程中,石榴石中XGrs從核到邊升高(圖7b)。同時(shí),中性麻粒巖17GN01斜長(zhǎng)石Pl1中XAn從核部到幔部降低(0.38→0.36)(圖7c, d),以及石榴石Grt1中XGrs從核到幔升高,都記錄峰前升壓過程。依據(jù)2個(gè)樣品中觀測(cè)的峰期礦物組合在P-T視剖面圖(圖9a、圖10)中的穩(wěn)定范圍,并結(jié)合17GN01中Pl1幔部XAn(0.36)等值線,確定峰期的溫壓條件為1.0～1.2GPa/890～1000℃(見后文)。這一結(jié)果與該區(qū)石榴二輝麻粒巖20DJ02的峰期變質(zhì)條件0.9～1.1GPa/930～1000℃(未發(fā)表)一致。在峰后的降溫降壓階段,石榴方輝石巖18XM09發(fā)生反應(yīng),消耗石榴石Grt1而形成斜方輝石Opx1,從而導(dǎo)致石榴石反過來被斜方輝石包裹(圖5e);在17GN01中則表現(xiàn)為斜長(zhǎng)石Pl1中XAn從幔到邊部升高(0.36→0.39)(圖7c, d)。降溫降壓演化終止于缺流體固相線,大致溫壓條件為0.78～0.84GPa/815～850℃(圖9a、圖10),在熔體局部匯聚處,斜長(zhǎng)石繼續(xù)結(jié)晶生長(zhǎng),導(dǎo)致其外邊部XAn降低(圖7d)。

6.1.2 第二期高壓麻粒巖相變質(zhì)作用

清原地區(qū)變質(zhì)基性巖墻20DJ08很好地記錄了高壓麻粒巖相變質(zhì)作用過程,其P-T軌跡為順時(shí)針型。根據(jù)所觀測(cè)的峰期礦物組合在P-T視剖面圖上的穩(wěn)定域,并結(jié)合變質(zhì)斜長(zhǎng)石Plb中最小XAn,角閃石中最大Ti含量和石榴石幔部最高XPy等值線,可以確定峰期溫壓條件為～1.15GPa/830℃。變質(zhì)斜長(zhǎng)石Plb中XAn從核到邊降低和石榴石XPy從核到幔/邊升高,都指示峰期前變質(zhì)演化以升溫升壓為主,推測(cè)峰后變質(zhì)演化以降壓為主。對(duì)中性麻粒巖17GN01的疊加變質(zhì)礦物組合進(jìn)行相平衡模擬,確定其峰期溫壓為1.0～1.1GPa/830～860℃(圖9b),與變質(zhì)基性巖墻的峰期條件類似。

無論變質(zhì)基性巖墻還是麻粒巖,其中高壓麻粒巖相變質(zhì)疊加的標(biāo)志性特點(diǎn)是發(fā)育后成合晶和冠狀體結(jié)構(gòu)(圖4b, d, e, g-j、圖5b、圖6b, c)。其中Grt2+Qz冠狀體又稱為“紅眼圈”結(jié)構(gòu),被認(rèn)為代表在較高壓力下降溫的標(biāo)志,指示逆時(shí)針型變質(zhì)演化。但是,這些后成合晶和冠狀體結(jié)構(gòu)更可能代表缺流體條件下以升溫升壓為主的進(jìn)變質(zhì)過程的產(chǎn)物(Weietal., 2014)。這一過程很容易從基性巖墻的變質(zhì)演化推測(cè)出來,例如基性巖墻發(fā)育輝綠結(jié)構(gòu),一般形成于<0.1GPa壓力條件,如果它們變質(zhì)形成含石榴石的高壓麻粒巖組合,需要>0.9GPa的壓力條件,因此需要發(fā)生構(gòu)造埋深或升溫升壓進(jìn)變質(zhì)過程。另外,巖石中發(fā)育的Bt+Qz(±Cpx±Kf)后成合晶(圖4i, j)應(yīng)該代表熔體囊的位置,構(gòu)成其假象(Sawyer, 2008),推測(cè)其形成反應(yīng)為Opx+L=Bt+Qz(±Cpx±Ksp)。這里熔體富鉀,可能形成于超固相線條件下黑云母脫水熔融,因此,這種后成合晶結(jié)構(gòu)廣泛發(fā)育于富黑云母的中性麻粒巖中。

6.2 兩期變質(zhì)作用的年代學(xué)啟示

本文中性麻粒巖(樣品17GN01)和石榴方輝石巖(樣品18XM09)中鋯石記錄了新太古代末期變質(zhì)年齡,分別為2485.3±5.4Ma～2480.1±3.9Ma(圖11、圖12)。一般認(rèn)為在深熔巖石中變質(zhì)鋯石生長(zhǎng)于峰后冷卻的熔體結(jié)晶階段(Kelsey and Powell, 2011; Yakymchuketal., 2017; Zhangetal., 2013),因此記錄峰后降溫降壓至固相線階段的時(shí)間。這里獲得的新太古代末期變質(zhì)作用年齡,與清原地區(qū)其他角閃巖相-麻粒巖相表殼巖變質(zhì)鋯石年齡基本一致,并與區(qū)內(nèi)TTG質(zhì)巖漿活動(dòng)晚期階段年齡相同(圖14;萬渝生等, 2005a; 白翔等, 2014; Pengetal., 2015; Wangetal., 2016a; Wuetal., 2016; Li and Wei, 2017; Wu and Wei, 2021)。

