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柴北缘锡铁山地体花岗质片麻岩退变质作用和40Ar/39Ar年代学研究及其地质意义

2024-01-16胡荣国白秀娟刘希军杨启军冯佐海蔡永丰赵义来邱华宁

大地构造与成矿学 2023年6期
关键词:花岗质白云母片麻岩

胡荣国, 白秀娟, 刘希军, 杨启军, 冯佐海,蔡永丰, 赵义来, 邱华宁

柴北缘锡铁山地体花岗质片麻岩退变质作用和40Ar/39Ar年代学研究及其地质意义

胡荣国1, 2, 白秀娟3, 刘希军1, 2, 杨启军1, 2, 冯佐海1, 2,蔡永丰1, 2, 赵义来1, 2, 邱华宁3

(1. 桂林理工大学 地球科学学院, 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室, 广西 桂林 541004; 2. 桂林理工大学 有色金属矿产勘查与资源高效利用协同创新中心, 广西 桂林 541004; 3. 中国地质大学(武汉) 资源学院, 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北 武汉 430074)

本文对柴达木盆地北缘锡铁山地区含榴辉岩透镜体花岗质片麻岩进行了系统的矿物学、相平衡模拟以及黑云母和石英40Ar/39Ar年代学研究, 旨在查明花岗质片麻岩在加里东超高压变质之后, 折返过程中发生角闪岩‒绿片岩相退变质作用的变质条件和变质年代。矿物学和相平衡模拟显示, 发育变形石英细脉的黑云母花岗质片麻岩高角闪岩相变质矿物组合(M1)为黑云母+钾长石+斜长石+石英+金红石+矽线石+钛铁矿, 对应变质条件为>620 ℃,>0.16 GPa; 低角闪岩相‒绿片岩相变质矿物组合(M2)为黑云母+白云母+斜长石+微斜长石+石英+榍石±绿泥石,变质条件为390~420 ℃和=0.10~0.19 GPa。花岗质片麻岩中黑云母激光阶段加热40Ar/39Ar定年获得了一个上升的阶梯状表观年龄图谱, 在中高温阶段则形成了一个平坦的表观年龄坪, 坪年龄为353.9±1.8 Ma, 对应的等时线年龄为356.7±5.6 Ma。变形石英脉样品真空击碎提取流体包裹体40Ar/39Ar定年, 则形成了下降的阶梯状表观年龄图谱, 10~23阶段的数据点给出了357.9±1.6 Ma的坪年龄, 对应的等时线年龄为356.1±3.9 Ma, 记录了锡铁山地体晚泥盆世一期重要的构造热事件和流体活动发生的时间。黑云母和变形石英脉记录一致的~357 Ma晚古生代年龄, 代表了锡铁山地区超高压变质岩及其围岩在经历了加里东期深俯冲以及晚泥盆世造山后岩浆热事件叠加后, 折返到浅部地壳发生角闪岩相至绿片岩相退变质作用的时代。

锡铁山; 花岗质片麻岩; 变形石英脉;40Ar/39Ar定年; 真空击碎

0 引 言

位于南祁连褶皱带‒中祁连地块和柴达木地块之间的柴达木盆地北缘(柴北缘)加里东造山带长约700 km, 主要由鱼卡‒绿梁山、锡铁山和都兰等几个榴辉岩‒片麻岩超高压地体组成(图1a; 杨经绥等, 1998), 是我国造山带、超高压变质岩岩石学和大陆动力学研究的热点地区之一。20多年来, 国内外学者针对该造山带开展了系统的高压‒超高压变质岩岩石学(Zhang et al., 2005; 陈丹玲, 2007; Zhou et al., 2019)、矿物学(Song et al., 2009; Xiong et al., 2015)、流变学(Park and Jung, 2020)、年代学(Xiong et al., 2012; Zhang et al., 2012, 2013, 2019; Menold et al., 2016; Ren et al., 2019; Li et al., 2020)、折返机制和造山带构造演化(Xu et al., 2006; Song et al., 2014; Hu et al., 2016; Li et al., 2019; Yu et al., 2019, 2021)等研究, 并取得了一系列重要的成果。

数据来源: 1. 吴才来等, 2007; 2. Zhao et al., 2017; 3. Zhao et al., 2018; 4. Zhang et al., 2008; 5. 胡荣国等, 2016; 6. Zhang et al., 2012; 7. 孟繁聪等, 2005。

