臘曉峰 石永紅 王娟 周安泰

合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,合肥 230009

大別造山帶是由揚(yáng)子板塊向華北板塊俯沖碰撞形成的,是探究大陸深俯沖的最佳場(chǎng)所(Okayetal.,1989,1993; Faureetal.,1999,2003; Zhengetal.,2005; Zheng,2008,2012)。該造山帶自北向南由北淮陽(yáng)變質(zhì)帶、北大別變質(zhì)帶、中大別變質(zhì)帶、南大別變質(zhì)帶和宿松變質(zhì)雜巖構(gòu)成(圖1)。其中,北大別、中大別和南大別變質(zhì)帶出露有世界上規(guī)模最大的、種類最齊全高壓-超高壓變質(zhì)巖石,因而是透視深部變質(zhì)演化過(guò)程的關(guān)鍵單元,并取得了豐碩成果(Zhengetal.,2005; Zheng,2008,2012; Liuetal.,2007a,b,2011a,b; Liu and Li,2008)。相比較而言,有關(guān)大別造山帶“淺層”地殼層次的俯沖折返的研究則相對(duì)匱乏,這對(duì)于完整解讀大別造山帶形成機(jī)制缺乏應(yīng)有的支撐。目前,大別造山帶有限的“淺層”過(guò)程研究主要集中于宿松雜巖(魏春景和單振剛,1997; 王清晨等,1999; 陳燕等,2005; 石永紅等,2007;圖1)。最初,魏春景和單振剛(1997)根據(jù)宿松雜巖區(qū)域變質(zhì)巖石學(xué)研究和十多塊樣品的綜合分析,認(rèn)為其經(jīng)歷了綠簾角閃巖相條件下的相對(duì)快速的俯沖和折返過(guò)程,處于～12℃/km地溫梯度環(huán)境。隨后,王清晨等(1999)根據(jù)石榴斜長(zhǎng)角閃巖的礦物成分變化和對(duì)應(yīng)關(guān)系,認(rèn)為該雜巖經(jīng)歷了綠簾角閃巖相至角閃巖相條件下的等壓增溫、等溫降壓和降溫降壓三個(gè)過(guò)程。同時(shí),陳燕等(2005)和石永紅等(2007)在柳林-缺月嶺斷裂以北地區(qū)石榴云母片巖和石榴斜長(zhǎng)角閃巖也展開(kāi)了類似的分析研究。然而,根據(jù)石永紅等(2016)和Shietal.(2022)的研究表明,該斷裂以北應(yīng)歸屬于南大別變質(zhì)帶(圖1)。換言之,宿松雜巖的變質(zhì)演化過(guò)程解析僅限于魏春景和單振剛(1997)和王清晨等(1999)的研究,且兩者認(rèn)識(shí)也不盡相同。

圖1 大別造山帶宿松-太湖地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

此外,關(guān)于宿松雜巖的形成時(shí)限、構(gòu)成和演化過(guò)程也存在較多的爭(zhēng)論(圖1)。安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1987)和Wangetal.(2021)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、鋯石年代學(xué)研究認(rèn)為宿松雜巖主要由古元古代花崗片麻巖、變基性巖、片巖和變沉積巖構(gòu)成,其形成于古元古代晚期,并記載了哥倫比亞超大陸形成事件。江來(lái)利等(2003)和李遠(yuǎn)等(2018)則依據(jù)在二郎鎮(zhèn)北西和缺月嶺南新元古代和新太古代花崗片麻巖的確定,認(rèn)為該雜巖其形成于新元古代,并揭示羅迪尼亞超大陸形成和裂解過(guò)程。最近,Shietal.(2022)對(duì)宿松雜巖石榴云母片巖的碎屑鋯石研究,確定了太古代、古元古代、中元古代、新元古代和古生代5組碎屑鋯石年齡和1組晚三疊紀(jì)變質(zhì)年齡,認(rèn)為該雜巖形成于中-晚泥盆世,經(jīng)歷了印支期造山過(guò)程(圖1)。同時(shí),結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和年齡分析,認(rèn)為除了中元古代年齡之外,其余年齡在揚(yáng)子板塊內(nèi)部均具有對(duì)應(yīng)的同時(shí)代地質(zhì)體或源區(qū)出現(xiàn)。不難看出,宿松雜巖是由不同時(shí)代、不同巖性構(gòu)成復(fù)合單元,并具有漫長(zhǎng)復(fù)雜的地質(zhì)演化歷史。因此,對(duì)其充分厘清,是完整透析大別造山帶演化過(guò)程重要補(bǔ)充。這其中,中元古代地質(zhì)體存在與否則顯得較為重要。中元古代(1600～1000Ma)是一個(gè)重要的地質(zhì)時(shí)期,由于該時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)、生物和氣候演化較為平靜,故又被稱為“沉靜”期(Buicketal.,1995; Holland,2006; Piper,2013; Young,2013a,b)。該時(shí)期是哥倫比亞超大陸向羅迪尼亞超大陸轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點(diǎn)(Roberts,2013; Robertsetal.,2015)。因而,就宿松雜巖的巖石構(gòu)成而言,中元古代地質(zhì)體的探尋極為重要,也是闡釋兩個(gè)超大陸轉(zhuǎn)換過(guò)程和機(jī)制的關(guān)鍵所在。為此,本次研究針對(duì)宿松雜巖的石榴斜長(zhǎng)角閃巖及其圍巖展開(kāi)了詳細(xì)變質(zhì)巖石學(xué)和年代學(xué)研究,確定了其中元古代原巖形成時(shí)限,并構(gòu)建了變質(zhì)P-T軌跡,藉此探討了宿松雜巖漫長(zhǎng)復(fù)雜的演化過(guò)程和“淺層”俯沖、折返模型。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況和樣品特征

