北大別饒拔寨石榴輝石巖P-T-t軌跡及其構造意義*

閆方超 劉慶 馬雪盈 何苗

中國科學院地球動力學重點實驗室，中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049

高壓-超高壓變質巖石的出露遍布全球，它們通常記錄了地質歷史上地殼物質俯沖到地幔深度遭受高壓-超高壓變質作用，而后又折返到地表的過程(李繼磊等, 2017)。研究這些巖石可以直接或間接了解俯沖帶、大陸碰撞造山帶內長時間跨度的地球動力學過程和物理化學狀態(Chopin, 1984; Liouetal., 2009; Zhengetal., 2012)。目前的研究已經對高壓-超高壓變質作用過程中俯沖地殼物質的礦物相變和變質演化有了較深入的認識，但是在高壓-超高壓變質巖石的形成機制和折返就位過程方面的研究相對薄弱(李繼磊等, 2017)。變質作用P-T-t軌跡記錄了變質巖石曾經所處變質環境的壓力(P)和溫度(T)隨著時間(t)連續變化的歷史，建立變質巖石的變質作用P-T-t軌跡可以有效反映大地構造環境及地球動力學演化信息，目前已得到廣泛應用(Xiaoetal., 2001; Zhangetal., 2020; Liuetal., 2020; Lietal., 2021)。

大別山是三疊紀揚子板塊向華北板塊之下俯沖-碰撞形成的造山帶，包含南大別低溫榴輝巖帶、中大別超高壓變質帶和北大別雜巖帶等3個含榴輝巖的巖石單位，簡稱南大別、中大別和北大別(古曉鋒等, 2013)，其中北大別以榴輝巖相變質后又經歷了麻粒巖相變質有別于其它兩個單元(Xuetal., 2000; 劉貽燦等, 2011)。目前普遍認為北大別呈現出順時針的P-T軌跡(即超高壓變質階段、榴輝巖變質階段、麻粒巖相變質階段和角閃巖相變質階段)。但是有學者將超高壓變質作用與碰撞階段聯系起來(Amesetal., 1993)，這可能有待商榷，例如，在北美弗朗西斯科雜巖帶中發現有大量藍片巖和榴輝巖出露(Wakabayashi, 2015)，而太平洋并未閉合，這意味著高壓-超高壓變質作用與碰撞事件可能并不耦合，峰期變質發生的時間可能仍處在俯沖階段。

北大別饒拔寨變質時代的厘定缺乏高精度手段的約束，從而極大限制了對北大別饒拔寨鎂鐵-超鎂鐵巖變質演化歷史的認識。目前已有的研究大多是根據榴輝巖中礦物(石榴子石-綠輝石)的Sm-Nd年齡(Liuetal., 2005; 李曙光等, 1989; Lietal., 1994)和榴輝巖中鋯石單顆粒U-Pb定年(劉貽燦等, 2000)。然而，Sm-Nd年齡代表的是礦物達到該同位素體系封閉溫度時的年齡，而Sm-Nd同位素體系封閉溫度(600～700℃)低于麻粒巖相的溫度(～800℃)，極有可能被后期麻粒巖相改造而使體系重置；單顆粒鋯石U-Pb年齡可能給出混合年齡從而不利于不同變質相階段的約束。顯然，這兩種方法都不太適用于北大別經歷過多期變質的超高壓巖石變質年齡的精準測定。此外，對于該區變質階段的時代劃分尚存在爭議，如對于角閃巖相退變質作用的時間，一部分學者認為是白堊紀(138～125Ma, Xiaoetal., 2001; 孫賀等，2018)，另一部分學者則認為是侏羅紀(188±2Ma～176±2Ma, 劉貽燦等, 2009; 198±6Ma和174±1Ma, 古曉鋒等, 2013)。因此，本文選取北大別饒拔寨石榴輝石巖為研究對象，通過詳細的巖相學研究，根據礦物共生組合和化學成分的變化，運用礦物溫壓計估算變質作用的溫壓條件，并對變質鋯石進行高精度SIMS U-Pb定年，以期建立完整的變質作用P-T-t軌跡，從而進一步探討其形成和折返就位的動力學過程。

1 地質背景

饒拔寨(超)鎂鐵巖體位于安徽省霍山縣城西南方向25km左右，處在華北板塊與揚子板塊碰撞帶上，是大別山北部出露面積最大的鎂鐵-超鎂鐵質雜巖體(圖1a)(楊錫庸, 1983; 徐樹桐等, 2002; Zhengetal., 2008a)。巖體以方輝橄欖巖為主，次之為純橄欖巖、二輝橄欖巖等，巖石發生不同程度的蛇紋石化。巖體內有大小不等的輝石巖、角閃巖、輝長巖、石榴輝石巖和榴輝巖等團塊，呈現不規則狀產出。圍巖主要是角閃巖相或麻粒巖相的正片麻巖，兩者呈構造接觸(Jinetal., 2004)。

圖1 研究區大地構造簡圖(a)和饒拔寨地質簡圖(b)(據Zheng et al., 2009; Tsai et al., 2000)Fig.1 The tectonic framework of the studied area (a) and simplified geological map of Raobazhai (after Zheng et al., 2009; Tsai et al., 2000)

