柴北緣錫鐵山地體花崗質(zhì)片麻巖退變質(zhì)作用和40Ar/39Ar年代學(xué)研究及其地質(zhì)意義

胡榮國(guó), 白秀娟, 劉希軍, 楊啟軍, 馮佐海,蔡永豐, 趙義來(lái), 邱華寧

柴北緣錫鐵山地體花崗質(zhì)片麻巖退變質(zhì)作用和40Ar/39Ar年代學(xué)研究及其地質(zhì)意義

胡榮國(guó)1, 2, 白秀娟3, 劉希軍1, 2, 楊啟軍1, 2, 馮佐海1, 2,蔡永豐1, 2, 趙義來(lái)1, 2, 邱華寧3

(1. 桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004; 2. 桂林理工大學(xué) 有色金屬礦產(chǎn)勘查與資源高效利用協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 桂林 541004; 3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院, 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074)

本文對(duì)柴達(dá)木盆地北緣錫鐵山地區(qū)含榴輝巖透鏡體花崗質(zhì)片麻巖進(jìn)行了系統(tǒng)的礦物學(xué)、相平衡模擬以及黑云母和石英40Ar/39Ar年代學(xué)研究, 旨在查明花崗質(zhì)片麻巖在加里東超高壓變質(zhì)之后, 折返過(guò)程中發(fā)生角閃巖?綠片巖相退變質(zhì)作用的變質(zhì)條件和變質(zhì)年代。礦物學(xué)和相平衡模擬顯示, 發(fā)育變形石英細(xì)脈的黑云母花崗質(zhì)片麻巖高角閃巖相變質(zhì)礦物組合(M1)為黑云母+鉀長(zhǎng)石+斜長(zhǎng)石+石英+金紅石+矽線石+鈦鐵礦, 對(duì)應(yīng)變質(zhì)條件為＞620 ℃,＞0.16 GPa; 低角閃巖相?綠片巖相變質(zhì)礦物組合(M2)為黑云母+白云母+斜長(zhǎng)石+微斜長(zhǎng)石+石英+榍石±綠泥石,變質(zhì)條件為390～420 ℃和=0.10～0.19 GPa?；◢徺|(zhì)片麻巖中黑云母激光階段加熱40Ar/39Ar定年獲得了一個(gè)上升的階梯狀表觀年齡圖譜, 在中高溫階段則形成了一個(gè)平坦的表觀年齡坪, 坪年齡為353.9±1.8 Ma, 對(duì)應(yīng)的等時(shí)線年齡為356.7±5.6 Ma。變形石英脈樣品真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年, 則形成了下降的階梯狀表觀年齡圖譜, 10～23階段的數(shù)據(jù)點(diǎn)給出了357.9±1.6 Ma的坪年齡, 對(duì)應(yīng)的等時(shí)線年齡為356.1±3.9 Ma, 記錄了錫鐵山地體晚泥盆世一期重要的構(gòu)造熱事件和流體活動(dòng)發(fā)生的時(shí)間。黑云母和變形石英脈記錄一致的～357 Ma晚古生代年齡, 代表了錫鐵山地區(qū)超高壓變質(zhì)巖及其圍巖在經(jīng)歷了加里東期深俯沖以及晚泥盆世造山后巖漿熱事件疊加后, 折返到淺部地殼發(fā)生角閃巖相至綠片巖相退變質(zhì)作用的時(shí)代。

錫鐵山; 花崗質(zhì)片麻巖; 變形石英脈;40Ar/39Ar定年; 真空擊碎

0 引 言

位于南祁連褶皺帶?中祁連地塊和柴達(dá)木地塊之間的柴達(dá)木盆地北緣(柴北緣)加里東造山帶長(zhǎng)約700 km, 主要由魚(yú)卡?綠梁山、錫鐵山和都蘭等幾個(gè)榴輝巖?片麻巖超高壓地體組成(圖1a; 楊經(jīng)綏等, 1998), 是我國(guó)造山帶、超高壓變質(zhì)巖巖石學(xué)和大陸動(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一。20多年來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該造山帶開(kāi)展了系統(tǒng)的高壓?超高壓變質(zhì)巖巖石學(xué)(Zhang et al., 2005; 陳丹玲, 2007; Zhou et al., 2019)、礦物學(xué)(Song et al., 2009; Xiong et al., 2015)、流變學(xué)(Park and Jung, 2020)、年代學(xué)(Xiong et al., 2012; Zhang et al., 2012, 2013, 2019; Menold et al., 2016; Ren et al., 2019; Li et al., 2020)、折返機(jī)制和造山帶構(gòu)造演化(Xu et al., 2006; Song et al., 2014; Hu et al., 2016; Li et al., 2019; Yu et al., 2019, 2021)等研究, 并取得了一系列重要的成果。

數(shù)據(jù)來(lái)源: 1. 吳才來(lái)等, 2007; 2. Zhao et al., 2017; 3. Zhao et al., 2018; 4. Zhang et al., 2008; 5. 胡榮國(guó)等, 2016; 6. Zhang et al., 2012; 7. 孟繁聰?shù)? 2005。

