东昆仑大格勒一带基性二辉麻粒岩的变质演化及地质意义

李佳斌 吕增 陈振宇 刘小辉

麻粒岩是造山带中出露的一种重要变质岩类型,一般被认为是来自下地壳的产物,是人们了解地球深部的物质组成的窗口(翟明国和刘文军, 2001)。麻粒岩的形成与大陆地壳形成和演化、碰撞造山、大陆拉张等大陆动力学问题密切相关(Harley, 1989; Bohlen, 1991)。虽然麻粒相岩石的峰期条件计算存在不确定性,但一些麻粒岩可以保留高温矿物组合,能够反映地球内部的动力学过程,有助于揭示造山带的构造演化历史(翟明国, 1991; 卢良兆, 1993; 翟明国和刘文军, 2001)。因此,麻粒岩的变质演化研究一直是岩石大地构造研究的热点和前沿。

东昆仑造山带经历了漫长的地质演化过程和多次造山运动,为复合型造山带。东昆仑原特提斯洋在早寒武世之前处于打开和扩张阶段,在早古生代开始进入俯冲阶段(陆松年, 2002; 莫宣学等, 2007; 祁晓鹏等, 2016)。原特提斯洋到晚奥陶世-志留纪已经关闭,南北陆块拼合碰撞成为一个整体,东昆仑造山旋回进入陆陆碰撞阶段,而后向造山后伸展阶段转换,最终促成古特提洋的形成(任军虎, 2010; 孟繁聪等, 2015; 吴福元等, 2020)。东昆仑造山带广泛存在430～380Ma高温壳源酸性岩浆活动,它们以A型花岗岩和流纹岩为代表(刘彬等, 2013; 李希等, 2014; 田广阔等, 2016; 严威等, 2016; Xinetal., 2018; 董金龙, 2020; 张亮等, 2021),同时期的S型花岗岩仅见于金水口地区(张建新等, 2003; 余能等, 2005; 龙晓平等, 2006; 巴金等, 2012)。这些高温岩浆活动表明东昆仑在早-中泥盆世发生过与伸展作用有关的异常高温及地壳深熔事件。虽然麻粒岩相变质岩在东昆仑造山带分布较广泛(王云山和陈基娘, 1987),但目前为止,与该事件有关的最高温变质作用仅体现在金水口地区的基性麻粒岩捕虏体上(余能, 2005; Wangetal., 2022)。同时期的麻粒岩相副片麻岩虽然分布较广,但其峰期温度未准确限定(700～860℃;余能, 2005),很可能不超过800℃(Wangetal., 2022)。该时期的地壳深熔作用此前主要通过不同地段高级片麻岩和混合岩中深熔锆石的年代学和地球化学特征来限定(Gaoetal., 2023),缺少系统的岩石学观察。东昆仑造山带的其他地区是否存在能够记录该时期较高温变质作用的基性麻粒岩?如果存在,它们的P-T轨迹是什么样子?麻粒岩相高温事件是否一定早于大规模的地壳深熔作用(余能, 2005; 孟繁聪等, 2018)?这些问题的解决有赖于详细的野外调查和岩石学研究。

作者在东昆仑造山带的大格勒沟一带首次发现原位基性二辉麻粒岩露头,其产状明显不同于金水口地区的同类型岩石(以包体形式存在于花岗岩体中)。本文通过对这套岩石详细的岩石学和锆石U-Pb年代学研究,探究了东昆仑造山带高温变质作用的特点和时空分布规律,为下一步深入研究东昆仑造山带的深部动力学过程和地壳高温-深熔作用提供了基础资料。

1 区域地质背景和野外产状

东昆仑造山带位于青藏高原东北部,全长约1500km,近北西西向展布,是秦岭-祁连-昆仑中央造山带的重要组成部分(图1a; 姜春发等, 1992)。它的北侧为柴达木盆地,南侧为可可西里-巴颜喀拉造山带(以东昆南断裂为界)。东昆仑造山带经历了长期复杂的地质演化,构造变形和岩浆活动强烈,一般以东昆中断裂带为界将其划分为昆北和昆南两个地质体(图1a)。东昆仑造山带的变质岩广泛出露,它们多构成前寒武系结晶基底(主体被称为金水口群),变质程度可达高角闪岩相和麻粒岩相。传统上将该岩群划分为白沙河岩组和小庙岩组:前者主要由黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩及石英片岩组成,后者则主要由斜长角闪岩、黑云母片岩、变粒岩和大理岩组成(王云山和陈基娘, 1987; 陆松年, 2002)。近年来学者们陆续从金水口群中识别出榴辉岩相高压变质岩(Mengetal., 2013; Wangetal., 2017; Songetal., 2018),这表明该岩群的构成较复杂,原有的划分方案过于简化。东昆仑造山带的岩浆活动从古元古代持续到新生代,以晚古生代-早中生代的中酸性侵入岩最为发育,基性岩浆岩规模较小,多以岩墙形式产出(莫宣学等, 2007)。东昆仑造山带的沉积岩系出露规模远小于结晶岩系,零星出露的地层有下泥盆统牦牛山组(火山-沉积岩)和下石炭统大干沟组(砂岩、火山砾岩、灰岩)等(孙崇仁, 1997)。