前人在饒拔寨巖體的工作主要集中于橄欖巖巖體的成因(楊錫庸, 1983; 張旗等, 1995;王希斌等, 2005)和榴輝巖的變質演化(孫先如等, 2000; Tsaietal., 2000; Xiaoetal., 2001; Liuetal., 2005; 孫賀等, 2018)方面。其中，針對饒拔寨巖體是否經歷過超高壓變質作用，前人存在兩種不同看法：一部分學者認為，饒拔寨地區的橄欖巖多為尖晶石橄欖巖，缺乏石榴子石橄欖巖，同時，對石榴輝石巖進行傳統溫壓計計算的結果顯示壓力大多小于2.0GPa，因此認為該巖體未經歷超高壓變質作用(Xiaoetal., 2001; Zhengetal., 2008a)；一部分學者根據巖石中不同變質礦物的出溶現象，認為該巖體經歷了超高壓變質作用，如發現饒拔寨退變質榴輝巖基質中Ca-Na單斜輝石出溶的定向針狀石英，認為它是超高壓(≥2.5GPa)條件下的“超硅”單斜輝石降壓形成的(Tsaietal., 2000)；Tsai and Liou (2000)根據饒拔寨橄欖巖中的尖晶石+斜方輝石+單斜輝石具有石榴子石的假象，認為該橄欖巖峰期應為石榴橄欖巖，估算出的峰期變質壓力應高于2.0GPa。針對饒拔寨地區變質巖演化過程的研究，大多數研究者認為其經歷了榴輝巖相變質階段、高壓麻粒巖相階段和角閃巖相階段(孫先如等, 2000; Xiaoetal., 2001; 孫賀等, 2018)，但缺乏相應的年代學制約，僅有榴輝巖中的Sm-Nd等時線年齡(243Ma±5.6Ma, 李曙光等, 1989)和榴輝巖單顆粒鋯石年齡(230±6Ma, 劉貽燦等, 2000)。前者被認為是饒拔寨巖體的就位時代，即代表了華北-揚子碰撞時代的下限；后者則被看作是榴輝巖高壓/超高壓的變質年齡。

2 分析方法

礦物化學成分分析在合肥工業大學資源與環境工程學院JOEL JXA 8230型電子探針儀上完成，工作條件：加速電壓15kV，電流20nA，電子束斑直徑為3～5μm，數據檢測時間10～20s。使用天然礦物作標樣，使用程序ZAF對實驗本底進行校正。每個階段變質礦物組合中每種礦物至少測試3個顆粒，以檢測不同礦物顆粒間化學成分差異。

鋯石U-Pb年代學以及氧同位素均在中國科學院地質與地球物理研究所離子探針實驗室CAMECA IMS-1280二次離子質譜儀上完成。鋯石樣品與Ple?ovice、Qinghu、Penglai鋯石標樣制作離子探針標準靶。U-Pb定年過程中一次離子采用O2-，束流強度在10～15nA，束斑大小為10μm×15μm橢圓，采用質量分辨率7000(50%峰高定義)以排除U-Pb干擾離子。鋯石詳細分析方法見Lietal.(2009)，標樣與樣品以1:3比例交替測定。鋯石Pb/U分餾采用標準鋯石Ple?ovice(337.13±0.37Ma, Slmaetal., 2008)校正獲得，以長期監測標準樣品獲得的標準偏差(1SD=1.5%, Lietal., 2010a)和單點測試內部精度共同傳遞得到樣品單點誤差，以標準樣品Qinghu(159.5±0.2Ma, Lietal., 2009; 李獻華等, 2013)作為未知樣監測數據的精確度。普通Pb用實測的207Pb進行校正。單點分析的同位素比值及年齡誤差均為1σ，U-Pb平均年齡誤差為95%置信度。數據結果采用ISOPLOT軟件(Ludwig, 2001)來進行處理。

鋯石氧同位素分析流程參見Lietal.(2010b)，這里僅做簡要描述。一次離子采用133Cs+,束流大小為1～2nA，采用高斯能量分布的10μm束斑在10μm范圍內掃描方式進行樣品表面剝蝕，分析區域約為20μm×20μm。采用電子槍在樣品表面形成電子云的方式進行樣品表面電荷積累的自動補償，以消除荷電效應。二次離子以-10kV高壓激發，采用多接收方式以兩個法拉第杯分別接收16O和18O，信號收集20個循環，每個循環4s積分時間，單點內部精度優于0.3‰(2SE)。儀器質量分餾以Penglai O同位素標準鋯石(δ18O=5.31±0.10‰)進行校正，以Qinghu鋯石(δ18O=5.4±0.2‰)作為未知樣進行質量監控，獲得Qinghu鋯石氧同位素標準偏差為0.28‰(2SD，n=9)，以該不確定度作為本次鋯石未知樣單點的分析精度。

3 巖相學和礦物化學

本文所采饒拔寨石榴輝石巖樣品(DB-8a和DB-8c)位于饒拔寨巖體南部(圖1b)，與橄欖巖呈構造接觸。整體表現為高壓麻粒巖相的礦物組合特征(石榴子石+單斜輝石+斜長石±石英)，石榴子石邊部發育后成合晶(斜方輝石+斜長石、斜長石+角閃石)，代表樣品經歷了后期的退變質作用，因此極有可能保存了完整的變質過程的信息，這對解析造山過程中巖石經歷的俯沖、折返過程具有重要意義。

