大别山碧溪岭榴辉岩变质温压条件计算及氧同位…

大别山碧溪岭榴辉岩变质温压条件计算及氧同位… 大别山碧溪岭榴辉岩变质温压条件计算及 氧同位… 第18卷第3期 1997年8月 地球 ACTAGB0SClENr【ASINlC 凸ednDftheCh/ne~eAc日d日nyofC,eo~Scloaces Vo1l8No3 Agu1997 /一大别山碧溪岭榴辉岩变质温压条件 计算及氧同位素研究?弓 擅耍碧壤岭槽辉岩相岩石至少经历了5十阶段的变质作用.矿钫对氧同位素地质涓薯结果与通过岩石 学方}击计算的量度吻合得非常好.表明碧滇峙樯捧岩体中太部分同位誊体系接近或达到了平衡.且退变质作 用未嘲显破坏这种平衡.槽癣岩全岩8"0为3‰,5‰,指示其母岩玄武岩曾与地表水在变质作用之前发生 过一定程度的盘挺作用. 美-词堕,冬旦垡薹堕,咝I一 ) 榴辉岩的变质演化历史和抬升机制是造山带研究的重要课之一.太别造山带作为华北陆块与扬子 陆块之间的碰撞造山带,由于大幅度的构造抬升,其造山带根部岩石广泛出露,因此该带中发育有大量与 陆一陆碰撞造山过程有美的榴辉岩.近年来由于在描辉岩石榴石,绿辉石等矿物中柯石英和盒剐石包裹 体等超高压矿物的发现.该造山带的研究引起了中外地质学家们的广泛重视. 碧溪岭榴辉岩体是大剐造山带中到目前为止所发现的最大榴霹岩岩体.自即年代以来,韩宗珠 等[,张旗等f2]相继对碧溪岭岩体进行了岩石学和地球化学的研究.z}鬯等【3J报道了该岩体中超高压变 质矿物菱镁矿和斜硅镁石等的发现.Chavagnac等,曹荣龙等【,刘若新等【6J以及橱巍然等均对该岩 体进行了大量的同位紊年代学研究.jl};而.对碧溪岭榴辉岩中的同位素体系是否达到了平穗尚存在不同 的意见j:Cha-csgnac等认为碧溪岭橱辉岩中的局位豢体系在超高压变质作用期间是达到了平衡的,其证 据是该岩体中不同岩石类型的Sin—Nd同位素年龄具有很好的一致性(210--218Ma).而李曙光等剐 认为碧溪岭榴辉岩在高压变质过程中其同位索体系未达蓟平衡.榴辉岩不同矿橱对之同的氧同位素研 究.可以为了解其同位素体系是否达到平衡提供依据.并对岩石学方法估算的变质温度的可靠性进行评 估.本文拟以碧溴峙榴辉岩为研究对象,通过对其P—T研究和氧同位素体系的研究,为太别山古柯石英 榴辉岩厨位索年龄的构造台义解释和为探讨碧溪岭榴辉岩的周位童体系是否达到平街提供可能的证据. 1地质背景与样品 基于对岩石大地构造研究,大别造山带可划分为北淮J丑弧后复理石带,大别弧奢岩,南大别超高压变 质带以及宿松变质杂岩带.其中的南大别超高压变质带是目前已发现的世界上规模最大的超高压变质 带. 碧溪岭榴辉岩体拉于安麓省岳西县境内,是太剥超高压变质带中已发现的最大榴辉岩体之一岩体 主体呈不规则椭圆状出露(见圈1),面积约为0.8.岩体与围岩太别群二云斜长片麻 岩呈构造接触关 系,其主体由榴辉岩组成,内夹有近加条宽度不等的条带状或透镜状超镁铰岩条带.这些条带与槽辉岩 册片理方向基本一致,呈渐变或直接接触关系,未见有超镁蚨岩条带斜切榴辉岩的现象.这些证据在某种 程度上意味着它们同时经历了榴辉岩相变质作用.此外,岩体内亦可见有造山后期的花岗丙长岩岩脉的 ? 本项且迁受到国家自然科学基金和中国科学院专项基金赍助 第一作者:肖益#,男.1962年生,博士,同位素地球化学专业.邮薹膏;230026 ? 