图1 东昆仑造山带大地构造位置图(a,据Meng et al., 2013修改)和大格勒地区地质简图及取样位置(b,据青海省地质矿产局, 1983(1)青海省地质矿产局. 1983. 1:200000格尔木东农场幅地质图; 青海省地质调查院, 2010(2)青海省地质调查院. 2010. 1:250000格尔木市幅建造构造图; 杜玮, 2018; Xin et al., 2018修改)Fig.1 Tectonic map of the East Kunlun Orogenic Belt (a, modified after Meng et al., 2013) and geological map of the Dagele area in the eastern segment of the East Kunlun Orogenic Belt, showing sample location (b, modified after Du, 2018; Xin et al., 2018)

研究区位于东昆仑造山带昆北地体东段的大格勒沟一带,属于金水口群(图1b)。大格勒二辉麻粒岩具有两种产状:(1)致密均匀块状,无定向,风化面灰黑色(图2a);(2)薄板状或条带状,发生强烈面理化,极易破碎(图2b)。它们均为细粒结构,肉眼难以分辨其矿物组成。围岩主要为副片麻岩和条带状混合岩,局部可见条带状花岗片麻岩。这些片麻岩的表面往往被风化作用改造成土黄色渣土,露头破碎严重。大部分片麻岩遭受强烈绿片岩相或角闪岩相改造,偶见少量残余状夕线石或堇青石等高温变质矿物。根据我们的初步研究,仅有少许花岗片麻岩较好地保存了低压麻粒岩相特征矿物组合(即堇青石+夕线石+条纹长石)。

图2 东昆仑大格勒地区二辉麻粒岩野外照片Fig.2 Field photos of two-pyroxene granulites from the Dagele area, East Kunlun Orogenic Belt

2 岩相学和矿物成分特征

矿物显微结构和EDS分析在北京大学地球科学国家级实验教学示范中心完成。矿物成分分析在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成,电子探针仪器型号为JXA-iHP200F。测试工作条件为:加速电压15kV,加速电流20nA,束斑直径2～5μm。使用天然矿物或合成氧化物作为标样。所有测试数据均进行了ZAF校正处理。电子探针分析结果见表1,矿物化学式均由AX程序计算。

表1 大格勒地区二辉麻粒岩(样品DG21-14)主要矿物的电子探针测试结果(wt%)Table 1 EPMA analyses of major minerals (wt%) in the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

本文研究的二辉麻粒岩样品(DG21-14,取样位置:36°13.23′N、95°47.22′E)为薄板状,镜下呈他形细粒近等粒变晶结构,片麻状构造,主要矿物为斜长石(40%)、单斜辉石(10%)、斜方辉石(20%)、黑云母(10%),角闪石(10%),次要矿物和副矿物为磷灰石、钛铁矿和石英,未见石榴石(图3a, b)。

图3 大格勒地区二辉麻粒岩的典型显微结构(a)包裹辉石和斜长石的他形填隙状生长的角闪石(单偏光);(b)斜方辉石包裹的残余黑云母以及基质黑云母(单偏光);(c-f)斜长石变斑晶(Pl-2)中的包体(BSE图像);(g、h)斜长石变斑晶之间的脉状石英集合体,其内含有细粒斜长石和单斜辉石(BSE图像).Pl-1-低钙斜长石;Pl-2-高钙斜长石;Cpx-单斜辉石;Opx-斜方辉石;Hb-普通角闪石;Bt-黑云母;Ilm-钛铁矿;Czo-斜黝帘石;Ru-金红石;Sph-榍石;Qz-石英;Act-阳起石;F-Ap-氟磷灰石;Cl-Ap-氯磷灰石Fig.3 Microtextures of the two-pyroxene granulite from the Dagele area

