柴北緣錫鐵山地體花崗質片麻巖退變質作用和40Ar/39Ar年代學研究及其地質意義

胡榮國, 白秀娟, 劉希軍, 楊啟軍, 馮佐海,蔡永豐, 趙義來, 邱華寧

柴北緣錫鐵山地體花崗質片麻巖退變質作用和40Ar/39Ar年代學研究及其地質意義

胡榮國1, 2, 白秀娟3, 劉希軍1, 2, 楊啟軍1, 2, 馮佐海1, 2,蔡永豐1, 2, 趙義來1, 2, 邱華寧3

(1. 桂林理工大學 地球科學學院, 廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室, 廣西 桂林 541004; 2. 桂林理工大學 有色金屬礦產勘查與資源高效利用協同創新中心, 廣西 桂林 541004; 3. 中國地質大學(武漢) 資源學院, 構造與油氣資源教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

本文對柴達木盆地北緣錫鐵山地區含榴輝巖透鏡體花崗質片麻巖進行了系統的礦物學、相平衡模擬以及黑云母和石英40Ar/39Ar年代學研究, 旨在查明花崗質片麻巖在加里東超高壓變質之后, 折返過程中發生角閃巖?綠片巖相退變質作用的變質條件和變質年代。礦物學和相平衡模擬顯示, 發育變形石英細脈的黑云母花崗質片麻巖高角閃巖相變質礦物組合(M1)為黑云母+鉀長石+斜長石+石英+金紅石+矽線石+鈦鐵礦, 對應變質條件為＞620 ℃,＞0.16 GPa; 低角閃巖相?綠片巖相變質礦物組合(M2)為黑云母+白云母+斜長石+微斜長石+石英+榍石±綠泥石,變質條件為390～420 ℃和=0.10～0.19 GPa?；◢徺|片麻巖中黑云母激光階段加熱40Ar/39Ar定年獲得了一個上升的階梯狀表觀年齡圖譜, 在中高溫階段則形成了一個平坦的表觀年齡坪, 坪年齡為353.9±1.8 Ma, 對應的等時線年齡為356.7±5.6 Ma。變形石英脈樣品真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年, 則形成了下降的階梯狀表觀年齡圖譜, 10～23階段的數據點給出了357.9±1.6 Ma的坪年齡, 對應的等時線年齡為356.1±3.9 Ma, 記錄了錫鐵山地體晚泥盆世一期重要的構造熱事件和流體活動發生的時間。黑云母和變形石英脈記錄一致的～357 Ma晚古生代年齡, 代表了錫鐵山地區超高壓變質巖及其圍巖在經歷了加里東期深俯沖以及晚泥盆世造山后巖漿熱事件疊加后, 折返到淺部地殼發生角閃巖相至綠片巖相退變質作用的時代。

錫鐵山; 花崗質片麻巖; 變形石英脈;40Ar/39Ar定年; 真空擊碎

0 引 言

位于南祁連褶皺帶?中祁連地塊和柴達木地塊之間的柴達木盆地北緣(柴北緣)加里東造山帶長約700 km, 主要由魚卡?綠梁山、錫鐵山和都蘭等幾個榴輝巖?片麻巖超高壓地體組成(圖1a; 楊經綏等, 1998), 是我國造山帶、超高壓變質巖巖石學和大陸動力學研究的熱點地區之一。20多年來, 國內外學者針對該造山帶開展了系統的高壓?超高壓變質巖巖石學(Zhang et al., 2005; 陳丹玲, 2007; Zhou et al., 2019)、礦物學(Song et al., 2009; Xiong et al., 2015)、流變學(Park and Jung, 2020)、年代學(Xiong et al., 2012; Zhang et al., 2012, 2013, 2019; Menold et al., 2016; Ren et al., 2019; Li et al., 2020)、折返機制和造山帶構造演化(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。

數據來源: 1. 吳才來等, 2007; 2. Zhao et al., 2017; 3. Zhao et al., 2018; 4. Zhang et al., 2008; 5. 胡榮國等, 2016; 6. Zhang et al., 2012; 7. 孟繁聰等, 2005。

