蘇魯造山帶威海地區石榴角閃巖中“環狀”石榴子石的成因*

劉利雙 劉福來 郭敬輝 蔡佳 朱建江 王慧寧

1. 中國科學院地質與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室，北京 1000292. 中國科學院地球科學研究院，北京 1000293. 自然資源部深地動力學重點實驗室，中國地質科學院地質研究所，北京 1000374. 中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049

造山帶變質巖可以保存復雜的變質-構造-流體演化信息，是研究匯聚板塊邊緣俯沖-碰撞-折返過程的關鍵對象(Chopin, 2003)。而石榴子石作為變質巖的主要組成礦物之一，晶體粒間元素擴散速度緩慢，可以記錄復雜的化學和結構變化(Xiaetal., 2012, 2019; 張建新等, 2002; 夏瓊霞和鄭永飛, 2011; 夏瓊霞等, 2013; 夏瓊霞, 2019)。石榴子石在同一變質巖中可以保存多種形態，如斑晶狀、后成合晶狀、冠狀體、紅眼圈狀(red-eye socket)和環礁狀(atoll-shaped)等(Herwartzetal., 2011; Robyretal., 2014; Bucheretal., 2019; Faryadetal., 2019)，不同形態或結構/部位的石榴子石(成分)往往含不同的礦物包裹體，表明它們可能形成于不同的變質-構造-流體環境(Carswell and Compagnoni, 2003; Davis and Whitney, 2006)。因此，發育特征結構和化學成分環帶的石榴子石是探討造山帶演化詳細過程的關鍵礦物之一。

“環狀”石榴子石(ring garnet)與“環礁狀”石榴子石(atoll garnet)相似，是中-高級變質巖中發育的特殊結構?！碍h礁狀”石榴子石在以往研究中被廣泛報道(Spiessetal., 2001; Passchier and Trouw, 2005; Faryadetal., 2010; Ruiz Cruz, 2011; Enamietal., 2012)，而單純的“環狀”石榴子石研究甚少?！碍h礁狀”石榴子石是指一個完整或近似完整的石榴子石環形圍繞石榴子石殘骸(島礁狀)或其它礦物生長的現象，可產于片巖、麻粒巖和榴輝巖等巖石中(Xiaoetal., 2002; Liuetal., 2006; Ruiz Cruz, 2011; Enamietal., 2012; Jonnalagaddaetal., 2017; Renetal., 2018)。已有研究表明，“環礁狀”石榴子石外環的成因主要包括多核生長與合并、快速而短暫的變斑晶骨架生長、對核部石榴子石的重吸收和再結晶等(Cooper, 1972; Smellie, 1974; Godard, 1988; Spiessetal., 2001; Dobbsetal., 2003; Chengetal., 2007; Robyretal., 2014)。而“環狀”石榴子石缺少“島礁狀”石榴子石殘核，不易判斷是否存在過早期石榴子石核，因此對于研究其成因具有一定的困難。

我國大別超高壓變質帶榴輝巖中保存典型的“環礁狀”石榴子石，有學者認為它們是由于超高壓榴輝巖在折返過程中的外部流體滲透作用，使核部石榴子石分解而后再結晶形成的(Xiaoetal., 2002; Liuetal., 2006; Chengetal., 2007, 2009)，也有學者認為“環礁狀”石榴子石是早期進變質階段正常石榴子石核被外部流體滲透發生分解、在保留下來的石榴子石外環基礎上再增生形成的(Caoetal., 2018)。在大別超高壓帶東延部分，即蘇魯超高壓變質帶，以往研究主要集中于含正常結構石榴子石的榴輝巖、花崗巖和長英質脈體等超高壓巖石(Wangetal., 1993; Zhangetal., 1995a; Yang, 2004)。Chenetal. (2015)報道了威海地區超高壓閃長質片麻巖發育特殊核-邊結構的石榴子石，從巖相學照片可判斷為“環礁狀”石榴子石，被認為形成于俯沖陸殼的折返階段地質流體作用下的溶解-再沉淀機制。

近年來，在區域地質調查基礎上，我們在威海地區首次發現含“環狀”石榴子石的石榴角閃巖，其巖相學特征不同于蘇魯超高壓帶常見的退變榴輝巖(Wangetal., 1993; Yaoetal., 2000; Yang, 2004; Zhangetal., 2006b; Xiaetal., 2018)，也不同于北蘇魯造山帶內發育“紅眼圈”結構的、具有華北板塊屬性的基性麻粒巖(Zhangetal., 2006a; Liuetal., 2017a, 2018a; 劉利雙等, 2015, 2017)。本文擬對這類巖石開展詳細的巖相學、礦物主微量元素、鋯石U-Pb年代學和變質作用研究，查明“環狀”石榴子石的成因及其形成的變質條件，這對于詳細刻畫北蘇魯造山帶的變質-構造-流體演化過程具有重要的科學意義。

圖1 蘇魯造山帶東北端及鄰區區域地質概況

1 地質背景

研究區位于蘇魯造山帶東北端的威海地區，其西北側以煙臺-青島-五蓮斷裂為界與華北板塊東南緣的膠北地體相鄰(圖1; Tangetal., 2007, 2008b; Zhangetal., 2014)。