錫鐵山榴輝巖?片麻巖地體位于柴北緣古生代造山帶中段, 廣泛出露夾有不同規(guī)模榴輝巖透鏡體的副片麻巖/片巖和花崗質(zhì)片麻巖(圖1b; 張建新等, 2007)。副片麻巖主要有(石榴)矽線黑云片麻巖和石榴矽線黑云片巖等, 由矽線石和黑云母所組成的SSE-NNW向面理(S1)和近水平拉伸線理指示區(qū)域發(fā)生高溫變形(張建新等, 2003, 2007; Zhang et al., 2008, 2012)。通過(guò)Grt-Sil-Pl-Qz(GASP)壓力計(jì)和Grt-Bt溫度計(jì)計(jì)算的變質(zhì)條件為=0.6～0.9 GPa,=710～ 820 ℃, 反映副片麻巖經(jīng)歷了中壓麻粒巖相變質(zhì)作用(張建新等, 2007)。獨(dú)居石原位U-Th-Pb(EMP)定年結(jié)果顯示副片麻巖在經(jīng)歷過(guò)超高壓變質(zhì)之后的角閃巖相退變質(zhì)作用時(shí)代為425～422 Ma(Zhang et al., 2012)。區(qū)內(nèi)花崗質(zhì)片麻巖組成較為多樣, 包括黑云斜長(zhǎng)片麻巖、二云鉀長(zhǎng)片麻巖、黑云母二長(zhǎng)片麻巖等。已有研究顯示花崗質(zhì)片麻巖和副片麻巖具有相似的地球化學(xué)組成和一致的Nd模式年齡(1.88～2.18 Ga), 花崗質(zhì)片麻巖可能是副片麻巖(片巖)原地熔融的產(chǎn)物?；◢徺|(zhì)片麻巖鋯石U-Pb測(cè)年獲得478±44 Ma的下交點(diǎn)年齡(張建新等, 2003), 與柴北緣地區(qū)榴輝巖的變質(zhì)鋯石年齡在誤差范圍內(nèi)一致, 表明其在早古生代與所夾的榴輝巖一起經(jīng)歷了深俯沖作用(張建新等, 2003; Zhang et al., 2009; 于勝堯等, 2019)?？紤]到榴輝巖中普遍缺少能夠用來(lái)限定其晚期退變質(zhì)作用年代的定年礦物(如云母、長(zhǎng)石等), 因此富含這些礦物且和榴輝巖一起卷入了加里東期高壓?超高變質(zhì)作用的片麻巖無(wú)疑是非常理想的補(bǔ)充研究對(duì)象。目前針對(duì)區(qū)域花崗質(zhì)片麻巖(片巖)的研究主要集中在Sm-Nd同位素地球化學(xué)和早古生代高壓?超高壓變質(zhì)年代學(xué)上, 而對(duì)其礦物學(xué)、退變質(zhì)作用以及退變質(zhì)年代學(xué)研究還相對(duì)缺少。鑒于此, 本文以錫鐵山地區(qū)的花崗質(zhì)片麻巖(黑云二長(zhǎng)片麻巖)為重點(diǎn)剖析對(duì)象, 通過(guò)系統(tǒng)的巖相學(xué)、礦物學(xué)、視剖面模擬, 以及花崗質(zhì)片麻巖中黑云母和順片麻理發(fā)育的變形石英細(xì)脈40Ar/39Ar熱年代學(xué)的綜合研究, 旨在厘定花崗質(zhì)片麻巖在遭受了同構(gòu)造和造山后巖漿熱事件疊加后, 從中?下地殼折返到淺部地殼過(guò)程中發(fā)生角閃巖?綠片巖相退變質(zhì)作用變質(zhì)條件和變質(zhì)年代, 并探討其大陸動(dòng)力學(xué)意義。

1 地質(zhì)背景及樣品描述

柴達(dá)木盆地北緣(柴北緣)造山帶位于柴達(dá)木地塊和祁連地塊之間, 是近二十年來(lái)我國(guó)西部新厘定的一條榴輝巖?石榴石橄欖巖?片麻巖超高壓變質(zhì)巖帶。位于該超高壓變質(zhì)帶中部的錫鐵山地體主要分布在錫鐵山?阿莫尼克山一帶, 榴輝巖及其退變質(zhì)產(chǎn)物主要以透鏡狀和布丁狀賦存于發(fā)育等斜褶皺的下元古界達(dá)肯達(dá)坂群泥質(zhì)片麻巖和花崗質(zhì)片麻巖中(圖1b)。區(qū)內(nèi)新鮮榴輝巖較為少見(jiàn), 僅保留在較大透鏡體的中心部位(張建新等, 2007), 大部分榴輝巖都經(jīng)歷了不同程度的后成合晶和角閃巖相退化變質(zhì)的疊加改造, 轉(zhuǎn)變成石榴麻粒巖、石榴輝石巖、石榴角閃巖或斜長(zhǎng)角閃巖。區(qū)內(nèi)片麻巖鋯石SHRIMP U-Pb定年結(jié)果顯示, 其在早古生代高壓?超高壓變質(zhì)(450～437 Ma)之前還經(jīng)歷過(guò)晉寧期的變質(zhì)作用(950～890 Ma; Zhang et al., 2008, 2009, 2012)。研究區(qū)內(nèi)還廣泛發(fā)育富含斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的淺色體, 是含水礦物如黝簾石、多硅白云母等脫水分解, 觸發(fā)超高壓榴輝巖或片麻巖發(fā)生部分熔融的產(chǎn)物(Chen et al., 2012; 胡榮國(guó)等, 2016; 于勝堯等, 2019)。淺色體中的鋯石U-Pb定年結(jié)果記錄了～910 Ma、～450 Ma和428～426 Ma三組年齡, 分別被解釋為片麻巖原巖結(jié)晶時(shí)代、高壓?超高壓變質(zhì)作用時(shí)代和熔體結(jié)晶時(shí)代(Chen et al., 2012; 于勝堯等, 2019)。