3.1 巖相學特征

饒拔寨石榴輝石巖(DB-8a和DB-8c)主要礦物組合為石榴子石+單斜輝石+角閃石+斜長石，副礦物為金紅石+石英+磷灰石+鋯石，整體表現為麻粒巖相的峰期礦物組合特征(石榴子石+單斜輝石)。石榴輝石巖呈現出不同程度的退變質，其中DB-8c樣品相對DB-8a樣品退變質程度更高，這表現在前者存在圍繞石榴子石的兩期“白眼圈”(圖2a, b)以及基質中更為廣泛的角閃石分布(圖2f)。

圖2 饒拔寨石榴輝石巖顯微照片(a)石榴子石邊部兩圈“白眼圈”，內圈“斜方輝石+斜長石”，外圈“角閃石+斜長石”(DB-8c)；(b)石榴子石邊部一圈“白眼圈”，礦物組合為“角閃石+斜長石”(DB-8a)；(c)石榴子石出溶針狀金紅石(DB-8a)；(d)石榴子石出溶針狀金紅石(DB-8c)；(e)基質單斜輝石出溶石英(DB-8a)；(f)角閃石成片分布(DB-8c)；(g)石榴子石包裹磷灰石(DB-8a)；(h)磷灰石包裹鈦鐵礦，磷灰石出溶針狀不透明礦物(DB-8a)；Grt-石榴子石；Cpx-單斜輝石；Opx-斜方輝石；Amp-角閃石；Pl-斜長石；Rut-金紅石；Ap-磷灰石；Qtz-石英；Ilm-鈦鐵礦；ex-出溶晶Fig.2 Photomicrographs of garnet pyroxenite from Raobazhai(a) two “white-eye socket” surrounding garnet, the inner is composed of “orthopyroxene + plagioclase” and the outer is made up of “amphibole + plagioclase” (DB-8c); (b) one “white-eye socket” surrounding garnet is composed of “amphibole + plagioclase” (DB-8a); (c) garnet dissolves rutile (DB-8a); (d) garnet dissolves rutile (DB-8c); (e) clinopyroxene dissolved quartz in matrix (DB-8a); (f) amphibole is distributed in the matrix (DB-8c); (g) garnet encloses apatite (DB-8a); (h) apatite encloses ilmenite and apatite dissolves acicular opaque minerals (DB-8a). Grt-garnet; Cpx-clinopyroxene; Opx-orthopyroxene; Amp-amphibole; Pl-plagioclase; Rut-rutile; Ap-apatite; Qtz-quartz; Ilm-ilmenite; ex-exsolution lamellae

石榴輝石巖中主要礦物內部存在清晰可見的針狀出溶結構(圖2c, d)，前人在該區榴輝巖的石榴子石中也發現了類似現象(石榴子石中金紅石±磷灰石出溶)，認為這是巖石先經歷過超高壓變質作用，后退變質降壓出溶形成(孫賀等, 2018)。在石榴子石的外圍，不同退變質程度的樣品表現出不同的退變質組合，如退變質程度較高的巖石(DB-8c)內可以觀察到兩期“白眼圈”結構(圖2a)，內圈礦物顆粒較細小，礦物組合為“斜方輝石+斜長石”，外圈顆粒較為粗大，礦物組合為“斜長石+角閃石”；退變質程度較低的巖石(DB-8a)僅見一期“白眼圈”(礦物組合為“角閃石+斜長石”)(圖2b)。

單斜輝石位于基質中，其內部出溶的石英清晰可見(圖2e)。部分顆粒邊部可見角閃石，但未見清晰的礦物邊界，這可能是單斜輝石向角閃石退變或者是變質流體圍繞基質單斜輝石發生反應產生的。

角閃石呈棕色-深棕色，主要以兩種形式產出，一種呈蠕蟲狀，以“白眼圈”的礦物組合形式分布在石榴子石周圍(圖2a, b)。另一種則產于基質中，多圍繞基質單斜輝石生長，局部可見“成片”分布的角閃石(圖2f)。

斜長石的產狀與角閃石類似，產于“白眼圈”(圖2a, b)和基質中(圖2e)。

饒拔寨石榴輝石巖中有少量鈦鐵礦、金紅石、磷灰石等副礦物。鈦鐵礦常與角閃石共生，金紅石在基質礦物和石榴子石中均有出現。磷灰石僅在石榴子石內部產出，其內部可見不透明針狀礦物的出溶(圖2g, h)。有關磷灰石中不透明礦物的出溶現象已有較多報道(朱永峰和Massonne, 2005; 梁鳳華等, 2006; 陳晶等, 2006)，這些現象大多發生在高壓-超高壓巖石中，可能暗示饒拔寨石榴輝石巖經歷過超高壓變質階段。

