大別造山帶宿松變質(zhì)雜巖變質(zhì)演化過程

周安泰，石永紅，趙俊先，楊根山

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

宿松變質(zhì)雜巖位于大別造山帶最南緣(圖1)，通常被視為揚子板塊被動邊緣沉積產(chǎn)物[1]。同大別造山帶其他單元相比，其關(guān)注和研究程度一直較低[2]。最初，對該單元的研究集中于其變質(zhì)程度，主要有兩種不同的認(rèn)識：一種觀點是其為綠簾角閃巖相變質(zhì)[3-4]；另一種觀點則認(rèn)為其經(jīng)歷了高壓—超高壓變質(zhì)作用[5-8]。隨后，研究則聚焦于年代學(xué)方面[9-15]，并借此探討了其物源歸屬和變質(zhì)時代(圖1)。但對該單元主期變質(zhì)時限的認(rèn)識仍存較大爭議，主要有400～500 Ma[10]、220～228 Ma[11-12]和大于223 Ma[13]等3種觀點。隨著研究的深入，魏春景等的研究基本明確宿松變質(zhì)雜巖主體經(jīng)歷了綠簾角閃巖相-角閃巖相變質(zhì)[16-18]，其壓力較高，達到了中下地殼層次，主期變質(zhì)年齡大致在250 Ma[19]。

然而，到目前為止，關(guān)于宿松變質(zhì)雜巖壓力(P)-溫度(T)軌跡的研究仍較為薄弱，遲滯了對該塊體在大別造山帶俯沖、折返過程中的作用及形成機制的探究。目前，有限的研究主要源于魏春景等的成果[16，20-21]，且研究結(jié)果缺乏趨同性。魏春景等的P-T型式反映了宿松變質(zhì)雜巖經(jīng)歷了一個相對緩慢俯沖和快速折返的過程[16]；王清晨等則認(rèn)為其經(jīng)歷了增溫降壓過程，反映了一個緩慢的抬升過程，但早期變質(zhì)特征并未充分揭示[20]；石永紅等則認(rèn)為早期反映的是一個較為緩慢的俯沖型式，表現(xiàn)近等壓升溫過程，晚期則推測為等溫降壓過程[21]。綜上所述，宿松變質(zhì)雜巖可能具有較為復(fù)雜的俯沖、折返過程。同大別造山帶高壓—超高壓各單元建立的完整P-T軌跡相比[22-29]，宿松變質(zhì)雜巖P-T軌跡的刻畫和建立還有待深入?；诖耍疚耐ㄟ^對宿松變質(zhì)雜巖石榴斜長角閃巖進行詳細的巖相學(xué)、礦物化學(xué)研究和熱力學(xué)評價，構(gòu)建出宿松變質(zhì)雜巖的P-T軌跡，并探討了其俯沖、折返過程和形成機制。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 大別造山帶宿松地區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological Sketch Map of Susong Area in Dabie Orogenic Belt

大別造山帶自北至南可分為5個巖石構(gòu)造單元，分別為北淮陽變質(zhì)帶、北大別變質(zhì)帶、中大別變質(zhì)帶、南大別碰撞雜巖帶和宿松變質(zhì)雜巖帶，其間分別被曉天—磨子潭斷裂、水吼—五河斷裂和太湖—馬廟斷裂所分割[1](圖1)。本次研究重點是宿松變質(zhì)雜巖帶的變質(zhì)演化過程。該單元組成巖石較為繁雜，多為云母片巖、石榴云母片巖、鈉長質(zhì)片麻巖、大理巖、角閃巖，及少量石榴角閃巖、滑石片巖、石英巖、變質(zhì)基性巖[16]，其面理產(chǎn)狀總體傾向S-SSW，傾角為20°～50° ，以單斜層形式產(chǎn)出(圖1)。由于石榴斜長角閃巖礦物組合充分，記錄了多個變質(zhì)階段，能充分揭示地質(zhì)體的演化過程，故此次研究將針對該類巖石展開。

分析樣品采集于宿松變質(zhì)雜巖帶北部，朱灣以北約4 km處，樣品編號為SS025-1(圖1)。該巖石呈透鏡體產(chǎn)出，出露寬度為3～5 m，圍巖為石榴云母片巖[圖2(a)]，片理產(chǎn)狀為196°∠72°。本次礦物分析由合肥工業(yè)大學(xué)電子探針分析實驗室完成，儀器型號為JEOLJXA-8230，工作條件為加速電壓15 kV、電流20 nA。石榴石、角閃石、斜長石和黑云母分別以12、23、8、11個O進行計算，石榴石的Fe2+依據(jù)電價平衡方法進行校正，角閃石的Fe2+依據(jù)Si、Al、Ti、Mg、Fe、Mn等陽離子原子數(shù)總和為13進行計算[30]，代表性礦物分析結(jié)果見表1。

