内蒙古中西部宝音图群石榴角闪岩的地球化学、变质作用及年代学特征*

2021-12-29姜灵张晋瑞唐爽魏春景初航

岩石学报 2021年12期

姜灵张晋瑞** 唐爽魏春景初航

1. 吉林大学地球科学学院，长春 1300612. 北京大学地球与空间科学学院，北京 1008713. 天津地质矿产研究所，天津 300170

石榴角闪岩因其通常保留特征性的斑状变晶结构或斜长石冠状边(“白眼圈”)结构，可为研究地质过程提供非常有价值的信息(Barker, 1990; Stowell and Stein, 2005)。这类岩石能稳定在一个较宽泛的、跨越岩石饱和水固相线的P-T范围(7～15kbar/500～950℃, Kohn and Spear, 1990; Surour, 1995; Liuetal., 1996; Daleetal., 2000; Sánchez-Vizcaínoetal., 2003; Qian and Wei, 2016)。作为造山带中重要的变质基性岩类型，石榴角闪岩可具有以下几种成因类型：(1)构成巴罗型变质带的一部分，代表中压相系进变质产物(Miyashiro, 1994)，具有顺时针型的P-T轨迹，反映碰撞加厚环境，如五台-恒山地区的石榴角闪岩(Qian and Wei, 2016)；(2)高压/超高压榴辉岩退变质的产物，P-T轨迹以减压为主，如大别山西部石榴角闪岩(Louetal., 2013)；(3)与地幔来源的岩浆底侵有关，发育在大陆裂谷、地幔柱或者大陆岛弧环境，具有特殊的逆时针型P-T轨迹，如辽北杂岩石榴角闪岩(Wuetal., 2013)；(4)作为太古宙克拉通角闪岩相表壳岩，呈皮筏状分布于TTG片麻岩内部，发育逆时针型P-T轨迹，受太古宙特殊的垂直构造体制控制(Wu and Wei, 2021)。通过热力学模拟剖面图的方法对石榴斜长角闪岩矿物组合开展相平衡研究，限定某一矿物组合的形成条件和流体行为，通过岩石结构的演变、矿物含量和矿物成分的变化建立岩石合理的P-T轨迹，已经成为探讨区域构造演化的有效途径(Janáketal., 1996)。

内蒙古中部地区记录了中亚造山带东段即兴蒙造山带的复合造山演化过程。对该地区古生代的构造演化涉及古亚洲洋闭合时间和位置存在两种不同的观点：第一种观点认为碰撞闭合发生在晚二叠到早三叠世，造山带的演化类似于环太平洋加积型造山带(Chenetal., 2000; Miaoetal., 2008)，或发育弧后盆地(Songetal., 2015)，形成早古生代到中生代两套向北(贺根山、宝力道)、一套向南(温都尔庙)的俯冲-加积体系，并最终于晚二叠-早三叠世通过索伦缝合带闭合(Xiaoetal., 2003)。第二种观点认为碰撞闭合发生在晚志留世或早-中泥盆世(Tang, 1990; 邵济安, 1991; Xuetal., 2013)，并在内蒙中部形成了早古生代南、北双冲造山带；从石炭-二叠纪开始，内蒙古中部地区在伸展构造背景下进入了新的地壳演化阶段(邵济安等, 2014; Tongetal., 2015)。近期，Zhangetal. (2018b)在内蒙古中部划分出多期变质作用：早古生代低温高压型变质作用，以温都尔庙群中发育蓝片岩(Tang, 1990; Tang and Yan, 1993; De Jongetal., 2006)和石榴多硅云母片岩为特征，时代为426～450Ma(Li, 2006; De Jongetal., 2006)，指示古亚洲洋的俯冲-增生过程；泥盆纪中压型变质作用，以宝音图群发育巴罗型递增变质带为特征，时代为380～400Ma，代表与古亚洲洋闭合有关的碰撞造山事件(陈亚平等, 2015)；石炭纪高温低压型变质作用，以锡林郭勒杂岩中发育混合岩化黑云斜长片麻岩和斜长角闪岩为特征，时代为345～309Ma，代表了造山带碰撞后构造伸展体制下的升温减压过程(Zhangetal., 2018a)。此外，区内还存在广泛的早中生代低温中-低压型变质作用，以晚古生代地层发育广泛的绿片岩相组合为特征，时代为250～230Ma，与区内持续伸展形成的有限洋盆被动闭合产生构造加厚有关(Zhangetal., 2015, 2016)，区内所谓的“索伦缝合带”系为该有限洋盆闭合形成的，并非古亚洲洋闭合的产物(Chuetal., 2013)。上述变质作用指示该区可能经历了大洋俯冲-碰撞造山-伸展裂解-小洋盆闭合加厚等复合造山演化过程(Zhangetal., 2018b)。

图1 内蒙古中部地区区域地质简图与地质构造划分(据Xu et al., 2013)Fig.1 Geological sketch map and tectonic division of Central Inner Mongolia (after Xu et al., 2013)

宝音图群分布于狼山、图古日格和达茂旗一带，主要由云母片岩、石英片岩、石英岩、大理岩和变基性岩组成，其中云母片岩中出现石榴石、红柱石、十字石、蓝晶石等特征变质矿物，具有典型的巴罗型变质带特征。变基性岩以夹层或透镜体产出，在狼山和图古日格地区已报道发育石榴角闪岩(赵桂萍, 2000; 陈亚平等, 2015)。对石榴角闪岩的研究工作尚处于初级阶段，这方面的资料十分欠缺。最近，陈亚平等(2015)对狼山地区格尔敖包沟一个含有斜长石冠状边结构的石榴角闪岩样品进行了相平衡模拟，确定其峰期温压为13kbar/725℃，峰期之后发生近等温降压过程，峰期的变质条件反映的地温梯度为18～21℃/km，属于典型中压变质相系，变质年龄为399±6Ma，初步确定该变质作用与古亚洲洋闭合-碰撞造山有关。需要指出的是，宝音图群的石榴角闪岩存在多种类型，其岩石矿物组合，矿物成分结构以及记录的温度压力条件各不相同，这些不同类型的石榴角闪岩究竟是反映了不同的温度压力条件？还是由于全岩成分的不同而致？尚需进一步研究明确。本文以宝音图岩群的石榴角闪岩为研究对象，通过详细的野外调查、全岩主、微元素分析原岩形成过程和产出的构造环境，并着重其变质作用研究，探讨石榴角闪岩的变质作用演化过程。