圖14 清原地區(qū)各類巖石的年齡匯總圖

本文變質(zhì)基性巖墻(樣品20DJ08)中鋯石及石榴方輝石巖(樣品18XM09)中獨(dú)居石記錄了古元古代變質(zhì)年齡,分別為1751±15Ma和1827.1±7.4Ma(圖12、圖13)。其中,～1.83Ga年齡與區(qū)內(nèi)其他變質(zhì)基性巖墻變質(zhì)鋯石年齡峰值(1.84Ga)基本一致(圖14),這些巖墻的原巖形成于～2.12Ga(Duanetal., 2019)。獨(dú)居石記錄的變質(zhì)年齡～1.75Ga明顯晚于變質(zhì)鋯石年齡峰值,與亞固相線階段的流體活動(dòng)有關(guān)(Jiaoetal., 2020; Xiongetal., 2021)。另外,清原地區(qū)新太古代麻粒巖雖然普遍遭受了古元古代麻粒巖相變質(zhì)疊加,但其中很少出現(xiàn)古元古代變質(zhì)鋯石。這種現(xiàn)象也見于冀東地區(qū),有時(shí)巖石中的主要礦物以疊加組合為主,但其中變質(zhì)鋯石仍以早期麻粒巖相鋯石為主(Yang and Wei, 2017; Lu and Wei, 2020)。這是因?yàn)?(1)這些麻粒巖在疊加變質(zhì)過程中普遍缺少流體,沒有出現(xiàn)適于鋯石生長(zhǎng)的環(huán)境,這與疊加組合以后成合晶和冠狀體結(jié)構(gòu)產(chǎn)出是一致的;(2)疊加變質(zhì)溫度較低,甚至低于第一期麻粒巖的缺流體固相線溫度(圖9a, b),或者受到“Oswald 熟化”的影響(Nemchinetal., 2001),早期形成的高溫粗粒鋯石很難被改造。

6.3 兩期變質(zhì)作用的大地構(gòu)造意義

6.3.1 新太古代高溫-超高溫麻粒巖相變質(zhì)作用的大地構(gòu)造啟示

中性麻粒巖(樣品17GN01)和石榴方輝石巖(樣品18XM09)都記錄逆時(shí)針的P-T軌跡,包括峰前升溫升壓至峰期和峰后降溫降壓至固相線變質(zhì)階段(圖15),其峰期變質(zhì)條件為1.0～1.2GPa/890～1000℃,對(duì)應(yīng)地溫梯度23～25℃/km。這種P-T軌跡與冀東新太古代麻粒巖相表殼巖基本一致,只是峰期溫度低一些(圖15; Liu and Wei, 2018, 2020)。結(jié)合其他地質(zhì)特征,如:(1)表殼巖變質(zhì)時(shí)間與TTG質(zhì)巖漿活動(dòng)相同(圖14);(2)表殼巖作為不同規(guī)模的皮筏狀塊體產(chǎn)于TTG質(zhì)片麻巖中,構(gòu)成太古宙特征的“穹隆-龍骨構(gòu)造”(圖1; Collinsetal., 1998; Hickman, 2004; Lin and Beakhouse, 2013; Anhaeusser, 2014),作者認(rèn)為表殼巖變質(zhì)作用演化與太古宙特有的垂向(沉落)構(gòu)造體制有關(guān)(Duanetal., 2017; Liuetal., 2020; Liu and Wei, 2020, 2018; Wu and Wei, 2021),包括以下構(gòu)造演化過程:(1)地殼淺部表殼巖首先受到高溫TTG巖漿侵入加熱;(2)受熱的表殼巖碎裂成較小的塊體,然后墜入巨大的“TTG巖漿?！鄙畈?即發(fā)生峰前升壓變質(zhì)演化;(3)由于TTG巖漿/石穹窿抬升冷卻,表殼巖塊體發(fā)生峰后降壓降溫變質(zhì)演化(Duanetal., 2017; Liu and Wei, 2018)。圖15中展示了新太古代晚期表殼巖4條P-T軌跡(本文、Wu21a、LW20和LW18),其峰前升壓加熱過程和峰期溫度不同,但峰期壓力卻很相似,都對(duì)應(yīng)大約35～40km地殼深度,說明經(jīng)歷不同加熱過程的表殼巖塊體均沉落到了下地殼深度,但對(duì)其具體的熱動(dòng)力學(xué)過程還需要深入研究。