3.2 礦物化學成分及變質作用溫壓條件估算

石榴子石 饒拔寨石榴輝石巖樣品中石榴子石的化學成分隨退變質程度的不同而存在差別(表1，測試剖面如圖3所示)，退變質程度較低的樣品(DB-8a)中石榴子石由鎂鋁榴石(摩爾分數為34.8%～37.1%)、鐵鋁榴石(摩爾分數為44.0%～46.4%)、鈣鋁榴石(摩爾分數為17.2%～18.5%)和錳鋁榴石(摩爾分數為1.0%～1.7%)組成，石榴子石環帶不明顯。而退變質程度較高的石榴輝石巖(DB-8c)中的石榴子石保存了較為明顯的擴散環帶，其端元組成為鎂鋁榴石(摩爾分數為44.4%～52.0%)、鐵鋁榴石(摩爾分數為32.1%～37.0%)、鈣鋁榴石(摩爾分數為16.0%～19.1%)和錳鋁榴石(摩爾分數為0.7%～1.1%)，在礦物邊緣，可見輕微的XMg和XCa降低，XFe升高，這是退變質階段擴散作用的反映，因此可以用來估算石榴子石與周緣鐵鎂礦物發生Fe-Mg再交換反應的溫度條件。

圖3 石榴輝石巖石榴子石成分環帶圖解(a)樣品DB-8a；(b)樣品DB-8cFig.3 Zoning profiles diagram of garnet in garnet pyroxenite

表1 石榴輝石巖中石榴子石的礦物化學成分(wt%)Table 1 Mineral chemical composition of garnet from garnet pyroxenite (wt%)

續表1Continued Table 1

輝石 單斜輝石大多為透輝石，常作為峰期礦物出現在基質中，整體Mg#較高(0.77～0.98)(表2；圖4)。斜方輝石僅在退變質程度較高的樣品(DB-8c)中出現，均為頑火輝石(體Mg#=0.75～0.80；表3；圖4)。

圖4 石榴輝石巖輝石Wo-En-Fs分類圖解(據Deer et al., 1997)Fig.4 Diagram of pyroxene in garnet pyroxenite (from Deer et al., 1997)

表3 石榴輝石巖中斜方輝石的礦物化學成分(wt%)Table 3 Mineral chemical composition of orthopyroxene from garnet pyroxenite (wt%)

角閃石 絕大多數為韭閃石(僅一例Ti含量較高的鈦閃石)，常產出于基質和“白眼圈”中，退變質程度較高的石榴輝石巖(DB-8c)中角閃石Mg含量也較高(表4;圖5)。

圖5 石榴輝石巖角閃石分類圖解(據Leake et al., 1997)Fig.5 Diagram of amphibolite in garnet pyroxenite (after Leake et al., 1997)

表4 石榴輝石巖中角閃石的礦物化學成分(wt%)Table 4 Mineral chemical composition of amphibole from garnet pyroxenite (wt%)

斜長石 斜長石礦物同角閃石產狀類似，產出在基質和“白眼圈”中?！鞍籽廴Α敝械男遍L石具有CaO含量較高、An值較大的特征(表5;圖6)。退變質程度較高的樣品(DB-8c)中內圈斜長石的An值較高，外圈斜長石的An值較小，指示兩期“白眼圈”為不同世代的變質礦物組合。

圖6 石榴輝石巖斜長石分類圖解(據Deer et al., 1997)Fig.6 Diagram of plagioclase in garnet pyroxenite (after Deer et al., 1997)

表5 石榴輝石巖中斜長石的礦物化學成分(wt%)Table 5 Mineral chemical composition of plagioclase from garnet pyroxenite (wt%)

根據礦物間的反應關系及共生組合，結合礦物化學分析結果，本文根據特征出溶結構以及合適的地質溫壓計，對樣品分別進行了溫壓估算，可分為四個變質階段(表6；圖7)。

圖7 饒拔寨石榴輝石巖P-T軌跡Al2SiO5礦物相變線據Holdaway and Mukhopadhyay, 1993; 變質相據O’Brien and R?tzler, 2003; 變質相系據Spear, 1993Fig.7 P-T paths of the Raobazhai garnet pyroxenitesAl2SiO5 mineral phase transformation curve according to Holdaway and Mukhopadhyay, 1993; metamorphic phase according to O’Brien and R?tzler, 2003; metamorphic phase series according to Spear, 1993

表6 饒拔寨石榴輝石巖P-T計算Table 6 P-T estimate of Raobazhai garnet pyroxenite

超高壓變質階段(M1)，根據石榴子石、單斜輝石以及磷灰石的出溶結構，推測饒拔寨石榴輝石巖經歷了超高壓變質階段，推測P≥2.5GPa；高壓麻粒巖相變質階段(M2)，石榴輝石巖記錄了高壓麻粒巖相變質，礦物組合主要為石榴子石(變斑晶)、單斜輝石(基質)和斜長石(基質)，選用不同的石榴子石和單斜輝石溫度計和壓力計對樣品進行溫壓計算的結果為：T=648～700℃，P=1.47～1.94GPa；中壓麻粒巖相變質階段(M3)，僅退變質程度較高的石榴輝石巖(DB-8c)記錄了中壓麻粒巖相退變質礦物組合，主要礦物發育在石榴子石邊部“白眼圈”的內圈，以交生的斜方輝石+斜長石為特征，采用石榴子石-斜方輝石溫度計和石榴子石-斜方輝石-斜長石-石英壓力計進行溫壓計算，結果為：T=781～796℃，P=0.92～0.98GPa；角閃巖相變質階段(M4)，石榴輝石巖記錄了角閃巖相的退變質礦物組合，以石榴子石邊部外圈“白眼圈”中的“角閃石+斜長石”為特征，采用角閃石單礦物溫壓計(Geryaetal., 1997)得到此階段的溫壓分別為：T=663～685℃，P=0.50～0.58GPa。

