Abstract: In the vicinity of Wujianfang Village, Lianggang Town within the Trans-North China orogen(TNCO) of the North China craton(NCC), we have discovered a set of garnet amphibolitesduring the 1/50000 regional geologic survey. The garnet amphibolites were exposed as lenses in the paragneisses of Yuanfang Formation of the Fuping Group, showing typical “white-eye socket” structure, indicating that they were probablyretrograded eclogites or high-pressure mafic granulites. In order to gain a deeper understanding of the metamorphic genesis and geological significance of this suite of garnet amphibolites,detailed studies were conducted on their petrology, mineral chemistry, geochemistry,metamorphic evolution,and zircon U-Pb geochronology. The results sugest that they underwent three stages of metamorphic evolution: An early prograde metamorphic stage (M1),a peak high-pressure granulite facies stage (M2),and a retrograde stage (M3). The early prograde stage features mineral assemblages of Am+Pl+Q inclusions within garnet,with metamorphic p-T conditions of approximately 756.0°C/6.0×108Pa ; The peak high-pressure granulite facies stage shows a mineral assemblage of Grt+Cpx+Pl+Q+Melt ,with ?-T conditions of 884.1-987.5°/ (204號 (12.2-14.2)×108Pa ; The retrograde stage is characterized by a “white-eye” structure around garnet and partial replacement of clinopyroxene by late amphibolewith residual ilmenite, forming a mineral assemblage of Am+Pl+Q+Ilm±Grt and showing p-T conditions of 706.6-776.7°C/(3.7-4.2)X 108Pa ; The metamorphic evolution of these garnetamphibolites generally exhibits aclockwise ?P-T (20 includinga near-isothermal decompression (ITD) process. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating indicates a retrograde metamorphic age range of 1.86 -1.84 Ga. The geochemical characteristics reveal that their protoliths were tholeitic basalt formed under an island arc environment of convergent plate margin. Combined with previous studies,the garnetamphibolites exposed in the Lianggang region are retrograde products of high-pressure granulites,which are similar to the formation process of the Hengshan-Huai' an-Xuanhua-Chengde high-pressure granulite belt of the TNCO. This suggests they may also be a result of the colision between the eastern and western block that occurred at about 1.85 Ga. This understanding extends the high-pressure granulite and retrograde eclogite belt in the north-central part of the TNCO southeastward to the Yixian-Laiyuan area in Hebei Province.
