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柴北缘绿梁山榴辉岩变质演化

2020-11-06李卓凡于胜尧侯可军

新疆地质 2020年3期

李卓凡 于胜尧 侯可军

摘   要:榴辉岩研究对深入认识超高压变质带构造演化过程具重要意义。绿梁山地区榴辉岩以透镜体形式出露于花岗片麻岩中,岩相学和温压计算结果显示,绿梁山榴辉岩经历了一个顺时针的P-T演化轨迹:①峰期榴辉岩相阶段。以石榴子石+绿辉石+金红石为特征,温压条件为P>25.5 kPa、T>840℃;②高压麻粒岩相阶段。以绿辉石退变为透辉石和斜长石为特征,形成的温压条件P=17.1~18.7 kPa、T=814℃~896℃;③角闪岩相阶段。以透辉石退变为角闪石和斜长石、金红石退变为钛铁矿为特征,形成的P-T条件为P=4.5~6.5 kPa、T=581℃~665℃。结合前人研究成果,提出一个多阶段构造演化模型:绿梁山榴辉岩的原岩在新元古代时期位于大陆地壳中,由于大洋地壳俯冲牵引作用,伴随大陆地壳一起被拖拽至俯冲通道内,于深度至少75 km处发生变质作用;随后进行了一个相对较慢的折返过程之后出露于地表。

关键词:柴北缘;绿梁山;榴辉岩;P-T轨迹;构造演化

柴北缘超高压变质带位于青藏高原北部,NW向延伸近400 km,属早古生代构造单元,为苏鲁-大别超高压变质带之后,我国发现的又一条超高压变质带[1]。其南部为柴达木盆地,为以前寒武纪基底和古生代造山带为主的新生代盆地[2];北部为祁连地块,主要由前寒武纪基底和古生代沉积盖层组成[3]。因变质岩岩石矿物组合等差异,柴北缘超高压变质带自西向东被划分为4个次级构造单元[4]:①鱼卡榴辉岩-片麻岩单元;②绿梁山石榴橄榄岩-片麻岩单元;③锡铁山榴辉岩-片麻岩单元;④都兰榴辉岩-片麻岩单元(图1)。因基质中未发现绿辉石,绿梁山榴辉岩最初被认定为麻粒岩或退变榴辉巖[5-7]。目前随基质中绿辉石的发现,绿梁山榴辉岩逐渐被确认、报道[8-9]。柴北缘榴辉岩主要分为大洋型榴辉岩和大陆型榴辉岩两类,前者与大洋地壳俯冲有关,后者主要与大陆地壳俯冲有关,两种类型榴辉岩间的演变过程目前还存在一定争议。目前对绿梁山榴辉岩变质期次划分也存在一定争议,陈鑫等将绿梁山榴辉岩分为3个期次[8]:①峰期榴辉岩相;②高压麻粒岩相;③角闪岩相。周桂生等则将绿梁山榴辉岩分为4个变质阶段[9]:①峰期榴辉岩相;②高压麻粒岩相;③中压麻粒岩相;④角闪岩相。本文以绿梁山榴辉岩为研究对象,通过岩相学及矿物学研究,探讨绿梁山榴辉岩的变质期次,推断其构造演化过程。

1  绿梁山榴辉岩研究现状

绿梁山位于大柴旦镇南约20 km处(图1),出露岩石主要有石榴橄榄岩、蓝晶石-矽线石副片麻岩、正片麻岩、镁铁质麻粒岩、退变榴辉岩等。绿梁山西部侵入有年龄为403~430 Ma的花岗岩深层岩体[10-12],该花岗岩体被认为是高压-超高压岩石快速折返至中、下地壳时部分熔融的产物[10]。绿梁山石榴橄榄岩主要出露于片麻岩中,峰期变质条件为T=960℃、P=5.0~6.5 GPa[13]。石榴橄榄岩石榴子石中发现有金红石、斜方辉石、单斜辉石的出溶结构;橄榄石中发现有钛铁矿、Al-铬铁矿的出溶结构,表明绿梁山石榴橄榄岩经历的俯冲深度超过200 km[13-14]。张建新等对绿梁山麻粒岩研究表明[5-6],麻粒岩经历了多期次变质作用,高压麻粒岩相变质年龄为445~450 Ma,中压麻粒岩相变质年龄为420~425 Ma。基于石榴子石中发现有绿辉石包体,推测早期可能存在榴辉岩相[5,7]。最近,新鲜榴辉岩露头相继于绿梁山被发现、识别[8-9],但针对该榴辉岩具体变质演化过程研究尚缺乏。

2  榴辉岩矿物组合特征与样品采集

榴辉岩位于绿梁山地体南部,靠近公路约2 km处,以包体形式出露于花岗片麻岩中(图2),长轴宽数米至数十米。中部榴辉岩保存较新鲜,靠近长英质脉体边部,可观察到较明显的退变质现象。采集新鲜榴辉岩和退变榴辉岩共5块,切块制片后进行镜下观察和探针实验,实验方法与步骤见[15]。

