桐柏造山帶榴輝巖早古生代高壓變質作用的發(fā)現(xiàn)*

李樂倩 張宏福

西北大學地質學系，大陸動力學國家重點實驗室, 西安 710069

高壓-超高壓變質帶位于匯聚板塊的邊界，是大洋俯沖和大陸碰撞的產物，記錄了地殼物質從俯沖到折返的過程(Smith, 1984; Chopin, 1984; Ernst and Liou, 1995; Maruyamaetal., 1996; Zheng, 2012; Liuetal., 2016)。俯沖碰撞形成的高壓-超高壓變質帶中的高級變質巖，記錄了造山帶演化的地質過程，是反演和揭示這些地質過程的重要載體(Carswell and Zhang, 1999; Chopin, 2003; Liuetal., 2007; 鄭永飛等, 2013; 張宏福和于紅, 2019)。榴輝巖是典型的高壓變質基性巖，因常保留多期礦物組合，容易記錄變質峰期條件，是研究造山帶演化的關鍵巖石樣品。榴輝巖常呈透鏡體、塊狀、似層狀產出于圍巖片麻巖中，兩者一同深俯沖經歷高壓-超高壓變質作用，然后折返回地表。雖然其在造山帶中出露有限，卻對理解板片俯沖和折返及造山帶形成演化有重要意義。

圖1 秦嶺-桐柏-紅安-大別-蘇魯造山帶構造格架圖(a，據Wang et al., 2011)和秦嶺-桐柏-紅安-大別造山帶主要地質單元簡圖 (b，據Wu and Zheng, 2013)Fig.1 Geological sketch map of the Qinling-Tongbai-Hong’an-Dabie-Sulu orogen (a, modied after Wang et al., 2011) and major geological units of the Qinling-Tongbai-Hong’an-Dabie orogen (b, modied after Wu and Zheng, 2013)

秦嶺-桐柏-紅安-大別-蘇魯造山帶西連祁連-昆侖造山帶，構成了橫貫我國幾千千米的中央造山帶。該造山帶是全世界規(guī)模最大的高壓-超高壓變質帶，并經歷了多階段的演化，一直是研究高壓-超高壓變質作用和造山帶演化的熱點地區(qū)(Mattaueretal., 1985; Ernst and Liou, 1995; Meng and Zhang, 2000; Liouetal., 2009; Wu and Zheng, 2013; Zhengetal., 2019)。作為該造山帶重要組成部分的秦嶺-大別造山帶，保存了大量不同年代的高壓-超高壓變質巖石。前人已經對秦嶺造山帶和大別造山帶內的高壓-超高壓變質巖進行了詳細的年代學研究，確定了北秦嶺造山帶主要分布一系列早古生代的高壓-超高壓變質巖(Wangetal., 2011;陳丹玲和劉良, 2011; Chengetal., 2012; 陳丹玲等, 2015; Liuetal., 2016)，大別-蘇魯造山帶則以中生代的高壓-超高壓變質巖為主(Hackeretal., 2000; 陳道公等, 2002; Zhengetal., 2005, 2006; Wuetal., 2006; Gaoetal., 2011)。在空間上，桐柏造山帶處于秦嶺造山帶和大別造山帶的銜接部位，對理解中央造山帶的演化至關重要。同時，相較于研究比較成熟的秦嶺造山帶和大別造山帶內的榴輝巖，桐柏造山帶內榴輝巖受到的關注相對較少。因此，本文擬對桐柏地區(qū)的榴輝巖及其圍巖白云母石英片巖進行詳細的巖石學、地球化學以及年代學研究，限定其原巖構造屬性及變質時代，探討桐柏造山帶的演化過程。