2 巖石學(xué)特征

石榴斜長角閃巖組成礦物主要為石榴石(體積分?jǐn)?shù)為10%～15%)、斜長石(20%～25%)、角閃石(30%～35%)、黑云母(3%～8%)、綠簾石(3%～5%)、石英(15%～20%)、金紅石(1%～5%)和綠泥石(3%～5%) [圖2(b)、(c)]。石榴石多呈他形—半自形，粒度為0.8～2.0 mm，內(nèi)部具大量石英、角閃石、金紅石和綠簾石早期礦物包體，呈環(huán)狀排布[圖2(c)、(d)]；其邊緣則發(fā)育不完全的“冠狀”反應(yīng)邊，主要由長石、角閃石、石英和不透明礦物構(gòu)成[圖2(c)]；礦物化學(xué)分析顯示，該石榴石普遍富鐵鋁榴石、鈣鋁榴石，貧鎂鋁榴石和錳鋁榴石[圖3(a)、表1]。角閃石具包體、反應(yīng)邊和基質(zhì)3種形式：包體中的角閃石為他形—半自形細小顆粒，與綠簾石、金紅石、石英共生，顯示了早期變質(zhì)礦物組合特征[圖2(c)、(d)]；反應(yīng)邊中的角閃石則與長石、石英和不透明礦物共生，顯示了退變質(zhì)礦物組合特征；基質(zhì)中的角閃石則多為他形—半自形，粒度為0.4～1.0 mm[圖2(b)、(c)]。從角閃石的礦物成分圖解[圖3(c)]可以看出，上述3種角閃石基本為切爾馬克閃石，但n(Si4+)和n(Mg)/(n(Mg)+n(Fe2+))值變化略有差異，包體角閃石→基質(zhì)角閃石→反應(yīng)邊角閃石的n(Mg)/(n(Mg)+n(Fe2+))值逐漸升高，分別為0.45～0.55、0.50～0.70、0.65～0.80，暗示了這3種角閃石在不同的變質(zhì)條件下形成。斜長石則以反應(yīng)邊和基質(zhì)兩種形式存在，且均為更長石[圖2(b)、(c),圖3(b)和表1]，反應(yīng)邊中的斜長石呈他形細小顆粒，基質(zhì)中的斜長石為他形—半自形，粒度為0.2～0.5 mm。從成分變化來看[圖3(b)]，反應(yīng)邊中的斜長石Ab牌號為73.10～83.40，An牌號為11.00～15.80，Or牌號為0.10～1.00；基質(zhì)中的斜長石Ab牌號為78.90～87.80，An牌號為11.90～20.40，Or牌號為0.20～1.90。不難看出，兩者同樣存在成分差異，表明形成條件有差異。綠簾石具包體和基質(zhì)兩種形式：包體中的綠簾石多呈他形，粒度為0.03～0.60 mm，賦存于石榴石中；基質(zhì)中的綠簾石呈半自形—自形細小顆粒，粒度為0.1～0.3 mm[圖2(b)、(c)]。金紅石以包體和基質(zhì)形式存在：基質(zhì)中的金紅石呈他形細小顆粒，粒度為0.05～0.10 mm，并與其他基質(zhì)礦物平衡共生；包體中的金紅石主要賦存于石榴石中，顆粒細小[圖2(c)、(d)]。黑云母僅以基質(zhì)形式存在，呈自形—半自形，粒度為0.1～0.5 mm，常被綠泥石替代[圖2(e)]。石英在包體、反應(yīng)邊和基質(zhì)中廣泛存在，前兩者均為細小顆粒，基質(zhì)中的石英多為他形充填于礦物粒間，顆粒大小不一，粒度為0.2～1.0 mm。綠泥石多沿石榴石裂隙發(fā)育或以黑云母假晶形式存在[圖2(e)、(f)]，其產(chǎn)出特征也暗示該礦物為最晚階段產(chǎn)物。

表1 石榴斜長角閃巖中代表性礦物分析結(jié)果Tab.1 Representative Mineral Analysis Results of Garnet-plagioclase Amphibolites

注：w(·)為元素或化合物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；wtotal為主量元素總含量；n為元素原子數(shù)。

圖2 樣品SS025-1的野外照片、顯微照片及背散射照片F(xiàn)ig.2 Field, Microscopic and BSE Photos of Sample SS025-1

