西峡-内乡地区秦岭岩群变质独居石和锆石的U-Pb定年*

梁爽 张谦 刘嘉惠 李真 闫全人 吴春明

中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049

秦岭造山带位于扬子板块与华北板块之间, 其物质组成与结构构造复杂, 是我国中央造山带的重要组成部分(裴先治等, 1995, 1999; 张国伟等, 2001)。自元古代起, 秦岭造山带经历了多期变质-变形作用(安三元等, 1985; 陈能松等, 1990, 1991, 1993; 裴先治等, 1995, 1998; 张宗清等, 1996; 王涛等, 1997; Dongetal., 2011)。 “秦岭岩群”是秦岭造山带的核心构造单元，其元古代至中生代的大量岩浆事件有助于勾勒秦岭造山带演化的构造格架(卢欣祥, 1998; 杨力等, 2010; 王晓霞等, 2015)。其中，古生代期间侵入秦岭岩群的花岗质岩可划分为507～470Ma、460～422Ma、415～400Ma 三个阶段(其中早期阶段伴随超高压变质作用), 这三个阶段的岩浆作用分别形成于俯冲、同碰撞和后碰撞环境(Wangetal., 2013; 张成立等, 2013; 王晓霞等, 2015)。

图1 北秦岭造山带东部地质构造简图(据张二朋等, 1993; 闫全人等, 2009a修改)ZXF-朱阳关-夏馆断裂；SDF-商县-丹凤断裂；YJS-云架山群；TW-陶湾群, NQB-北秦岭地块；KP-宽坪群；ELP-二郎坪群；DF-丹凤群Fig.1 Geological sketch map of the eastern North Qinling Orogenic Belt (revised after Zhang et al., 1993; Yan et al., 2009a)ZXF-Zhuyang-Xiaguan Fault; SDF-Shangxian-Danfeng Fault; YJS-Yunjiashan Group; TW-Taowan Group; NQB-North Qinling Block; KP-Kuanping Group; ELP-Erlangping Group; DF-Danfeng Group

早期研究发现, 秦岭岩群主要由角闪岩相(局部达麻粒岩相)变质岩石组成, 伴有混合岩化作用、多期岩浆侵入、变形作用(游振东等, 1991; 张国伟等, 2001)。近些年来, 人们发现秦岭岩群还记录了高压-超高压变质作用。不过, 人们对秦岭岩群变质事件地质时代的看法还不一致。早期研究表明, 秦岭岩群可能经历了～990Ma和420～353Ma的两期变质事件(陈能松等, 1989, 1990, 1991; 陈能松和游振东, 1990; 游振东等, 1991)。也有学者认为, 秦岭岩群主期变质时代可能为450～400Ma (陆松年等, 2006; 任留东等, 2016)。在北秦岭造山带东部(“东秦岭”), 秦岭岩群岩石类型复杂多样, 主体为角闪岩、大理岩、各种片麻岩和片岩。秦岭岩群北侧的官坡、双槐树一带, 出露有古生代榴辉岩等(超)高压变质岩(胡能高等, 1994, 1995; 杨经绥等, 2002)。秦岭岩群南侧的清油河、松树沟、丹凤大寺沟等地区, 出露有古生代退变榴辉岩、高压基性麻粒岩(刘良和周鼎武, 1994; 杨勇等, 1994; 刘良等, 1995, 1996, 2013; Liuetal., 2003; Chengetal., 2011; Wangetal., 2014; 陈丹玲等, 2015; 宫相宽等, 2016)。秦岭岩群高压-超高压变质岩的变质高峰期时代为～500Ma(陈丹玲等, 2004, 2019; Wangetal., 2011, 2014; 陈丹玲和刘良, 2011; Chengetal., 2012), 两阶段退变质时代分别为～450Ma和～430Ma (刘良等, 2013; 钱加慧等, 2013), 与侵入秦岭岩群花岗岩年龄(Lerchetal., 1995; 王涛等, 2009; 刘良等, 2009; 张建新等, 2009, 2011; 张成立等, 2013)相当。也有学者指出, 东秦岭地区秦岭岩群可能记录了早古生代多期变质作用(张建新等, 2011)。

尽管东秦岭局部地域(清油河、松树沟、大寺沟)的秦岭岩群中发现有高压-超高压变质作用的信息, 但是, 秦岭岩群的主体(各种片麻岩、片岩)变质作用及年代学研究仍较薄弱(王浩和吴元保, 2013)。它们是否普遍经历了高压-超高压变质作用？变质作用的地质时代如何？目前尚不完全清楚。变质泥质岩中的独居石为变质结晶成因, U-Pb体系封闭温度高(Cherniaketal., 2004), 其年龄能够清晰地指示变质时代。因此, 本文选取位于北秦岭造山带东部西峡和内乡地区秦岭岩群中的变质沉积岩、变质基性岩, 开展了变质独居石、锆石的U-Pb定年研究, 并探讨了其变质作用温度与压力条件, 以期为解决上述问题提供比较扎实的科学资料。