錫鐵山榴輝巖?片麻巖地體位于柴北緣古生代造山帶中段, 廣泛出露夾有不同規模榴輝巖透鏡體的副片麻巖/片巖和花崗質片麻巖(圖1b; 張建新等, 2007)。副片麻巖主要有(石榴)矽線黑云片麻巖和石榴矽線黑云片巖等, 由矽線石和黑云母所組成的SSE-NNW向面理(S1)和近水平拉伸線理指示區域發生高溫變形(張建新等, 2003, 2007; Zhang et al., 2008, 2012)。通過Grt-Sil-Pl-Qz(GASP)壓力計和Grt-Bt溫度計計算的變質條件為=0.6～0.9 GPa,=710～ 820 ℃, 反映副片麻巖經歷了中壓麻粒巖相變質作用(張建新等, 2007)。獨居石原位U-Th-Pb(EMP)定年結果顯示副片麻巖在經歷過超高壓變質之后的角閃巖相退變質作用時代為425～422 Ma(Zhang et al., 2012)。區內花崗質片麻巖組成較為多樣, 包括黑云斜長片麻巖、二云鉀長片麻巖、黑云母二長片麻巖等。已有研究顯示花崗質片麻巖和副片麻巖具有相似的地球化學組成和一致的Nd模式年齡(1.88～2.18 Ga), 花崗質片麻巖可能是副片麻巖(片巖)原地熔融的產物?；◢徺|片麻巖鋯石U-Pb測年獲得478±44 Ma的下交點年齡(張建新等, 2003), 與柴北緣地區榴輝巖的變質鋯石年齡在誤差范圍內一致, 表明其在早古生代與所夾的榴輝巖一起經歷了深俯沖作用(張建新等, 2003; Zhang et al., 2009; 于勝堯等, 2019)?？紤]到榴輝巖中普遍缺少能夠用來限定其晚期退變質作用年代的定年礦物(如云母、長石等), 因此富含這些礦物且和榴輝巖一起卷入了加里東期高壓?超高變質作用的片麻巖無疑是非常理想的補充研究對象。目前針對區域花崗質片麻巖(片巖)的研究主要集中在Sm-Nd同位素地球化學和早古生代高壓?超高壓變質年代學上, 而對其礦物學、退變質作用以及退變質年代學研究還相對缺少。鑒于此, 本文以錫鐵山地區的花崗質片麻巖(黑云二長片麻巖)為重點剖析對象, 通過系統的巖相學、礦物學、視剖面模擬, 以及花崗質片麻巖中黑云母和順片麻理發育的變形石英細脈40Ar/39Ar熱年代學的綜合研究, 旨在厘定花崗質片麻巖在遭受了同構造和造山后巖漿熱事件疊加后, 從中?下地殼折返到淺部地殼過程中發生角閃巖?綠片巖相退變質作用變質條件和變質年代, 并探討其大陸動力學意義。

1 地質背景及樣品描述

柴達木盆地北緣(柴北緣)造山帶位于柴達木地塊和祁連地塊之間, 是近二十年來我國西部新厘定的一條榴輝巖?石榴石橄欖巖?片麻巖超高壓變質巖帶。位于該超高壓變質帶中部的錫鐵山地體主要分布在錫鐵山?阿莫尼克山一帶, 榴輝巖及其退變質產物主要以透鏡狀和布丁狀賦存于發育等斜褶皺的下元古界達肯達坂群泥質片麻巖和花崗質片麻巖中(圖1b)。區內新鮮榴輝巖較為少見, 僅保留在較大透鏡體的中心部位(張建新等, 2007), 大部分榴輝巖都經歷了不同程度的后成合晶和角閃巖相退化變質的疊加改造, 轉變成石榴麻粒巖、石榴輝石巖、石榴角閃巖或斜長角閃巖。區內片麻巖鋯石SHRIMP U-Pb定年結果顯示, 其在早古生代高壓?超高壓變質(450～437 Ma)之前還經歷過晉寧期的變質作用(950～890 Ma; Zhang et al., 2008, 2009, 2012)。研究區內還廣泛發育富含斜長石和鉀長石的淺色體, 是含水礦物如黝簾石、多硅白云母等脫水分解, 觸發超高壓榴輝巖或片麻巖發生部分熔融的產物(Chen et al., 2012; 胡榮國等, 2016; 于勝堯等, 2019)。淺色體中的鋯石U-Pb定年結果記錄了～910 Ma、～450 Ma和428～426 Ma三組年齡, 分別被解釋為片麻巖原巖結晶時代、高壓?超高壓變質作用時代和熔體結晶時代(Chen et al., 2012; 于勝堯等, 2019)。