Key words: Fuping complex; garnet amphibolite; high-pressure granulite; geochemistry; zircon U - Pb geochronlogy; Trans-North China orogen of North China craton; Lianggang Town, Yixian County, Hebei Province
0 引言
古代地殼演化、克拉通化和相關地球動力學歷史的重要記錄,對理解早期地球的大陸生長具有重要意義[1-8]。基于年代學、巖石組合、構造演化和變質作用 ?Tt(?? 代表壓力, T 代表溫度, t 代表時間)軌跡
華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,具有約 3.8Ga 漫長的演化歷史,保存了太古宙至古元將華北克拉通劃分為三個主要的構造單元,包括西部陸塊、東部陸塊和中部造山帶[6-7]。南北走向的中部造山帶基底巖石出露于贊皇、阜平、五臺、恒山、懷安、宣化和冀北等地區,巖石組合和地球化學特征表明這些巖石主要形成于大陸邊緣弧環境。中部造山帶新太古代一古元古代基底巖石的構造樣式以線性構造帶為特征[10-11],普遍遭受綠片巖相至麻粒巖相變質作用。近年來,在中部造山帶中發現了大量的麻粒巖和退變榴輝巖[12-16],均具有近等溫減壓的順時針變質作用 ?T 軌跡,并記錄了 1.96~1.80Ga 的變質年齡[4.11,17-18],反映中部造山帶為東、西部陸塊之間的一個碰撞造山帶。大陸拼合過程中的俯沖和碰撞通常會產生高壓變質作用,因此,了解中部造山帶中高壓麻粒巖的 ?T 演化,及其與帶中高壓麻粒巖和榴輝巖的關系,可以為下地殼在大陸碰撞過程中的演化提供重要約束[19]。根據實驗巖石學研究,麻粒巖相被細分為高壓、中壓和低壓麻粒巖相[20-26]。古元古代高壓麻粒巖多見于中部造山帶北部和膠遼吉帶南部,巖石組合中不出現紫蘇輝石,顯示出Grt(石榴石) + Cpy(單斜輝石) + Pl(斜長石) + Q(石英)(基性系列)和Ky(藍晶石) + Kfs(鉀長石) ± Grt(石榴石)(泥質系列和長英質系列)的特征礦物組合[27-28]。在中部造山帶北段基底中出露的高壓麻粒巖最早發現于懷安—蔓菁溝—宣化—西望山一帶,懷安一宣化地體中報道的高壓麻粒巖多以布丁狀、透鏡體狀或近似層狀產出于太古宙TTG(Trondhjemite-Tonalite-Granodiorite,奧長花崗巖-英云閃長巖-花崗閃長巖)片麻巖中,根據其野外產狀和巖石接觸關系,推斷該套高壓麻粒巖原巖可能來自變質基性巖墻或巖脈,經過后期的地殼剪切變形以透鏡體狀產出于TTG片麻巖中。郭敬輝等[29]在宣化—西望山高壓麻粒巖中識別出的高壓礦物組合為石榴石核部及其包體 Cpx+Pl ,溫壓條件為 。Zhai等[30]將懷安鎮出露的高壓麻粒巖變質礦物組合劃分為3個階段,高壓麻粒巖相礦物組合為石榴石及其內部 Cpx+Pl 包體,變質壓力在 (14.0~15.0)× 108Pa 之間。恒山一承德雜巖中出露的高壓麻粒巖同樣以透鏡體狀賦存于強應變的均質TTG片麻巖、條帶狀花崗片麻巖中,其峰期礦物組合主要為Grt+Pl+Cpy+ΔQ±ΔAm (角閃石)±Ru(金紅石)[30-33]。沿北恒山—懷安—宣化—承德一線,在空間上構成一條長約 500km 、NE向延伸的高壓麻粒巖相帶[30,34-36] 。
阜平雜巖位于太行山的中段,屬于Zhao 等[37]所劃分的華北克拉通中部造山帶的中段,靠近東部陸塊,主要由早前寒武紀變質巖和少量中生代花崗巖組成,是了解華北克拉通形成和演化的關鍵部位[38]。程裕淇等[39]將原阜平巖群分為上下兩套,其中下部狹義的阜平巖群出露麻粒巖相到低角閃巖相的變質巖,如泥質麻粒巖、含夕線石片麻巖、石榴黑云片麻巖和含石榴石片巖等[40-43]。前人[9,44-45]對阜平麻粒巖的研究大多集中在阜平雜巖中西部內中壓麻粒巖相峰期條件上。劉樹文[44]研究阜平雜巖中的鐵鎂質麻粒巖變質作用演化,得到峰期溫壓條件為 751~833°C , (8.5~10.8)×108Pa ,顯示順時針 pT 演化軌跡,表明阜平雜巖經歷了從早期地殼增厚到后期構造拾升的地球動力過程。Zhao 等[45]對片麻巖中出露的鎂鐵質麻粒巖峰期礦物組合進行研究,計算其經歷的 ?T 條件為 840~940° 、(8.7~9.7)×108Pa ,也得出了順時針ITD型 ?T 軌跡,年代學研究得到變質作用發生在 1.80Ga 左右,表明阜平雜巖經歷了地殼增厚、構造剝蝕抬升和最后冷卻退變質作用。之后,Wei等[46]研究發現,阜平雜巖中麻粒巖保存的“白眼圈\"結構與北恒山中出露的高壓麻粒巖內含結構相似,推測阜平雜巖可能經歷了與恒山麻粒巖類似的變質演化過程。
前期地質調查研究發現,阜平雜巖東北部地區新太古代元坊巖組副片麻巖中出露含 Grt+Cpx+ Pl+Q 特征組合的基性高壓麻粒巖(石榴石角閃巖透鏡體),透鏡體內可見特征“白眼圈”反應結構,表明峰期后存在明顯降壓過程。本次在詳細野外地質工作的基礎上,選擇代表性樣品開展了深入的巖相學、礦物化學、變質溫壓估算和鋯石U-Pb年代學工作,研究結果對于進一步認識華北克拉通中部造山帶的構造演化過程具有重要意義。
1 地質背景
研究區位于河北省保定市北部易縣良崗鎮,大地構造位置處于華北克拉通中部造山帶阜平雜巖東北部,總體呈北東—南西向孤立產出(圖1a)。區內地層出露較為廣泛,地層總體呈北東向展布,整體上可分為三個部分,分別為新太古代變質結晶基底、中一新元古代及古生代沉積地層和新生代第四紀松散沉積地層。區內新太古代變質地層主要為阜平巖群元坊巖組和宋家口巖組。其中元坊巖組主要分布于易縣五間房村附近,區內該巖組多呈較大的、不規則殘留體賦存于新太古代變質深成巖中,其上與新太古代宋家口巖組為構造面理平行接觸,局部被元古宙沉積蓋層角度不整合覆蓋(圖1b)。