1 区域地质背景

以商丹缝合带为界, 秦岭造山带被划分为北秦岭造山带、南秦岭造山带两个构造单元(Meng and Zhang, 1999, 2000; 张国伟等, 2001)。其中, 北秦岭造山带位于商丹断裂带、洛阳-栾川-方城断裂带之间, 包含四个岩石-构造单元, 自北向南依次为宽坪岩群、二郎坪岩群、秦岭岩群和丹凤岩群(图1)。宽坪岩群主要由绿片岩、角闪岩及变碎屑沉积岩组成(张国伟等, 2001)。二郎坪岩群自下而上可分为大庙组、火神庙组及小寨组, 主体岩石类型依次为变质火山-沉积岩、变质基性火山岩、变质泥质碎屑岩夹基性火山岩(孙勇等, 1996; 张国伟等, 2001; 杨士杰等, 2015)。秦岭岩群西起甘肃天水, 向东延经河南西峡、内乡至桐柏一带, 绵延千余千米, 呈透镜状断续出露于秦岭造山带之中(张国伟等, 2001)。秦岭岩群主要由变质碎屑沉积岩、黑云母大理岩及少量变质基性岩组成, 碎屑锆石U-Pb定年限定的最大沉积年龄为1.2～1.9Ga之间(Shietal., 2013; 陆松年等, 2006)。闫全人等(2009b)将商南-西峡一带秦岭岩群中段划分为四个岩性段：第一段为重岔沟-王里桥, 主要为云母石英片岩及黑云母变粒岩; 第二段位于重岔沟以北, 为大理岩夹云母石英片岩; 第三岩性段位于双龙以南, 主要为石榴云母石英片岩夹大理岩; 第四岩性段位于小水-双龙, 主要为大理岩夹角闪岩构造块体。各个岩性段间均为断层接触关系。丹凤岩群由一套经历绿片岩相-角闪岩相变质的火山-碎屑沉积岩系, 包括斜长角闪片麻岩、黑云斜长片岩、黑云斜长石英片岩, 以及少量大理岩、石英岩等(裴先治等, 2001)。

图2 西峡-内乡地区地质简图(据河南省地质局, 1965(1)河南省地质局. 1965. 1:20万栾川幅区域地质调查报告, 1966(2)河南省地质局. 1966. 1:20万内乡幅区域地质调查报告)

图3 西峡-内乡地区秦岭岩群野外地质特征(a)强烈变形的黑云斜长片麻岩; (b)花岗岩脉体沿片麻理侵入石榴黑云斜长片麻岩; (c)斜长角闪岩呈岩墙状产于石英云母片岩之中; (d)石榴黑云斜长片麻岩中夹持的石榴角闪岩透镜体Fig.3 Outcrops of the Qinling metamorphic complex in the Xixia and Neixiang areas(a) strongly deformed biotite-plagioclase gneiss; (b) a granite dike intrudes into the garnet-biotite-plagioclase gneiss along the gneissosity; (c) dyke-like amphibolite and the quartz-mica schist; (d) garnet amphibolite occurs as tectonic lenses within the garnet-biotite-plagioclase gneiss

研究区位于秦岭岩群东部(图1), 处于闫全人等(2009b)划分的第三、第四岩性段。区内主要出露有云母石英片岩、角闪黑云斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、变质砂岩、大理岩, 另有少量斜长角闪岩。变质沉积岩呈厚层状产出。变质基性岩一般呈似层状或构造透镜体状，被夹持于变质沉积岩中。

本文研究的代表性变质岩样品均采自豫西西峡、内乡地区(图2), 包括石榴黑云斜长片麻岩、石榴黑云石英片岩、石榴黑云二长片麻岩、石榴斜长角闪岩。石榴黑云斜长片麻岩遭受轻微混合岩化和强烈变形(图3a), 有花岗岩脉体顺层侵入(图3b)。石榴斜长角闪岩呈岩墙或透镜体状, 被夹持于黑云斜长片麻岩、云母石英片岩中(图3c, d)。

2 岩相学特征

2.1 石榴黑云斜长片麻岩

石榴黑云斜长片麻岩 (样品NY01、19QL07、19QL09) 呈片麻状构造、斑状变晶结构。石榴子石变斑晶粒径从～0.5mm到～2mm不等, 所含包裹体普遍较少。

样品NY01(图4a, b)出露于内乡县马山口乡附近(33°13′44.76″N、111°58′23.27″E), 样品19QL07(图4c, d)位于内乡县黄村附近(33°18′14.53″N、111°46′02.58″E)。这两个样品中仅观察到峰期变质阶段矿物组合(M2)。样品NY01中变质高峰期(M2)矿物主要包括石榴子石变斑晶(Grt2)以及基质黑云母(Bt2)、斜长石(Pl2)、普通角闪石(Amp2)等。样品19QL07中变质高峰期(M2)矿物组合由石榴子石变斑晶(Grt2)、基质黑云母(Bt2)、斜长石(Pl2)、普通角闪石(Amp2)、单斜辉石(Cpx2)构成。

图4 石榴黑云斜长片麻岩及石榴黑云二长片麻岩显微岩相特征(a)样品NY01中的变质高峰期(M2)矿物组合石榴子石变斑晶+黑云母+石英; (b)样品NY01中的变质高峰期(M2)矿物组合石榴子石变斑晶+黑云母+斜长石+石英+普通角闪石; (c)样品19QL07中的变质高峰期(M2)矿物组合石榴子石变斑晶+石英+黑云母+普通角闪石; (d)样品19QL07中的变质高峰期(M2)矿物组合石石榴子石变斑晶+单斜辉石+黑云母+石英+斜长石+普通角闪石; (e)样品19QL09中的石榴子石中黑云母包裹体(M1)、变质高峰期矿物组合(M2)及副矿物; (f)样品19QL25中的石榴子石中黑云母包裹体(M1)、变质高峰期矿物组合(M2)及副矿物. 矿物代码下标表示矿物世代Fig.4 Photomicrographs of garnet-biotite-plagioclase gneiss and garnet-biotite monzogneiss(a) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+biotite+quartz in Sample NY01; (b) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+biotite+plagioclase+quartz+amphibole in Sample NY01; (c) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+quartz+biotite+plagioclase in Sample 19QL07; (d) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+clinpyroxene+biotite+quartz+plagioclase+amphibole in Sample 19QL07; (e) biotite inclusions (M1) in garnet and metamorphic peak assemblage (M2) as well as accessory minerals in Sample 19QL09; (f) biotite inclusions (M1) in garnet and metamorphic peak assemblage (M2) as well as accessory minerals in Sample 19QL25. The subscripts of mineral symbols and for the corresponding metamorphic stages