研究區(qū)位于大別造山帶最南緣,自北向南,出露的巖石單元為南大別變質(zhì)帶、宿松雜巖、張八嶺群(圖1)。其中,南大別變質(zhì)帶位于柳林-缺月嶺-山龍斷裂以北,主要由花崗片麻巖、云母片巖和呈透鏡體或團(tuán)塊狀產(chǎn)出的榴輝巖構(gòu)成。宿松雜巖北界為柳林-缺月嶺-山龍斷裂,南界被中生代花崗巖侵入,東南界為張八嶺群所限(圖1),其主體為云母片巖、大理巖、古元古代和新元古代花崗片麻巖,少量為角閃巖、石榴斜長(zhǎng)角閃巖和新太古代花崗片麻巖。根據(jù)Shietal.(2022)的碎屑鋯石研究,宿松雜巖的形成時(shí)限為中-晚泥盆世。張八嶺群則位于研究區(qū)東南緣,呈狹長(zhǎng)帶狀分布,組成巖性為千糜巖、糜棱巖和花崗片麻巖,在其東側(cè)則為和古生代-新生代沉積蓋層。

本次分析樣品采自宿松雜巖的別河村南,共計(jì)12塊,用于分析的3塊(30°24′8″N、116°0′12″E)分別為石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008和BH001-1)和富石英花崗巖(BH001-2)(圖1、圖2)。其中,石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008)為此次重點(diǎn)研究樣品,野外出露寬度約50～60m,具微弱面理,產(chǎn)狀為180°∠52°。其北與細(xì)粒花崗片麻巖相接(圖2b),南界被云母石英片巖所限(圖2c),其間被富石英花崗巖所侵入(圖2d,e),該花崗巖以富含石英為特征,組成礦物為石英(70%～80%)+斜長(zhǎng)石(10%～15%)+白云母(5%～10%)。石英呈他形粒狀,粒徑0.3～1mm;斜長(zhǎng)石呈他形-半自形,粒徑0.1～0.5mm,具聚片雙晶;白云母呈自形-半自形片狀,粒徑約0.1～0.3mm。

2 石榴斜長(zhǎng)角閃巖巖相學(xué)和礦物化學(xué)

礦物化學(xué)分析在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院電子探針實(shí)驗(yàn)室(EPMA)完成,儀器型號(hào)為JEOLJXA-8230,測(cè)試條件為加速電壓15kV,探針電流20nA,Mapping分析采用40nA的探針電流,電子束斑的直徑為5μm。金紅石單礦物挑選和制靶均在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成,陰極發(fā)光(CL)圖像由合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室完成,Zr微量元素含量測(cè)試分析在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,儀器型號(hào)為Agilent 7700s,激光剝蝕系統(tǒng)為相干Geolas Pro 193nm激光,束斑直徑為24μm,每個(gè)樣品剝蝕時(shí)間為60s,標(biāo)樣采用R10,實(shí)驗(yàn)中每隔5個(gè)未知樣測(cè)一次標(biāo)樣。石榴子石、角閃石、斜長(zhǎng)石、黑云母、白云母、綠泥石分別以12、23、8、11、11、28和12.5個(gè)O進(jìn)行結(jié)構(gòu)式計(jì)算。主要礦物成分見(jiàn)表1和表2。

表1 石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008)不同變質(zhì)階段主要礦物代表性探針成分(wt%)

表2 石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008)基質(zhì)中金紅石Zr含量(×10-6)及變質(zhì)溫度(℃)

2.1 巖相學(xué)特征

石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008) 共生礦物為石榴子石 (10%～15%)+角閃石(45%～50%)+斜長(zhǎng)石(20%～25%)+黑云母(5%～10%)+石英(1%～5%)+金紅石(1%～3%)+方解石(1%～3%)(圖3a,b)。石榴子石呈半自形-自形,粒徑0.5～2mm,其內(nèi)部含有大量斜長(zhǎng)石、黑云母、石英、方解石、白云石、綠簾石等早期礦物包體(圖3b-d)。此外,石榴子石裂隙較為發(fā)育,可見(jiàn)綠簾石、綠泥石和石英充填其中(圖3e,f)。角閃石呈他形-半自形,粒徑為0.2～1mm,裂理發(fā)育,且常被細(xì)小白云母穿切(圖3a);斜長(zhǎng)石呈他形-半自形,粒徑為0.3～1.2mm,聚片雙晶較發(fā)育。黑云母主要以基質(zhì)形式存在,多呈半自形-自形片狀,粒徑0.1～0.8mm,其邊部常被細(xì)小的綠泥石和白云母所切割。因退變作用影響,其易被綠泥石所替代,呈“假象”形式存在(圖3a,b)。金紅石以包體和基質(zhì)形式存在,前者發(fā)育于石榴子石中,后者形成于基質(zhì)中?；|(zhì)的金紅石多呈不規(guī)則狀粒狀,根據(jù)粒徑大小,可分為大顆粒金紅(Rt1)和小顆粒金紅石(Rt2),前者0.12～0.2mm,后者粒徑約0.03～0.1mm,其邊緣常被鈦鐵礦形成的反應(yīng)邊所替代(圖3g),且這些金紅石內(nèi)部常包含榍石、鋯石、石英和角閃石礦物(圖3h)。石英含量較低,多為他形粒狀,粒徑約0.1～0.3mm;方解石呈他形-半自形,粒徑約0.1～0.8mm。