榴辉岩样品主要由石榴子石(30%~35%)、单斜辉石(30%~35%)、角闪石(20%~30%)、斜长石(5%~10%)、石英(2%~5%)等组成(图3),次要矿物有金红石、钛铁矿、榍石、磷灰石,金红石主要分布于钛铁矿核部,表明钛铁矿由金红石退变而来。矿物名称缩写见[16]。

石榴子石  石榴子石为半自形-自形粒状,发育有明显裂隙,内部发育有绿辉石、钛铁矿、金红石等矿物包体,边部可见较明显的“白眼圈”结构。石榴子石探针数据见表1。选取颗粒较大的石榴子石做一条成分剖面线,可看出从核部到边部,铁铝榴石含量逐渐上升,镁铝榴石和钙铝榴石含量逐渐降低,表现为明显的扩散环带(图4)。

辉石  榴辉岩中辉石存在形式分为两种,一种以包体形式存在于石榴子石中,此类辉石含有最高的Na2O含量(4.09%),相应的硬玉分子含量为29%(表2)。成分三角投图中,样品落入绿辉石区域(图5-a);另一种辉石呈自行-半自形状分布于基质中,此类辉石Na2O含量3.50%~0.49%,相应硬玉分子含量25%~4%,在成分三角投图中落在绿辉石和透辉石区域。其中靠近角闪石或与斜长石形成后成合晶的辉石,硬玉分子含量较低,这种典型成分结构关系表明,从绿辉石退变为透辉石,再退变为角闪石的整个过程。

角闪石  角闪石主要以大颗粒形式存在于基质中,少量与斜长石形成后成合晶。从电子探针测试分析结果看,角闪石主要为韭闪石和镁钙闪石,特征值分别为CaB≥1.5,NaB<0.5,(Na+K)A<0.5,Si=6.4~6.8,Mg/(Mg+Fe2+)=0.53~0.63及CaB≥1.5,NaB<0.5,(Na+K)A≥0.5,Si=6.2~6.6,Mg/(Mg+Fe2+)=0.65~0.70(表2,图5-b)。

长石  绿梁山榴辉岩中长石可分为两种,一种存在于基质中或与单斜辉石形成后成合晶,这类斜长石端元组分为28.01~43.64 mol%An、56.23~71.73 mol%Ab、0.09~0.31 mol%Or;另一种斜长石主要与角闪石形成后成合晶,构成围绕石榴子石的冠状体,这类斜长石端元组分为42.1~48.03 mol%An、51.61~57.63 mol%Ab、0.1~0.41 mol%Or(表2)。

3  榴辉岩变质期次与变质温度-压力条件

据岩相学研究特征和矿物探针结果,绿梁山榴辉岩经历3个变质期次:①峰期榴辉岩变质阶段。特征矿物为石榴子石+绿辉石+金红石+石英;②高压麻粒岩相阶段。以石榴子石+透辉石+金红石+斜长石+石英矿物组合为特征,由榴辉岩相到高压麻粒岩相主要经历了石榴子石+绿辉石→透辉石+斜长石阶段;③角闪岩相阶段。以石榴子石+透辉石+角闪石+斜长石+钛铁矿±石英矿物组合为特征,从高压麻粒岩相到角闪岩相,主要退变质反应为石榴子石+透辉石→角闪石+斜长石±石英、金红石+Fe2+→钛铁矿。

绿梁山榴辉岩相峰期条件是利用石榴子石+绿辉石矿物组合估算的,利用Perplex_X软件,据石榴子石中保留的绿辉石包体所含硬玉分子量,计算出榴辉岩相压力下限约为25.5 kPa[15],再据Grt-Cpx地质温度计[17],选择石榴子石核部和石榴子石内部硬玉分子含量高的绿辉石包体进行计算,得到温度约为840℃。由于计算时考虑的是榴辉岩相的下限压力,且结合镜下矿物,绿辉石具一定程度退变,所以实际峰期时的硬玉分子含量应高于测量值,榴辉岩相的P-T条件为P>25.5 kPa、T>840℃。高压麻粒岩相阶段变质条件通过Grt-Cpx-Pl-Q温压计获得[18-19]。选取石榴子石边部、基质中或后成合晶中透辉石、基质中斜长石或与透辉石形成合晶的斜长石,得到高压麻粒岩相变质条件为P=17.1~18.7 kPa、T=814~896℃。角闪岩相温压条件据角闪石单矿物温度计获得[19],其中角闪石阳离子计算据Holland and Blundy获得[20]。角闪岩相变质条件为P=4.5~6.5 kPa、T=581℃~665℃。