本次研究對(duì)象為黑云花崗質(zhì)片麻巖(09NQ57A)和順片麻理發(fā)育的變形石英細(xì)脈(09NQ57B), 片麻理產(chǎn)狀為58°∠71°。黑云花崗質(zhì)片麻巖呈淺灰白色, 片麻狀構(gòu)造(圖2a), 細(xì)粒鱗片變晶結(jié)構(gòu), 主要由石英(～40%)、斜長(zhǎng)石(～35%)、鉀長(zhǎng)石(～10%)、黑云母(～10%)、白云母(＜3%)和綠泥石(＜3%)組成(圖2b、c), 副礦物主要為金紅石、榍石、矽線石、鋯石、磷灰石和鈦鐵礦(圖2d、e)。石英呈它形粒狀, 部分顆粒被壓扁拉長(zhǎng), 具波狀消光和顆粒邊界遷移重結(jié)晶現(xiàn)象(圖2b、c)。斜長(zhǎng)石主要呈半自形?它形粒狀, 發(fā)育聚片雙晶(圖2b), 鉀長(zhǎng)石主要呈它形粒狀; 部分斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石具有弱的波狀消光(圖2b、c), 反應(yīng)斜長(zhǎng)石?鉀長(zhǎng)石礦物組合在晚期退變質(zhì)階段也發(fā)生了動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用。黑云母顆粒較小, 主要呈鱗片狀, 部分與細(xì)粒白云母共生, 弱定向排列(圖2b、c)。金紅石完全被榍石替代(圖2d)或部分轉(zhuǎn)變?yōu)殁佽F礦(圖2f)。少量黑云母邊緣或解理縫隙中可觀察到白云母和綠泥石(圖2b), 顯示白云母和綠泥石主要由黑云母/矽線石變質(zhì)而來(lái), 同時(shí)也暗示花崗質(zhì)片麻巖在折返過(guò)程中遭受了低角閃巖相?綠片巖相退變質(zhì)作用的疊加。

礦物代號(hào): Bt. 黑云母; Ms. 白云母; Kfs. 鉀長(zhǎng)石; Pl. 斜長(zhǎng)石; Rt. 金紅石; Ttn. 榍石; Ilm. 鈦鐵礦; Sil. 矽線石; Chl. 綠泥石; Qz. 石英。

順片麻巖片麻理方向發(fā)育一條寬約3～5 cm的變形石英脈(圖2a)。對(duì)該變形石英脈樣品的流體包裹體進(jìn)行了初步的巖相學(xué)和相變溫度觀察與分析(課題組未發(fā)表數(shù)據(jù)), 包裹體可分為2種類型: ①中高鹽度水溶液包裹體(Ⅰa): 該包裹體是石英中最主要的流體類型, 主要包括孤立或小群狀隨機(jī)分布的原生包裹體(圖2g)。包裹體多呈負(fù)晶形、渾圓或不規(guī)則狀, 大小從1～20 μm至數(shù)十微米不等, 主要含有H2O和CO2。冰點(diǎn)溫度(m)的變化范圍在?15.7～?6.0 ℃之間, 對(duì)應(yīng)的流體鹽度為19.2%～9.2%NaCleqv; 加熱時(shí)液氣均一到液相, 均一溫度(h)變化范圍在235～180 ℃之間。②低鹽度水溶液包裹體(Ⅰb): 低鹽度水溶液包裹體呈現(xiàn)出典型的次生包裹體特征, 主要沿礦物不同方向晶內(nèi)裂隙分布, 渾圓或不規(guī)則狀, 主要含有H2O和CO2(圖2h),為晚期捕獲的流體。室溫時(shí)為單液相或氣液兩相,m為?13.7～?5.8, 相對(duì)應(yīng)的流體鹽度為17.5%～8.9% NaCleqv; 加熱時(shí)均一到液相,h為205～176 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

全巖主量元素分析在荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)地質(zhì)系完成, 采用玻璃熔餅法, 分析儀器為荷蘭PANalytical-AxiosmAX型X熒光光譜儀(XRF)。黑云母和石英單礦物分選在荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)選礦實(shí)驗(yàn)室完成, 選出的黑云母粒徑在100～200 μm之間, 而石英粒徑則在500～1000 μm之間。實(shí)驗(yàn)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品分別用鋁箔和銅箔包裝呈小圓餅狀, 密封于玻璃管內(nèi)。為了獲得樣品的值, 在玻璃管兩端及每4個(gè)樣品中間插放一個(gè)標(biāo)樣, 并記錄每個(gè)樣品及標(biāo)樣在玻璃管中的位置, 用以確定樣品管值的變化曲線, 并通過(guò)曲線方程計(jì)算出每個(gè)樣品的值。2件樣品送至美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)核反應(yīng)堆中心, 在TRIGA反應(yīng)堆中使用快中子照射20小時(shí), 中子活化編號(hào)為VU83, 中子通量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣品為DRA-1透長(zhǎng)石, 其年齡為25.26±0.2 Ma(Wijbrans et al., 1995), 干擾同位素校正因子為多次測(cè)量的平均值, 分別為(39Ar/37Ar)Ca=6.73×10?4, (36Ar/37Ar)Ca=2.64×10?4, (40Ar/39Ar)K=8.60×10?4, (38Ar/39Ar)K=1.211×10?2。標(biāo)樣用激光階段加熱求得值, 然后根據(jù)值變化曲線的函數(shù)關(guān)系和樣品的位置, 計(jì)算出每個(gè)樣品的值。黑云母激光階段加熱和石英真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar測(cè)試工作分別在阿姆斯特丹自由大學(xué)40Ar/39Ar同位素實(shí)驗(yàn)室的MAP215-50氣體質(zhì)譜計(jì)和Quadrupole質(zhì)譜計(jì)上完成, 具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)Hu et al. (2015), 數(shù)據(jù)處理和成圖采用Koppers (2002)的ArArCALC V2.50軟件。云母的礦物測(cè)試分析工作在桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院電子探針?lè)治鰧?shí)驗(yàn)室完成。儀器型號(hào)為JEOL JXA8300型電子探針儀, 工作條件為加速電壓15 kV, 探針電流20 nA, 作用時(shí)間為20～30 s, 束斑直徑為2～5 μm; 標(biāo)樣采用鈉長(zhǎng)石(Na, Al, Si)、橄欖石(Mg)、鎂橄欖石(Fe)、磷灰石(P, Ca)、硅灰石(Mn)、金云母(K)和金紅石(Ti); ZAF法校正(atomic number, absorption and fluorescence)。

