西藏雅鲁藏布江缝合带中段沉积混杂岩的变质特征及构造意义

2020-03-112

山东科技大学学报(自然科学版) 2020年2期

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590；2.波鸿鲁尔大学地球科学学院地质矿产地球物理研究所，德国波鸿44780)

雅鲁藏布江缝合带为新特提斯洋俯冲消减的产物，记录了从新特提斯洋俯冲到印度-亚洲大陆碰撞，进而到高原形成的汇聚板块边缘构造演化过程，因此对该缝合带形成过程的研究对认识和理解印度-亚洲大陆碰撞过程、喜马拉雅造山带构造演化、青藏高原隆升的动力学机制等提供了重要线索[1]。沿雅鲁藏布江缝合带出露两条变质混杂岩带，分别是位于北侧的蛇绿混杂岩带和南侧的沉积混杂岩带。国内外学者[2-4]对沉积混杂岩带的物质组成、形成时代、变形特征等方面做过大量研究，但对沉积混杂岩带的成因机制并未形成统一的认识。早期对沉积混杂岩带构造变形的研究指示其形成于印度大陆与欧亚大陆碰撞过程中, 属构造混杂岩[2]。地层学证据则显示沉积混杂岩带是受沉积作用控制的滑塌堆积岩[3]。造成以上争论的一个重要原因是对沉积混杂岩带变质特征的研究还很薄弱。本文以雅鲁藏布江缝合带中段地区变质沉积混杂岩内出露的多硅白云母石英片岩和黑硬绿泥石片岩为研究对象，对其进行了系统的岩石学及矿物化学研究，并结合前人年代学数据和区域地质资料探讨变质沉积混杂岩的成因机制，为研究印度-亚洲大陆碰撞背景下的构造演化模式提供新的依据。

1 地质背景及野外产出

雅鲁藏布江缝合带地处青藏高原南部，其东西延伸长达2 000 km以上，长期以来被认为是欧亚板块与印度板块之间的碰撞缝合带[5]。研究区位于雅鲁藏布江缝合带中段地区，近东西向分布于北部的拉萨地块和南部的喜马拉雅造山带之间，从北向南包括多个次级地质单元：冈底斯弧、日喀则弧前盆地、蛇绿岩带和蛇绿混杂岩带、沉积混杂岩带、特提斯喜马拉雅[6](图1(a)、1(b))。冈底斯岩浆弧由晚侏罗世至古近纪的中-酸性侵入岩组成，日喀则弧前盆地由碎屑复理石夹少量泥灰岩组成，蛇绿岩带被认为是新特提斯洋壳的残留，沉积混杂岩带是新特提斯洋俯冲过程中部分基性洋壳与沉积岩一起被从俯冲板片上刮削下来形成的混杂岩带[7-8]。

沉积混杂岩带位于蛇绿混杂岩带的南侧，二者之间为逆冲断裂(图1(b))。沉积混杂岩带依据细粒基质成分分为两条亚带：北亚带基质的硅质含量高，主要包括硅泥质板岩、薄层砂岩、泥灰岩和硅质岩；南亚带基质的砂质含量高，主要由粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩等，少量硅质泥岩、页岩。沉积混杂岩带内的岩块类型众多，包括灰岩、玄武岩、辉长辉绿岩、超基性岩等。沉积混杂岩可分为多个与向南逆冲的断层相接触的构造岩片，基质变形强烈，普遍遭受绿片岩相等低级变质作用。部分地区基质中出现高压-低温相系特征变质矿物，主要有蓝闪石、黑硬绿泥石、蓝透闪石、多硅白云母等，指示了在沉积混杂岩带内可能存在一条高压-低温变质带[9]。