锡铁山榴辉岩‒片麻岩地体位于柴北缘古生代造山带中段, 广泛出露夹有不同规模榴辉岩透镜体的副片麻岩/片岩和花岗质片麻岩(图1b; 张建新等, 2007)。副片麻岩主要有(石榴)矽线黑云片麻岩和石榴矽线黑云片岩等, 由矽线石和黑云母所组成的SSE-NNW向面理(S1)和近水平拉伸线理指示区域发生高温变形(张建新等, 2003, 2007; Zhang et al., 2008, 2012)。通过Grt-Sil-Pl-Qz(GASP)压力计和Grt-Bt温度计计算的变质条件为=0.6~0.9 GPa,=710~ 820 ℃, 反映副片麻岩经历了中压麻粒岩相变质作用(张建新等, 2007)。独居石原位U-Th-Pb(EMP)定年结果显示副片麻岩在经历过超高压变质之后的角闪岩相退变质作用时代为425~422 Ma(Zhang et al., 2012)。区内花岗质片麻岩组成较为多样, 包括黑云斜长片麻岩、二云钾长片麻岩、黑云母二长片麻岩等。已有研究显示花岗质片麻岩和副片麻岩具有相似的地球化学组成和一致的Nd模式年龄(1.88~2.18 Ga), 花岗质片麻岩可能是副片麻岩(片岩)原地熔融的产物。花岗质片麻岩锆石U-Pb测年获得478±44 Ma的下交点年龄(张建新等, 2003), 与柴北缘地区榴辉岩的变质锆石年龄在误差范围内一致, 表明其在早古生代与所夹的榴辉岩一起经历了深俯冲作用(张建新等, 2003; Zhang et al., 2009; 于胜尧等, 2019)。考虑到榴辉岩中普遍缺少能够用来限定其晚期退变质作用年代的定年矿物(如云母、长石等), 因此富含这些矿物且和榴辉岩一起卷入了加里东期高压‒超高变质作用的片麻岩无疑是非常理想的补充研究对象。目前针对区域花岗质片麻岩(片岩)的研究主要集中在Sm-Nd同位素地球化学和早古生代高压‒超高压变质年代学上, 而对其矿物学、退变质作用以及退变质年代学研究还相对缺少。鉴于此, 本文以锡铁山地区的花岗质片麻岩(黑云二长片麻岩)为重点剖析对象, 通过系统的岩相学、矿物学、视剖面模拟, 以及花岗质片麻岩中黑云母和顺片麻理发育的变形石英细脉40Ar/39Ar热年代学的综合研究, 旨在厘定花岗质片麻岩在遭受了同构造和造山后岩浆热事件叠加后, 从中‒下地壳折返到浅部地壳过程中发生角闪岩‒绿片岩相退变质作用变质条件和变质年代, 并探讨其大陆动力学意义。

1 地质背景及样品描述

柴达木盆地北缘(柴北缘)造山带位于柴达木地块和祁连地块之间, 是近二十年来我国西部新厘定的一条榴辉岩‒石榴石橄榄岩‒片麻岩超高压变质岩带。位于该超高压变质带中部的锡铁山地体主要分布在锡铁山‒阿莫尼克山一带, 榴辉岩及其退变质产物主要以透镜状和布丁状赋存于发育等斜褶皱的下元古界达肯达坂群泥质片麻岩和花岗质片麻岩中(图1b)。区内新鲜榴辉岩较为少见, 仅保留在较大透镜体的中心部位(张建新等, 2007), 大部分榴辉岩都经历了不同程度的后成合晶和角闪岩相退化变质的叠加改造, 转变成石榴麻粒岩、石榴辉石岩、石榴角闪岩或斜长角闪岩。区内片麻岩锆石SHRIMP U-Pb定年结果显示, 其在早古生代高压‒超高压变质(450~437 Ma)之前还经历过晋宁期的变质作用(950~890 Ma; Zhang et al., 2008, 2009, 2012)。研究区内还广泛发育富含斜长石和钾长石的浅色体, 是含水矿物如黝帘石、多硅白云母等脱水分解, 触发超高压榴辉岩或片麻岩发生部分熔融的产物(Chen et al., 2012; 胡荣国等, 2016; 于胜尧等, 2019)。浅色体中的锆石U-Pb定年结果记录了~910 Ma、~450 Ma和428~426 Ma三组年龄, 分别被解释为片麻岩原岩结晶时代、高压‒超高压变质作用时代和熔体结晶时代(Chen et al., 2012; 于胜尧等, 2019)。