第3期肖益韩等:大别山碧溪岭榴辉岩变质温压条件计算及氧同位素研究319 贯^ 作为氧同位素研究的样品,考虑到其代表性,我们大致选择了一条近SN向的剖面采集了4件样品,即 DX36A,DX28A,94M23及94M22进行氧同位寒分析.此外,为了了解伴生的石榴橄横岩及围岩的变质时 代,还分别采集了93DB01(石榴檄揽岩)和DX53A(二长片廓岩)进行了有关的岩石学的同位素研究.采样 位置如图1所示. 2岩石,矿物学及变质温压条件 21榴辉岩体的岩石矿物学 为更好地对碧溪岭掏辉岩体进行岩裙学 研究,我们磨制了46个样品的岩石学薄片, 其中包括6个石榴橄榄岩,4个二云斜长片麻 岩及33个榴辉岩样品(另外3个为花岗闪长 ).并在中国地质大学(北京)电子探针分 岩 析实验室完成了必要的单矿物电子探针成分 分析,仪器及实验条件在以前的工作中已有 叙述. 岩相学观察表明,碧溪岭榴辉岩傩中除 少部分完全保持新鲜外,其余均发育有不同 程度的退变质作用,主要表现为角闪石化,绿 帘石化和绿泥石化对于石榴柏碧而言, 退变质作用则主要表现为橄榄石的蛇纹石 化.观察表明,榴辉岩主要组成矿物可归纳 为:石榴石(Gt)+单斜辉石(cr?x)+多硅白云 母(Phe)+蓝晶石(Ky)十金红石(Rt)+石英 (Qz)?角闪石(Am)?绿帘石(Ep)?斜长石 (PI)?黑云母(Bi)?绿泥石(Ch).同时,在一 些榴辉岩样品中,我们还发现了作为包裹体 存在于绿辉石和石榴石中的柯石英或柯石英 假象.石榴橄揽岩的主要组成矿物有:石榴 石(Gt)+橄榄石(0I)+单斜辉石(Cpx)+蛇 纹石()等. 图1碧溪岭榴辉岩体地质简图 Fig1Sketch唧ofge0bDftheBi1_唧eelogite 产于榴辉岩中的石榴石主要组分为铁铝榴石及镁铝榴石.晶体中通常包裹有金红石,绿辉石(Omp), 石英(或柯石英)包裹体,并可经常见到扶生的角闪石作为其镶边.根据榴辉岩和石榴石撤揽岩中的石榴 石电子探针分析结果,应用从柏林和张雯华_l._提出的方法对其进行了成因分类.结果显示,榴辉岩中的 石榴石形成于下地壳环境,而石榴橄榄岩的石榴石则形成于地幔环境.二者的不统一可能说明该岩体形 成于下地壳与地幔的接触界面附近,可能说明陆壳确实曾经俯冲到地幔深度. 榴辉岩中的单斜辉石主要可分为两类:细粒的作为包裹体存在于石榴石主晶中的 单斜辉石,以及晶形 粗大的与石榴石共生的单斜辉石.二者在IVLmrimoto的分类中均属绿辉石.此外,对于退变质发育的榴辉 岩,由绿辉石退变形成的后成台晶中有非常细小的普通辉石存在.电子探针分析表明:作为包裹体存在于 石榴石中的细粒绿辉石往往较晶形粗大的绿辉石有更高的硬玉分子含量(前者通常为5O%,65%,后者则 为37%--45%).在所有样品中,晶形粗大的石榴石和绿辉石晶体均没有显示出成分环带,而包裹体态的 地球——中国地质科学院院报1997正 绿辉石则有时显示出从同一晶体的中心到边缘的硬玉分子含量的明显增加(具体数据省略).这一现象的 发现对研究榴辉岩的进变质作用应该有帮助,它可能指示了进变质作用中压力升高的过程. 角闪石除偶尔作为石榴石中的包裹体存在外,它主要存在于退变质作用发育的榴辉岩中.根据其产 状和成分的不同可分为两类:一类为冻蓝闪石,存在于与非常细小的斜长石和普通辉石交生的后成合晶 中;另一类别是作为石榴石次生镶边的普通角闪石. 22变质温压条件 由于考虑到榴辉岩研究的复杂和对P一丁条件研究的基本要求,我们选择DX36A号榴辉岩样品作为 年代学和变质温压评估的主要对象.