東昆侖大格勒一帶基性二輝麻粒巖的變質(zhì)演化及地質(zhì)意義

李佳斌 呂增 陳振宇 劉小輝

麻粒巖是造山帶中出露的一種重要變質(zhì)巖類(lèi)型,一般被認(rèn)為是來(lái)自下地殼的產(chǎn)物,是人們了解地球深部的物質(zhì)組成的窗口(翟明國(guó)和劉文軍, 2001)。麻粒巖的形成與大陸地殼形成和演化、碰撞造山、大陸拉張等大陸動(dòng)力學(xué)問(wèn)題密切相關(guān)(Harley, 1989; Bohlen, 1991)。雖然麻粒相巖石的峰期條件計(jì)算存在不確定性,但一些麻粒巖可以保留高溫礦物組合,能夠反映地球內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,有助于揭示造山帶的構(gòu)造演化歷史(翟明國(guó), 1991; 盧良兆, 1993; 翟明國(guó)和劉文軍, 2001)。因此,麻粒巖的變質(zhì)演化研究一直是巖石大地構(gòu)造研究的熱點(diǎn)和前沿。

東昆侖造山帶經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程和多次造山運(yùn)動(dòng),為復(fù)合型造山帶。東昆侖原特提斯洋在早寒武世之前處于打開(kāi)和擴(kuò)張階段,在早古生代開(kāi)始進(jìn)入俯沖階段(陸松年, 2002; 莫宣學(xué)等, 2007; 祁曉鵬等, 2016)。原特提斯洋到晚奧陶世-志留紀(jì)已經(jīng)關(guān)閉,南北陸塊拼合碰撞成為一個(gè)整體,東昆侖造山旋回進(jìn)入陸陸碰撞階段,而后向造山后伸展階段轉(zhuǎn)換,最終促成古特提洋的形成(任軍虎, 2010; 孟繁聰?shù)? 2015; 吳福元等, 2020)。東昆侖造山帶廣泛存在430～380Ma高溫殼源酸性巖漿活動(dòng),它們以A型花崗巖和流紋巖為代表(劉彬等, 2013; 李希等, 2014; 田廣闊等, 2016; 嚴(yán)威等, 2016; Xinetal., 2018; 董金龍, 2020; 張亮等, 2021),同時(shí)期的S型花崗巖僅見(jiàn)于金水口地區(qū)(張建新等, 2003; 余能等, 2005; 龍曉平等, 2006; 巴金等, 2012)。這些高溫巖漿活動(dòng)表明東昆侖在早-中泥盆世發(fā)生過(guò)與伸展作用有關(guān)的異常高溫及地殼深熔事件。雖然麻粒巖相變質(zhì)巖在東昆侖造山帶分布較廣泛(王云山和陳基娘, 1987),但目前為止,與該事件有關(guān)的最高溫變質(zhì)作用僅體現(xiàn)在金水口地區(qū)的基性麻粒巖捕虜體上(余能, 2005; Wangetal., 2022)。同時(shí)期的麻粒巖相副片麻巖雖然分布較廣,但其峰期溫度未準(zhǔn)確限定(700～860℃;余能, 2005),很可能不超過(guò)800℃(Wangetal., 2022)。該時(shí)期的地殼深熔作用此前主要通過(guò)不同地段高級(jí)片麻巖和混合巖中深熔鋯石的年代學(xué)和地球化學(xué)特征來(lái)限定(Gaoetal., 2023),缺少系統(tǒng)的巖石學(xué)觀察。東昆侖造山帶的其他地區(qū)是否存在能夠記錄該時(shí)期較高溫變質(zhì)作用的基性麻粒巖?如果存在,它們的P-T軌跡是什么樣子?麻粒巖相高溫事件是否一定早于大規(guī)模的地殼深熔作用(余能, 2005; 孟繁聰?shù)? 2018)?這些問(wèn)題的解決有賴于詳細(xì)的野外調(diào)查和巖石學(xué)研究。

作者在東昆侖造山帶的大格勒溝一帶首次發(fā)現(xiàn)原位基性二輝麻粒巖露頭,其產(chǎn)狀明顯不同于金水口地區(qū)的同類(lèi)型巖石(以包體形式存在于花崗巖體中)。本文通過(guò)對(duì)這套巖石詳細(xì)的巖石學(xué)和鋯石U-Pb年代學(xué)研究,探究了東昆侖造山帶高溫變質(zhì)作用的特點(diǎn)和時(shí)空分布規(guī)律,為下一步深入研究東昆侖造山帶的深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程和地殼高溫-深熔作用提供了基礎(chǔ)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景和野外產(chǎn)狀

東昆侖造山帶位于青藏高原東北部,全長(zhǎng)約1500km,近北西西向展布,是秦嶺-祁連-昆侖中央造山帶的重要組成部分(圖1a; 姜春發(fā)等, 1992)。它的北側(cè)為柴達(dá)木盆地,南側(cè)為可可西里-巴顏喀拉造山帶(以東昆南斷裂為界)。東昆侖造山帶經(jīng)歷了長(zhǎng)期復(fù)雜的地質(zhì)演化,構(gòu)造變形和巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,一般以東昆中斷裂帶為界將其劃分為昆北和昆南兩個(gè)地質(zhì)體(圖1a)。東昆侖造山帶的變質(zhì)巖廣泛出露,它們多構(gòu)成前寒武系結(jié)晶基底(主體被稱為金水口群),變質(zhì)程度可達(dá)高角閃巖相和麻粒巖相。傳統(tǒng)上將該巖群劃分為白沙河巖組和小廟巖組:前者主要由黑云斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖及石英片巖組成,后者則主要由斜長(zhǎng)角閃巖、黑云母片巖、變粒巖和大理巖組成(王云山和陳基娘, 1987; 陸松年, 2002)。近年來(lái)學(xué)者們陸續(xù)從金水口群中識(shí)別出榴輝巖相高壓變質(zhì)巖(Mengetal., 2013; Wangetal., 2017; Songetal., 2018),這表明該巖群的構(gòu)成較復(fù)雜,原有的劃分方案過(guò)于簡(jiǎn)化。東昆侖造山帶的巖漿活動(dòng)從古元古代持續(xù)到新生代,以晚古生代-早中生代的中酸性侵入巖最為發(fā)育,基性巖漿巖規(guī)模較小,多以巖墻形式產(chǎn)出(莫宣學(xué)等, 2007)。東昆侖造山帶的沉積巖系出露規(guī)模遠(yuǎn)小于結(jié)晶巖系,零星出露的地層有下泥盆統(tǒng)牦牛山組(火山-沉積巖)和下石炭統(tǒng)大干溝組(砂巖、火山礫巖、灰?guī)r)等(孫崇仁, 1997)。