本次研究对象为黑云花岗质片麻岩(09NQ57A)和顺片麻理发育的变形石英细脉(09NQ57B), 片麻理产状为58°∠71°。黑云花岗质片麻岩呈浅灰白色, 片麻状构造(图2a), 细粒鳞片变晶结构, 主要由石英(~40%)、斜长石(~35%)、钾长石(~10%)、黑云母(~10%)、白云母(<3%)和绿泥石(<3%)组成(图2b、c), 副矿物主要为金红石、榍石、矽线石、锆石、磷灰石和钛铁矿(图2d、e)。石英呈它形粒状, 部分颗粒被压扁拉长, 具波状消光和颗粒边界迁移重结晶现象(图2b、c)。斜长石主要呈半自形‒它形粒状, 发育聚片双晶(图2b), 钾长石主要呈它形粒状; 部分斜长石和钾长石具有弱的波状消光(图2b、c), 反应斜长石‒钾长石矿物组合在晚期退变质阶段也发生了动态重结晶作用。黑云母颗粒较小, 主要呈鳞片状, 部分与细粒白云母共生, 弱定向排列(图2b、c)。金红石完全被榍石替代(图2d)或部分转变为钛铁矿(图2f)。少量黑云母边缘或解理缝隙中可观察到白云母和绿泥石(图2b), 显示白云母和绿泥石主要由黑云母/矽线石变质而来, 同时也暗示花岗质片麻岩在折返过程中遭受了低角闪岩相‒绿片岩相退变质作用的叠加。

矿物代号: Bt. 黑云母; Ms. 白云母; Kfs. 钾长石; Pl. 斜长石; Rt. 金红石; Ttn. 榍石; Ilm. 钛铁矿; Sil. 矽线石; Chl. 绿泥石; Qz. 石英。

顺片麻岩片麻理方向发育一条宽约3~5 cm的变形石英脉(图2a)。对该变形石英脉样品的流体包裹体进行了初步的岩相学和相变温度观察与分析(课题组未发表数据), 包裹体可分为2种类型: ①中高盐度水溶液包裹体(Ⅰa): 该包裹体是石英中最主要的流体类型, 主要包括孤立或小群状随机分布的原生包裹体(图2g)。包裹体多呈负晶形、浑圆或不规则状, 大小从1~20 µm至数十微米不等, 主要含有H2O和CO2。冰点温度(m)的变化范围在−15.7~−6.0 ℃之间, 对应的流体盐度为19.2%~9.2%NaCleqv; 加热时液气均一到液相, 均一温度(h)变化范围在235~180 ℃之间。②低盐度水溶液包裹体(Ⅰb): 低盐度水溶液包裹体呈现出典型的次生包裹体特征, 主要沿矿物不同方向晶内裂隙分布, 浑圆或不规则状, 主要含有H2O和CO2(图2h),为晚期捕获的流体。室温时为单液相或气液两相,m为−13.7~−5.8, 相对应的流体盐度为17.5%~8.9% NaCleqv; 加热时均一到液相,h为205~176 ℃。

2 实验技术

全岩主量元素分析在荷兰阿姆斯特丹自由大学地质系完成, 采用玻璃熔饼法, 分析仪器为荷兰PANalytical-AxiosmAX型X荧光光谱仪(XRF)。黑云母和石英单矿物分选在荷兰阿姆斯特丹自由大学选矿实验室完成, 选出的黑云母粒径在100~200 μm之间, 而石英粒径则在500~1000 μm之间。实验样品与标准样品分别用铝箔和铜箔包装呈小圆饼状, 密封于玻璃管内。为了获得样品的值, 在玻璃管两端及每4个样品中间插放一个标样, 并记录每个样品及标样在玻璃管中的位置, 用以确定样品管值的变化曲线, 并通过曲线方程计算出每个样品的值。2件样品送至美国俄勒冈州立大学核反应堆中心, 在TRIGA反应堆中使用快中子照射20小时, 中子活化编号为VU83, 中子通量监测标准样品为DRA-1透长石, 其年龄为25.26±0.2 Ma(Wijbrans et al., 1995), 干扰同位素校正因子为多次测量的平均值, 分别为(39Ar/37Ar)Ca=6.73×10−4, (36Ar/37Ar)Ca=2.64×10−4, (40Ar/39Ar)K=8.60×10−4, (38Ar/39Ar)K=1.211×10−2。标样用激光阶段加热求得值, 然后根据值变化曲线的函数关系和样品的位置, 计算出每个样品的值。黑云母激光阶段加热和石英真空击碎提取流体包裹体40Ar/39Ar测试工作分别在阿姆斯特丹自由大学40Ar/39Ar同位素实验室的MAP215-50气体质谱计和Quadrupole质谱计上完成, 具体实验过程见Hu et al. (2015), 数据处理和成图采用Koppers (2002)的ArArCALC V2.50软件。云母的矿物测试分析工作在桂林理工大学地球科学学院电子探针分析实验室完成。仪器型号为JEOL JXA8300型电子探针仪, 工作条件为加速电压15 kV, 探针电流20 nA, 作用时间为20~30 s, 束斑直径为2~5 µm; 标样采用钠长石(Na, Al, Si)、橄榄石(Mg)、镁橄榄石(Fe)、磷灰石(P, Ca)、硅灰石(Mn)、金云母(K)和金红石(Ti); ZAF法校正(atomic number, absorption and fluorescence)。

