南阿尔金尤努斯萨依退变榴辉岩的发现及地质意义∗

2022-02-01谭俊宫相宽李阔木热地力买合苏提

新疆大学学报(自然科学版)（中英文） 2022年6期

谭俊，宫相宽，李阔，木热地力·买合苏提

(新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830017)

0 引言

板块俯冲与折返长期以来一直是固体地球科学研究的热点与前沿[1]．高压-超高压变质岩石作为陆壳岩石俯冲-深俯冲后折返抬升的产物，携带了造山带形成演化过程的重要地质信息，是了解板块俯冲-折返过程物质循环及其动力学机制的重要窗口[2−4]．榴辉岩是高压-超高压变质带的主要组成岩石类型之一，其空间分布和变质时代的确定能够为高压-超高压变质带形成演化历史的恢复提供重要限定[5]．南阿尔金造山带是我国西部重要的早古生代高压-超高压变质带之一[6−7]．近二十多年来，南阿尔金高压-超高压变质作用及其演化过程一直是地学界研究的热点，并陆续在陆壳俯冲深度、变质P−T−t轨迹、俯冲陆壳属性以及俯冲极性等方面取得重要进展[8−10]．先期研究已发现的高压-超高压岩石包括榴辉岩、含钾长石石榴子石辉石岩、花岗质片麻岩、含蓝晶石石榴子石泥质片麻岩，它们主要分布在江尕勒萨依、英格利萨伊、淡水泉和木纳布拉克四个地区[11−18]．其中有确切报道的榴辉岩露头目前仅发现于江尕勒萨依[19−20]．尽管有研究认为，南阿尔金地区的一些斜长角闪岩和基性麻粒岩可能也曾经历过榴辉岩相变质[21−23]，但长期以来由于缺少确凿的矿物学证据而未被证实．详细的锆石原位U-Pb年代学研究显示，南阿尔金高压-超高压岩石的峰期变质时代为486∼505 Ma[14−15,17−18,24]，指示该地区曾在早古生代期间发生陆壳俯冲-深俯冲，部分高压-超高压变质岩石还记录了455∼463 Ma变质年龄，有学者将其解释为俯冲-深俯冲陆壳岩石在486∼505 Ma的峰期变质后经历455∼463 Ma折返抬升和退变质作用[8,17]．但也有研究认为，这两期年龄时间跨度太大，代表的究竟是同一构造事件的不同阶段还是两次独立的构造事件需要进一步研究[25]．

尤努斯萨依位于南阿尔金西北缘，江尕勒萨依东部，主要岩石类型为花岗质片麻岩和花岗岩．新近，马拓等[23]通过平衡矿物温压估算和相平衡模拟，证实该地区的花岗质片麻岩部分曾经历过超高温变质作用（T>970℃）．研究团队前期在该地区开展野外工作时发现，花岗质片麻岩中出露了一些石榴子石辉石岩透镜体，其是否经历过榴辉岩相变质？变质时代如何？为此，本文对其开展了详细的岩相学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学和激光拉曼锆石包裹体分析，以期获得这些岩石变质程度、变质期次和变质时代的详细信息，为南阿尔金早古生代构造演化历史的恢复提供新的限定．

1 地质概况

阿尔金造山带位于青藏高原东北缘，夹于柴达木盆地与塔里木盆地之间，东邻祁连山，西接昆仑山（图1(a)），经历了早古生代板块俯冲碰撞及多期次岩浆活动等一系列复杂的地质演化过程，是由不同时期、经历不同构造过程、形成于不同构造环境的地质体所组成的复合造山带[26−28]．前人由北向南依次将其划分为阿北地块、北阿尔金俯冲碰撞杂岩带、米兰河-金雁山地块和南阿尔金俯冲碰撞杂岩带四个构造单元（图1(b)）．南阿尔金俯冲碰撞杂岩带以大量早古生代花岗岩的发育为特征，已有研究在该杂岩带中识别出∼517 Ma、501∼496 Ma、462∼451 Ma和426∼385 Ma四个期次花岗质岩石[10,29]．依据岩石组合及形成环境，南阿尔金俯冲碰撞杂岩带又可进一步划分为高压-超高压变质带[8,12,16,24]和蛇绿构造混杂岩带[16,30−31]．前者大致呈NE向沿阿尔金主断裂带展布，带内已确定的超高压岩石主要有榴辉岩、石榴子石橄榄岩和含蓝晶石石榴子石花岗质片麻岩等[6,8−9,12,20]，高压变质岩石主要是一些泥质麻粒岩、花岗质麻粒岩及基性麻粒岩等[16−17,32−33]，它们主要呈透镜体状产出于副片麻岩或者花岗质片麻岩之中[6,8,14,20,24]．蛇绿构造混杂岩带同样呈NE向沿阿尔金主断裂带展布，带内蛇绿岩主要由超镁铁质岩体和浅变质的基性火山岩组成，两者均呈透镜体或构造岩片的形式赋存于复理石及碳酸盐岩地层之中[6,34−36]．