1 地質背景

桐柏造山帶是一個復合型造山帶，經歷了多階段構造演化，并在三疊紀最終碰撞形成(Wu and Zheng, 2013; 劉曉春等, 2015)。構造上，桐柏造山帶處于中央造山帶的中間部位(圖1)，向西以南陽盆地和秦嶺造山帶相接，向東以大悟斷裂和紅安造山帶相連(Zhaietal., 1998; 劉曉春等, 2005; Liuetal., 2008; Chengetal., 2011)。桐柏造山帶內部又以松扒斷裂為界分為南、北兩個構造帶：北帶主要由寬坪群、二郎坪群、秦嶺群、龜山雜巖和南灣復理石等巖石構造單元組成；南帶包括八里畈構造糜棱巖帶、北部高壓榴輝巖帶、桐柏雜巖帶、南部高壓榴輝巖帶和藍片巖-綠片巖帶等巖石構造單元。

南、北兩條高壓榴輝巖帶分別位于桐柏雜巖的兩側，其內榴輝巖和退變榴輝巖呈透鏡體狀、塊狀、似層狀產出于白云鈉長片麻巖、片巖和大理巖中(劉曉春等, 2005; Liuetal., 2008)。劉曉春等(2005)利用常規(guī)溫壓計計算得到北部高壓榴輝巖的形成條件為530～610℃、1.7～2.0GPa，南部高壓榴輝巖的形成條件為470～520℃、1.3～1.7GPa；Chengetal. (2011)通過平均溫壓計計算得到榴輝巖的形成溫壓分別為為490～540℃、1.8～2.1GPa；Zhangetal. (2021)將平均溫壓計、金紅石 Zr 溫度計和鋯石 Ti 溫度計的結果相結合，認為榴輝巖的峰期變質條件為580～625℃、2.6～2.7Gpa，達到了柯石英榴輝巖相。就年代學研究而言，前人通過榴輝巖鋯石U-Pb定年以及石榴石Lu-Hf定年(Liuetal., 2008; Chengetal., 2011; Zhangetal., 2021)，限定榴輝巖變質作用發(fā)生的時間在256～245Ma，與大別-蘇魯造山帶高壓-超高壓巖石主體變質年齡相近；另外，兩條榴輝巖帶內變基性巖的原巖侵位年齡主要集中在古元古代(胡娟等, 2012; Zhangetal., 2020b)，變沉積巖中的碎屑鋯石記錄了2.49Ga、1.93Ga和1.85～1.82Ga三期年齡峰值(Liuetal., 2008)，這些結果表明桐柏地區(qū)在古元古代可能經歷了多期構造熱事件。

2 巖相學特征

本文選取桐柏造山帶南部高壓榴輝巖帶聯(lián)合口地區(qū)的榴輝巖及其圍巖白云母石英片巖進行詳細研究，采樣點位于河南省南陽市唐河縣聯(lián)合口村(32°24′44″N、112°48′25″E)(圖2a)。榴輝巖呈透鏡體狀出露于白云母石英片巖之中(圖2b)。

圖3 榴輝巖(a, 單偏光)及白云母石英片巖(b, 正交偏光)顯微照片Grt-石榴石；Omp-綠輝石；Amp-角閃石；Phe-多硅白云母；Qz-石英；Rt-金紅石Fig.3 Microphotographs of the eclogite (a, plane-polarized light) and mica quartz schist (b, cross-polarized light)Grt-garnet; Omp-omphacite; Amp-amphibole; Phe-phengite; Qz-quartz; Rt-rutile

新鮮榴輝巖巖石主體為灰綠色，塊狀構造，粒狀變晶結構(圖2c)。其主要由石榴石(43%)、綠輝石(27%)、角閃石(15%)、多硅白云母(4%)和石英(8%)組成，含少量金紅石和榍石等副礦物。石榴石變斑晶為自形-半自形，裂理發(fā)育，粒徑為0.1～0.8mm。石榴石變斑晶內部發(fā)育有包裹體，電子探針分析揭示包裹體主要為綠簾石、角閃石、石英等礦物。綠輝石呈自形-半自形柱狀，單偏光鏡下呈淺綠色，與角閃石平衡共生。多硅白云母多以半自形片狀存在，產于基質或石榴石的邊緣位置。石英和金紅石等副礦物呈粒狀充填于基質中，金紅石周圍部分被榍石替代(圖3a)。