3 礦物化學(xué)成分

云母是變質(zhì)巖和中酸性巖石中極為常見(jiàn)的主要造巖礦物之一。錫鐵山黑云母花崗質(zhì)片麻巖中的黑云母粒徑較小, 在50～200 μm左右, 產(chǎn)狀相對(duì)單一, 主要鑲嵌在石英或長(zhǎng)石顆粒之間, 與其共生的白云母也具有相似的產(chǎn)狀(圖2b)。代表性的黑云母及其共生的長(zhǎng)石、白云母和綠泥石電子探針成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果顯示, 黑云母Mg/(Mg+Fe)值為1.07～1.11, K/Ca值為43.49～50.86, 屬于富鎂黑云母(圖3a), 而與其共生的白云母Si原子數(shù)在6.16～6.26 apfu范圍內(nèi)(基于22個(gè)O原子), 落在了普通白云母的區(qū)域內(nèi)(圖3a)。綠泥石主要為鐵綠泥石, K/Ca值為0.79～21.43; 堿性長(zhǎng)石的正長(zhǎng)石組分(Or)在65～96之間, 落在微斜長(zhǎng)石和透長(zhǎng)石的范圍內(nèi); 斜長(zhǎng)石的鈣長(zhǎng)石組分(An)在17～32之間, 為中長(zhǎng)石和更長(zhǎng)石(圖3b)。

表1 錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖(09NQ57A)中代表性黑云母、白云母、綠泥石和長(zhǎng)石電子探針?lè)治鼋Y(jié)果(%)

圖3 錫鐵山黃羊溝花崗質(zhì)片麻巖云母分類圖(a;底圖據(jù)Tischendorf et al., 1999)和長(zhǎng)石分類(b;底圖據(jù)Smith and Mackenzie, 1958)圖解

Fig.3 Plot of Fetot+Mn+Ti?AlVIvs. Mg?Li of biotite and muscovite from the Xitieshan granitic gneiss (a), and An-Ab-Or classification diagram for feldspars from the Xitieshan granitic gneiss (b)

4 視剖面模擬與P-T演化歷史

為了深入探討錫鐵山地區(qū)花崗質(zhì)片麻巖變質(zhì)演化過(guò)程, 本文采用Connolly開(kāi)發(fā)的Perple_X軟件(Connolly, 2005; 2021年升級(jí)的6.9.1版)展開(kāi)了視剖面模擬計(jì)算。模擬的-范圍為: 0.01～0.65 GPa, 300～650 ℃。由于樣品中含有較多的含水礦物(如黑云母、白云母、綠泥石等)以及出現(xiàn)鈦鐵礦, 故選用含水和氧的K2O-Na2O-CaO-MgO-FeO-Al2O3-TiO2- SiO2-H2O-O(KNCMFATSHO)體系模型。假定該體系中的流體相為純水, 且石英和水均設(shè)為過(guò)飽和。模擬過(guò)程中采用Holland and Powell (1998; 1998年及其2002年更新版, hp02ver.dat)的內(nèi)部一致性熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和CORK流體狀態(tài)方程。模擬所涉及的礦物固溶體活度模型如下: Bio(TCC, 黑云母)、Mica (CHA1, 白云母)、Chl(W, 綠泥石)、Fsp(C1, 鉀長(zhǎng)石)、Stlp(M, 黑硬綠泥石)、Pl(h, 斜長(zhǎng)石), Ilm(WPH, 鈦鐵礦), 石英、金紅石和榍石為純單元主分。

鈦鐵礦、黑云母的出現(xiàn)表明樣品中Fe3+含量較高, 為了估算巖石中Fe3+的含量及其對(duì)礦物組合的影響, 本文計(jì)算了壓力為0.2 GPa條件下黑云花崗質(zhì)片麻巖樣品的O視剖面圖。全巖化學(xué)成分與視剖面圖中的成分一致, O含量變化于0.01mol%～0.19mol%之間(圖4)。O視剖面顯示, 早期變質(zhì)礦物組合(M1)Bt+Kfs+Pl+Qz+Rt+Ilm+Sil在O=0.2～1.0的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定, 因此選取O=0.6 (O=0.11mol%)用來(lái)計(jì)算該樣品的視剖面圖。

礦物代號(hào): Bt. 黑云母; Ms. 白云母; Kfs. 鉀長(zhǎng)石; Pl. 斜長(zhǎng)石; Rt. 金紅石; Ttn. 榍石; Ilm. 鈦鐵礦; Sil. 矽線石; Chl. 綠泥石; Qz. 石英And. 紅柱石; Crd. 堇青石; Ab. 鈉長(zhǎng)石; Mc. 微斜長(zhǎng)石; Czo. 斜黝簾石; Zo. 黝簾石; Ep. 綠簾石; Osm. 大隅石; mt. 磁鐵礦; Rbk. 鈉閃石。

錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖-視剖面圖(圖5)顯示, 斜長(zhǎng)石出現(xiàn)在整個(gè)區(qū)域, 綠泥石在＜320 ℃,＜0.15 GPa的低溫區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)。在矽線石或者紅柱石出現(xiàn)的中高溫區(qū)域只出現(xiàn)黑云母而無(wú)白云母, 顯示白云母的出現(xiàn)將消耗矽線石和黑云母; 在綠簾石、鐵鈉閃石或綠泥石出現(xiàn)的低溫區(qū)域則只存在白云母, 黑云母消失, 這很好地解釋為何在黑云母的解理裂隙或邊緣常常發(fā)生綠泥石化蝕變(圖2d)。伴隨著溫度和壓力的降低, 金紅石和榍石在較窄的溫度范圍內(nèi)共生, 之后金紅石消失。觀察到的高角閃巖相變質(zhì)礦物組合(M1)Bt+Kfs+Pl+Qz+Rt+Ilm+Sil穩(wěn)定在很寬的溫?壓范圍內(nèi)(＞610 ℃,＞0.13 GPa);而被觀察到的晚期低角閃巖相?綠片巖相變質(zhì)礦物組合(M2) Bt+Ms+Mc+Pl+Qz+Ttn+Ilm則穩(wěn)定在360～ 420 ℃和0.01～0.20 GPa的溫?壓范圍內(nèi)。采用白云母中最低Si含量(3.08 apfu, 基于11個(gè)O原子)等值線, 限定該階段的變質(zhì)溫?壓條件為390～420 ℃和0.10～0.19 GPa。由于樣品中退變質(zhì)反應(yīng)只在局部達(dá)到了平衡, 因此該溫壓條件只能作為晚期低角閃巖相?綠片巖相溫壓條件的一個(gè)參考, 而無(wú)法精確限定該階段的變質(zhì)條件。

圖5 錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖P-T視剖面圖(礦物代號(hào)同圖4)

5 40Ar/39Ar定年結(jié)果

錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖中黑云母和變形石英脈樣品的40Ar/39Ar定年結(jié)果見(jiàn)表2～3。

表2 錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖中黑云母40Ar/39Ar定年結(jié)果

黑云母樣品(09NQ57A)共進(jìn)行11個(gè)階段的逐步升溫激光加熱分析(表2), 形成了一個(gè)遞增的階梯狀表觀年齡圖譜; 總氣體年齡為322.2±1.7 Ma(圖6a)。在加熱的第1個(gè)階段給出的表觀年齡為201 Ma(其對(duì)應(yīng)的K/Ca值明顯偏低), 其后表觀年齡逐步上升, 并在5～11階段形成較為平坦的表觀年齡圖譜, 對(duì)應(yīng)的坪年齡為353.9±1.8 Ma(圖6a, MSWD=0.2,39Ar約占59%), 對(duì)應(yīng)的K/Ca值為55.9±7.9(圖6b)。在正等時(shí)線圖解上, 構(gòu)成年齡坪的數(shù)據(jù)點(diǎn)形成了一條相關(guān)性良好的等時(shí)線, 對(duì)應(yīng)等時(shí)線年齡為356.7±5.6 Ma (MSWD=0.2), 相應(yīng)的截距值則分為249±125(圖6c), 在誤差范圍內(nèi)與現(xiàn)代空氣氬(295.5)一致, 暗示該樣品不含過(guò)剩40Ar。

對(duì)石英樣品(09NQ57B)真空擊碎提取流體包裹體進(jìn)行40Ar/39Ar定年, 23個(gè)階段的真空擊碎分析(表3)累計(jì)次數(shù)達(dá)17670次, 獲得了一個(gè)單調(diào)遞減階梯狀表觀年齡圖譜(圖6d)。表觀年齡從第1階段的1500 Ma逐步下降至9階段的410 Ma, 而后由10～23階段數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)平坦的年齡坪, 對(duì)應(yīng)的坪年齡為357.9±1.6 Ma(MSWD=1.4), 釋出的39Ar約占49%。在反等時(shí)線圖解上, 14個(gè)年齡坪數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成對(duì)應(yīng)的等時(shí)年齡為356.1±3.9 Ma(MSWD=1.5),40Ar/39Ar初始值為299±8(圖6f)。

表3 錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖中變形石英脈樣品40Ar/39Ar定年結(jié)果

6 討 論

6.1 石英脈40Ar/39Ar定年地質(zhì)意義

石英脈真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到礦床、油氣和超高壓變質(zhì)年代學(xué)研究領(lǐng)域(邱華寧和白秀娟, 2019)。顯微觀察顯示, 本次研究的變形石英脈樣品中低鹽度次生包裹體主要沿礦物裂隙分布, 體積相對(duì)較大, 且形態(tài)大小變化較大(圖2h), 因此這類包裹體最先被破碎提取; 其后逐步過(guò)渡到沿礦物愈合裂隙分布的假次生包裹體, 以及體積較大的礦物晶體中的原生包裹體。在本次真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年實(shí)驗(yàn)中, 石英樣品形成了一個(gè)下降型階梯狀釋氣表觀年齡圖譜: 即在最初數(shù)個(gè)階段對(duì)應(yīng)極老的表觀年齡(高達(dá)1.5 Ga),而后表觀年齡逐步下降, 最后波動(dòng)趨于平緩, 形成了較為平坦的年齡圖譜, 對(duì)應(yīng)的坪年齡為357.9±1.6 Ma,為泥盆紀(jì)。在反等時(shí)線圖解(圖6f)上, 實(shí)驗(yàn)初期階段的數(shù)據(jù)點(diǎn)從低于空氣點(diǎn)靠近縱軸一端(過(guò)剩40Ar和空氣40Ar)逐漸向橫軸正方向一端(放射性成因40Ar)移動(dòng), 表明這部分氣體主要是過(guò)剩氬和空氣氬的混合。且這些數(shù)據(jù)點(diǎn)都比較分散, 未見(jiàn)有明確的線性相關(guān)性。伴隨著敲擊次生的增加, 數(shù)據(jù)點(diǎn)逐步從過(guò)剩40Ar端元朝放射性成因Ar*端元和空氣Ar端元演化, 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始過(guò)渡到次生包裹體、假次生包裹體、原生包裹體以及提取裝置本底混合釋氣階段, 其K/Ca值也逐步的降低(圖6e), 暗示流體包裹體的來(lái)源具有一定的差異性。最后, 當(dāng)裂隙中的次生包裹體最終被提取殆盡, 假次生、原生和提取裝置本底釋氣占主要地位后, 數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成了線性良好的等時(shí)線, 等時(shí)線年齡為356.1±3.9 Ma, 對(duì)應(yīng)的初始空氣氬比值為299±8, 與現(xiàn)代大氣氬40Ar/36Ar值基本一致。

