毛小紅 張建新 路增龍 周桂生

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 100037

造山帶往往是古老地體之間的縫合帶，造山帶內(nèi)發(fā)育的巖漿巖和變質(zhì)巖往往記錄了造山帶演化過程，是研究古老地體之間拼合及造山帶演化歷史的重要窗口。增生型造山帶以持續(xù)的板塊匯聚及新生地殼物質(zhì)增生為特征(張建新等, 2015)。北祁連造山帶是典型的早古生代增生型造山帶(張建新等, 2015; Zhangetal., 2017)，是原特提斯洋閉合的產(chǎn)物(eng?r and Natal’in, 1996; Panetal., 2012)。區(qū)域內(nèi)出露的蛇綠巖、高壓低溫(HP/LT)變質(zhì)巖和巖漿巖的相關(guān)研究表明北祁連造山帶具有典型增生造山帶的“溝-弧-盆”體系(許志琴等, 1994; 張建新和許志琴, 1995; 張建新等, 1997, 1998; Xiaetal., 1999, 2003; Zhangetal., 2012, 2017; 夏林圻等, 2016)，具有向北俯沖極性。祁連地塊位于北祁連造山帶南部，主要由深成變質(zhì)的前寒武紀(jì)基底和新元古代到中生代的沉積蓋層組成。近年來對北祁連造山帶榴輝巖相變泥質(zhì)巖原巖的研究、祁連地塊內(nèi)早古生代弧巖漿巖和～500Ma變質(zhì)作用的識別，均顯示北祁連洋存在向南的俯沖極性(吳才來等, 2010; 喻星星和張建新, 2016; Pengetal., 2017; 彭銀彪等, 2017)。相比北祁連造山帶，祁連地塊變質(zhì)作用的研究較少(Pengetal., 2017; 彭銀彪等, 2017)，有關(guān)變質(zhì)作用的研究也主要以副變質(zhì)巖為主，影響了對北祁連造山帶演化歷史的完美重塑。目前在祁連地塊南部的歐龍布魯克微地塊中發(fā)現(xiàn)了原巖年齡～1100Ma的變基性巖和花崗質(zhì)片麻巖以及變質(zhì)年齡為～1100Ma的副片麻巖(Yuetal., 2019)，在祁連地塊中識別出了～1100Ma弧巖漿作用(Fuetal., 2019)。這些發(fā)現(xiàn)表明祁連地塊及其周緣存在與格林威爾造山事件相關(guān)的巖漿作用和變質(zhì)作用，這些變質(zhì)巖和巖漿巖的識別對格林威爾造山帶位置的確定至關(guān)重要，將決定Rodinia超大陸是否能夠準(zhǔn)確重建。

最近我們在祁連地塊北緣識別出了原巖年齡為～1100Ma的變基性巖，本文以兩個變基性巖樣品為研究對象，通過對野外關(guān)系、巖相學(xué)特征、相平衡模擬和鋯石U-Pb年代學(xué)研究，對祁連地塊與格林威爾造山事件的關(guān)系和北祁連洋的俯沖極性進行了探討。

1 地質(zhì)背景

北祁連造山帶北與阿拉善地塊相鄰，東接西秦嶺造山帶，南與祁連地塊呈斷層接觸關(guān)系，西被北東走向的左行阿爾金斷裂切割(圖1)。由南向北，該造山帶內(nèi)依次發(fā)育典型的蛇綠巖、早古生代HP/LT變質(zhì)巖、早古生代島弧巖漿雜巖和弧后盆地巖石組合，構(gòu)成了典型增生造山帶的“溝-弧-盆”體系(許志琴等, 1994; 張建新和許志琴, 1995; 張建新等, 1997, 1998; Xiaetal., 1999, 2003; Zhangetal., 2012, 2017; 夏林圻等, 2016)。北祁連地區(qū)最老蛇綠巖中的堆晶輝長巖的鋯石SHRIMP年齡為533～568Ma(史仁燈等, 2004; Songetal., 2013)，形成于島弧或弧后環(huán)境的蛇綠巖時代為500Ma左右(相振群等, 2007;曾建元等, 2007; 孟繁聰?shù)? 2010; Xiaetal., 2012)。該區(qū)域的HP/LT變質(zhì)巖以藍片巖、榴輝巖和硬柱石榴輝巖為代表，硬柱石榴輝巖變質(zhì)鋯石的SHRIMP U-Pb年齡為477～489Ma(Zhangetal., 2007)，北祁連香子溝和百經(jīng)寺榴輝巖中變質(zhì)鋯石SHRIMP U-Pb年齡分別為463±6Ma和468±13Ma(宋述光等, 2004)。早古生代島弧巖漿雜巖由基性和中酸性火山巖、火山碎屑巖和少量深成侵入巖組成，形成時代介于450～510Ma之間(張建新等, 1997; Wangetal., 2005; 吳才來等, 2010; Chenetal., 2014)。發(fā)育于弧后盆地環(huán)境的蛇綠巖可見完整的堆晶輝長巖和枕狀熔巖組合，形成時代為490Ma左右(夏小洪和宋述光, 2010)。

圖1 阿爾金-祁連-柴北緣構(gòu)造格架簡圖(據(jù)張建新等, 2015修改)