3 矿物化学成分

云母是变质岩和中酸性岩石中极为常见的主要造岩矿物之一。锡铁山黑云母花岗质片麻岩中的黑云母粒径较小, 在50~200 μm左右, 产状相对单一, 主要镶嵌在石英或长石颗粒之间, 与其共生的白云母也具有相似的产状(图2b)。代表性的黑云母及其共生的长石、白云母和绿泥石电子探针成分分析结果见表1。结果显示, 黑云母Mg/(Mg+Fe)值为1.07~1.11, K/Ca值为43.49~50.86, 属于富镁黑云母(图3a), 而与其共生的白云母Si原子数在6.16~6.26 apfu范围内(基于22个O原子), 落在了普通白云母的区域内(图3a)。绿泥石主要为铁绿泥石, K/Ca值为0.79~21.43; 碱性长石的正长石组分(Or)在65~96之间, 落在微斜长石和透长石的范围内; 斜长石的钙长石组分(An)在17~32之间, 为中长石和更长石(图3b)。

表1 锡铁山花岗质片麻岩(09NQ57A)中代表性黑云母、白云母、绿泥石和长石电子探针分析结果(%)

图3 锡铁山黄羊沟花岗质片麻岩云母分类图(a;底图据Tischendorf et al., 1999)和长石分类(b;底图据Smith and Mackenzie, 1958)图解

Fig.3 Plot of Fetot+Mn+Ti−AlVIvs. Mg−Li of biotite and muscovite from the Xitieshan granitic gneiss (a), and An-Ab-Or classification diagram for feldspars from the Xitieshan granitic gneiss (b)

4 视剖面模拟与P-T演化历史

为了深入探讨锡铁山地区花岗质片麻岩变质演化过程, 本文采用Connolly开发的Perple_X软件(Connolly, 2005; 2021年升级的6.9.1版)展开了视剖面模拟计算。模拟的-范围为: 0.01~0.65 GPa, 300~650 ℃。由于样品中含有较多的含水矿物(如黑云母、白云母、绿泥石等)以及出现钛铁矿, 故选用含水和氧的K2O-Na2O-CaO-MgO-FeO-Al2O3-TiO2- SiO2-H2O-O(KNCMFATSHO)体系模型。假定该体系中的流体相为纯水, 且石英和水均设为过饱和。模拟过程中采用Holland and Powell (1998; 1998年及其2002年更新版, hp02ver.dat)的内部一致性热力学数据库和CORK流体状态方程。模拟所涉及的矿物固溶体活度模型如下: Bio(TCC, 黑云母)、Mica (CHA1, 白云母)、Chl(W, 绿泥石)、Fsp(C1, 钾长石)、Stlp(M, 黑硬绿泥石)、Pl(h, 斜长石), Ilm(WPH, 钛铁矿), 石英、金红石和榍石为纯单元主分。

钛铁矿、黑云母的出现表明样品中Fe3+含量较高, 为了估算岩石中Fe3+的含量及其对矿物组合的影响, 本文计算了压力为0.2 GPa条件下黑云花岗质片麻岩样品的O视剖面图。全岩化学成分与视剖面图中的成分一致, O含量变化于0.01mol%~0.19mol%之间(图4)。O视剖面显示, 早期变质矿物组合(M1)Bt+Kfs+Pl+Qz+Rt+Ilm+Sil在O=0.2~1.0的范围内保持稳定, 因此选取O=0.6 (O=0.11mol%)用来计算该样品的视剖面图。

矿物代号: Bt. 黑云母; Ms. 白云母; Kfs. 钾长石; Pl. 斜长石; Rt. 金红石; Ttn. 榍石; Ilm. 钛铁矿; Sil. 矽线石; Chl. 绿泥石; Qz. 石英And. 红柱石; Crd. 堇青石; Ab. 钠长石; Mc. 微斜长石; Czo. 斜黝帘石; Zo. 黝帘石; Ep. 绿帘石; Osm. 大隅石; mt. 磁铁矿; Rbk. 钠闪石。

锡铁山花岗质片麻岩-视剖面图(图5)显示, 斜长石出现在整个区域, 绿泥石在<320 ℃,<0.15 GPa的低温区域开始出现。在矽线石或者红柱石出现的中高温区域只出现黑云母而无白云母, 显示白云母的出现将消耗矽线石和黑云母; 在绿帘石、铁钠闪石或绿泥石出现的低温区域则只存在白云母, 黑云母消失, 这很好地解释为何在黑云母的解理裂隙或边缘常常发生绿泥石化蚀变(图2d)。伴随着温度和压力的降低, 金红石和榍石在较窄的温度范围内共生, 之后金红石消失。观察到的高角闪岩相变质矿物组合(M1)Bt+Kfs+Pl+Qz+Rt+Ilm+Sil稳定在很宽的温‒压范围内(>610 ℃,>0.13 GPa);而被观察到的晚期低角闪岩相‒绿片岩相变质矿物组合(M2) Bt+Ms+Mc+Pl+Qz+Ttn+Ilm则稳定在360~ 420 ℃和0.01~0.20 GPa的温‒压范围内。采用白云母中最低Si含量(3.08 apfu, 基于11个O原子)等值线, 限定该阶段的变质温‒压条件为390~420 ℃和0.10~0.19 GPa。由于样品中退变质反应只在局部达到了平衡, 因此该温压条件只能作为晚期低角闪岩相‒绿片岩相温压条件的一个参考, 而无法精确限定该阶段的变质条件。