圖3 石榴斜長角閃巖中石榴石、斜長石和角閃石的礦物成分圖解Fig.3 Diagrams for Mineral Composition of Garnet, Plagioclase and Amphibole from Garnet-plagioclase Amphibolite

根據(jù)巖相學(xué)分析，石榴斜長角閃巖大致具有4個變質(zhì)階段礦物組合：①階段礦物組合以石榴石中早期包體為標(biāo)志，主要為切爾馬克閃石+綠簾石+石英+金紅石(Ts+Ep+Qz+Rt)組合[圖2(c)、(d)]；②階段礦物組合為石榴石+斜長石+切爾馬克閃石+石英+綠簾石+金紅石(Grt+Pl+Ts+Qz+Ep+Rt)組合，這些礦物主要以基質(zhì)形式存在；③階段礦物組合以反應(yīng)邊形式存在，主要為斜長石+切爾馬克閃石+石英+磁鐵礦(Pl+Ts+Qz+Mag)組合[圖2(c)]；④階段礦物組合以綠泥石和石英為代表(Chl+Qz)，常沿石榴石裂隙發(fā)育或以黑云母假晶形式出現(xiàn)[圖2(e)、(f)]。

圖4 石榴石、角閃石和斜長石背散射照片及礦物成分剖面Fig.4 BSE Photos and Profiles for Mineral Composition of Garnet, Amphibole and Plagioclase

3 主要礦物化學(xué)成分變化特征

為了更精細地揭示礦物成分的細致變化，精確判定不同變質(zhì)階段礦物組合，并為溫壓評價奠定基礎(chǔ)，本次研究針對該巖石基質(zhì)中的石榴石、角閃石和斜長石進行成分剖面分析。

在石榴石背散射照片[圖4(a)]中，石榴石顯示均一的特征，沒有明顯的顏色差異；但礦物成分剖面則顯示了輕微的成分差異，分為核部和極邊兩個區(qū)域[圖4(b)]。在核部，F(xiàn)e、Mg、Ca、Mn濃度呈平緩變化趨勢，分別為0.60～0.70、0.03～0.08、0.25～0.35、0～0.01 mol·L-1；極邊的Fe、Mg濃度略微增高，分別為0.60～0.70、0.08～0.10 mol·L-1，Ca濃度略微下降，為0.22～0.28 mol·L-1，Mn濃度則無明顯變化。由此可以看出，該石榴石至少具有極邊和核部兩期成分變化特征，這與石榴石礦物成分圖解[圖3(a)]中的變化也是一致的。

角閃石背散射照片和礦物成分剖面均顯示了角閃石均一的特征[圖4(c)、(d)]，其Mg、Fe2+、Al和Ti離子數(shù)呈平緩變化，分別為1.7～2.0、1.1～1.7、2.4～2.9、0～0.1。該角閃石并未受到后期退變作用的影響。

斜長石同樣展現(xiàn)了均一的變化樣式[圖4(e)、(f)]，其Na、Ca、K濃度分別為0.78～0.82、0.17～0.21、0～0.02 mol·L-1，表明其未受到后期事件的干擾。同反應(yīng)邊中的斜長石相比，基質(zhì)中的斜長石Ca濃度更高，暗示了其較高的溫度。

根據(jù)主要礦物精細的成分變化，并結(jié)合巖相學(xué)判定[32]可以看出，極邊石榴石成分應(yīng)與反應(yīng)邊礦物組合平衡共生。而核部石榴石則與巖相學(xué)的①階段和②階段礦物組合平衡，換而言之，在①階段和②階段礦物組合中石榴石成分沒有明顯變化，但考慮到巖相學(xué)觀測的特征，本次將核部石榴石分為兩部分，即Grt-Ⅰ (核部中心區(qū)域)和Grt-Ⅱ (核部外圍區(qū)域)[圖4(b)]，其中前者與①階段礦物組合(石榴石包體)平衡，后者基本無礦物包體，并與②階段礦物組合平衡。對于角閃石而言，其結(jié)構(gòu)特征和成分變化均顯示了前3個階段的特征[圖2(c)、(d),圖3(c)]，其中包體、基質(zhì)和反應(yīng)邊中的角閃石分別與巖相學(xué)的①階段、②階段和③階段礦物組合相對應(yīng)。依據(jù)斜長石的兩種產(chǎn)出狀態(tài)以及成分變化特征可以看出[圖2(c)、圖3(b)]，基質(zhì)中的斜長石應(yīng)歸屬于巖相學(xué)的②階段礦物組合，而反應(yīng)邊中的斜長石則為③階段礦物組合。因此，根據(jù)巖相學(xué)和礦物成分的精細分析，可以判定該巖石具有4個變質(zhì)階段礦物組合(表2)。

