大別山榴輝巖研究概述

李靜++司志森++陸麗娜

摘 要：榴輝巖作為典型的超高壓變質巖，是研究碰撞造山帶演化過程及地球深部變質作用的物質基礎。該文闡述了我國大別山造山帶榴輝巖的研究意義，大別山的地質背景以及榴輝巖的特征及產出特點。總結了大別山榴輝巖的同位素地球化學（包括碳、氫氧和稀有氣體同位素）和稀土元素地球化學特征，并提出了一些在大別山榴輝巖的研究中尚有爭論的問題，如榴輝巖原巖的成因及來源、榴輝巖形成過程中板塊的俯沖深度、超高壓變質過程中稀土元素的穩定性等。這些問題的解決還有賴于對大別地區的超高壓變質巖做進一步的巖石地球化學及微量元素地球化學的研究。

關鍵詞：榴輝巖 大別山 同位素 稀土元素 地球化學 研究

中圖分類號：P587 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0073-03

1 大別山榴輝巖的研究意義

20世紀80年代以來的地質研究表明，大別造山帶是橫亙于中朝板塊和揚子板塊之間的陸、陸碰撞型造山帶，也是全球規模最大，剝露最好，保存最完整的超高壓變質巖帶[1-2]。

榴輝巖是典型的超高壓變質巖，通過對這類巖石的研究在追溯超高壓變質作用的歷史、了解變質帶的形成、演化等許多問題都具有重要的意義。

近年來，主要是巖石學、同位素和同位素年代學、礦物學這些學科集中對大別山榴輝巖進行了研究，也奠定了大別造山帶的基本構造架構[3-4]。但不足之處在于，對榴輝巖中微量元素的研究卻不多，這就對認識榴輝巖原巖成因以及性質的地球動力學模式和演化歷史具有一定的局限性。

2 大別山的地質背景

過郯廬斷裂是蘇魯造山帶，是大別造山帶的東延部分，稱為大別—蘇魯造山帶，是晚三疊世由揚子陸塊和華北陸塊相碰而形成的。

由南到北，將大別山劃分為宿松變質帶、南大別低溫榴輝巖帶、中大別中溫超高壓變質帶、北大別高溫超高壓雜巖帶及北淮陽帶等構造巖石單位（圖1）。研究表明，大別山印支期深俯沖陸殼包括南大別低溫榴輝巖帶、中大別中溫超高壓變質帶和北大別高溫超高壓雜巖帶3個超高壓巖片。其中，經歷過高壓榴輝巖相、超高壓榴輝巖相以及角閃巖相退變質作用的是中大別和南大別。不同于南大別和中大別的是，北大別超高壓變質巖則是經過獨特的麻粒巖相變質作用疊加而成的[5]。

3 榴輝巖成因以及分類

由主礦物是綠輝石和富鎂的石榴石組成的巖石就叫榴輝巖（eclogite）。柯爾曼等[6]將榴輝巖分3類：A類榴輝巖；指金伯利巖、玄武巖中的包體和超基性巖中的層狀體。B類榴輝巖：片麻巖地區的層狀或透鏡狀榴輝巖，常被玄武巖所包圍。C類榴輝巖：阿爾卑新型造山帶變質巖區的層狀和透鏡狀榴輝巖，石榴石的鎂鋁榴石含量小于30%。其中A類被認為是來自地幔的原始物質形成，后兩者認為在極高壓變質條件下形成。

大別山的榴輝巖產于由不同類的一種或者幾種巖石構成的巖石復合體中。其產狀根據圍巖（寄主巖石）的類型以及與圍巖的相互關系，榴輝巖體的形態可分為[7]：（1）大型榴輝巖雜巖體，與超基性巖有關的；（2）條帶狀、透鏡狀的榴輝巖，夾于片麻巖中超基性巖內的；（3）似層狀或石香腸狀，條帶狀的榴輝巖，產于片麻巖中；（4）團塊狀、角礫狀的榴輝巖，在含大理巖夾層的片麻巖中；（5）有不規則團塊狀透鏡狀包體的榴輝巖，存在于在大理巖中。