样品19QL09 (33°24′52.81″N、111°29′33.43″E)中保留了两个阶段矿物组合(图4e), 即进变质阶段矿物组合(M1)、变质高峰期矿物组合(M2)。石榴子石周围未见到退变质反应结构。进变质阶段矿物组合(M1)由石榴子石变斑晶中矿物包裹体组成, 包括黑云母(Bt1)、石英(Qtz1)。变质高峰期矿物组合(M2)由石榴子石变斑晶(Grt2)及基质矿物黑云母(Bt2)、石英(Qtz2)、普通角闪石(Amp2)、斜长石(Pl2)及少量钾长石(Kfs2)和副矿物锆石(Zrn2)、独居石(Mnz2)、黄铁矿(Pyr2)、金红石(Rt2)。

2.2 石榴黑云二长片麻岩

石榴黑云二长片麻岩(样品19QL25)采自西峡双龙镇南溚叶沟(33°25′22.05″N, 111°30′43.65″E)。岩石呈片麻状构造, 斑状变晶结构。岩石中保留了两个阶段的变质矿物组合(图4f), 其中进变质阶段矿物组合(M1)为保存于石榴子石变斑晶中的黑云母(Bt1)和石英(Qtz1), 变质高峰期矿物组合(M2)包括石榴子石(Grt2)变斑晶和基质矿物黑云母(Bt2)、石英(Qtz2)、钾长石(Kfs2)、斜长石(Pl2)、夕线石(Sil2)及副矿物独居石(Mnz2)和锆石(Zrn2)。

2.3 石榴黑云石英片岩

样品19QL03(图5a)采自西峡县赤眉镇北(33°17′27.05″N、111°46′35.74″E), 岩石中只保留有变质高峰期矿物组合(M2), 包括石榴子石变斑晶(Grt2)以及基质黑云母(Bt2)、普通角闪石(Amp2)、斜长石(Pl2)、钾长石(Kfs2)和副矿物独居石(Mnz2)、锆石(Zrn2), 其中斜长石与钾长石含量<5%。

图5 石榴黑云石英片岩显微岩相特征(a)样品19QL03中的变质高峰期(M2)矿物组合石榴子石变斑晶+黑云母+石英及副矿物; (b)样品19QL12石榴子石中夕线石+斜长石包裹体(M1)、变质高峰期(M2)矿物组合石榴子石变斑晶+钾长石+斜长石+石英及副矿物Fig.5 Photomicrographs of garnet-biotite-quartz schist(a) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+biotite+quartz as well as accessory minerals in Sample 19QL03; (b) sillimanite and plagioclase inclusions (M1) in garnet, and metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+K-feldspar+plagioclase+quartz in Sample 19QL12

样品19QL12采自西峡县双龙镇南(33°22′10.51″N、111°34′56.52″E), 其中保留了两期变质矿物组合(图5b)。进变质阶段矿物组合(M1)为保存于石榴子石变斑晶中的黑云母(Bt1)、斜长石(Pl1)、夕线石(Sil1)包裹体。变质高峰期矿物组合(M2)包括石榴子石(Grt2)变斑晶及基质矿物黑云母(Bt2)、斜长石(Pl2)少量钾长石(Kfs2)和副矿物黄铁矿(Pyr2)、独居石(Mnz2)、锆石(Zrn2)。

2.4 石榴(斜长)角闪岩

样品19QL04、19QL05(图6a)出露于内乡县赤眉镇北(33°17′27.05″N、111°46′35.74″E), 只观察到变质高峰期矿物组合(M2), 主要为普通角闪石(Amp2)、石英(Qtz2)、黑云母(Bt2)及少量钛铁矿(Ilm2)和副矿物锆石(Zrn2)等。样品19QL05中不含斜长石。样品19QL04基质中斜长石(Pl2)含量低且蚀变严重, 单斜辉石(Cpx2)均蚀变为绿帘石(Ep3), 角闪石(Amp2)发生绿泥石化(Chl3)。

图6 石榴角闪岩显微岩相特征(a)样品19QL04石榴子石中角闪石包裹体(M1), 以及变质高峰期(M2)矿物组合石榴子石变斑晶+普通角闪石+石英+斜长石+绿帘石及副矿物; (b)样品19QL13石榴子石中角闪石包裹体(M1), 以及变质高峰期(M2)矿物组合石榴子石变斑晶+普通角闪石+石英及副矿物Fig.6 Photomicrographs of the garnet amphibolite(a) amphibole inclusion (M1) in garnet, and metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+amphibole+quartz+plagioclase+epidote as well as accessary minerals in Sample 19QL04; (b) amphibole inclusion (M1) in garnet, and metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+amphibole+quartz as well as accessory minerals in Sample 19QL13

样品19QL13出露于西峡县双龙镇南(33°22′55.26″N、111°35′18.84″E), 可识别出两个阶段的变质矿物组合(图6b)。进变质阶段矿物组合(M1)为包裹于石榴子石变斑晶中的普通角闪石(Amp1)和石英(Qtz1)。变质高峰期矿物组合(M2)为石榴子石(Grt2)变斑晶及石英(Qtz2)、角闪石(Amp2)及副矿物锆石(Zrn2)。岩石中未见斜长石。