多硅白云母石英片岩出露于卡堆地区，卡堆沉积混杂岩带呈近东西向展布，南北宽约1 km，其北部为晚白垩世基性-超基性岩岩体，南部以向南逆冲的仲巴-江孜断裂为界与上三叠统涅如组构造接触[10](图1(c))。卡堆沉积混杂岩带内发现有多种高压变质岩，主要有绿泥石角闪石片岩、含黑硬绿泥石石英片岩、多硅白云母片岩、蓝片岩等。这些片岩由不同的原岩变质形成，但表现出一致的构造产出特征，可能经历了同期的变形变质事件[11]。蓝片岩呈透镜体产出于强烈变形的多硅白云母石英片岩中，部分露头可见蓝片岩与云母片岩呈互层状。黑硬绿泥石片岩出露于拉孜地区，围岩为含黑硬绿泥石板岩，向南与含硬绿泥石板岩呈逆冲断层接触(图1(d))，空间分布上显示出由北向南变质压力降低而温度升高的趋势。取样点如图1(c)、1(d)所示。

(a)青藏高原构造框架图[6]；(b)雅鲁藏布江缝合带中段地区构造地质图[1]；(c)卡堆地区地质简图[11]；(d)拉孜地区地质简图[6]

2 岩石学特征

多硅白云母石英片岩的矿物组合为多硅白云母(Ph)+绿泥石(Chl)+钠长石(Ab)+石英(Qz)+榍石(Spn)。多硅白云母石英片岩中矿物表现出明显的定向分布，多硅白云母呈细小的鳞片状，干涉色鲜艳，部分多硅白云母具有明显的剪切揉皱，弯曲呈微型褶皱(图2(a)、2(b))，暗示了强烈的变质变形过程。多硅白云母和绿泥石平行于石英条带，多呈条纹状、条带状集合体，近定向排列构成岩石的片理。显微绿泥石、极细小的钠长石和石英颗粒呈较均匀的混合体，构成浅色条带平行于片理化方向呈定向分布(图2(a)、2(b))。岩石中的副矿物主要为榍石，呈细小颗粒分布于多硅白云母条带内。

(a)、(b)卡堆多硅白云母石英片岩13KD15；(c)～(f)拉孜黑硬绿泥石片岩16LZ16; 矿物缩写依据Whitney和Evans[12]

黑硬绿泥石片岩的矿物组合为阳起石(Act)+绿帘石(Ep)+黑硬绿泥石(Stp)+绿泥石(Chl)+黑云母(Bt)+钠长石(Ab)+石英(Qz)+榍石(Spn)+钛铁矿(Ilm)。黑硬绿泥石片岩中矿物表现出明显的定向分布特征，由阳起石、黑硬绿泥石、绿泥石、绿帘石和副矿物榍石等组成暗色层，构成岩石的片理方向(图2(c)、2(d))。黑硬绿泥石含量约15%，呈浅黄褐色柱状或束状集合体，浅黄色至黄褐色多色性，长轴延伸方向平行于片理方向，粒径长约0.05 mm，宽约0.01 mm(图2(d))；阳起石含量15%，颗粒呈无色或浅绿色长柱状、板状，未发现明显的环带结构，粒径长约0.5 mm(图2(e))。黑云母含量5%，颗粒呈深黄褐色、片状，粒径0.15 mm，与黑硬绿泥石相比突起较低，解理更明显(图2(f))。绿泥石含量10%，呈绿色，不规则片状分布于基质中或围绕阳起石边部分布，粒径0.15 mm(图2(e))。钠长石颗粒含量50%～55%，粒径大小差异明显，最大粒径0.25 mm。

3 矿物成分

矿物电子探针分析在同济大学海洋地质国家重点实验室电子探针室完成，所用仪器型号为 JXA-8230，测定条件为：加速电压15 kV，电流20 nA，电子束斑云母类矿物选择5 μm，其余矿物3 μm。具有代表性的矿物电子探针成分分析如表1。