4 同位素地球化學方法

在地質年齡確定、巖石物質來源追溯、巖石演化過程中，起重要作用的就是同位素地球化學方法。U-Pb、K-Ar、Sm-Nd、SHRIMP等多種同位素定年技術為眾多研究者所采用，來對大別山榴輝巖和超高壓片麻巖進行了年代學研究，不同作者或不同方法的測年結果，給出了一個較大的時限范圍。在三疊紀，發生了大別山-蘇魯超高壓變質作用，則是根據其大致時限在200 Ma至250 Ma之間來確定的[8]。

4.1 稀有氣體同位素方法

因氦同位素在地殼和地幔中存在很大的組成差別，加之氦又有極強的活性，因此將氦同位素作為最靈敏的示蹤劑，對地幔相互作用進行研究，和地幔、地殼物質的區分。在系統研究了大別山地區各類型的榴輝巖中氦同位素的組成后，李善芳等[9]發現，大別山地區榴輝巖全巖的3He/4He均值是0.200×10-6，從3He-4He分布圖來看，處于地殼氦和大氣氦的過渡段，進而提出，大別一蘇魯地區超高壓變質榴輝巖沒有俯沖到100多 km的地幔深度，而在地殼中形成的可能性大。

杜建國等[10]在對大別山區新鮮榴輝巖中的單礦物石榴石和綠輝石的氦氬同位素時發現，與國外的一些幔巖石相比，氦、氬同位素在綠輝石和石榴石中的地球化學特征具有一致性。尤其是，與漢諾壩新生代玄武巖中二輝橄欖巖包體的氦、氬同位素地球化學具有相似特征，并認為虧損型地幔的氣體同位素地球化學特征被大別山榴輝巖保留了下來，虧損型地幔的巖石可能是大別山榴輝巖的來源。

4.2 穩定同位素研究—— 氫氧及碳同位素研究

地殼中與流體有關的地質過程可以通過穩定同位素來示蹤，還能提供殼-幔、流體-巖石相互作用等重要信息。

鄭永飛等在對榴輝巖中的單礦物的氫氧同位素進行大量研究[11]時發現，氧同位素不僅在含柯石英榴輝巖出現局部負異常（δ18O=-10‰），并且區域分布不均（δ18O=-10‰～+10‰）。前者需要經歷大氣降水熱液的蝕變，才能使榴輝巖原巖變質，表明大陸地殼特點是俯沖板塊所具有的；后者說明快速俯沖變質特征是揚子板塊具有的，如果不是這樣，那么同位素是具有均一性的。

因與沉積碳酸鹽巖（0±2‰）和地幔碳（-5‰±2‰）相比，地表有機碳的δ13C值（-25‰±5‰）有明顯的不同，所以超高壓巖石的化學地球動力學的形成過程，可以通過分析碳同位素來進行示蹤。碳同位素正異常（δ13C=1‰～+6‰）在大別山地區大理巖中較常見，大陸邊緣封閉盆地的形成則受其原巖石灰巖的沉積環境所指示[12]。大理巖碳同位素正異常和榴輝巖氧同位素負異常的保存指示，明顯的化學相互作用沒有發生在地幔與超高壓巖石之間。endprint

5 稀土元素研究

在經歷了復雜的退變質歷史和進變質歷史后，十分困難的一項工作就是確定榴輝巖原巖屬性和構造環境。但是，變質巖原巖特征和地質構造背景相關信息，可以由地球化學數據，尤其是稀土元素（REE）、弱遷移和非遷移（1ess mobile and immobile）微量元素提供。如此一來，榴輝巖原巖類型和構造背景推測的有效手段之一就是利用稀土元素地球化學特征[13]。

張建珍等分析大別山區的共生片麻巖和榴輝巖的稀土元素得出，稀土特征因榴輝巖的產狀不同而有所差別。榴輝巖圍巖的稀土特征與共生榴輝巖差別較大，輕稀土富集型明顯。因此，差異很大在相同產出特點的榴輝巖化學成分及稀土元素特征方面也存在，說明他們不同由同一原巖類型變質而來的；而稀土特點相同但圍巖不同的，表明是有成因聯系的巖石形成的圍巖，具有外來特征的榴輝巖，則可能是俯沖過程中大洋巖石的碎片。