蘇魯-大別造山帶是中-晚三疊世(240～220Ma)揚子板塊與華北板塊之間的俯沖-碰撞過程形成的(Cong, 1996; Liouetal., 1996, 2009; Hackeretal., 2000; Liou, 2000; Zhangetal., 2000)，北部為超高壓帶，南部為高壓帶，西南方為大別高壓-超高壓帶，東北部為蘇魯高壓-超高壓帶。北蘇魯超高壓帶主體由花崗質片麻巖以及少量表殼巖和變鎂鐵-超鎂鐵質巖石薄層或透鏡體組成(Cong and Wang, 1999; Zhengetal., 2003; Liu and Liou, 2011)，其原巖普遍形成于新元古代(850～750Ma)(Amesetal., 1996; Hackeretal., 1998; Zhengetal., 2003, 2004, 2007; 許志琴等, 2006; Tangetal., 2008b; Liu and Liou, 2011)，代表了來自于揚子板塊北緣的陸殼物質(Zhengetal., 2003, 2004; Tangetal., 2008a)。其中，變鎂鐵-超鎂鐵質巖石以榴輝巖為代表，呈無根的透鏡體、脈狀和似層狀產于片麻巖中，長軸方向與區域片麻理總體方向一致。大量以柯石英、金剛石等為代表的超高壓礦物的準確識別(Yeetal., 2000; Liu and Liou, 2011)，表明榴輝巖及其圍巖組成的巨量陸殼物質普遍發生了深俯沖，以近等溫減壓的順時針變質演化P-T-t軌跡為特征(Liouetal., 2009; Zhangetal., 2009; Liu and Liou, 2011)，可劃分為四個階段：高壓石英榴輝巖相進變質階段、峰期超高壓柯石英/金剛石榴輝巖相變質階段、峰后石英榴輝巖-麻粒巖相退變質階段和晚期角閃巖相退變質階段，其變質P-T條件分別為570～690℃/17～21kbar、750～850℃/34～40kbar、600～750℃/12～24kbar和550～650℃/7～10.5kbar(Zhangetal., 1995a, 2005, 2009; Liu and Liou, 2011)。超高壓變質時代為中三疊世(240～225Ma)，角閃巖相退變質時代為晚三疊世(220～200Ma)(Liu and Liou, 2011; 劉福來等, 2011及其參考文獻)。

圖2 威海地區含“環狀”石榴子石的石榴角閃巖野外露頭Fig.2 Outcrop of ring garnet-bearing hornblendite in the Weihai area

膠北地體位于華北板塊東南緣，主要由太古宙-古元古代(ca. 2900～1800Ma)的TTG-花崗片麻巖、表殼巖(以荊山群和粉子山群為代表)和變鎂鐵-超鎂鐵質巖石(如基性麻粒巖)組成(Wanetal., 2006; Jahnetal., 2008; Tametal., 2011, 2012a, b, c; Liuetal., 2013a; Wang and Zhou, 2014; Wuetal., 2014)，它們共同經歷了古元古代(1950～1850Ma)麻粒巖相變質事件(Zhouetal., 2008; Tametal., 2011; 劉平華等, 2010; Liuetal., 2017b)，并伴隨廣泛的深熔作用(劉福來等, 2015)，其變質演化P-T-t軌跡具有近等溫減壓至近等壓冷卻的順時針型式(劉平華等, 2010; Tametal., 2012a, b, c; Liuetal., 2013b)。近年來北蘇魯造山帶內部華北板塊變質殘片的識別(Zhangetal., 2006a; Liuetal., 2017a, 2018a)以及華北板塊東南緣三疊紀變質記錄的發現(Wanetal., 2007; Liuetal., 2018b)，表明華北板塊東南緣可能卷入了三疊紀的碰撞-造山事件。

威海地區位于蘇魯造山帶東北端，是研究超高壓變質作用的經典地區。該區主體出露新元古代花崗片麻巖，夾零星的榴輝巖、變質表殼巖和超基性巖巖塊或透鏡體(圖1b)，它們共同經歷了中-晚三疊世(235～225Ma)的超高壓變質作用(Liu and Liou, 2011及其參考文獻)。巖石學和變質作用研究表明，該區榴輝巖以經歷峰后麻粒巖相變質作用的疊加為特征(Wangetal., 1993; Zhangetal., 1995b; Bannoetal., 2000)區別于南蘇魯超高壓帶地區榴輝巖。此外，近年來在初村鎮-羊亭鎮一帶識別出“紅眼圈”結構基性麻粒巖和石榴角閃巖，普遍經歷了晚古元古代(1855～1818Ma)的麻粒巖相變質作用(Xiangetal., 2014; Liuetal., 2018a; Xuetal., 2019)，并可能遭受三疊紀(235～205Ma)變質作用的疊加(Liuetal., 2018a; Xuetal., 2019; 劉利雙, 2019)。以“紅眼圈狀”石榴子石為代表的變質礦物組合形成于高壓麻粒巖相(730～850℃/11.0～15.5kbar)變質條件(劉利雙, 2019)。值得注意的是，Chenetal. (2015)在威海閃長片麻巖中發現“環礁狀”石榴子石，它具有較高的δ18O值和水含量，可能與俯沖帶流體作用相關。