图1 阿尔金造山带构造位置简图（a据文献[8]修改）与地质简图（b据文献[9]修改）

2 岩石野外产状及岩相学特征

尤努斯萨依地区位于南阿尔金高压-超高压变质带的西北缘（图1(b)，图2(a)），出露的岩石类型主要为花岗质片麻岩，石榴子石辉石岩呈透镜状产出于片麻岩中，透镜体大小一般为1∼8 m，其长轴方向与片麻岩的片麻理方向一致（图2(b)、图2(c)）．此外，区内还发育了一些花岗质侵入体．

图2 尤努斯萨依地质简图（a据1﹕100万青藏高原北部地质图[西安地质矿产研究所，2006]和文献[23]修改）与岩石野外产状（b、c）

本文所研究的石榴子石辉石岩主要组成矿物为石榴子石（40%∼45%）、绿辉石（5%∼10%）、单斜辉石（10%∼15%）、角闪石（10%∼15%）、斜长石（10%∼15%）和石英（∼3%），局部可见少量金红石和钛铁矿（图3(a)）．其中：石榴子石和绿辉石多以斑晶形式存在，斜长石、石英主要为基质．根据岩相学观察，该岩石可识别出三期变质矿物组合：（1）榴辉岩相变质矿物组合，由粒状石榴子石、柱状绿辉石及粒状金红石组成（图3(a)），该组合是典型榴辉岩相变质矿物组合；（2）麻粒岩相变质矿物组合，以绿辉石边部出现蠕虫状“单斜辉石+斜长石”后成合晶为特征（图3），可能的矿物组合为石榴子石+单斜辉石+斜长石±金红石；（3）角闪岩相变质矿物组合，以角闪石变斑晶和“角闪石+斜长石”后成合晶的出现为代表（图3），该阶段矿物组合可能为角闪石±石榴子石+斜长石+钛铁矿+石英．

图3 石榴子石辉石岩显微结构图（a）与背散射图（b）

3 样品分析方法

本文的研究涉及LA-ICP-MS锆石U-Pb测年、激光拉曼矿物包裹体分析和电子探针矿物化学分析．锆石分选工作是在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成的，其余分析测试项目在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成．锆石U-Pb测年和包裹体分析在环氧树脂样品靶上完成．在双目显微镜下挑选代表性锆石颗粒经环氧树脂固定后，抛光至颗粒一半出露，之后进行CL图像采集、激光拉曼矿物包裹体分析和LA-ICP-MS锆石U-Pb测年．CL图像采集在加载了Mono CL3+型阴极发光探头的Quanta 400 FEG扫描电镜上完成．激光拉曼矿物包裹体分析在ReniShaw公司配备514 nm氩离子激光的inVia型激光拉曼分析仪上完成，仪器空间分辨率横向为1μm、纵向为2μm，测析过程所选光谱范围为100∼1 300 cm−1，为确保数据质量，测试前以单晶硅为标样进行校正．LA-ICP-MS分析在Agilient 7500a型ICP-MS、Compex 102 Excimer型激光器（工作物质ArF，波长193 nm）和GeoLas 200M光学系统的联机上进行，激光束斑直径为24μm．矿物微区分析在日本电子JXA-8230型电子探针仪上完成，分析过程加速电压为15 kV、电流为20 nA，测点束斑直径为1μm．

4 分析结果

4.1 矿物特征

电子探针分析结果见表1和表2．绿辉石SiO2含量在54.94%∼55.80%之间，MgO含量为8.83%∼9.18%，变化幅度相对较小，FeOT含量在6.63%∼6.96%之间，CaO含量为15.01%∼15.49%，Na2O含量介于4.34%∼4.64%．通过计算，其硬玉组分达30 mol%∼33 mol%．在辉石成分三角图解中，所有测点均落入绿辉石区域（图4(a)）．石榴子石SiO2含量为38.90%∼39.72%，MgO含量为6.74%∼7.08%，FeOT含量为21.67%∼22.51%，CaO含量为8.79%∼9.47%，MnO含量为0.20%∼0.26%，铁铝榴石（Alm）、镁铝榴石（Pyr）和钙铝榴石（Grs）组分含量较高，锰铝榴石（Sps）含量较低（图4(b)），端元组成为Alm47∼48Pyr26∼27Grs24∼26Sps0.4∼0.6，从核部到边部元素组成较为均一，未见明显成分环带．