4 P-T軌跡構(gòu)建

根據(jù)巖相學(xué)和礦物化學(xué)分析(圖2～4)，石榴斜長角閃巖可分為4個變質(zhì)階段(表2)，其中①階段、②階段和③階段礦物組合較為充分，適于溫壓評價。因此，本文將應(yīng)用角閃石單礦物溫壓計[33](方法1)、角閃石-斜長石溫度計[34](方法2)和石榴石-角閃石-斜長石-石英壓力計[35](方法3)對各變質(zhì)階段進行溫壓評價，構(gòu)建完整的P-T軌跡。①階段礦物組合因缺乏斜長石，故僅應(yīng)用方法1進行溫壓評價。②階段、③階段礦物組合普遍發(fā)育石榴石+角閃石+斜長石(Grt+Hb+Pl)組合，應(yīng)用方法2和方法3進行聯(lián)合求解。④階段礦物組合則因缺乏合適的溫壓計，僅大致估計。為保證分析的統(tǒng)計性和全面性，①階段、②階段、③階段分別選取5、7和8個礦物對進行評價(表3、圖5)。

表2各變質(zhì)階段礦物組合
Tab.2MineralAssemblagesinDifferentMetamorphicStages

由表3和圖5可以看出：①階段選取了5個礦物對，應(yīng)用方法1計算，其溫壓范圍為591 ℃～620 ℃、0.48～0.56 GPa，平均溫壓為608 ℃、0.51 GPa；②階段選取了7個礦物對，應(yīng)用方法2和方法3聯(lián)合求解，計算的溫壓范圍為606 ℃～636 ℃、1.01～1.12 GPa，平均溫壓為624 ℃、1.05 GPa；③階段選取了8個礦物對，同樣應(yīng)用方法2和方法3聯(lián)合求解，溫壓范圍為600 ℃～619 ℃、0.79～0.91 GPa，平均溫壓為612 ℃、0.86 GPa；④階段因缺乏合適的溫壓計，故僅根據(jù)綠泥石+石英(Chl+Qz)組合特征，推測該階段的溫壓條件為400 ℃～500 ℃、0.1～0.3 GPa。由圖5可以看出，該類巖石展示了一個較為獨特的P-T型式，顯示了近等溫升壓→近等溫降壓→降溫降壓的過程。

表3 各變質(zhì)階段的溫壓條件Tab.3 P-T Conditions for Different Metamorphic Stages

注：④階段為估計值。

5 P-T軌跡探討

P-T軌跡的研究能夠較好地從動態(tài)研究的角度解釋地質(zhì)塊體變質(zhì)演化過程，充分反演其構(gòu)造演變階段[36]。從本文構(gòu)建的宿松變質(zhì)雜巖P-T軌跡(圖5)可以看出，其變質(zhì)演化過程大致可以分為3個區(qū)段：第一區(qū)段由①階段到②階段，溫度基本保持不變，僅增加約16 ℃，壓力則迅速升高，升高幅度達0.54 GPa；第二區(qū)段由②階段到③階段，溫度僅降低約12 ℃，基本保持等溫狀態(tài)，壓力則降低約0.2 GPa；第三區(qū)段由③階段到④階段，由于④階段為估計值，故溫壓的降低為推測值。

變質(zhì)相之間的界限引自文獻[42]圖5 石榴斜長角閃巖P-T軌跡Fig.5 P-T Path for Garnet-plagioclase Amphibolite