2 巖石學及巖相學特征

本文研究的“環狀”石榴角閃巖樣品采自威海地區泊于鎮附近，以透鏡體形式產出，邊部轉變為黑云角閃片巖(圖2)，其圍巖為花崗片麻巖。主要組成礦物為石榴子石(20%～25%)和角閃石(60%～65%)(圖3)，含少量的斜長石(3%～5%)、白云母(1%～2%)、鎂鐵閃石(<1%)、石英(<1%)和綠泥石(<1%)等，副礦物主要為金紅石(1%～1.5%)、鈦鐵礦(0.5%～1%)、磷灰石(～1%)和磁鐵礦(<1%)(圖4)。其中，石榴子石主要有五種形態(圖3)：1)絕大多數以自形的環狀產出，粒徑可達3～5mm，環繞角閃石生長(圖3a-c)，環內壁被細粒石榴子石+角閃石+斜長石±白云母+鈦鐵礦±金紅石±磷灰石環繞(圖4a, f-j)，環外邊與基質中板柱狀角閃石接觸面平整(圖3a、圖4h)，局部被改造，轉變為白云母+鉀長石+斜長石(圖4a, c)，石榴子石環核部包裹體為角閃石+金紅石+鋯石+鈦鐵礦(圖4b-e)；2)少數石榴子石以近似完整的自形晶產出，粒徑為2～3mm，含大量的包裹體礦物，如角閃石+斜長石+金紅石+白云母+鈦鐵礦+磷灰石等，邊部與角閃石接觸面平整(圖3a)；3)極少數以較小的不規則斑晶產出，邊部為角閃石+斜長石+白云母(圖3d)；4)少量石榴子石以細條狀沿角閃石粒間分布，整體形態呈半自形石榴子石環(圖3e)；5)少量細小石榴子石以角閃石包體產出。角閃石主要有四種形態：基質中的板柱狀角閃石斑晶、“環狀”石榴子石的核部斑晶、石榴子石環內外邊部的細粒角閃石和石榴子石的包裹體(圖3)。斜長石和白云母主要以石榴子石環內、外邊的細粒狀形式產出(圖4h, i)，鎂鐵閃石主要產于石榴子石與角閃石接觸邊界或角閃石邊部(圖4i)，極少量的石英、鉀長石和綠簾石以大顆粒角閃石斑晶中的包裹體形式產出。次生礦物綠泥石主要分布于石榴子石內邊或外邊的后成合晶附近?；|中的金紅石邊部局部轉變為鈦鐵礦(圖4k)，少數金紅石以包裹體形式產于石榴子石中(圖4b, d)。磷灰石以斑晶或包裹體形式產出(圖4i)。

圖3 “環狀”石榴角閃巖顯微結構照片(單偏光)(a)巖石薄片掃面圖；(b)石榴子石圍繞角閃石生長，石榴子石消失位置的金紅石幾乎全部轉變為鈦鐵礦；(c)石榴子石環內邊發育后成合晶，環外邊與大顆粒角閃石接觸面平直；(d)小顆粒石榴子石邊部發育后成合晶；(e)細條狀石榴子石沿角閃石粒間或解理縫分布Fig.3 Microphotographs of ring garnet-bearing hornblendite from the Weihai area(a) a scanning map of rock thin section; (b) hornblende is sourrounded by ring garnet, and rutile is almost transformed into ilmenite where garnet disappears; (c) the inner rim of ring garnet is replaced by symplectite, and the outer rim contacts with hornblende with straight and clean surface; (d) symplectites grow on the rim of fine-grained garnet; (e) small strip garnets are distributed along the grain boundaries of hornblende

圖4 威海地區“環狀”石榴角閃巖顯微結構照片(背散射)(a)“環形”石榴子石全貌圖；(b)石榴子石的角閃石+金紅石包裹體，環外邊分布有鋯石；(c)石榴子石環外邊發育的后成合晶，主要由角閃石+白云母+金紅石+鈦鐵礦組成；(d)石榴子石環內邊的后成合晶中含角閃石、金紅石和鋯石包裹體；(e)石榴子石環內邊的后成合晶中含角閃石、金紅石、鈦鐵礦和鋯石包裹體；(f)石榴子石環內邊的后成合晶由石榴子石+角閃石+斜長石+金紅石+鈦鐵礦+磷灰石組成；(g)石榴子石環內邊附近細粒石榴子石含斜長石和金紅石包裹體；(h)石榴子石內部發育大量包裹體，外邊界平直；(i)石榴子石內部的角閃石與石榴子石環內邊之間發育細粒石榴子石、斜長石和白云母等礦物，其中角閃石含綠簾石和磷灰石包裹體，邊部轉變為鎂鐵閃石；(j)石榴子石環內邊的后成合晶礦物組合為石榴子石+斜長石+角閃石；(k)金紅石部分轉變為鈦鐵礦Fig.4 Microphotographs of ring garnet-bearing hornblendite from the Weihai area(a) a close-up view of ring garnet; (b) inclusions of hornblende and rutile in ring garnet, and zircon grows near the outer rim of garnet; (c) symplectites, consisting of hornblende+muscovite+rutile+ilmenite, are distributed near the outer rim of ring garnet; (d) symplectite near the inner rim of ring garnet contains inclusions of hornblende, rutile and zircon; (e) inclusions of hornblende, rutile, ilmenite and zircon in the inner symplectite of ring garnet; (f) symplectite near the inner rim of ring garnet consists of fine-grained garnet, hornblende, plagioclase, rutile, ilmenite and apatite; (g) fine-grained garnet near the inner rim of ring garnet contains inclusions of plagioclase and rutile; (h) ring garnet contains abundant inclusions in the inner core, and has straight outer boundaries; (i) fine-grained garnet, plagioclase and muscovite grow between the inner rim of ring garnet and hornblende in garnet core, and the hornblende whose rim was transformed into cummingtonite contains inclusions of epidote and apatite; (j) symplectite near the inner rim of ring garnet contains garnet, plagioclase and hornblende; (k) rutile was partially replaced by ilmenite