4 鋯石U-Pb年代學

饒拔寨石榴輝石巖樣品中的鋯石具有相似的特征，多為渾圓狀或柱狀，直徑為40～200μm(圖8)，陰極發光圖像顯示主體為分帶狀、云霧狀，極少數顆粒核部可見巖漿鋯石環帶。樣品U、Th含量和Th/U比值變化范圍較大(表7)，其中， 退變質程度較低的樣品 (DB-8a) 中鋯石U含量為32×10-6～282×10-6，Th含量為1×10-6～188×10-6，Th/U比值為0.01～0.93，棄用明顯存在Pb過高的三個點(DB-8a@18、DB-8a@22、DB-8a@26)，其余測試點的U-Pb反諧和圖得到兩組下交點年齡(圖9a)，分別為202.1±2.7Ma(n=11，MSWD=1.4)和227.6±8.3Ma(n=6，MSWD=2.6)。退變質程度較高的樣品(DB-8c)中鋯石U含量為24×10-6～1258×10-6，Th含量為0×10-6～925×10-6，Th/U比值為0.01～0.74，得到兩組交點年齡(圖9b)，其中上交點年齡為817.7±11.9Ma，可能代表了原巖年齡，下交點年齡為208.1±4.7Ma(n=15，MSWD=0.63)。

表7 饒拔寨石榴輝石巖SIMS鋯石U-Pb年齡分析Table 7 SIMS zircon U-Pb analyses of the Raobazhai garnet pyroxenite

圖8 石榴輝石巖鋯石陰極發光(CL)圖像Fig.8 Cathodoluminescence (CL) images of zircon from garnet pyroxenite

退變質程度較高的樣品(DB-8c)中變質鋯石均落在諧和線上(圖9b)，得到一組精確的交點年齡，下交點代表退變質過程中，鋯石年齡被完全重置或為新生變質鋯石，此時鋯石氧同位素已不能代表其初始氧同位素特征。饒拔寨石榴輝石巖的鋯石氧同位素整體呈現高于地幔的δ18O值的特征(表8；圖10)。通過與年齡數據對比發現，退變質程度較低樣品(DB-8a)中，記錄227.6±8.3Ma的鋯石氧同位素普遍較高(δ18O=8.3‰～9.4‰)，而記錄202.1±2.7Ma的鋯石氧同位素較低(δ18O=6.6‰～7.4‰)，但與退變質程度較高的樣品(DB-8c)中多數鋯石δ18O范圍一致(6.2‰～7.0‰)。因此，饒拔寨石榴輝石巖中鋯石記錄的U-Pb年齡(202.1±2.7Ma和208.1±4.7Ma)代表的是同一期變質事件， 此時石榴輝石巖已達地殼深度。

圖9 饒拔寨石榴輝石巖中的鋯石U-Pb諧和圖和加權平均年齡圖(a、c、d: DB-8a; b: DB-8c)Fig.9 The U-Pb concordia and the weighted mean diagrams of zircons from the Raobazhai garnet pyroxenite

圖10 饒拔寨石榴輝石巖鋯石氧同位素(δ18O)直方圖Fig.10 Oxygen isotope (δ18O) histogram of zircons from the Raobazhai garnet pyroxenite

表8 饒拔寨石榴輝石巖SIMS鋯石O同位素分析Table 8 SIMS zircon O isotopic analyses of the Raobazhai garnet pyroxenite

饒拔寨石榴輝石巖里鋯石中的包裹體多呈渾圓狀，電子探針測試結果顯示，退變質程度較高的樣品(DB-8c)中鋯石里的包裹體為“角閃石+斜長石”(圖11)，為角閃巖相特征的變質礦物，表明其記錄的是角閃巖相的退變質年齡(208.1±4.7Ma)。產于退變質程度較低的樣品(DB-8a)中、具有類似氧同位素特征的鋯石也在誤差范圍內記錄了角閃巖相的退變質年齡(202.1±2.7Ma)，而227.6±8.3Ma則可能代表了高壓麻粒巖相的變質年齡。通過不同饒拔寨石榴輝石巖樣品中的鋯石與年齡比對，發現鋯石的氧同位素在變質過程中發生了變化。前人研究普遍認為蘇魯-大別造山帶變質巖低的δ18O值代表了新元古代原巖形成時的氧同位素組成(Yuietal., 1995; Rumble and Yui, 1998; Tangetal., 2008; Zhengetal., 2008b)，但從本文研究結果來看，超高壓變質巖的氧同位素組成可能已經受到后期變質作用的影響，從而并不能代表其原始氧同位素組成。