本次研究對象為黑云花崗質片麻巖(09NQ57A)和順片麻理發育的變形石英細脈(09NQ57B), 片麻理產狀為58°∠71°。黑云花崗質片麻巖呈淺灰白色, 片麻狀構造(圖2a), 細粒鱗片變晶結構, 主要由石英(～40%)、斜長石(～35%)、鉀長石(～10%)、黑云母(～10%)、白云母(＜3%)和綠泥石(＜3%)組成(圖2b、c), 副礦物主要為金紅石、榍石、矽線石、鋯石、磷灰石和鈦鐵礦(圖2d、e)。石英呈它形粒狀, 部分顆粒被壓扁拉長, 具波狀消光和顆粒邊界遷移重結晶現象(圖2b、c)。斜長石主要呈半自形?它形粒狀, 發育聚片雙晶(圖2b), 鉀長石主要呈它形粒狀; 部分斜長石和鉀長石具有弱的波狀消光(圖2b、c), 反應斜長石?鉀長石礦物組合在晚期退變質階段也發生了動態重結晶作用。黑云母顆粒較小, 主要呈鱗片狀, 部分與細粒白云母共生, 弱定向排列(圖2b、c)。金紅石完全被榍石替代(圖2d)或部分轉變為鈦鐵礦(圖2f)。少量黑云母邊緣或解理縫隙中可觀察到白云母和綠泥石(圖2b), 顯示白云母和綠泥石主要由黑云母/矽線石變質而來, 同時也暗示花崗質片麻巖在折返過程中遭受了低角閃巖相?綠片巖相退變質作用的疊加。

礦物代號: Bt. 黑云母; Ms. 白云母; Kfs. 鉀長石; Pl. 斜長石; Rt. 金紅石; Ttn. 榍石; Ilm. 鈦鐵礦; Sil. 矽線石; Chl. 綠泥石; Qz. 石英。

順片麻巖片麻理方向發育一條寬約3～5 cm的變形石英脈(圖2a)。對該變形石英脈樣品的流體包裹體進行了初步的巖相學和相變溫度觀察與分析(課題組未發表數據), 包裹體可分為2種類型: ①中高鹽度水溶液包裹體(Ⅰa): 該包裹體是石英中最主要的流體類型, 主要包括孤立或小群狀隨機分布的原生包裹體(圖2g)。包裹體多呈負晶形、渾圓或不規則狀, 大小從1～20 μm至數十微米不等, 主要含有H2O和CO2。冰點溫度(m)的變化范圍在?15.7～?6.0 ℃之間, 對應的流體鹽度為19.2%～9.2%NaCleqv; 加熱時液氣均一到液相, 均一溫度(h)變化范圍在235～180 ℃之間。②低鹽度水溶液包裹體(Ⅰb): 低鹽度水溶液包裹體呈現出典型的次生包裹體特征, 主要沿礦物不同方向晶內裂隙分布, 渾圓或不規則狀, 主要含有H2O和CO2(圖2h),為晚期捕獲的流體。室溫時為單液相或氣液兩相,m為?13.7～?5.8, 相對應的流體鹽度為17.5%～8.9% NaCleqv; 加熱時均一到液相,h為205～176 ℃。

2 實驗技術

全巖主量元素分析在荷蘭阿姆斯特丹自由大學地質系完成, 采用玻璃熔餅法, 分析儀器為荷蘭PANalytical-AxiosmAX型X熒光光譜儀(XRF)。黑云母和石英單礦物分選在荷蘭阿姆斯特丹自由大學選礦實驗室完成, 選出的黑云母粒徑在100～200 μm之間, 而石英粒徑則在500～1000 μm之間。實驗樣品與標準樣品分別用鋁箔和銅箔包裝呈小圓餅狀, 密封于玻璃管內。為了獲得樣品的值, 在玻璃管兩端及每4個樣品中間插放一個標樣, 并記錄每個樣品及標樣在玻璃管中的位置, 用以確定樣品管值的變化曲線, 并通過曲線方程計算出每個樣品的值。2件樣品送至美國俄勒岡州立大學核反應堆中心, 在TRIGA反應堆中使用快中子照射20小時, 中子活化編號為VU83, 中子通量監測標準樣品為DRA-1透長石, 其年齡為25.26±0.2 Ma(Wijbrans et al., 1995), 干擾同位素校正因子為多次測量的平均值, 分別為(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。標樣用激光階段加熱求得值, 然后根據值變化曲線的函數關系和樣品的位置, 計算出每個樣品的值。黑云母激光階段加熱和石英真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar測試工作分別在阿姆斯特丹自由大學40Ar/39Ar同位素實驗室的MAP215-50氣體質譜計和Quadrupole質譜計上完成, 具體實驗過程見Hu et al. (2015), 數據處理和成圖采用Koppers (2002)的ArArCALC V2.50軟件。云母的礦物測試分析工作在桂林理工大學地球科學學院電子探針分析實驗室完成。儀器型號為JEOL JXA8300型電子探針儀, 工作條件為加速電壓15 kV, 探針電流20 nA, 作用時間為20～30 s, 束斑直徑為2～5 μm; 標樣采用鈉長石(Na, Al, Si)、橄欖石(Mg)、鎂橄欖石(Fe)、磷灰石(P, Ca)、硅灰石(Mn)、金云母(K)和金紅石(Ti); ZAF法校正(atomic number, absorption and fluorescence)。