本文采用的礦物縮寫：g-石榴子石；hb-角閃石；pl-斜長石；mu-白云母；q-石英；cum-鎂鐵閃石；ep-綠簾石；ap-磷灰石；ru-金紅石；ilm-鈦鐵礦；zr-鋯石。

3 實驗方法

礦物主量元素分析在中國科學院地質與地球物理研究所電子探針與掃描電鏡實驗室完成。電子探針(EMP)型號為JOEL-JXA8100，加速電壓為15kV，電流為10nA，束斑直徑為1μm或5μm。實驗以天然或人工樣品為標樣，共分析了Si、Ti、Al、Cr、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K和Ni等元素。實驗數據采用ZAF修正。

礦物微量元素分析在中國科學院地質與地球物理研究所激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)上完成。儀器型號為Agilent 7500a，激光剝蝕系統為193nm的GeoLas HD。激光剝蝕束斑直徑為60μm，電壓為25kV，頻率為10Hz。以He氣作為剝蝕物質的載氣，將剝蝕物質運送至質譜儀進行測試分析。數據處理以NIST SRM 610作為外標，以USGS BCR-2G作為質量監控標樣。43Ca作為內部校正標準。軟件使用GLITTER程序(Griffinetal., 2008)。微量元素含量的準確度和精度為5%～10%。

1件樣品的鋯石分選在河北省廊坊市區域地質調查研究院進行。首先將每件樣品破碎至適當粒級，經清洗、烘干和篩選，采用磁選和重液分選法，分選出不同粒級的鋯石晶體，然后在雙目鏡下挑選出顆粒較好的鋯石晶體制靶。陰極發光(CL)圖像拍攝和SHRIMP U-Pb定年在北京離子探針中心完成。分析測試中一次流O2-強度為3～5nA，束斑大小為25～30μm，每個分析點采用5組掃描。標樣TEM(206Pb/238U年齡為417Ma)采用鋯石年齡校正，對實測204Pb含量進行普通鉛校正。單點同位素比值和年齡誤差為1σ。詳細分析流程參考Williams (1998)，數據處理采用SQUID和ISOPLOT程序(Ludwig, 2003)。

4 礦物主量元素

本文對石榴角閃巖的主要組成礦物石榴子石、角閃石、斜長石和白云母進行了主量元素分析，代表性礦物化學成分見表1、表2。

表1 威海地區石榴角閃巖中“環狀”石榴子石的代表性主量元素(wt%)

表2 威海地區石榴角閃巖中角閃石、斜長石和白云母的代表性主量元素(wt%)

圖5 圖4(a、h)中“環狀”石榴子石的Ca、Mg和Fe成分面掃描圖像(a)石榴子石由環核部(g-c)向內、外兩個方向逐漸降低，在環外邊(g-r2)位置Ca突然降至最低；(b)石榴子石由環核部向內、外兩個方向逐漸升高，在環外邊(g-r2)位置Mg突然升至最高；(c)石榴子石由環核部(g-c)向環內(g-r1)、外(g-r2)邊的Fe升高；(d)“環狀”石榴子石可明顯分為高Ca、中Ca和低Ca部分Fig.5 X-ray composition of the ring garnet in Fig.4a, h(a) Ca content decreases gradually from the garnet ring to both the inner and the outer directions, and minimizes at the outer rim; (b) Ca content increases gradually from the garnet ring to both the inner and the outer directions, and maximizes at the outer rim; (c) Fe content increases from the garnet ring to both the inner and the outer rims; (d) ring garnet includes high-Ca, medium-Ca and low-Ca parts

圖6 石榴子石的代表性成分環帶(a、b)和Grs-(Alm+Sps)-Prp圖解(c)(a)“環狀”石榴子石及成分剖面A-A′位置；(b)圖(a)中A-A′剖面的化學成分環帶；(c)石榴子石環核部(g-c)、環內邊(g-r1)、環外邊(g-r2)和角閃石內包體石榴子石(g-i)的Grs-(Alm+Sps)-Prp圖解Fig.6 Chemical compositional profile (a, b) and Grs-(Alm+Sps)-Prp diagram (c) of ring garnet(a) profile A-A′ location on the ring garnet; (b) compositional profile of A-A′ in figure (a); (c) Grs-(Alm+Sps)-Prp diagram of the core (g-c), inner rim (g-r1) and outer rim (g-r2) of ring garnet

圖7 角閃石的代表性成分環帶(a)和Si-XMg分類圖解(b)Fig.7 Chemical compositional profile (a) and Si-XMg diagram (b) of hornblende