白云母石英片巖呈灰白色，片狀構造，鱗片粒狀變晶結構(圖2d)。主要由石英(75%～80%)、白云母(20%～25%)組成，白云母呈細小鱗片狀，定向排列形成片理(圖3b)。

3 分析方法

全巖主微量分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室進行。全巖主量元素分析使用X射線熒光光譜儀(XRF)，采用X射線熒光熔片法對全巖粉末進行分析，分析相對誤差一般低于5%。全巖微量元素使用Agilent 7500a電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)分析測試，分析精度和準確度一般優(yōu)于10%。

礦物的主量元素分析是在西北大學大陸動力學國家重點實驗室使用儀器JXA-8230 型電子探針儀(EPMA)完成。分析條件為加速電壓15kV，束斑電流1×10-8A，束斑直徑一般為2μm。

利用重選、磁選手段分選出鋯石顆粒，并在雙目鏡下進一步挑選具有代表性的鋯石。將挑選的鋯石與標準鋯石(Plesovice, Penglai, Qinghu)顆粒粘在環(huán)氧樹脂靶上，然后打磨拋光至鋯石的1/3～1/2處。通過鋯石CL圖像識別鋯石的內部結構，進行選點。在西北大學大陸動力學國家重點實驗室使用裝載有Gatan CL3+檢測器和Oxford能量色散光譜系統(tǒng)的FEI Quanta 400 FEG型掃描電鏡拍攝陰極發(fā)光(CL)圖像。

鋯石U-Pb年代學分析在中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室完成。分析使用Cameca IMS-1280 HR二次離子質譜儀(SIMS)。詳細的分析流程見Lietal.(2009)。采用O2-作為一次離子源轟擊樣品表面，電流強度約為10nA，加速電壓為10kV，束斑大小為20μm×30μm，二次離子經過60eV能量窗過濾，質量分辨率為5400。在分析測試過程中，鋯石標準樣品與未知樣品交替進行分析。標準鋯石Plesovice 進行U-Th-Pb的同位素比值校正，標準鋯石Qinghu作為未知樣品對數(shù)據的精確度進行監(jiān)控。數(shù)據處理采用Isoplot/Ex rev. 2.49軟件(Ludwig, 2003)。

鋯石Lu-Hf同位素分析是在中國科學技術大學中科院殼幔物質與環(huán)境重點實驗室完成。分析使用Neptune型儀器并配備了Geolas-193型紫外激光剝蝕系統(tǒng)(LA)的多接收電感耦合等離子體質譜儀。測試時激光的脈沖速率為10Hz，束斑直徑為44μm，能量密度為3.5J/cm2。使用176Lu/175Hf=0.02655(Chuetal., 2002)和176Yb/172Yb=0.58849(Wangetal., 2015)分別扣除176Lu和176Yb對176Hf的同質異素體干擾。分析過程中用91500、GJ-1和Plesovice來監(jiān)控儀器狀態(tài)和數(shù)據質量。

鋯石微量元素分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室使用飛秒激光剝蝕多接收等離子體質譜儀Agilent 7900完成。分析采用的激光束斑直徑為25μm。微量元素含量以標準物質NIST610作為外標，29Si作為內標進行校正。使用ICPMSDataCal進行數(shù)據處理(Liuetal., 2010)。

4 分析結果

4.1 全巖地球化學

對桐柏榴輝巖全巖主微量元素分析的結果見表1。結果顯示榴輝巖具有較為一致的SiO2含量(49.7%～51.3%)和Al2O3含量(12.4%～13.1%)，較低的MgO含量(4.57%～5.32%)，較高的Fe2O3T含量(17.0%～17.6%)。此外，P2O5和TiO2的含量分別為0.23%～0.29%和1.89%～2.29%，Na2O+K2O的含量為2.80%～2.90%，屬于亞堿性玄武巖系列。榴輝巖樣品都具有一致的稀土元素配分型式(圖4a)，呈現(xiàn)出弱的輕重稀土分異((La/Yb)N=3.23～3.82)，無明顯的Eu異常(Eu/Eu*=0.93～0.95)。在原始地幔標準化微量元素蛛網圖上(圖4b)，這些榴輝巖樣品富集Ba、U，輕微虧損Nb，未顯示出Ta、Zr、Hf的虧損。