圖11 饒拔寨石榴輝石巖(DB-8c)鋯石包裹體BSE圖像Fig.11 BSE images of zircon inclusions in garnet pyroxenite (DB-8c) from Raobazhai

5 討論

5.1 峰期變質壓力

石榴子石的出溶在蘇魯-大別地區廣泛發育，如青島仰口地區榴輝巖中出溶單斜輝石±金紅石±磷灰石±鈦鐵礦的石榴子石，被認為其峰期變質壓力>7GPa(Yeetal., 2000)。出溶石英的單斜輝石被認為是早期的富Si單斜輝石在P≥2.5GPa和T=927℃條件下形成的，折返過程中壓力降低才導致二氧化硅的針狀出溶(Mao, 1971)；陳晶等(2006)在對江蘇青龍山磷灰石中的出溶結構研究時，對比人工合成CuS2，認為其可能經歷了4.5～5.0GPa的超高壓變質作用。饒拔寨地區的各類礦物出溶現象十分發育，前人已經發現的主要包括以石榴子石和單斜輝石為寄主礦物的出溶現象，如孫賀(2018)對榴輝巖的研究發現石榴子石中出溶針狀金紅石±磷灰石，而石榴子石包裹的綠輝石也有粗大的長柱狀金紅石+石英+磷灰石，基質單斜輝石核部出溶短柱狀的石英，認為巖石峰期溫壓條件為T≈750℃，P≈3.5GPa。Tsaietal.(2000)在單斜輝石中發現石英出溶體，認為其峰期壓力應該>2.5GPa；劉祥文(2006)發現饒拔寨榴輝巖基質綠輝石核部常發育鎂鐵閃石和富Ca單斜鈉長石出溶體，而石榴子石的綠輝石包體中常發育金紅石和富Ca單斜鈉長石出溶體，認為綠輝石中的富Ca單斜鈉長石出溶體不僅是高溫變質條件的標志，而且可能和鈉鈣質單斜輝石中的石英出溶體一樣也是超高壓變質的標志之一。綠輝石中大量細小的鎂鐵閃石出溶片晶,表明在出溶發生之前綠輝石曾經含有大量的水(～3000×10-6)，從而認為榴輝巖可能經歷了>8.0GPa的變質作用(劉祥文, 2006)。最近，王曉霞(2020)在饒拔寨橄欖巖中發現了微粒金剛石的存在，證明饒拔寨巖體經歷了超高壓變質過程。本文針對饒拔寨石榴輝石巖進行的詳細觀察，同樣發現極其發育的出溶現象，如石榴子石中出溶金紅石(圖2c, d)，單斜輝石出溶石英(圖2e)以及磷灰石中出溶的不透明礦物(圖2g, h)(可能為Fe、Cu的硫化物)。綜合前人的研究結果，饒拔寨石榴輝石巖的一系列出溶現象也暗示其可能經歷了超高壓變質階段(≥2.5GPa)。

5.2 變質P-T-t軌跡

詳細的巖相學觀察和礦物化學研究表明，饒拔寨石榴輝石巖記錄了四個變質階段：1)超高壓變質階段(≥2.5GPa)，2)高壓麻粒巖相變質階段(T=648～700℃，P=1.47～1.94GPa)，3)中壓麻粒巖相變質階段(T=781～796℃，P=0.92～0.98GPa)，4)角閃巖相變質階段(T=663～685℃，P=0.50～0.58GPa)。

對饒拔寨P-T-t軌跡中年代學(t)的約束，多來自區域內針對不同樣品而采用的不同定年手段(孟憲剛等, 2001; 孫賀等, 2018; Tsaietal., 2000; Xiaoetal., 2001)。如李曙光等(1989)針對饒拔寨榴輝巖進行研究，獲得非常精確的Sm-Nd礦物內部等時年齡為243.9±5.6Ma，并解釋為該巖體的就位年齡；Xiaoetal.(2001)將244Ma左右的Sm-Nd等時線年齡解釋為榴輝巖峰期變質年齡。近年來對不同巖性中的鋯石年代學工作，也取得到了一系列進展，如劉貽燦等(2009)通過對羅田榴輝巖進行鋯石定年，認為超高壓變質的年齡為226±1Ma，這與古曉鋒等(2013)獲得的羅田榴輝巖超高壓變質年齡一致；Liu and Liou (2011)對北大別榴輝巖、大理巖和片麻巖等巖石中的鋯石定年研究，認為235～225Ma代表了峰期變質年齡，246～244Ma的年齡代表了進變質過程；Dengetal.(2021)通過對羅田混合巖中鋯石研究認為，峰期變質年齡應該在226～219Ma之間，而247～230Ma則代表了進變質的時間。綜上所述，北大別超高壓變質巖的進變質時間為240～230Ma，而超高壓峰期年齡為230Ma左右。

北大別榴輝巖相的變質時間大多認為是213Ma左右(劉貽燦等, 2009; 古曉鋒等, 2013)。但也有學者(劉貽燦等, 2000)通過對饒拔寨榴輝巖的鋯石進行定年，認為榴輝巖高壓/超高壓變質的年齡為230M±6Ma。這與我們得到的227.6±8.3Ma的年齡十分相近，可能暗示了本研究中227.6±8.3Ma的年齡代表了超高壓/高壓榴輝巖相轉變到高壓麻粒巖相的年齡，即高壓麻粒巖相變質時代的下限。