图5 锡铁山花岗质片麻岩P-T视剖面图(矿物代号同图4)

5 40Ar/39Ar定年结果

锡铁山花岗质片麻岩中黑云母和变形石英脉样品的40Ar/39Ar定年结果见表2~3。

表2 锡铁山花岗质片麻岩中黑云母40Ar/39Ar定年结果

黑云母样品(09NQ57A)共进行11个阶段的逐步升温激光加热分析(表2), 形成了一个递增的阶梯状表观年龄图谱; 总气体年龄为322.2±1.7 Ma(图6a)。在加热的第1个阶段给出的表观年龄为201 Ma(其对应的K/Ca值明显偏低), 其后表观年龄逐步上升, 并在5~11阶段形成较为平坦的表观年龄图谱, 对应的坪年龄为353.9±1.8 Ma(图6a, MSWD=0.2,39Ar约占59%), 对应的K/Ca值为55.9±7.9(图6b)。在正等时线图解上, 构成年龄坪的数据点形成了一条相关性良好的等时线, 对应等时线年龄为356.7±5.6 Ma (MSWD=0.2), 相应的截距值则分为249±125(图6c), 在误差范围内与现代空气氩(295.5)一致, 暗示该样品不含过剩40Ar。

对石英样品(09NQ57B)真空击碎提取流体包裹体进行40Ar/39Ar定年, 23个阶段的真空击碎分析(表3)累计次数达17670次, 获得了一个单调递减阶梯状表观年龄图谱(图6d)。表观年龄从第1阶段的1500 Ma逐步下降至9阶段的410 Ma, 而后由10~23阶段数据点构成了一个相对平坦的年龄坪, 对应的坪年龄为357.9±1.6 Ma(MSWD=1.4), 释出的39Ar约占49%。在反等时线图解上, 14个年龄坪数据点构成对应的等时年龄为356.1±3.9 Ma(MSWD=1.5),40Ar/39Ar初始值为299±8(图6f)。

表3 锡铁山花岗质片麻岩中变形石英脉样品40Ar/39Ar定年结果

6 讨 论

6.1 石英脉40Ar/39Ar定年地质意义

石英脉真空击碎提取流体包裹体40Ar/39Ar定年技术已经广泛应用到矿床、油气和超高压变质年代学研究领域(邱华宁和白秀娟, 2019)。显微观察显示, 本次研究的变形石英脉样品中低盐度次生包裹体主要沿矿物裂隙分布, 体积相对较大, 且形态大小变化较大(图2h), 因此这类包裹体最先被破碎提取; 其后逐步过渡到沿矿物愈合裂隙分布的假次生包裹体, 以及体积较大的矿物晶体中的原生包裹体。在本次真空击碎提取流体包裹体40Ar/39Ar定年实验中, 石英样品形成了一个下降型阶梯状释气表观年龄图谱: 即在最初数个阶段对应极老的表观年龄(高达1.5 Ga),而后表观年龄逐步下降, 最后波动趋于平缓, 形成了较为平坦的年龄图谱, 对应的坪年龄为357.9±1.6 Ma,为泥盆纪。在反等时线图解(图6f)上, 实验初期阶段的数据点从低于空气点靠近纵轴一端(过剩40Ar和空气40Ar)逐渐向横轴正方向一端(放射性成因40Ar)移动, 表明这部分气体主要是过剩氩和空气氩的混合。且这些数据点都比较分散, 未见有明确的线性相关性。伴随着敲击次生的增加, 数据点逐步从过剩40Ar端元朝放射性成因Ar*端元和空气Ar端元演化, 实验开始过渡到次生包裹体、假次生包裹体、原生包裹体以及提取装置本底混合释气阶段, 其K/Ca值也逐步的降低(图6e), 暗示流体包裹体的来源具有一定的差异性。最后, 当裂隙中的次生包裹体最终被提取殆尽, 假次生、原生和提取装置本底释气占主要地位后, 数据点构成了线性良好的等时线, 等时线年龄为356.1±3.9 Ma, 对应的初始空气氩比值为299±8, 与现代大气氩40Ar/36Ar值基本一致。