良崗高壓麻粒巖(榴閃巖)樣品采自河北易縣良崗鎮五間房村北部(圖 2)5km2 范圍山脊,采樣范圍為 115°01′25.18′′E-115°01′27.25′′E,39°14′19.74′′N- 一39°14′26.63′′N 。區內阜平巖群元坊巖組巖性主要為一套副變質片麻巖夾含石榴石基性變質巖組合,該巖石組合以黑云斜長片麻巖和黑云角閃斜長片麻巖為主,并含有斜長角閃巖、淺粒巖及角閃石巖。區內片麻巖具有明顯的韻律特征,橫向延伸較穩定(圖3a),局部可見混合巖化現象(圖3b),含石榴石基性變質巖透鏡體以正地形地貌分布在副變質片麻巖中,多表現為規模較大的“石香腸”構造,呈透鏡體狀-不規則狀,延伸方向與片麻理走向基本一致(圖3c、d)。屬于阜平巖群元坊巖組副變質片麻巖中的含石榴石基性變質巖透鏡體,其內部可見粗粒石榴石變斑晶及石榴石外圍的“白眼圈\"結構(圖3d)。
圖1河北易縣良崗鎮新太古代地質簡圖
Fig.1Neoarchean tectonic map of Lianggang Town Yixian County of Hebei Province
圖2河北易縣五間房地區地質簡圖及采樣位置圖
Fig.2 Geological map and with sampling locations of representative samples of Wujianfang Vilage, Yixian County of Hebe Province
2 分析測試方法
本次研究對6件樣品開展了全巖地球化學分析、礦物化學分析和鋯石U-Pb年代學分析。全巖地球化學分析由實驗室完成。主量元素采用X熒光光譜法(XRF)測定,誤差范圍: SiO2 為士 10.% , Al2 (20 O3 !Fe2O3 為 ±2.5% ,其他元素為士 4.5% 。微量、稀土元素采用ICAP- Q 電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定,詳細分析流程參考文獻[47],稀土及微量元素精密度相對標準偏差(relativestandarddeviation,RSD)在檢出限三倍以內 ≤17% ,檢出限三倍以上 ?10% 。
礦物化學分析由湖北省地質實驗測試中心完成。應用EPMA-1720H型電子探針對石榴石、斜長石、輝石及角閃石進行微區定量分析。標樣為美國SPI公司的53種標準礦物,數據校正采用ZAF程序,礦物成分計算使用Geokit及AXE_2007程序[48]。測試誤差范圍:若所測主元素的質量分數大于 5% ,相對誤差小于 1% ;質量分數介于 1%~5% 之間的元素,相對誤差大致在 5% 左右;質量分數小于 1% ,相對誤差為 10%~50% 。測試精度為0.01%LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年代學分析由吉林大學東北亞礦產資源評價自然資源部重點實驗室完成。實驗設備為德國GeoLasPro型 193nmArF 準分子激光器和美國Agilent7900型ICP-MS質譜儀。使用標準鋯石 91500(1062Ma) 作為外標進行同位素比值校正,標準鋯石PLE為監控盲樣。元素含量以國際標樣NIST61O為外標、Si為內標元素進行計算,NIST612和NIST614為監控盲樣[49]
a.具有韻律特征的片麻巖;b.條帶狀混合巖化片麻巖;c.含石榴石基性變質巖呈透鏡體狀賦存于副變質片麻巖中;d.透鏡體內部粗粒石相石變斑晶,同時發育“白眼圈\"結構。
圖3研究區含石榴石基性變質巖野外宏觀照片
Fig.3Field macro-photographs of granet-bearing mafic metamorphic rocks
數據結果使用Glitter軟件進行同位素比值及元素含量計算。諧和年齡計算及圖像繪制采用ISOPLOT程序[50]]
3 巖相學與礦物化學特征
良崗地區代表性榴閃巖(高壓麻粒巖)樣品的主要礦物組成包括石榴石 (10%~20% 、單斜輝石(20號 (7%~15% )、斜長石 (15%~20%) 、角閃石 15%~ 30% 和石英 (5%~10% ),部分樣品中可見陽起石、綠簾石和綠泥石,以及少量的鈦鐵礦、楣石、磷灰石和磁鐵礦等副礦物,中一粗粒粒狀變晶結構,塊狀構造。其中主要變質礦物形態(圖4)與礦物化學特征(圖5)描述如下:
3.1 石榴石
本區榴閃巖中石榴石主要以變斑晶形式出現,具有兩種形態:第一種呈大粒徑變斑晶產出,粒徑可達 2.0~3.0mm ,晶型完好的石榴石內含角閃石和斜長石包體(圖4a),但多數石榴石受后期退變質作用影響而發生分解,內部存在角閃石、斜長石等礦物,但因裂隙過于發育,無法確定其為進變質階段的礦物組合;第二種石榴石呈細小粒狀分布在基質中,內部干凈無包體,粒度為 0.25~0.75mm ,可能為石榴石發生分解后殘余的邊部石榴石(圖4c)。石榴石邊部發育由角閃石和斜長石構成的“白眼圈\"結構(圖4a),可能代表構造抬升過程中的退變質減壓反應,指示降壓冷卻過程。
電子探針分析結果(表1)顯示,榴閃巖中的石榴石成分類型有鐵鋁榴石( ?XAlm=53.36~56.75) 人鈣鋁榴石 ?XGro=26.36~31.43) 、鎂鋁榴石( XPy= 13.88~16.54) 和少量錳鋁榴石( Xsp=1.14~1.69) 。石榴石中的 XFe 變化于 0.77~0.80 之間,對晶型完好的石榴石進行成分剖面分析(圖 4a, ,發現石榴石成分剖面整體呈現出生長環帶特點(圖5a)。從核部到幔部 XGro 增加 (28.28~29.08) )、 XAlm 降低
圖4研究區榴閃巖顯微巖相特征照片
a.石榴石成分剖面點位,周圍發育由角閃石和斜長石構成的“白眼圈\"結構;b.石榴石呈破碎殘余狀;c.細小粒狀分布在基質中的石榴石;d.單斜輝石殘余狀分布在他形角閃石中;e.單斜輝石中的他形角閃石及楔狀石英熔體;f.位于單斜輝石邊部和內部的半自形角閃石;g、h.綠簾石、綠泥石和陽起石三者平衡共生,分布在角閃石邊部,屬于角閃石退變邊。Grt.石榴石;Cpx.單斜輝石;Am.角閃石;Pl.斜長石;Melt.熔體;Ep.綠簾石;Chl.綠泥石;Act.陽起石。