圖1 東昆侖造山帶大地構(gòu)造位置圖(a,據(jù)Meng et al., 2013修改)和大格勒地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖及取樣位置(b,據(jù)青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1983(1)青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 1983. 1:200000格爾木東農(nóng)場(chǎng)幅地質(zhì)圖; 青海省地質(zhì)調(diào)查院, 2010(2)青海省地質(zhì)調(diào)查院. 2010. 1:250000格爾木市幅建造構(gòu)造圖; 杜瑋, 2018; Xin et al., 2018修改)Fig.1 Tectonic map of the East Kunlun Orogenic Belt (a, modified after Meng et al., 2013) and geological map of the Dagele area in the eastern segment of the East Kunlun Orogenic Belt, showing sample location (b, modified after Du, 2018; Xin et al., 2018)

研究區(qū)位于東昆侖造山帶昆北地體東段的大格勒溝一帶,屬于金水口群(圖1b)。大格勒二輝麻粒巖具有兩種產(chǎn)狀:(1)致密均勻塊狀,無(wú)定向,風(fēng)化面灰黑色(圖2a);(2)薄板狀或條帶狀,發(fā)生強(qiáng)烈面理化,極易破碎(圖2b)。它們均為細(xì)粒結(jié)構(gòu),肉眼難以分辨其礦物組成。圍巖主要為副片麻巖和條帶狀混合巖,局部可見(jiàn)條帶狀花崗片麻巖。這些片麻巖的表面往往被風(fēng)化作用改造成土黃色渣土,露頭破碎嚴(yán)重。大部分片麻巖遭受強(qiáng)烈綠片巖相或角閃巖相改造,偶見(jiàn)少量殘余狀夕線石或堇青石等高溫變質(zhì)礦物。根據(jù)我們的初步研究,僅有少許花崗片麻巖較好地保存了低壓麻粒巖相特征礦物組合(即堇青石+夕線石+條紋長(zhǎng)石)。

圖2 東昆侖大格勒地區(qū)二輝麻粒巖野外照片F(xiàn)ig.2 Field photos of two-pyroxene granulites from the Dagele area, East Kunlun Orogenic Belt

2 巖相學(xué)和礦物成分特征

礦物顯微結(jié)構(gòu)和EDS分析在北京大學(xué)地球科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心完成。礦物成分分析在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,電子探針儀器型號(hào)為JXA-iHP200F。測(cè)試工作條件為:加速電壓15kV,加速電流20nA,束斑直徑2～5μm。使用天然礦物或合成氧化物作為標(biāo)樣。所有測(cè)試數(shù)據(jù)均進(jìn)行了ZAF校正處理。電子探針?lè)治鼋Y(jié)果見(jiàn)表1,礦物化學(xué)式均由AX程序計(jì)算。

表1 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖(樣品DG21-14)主要礦物的電子探針測(cè)試結(jié)果(wt%)Table 1 EPMA analyses of major minerals (wt%) in the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

本文研究的二輝麻粒巖樣品(DG21-14,取樣位置:36°13.23′N(xiāo)、95°47.22′E)為薄板狀,鏡下呈他形細(xì)粒近等粒變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,主要礦物為斜長(zhǎng)石(40%)、單斜輝石(10%)、斜方輝石(20%)、黑云母(10%),角閃石(10%),次要礦物和副礦物為磷灰石、鈦鐵礦和石英,未見(jiàn)石榴石(圖3a, b)。

圖3 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖的典型顯微結(jié)構(gòu)(a)包裹輝石和斜長(zhǎng)石的他形填隙狀生長(zhǎng)的角閃石(單偏光);(b)斜方輝石包裹的殘余黑云母以及基質(zhì)黑云母(單偏光);(c-f)斜長(zhǎng)石變斑晶(Pl-2)中的包體(BSE圖像);(g、h)斜長(zhǎng)石變斑晶之間的脈狀石英集合體,其內(nèi)含有細(xì)粒斜長(zhǎng)石和單斜輝石(BSE圖像).Pl-1-低鈣斜長(zhǎng)石;Pl-2-高鈣斜長(zhǎng)石;Cpx-單斜輝石;Opx-斜方輝石;Hb-普通角閃石;Bt-黑云母;Ilm-鈦鐵礦;Czo-斜黝簾石;Ru-金紅石;Sph-榍石;Qz-石英;Act-陽(yáng)起石;F-Ap-氟磷灰石;Cl-Ap-氯磷灰石Fig.3 Microtextures of the two-pyroxene granulite from the Dagele area