大部分斜长石呈他形粒状或板状,粒径0.1～0.5mm。少部分斜长石呈粗粒变斑晶,多包裹他形单斜辉石、斜方辉石、黑云母和钛铁矿。BSE图像和EDS分析显示(图3c-f),这些斜长石变斑晶(Pl-2, An=73～81,见图4a)中还零星分布着残余状细粒相对低钙的斜长石(Pl-1, An=46～51)。这些低钙斜长石又包裹了石英和斜黝帘石等更细小的矿物(图3c-e),它们可能代表了麻粒岩相阶段之前的变质矿物残余。一些角闪石边缘环绕着单斜辉石(图3d),可能意味着进变质脱水反应的发生。基质中的单斜辉石和斜方辉石的形态和粒度(0.1～0.5mm)均比较接近,为粒状、板条状或不规则港湾状,部分辉石颗粒呈带状沿斜长石边缘分布(图3e, g, h)。单斜辉石成分界于普通辉石和透辉石之间(图4b),Mg#(=MgO/(MgO+FeO), 摩尔比)=0.73～0.75。斜方辉石属于顽火辉石(图4b),Mg#比单斜辉石低,为0.61～0.62。大部分角闪石,形状不规则,多呈填隙状充填于斜长石和辉石之间,或者以细小包体形式出现于斜方辉石内。BSE图像和EDS分析显示少量角闪石发育环带结构(图3c, d, f),其核部成分与斜方辉石内的角闪石包体接近(即第一期角闪石,表1),其边部成分与填隙状基质角闪石成分接近(称为第二期角闪石)。角闪石均为钙质角闪石,在Si-Mg#图上投在镁角闪石范围(图4c)。和第二期相比,第一期角闪石具有较低的Mg#和较高的Al2O3、TiO2和K2O,可能代表较高的温压条件。第二期角闪石中还偶尔包裹了阳起石(图3f),可能代表了早期低温变质残余矿物。黑云母表现出多期生长的特点,既可以被其他镁铁质矿物和富钙斜长石包裹(图3b),也可以呈填隙状充填于斜长石和辉石之间。不同产状的黑云母成分变化范围均较小(图4d),其Mg#为0.63～0.65,含有较高的TiO2(4.55%～5.01%)。副矿物主要是钛铁矿和磷灰石。钛铁矿的形态以他形为主,自形晶较少见,成分十分接近理想端元。部分钛铁矿中包裹有细小的金红石包体,而金红石边缘环绕着榍石(图3c)。磷灰石有氟磷灰石和氯磷灰石,前者仅以包体出现于低钙斜长石(Pl-1)中,后者则以基质或包体形式广泛出现在辉石和高钙斜长石等较粗粒的矿物中(图3f)。

图4 大格勒地区二辉麻粒岩矿物成分图解(底图据Smith and Brown, 1988; Morimoto, 1988; Leake et al., 1997)(a)长石;(b)辉石,三角形代表单斜辉石,正方形代表斜方辉石;(c)角闪石;(d)黑云母. Wo-硅灰石;ClEn-斜顽辉石;ClFs-斜铁辉石;En-顽火辉石; Fs-铁辉石Fig.4 Compositional variations of major minerals in the two-pyroxene granulite from the Dagele area (base maps after Smith and Brown, 1988; Morimoto, 1988; Leake et al., 1997)

3 锆石结构、年代学及微量元素特征

锆石分选、制靶以及CL图像分析均在廊坊市诚信地质服务有限公司进行。锆石U-Pb年代学测试在北京快科赛默科技有限公司完成,实验仪器为安捷伦公司串联四级杆电感耦合等离子体质谱(Agilent ICP-MS/MS8900),搭载ESI公司准分子激光剥蚀系统New Wave NWR 193UC。激光采样为单点剥蚀,束斑和频率分别为15μm和5Hz。测试样品时使用91500锆石进行同位素分馏校正,监控标样为Plesovice锆石。离线数据处理采用澳大利亚墨尔本大学同位素研究组开发的数据处理软件Iolite。锆石U-Pb年龄谐和图与206Pb/238U加权平均年龄绘图计算使用IsoPlot 4.15程序。监控标样测试年龄值与推荐值在误差范围内一致。

