班公湖-怒江缝合带西段洞错石榴石麻粒岩岩石学特征及其构造意义*

2015-03-15苑婷媛刘焰张惠民

岩石学报 2015年12期

关键词：石榴石斜长石怒江

苑婷媛刘焰张惠民

YUAN TingYuan1，2，LIU Yan2＊＊ and ZHANG HuiMin2，3

1. 中国地质大学，北京 100083

2. 大陆构造与动力学国家重点实验室，中国地质科学院地质研究所，北京 100037

3. 成都理工大学，成都 610059

1. China University of Geosciences，Beijing 100083，China

2. State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics，Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

3. Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

2015-05-11 收稿，2015-09-18 改回.

1 引言

洋壳俯冲带是地球表层物质进入地球深部的主要区域。洋中脊上地幔的部分熔融形成温度高达1200℃的新生洋壳，新生高温洋壳从洋中脊向海沟运移时，热洋壳与冷海水之间发生连续的物理与化学作用，年龄较老的洋壳(＞65Ma)因此转变为冷、硬、氧化和含水的洋壳，而年轻洋壳(＜25Ma)由于与冷海水相互作用的时间较短，则转变为相对较热、塑性和水含量较少的洋壳(Jarrard，2003)。冷洋壳与热洋壳物理和化学性质上的差异导致了它们在俯冲阶段的行为完全不同:冷洋壳俯冲时，含水较高的洋壳常相变为高密度的榴辉岩，并在俯冲通道中释放出大量的流体(Peacock，1993;Schmidt and Poli，1998;Ernst，1999)，引发上覆地幔楔的部分熔融作用，形成了广泛分布的岛弧钙碱性岩石(Gill，1981;Schmidt and Poli，1998;Peacock and Wang，1999);然而，热洋壳俯冲时在俯冲通道内没有释放出大量的流体，因此难以诱发广泛的岛弧岩浆活动，相反由于俯冲时的地温梯度较高，常发生角闪石的脱水熔融作用，形成数量不多的埃达克质岩浆(Defant and Drummond，1990;Peacock et al.，1994;Vielzeuf and Schmidt，2001;Xiao and Clemens，2007;Qian and Hermann，2013)，角闪石脱水熔融之后的残余为石榴石麻粒岩(Peacock et al.，1994;Vielzeuf and Schmidt，2001;García-Casco et al.，2008)。当前人们多从地表弧火山岩地球化学研究的角度推测洋壳俯冲带深部所发生的地质过程，直接观察热俯冲洋壳部分熔融过程的机会尚不多，因此对埃达克质岩浆的形成过程还存在不同的认识(Qian and Hermann，2013)。

斑岩型矿床是铜、钼和金等金属的重要来源(Sillitoe，2010)，长期以来是高度关注的研究对象。最近十余年的研究发现，(超)大型斑岩铜、金矿床的成矿母岩浆多为高氧逸度、硫逸度与高水含量的埃达克质岩浆，直接来源于年轻、热俯冲洋壳的部分熔融(Hattori and Keith，2001;Oyarzun et al.，2001，2002;李印等，2009;孙卫东等，2010;徐文刚等，2011)，铜、金成矿元素直接来源于俯冲洋壳(Oyarzun et al.，2001;王奖臻等，2001;孙卫东等，2010)，但高氧逸度、高硫逸度埃达克质岩浆的形成过程与机制还是一个谜，主导成矿元素从俯冲洋壳中活化与迁移的机制也不清楚。最近Liu et al.(2015)发现在冷洋壳的俯冲过程中，俯冲板片被还原，同时在俯冲通道内生成富含H2S、CO2、H2O 的流体，这些高氧逸度、硫逸度的流体随后交代上覆地幔楔，为弧火山岩浆提供碳、硫元素来源(Liu et al. 2015)，但俯冲热洋壳是否也经历了类似的还原反应尚不清楚。