同魏春景等構(gòu)建的P-T軌跡[16,20-21]相比，本文構(gòu)建的P-T軌跡有較大的差異。魏春景等的主期變質(zhì)條件落入角閃石榴輝巖亞相(圖5)，且俯沖和折返處于一個相對較低溫度環(huán)境(<600 ℃)，反映的是一個相對緩慢俯沖和快速抬升的環(huán)境[16,21]；王清晨等的P-T軌跡則主要反映的是較為緩慢的增溫抬升過程[20]。產(chǎn)生這種差異可能有兩個方面的原因：一是P-T軌跡計算選用的地質(zhì)溫壓計不同；二是研究變質(zhì)單元的差異。就第一個原因而言，文獻[16]應(yīng)用的是石榴石-白云母溫度計[37]、石榴石-角閃石溫度計[38]和石榴石-角閃石-斜長石-石英壓力計[39]，文獻[20]采用的是Ge0-Calc 程序[40]，文獻[21]應(yīng)用的是石榴石-角閃石溫度計[41]和石榴石-角閃石-斜長石-石英壓力計[39]，進而構(gòu)建的P-T軌跡具有較大的不同(圖5)。然而，基于大別造山帶地質(zhì)單元和背景的研究[1-2]，本文更傾向于第二個原因。從圖1可以看出，文獻[16]和文獻[21]的樣品位于太湖—馬廟斷裂和柳林—缺月嶺—山龍斷裂之間，圍巖主要為花崗片麻巖。早期的區(qū)域構(gòu)造劃分將該地段歸屬于宿松變質(zhì)雜巖，最近石永紅等基于高壓礦物組合，認(rèn)為該區(qū)域應(yīng)歸屬于南大別低溫高壓—超高壓單元，其以柳林—缺月嶺—山龍斷裂為界[31]。換而言之，文獻[16]和文獻[21]的P-T軌跡反映的是南大別低溫高壓—超高壓變質(zhì)單元變質(zhì)演化過程，記錄的是50～80 km深度的變質(zhì)巖片變質(zhì)行為和特征。而宿松變質(zhì)雜巖屬于中—高壓變質(zhì)塊體，其P-T軌跡應(yīng)當(dāng)反映的是在30～50 km深度的變質(zhì)演化過程[18-19]。王清晨等的增溫退變型式[20]在本次研究的P-T軌跡中并未體現(xiàn)，考慮到大別造山帶在快速的背景下形成這一認(rèn)識，本文推測增溫特征也許是局部的變化。

本次構(gòu)建的P-T軌跡能較好地反映宿松變質(zhì)雜巖的變質(zhì)演化過程。其中，第一區(qū)段反映的是快速俯沖過程，第二區(qū)段揭示了快速折返過程。這在巖相學(xué)和礦物化學(xué)方面也得到了佐證，其不完全的反應(yīng)邊和輕微的礦物成分變化[圖2(b)、圖3]均表明因俯沖、折返速度過快，導(dǎo)致其成分、結(jié)構(gòu)特征未得到充分記錄。盡管第三區(qū)段由于礦物組合和熱力學(xué)的評價不充分，屬于推測過程，但借鑒Wang等的研究[22-29]，其應(yīng)當(dāng)代表的是最晚期緩慢抬升過程(圖5)。因此，P-T軌跡特征表明了作為揚子板塊前緣塊體——宿松變質(zhì)雜巖，在俯沖和折返初期，在大洋板片的拖曳作用下迅速俯沖，并在中下地殼層次解耦，在浮力作用下迅速抬升至近淺表，再緩慢抬升至地表。相比較于大別造山帶高壓—超高壓單元的P-T軌跡而言，宿松變質(zhì)雜巖反映的是中淺層次俯沖及折返樣式，這一特征進一步表明該造山帶形成于快速的俯沖與折返過程中。

6 結(jié) 語

(1)根據(jù)巖相學(xué)、礦物化學(xué)和熱力學(xué)研究，大別造山帶宿松變質(zhì)雜巖的石榴斜長角閃巖可分為切爾馬克閃石+綠簾石+石英+金紅石(Ts+Ep+Qz+Rt)、石榴石+斜長石+切爾馬克閃石+石英+綠簾石+金紅石(Grt+Pl+Ts+Qz+Ep+Rt)、斜長石+切爾馬克閃石+石英+磁鐵礦(Pl+Ts+Qz+Mag)及以綠泥石和石英為代表(Chl+Qz)等4個變質(zhì)階段礦物組合，其溫壓條件分別為：591 ℃～620 ℃、0.48～0.56 GPa，606 ℃～636 ℃、1.01～1.12 GPa，600 ℃～619 ℃、0.79～0.91 GPa，400 ℃～500 ℃、0.1～0.3 GPa。

(2)石榴斜長角閃巖P-T軌跡具有3個演化區(qū)段，第一區(qū)段表現(xiàn)為近等溫升壓，第二區(qū)段為近等溫降壓，第三區(qū)段為降溫降壓。這表明宿松變質(zhì)雜巖經(jīng)歷了一個快速俯沖→快速抬升→晚期緩慢抬升的過程。其原因可能是作為揚子板塊的前緣塊體——宿松變質(zhì)雜巖在大洋板片拖曳作用下迅速俯沖，由于板片斷離在浮力作用下迅速回返，并長時間停滯在上地殼層次，再緩慢上升至地表。

電子探針分析得到合肥工業(yè)大學(xué)王娟博士的幫助，在此表示由衷的感謝。