3 礦物化學成分

云母是變質巖和中酸性巖石中極為常見的主要造巖礦物之一。錫鐵山黑云母花崗質片麻巖中的黑云母粒徑較小, 在50～200 μm左右, 產狀相對單一, 主要鑲嵌在石英或長石顆粒之間, 與其共生的白云母也具有相似的產狀(圖2b)。代表性的黑云母及其共生的長石、白云母和綠泥石電子探針成分分析結果見表1。結果顯示, 黑云母Mg/(Mg+Fe)值為1.07～1.11, K/Ca值為43.49～50.86, 屬于富鎂黑云母(圖3a), 而與其共生的白云母Si原子數在6.16～6.26 apfu范圍內(基于22個O原子), 落在了普通白云母的區域內(圖3a)。綠泥石主要為鐵綠泥石, K/Ca值為0.79～21.43; 堿性長石的正長石組分(Or)在65～96之間, 落在微斜長石和透長石的范圍內; 斜長石的鈣長石組分(An)在17～32之間, 為中長石和更長石(圖3b)。

表1 錫鐵山花崗質片麻巖(09NQ57A)中代表性黑云母、白云母、綠泥石和長石電子探針分析結果(%)

圖3 錫鐵山黃羊溝花崗質片麻巖云母分類圖(a;底圖據Tischendorf et al., 1999)和長石分類(b;底圖據Smith and Mackenzie, 1958)圖解

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 視剖面模擬與P-T演化歷史

為了深入探討錫鐵山地區花崗質片麻巖變質演化過程, 本文采用Connolly開發的Perple_X軟件(Connolly, 2005; 2021年升級的6.9.1版)展開了視剖面模擬計算。模擬的-范圍為: 0.01～0.65 GPa, 300～650 ℃。由于樣品中含有較多的含水礦物(如黑云母、白云母、綠泥石等)以及出現鈦鐵礦, 故選用含水和氧的K2O-Na2O-CaO-MgO-FeO-Al2O3-TiO2- SiO2-H2O-O(KNCMFATSHO)體系模型。假定該體系中的流體相為純水, 且石英和水均設為過飽和。模擬過程中采用Holland and Powell (1998; 1998年及其2002年更新版, hp02ver.dat)的內部一致性熱力學數據庫和CORK流體狀態方程。模擬所涉及的礦物固溶體活度模型如下: Bio(TCC, 黑云母)、Mica (CHA1, 白云母)、Chl(W, 綠泥石)、Fsp(C1, 鉀長石)、Stlp(M, 黑硬綠泥石)、Pl(h, 斜長石), Ilm(WPH, 鈦鐵礦), 石英、金紅石和榍石為純單元主分。

鈦鐵礦、黑云母的出現表明樣品中Fe3+含量較高, 為了估算巖石中Fe3+的含量及其對礦物組合的影響, 本文計算了壓力為0.2 GPa條件下黑云花崗質片麻巖樣品的O視剖面圖。全巖化學成分與視剖面圖中的成分一致, O含量變化于0.01mol%～0.19mol%之間(圖4)。O視剖面顯示, 早期變質礦物組合(M1)Bt+Kfs+Pl+Qz+Rt+Ilm+Sil在O=0.2～1.0的范圍內保持穩定, 因此選取O=0.6 (O=0.11mol%)用來計算該樣品的視剖面圖。