根据阴极发光(CL)图像将二辉麻粒岩样品DG21-14的锆石分为两类(图5)。第一类含或不含细小继承核(图5a-d),呈短柱状或浑圆状,发育典型的冷杉状扇形环带(fir-tree sector zoning),局部显示出振荡韵律特点,这些特征指示其为变质成因(Rubatto, 2017)。这类锆石的残余继承核CL图像差别较大,一些比增生边明亮(图5a),另外一些明显比增生边暗得多(图5b)。第二类发育明显的核-边结构(图5e, f),CL图像显示其边部极窄,这类锆石所占比例较小,约占全部锆石颗粒的5%。和其边部相比,第二类锆石的核部整体较暗,呈不规则斑杂状或蜂窝状,含有大量细小包体,这表明它们可能经历过变质改造或低温蚀变作用。第二类锆石的核部特征(图5e-f)与第一类锆石的部分残余核(图5b)特征极为相似,这可能表明不同锆石颗粒被改造的程度以及变质环带的发育程度存在较明显的差异。

图5 大格勒地区二辉麻粒岩(样品DG21-14)代表性变质锆石的CL图像及主要包体(a-d)第一类锆石;(e、f)第二类锆石;(g-l)第一类锆石及其中的固相包裹体. L-熔融包裹体;Kfs-钾长石Fig.5 Cathodoluminescence (CL) images of representative metamorphic zircons and their inclusions in the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

经EDS能谱鉴定,第一类锆石的矿物包裹体主要为高钙斜长石(Pl-2)、单斜辉石、黑云母、钛铁矿、石英(图5g-l),与镜下观察到的麻粒岩相矿物组合接近。熔融包裹体可分为两类,其中一类已充分结晶,表现为长石(包括钾长石和钠长石)和石英构成的多相包体;另一类则是均一相,应是未结晶的熔体(玻璃)。这些包体特征表明锆石形成于麻粒岩相部分熔融阶段, 为变质成因(吴元保和郑永飞,2004)。

U-Pb同位素和微量元素分析仅对第一类的14粒锆石开展。所分析锆石的U含量为200×10-6～595×10-6,Th含量为71×10-6～307×10-6,Th/U比值为0.35～0.60 (表2)。全部分析锆石的206Pb/238U值和207Pb/235U值谐和性较好,均集中于谐和曲线附近(图6),谐和年龄为411.4±2.9Ma(MSWD=1.05)(表2),与14个分析点的206Pb/238U加权平均年龄(411.8±3.7Ma)十分接近。结合锆石包体矿物组合,本文认为这一年龄代表了麻粒岩相变质作用的发生时间。

表2 大格勒地区二辉麻粒岩(样品DG21-14)锆石U-Pb定年结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb ages of the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

图6 大格勒地区二辉麻粒岩(样品DG21-14)变质锆石U-Pb年龄谐和图(a)和频数图(b)Fig.6 Concordia diagram (a) and frequency diagram (b) of metamorphic zircons in the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

4 温压条件计算

由于单斜辉石和斜方辉石是主要的麻粒岩相平衡共生矿物,其平衡温度基本可以代表峰期温度或其下限(即冷却温度)条件。本文使用三个版本的二辉石温度计进行了温度计算(Wood and Banno, 1973; Wells, 1977; Brey and Köhler, 1990)。Wells (1977)的温度计结果明显高于其他两个版本,这可能是研究样品的辉石较富镁所致,该温度计的计算结果仅做参考。二辉石温度计显示大格勒二辉麻粒岩的变质峰期温度为840～910℃(表3)。由吴春明等(1999)的黑云母-斜方辉石温度计获得0.3～0.8GPa压力条件下的变质温度为720～785℃,明显低于二辉石温度计的计算结果,这可能是降温过程中黑云母发生成分扩散导致,代表了样品退变质阶段的温度。

表3 大格勒地区二辉麻粒岩(样品DG21-14)的峰期变质温度计算结果Table 3 Calculated results of peak metamorphic temperatures of the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

由于本文研究的样品不含石榴石,它们在麻粒岩相条件的压力应不超过1.0GPa(魏春景等, 2017),属于低压麻粒岩相变质岩。单斜辉石不含钙契尔马克分子(表1),因此不能使用McCarthy and Patio Douce (1998)的麻粒岩经验压力计来估计压力。金水口地区的一些麻粒岩样品含有Grt+Opx+Pl+Qz 组合,算得的变质压力为0.56～0.70GPa(Wangetal., 2022),属于低压麻粒岩相。虽然Wangetal.(2022)将其称为含石榴石基性麻粒岩,但根据其石榴石贫钙且不含单斜辉石的特点,应划为长英质麻粒岩(变质杂砂岩)。Wangetal.(2022)所测的麻粒岩相变质年龄(206Pb/238U加权平均年龄为409.7±1.7Ma)与本文十分接近,因此极有可能与本文的样品经历相同的变质历史。结合余能(2005)算得的金水口和白日其利地区同时期麻粒岩相压力范围(0.4～0.6GPa),我们认为东昆仑早泥盆世麻粒岩相的压力合理范围为0.4～0.7GPa。因此本文选择0.6GPa作为麻粒岩相变质压力,对二辉麻粒岩样品DG21-14在NCKFMASHTO体系下进行相平衡模拟。计算软件为THERIAK-DOMINO(Vers.01.08.09),使用的热力学数据库文件为td-6axNCKFMASHTOm45.txt,https://dtinkham.net/peq.html)。