本次研究通过镜下显微观察和等时线分析法对石英脉样品中的次生和原生流体包裹体进行了有效区分, 确定坪年龄主要由原生流体包裹体释气贡献, 因此坪年龄(~357.9 Ma)可以代表石英脉的形成年龄。该年龄晚于区内超高压变质榴辉岩相变质和角闪岩相退变质作用(约441~425 Ma; Zhang et al., 2011; Liu et al., 2012; Hu et al., 2016)、同构造及造山后伸展阶段的岩浆作用(约441~372 Ma; Zhao et al., 2017, 2018)以及区域性韧性剪切断裂活动的时间(约405~398 Ma; Xu et al., 2006; 付建刚等, 2016)。因此石英真空击碎40Ar/39Ar定年结果证明, 花岗质片麻岩中的石英脉形成于造山后伸展挤压构造作用晚期, 是区域性韧性剪切作用和透入性片理带入的浅部流体的产物(原生包裹体不含气相N2-CH4类型的包裹体和过剩40Ar, 暗示流体主要是沿断裂深循环的地表水), 记录了锡铁山地体晚泥盆世一期重要的构造热事件和热液流体活动。相对而言, 变形石英脉样品中的次生包裹体中含有大量的过剩氩, 暗示其流体来源更复杂, 很可能既有沿断裂深循环的地表流体, 也有更晚期的沿深大断裂上来的深部和变质流体, 因为这类流体往往含有大量的过剩氩(Turner and Wang, 1992)。锡铁山地体中多期岩浆热构造事件、晚期频繁的流体活动以及地表流体大规模的沿深大断裂进入浅部地壳与中基性超高压变质岩发生岩水反应很可能是导致区内新鲜榴辉岩难以保存的主要原因之一。

6.2 黑云母40Ar/39Ar定年地质意义

在锡铁山地区, 与Rodinia超大陆汇聚有关的新元古代早期(1000~900 Ma)岩浆作用, 与柴北缘‒祁连地块超高压深俯冲事件有关的早古生代晚期(442~428 Ma)同构造岩浆作用事件(吴才来等, 2004; 孟繁聪等, 2005; Zhang et al., 2008, 2009; Zhao et al., 2017), 以及响应这些岩浆活动的构造热变质事件(张建新等, 2003, 2007; Zhang et al., 2012; Hu et al., 2016)已有过广泛的报道。基于锡铁山地体北部辉长岩和花岗岩锆石U-Pb定年结果, 吴才来等(2007)和Zhao et al. (2018)指出该地区在晚古生代早期(~372 Ma)同样发生过造山后岩浆活动热事件。笔者曾对锡铁山地区榴辉岩及其围岩中‒粗粒花岗质片麻岩和黑云母片岩进行过系统的40Ar/39Ar年代学研究(Hu et al., 2016), 结果显示花岗质片麻岩中白云母40Ar/39Ar定年结果为409~407 Ma, 并未记录晚古生代早期的热构造事件。其原因很可能是白云母具有相对较高的封闭温度(450~400 ℃; Harrison et al., 2009)且粒径较大(粒径500~1000 μm)。与之对应的是, 尽管黑云母片岩中的黑云母在40Ar/39Ar定年的中高温阶段给出~397 Ma的坪年龄和一致的等时线年龄, 但在低温阶段还是给出了~365 Ma的表观年龄以及相应较低的K/Ca值(Hu et al., 2016), 暗示黑云母片岩也曾遭受过区域晚古生代早期岩浆热事件以及流体的影响。黑云母能够在加热的低温阶段记录晚古生代岩浆热事件, 主要原因是黑云母的封闭温度(300±50 ℃; Harrison et al., 1985)低于白云母, 但由于黑云母粒径较大(800~1000 μm), 且样品所包含的云母和长石类矿物几乎没有发生蚀变(即变质过程中外部流体对样品的影响较小), 因此黑云母只在边缘位置遭受了Ar的丢失, K-Ar同位素体系并未被完全重置, 主体仍保留的是遭受早古生代晚期同构造岩浆热事件叠加后, 样品冷却到黑云母K-Ar同位素体系封闭温度的时代。

锡铁山花岗质片麻岩则明显不同, 不仅黑云母粒径(100~200 μm)更小(表明该样品中的黑云母样品K-Ar同位素体系封闭温度更低; Alexandre, 2011), 同时在黑云母的边缘或解理裂隙中也可以明显观察到后期的绿泥石化蚀变(图2f), 沿片麻岩还发育变形石英细脉, 暗示样品在遭受晚古生代早期岩浆事件叠加的过程中有大量热液流体的存在。而在大量热液流体参与下, 黑云母的K-Ar同位素体系更容易被重置(Roberts et al., 2001)。虽然高角闪岩相也发育有黑云母, 但在相平衡模拟图解上高角闪岩相变质作用的温度>620 ℃, 导致该变质阶段的黑云母K-Ar同位素体系整体处于开放状态, 黑云母40Ar/39Ar激光阶段加热定年无法获得该变质阶段的年龄。因此本次研究利用激光阶段加热和真空击碎提取流体包裹体40Ar/39Ar定年, 获得花岗质片麻岩中黑云母和变形石英脉样品均记录了几乎一致的晚古生代年龄(~357 Ma, 晚泥盆世), 很可能就是对晚古生代早期(~372 Ma)岩浆热事件的变质响应, 也代表了花岗质片麻岩抬升到上地壳发生低角闪岩相‒绿片岩相退变质作用发生的时代。而黑云母上升阶梯状的表观年龄相对年轻, 其对应的K/Ca值在11~24之间; 而构成年龄坪的数据点的K/Ca值在51~79之间, 与绿泥石和黑云母电子探针分析K/Ca值结果基本一致(图6b; 表2)。因此推测最初数个阶段的年轻表观年龄应该是黑云母样品受到了绿泥石的干扰, 即黑云母边部在发生绿泥石化蚀变过程中出现了Ar的丢失。