详细的岩石学工作表明,榴辉岩样品至少经历了5个阶段的变质作 用: 第1阶段:前进变质榴辉岩相阶段(E).主要代表矿物是作为包裹体产于石榴石变斑晶中的前进变 质作甩中生成的矿物,如包裹体态的钠云母,角闪石等.如前所述,石榴石中的绿辉 石包裹体从中心刊边 缘的成分的变化大致了前进变质作用期间的温压变化.因此,该阶段的压力根据教包裹绿辉石中心 部位硬玉分子的含量【11】估计为17GPa,由此压力按El1is和Grn提出的Cpx—Gt地质温度计_I计算的 温度为719~780?. 第2阶段:柯石英榴辉岩变质作用阶段(EcC).该阶段是碧溪岭榴辉岩的峰期变质作用阶段.其代表 矿物为柯石英+包裹体态绿辉石(边缘部分)等.该阶段以柯石英的形成为特征.因此,其变质压力应大 于2.8GPa;其变质温度应用上述的Ellis和Green提出的地温计_1引,对包裹体态绿辉石的边部及与它接触 部位的石榴石矿物对计算为840~930?. 第3阶段:重结晶榴辉岩相变质作用阶段(EcR).代表矿物组合是粗粒的石榴石+绿辉石+石英+蓝 晶石+金红石+多硅白云母.它很可能代表了榴辉岩经历峰期变质作用之后抬升初期的退变质作用阶 段.其变质温度应用CPx—ct地温计估算为770~810?.根据该阶段矿物组合,其变质压力应为1.5, 2.0GPa. 第4阶段:退变质后成合晶阶段(Sym).代表矿物为由绿辉石退变质形成的后成合晶中的微粒单斜辉 石(普通辉石),冻蓝闪石及斜长石等(有时可见残余的绿辉石).按照其矿物组合,该阶段的变质条件应大 致相当于高角闪岩相的变质条件.其变质温度应用角闪石一单斜辉石地温计_I引计算为600~700?;其压 力应用Kohn等的地质压力计【l4计算以及普通辉石中硬玉分子的含量估算为0.9,1.3GPa. 第5阶段:退变质角闪岩相阶段(Am).这可能是碧溪岭榴辉岩变质作用的最后一个 阶段,其代表矿 物是晶形相对粗大的作为石榴石镶边的角闪石,绿帘石及黑云母等.应用角闪石一斜长石地质温度计_I3_ 得到该阶段温度为400--450?,其压力按角闪石中A1及n配位压力计【估算为0.4-0.7GPao 应该说明的是,尽管DX36A样品可以观察到上述各阶段的矿物,但仍以重结晶榴辉岩相阶段的矿物 组合占绝对主导地位. 3氧同位素研究 对碧溪岭榴辉岩DX36A,DX28A,94M23及94M224个样品分离出来的各种单矿物进行了氧同位紊 测定,这些矿物包括石榴石,绿辉石,石英,多硅白云母,蓝晶石,金红石等.氧同位隶分析采用常规的Br 法,在地矿部同位素地质开放实验室完成.分析结果以8l00相对于SMOW表示,分析精度为?0.2‰,各 种矿物的8l0值如表1所示. 表1的数据表明.碧溪岭榴辉岩主要组成矿物的0值为:石英54~,60,7.1‰,蓝晶石3.5‰, 4‰,绿辉石3.0‰,4.6~,60,石榴石2.3‰,43%0,金红石0.6‰,10‰.这些值符合常见变质矿物之 间00值石英>蓝晶石>绿辉石>石榴石>金红石的富集顺序[16,173所有样品共存矿物对之间的氧同位 素分馏不出现倒转,指示在榴辉岩相变质条件下,共存矿物对之间达到或接近氧同位素平衡. 