图1 班公湖-怒江缝合带西段洞错地质简图(据Wang et al.2008;曾庆高等，2006 修改)左上角内插图为研究区大地构造简图. LST-拉萨地体;SQT-南羌塘地体;NQT-北羌塘地体;HM-喜马拉雅地体;IYS-雅鲁藏布江缝合带;SYS-狮泉河-永珠缝合带;BNS-班公湖-怒江缝合带;LS-龙木错-双湖缝合带;JS-金沙江缝合带;KLS-昆仑缝合带;①-申扎蛇绿岩片;②-安多微陆块;③-八宿微陆块Fig.1 Simplified geological map of Dong Tso，western Bangong-Nujiang suture zone (modified after Wang et al. 2008)

最近的地质调查与勘查工作揭示出班公-怒江缝合带西段的南、北两侧的弧火山岩中还孕育众多的(超)大型斑岩铜、金矿床，如多不杂、多龙、尕尔穷等矿床(李光明等，2007;李志军等，2011;陈红旗等，2015)，这使该区已成为我国重要的有色金属勘查后备基地，称为班公-怒江成矿带。大量的研究表明，该区斑岩型铜金矿化与高氧逸度的埃达克质岩浆有成因联系(李光明等，2006，2007;李金祥等，2006，2008)。当前多从地表岩浆岩地球化学研究的角度认识班公-怒江成矿带中斑岩型铜金矿床的形成过程，对其深部地质过程的认识还不够深入。

1∶25 万区域地质调查(曾庆高等，2006①曾庆高，毛国政，王保弟等. 2006. 改则幅(145C004001)1 ∶250000 区域地质调查报告.拉萨:西藏自治区地质调查院)发现在班公-怒江缝合带西段，改则县洞错乡有含石榴石和单斜辉石的斜长角闪岩产出于蛇绿混杂岩带内(图1)，与超基性岩呈构造接触(图2)，岩石地球化学研究表明该斜长角闪岩的源岩为洋中脊玄武岩(Wang et al.，2008)，且周边无片麻岩等陆壳岩石的产出，表明该含石榴石与单斜辉石的斜长角闪岩系洋壳俯冲的产物(Wang et al.，2008)，笔者等在此含石榴石、单斜辉石的斜长角闪岩中识别出直径为5.0 ～10mm 的石榴石麻粒岩透镜体(图3)，为探讨班公-怒江洋盆俯冲的深部过程提供了岩石学依据，这有助于理解该区众多斑岩型铜、金矿床的形成。

图2 洞错地区斜长角闪岩与超基性岩野外产状由于地表覆盖严重，推测斜长角闪岩(北)与超基性岩(南)呈逆冲断裂接触，斜长角闪岩向南逆冲到超基性岩之上Fig.2 Occurrence of amphibolites and mafic rocks from Dong Tso area

2 地质背景

班公-怒江缝合带是青藏高原内部一条重要的构造边界，横贯青藏高原中部，将南部的拉萨地体与北部的羌塘地体分隔开(常承法和郑锡澜，1973;Allégre et al.，1984;Chang et al.，1986;Dewey et al.，1988;任纪舜和肖黎薇，2004)。班公-怒江缝合带至少延伸3000km 以上，在西藏中、西部地区，该缝合带为近东-西走向;向东，在西藏东部的昌都地区，则转变为北西-南东走向;再向东南，在西藏东南部及云南境内，则变为近南-北走向(图1)。在西藏中部地区，班公-怒江缝合带以出露大量的基性-超基性岩片、侏罗纪复理石、混杂岩和火山岩为特征，代表洋壳物质的残余(Girardeau et al.，1984，1985)。这些岩片南-北向出露的宽度极不均匀，在中部的安多至申扎一带可达200km 以上，其中还识别出弧火山岩、洋岛玄武岩和安多、八宿等微陆块(图1)，因此一些学者认为班公-怒江洋盆包括多个次级小洋盆(Srimal，1986;Matte et al.，1996)，形成过程复杂，这也是当前班公湖-怒江洋盆构造演化过程的认识分歧较大的主要原因。一些学者认为班公湖-怒江小洋盆在晚三叠世-早侏罗世时打开(曲晓明等，2009)，也有学者认为早在晚二叠世时，洋盆就已打开(刘鸿飞和刘焰，2009;Xu et al.，2014)，中侏罗世晚期，洋盆沿多条俯冲带分别向羌塘地块和拉萨地块之下双向俯冲，闭合时间则为早白垩世早期，之后进入了陆内造山阶段(曲晓明等，2009，2012)，另一些学者则倾向于洋盆更晚时间才闭合(Kapp et al.，2003;Zhang et al.，2012;Xu et al.，2014)。另一种观点认为班公-怒江洋盆是一巨型洋盆，包括北部的龙木错-双湖洋盆，早在志留纪，甚至奥陶纪就已张开，并且持续演化至白垩纪(Yin and Harrison，2000;Pan et al.，2012;潘桂棠等，2012)。

