劉利雙 劉福來 郭敬輝 蔡佳 朱建江 王慧寧

1. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室，北京 1000292. 中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 1000293. 自然資源部深地動力學(xué)重點實驗室，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 1000374. 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

造山帶變質(zhì)巖可以保存復(fù)雜的變質(zhì)-構(gòu)造-流體演化信息，是研究匯聚板塊邊緣俯沖-碰撞-折返過程的關(guān)鍵對象(Chopin, 2003)。而石榴子石作為變質(zhì)巖的主要組成礦物之一，晶體粒間元素擴散速度緩慢，可以記錄復(fù)雜的化學(xué)和結(jié)構(gòu)變化(Xiaetal., 2012, 2019; 張建新等, 2002; 夏瓊霞和鄭永飛, 2011; 夏瓊霞等, 2013; 夏瓊霞, 2019)。石榴子石在同一變質(zhì)巖中可以保存多種形態(tài)，如斑晶狀、后成合晶狀、冠狀體、紅眼圈狀(red-eye socket)和環(huán)礁狀(atoll-shaped)等(Herwartzetal., 2011; Robyretal., 2014; Bucheretal., 2019; Faryadetal., 2019)，不同形態(tài)或結(jié)構(gòu)/部位的石榴子石(成分)往往含不同的礦物包裹體，表明它們可能形成于不同的變質(zhì)-構(gòu)造-流體環(huán)境(Carswell and Compagnoni, 2003; Davis and Whitney, 2006)。因此，發(fā)育特征結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分環(huán)帶的石榴子石是探討造山帶演化詳細過程的關(guān)鍵礦物之一。

“環(huán)狀”石榴子石(ring garnet)與“環(huán)礁狀”石榴子石(atoll garnet)相似，是中-高級變質(zhì)巖中發(fā)育的特殊結(jié)構(gòu)?！碍h(huán)礁狀”石榴子石在以往研究中被廣泛報道(Spiessetal., 2001; Passchier and Trouw, 2005; Faryadetal., 2010; Ruiz Cruz, 2011; Enamietal., 2012)，而單純的“環(huán)狀”石榴子石研究甚少?！碍h(huán)礁狀”石榴子石是指一個完整或近似完整的石榴子石環(huán)形圍繞石榴子石殘骸(島礁狀)或其它礦物生長的現(xiàn)象，可產(chǎn)于片巖、麻粒巖和榴輝巖等巖石中(Xiaoetal., 2002; Liuetal., 2006; Ruiz Cruz, 2011; Enamietal., 2012; Jonnalagaddaetal., 2017; Renetal., 2018)。已有研究表明，“環(huán)礁狀”石榴子石外環(huán)的成因主要包括多核生長與合并、快速而短暫的變斑晶骨架生長、對核部石榴子石的重吸收和再結(jié)晶等(Cooper, 1972; Smellie, 1974; Godard, 1988; Spiessetal., 2001; Dobbsetal., 2003; Chengetal., 2007; Robyretal., 2014)。而“環(huán)狀”石榴子石缺少“島礁狀”石榴子石殘核，不易判斷是否存在過早期石榴子石核，因此對于研究其成因具有一定的困難。

我國大別超高壓變質(zhì)帶榴輝巖中保存典型的“環(huán)礁狀”石榴子石，有學(xué)者認為它們是由于超高壓榴輝巖在折返過程中的外部流體滲透作用，使核部石榴子石分解而后再結(jié)晶形成的(Xiaoetal., 2002; Liuetal., 2006; Chengetal., 2007, 2009)，也有學(xué)者認為“環(huán)礁狀”石榴子石是早期進變質(zhì)階段正常石榴子石核被外部流體滲透發(fā)生分解、在保留下來的石榴子石外環(huán)基礎(chǔ)上再增生形成的(Caoetal., 2018)。在大別超高壓帶東延部分，即蘇魯超高壓變質(zhì)帶，以往研究主要集中于含正常結(jié)構(gòu)石榴子石的榴輝巖、花崗巖和長英質(zhì)脈體等超高壓巖石(Wangetal., 1993; Zhangetal., 1995a; Yang, 2004)。Chenetal. (2015)報道了威海地區(qū)超高壓閃長質(zhì)片麻巖發(fā)育特殊核-邊結(jié)構(gòu)的石榴子石，從巖相學(xué)照片可判斷為“環(huán)礁狀”石榴子石，被認為形成于俯沖陸殼的折返階段地質(zhì)流體作用下的溶解-再沉淀機制。

近年來，在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，我們在威海地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)含“環(huán)狀”石榴子石的石榴角閃巖，其巖相學(xué)特征不同于蘇魯超高壓帶常見的退變榴輝巖(Wangetal., 1993; Yaoetal., 2000; Yang, 2004; Zhangetal., 2006b; Xiaetal., 2018)，也不同于北蘇魯造山帶內(nèi)發(fā)育“紅眼圈”結(jié)構(gòu)的、具有華北板塊屬性的基性麻粒巖(Zhangetal., 2006a; Liuetal., 2017a, 2018a; 劉利雙等, 2015, 2017)。本文擬對這類巖石開展詳細的巖相學(xué)、礦物主微量元素、鋯石U-Pb年代學(xué)和變質(zhì)作用研究，查明“環(huán)狀”石榴子石的成因及其形成的變質(zhì)條件，這對于詳細刻畫北蘇魯造山帶的變質(zhì)-構(gòu)造-流體演化過程具有重要的科學(xué)意義。

圖1 蘇魯造山帶東北端及鄰區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于蘇魯造山帶東北端的威海地區(qū)，其西北側(cè)以煙臺-青島-五蓮斷裂為界與華北板塊東南緣的膠北地體相鄰(圖1; Tangetal., 2007, 2008b; Zhangetal., 2014)。