通常石榴石中 Ca 元素的含量與壓力呈正相關,而 Fe/Mg 值與溫度呈負相關,石榴石生長環帶表明,大部分石榴石核部應指示進變質階段,而從進變質階段到峰期階段是一個升溫升壓的過程。從幔部到邊部,XAlm?XPy 顯著增加, XGro 顯著減少,指示退變質階段是一個降壓過程。除此之外,石榴石的邊部呈現出擴散環帶的特點,由內向外 XAlm 與 XGro 呈負相關,XAlm 與 XPy 呈正相關,表明石榴石邊部與基質中的礦物之間存在 Fe-Mg 相互交換, XGro 的降低說明石榴石邊部的 Ca 在退變質反應中用于“白眼圈”的形成。石榴石中的 Xsp 變化微弱,這是由于溫度的升高,分異結晶作用和擴散作用之間的競爭使得Mn元素達到均一化,而呈現平坦的石榴石環帶模式。大量的研究[54]發現,在高級變質巖中,由于變質級別的逐漸升高石榴石的 Mn 環帶會出現逐漸平坦的分布特征。樣品中存在的細粒石榴石成分與大粒徑石榴石邊部成分相似,可能為大顆粒石榴石由核部沿裂隙進行分解之后殘留的部分。
3.2 單斜輝石
榴閃巖中的單斜輝石部分呈半自形網狀,與內部的斜長石和石英接觸共生,和石榴石變斑晶共同構成變質峰期礦物組合(圖4a、b)。此外,在樣品中可以觀察到輝石內部的楔狀石英熔體(圖4e),與高壓麻粒巖相變質作用過程中產生的部分熔融結構特征相匹配。部分樣品中的單斜輝石內部及邊部均退變為角閃石,過渡部分具有角閃石型解理,單斜輝石呈殘余狀分布在他形角閃石中(圖4d)。
榴閃巖中的單斜輝石均屬于峰期變質階段礦物組合,顯示類似的化學成分(表2),具有兩種分布形態:板狀的單斜輝石 w(SiO2)=50.54%~52.58% w(Al2O3)=1.65%~2.27% , 0.42% , XMg 值為 0.62~0.68 ! Wo=43.69%~ 44.67% , En=32.55%~35.01% , Fs=20.12%~ 21.71% ,其成分主要為普通輝石和透輝石(圖5b);第二種單斜輝石蝕變程度較強,呈殘留狀分布在他形角閃石中, w(SiO2)=50.80%~51.91% . w (Al2O3)= 1.67%~2.39% ?w(Na2O)=0.32%~0.41% Wo=
表1研究區榴閃巖中石榴石的電子探針成分
Table 1Selected microprobe analyses for garnet of garnet amphibole in the study area
注:主量元素質量分數單位為 % 。 XFe .鐵元素指數 (XFe=Fe2+/(Fe2++Mg));X Xi 代表 i 組分在石榴石中的占比, i=Py,Alm,Gro (204號 Sp;Py 為鎂鋁榴石, XPy=Mg/M×100% Alm 為鐵鋁榴石, XAlm=Fe2+/M×100% ;Gro為鈣鋁榴石, XGro=Ca/M×100% ;Sp為錳鋁榴石, XSp=Mn/M×100% ,其中 M=Fe2++Mg+Mn+Ca 。
44.60%~45.17% En=34.76%~35.60% , Fs= 17.97%~19.42% XMg 值為 0.68~0.69 ,成分均為透輝石。殘留狀單斜輝石受到退變質階段的影響更深,相比于板狀單斜輝石 En 端元組分較高,Fs端元組分較低。Anovitz[55]研究指出,在化學成分一樣的情況下,變質作用的壓力對基性高壓麻粒巖中單斜輝石里的 Al2O3 起著決定性的作用,壓力越大, Al2O3 質量分數越大,反之,壓力越小, Al2O3 質量分數越小。對榴閃巖中的板狀單斜輝石而言,核部的 Al2O3 質量分數高于邊部,說明高壓麻粒巖中的單斜輝石核部所受的壓力大于幔部和邊部位置,故可知高壓麻粒巖在峰值變質作用時對單斜輝石的核部影響大,對邊部影響較小,而峰值變質作用后期的退變質主要影響邊部成分,使核部記錄的峰期變質壓力的信息得以保留。
3.3 角閃石
榴閃巖中的角閃石存在于兩期變質階段礦物組合中。進變質階段礦物組合( M1 )中的角閃石為石榴石核部的包體(圖4b);退變質階段礦物組合( )中的角閃石存在兩種產出狀態:其一位于單斜輝石的邊部和內部(圖4d、e、f),其二與斜長石構成“白眼圈\"結構環繞石榴石邊部(圖 4a) ,其實這兩種狀態角閃石都屬于退變質階段產物。
依據 Leake等[52,56]的劃分依據,當 CaB≥1.50 ,其屬于鈣質角閃石,而又可以依據 (Na+K)A?0.50 和 (Na+K)Alt;0.50 劃分成兩組, (Na+K)A≥0.50 依據 和 Tilt;0.50 細分兩組,而 (Na+K)Alt; 0.50則是依據 CaA?0.50 和 CaAlt;0.50 細分成兩組。榴閃巖中三類不同賦存狀態的角閃石具有類似的成分特征(表3)。以包體形式賦存在石榴石變斑晶中的角閃石, w ( (MgO)=6.93% , w ( FeO)= 17.74% 74%,XMg=0.43,Fe3+=0.21 , AlvI=0.70 ,屬于鐵韭閃石(圖 5d, ,屬于麻粒巖相(圖5e),說明進變質階段的變質程度可能相當于麻粒巖相變質。分布在單斜輝石內部和邊部的他形一半自形角閃石,w(MgO)=8.37%~9.58%,w(FeO)=17.71%~ 18.83% , XMg=0.49~0.57 ,主要成分為鐵鎂角閃石、鈣鎂角閃石和鎂綠鈣閃石,變質程度屬于麻粒巖相(圖5e)。與斜長石環繞石榴石邊部構成“白眼圈”結構的角閃石, w(MgO)=8.28%~9.59% w(FeO)=17.29%~19.14% XMg=0.49~0.57 ,其主要成分為鐵鎂角閃石、鎂綠鈣閃石、綠鈣閃石和鈣鎂角閃石,這類角閃石變質程度均屬于麻粒巖相(圖5e)。角閃石的
)(大多數為 2.02%~ 2.48% ,個別石榴石內包體角閃石為 3.18% ,少部分退變邊角閃石為 1.78% )也反映角閃石大部分屬于麻粒巖相峰期殘留物(表3)。
3.4 斜長石
榴閃巖中的斜長石對應了變質演化過程中三個變質階段,具有三種結構形態。進變質階段( M1 )的斜長石為石榴石內部包體;第二種與輝石共生分布在基質中(圖4f),構成峰期階段( Δ?M2 )礦物組合;第三種斜長石形成于退變質階段( ΔM3 ),與退變質角閃石共同構成“白眼圈\"結構分布在石榴石邊部(圖4a)。