本次研究通過(guò)鏡下顯微觀察和等時(shí)線分析法對(duì)石英脈樣品中的次生和原生流體包裹體進(jìn)行了有效區(qū)分, 確定坪年齡主要由原生流體包裹體釋氣貢獻(xiàn), 因此坪年齡(～357.9 Ma)可以代表石英脈的形成年齡。該年齡晚于區(qū)內(nèi)超高壓變質(zhì)榴輝巖相變質(zhì)和角閃巖相退變質(zhì)作用(約441～425 Ma; Zhang et al., 2011; Liu et al., 2012; Hu et al., 2016)、同構(gòu)造及造山后伸展階段的巖漿作用(約441～372 Ma; Zhao et al., 2017, 2018)以及區(qū)域性韌性剪切斷裂活動(dòng)的時(shí)間(約405～398 Ma; Xu et al., 2006; 付建剛等, 2016)。因此石英真空擊碎40Ar/39Ar定年結(jié)果證明, 花崗質(zhì)片麻巖中的石英脈形成于造山后伸展擠壓構(gòu)造作用晚期, 是區(qū)域性韌性剪切作用和透入性片理帶入的淺部流體的產(chǎn)物(原生包裹體不含氣相N2-CH4類型的包裹體和過(guò)剩40Ar, 暗示流體主要是沿?cái)嗔焉钛h(huán)的地表水), 記錄了錫鐵山地體晚泥盆世一期重要的構(gòu)造熱事件和熱液流體活動(dòng)。相對(duì)而言, 變形石英脈樣品中的次生包裹體中含有大量的過(guò)剩氬, 暗示其流體來(lái)源更復(fù)雜, 很可能既有沿?cái)嗔焉钛h(huán)的地表流體, 也有更晚期的沿深大斷裂上來(lái)的深部和變質(zhì)流體, 因?yàn)檫@類流體往往含有大量的過(guò)剩氬(Turner and Wang, 1992)。錫鐵山地體中多期巖漿熱構(gòu)造事件、晚期頻繁的流體活動(dòng)以及地表流體大規(guī)模的沿深大斷裂進(jìn)入淺部地殼與中基性超高壓變質(zhì)巖發(fā)生巖水反應(yīng)很可能是導(dǎo)致區(qū)內(nèi)新鮮榴輝巖難以保存的主要原因之一。

6.2 黑云母40Ar/39Ar定年地質(zhì)意義

在錫鐵山地區(qū), 與Rodinia超大陸匯聚有關(guān)的新元古代早期(1000～900 Ma)巖漿作用, 與柴北緣?祁連地塊超高壓深俯沖事件有關(guān)的早古生代晚期(442～428 Ma)同構(gòu)造巖漿作用事件(吳才來(lái)等, 2004; 孟繁聰?shù)? 2005; Zhang et al., 2008, 2009; Zhao et al., 2017), 以及響應(yīng)這些巖漿活動(dòng)的構(gòu)造熱變質(zhì)事件(張建新等, 2003, 2007; Zhang et al., 2012; Hu et al., 2016)已有過(guò)廣泛的報(bào)道?；阱a鐵山地體北部輝長(zhǎng)巖和花崗巖鋯石U-Pb定年結(jié)果, 吳才來(lái)等(2007)和Zhao et al. (2018)指出該地區(qū)在晚古生代早期(～372 Ma)同樣發(fā)生過(guò)造山后巖漿活動(dòng)熱事件。筆者曾對(duì)錫鐵山地區(qū)榴輝巖及其圍巖中?粗?；◢徺|(zhì)片麻巖和黑云母片巖進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的40Ar/39Ar年代學(xué)研究(Hu et al., 2016), 結(jié)果顯示花崗質(zhì)片麻巖中白云母40Ar/39Ar定年結(jié)果為409～407 Ma, 并未記錄晚古生代早期的熱構(gòu)造事件。其原因很可能是白云母具有相對(duì)較高的封閉溫度(450～400 ℃; Harrison et al., 2009)且粒徑較大(粒徑500～1000 μm)。與之對(duì)應(yīng)的是, 盡管黑云母片巖中的黑云母在40Ar/39Ar定年的中高溫階段給出～397 Ma的坪年齡和一致的等時(shí)線年齡, 但在低溫階段還是給出了～365 Ma的表觀年齡以及相應(yīng)較低的K/Ca值(Hu et al., 2016), 暗示黑云母片巖也曾遭受過(guò)區(qū)域晚古生代早期巖漿熱事件以及流體的影響。黑云母能夠在加熱的低溫階段記錄晚古生代巖漿熱事件, 主要原因是黑云母的封閉溫度(300±50 ℃; Harrison et al., 1985)低于白云母, 但由于黑云母粒徑較大(800～1000 μm), 且樣品所包含的云母和長(zhǎng)石類礦物幾乎沒(méi)有發(fā)生蝕變(即變質(zhì)過(guò)程中外部流體對(duì)樣品的影響較小), 因此黑云母只在邊緣位置遭受了Ar的丟失, K-Ar同位素體系并未被完全重置, 主體仍保留的是遭受早古生代晚期同構(gòu)造巖漿熱事件疊加后, 樣品冷卻到黑云母K-Ar同位素體系封閉溫度的時(shí)代。

錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖則明顯不同, 不僅黑云母粒徑(100～200 μm)更小(表明該樣品中的黑云母樣品K-Ar同位素體系封閉溫度更低; Alexandre, 2011), 同時(shí)在黑云母的邊緣或解理裂隙中也可以明顯觀察到后期的綠泥石化蝕變(圖2f), 沿片麻巖還發(fā)育變形石英細(xì)脈, 暗示樣品在遭受晚古生代早期巖漿事件疊加的過(guò)程中有大量熱液流體的存在。而在大量熱液流體參與下, 黑云母的K-Ar同位素體系更容易被重置(Roberts et al., 2001)。雖然高角閃巖相也發(fā)育有黑云母, 但在相平衡模擬圖解上高角閃巖相變質(zhì)作用的溫度＞620 ℃, 導(dǎo)致該變質(zhì)階段的黑云母K-Ar同位素體系整體處于開(kāi)放狀態(tài), 黑云母40Ar/39Ar激光階段加熱定年無(wú)法獲得該變質(zhì)階段的年齡。因此本次研究利用激光階段加熱和真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年, 獲得花崗質(zhì)片麻巖中黑云母和變形石英脈樣品均記錄了幾乎一致的晚古生代年齡(～357 Ma, 晚泥盆世), 很可能就是對(duì)晚古生代早期(～372 Ma)巖漿熱事件的變質(zhì)響應(yīng), 也代表了花崗質(zhì)片麻巖抬升到上地殼發(fā)生低角閃巖相?綠片巖相退變質(zhì)作用發(fā)生的時(shí)代。而黑云母上升階梯狀的表觀年齡相對(duì)年輕, 其對(duì)應(yīng)的K/Ca值在11～24之間; 而構(gòu)成年齡坪的數(shù)據(jù)點(diǎn)的K/Ca值在51～79之間, 與綠泥石和黑云母電子探針?lè)治鯧/Ca值結(jié)果基本一致(圖6b; 表2)。因此推測(cè)最初數(shù)個(gè)階段的年輕表觀年齡應(yīng)該是黑云母樣品受到了綠泥石的干擾, 即黑云母邊部在發(fā)生綠泥石化蝕變過(guò)程中出現(xiàn)了Ar的丟失。

6.3 錫鐵山超高壓變質(zhì)晚期折返地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制

高壓?超高壓變質(zhì)巖的折返機(jī)制一直都是大陸動(dòng)力學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)課題之一。已有研究證明板塊的俯沖一般從“洋內(nèi)俯沖”開(kāi)始, 然后經(jīng)過(guò)大洋板塊插入大陸板塊之下的“洋陸俯沖”, 最終成為一個(gè)大陸板塊俯沖到另一個(gè)大陸板塊之下的“陸陸俯沖”(Davies and von Blanckenburg, 1995; 許志琴等, 2010; Warren, 2013)。在此過(guò)程中超高壓變質(zhì)巖的折返是由一種因素占主導(dǎo)、多種因素共同決定的。早期階段折返的主導(dǎo)機(jī)制被認(rèn)為是洋殼板塊斷裂后, 超高壓變質(zhì)巖在浮力的作用下以較快的速率折返到中下地殼的位置(Davies and von Blanckenburg, 1995; Rubatto and Hermann, 2001; Warren, 2013; Hu et al., 2016); 而后期從中?下地殼折返到地殼淺部甚至地表的速率往往較慢, 主要包括地表的抬升剝蝕以及自然界中最基本的3種構(gòu)造作用型式——伸展作用、走滑作用與擠壓作用(Xu et al., 2006; Warren, 2013; 汪勁草等, 2013)。

已有研究顯示, 錫鐵山地區(qū)早古生代變質(zhì)巖系在碰撞造山及其后的造山后伸展抬升過(guò)程中經(jīng)歷了多期構(gòu)造變形(郭進(jìn)京, 2000; Xu et al., 2006)。第一期以發(fā)育一系列大型韌性剪切帶、倒轉(zhuǎn)背斜、緊閉褶皺和區(qū)域片理為特征, 垂直造山帶的擠壓縮短變形; 第二期以形成區(qū)域透入性共軛破劈理或膝折帶平行造山帶的擠壓縮短變形為主。錫鐵山地區(qū)南西側(cè)韌性右行擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶中花崗質(zhì)糜棱巖化片麻巖的白云母40Ar/39Ar年齡為409～405 Ma(Xu et al., 2006; Hu et al., 2016), 被解釋為從糜棱巖化中高溫降低至白云母K-Ar體系封閉溫度(約400 ℃)的冷卻年齡, 反映此時(shí)超高壓變質(zhì)巖已折返到較淺的部位(估計(jì)深度約為10～12 km)。錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖同樣發(fā)育有近平行造山帶NW-SE向的片理?片麻理(58°∠71°),因此應(yīng)是同一構(gòu)造應(yīng)力作用的產(chǎn)物, 但兩者之間卻出現(xiàn)了近50 Ma的時(shí)間差。考慮到錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖礦物組合主要以低角閃巖?綠片巖相為主, 且沿片麻巖面發(fā)育的變形石英脈樣品真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年結(jié)果顯示其原生包裹體來(lái)源主要是沿?cái)嗔焉钛h(huán)的地表水, 說(shuō)明在～357 Ma時(shí), 花崗質(zhì)片麻巖已經(jīng)抬升到更淺的地殼位置, 且與區(qū)域深大斷裂或韌性剪切帶相連通(深度約為6 km)。錫鐵山地區(qū)廣泛發(fā)育晚泥盆世造山后巖漿作用(～372 Ma)、倒轉(zhuǎn)背斜以及背斜兩翼出現(xiàn)大量的擠壓轉(zhuǎn)換剪切帶(郭進(jìn)京, 2000; Xu et al., 2006; 汪勁草等, 2013; 付建剛等, 2016), 說(shuō)明晚期區(qū)內(nèi)榴輝巖及其圍巖主要是在區(qū)域性的地殼伸展減薄以及伸展走滑作用的大構(gòu)造背景下, 以較緩折返速率從中?下地殼折返到淺部地殼, 發(fā)生低角閃巖相?綠片巖相退變質(zhì)作用, 并最終出露地表。