大部分斜長(zhǎng)石呈他形粒狀或板狀,粒徑0.1～0.5mm。少部分斜長(zhǎng)石呈粗粒變斑晶,多包裹他形單斜輝石、斜方輝石、黑云母和鈦鐵礦。BSE圖像和EDS分析顯示(圖3c-f),這些斜長(zhǎng)石變斑晶(Pl-2, An=73～81,見(jiàn)圖4a)中還零星分布著殘余狀細(xì)粒相對(duì)低鈣的斜長(zhǎng)石(Pl-1, An=46～51)。這些低鈣斜長(zhǎng)石又包裹了石英和斜黝簾石等更細(xì)小的礦物(圖3c-e),它們可能代表了麻粒巖相階段之前的變質(zhì)礦物殘余。一些角閃石邊緣環(huán)繞著單斜輝石(圖3d),可能意味著進(jìn)變質(zhì)脫水反應(yīng)的發(fā)生?；|(zhì)中的單斜輝石和斜方輝石的形態(tài)和粒度(0.1～0.5mm)均比較接近,為粒狀、板條狀或不規(guī)則港灣狀,部分輝石顆粒呈帶狀沿斜長(zhǎng)石邊緣分布(圖3e, g, h)。單斜輝石成分界于普通輝石和透輝石之間(圖4b),Mg#(=MgO/(MgO+FeO), 摩爾比)=0.73～0.75。斜方輝石屬于頑火輝石(圖4b),Mg#比單斜輝石低,為0.61～0.62。大部分角閃石,形狀不規(guī)則,多呈填隙狀充填于斜長(zhǎng)石和輝石之間,或者以細(xì)小包體形式出現(xiàn)于斜方輝石內(nèi)。BSE圖像和EDS分析顯示少量角閃石發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖3c, d, f),其核部成分與斜方輝石內(nèi)的角閃石包體接近(即第一期角閃石,表1),其邊部成分與填隙狀基質(zhì)角閃石成分接近(稱為第二期角閃石)。角閃石均為鈣質(zhì)角閃石,在Si-Mg#圖上投在鎂角閃石范圍(圖4c)。和第二期相比,第一期角閃石具有較低的Mg#和較高的Al2O3、TiO2和K2O,可能代表較高的溫壓條件。第二期角閃石中還偶爾包裹了陽(yáng)起石(圖3f),可能代表了早期低溫變質(zhì)殘余礦物。黑云母表現(xiàn)出多期生長(zhǎng)的特點(diǎn),既可以被其他鎂鐵質(zhì)礦物和富鈣斜長(zhǎng)石包裹(圖3b),也可以呈填隙狀充填于斜長(zhǎng)石和輝石之間。不同產(chǎn)狀的黑云母成分變化范圍均較小(圖4d),其Mg#為0.63～0.65,含有較高的TiO2(4.55%～5.01%)。副礦物主要是鈦鐵礦和磷灰石。鈦鐵礦的形態(tài)以他形為主,自形晶較少見(jiàn),成分十分接近理想端元。部分鈦鐵礦中包裹有細(xì)小的金紅石包體,而金紅石邊緣環(huán)繞著榍石(圖3c)。磷灰石有氟磷灰石和氯磷灰石,前者僅以包體出現(xiàn)于低鈣斜長(zhǎng)石(Pl-1)中,后者則以基質(zhì)或包體形式廣泛出現(xiàn)在輝石和高鈣斜長(zhǎng)石等較粗粒的礦物中(圖3f)。

圖4 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖礦物成分圖解(底圖據(jù)Smith and Brown, 1988; Morimoto, 1988; Leake et al., 1997)(a)長(zhǎng)石;(b)輝石,三角形代表單斜輝石,正方形代表斜方輝石;(c)角閃石;(d)黑云母. Wo-硅灰石;ClEn-斜頑輝石;ClFs-斜鐵輝石;En-頑火輝石; Fs-鐵輝石Fig.4 Compositional variations of major minerals in the two-pyroxene granulite from the Dagele area (base maps after Smith and Brown, 1988; Morimoto, 1988; Leake et al., 1997)

3 鋯石結(jié)構(gòu)、年代學(xué)及微量元素特征

鋯石分選、制靶以及CL圖像分析均在廊坊市誠(chéng)信地質(zhì)服務(wù)有限公司進(jìn)行。鋯石U-Pb年代學(xué)測(cè)試在北京快科賽默科技有限公司完成,實(shí)驗(yàn)儀器為安捷倫公司串聯(lián)四級(jí)桿電感耦合等離子體質(zhì)譜(Agilent ICP-MS/MS8900),搭載ESI公司準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)New Wave NWR 193UC。激光采樣為單點(diǎn)剝蝕,束斑和頻率分別為15μm和5Hz。測(cè)試樣品時(shí)使用91500鋯石進(jìn)行同位素分餾校正,監(jiān)控標(biāo)樣為Plesovice鋯石。離線數(shù)據(jù)處理采用澳大利亞墨爾本大學(xué)同位素研究組開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件Iolite。鋯石U-Pb年齡諧和圖與206Pb/238U加權(quán)平均年齡繪圖計(jì)算使用IsoPlot 4.15程序。監(jiān)控標(biāo)樣測(cè)試年齡值與推薦值在誤差范圍內(nèi)一致。

根據(jù)陰極發(fā)光(CL)圖像將二輝麻粒巖樣品DG21-14的鋯石分為兩類(lèi)(圖5)。第一類(lèi)含或不含細(xì)小繼承核(圖5a-d),呈短柱狀或渾圓狀,發(fā)育典型的冷杉狀扇形環(huán)帶(fir-tree sector zoning),局部顯示出振蕩韻律特點(diǎn),這些特征指示其為變質(zhì)成因(Rubatto, 2017)。這類(lèi)鋯石的殘余繼承核CL圖像差別較大,一些比增生邊明亮(圖5a),另外一些明顯比增生邊暗得多(圖5b)。第二類(lèi)發(fā)育明顯的核-邊結(jié)構(gòu)(圖5e, f),CL圖像顯示其邊部極窄,這類(lèi)鋯石所占比例較小,約占全部鋯石顆粒的5%。和其邊部相比,第二類(lèi)鋯石的核部整體較暗,呈不規(guī)則斑雜狀或蜂窩狀,含有大量細(xì)小包體,這表明它們可能經(jīng)歷過(guò)變質(zhì)改造或低溫蝕變作用。第二類(lèi)鋯石的核部特征(圖5e-f)與第一類(lèi)鋯石的部分殘余核(圖5b)特征極為相似,這可能表明不同鋯石顆粒被改造的程度以及變質(zhì)環(huán)帶的發(fā)育程度存在較明顯的差異。