由于后期蝕變作用的影響,石榴石發生分解,同時裂隙發育顯著,導致本次研究對斜長石包體進行測量未能得到有效成分分析結果。根據電子探針成分分析研究(表4),發現構成“白眼圈”的斜長石( An=39.87%~51.09%) 與峰期 M2 變質階段的斜長石 ?An=40.39%~57.17%? 均為中長石和拉長石(圖5c)。根據對不同階段斜長石進行成分對比發現, M2 階段An值平均為 46.36% , M3 階段An值平均為 43.55% , An 值隨著變質作用演化過程呈現降低趨勢,說明退變質階段斜長石的形成溫度要低于峰期變質階段,與變質演化過程中溫壓條件變化的一般規律一致。
表2研究區榴閃巖中單斜輝石的電子探針成分
Table 2 Selected microprobe analyses for clinopyroxene of garnet amphibole in the study area
表3研究區榴閃巖中角閃石的電子探針成分
Table 3 Selected microprobe analyses for amphibole of garnet amphibole in the studyarea
注:主量元素質量分數單位為%。
3.5 共生礦物組合演化
根據良崗高壓麻粒巖的反應結構和礦物組合,本區變質作用演化階段可以劃分為早期進變質階段( M1 )、峰期高壓麻粒巖相階段( )和退變質階段( M3 )。
早期進變質階段 (M1 ):礦物組合為Grt-c(石榴石核部 )+Am+Pl+Q ,在高壓麻粒巖的變質演化過程中,富鐵的石榴石形成于進變質階段,之后隨著溫度壓力的升高,石榴石中Fe含量下降,Ca含量升高。在進變質演化過程中,角閃石、斜長石等礦物逐漸被石榴石包裹。由于石榴石變斑晶核部很難與外部發生反應,因此石榴石內包體可以視為早期進變質階段礦物組合[50]
峰期高壓麻粒巖相變質階段( M2 ):礦物組合為Grt-m(石榴石幔部 )+Cpx+Pl+Q+Melt? (熔體),石榴石幔部成分及基質中的單斜輝石和斜長石構成了高壓麻粒巖相變質階段礦物組合,其中基質中的單斜輝石受到后期退變質作用的影響,邊部 Al2O3 質量分數較核部降低。由于退變質階段主要影響輝石邊部成分,核部記錄的峰期變質壓力的信息得以保留。
退變質階段( M3 ):礦物組合為 Am+Pl+Q+ Ilm (鈦鐵礦) )±Grt ,在溫度壓力降低的過程中,石榴石邊部Fe含量升高, Ca,Mg 含量降低,形成角閃石和斜長石,構成典型的“白眼圈\"退變質結構;單斜輝石在退變質過程中Fe含量降低, Mg 含量升高,反應后殘留的Fe在角閃石內部形成鈦鐵礦;部分樣品中石榴石未反應完全,以小顆粒變斑晶形態分布,共同構成該階段礦物組合。
4地球化學特征
本文選取了6個榴閃巖樣品進行全巖主量元素和微量元素測試分析。所有測試樣品的主量元素、微量元素和稀土元素數據見表5。
4.1 主量元素
榴閃巖中 w ( SiO2 )為 49.98%~51.98% ,zo(TiO2 )為 1.26%~1.90% , w(Al2O3 )為 12.35%~ 13.88% , w ( MgO 為 4.88%~6.91% , w ( 為8.55%~9.78% ,
高于
,兩者質量分數分別為 1.17%~2.33%.0.42%~0.79% , K2O/ Na2O 值為 0.33~0.49 。 XMg
MgO ))值為 35.13~46.67 ,低于原生玄武質巖漿范圍
,說明榴閃巖的原巖并不是原生玄武質巖漿結晶的產物,這可能與巖漿中鐵鎂質礦物的分離結晶作用有關。
榴閃巖屬于基性巖范疇,樣品具有富鋁、富鈣的特點,樣品中CaO含量偏高也與巖石礦物中角閃石含量較多的特征相符。根據榴閃巖主量元素成分特點,其原巖為玄武巖(圖6a、b)。
4.2 稀土元素
選取Boynton[58]給定的球粒隕石稀土元素標準含量對樣品中的稀土元素進行標準化。
榴閃巖樣品 較小,變化范圍為87.10×10-6~111.42×10-6 ,平均為 96.27×10-6 ,其中
,較為富集輕稀土元素;LREE/HREE介于 1.90~3.43 之間, δEu=0.91~1.05 ,平均為 0.98,(La/Yb)N 值為 1.44~2.20 , ?La/Sm?N 值為 1.16~2.47 ,稀土元素分布模式大部分呈弱 Eu 負異常,可能與后期變質元素作用生成的斜長石有關。
稀土元素配分模式曲線圖(圖7a)顯示,榴閃巖整體表現為右傾型配分模式,輕稀土元素富集,重稀土元素平坦,其稀土元素分布模式稍顯 Eu 負異常,表明其原巖沒有經歷明顯的分異作用。
4.3 微量元素
選取Sun等[59]給定的原始地幔微量元素標準含量對樣品中的微量元素進行標準化。
榴閃巖樣品中具有強烈的U、Nd、Dy正異常和強烈的 Ba,Nb,Sr,Zr,Ti 負異常。相容元素 Cr 、Ni和 Sc 質量分數分別為 65.20×10-6~139.40× 10-6、44.90×10-6~71.90×10-6、34.40×10-6~ 46.40×10-6 ;高場強元素 (Zr,Hf,Nb,Ta,Y,Th U),除個別樣品Th和U質量分數較高,其余樣品的元素質量分數均變化不大。樣品中的Ni和 Cr 質量分數均較原始巖漿 Δ(w(Ni)=250×10-6 , 300×10-6 )低,表明其原巖經歷過結晶分離作用,并非原始巖漿直接結晶形成。
微量元素蛛網圖(圖7b)顯示,榴閃巖整體表現為“先隆起后凹陷”的模式, Sr 和Ti元素的負異常可能是由于巖石后期發生強烈的變質作用生成大量斜長石與鈦鐵礦,從而導致Sr和Ti元素聚集形成Sr和Ti元素的負異常。
5 鋯石年代學特征
本文對2件代表性榴閃巖樣品進行 LA-ICP- MS鋯石 U-Pb 同位素測年分析,測試結果見表6。
榴閃巖測年鋯石取自樣品 lg-1-01 和 lg- 1-03。鋯石多呈半自形一他形,粒徑 100~240μm .長短軸比為 3:1 ,少數呈短軸狀,長短軸比為 2:1 。樣品 lg-1-01 和 lg-1-03 鋯石 Th/U 值范圍分別為 0.003~0.114 和 0.002~0.027 ,呈現變質成因鋯石的特征。在鋯石陰極發光(CL)圖像(圖8)中,這些鋯石大多數內部結構均勻,主要呈面狀分帶、弱分帶或無分帶的特征,部分鋯石核部和邊部陰極發光強度不同,核部亮白色或灰白色,邊部呈灰色。核部鋯石的 Th/U 值略高于邊部鋯石,大多數鋯石無振蕩生長環帶,少數鋯石核部保留有振蕩環帶,但年齡已重置( (1857±24)Ma) 。