蘇魯-大別造山帶是中-晚三疊世(240～220Ma)揚子板塊與華北板塊之間的俯沖-碰撞過程形成的(Cong, 1996; Liouetal., 1996, 2009; Hackeretal., 2000; Liou, 2000; Zhangetal., 2000)，北部為超高壓帶，南部為高壓帶，西南方為大別高壓-超高壓帶，東北部為蘇魯高壓-超高壓帶。北蘇魯超高壓帶主體由花崗質(zhì)片麻巖以及少量表殼巖和變鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖石薄層或透鏡體組成(Cong and Wang, 1999; Zhengetal., 2003; Liu and Liou, 2011)，其原巖普遍形成于新元古代(850～750Ma)(Amesetal., 1996; Hackeretal., 1998; Zhengetal., 2003, 2004, 2007; 許志琴等, 2006; Tangetal., 2008b; Liu and Liou, 2011)，代表了來自于揚子板塊北緣的陸殼物質(zhì)(Zhengetal., 2003, 2004; Tangetal., 2008a)。其中，變鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖石以榴輝巖為代表，呈無根的透鏡體、脈狀和似層狀產(chǎn)于片麻巖中，長軸方向與區(qū)域片麻理總體方向一致。大量以柯石英、金剛石等為代表的超高壓礦物的準(zhǔn)確識別(Yeetal., 2000; Liu and Liou, 2011)，表明榴輝巖及其圍巖組成的巨量陸殼物質(zhì)普遍發(fā)生了深俯沖，以近等溫減壓的順時針變質(zhì)演化P-T-t軌跡為特征(Liouetal., 2009; Zhangetal., 2009; Liu and Liou, 2011)，可劃分為四個階段：高壓石英榴輝巖相進變質(zhì)階段、峰期超高壓柯石英/金剛石榴輝巖相變質(zhì)階段、峰后石英榴輝巖-麻粒巖相退變質(zhì)階段和晚期角閃巖相退變質(zhì)階段，其變質(zhì)P-T條件分別為570～690℃/17～21kbar、750～850℃/34～40kbar、600～750℃/12～24kbar和550～650℃/7～10.5kbar(Zhangetal., 1995a, 2005, 2009; Liu and Liou, 2011)。超高壓變質(zhì)時代為中三疊世(240～225Ma)，角閃巖相退變質(zhì)時代為晚三疊世(220～200Ma)(Liu and Liou, 2011; 劉福來等, 2011及其參考文獻)。

圖2 威海地區(qū)含“環(huán)狀”石榴子石的石榴角閃巖野外露頭Fig.2 Outcrop of ring garnet-bearing hornblendite in the Weihai area

膠北地體位于華北板塊東南緣，主要由太古宙-古元古代(ca. 2900～1800Ma)的TTG-花崗片麻巖、表殼巖(以荊山群和粉子山群為代表)和變鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖石(如基性麻粒巖)組成(Wanetal., 2006; Jahnetal., 2008; Tametal., 2011, 2012a, b, c; Liuetal., 2013a; Wang and Zhou, 2014; Wuetal., 2014)，它們共同經(jīng)歷了古元古代(1950～1850Ma)麻粒巖相變質(zhì)事件(Zhouetal., 2008; Tametal., 2011; 劉平華等, 2010; Liuetal., 2017b)，并伴隨廣泛的深熔作用(劉福來等, 2015)，其變質(zhì)演化P-T-t軌跡具有近等溫減壓至近等壓冷卻的順時針型式(劉平華等, 2010; Tametal., 2012a, b, c; Liuetal., 2013b)。近年來北蘇魯造山帶內(nèi)部華北板塊變質(zhì)殘片的識別(Zhangetal., 2006a; Liuetal., 2017a, 2018a)以及華北板塊東南緣三疊紀變質(zhì)記錄的發(fā)現(xiàn)(Wanetal., 2007; Liuetal., 2018b)，表明華北板塊東南緣可能卷入了三疊紀的碰撞-造山事件。

威海地區(qū)位于蘇魯造山帶東北端，是研究超高壓變質(zhì)作用的經(jīng)典地區(qū)。該區(qū)主體出露新元古代花崗片麻巖，夾零星的榴輝巖、變質(zhì)表殼巖和超基性巖巖塊或透鏡體(圖1b)，它們共同經(jīng)歷了中-晚三疊世(235～225Ma)的超高壓變質(zhì)作用(Liu and Liou, 2011及其參考文獻)。巖石學(xué)和變質(zhì)作用研究表明，該區(qū)榴輝巖以經(jīng)歷峰后麻粒巖相變質(zhì)作用的疊加為特征(Wangetal., 1993; Zhangetal., 1995b; Bannoetal., 2000)區(qū)別于南蘇魯超高壓帶地區(qū)榴輝巖。此外，近年來在初村鎮(zhèn)-羊亭鎮(zhèn)一帶識別出“紅眼圈”結(jié)構(gòu)基性麻粒巖和石榴角閃巖，普遍經(jīng)歷了晚古元古代(1855～1818Ma)的麻粒巖相變質(zhì)作用(Xiangetal., 2014; Liuetal., 2018a; Xuetal., 2019)，并可能遭受三疊紀(235～205Ma)變質(zhì)作用的疊加(Liuetal., 2018a; Xuetal., 2019; 劉利雙, 2019)。以“紅眼圈狀”石榴子石為代表的變質(zhì)礦物組合形成于高壓麻粒巖相(730～850℃/11.0～15.5kbar)變質(zhì)條件(劉利雙, 2019)。值得注意的是，Chenetal. (2015)在威海閃長片麻巖中發(fā)現(xiàn)“環(huán)礁狀”石榴子石，它具有較高的δ18O值和水含量，可能與俯沖帶流體作用相關(guān)。