3 测试方法

锆石与独居石单矿物分选在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术有限公司完成, 阴极发光(CL)图像与背散射(BSE)图像在中国科学院地质与地球物理研究所拍摄。在获取图像的基础上, 检查单矿物颗粒是否发育环带结构、有无裂缝、有无核边结构等, 再选择合适的颗粒样品进行U-Pb年龄测定。

锆石与独居石LA-ICP-MS定年测试在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。采用的激光剥蚀系统为GeoLasPro, 质谱仪为Agilent7700。独居石采用直径为16μm激光束斑、锆石采用直径为24μm激光束斑, 分别进行剥蚀。每个分析点背景采集时间为20～25s, 样品数据采集时间为50s。锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标进行校正。GJ-1作为未知标样以校正仪器稳定性, 每隔5～6个测点样品测定加测标样一次。锆石样品测点前后各测两次NIST SRM610, 采用29Si为内标, 测定锆石U、Th、Pb含量。独居石选用44069和NIST610作为内、外标分别进行U-Pb年龄数据校正。

图7 独居石电子背散射图像圆形及旁边顺序数字代表LA-ICP-MS测试点位置及其代号, 带有“±”符号的数字代表对应的206Pb/238U年龄Fig.7 BSE images of monazite grains separated from the representative metamorphic rocksThe circles and adjacent numbers stand for the LA-ICP-MS analytical spots and their sequential numbers. Numbers with “±” symbols represent the corresponding 206Pb/238U ages

图8 独居石U-Pb年龄谐和图Fig.8 Concordia diagrams of the metamorphic monazite grains

样品灵敏度漂移、同位素比值校正、年龄数据测算，采用软件ICP MS DataCal进行处理(Liuetal., 2010)。谐和图绘制及加权平均年龄计算采用Isoplot(Ver.4.15)软件进行处理。采用年龄为206Pb/238U年龄, 单个数据点误差为1σ, 加权平均年龄为95%及以上置信度。样品测试结果见电子版附表1、附表2。

电子探针(EPMA)矿物化学成分测试在合肥工业大学资源与环境工程学院JOEL JXA 8230型电子探针仪上完成。工作条件为：加速电压15kV, 电流20nA, 电子束斑直径为3～5μm, 数据检测时间10～20s。使用天然矿物作标样, 使用程序ZAF对实验本底进行校正。每个阶段变质矿物组合中，每种矿物至少测试3个颗粒, 以检查矿物化学成分的均匀性。代表性矿物电子探针分析结果见电子版附表3。

4 LA-ICP-MS U-Pb定年结果

4.1 独居石U-Pb定年结果

石榴黑云斜长片麻岩 样品19QL09中的独居石为浅黄色, 颗粒大小不一, 其长轴约50～120μm, 个别颗粒可达150μm以上, 形态多为椭圆状晶体形态, 部分为柱状晶形。背散射图像可见绝大部分独居石环带微弱(图7a)。本样品共30个测点,206Pb/238U加权平均年龄为413.7±1.6Ma (MSWD=2.1)(图8a)，代表变质时代。

石榴黑云二长片麻岩 样品19QL25中独居石颜色为浅黄色和灰色, 颗粒普遍偏小, 大多不含包裹体, 长轴多为50～70μm(图7b)。本样品测点共30个, 年龄集中度高,206Pb/238U加权平均年龄为409.6±1.9Ma (MSWD=1.8)(图8b)，代表变质时代。

石榴黑云石英片岩 样品19QL03中独居石呈浅黄色, 颗粒粒径较大, 长轴约为110～150μm (图7c)。样品共30个测点, 年龄集中,206Pb/238U加权平均年龄为411.4±1.6Ma (MSWD=1.5)(图8c)，代表变质时代。样品19QL12中的独居石为浅黄色, 颗粒粒度差异较大, 从30～120μm不等, 形态多为等轴柱状和短柱状。背散射图像显示仅少部分颗粒具成分环带, 大多数颗粒为灰色(图7d)。样品测点共30个, 其中一个测试点谐和度较低(附表1), 其余29个测试点给出206Pb/238U加权平均年龄为409.0±1.9Ma (MSWD=3)(图8d)，代表变质时代。

4.2 锆石U-Pb定年结果

用于LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测试的副变质岩样品共4件, 测试点共计100点; 变质基性岩样品3件, 共65个测试点。测试中避开包裹体, 选择变质边较宽、无裂隙的变质锆石进行剥蚀。

石榴黑云斜长片麻岩 样品19QL09中的锆石为无色透明, 较为自形, 以短柱-长柱状为主, 颗粒粒度介于70～150μm之间, 多数为100μm左右。CL图像下锆石发光性较弱, 多具核-边结构, 由碎屑锆石核和周围浅色变质边组成, 发光性均较弱, 变质增生边较窄。部分锆石具面状分带或弱分带, 为典型的变质锆石内部结构特征(吴元保和郑永飞, 2004)(图9a)。本样品共25个测试点, 其中1个测试点Th/U比值为0.68, 综合CL图像特征判断其核部为继承性碎屑锆石核。另3个测试点谐和度较低, 未参与加权平均年龄计算。21个位于谐和线上的有效测试点Th、U含量变化值分别为10×10-6～75×10-6、1131×10-6～3323×10-6, Th/U比值为0.01～0.04, 给出的206Pb/238U加权平均年龄为408.8±3.3Ma (MSWD=2.3)(图10a)，代表变质时代。