1 区域地质概况

内蒙古中部地区位于兴蒙造山带的西段，前人对该区域构造划分存在不同的认识，根据Xiaoetal. (2003)和Xuetal. (2013)的研究结果，以北部二连浩特断裂和南部赤峰-巴彦敖包断裂为界的内蒙古中部地区主要存在三个构造单元：即南、北造山带和两者之间的索伦缝合带 (图1)。

南造山带以赤峰-巴彦敖包断裂和华北克拉通相隔，从北到南依次分布蛇绿混杂岩、岛弧岩浆岩、弧前和前陆盆地沉积以及变质岩系。蛇绿混杂岩被称为温都尔庙群，为一套早古生代的海底火山沉积岩，发育与俯冲相关的蓝片岩相变质作用，变质时代约为454～426Ma(Tang and Yan, 1993; De Jongetal., 2006)。岛弧岩浆岩包括一套早古生代基性到酸性成分的白乃庙群火山岩系(499～440Ma)，以及少量早古生代侵入体包括闪长岩、英安岩、辉长岩和花岗岩，时代为490～425Ma(Jianetal., 2008; Xuetal., 2013；刘敦一等，2003)，Xiaoetal. (2003)称之为白乃庙岛弧带。沉积岩系主要包括志留纪徐尼乌苏组复理石建造和早泥盆世西别河组磨拉石建造，这些沉积岩系被认为分别代表弧前和前陆盆地沉积。变质岩系为宝音图群，发育中压型变质作用，变质时代为～400Ma(陈亚平等, 2015)。以上岩石单元被认为记录了古亚洲洋向华北克拉通的俯冲和最终闭合造山的过程，时间约为499～400Ma(Jianetal., 2008; Xuetal., 2013; 陈亚平等, 2015)。

北造山带从南到北依次分布蛇绿混杂岩、岛弧岩浆岩、前陆盆地沉积以及变质岩系，与南造山带基本一致。蛇绿混杂岩同样被称为温都尔庙群，发育与俯冲相关的蓝片岩相变质作用(Tang and Yan, 1993; 徐备等, 2001; 李瑞彪等, 2014)。岛弧岩浆岩为一套早古生代基性到酸性成分的侵入岩，称为宝力道岛弧带，其时代为482～439Ma(Chenetal., 2000; Jianetal., 2008; Xiaoetal., 2003；石玉若等，2004，2005)。前陆盆地沉积为泥盆纪色日巴彦敖包组磨拉石组合，不整合覆盖在蛇绿混杂带之上。变质岩系主要为锡林郭勒杂岩，其主体为一套早古生代的弧前盆地沉积(薛怀民等, 2009)，最新的研究表明，该变质岩系早期发育中压型变质作用，晚期被石炭纪(345～309Ma)的低压高角闪岩相变质叠加(Zhangetal., 2018a)。区域内分布少量423～418Ma的黑云母二长花岗岩，被认为是碰撞型花岗岩(石玉若等，2004)。少量的前寒武地体包括艾力格庙群低级变质岩系(1180～952Ma, 徐备等, 2014)和苏左旗地区的中元古代片麻质花岗岩(1516～1390Ma, 孙立新等, 2013)。这些前寒武纪地体被认为是南蒙陆块的一部分(Badarchetal., 2002; Yarmolyuketal., 2005, 2008)。以上岩石单元构成了古亚洲洋向南蒙微陆块的北向俯冲-碰撞体系。

索伦缝合带位于南、北造山带之间，以基性-超基性岩分布为主要特征。这些基性-超基性岩多为蛇绿岩残片，主要包括枕状玄武岩和蛇纹石化的方辉橄榄岩、纯橄岩和辉长岩堆晶体(Xiaoetal., 2003; Miaoetal., 2008; Jianetal., 2010, 2012)，年龄主要介于297～250Ma之间(Miaoetal., 2008; Jianetal., 2010; Chenetal., 2012; Chuetal., 2013; Zhangetal., 2015; 王炎阳等，2014)。Xiaoetal. (2003)认为这些基性-超基性岩代表了古亚洲洋残余的洋壳，古亚洲洋的俯冲一直持续到了晚古生代，并最终沿该缝合带闭合。但部分学者认为这些基性岩石多显示介于N-MORB和E-MORB之间的特征，更可能形成于弧后盆地或者陆间有限洋盆(Chuetal., 2013; Songetal., 2015；张晋瑞等，2014)。这些基性-超基性岩在空间上多数被同时期(石炭-二叠纪)的火山沉积序列所包围，部分火山序列具有双峰式火山岩的特征(本巴图组和大石寨组，Zhangetal., 2008; Zengetal., 2011; Chenetal., 2012；曾维顺等，2011; 邵济安等, 2014)。这些石炭到二叠纪的火山沉积岩多数均发生了广泛的低温中-低压型变质，局部达到角闪岩相，其变质作用的时间为早三叠世，Zhangetal. (2016)认为该变质作用可能与有限洋盆的闭合有关。