表1 榴輝巖全巖主量(wt%)和微量(×10-6)元素組成

圖4 桐柏地區(qū)榴輝巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)(標準化值據 Sun and McDonough，1989)Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized spider diagram of eclogite in Tongbai area (b) (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

4.2 礦物地球化學

榴輝巖中的石榴石主要為半自形-自形的變斑晶(圖5a)。對石榴石進行電子探針主量元素剖面分析，成分顯示鐵鋁榴石和鈣鋁榴石的含量相對較高，而鎂鋁榴石和錳鋁榴石的含量相對較低， 石榴石端元組分變化范圍為Alm62-67Prp5-10Grs26-31Sps0.3-4。石榴石顯示出明顯的生長環(huán)帶，從核部到邊部，錳鋁榴石的含量逐漸下降，鎂鋁榴石的含量逐漸上升，表現(xiàn)出進變質的生長特征(圖5b)。

表2 榴輝巖和白云母石英片巖代表性礦物主量元素組成(wt%)

圖5 礦物化學成分分析及投點圖(a)榴輝巖中石榴石變斑晶背散射照片;(b)圖(a)石榴石變斑晶AA’ 成分剖面圖；(c)榴輝巖中綠輝石分類圖解(據Morimoto et al., 1988)；(d)榴輝巖和白云母石英片巖中多硅白云母化學成分圖.Alm-鐵鋁榴石；Grs-鈣鋁榴石；Prp-鎂鋁榴石；Sps-錳鋁榴石；Wo-硅灰石；En-頑火輝石；Fs-鐵輝石；Jd-硬玉；Omp-綠輝石；Aeg-霓石；Aeg-Aug-霓輝石Fig.5 Mineral chemical composition analysis and plots(a) BSE image of garnet from eclogite; (b) compositional zoning profile of garnet AA’ according to (a); (c) classification diagram of omphacite from eclogite (Morimoto et al., 1988); (d) compositional diagram of phengite from eclogite and mica quartz schist. Alm-almandine; Grs-grossular; Prp-pyrope; Sps-spessartine; Wo-wollastonite; En-enstatite; Fs-ferrosilite; Jd-jadeite; Omp-omphacite; Aeg-aegirine; Aeg-Aug-aegirine-augite

表3 榴輝巖和白云母石英片巖鋯石的 SIMS U-Pb年齡

圖6 榴輝巖(LHK19-03)及白云母石英片巖(LHK19-02)中典型鋯石的陰極發(fā)光圖像虛線圈代表SIMS U-Pb年齡分析位置，實線圈代表LA-MC-ICPMS測試Hf同位素分析位置；U-Pb年齡下面為εHf(t)值Fig.6 Cathodoluminescence images of representative zircons for the eclogite (LHK19-03) and mica quartz schist (LHK19-02)The dashed circles show the locations of the SIMS U-Pb age and the solid circles indicate the location of LA-MC-ICPMS Hf isotopic analysis spots. εHf(t) values are marked under U-Pb ages

圖7 榴輝巖鋯石 SIMS U-Pb年齡諧和圖(a，b)、年齡-Th/U圖(c)及球粒隕石標準化的稀土元素配分圖(d,標準化值據 Sun and McDonough，1989)Fig.7 SIMS U-Pb age concordia diagrams of zircons from the eclogite (a, b), U-Pb ages of eclogite versus Th/U ratios (c) and chondrite-normalized REE distribution patterns of zircons from eclogite (d, normalization values after Sun and McDonough, 1989)