图9 锆石阴极发光图像及其U-Pb年龄圆圈及旁边顺序数字代表LA-ICP-MS测试点位置及其代号, 带有“±”符号的数字代表对应的U-Pb年龄Fig.9 CL images of zircon grains separated from the representative metamorphic rocksThe circles and adjacent numbers stand for the LA-ICP-MS analytical spots and their sequential numbers. Numbers with “±” symbols represent the corresponding U-Pb ages

图10 锆石U-Pb年龄谐和图Fig.10 Concordia diagrams of the metamorphic zircon grains

石榴黑云二长片麻岩 样品19QL25中的锆石多为半自形, 短柱状, 边部圆滑无色透明, 粒度80～120μm不等。锆石蜕晶化严重, 无分带。多数锆石具有清晰的核边结构。经变质作用改造的碎屑锆石核在CL图像下呈深灰-黑色。变质过程中生长的边部发光性较强。还有部分锆石呈状环带, 为变质成因(吴元保和郑永飞, 2004)(图9b)。本样品共25个测点, 其中9个点谐和度低, 年龄误差大。其余16个位于谐和线上有效测试点的Th、U含量分别在3×10-6～19×10-6、192×10-6～347×10-6之间, Th/U比值为0.01～0.03, 其206Pb/238U加权平均年龄为405.8±3.6Ma (MSWD=1.18)(图10b)，代表变质时代。

石榴黑云石英片岩 样品19QL03中的锆石粒径差异悬殊, 粒度50～150μm不等, 多呈半自形-他形结构, 颗粒边缘较为圆滑, 颜色浅黄透明。CL图像下锆石核部多保留宽缓的岩浆振荡环带, 变质增生边普遍较窄, 这些锆石为原有锆石经变质作用改造形成。部分锆石无核边结构, 具有扇形分带, CL发光较弱, 具有变质新生锆石的内部结构特征(吴元保和郑永飞, 2004)(图9c)。样品共25个测试点, 其中1号点、9号点年龄较老(735±9Ma、716±6Ma), 位于锆石核部，为继承年龄。另有14个测试点的Th、U值变化分别为33×10-6～123×10-6、2813×10-6～4821×10-6, Th/U为0.01～0.03,206Pb/238U加权平均年龄为407.6±3.8Ma (MSWD=2.3)(图10c)，代表变质时代。

样品19QL12中的锆石为无色透明, 颗粒小, 长轴50μm左右。锆石颗粒多为他形结构, 颗粒边缘磨圆明显。CL图像显示绝大部分锆石发光性弱, 核部有残留的宽缓岩浆环带, 为残留的碎屑锆石核。变质增生边一般较窄，呈弱分带, 符合变质锆石的特征(吴元保和郑永飞, 2004) (图9d)。共测试25个测点, 除第1、8、16、23号这4个测试点剥蚀到碎屑锆石核为混合年龄及10个谐和度年龄偏低的测试点外(附表2), 共11个有效测试点。其Th含量变化在8×10-6～11×10-6, U含量变化在434×10-6～553×10-6, Th/U比值为0.01～0.02,206Pb/238U加权平均年龄为408.1±2.9Ma (MSWD=0.86)(图10d)，代表变质时代。

石榴角闪岩 样品19QL04中的锆石无色透明, 颗粒较小(30～70μm), 个别锆石长轴达100 μm以上。CL图像可见锆石大多显示扇形分带或弱分带或无分带特征, 小部分锆石具溶蚀结构, 均为变质锆石典型的内部结构特征(吴元保和郑永飞, 2004), 这些锆石CL图像发光性较强(图9e)。本样品20个测试点, 除去谐和度偏低的6个测试点(附表2)外，其余14个有效测试点Th和U含量变化范围分别为17×10-6～48×10-6、104×10-6～298×10-6, Th/U比值为0.11～0.27,206Pb/238U加权平均年龄为383.9±3.5Ma (MSWD=0.95)(图10e)，代表变质时代。

样品19QL05中的锆石形态均为半自形或它形, 呈短轴-等轴状, 粒径差异较大, 多数为30～70μm, 部分超过100μm。样品中锆石CL图像包括无分带、弱分带或扇形分带, 具有变质锆石的典型结构(吴元保和郑永飞, 2004)(图9f)。共测试20个点, 其中7个点误差较大或谐和度偏低, 第6号测试点为混合年龄(508±9Ma)。第13、14号点年龄较分散(413±6Ma, 412±7Ma), 未参与加权平均年龄计算, 但仍考虑为同一期变质事件年龄。10个有效测试点年龄集中, Th、U含量分别介于27×10-6～109×10-6、63×10-6～393×10-6, 其Th/U比值为0.15～0.37, 其206Pb/238U加权平均年龄为379.3±3.7Ma (MSWD=0.36)(图10f)，代表变质时代。

样品19QL13中的锆石呈长柱状-粒状, 形态为半自形-他形, 粒径30～70μm。由CL图像可见锆石发光性较弱, 颜色为灰黑色, 呈片状分带, 部分为弱分带, 具有变质增生锆石的特征(吴元保和郑永飞, 2004)。本样品共测试25个点(图9g), 其中4个点谐和度偏低(附表2), 其余21个有效测试点Th、U含量变化范围分别为60×10-6～216×10-6、535×10-6～942×10-6, Th/U比值为0.09～0.28,206Pb/238U加权平均年龄为401.4±4.1Ma (MSWD=3.6)(图10g)，代表变质时代。

图11 石榴黑云斜长片麻岩(a-c)和石榴黑云二长片麻岩(d)中石榴子石的化学成分剖面Fig.11 Chemical profiles of garnet in the garnet-biotite-plagioclase gneisses (a-c) and garnet-biotite monzogneiss (d)