礦物代號: Bt. 黑云母; Ms. 白云母; Kfs. 鉀長石; Pl. 斜長石; Rt. 金紅石; Ttn. 榍石; Ilm. 鈦鐵礦; Sil. 矽線石; Chl. 綠泥石; Qz. 石英And. 紅柱石; Crd. 堇青石; Ab. 鈉長石; Mc. 微斜長石; Czo. 斜黝簾石; Zo. 黝簾石; Ep. 綠簾石; Osm. 大隅石; mt. 磁鐵礦; Rbk. 鈉閃石。

錫鐵山花崗質片麻巖-視剖面圖(圖5)顯示, 斜長石出現在整個區域, 綠泥石在＜320 ℃,＜0.15 GPa的低溫區域開始出現。在矽線石或者紅柱石出現的中高溫區域只出現黑云母而無白云母, 顯示白云母的出現將消耗矽線石和黑云母; 在綠簾石、鐵鈉閃石或綠泥石出現的低溫區域則只存在白云母, 黑云母消失, 這很好地解釋為何在黑云母的解理裂隙或邊緣常常發生綠泥石化蝕變(圖2d)。伴隨著溫度和壓力的降低, 金紅石和榍石在較窄的溫度范圍內共生, 之后金紅石消失。觀察到的高角閃巖相變質礦物組合(M1)Bt+Kfs+Pl+Qz+Rt+Ilm+Sil穩定在很寬的溫?壓范圍內(＞610 ℃,＞0.13 GPa);而被觀察到的晚期低角閃巖相?綠片巖相變質礦物組合(M2) Bt+Ms+Mc+Pl+Qz+Ttn+Ilm則穩定在360～ 420 ℃和0.01～0.20 GPa的溫?壓范圍內。采用白云母中最低Si含量(3.08 apfu, 基于11個O原子)等值線, 限定該階段的變質溫?壓條件為390～420 ℃和0.10～0.19 GPa。由于樣品中退變質反應只在局部達到了平衡, 因此該溫壓條件只能作為晚期低角閃巖相?綠片巖相溫壓條件的一個參考, 而無法精確限定該階段的變質條件。

圖5 錫鐵山花崗質片麻巖P-T視剖面圖(礦物代號同圖4)

5 40Ar/39Ar定年結果

錫鐵山花崗質片麻巖中黑云母和變形石英脈樣品的40Ar/39Ar定年結果見表2～3。

表2 錫鐵山花崗質片麻巖中黑云母40Ar/39Ar定年結果

黑云母樣品(09NQ57A)共進行11個階段的逐步升溫激光加熱分析(表2), 形成了一個遞增的階梯狀表觀年齡圖譜; 總氣體年齡為322.2±1.7 Ma(圖6a)。在加熱的第1個階段給出的表觀年齡為201 Ma(其對應的K/Ca值明顯偏低), 其后表觀年齡逐步上升, 并在5～11階段形成較為平坦的表觀年齡圖譜, 對應的坪年齡為353.9±1.8 Ma(圖6a, MSWD=0.2,39Ar約占59%), 對應的K/Ca值為55.9±7.9(圖6b)。在正等時線圖解上, 構成年齡坪的數據點形成了一條相關性良好的等時線, 對應等時線年齡為356.7±5.6 Ma (MSWD=0.2), 相應的截距值則分為249±125(圖6c), 在誤差范圍內與現代空氣氬(295.5)一致, 暗示該樣品不含過剩40Ar。

對石英樣品(09NQ57B)真空擊碎提取流體包裹體進行40Ar/39Ar定年, 23個階段的真空擊碎分析(表3)累計次數達17670次, 獲得了一個單調遞減階梯狀表觀年齡圖譜(圖6d)。表觀年齡從第1階段的1500 Ma逐步下降至9階段的410 Ma, 而后由10～23階段數據點構成了一個相對平坦的年齡坪, 對應的坪年齡為357.9±1.6 Ma(MSWD=1.4), 釋出的39Ar約占49%。在反等時線圖解上, 14個年齡坪數據點構成對應的等時年齡為356.1±3.9 Ma(MSWD=1.5),40Ar/39Ar初始值為299±8(圖6f)。