表1 洞错石榴石麻粒岩代表性矿物成分(wt%)Table 1 Representative mineral compositions of garnet granulite from Dong Tso (wt%)

续表1Continued Table 1

图3 洞错石榴石麻粒岩的BSE 图像Fig.3 BSE image of garnet granulite from Dong Tso

改则洞错地区是班公-怒江缝合带西段岩石出露较好的地段(图1)，两大超基性岩片分别出露于洞错南、北两侧，与其它岩石，如侏罗纪海相沉积岩、火山岩等均呈构造接触(图1)。在超基性岩片中识别出含石榴石麻粒岩包体的斜长角闪岩片，与超基性岩片呈断层接触(图2)。另一含石榴石麻粒岩包体的斜长角闪岩片则产出于中基性火山岩内，与中基性火山岩同样呈断层接触(图1)。

3 岩相学与矿物学特征

利用大陆动力学国家重点实验室带正交偏光的奥林巴斯光学显微镜、配备50mm2牛津能谱仪的Nano450 扫描电镜和配备四道波谱仪的日本电子8100 型电子探针开展石榴石麻粒岩岩相学研究，部分电子探针数据在中国科学院岩石圈演化国家重点实验室，采用日本电子8100 型电子探针获得。代表性矿物成分见表1。电子探针的工作条件为:加速电压15kV，电流为20nA，电子速斑为5μm。除特殊标注外，本文的矿物缩写据Whitney and Evans(2010)。

在20 块石榴石麻粒岩样品的研究基础之上，选择4 块代表性的石榴石麻粒岩样品进行详细的岩相学观察。石榴石麻粒岩包括石榴石、透辉石、钙质系列的角闪石、斜长石、石英、黝帘石、绿泥石和副矿物富Al 榍石、金红石、贫Al 榍石、白云母和钛铁矿等。石榴石麻粒岩发生强烈的退变质作用，金红石常变为细粒交生的贫Al 榍石(Spn2)和钛铁矿(图4a)。石榴石呈变斑晶产出(图3)，含有较多的包裹体(图3、图4)，其内部可见角闪石和单斜辉石等矿物(图4b)，且单斜辉石被角闪石包裹，角闪石相对富Na 和Fe3+(表1)，单斜辉石为贫Na、Al 和Fe3+的透辉石(表1)。在透辉石内部发现石榴石和角闪石包体，为早期进变质阶段的矿物(图4c)，但颗粒极为细小，粒径＜10μm，成分见表1。“囊状”的熔融囊体(用Ab*表示，以下均同)广泛产出于石榴石变斑晶内部(图3)，该熔融囊体的主体矿物是钠长石，钠长石内部含有细小的斜长石与大量定向排列的含Ba 长石的包体(图4d)。石榴石变斑晶周缘常发育典型的由细小角闪石与斜长石组成的后成合晶(图4e)，后成合晶中的角闪石以阳起石为主，与产出于基质中的角闪石变斑晶相同(表1)，后成合晶中的斜长石成分也与基质内的斜长石相同(表1)。此外，石榴石常发育裂隙(图3)，被黝帘石、绿泥石和斜长石等矿物组成的细脉充填(图5a)。