圖5 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖(樣品DG21-14)代表性變質(zhì)鋯石的CL圖像及主要包體(a-d)第一類(lèi)鋯石;(e、f)第二類(lèi)鋯石;(g-l)第一類(lèi)鋯石及其中的固相包裹體. L-熔融包裹體;Kfs-鉀長(zhǎng)石Fig.5 Cathodoluminescence (CL) images of representative metamorphic zircons and their inclusions in the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

經(jīng)EDS能譜鑒定,第一類(lèi)鋯石的礦物包裹體主要為高鈣斜長(zhǎng)石(Pl-2)、單斜輝石、黑云母、鈦鐵礦、石英(圖5g-l),與鏡下觀察到的麻粒巖相礦物組合接近。熔融包裹體可分為兩類(lèi),其中一類(lèi)已充分結(jié)晶,表現(xiàn)為長(zhǎng)石(包括鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石)和石英構(gòu)成的多相包體;另一類(lèi)則是均一相,應(yīng)是未結(jié)晶的熔體(玻璃)。這些包體特征表明鋯石形成于麻粒巖相部分熔融階段, 為變質(zhì)成因(吳元保和鄭永飛,2004)。

U-Pb同位素和微量元素分析僅對(duì)第一類(lèi)的14粒鋯石開(kāi)展。所分析鋯石的U含量為200×10-6～595×10-6,Th含量為71×10-6～307×10-6,Th/U比值為0.35～0.60 (表2)。全部分析鋯石的206Pb/238U值和207Pb/235U值諧和性較好,均集中于諧和曲線附近(圖6),諧和年齡為411.4±2.9Ma(MSWD=1.05)(表2),與14個(gè)分析點(diǎn)的206Pb/238U加權(quán)平均年齡(411.8±3.7Ma)十分接近。結(jié)合鋯石包體礦物組合,本文認(rèn)為這一年齡代表了麻粒巖相變質(zhì)作用的發(fā)生時(shí)間。

表2 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖(樣品DG21-14)鋯石U-Pb定年結(jié)果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb ages of the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

圖6 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖(樣品DG21-14)變質(zhì)鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和頻數(shù)圖(b)Fig.6 Concordia diagram (a) and frequency diagram (b) of metamorphic zircons in the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

4 溫壓條件計(jì)算

由于單斜輝石和斜方輝石是主要的麻粒巖相平衡共生礦物,其平衡溫度基本可以代表峰期溫度或其下限(即冷卻溫度)條件。本文使用三個(gè)版本的二輝石溫度計(jì)進(jìn)行了溫度計(jì)算(Wood and Banno, 1973; Wells, 1977; Brey and K?hler, 1990)。Wells (1977)的溫度計(jì)結(jié)果明顯高于其他兩個(gè)版本,這可能是研究樣品的輝石較富鎂所致,該溫度計(jì)的計(jì)算結(jié)果僅做參考。二輝石溫度計(jì)顯示大格勒二輝麻粒巖的變質(zhì)峰期溫度為840～910℃(表3)。由吳春明等(1999)的黑云母-斜方輝石溫度計(jì)獲得0.3～0.8GPa壓力條件下的變質(zhì)溫度為720～785℃,明顯低于二輝石溫度計(jì)的計(jì)算結(jié)果,這可能是降溫過(guò)程中黑云母發(fā)生成分?jǐn)U散導(dǎo)致,代表了樣品退變質(zhì)階段的溫度。

表3 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖(樣品DG21-14)的峰期變質(zhì)溫度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculated results of peak metamorphic temperatures of the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

由于本文研究的樣品不含石榴石,它們?cè)诼榱r相條件的壓力應(yīng)不超過(guò)1.0GPa(魏春景等, 2017),屬于低壓麻粒巖相變質(zhì)巖。單斜輝石不含鈣契爾馬克分子(表1),因此不能使用McCarthy and Patio Douce (1998)的麻粒巖經(jīng)驗(yàn)壓力計(jì)來(lái)估計(jì)壓力。金水口地區(qū)的一些麻粒巖樣品含有Grt+Opx+Pl+Qz 組合,算得的變質(zhì)壓力為0.56～0.70GPa(Wangetal., 2022),屬于低壓麻粒巖相。雖然Wangetal.(2022)將其稱為含石榴石基性麻粒巖,但根據(jù)其石榴石貧鈣且不含單斜輝石的特點(diǎn),應(yīng)劃為長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖(變質(zhì)雜砂巖)。Wangetal.(2022)所測(cè)的麻粒巖相變質(zhì)年齡(206Pb/238U加權(quán)平均年齡為409.7±1.7Ma)與本文十分接近,因此極有可能與本文的樣品經(jīng)歷相同的變質(zhì)歷史。結(jié)合余能(2005)算得的金水口和白日其利地區(qū)同時(shí)期麻粒巖相壓力范圍(0.4～0.6GPa),我們認(rèn)為東昆侖早泥盆世麻粒巖相的壓力合理范圍為0.4～0.7GPa。因此本文選擇0.6GPa作為麻粒巖相變質(zhì)壓力,對(duì)二輝麻粒巖樣品DG21-14在NCKFMASHTO體系下進(jìn)行相平衡模擬。計(jì)算軟件為T(mén)HERIAK-DOMINO(Vers.01.08.09),使用的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)文件為td-6axNCKFMASHTOm45.txt,https://dtinkham.net/peq.html)。