圖3 石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008)顯微照片和背散射(BSE)照片

2.2 主要礦物成分剖面

石榴子石 在Mapping圖中,該礦物顯示了輕微環(huán)帶結(jié)構(gòu),Mg元素自核部至邊部略微增高,Ca元素則相對(duì)均勻(圖4a,b)。而成分剖面則展示了明顯的環(huán)帶特征,自核部至邊部,XMg由0.05升高至0.09;XFe則由0.67降低至0.60;XCa和XMn則相對(duì)平坦,含量分別為0.27～0.30和0.01(圖4c、表1),表現(xiàn)為進(jìn)變質(zhì)環(huán)帶特征(Carswelletal.,1997; Kohn,2003)。

圖4 石榴斜長(zhǎng)角閃巖主要礦物X-ray Mapping圖、背散射(BSE)照片及成分剖面

角閃石 該礦物的背散射(BSE)圖無(wú)明顯顏色差異(圖4d),但成分剖面則顯示了環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征(圖4e),自核部至邊部,Al3+和Fe2+含量迅速增高,分別由2.31、0.52升高至2.96、1.25,Mg2+含量則由2.31下降至1.98,Ti4+則較為平坦,含量為0.04～0.06(表1)。根據(jù)Hammarstrom and Zen (1986)、Hollisteretal.(1987)、Johnson and Rutherford (1988,1989)和Schmidt (1992)的研究,Al3+含量越高,壓力越高,這表明該角閃石具進(jìn)變質(zhì)環(huán)帶結(jié)構(gòu)。

黑云母 該礦物的BSE圖和成分剖面均顯示了均勻變化特征,無(wú)環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖4f,g),其中,Mg2+、Fe2+和Ti4+含量分別為1.36～1.42、1.09～1.13、0.09～0.12(表1)。

斜長(zhǎng)石 該礦物BSE圖和成分剖面同樣顯示了均勻變化特征,無(wú)環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖4h,i),自核部至邊部,Ab、An和Or分別為80.4～85、14.4～19.2和0.20～0.60。

2.3 各變質(zhì)階段礦物成分特征

綜合巖相學(xué)和主要礦物成分剖面的分析(圖3、圖4、表1),石榴斜長(zhǎng)角閃巖可分為3個(gè)變質(zhì)階段,其礦物組合分別為:

階段Ⅰ:Grt-Ⅰ(核部)+Ts-Ⅰ(核部)+Pl+Bt+Rt+Qz+Ep+Chl+Cal+Dol;

階段Ⅱ:Grt-Ⅱ(邊部)+Ts-Ⅱ(邊部)+Pl+Bt+Qz+Rt+Cal;

階段Ⅲ:Ms+Qz+Ep+Chl+Ilm

其中,階段Ⅰ礦物主要以包體和核部成分形式存在(圖3a-d、圖4c,e),階段Ⅱ礦物則以基質(zhì)礦物和邊部成分形式(圖3a,b、圖4c,e),而階段Ⅲ礦物則以礦物假象、反應(yīng)邊、裂隙或切割基質(zhì)礦物形式存在(圖3a,e-g)。具體礦物成分變化特征如下(圖5、表1、表2):

圖5 石榴斜長(zhǎng)角閃巖主要礦物成分圖解

石榴子石 根據(jù)成分剖面分析(圖4c),該礦物核部和邊部成分分別對(duì)應(yīng)于變質(zhì)階段Ⅰ和階段Ⅱ。在圖5a中,Grt-Ⅰ和Grt-Ⅱ的成分差異較為明顯,Grt-Ⅰ的Ca/Fe和Mg/Fe比值分別為0.44～0.47和0.08～0.10,Grt-Ⅱ的Ca/Fe和Mg/Fe比值則分別為0.42～0.49和0.12～0.16。通過(guò)比較可以看出,兩者Ca/Fe比值基本相同,Mg/Fe比值差異較大,這暗示了具高M(jìn)g/Fe比值的Grt-Ⅱ代表了峰期變質(zhì)溫度成分(Kohn,2003)。

角閃石 該礦物為切爾馬克閃石(Ts)(圖5b、表1),具明顯的核-邊進(jìn)變質(zhì)環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖4e),Ts-Ⅰ(核部)的Si4+、Mg/(Mg+Fe2+) 和Al3+(總)分別為6.20～6.36、0.70～0.82和2.31～2.46。Ts-Ⅱ(邊部)的Si4+、Mg/(Mg+Fe2+) 和Al3+(總)分別為6.09～6.23、0.61～0.70和2.55～2.96。兩者的成分差異顯著,暗示了其形成于不同的變質(zhì)階段。其中,后者的Al3+(總)明顯高于前者,代表了峰期變質(zhì)壓力成分(Hammarstrom and Zen,1986; Hollisteretal.,1987; Johnson and Rutherford,1988,1989; Schmidt,1992)。

金紅石 根據(jù)巖相學(xué)分析,該礦物以包體和基質(zhì)兩種形式存在(圖3b,g)。其中,包體的金紅石TiO2含量為97.31%～97.37%?；|(zhì)的金紅石則分為Rt1和Rt2(圖3g,h),且均為變質(zhì)階段Ⅱ礦物。然而,兩者的化學(xué)成分卻略有差異,Rt1的TiO2和Zr含量分別為99.24%～100.57%和226.3×10-6～690.9×10-6,Rt2的TiO2和Zr含量分別為98.09%～99.02%和51.77×10-6～148.3×10-6。不難看出,Rt1為高Zr金紅石(Zr>200×10-6),Rt2為低Zr金紅石(Zr<200×10-6)(圖5c、表2)。