相平衡模拟所用的全岩成分来自XRF分析结果,之后扣除了磷灰石所占有的钙。Fe3+/Fetotal的比值(0.12)是用化学滴定法确定的。考虑到烧失过程中二价铁被氧化造成质量的增加,本文对烧失量进行了校正,把校正后的结果作为最大含水量,在0.6GPa下计算了T-XH2O视剖面图(图7a、表4)。考虑到岩石发生过部分熔融,前文确定的麻粒岩相矿物组合Cpx+Opx+Pl+Ilm+Bt+Hb+Qz应当与熔体达到平衡。图7a显示矿物组合Cpx+Opx+Pl+Ilm+Bt+Hb+Qz+L(图7a-b中以白色标记)稳定的温度范围为820～845℃,随着含水量的增加,该组合的稳定温度范围略有增加。该组合在较宽的含水量范围都能稳定,这表明该组合对含水量的变化不敏感。鉴于此,本文选取XH2O=0.25(图7a中的白色虚线位置)来计算P-T视剖面图(图7b),该值略高于该矿物组合稳定所需的最小含水量(图7a中的A点),可以保证观察到的麻粒岩相矿物组合稳定于固相线之上。继续升高含水量将扩大普通角闪石的稳定范围而缩小黑云母的稳定范围,但由于矿物结构显示本样品的黑云母稳定于峰期条件,因此XH2O不会超过0.7,其在0.25～0.7范围内的变化对麻粒岩相组合的影响较有限。图7b显示固相线和普通角闪石的消失线位置十分接近,观测到的麻粒岩相组合Cpx+Opx+Pl+Ilm+Bt+Hb+Qz+L稳定于一个狭长的区域(温压范围为780～860℃、0.2～0.8GPa),对温度变化较为敏感。结合二辉石温度计的计算结果(表3),本文认为麻粒岩相峰期温度很可能越过了普通角闪石的消失线,形成的组合应当为Cpx+Opx+Pl+Ilm+Bt±Qz,镜下观察到的少量该阶段的角闪石(图3)很可能为亚稳定状态。该组合包含黑云母但不包含钾长石,与镜下观察到的矿物结构一致。另外,斜长石的An等值线(图7b)显示,该组合的斜长石成分与基质斜长石(Pl-2)接近,支持其为麻粒岩相变质产物,与低钙的斜长石(Pl-1)成因不同。但由于该组合的稳定温压范围较大,An等值线的变化范围也较大,因此在这里不能用矿物组合和An等值线来准确地限定麻粒岩相温压条件,需要结合传统温压计和矿物反应关系综合分析。

表4 大格勒地区二辉麻粒岩(样品DG21-14)相图计算有效全岩成分表(mol/mol)Table 4 Bulk-rock compositions used for pseudosections for the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area (mol/mol)

图7 大格勒地区二辉麻粒岩(样品DG21-14)在NCKFMASHTO体系下的T-XH2O(a)和P-T(b)视剖面图图a中的A点指示了图b中矿物组合出现所需要的最小含水量. 图b中的麻粒岩相矿物组合边界标记为浅蓝色,方框为传统温压计计算的麻粒岩相温压范围. 固相线标记为橙色. 图b中带有数字的虚线表示的是斜长石的An等值线. L-熔体,Grt-石榴石,其他矿物代号与前文相同Fig.7 T-XH2O (a) and P-T (b) pseudosections in the NCKFMASHTO system of the two-pyroxene granulite (Sample DG21-14) from the Dagele area

