大别山榴辉岩研究概述

李静++司志森++陆丽娜

摘 要：榴辉岩作为典型的超高压变质岩，是研究碰撞造山带演化过程及地球深部变质作用的物质基础。该文阐述了我国大别山造山带榴辉岩的研究意义，大别山的地质背景以及榴辉岩的特征及产出特点。总结了大别山榴辉岩的同位素地球化学（包括碳、氢氧和稀有气体同位素）和稀土元素地球化学特征，并提出了一些在大别山榴辉岩的研究中尚有争论的问题，如榴辉岩原岩的成因及来源、榴辉岩形成过程中板块的俯冲深度、超高压变质过程中稀土元素的稳定性等。这些问题的解决还有赖于对大别地区的超高压变质岩做进一步的岩石地球化学及微量元素地球化学的研究。

关键词：榴辉岩 大别山 同位素 稀土元素 地球化学 研究

中图分类号：P587 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0073-03

1 大别山榴辉岩的研究意义

20世纪80年代以来的地质研究表明，大别造山带是横亘于中朝板块和扬子板块之间的陆、陆碰撞型造山带，也是全球规模最大，剥露最好，保存最完整的超高压变质岩带[1-2]。

榴辉岩是典型的超高压变质岩，通过对这类岩石的研究在追溯超高压变质作用的历史、了解变质带的形成、演化等许多问题都具有重要的意义。

近年来，主要是岩石学、同位素和同位素年代学、矿物学这些学科集中对大别山榴辉岩进行了研究，也奠定了大别造山带的基本构造架构[3-4]。但不足之处在于，对榴辉岩中微量元素的研究却不多，这就对认识榴辉岩原岩成因以及性质的地球动力学模式和演化历史具有一定的局限性。

2 大别山的地质背景

过郯庐断裂是苏鲁造山带，是大别造山带的东延部分，称为大别—苏鲁造山带，是晚三叠世由扬子陆块和华北陆块相碰而形成的。

由南到北，将大别山划分为宿松变质带、南大别低温榴辉岩带、中大别中温超高压变质带、北大别高温超高压杂岩带及北淮阳带等构造岩石单位（图1）。研究表明，大别山印支期深俯冲陆壳包括南大别低温榴辉岩带、中大别中温超高压变质带和北大别高温超高压杂岩带3个超高压岩片。其中，经历过高压榴辉岩相、超高压榴辉岩相以及角闪岩相退变质作用的是中大别和南大别。不同于南大别和中大别的是，北大别超高压变质岩则是经过独特的麻粒岩相变质作用叠加而成的[5]。

3 榴辉岩成因以及分类

由主矿物是绿辉石和富镁的石榴石组成的岩石就叫榴辉岩（eclogite）。柯尔曼等[6]将榴辉岩分3类：A类榴辉岩；指金伯利岩、玄武岩中的包体和超基性岩中的层状体。B类榴辉岩：片麻岩地区的层状或透镜状榴辉岩，常被玄武岩所包围。C类榴辉岩：阿尔卑新型造山带变质岩区的层状和透镜状榴辉岩，石榴石的镁铝榴石含量小于30%。其中A类被认为是来自地幔的原始物质形成，后两者认为在极高压变质条件下形成。

大别山的榴辉岩产于由不同类的一种或者几种岩石构成的岩石复合体中。其产状根据围岩（寄主岩石）的类型以及与围岩的相互关系，榴辉岩体的形态可分为[7]：（1）大型榴辉岩杂岩体，与超基性岩有关的；（2）条带状、透镜状的榴辉岩，夹于片麻岩中超基性岩内的；（3）似层状或石香肠状，条带状的榴辉岩，产于片麻岩中；（4）团块状、角砾状的榴辉岩，在含大理岩夹层的片麻岩中；（5）有不规则团块状透镜状包体的榴辉岩，存在于在大理岩中。

4 同位素地球化学方法

在地质年龄确定、岩石物质来源追溯、岩石演化过程中，起重要作用的就是同位素地球化学方法。U-Pb、K-Ar、Sm-Nd、SHRIMP等多种同位素定年技术为众多研究者所采用，来对大别山榴辉岩和超高压片麻岩进行了年代学研究，不同作者或不同方法的测年结果，给出了一个较大的时限范围。在三叠纪，发生了大别山-苏鲁超高压变质作用，则是根据其大致时限在200 Ma至250 Ma之间来确定的[8]。