圖6研究區榴閃巖原巖分類圖解
Fig.6 Protolith recovery diagram of garnet amphibole in the study area
圖7研究區榴閃巖球粒隕石標準化的稀土元素配分模式圖(a)和原始地幔標準化的微量元素蛛網圖(b)Fig.7Standardizedrareearth element distribution pattern diagram (a)and standardized trace element webdiagram(b)ofeclogitechondritesin thestudyarea
對樣品 lg-1-01 和 lg-1-03 分別進行了36和30個測試點的分析, lg-1-01 和 lg-1-03 樣品的所有測試點分析結果在諧和圖中均分布在諧和線上或附近,獲得36 和30 個測點的 207Pb/206Pb 年齡加權平均值分別為 (1852±9)Ma(MSWD=0.28 n=36 (圖9a)和 (1849±10)Ma(MSWD=0.75 .n=30 (圖9b)。表明榴閃巖經歷了古元古代末期變質作用的改造。
6變質 pT 條件與 pT 演化軌跡
前文述及,榴閃巖變質作用演化可以劃分為早期進變質階段( M1 )、峰期高壓變質階段( M2 )和退變質階段( M3 )三個階段。本文依據礦物共生組合特征,利用傳統地質溫壓計對各變質演化階段的pT 條件進行估算。主要使用的傳統地質溫壓計有Grt-Cpx 地質溫度計[60-61]、Grt-Cpx-Pl-Q地質溫壓計[62-63]、Hbl 地質溫度計[64]和 Hbl-Pl地質溫壓計[65]。計算公式分別為:
RTlnKD=(2482±845)+(1509±1392)(XFe- 2 YMg)Gar+(2810±954)XCaGar+(2855±792)X Gar [60];
式中: R 為摩爾氣體常數,其值為 8.314J/(mol :
K); T 為熱力學溫度,單位為 K;KD 是石榴石與單斜輝石之間 Fe、 Mg 的分配系數; XiGar 為石榴石中相應元素的摩爾分數, i=Fe2+ , Mg,Mn Ca ,若 i 為 Fe2+ ,則 XFeGr=Fe2+/(Fe2++Mg+Ca+Mn) ,其余元素以此類推; XFeCpx 、 XMgCpx 分別為單斜輝石中Fe、 Mg 元素的摩爾分數; Gar 為石榴石; Cpx 為單斜輝石。
10.86?(108Pa)+(WMg-Mn-WFe-Mn)XMnGt
(2式中: XiGt 為石榴石中相應元素的摩爾分數, i= Fe2+ , Mg , Mn , Ca ,若 i 為 Mn ,則 XMnGt=Mn /( (Fe2++Mg+Ca+Mn) ,其余元素以此類推;W代表兩種元素之間相互作用的強度,如 WMg-Mn 代表Mg 和 Mn 元素之間相互作用的強度; Gt 代表石榴石; p 為壓力,單位為 Pa 。
108Pa) ;
rlrrrregeergrererleereern
9華
6 表 續
6 表 續
圖8研究區榴閃巖代表性鋯石陰極發光圖像
圖9研究區榴閃巖鋯石U-Pb諧和圖及加權平均年齡圖
Fig.9Concordia diagram and weighted mean age plotof zircon U-Pb dating for garnet amphibolite in the study are
式中: KB 為反應(鈣長石 + 透輝石 =2/3 鈣鋁榴石 + 1/3 鎂鋁榴石 + 石英)的平衡常數; α 代表礦物的活度; Xi 為石榴石中相應元素的摩爾分數, i=Fe2+ ,
Mg,Mn,Ca ,若 i 為 Fe2+ ,則 XFe=Fe2+/(Fe2++ Mg+Ca+Mn) ,其余元素以此類推; Xkj 為單斜輝石中相應元素 (k) 在相應點位 (j) 的摩爾分數,如
XΔMgM1 為 Mg 在M1點位的占位比例, XCaM2 為 Ca 在M2點位的占位比例; XAn 為斜長石中鈣長石分子的摩爾分數;Di代表透輝石。
(204號 ρ(108Pa)=[2543-4.744T+175XMgHbl+ RTln(AlHbl+1.433)]/148.1[64] 。
式中: XMgHbl 為角閃石中 Mg 的摩爾分數, XMgHbl=Mg/ (Mg+Fe2+ ); SiHbl 和 AlHbl 分別為角閃石的Si、Al陽離子數。
13.0[65] 。
式中: TB 為反應為淺閃石 + 鈉長石 鎂鈉鈣閃石 + 鈣長石熱力學溫度, K;YAb-An 為斜長石中鈉長石與鈣長石的活度系數差,為 kJ ,需依據 XAbPlag 計算,當XAbPlaggt;0.5 ,則 YAb-An=3.0kJ ,當 XAbPlag?0.5 ,則YAb-An=12(XAb-1)+3.0kJ; XNaM4 表示角閃石在M4點位上的 ΔNa 離子的摩爾分數,其他均以此類推,
分別表示角閃石在A、M2、T1點位上的 Na,Al,Si 的摩爾分數; XAbPlag?XAnPlag 分別表示斜長石中鈉長石分子、鈣長石分子的摩爾分數; cm 為替換量,用于上述計算角閃石在不同點位上的不同離子的摩爾分數。
榴閃巖中記錄了三期變質作用階段溫壓特征。
早期進變質階段( δM1 ):礦物組合為 Grt-c+ Am1+Pl1+Q 包體,根據早期角閃石(Hbl)成分,利用角閃石溫度計[64]和角閃石-斜長石溫壓計[65]估算溫壓條件 T=756.0%, 0
峰期變質階段( M2 ):礦物組合為 Grt-m+ Cpx2+Pl2+Q+Melt ,在此階段可能發生的變質反應為 Am1+Pl1Grt-m+Pl2 、 m+Cpx2 ,利用 Grt-Cpx 地質溫度計[60-61]、