宝音图群的分布区在构造位置上处于南造山带(图2)。前人对宝音图群做过一系列年代学研究工作。例如，徐备等(2000)在乌拉特中旗图古日格地区宝音图岩群基性火山岩中获得Sm-Nd全岩等时线年龄为2485±128Ma；在达茂旗附近的宝音图岩群变质基性火山岩中获得3个锆石U-Pb交点年龄为2496±26Ma、2486±42Ma和2525±41Ma，但滕飞等(2019)对宝音图变质基性岩的最新研究显示其原岩形成时代为896Ma。孙立新等(2013)获得的乌拉特后旗宝音图一带石英岩的最小一组碎屑锆石年龄为1426Ma，限定其形成时代为中元古代中期。滕飞等(2019)对宝音图岩群石英岩进行了较系统的碎屑锆石年代学研究，获得的最小谐和年龄为1395～1284Ma，并认为它们代表宝音图岩群的沉积上限。由此确定宝音图群原岩形成于中元古代，属于华北克拉通的北缘(孙立新等, 2013; 徐备等, 2000)。与宝音图群密切相关的一套浅变质岩系为渣尔泰群，主要由绿片岩相变质的碎屑岩、碳酸盐岩和基性-中酸性火山岩组成。彭润民等(2010)在渣尔泰群酸性火山岩中获得锆石的SHRIMP U-Pb年龄为817±5Ma，认为渣尔泰群代表新元古代活动裂谷盆地环境。研究区出现的最早的岩石类型为太古代乌拉山群，该群主要为一套中深变质岩系，其内部存在着具有标志特征的磁铁矿层和石墨矿层，主要岩石类型为斜长角闪岩、斜长角闪片麻岩、石墨片麻岩、透辉石大理岩、夕线石石英岩等。在宝音图群分布区西侧，出露有石炭纪的阿木山组地层，主要由灰岩夹页岩组成，并有石英砂岩夹灰岩透镜体，代表了海相碳酸盐岩沉积。此外出露少量石炭-二叠纪宝力高庙组的陆相中酸性火山熔岩、火山碎屑岩和沉积碎屑岩。

图2 内蒙古中西部宝音图群分布区地质简图及样品采样位置(据陈亚平等, 2015修改)图中年龄来源：274±1Ma(皮桥辉等, 2010)；～274Ma(于延秋等, 2011)；304±3Ma(胡鸿飞等, 2013)；259±3Ma(吴亚飞等, 2013)；1672±10Ma(孙立新等, 2013)；453±5Ma(Xu et al., 2013)；249±5Ma(罗红玲等, 2009)；328±2Ma(王增振和韩宝福, 2014)Fig.2 Geological map of the central-western Inner Mongolia showing distribution of the Baoyintu Group and sampling locations (modified after Chen et al., 2015)

研究区发育大量的石炭-二叠纪的花岗岩、花岗闪长岩和闪长岩等中酸性岩浆岩。皮桥辉等(2010)在狼山霍各乞矿区获得侵入体闪长岩的锆石U-Pb年龄为274±1Ma；于延秋等(2011)在狼山浩日格山花岗岩体中获得～274Ma的年龄，并认为其形成的构造环境为岛弧环境；胡鸿飞等(2013)从滴水沟闪长岩体中获得304±3Ma的年龄，并认为其形成于活动板块边缘火山弧环境；吴亚飞等(2013)在东升庙地区获得白云母二长花岗岩的年龄为259±3Ma，认为其可能形成于后碰撞的构造背景中。

研究区北东向展布的并侵入到宝音图群中的中元古代片麻状二长花岗岩的侵位年龄为1672±10Ma(孙立新等, 2013)。在中蒙边境出露有早古生代的石英闪长岩侵入体，Xuetal. (2013)获得其年龄为453±5Ma，认为其形成与俯冲作用有关。罗红玲等(2009)在狼山水库获得闪长岩侵入体的年龄为249±5Ma，认为其可能形成于后碰撞环境。在宝音图附近分布着少量基性、中性侵入体，王增振和韩宝福(2014)获得其基性侵入体的年龄为328±2Ma。

2 野外产状和岩相学特征

狼山格尔敖包沟和图古日格西南地区发育十分典型的石榴角闪岩。从野外观察来看，这些石榴角闪岩均以透镜状或似层状产自云母片岩中(图3a)。在图古日格西南地区，石榴角闪岩以块状构造为主(图3b)，没有明显的片麻理，不发育“白眼圈”结构；在格尔敖包沟，石榴角闪岩多数发育片麻理，且与围岩云母片岩的片理基本一致，可见强弱变形域。其中弱变形域中矿物定向弱，石榴石颗粒较大，保存较好(图3c)，而强变形域中矿物定向明显，石榴石颗粒较小，广泛发育斜长石“白眼圈”结构(图3d)。陈亚平等(2015)报道的石榴角闪岩具有“白眼圈”结构，采自强变形域。

图3 宝音图群石榴角闪岩的野外露头特征Fig.3 The field outcrop characteristics of the garnet amphibolites in the Baoyintu Group

图4 宝音图群石榴角闪岩显微岩相学特征Grt-石榴石；Hb-角闪石；Pl-斜长石；Q-石英；Ilm-钛铁矿；Ru-金红石；Ep-绿帘石；C-石榴石核部；M-石榴石幔部；R-石榴石边部Fig.4 Microphotographs of the garnet amphibolites in the Baoyintu GroupGrt-garnet; Hb-hornblende; Pl-plagioclase; Q-quartz; Ilm-ilmenite; Ru-rutile; Ep-epidote; C-garnet core; M-garnet mantle; R-garnet rim

本次研究的石榴角闪岩采自格尔敖包沟和图古日格西南地区，采样位置如图2所示。代表性岩石的镜下照片如图4所示，其矿物组成和体积百分数如表1所示。两个地区的石榴角闪岩具有明显不同的矿物组合，其特征描述分别以样品LS01和LS35为例。

表1 宝音图群石榴角闪岩主要矿物组成(vol%)

格尔敖包沟样品LS01的矿物组合主要以石榴石+角闪石+斜长石为特征，该样品具有弱片麻状构造，典型的斑状变晶结构(图4a)，石榴石变斑晶的粒径变化较大，部分石榴石变斑晶达巨晶级别，粒径1.0～1.5cm；其他石榴石变斑晶粒径较小，介于0.5～1.5mm之间，出现类似“冠状边”的斜长石(但不完整)。石榴石斑晶内部通常含有角闪石、钛铁矿和石英等包裹体(图4b)。基质主要由弱定向到中等定向的半自形-他形普通角闪石、斜长石、金红石/钛铁和石英组成，金红石普遍出现边部围绕钛铁矿的现象(图4c)，推测为金红石后期转变形成。

图古日格样品LS35的矿物组合主要以石榴石+角闪石+绿帘石为特征，具有块状构造，斜长石只存在于基质中，且含量极少。石榴石变斑晶的粒径介于0.5～3.0mm之间(图4d)，内部含有钛铁矿和石英等包裹体，石榴石裂隙充填角闪石、石英和绿泥石等。基质主要由普通角闪石、绿帘石、金红石/钛铁矿和石英组成，金红石同样普遍出现边部围绕钛铁矿的现象。