图4 洞错石榴石麻粒岩的BSE 图像(a)产出于基质中的金红石常退变质为贫Al 榍石(Spn2)与钛铁矿，位置见图3 白色虚线框;(b)石榴石变斑晶内部，相对富Na、Fe3+的早期角闪石与贫Na、Fe3+ 的透辉石(代表性矿物成分详见表1)，透辉石被早期角闪石包裹，位置见图3 白色虚线框;(c)透辉石内部的早期石榴石和角闪石包体，石榴石颗粒被角闪石包裹，石榴石粒径＜10μm;(d)石榴石内部富Na、Ba 的熔融囊体(Ab* )，主体矿物是钠长石，钠长石内部含有细小斜长石和定向排列的含Ba 长石(Hya)，位置见图3 白色虚线框;(e)石榴石常发育典型的由细小阳起石与斜长石组成的后成合晶Fig.4 BSE images of garnet granulite from Dong Tso

图5 洞错石榴麻粒岩中石榴石的BSE 图像(a)与X 射线面成分图(b-e)裂隙处广泛充填由绿泥石、黝帘石和斜长石组成的细脉. 位置见图3 白色虚线框，图5a 中的白色虚线框详见图6Fig.5 BSE image (a)and X-ray maps (b-e)of garnet in garnet granulite from Dong Tso

石榴石成分总体上较为均匀，但沿裂隙或边缘具有极不规则的成分环带(图5、图6)，据此将石榴石分为三期:第一期石榴石以包体形式产出于透辉石内部，相对富Fe 和Mn，贫Ca 和Mg，第二期为核部石榴石，以石榴石富Ca 和Mg，贫Fe 和Mn 为特征，第三期为石榴石边部或内部裂隙边缘的石榴石，成分则与早期核部石榴石呈正好相反趋势(表1、图5、图6)。

图6 洞错石榴麻粒岩中小颗粒石榴石的BSE 图像(a)与X 射线面成分图(b-e)，示意石榴石具有不规则的成分环带Fig.6 BSE image (a)and X-ray maps (b-e)of fine garnet in garnet granulite from Dong Tso，showing the garnet heterogeneously compositional zonation

透辉石呈包体产出于石榴石变斑晶内(图4b)，或作为变斑晶产出于基质(图7a)，前者颗粒内部不含包体，沿其颗粒边缘常有角闪石产出，后者常含有角闪石、斜长石以及富Na 和Ba 的熔融囊体(Ab*)等包体(图7a)。与角闪石相比，透辉石富Ca、贫Na、Al 和Fe3+(图8)。

角闪石均为钙质系列的角闪石，有三种产状，一是呈包体产出于石榴石变斑晶内(图4b)，或呈条带状被透辉石包裹(图7a)，这种产状的角闪石相对富Na 和Fe3+(表1)，二是产出于石榴石边缘的后成合晶之中(图4e);三是作为变斑晶产出于基质之中(图7b)，贫Na 和Fe3+(表1)。第一种角闪石常与透辉石的接触边界极不规则，呈锯齿状，甚至有些角闪石与单斜辉石之间呈“犬齿交错”的状态(图8a);后两种角闪石在成分上相同，均为阳起石，黝帘石常沿阳起石变斑晶的解理面分布(图7b)。根据角闪石产状与成分特征，可将其分为两期，早期角闪石多呈包体产出，相对富Na和Fe3+，晚期角闪石则多产出于基质之中，贫Na 和Fe3+(表1、图9)。

图7 洞错石榴石麻粒岩的BSE 图像(a)透辉石含有斜长石与熔融囊体(Ab* )，早期角闪石呈细小条带产出于透辉石内;(b)黝帘石沿阳起石的解理面分布，基质中也有少量富Na、Ba 的熔融囊体(Ab* )产出Fig.7 BSE images of garnet granulite from Dong Tso