4  討论

绿梁山榴辉岩可识别出3个变质阶段,温压计算结果显示,样品榴辉岩相峰期变质条件为P>25.5 kPa、T>840℃。随后在榴辉岩相向高压麻粒岩相过渡过程中,绿辉石分解为透辉石和斜长石(Grt+Omp→Cpx+Pl1),高压麻粒岩相温压条件为P=17.1~18.7 kPa、T=814℃~896℃,压力显著下降但温度略有上升。从高压麻粒岩相退变到角闪岩相过程中,透辉石退变质为角闪石和斜长石(Grt+Cpx→Amp+Pl2±Q),金红石退变为钛铁矿(Ru+Fe2→Ilm),变质条件为P=4.5~6.5 kPa、T=581℃~665℃。基于岩相学和前人年代学研究,绿梁山榴辉岩P-T-t轨迹被确定。榴辉岩形成于430~450 Ma[7,8,22,24-26],温压条件为P>25.5 kPa、T>840℃,表明其俯冲深度至少为75 km。在(424±5)Ma左右[15],榴辉岩折返至50 km处,被高压麻粒岩相变质作用叠加,所处温压条件P=17.1~18.7 kPa、T=814℃~896℃。在(409±2)Ma时榴辉岩折返至19~21 km处[15],退变到角闪岩相,温压条件变为P=4.5~6.5 kpa、T=581℃~665℃。绿梁山榴辉岩的P-T-t模式记录了一个顺时针的演化过程(图6)。榴辉岩在退变质过程中经历了一个高温叠加阶段,与锡铁山榴辉岩演化相似,明显区别于鱼卡榴辉岩[21,23,27,28-31],高温叠加作用导致榴辉岩在退变质过程中遭受了强烈的退变质作用的叠加,导致峰期榴辉岩相的记录被破坏。一般认为,快速折返过程会保留完整的峰期记录,而缓慢的折返过程可能导致高温变质作用叠加破坏峰期变质记录[32-33]。所以,结合前人研究来看,与鱼卡地区相比绿梁山榴辉岩可能经历了一个更“慢”的折返过程。

结合前人和本文研究,总结出一个关于柴北缘超高压变质带的多阶段演化过程(图7):①450 Ma之前,柴达木地块大陆地壳受南祁连洋洋壳俯冲的牵引作用,向祁连地块方向运动;②由于南祁连洋洋壳的俯冲和消亡,柴达木地块和祁连地块发生碰撞,在洋壳拖拽作用下,柴达木地块大陆地壳继续向祁连地块之下俯冲,在450~430 Ma,附着在大陆地壳和大洋地壳上的榴辉岩原岩经高压-超高压变质作用,形成榴辉岩;③随着俯冲深度的加深,由于大陆地壳密度小于地幔,受到浮力作用影响,密度较小的大陆地壳与大洋地壳发生断裂,大陆地壳和其中的大陆型榴辉岩及小部分洋壳和大洋型榴辉岩,在隧道流或板片回撤力作用下开始折返。④在小于410 Ma时,榴辉岩折返至地壳浅部,造山带进入拉张垮塌阶段。

5  结论

(1)绿梁山榴辉岩经历3个变质阶段:①榴辉岩相。特征矿物组合为石榴子石+绿辉石+金红石+石英,温压条件为P>25.5 kPa、T>840℃;②高压麻粒岩相。矿物组合为石榴子石+透辉石+金红石+斜长石+石英,温压条件为P=17.1~18.7 kPa、T=814℃~896℃;③角闪岩相。矿物组合为石榴子石+透辉石+角闪石+斜长石+钛铁矿,温压条件为P=4.5~6.5 kPa、T=581℃~665℃。

(2)绿梁山榴辉岩经历了一个相对较慢的折返过程,退变质过程中经后期高温叠加作用,使得峰期榴辉岩相记录被破坏。

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Abstract:The study of eclogite is of great significance for the further understanding of the structural evolution process of UHP metamorphic belt. In this paper, a series of studies have been carried out on the newly discovered eclogites in the Luliangshan to explore the subduction exhumation process and the mechanism of structural evolution. The Luliangshan eclogites surrounded by granitic gneiss or paragneiss as lens. Petrology and P–T calculation shows that the eclogites have experienced a metamorphic process clockwise path. ①The peak eclogite-facies metamorphic stage, is characterized by the peak mineral assemblages of garnet + omphacite + rutile + quartz at T > 840℃ and P > 25.5 kbar. ②The HP granulite-facies, is characterized by the retrogradation of omphacite to diopside and plagioclase, with P–T condition of 814-896 °C and 17.1-18.7 kbar. ③ The subsequent amphibolite-facies stage, is characterized by amphibole + plagioclase symplectitic around the clinopyroxene and the retrogradation of rutile to ilmenite, with the metamorphic condition of 674 ℃~686 ℃ and 6.4-6.9 kbar. Meanwhile, combined with previous studies, a multi-stage tectonic evolution model is proposed that protolith of the Luliangshan eclogite was emplaced into continental crust during the Neoproterozoic, which was dragged into the subduction channel together with the continental crust due to the subduction traction of the oceanic crust, and metamorphosed at a depth of at least 75 km. Afterwards, it emerged to the surface with a relatively slow exhumation process.

Key words:North Qaidam; Luliangshan; Eclogite; P-T path; Tectonic evolution