(a)、(b)拉孜黑硬绿泥石片岩中角闪石成分；(c)卡堆多硅白云母石英片岩中白云母成分；(d)拉孜黑硬绿泥石片岩和卡堆多硅白云母石英片岩中绿泥石成分

多硅白云母石英片岩中白云母单位结构中Si值均大于3.00，Na/(Na+K)=0.02～0.06(表1、图3(a))，属多硅白云母。多硅白云母具体又可以分为低硅(Si<3.30)、中硅(Si=3.30～3.50)和高硅(Si>3.50)。一般认为当Si原子数大于3.30时为经历高压变质作用形成的多硅白云母。因此，样品13KD15中的多硅白云母可划分为两类：低硅多硅白云母(Si=3.22～3.28)和中硅多硅白云母(Si=3.30～3.35)，两类多硅白云母的成分差异指示其可能形成于不同的变质条件下。由于多硅白云母颗粒细小，难以观察到两类多硅白云母的成分与结构的关系。绿泥石中Si=2.91～3.00，Fe2+/(Fe2++Mg)=0.55～0.59，成分特征在绿泥石分类图解中进入密绿泥石域(图3(b))。斜长石中(Na/Na+Ca)>0.98,为近纯端元成分的钠长石(表1)。

表1 沉积混杂岩样品中代表性矿物化学成分分析数据

黑硬绿泥石片岩中黑硬绿泥石Mg含量较少，Fe2+/(Fe2++Mg)=0.75～0.77(表1)，由于黑硬绿泥石Fe2+/(Fe2++Mg)值呈随变质程度加深而减小的特征，样品中黑硬绿泥石较高的Fe2+/(Fe2++Mg)值指示其形成于低级变质条件下。黑硬绿泥石Fe3+含量为0.61～0.72，较高的Fe3+含量表明黑硬绿泥石形成于氧化条件下。角闪石成分较为均一，分子式中Si值较高为7.82～8.00，Ti值较低为0～0.03，指示角闪石形成于低温条件下。分子式中NaM4值介于0.05～0.40，Mg/(Fe2++Mg)=0.56～0.62，在角闪石分类图解中均位于阳起石域(图3(c)、3(d))。绿泥石颗粒核部和边部成分未发现明显差异，Fe2+/(Fe2++Mg)=0.35～0.37属密绿泥石域(表1、图3(b))。绿帘石Fe3+/(Fe3++Al)=0.28～0.30，斜长石Na/(Na+Ca)>0.98，为近纯端元成分的钠长石(表1)。

4 相平衡模拟

在岩石矿物组合观察的基础之上，为了确定岩石峰期变质条件，选择在NCKFMASHT和NCKFMASHTO体系分别对多硅白云母石英片岩和黑硬绿泥石进行视剖面图模拟计算。全岩成分中MnO和P2O5含量很低，故从全岩成分中剔除。岩石全岩成分富硅，石英设为过饱和。由于岩石变质级别低，矿物组合中有大量含水矿物如绿泥石、云母、角闪石等，故流体相为纯水并设为过饱和。由于样品13KD15矿物组合中不含绿帘石、角闪石等含Fe3+矿物，故选择不含O体系。相图使用Perple_X软件计算，相关数据中采用Holland和Powell[15]热力学数据库。所涉及的矿物固溶体活度模型为角闪石[16]、绿帘石、绿泥石、白云母[17]和黑硬绿泥石[18]。钠长石、石英、硬柱石和硬玉设为纯端元组份，有效全岩成分见表2。

表2 沉积混杂岩样品有效全岩成分

注：单位为mol%

4.1 多硅白云母石英片岩(13KD15)