黑云母 包體中黑云母的XAlⅥ和Fe/Mg比值為0.07～0.09和1.19～1.46,基質(zhì)黑云母的XAlⅥ和Fe/Mg比值為0.01～0.12和0.77～0.82(圖5d、表1)。

斜長(zhǎng)石 包體中斜長(zhǎng)石的XNa和XCa含量分別為0.72～0.78和0.22～0.27,基質(zhì)中斜長(zhǎng)石的XNa和XCa含量分別0.80～0.85和0.14～0.19(圖5e)。

白云母 該礦物以裂隙和切割基質(zhì)礦物2種形式存在(圖3a),均屬于變質(zhì)階段Ⅲ中礦物、其中,裂隙中的白云母的Ti4+和Mg/(Mg+Fe2+) 分別為0.021～0.024和0.49～0.56,切割基質(zhì)礦物的白云母的Ti4+和Mg/(Mg+Fe2+) 分別為0.01～0.02和0.42～0.47(圖5f、表1)。

綠泥石 該礦物以包體、裂隙和礦物假象形式存在(圖3a,d-f),前者屬于變質(zhì)階段Ⅰ組合,后兩者為變質(zhì)階段Ⅲ組合。包體的綠泥石的Si4+、Fe2++Fe3+和Mg2+含量分別為5.10～5.25、5.47～6.25和3.31～4.17;裂隙的綠泥石的Si4+、Fe2++Fe3+和Mg2+含量分別為5.16～5.32、3.97～4.37和5.09～5.34;假象的綠泥石的Si4+、Fe2++Fe3+和Mg2+含量分別為5.28～5.40、3.62～3.81和5.57～5.75(圖5g、表1)。

3 P-T軌跡

根據(jù)上述3個(gè)變質(zhì)階段的礦物組合和礦物成分變化(表1、表2、圖4、圖5),本次采用了Holdaway (2000)石榴子石-黑云母溫度計(jì)(H20)、Holland and Blundy (1994)角閃石-斜長(zhǎng)石-石英溫度計(jì)(H94)、Tomkinsetal.(2007) (T07)和Kohn (2020)(K20)金紅石Zr溫度計(jì)、Wu and Chen (2015)白云母Ti溫度計(jì)(W15)和Daleetal.(2000)石榴子石-角閃石-斜長(zhǎng)石-石英壓力計(jì)(D20)、Wuetal.(2004)石榴子石-黑云母-斜長(zhǎng)石-石英壓力計(jì)(W04)、Molinaetal.(2015)角閃石-斜長(zhǎng)石壓力計(jì)(M15)和Wu (2019)石榴子石壓力計(jì)(W19)進(jìn)行了溫壓條件的計(jì)算和比較。同時(shí),為保證分析的統(tǒng)計(jì)意義,各階段選取了4～13個(gè)礦物對(duì)進(jìn)行估計(jì)。具體見(jiàn)(圖6a-d、表3)。

表3 石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008)三期變質(zhì)階段溫壓條件

圖6 石榴斜長(zhǎng)角閃(ZT008)巖各階段變質(zhì)溫壓條件圖和P-T軌跡

階段Ⅰ 根據(jù)石榴子石內(nèi)共生礦物包體的限定(圖3a-d),該階段選取了5個(gè)礦物對(duì),并應(yīng)用H20-W04和H20-W19進(jìn)行溫壓條件估算(表3、圖6a)。當(dāng)應(yīng)用前者時(shí),變質(zhì)溫度和壓力范圍分別為548～576℃和0.95～1.09GPa,平均溫壓條件則為T=562±12℃和P=1.03±0.05GPa。當(dāng)應(yīng)用后者時(shí),變質(zhì)溫度和壓力范圍分別為533～563℃和0.92～1.00GPa,平均溫壓條件則為T=549±13℃和P=0.97±0.04GPa。通過(guò)比較可以看出,兩者計(jì)算的變質(zhì)溫壓條件基本相同,大致落入綠簾角閃巖相范疇,只是后者的溫壓相對(duì)較低(圖6a)。由于該階段的礦物組合較為充分,并根據(jù)Wu (2019)的建議,故采用H20-W04計(jì)算的P-T值較為合適。

階段Ⅱ 此階段選取了9個(gè)礦物對(duì),應(yīng)用H94-D20、H94-M15、H20-W04和H20-W19進(jìn)行聯(lián)合求解和比較(表3、圖6b)。應(yīng)用H94-D20時(shí),變質(zhì)溫壓范圍分別為651～676℃和1.01～1.13GPa,平均溫壓條件為T=663±8℃和P=1.09±0.04GPa。應(yīng)用H94-M15時(shí),變質(zhì)溫壓范圍分別為677～715℃和1.23～1.44GPa,平均溫壓條件為T=694±14℃和P=1.36±0.08GPa,變質(zhì)相跨度較大。應(yīng)用H20-W04時(shí),變質(zhì)溫壓范圍分別為514～570℃和1.05～1.20GPa,平均溫壓條件為T=557±28℃和P=1.15±0.07GPa,并進(jìn)入到綠簾角閃巖相范圍。應(yīng)用H20-W19時(shí),變質(zhì)溫壓范圍分別為485～572℃和0.83～1.04GPa,平均溫壓條件為T=516±23℃和P=0.90±0.05GPa,處于綠簾角閃巖相范疇。通過(guò)比較可以看出(表3、圖6b),H94-D20計(jì)算的溫壓條件屬于角閃巖相變質(zhì)范疇,且與巖相學(xué)分析一致(圖3a-d)。而H94-M15給出了最高的變質(zhì)溫壓條件,達(dá)到了榴輝巖相和麻粒巖相。顯然,這與巖相學(xué)觀測(cè)不相符,缺乏特征礦物及其組合的支撐。H20-W04和H20-W19則給出了較低的P-T值,特別是變質(zhì)溫度與前兩者差異較大,即便考慮誤差的影響,溫度差值仍可達(dá)70～140℃。結(jié)合巖相學(xué)分析,基質(zhì)中的黑云母常易被綠泥石替代呈假象出現(xiàn)(圖3a),以及黑云母Fe和Mg易擴(kuò)散的特征(Kohn,2003),可以推測(cè)這兩組地質(zhì)溫壓計(jì)給出溫度值可能偏低。相比較而言,H94-D20計(jì)算的P-T值也許較好地代表了該階段的變質(zhì)條件。