根据共存矿物对之间的氧同位素分馏值,应用时1g理论校准的矿物对氧同位素平衡分馏系数_1.1 第3期肖益林等:大别山碧溪岭榴辉岩变质温压条件计算及氧同位素研究321 衰1檑辉岩中单矿物氲同位素组成豆温度评怙 Table1OJt'y~Risotopeeonllp~itionsofmineralsepm in0dteande~t|nmtedt哪D帅tuI 计算了氧同位素平衡温度,计算结果见表1,对于所测定的4组石羹一石榴石矿物对,其A18O值为2墙‰, 31‰,计算所得相应温度为810--745?.这一结果与前述的岩石学方法所得的重结晶榴辉岩阶段(EcR) 的变质温度77f)--810?吻台得非常好(由于测定氧同位素所用单矿物是在这一阶段形成的,故由此算得 的温度也应与这一阶段相比较).因此,可以认为,碧溪岭榴辉岩重结晶榴辉岩相变质阶段矿物形成温度 范围为745--810?.4组石英一绿辉石矿物对的?o值为19‰,2.5‰,对应的温度为790,635?.也 与EcR阶段的变质温度相近似.至于4组石英盎红石对算得的温度为685,540?,三组石英一蓝晶石矿 物对算得的温度为695--635?,一组石英一多硅白云母矿物对算得温度为555?,均不同程度地低于岩石 学方法所得的这些矿物的形成温度.这一方面可能是岩石学方法根据矿物对F一_M交换反应,计算 该阶段变质温度时仅考虑了石榴石一绿辉石矿物对,从而有可能使所得的温度偏高;另一方面也可能是由 于金红石,蓝晶石,多硅白云母等矿物的氧扩散封闭温度偏低所致.但是总体来看,这些共存矿物对之间 的氧同位素分馏大致记录了变质条件下相应矿物集台体的形成温度,且退变质作用并不明显破坏其同位 素体系的平稳. 不同于大别造山带其他地区榴辉岩的氧同位素组成(如图2所示),碧溪岭榴辉岩中相同单矿物的 3tsO值变化较小碧溪岭榴辉岩的原岩系玄武质岩石,其原岩的8O值应在53~2dz(玄武岩的0值 为53‰,65‰).但是,如图2所示,碧溪岭榴辉岩全岩的.值的变化在3‰,5‰之间, 低于正常玄 武岩的O值,也与同处大别造山带的双河地区榴辉岩的一2‰,+9‰【】及青龙山榴辉岩的一10%o--+ 7%0有明显的不同这就要求在变质作用期间或之前,榴辉岩的原岩与外来流体之间发生过较显着的 承/岩交换作用,并且流体的作用对碧溪岭岩体而言应是相对均一的根据矿物水体系氧同位素系 数",在高温变质条件下,石榴石和辉石相对于水亏损o,而石英相对于水稍微富集 ,要求有 1BO.因此 一 个O值低于3‰的流体与碧溪岭榴辉岩的原岩发生均一的承/岩交换反应,从而降低岩石的O值. 碧溪岭榴辉岩氧同位素研究表明:榴辉岩共存矿物对之间氧同位素分馏,基本记录了变质条件下相应 矿物集合体的形成温度.在榴辉岩相变质条件下,其共存矿物对之间达到或接近了同位素平衡,退化变质 322地球——中国地质科学院院报1997正 图2大别造山带不同地区槽辉岩 氧同位索组虚对比图 Frog2ThecornFmnsonof删g札 isotopecamD0ti嘶3t'orsevral 钟l0窖i碑body+intheDshieMotmtains (青龙山帽辉者戥鼍+JlJ~z}菩[, 艰河惰辉岩据郏束飞荨[州) 作用并没有明显破坏这种同位素平衡 4结论 根据碧溪峥榴辉岩的变质P一,,条件计算及氧 同位紊研究,我们可以得出下列认识: (1)碧溪峰榴辉岩体在整个变质过程中至少经历 了5个变质阶段,其早期退变质作用发生在三叠纪. (2)在榴辉岩相变质条件下,其共存矿物对之间达 到或接近氧同位紊平衡,而退变质作用没有显着破坏 这种平衡. (3)在变质作用期间或之前,其原岩曾与某O 值低于3‰的外来流体之间发生了水/岩交换作用,并 且这种交换作用是相对均一的. (4)碧溪岭榴辉岩与伴生的石榴橄榄岩经历了同 一 期超高压变质事件;而作为榴牌岩围岩的片麻岩可 能在三叠纪经历了同一变质事件,但它们经历的变质 温度条件可能要低得多. 