2 巖石學(xué)及巖相學(xué)特征

本文研究的“環(huán)狀”石榴角閃巖樣品采自威海地區(qū)泊于鎮(zhèn)附近，以透鏡體形式產(chǎn)出，邊部轉(zhuǎn)變?yōu)楹谠平情W片巖(圖2)，其圍巖為花崗片麻巖。主要組成礦物為石榴子石(20%～25%)和角閃石(60%～65%)(圖3)，含少量的斜長石(3%～5%)、白云母(1%～2%)、鎂鐵閃石(<1%)、石英(<1%)和綠泥石(<1%)等，副礦物主要為金紅石(1%～1.5%)、鈦鐵礦(0.5%～1%)、磷灰石(～1%)和磁鐵礦(<1%)(圖4)。其中，石榴子石主要有五種形態(tài)(圖3)：1)絕大多數(shù)以自形的環(huán)狀產(chǎn)出，粒徑可達3～5mm，環(huán)繞角閃石生長(圖3a-c)，環(huán)內(nèi)壁被細粒石榴子石+角閃石+斜長石±白云母+鈦鐵礦±金紅石±磷灰石環(huán)繞(圖4a, f-j)，環(huán)外邊與基質(zhì)中板柱狀角閃石接觸面平整(圖3a、圖4h)，局部被改造，轉(zhuǎn)變?yōu)榘自颇?鉀長石+斜長石(圖4a, c)，石榴子石環(huán)核部包裹體為角閃石+金紅石+鋯石+鈦鐵礦(圖4b-e)；2)少數(shù)石榴子石以近似完整的自形晶產(chǎn)出，粒徑為2～3mm，含大量的包裹體礦物，如角閃石+斜長石+金紅石+白云母+鈦鐵礦+磷灰石等，邊部與角閃石接觸面平整(圖3a)；3)極少數(shù)以較小的不規(guī)則斑晶產(chǎn)出，邊部為角閃石+斜長石+白云母(圖3d)；4)少量石榴子石以細條狀沿角閃石粒間分布，整體形態(tài)呈半自形石榴子石環(huán)(圖3e)；5)少量細小石榴子石以角閃石包體產(chǎn)出。角閃石主要有四種形態(tài)：基質(zhì)中的板柱狀角閃石斑晶、“環(huán)狀”石榴子石的核部斑晶、石榴子石環(huán)內(nèi)外邊部的細粒角閃石和石榴子石的包裹體(圖3)。斜長石和白云母主要以石榴子石環(huán)內(nèi)、外邊的細粒狀形式產(chǎn)出(圖4h, i)，鎂鐵閃石主要產(chǎn)于石榴子石與角閃石接觸邊界或角閃石邊部(圖4i)，極少量的石英、鉀長石和綠簾石以大顆粒角閃石斑晶中的包裹體形式產(chǎn)出。次生礦物綠泥石主要分布于石榴子石內(nèi)邊或外邊的后成合晶附近。基質(zhì)中的金紅石邊部局部轉(zhuǎn)變?yōu)殁佽F礦(圖4k)，少數(shù)金紅石以包裹體形式產(chǎn)于石榴子石中(圖4b, d)。磷灰石以斑晶或包裹體形式產(chǎn)出(圖4i)。

圖3 “環(huán)狀”石榴角閃巖顯微結(jié)構(gòu)照片(單偏光)(a)巖石薄片掃面圖；(b)石榴子石圍繞角閃石生長，石榴子石消失位置的金紅石幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)殁佽F礦；(c)石榴子石環(huán)內(nèi)邊發(fā)育后成合晶，環(huán)外邊與大顆粒角閃石接觸面平直；(d)小顆粒石榴子石邊部發(fā)育后成合晶；(e)細條狀石榴子石沿角閃石粒間或解理縫分布Fig.3 Microphotographs of ring garnet-bearing hornblendite from the Weihai area(a) a scanning map of rock thin section; (b) hornblende is sourrounded by ring garnet, and rutile is almost transformed into ilmenite where garnet disappears; (c) the inner rim of ring garnet is replaced by symplectite, and the outer rim contacts with hornblende with straight and clean surface; (d) symplectites grow on the rim of fine-grained garnet; (e) small strip garnets are distributed along the grain boundaries of hornblende

圖4 威海地區(qū)“環(huán)狀”石榴角閃巖顯微結(jié)構(gòu)照片(背散射)(a)“環(huán)形”石榴子石全貌圖；(b)石榴子石的角閃石+金紅石包裹體，環(huán)外邊分布有鋯石；(c)石榴子石環(huán)外邊發(fā)育的后成合晶，主要由角閃石+白云母+金紅石+鈦鐵礦組成；(d)石榴子石環(huán)內(nèi)邊的后成合晶中含角閃石、金紅石和鋯石包裹體；(e)石榴子石環(huán)內(nèi)邊的后成合晶中含角閃石、金紅石、鈦鐵礦和鋯石包裹體；(f)石榴子石環(huán)內(nèi)邊的后成合晶由石榴子石+角閃石+斜長石+金紅石+鈦鐵礦+磷灰石組成；(g)石榴子石環(huán)內(nèi)邊附近細粒石榴子石含斜長石和金紅石包裹體；(h)石榴子石內(nèi)部發(fā)育大量包裹體，外邊界平直；(i)石榴子石內(nèi)部的角閃石與石榴子石環(huán)內(nèi)邊之間發(fā)育細粒石榴子石、斜長石和白云母等礦物，其中角閃石含綠簾石和磷灰石包裹體，邊部轉(zhuǎn)變?yōu)殒V鐵閃石；(j)石榴子石環(huán)內(nèi)邊的后成合晶礦物組合為石榴子石+斜長石+角閃石；(k)金紅石部分轉(zhuǎn)變?yōu)殁佽F礦Fig.4 Microphotographs of ring garnet-bearing hornblendite from the Weihai area(a) a close-up view of ring garnet; (b) inclusions of hornblende and rutile in ring garnet, and zircon grows near the outer rim of garnet; (c) symplectites, consisting of hornblende+muscovite+rutile+ilmenite, are distributed near the outer rim of ring garnet; (d) symplectite near the inner rim of ring garnet contains inclusions of hornblende, rutile and zircon; (e) inclusions of hornblende, rutile, ilmenite and zircon in the inner symplectite of ring garnet; (f) symplectite near the inner rim of ring garnet consists of fine-grained garnet, hornblende, plagioclase, rutile, ilmenite and apatite; (g) fine-grained garnet near the inner rim of ring garnet contains inclusions of plagioclase and rutile; (h) ring garnet contains abundant inclusions in the inner core, and has straight outer boundaries; (i) fine-grained garnet, plagioclase and muscovite grow between the inner rim of ring garnet and hornblende in garnet core, and the hornblende whose rim was transformed into cummingtonite contains inclusions of epidote and apatite; (j) symplectite near the inner rim of ring garnet contains garnet, plagioclase and hornblende; (k) rutile was partially replaced by ilmenite