4.1 石榴子石

石榴子石(A3B2(SiO4)3)的成分整體上屬于鐵鋁榴石(Alm)-鈣鋁榴石(Grs)-鎂鋁榴石(Prp)固溶體(XMg=Mg/(Mg+Fe2+)為0.25～0.40；Alm=0.44～0.58；Grs=0.15～0.33；Prp=0.17～0.32)，含極少量的錳鋁榴石(Sps=0.01～0.03；表1)。初步X射線掃描圖像顯示，“環狀”石榴子石由環核部(g-c)向環內邊(g-r1)和環外邊(g-r2)，具有Ca降低、Mg和Fe升高趨勢(圖5)，而且在環外邊Ca組分突然降低(圖5a, d)，相應位置的Mg組分有所升高(圖5b)，Mn變化不明顯或略有升高(圖略)。進一步電子探針成分測試表明，“環狀”石榴子石環沿著環內邊-環核部-環外邊方向(A′→A)，Grs先緩慢升高，在靠近環外邊位置又迅速降低，Prp與Grs具有相反的變化趨勢，Alm先逐漸降低而后又逐漸升高(中間可能由于包裹體影響而有所升高)，Sps僅在兩端略有升高(圖6a, b)。通過對多個石榴子石的主元素分析，總體上，“環狀”石榴子石環核部(g-c)的Alm、Grs、Prp、Sps和XMg值分別變化于0.44～0.56、0.14～0.33、0.17～0.32、0.01～0.02和0.25～0.39之間，環內邊后成合晶狀石榴子石(g-r1)的Alm、Grs、Prp、Sps和XMg值分別介于0.48～0.56、0.13～0.23、0.23～0.31、0.02～0.03和0.29～0.38之間，而環外邊(g-r2)的Alm、Grs、Prp、Sps和XMg值分別為0.48～0.58、0.14～0.24、0.24～0.31、0.02～0.03和0.29～0.40，由環核部向內、環外邊，石榴子石的Grs降低，而Alm明顯升高，Prp有升高趨勢，Sps略有升高(圖6c和表1)。此外，石榴子石內角閃石包體石榴子石(g-i)的Alm、Grs、Prp、Sps和XMg值分別為0.50～0.57、0.13～0.19、0.25～0.30、0.02～0.03和0.31～0.37，與石榴子石內、外邊部成分相似(圖6c和表1)。

4.2 角閃石

角閃石(A0-1B2C5T8O22(OH, F, Cl)2)從產狀上可分為三類：基質中大顆粒(hb-c)、石榴子石內包裹體(hb-i)和石榴子石環內邊小顆粒后成合晶(hb-ic)，化學成分分類據Leakeetal. (1997)?；|中大顆粒角閃石從核部到邊部，MgO降低，Al2O3和FeO升高(圖7a)，而石榴子石內包裹的角閃石從核至邊的元素含量變化無明顯規律(未發表資料)。總體上，基質中大顆粒角閃石成分主要為鎂角閃石(7b)，Si=6.498～7.195p.f.u.，Al=1.264～2.267p.f.u.，Ti=0.016～0.113p.f.u.，XMg=0.75～0.86(表2)，石榴子石內包裹體和環內邊小顆粒后成合晶角閃石主要為鎂角閃石向鈣鎂閃石過渡區(圖7b)，化學成分接近基質中大顆粒角閃石邊部，Si=5.87～6.640p.f.u.，Al=2.030～3.425p.f.u.，Ti=0.032～0.143p.f.u.，XMg=0.62～0.82(表2)。

4.3 斜長石

斜長石(NaAlSi3O8-CaAlSi3O8)從產狀上主要分為四類：石榴子石環內邊細粒后成合晶狀、石榴子石環外邊細粒狀(pl-oc)、石榴子石包裹體(pl-i)和與白云母相鄰的斜長石(pl-nmu)。其中“環狀”石榴子石環內邊細粒后成合晶狀斜長石成分具有核邊差異，邊部(pl-ir)比核部(pl-ic)更富Ca，核部為中長石(An=25～37)邊部為拉長石-培長石(An=31～37)。石榴子石環外邊細粒后成合晶狀斜長石成分接近pl-ic成分，主要為中長石，An=28～36(圖8)。石榴子石內包裹體斜長石主要為奧長石(圖8)，An=～35。

4.4 白云母

白云母(KAl2(Si3Al)O10(OH, F)2)從產狀上主要分為三類：“環狀”石榴子石環內邊附近細粒狀、石榴子石包裹體和環外邊附近細粒狀，它們化學成分接近，Si=3.095～3.219p.f.u.，XNa(Na/(Na+K))=0.01～0.16，XFe(Fe2+/(Fe2++Mg))=0.44～0.89(表2)。

5 礦物微量元素

本文選取“環狀”石榴子石和石榴子石環內、外的角閃石進行微量元素測試，分析結果見表3和圖9。具有主量元素環帶的“環狀”石榴子石稀土總量(∑REE)為19.68×10-6～46.16×10-6，輕(LREE)、重(HREE)稀土元素分異明顯，極其富集重稀土 (圖9a)， 輕(∑LREE)、 中(∑MREE)和重(∑HREE)稀土元素總量分別為0.36×10-6～7.40×10-6、3.84×10-6～8.68×10-6和13.96×10-6～38.72×10-6，(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N值分別為0.01～0.26、0.02～3.24和0.43～2.40，無明顯的Eu異常(δEu=0.72～0.90)。從環內邊(A′)到環外邊(A)，輕-中稀土元素(La和Sm)變化不明顯，HREE(Gd、Yb和Lu)先逐漸降低而后在環外邊處突然增高(圖9b)。Y含量逐漸降低，在環外邊處略有升高(圖9b)。