此外,由于該階段基質(zhì)金紅石分為大顆粒(Rt1)、小顆粒(Rt2)金紅石兩種,且極為發(fā)育(圖3g,h),故應(yīng)用了金紅石Zr溫度計(jì)對(duì)其變質(zhì)溫度進(jìn)行了估算(表2、圖6c,d)。在0.3～1.1GPa壓力條件下,由T07和K20計(jì)算的Rt1的平均變質(zhì)溫度分別為:643±40℃～674±41℃和624±45℃～653±46℃,而Rt2的平均變質(zhì)溫度分別為:543±16℃～571±17℃和513±18℃～542±18℃(表2)。兩者相比,前者的變質(zhì)溫度明顯高于后者約100～115℃。由于金紅石中Zr含量與溫度呈正相關(guān)性(Zacketal.,2004; Watsonetal.,2006),故這意味著高Zr的Rt1和低Zr的Rt2記錄的是不同階段的變質(zhì)溫度。然而,巖相學(xué)研究顯示它們均為階段Ⅱ礦物組合,理應(yīng)記錄相同的變質(zhì)條件。對(duì)于這種矛盾性的結(jié)果,推測(cè)可能是由于金紅石礦物顆粒不同導(dǎo)致Zr含量差異所致。根據(jù)Cherniaketal.(2007)、高曉英和鄭永飛(2011)的研究,金紅石中Zr含量與其顆粒大小呈正比關(guān)系,并暗示了大顆粒金紅石相對(duì)于小顆粒受到擴(kuò)散作用和后期退變、流體活動(dòng)影響較小,從而保留較高的Zr含量。為了便于比較階段Ⅱ的峰期條件,此處參照H94-D20計(jì)算的壓力條件(表3),將壓力設(shè)定為1.0GPa、1.1GPa、1.09GPa時(shí),應(yīng)用T07和K20金紅石溫度計(jì),Rt1的平均變質(zhì)溫度分別為:670±41℃、674±41℃、674±41℃和652±46℃、657±46℃、653±46℃,而Rt2的平均溫度分別為:567±17℃、571±17℃、570±17℃和538±18℃、542±18℃、539±18℃(表2、圖6d)。通過(guò)比較可以看出,若考慮到誤差,Rt1的溫度與H94-D20計(jì)算的溫度基本一致(表3、圖6e),這表明大顆粒的Rt1的Zr幾乎未受到后期退變或擴(kuò)散作用的影響,其溫度也代表了變質(zhì)階段Ⅱ的溫度。相反,小顆粒的Rt2的溫度明顯偏低,顯然Zr含量受到后期作用的強(qiáng)烈改造或影響,反映的是退變質(zhì)環(huán)境。

若如此,根據(jù)Rt1和Rt2的Zr含量和溫度差異,階段Ⅱ可以進(jìn)一步細(xì)分為分為:階段Ⅱ-a和階段Ⅱ-b兩個(gè)亞階段(圖6e)。其中,階段Ⅱ-a的變質(zhì)條件由H94-D20計(jì)算的P-T值為代表,相當(dāng)于峰期變質(zhì)條件。而階段Ⅱ-b為退變質(zhì)階段,因缺乏充分的礦物組合,其變質(zhì)條件則難以確定。但這里,可借鑒魏春景和單振剛(1997)和王清晨等(1999)確定的退變質(zhì)階段的壓力值,推測(cè)該階段壓力在0.5～0.7GPa范圍。并據(jù)此,應(yīng)用T07和K20對(duì)Rt2進(jìn)行溫度估算,將壓力設(shè)定在0.5GPa、0.6GPa、0.7GPa時(shí),獲得的平均變質(zhì)溫度分別為:547±16℃、551±16℃、555±16℃和518±18℃、522±18℃、526±18℃(表2、圖6c,d)。同時(shí),考慮到K20金紅石溫度計(jì)的限制(Kohn,2020):當(dāng)估算的T≤550℃時(shí),溫度偏低約40℃;當(dāng)T>800℃時(shí),溫度會(huì)系統(tǒng)偏高,本文采用T07計(jì)算的變質(zhì)溫度條件。如此,階段Ⅱ-b的變質(zhì)溫壓范圍可確定在:T=508～584℃和P-設(shè)定=0.5～0.7GPa,處于退變質(zhì)的角閃巖相范疇(表3、圖6e)。