图4为多硅白云母石英片岩样品 13KD15在 NCKFMASHT体系下的P-T视剖面图，温度范围为200～500 ℃，压力范围为1～12 kbar。视剖面图中硬柱石稳定存在于高压低温一侧，黑云母出现于低压高温一侧，钠云母出现于高压条件下，在低温低压条件下出现葡萄石和浊沸石。峰期矿物组合绿泥石+多硅白云母+钠长石+榍石被硬柱石、钠云母、黑云母和葡萄石四条单变线限定在275～450 ℃/2.5～8.5 kbar范围内。多硅白云母的Si等值线斜率较缓，Si含量主要受压力条件控制；绿泥石Fe2+/(Fe2++Mg)等值线具有适中的负斜率，受温度和压力条件的双重控制。温度升高至黑云母稳定域，多硅白云母硅等值线斜率增大，Si含量受到压力和温度条件的双重控制；绿泥石Fe2+/(Fe2++Mg)等值线具有较高的正斜率，显示Fe2+/(Fe2++Mg)值主要受温度的控制，可以很好地指示温度条件的变化。

Ab—钠长石；Act—阳起石；Bt—黑云母；Chl—绿泥石；Ep—绿帘石；Jd—硬玉；Lmt—浊沸石；Lws—硬柱石；Pg—钠云母；Ph—多硅白云母；Pl—斜长石；Prh—葡萄石；Rt—金红石；Spn—榍石；Stp—黑硬绿泥石；Wrk—斜钙沸石

测试的白云母Si成分最大值3.35和绿泥石Fe2+/(Fe2++Mg)最大值0.58限定峰期温压条件下为366 ℃/6.4 kbar。多硅白云母Si 3.22～3.35，绿泥石Fe2+/(Fe2++Mg)0.55～0.58限定了一个宽泛的温度压力变化区间，由于岩石中并未出现黑云母矿物，多硅白云母和绿泥石的成分变化可能指示了峰后阶段沿着降温减压的轨迹(图4中箭头方向)而不是近等温降压轨迹进行，表明多硅白云母石英片岩经历了较慢速的折返过程。

4.2 黑硬绿泥石片岩(16LZ16)

图5为黑硬绿泥石片岩样品16LZ16在NCKFMASHTO 体系下的P-T视剖面图，温度范围为200～500 ℃，压力范围为1～12 kbar。观察到的峰期矿物组合阳起石+绿帘石+绿泥石+黑云母+钠长石+榍石+钛铁矿与视剖面图模拟结果一致。由于岩石矿物组合中不存在白云母和黑硬绿泥石，白云母的出现限定了峰期矿物组合稳定域的最高压力低于9 kbar，黑硬绿泥石的出现限定温度高于310 ℃的宽泛范围内。在峰期矿物组合内，绿泥石Fe2+/(Fe2++Mg)等值线具有中等的正斜率，Fe2+/(Fe2++Mg)值随着压力的增大而增加；绿帘石Al等值线斜率较陡，主要受温度条件控制，可视为良好的温度计。

绿泥石Fe2+/(Fe2++Mg)的最大值为0.37，绿帘石Al最大值为2.13，限定峰期温压条件为363 ℃/6.1 kbar。另一绿帘石Al成分测试值为2.10，可能指示了峰后阶段降温减压的退变折返过程。在折返过程中，岩石进入黑硬绿泥石稳定域，矿物组合中开始有黑硬绿泥石(图5)。阳起石在变质过程中始终存在，可能是由于退变过程中缺乏流体的进入，且变质温度较低，矿物组合很难达到平衡，岩石中矿物组合显示变质演化停留在阳起石和黑硬绿泥石共存域中。

5 讨论

5.1 变质P-T条件

尽管普遍认为雅鲁藏布江中段沉积混杂岩带形成于绿片岩相条件下，但由于岩石变质矿物组合简单且缺乏适用的地质温压计，很难对沉积混杂岩的变质条件和演化过程进行精确限定。目前使用较多的是多硅白云母Si压力计和绿泥石AlIV温度计：多硅白云母Si压力计常受到矿物组合限制和全岩成分的影响，如热力学模拟结果显示，在变泥质岩中矿物组合含绿泥石时多硅白云母Si等值线可很好地指示压力条件变化，而当矿物组合中含纤柱石而无绿泥石时多硅白云母Si与温度变化相关[19]；而绿泥石AlIV成分温度计仅适用于低温区域变质沉积岩和酸性火山岩中的Al饱和型绿泥石，相同变质条件下不同岩石类型中的绿泥石种类往往具有不同的AlIV含量，在应用时需考虑绿泥石的种类[20]。因此，本文采用热力学模拟的方法研究雅鲁藏布江中段沉积混杂岩的变质演化过程。