表3 威海地區石榴角閃巖中“環狀”石榴子石和角閃石的稀土元素含量(×10-6)

圖8 斜長石的Ab-An圖解Fig.8 Ab-An diagram of plagioclase

石榴子石環內、外的角閃石稀土元素特征相似，稀土總量(∑REE)為6.71×10-6～15.12×10-6，輕(2.20×10-6～6.94×10-6)、重(1.82×10-6～3.22×10-6)稀土元素含量較低，而富集中稀土(2.69×10-6～4.96×10-6)，球粒隕石標準化稀土配分模式顯示為“鐘形”(圖9c)。大顆粒角閃石微量元素含量具有一定的核邊差異，邊部比核部具有相對富集的含量，Y含量變化不明顯，如圖9d。

6 鋯石CL圖像和SHRIMP U-Pb年齡

“環狀”石榴角閃巖的鋯石呈自形或半自形柱狀，長軸介于100～200μm之間，短軸約60～100μm(圖10a)。大多數鋯石CL圖像發光性不均勻，整體呈灰-白色，可能由于較低的U含量而未獲取有效的U-Pb表面年齡；少量鋯石的邊部發光性較暗，呈灰色，部分發育規則環帶，結合較低的Th/U比判斷為變質鋯石(圖10a)。鋯石包體較少。10顆變質鋯石記錄的206Pb/238U年齡變化范圍較窄，集中于238.7±3.5Ma～228.1±3.9Ma之間，Th、U含量和Th/U比值分別為0.16×10-6～0.47×10-6、47×10-6～362×10-6和0.001～0.004，相應的加權平均年齡為232.9±2.2Ma(MSWD=0.80,n=10)(圖10b, c和表4)，應代表該樣品的變質時代。

表4 “環狀”石榴角閃巖的鋯石SHRIMP U-Pb年齡

圖9 “環狀”石榴子石和角閃石的稀土元素圖解(標準化值據Sun and McDonough, 1989)Fig.9 Chondrite-normalized REE patterns of ring garnet and hornblende (normalization values from Sun and McDonough, 1989)

圖10 “環狀”石榴角閃巖中變質鋯石的陰極發光圖像(a)與U-Pb年齡圖解(b、c)Fig.10 Cathodoluminescence (CL) images (a) and U-Pb ages (b, c) of the metamorphic zircon of the ring garnet-bearing hornblendite

7 討論

7.1 “環狀”石榴子石形成的P-T條件

石榴子石成分環帶在一定程度上可以反映變質過程中的P-T條件或變質反應的變化，X射線主元素分析圖譜明確且全面地展示石榴子石的成分環帶，從而可初步確定變質巖經歷的變質期次和階段性，結合石榴子石組分環帶和共生礦物組合，可用于確定連續或幕式變質作用發生的P-T條件(Herwartzetal., 2011; Li and Massonne, 2018; Renetal., 2018; Bucheretal., 2019; Faryadetal., 2019)?；赬射線主元素掃面，本文“環狀”石榴子石由環核部(g-c)向環內(g-r1)、外邊方向Ca含量逐漸降低，且環外邊(g-r2)處Ca含量發生突變，明顯低于其內側石榴子石(圖5a, d)，因此從石榴子石成分環帶，可初步判斷石榴子石經歷了3階段生長：最高Ca部分(g-c)的成核階段、相對低Ca部分(g-r1)的擴展階段和最低Ca部分(g-r2)的快速塑形階段，分別對應M1、M2和M3階段變質作用。從礦物組合上，“環狀”石榴子石包裹體有少量角閃石、斜長石和金紅石，石榴子石內包裹礦物有角閃石、斜長石、綠簾石、磷灰石和鈦鐵礦等(圖4)，而環外邊石榴子石干凈，由此可以進一步確定M1、M2和M3階段的礦物組合分別為g-c+hb-i/hb-c+pl-i/pl-ic+ru+ep+ap、g-r1+hb-ic+pl-ir+ilm±ru±ap和g-r2±hb±ilm。此外，石榴子石邊部及裂隙中往往分布少量白云母，角閃石邊部轉變為鎂鐵閃石，可能代表流體蝕變的結果。

采用HPQ地質溫度計(Holland and Blundy, 1994)和GHPQ地質壓力計(Kohn and Spear, 1990)對變質P-T條件進行估算，M1階段7個礦物對的估算結果為620～740℃/6.8～10.4kbar，集中于630～720℃/7.0～8.3kbar，M2階段5個礦物對的估算結果為705～775℃/5.3～7.1kbar(圖9b)，均為角閃巖相變質條件(圖11)。由M1至M2階段，壓力降低，溫度有所升高。而M3階段由于缺乏相應的礦物組合暫時無法估算具體的變質條件，但據降低的Ca組分和升高的Mg組分，推測其P-T條件應比M2階段壓力稍低而溫度稍高。因此，該“環狀”石榴角閃巖經歷了明顯的降壓升溫過程(M1→M2→M3)。