相平衡模擬所用的全巖成分來(lái)自XRF分析結(jié)果,之后扣除了磷灰石所占有的鈣。Fe3+/Fetotal的比值(0.12)是用化學(xué)滴定法確定的。考慮到燒失過(guò)程中二價(jià)鐵被氧化造成質(zhì)量的增加,本文對(duì)燒失量進(jìn)行了校正,把校正后的結(jié)果作為最大含水量,在0.6GPa下計(jì)算了T-XH2O視剖面圖(圖7a、表4)?？紤]到巖石發(fā)生過(guò)部分熔融,前文確定的麻粒巖相礦物組合Cpx+Opx+Pl+Ilm+Bt+Hb+Qz應(yīng)當(dāng)與熔體達(dá)到平衡。圖7a顯示礦物組合Cpx+Opx+Pl+Ilm+Bt+Hb+Qz+L(圖7a-b中以白色標(biāo)記)穩(wěn)定的溫度范圍為820～845℃,隨著含水量的增加,該組合的穩(wěn)定溫度范圍略有增加。該組合在較寬的含水量范圍都能穩(wěn)定,這表明該組合對(duì)含水量的變化不敏感。鑒于此,本文選取XH2O=0.25(圖7a中的白色虛線位置)來(lái)計(jì)算P-T視剖面圖(圖7b),該值略高于該礦物組合穩(wěn)定所需的最小含水量(圖7a中的A點(diǎn)),可以保證觀察到的麻粒巖相礦物組合穩(wěn)定于固相線之上。繼續(xù)升高含水量將擴(kuò)大普通角閃石的穩(wěn)定范圍而縮小黑云母的穩(wěn)定范圍,但由于礦物結(jié)構(gòu)顯示本樣品的黑云母穩(wěn)定于峰期條件,因此XH2O不會(huì)超過(guò)0.7,其在0.25～0.7范圍內(nèi)的變化對(duì)麻粒巖相組合的影響較有限。圖7b顯示固相線和普通角閃石的消失線位置十分接近,觀測(cè)到的麻粒巖相組合Cpx+Opx+Pl+Ilm+Bt+Hb+Qz+L穩(wěn)定于一個(gè)狹長(zhǎng)的區(qū)域(溫壓范圍為780～860℃、0.2～0.8GPa),對(duì)溫度變化較為敏感。結(jié)合二輝石溫度計(jì)的計(jì)算結(jié)果(表3),本文認(rèn)為麻粒巖相峰期溫度很可能越過(guò)了普通角閃石的消失線,形成的組合應(yīng)當(dāng)為Cpx+Opx+Pl+Ilm+Bt±Qz,鏡下觀察到的少量該階段的角閃石(圖3)很可能為亞穩(wěn)定狀態(tài)。該組合包含黑云母但不包含鉀長(zhǎng)石,與鏡下觀察到的礦物結(jié)構(gòu)一致。另外,斜長(zhǎng)石的An等值線(圖7b)顯示,該組合的斜長(zhǎng)石成分與基質(zhì)斜長(zhǎng)石(Pl-2)接近,支持其為麻粒巖相變質(zhì)產(chǎn)物,與低鈣的斜長(zhǎng)石(Pl-1)成因不同。但由于該組合的穩(wěn)定溫壓范圍較大,An等值線的變化范圍也較大,因此在這里不能用礦物組合和An等值線來(lái)準(zhǔn)確地限定麻粒巖相溫壓條件,需要結(jié)合傳統(tǒng)溫壓計(jì)和礦物反應(yīng)關(guān)系綜合分析。

表4 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖(樣品DG21-14)相圖計(jì)算有效全巖成分表(mol/mol)Table 4 Bulk-rock compositions used for pseudosections for the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area (mol/mol)

圖7 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖(樣品DG21-14)在NCKFMASHTO體系下的T-XH2O(a)和P-T(b)視剖面圖圖a中的A點(diǎn)指示了圖b中礦物組合出現(xiàn)所需要的最小含水量. 圖b中的麻粒巖相礦物組合邊界標(biāo)記為淺藍(lán)色,方框?yàn)閭鹘y(tǒng)溫壓計(jì)計(jì)算的麻粒巖相溫壓范圍. 固相線標(biāo)記為橙色. 圖b中帶有數(shù)字的虛線表示的是斜長(zhǎng)石的An等值線. L-熔體,Grt-石榴石,其他礦物代號(hào)與前文相同F(xiàn)ig.7 T-XH2O (a) and P-T (b) pseudosections in the NCKFMASHTO system of the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

鏡下觀察到的熔融結(jié)構(gòu)(圖3g, h)和鋯石熔融包裹體表明本文研究的樣品發(fā)生了麻粒巖相部分熔融?？紤]到二輝麻粒巖普遍存在熔體丟失的現(xiàn)象,需要對(duì)麻粒巖丟失熔體之前的成分進(jìn)行計(jì)算,以便對(duì)麻粒巖相變質(zhì)之前的礦物組合開(kāi)展相平衡模擬。Palinetal.(2016)對(duì)較富鉀玄武巖成分的進(jìn)變質(zhì)模擬結(jié)果顯示,在900℃和0.6GPa條件下的熔融程度約為25%。樣品DG21-14的全巖成分與之較接近,它很可能也經(jīng)歷了相同程度的部分熔融,且熔體從體系中遷移出去。模擬麻粒巖相疊加之前的變質(zhì)條件需要還原熔體丟失之前的有效全巖成分,為此本文使用軟件THERIAK-DOMINO(Vers.01.08.09)中的theriak.exe程序計(jì)算了麻粒巖相條件(參考上述溫壓計(jì)算結(jié)果,這里設(shè)定的條件為900℃和0.6GPa)下熔體的成分和含量。假定原巖在此條件下的熔融程度也為25%且熔體一次性全部丟失,由此可以估算出熔體丟失之前的全巖成分(表4)。由于存在早期殘余的含水礦物斜黝簾石,我們推測(cè)麻粒巖相疊加之前的變質(zhì)階段水可能接近飽和狀態(tài),以此計(jì)算了P-T視剖面圖(圖8a、表4)。在圖8a中,所觀察的礦物組合Czo+Ru+Sph+Hb+Bt+Pl+Qz并不出現(xiàn)在同一個(gè)穩(wěn)定域內(nèi)。組合Czo+Pl僅共生于較低溫壓條件下,與高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M的基性巖金紅石的穩(wěn)定范圍不一致(Johnetal., 2011)。相反,組合Czo+Ru+Sph+Hb+Bt+Qz穩(wěn)定范圍為0.85～1.18GPa、500～640℃,對(duì)應(yīng)于高壓角閃巖相條件,符合金紅石的穩(wěn)定條件。另外,由相圖可知,如果沿降壓升溫的P-T軌跡進(jìn)行,在固相線附近是可以形成Czo+Pl組合的。結(jié)合角閃石周?chē)h(huán)繞單斜輝石的結(jié)構(gòu)(圖3d),本文所研究的樣品很可能在高壓角閃巖相和麻粒巖相之間還存在一期低壓角閃巖相階段,形成組合Czo+Pl+Cpx(圖8a)。