致谢:中科院地质所张旗,赵太升研究员,国家地震局马宝林,爨棋诚研究员,李齐工 程师及南京大学 石火生,于津海老师,三一一地质队李步明高级工程师在野外工作期间给予作者大 量的帮助和支持,在此 表示衷心的感谢. 1韩宗珠,袁启林,盛辨土 33. 2张旗.赵大升.刘若新等 (18]169441697 3ZhetmR.龇dLiouJG 1994.79:397,400. 参考文献 安徽岳西碧溪岭樯辉岩丑伴生石槽石橄榄岩的岩石学和地球化学岩石,1989,4+22-- 安徽岳西县碧氍岭一五河地区石榴石橄榄岩.榴辉岩组合的原岩性质.科学通 报.1993,38 Signific~ceofmagnetitetmragenesisintdtra.higl~pressuremetamo~hicrock.AmMineral Qgist Ch~vagrmtcV.删JahnBM.Sm-Ndisotopicagesminigeoehemie+]chameteristicsoftheBixilingo~tnplex,D6 biemolmtairm, Chins.ChineseScienceBulletin,1995,4O(Supplmnent):126,127. 曹荣龙.朱寿华大别山音柯石英槽辉岩区——,十晚太古代的超高压变质带地质,1995.69(3):232+242. 荆若新.樊棋诚.李惠民等大别山碧溪岭石榴橄榄岩.榴辉岩体的原岩性质及同位索年代学的启示岩石,1995 ? 11(3):243--256 扬巍然.王林舞.韩郁菁等大别山蓝片岩.榴辉岩研究新成果中国矿物岩石地球化学学会同位誊专业委员会主墒,北 京:地震出版杜.1993 李曙光.1agoutzE.肖益林等大别山苏鲁地体超高压变质年代学——I.$tn-Nd同位素体系中国科学(D).1996,26 (3):249,257 肖益林,李曙光大别山石马地区榴辉岩P—T—l轨迹及其构造意义大地构造与成矿学.1993,17(3):239,250 从柏林.张雯华.槽辉岩中的石榴石科学通报,1977,8:413--416 HollandJTheremctiottalb+te-jadeite+quartzdetermirted+toityinther600—1200"CAmMiner+d,1980,65: 4567B9 加n 第3期肖益林等:大别山碧撰岭榴辉岩变质温压条件计算及氧同位索研究323 129,134 12EllisDJ,andGre盱1DHAnexperimentalstud_ Voftheeffectofcaupottgamet-dinopyrcexeneF~-Mgexc}meequilibria Co~tribMineralPetroll979,7l:13,22 13Pe~chukLLTheeffectoften,perjureandpre~e0nthrbbmdnatur~[iron-magne~rniher~sImGed. 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KeysmetamorphicP-Teon~tionoxygenisotopeseclogiteBixitingDoNemountains