階段Ⅲ 該階段的共生礦物表現(xiàn)低溫低壓退變質(zhì)特征(圖3a,e,f)。據(jù)此,應(yīng)用白云母Ti溫度計(jì)-W15,并選取了9個(gè)礦物對(duì)進(jìn)行評(píng)價(jià),當(dāng)壓力設(shè)定在0.1GPa、0.2GPa和0.3GPa時(shí),獲得的變質(zhì)溫度范圍分別為:396～456℃、405～466℃和410～472℃(圖6a),基本位于綠片巖相變質(zhì)范圍,其變質(zhì)溫壓條件大致為:P-設(shè)定=0.1～0.3GPa和T=396～472℃(表3、圖6e)。

基于上述分析可以看出,宿松雜巖的石榴斜長(zhǎng)角閃巖展現(xiàn)為一條順時(shí)針的P-T型式,記錄了階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個(gè)變質(zhì)階段,其中,階段Ⅱ可進(jìn)一步分為a和b兩個(gè)亞階段。由階段Ⅰ至階段Ⅱ-a顯示了近等壓增溫特征,階段Ⅱ-a至階段Ⅱ-b和階段Ⅲ為降溫降壓(圖6e)。

4 鋯石U-Pb定年

本次鋯石U-Pb年齡分析選取了石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008)和富石英花崗巖(BH001-2)兩件樣品進(jìn)行。鋯石的單礦物挑選和制靶均由河北省廊坊市峰澤源巖礦檢測(cè)技術(shù)有限公司完成,陰極發(fā)光(CL)圖像由合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室完成。鋯石U-Pb年齡測(cè)試在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,測(cè)試儀器為質(zhì)譜儀Agilent 7700s,鋯石的剝蝕束斑直徑為32μm和24μm,每個(gè)樣品剝蝕時(shí)間為90s,實(shí)驗(yàn)中每隔4個(gè)未知樣測(cè)一次鋯石標(biāo)樣91500,每隔12個(gè)未知樣品測(cè)一次標(biāo)準(zhǔn)硅酸鹽玻璃NIST610。U-Pb年齡采用中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的LaDating@Zrn軟件進(jìn)行計(jì)算,CompbCorr#3-181對(duì)普通鉛進(jìn)行矯正,以保證以確保206Pb/238Pb、207Pb/235Pb、208Pb/232Th值的準(zhǔn)確性,諧和圖和鋯石年齡直方圖的繪制使用Isoplot 4.0完成。

4.1 石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008)

該樣品共選出鋯石150顆,對(duì)46粒鋯測(cè)試了46個(gè)點(diǎn),獲得37個(gè)諧和年齡數(shù)據(jù)(表4)。該樣品鋯石多為無(wú)色透明,呈半自形-自形柱狀、橢圓狀和不規(guī)則狀,長(zhǎng)寬比3:1～1:1,粒徑為60～160μm。CL圖像顯示,這些鋯石多具明顯的振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu),少部分為面狀分帶或弱環(huán)帶結(jié)構(gòu),邊緣偶爾發(fā)育極窄的不規(guī)則白色亮邊(圖7a-h)。諧和年齡集中于1470±80Ma～1258±101Ma(表4、圖7q),鋯石的Th含量為44×10-6～497×10-6,U含量為62×10-6～340×10-6,Th/U比值為0.62～1.49,均大于0.4(圖7r)。結(jié)合CL分析,這些鋯石均為巖漿成因。因此,對(duì)37個(gè)諧和年齡數(shù)據(jù)的加權(quán)平均年齡為1381±25Ma(圖7q),代表了該巖石成巖結(jié)晶時(shí)限。

表4 石榴斜長(zhǎng)角閃巖(ZT008)和富石英花崗巖(BH001-2)鋯石年齡數(shù)據(jù)表

圖7 石榴斜長(zhǎng)角閃巖和富石英花崗巖鋯石陰極發(fā)光圖片(CL)、Th/U-age圖和年齡諧和圖

4.2 富石英花崗巖(BH001-2)

該樣品共挑出鋯石30顆,對(duì)21粒鋯石測(cè)試分析了23個(gè)點(diǎn),獲得15個(gè)諧和年齡數(shù)據(jù),(表4)。鋯石多為淡灰色至無(wú)色透明,呈半自形-自形柱狀或不規(guī)則狀,粒徑50～100μm,長(zhǎng)寬比為1:1～1:2.5。同時(shí),CL圖揭示了這些鋯石具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征,發(fā)育有弱分帶、振蕩環(huán)帶、面狀分帶等結(jié)構(gòu)(圖7i-p)。該樣品的鋯石年齡跨度較大,范圍在2575±142Ma～118±5Ma,大致可以分為兩組(表4、圖7s插圖):第一組為6個(gè)諧和數(shù)據(jù),年齡較為分散,范圍為2575±142Ma～852±30Ma,其Th/U比值均大于0.1,多數(shù)大于0.4,結(jié)合CL圖分析(圖4i-l),這些鋯石屬于巖漿成因,可能為捕獲鋯石;第二組為9個(gè)諧和數(shù)據(jù)年齡集中,范圍為138±5Ma～118±5Ma,其Th含量為206×10-6～1072×10-6,U含量為525×10-6～1673×10-6,Th/U比值0.39～0.64。盡管,CL圖顯示這些鋯石僅具微弱的振蕩環(huán)帶,但考慮到其Th/U比值基本上都大于0.4,以及年齡集中特征,該組年齡應(yīng)代表巖漿結(jié)晶時(shí)限,其加權(quán)平均年齡為129±5Ma(表4、圖7t)。