黃智龍等[14]將大別山地區榴輝巖按REE特征劃分為六種主要類型，樣品的La/Yb-ΣREE投圖顯示大陸拉斑玄武巖區出現有絕大部分的榴輝巖，大陸拉斑玄武巖及其結晶分異的巖石可能為其主要原巖，是經過相對富集地幔部分熔融而成的。

LREE富集型是蘇北榴輝巖的主要類型[15]，但具有巨大的稀土元素分配型式，其特點是差別明顯。結合其主元素特征及εNd（t）<0等特點，推斷蘇北榴輝巖總體具有大陸拉斑玄武巖的特征，源于富集型地幔，原巖所代表的基性巖漿活動是在地殼拉張環境下發生的，可能屬于大陸裂谷環境。

6 問題討論

6.1 榴輝巖的原巖是原地成因還是外來

對榴輝巖的氦同位素研究表明，榴輝巖原巖具有陸殼巖石的特征，且榴輝巖的氦同位素比值與氧同位素比值與圍巖密切相關。研究表示，超高壓變質過程是榴輝巖及其圍巖都要一起經歷的，也就是說榴輝巖是原地成因的。

還有一種觀點則認為，榴輝巖雖然與圍巖共同經歷了超高壓變質作用，但榴輝巖在俯沖前是否就與其圍巖共生還值得商榷，從稀土元素研究來看，稀土元素特征差別很大的是產出不同的榴輝巖，而特征相同的則是不同的圍巖，反映榴輝巖具有外來的特點，很可能是在俯沖過程中帶入了大量大洋巖石碎片，并非簡單的原地型變質成因。但也有學者認為，大別山地區絕大部分榴輝巖原巖可能主要為相對富集地幔部分熔融產物，即大陸拉斑玄武巖及其結晶分異的巖石。由此可見，榴輝巖是原地變質成因還是外來，其原巖是陸殼巖石還是洋殼碎片還值得進一步研究。

6.2 超高壓變質過程中的俯沖深度

普遍認為，榴輝巖中柯石英和金剛石的發現證明榴輝巖至少是在地表100 km以下經高壓變質作用形成的，多種同位素地球化學研究表明大別山地區俯沖板塊具有大陸地殼特點，榴輝巖氧同位素負異常和大理巖碳同位素正異常的保存指示，這些超高壓巖石與地幔之間五明顯化學作用。有人曾認為，由于過快的俯沖和折返速度，大別造山帶在超高壓變質時未及時與地幔物質發生交換，所以地幔物質參與的信息沒有留下來。不少人逐漸認識到，大別一蘇魯地區超高壓變質巖并未俯沖至100多 km的地幔深度，可能是在地殼中形成。含柯石英和金剛石的超高壓變質巖形成所需的壓力不一定都來自于巖石靜壓力，還包括構造壓力[16]。

6.3 稀土元素在高壓變質作用中的穩定性

對變質巖來說，人們研究稀土元素及其分布的主要興趣和目的在于探討原巖恢復及其形成過程，因為其他一些元素，如K、Rb、U、Th在變質作用過程中有較大的活動性而不能保持原來的特征，稀土元素在超高壓變質作用過程中相對穩定，對恢復原巖巖性有較好的效果。但也有些學者對此持有不同的看法，伯納德等認為礦物分結作用（變質條帶）會使少數巖石出現階梯狀稀土配分型式，這種型式與巖石礦物組成密切相關，不是火成巖的特征，某種條件下，一些副礦物諸如褐簾石經過分解，會造成REE的丟失。沙茨基等研究了高壓變質過程中稀土元素的行為，實驗表明，數量可觀的稀土元素（主要是輕稀土元素），賦存于礦物粒間或者是副礦物相中，變質作用過程中輕稀土元素的情性特點可能與低的溶液/巖石比存在一定的關系。關于REE高壓分配系數近年來的模擬實驗證明，產生的基性巖漿LREE富集、HREE虧損是因石榴石橄欖巖的低度部分熔融所導致，由于分配系數低的REE的固相/液相，使得低度部分熔融產生的液相REE豐度變高[17]。REE的豐度以及分配模式在有大量的流體相參與的變質作用中，變化明顯[18]。