對于北大別麻粒巖相變質的年齡，不同學者提出了不同的觀點。劉貽燦(2009)和古曉鋒等(2013)分別對羅田榴輝巖的鋯石進行定年，認為麻粒巖相的變質年齡為207～199Ma；劉貽燦等(2006)對塔兒河和羅田附近的條帶狀英云閃長質片麻巖的鋯石定年結果也認為麻粒巖相變質年齡為199±10Ma。而Dengetal.(2021)對羅田混合巖的鋯石研究認為，麻粒巖相的變質年齡為217～212Ma，綜上所述，該區麻粒巖相的變質時間可能為217～199Ma。

角閃巖相的變質年齡也不盡相同，跨度也最大。其中，謝智等(2004)對舒城紅廟鄉百丈巖的片麻巖鋯石研究，認為角閃巖相的變質年齡為212±11Ma，這與羅田混合巖鋯石結果(214～198Ma)，以及北大別大理巖、片麻巖等鋯石定年結果(215～208Ma)相近(Dengetal., 2021)。而劉貽燦等(2000)通過對鹿吐石鋪石榴子石斜長角閃巖的角閃石+全巖Rb-Sr定年，認為角閃巖相的結束時間是172±3Ma。古曉鋒等(2013)通過對羅田榴輝巖的鋯石定年，認為北大別地區存在兩期角閃巖相變質作用(198±6Ma和174±1Ma)。本文通過對饒拔寨石榴輝石巖中鋯石的年代學和包裹體的研究，結果表明角閃巖相變質時代的下限為208.1～202.1Ma，而角閃巖相變質作用的上限為～170Ma。

綜合前文研究結果，北大別饒拔寨鎂鐵-超鎂鐵質巖石記錄了一條順時針型變質P-T-t軌跡(圖12)，其在～230Ma經歷超高壓峰期變質作用，其后經歷降壓升溫過程發生高壓麻粒巖相變質作用(～227Ma)和中壓麻粒巖相退變質作用，隨后降溫降壓并經歷角閃巖相退變質作用(208～202Ma)，直至折返至淺地表。

圖12 饒拔寨鎂鐵-超鎂鐵巖P-T-t軌跡Al2SiO5礦物相變線據 Holdaway and Mukhopadhyay, 1993; 變質相據O’Brien and R?tzler, 2003; 變質相系據Spear, 1993Fig.12 P-T-t path of Raobazhai mafic-ultramafic rock Al2SiO5 mineral phase transformation curve according to Holdaway and Mukhopadhyay, 1993; metamorphic phase according to O’Brien and R?tzler, 2003; metamorphic phase series according to Spear, 1993

5.3 構造意義

造山帶高壓-超高壓變質巖記錄的P-T-t軌跡與巖石所經歷的構造過程密切相關，在大別山超高壓變質帶的研究中，有學者將變質壓力峰期(即超高壓變質)與碰撞時限聯系起來(Amesetal., 1993)，這可能需要慎重。從大洋板片俯沖到大陸板片發生碰撞是一個連續的過程，碰撞事件本身不會留下任何直接的年齡記錄，也就是說任何同位素年齡都不能代表碰撞事件發生的時間(李繼亮等, 1999; 侯泉林, 2018)。不同巖石可能在造山過程的不同時間點以多種方式發生折返(Warrenetal., 2008; Li, 2014)，因此不能用某一巖石的峰期壓力條件(P)對應的時代(t)來代表造山帶的碰撞時限，而僅代表了這一巖石“獨立”的演化歷史。Miyashiro (1994)提出三類變質相系，即高P/T(高壓)型、中P/T(中壓)型和低P/T(低壓)型。不同的變質相系分別代表了不同的地質構造環境，如高P/T(高壓)型一般位于俯沖帶的構造環境中，典型地區如美國加利福尼亞州的海岸山脈；中P/T(中壓)型常產于碰撞造山帶，典型如蘇格蘭高地巴洛型變質帶；而低P/T(低壓)型以日本阿武隈型為代表。超高壓巖石由于其極高的P/T比值，當屬高壓型，只能在冷的洋殼俯沖過程中形成。而碰撞過程中，已沒有冷的板片俯沖，不會形成高P/T比值。因此，超高壓變質只能發生于冷的板片俯沖階段，而不可能發生于碰撞階段(圖13)。

圖13 碰撞造山帶巖石形成的典型壓力-溫度路徑(據Frisch et al., 2011改)洋殼和一些大陸碎片物質可發生深俯沖，經歷俯沖變質作用(高壓變質作用)；在折返過程中，將會疊加角閃巖相或綠片巖相變質(實線軌跡). 大陸地殼在碰撞過程中經歷區域變質作用(巴洛式變質)，折返過程中會進入阿武隈式變質作用范圍(虛線軌跡). 注意：折返過程中巖石的溫度比下降期間同一深度下巖石的溫度要高，因為加熱和冷卻都是緩慢的過程(相對壓力來說)Fig.13 Typical pressure-temperature loops from rocks in a collisional orogeny (modified after Frisch et al., 2011)Oceanic crust or continent splinters can be deeply subducted and experience subduction metamorphism; during their ascent they will be overprinted in amphibolite or greenschist facies (solid line paths). Other parts of continental crust experience pressure-emphasized regional metamorphism (Barrow-type) or even anatexis (partial melting) during burial and reach fields of the Abukuma-type regional metamorphism during ascent (dotted line paths). During their ascent the rocks are much hotter than during descent at the same depth, because both heating and cooling are slow processes