本文采用的礦物縮寫：g-石榴子石；hb-角閃石；pl-斜長石；mu-白云母；q-石英；cum-鎂鐵閃石；ep-綠簾石；ap-磷灰石；ru-金紅石；ilm-鈦鐵礦；zr-鋯石。

3 實驗方法

礦物主量元素分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所電子探針與掃描電鏡實驗室完成。電子探針(EMP)型號為JOEL-JXA8100，加速電壓為15kV，電流為10nA，束斑直徑為1μm或5μm。實驗以天然或人工樣品為標(biāo)樣，共分析了Si、Ti、Al、Cr、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K和Ni等元素。實驗數(shù)據(jù)采用ZAF修正。

礦物微量元素分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)上完成。儀器型號為Agilent 7500a，激光剝蝕系統(tǒng)為193nm的GeoLas HD。激光剝蝕束斑直徑為60μm，電壓為25kV，頻率為10Hz。以He氣作為剝蝕物質(zhì)的載氣，將剝蝕物質(zhì)運送至質(zhì)譜儀進行測試分析。數(shù)據(jù)處理以NIST SRM 610作為外標(biāo)，以USGS BCR-2G作為質(zhì)量監(jiān)控標(biāo)樣。43Ca作為內(nèi)部校正標(biāo)準(zhǔn)。軟件使用GLITTER程序(Griffinetal., 2008)。微量元素含量的準(zhǔn)確度和精度為5%～10%。

1件樣品的鋯石分選在河北省廊坊市區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院進行。首先將每件樣品破碎至適當(dāng)粒級，經(jīng)清洗、烘干和篩選，采用磁選和重液分選法，分選出不同粒級的鋯石晶體，然后在雙目鏡下挑選出顆粒較好的鋯石晶體制靶。陰極發(fā)光(CL)圖像拍攝和SHRIMP U-Pb定年在北京離子探針中心完成。分析測試中一次流O2-強度為3～5nA，束斑大小為25～30μm，每個分析點采用5組掃描。標(biāo)樣TEM(206Pb/238U年齡為417Ma)采用鋯石年齡校正，對實測204Pb含量進行普通鉛校正。單點同位素比值和年齡誤差為1σ。詳細分析流程參考Williams (1998)，數(shù)據(jù)處理采用SQUID和ISOPLOT程序(Ludwig, 2003)。

4 礦物主量元素

本文對石榴角閃巖的主要組成礦物石榴子石、角閃石、斜長石和白云母進行了主量元素分析，代表性礦物化學(xué)成分見表1、表2。

表1 威海地區(qū)石榴角閃巖中“環(huán)狀”石榴子石的代表性主量元素(wt%)

表2 威海地區(qū)石榴角閃巖中角閃石、斜長石和白云母的代表性主量元素(wt%)

圖5 圖4(a、h)中“環(huán)狀”石榴子石的Ca、Mg和Fe成分面掃描圖像(a)石榴子石由環(huán)核部(g-c)向內(nèi)、外兩個方向逐漸降低，在環(huán)外邊(g-r2)位置Ca突然降至最低；(b)石榴子石由環(huán)核部向內(nèi)、外兩個方向逐漸升高，在環(huán)外邊(g-r2)位置Mg突然升至最高；(c)石榴子石由環(huán)核部(g-c)向環(huán)內(nèi)(g-r1)、外(g-r2)邊的Fe升高；(d)“環(huán)狀”石榴子石可明顯分為高Ca、中Ca和低Ca部分Fig.5 X-ray composition of the ring garnet in Fig.4a, h(a) Ca content decreases gradually from the garnet ring to both the inner and the outer directions, and minimizes at the outer rim; (b) Ca content increases gradually from the garnet ring to both the inner and the outer directions, and maximizes at the outer rim; (c) Fe content increases from the garnet ring to both the inner and the outer rims; (d) ring garnet includes high-Ca, medium-Ca and low-Ca parts

圖6 石榴子石的代表性成分環(huán)帶(a、b)和Grs-(Alm+Sps)-Prp圖解(c)(a)“環(huán)狀”石榴子石及成分剖面A-A′位置；(b)圖(a)中A-A′剖面的化學(xué)成分環(huán)帶；(c)石榴子石環(huán)核部(g-c)、環(huán)內(nèi)邊(g-r1)、環(huán)外邊(g-r2)和角閃石內(nèi)包體石榴子石(g-i)的Grs-(Alm+Sps)-Prp圖解Fig.6 Chemical compositional profile (a, b) and Grs-(Alm+Sps)-Prp diagram (c) of ring garnet(a) profile A-A′ location on the ring garnet; (b) compositional profile of A-A′ in figure (a); (c) Grs-(Alm+Sps)-Prp diagram of the core (g-c), inner rim (g-r1) and outer rim (g-r2) of ring garnet

圖7 角閃石的代表性成分環(huán)帶(a)和Si-XMg分類圖解(b)Fig.7 Chemical compositional profile (a) and Si-XMg diagram (b) of hornblende