3 分析方法

本文所涉及样品的全岩主量元素采用美国利曼公司ICP-OES测试，实验在中国地质大学(北京)完成。烧失量(LOI)是通过对1g左右已烘干的粉末样品加热到1000℃并持续数小时后重新称重样品，样品在加热前后的差值即为烧失量。基于美国地质调查局标准岩石样品BSR-1和AGV-2以及中国国家标准物质岩石样品GSR-3，大多数主量元素的误差小于1%，TiO2的误差约为1.5%，P2O5的误差约为2.0%。样品的全岩微量元素(稀土元素)分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室应用ICP-MS法进行，在VG Axiom高分辨多接收等离子质谱仪上分析，标样GSR-1、GSR-2、GSR-3、GSR-5和GSR-15被用来检测分析结果，测试精度2%～12%。

本文所涉及所有矿物的化学成分分析均在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室电子探针实验室完成，所用的电子探针型号为JEOL JXA-8100，实验条件为加速电压15kV，束流10nA，云母类矿物束斑为5μm，其它矿物束斑为1μm。采用PRZ的方法修正，标准样品为美国SPI公司的53种矿物。

本文所涉及样品的定年采用锆石LA-ICP-MS U-Pb方法。锆石单矿物分选在河北廊坊晨硕地质服务有限公司完成。阴极发光(CL)图片的拍摄是在北京大学物理学院Quanta 200 FEG扫描电镜上完成，其工作电压为15kV，电流为120nA。锆石U-Pb年代学在天津地质矿产研究所利用LA-ICP-MS法完成，由美国ESI公司NEW WAVE 193nm FX激光器和美国赛默飞世尔公司NEPTUNE多接收等离子质谱组成。激光束斑直径为32μm，锆石U-Pb比值及年龄校准用标准锆石PLE，激光剥蚀样品的深度为20～40μm，激光频率为10Hz，锆石U-Pb 比值及年龄校准用标准锆石91500。元素含量校准均使用标样NIST610。样品的同位素比值和元素含量数据处理采用GLITTER4.4软件计算，普通Pb采用3D坐标法进行校正，加权平均年龄及谐和图的绘制采用ISOPLOT 3.75完成。单个数据点误差均为1σ，加权平均值误差为2σ。

4 岩石地球化学

岩石经历变质作用后，其中的大离子亲石元素(LILE)，如K、Rb、Cs、Ba、Pb和Sr等，通常会发生一定程度的迁移，但高场强元素(HFSE)，如REE、Y、Th、U、Zr、Hf、Ti、Nb和Ta等，往往表现为惰性迁移特征，不会发生显著的迁移(Pearce and Norry, 1979)，因而高场强元素的特征能更好地反映变质岩的原岩特征。本文将主要利用惰性元素和相关主量元素对宝音图群石榴角闪岩进行地球化学特征的分析，并结合判别图解对原岩构造环境进行讨论。本文样品的主量和微量元素数据见表2。图解中部分样品数据引自滕飞等(2019)和陈亚平等(2015)。

表2 宝音图群石榴角闪岩主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析结果

图5 宝音图群石榴角闪岩的Nb/Y-Zr/TiO2图解(a, 据Winchester et al., 1976)和FeOT/MgO-SiO2图解(b, 据Miyashiro, 1974)图5a中蓝色标记数据引用自滕飞等(2019)，图8同Fig.5 The discriminant diagrams of Nb/Y vs. Zr/TiO2 (a, after Winchester et al., 1976) and FeOT/MgO vs. SiO2 (b, after Miyashiro, 1974) for the garnet amphibolites in the Baoyintu Group

图6 宝音图群石榴角闪岩Zr与微量元素(Nb、Gd、Ta、Hf)相关图Fig.6 Zr against selected trace elements (Nb, Gd, Ta, Hf) variation diagrams for the garnet amphibolites in the Baoyintu Group

4.1 主量元素

宝音图群石榴角闪岩样品具有类似的主量元素组成。整体来看，SiO2含量为48.59%～51.77%，为典型的基性岩。Al2O3含量为13.79～15.32%；MgO=4.95%～7.58%，Fe2O3T=13.41%～16.19%，对应Mg#值[=Mg/(Mg+Fe)]的变化范围为0.26～0.38；CaO=6.87%～10.30%；TiO2含量较高，为2.00%～2.42%；K2O较低，介于0.26%～0.81%之间；Na2O含量变化较大，介于0.79%～2.13%之间；P2O5=0.14%～0.36%。由于石榴角闪岩的原岩在变质过程中需要大量流体注入(魏春景和崔莹, 2011)，K2O、Na2O等主量元素可能会在岩石变质作用过程中发生一定程度的改造，因而微量元素相较于主量元素更具指示意义。Nb/Y-Zr/TiO2图解(图5a)指示石榴角闪岩原岩主要为亚碱性玄武岩，而在FeOT/MgO-SiO2图解中(图5b)样品则落入拉斑系列。

4.2 微量元素

在微量元素分析表中(表2)，宝音图群石榴角闪岩的微量元素含量均大于原始地幔值，其中稀土总量(∑REE)为83.31×10-6～125.9×10-6，Th含量为1.15×10-6～3.94×10-6，Nb含量为9.60×10-6～20.10×10-6，Ta含量为0.72×10-6～1.53×10-6，Hf的含量为3.32×10-6～4.87×10-6，利用元素Zr作横坐标，Nb、Gd、Hf、Ta 等高场强元素作纵坐标作图(图6)，结果显示Zr 与这些高场强元素具有很好的正相关性。在球粒陨石标准化稀土元素配分图中(图7a)，宝音图群石榴角闪岩具有右倾的稀土配分模式，(La/Yb)N比值为2.17～6.48，δEu=0.87～0.98。轻稀土含量(LREE=62.12×10-6～105.0×10-6)在E-MORB到OIB之间，重稀土含量(HREE=16.24×10-6～32.45×10-6)稍高，显示其具有E-MORB的特点，并有向OIB过渡的趋势。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图7b)，各样品的Ta、Nb、Ti没有明显的负异常，其配分型式类似E-MORB特点。Nb/Yb-Th/Yb 图解(图8a)指示，变质基性岩具E-MORB和OIB特征，且有微弱的地壳混染趋势；在DF1/DF2 图解 (图8b)中，所有样品集中投入MORB区域；在Hf/3-Th-Nb/16(图8c)图解中大部分样品投入钙碱性玄武岩区域，一个样品投在了E-MORB或板内拉斑玄武岩区域，在Nb×2-Zr/4-Y(图8d)图解中则主要投入板内拉斑玄武岩和岛弧玄武岩区域，有两个样品投在了N-MORB和E-MORB区域。