6.3 锡铁山超高压变质晚期折返地球动力学机制

高压‒超高压变质岩的折返机制一直都是大陆动力学研究的前沿热点课题之一。已有研究证明板块的俯冲一般从“洋内俯冲”开始, 然后经过大洋板块插入大陆板块之下的“洋陆俯冲”, 最终成为一个大陆板块俯冲到另一个大陆板块之下的“陆陆俯冲”(Davies and von Blanckenburg, 1995; 许志琴等, 2010; Warren, 2013)。在此过程中超高压变质岩的折返是由一种因素占主导、多种因素共同决定的。早期阶段折返的主导机制被认为是洋壳板块断裂后, 超高压变质岩在浮力的作用下以较快的速率折返到中下地壳的位置(Davies and von Blanckenburg, 1995; Rubatto and Hermann, 2001; Warren, 2013; Hu et al., 2016); 而后期从中‒下地壳折返到地壳浅部甚至地表的速率往往较慢, 主要包括地表的抬升剥蚀以及自然界中最基本的3种构造作用型式——伸展作用、走滑作用与挤压作用(Xu et al., 2006; Warren, 2013; 汪劲草等, 2013)。

已有研究显示, 锡铁山地区早古生代变质岩系在碰撞造山及其后的造山后伸展抬升过程中经历了多期构造变形(郭进京, 2000; Xu et al., 2006)。第一期以发育一系列大型韧性剪切带、倒转背斜、紧闭褶皱和区域片理为特征, 垂直造山带的挤压缩短变形; 第二期以形成区域透入性共轭破劈理或膝折带平行造山带的挤压缩短变形为主。锡铁山地区南西侧韧性右行挤压转换剪切带中花岗质糜棱岩化片麻岩的白云母40Ar/39Ar年龄为409~405 Ma(Xu et al., 2006; Hu et al., 2016), 被解释为从糜棱岩化中高温降低至白云母K-Ar体系封闭温度(约400 ℃)的冷却年龄, 反映此时超高压变质岩已折返到较浅的部位(估计深度约为10~12 km)。锡铁山花岗质片麻岩同样发育有近平行造山带NW-SE向的片理‒片麻理(58°∠71°),因此应是同一构造应力作用的产物, 但两者之间却出现了近50 Ma的时间差。考虑到锡铁山花岗质片麻岩矿物组合主要以低角闪岩‒绿片岩相为主, 且沿片麻岩面发育的变形石英脉样品真空击碎提取流体包裹体40Ar/39Ar定年结果显示其原生包裹体来源主要是沿断裂深循环的地表水, 说明在~357 Ma时, 花岗质片麻岩已经抬升到更浅的地壳位置, 且与区域深大断裂或韧性剪切带相连通(深度约为6 km)。锡铁山地区广泛发育晚泥盆世造山后岩浆作用(~372 Ma)、倒转背斜以及背斜两翼出现大量的挤压转换剪切带(郭进京, 2000; Xu et al., 2006; 汪劲草等, 2013; 付建刚等, 2016), 说明晚期区内榴辉岩及其围岩主要是在区域性的地壳伸展减薄以及伸展走滑作用的大构造背景下, 以较缓折返速率从中‒下地壳折返到浅部地壳, 发生低角闪岩相‒绿片岩相退变质作用, 并最终出露地表。

7 结 论

通过对锡铁山地区花岗质片麻岩进行变质作用, 以及花岗质片麻岩中黑云母和变形石英脉样品的40Ar/39Ar同位素年代学研究, 得出如下主要认识:

(1) 锡铁山花岗质片麻岩低角闪岩相‒绿片岩相变质矿物组合主要包括黑云母、白云母、微斜长石、斜长石、石英和榍石, 变质条件为390~420 ℃和=0.10~0.19 GPa。