4.1 石榴子石

石榴子石(A3B2(SiO4)3)的成分整體上屬于鐵鋁榴石(Alm)-鈣鋁榴石(Grs)-鎂鋁榴石(Prp)固溶體(XMg=Mg/(Mg+Fe2+)為0.25～0.40；Alm=0.44～0.58；Grs=0.15～0.33；Prp=0.17～0.32)，含極少量的錳鋁榴石(Sps=0.01～0.03；表1)。初步X射線掃描圖像顯示，“環(huán)狀”石榴子石由環(huán)核部(g-c)向環(huán)內(nèi)邊(g-r1)和環(huán)外邊(g-r2)，具有Ca降低、Mg和Fe升高趨勢(圖5)，而且在環(huán)外邊Ca組分突然降低(圖5a, d)，相應(yīng)位置的Mg組分有所升高(圖5b)，Mn變化不明顯或略有升高(圖略)。進一步電子探針成分測試表明，“環(huán)狀”石榴子石環(huán)沿著環(huán)內(nèi)邊-環(huán)核部-環(huán)外邊方向(A′→A)，Grs先緩慢升高，在靠近環(huán)外邊位置又迅速降低，Prp與Grs具有相反的變化趨勢，Alm先逐漸降低而后又逐漸升高(中間可能由于包裹體影響而有所升高)，Sps僅在兩端略有升高(圖6a, b)。通過對多個石榴子石的主元素分析，總體上，“環(huán)狀”石榴子石環(huán)核部(g-c)的Alm、Grs、Prp、Sps和XMg值分別變化于0.44～0.56、0.14～0.33、0.17～0.32、0.01～0.02和0.25～0.39之間，環(huán)內(nèi)邊后成合晶狀石榴子石(g-r1)的Alm、Grs、Prp、Sps和XMg值分別介于0.48～0.56、0.13～0.23、0.23～0.31、0.02～0.03和0.29～0.38之間，而環(huán)外邊(g-r2)的Alm、Grs、Prp、Sps和XMg值分別為0.48～0.58、0.14～0.24、0.24～0.31、0.02～0.03和0.29～0.40，由環(huán)核部向內(nèi)、環(huán)外邊，石榴子石的Grs降低，而Alm明顯升高，Prp有升高趨勢，Sps略有升高(圖6c和表1)。此外，石榴子石內(nèi)角閃石包體石榴子石(g-i)的Alm、Grs、Prp、Sps和XMg值分別為0.50～0.57、0.13～0.19、0.25～0.30、0.02～0.03和0.31～0.37，與石榴子石內(nèi)、外邊部成分相似(圖6c和表1)。

4.2 角閃石

角閃石(A0-1B2C5T8O22(OH, F, Cl)2)從產(chǎn)狀上可分為三類：基質(zhì)中大顆粒(hb-c)、石榴子石內(nèi)包裹體(hb-i)和石榴子石環(huán)內(nèi)邊小顆粒后成合晶(hb-ic)，化學(xué)成分分類據(jù)Leakeetal. (1997)?；|(zhì)中大顆粒角閃石從核部到邊部，MgO降低，Al2O3和FeO升高(圖7a)，而石榴子石內(nèi)包裹的角閃石從核至邊的元素含量變化無明顯規(guī)律(未發(fā)表資料)?？傮w上，基質(zhì)中大顆粒角閃石成分主要為鎂角閃石(7b)，Si=6.498～7.195p.f.u.，Al=1.264～2.267p.f.u.，Ti=0.016～0.113p.f.u.，XMg=0.75～0.86(表2)，石榴子石內(nèi)包裹體和環(huán)內(nèi)邊小顆粒后成合晶角閃石主要為鎂角閃石向鈣鎂閃石過渡區(qū)(圖7b)，化學(xué)成分接近基質(zhì)中大顆粒角閃石邊部，Si=5.87～6.640p.f.u.，Al=2.030～3.425p.f.u.，Ti=0.032～0.143p.f.u.，XMg=0.62～0.82(表2)。

4.3 斜長石

斜長石(NaAlSi3O8-CaAlSi3O8)從產(chǎn)狀上主要分為四類：石榴子石環(huán)內(nèi)邊細粒后成合晶狀、石榴子石環(huán)外邊細粒狀(pl-oc)、石榴子石包裹體(pl-i)和與白云母相鄰的斜長石(pl-nmu)。其中“環(huán)狀”石榴子石環(huán)內(nèi)邊細粒后成合晶狀斜長石成分具有核邊差異，邊部(pl-ir)比核部(pl-ic)更富Ca，核部為中長石(An=25～37)邊部為拉長石-培長石(An=31～37)。石榴子石環(huán)外邊細粒后成合晶狀斜長石成分接近pl-ic成分，主要為中長石，An=28～36(圖8)。石榴子石內(nèi)包裹體斜長石主要為奧長石(圖8)，An=～35。

4.4 白云母

白云母(KAl2(Si3Al)O10(OH, F)2)從產(chǎn)狀上主要分為三類：“環(huán)狀”石榴子石環(huán)內(nèi)邊附近細粒狀、石榴子石包裹體和環(huán)外邊附近細粒狀，它們化學(xué)成分接近，Si=3.095～3.219p.f.u.，XNa(Na/(Na+K))=0.01～0.16，XFe(Fe2+/(Fe2++Mg))=0.44～0.89(表2)。

5 礦物微量元素

本文選取“環(huán)狀”石榴子石和石榴子石環(huán)內(nèi)、外的角閃石進行微量元素測試，分析結(jié)果見表3和圖9。具有主量元素環(huán)帶的“環(huán)狀”石榴子石稀土總量(∑REE)為19.68×10-6～46.16×10-6，輕(LREE)、重(HREE)稀土元素分異明顯，極其富集重稀土 (圖9a)， 輕(∑LREE)、 中(∑MREE)和重(∑HREE)稀土元素總量分別為0.36×10-6～7.40×10-6、3.84×10-6～8.68×10-6和13.96×10-6～38.72×10-6，(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N值分別為0.01～0.26、0.02～3.24和0.43～2.40，無明顯的Eu異常(δEu=0.72～0.90)。從環(huán)內(nèi)邊(A′)到環(huán)外邊(A)，輕-中稀土元素(La和Sm)變化不明顯，HREE(Gd、Yb和Lu)先逐漸降低而后在環(huán)外邊處突然增高(圖9b)。Y含量逐漸降低，在環(huán)外邊處略有升高(圖9b)。