表3 样品LS01代表性矿物电子探针分析结果(wt%)

5 矿物化学

本文选取格尔敖包沟样品LS01和图古日格西南地区样品LS35分别进行深入的矿物学研究。石榴石、普通角闪石、斜长石等代表性矿物的探针成分分析结果列于表3和表4。

表4 样品LS35代表性矿物电子探针分析结果(wt%)

图7 宝音图群石榴角闪岩球粒陨石标准化稀土元素分配图(a)和原始地幔标准化微量元素蜘网图(b)(球粒陨石、原始地幔、OIB、E-MORB和N-MORB均引自Sun and McDonough, 1989)Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) for the garnet amphibolites in the Baoyintu Group (data of chondrite, primitive mantle, OIB, E-MORB and N-MORB from Sun and McDonough, 1989)

图8 宝音图群石榴角闪岩的构造环境判别图(a, 据Pearce, 2008; b, 据Agrawal et al., 2008; c, 据Wood, 1980; d, 据Pearce and Cann, 1973)IAT-岛弧拉斑玄武岩；CAB-钙碱性玄武岩；MORB-大洋中脊玄武岩；N-MORB-N型大洋中脊玄武岩；E-MORB-E型大洋中脊玄武岩；OIB-大洋岛弧玄武岩；VAB-火山弧玄武岩；WPA-板内碱性玄武岩；WPB-板内玄武岩；WPT-板内拉斑玄武岩Fig.8 Discrimination diagrams for the tectonic environment of the garnet amphibolites in the Baoyintu Group (a, after Pearce, 2008; b, after Agrawal et al., 2008; c, after Wood, 1980; d, after Pearce and Cann, 1973)

5.1 石榴石

两个样品中的石榴石显示不同性质的微弱成分环带(图9a, b)。在样品LS01中，石榴石核、幔部成分均一，含Xalm(=Fe2+/(Fe2++Mg+Ca+Mn))=0.56～0.59，Xpy=0.13～0.16，Xsps=0.04～0.06，Xgr=0.22～0.24，边部Xpy微弱降低(～0.13)，Xsps微弱升高(～0.06)，应该代表与降温有关的扩散环带。在样品LS35中，石榴石从核部到幔部成分显示Xpy从0.07升高至0.11，Xsps从0.05降低至0.01，Xalm(=0.59～0.62)和Xgr(=0.25～0.28)基本保持不变，该环带可能代表微弱的生长环带，边部成分Xgr明显升高(0.26～0.36)，Xalm显著降低(～0.52)，Xpy(～0.10)和Xsps(～0.01)基本保持不变，这可能与石榴石边部在退变质过程中经历改造作用有关。

图9 石榴石化学成分图和角闪石分类图解(a、b)石榴石成分环带图；(c)石榴石成分三元图解；(d)角闪石分类图解Fig.9 Diagrams for garnet composition and amphibole classification(a, b) garnet composition zoning profile; (c) ternary diagram for garnet compositions; (d) diagram of amphibole classification

图10 石榴角闪岩(样品LS01)的P-T视剖面图(a)和P-M(H2O)视剖面图(b)全岩成分(摩尔百分含量)：SiO2：53.19；Al2O3：9.27；CaO：10.38；MgO：12.23；FeO：10.92；K2O：0.35；Na2O：1.53；TiO2：1.97；MnO：0.15；O：0.82. 等值线包括熔体含量等值线和石榴石gr、py、斜长石An值(Ca(pl))以及角闪石M2位置的Al含量(AlM2)等(gr=Ca/(Fe2++Mg+Ca+Mn)；py=Mg/(Fe2++Mg+Ca+Mn)；Ca(pl))=Ca/(Ca+Na+K))；g-石榴石；hb-角闪石；pl-斜长石；ilm-钛铁矿；ru-金红石；dio-透辉石；ep-绿帘石；q-石英；opx-斜方辉石；L-熔体Fig.10 P-T (a) and P-M (H2O) (b) pseudosections for the garnet amphibolite (Sample LS01)

5.2 角闪石

宝音图群石榴角闪岩中的角闪石主要分为钙镁闪石、铁钙镁闪石和镁闪石。在样品LS01，不同产状的普通角闪石具有相似的化学成分，如CaM4=1.70～1.76，(Na+K)A=0.21～0.28，Si=6.28～6.36，Ti=0.05～0.08，AlM2=1.06～1.12，XMg(=Mg/(Mg+Fe2+))=0.55～0.60，根据Leakeetal. (1997)的角闪石分类，属于契尔马克和铁契尔马克范围(图9d)。样品LS35，普通角闪石的成分显示CaM4=1.66～1.74，(Na+K)A=0.26～0.36，Si=6.39～6.53，Ti=0.05～0.08，AlM2=0.90～1.08，XMg(=Mg/(Mg+Fe2+))=0.55～0.59，基质中的角闪石主要落入契尔马克组分域内。值得注意的是，与石榴石相接触的角闪石落入铁-钙契尔马克和镁质普通角闪石组分域中。

5.3 斜长石及其他矿物

在样品LS01中，斜长石以半自形、他形粒状和细小的颗粒状出现在基质和石榴石边部。基质中的斜长石(Pl01)具有较低的An(=Ca/(Ca+Na+K))值为0.31～0.34，石榴石边部的斜长石(Pl02)具有较高的An值为0.66～0.69。在样品LS35中，斜长石含量很少，只在基质中少量分布，An值为0.72～0.73。在样品LS35中绿帘石成分均一，Ps(=Fe3+/Al+Fe2+))含量为0.09～0.12。