榴輝巖中的綠輝石主要由普通輝石和硬玉組成，其Na2O的含量在6.26%～6.53%之間，對應的硬玉分子摩爾含量為31%～33%。在輝石分類投圖中均落入綠輝石區(qū)域(表2、圖5c)。

表4 榴輝巖和白云母石英片巖鋯石微量元素(×10-6)

圖8 白云母石英片巖鋯石SIMS U-Pb年齡諧和圖(a)和球粒隕石標準化稀土元素配分圖(b，標準化值據 Sun and McDonough (1989)Fig.8 SIMS U-Pb age concordia diagrams (a) and chondrite-normalized REE distribution patterns (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) of zircons from mica quartz schist

榴輝巖中的多硅白云母Si值在3.48～3.52之間(表2、圖5d)，XFe值在0.32～0.35之間。另外，榴輝巖的圍巖白云母石英片巖中白云母Si值也較高，在3.42～3.47之間(圖5d)，表明圍巖可能與榴輝巖一起經歷了深俯沖。

4.3 鋯石U-Pb年代學及微量元素

4.3.1 榴輝巖

榴輝巖LHK19-03的鋯石無色透明，渾圓或短柱狀，粒徑為20～100μm(圖6)。對其中的18顆鋯石進行 SIMS U-Pb年齡測定，結果見表3。分析獲得的上下交點年齡分別為1825±30Ma和444±16Ma(圖7a)。其中2顆鋯石G4和G18的Th/U比值較高(0.54和0.67)，207Pb/206Pb年齡分別為1845±10Ma和1735±13Ma，可能代表巖漿結晶的年齡。其余16顆鋯石的CL圖像顯示鋯石多具有弱分帶、云霧狀分帶，無殘留鋯石核，具有典型的變質鋯石的特征(吳元保和鄭永飛，2004)。16個年齡值基本都落在諧和線上(圖7b)，得到的加權平均年齡為452±5Ma(n=16，MSWD=1.9)。這些鋯石具有低的Th(2×10-6～16×10-6)和U(102×10-6～376×10-6)含量以及Th/U比值(圖7c)。對其中較大的10顆變質鋯石進行微量元素分析，結果見表4。球粒隕石標準化的稀土元素配分圖中可看出這些鋯石顯示有平坦的HREE配分型式(圖7d)，且不顯示顯著的Eu負異常(Eu/Eu*=0.81～3.57)。

4.3.2 白云母石英片巖

LHK19-02鋯石的晶形呈半自形-自形，粒徑為50～200μm，長寬比為1～3。CL圖像顯示鋯石具有震蕩環(huán)帶、弱分帶，部分鋯石具有較窄的變質邊(圖6)。對其中的25顆鋯石進行 SIMS U-Pb年齡測定，結果見表3。鋯石具有較高的Th/U比值(0.10～1.42)。這些分析點獲得的上下交點年齡分別為1869±15Ma和450±93Ma(MSWD=15)(圖8a)。其中1顆鋯石的暗色變質邊部得到了476±7Ma的諧和年齡，其余24顆鋯石的U-Pb年齡變化范圍為1737～1932Ma。對這些鋯石進行微量元素分析，結果見表4。球粒隕石標準化的稀土元素配分圖中呈現(xiàn)出陡峭的MREE-HREE配分型式(圖8b)，具有明顯的Ce正異常和Eu負異常，為典型的巖漿鋯石的特征。

4.4 鋯石Hf同位素組成

鋯石中Hf的含量較高，Lu的含量較低，導致鋯石具有很低的Lu/Hf比值，在鋯石形成后基本沒有放射性Hf同位素的積累，所測定的176Hf/177Hf基本代表鋯石形成時體系同位素的組成。而一些富集HREE礦物例如石榴石及一些副礦物通常具有高的Lu/Hf比值，這些富集HREE礦物的分解和重結晶會使得鋯石的176Hf/177Hf比值發(fā)生變化(Amelinetal., 1999; Kinny and Maas, 2003; 陳道公等, 2007)。因此，在高級變質巖如榴輝巖中，變質鋯石的高176Hf/177Hf比值指示鋯石可能是在石榴石發(fā)生結晶或重結晶時形成的(Rubatto, 2002; Zhengetal., 2005; 鄭永飛等, 2007; Chenetal., 2010)。