圖8 大格勒地區(qū)二輝麻粒巖(樣品DG21-14)熔體丟失前的P-T視剖面圖(a)和P-T軌跡示意圖(b)圖a的高壓角閃巖相和低壓角閃巖相礦物組合的邊界標(biāo)記為淺藍(lán)色. 圖b的變質(zhì)相界線及代號(hào)參看Liou et al. (2004). Gln-藍(lán)閃石,其他礦物代號(hào)與前文相同F(xiàn)ig.8 P-T pseudosection of sample DG21-14 using estimated bulk compositions prior to melt loss (a) and the proposed P-T path (b)

5 變質(zhì)演化階段

根據(jù)巖相學(xué)和礦物成分分析結(jié)果,結(jié)合相平衡模擬,本文把大格勒二輝麻粒巖的變質(zhì)演化分成四個(gè)階段。第一階段以低鈣斜長(zhǎng)石(Pl-1)和鈦鐵礦中的包體礦物為代表,礦物組合為Czo+Ru+Sph+Bt+Hb±Act+Qz。金紅石在基性巖石中的穩(wěn)定壓力較高(一般大于1.0GPa, Johnetal., 2011),它的出現(xiàn)代表了高壓角閃巖相變質(zhì)階段。隨著壓力的降低和溫度的升高至固相線附近,斜黝簾石轉(zhuǎn)變?yōu)榈外}斜長(zhǎng)石(Pl-2),并出現(xiàn)單斜輝石(圖3d),很可能對(duì)應(yīng)了一期低壓角閃巖相階段(第二階段)。隨著溫度的繼續(xù)升高,巖石進(jìn)入麻粒巖相階段(第三階段),形成礦物組合為Opx+Cpx+Pl-2+Ilm+Hb+Bt+Qz。由于不存在石榴石,該階段的壓力應(yīng)小于1.0GPa(魏春景等, 2017)。與麻粒巖相礦物平衡共生的磷灰石具有富氯的成分,明顯不同于早期的富氟磷灰石(圖3e),很可能指示了流體成分的明顯變化。前者代表了體系中較高的鹽度(XNaCl),與其麻粒巖相低水活度的環(huán)境相匹配。第四階段為近固相線熔體-礦物反應(yīng)階段,該階段是通過(guò)礦物反應(yīng)結(jié)構(gòu)確定的,沒(méi)有合適的溫壓計(jì)。大量普通角閃石和黑云母呈填隙狀充填于輝石和斜長(zhǎng)石變斑晶之間,這類(lèi)角閃石的Al2O3、TiO2和K2O含量均明顯低于麻粒巖相角閃石。結(jié)合鋯石熔融包裹體的EDS成分特征,本文認(rèn)為變斑晶礦物之間的石英集合體可能代表了富硅熔體的局部富集作用(圖3g, h),其中包裹的細(xì)粒自形斜長(zhǎng)石的An含量與斜長(zhǎng)石變斑晶(Pl-2)相同,應(yīng)該屬于轉(zhuǎn)熔成因。結(jié)合角閃石的成分特征以及熔體的存在,本文認(rèn)為這些含水礦物是降溫降壓至固相線附近時(shí),輝石和斜長(zhǎng)石與熔體發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果(即Cpx+Opx+Pl-2+L(熔體)→Hb,魏春景等, 2017)。黑云母的成分與前一階段并無(wú)區(qū)別,都具有較高的鈦含量,可能與較高的固相線結(jié)晶溫度有關(guān)。薄片下熔融結(jié)構(gòu)中鉀長(zhǎng)石的缺失以及鋯石富鉀熔體包裹體的存在表明固相線附近黑云母的大量生長(zhǎng)是通過(guò)消耗熔體來(lái)實(shí)現(xiàn)的(Opx+L→Bt)。