表1 绿辉石电子探针分析结果（wt%）及端元计算

表2 石榴子石电子探针分析结果（wt%）及端元计算

图4 辉石成分三角图解（a据文献[37]修改）和石榴子石成分剖面（b）

4.2 锆石CL图像及U-Pb年龄

锆石外形上呈椭圆形或卵形，明显不同于晶形规则的岩浆成因锆石．锆石颗粒较小，粒径主要集中于45∼70 μm×50∼90μm．CL图像显示（图5），部分锆石具有明显的“核-边”结构，另一部分锆石具有均匀的面状结构，均表现变质锆石的特征[38]．个别锆石颗粒发育强阴极发光窄边，但由于宽度过窄而未进行测试．

图5 锆石CL图像

利用LA-ICP-MS方法，对该样品进行了25个点的U-Th-Pb和微量元素组成分析，结果见表3和表4．分析表明，所有测点的Th/U比值均较低，介于0.01∼0.14，显示了变质锆石的特点[39−40]．25个测点的206Pb/238U年龄变化范围为440∼505 Ma，在U-Pb谐和图上构成了两个年龄集中区（图6(a)）．第一个年龄集中区由14个206Pb/238U年龄介于488∼505 Ma的测点组成，加权平均值为(495±4)Ma（MSWD=0.42）．这些测点多位于均匀无结构锆石内部或者具有“核-边”结构锆石核部，重稀土配分曲线相对平坦（图6(b)），基本无Eu异常（δEu=0.79∼1.06），反映锆石结晶时无长石类矿物共生，符合榴辉岩相变质锆石稀土元素特征[37]．其余11个206Pb/238U年龄为440∼455 Ma的测点构成第二个年龄集中区，加权平均值为(448±5)Ma（MSWD=0.41），这些测点主体位于具“核-边”结构锆石边部或者均匀无结构锆石内部，重稀土含量范围较大，部分测点显示重稀土富集特征，出现明显Eu负异常（δEu=0.59∼0.63），具有麻粒岩相变质锆石特征．

表3 LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学分析结果

表4 锆石稀土元素含量/×10−6

图6 锆石U-Pb年龄谐和图（a）和锆石稀土元素球粒陨石标准化配分图（b据文献[41]修改）

4.3 激光拉曼锆石包裹体

激光拉曼分析结果显示，锆石包裹体主要为绿辉石、石榴子石、单斜辉石及金红石．其中：绿辉石的特征峰为674 cm−1（图7(a)），石榴子石的特征峰为912 cm−1（图7(b)），金红石的特征峰为608 cm−1（图7(c)），单斜辉石的特征峰为668 cm−1（图7(d)）．

图7 锆石包裹体拉曼光谱分析结果

5 讨论

5.1 退变榴辉岩的确认

通过系统的岩相学、激光拉曼矿物包裹体和矿物化学研究证实，尤努斯萨依石榴子石辉石岩是榴辉岩退变质作用的产物．证据如下：（1）首先是绿辉石的发现，本次研究在岩石薄片（图3）和锆石包裹体（图7(a)）中均发现了绿辉石，绿辉石硬玉组分达30 mol%∼33 mol%，在辉石分类三角图解中均落入绿辉石区域（图4(a)），而且石榴子石+绿辉石+金红石矿物组合为典型的榴辉岩相矿物组合；（2）所获锆石均显示典型变质锆石的内部结构特征，加权平均年龄为(495±4)Ma的测点Th/U比值低（Th/U=0.01∼0.14），具有HREE平坦、无明显Eu负异常的典型榴辉岩相变质锆石稀土配分曲线特征[40]，对应锆石微区发现了石榴子石、绿辉石包裹体．上述资料一致表明，本文所研究的石榴子石辉石岩是退变质的榴辉岩，南阿尔金高压-超高压变质带内出露的大量斜长角闪岩、基性麻粒岩中不排除还有榴辉岩退变质产物的可能性．