Cpx-Pl-Q 地質溫壓計[62-63],選用石榴石幔部含量最高的鈣鋁榴石成分,以及基質中的單斜輝石、斜長石成分,估算峰期溫壓條件 T=884.1~987.5°C 7p=(12.2~14.2)×108Pa ,變質程度相當于高壓麻粒巖相。結合前人[64-65]實驗巖石學分析結果,在該溫壓條件下角閃石可以穩定存在,但本次對樣品中角閃石進行礦物分析研究未能明顯識別峰期高壓麻粒巖相角閃石,參考前人研究成果,峰期高壓麻粒巖相變質溫度可能被低估了。
退變質階段( M3 ):礦物組合為 Am3+Pl3+ Q+Ilm±Grt ,可能發生的變質反應為 Grt-m+Ω Cpx2+Q+H2OAm3+Pl3+Ilm ,利用Hbl地質溫度計[64]和Hbl-Pl地質溫壓計[65],根據石榴石周圍構成“白眼圈\"結構的角閃石和斜長石成分,估算退變質階段 108Pa ,變質程度相當于高角閃巖相至麻粒巖相。
根據上述溫壓估算結果,反演變質作用 pT 演化軌跡(圖10)[66]總體呈現一條近等溫(ITD)降壓型順時針 ?T 軌跡。ITD的主要依據是石榴石外圍發育的后成合晶反應結構,溫壓結果只是提供數字量化。
7 討論
7.1 原巖恢復及構造環境判別
Shaw[68]發文指出,可以利用 X 函數區分變質巖的原巖類型,這種方法可不使用活動性較大的K、ΔNa.Si 等元素,避免交代作用的影響。函數判別式為
X=-2.69lgCr-3.18lgV-1.25lgNi+ 10.57lgCo+7.73lgSc+7.5lgSr-1.95lgBa- 1.99lgZr-19.58 。
式中,微量元素均為質量分數,單位為 10-6 (
對于變質巖來說:當巖石中 Xgt;0 ,原巖指示為正變質巖; X?0 ,原巖指示為副變質巖。根據函數判別式計算得出榴閃巖的 X 值介于 2.21~3.34 之間,由此說明榴閃巖的原巖為火成巖。在TAS圖解(圖6a)中,榴閃巖樣品落于玄武巖范圍內,在 Zr/ TiO2-Nb/Y 圖解[57](圖6b)中,落于玄武巖和亞堿性玄武巖范圍內。
根據對基性巖做的 0)-
)圖解[69](圖11a)及 w(Y)-w(Zr) 圖解[70](圖11b),榴閃巖屬于亞堿性拉斑玄武巖系列。
底圖據文獻[66]。 Al2SiO5 多型變體(And—Ky—Sil)轉變線據文獻[67]。And.紅柱石;Ky.藍晶石;Sil.夕線石。
圖10研究區榴閃巖變質溫壓條件及 pT 軌跡
對于原巖形成的構造環境,利用Verma等[71]提出的依據主量元素線性判別分析函數進行原巖構造環境判別(圖12a、b),榴閃巖落于島弧玄武巖區域。同時,微量元素由于活動性比較弱,也可以用來判斷巖石形成的大地構造環境。如La、Nb、Th這幾種元素活動性差,相對很穩定,基本不受后期海水蝕變和變質作用的影響。引用 Zr-Th-Nb[72] 和Ti-Zr-Y[73] 構造環境判別圖解(圖12c、d),大部分點落在島弧拉斑玄武巖區內。
圖11 研究區榴閃巖原巖分類圖解
Fig.11 Protolith recovery diagram of garnet amphibolein the study area
綜合以上圖解,榴閃巖的原巖為亞堿性玄武巖,并具有島弧玄武巖特征,可能形成于板塊匯聚動力學背景之下,島弧巖槳由俯沖板片產生的流體交代地幔楔發生部分熔融而形成。推測良崗榴閃巖原巖形成于俯沖環境下,俯沖過程中形成了具有IAB特征的鐵鎂質巖漿,最終巖漿就位形成亞堿性玄武巖,后經歷高壓麻粒巖相變質條件形成高壓麻粒巖
7.2 成因探討
20世紀90年代起,華北克拉通中部造山帶北緣陸續有高壓麻粒巖報道,最早在懷安蔓菁溝一宣化西望山地區被發現,然后在恒山、赤城、承德、千里山—賀蘭山等地相繼報道[30-3374-79]。懷安—宣化地區中高壓麻粒巖多以布丁狀、透鏡體狀或近似層狀產出于太古宙TTG片麻巖中。郭敬輝等[29]在宣化西望山高壓麻粒巖中識別出的高壓礦物組合為石榴石核部及其包體 Cpx+Pl ,溫壓條件為 670~ 1 050°C.(12.0~14.5)×108Pa ;中壓組合表現為環繞石榴石邊部發育的角閃石、斜方輝石及斜長石后成合晶,發育典型“白眼圈”結構,形成溫壓條件為750~800°C 、 (9.0~10.0)×105Pa 。Guo等[32]將峰
圖12 研究區榴閃巖原巖構造判別圖解
Fig.12Tectonic discriminant diagrams in the study area
期高壓變質階段溫壓條件估算為 770~890° 、(8.5~10.5)×108Pa 。魏貴東[80]利用傳統地質溫壓計與相平衡模擬計算,得到西望山高壓基性麻粒巖中峰期高壓麻粒巖相礦物組合 (Grt+Cpx+Pl+ Am+Ru+Melt+Ilm) 溫壓條件為 990~1012°C 、(14.1~14.7)×108Pa 。恒山一承德雜巖中出露的高壓麻粒巖同樣以透鏡體狀賦存于強應變的均質TTG片麻巖、條帶狀花崗片麻巖中,其峰期礦物組合主要為 Grt+Pl+Cpx+Qtz±Am±Ru ,通過傳統地質溫壓計及相平衡模擬方法計算,得到溫壓條件為 770~840°C 、 (13.5~15.5)×108Pa[36],76? 763~ 901°C,(12.7~16.8)×108Pa[81] , 800~810° 、(10.0~12.5)×108Pa[82] ,大地構造環境屬于島弧環境[83-84]。綜合前人 [12,44-45,77,81,85-91] 研究結果,華北克拉通中部造山帶內的變質雜巖體均具有相似的順時針變質 pT 軌跡,峰后變質階段 ?T 軌跡具有近
等溫減壓的特征(圖13)。
部分學者認為阜平地區至少經歷兩期變質事件[44,92-93]。阜平雜巖中普遍記錄約 1850Ma 的變質變形年齡,通常被解釋為可能與麻粒巖相變質事件相對應[10,17,94-105] 。
除阜平雜巖之外, 1900~1850Ma 的變質事件在華北克拉通中部造山帶中北部同樣影響廣泛 [18,44,78-79,91,96-110] 。郭敬輝等[]首先對宣化雜巖中出露的高壓基性麻粒巖和角閃巖進行全巖-單礦物Sm-Nd 等時線年代學測定,得到 1882~1804Ma 的變質事件年齡范圍,隨后又通過全巖或單礦物40Ar/39Ar 方法測得區內高壓麻粒巖變質年齡為(1852±8)Ma[74] 。懷安雜巖中高壓基性麻粒巖出露廣泛,不同學者采用不同的年代學測試方法均得到類似約1 850 Ma 的變質時代記錄[33,43,91,112-118],指示該地區在古元古代末期遭受了一次大規模的變