7 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)錫鐵山地區(qū)花崗質(zhì)片麻巖進(jìn)行變質(zhì)作用, 以及花崗質(zhì)片麻巖中黑云母和變形石英脈樣品的40Ar/39Ar同位素年代學(xué)研究, 得出如下主要認(rèn)識(shí):

(1) 錫鐵山花崗質(zhì)片麻巖低角閃巖相?綠片巖相變質(zhì)礦物組合主要包括黑云母、白云母、微斜長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英和榍石, 變質(zhì)條件為390～420 ℃和=0.10～0.19 GPa。

(2) 花崗質(zhì)片麻巖中變形石英脈樣品真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年揭示石英脈是區(qū)域性韌性剪切作用和透入性片理帶入的淺部流體的產(chǎn)物, 記錄了錫鐵山地體晚泥盆世一期重要流體活動(dòng)發(fā)生的時(shí)間。

(3) 黑云母激光階段加熱40Ar/39Ar定年獲得的～357 Ma晚古生代年齡, 記錄了錫鐵山地區(qū)超高壓變質(zhì)巖及其圍巖在經(jīng)歷了加里東期深俯沖以及晚泥盆世造山后巖漿熱事件疊加后, 從中?下地殼折返到淺部地殼發(fā)生低角閃巖相?綠片巖相退變質(zhì)作用的時(shí)代。

致謝:感謝兩位匿名審稿專家對(duì)本文提出的寶貴修改建議; 在荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)期間, 得到了Roel Van Elsas、Onno Postma、Arie Bikker和Wim van der Plas的大力幫助和指導(dǎo); 電子探針測(cè)試工作得到了桂林理工大學(xué)劉奕志和謝蘭芳老師的大力幫助, 在此一并表示衷心的感謝。

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Retrograde Metamorphism and40Ar/39Ar Geochronology of Granitic Gneiss from Xitieshan Terrane, Northern Qaidam

HU Rongguo1, 2, BAI Xiujuan3, LIU Xijun1, 2, YANG Qijun1, 2, FENG Zuohai1, 2, CAI Yongfeng1, 2, ZHAO Yilai1, 2, QIU Huaning3

(1. Guangxi Key Laboratory of Exploration for Hidden Metallic Ore Deposits, College of Earth Sciences,Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China; 2. Collaborative Innovation Center for Exploration of Nonferrous Metal Deposits and Efficient Utilization of Resources, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China; 3. MOE Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, Hubei, China)

Detailed mineralogy, phase equilibrium modelling and40Ar/39Ar geochronology studies have been conducted on the eclogite-bearing granitic gneiss from the Xitieshan terrane, the North Qaidam high-ultrahigh-pressure (HP-UHP) metamorphic belt, in order to evaluate the timing and conditions of the amphibolite to greenschist-facies retrograde metamorphism after the Early Palaeozoic HP-UHP metamorphism. Petrographic observations and phase equilibria modelling with pseudosection of the granitic gneiss show that the high amphibolite-facies mineral assemblages (M1) are represented by biotite, K-feldspar, plagioclase, quartz, sillimanite, rutile, and ilmenite, formed atconditions of＞ 620 ℃ and＞ 0.16 GPa. Low amphibolite to greenschist-facies mineral assemblages (M2), which are represented by the biotite, muscovite, plagioclase, microcline, quartz, titanite, and chlorite, formed atconditions of 390 – 420 ℃ and 0.10 – 0.19 GPa. Stepwise heating analysis of biotite from the granitic genies yielded low initial ages, and then gradually rising apparent ages in the rest of the experiment until a final plateau age of 353.9±1.8 Ma is reached. The dating points contributing to the age plateau yield a well-defined isochron with a normal isochron age of 356.7±5.6 Ma and an initial40Ar/36Ar ratio of 249±125. The deformed quartz sample dated by40Ar/39Arcrushing method yields monotonic declining release pattern: anomalously old apparent ages are obtained at the first steps and relative flat age plateau over the final several steps with plateau age of 357.9±1.6 Ma. The data of the late steps construct a well-defined isochron in the plots of36Ar/40Ar39Ar/40Ar with an inverse isochron age of 356.1±3.9 Ma and initial40Ar/36Ar ratio of 299±8. Microthermometry analyses and40Ar/39Arcrushing dating results suggest that the secondary inclusions should be released in the early steps due to their distribution characteristics along cracks, which should be originated from the excess40Ar rich post-hydrothermal fluid and partial melt of HP/UHP rocks from the depth. In contrast, the primary inclusions liberated in the later steps mainly derived from the meteoric waters (almost without excess40Ar) transported by fault/shearing zones. The consistent Late Palaeozoic40Ar/39Ar ages of357 Ma recorded by both biotite and the deformed quartz vein from granitic gneiss are taken as the best estimate for the age of the quartz vein formation and records aqueous fluid flow during the later exhumation stage of HP-UHP rocks. The40Ar/39Ar ages also represent the uplift time of the HP-UHP metamorphic rocks from the middle-lower crust to the shallow crust in the Xitieshan terrane, after they experienced the Caledonian deep subduction and the Late Devonian post orogenic magmatic thermal events overprinting.

Xitieshan terrane; granitic gneiss; deformed quartz vein;40Ar/39Ar dating;crushing

2021-12-19;

2022-05-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42073049)和廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2020GXNSFAA297049)聯(lián)合資助。

胡榮國(guó)(1982–), 男, 副教授, 從事變質(zhì)巖和同位素年代學(xué)研究。E-mail: hurongguo@glut.edu.cn

P597

A

1001-1552(2023)06-1330-015

10.16539/j.ddgzyckx.2023.06.007