4.1 稀有气体同位素方法

因氦同位素在地壳和地幔中存在很大的组成差别，加之氦又有极强的活性，因此将氦同位素作为最灵敏的示踪剂，对地幔相互作用进行研究，和地幔、地壳物质的区分。在系统研究了大别山地区各类型的榴辉岩中氦同位素的组成后，李善芳等[9]发现，大别山地区榴辉岩全岩的3He/4He均值是0.200×10-6，从3He-4He分布图来看，处于地壳氦和大气氦的过渡段，进而提出，大别一苏鲁地区超高压变质榴辉岩没有俯冲到100多 km的地幔深度，而在地壳中形成的可能性大。

杜建国等[10]在对大别山区新鲜榴辉岩中的单矿物石榴石和绿辉石的氦氩同位素时发现，与国外的一些幔岩石相比，氦、氩同位素在绿辉石和石榴石中的地球化学特征具有一致性。尤其是，与汉诺坝新生代玄武岩中二辉橄榄岩包体的氦、氩同位素地球化学具有相似特征，并认为亏损型地幔的气体同位素地球化学特征被大别山榴辉岩保留了下来，亏损型地幔的岩石可能是大别山榴辉岩的来源。

4.2 稳定同位素研究—— 氢氧及碳同位素研究

地壳中与流体有关的地质过程可以通过稳定同位素来示踪，还能提供壳-幔、流体-岩石相互作用等重要信息。

郑永飞等在对榴辉岩中的单矿物的氢氧同位素进行大量研究[11]时发现，氧同位素不仅在含柯石英榴辉岩出现局部负异常（δ18O=-10‰），并且区域分布不均（δ18O=-10‰～+10‰）。前者需要经历大气降水热液的蚀变，才能使榴辉岩原岩变质，表明大陆地壳特点是俯冲板块所具有的；后者说明快速俯冲变质特征是扬子板块具有的，如果不是这样，那么同位素是具有均一性的。

因与沉积碳酸盐岩（0±2‰）和地幔碳（-5‰±2‰）相比，地表有机碳的δ13C值（-25‰±5‰）有明显的不同，所以超高压岩石的化学地球动力学的形成过程，可以通过分析碳同位素来进行示踪。碳同位素正异常（δ13C=1‰～+6‰）在大别山地区大理岩中较常见，大陆边缘封闭盆地的形成则受其原岩石灰岩的沉积环境所指示[12]。大理岩碳同位素正异常和榴辉岩氧同位素负异常的保存指示，明显的化学相互作用没有发生在地幔与超高压岩石之间。endprint

5 稀土元素研究

在经历了复杂的退变质历史和进变质历史后，十分困难的一项工作就是确定榴辉岩原岩属性和构造环境。但是，变质岩原岩特征和地质构造背景相关信息，可以由地球化学数据，尤其是稀土元素（REE）、弱迁移和非迁移（1ess mobile and immobile）微量元素提供。如此一来，榴辉岩原岩类型和构造背景推测的有效手段之一就是利用稀土元素地球化学特征[13]。

张建珍等分析大别山区的共生片麻岩和榴辉岩的稀土元素得出，稀土特征因榴辉岩的产状不同而有所差别。榴辉岩围岩的稀土特征与共生榴辉岩差别较大，轻稀土富集型明显。因此，差异很大在相同产出特点的榴辉岩化学成分及稀土元素特征方面也存在，说明他们不同由同一原岩类型变质而来的；而稀土特点相同但围岩不同的，表明是有成因联系的岩石形成的围岩，具有外来特征的榴辉岩，则可能是俯冲过程中大洋岩石的碎片。

黄智龙等[14]将大别山地区榴辉岩按REE特征划分为六种主要类型，样品的La/Yb-ΣREE投图显示大陆拉斑玄武岩区出现有绝大部分的榴辉岩，大陆拉斑玄武岩及其结晶分异的岩石可能为其主要原岩，是经过相对富集地幔部分熔融而成的。