镜下观察到的熔融结构(图3g, h)和锆石熔融包裹体表明本文研究的样品发生了麻粒岩相部分熔融。考虑到二辉麻粒岩普遍存在熔体丢失的现象,需要对麻粒岩丢失熔体之前的成分进行计算,以便对麻粒岩相变质之前的矿物组合开展相平衡模拟。Palinetal.(2016)对较富钾玄武岩成分的进变质模拟结果显示,在900℃和0.6GPa条件下的熔融程度约为25%。样品DG21-14的全岩成分与之较接近,它很可能也经历了相同程度的部分熔融,且熔体从体系中迁移出去。模拟麻粒岩相叠加之前的变质条件需要还原熔体丢失之前的有效全岩成分,为此本文使用软件THERIAK-DOMINO(Vers.01.08.09)中的theriak.exe程序计算了麻粒岩相条件(参考上述温压计算结果,这里设定的条件为900℃和0.6GPa)下熔体的成分和含量。假定原岩在此条件下的熔融程度也为25%且熔体一次性全部丢失,由此可以估算出熔体丢失之前的全岩成分(表4)。由于存在早期残余的含水矿物斜黝帘石,我们推测麻粒岩相叠加之前的变质阶段水可能接近饱和状态,以此计算了P-T视剖面图(图8a、表4)。在图8a中,所观察的矿物组合Czo+Ru+Sph+Hb+Bt+Pl+Qz并不出现在同一个稳定域内。组合Czo+Pl仅共生于较低温压条件下,与高温高压实验模拟的基性岩金红石的稳定范围不一致(Johnetal., 2011)。相反,组合Czo+Ru+Sph+Hb+Bt+Qz稳定范围为0.85～1.18GPa、500～640℃,对应于高压角闪岩相条件,符合金红石的稳定条件。另外,由相图可知,如果沿降压升温的P-T轨迹进行,在固相线附近是可以形成Czo+Pl组合的。结合角闪石周围环绕单斜辉石的结构(图3d),本文所研究的样品很可能在高压角闪岩相和麻粒岩相之间还存在一期低压角闪岩相阶段,形成组合Czo+Pl+Cpx(图8a)。

图8 大格勒地区二辉麻粒岩(样品DG21-14)熔体丢失前的P-T视剖面图(a)和P-T轨迹示意图(b)图a的高压角闪岩相和低压角闪岩相矿物组合的边界标记为浅蓝色. 图b的变质相界线及代号参看Liou et al. (2004). Gln-蓝闪石,其他矿物代号与前文相同Fig.8 P-T pseudosection of sample DG21-14 using estimated bulk compositions prior to melt loss (a) and the proposed P-T path (b)

5 变质演化阶段

根据岩相学和矿物成分分析结果,结合相平衡模拟,本文把大格勒二辉麻粒岩的变质演化分成四个阶段。第一阶段以低钙斜长石(Pl-1)和钛铁矿中的包体矿物为代表,矿物组合为Czo+Ru+Sph+Bt+Hb±Act+Qz。金红石在基性岩石中的稳定压力较高(一般大于1.0GPa, Johnetal., 2011),它的出现代表了高压角闪岩相变质阶段。随着压力的降低和温度的升高至固相线附近,斜黝帘石转变为低钙斜长石(Pl-2),并出现单斜辉石(图3d),很可能对应了一期低压角闪岩相阶段(第二阶段)。随着温度的继续升高,岩石进入麻粒岩相阶段(第三阶段),形成矿物组合为Opx+Cpx+Pl-2+Ilm+Hb+Bt+Qz。由于不存在石榴石,该阶段的压力应小于1.0GPa(魏春景等, 2017)。与麻粒岩相矿物平衡共生的磷灰石具有富氯的成分,明显不同于早期的富氟磷灰石(图3e),很可能指示了流体成分的明显变化。前者代表了体系中较高的盐度(XNaCl),与其麻粒岩相低水活度的环境相匹配。第四阶段为近固相线熔体-矿物反应阶段,该阶段是通过矿物反应结构确定的,没有合适的温压计。大量普通角闪石和黑云母呈填隙状充填于辉石和斜长石变斑晶之间,这类角闪石的Al2O3、TiO2和K2O含量均明显低于麻粒岩相角闪石。结合锆石熔融包裹体的EDS成分特征,本文认为变斑晶矿物之间的石英集合体可能代表了富硅熔体的局部富集作用(图3g, h),其中包裹的细粒自形斜长石的An含量与斜长石变斑晶(Pl-2)相同,应该属于转熔成因。结合角闪石的成分特征以及熔体的存在,本文认为这些含水矿物是降温降压至固相线附近时,辉石和斜长石与熔体发生反应的结果(即Cpx+Opx+Pl-2+L(熔体)→Hb,魏春景等, 2017)。黑云母的成分与前一阶段并无区别,都具有较高的钛含量,可能与较高的固相线结晶温度有关。薄片下熔融结构中钾长石的缺失以及锆石富钾熔体包裹体的存在表明固相线附近黑云母的大量生长是通过消耗熔体来实现的(Opx+L→Bt)。