6 討論

基性二輝麻粒巖是低壓麻粒巖相的代表性巖石類(lèi)型,意味著地殼較淺層次高溫事件的發(fā)生,對(duì)認(rèn)識(shí)造山帶的結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。東昆侖造山帶關(guān)于二輝麻粒巖的報(bào)道最早見(jiàn)于天臺(tái)山和金水口地區(qū)(王云山和陳基娘, 1987),但報(bào)道者沒(méi)有提供準(zhǔn)確的年代學(xué)數(shù)據(jù),籠統(tǒng)地將它們都劃入下元古界金水口群。劉永成和葉占福(1998)將該套以包體形式存在于金水口群片麻巖中的麻粒巖相變質(zhì)基性巖系稱為天臺(tái)山表殼巖組合,認(rèn)為其原巖為一套基性火山巖-含鈣質(zhì)雜砂巖,記錄了該地區(qū)最早的地質(zhì)事件,表明當(dāng)時(shí)已出現(xiàn)陸殼源區(qū)。近年來(lái),對(duì)東昆侖低壓麻粒巖相變質(zhì)作用的系統(tǒng)研究主要集中在金水口地區(qū),該地區(qū)的低壓麻粒巖以包體形式產(chǎn)于花崗質(zhì)巖體中。張建新等(2003)對(duì)花崗質(zhì)巖石和副片麻巖包體進(jìn)行了鋯石SHRIMP測(cè)年,結(jié)果顯示副片麻巖經(jīng)歷了460Ma左右的麻粒巖相變質(zhì)作用,而花崗巖發(fā)生了402Ma左右的深熔作用,反映了古生代兩期構(gòu)造熱事件。龍曉平(2004)根據(jù)817.0±10.7Ma和621.1±5.7Ma的鋯石U-Pb年齡,認(rèn)為金水口麻粒巖包體的原巖可能形成于晚元古代,麻粒巖相變質(zhì)作用發(fā)生于震旦紀(jì)。何凡和宋述光(2020)對(duì)該地區(qū)的二輝麻粒巖包體開(kāi)展了進(jìn)一步研究,在鋯石U-Pb諧和圖上獲得上交點(diǎn)年齡為995±34Ma,下交點(diǎn)年齡為417±30Ma(MSWD=1.05)。他們認(rèn)為前者代表格林威爾期麻粒巖相變質(zhì)年齡,后者代表泥盆紀(jì)變質(zhì)改造年齡。Wangetal.(2022)也對(duì)它們開(kāi)展了類(lèi)似的工作,但認(rèn)為二輝麻粒巖的變質(zhì)年齡為410Ma,與區(qū)域上的一些變泥質(zhì)巖的峰期變質(zhì)年齡接近(龍曉平, 2004)。以上研究顯示金水口地區(qū)的麻粒巖具有復(fù)雜的變質(zhì)年齡構(gòu)成,這可能跟以下兩方面因素有關(guān)。一方面,由于鋯石生長(zhǎng)的復(fù)雜性以及寄主巖石礦物組合的差異,不同樣品中鋯石變質(zhì)生長(zhǎng)或重結(jié)晶程度存在差異,鋯石所反映的變質(zhì)事件也有所不同(Jianetal., 2013)。由于有些鋯石年代學(xué)研究缺少配套的巖相學(xué)分析,其年齡能否代表麻粒巖相發(fā)生的時(shí)間尚不明確。另一方面,由于這些麻粒巖以包體形式存在,其確切來(lái)源難以準(zhǔn)確限定。它們既可能是來(lái)自花崗質(zhì)巖漿的源區(qū),也有可能是花崗質(zhì)巖漿在上升過(guò)程中從圍巖捕獲的,因此其出現(xiàn)多個(gè)年齡也是正常的。Heetal.(2022)報(bào)道了五龍溝地區(qū)高壓麻粒巖的變質(zhì)年齡為940Ma, 支持本地區(qū)的新元古代高溫變質(zhì)事件。這項(xiàng)研究也說(shuō)明了東昆侖造山帶長(zhǎng)期和復(fù)雜的變質(zhì)演化歷史,有待通過(guò)下一步工作厘清各個(gè)變質(zhì)單元的關(guān)系和空間展布規(guī)律。

與金水口地區(qū)麻粒巖產(chǎn)狀不同的是,大格勒的麻粒巖呈透鏡狀或夾層狀產(chǎn)于副片麻巖中。根據(jù)我們的初步研究結(jié)果,這些圍巖片麻巖大部分受到強(qiáng)烈的綠片巖相或角閃巖相疊加,只有少部分保存了完整的低壓麻粒巖相礦物組合。這很可能表明這些巖石構(gòu)成了具有一定規(guī)模的高溫變質(zhì)單元。本文研究的二輝麻粒巖樣品鋯石U-Pb同位素年齡數(shù)據(jù)諧和性較好,206Pb/238U加權(quán)平均年齡為411.4±2.9Ma(MSWD=1.05),結(jié)合詳細(xì)的鋯石包體組合分析,可以確定這一年齡代表區(qū)域上麻粒巖相變質(zhì)事件的時(shí)間。這一結(jié)果也與金水口和白日其利地區(qū)的泥質(zhì)麻粒巖年代學(xué)分析一致(龍曉平, 2004),同時(shí)也與區(qū)域上混合巖化發(fā)生的時(shí)代吻合(Gaoetal., 2023)。這表明了東昆侖造山帶在晚古生代早期存在一期區(qū)域規(guī)模的高溫變質(zhì)和深熔事件,不支持本地區(qū)深熔作用滯后于麻粒巖相變質(zhì)作用的認(rèn)識(shí)(余能, 2005; 孟繁聰?shù)? 2018)。