5 变质矿物的化学成分

变质泥质岩中, 石榴子石是最重要的变质矿物。采用泥质岩典型的NCMnKFMASH化学系统, 对绿片岩相-高角闪岩相泥质变质岩中最常见矿物组合进行的热力学模拟计算(Spearetal., 1990)表明, 进变质阶段生长的石榴子石, 从核心到边部, 其XMn、Fe/(Fe+Mg)的值逐渐降低, 呈现“挂钟状”生长剖面。此外, 对大量变质泥质岩中石榴子石的化学成分统计发现, 其Ca/Fe离子比值与温度和压力均呈非线性正相关关系(Wu, 2019)。在退变质期间, 石榴子石可能与其他铁镁质矿物(通常是黑云母)发生Fe-Mg离子再交换(反向扩散), 石榴子石化学成分剖面被不同程度改造。剖面改造不彻底时, 石榴子石边部XMn基本不变, Fe/(Fe+Mg)升高而呈现“钩状”上翘特征(Kohn and Spear, 2000)。这些特征成为判别石榴子石化学成分环带性质的重要指标。

5.1 石榴黑云斜长片麻岩

石榴子石 样品NY01、19QL07、19QL09电子探针化学成分测试剖面位置如图4, 测试方向以带箭头的虚线所示。石榴子石总体以铁铝榴石为主, 富钙铝榴石, 另有少量锰铝榴石、镁铝榴石组分。

样品NY01中石榴子石主要由铁铝榴石(52%～59%)组成, 富含钙铝榴石(21%～34%), 含少量镁铝榴石(6%～10%)与锰铝榴石(6%～12%)。从核心到边部,XMn与Fe/(Fe+Mg)逐渐下降, 最边部XMn与Fe#[=Fe/(Fe+Mg)]有轻微上升(图11a), 表明在变质作用后期石榴子石边部曾发生轻微分解, 与黑云母间曾发生Fe-Mg扩散(Spear and Florence, 1992; Kohn and Spear, 2000)。幔部到边部Ca/Fe比值明显升高(图11a), 暗示石榴子石生长后期阶段可能有压力升高过程(Wu, 2019)。

样品19QL07中石榴子石组分主要为铁铝榴石(53%～62%), 其次为钙铝榴石(20%～34%)与镁铝榴石(9%～13%), 含少量锰铝榴石(3%～6%)(图11b)。该剖面含有较多包裹体, 个别包裹体颗粒对其周围测点有一定影响, 导致出现XCa、Ca/Fe的波动。从核部到边部, 锰铝榴石与镁铝榴石含量无明显变化, 最边部XMn、Fe#轻微升高，很可能系Fe-Mg离子扩散所致。幔部到边部Ca/Fe比值有明显升高(图11b), 表明石榴子石生长后期可能有压力上升过程(Wu, 2019)。核部可能受到包裹体的影响，化学成分显示异常(图11b)。

图12 石榴黑云石英片岩中的石榴子石化学成分剖面Fig.12 Chemical profiles of garnet of the garnet-biotite-quartz schist

样品19QL09中石榴子石成分剖面测试表明, 石榴子石主要为铁铝榴石(69%～73%), 富含镁铝榴石(17%～22%), 含少量锰铝榴石(5%～8%)与钙铝榴石(2%～3%)(图11c)。从石榴子石核部到边部成分均匀。最边部Fe#轻微升高(图11c), 表明在变质作用后期石榴子石与黑云母发生过轻微的Fe-Mg扩散(Kohn and Spear, 2000)。

单斜辉石 样品19QL07中单斜辉石不同颗粒之间成分较均一, 无化学成分环带。根据Morimoto (1988)的分类方法, 这些单斜辉石均为透辉石。

斜长石 样品NY01、19QL07与19QL09中，斜长石均存在于基质(Pl2)中, 未发现明显化学成分环带，成分基本均匀。NY01中Pl2的XAn值介于0.42～0.48之间，样品19QL07中Pl2的XAn值介于0.42～0.51之间，样品19QL09中的XAn值介于0.26～0.29之间。

黑云母 样品NY01、19QL07中黑云母仅以基质矿物(Bt2)形式存在。19QL09中黑云母以包裹体(Bt1)和基质矿物(Bt2)形式存在。石榴子石变斑晶中黑云母包裹体FeO与TiO2含量分别介于12.80%～13.49%之间与4.35%～5.05%之间, 基质中黑云母FeO 与TiO2含量分别为16.42%～19.34%与2.41%～4.21%。基质黑云母更加富铁贫钛。

角闪石 样品19QL07与NY01中角闪石存在于基质中。依据Leakeetal. (1997)的分类方法, 两个样品中的角闪石成分均投在钙铁镁闪石区域, 属钙质角闪石亚族。样品19QL09中不含角闪石。

钾长石 样品19QL09d的基质中含有少量钾长石, 粒度小, 成分基本均一,XOr值介于0.89～0.93之间,XAb值介于0.08～0.11之间。

5.2 石榴黑云二长片麻岩

石榴子石 样品19QL25中石榴子石无化学成分环带(图11d)。石榴子石主要组分为铁铝榴石(78%～83%), 富含镁铝榴石(12%～15%), 含少量钙铝榴石(3%～6%)和锰铝榴石(1%～2%)(图11d)。

斜长石 样品19QL25中斜长石仅存于基质中,XAn值介于0.25～0.48, 为中-更长石。

钾长石 该样品中钾长石含量较高, 矿物含量约占55%～60%。钾长石以包裹体(Kfs1)和基质(Kfs2)的形式存在, 二者化学成分略有差异。Kfs2的XOr值介于0.82～0.91之间,XAb值介于0.09～0.18之间; Kfs1的XOr值为0.86,XAb值介于0.13～0.14之间。