對18顆榴輝巖鋯石進行Lu-Hf同位素分析(表5)。結果顯示鋯石G4和G18具有較高的176Lu/177Hf比值(0.000499和0.000383)，較低的176Hf/177Hf比值(0.281427和0.281530)。將其對應的207Pb/206Pb年齡代入計算，得到εHf(t)值為-7.1和-5.8，兩階段Hf模式年齡為2.74Ga和2.59Ga。其余16顆變質鋯石具有很低的176Lu/177Hf比值(0.000011～0.000061)，相對一致的176Hf/177Hf比值(0.282403～0.282483)，暗示這些變質鋯石形成于具有低176Lu/177Hf比值、高176Hf/177Hf比值的變質流體，這種流體的形成可能是與石榴石的重結晶有關。將t=452Ma代入計算，得到εHf(t)值為-3.1～-0.3。

對白云母石英片巖鋯石進行Lu-Hf同位素分析(表5)。結果顯示鋯石的176Lu/177Hf比值為0.000321～0.001055，176Hf/177Hf比值為0.281213～0.281506。將其對應的207Pb/206Pb年齡代入計算，得到εHf(t)值為-16.5～-3.5，兩階段Hf模式年齡為2.59～3.15Ga。

5 討論

5.1 榴輝巖的變質年齡

本次研究對桐柏造山帶南部高壓榴輝巖帶內巖石進行了詳細的SIMS U-Pb定年。獲得榴輝巖鋯石的206Pb/238U加權平均年齡為452±5Ma(n=16，MSWD=1.9)。根據榴輝巖鋯石的CL圖像、低Th/U比值(0.02～0.08)以及低176Lu/177Hf比值(0.000011～0.000061)，表明鋯石為典型的變質鋯石(Rubatto, 2002; Zhengetal., 2005; 鄭永飛等, 2007)。球粒隕石標準化稀土元素配分圖中顯示具有平坦的MREE-HREE配分型式，并且不顯示出Eu的負異常，說明這些變質鋯石的形成環(huán)境存在石榴石而缺少斜長石，指示這些變質鋯石形成于榴輝巖相變質條件下(Rubatto, 2002; Rubatto and Hermann, 2007; Chenetal., 2010)。因此，452±5Ma應記錄了榴輝巖相變質作用發(fā)生的時間。此外，對榴輝巖的圍巖白云母石英片巖中的鋯石進行U-Pb定年，得到了450±93Ma的下交點年齡，暗示白云母石英片巖與榴輝巖一起經歷了深俯沖并記錄了此次俯沖事件。

表5 榴輝巖和白云母石英片巖鋯石Lu-Hf 同位素組成

圖9 桐柏榴輝巖構造環(huán)境判別圖解(a)Hf-Th-Ta圖解(據Wood, 1980)；(b)Zr-Nb-Y圖解(據Meschede, 1986)；(c)Zr-Zr/Y圖解(據Pearce and Norry, 1979)；(d)Nb/Yb-Th/Yb圖解(據Pearce, 2008). OIB-洋島玄武巖；NMORB-正常型洋中脊玄武巖；EMORB-富集型洋脊玄武巖；WPB-板內玄武巖；IAT-島弧拉斑玄武巖；CAB-鈣堿性玄武巖；WPA-板內堿性玄武巖；WPT-板內拉斑玄武巖；VAB-火山弧玄武巖；IAB-島弧玄武巖Fig.9 Tectonic environment discrimination diagrams of Tongbai eclogite(a) Hf-Th-Ta diagram (Wood, 1980); (b) Zr-Nb-Y diagram (Meschede, 1986); (c) Zr-Zr/Y diagram (Pearce and Norry, 1979); (d) Nb/Yb-Th/Yb diagram (Pearce, 2008). OIB-oceanic island basalt; NMORB-N type mid-ocean ridge basalt; EMORB-E type mid-ocean ridge basalt; WPB-within-plate basalt; IAT-island-arc tholeiite; CAB-calc-alkaline basalt; WPA-alkaline within-plate basalt WPT-within-plate tholeiite basalt; VAB-volcanic arc basalt; IAB-island arc basalt