表3 錫鐵山花崗質片麻巖中變形石英脈樣品40Ar/39Ar定年結果

6 討 論

6.1 石英脈40Ar/39Ar定年地質意義

石英脈真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年技術已經廣泛應用到礦床、油氣和超高壓變質年代學研究領域(邱華寧和白秀娟, 2019)。顯微觀察顯示, 本次研究的變形石英脈樣品中低鹽度次生包裹體主要沿礦物裂隙分布, 體積相對較大, 且形態大小變化較大(圖2h), 因此這類包裹體最先被破碎提取; 其后逐步過渡到沿礦物愈合裂隙分布的假次生包裹體, 以及體積較大的礦物晶體中的原生包裹體。在本次真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年實驗中, 石英樣品形成了一個下降型階梯狀釋氣表觀年齡圖譜: 即在最初數個階段對應極老的表觀年齡(高達1.5 Ga),而后表觀年齡逐步下降, 最后波動趨于平緩, 形成了較為平坦的年齡圖譜, 對應的坪年齡為357.9±1.6 Ma,為泥盆紀。在反等時線圖解(圖6f)上, 實驗初期階段的數據點從低于空氣點靠近縱軸一端(過剩40Ar和空氣40Ar)逐漸向橫軸正方向一端(放射性成因40Ar)移動, 表明這部分氣體主要是過剩氬和空氣氬的混合。且這些數據點都比較分散, 未見有明確的線性相關性。伴隨著敲擊次生的增加, 數據點逐步從過剩40Ar端元朝放射性成因Ar*端元和空氣Ar端元演化, 實驗開始過渡到次生包裹體、假次生包裹體、原生包裹體以及提取裝置本底混合釋氣階段, 其K/Ca值也逐步的降低(圖6e), 暗示流體包裹體的來源具有一定的差異性。最后, 當裂隙中的次生包裹體最終被提取殆盡, 假次生、原生和提取裝置本底釋氣占主要地位后, 數據點構成了線性良好的等時線, 等時線年齡為356.1±3.9 Ma, 對應的初始空氣氬比值為299±8, 與現代大氣氬40Ar/36Ar值基本一致。

本次研究通過鏡下顯微觀察和等時線分析法對石英脈樣品中的次生和原生流體包裹體進行了有效區分, 確定坪年齡主要由原生流體包裹體釋氣貢獻, 因此坪年齡(～357.9 Ma)可以代表石英脈的形成年齡。該年齡晚于區內超高壓變質榴輝巖相變質和角閃巖相退變質作用(約441～425 Ma; Zhang et al., 2011; Liu et al., 2012; Hu et al., 2016)、同構造及造山后伸展階段的巖漿作用(約441～372 Ma; Zhao et al., 2017, 2018)以及區域性韌性剪切斷裂活動的時間(約405～398 Ma; Xu et al., 2006; 付建剛等, 2016)。因此石英真空擊碎40Ar/39Ar定年結果證明, 花崗質片麻巖中的石英脈形成于造山后伸展擠壓構造作用晚期, 是區域性韌性剪切作用和透入性片理帶入的淺部流體的產物(原生包裹體不含氣相N2-CH4類型的包裹體和過剩40Ar, 暗示流體主要是沿斷裂深循環的地表水), 記錄了錫鐵山地體晚泥盆世一期重要的構造熱事件和熱液流體活動。相對而言, 變形石英脈樣品中的次生包裹體中含有大量的過剩氬, 暗示其流體來源更復雜, 很可能既有沿斷裂深循環的地表流體, 也有更晚期的沿深大斷裂上來的深部和變質流體, 因為這類流體往往含有大量的過剩氬(Turner and Wang, 1992)。錫鐵山地體中多期巖漿熱構造事件、晚期頻繁的流體活動以及地表流體大規模的沿深大斷裂進入淺部地殼與中基性超高壓變質巖發生巖水反應很可能是導致區內新鮮榴輝巖難以保存的主要原因之一。