黑云母 样品19QL25中黑云母以包裹体(Bt1)和基质(Bt2)形式存在。石榴子石变斑晶中黑云母包裹体FeO与TiO2含量分别介于18.85%～21.54%之间与3.23%～5.39%之间, 基质中黑云母FeO 与TiO2含量分别介于21.69%～23.29%之间与3.39%～4.77%之间。基质中黑云母相对于包裹体黑云母更加富铁贫钛。

5.3 石榴黑云石英片岩

石榴子石 样品19QL03中石榴子石主要组分为铁铝榴石(71%～77%), 富含镁铝榴石(12%～21%), 含少量锰铝榴石(4%～6%)与钙铝榴石(4%～6%)。近包裹体周围XMg、Fe#值有波动,XMn、XCa、Ca/Fe的值基本均匀(图12a)，这可能是由于包裹体对其化学成分有所改造。从石榴子石核部到边部, Fe#有明显升高, 表明在变质作用后期石榴子石边部存在一定的Fe-Mg离子再交换(Kohn and Spear, 2000)。

样品19QL12中石榴子石主要为铁铝榴石(63%～65%), 富含镁铝榴石(29%～31%), 含少量锰铝榴石(3%～4%)与钙铝榴石(约3%)。从核部到边部, 石榴子石各组分较为均一, 无明显成分环带(图12b)。

斜长石 样品19QL03和19QL12均含斜长石。样品19QL03中斜长石只存在于基质中, 成分较均一,XAn介于0.30～0.48之间, 均属于中长石。样品19QL12基质中不同颗粒斜长石之间成分差异较小,XAn介于0.24～0.48之间, 属更长石-中长石。

图13 西峡-内乡地区变质作用P-T轨迹Fig.13 Metamorphic P-T paths of metamorphic rocks of the Xixia and Neixiang areas

黑云母 样品19QL03中黑云母仅存在于基质中, 化学成分均一。样品中19QL12中黑云母见于石榴子石中包裹体和基质中。石榴子石变斑晶中黑云母包裹体(Bt1)的FeO与

表1 西峡-内乡地区变质岩不同变质阶段的P-T条件

TiO2含量分别为10.14%～12.52%和4.44%～5.67%。基质中黑云母(Bt2)的FeO 与TiO2含量分别为13.89%～15.47%和4.17%～5.42%。基质中黑云母(Bt2)比包裹体中黑云母(Bt1)更加富铁贫钛。

6 变质作用温度与压力条件

根据副变质岩中的具体矿物组合, 采用石榴子石-黑云母(GB)温度计(Holdaway, 2000)和石榴子石压力计(Wu, 2019)计算进变质阶段(M1)P-T条件。变质高峰期P-T条件的计算, 采用石榴子石-黑云母(GB)温度计(Holdaway, 2000)和石榴子石-黑云母-斜长石-石英(GBPQ)压力计(Wuetal., 2004)。其中, 样品19QL07中含有角闪石, 也采用石榴子石-角闪石温度计(Ravna, 2000)和石榴子石-角闪石-斜长石-石英(GHPQ)压力计(Holland and Blundy, 1994)计算。P-T条件计算结果参见表1。

石榴黑云斜长片麻岩 样品NY01、19QL07变质高峰期(M2)的P-T条件分别为0.92GPa/655℃ (GBPQ)、1.02GPa/683℃ (GBPQ)。样品19QL09进变质阶段(M1)、变质高峰期(M2)的P-T条件分别为0.21GPa/553℃ (GB)、0.52GPa/676℃ (GBPQ)。由于样品19QL09在变质阶段后期石榴石边部曾发生分解, Fe-Mg离子发生再交换, 因此计算出的峰期变质温度低于真实的峰期温度(图13a)。

石榴黑云二长片麻岩 样品19QL25进变质阶段(M1)、变质高峰期(M2)的P-T条件分别为0.30 GPa/617℃ (GB)、0.60 GPa/705℃ (GBPQ) (图13b)。

石榴黑云石英片岩 样品19QL03变质高峰期(M2)的P-T条件为0.70GPa/710℃ (GBPQ)。样品19QL12进变质(M1)、变质高峰期阶段(M2)的P-T条件分别为0.29GPa/570℃ (GB)、0.53GPa/692℃ (GBPQ) (图13c)。

7 锆石、独居石中包裹体的物相鉴定

东秦岭地区已确定的高压-超高压变质岩石, 出露于秦岭岩群北侧的官坡、双槐树一带, 以及南侧的清油河、松树沟、丹凤大寺沟等地, 分布范围可能延伸至河南西峡寨根以北(刘良等, 2009)。刘良等(2013)对西峡北部榴闪岩的研究表明, 岩石遭受强烈退变质作用改造, 早期矿物组合难以恢复, 样品中未见高压变质特征矿物。

秦岭岩群东部是否有高压-超高压变质的信息, 还不得而知。前人研究表明, 锆石及独居石能够在较大温度区间内稳定, 其中的包裹体矿物可以记录重要的变质作用信息。为此, 我们对分离自石榴黑云斜长片麻岩、石榴黑云二长片麻岩、石榴黑云石英片岩中的锆石和独居石, 进行了激光拉曼光谱鉴定分析。锆石中的包裹体矿物有斜长石(Pl)、磷灰石(Ap)、黑云母(Bt)、方解石(Cal)。独居石中包裹体有锆石(Zrn)、石英(Qtz)、斜长石(Pl)。石榴角闪岩锆石包裹体中发现有普通角闪石(Amp)、磷灰石(Ap)、石榴子石(Grt)、赤铁矿(Hem)。目前研究表明，秦岭岩群东部这些代表性变质岩的锆石和独居石中, 均未发现高压、超高压变质矿物包裹体。