圖10 南部高壓榴輝巖帶內不同巖石的鋯石εHf(t)-年齡圖解Fig.10 The εHf(t) vs. age diagram of zircons from rocks in the southern HP eclogite zone

前人已經對桐柏造山帶榴輝巖開展了一些年代學研究，并認為榴輝巖相變質的時間主要集中在三疊紀(Liuetal., 2008; Chengetal., 2011; Zhangetal., 2021)。Liuetal. (2008)通過對兩條榴輝巖帶中的榴輝巖和片麻巖分別進行SHRIMP鋯石U-Pb定年和白云母Ar-Ar定年，得出榴輝巖相變質作用的時間發(fā)生在約255Ma，折返發(fā)生在約238Ma。Chengetal. (2011)通過全巖-石榴石Lu-Hf定年，得到256.4±2.6Ma、252.3±3.4Ma和 246.9±3.2Ma三組數(shù)據，并認為榴輝巖相變質作用發(fā)生的時間不早于256Ma。Zhangetal. (2021)通過對桐柏榴輝巖中的鋯石進行詳細的年代學和微量元素分析，得出榴輝巖相峰期變質時間為245Ma。本文的發(fā)現(xiàn)和前人研究表明，桐柏造山帶的榴輝巖記錄了兩期高壓變質作用，一期在發(fā)生在452±5Ma，另一期發(fā)生在256～245Ma。

5.2 榴輝巖及白云母石英片巖的原巖性質

通常認為，高場強元素、稀土元素和過渡元素在變質作用過程中比較穩(wěn)定，不易發(fā)生變化，可以利用這些不活動性元素來反映變質巖原巖的地球化學性質和構造環(huán)境(Beckeretal., 2000; 趙子福等, 2005; Zheng and Hermann, 2014)。這些榴輝巖樣品表現(xiàn)出輕稀土略富集的特征，無明顯的Ta、Zr、Hf的虧損，明顯區(qū)別于MORB型玄武巖和弧后盆地玄武巖。在Hf-Th-Ta、Nb-Zr-Y和Zr-Zr/Y構造環(huán)境判別圖解中，桐柏榴輝巖樣品點均落于板內玄武巖的范圍內(圖9a-c)；在Nb/Yb-Th/Yb圖解中樣品點均落在EMORB-OIB陣列之上，顯示原巖經歷了不同程度的地殼物質的混染(圖9d)。年代學數(shù)據表明，桐柏造山帶南部高壓榴輝巖帶內榴輝巖原巖的形成年齡主要集中在古元古代(Liuetal., 2008; 胡娟等, 2012; 周光顏, 2018; Zhangetal., 2020b)。另外，榴輝巖LHK19-03中兩顆巖漿鋯石的結晶年齡為1735±13Ma和1845±10Ma，對應的εHf(t)值分別為-5.8和-7.1，兩階段Hf模式年齡為2.59Ga和2.74Ga。這一結果與周光顏(2018)對南部高壓榴輝巖帶內退變榴輝巖中的巖漿成因鋯石Hf同位素測定結果類似，且εHf(t)值均為負值(圖10)，進一步說明桐柏榴輝巖原巖受到了古老地殼物質的混染。因此，桐柏榴輝巖的原巖可能為古元古代的板內玄武巖，在侵位過程中有古老地殼物質的加入。