1.恒山數據據文獻[79];2.恒山數據據文獻[81];3.恒山數據據文獻[84];4.懷安黃土窯數據據文獻[85];5.懷安蔓菁溝數據據文獻[73];6.懷安數據據文獻[86];7.宣化大東溝數據據文獻[87];8.宣化西望山數據據文獻[88];9.宣化西望山數據據文獻[89];10.承德數據據文獻[90];11.阜平數據據文獻[91];12.阜平雜巖數據據文獻[45];13.本文數據。
圖13華北克拉通中部造山帶高壓麻粒巖 pT 軌跡
Fig.13Metamorphic pT paths of the high-pressure granulites from the TNCO
質事件,可能與東西部陸塊間的俯沖碰撞過程有關。Liu等[119]對界河口群中石榴石二云母片巖進行獨居石定年分析,得到四組年齡數據,其中 1.88~ 1.85Ga 的年齡范圍被解釋為東西陸塊碰撞引起的區域變質作用時代。呂梁雜巖中多數變質巖石普遍記錄了 1.96~1.82Ga 時期的變質年齡信息,該年齡與華北中部造山帶廣泛經歷的 1.98~1.80Ga 變質事件一致[13,120-121]。五臺雜巖中大多記錄了 1.89~1.82Ga 的變質年齡,前人研究表明五臺雜巖同樣參與了古元古代東西陸塊之間漫長的俯沖碰撞過程[106-119,122-123] 。
綜上所述,華北克拉通中部造山帶中北段各變質雜巖區普遍存在 1900~1800Ma 的變質事件。本次對阜平雜巖東部良崗榴閃巖進行年代學研究,得到了 1.86~1.84Ga 的變質年齡范圍,與華北克拉通中北段變質雜巖普遍報道的 1900~1850Ma 范圍的麻粒巖相一角閃巖相退變質事件相似[37,114-116,124-126]
冀東地區所報道的高壓麻粒巖相變質作用,主要見于靠近中部造山帶的灑河橋線性構造帶內變質基性巖墻中。這些巖墻多呈大小不等的塊體產出于TTG片麻巖內,前人[127]研究從中識別出高壓麻粒巖相變質礦物組合為石榴石、單斜輝石、斜長石和石英,并形成環繞二輝石集合體分布的類似“紅眼圈”結構[128],說明巖石中存在變質疊加的情況。利用THERMOCAL相平衡模擬,得到高壓麻粒巖變質組合形成溫壓條件為 790~810°C,1.1~1.3GPa, 構成順時針 ?T 軌跡。對其進行鋯石U-Pb定年分析,得到約 1.83Ga 或 1.97Ga 的古元古代變質年齡。除此之外,Yang 等[129]進行石榴石全巖Lu -Hf同位素分析,得到了 1.78~1.77Ga 的變質年齡,解釋為變質冷卻過程。結合變質演化過程及地球化學特征,推測冀東地區灑河橋線性構造帶中出露的高壓麻粒巖應形成于古元古代以地殼增厚為特征的碰撞造山事件中,冀東地區發生的古元古代變質事件可能為中部造山帶中古元古代變質事件的延伸。
良崗地區新元古代地層阜平巖群元坊巖組中出露的榴閃巖,無論是在變質作用演化上還是年代學上均與中部造山帶內高壓麻粒巖特征相符。區內榴閃巖經歷的變質演化過程可以分為三個階段,其中高壓麻粒巖相變質礦物組合為 Grt+Cpx+Pl+Q 與高壓基性麻粒巖典型變質礦物組合一致。根據傳統地質溫壓計估算結果,峰期高壓麻粒巖相變質溫壓條件 108Pa ,變質程度相當于高壓麻粒巖相;退變質階段的變質條件相當于高角閃巖相到麻粒巖相,由此推斷出一條近等溫降壓(ITD)型順時針 ?T 軌跡。結合中部造山帶中北段高壓麻粒巖帶變質演化過程,推測本次所研究的良崗榴閃巖所經歷的變質演化過程為:早期進變質階段,陸塊間的俯沖碰撞作用導致地殼發生增厚。碰撞停止后,隨俯沖過程深埋地下的巖石由于地殼均衡、地表剝蝕等因素折返上升[64,130],同時,巖石中的石榴石和基質中的單斜輝石發生反應,沿石榴石邊部形成 Am+Pl 共生組合,構成“白眼圈”結構[122]。結合本次研究結果,對華北克拉通中部造山帶內阜平雜巖的高壓變質作用演化過程提出了如下假設:古元古代末(約 1.85Ga) ,東西陸塊之間的俯沖一碰撞作用導致地殼加厚,造成了變質溫度緩慢升高的同時變質壓力迅速升高,遭受高壓麻粒巖相變質作用,而后碰撞停止;由于快速的構造剝蝕作用,地體開始快速折返上升,發生伸展、陸殼減薄和造山后期垮塌作用,從而使變質溫度來不及大幅度變動的同時壓力迅速下降,隨后高壓麻粒巖遭受剝蝕出露于地表。
8結論
1)河北良崗地區發現基性高壓麻粒巖 榴閃巖,其變質演化可以劃分為三個階段:早期進變質階段礦物組合為 Grt-c+Am+Pl+Q ,溫壓條件約為756°C,6.0×108Pa ,變質程度相當于高角閃巖相;峰期高壓麻粒巖相階段的礦物組合為 Grt-m+ Cpx+Pl+Q+Melt ,溫壓條件為 884.1~987.5°C 、( (12.2~14.2)×108Pa ,相當于高壓麻粒巖相;退變質階段礦物組合為 Am+Pl+Q+Ilm±Grt ,溫壓條件為 706.6~776.7°C ! (3.7~4.2)×108Pa ,相當于麻粒巖相至高角閃巖相。根據溫壓估算結果,變質作用 ?T 演化軌跡總體呈現一條近等溫降壓(ITD)型順時針 ?T 軌跡,表明本區經歷了碰撞造山作用。
2)榴閃巖的原巖為亞堿性玄武巖,并具有島弧玄武巖特征,可能形成于板塊匯聚動力學背景俯沖環境之下,俯沖過程中,俯沖板片產生的流體交代地幔楔發生部分熔融而形成具有IAB特征的鐵鎂質巖漿,最終巖漿就位形成亞堿性玄武巖,之后經歷高壓麻粒巖相變質條件形成高壓麻粒巖
3)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結果顯示, 榴閃巖樣品中獲得了 (1852±9)Ma 和 (1849± 10)Ma的變質年齡,與中部造山帶內普遍記錄的約 1850Ma 的變質年齡相符。
4)良崗高壓麻粒巖與華北克拉通中部造山帶中北段出露的高壓麻粒巖帶的形成過程相似,其變質作用演化與約 1.85Ga 華北克拉通東西陸塊的碰撞拼合有關。
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