表3 威海地區(qū)石榴角閃巖中“環(huán)狀”石榴子石和角閃石的稀土元素含量(×10-6)

圖8 斜長石的Ab-An圖解Fig.8 Ab-An diagram of plagioclase

石榴子石環(huán)內(nèi)、外的角閃石稀土元素特征相似，稀土總量(∑REE)為6.71×10-6～15.12×10-6，輕(2.20×10-6～6.94×10-6)、重(1.82×10-6～3.22×10-6)稀土元素含量較低，而富集中稀土(2.69×10-6～4.96×10-6)，球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分模式顯示為“鐘形”(圖9c)。大顆粒角閃石微量元素含量具有一定的核邊差異，邊部比核部具有相對富集的含量，Y含量變化不明顯，如圖9d。

6 鋯石CL圖像和SHRIMP U-Pb年齡

“環(huán)狀”石榴角閃巖的鋯石呈自形或半自形柱狀，長軸介于100～200μm之間，短軸約60～100μm(圖10a)。大多數(shù)鋯石CL圖像發(fā)光性不均勻，整體呈灰-白色，可能由于較低的U含量而未獲取有效的U-Pb表面年齡；少量鋯石的邊部發(fā)光性較暗，呈灰色，部分發(fā)育規(guī)則環(huán)帶，結(jié)合較低的Th/U比判斷為變質(zhì)鋯石(圖10a)。鋯石包體較少。10顆變質(zhì)鋯石記錄的206Pb/238U年齡變化范圍較窄，集中于238.7±3.5Ma～228.1±3.9Ma之間，Th、U含量和Th/U比值分別為0.16×10-6～0.47×10-6、47×10-6～362×10-6和0.001～0.004，相應(yīng)的加權(quán)平均年齡為232.9±2.2Ma(MSWD=0.80,n=10)(圖10b, c和表4)，應(yīng)代表該樣品的變質(zhì)時代。

表4 “環(huán)狀”石榴角閃巖的鋯石SHRIMP U-Pb年齡

圖9 “環(huán)狀”石榴子石和角閃石的稀土元素圖解(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.9 Chondrite-normalized REE patterns of ring garnet and hornblende (normalization values from Sun and McDonough, 1989)

圖10 “環(huán)狀”石榴角閃巖中變質(zhì)鋯石的陰極發(fā)光圖像(a)與U-Pb年齡圖解(b、c)Fig.10 Cathodoluminescence (CL) images (a) and U-Pb ages (b, c) of the metamorphic zircon of the ring garnet-bearing hornblendite

7 討論

7.1 “環(huán)狀”石榴子石形成的P-T條件

石榴子石成分環(huán)帶在一定程度上可以反映變質(zhì)過程中的P-T條件或變質(zhì)反應(yīng)的變化，X射線主元素分析圖譜明確且全面地展示石榴子石的成分環(huán)帶，從而可初步確定變質(zhì)巖經(jīng)歷的變質(zhì)期次和階段性，結(jié)合石榴子石組分環(huán)帶和共生礦物組合，可用于確定連續(xù)或幕式變質(zhì)作用發(fā)生的P-T條件(Herwartzetal., 2011; Li and Massonne, 2018; Renetal., 2018; Bucheretal., 2019; Faryadetal., 2019)。基于X射線主元素掃面，本文“環(huán)狀”石榴子石由環(huán)核部(g-c)向環(huán)內(nèi)(g-r1)、外邊方向Ca含量逐漸降低，且環(huán)外邊(g-r2)處Ca含量發(fā)生突變，明顯低于其內(nèi)側(cè)石榴子石(圖5a, d)，因此從石榴子石成分環(huán)帶，可初步判斷石榴子石經(jīng)歷了3階段生長：最高Ca部分(g-c)的成核階段、相對低Ca部分(g-r1)的擴展階段和最低Ca部分(g-r2)的快速塑形階段，分別對應(yīng)M1、M2和M3階段變質(zhì)作用。從礦物組合上，“環(huán)狀”石榴子石包裹體有少量角閃石、斜長石和金紅石，石榴子石內(nèi)包裹礦物有角閃石、斜長石、綠簾石、磷灰石和鈦鐵礦等(圖4)，而環(huán)外邊石榴子石干凈，由此可以進一步確定M1、M2和M3階段的礦物組合分別為g-c+hb-i/hb-c+pl-i/pl-ic+ru+ep+ap、g-r1+hb-ic+pl-ir+ilm±ru±ap和g-r2±hb±ilm。此外，石榴子石邊部及裂隙中往往分布少量白云母，角閃石邊部轉(zhuǎn)變?yōu)殒V鐵閃石，可能代表流體蝕變的結(jié)果。

采用HPQ地質(zhì)溫度計(Holland and Blundy, 1994)和GHPQ地質(zhì)壓力計(Kohn and Spear, 1990)對變質(zhì)P-T條件進行估算，M1階段7個礦物對的估算結(jié)果為620～740℃/6.8～10.4kbar，集中于630～720℃/7.0～8.3kbar，M2階段5個礦物對的估算結(jié)果為705～775℃/5.3～7.1kbar(圖9b)，均為角閃巖相變質(zhì)條件(圖11)。由M1至M2階段，壓力降低，溫度有所升高。而M3階段由于缺乏相應(yīng)的礦物組合暫時無法估算具體的變質(zhì)條件，但據(jù)降低的Ca組分和升高的Mg組分，推測其P-T條件應(yīng)比M2階段壓力稍低而溫度稍高。因此，該“環(huán)狀”石榴角閃巖經(jīng)歷了明顯的降壓升溫過程(M1→M2→M3)。