5 討論

5.1 大別造山帶“淺層”俯沖-折返過(guò)程

長(zhǎng)期以來(lái),大別造山帶大陸深俯沖過(guò)程一直為研究的重點(diǎn)(Zheng,2008,2012; Liuetal.,2011a,b; 劉貽燦等,2020,2021),特別是對(duì)經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)的北大別、中大別和南大別變質(zhì)帶的變質(zhì)演化過(guò)程有著深入系統(tǒng)的解析和認(rèn)識(shí)(Liu and Li,2008; Liuetal.,2011a,b)。從這三個(gè)單元完整的順時(shí)針P-T-t軌跡來(lái)看(圖8; Liuetal.,2011a),均具有相同的演化型式,表現(xiàn)為連續(xù)依次俯沖-折返的特征。其中,在俯沖時(shí),三個(gè)單元或巖片均處于為“冷”俯沖狀態(tài),具有低的地溫梯度(5～10℃/km),暗示了一個(gè)相對(duì)快速的過(guò)程。而在折返過(guò)程時(shí),表現(xiàn)為近等溫降壓的特征。在20～45Ma之間,俯沖巖片上升了約70～120km,顯示了一個(gè)迅速抬升的特征,這意味著深俯沖作用是一個(gè)極為快速的過(guò)程。相比較而言,大別造山帶的“淺層”(地殼層次)俯沖-折返過(guò)程研究則極為稀少(魏春景和單振剛,1997; 王清晨等,1999),且對(duì)其是否具有類似于超高壓?jiǎn)卧冑|(zhì)演化過(guò)程和型式并沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。因此,該造山帶完整的由地殼至地幔或軟流圈,直至回返至地表的演化全過(guò)程并未得到充分的刻畫(huà)。

圖8 宿松雜巖與北大別、中大別、南大別變質(zhì)帶P-T軌跡對(duì)比圖

從本次宿松雜巖的石榴斜長(zhǎng)角閃巖構(gòu)建的變質(zhì)演化型式來(lái)看(圖7e、圖8),其發(fā)育了階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個(gè)變質(zhì)階段,且階段Ⅱ又細(xì)分為a和b兩個(gè)亞階段,同樣顯示了一個(gè)順時(shí)針的P-T軌跡,這表明宿松雜巖與北大別、中大別、南大別變質(zhì)帶形成于相同的動(dòng)力學(xué)背景之下。然而,根據(jù)各階段變質(zhì)溫壓條件差異(表3),其演化過(guò)程明顯不同于后三者(圖8)。自階段Ⅰ→階段Ⅱ-a:P-T條件由562±12℃、1.03±0.05GPa變化至663±8℃、1.09±0.05GPa,俯沖深度并未進(jìn)入巖石圈地幔,表現(xiàn)為地殼層次的“淺層”俯沖。同時(shí),顯示了一個(gè)近等壓增溫的特征,即便考慮到溫度誤差,溫度也至少增加了～80℃。并且該過(guò)程的地溫梯度大致在16～18℃/km,屬于“暖”俯沖類型,反映的是一個(gè)俯沖停滯持續(xù)增溫過(guò)程。根據(jù)這兩個(gè)階段的P-T值分析,該俯沖過(guò)程終止于35～40km的深度,相當(dāng)于莫霍面附近。據(jù)此,可以推測(cè)當(dāng)宿松雜巖巖片由淺表俯沖到莫霍面深度時(shí),因受到下伏巖石圈地幔的阻擋,其無(wú)法繼續(xù)俯沖并停滯。同時(shí),接受下伏巖石圈地幔的熱源不斷供給,致使溫度緩慢增高。而由階段Ⅱ-a→階段Ⅱ-b和階段Ⅲ:變質(zhì)溫度和壓力分別下降了120～160℃、0.4～0.6GPa和190～260℃、0.8～1.0GPa,表現(xiàn)為降溫降壓特征(表3、圖8),暗示了一個(gè)緩慢抬升的過(guò)程(Ernst,1988)。由于本次鋯石U-Pb定年未獲得任何變質(zhì)年齡,故本文僅借鑒前人年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。截止目前為止,有關(guān)宿松雜巖的變質(zhì)年齡數(shù)據(jù)十分有限(圖8)。在宿松雜巖北浴附近,江來(lái)利等(2003)從石榴斜長(zhǎng)角閃巖中獲得角閃石40Ar/39Ar的228±0.4Ma年齡,石永紅等(2012)在對(duì)石榴云母片巖鋯石U-Pb定年中獲得了251±4Ma變質(zhì)年齡,并一致認(rèn)為這些年齡代表主期角閃巖相變質(zhì)時(shí)限。而桑寶梁等(1987)在柳坪東南對(duì)云母片巖中白云母K-Ar測(cè)年,獲得了～211Ma年齡,并認(rèn)為其代表了綠片巖相變質(zhì)時(shí)限。若如此,251～228Ma則可對(duì)應(yīng)于本次階段Ⅱ-a時(shí)限,～211Ma則對(duì)應(yīng)于階段Ⅲ(圖8)。結(jié)合這兩個(gè)階段的變質(zhì)P-T條件差異可以看出,在大約20～40Myr時(shí)間內(nèi),宿松雜巖巖片在回返時(shí)僅抬升了25～35km,明顯低于北大別、中大別和南大別變質(zhì)帶的折返速度,并進(jìn)一步確實(shí)了宿松雜巖的緩慢抬升的過(guò)程。推測(cè)這可能是由于深俯沖巖片在快速折返時(shí),受到上覆停滯在莫霍面附近宿松雜巖的阻礙,致使其擠出上升力衰減,進(jìn)而導(dǎo)致該雜巖緩慢抬升所致。據(jù)此可以看出,大別造山帶的深俯沖和“淺層”俯沖過(guò)程有明顯差別,前者表現(xiàn)為快速的俯沖和折返特征,而后者是緩慢俯沖、停滯和緩慢抬升。