图8 洞错石榴麻粒岩早期角闪石和透辉石BSE 图像(a)与X 射线面成分图(b-e)示意角闪石脱水熔融转变为透辉石，释放出含Na、Al 和Fe 的熔/流体Fig.8 BSE image (a)and X-ray maps (b-e)of early amphibole and diopside in garnet granulite from Dong Tso

石榴石麻粒岩中可识别出三种类型的斜长石，第一种呈包体产出于富Na 的熔融囊体(Ab*)或透辉石内(图4d、图7a);第二种产出于石榴石边缘的后成合晶之中(图4e);第三种产出于基质之中，后两种斜长石在成分上相同，相对于第一种斜长石，其An 值更大，在成分上更为富Ca(表1)。作为副矿物产出的榍石也可分为两期，早期榍石(Spn1)相对富Al(XAl=0.187)，但不属于高铝榍石(XAl≥0.25)，呈独立矿物产出于基质(图7b);晚期榍石(Spn2)常产出于早期金红石的边缘(图4a)，以贫Al 为特征(XAl=0.010)。

基质主要由细粒的黝帘石、斜长石、阳起石、绿泥石和白云母组成(代表性矿物成分见表1)，白云母的硅含量(a.p.f.u. )约为3.2(表1)。需要指出的是，基质中也广泛存在富Na 的熔融囊体(Ab*)(图7b)，而不是仅局限于石榴石与透辉石变斑晶之内部(图3、图4b)。

根据岩相学观察将洞错地区石榴石麻粒岩划分为三期变质演化阶段:(1)进变质阶段;(2)峰期变质阶段;(3)退变质阶段。

图9 洞错石榴麻粒岩角闪石Fe3+含量(a.p.f.u)与B位Na 含量(a.p.f.u)协变图Fe3+-C:角闪石分子式中C 位Fe3+含量;Na-B:角闪石分子式中B 位Na 含量(角闪石阳离子数计算据Leake et al. ，1997)Fig.9 Compositional concordia diagram of Fe3+ vs. Na-B of amphibole in garnet granulite from Dong Tso

(1)进变质阶段

此阶段的矿物组合为:早期富Fe、Mn，贫Ca、Mg 的石榴石(Grt1)、早期富Na 和Fe3+的角闪石(Amp1)、早期相对富Al 的榍石(Spn1)等矿物。由于该变质阶段的矿物组合不全，加之石榴石颗粒极为细小(＜10μm)，因此未计算该变质阶段的温压条件。

(2)峰期变质阶段

此阶段的矿物组合为:核部富Ca、Mg，贫Fe、Mn 的石榴石(Grt2)+透辉石+斜长石(Pl1)+石英+金红石+熔体。采用Grt-Cpx 铁镁交换温度计(Ravna，2000)和Grt-Cpx-Pl-Qz 压力计(Eckert et al.，1991)估算该矿物组合平衡时的温度与压力，结果为:温度～870℃，压力～11.8kbar。

(3)退变质阶段

此阶段的矿物组合包括:边部富Fe2+、Mn，贫Ca、Mg 的石榴石(Grt3)+晚期贫Na 和Fe3+的角闪石(Amp2)+黝帘石+绿泥石+斜长石(Pl2)+白云母+贫Al 榍石(Spn2)+钛铁矿。该阶段的温度为555 ～655℃，压力为5 ～7kbar(Wang et al.，2008)。