本研究运用相平衡模拟方法，限定沉积混杂岩带中多硅白云母石英片岩的峰期变质条件为6.4 kbar/366 ℃，黑硬绿泥石片岩的峰期温压条件为6.1 kbar/363 ℃。这一变质条件在变质相图解中属于高压绿片岩相。大量研究表明，多硅白云母普遍存在于高压低温变质带中[21]，且在一定温度下，其中的Si原子含量与形成压力具有明显的正相关关系[22]。如图5所示，视剖面图中多硅白云母Si含量与压力的关系明显受到矿物组合的制约，矿物组合不含黑云母和钠云母时，多硅白云母Si含量可视为较好的压力计。白云母石英片岩中的多硅白云母FeO含量为3.70%～6.80%，Al2O3含量为27.21%～29.69%，在Al2O3-FeO图解[23](图6(a))中，大部分位于绿泥石+黑云母+铁铝榴石带，其余部分位于蓝片岩相带。在变泥质岩中的绿泥石、黑云母和铁铝榴石带变质条件大体与高压绿片岩相当，少部分落入蓝片岩相带的点位与典型的蓝片岩中多硅白云母的成分也有较大差异，表明白云母石英片岩的变质条件并未达到典型的蓝片岩相，这一定性分析结果与视剖面图计算结果一致。

图5 拉孜黑硬绿泥石片岩16LZ16样品P-T视剖面图

如图5所示，黑硬绿泥石存在于低温条件下，对压力并不敏感，具有较宽广的压力稳定区间。相反，黑硬绿泥石稳定域明显受温度的影响。在峰期条件下，阳起石+绿泥石+绿帘石+黑云母+钠长石是典型的绿片岩相矿物组合，黑硬绿泥石在峰期矿物组合中并未出现而是形成于峰后降温降压过程中。Currie和Staal[24]在研究黑硬绿泥石-绿泥石-多硅白云母-石英矿物组合的基础上建立了绿片岩相-蓝片岩相过渡条件下的地质温压计。如图6(b)所示基于不同矿物组合的反应线平衡于308～359 ℃/6.02±0.5 kbar条件下，但由于拉孜黑硬绿泥石片岩中并不存在白云母，却出现黑硬绿泥石-绿泥石-黑云母-石英的矿物组合，故黑硬绿泥石-绿泥石-多硅白云母温压计并不适用于拉孜黑硬绿泥石片岩。与多硅白云母相比，黑云母稳定于低压条件下，因此拉孜黑硬绿泥石片岩中的黑硬绿泥石矿物极有可能在低于6.02 kbar的变质条件下形成，这与本文视剖面图模拟结果一致。前人研究认为，与蓝片岩相伴生的黑硬绿泥石矿物形成于俯冲带蓝片岩相变质作用后期向绿片岩相过渡条件下，但对黑硬绿泥石形成于向绿片岩相条件转化时压力降低而温度略有升高或保持不变的时期[25]，或者降温减压阶段[26]尚有不同认识。本文视剖面图结果进一步揭示了黑硬绿泥石矿物对压力条件变化并不敏感，主要形成于岩石经历峰期变质条件之后的降温减压阶段。