圖11 “環(huán)狀”石榴角閃巖不同變質(zhì)階段的溫壓條件估算變質(zhì)P-T空間格子引自Brown (2014)Fig.11 Temperature-pressure conditions for multiple metamorphic stages of the ring-shaped garnet hornblenditeMetamorphic P-T space was cited from Brown (2014)

7.2 “環(huán)狀”石榴子石成因

“環(huán)狀”石榴子石具有自形或半自形的晶體輪廓，明顯不同于串珠狀分布的“紅眼圈狀”石榴子石(Zhaoetal., 1999; Wuetal., 2012; Yang and Wei, 2017)，與“環(huán)礁狀”石榴子石具有一定相似性。盡管“環(huán)礁狀”石榴子石成因存在較大爭議，但主要存在以下幾種經(jīng)典模式：(1)同時的多核生長與合并，由于外圍晶體合并速度快于中心部位而形成“環(huán)礁狀”石榴子石集合體(Cooper, 1972; Godard, 1988; Spiessetal., 2001; Dobbsetal., 2003)；(2)快速而短暫的變斑晶生長，先形成“環(huán)狀”石榴子石骨架(Atherton and Edmunds, 1966; Ushakova and Usova, 1990)；(3)對早期核部石榴子石的重吸收和再結(jié)晶作用(Smellie, 1974; Chengetal., 2007)；(4)多期變質(zhì)作用的結(jié)果(Robyretal., 2014)。那么“環(huán)狀”石榴子石是否形成于上述成因機制，需進一步分析。

首先，雖然在北蘇魯造山帶的基性麻粒巖和斜長角閃巖中發(fā)現(xiàn)多期變質(zhì)證據(jù)(Liuetal., 2017a, 2018a)，但該“環(huán)狀”石榴角閃巖與它們的巖相學(xué)特征及年代記錄明顯不同。前者不僅存在兩期變質(zhì)石榴子石，即斑晶狀和“紅眼圈狀”石榴子石(葉凱等, 1999; Zhaietal., 2000; Zhangetal., 2006a; Liuetal., 2017a, 2018a)，還存在古元古代和三疊紀兩期變質(zhì)年代記錄，尤其是基性麻粒巖中存在大量的古元古代變質(zhì)鋯石(Liouetal., 2006; Liuetal., 2017a, 2018a)。而“環(huán)狀”石榴角閃巖只存在三疊紀變質(zhì)鋯石(圖10)，且不存在多期變質(zhì)礦物組合，因此無證據(jù)表明“環(huán)狀”石榴子石是多期變質(zhì)的結(jié)果，排除成因(4)。

其次，石榴子石X射線主元素譜圖可見，石榴子石Ca、Mg和Fe存在漸變和突變兩個階段(圖5)，表明“環(huán)狀”石榴子石的復(fù)雜性和階段性。盡管缺乏EBSD方法對石榴子石結(jié)晶優(yōu)選方位的控制，但多個石榴子石主元素掃面結(jié)果顯示，早期石榴子石(M1-M2階段)元素變化不具有絕對規(guī)律性，有些從環(huán)核部向環(huán)內(nèi)、外邊Ca降低、Mg和Fe升高(圖5)，有些從環(huán)內(nèi)邊經(jīng)環(huán)核部到環(huán)外邊的Mg逐漸升高(未發(fā)表資料)，表明石榴子石的早期生長可能具有多向性；而在最晚階段(M3)，在環(huán)外邊均表現(xiàn)出Ca的突降、Mg和Fe的陡增現(xiàn)象，且M3階段形成具有一定寬度的石榴子石邊(g-r2)，表明該階段發(fā)生的變質(zhì)反應(yīng)與M1-M2階段完全不同。由M1至M2階段，發(fā)生的變質(zhì)反應(yīng)可能為hb+pl+ep→g+hb+pl，反應(yīng)物中的綠簾石和斜長石不斷被消耗，導(dǎo)致M2階段石榴子石(g-c)比M1階段石榴子石(g-r1)含有的Ca組分不斷減低，相應(yīng)地，Mg和Fe組分具有一定程度升高(圖5)。而M2至M3階段，隨著綠簾石和斜長石消耗完畢，不能繼續(xù)提供充足的Ca，因此導(dǎo)致石榴子石(g-r2)中Ca組分陡降(圖5a, d)。從微量元素方面，圖8中由石榴子石環(huán)內(nèi)向外的HREE含量逐漸降低并在邊部又突然升高，表明該石榴子石由環(huán)核部開始向內(nèi)、外邊不斷生長過程中體系HREE含量不斷升高，此過程可能得益于角閃石分解速度的不斷加快，而到M3階段為石榴子石提供REE的礦物由綠簾石和角閃石幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻情W石，此過程導(dǎo)致角閃石HREE急劇降低，形成“鐘形”稀土配分模式(圖9c)。值得一提的是，最晚階段外部富REE流體也可為石榴子石提供升高的HREE含量。

由此可見，石榴子石能保留自形輪廓和復(fù)雜的組分環(huán)帶，表明石榴子石經(jīng)歷了成核、擴展和快速塑性等多階段生長過程。前兩個階段與“環(huán)礁狀”石榴子石成因(1)相似，石榴子石早期可能是多核生長與合并的結(jié)果，形成早期“環(huán)狀”石榴子石的雛形，而最晚階段與“環(huán)礁狀”石榴子石成因(2)相近，是“環(huán)狀”石榴子石快速成形階段。該巖石全巖極其富Mg和Fe，且SiO2不飽和，在ACF圖解上全巖成分與角閃石成分極其接近(未發(fā)表資料)，表明其原巖中除角閃石之外的礦物(如斜長石和綠簾石含量)含量極少，分布在角閃石粒間，變質(zhì)初期使石榴子石在角閃石粒間不斷生長。隨著變質(zhì)反應(yīng)的發(fā)生，綠簾石和角閃石不斷分解，形成粒間流體，加快元素擴散，使石榴子石不斷長大。最晚階段，變質(zhì)溫度不斷升高、粒間流體積累以及外部富REE流體的滲透作用，可能是促使石榴子石快速形成“環(huán)狀”骨架的動力學(xué)機制。