4 讨论与初步结论

岩相学观察揭示出石榴石麻粒岩常退变质为斜长角闪岩(图4e)，表明区内的斜长角闪岩系石榴石麻粒岩的退变质产物。前已指出，地球化学研究表明含石榴石、单斜辉石的斜长角闪岩的源岩为MORB(Wang et al.，2008)，因此本文所研究的石榴石麻粒岩的源岩也是MORB。洞错一带洋壳俯冲过程与藏南松多(Liu et al.，2015)、墨竹工卡(Liu et al.，2009)、藏北荣玛(刘焰和吕永增，2011)、戈木日(李才等，2006)、冈玛错(翟庆国等，2009)等地的俯冲洋壳差别极大，后者多转变为含硬柱石的蓝片岩与榴辉岩，是典型冷洋壳俯冲的产物，而洞错的俯冲洋壳则转变为麻粒岩，系热洋壳俯冲的结果。这表明洋壳形成之后就很快进入俯冲通道(Jarrard，2003)，这为班公-怒江洋盆含有次级、存活时间较短的小洋盆的观点(Srimal，1986;Matte et al.，1996;曲晓明等，2009)提供了变质岩石学的证据。

岩相学观察证实了在洋壳俯冲阶段，含有相对较高含量的Na 与Fe3+和微量Ba 的早期角闪石(表1)脱水熔融形成贫Na、Al 和Fe3+，不含Ba 的透辉石(图8)，并释放出富含Na、Al 和Ba 的熔融体(图3、图4d、图7b)，这证实了前人岩石地球化学(Defant and Drummond，1990)与实验岩石学的研究(Peacock et al.，1994;Vielzeuf and Schmidt，2001;Xiao and Clemens，2007;Qian and Hermann，2013):角闪石的脱水熔融确实可以形成富Na 和Ba 的埃达克质岩浆，但熔融残余不是榴辉岩，而是高压麻粒岩。此外，晚期石榴石(产出于石榴石边缘及内部裂隙处)以富含铁铝榴石为特征(图5、图6)，且与黝帘石、绿泥石与斜长石组成的细脉共生，反映石榴石遭受了后期流体的交代作用，形成了富含铁铝榴石端员组分的石榴石。早期矿物组合中角闪石含有较多的Fe3+(表1、图9)，但晚期矿物组合中却很少有造岩矿物含有Fe3+，以含Fe2+为主(表1)。例如，晚期阶段中铁铝榴石含量的急剧增加充分证明了这一观点，表明从早期到晚期，矿物组合中的Fe3+总含量下降，Fe2+含量上升，即麻粒岩经历了还原反应，特别是在角闪石脱水熔融时，将角闪石的Fe3+还原为Fe2+，导致了富含铁铝榴石端元组分石榴石的形成，同时生成氧化性的熔/流体，即高氧逸度埃达克质岩浆的形成是角闪石在脱水熔融时被还原的产物。

实验岩石学研究表明，硅酸盐岩浆中的Cu、Au 元素的溶解度随氧逸度、硫逸度的增加而增加(Ripley and Brophy，1995;Holzheid and Lodders，2001;Ripley et al.，2002)。Cu和Au 元素在洋壳中的丰度较高，且是中度不相容元素，因此在洋壳部分熔融过程中易从洋壳中进入高氧逸度的埃达克质岩浆之中，还原反应推进了成矿元素的这一迁移过程，最终导致了斑岩型铜、金矿床的形成。

本文报道的石榴石麻粒岩中的角闪石在部分熔融期间被还原，生成了具高氧逸度的埃达克质岩浆，这种高氧逸度的岩浆更有利于成矿元素从俯冲洋壳中活化与迁移，即还原反应主导了成矿物质从俯冲洋壳中活化出来，并迁移至弧岩浆的过程。因此，班公湖-怒江成矿带上广泛发育的斑岩型多金属矿床的形成与洋壳的热俯冲有关，俯冲的热洋壳在还原性环境内发生部分熔融作用，形成了对成矿非常有利的高氧逸度的埃达克质岩浆。

致谢电子探针分析、背散射照片的拍摄与能谱面扫描工作分别得到戎合工程师、毛骞博士和施彬博士的帮助;吴春明教授提供了变质温压条件计算的程序;李修亮硕士、杨耀硕士与许欢博士在成文的过程中也给予了无私的帮助;在此一并表示衷心的感谢。

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