圖11 “環狀”石榴角閃巖不同變質階段的溫壓條件估算變質P-T空間格子引自Brown (2014)Fig.11 Temperature-pressure conditions for multiple metamorphic stages of the ring-shaped garnet hornblenditeMetamorphic P-T space was cited from Brown (2014)

7.2 “環狀”石榴子石成因

“環狀”石榴子石具有自形或半自形的晶體輪廓，明顯不同于串珠狀分布的“紅眼圈狀”石榴子石(Zhaoetal., 1999; Wuetal., 2012; Yang and Wei, 2017)，與“環礁狀”石榴子石具有一定相似性。盡管“環礁狀”石榴子石成因存在較大爭議，但主要存在以下幾種經典模式：(1)同時的多核生長與合并，由于外圍晶體合并速度快于中心部位而形成“環礁狀”石榴子石集合體(Cooper, 1972; Godard, 1988; Spiessetal., 2001; Dobbsetal., 2003)；(2)快速而短暫的變斑晶生長，先形成“環狀”石榴子石骨架(Atherton and Edmunds, 1966; Ushakova and Usova, 1990)；(3)對早期核部石榴子石的重吸收和再結晶作用(Smellie, 1974; Chengetal., 2007)；(4)多期變質作用的結果(Robyretal., 2014)。那么“環狀”石榴子石是否形成于上述成因機制，需進一步分析。

首先，雖然在北蘇魯造山帶的基性麻粒巖和斜長角閃巖中發現多期變質證據(Liuetal., 2017a, 2018a)，但該“環狀”石榴角閃巖與它們的巖相學特征及年代記錄明顯不同。前者不僅存在兩期變質石榴子石，即斑晶狀和“紅眼圈狀”石榴子石(葉凱等, 1999; Zhaietal., 2000; Zhangetal., 2006a; Liuetal., 2017a, 2018a)，還存在古元古代和三疊紀兩期變質年代記錄，尤其是基性麻粒巖中存在大量的古元古代變質鋯石(Liouetal., 2006; Liuetal., 2017a, 2018a)。而“環狀”石榴角閃巖只存在三疊紀變質鋯石(圖10)，且不存在多期變質礦物組合，因此無證據表明“環狀”石榴子石是多期變質的結果，排除成因(4)。

其次，石榴子石X射線主元素譜圖可見，石榴子石Ca、Mg和Fe存在漸變和突變兩個階段(圖5)，表明“環狀”石榴子石的復雜性和階段性。盡管缺乏EBSD方法對石榴子石結晶優選方位的控制，但多個石榴子石主元素掃面結果顯示，早期石榴子石(M1-M2階段)元素變化不具有絕對規律性，有些從環核部向環內、外邊Ca降低、Mg和Fe升高(圖5)，有些從環內邊經環核部到環外邊的Mg逐漸升高(未發表資料)，表明石榴子石的早期生長可能具有多向性；而在最晚階段(M3)，在環外邊均表現出Ca的突降、Mg和Fe的陡增現象，且M3階段形成具有一定寬度的石榴子石邊(g-r2)，表明該階段發生的變質反應與M1-M2階段完全不同。由M1至M2階段，發生的變質反應可能為hb+pl+ep→g+hb+pl，反應物中的綠簾石和斜長石不斷被消耗，導致M2階段石榴子石(g-c)比M1階段石榴子石(g-r1)含有的Ca組分不斷減低，相應地，Mg和Fe組分具有一定程度升高(圖5)。而M2至M3階段，隨著綠簾石和斜長石消耗完畢，不能繼續提供充足的Ca，因此導致石榴子石(g-r2)中Ca組分陡降(圖5a, d)。從微量元素方面，圖8中由石榴子石環內向外的HREE含量逐漸降低并在邊部又突然升高，表明該石榴子石由環核部開始向內、外邊不斷生長過程中體系HREE含量不斷升高，此過程可能得益于角閃石分解速度的不斷加快，而到M3階段為石榴子石提供REE的礦物由綠簾石和角閃石幾乎完全轉變為角閃石，此過程導致角閃石HREE急劇降低，形成“鐘形”稀土配分模式(圖9c)。值得一提的是，最晚階段外部富REE流體也可為石榴子石提供升高的HREE含量。

由此可見，石榴子石能保留自形輪廓和復雜的組分環帶，表明石榴子石經歷了成核、擴展和快速塑性等多階段生長過程。前兩個階段與“環礁狀”石榴子石成因(1)相似，石榴子石早期可能是多核生長與合并的結果，形成早期“環狀”石榴子石的雛形，而最晚階段與“環礁狀”石榴子石成因(2)相近，是“環狀”石榴子石快速成形階段。該巖石全巖極其富Mg和Fe，且SiO2不飽和，在ACF圖解上全巖成分與角閃石成分極其接近(未發表資料)，表明其原巖中除角閃石之外的礦物(如斜長石和綠簾石含量)含量極少，分布在角閃石粒間，變質初期使石榴子石在角閃石粒間不斷生長。隨著變質反應的發生，綠簾石和角閃石不斷分解，形成粒間流體，加快元素擴散，使石榴子石不斷長大。最晚階段，變質溫度不斷升高、粒間流體積累以及外部富REE流體的滲透作用，可能是促使石榴子石快速形成“環狀”骨架的動力學機制。