6 变质作用研究

为了模拟宝音图群石榴角闪岩的变质作用及相应的矿物组合演化过程，本文选模式体系NCKMnFMASHTO(MnO-Na2O-CaO-K2O-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-TiO2-Fe2O3)来模拟LS01和LS35这两个代表性样品的P-T视剖面图。其中石英为过量组分。流体相设为纯H2O。两个样品在相平衡计算中使用的全岩成分直接取自XRF分析并换算为模式体系中的摩尔百分比。P2O5按照磷灰石标准成分扣除相应的组分。视剖面图的计算使用程序THERMOCALC 3.45和配套的内部一致性数据库tc6ax.txt(Greenetal., 2016)。相关的固溶体活度模型包括石榴石(Whiteetal., 2007)、绿帘石(Holland and Powell, 1998)、绿泥石(Hollandetal., 1998)、角闪石(Palinetal., 2016)、钠长石(Holland and Powell, 1998)、斜长石(Holland and Powell, 2003)、黑云母和钛铁矿(Whiteetal., 2007)，硅酸盐熔体修改自Whiteetal. (2007)，去掉了富铝的夕线石端元，榍石、金红石和石英设为端元组分。

样品LS01的P-T视剖面图假设流体H2O在固相线以下过量，结果如图10a所示。在温度为600～800℃的区域内，斜长石稳定在<5～9kbar的低压范围，而金红石稳定在高于4～8kbar的范围，而低压条件下出现钛铁矿。固相线则出现在700～750℃的温度范围，在更高压的区域内可(>10kbar)出现透辉石。在视剖面图中的大部分矿物组合内，石榴石的Xpy主要随着温度的升高而增加，而Xgr随主要着压力的升高而增大，石榴石核部和幔部Xpy和Xgr的等值线成分给出一致的温度压力为～6kbar/715～740℃，这与石榴石边部的斜长石测得的An含量(=0.66～0.69)含量以及基质中角闪石较低的AlM2含量(=1.06～1.07)是基本一致的，对应的矿物组合为g-hb-pl-bi-ilm(L-q)，边部该矿物组合与实际观察到的晚期退变组合一致，表明石榴石和其边部的斜长石共同记录退变过程中某一平衡阶段。样品中早期金红石的稳定组合应该在更高的压力阶段，然而该阶段矿物组合的稳定范围并不能在视剖面图被限定，基质中斜长石较低的An含量(=0.31～0.34)以及角闪石中更高的AlM2含量(1.09～1.12)在该视剖面图中无法被模拟到。为了确定样品更早期的变质演化，基于P-T视剖面图中估算的压力范围选择平均温度725℃，进一步计算了P-M(H2O)视剖面图(图10b)，图中显示斜长石的稳定域明显受控于体系H2O含量，H2O含量越少，斜长石稳定的压力越高，斜长石的An值主要受压力的控制，随压力升高而降低，样品基质中斜长石最低的An=0.31～0.34指示峰期压力条件达到了～11kbar，与基质中角闪石最高的AlM2含量(～1.12)一致，对应的矿物组合为g-hb-pl-bi-dio-ru(L-q)，推测该组合可能代表峰期组合，该组合体系对应的水含量<1.40%，位于水不饱和范围内，因此，推测从峰期组合降压至退变组合应该存在流体的注入，发生的反应包括：g+dio+H2O=hb+pl+q(导致峰期的dio消失)以及g+pl+ru+H2O=hb+q+ilm+L(少量的熔体产生，且金红石转变为钛铁矿)。根据岩相学观察、矿物成分特征以及相平衡模拟确定岩石峰期后经历减压的变质作用轨迹。

样品LS35的P-T视剖面图假设流体H2O在固相线以下过量。结果如图11所示。在温度为600～730℃的区域内，斜长石稳定在<5～8kbar的低压范围，而金红石稳定在高于6～7kbar的范围，而在低压条件下则出现钛铁矿。在视剖面图中，不含绿帘石的矿物组合内，石榴石的Xpy主要随着温度的升高而增加，而Xgr主要随着压力的升高而增大，但是在含有绿帘石的矿物组合内，石榴石的Xgr主要随着温度的升高而增加，而Xpy主要随着压力的升高而增大。样品观察到的平衡矿物组合g-hb-ep-ru(-pl)稳定的温度压力范围为7～8kbar/610～690℃，该组合区域内模拟得到的角闪石AlM2含量为1.00～1.08，与基质中实际测得值基本一致，此外，石榴石Xgr等值线基本保持不变，但核部和幔部的Xpy(0.07～0.11)可给出进变质P-T轨迹，最高的Xpy(～0.11)和相应的Xgr(～0.28)成分限定其峰期条件达到了～8kbar/675℃。石榴石边部的Xpy(0.09～0.10)和Xgr(0.34～0.36)成分等值线进一步限定其温度压力条件为～5kbar/650～680℃，这与石榴石边部角闪石的AlM2含量(～0.90)一致，与之对应的矿物组合为g-hb-ep-ilm-pl，指示峰后存在减压过程，这一过程与金红石边部存在钛铁矿一致。需要指出的是，该组合内模拟得到的斜长石An含量与实际并不一致，由于基质中斜长石极少，推测其成分受局部成分域的控制。综上所述，根据岩相学观察、矿物成分特征以及相平衡模拟确定岩石峰期后经历减压的变质作用轨迹。

表5 石榴角闪岩(样品LS01)的锆石U-Pb测年数据

图11 石榴角闪岩(样品LS35)的P-T视剖面图全岩成分(摩尔百分含量)：SiO2：55.19；Al2O3：8.90；CaO：11.78；MgO：8.08；FeO：12.80；K2O：0.18；Na2O：0.84；TiO2：1.98；MnO：0.23；O：0.82. 等值线包括石榴石gr、py、斜长石An值(Ca(pl))以及角闪石M2位置的Al含量(AlM2)等Fig.11 P-T pseudosection for the garnet amphibolite (Sample LS35)

图12 石榴角闪岩中代表性锆石阴极发光图像和锆石U-Pb谐和图Fig.12 Cathodoluminescence image of representative zircon grains and the U-Pb concordia diagrams of zircons from the garnet amphibolites in the Baoyintu Group