6.2 黑云母40Ar/39Ar定年地質意義

在錫鐵山地區, 與Rodinia超大陸匯聚有關的新元古代早期(1000～900 Ma)巖漿作用, 與柴北緣?祁連地塊超高壓深俯沖事件有關的早古生代晚期(442～428 Ma)同構造巖漿作用事件(吳才來等, 2004; 孟繁聰等, 2005; Zhang et al., 2008, 2009; Zhao et al., 2017), 以及響應這些巖漿活動的構造熱變質事件(張建新等, 2003, 2007; Zhang et al., 2012; Hu et al., 2016)已有過廣泛的報道?；阱a鐵山地體北部輝長巖和花崗巖鋯石U-Pb定年結果, 吳才來等(2007)和Zhao et al. (2018)指出該地區在晚古生代早期(～372 Ma)同樣發生過造山后巖漿活動熱事件。筆者曾對錫鐵山地區榴輝巖及其圍巖中?粗?；◢徺|片麻巖和黑云母片巖進行過系統的40Ar/39Ar年代學研究(Hu et al., 2016), 結果顯示花崗質片麻巖中白云母40Ar/39Ar定年結果為409～407 Ma, 并未記錄晚古生代早期的熱構造事件。其原因很可能是白云母具有相對較高的封閉溫度(450～400 ℃; Harrison et al., 2009)且粒徑較大(粒徑500～1000 μm)。與之對應的是, 盡管黑云母片巖中的黑云母在40Ar/39Ar定年的中高溫階段給出～397 Ma的坪年齡和一致的等時線年齡, 但在低溫階段還是給出了～365 Ma的表觀年齡以及相應較低的K/Ca值(Hu et al., 2016), 暗示黑云母片巖也曾遭受過區域晚古生代早期巖漿熱事件以及流體的影響。黑云母能夠在加熱的低溫階段記錄晚古生代巖漿熱事件, 主要原因是黑云母的封閉溫度(300±50 ℃; Harrison et al., 1985)低于白云母, 但由于黑云母粒徑較大(800～1000 μm), 且樣品所包含的云母和長石類礦物幾乎沒有發生蝕變(即變質過程中外部流體對樣品的影響較小), 因此黑云母只在邊緣位置遭受了Ar的丟失, K-Ar同位素體系并未被完全重置, 主體仍保留的是遭受早古生代晚期同構造巖漿熱事件疊加后, 樣品冷卻到黑云母K-Ar同位素體系封閉溫度的時代。

錫鐵山花崗質片麻巖則明顯不同, 不僅黑云母粒徑(100～200 μm)更小(表明該樣品中的黑云母樣品K-Ar同位素體系封閉溫度更低; Alexandre, 2011), 同時在黑云母的邊緣或解理裂隙中也可以明顯觀察到后期的綠泥石化蝕變(圖2f), 沿片麻巖還發育變形石英細脈, 暗示樣品在遭受晚古生代早期巖漿事件疊加的過程中有大量熱液流體的存在。而在大量熱液流體參與下, 黑云母的K-Ar同位素體系更容易被重置(Roberts et al., 2001)。雖然高角閃巖相也發育有黑云母, 但在相平衡模擬圖解上高角閃巖相變質作用的溫度＞620 ℃, 導致該變質階段的黑云母K-Ar同位素體系整體處于開放狀態, 黑云母40Ar/39Ar激光階段加熱定年無法獲得該變質階段的年齡。因此本次研究利用激光階段加熱和真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年, 獲得花崗質片麻巖中黑云母和變形石英脈樣品均記錄了幾乎一致的晚古生代年齡(～357 Ma, 晚泥盆世), 很可能就是對晚古生代早期(～372 Ma)巖漿熱事件的變質響應, 也代表了花崗質片麻巖抬升到上地殼發生低角閃巖相?綠片巖相退變質作用發生的時代。而黑云母上升階梯狀的表觀年齡相對年輕, 其對應的K/Ca值在11～24之間; 而構成年齡坪的數據點的K/Ca值在51～79之間, 與綠泥石和黑云母電子探針分析K/Ca值結果基本一致(圖6b; 表2)。因此推測最初數個階段的年輕表觀年齡應該是黑云母樣品受到了綠泥石的干擾, 即黑云母邊部在發生綠泥石化蝕變過程中出現了Ar的丟失。

6.3 錫鐵山超高壓變質晚期折返地球動力學機制

高壓?超高壓變質巖的折返機制一直都是大陸動力學研究的前沿熱點課題之一。已有研究證明板塊的俯沖一般從“洋內俯沖”開始, 然后經過大洋板塊插入大陸板塊之下的“洋陸俯沖”, 最終成為一個大陸板塊俯沖到另一個大陸板塊之下的“陸陸俯沖”(Davies and von Blanckenburg, 1995; 許志琴等, 2010; Warren, 2013)。在此過程中超高壓變質巖的折返是由一種因素占主導、多種因素共同決定的。早期階段折返的主導機制被認為是洋殼板塊斷裂后, 超高壓變質巖在浮力的作用下以較快的速率折返到中下地殼的位置(Davies and von Blanckenburg, 1995; Rubatto and Hermann, 2001; Warren, 2013; Hu et al., 2016); 而后期從中?下地殼折返到地殼淺部甚至地表的速率往往較慢, 主要包括地表的抬升剝蝕以及自然界中最基本的3種構造作用型式——伸展作用、走滑作用與擠壓作用(Xu et al., 2006; Warren, 2013; 汪勁草等, 2013)。