5.2 多期变质年龄及其地质意义

大陆碰撞造山带内含柯石英、金刚石和斯石英（假象）等超高压指示标志正/副变质岩石的发现，指示陆壳可以俯冲至>80 km的地幔并折返回地表[1]．高密度大洋板片的先期俯冲可以牵引拖曳与其连接的低密度大陆板片进入地幔，俯冲大洋板片在地幔深处与大陆板片发生断离是引起大陆岩石停止俯冲并折返的可能机制[42]．详细的岩石学研究显示，南阿尔金高压-超高压变质带出露的榴辉岩普遍保留了榴辉岩相、高压麻粒岩相以及角闪岩相多期变质矿物组合，榴辉岩相变质矿物组合为“Grt+Omp+Ru+Q/Coe”，高压麻粒岩相变质阶段以绿辉石分解为“Cpx+Pl1”后成合晶为标志，之后围绕石榴子石和“Cpx+Pl1”合晶边部形成的“Amp+Pl2”后成合晶则代表了角闪岩相变质作用[8,20,33,43−44]．淡水泉花岗质麻粒岩、泥质麻粒岩以及木纳布拉克泥质麻粒岩在峰期变质后，同样经历了至少2期退变质改造[16−17,32]．而且相平衡模拟和传统的矿物温压计算表明，这些出露于不同地区、不同类型的高压-超高压岩石均经历了顺时针的P−T演化轨迹[8,16−17,32]，其形成与陆壳俯冲碰撞有关．年代学方面，带内的榴辉岩在493∼503 Ma期间发生榴辉岩相变质[8,20,33,43−44]，部分样品记录了1期455∼463 Ma变质年龄[8,20]，花岗质麻粒岩与泥质麻粒岩的峰期变质时代为486∼505 Ma[16−17,32]．尽管上述高压-超高压岩石的峰期变质条件存在一定差异，但它们具有近乎一致的峰期变质时代，表明南阿尔金地区在早古生代期间发生了大规模的陆壳俯冲-深俯冲[32]．但是，455∼463 Ma变质年龄代表的究竟是∼500 Ma峰期变质后的退变质阶段，还是与∼500 Ma变质事件代表了两次独立的构造事件仍存在争议[8,17,25]．

尤努斯萨依退变榴辉岩保留了3期变质矿物组合，分别为榴辉岩相变质矿物组合“石榴子石+绿辉石+金红石”、麻粒岩相变质矿物组合“石榴子石+单斜辉石+斜长石±金红石”以及角闪岩相变质矿物组合“角闪石+斜长石+钛铁矿+石英±石榴子石”（图3），反映该岩石经历了多期变质作用．锆石原位U-Pb定年获得2期变质年龄，分别为(495±4)Ma和(448±5)Ma．其中：(495±4)Ma测点具榴辉岩相变质锆石稀土元素配分曲线特征（图6(b)），包裹榴辉岩相变质矿物组合（图7(a)、图7(b)），代表了榴辉岩相变质时代；(448±5)Ma测点具有麻粒岩相变质锆石稀土元素配分曲线特征（图6(b)），包裹体中出现单斜辉石（图7(d)），代表了麻粒岩相变质时代．值得注意的是，这两期年龄测点部分位于单颗粒锆石的不同微区，因此，更可能代表了同一变质事件的不同阶段，即该岩石在∼500 Ma经历峰期变质后，极有可能在∼450 Ma折返过程中叠加了麻粒岩相退变质作用．

此外，对南阿尔金俯冲碰撞杂岩带早古生代花岗质岩石的详细研究表明，该地区花岗质岩浆活动具有阶段性演化特征，可以分为∼517 Ma、496∼501 Ma、451∼462 Ma和385∼426 Ma四个期次[10,29]．其中：第1期（∼517 Ma）主要岩石类型为花岗闪长岩，显示低K2O、高Na2O和Mg#值的洋壳俯冲型埃达克岩特征，是南阿尔金早古生代洋壳在俯冲过程中部分熔融的产物[29]；第2期（496∼501 Ma）花岗质岩石以长沙沟花岗闪长岩和鱼目泉混合花岗岩为代表，两者均具有高K2O/Na2O比值以及高Sr、低Yb和Y的陆壳部分熔融埃达克岩特征，被解释为陆壳深俯冲导致地壳加厚背景下由下地壳发生部分熔融的产物[29,31,45−46]；第3期（451∼462 Ma）花岗质岩石在南阿尔金地区广泛分布，属过铝质高钾钙碱性岩石系列，主体显示S型花岗岩特征[10,31,47−48]，部分熔融温度高（>800℃），形成于碰撞挤压向伸展抬升转换过程中应力释放阶段，可能与俯冲陆壳板片断离后幔源岩浆上涌引发中上地壳岩石部分熔融有关[10,29]；第4期（385∼426 Ma）花岗质岩石主要为富碱的高钾钙碱性A型花岗岩[47−50]，形成于造山后伸展减薄阶段[10,51−52]．因此，多期次花岗质岩石的发育同样暗示南阿尔金在早古生代经历了>500 Ma的大洋俯冲、∼500 Ma的大陆俯冲碰撞以及之后∼450 Ma和＜426 Ma的俯冲陆壳折返抬升的构造演化过程．

综上所述，本文认为尤努斯萨依退变榴辉岩是陆壳在(495±4)Ma发生俯冲-深俯冲和榴辉岩相峰期变质、之后在(448±5)Ma由于俯冲板片断离发生折返抬升并叠加了麻粒岩相退变质作用的产物，角闪岩相退变质发生在折返抬升过程的更晚期．