對于超高壓巖石的折返過程，不同學者提出了不同看法，至今已有多種折返模式(Warrenetal., 2008; Guoetal., 2017; Li, 2014)。大別山超高壓變質巖大多記錄了順時針的P-T軌跡，但不同點在于，有的樣品在退變質過程中記錄了升溫過程，有的則并未記錄此過程。這一方面歸因于變質巖本身物理化學性質的不同(王玲, 2020)，另一方面可能反映了同一俯沖帶中不同巖石所經歷的折返路徑不同(Li, 2014)。前文研究也已表明饒拔寨石榴輝石巖經歷了超高壓變質階段，隨后又經歷了降壓升溫到高壓麻粒巖相、中壓麻粒巖相，最后降溫降壓到角閃巖相。同時，已有研究顯示北大別并不存在三疊紀的幔源巖漿事件，因此可以排除來自幔源巖漿的加熱作用。研究表明，俯沖帶內部和外部溫度隨深度的變化存在明顯的差異，表現在俯沖帶內部溫度較低，外部溫度較高且等溫線沿著俯沖帶向下劇烈下降(Frischetal., 2011)，而巖石作為一種熱的不良導體，往往需要很長時間(數百萬年)才能調整到相應深度的正常溫度。饒拔寨石榴輝石巖從高壓麻粒巖相(227.6±8.3Ma)折返過程中逐漸遠離冷的俯沖板片，在壓力隨之降低的同時溫度會有所回升，表現為降壓升溫。

冷的俯沖帶可以將增生楔中的來自于上下盤的任何物質帶入地殼甚至地幔深處從而發生高壓-超高壓變質，然后以不同方式折返就位，巖石的折返可以發生在碰撞之前，也可以發生在碰撞作用過程中，甚至碰撞作用之后。目前主流觀點認為，華北板塊和揚子板塊的碰撞時間大約為240～225Ma(Wu and Zheng, 2013; 程昊和曹達迪, 2013)。結合本文及前人研究，推測饒拔寨鎂鐵-超鎂鐵巖在俯沖帶經歷超高壓變質(≥2.5GPa)作用(～230Ma)，隨后在大別山碰撞造山作用過程中開始折返，大約227Ma進入高壓麻粒巖相(中壓相系)，經歷了折返初期的緩慢抬升階段(降壓升溫過程)，到達中壓麻粒巖相之后，由于浮力為主要抬升作用力而發生快速抬升折返(降溫降壓過程，208～202Ma)，且經歷角閃巖相變質作用，最后隨白堊紀區域伸展拆離作用最終就位。

6 結論

本文通過對北大別饒拔寨石榴輝石巖進行巖相學觀察、礦物化學研究和溫壓計算，結合鋯石SIMS U-Pb定年結果，獲得該區中生代變質演化的幾點認識：

(1)饒拔寨石榴輝石巖保存了四個階段的變質礦物組合，發育有特征的“白眼圈”反應結構，比較完整地記錄了退變質階段的過程。計算獲得石榴輝石巖中四個變質階段的P-T條件分別為：1)超高壓變質階段(M1)：P≥2.5GPa；2)高壓麻粒巖相階段(M2)：P=1.47～1.94GPa，T=648～700℃；3)中壓麻粒巖相階段(M3)：P=0.92～0.98GPa，T=781～796℃；4)角閃巖相階段(M4)：P=0.50～0.58GPa，T=663～685℃。

(2)鋯石SIMS U-Pb定年及包裹體研究結果指示，饒拔寨石榴輝石巖的新元古代年齡(817.7±11.9Ma)可能代表原巖年齡，227.6±8.3Ma代表了高壓麻粒巖相變質時代的下限，208.1～202.1Ma為角閃巖相變質時代的下限。鋯石的氧同位素在退變質過程中會受到影響而不能代表其初始氧同位素組成。

(3)饒拔寨石榴輝石巖記錄了順時針P-T-t軌跡，揭示了板片俯沖(超高壓變質)-碰撞-折返(降壓升溫過程，～227Ma)-抬升(降壓降溫過程，208～202Ma)的完整過程。

致謝感謝合肥工業大學石永紅教授、中國科學院地質與地球物理研究所電子探針實驗室毛騫博士以及離子探針實驗室劉宇博士、凌瀟瀟博士等在實驗與測試過程中給予的指導和幫助。衷心感謝侯泉林教授在成文過程中的精心指導和無私幫助；感謝中國科學院新疆生態與地理研究所王浩博士，以及中國科學院大學張謙、劉嘉慧、李真對本文提出的建設性建議。兩位審稿人詳細審閱了本文并提出寶貴的修改意見，在此謹致謝意。

在李繼亮先生逝世一周年之際，謹以此文緬懷和紀念先生！