已有研究顯示, 錫鐵山地區早古生代變質巖系在碰撞造山及其后的造山后伸展抬升過程中經歷了多期構造變形(郭進京, 2000; Xu et al., 2006)。第一期以發育一系列大型韌性剪切帶、倒轉背斜、緊閉褶皺和區域片理為特征, 垂直造山帶的擠壓縮短變形; 第二期以形成區域透入性共軛破劈理或膝折帶平行造山帶的擠壓縮短變形為主。錫鐵山地區南西側韌性右行擠壓轉換剪切帶中花崗質糜棱巖化片麻巖的白云母40Ar/39Ar年齡為409～405 Ma(Xu et al., 2006; Hu et al., 2016), 被解釋為從糜棱巖化中高溫降低至白云母K-Ar體系封閉溫度(約400 ℃)的冷卻年齡, 反映此時超高壓變質巖已折返到較淺的部位(估計深度約為10～12 km)。錫鐵山花崗質片麻巖同樣發育有近平行造山帶NW-SE向的片理?片麻理(58°∠71°),因此應是同一構造應力作用的產物, 但兩者之間卻出現了近50 Ma的時間差?？紤]到錫鐵山花崗質片麻巖礦物組合主要以低角閃巖?綠片巖相為主, 且沿片麻巖面發育的變形石英脈樣品真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年結果顯示其原生包裹體來源主要是沿斷裂深循環的地表水, 說明在～357 Ma時, 花崗質片麻巖已經抬升到更淺的地殼位置, 且與區域深大斷裂或韌性剪切帶相連通(深度約為6 km)。錫鐵山地區廣泛發育晚泥盆世造山后巖漿作用(～372 Ma)、倒轉背斜以及背斜兩翼出現大量的擠壓轉換剪切帶(郭進京, 2000; Xu et al., 2006; 汪勁草等, 2013; 付建剛等, 2016), 說明晚期區內榴輝巖及其圍巖主要是在區域性的地殼伸展減薄以及伸展走滑作用的大構造背景下, 以較緩折返速率從中?下地殼折返到淺部地殼, 發生低角閃巖相?綠片巖相退變質作用, 并最終出露地表。

7 結 論

通過對錫鐵山地區花崗質片麻巖進行變質作用, 以及花崗質片麻巖中黑云母和變形石英脈樣品的40Ar/39Ar同位素年代學研究, 得出如下主要認識:

(1) 錫鐵山花崗質片麻巖低角閃巖相?綠片巖相變質礦物組合主要包括黑云母、白云母、微斜長石、斜長石、石英和榍石, 變質條件為390～420 ℃和=0.10～0.19 GPa。

(2) 花崗質片麻巖中變形石英脈樣品真空擊碎提取流體包裹體40Ar/39Ar定年揭示石英脈是區域性韌性剪切作用和透入性片理帶入的淺部流體的產物, 記錄了錫鐵山地體晚泥盆世一期重要流體活動發生的時間。

(3) 黑云母激光階段加熱40Ar/39Ar定年獲得的～357 Ma晚古生代年齡, 記錄了錫鐵山地區超高壓變質巖及其圍巖在經歷了加里東期深俯沖以及晚泥盆世造山后巖漿熱事件疊加后, 從中?下地殼折返到淺部地殼發生低角閃巖相?綠片巖相退變質作用的時代。

致謝:感謝兩位匿名審稿專家對本文提出的寶貴修改建議; 在荷蘭阿姆斯特丹自由大學實驗和學習期間, 得到了Roel Van Elsas、Onno Postma、Arie Bikker和Wim van der Plas的大力幫助和指導; 電子探針測試工作得到了桂林理工大學劉奕志和謝蘭芳老師的大力幫助, 在此一并表示衷心的感謝。

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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

國家自然科學基金項目(42073049)和廣西自然科學基金項目(2020GXNSFAA297049)聯合資助。

胡榮國(1982–), 男, 副教授, 從事變質巖和同位素年代學研究。E-mail: hurongguo@glut.edu.cn

P597

A

1001-1552(2023)06-1330-015

10.16539/j.ddgzyckx.2023.06.007