6.3.2 古元古代高壓麻粒巖相變質(zhì)作用的構(gòu)造意義

清原地區(qū)的古元古代中期變質(zhì)基性巖墻和新太古代晚期麻粒巖均遭受了古元古代晚期高壓麻粒巖相變質(zhì)作用疊加。本文研究表明該麻粒巖相變質(zhì)作用P-T軌跡為順時(shí)針型,峰期的溫壓條件為～1.15GPa/830℃,對(duì)應(yīng)地?zé)崽荻葹椤?1℃/km,變質(zhì)年齡為～1.83Ga;Duanetal. (2019)和Wu and Wei (2021)對(duì)清原地區(qū)變質(zhì)基性巖墻研究也得到順時(shí)針型P-T軌跡和稍老的變質(zhì)年齡,為1.85～1.84Ga(圖15);另外很多學(xué)者在冀東地區(qū)也報(bào)道了類似的變質(zhì)基性巖墻和高壓麻粒巖相變質(zhì)作用,變質(zhì)年齡為1.83～1.77Ga(賀高品和葉慧文, 1992; 陳曼云和李樹勛, 1996; Duanetal., 2015, 2019; Yang and Wei, 2017; 楊崇輝等, 2017; Lu and Wei, 2020)。這些說明古元古代晚期的高壓麻粒巖相變質(zhì)作用沿龍崗地塊北緣廣泛分布,代表一期獨(dú)立的碰撞造山事件。還有一些證據(jù)表明,這次碰撞造山事件作用沿華北克拉通北緣分布:(1)在華北中部造山帶北部紅旗營(yíng)子雜巖中出現(xiàn)含榴輝巖的蛇綠巖化混雜巖(Liu and Zhang, 2019; Zhangetal., 2016, 2020),其形成年齡大于1.85Ga(Zhangetal., 2020);在陰山地塊北緣白云鄂博地區(qū)出現(xiàn)～1.90Ga的SSZ型蛇綠混雜巖,形成于海溝環(huán)境(Wuetal., 2018),都說明在古元古代晚期沿華北克拉通北緣發(fā)生過洋殼俯沖(Wuetal., 2018; Zhangetal., 2020);(2)在孔茲巖帶的中東部大青山地區(qū)發(fā)育巴羅式變質(zhì)帶,形成時(shí)間為1.88～1.86Ga(Huangetal., 2016; Wanetal., 2018),應(yīng)與洋盆閉合后的碰撞造山有關(guān)。

7 結(jié)論

本文對(duì)清原地區(qū)的中性麻粒巖、石榴方輝石巖和變質(zhì)基性巖墻進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)、地球化學(xué)、相平衡模擬以及鋯石-獨(dú)居石年代學(xué)研究,主要得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1)清原地體經(jīng)歷了新太古代和古元古代兩期麻粒巖相變質(zhì)作用。第一期為高溫-超高溫麻粒巖相變質(zhì)作用,中性麻粒巖、石榴方輝石巖記錄了逆時(shí)針的P-T軌跡,峰期溫壓條件為1.0～1.2GPa/890～1000℃,峰前以升壓為主、峰后為降溫降壓演化;中性麻粒巖記錄了峰后降溫降壓過程,以熔體結(jié)晶反應(yīng)形成含水礦物為特征;而石榴方輝石巖中石榴石與斜方輝石的相互包裹關(guān)系記錄了峰前升壓和峰后降壓的過程。

(2)鋯石定年表明第一期高溫-超高溫麻粒巖相變質(zhì)作用峰后冷卻時(shí)間為2.49～2.48Ga,與區(qū)域上TTG質(zhì)-花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)的晚期脈沖時(shí)間一致;結(jié)合區(qū)域上的穹隆-龍骨構(gòu)造、中性麻粒巖及石榴方輝石巖的逆時(shí)針P-T軌跡,推測(cè)清原新太古宙麻粒巖相變質(zhì)作用形成于太古宙特有的沉落構(gòu)造體制。

(3)清原地體的中性麻粒巖、石榴方輝石巖及變質(zhì)基性巖墻都經(jīng)歷了古元古代高壓麻粒巖相變質(zhì)作用的疊加,發(fā)育含有疊加礦物的后成合晶和冠狀體結(jié)構(gòu);變質(zhì)作用具有順時(shí)針型P-T軌跡,峰期條件為～1.15GPa/830℃;鋯石記錄的變質(zhì)年齡為～1.83Ga,獨(dú)居石定年獲得峰后退變質(zhì)年齡為～1.75Ga;代表一期沿華北克拉通北緣分布的碰撞造山事件。

致謝感謝審稿專家提出的寶貴修改意見;感謝秦紅、李小犁、馬芳、豆浩然、武現(xiàn)偉、劉崢對(duì)實(shí)驗(yàn)分析的幫助;感謝董杰、吳定、楊子珍對(duì)野外工作的參與和幫助。