(a)白云母成分与变质程度关系;(b)黑硬绿泥石-绿泥石-多硅白云母-石英变质组合平衡P-T条件

5.2 构造意义

沉积混杂岩带是雅鲁藏布江缝合带的重要组成部分，被认为是新特提斯洋和印度大陆向欧亚大陆之下俯冲消减的产物。沉积混杂岩带基质以粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩等泥砂质沉积物为主，少量玄武岩、火山碎屑岩、火山沉积岩，多遭受绿片岩相等低级变质作用，形成板岩、绢云母千枚岩、绿泥石片岩、阳起石片岩等。白云母石英片岩、黑硬绿泥石片岩和少量蓝片岩块体出露于沉积混杂岩带中，表明部分岩石经历了与板块俯冲有关的低温高压变质作用。因此沉积混杂岩带记录了雅鲁藏布缝合带形成与演化的重要信息，对探讨由特提斯洋壳俯冲到印度-亚欧大陆的碰撞过程具有重要意义。

雅鲁藏布江缝合带中段的多硅白云母石英片岩和黑硬绿泥石片岩的峰期变质条件为高压绿片岩相，与卡堆低级蓝片岩峰期条件[11]近似，指示地温梯度15～18 ℃/km，俯冲深度21～23 km，其变质特征和典型的低温高压蓝片岩存在明显差别。在洋壳俯冲过程中，地温梯度在俯冲通道的浅部和深部可能存在不均一性，浅部地温梯度较大，表现为中P/T变质相系的绿片岩[27]。随着俯冲深度增加，地温梯度变低，洋壳物质则经历高P/T变质条件形成典型的蓝片岩和榴辉岩。构成增生楔主体的沉积混杂岩带岩石被俯冲板块带入地下的深度较小，温度压力条件较低，经历绿片岩相-低级蓝片岩相变质作用。

已有研究显示，新特提斯洋的消亡并非只依靠一条欧亚大陆南缘的洋陆俯冲带完成的，在新特提斯洋内还曾发育过一条甚至多条洋内俯冲带。在西喜马拉雅地区，沉积混杂岩带普遍经历了高压低温变质作用形成含硬柱石蓝片岩，峰期条件为470 ℃/19 kbar，地温梯度7～9 ℃/km，俯冲深度达60 km，属于典型的高P/T相系，形成于新特提斯洋的洋内俯冲系统[28]。在东喜马拉雅地区，那加山变质带可能是雅鲁藏布江缝合带的向东延伸部分，那加山变质混杂岩带峰期条件11.5 kbar /340 ℃，地温梯度8～9 ℃/km，俯冲深度40 km，形成于新特提斯洋的洋内俯冲系统[29]。在雅鲁藏布江缝合带中段，泽当地区蛇绿岩的北侧为一套晚侏罗世的基性-中酸性火山岩组合，被认为是洋内弧建造[30]。基于蛇绿岩岩石学和地球化学特征研究，Dai等[31]认为晚侏罗世-白垩纪早期，沿雅鲁藏布江缝合带在南侧印度大陆和北侧拉萨地块及Karakoram微地体之间的新特提斯洋洋内存在长达2 500 km的洋内俯冲系统。

本研究在雅鲁藏布江缝合带中段地区并未发现岛弧残留的存在，且多硅白云母石英片岩、黑硬绿泥石片岩和蓝片岩等高压变质岩揭示的峰期变质条件、地温梯度、俯冲深度明显不同于新特提斯洋洋内俯冲系统发育的西喜马拉雅和那加山地区[28-29]。李才等[9]获得了卡堆蓝片岩中钠闪石40Ar/39Ar年龄为59 Ma，而40Ar的扩散封闭温度应为～470 ℃，这一温度高于蓝片岩的峰期变质温度，因此40Ar/39Ar 冷却年龄可代表钠闪石结晶年龄，即蓝片岩峰期变质年龄。这一年龄明显晚于洋内岛弧拼接到拉萨地块的时间(152～130 Ma)，而与印度-欧亚大陆初始碰撞时间(65～55 Ma)十分接近[32]。沉积混杂岩带与蛇绿混杂岩带相伴生，其原岩主要是洋壳成分。因此雅鲁藏布江缝合带中段地区沉积混杂岩带经历了高压绿片岩相变质作用，形成于单一的特提斯洋洋壳向欧亚大陆南缘俯冲的构造体制下印度-欧亚大陆初始碰撞时期。