6 讨论

基性二辉麻粒岩是低压麻粒岩相的代表性岩石类型,意味着地壳较浅层次高温事件的发生,对认识造山带的结构和演化具有重要意义。东昆仑造山带关于二辉麻粒岩的报道最早见于天台山和金水口地区(王云山和陈基娘, 1987),但报道者没有提供准确的年代学数据,笼统地将它们都划入下元古界金水口群。刘永成和叶占福(1998)将该套以包体形式存在于金水口群片麻岩中的麻粒岩相变质基性岩系称为天台山表壳岩组合,认为其原岩为一套基性火山岩-含钙质杂砂岩,记录了该地区最早的地质事件,表明当时已出现陆壳源区。近年来,对东昆仑低压麻粒岩相变质作用的系统研究主要集中在金水口地区,该地区的低压麻粒岩以包体形式产于花岗质岩体中。张建新等(2003)对花岗质岩石和副片麻岩包体进行了锆石SHRIMP测年,结果显示副片麻岩经历了460Ma左右的麻粒岩相变质作用,而花岗岩发生了402Ma左右的深熔作用,反映了古生代两期构造热事件。龙晓平(2004)根据817.0±10.7Ma和621.1±5.7Ma的锆石U-Pb年龄,认为金水口麻粒岩包体的原岩可能形成于晚元古代,麻粒岩相变质作用发生于震旦纪。何凡和宋述光(2020)对该地区的二辉麻粒岩包体开展了进一步研究,在锆石U-Pb谐和图上获得上交点年龄为995±34Ma,下交点年龄为417±30Ma(MSWD=1.05)。他们认为前者代表格林威尔期麻粒岩相变质年龄,后者代表泥盆纪变质改造年龄。Wangetal.(2022)也对它们开展了类似的工作,但认为二辉麻粒岩的变质年龄为410Ma,与区域上的一些变泥质岩的峰期变质年龄接近(龙晓平, 2004)。以上研究显示金水口地区的麻粒岩具有复杂的变质年龄构成,这可能跟以下两方面因素有关。一方面,由于锆石生长的复杂性以及寄主岩石矿物组合的差异,不同样品中锆石变质生长或重结晶程度存在差异,锆石所反映的变质事件也有所不同(Jianetal., 2013)。由于有些锆石年代学研究缺少配套的岩相学分析,其年龄能否代表麻粒岩相发生的时间尚不明确。另一方面,由于这些麻粒岩以包体形式存在,其确切来源难以准确限定。它们既可能是来自花岗质岩浆的源区,也有可能是花岗质岩浆在上升过程中从围岩捕获的,因此其出现多个年龄也是正常的。Heetal.(2022)报道了五龙沟地区高压麻粒岩的变质年龄为940Ma, 支持本地区的新元古代高温变质事件。这项研究也说明了东昆仑造山带长期和复杂的变质演化历史,有待通过下一步工作厘清各个变质单元的关系和空间展布规律。

与金水口地区麻粒岩产状不同的是,大格勒的麻粒岩呈透镜状或夹层状产于副片麻岩中。根据我们的初步研究结果,这些围岩片麻岩大部分受到强烈的绿片岩相或角闪岩相叠加,只有少部分保存了完整的低压麻粒岩相矿物组合。这很可能表明这些岩石构成了具有一定规模的高温变质单元。本文研究的二辉麻粒岩样品锆石U-Pb同位素年龄数据谐和性较好,206Pb/238U加权平均年龄为411.4±2.9Ma(MSWD=1.05),结合详细的锆石包体组合分析,可以确定这一年龄代表区域上麻粒岩相变质事件的时间。这一结果也与金水口和白日其利地区的泥质麻粒岩年代学分析一致(龙晓平, 2004),同时也与区域上混合岩化发生的时代吻合(Gaoetal., 2023)。这表明了东昆仑造山带在晚古生代早期存在一期区域规模的高温变质和深熔事件,不支持本地区深熔作用滞后于麻粒岩相变质作用的认识(余能, 2005; 孟繁聪等, 2018)。