因此，用稀土元素討論原巖性質時應該首先保證榴輝巖在變質過程中未發生部分熔融或者有大量流體參與，同時要考慮到是否有副礦物的分解而造成REE的丟失。由于大別山榴輝巖經歷了進變質作用和退變質作用，全巖成分可能會受到退變質作用的影響，所以測定未蝕變的單礦物綠輝石和石榴石可能獲得更多的信息。

參考文獻

[1] Wang X，Liou JG.Coesite—bearing eclogites from the Dabie mountains in central China[J].Geology，1989（17）：1085-l088.

[2] Wang X，Liou JG.Regional ultrahigh pressure coesite—bearing eclogite terrane in central China：evidence from country rocks，gneiss，marble and metapelite[J].Geology，1989（19）：933-936.

[3] 李曙光，Hart S R，鄭雙根，等.中國華北華南陸塊碰撞時代的釤-釹同位素年齡證據[J].中國科學（B），1989，20（3）：3l2-319.

[4] Hacker B R，Ratschbacher L，Webb L，et al. Exhumation of ultrahigh-pressure continental crust in east central China ：Late Triassic-Early Jurassic tectonic unroofing[J].J Geophys Res，2000，105（B6）：13339-13364.endprint

[5] 徐樹桐，劉貽燦，江來利，等.大別山的構造格局和演化[M].北京：科學出版社，1994，34-60.

[6] Coleman R G，Lee D E， Beatty L B， et a1. Eelogites and eclogites：Their diferences and similarities[J].Geol Soe Am Bull，1965（76）：483-508.

[7] 張建珍，杜建國，張友聯，等.大別山榴輝巖巖石學及地球化學特征[J].地質評論，1998，44（3）：255-262.

[8] Chavagnac V， Jahn B M. Coesite-bearing eclogites from the Bixiling Complex， Dabie Mountains， China： Sm-Nd agess，geochemical characteristics and tectonic implications.Chemical Geology，1996，133：29-51.

[9] 李善芳，李延河.大別山超高壓變質榴輝巖的氦同位素組成及對其形成環境的制約[J].地質評論，2005，51（3）：243-248.

[10] 杜建國，張建珍.大別山榴輝巖的氦、氬同位素組成及其巖石成因[J].地震地質.1999，21（4）：431-435.

[11] Zheng Y F.Fu B，Cong B，et al.Extreme 180 depletion in eclogite from the Su-Lu terrane in East China[J]. Eur.J.Mineal.，1996（8）：317-323.

[12] Zheng Y F，Fu B，cong B，Wang Z R.Carbon isotope anormaly in marbles associated with eclogites from the Dabie Mountains in China[J].J.Geol.，1998（106）：97-104.

[13] 王中剛，于學元，趙振華，等.稀土元素地球化學[M].北京：科學出版杜1989.

[14] 黃智龍，劉從強.華中超高壓變質帶中榴輝巖的稀土元素地球化學[J].礦物學報.2000，20（3）：250-255.

[15] 譚緒榮，王式光，趙云龍.蘇北榴輝巖的稀土元素地球化學及其成因討論[J].地質評論.1995，41（5）：401-408.

[16] 呂古賢，陳晶，李曉波，等.構造附加靜水壓力研究與含柯石英榴輝巖成巖深度測算[J].科學通報，1998，43（24）：2590-2602.

[17] Harrison W J.Partitioning of REE between minerals and coexisting melts during melting of a garnet peridotite[J]. Am.Mineral，1981（66）：242—252.

[18] Hellman Ph L，Smith R E，Hederson P.The mobility of the rare earth e1ements： Evidence and implication from selected terrains affected by burial metamorphism[J].Contib Mineral，Petrol，1979（71）：23-44.endprint