LREE富集型是苏北榴辉岩的主要类型[15]，但具有巨大的稀土元素分配型式，其特点是差别明显。结合其主元素特征及εNd（t）<0等特点，推断苏北榴辉岩总体具有大陆拉斑玄武岩的特征，源于富集型地幔，原岩所代表的基性岩浆活动是在地壳拉张环境下发生的，可能属于大陆裂谷环境。

6 问题讨论

6.1 榴辉岩的原岩是原地成因还是外来

对榴辉岩的氦同位素研究表明，榴辉岩原岩具有陆壳岩石的特征，且榴辉岩的氦同位素比值与氧同位素比值与围岩密切相关。研究表示，超高压变质过程是榴辉岩及其围岩都要一起经历的，也就是说榴辉岩是原地成因的。

还有一种观点则认为，榴辉岩虽然与围岩共同经历了超高压变质作用，但榴辉岩在俯冲前是否就与其围岩共生还值得商榷，从稀土元素研究来看，稀土元素特征差别很大的是产出不同的榴辉岩，而特征相同的则是不同的围岩，反映榴辉岩具有外来的特点，很可能是在俯冲过程中带入了大量大洋岩石碎片，并非简单的原地型变质成因。但也有学者认为，大别山地区绝大部分榴辉岩原岩可能主要为相对富集地幔部分熔融产物，即大陆拉斑玄武岩及其结晶分异的岩石。由此可见，榴辉岩是原地变质成因还是外来，其原岩是陆壳岩石还是洋壳碎片还值得进一步研究。

6.2 超高压变质过程中的俯冲深度

普遍认为，榴辉岩中柯石英和金刚石的发现证明榴辉岩至少是在地表100 km以下经高压变质作用形成的，多种同位素地球化学研究表明大别山地区俯冲板块具有大陆地壳特点，榴辉岩氧同位素负异常和大理岩碳同位素正异常的保存指示，这些超高压岩石与地幔之间五明显化学作用。有人曾认为，由于过快的俯冲和折返速度，大别造山带在超高压变质时未及时与地幔物质发生交换，所以地幔物质参与的信息没有留下来。不少人逐渐认识到，大别一苏鲁地区超高压变质岩并未俯冲至100多 km的地幔深度，可能是在地壳中形成。含柯石英和金刚石的超高压变质岩形成所需的压力不一定都来自于岩石静压力，还包括构造压力[16]。

6.3 稀土元素在高压变质作用中的稳定性

对变质岩来说，人们研究稀土元素及其分布的主要兴趣和目的在于探讨原岩恢复及其形成过程，因为其他一些元素，如K、Rb、U、Th在变质作用过程中有较大的活动性而不能保持原来的特征，稀土元素在超高压变质作用过程中相对稳定，对恢复原岩岩性有较好的效果。但也有些学者对此持有不同的看法，伯纳德等认为矿物分结作用（变质条带）会使少数岩石出现阶梯状稀土配分型式，这种型式与岩石矿物组成密切相关，不是火成岩的特征，某种条件下，一些副矿物诸如褐帘石经过分解，会造成REE的丢失。沙茨基等研究了高压变质过程中稀土元素的行为，实验表明，数量可观的稀土元素（主要是轻稀土元素），赋存于矿物粒间或者是副矿物相中，变质作用过程中轻稀土元素的情性特点可能与低的溶液/岩石比存在一定的关系。关于REE高压分配系数近年来的模拟实验证明，产生的基性岩浆LREE富集、HREE亏损是因石榴石橄榄岩的低度部分熔融所导致，由于分配系数低的REE的固相/液相，使得低度部分熔融产生的液相REE丰度变高[17]。REE的丰度以及分配模式在有大量的流体相参与的变质作用中，变化明显[18]。

因此，用稀土元素讨论原岩性质时应该首先保证榴辉岩在变质过程中未发生部分熔融或者有大量流体参与，同时要考虑到是否有副矿物的分解而造成REE的丢失。由于大别山榴辉岩经历了进变质作用和退变质作用，全岩成分可能会受到退变质作用的影响，所以测定未蚀变的单矿物绿辉石和石榴石可能获得更多的信息。

参考文献

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