图13 宝音图群石榴角闪岩的P-T轨迹AT-阿尔泰造山带中压型递增变质带(蓝晶石型)中不同相带的P-T轨迹(Wei et al., 2007)；Sc-苏格兰高地巴罗式变质带P-T轨迹(蓝晶石带, Vorhies and Ague,2011)；HPG-苏格兰高地Glen Muick基性高压麻粒岩的P-T轨迹(Aoki et al., 2014)；Mod-1-综合数值模拟的蓝晶石带P-T轨迹(Jamieson and Beaumon, 2011)；Mod-2-综合数值模拟的夕线石带的P-T轨迹(Lyubetskaya and Ague, 2010)；GAM-格尔敖包沟石榴斜长角闪岩的P-T轨迹(陈亚平等, 2015)；LS01、LS35石榴角闪岩的P-T轨迹(本研究)Fig.13 P-T paths of the garnet amphibolites in the Baoyintu Group

7 锆石U-Pb年代学

本文选取LS01样品对宝音图群石榴角闪岩运用LA-ICP-MS方法进行锆石U-Pb定年。样品LS01中的锆石呈浑圆状、粒状，粒径30～100μm，其长宽比为1.0～1.5，具有弱的冷杉状、带状分带，无振荡环带，具有变质锆石的特征(图12)。本文利用LA-ICP-MS方法对30个测试点进行分析，多数测试点显示207Pb含量较低或年龄不协和；只有10个测试点都分布在谐和线上及其附近，数据结果见表5，获得谐和年龄为394±8Ma(MSWD=6.0，图12)，其Th/U比值在0.06～0.10，为典型的变质锆石(吴元保和郑永飞, 2004)，代表宝音图群石榴角闪岩的变质年龄。

8 讨论

8.1 宝音图群石榴角闪岩原岩的形成环境

宝音图群的石榴角闪岩普遍发育角闪岩相变质，从玄武质原岩到石榴角闪岩需要大量的流体注入(魏春景和崔莹, 2011)。这些变质流体中可以携带水溶元素，本文利用Zr与REE、Nb、Gd、Ta、Hf的相关图解显示这些元素与Zr分别具有很好的正相关性，说明流体对高场强元素和稀土元素的携带能力是有限的，基本反映原岩特征，因此可以用来示踪源区。这些石榴角闪岩原岩显示为亚碱性玄武岩的拉斑系列。岩石样品在球粒陨石标准化稀土配分型式图和原始地幔标准化微量元素配分图上，具有板内E-MORB玄武岩向OIB过渡的趋势，微量元素构造判别图解表明这些石榴石角闪岩的原岩可能产于板内拉张(大陆裂谷)的环境中。对石榴角闪岩构造环境的讨论需要进一步结合其原岩以及区域相关岩石的形成时代和成因。宝音图群变沉积岩的碎屑锆石年龄谱表明宝音图群属于华北克拉通的一部分(孙立新等, 2013)。赵桂萍(2000)对宝音图群变质沉积岩的地球化学研究显示，其化学分异和化学分化较差，成熟度低，其构造环境可能代表了活动陆缘演化的特征。孙立新等(2013)认为宝音图群变沉积岩的原岩代表华北克拉通北缘形成于中元古代(<1426Ma)的裂谷盆地环境。彭润民等(2010)在狼山地区宝音图群中发现呈层产出的酸性火山岩，其年龄为897～830Ma，在宝音图群分布区西侧的阿拉善地区有大量900～800Ma岩浆事件的报道，在华北克拉通中部和东部存在925～900Ma基性岩墙，华北克拉通西部存在800～650Ma基性岩墙群(Zhai and Santosh, 2013)，华北克拉通内碎屑锆石也记录了～912Ma、～814Ma等新元古代早期的年龄信息，这些年龄信息均被认为是Rodinia超大陆裂解的响应(李益龙等, 2008; 耿元生等, 2009; 耿元生和周喜文, 2010)。滕飞等(2019)对宝音图变质基性岩的最新研究显示其原岩形成时代为896Ma。宝音图群石榴角闪岩原岩与酸性火山岩具有类似的年龄，在区域上或具有双峰式的特征，结合其地球化学特征，我们认为这些火山岩代表了一次伸展裂解事件，与华北克拉通中部和东部基性岩墙以及碎屑锆石新元古代早期年龄信息所反映的裂谷事件可以对应(吴泰然等, 1998; 胡波等, 2009; Zhai and Santosh, 2013; 郝奕玮等, 2014)，代表Rodinia超大陆裂解背景下的伸展裂谷环境。

8.2 变质作用演化

结合前人和本文的相平衡研究结果，尽管两个石榴角闪岩记录了不同的峰期条件，但二者具有类似的演化轨迹，主要可以分为进变质、峰期以及峰期减压阶段。

峰期变质阶段样品LS01的峰期条件为～11kbar/～735℃。斜长石最小的An值记录了该样品达到的峰期压力条件：斜长石通常在记录峰期压力方面可能比石榴石的效果更好，因为斜长石中的离子对扩散速率比石榴石中的单个价电离子如Fe(Mg)和Ca要慢(Spear, 1993)。石榴石中最高的Xpy值则记录岩石可能达到的最低峰期温度：这是因为后期的等温降压过程石榴石的Xpy值基本保持不变(图10)。该峰期温压条件在P-M(H2O)视剖面图中对应的峰期矿物组合为g-hb-pl-bi-dio-ru-L。但是在实际样品中并没有保留透辉石。值得关注的是，陈亚平等(2015)对同一地区的石榴石角闪岩样品相平衡模拟研究认为其峰期温压超过了饱和水固相线条件，透辉石的消失可能与岩石中存在的部分熔体在后期减压过程中发生逆反应有关，但是相平衡模拟的研究结果显示该峰期条件下的熔体含量不超过4mole%，这种由极少量反应物参与的逆反应通常很难达到有效平衡。本文的相平衡研究结果显示，透辉石的稳定域明显受控于体系水的含量，峰期透辉石的消失与后期流体大量渗透有关。样品LS35的峰期温度压力条件为～8kbar/675℃，与LS01不同的是，该样品的峰期组合为g-hb-ep-ru，并不含斜长石，但石榴石核部和幔部的Xpy和Xpy成分记录了峰期温度压力条件，石榴石峰期成分的保存与变质温度较低有关。