北蘇魯發(fā)現(xiàn)的“紅眼圈狀”石榴子石在變形強烈的石榴角閃巖中更加發(fā)育，而干體系下基性麻粒巖中的石榴子石冠狀體較難形成完整而封閉的“紅眼圈”(劉利雙, 2019)，我們初步認為流體作用使鎂鐵礦物(如單斜輝石、角閃石和石榴子石)更容易分解，并形成新的含水礦物(如角閃石)和名義上不含水礦物(如石榴子石)(Hackeretal., 2003; Baxter and Caddick, 2013)。此外，有關(guān)大別地區(qū)榴輝巖中發(fā)育的“環(huán)礁狀”石榴子石成因，盡管多位學(xué)者觀點不盡相同，但普遍認為與大陸俯沖帶流體作用息息相關(guān)(Xiaoetal., 2002; Liuetal., 2006; Chengetal., 2007, 2009; Caoetal., 2018)。無獨有偶，Chenetal. (2015)在本文采樣點附近發(fā)現(xiàn)的“環(huán)礁狀”石榴子石增生邊與石榴子石核具有突變的化學(xué)組成，增生邊具有相對較高的δ18O值和H2O含量，同時期形成的榍石U-Pb年齡為226±6Ma，因此Chenetal. (2015)認為“環(huán)礁狀”石榴子石增生邊為早期石榴子石溶解-再沉淀的產(chǎn)物，與深俯沖大陸地殼折返過程中的流體活動有關(guān)。以往研究表明，三疊紀陸殼俯沖-折返過程伴隨著明顯的流體作用，這些流體可形成于俯沖進變質(zhì)過程中含水礦物脫水、峰期變質(zhì)的超臨界流體、折返過程退變質(zhì)階段含羥基礦物相脫水以及外部流體的加入，它們在大陸俯沖-碰撞帶的物質(zhì)轉(zhuǎn)換和元素遷移方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用(Xiaoetal., 2000; Hacker, 2008; Hermannetal., 2013; Wangetal., 2017)。實際巖石觀察往往顯示超高壓巖石由核部到外部退變質(zhì)程度逐漸強烈，表明使超高壓巖石發(fā)生大規(guī)模退變的控制因素之一是外部流體(Yaoetal., 2000; Xiaoetal., 2002; 張澤明等, 2006; Guoetal., 2016; 劉景波, 2019)。本文“環(huán)狀”石榴角閃巖中角閃石和石榴子石并未發(fā)生明顯定向排列，也未見其它強烈變形的痕跡，但石榴子石普遍發(fā)育定向裂理(圖3、圖4)，表明其曾經(jīng)歷了一定程度的外部流體滲透作用(Smitetal., 2011)。

7.3 地質(zhì)意義

本文“環(huán)狀”石榴角閃巖全巖體系富Mg、Fe，且SiO2不飽和(未發(fā)表資料)，因此在較低的壓力條件即可出現(xiàn)石榴子石(Green and Ringwood, 1967)，變質(zhì)P-T條件限定(圖11)進一步證明了這一點，表明“環(huán)狀”石榴子石并非超高壓變質(zhì)產(chǎn)物。因此，該石榴角閃石巖可能與北蘇魯造山帶北端乳山-威海一帶的非超高壓“外來巖片”均來自于華北板塊東南緣(Zhaietal., 2000; Zhangetal., 2006a, 2014; Liuetal., 2017a, 2018a; Xuetal., 2019)。已有研究表明，這些構(gòu)造巖片保留大量的古元古代(1.95～1.8Ga)高壓麻粒巖相變質(zhì)作用記錄(Zhaietal., 2000; Liouetal., 2006; Zhangetal., 2006a; 劉利雙等, 2015; Liuetal., 2017a, 2018a)。盡管部分巖石記錄了三疊紀(245～201Ma)變質(zhì)改造(Liuetal., 2017a, 2018a)，但新生礦物組合(如“紅眼圈狀”石榴子石)對原有礦物組合(如石榴子石、單斜輝石和斜方輝石)替代不完全，形成冠狀體結(jié)構(gòu)。本文“環(huán)狀”石榴角閃巖為富水體系，在三疊紀區(qū)域變質(zhì)過程中形成大量新生的三疊紀變質(zhì)鋯石(圖10)，且受局部流體作用發(fā)育完整的石榴子石環(huán)帶，相對完整地記錄了華北板塊東南緣卷入陸-陸碰撞造山過程，經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)作用。

8 結(jié)論

通過巖相學(xué)、礦物化學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)和變質(zhì)作用的綜合研究，得出以下結(jié)論：

(1)威海地區(qū)“環(huán)狀”石榴子石形成于角閃巖相，變質(zhì)P-T條件為620～775℃/5.3～10.4kbar。

(2)“環(huán)狀”石榴子石的生長包括成核(M1)、擴展(M2)和快速塑性(M3)共3個階段。其中M1至M2階段，變質(zhì)反應(yīng)主要消耗綠簾石和斜長石，使石榴子石Ca含量逐漸降低；M2至M3階段，綠簾石和斜長石消耗完畢，反應(yīng)物主要消耗角閃石，導(dǎo)致角閃石HREE含量降低并形成“鐘形”稀土配分模式，而使石榴子石Ca含量突然降低且HREE含量升高。

(3)“環(huán)狀”石榴子石的最終快速塑形過程與變質(zhì)溫度升高、粒間流體增多和大陸-俯沖碰撞帶的流體滲透作用息息相關(guān)。

致謝陳意研究員對原稿提出了十分有益的建議，期刊編輯以及兩位審稿人劉曉春研究員和續(xù)海金教授對本文提出了非常寶貴的修改意見，張晴博士對英文摘要進行了認真修改，在此一并表示感謝！

謹以此文敬賀我國著名前寒武紀與變質(zhì)地質(zhì)學(xué)家沈其韓院士百歲華誕，祝愿先生健康長壽！