8 讨论

8.1 秦岭岩群东部变质作用高峰期的地质时代

独居石封闭温度略低于锆石, 普通铅含量极低(Corfu, 1988), 在变质和流体作用过程中, 不易受后期热事件的干扰(Suzuki and Adachi, 1991)。被屏蔽在石榴子石中的独居石通常能够有效阻止流体作用所导致的铅丢失及同位素重设, 能更好地保留地质年代信息(Zhu and O’Nions, 1999)。结合变质岩中独居石形态、BSE图像特征等能够判断独居石成因类型及形成阶段, 从而限定变质事件的地质时代(周桂生等, 2017; Chenetal., 2020)。

本文用于定年的变质沉积岩中独居石和锆石, 具有以下特征：(1)它们有的以石榴子石中包裹体矿物的形式出现, 有的形成于变质高峰期, 出现于基质矿物组合中(图4、图5)。由于单颗粒独居石和锆石, 都是自变质沉积岩分离的, 因此这些用来定年的独居石和锆石, 应该是选自基质矿物组合中即形成于变质高峰期; (2)原岩均为泥质岩或泥砂质岩, 独居石均为变质成因。独居石大多发育深浅不一的扇形成分环带。通过测试独居石环带发现, 单个样品中所有独居石测点年龄均高度集中, 其年龄并无明显差异。不同样品中的独居石U-Pb年龄介于414～409Ma; (3)变质沉积岩中锆石的Th/U比值为0.01～0.04, 不同样品中的锆石U-Pb年龄介于409～406Ma; (4)同一样品中, 独居石U-Pb年龄、锆石U-Pb年龄在误差范围内没有差别, 独居石加权平均年龄要比锆石大1～4Myr。这不仅验证了独居石U-Pb系统和锆石U-Pb系统封闭温度同样较高, 也说明本文定年结果是可靠的。变质沉积岩中独居石和锆石的定年结果为414～409Ma。

本文定年的石榴角闪岩中的锆石Th/U比值为0.09～0.37, 其U-Pb年龄为401～379Ma。

变质基性岩样品19QL04与19QL05距离不足1km (图2), 其锆石U-Pb年龄基本一致(384～379Ma)。同样位于该点的黑云石英片岩(样品19QL03), 锆石与独居石U-Pb年龄为411～408Ma。这可能表明西峡-内乡地区的变质基性岩、变质沉积岩达到各自最大俯冲深度的时间很可能存在差异, 它们是在后期的构造抬升阶段才就位于相邻区域的。

早古生代期间, 北秦岭造山带存在的三期(～500Ma、～450Ma、～420Ma)花岗质岩浆事件(张成立等, 2013), 可能分别对应于北秦岭造山带高压-超高压变质事件的高峰期(～500Ma)，以及～450Ma和～420Ma两期连续退变质事件(刘良等, 2013)。前人研究发现, 西峡地区秦岭岩群锆石U-Pb年龄普遍被限定在450～400Ma之间。例如, 黑云斜长片麻岩中变质锆石的SHRIMP U-Pb年龄为～400Ma (万渝生等, 2011), LA-ICP-MS U-Pb定年表明锆石变质增生边年龄为424±9.1Ma (向华等, 2014)。角闪二辉麻粒岩中锆石U-Pb定年结果为440±2Ma和426±1Ma, 可能分别代表中压麻粒岩与区域角闪岩相变质时代(张建新等, 2011)。值得注意的是, 本文测定的西峡-内乡地区变质作用高峰时代(414～379Ma), 均略晚于前人确定的变质高峰期和退变质时代，原因待查。

8.2 北秦岭造山带东部秦岭岩群折返速率

西峡-内乡地区秦岭岩群的岩石类型多种多样, 其中变质基性岩多呈透镜体形式被夹持于片麻岩与片岩之中, 类似构造混杂带“基质夹岩块”的特征，可能是规模不等的不同构造岩片叠置所致。从岩相学角度看, 西峡-内乡地区的变质岩石并未显示多期变质作用的迹象。这些岩石普遍经历了角闪岩相区域变质作用, 变质高峰达到中压相系。不过, 不同样品的变质高峰期温度条件相似, 但压力条件差异较大, 可能原因是不同岩石俯冲的深度不一致。此外, 各种变质岩石中退变质矿物组合并不常见, 推测折返阶段岩石抬升速度过快, 岩石大多未来得及发生退变质反应。

9 结论

(1)北秦岭造山带东部的西峡-内乡地区, 各种变质岩的锆石、独居石中, 均未发现高压、超高压变质矿物包裹体;

(2)副变质岩中锆石、独居石记录的变质时代为414～405Ma, 变质基性岩中锆石记录的变质时代为401～379Ma, 属同一期变质事件的记录。这一变质事件的高峰期发生于晚志留世-中泥盆世;

(3)西峡-内乡地区的变质岩石中, 未见到多期变质作用的岩相学证据。岩石普遍经历了角闪岩相变质作用, 变质高峰期P-T条件为660～710℃/0.5～1.0GPa, 属于中压变质相系。不同变质岩的变质高峰期压力条件差异明显, 说明这些变质岩俯冲深度不同, 在构造折返阶段才构造混杂在一起。退变质矿物组合不发育, 暗示折返抬升速率较快。

致谢张建新研究员、陈丹玲教授、朱赖民教授提出了宝贵的修改建议, 俞良军副编审订正了文中的多处错误，提高了本文的学术水平，作者谨向他们致以真挚的感谢。