在整个东昆仑造山带都广泛存在志留纪-泥盆纪的A2型花岗岩体(刘彬等, 2012; 陆露等, 2013; 严威等, 2016; Xinetal., 2018; 张亮等, 2021),它们的锆饱和温度计显示其形成温度超过800℃,属于高温花岗岩(吴福元等, 2007)。同时期的喷出岩以牦牛山组酸性火山岩为代表。诺木洪南的流纹岩锆石U-Pb年龄为411.9±3.8Ma,锆石饱和温度839～873℃,也具有A型花岗岩的地球化学特点(董金龙, 2020)。同位素地球化学特征显示,这些A型酸性岩浆岩虽然都是长英质地壳岩石部分熔融产生,但大部分都含有一定量的地幔物质。同时期的S型花岗岩出露较有限,主要位于金水口地区,这类花岗岩同样具有很高的形成温度,被认为是杂砂岩部分熔融形成的(巴金等, 2012)。以上高温花岗质岩浆作用的时间跨度较大(430～380Ma),这说明东昆仑造山带沿走向受到岩石圈规模高温变质作用的长期改造。大格勒基性二辉麻粒岩的麻粒岩相温压条件为840～910℃、<0.9GPa,直接记录了东昆仑造山带早泥盆世较浅层次异常高温事件。幔源基性岩浆活动在这一时期主要表现为小规模产出的辉绿岩和辉长岩(刘彬等, 2012; Dongetal., 2020; 张亮等, 2021)。邻近大格勒沟的五龙沟地区片麻岩地体中的堆晶辉长岩代表了地壳较浅层次岩浆房的存在(张亮等, 2021)。根据这些辉长岩的全岩成分算得的堆晶岩结晶温度为1180℃左右(Songetal., 2007),这些岩浆很可能提供了区域高温变质作用和深熔作用所需要的主要热量。另外,虽然麻粒岩相岩石广泛分布于东昆仑造山带(周文孝等, 2020),但是大部分变质地体没有记录如此高的变质温度。目前尚不清楚这到底是由于岩性不同导致的峰期温度记录差异,还是由于距离热源远近差异造成的。

大格勒榴辉岩(熊富浩和马昌前, 2016)以及金水口以东20km左右的冰沟榴辉岩(Wangetal., 2017)记录了460～450Ma左右的高压变质事件。本文研究的二辉麻粒岩位于前者的东南方向,相距不足10km,二者通常被划在同一构造带上,都属于金水口岩群(图1b)。根据斜长石变斑晶中的残余矿物组合及相平衡模拟,我们认为这些二辉麻粒岩很可能是经历了高压变质作用,但由于研究的样品数量有限,目前还不能确定它们是否达到了榴辉岩相。本文研究的锆石未能记录450Ma左右的变质年龄,尚不能确定这是否跟与410Ma麻粒岩相作用对锆石的强烈改造有关。另外需要注意的是,虽然大格勒榴辉岩与本文研究的二辉麻粒岩在空间上十分接近,但前者仅受到了角闪石相退变质叠加,并没有经历高温麻粒岩相改造,与本文的样品在岩相学存在显著不同。张建新等(2003)报道了金水口地区泥质麻粒岩包体的峰期变质年龄为460Ma,明显老于本地区同类型变质岩的峰期年龄(龙晓平, 2004; Wangetal., 2022),但与区域上榴辉岩相变质时代接近。然而金水口地区的各类麻粒岩包体均以低压变质为特征,还没有发现高压变质作用的矿物学记录。总而言之,大格勒地区的二辉麻粒岩顺时针P-T轨迹很可能反映了东昆仑地区晚古生代活动陆缘由挤压到伸展模式的转换,但它们与大格勒榴辉岩和金水口麻粒岩之间的成因联系有待进一步研究。

7 结论

本文首次报道了东昆仑造山带大格勒地区金水口群变质岩系中的基性二辉麻粒岩。它们呈透镜状或夹层状产于副片麻岩中,主要由斜方辉石、单斜辉石、斜长石、黑云母、普通角闪石组成。根据矿物结构关系、矿物对温压计以及相平衡模拟确定了四个变质阶段,它们构成顺时针P-T轨迹。早期经历高压角闪岩相变质阶段,形成的矿物(如金红石和斜黝帘石等)以细小残余包体形式保存于斜长石和钛铁矿变斑晶中。在 随后的升温降压过程中发生斜黝帘石向斜长石的转变,并形成单斜辉石,可能对应一期低压角闪岩相阶段。随着温度的进一步升高,岩石进入低压麻粒岩相变质阶段,早期的大部分矿物受到强烈的变质改造,该阶段温度条件为840～910℃,压力不高于0.9GPa。变质锆石的U-Pb谐和年龄为411.4±2.9Ma(MSWD=1.05),锆石包体组合指示其为低压麻粒岩相叠加年龄。当岩石冷却至固相线附近时,熔体与矿物反应形成大量普通角闪石和黑云母。大格勒地区二辉麻粒岩反映了中等地壳层次区域高温热流事件,与区域上大量沿造山带走向分布的同时期高温花岗岩一起指示了后碰撞伸展阶段的软流圈上涌活动。