5.2 ～1.38Ga石榴斜長(zhǎng)角閃巖的啟示

中元古代(1.6～1.0Ga)一直被視為一個(gè)平靜的地質(zhì)時(shí)期(Buicketal.,1995; Holland,2006; Piper,2013; Young,2013a,b),也是哥倫比亞超大陸最終裂解,以及向羅迪尼亞超大陸轉(zhuǎn)換的重要時(shí)期(Roberts,2013; Robertsetal.,2015)。然而,有關(guān)哥倫比亞超大陸精確的裂解時(shí)限一直存在較多爭(zhēng)議(Houetal.,2008; Zhangetal.,2009; Fanetal.,2013)。目前,哥倫比亞超大陸形成時(shí)限通常認(rèn)為在2.0～1.7Ga,主期為1.95～1.85Ga(Rogers and Santosh,2009),而羅迪尼亞超大陸則形成于1.1～0.9Ga,并于～0.8Ga裂解(Roberts,2013; Robertsetal.,2015)。

就本次確定的～1.38Ga石榴斜長(zhǎng)角閃巖而言,該地質(zhì)體在揚(yáng)子板塊鮮有發(fā)現(xiàn),僅有沉積碎屑鋯石年齡的記錄(李俊輝等,2016; Shietal.,2022; Wuetal.,2023)。結(jié)合大別造山帶最南緣的宿松地區(qū)年齡資料來(lái)看,Wangetal.(2021)對(duì)銅鑼尖-柳坪-亭前一帶古元古代花崗片麻巖、基性巖和片巖的鋯石U-Pb定年研究表明(圖1),揚(yáng)子板塊屬于哥倫比亞超大陸一部分,形成于2.0～1.84Ga。而柳坪東0.83～0.74Ga新元古代花崗片麻巖或變質(zhì)花崗巖則反映了羅迪尼亞超大陸的裂解事件(江來(lái)利等,2003; Chenetal.,2003; Xiaetal.,2009; 李遠(yuǎn)等,2018)。顯然,～1.38Ga的年齡處于兩者銜接時(shí)段。參考Lietal.(2002)的揚(yáng)子板塊和華夏板塊初始的～1.30Ga俯沖碰撞拼合時(shí)限,哥倫比亞超大陸向羅迪尼亞超大陸轉(zhuǎn)換的時(shí)間可限定在1.38～1.30Ga之間。此外,本次～129Ma富石英花崗巖的則表明大別造山帶形成之后經(jīng)歷了中國(guó)東部白堊世伸展事件(Wuetal.,2007; Zhaoetal.,2007,2011; Heetal.,2011; Chenetal.,2015; Jietal.,2017; 謝清陸等,2016a,b; 趙子福和鄭永飛,2009)。進(jìn)一步,結(jié)合該地區(qū)確定的2.7～2.5Ga花崗片麻巖(李遠(yuǎn)等,2018)、0.44～0.42Ga的片巖(Shietal.,2022)和0.25～0.21Ga印支期變質(zhì)事件(桑寶梁等,1987; 江來(lái)利等,2003; 石永紅等,2012,2016)(圖1),可以看出宿松雜巖較為完整地記錄了揚(yáng)子板塊自太古代至中生代的演化過(guò)程,是探究揚(yáng)子板塊復(fù)雜而漫長(zhǎng)歷程的最佳場(chǎng)所。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)巖相學(xué)、礦物化學(xué)研究和熱力學(xué)計(jì)算,宿松雜巖別河地區(qū)的石榴斜長(zhǎng)角閃巖記錄了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)變質(zhì)階段,其中階段Ⅱ可進(jìn)一步分為Ⅱ-a和Ⅱ-b兩個(gè)亞階段。各階段的溫壓條件分別為:①階段Ⅰ:T=562±12℃、P=1.03±0.05GPa;②階段Ⅱ-a:T=663±8℃、P=1.09±0.04GPa;③階段Ⅱ-b:T=508～584℃、P-設(shè)定=0.5～0.7GPa;④階段Ⅲ:T=396～472℃、P-設(shè)定=0.1～0.3GPa,展現(xiàn)了一個(gè)等壓增溫至降溫降壓的順時(shí)針P-T軌跡,揭示了大別造山帶“淺層”緩慢俯沖、折返特征,明顯不同于該造山帶深俯沖快速過(guò)程。

(2)鋯石U-Pb年代學(xué)研究顯示,石榴斜長(zhǎng)角閃巖中鋯石均具振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu),Th/U比值為均大于0.4,顯示了巖漿成因特征,加權(quán)平均年齡為1381±25Ma,該年齡代表了哥倫比亞超大陸最終裂解時(shí)限。富石英花崗巖具兩組年齡,第一組年齡范圍為2575±142Ma～852±30Ma,為捕獲鋯石。第二組年齡范圍為138±5Ma～118±5Ma,Th/U比值>0.4,具巖漿成因特征,加權(quán)平均年齡為129±5Ma,反映了中國(guó)東部中生代伸展事件。

致謝在成文過(guò)程中,感謝陳福坤教授、吳春明教授和劉航副教授的充分支持、討論和指導(dǎo);感謝侯振輝高級(jí)工程師在鋯石U-Pb測(cè)年分析過(guò)程中給予的鼎力支持和幫助;感謝評(píng)審人認(rèn)真負(fù)責(zé)的評(píng)改指正。