峰期后减压阶段两个石榴石角闪岩样品在峰后均记录了近等温降压的过程。在样品LS01中，这一过程可通过石榴石成分、石榴石边部斜长石和角闪石的成分获得。P-M(H2O)视剖面图显示，峰后减压过程中发生的主要变质反应为：g+dio+H2O=hb+pl+L，石榴石的分解反应引起石榴石Xgr组分的减小和斜长石An值的增大，但石榴石的Xpy值变化很小。因此样品中石榴石的Xgr只记录了减压阶段的压力条件，并与边部具有较高An值的斜长石和较低AlM2的角闪石之间达到局部平衡。需要指出的是，由于该反应需要有H2O的加入，如果体系中流体不饱和，峰期矿物组合(含透辉石)将得以保存，反之，如果体系中饱和流体渗透，峰期矿物组合将无法有效保存，石榴石成分会在减压过程中被较大程度的改造。此外，相平衡模拟研究显示减压过程的水化可形成约4mole%的熔体，但这一少量的熔体在岩相学中难于观察到或者极易发生丢失。样品LS35的等温降压过程可以通过石榴石边部成分和斜长石的出现来限定。P-T视剖面图(图11)显示，减压过程中发生的主要变质反应为：g+ep+q=hb+pl+H2O，该反应引起绿帘石部分分解，石榴石边部的Xgr组分的增加，并形成部分斜长石。这两个样品在减压过程中金红石会分解生成钛铁矿，这一过程主要受压力控制。

进变质阶段样品中石榴石包体矿物组合可以在一定程度上这一阶段的变质作用过程，但由于受峰期、减压和后期退变过程中较大程度的改造，无法用P-T视剖面图进行很好的模拟，其矿物组合也不能较好的保留下来，由于榍石的存在指示岩石的早期低级进变质作用条件，石榴石和角闪石的出现在一定程度上指示其进变质作用的过程。

8.3 变质作用的构造意义

本文研究在格尔敖包沟地区宝音图群石榴角闪岩给出了394±8Ma的年龄，锆石的形态和Th/U比值(<0.10)显示其变质成因特征，因此该年龄代表了宝音图群石榴角闪岩的变质年龄。该年龄与陈亚平等(2015)在狼山格尔敖包沟地区石榴角闪岩获得的年龄结果在误差范围内一致。相平衡模拟结果显示，峰期或峰期前的变质作用以脱水反应为主，在之后降压阶段的早期，脱水释放出的流体有助于锆石的生长或重结晶(Rubattoetal., 1999; Rubatto and Hermann, 2003)。因此，本文将394±8Ma的年龄代表宝音图群变质作用近峰期的年龄。

宝音图群的石榴角闪岩经历了早期进变质，峰期以及峰后近等温减压阶段的顺时针型P-T轨迹，其峰期条件反映的地温梯度为18℃/km，是典型的中压型变质作用。前人研究结果证明宝音图群的变泥质岩发育典型的巴罗式递增变质作用，本文研究显示在格尔敖包沟地区和图古日格地区的石榴角闪岩具有不同的峰期温度压力条件，分别为～11kbar/～735℃和～8kbar/675℃，推测作为变泥质岩中呈透镜体或次层状产出的变质基性岩，同样存在着递增型的变质作用：伴随巴罗式变质相带的递增，变基性岩从绿片岩、绿帘角闪岩过渡到斜长角闪岩，在较高级的变质带中出现石榴角闪岩(赵桂萍, 2000; 陈亚平等, 2015)。关于中压递增型变质作用，目前主要有两种成因模式，第一类中压型递增变质带的形成与地壳加厚导致的构造热扰动有关，受热传导机制控制，其P-T轨迹以主要记录峰期之前的升温升压进变质过程，峰期后以出现近等温降压(ITD)为特征(图13, Mod-1, Jamieson and Beaumont, 2011; AT, Weietal., 2007; Jiangetal., 2015; HPG, Aokietal., 2014)；第二类中压型递增变质带与中地壳深度大规模岩浆侵位有关，这种成因模式以岛弧深部地区最为常见，其P-T轨迹在压力峰期后出现明显升温过程(SC, Vorhies and Ague, 2011; Mod-2, Lyubetskaya and Ague, 2010)。宝音图群的石榴角闪岩的P-T轨迹具有典型的第一类的P-T演化特征，应该反映与地壳加厚有关的造山环境。陈亚平等(2015)在石榴角闪岩中获得了399±6Ma的变质锆石年龄，认为其代表了与古亚洲洋闭合有关造山加厚事件。这与Xuetal. (2013)在内蒙古中部地区建立的早古生代闭合模式是一致的。

从晚寒武纪(500Ma)开始，位于内蒙古中部地区的古亚洲洋双向俯冲，发育南、北沟-弧-盆体系(邵济安, 1991; 唐克东, 1992; Jianetal., 2008; Xuetal., 2013)。古亚洲洋向北俯冲到南蒙微陆块之下，沿芒和特、苏尼特左旗、锡林浩特南部和达青牧场一线由南到北发育早古生代温都尔庙群蛇绿混杂岩、岛弧岩浆岩(宝力道岛弧带482～439Ma)以及弧前盆地沉积(锡林郭勒杂岩原岩)；同时，古亚洲洋向南俯冲到华北克拉通之下，西起图古日格、经温都尔庙、到正蓝旗一带，由北向南发育早古生代温都尔庙群蛇绿混杂岩、弧型岩浆岩(白乃庙岛弧499～425Ma)以及弧后盆地(徐尼乌苏组复理石建造)。古亚洲洋俯冲导致南、北温都尔庙群蛇绿岩混杂带发育高压型变质作用(454～410Ma)。到早-中泥盆世，古亚洲洋闭合引发南蒙微陆块与华北克拉通碰撞，形成与碰撞有关的前陆磨拉斯盆地(如北部造山带中的泥盆纪色日巴彦敖包组和南部造山带中的晚志留-早泥盆世西别河组)(Xuetal., 2013)。作为华北克拉通的一部分，宝音图群被卷入到与古亚洲洋闭合有关的造山过程，发育中压型变质作用。