北蘇魯發現的“紅眼圈狀”石榴子石在變形強烈的石榴角閃巖中更加發育，而干體系下基性麻粒巖中的石榴子石冠狀體較難形成完整而封閉的“紅眼圈”(劉利雙, 2019)，我們初步認為流體作用使鎂鐵礦物(如單斜輝石、角閃石和石榴子石)更容易分解，并形成新的含水礦物(如角閃石)和名義上不含水礦物(如石榴子石)(Hackeretal., 2003; Baxter and Caddick, 2013)。此外，有關大別地區榴輝巖中發育的“環礁狀”石榴子石成因，盡管多位學者觀點不盡相同，但普遍認為與大陸俯沖帶流體作用息息相關(Xiaoetal., 2002; Liuetal., 2006; Chengetal., 2007, 2009; Caoetal., 2018)。無獨有偶，Chenetal. (2015)在本文采樣點附近發現的“環礁狀”石榴子石增生邊與石榴子石核具有突變的化學組成，增生邊具有相對較高的δ18O值和H2O含量，同時期形成的榍石U-Pb年齡為226±6Ma，因此Chenetal. (2015)認為“環礁狀”石榴子石增生邊為早期石榴子石溶解-再沉淀的產物，與深俯沖大陸地殼折返過程中的流體活動有關。以往研究表明，三疊紀陸殼俯沖-折返過程伴隨著明顯的流體作用，這些流體可形成于俯沖進變質過程中含水礦物脫水、峰期變質的超臨界流體、折返過程退變質階段含羥基礦物相脫水以及外部流體的加入，它們在大陸俯沖-碰撞帶的物質轉換和元素遷移方面發揮著至關重要的作用(Xiaoetal., 2000; Hacker, 2008; Hermannetal., 2013; Wangetal., 2017)。實際巖石觀察往往顯示超高壓巖石由核部到外部退變質程度逐漸強烈，表明使超高壓巖石發生大規模退變的控制因素之一是外部流體(Yaoetal., 2000; Xiaoetal., 2002; 張澤明等, 2006; Guoetal., 2016; 劉景波, 2019)。本文“環狀”石榴角閃巖中角閃石和石榴子石并未發生明顯定向排列，也未見其它強烈變形的痕跡，但石榴子石普遍發育定向裂理(圖3、圖4)，表明其曾經歷了一定程度的外部流體滲透作用(Smitetal., 2011)。

7.3 地質意義

本文“環狀”石榴角閃巖全巖體系富Mg、Fe，且SiO2不飽和(未發表資料)，因此在較低的壓力條件即可出現石榴子石(Green and Ringwood, 1967)，變質P-T條件限定(圖11)進一步證明了這一點，表明“環狀”石榴子石并非超高壓變質產物。因此，該石榴角閃石巖可能與北蘇魯造山帶北端乳山-威海一帶的非超高壓“外來巖片”均來自于華北板塊東南緣(Zhaietal., 2000; Zhangetal., 2006a, 2014; Liuetal., 2017a, 2018a; Xuetal., 2019)。已有研究表明，這些構造巖片保留大量的古元古代(1.95～1.8Ga)高壓麻粒巖相變質作用記錄(Zhaietal., 2000; Liouetal., 2006; Zhangetal., 2006a; 劉利雙等, 2015; Liuetal., 2017a, 2018a)。盡管部分巖石記錄了三疊紀(245～201Ma)變質改造(Liuetal., 2017a, 2018a)，但新生礦物組合(如“紅眼圈狀”石榴子石)對原有礦物組合(如石榴子石、單斜輝石和斜方輝石)替代不完全，形成冠狀體結構。本文“環狀”石榴角閃巖為富水體系，在三疊紀區域變質過程中形成大量新生的三疊紀變質鋯石(圖10)，且受局部流體作用發育完整的石榴子石環帶，相對完整地記錄了華北板塊東南緣卷入陸-陸碰撞造山過程，經歷了角閃巖相變質作用。

8 結論

通過巖相學、礦物化學、鋯石U-Pb年代學和變質作用的綜合研究，得出以下結論：

(1)威海地區“環狀”石榴子石形成于角閃巖相，變質P-T條件為620～775℃/5.3～10.4kbar。

(2)“環狀”石榴子石的生長包括成核(M1)、擴展(M2)和快速塑性(M3)共3個階段。其中M1至M2階段，變質反應主要消耗綠簾石和斜長石，使石榴子石Ca含量逐漸降低；M2至M3階段，綠簾石和斜長石消耗完畢，反應物主要消耗角閃石，導致角閃石HREE含量降低并形成“鐘形”稀土配分模式，而使石榴子石Ca含量突然降低且HREE含量升高。

(3)“環狀”石榴子石的最終快速塑形過程與變質溫度升高、粒間流體增多和大陸-俯沖碰撞帶的流體滲透作用息息相關。

致謝陳意研究員對原稿提出了十分有益的建議，期刊編輯以及兩位審稿人劉曉春研究員和續海金教授對本文提出了非常寶貴的修改意見，張晴博士對英文摘要進行了認真修改，在此一并表示感謝！

謹以此文敬賀我國著名前寒武紀與變質地質學家沈其韓院士百歲華誕，祝愿先生健康長壽！