在整個(gè)東昆侖造山帶都廣泛存在志留紀(jì)-泥盆紀(jì)的A2型花崗巖體(劉彬等, 2012; 陸露等, 2013; 嚴(yán)威等, 2016; Xinetal., 2018; 張亮等, 2021),它們的鋯飽和溫度計(jì)顯示其形成溫度超過(guò)800℃,屬于高溫花崗巖(吳福元等, 2007)。同時(shí)期的噴出巖以牦牛山組酸性火山巖為代表。諾木洪南的流紋巖鋯石U-Pb年齡為411.9±3.8Ma,鋯石飽和溫度839～873℃,也具有A型花崗巖的地球化學(xué)特點(diǎn)(董金龍, 2020)。同位素地球化學(xué)特征顯示,這些A型酸性巖漿巖雖然都是長(zhǎng)英質(zhì)地殼巖石部分熔融產(chǎn)生,但大部分都含有一定量的地幔物質(zhì)。同時(shí)期的S型花崗巖出露較有限,主要位于金水口地區(qū),這類(lèi)花崗巖同樣具有很高的形成溫度,被認(rèn)為是雜砂巖部分熔融形成的(巴金等, 2012)。以上高溫花崗質(zhì)巖漿作用的時(shí)間跨度較大(430～380Ma),這說(shuō)明東昆侖造山帶沿走向受到巖石圈規(guī)模高溫變質(zhì)作用的長(zhǎng)期改造。大格勒基性二輝麻粒巖的麻粒巖相溫壓條件為840～910℃、<0.9GPa,直接記錄了東昆侖造山帶早泥盆世較淺層次異常高溫事件。幔源基性巖漿活動(dòng)在這一時(shí)期主要表現(xiàn)為小規(guī)模產(chǎn)出的輝綠巖和輝長(zhǎng)巖(劉彬等, 2012; Dongetal., 2020; 張亮等, 2021)。鄰近大格勒溝的五龍溝地區(qū)片麻巖地體中的堆晶輝長(zhǎng)巖代表了地殼較淺層次巖漿房的存在(張亮等, 2021)。根據(jù)這些輝長(zhǎng)巖的全巖成分算得的堆晶巖結(jié)晶溫度為1180℃左右(Songetal., 2007),這些巖漿很可能提供了區(qū)域高溫變質(zhì)作用和深熔作用所需要的主要熱量。另外,雖然麻粒巖相巖石廣泛分布于東昆侖造山帶(周文孝等, 2020),但是大部分變質(zhì)地體沒(méi)有記錄如此高的變質(zhì)溫度。目前尚不清楚這到底是由于巖性不同導(dǎo)致的峰期溫度記錄差異,還是由于距離熱源遠(yuǎn)近差異造成的。

大格勒榴輝巖(熊富浩和馬昌前, 2016)以及金水口以東20km左右的冰溝榴輝巖(Wangetal., 2017)記錄了460～450Ma左右的高壓變質(zhì)事件。本文研究的二輝麻粒巖位于前者的東南方向,相距不足10km,二者通常被劃在同一構(gòu)造帶上,都屬于金水口巖群(圖1b)。根據(jù)斜長(zhǎng)石變斑晶中的殘余礦物組合及相平衡模擬,我們認(rèn)為這些二輝麻粒巖很可能是經(jīng)歷了高壓變質(zhì)作用,但由于研究的樣品數(shù)量有限,目前還不能確定它們是否達(dá)到了榴輝巖相。本文研究的鋯石未能記錄450Ma左右的變質(zhì)年齡,尚不能確定這是否跟與410Ma麻粒巖相作用對(duì)鋯石的強(qiáng)烈改造有關(guān)。另外需要注意的是,雖然大格勒榴輝巖與本文研究的二輝麻粒巖在空間上十分接近,但前者僅受到了角閃石相退變質(zhì)疊加,并沒(méi)有經(jīng)歷高溫麻粒巖相改造,與本文的樣品在巖相學(xué)存在顯著不同。張建新等(2003)報(bào)道了金水口地區(qū)泥質(zhì)麻粒巖包體的峰期變質(zhì)年齡為460Ma,明顯老于本地區(qū)同類(lèi)型變質(zhì)巖的峰期年齡(龍曉平, 2004; Wangetal., 2022),但與區(qū)域上榴輝巖相變質(zhì)時(shí)代接近。然而金水口地區(qū)的各類(lèi)麻粒巖包體均以低壓變質(zhì)為特征,還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)高壓變質(zhì)作用的礦物學(xué)記錄?？偠灾?大格勒地區(qū)的二輝麻粒巖順時(shí)針P-T軌跡很可能反映了東昆侖地區(qū)晚古生代活動(dòng)陸緣由擠壓到伸展模式的轉(zhuǎn)換,但它們與大格勒榴輝巖和金水口麻粒巖之間的成因聯(lián)系有待進(jìn)一步研究。

7 結(jié)論

本文首次報(bào)道了東昆侖造山帶大格勒地區(qū)金水口群變質(zhì)巖系中的基性二輝麻粒巖。它們呈透鏡狀或夾層狀產(chǎn)于副片麻巖中,主要由斜方輝石、單斜輝石、斜長(zhǎng)石、黑云母、普通角閃石組成。根據(jù)礦物結(jié)構(gòu)關(guān)系、礦物對(duì)溫壓計(jì)以及相平衡模擬確定了四個(gè)變質(zhì)階段,它們構(gòu)成順時(shí)針P-T軌跡。早期經(jīng)歷高壓角閃巖相變質(zhì)階段,形成的礦物(如金紅石和斜黝簾石等)以細(xì)小殘余包體形式保存于斜長(zhǎng)石和鈦鐵礦變斑晶中。在 隨后的升溫降壓過(guò)程中發(fā)生斜黝簾石向斜長(zhǎng)石的轉(zhuǎn)變,并形成單斜輝石,可能對(duì)應(yīng)一期低壓角閃巖相階段。隨著溫度的進(jìn)一步升高,巖石進(jìn)入低壓麻粒巖相變質(zhì)階段,早期的大部分礦物受到強(qiáng)烈的變質(zhì)改造,該階段溫度條件為840～910℃,壓力不高于0.9GPa。變質(zhì)鋯石的U-Pb諧和年齡為411.4±2.9Ma(MSWD=1.05),鋯石包體組合指示其為低壓麻粒巖相疊加年齡。當(dāng)巖石冷卻至固相線附近時(shí),熔體與礦物反應(yīng)形成大量普通角閃石和黑云母。大格勒地區(qū)二輝麻粒巖反映了中等地殼層次區(qū)域高溫?zé)崃魇录?與區(qū)域上大量沿造山帶走向分布的同時(shí)期高溫花崗巖一起指示了后碰撞伸展階段的軟流圈上涌活動(dòng)。