(2) 花岗质片麻岩中变形石英脉样品真空击碎提取流体包裹体40Ar/39Ar定年揭示石英脉是区域性韧性剪切作用和透入性片理带入的浅部流体的产物, 记录了锡铁山地体晚泥盆世一期重要流体活动发生的时间。

(3) 黑云母激光阶段加热40Ar/39Ar定年获得的~357 Ma晚古生代年龄, 记录了锡铁山地区超高压变质岩及其围岩在经历了加里东期深俯冲以及晚泥盆世造山后岩浆热事件叠加后, 从中‒下地壳折返到浅部地壳发生低角闪岩相‒绿片岩相退变质作用的时代。

致谢:感谢两位匿名审稿专家对本文提出的宝贵修改建议; 在荷兰阿姆斯特丹自由大学实验和学习期间, 得到了Roel Van Elsas、Onno Postma、Arie Bikker和Wim van der Plas的大力帮助和指导; 电子探针测试工作得到了桂林理工大学刘奕志和谢兰芳老师的大力帮助, 在此一并表示衷心的感谢。

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Retrograde Metamorphism and40Ar/39Ar Geochronology of Granitic Gneiss from Xitieshan Terrane, Northern Qaidam

HU Rongguo1, 2, BAI Xiujuan3, LIU Xijun1, 2, YANG Qijun1, 2, FENG Zuohai1, 2, CAI Yongfeng1, 2, ZHAO Yilai1, 2, QIU Huaning3

(1. Guangxi Key Laboratory of Exploration for Hidden Metallic Ore Deposits, College of Earth Sciences,Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China; 2. Collaborative Innovation Center for Exploration of Nonferrous Metal Deposits and Efficient Utilization of Resources, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China; 3. MOE Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, Hubei, China)

Detailed mineralogy, phase equilibrium modelling and40Ar/39Ar geochronology studies have been conducted on the eclogite-bearing granitic gneiss from the Xitieshan terrane, the North Qaidam high-ultrahigh-pressure (HP-UHP) metamorphic belt, in order to evaluate the timing and conditions of the amphibolite to greenschist-facies retrograde metamorphism after the Early Palaeozoic HP-UHP metamorphism. Petrographic observations and phase equilibria modelling with pseudosection of the granitic gneiss show that the high amphibolite-facies mineral assemblages (M1) are represented by biotite, K-feldspar, plagioclase, quartz, sillimanite, rutile, and ilmenite, formed atconditions of> 620 ℃ and> 0.16 GPa. Low amphibolite to greenschist-facies mineral assemblages (M2), which are represented by the biotite, muscovite, plagioclase, microcline, quartz, titanite, and chlorite, formed atconditions of 390 – 420 ℃ and 0.10 – 0.19 GPa. Stepwise heating analysis of biotite from the granitic genies yielded low initial ages, and then gradually rising apparent ages in the rest of the experiment until a final plateau age of 353.9±1.8 Ma is reached. The dating points contributing to the age plateau yield a well-defined isochron with a normal isochron age of 356.7±5.6 Ma and an initial40Ar/36Ar ratio of 249±125. The deformed quartz sample dated by40Ar/39Arcrushing method yields monotonic declining release pattern: anomalously old apparent ages are obtained at the first steps and relative flat age plateau over the final several steps with plateau age of 357.9±1.6 Ma. The data of the late steps construct a well-defined isochron in the plots of36Ar/40Ar39Ar/40Ar with an inverse isochron age of 356.1±3.9 Ma and initial40Ar/36Ar ratio of 299±8. Microthermometry analyses and40Ar/39Arcrushing dating results suggest that the secondary inclusions should be released in the early steps due to their distribution characteristics along cracks, which should be originated from the excess40Ar rich post-hydrothermal fluid and partial melt of HP/UHP rocks from the depth. In contrast, the primary inclusions liberated in the later steps mainly derived from the meteoric waters (almost without excess40Ar) transported by fault/shearing zones. The consistent Late Palaeozoic40Ar/39Ar ages of357 Ma recorded by both biotite and the deformed quartz vein from granitic gneiss are taken as the best estimate for the age of the quartz vein formation and records aqueous fluid flow during the later exhumation stage of HP-UHP rocks. The40Ar/39Ar ages also represent the uplift time of the HP-UHP metamorphic rocks from the middle-lower crust to the shallow crust in the Xitieshan terrane, after they experienced the Caledonian deep subduction and the Late Devonian post orogenic magmatic thermal events overprinting.

Xitieshan terrane; granitic gneiss; deformed quartz vein;40Ar/39Ar dating;crushing

2021-12-19;

2022-05-24

国家自然科学基金项目(42073049)和广西自然科学基金项目(2020GXNSFAA297049)联合资助。

胡荣国(1982–), 男, 副教授, 从事变质岩和同位素年代学研究。E-mail: hurongguo@glut.edu.cn

P597

A

1001-1552(2023)06-1330-015

10.16539/j.ddgzyckx.2023.06.007

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