白云母石英片巖中鋯石的U-Pb年齡主要分布在1737 ～1932Ma。這些鋯石具有高的Th/U比值，明顯的Ce正異常以及Eu負異常和富集HREE的配分型式，指示其為典型的巖漿鋯石。鋯石的εHf(t)值均為負值(-16.5～-3.5)，對應的兩階段Hf模式年齡為2.59～3.15Ga，指示其原巖來自于中-新太古代古老地殼在古元古代的再造(圖10)。另外，南部高壓榴輝巖帶中的副片麻巖、片巖及大理巖中有大量新太古代至古元古代的碎屑鋯石，這些年齡與揚子北緣構造熱事件的年齡相近，表明桐柏造山帶的古老物質可能與揚子北緣有親緣性(Liuetal., 2008; Zhangetal., 2020b; Zhouetal., 2020)。

5.3 構造意義

在桐柏造山帶內，除榴輝巖外的其它巖石類型也記錄了早古生代的變質年齡。Liuetal. (2011)對寬坪群內石榴角閃巖進行鋯石U-Pb定年，得到的變質年齡為442±6Ma，與Zhaietal. (1998)通過角閃石Ar-Ar定年得到434±2Ma的變質年齡結果一致；Liuetal. (2011)對二郎坪群中斜長角閃巖的鋯石進行U-Pb定年獲得440±3Ma的年齡，并解釋為角閃巖相變質年齡；秦嶺群中麻粒巖的變質年齡主要集中在410～490Ma(向華等, 2009; Liuetal., 2011; Zhangetal., 2020a)。這一系列數(shù)據表明，早古生代的變質作用在桐柏造山帶內是普遍存在的。本次在桐柏造山帶榴輝巖中發(fā)現(xiàn)一期452±5Ma的高壓變質年齡，代表桐柏造山帶在早古生代經歷了一次深俯沖事件，為桐柏造山帶在古生代的構造演化提供了重要制約。兩期榴輝巖相變質事件的發(fā)現(xiàn)，進一步說明桐柏造山帶經歷了從古生代到中生代多階段的構造演化。

另外，在紅安-大別造山帶內，也零星分布有經歷兩期高壓-超高壓變質作用的榴輝巖。Chengetal. (2016)通過對紅安造山帶滸灣剪切帶內的榴輝巖進行石榴石Lu-Hf定年和鋯石U-Pb定年，限定該地區(qū)榴輝巖從泥盆紀到三疊紀經歷了兩期俯沖事件；高山等(2002)對大別英山榴輝巖進行SHRIMP鋯石U-Pb定年，得到了兩組榴輝巖相變質年齡，分別為461±7Ma和262±6Ma；Yangetal. (2010)在黃石盆地的碎屑鋯石中發(fā)現(xiàn)了石炭紀和三疊紀的變質鋯石。因此，秦嶺-桐柏-紅安-大別造山帶加里東期的高壓-超高壓變質作用，仍需進一步的研究和認識。

6 結論

(1)榴輝巖中變質鋯石SIMS定年獲得206Pb/238U加權平均年齡為452±5Ma，白云母石英片巖中鋯石進行SIMS定年獲得450±93Ma的下交點年齡，認為白云母石英片巖與榴輝巖在早古生代一起發(fā)生了深俯沖。

(2)榴輝巖的原巖為玄武巖，形成于板內環(huán)境，并且在侵位過程中有古老地殼物質的混染；白云母石英片巖原巖來自于中-新太古代古老地殼在古元古代的再造。

(3)桐柏造山帶內不同巖石中記錄的早古生代變質年齡，表明早古生代的變質作用在桐柏造山帶內是普遍存在的。同時，桐柏造山帶榴輝巖中兩期榴輝巖相變質事件的發(fā)現(xiàn)，進一步說明桐柏造山帶經歷了從古生代到中生代多階段的構造演化。

致謝野外工作和實驗工作得到了張娟、鄒東雅、陳安平、唐歡、張慧婷、李誠浩、成倚山等的幫助；兩位專家給予了細致的評審；在此一并表示感謝！