祁連地塊位于祁連造山帶以南，由前寒武紀(jì)變質(zhì)基底和新元古代-中生代沉積蓋層組成，前寒武紀(jì)變質(zhì)基底主要由副片麻巖和花崗質(zhì)片麻巖組成。研究資料顯示花崗質(zhì)片麻巖的原巖結(jié)晶年齡介于870～930Ma之間(Wanetal., 2006; Tungetal., 2007, 2012, 2013; Yuetal., 2013; Yanetal., 2015)。近年來，前人在北祁連俯沖雜巖帶的南側(cè)(祁連地塊北部)識別出了一個弧巖漿帶，且代表性侵入巖的年齡在512～476Ma變化(吳才來等, 2010; Pengetal., 2017; 彭銀彪等, 2017)。本文的研究區(qū)位于祁連地塊北緣門源寶庫河一帶，該地區(qū)主要出露高級變質(zhì)巖、奧陶紀(jì)火山巖、志留紀(jì)沉積巖、晚古生代-中生代地層、新生代地層及一些早古生代侵入巖(圖2)。區(qū)域內(nèi)的高級變質(zhì)巖包括副片麻巖、花崗質(zhì)片麻巖、大理巖、角閃巖和斜長角閃巖等。彭銀彪等(2017)認(rèn)為北祁連南緣500Ma左右的基性雜巖、505Ma花崗巖的鋯石具有正的εHf(t)值，門源-大通-柯柯里地區(qū)的巖石經(jīng)歷了493～504Ma的變質(zhì)作用。前人認(rèn)為北祁連洋存在向南的俯沖極性(Gehrelsetal., 2003a, b; Tsengetal., 2009; Xiaoetal., 2009; Zhangetal., 2012; Huangetal., 2015; Pengetal., 2017; 彭銀彪等, 2017)。

圖2 門源地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)Zhang et al., 2019修改)

2 野外關(guān)系和樣品描述

變基性巖(樣品AQ17-1-1.2和AQ17-2-9.1)的采樣位置如圖2所示，屬于祁連地塊北緣。變基性巖野外呈灰黑色，塊狀構(gòu)造，部分發(fā)生了強變形呈片麻狀構(gòu)造。野外出露范圍廣，主體為斜長角閃巖或角閃巖，少量露頭可見粒徑0.5～1mm的石榴子石發(fā)育，石榴子石發(fā)育“白眼圈”結(jié)構(gòu)(圖3a, b)，露頭可見團塊狀淺色體及寬1～2cm的淺色脈體(圖3c, d)，指示變基性巖曾發(fā)生了部分熔融。區(qū)域內(nèi)變基性巖(斜長角閃巖或角閃巖)主要呈透鏡狀或似層狀產(chǎn)出于副變質(zhì)巖中。本文使用的礦物代號據(jù)Whitney and Evans (2010)，即：Grt-garnet；Pl-plagioclase；Bt-biotite；Cpx-clinopyroxene；Amp-amphibole；Aug-augite；Ilm-ilmenite；Kfs-K-feldspar；Liq-liquid；Mag-magnetite；Qz-quartz；Rt-rutile；Ap-apatite；Py-pyrite；Opx-orthopyroxene。

圖3 變基性巖野外露頭照片

樣品AQ17-1-1.2主要由角閃石、石榴子石、斜長石、黑云母、石英、鈦鐵礦、磁鐵礦及少量普通輝石、簾石和鉀長石組成，副礦物有磷灰石和鋯石(圖4a)。角閃石呈橢圓狀與斜長石作為多相包裹體被石榴子石包裹，或呈粒狀較自形晶存在于基質(zhì)中，或呈小顆粒他形晶環(huán)繞港灣狀石榴子石產(chǎn)出(圖4b)；石榴子石呈變斑晶分布于基質(zhì)中，大部分被角閃石包圍，粒徑0.8～1mm不等，含角閃石、斜長石、鉀長石、鈦鐵礦和石英包體，石榴子石內(nèi)部發(fā)育多相包裹體(Pl+Amp或Pl+Bt+Kfs+Qz)，邊部呈港灣狀，個別石榴子石已被大部分分解(圖4a, c)；少量斜長石呈橢圓狀被石榴子石包裹或與他形角閃石圍繞港灣狀石榴子石的邊部生長，形成“白眼圈”結(jié)構(gòu)，大顆粒斜長石則分布于基質(zhì)中(圖4c)；黑云母多切割基質(zhì)中的角閃石生長，少數(shù)細(xì)小片狀黑云母切割石榴子石的“白眼圈”結(jié)構(gòu)生長或在“白眼圈”周圍生長(圖4a, c)；部分普通輝石呈橢圓狀被角閃石包裹，一些角閃石內(nèi)部及邊部不同部位為普通輝石，指示該角閃石早期為普通輝石(圖4b, d)；簾石主要作為包裹體存在于石榴子石中，個別薄片中可見晚期細(xì)小簾石脈發(fā)育；少量鈦鐵礦被石榴子石包裹或出現(xiàn)在“白眼圈”結(jié)構(gòu)中，大部分與磁鐵礦共生(圖4c)；不規(guī)則磁鐵礦和鈦鐵礦多發(fā)育于角閃石、斜長石或黑云母顆粒邊界，且與周圍礦物形成較小的二面角，不規(guī)則磁鐵礦和鈦鐵礦平直接觸，部分磁鐵礦切割黑云母產(chǎn)出(圖4c)；少量鉀長石被石榴子石包裹或出現(xiàn)于“白眼圈”結(jié)構(gòu)中；基質(zhì)、石榴子石及“白眼圈”結(jié)構(gòu)中均有石英發(fā)育。根據(jù)巖相學(xué)觀察推測峰期礦物組合為Grt+Pl+Kfs+Aug+Amp+Ilm+Qz，峰期之后的退變質(zhì)作用以石榴子石發(fā)育“白眼圈”結(jié)構(gòu)及黑云母和磁鐵礦的出現(xiàn)為特征。

樣品AQ17-2-9.1主要由角閃石、斜長石、鈦鐵礦和石英組成，含少量石榴子石、黑云母、金紅石和黃鐵礦，副礦物有鋯石和磷灰石(圖4e, g)。石榴子石作為變斑晶存在于基質(zhì)中，含黑云母、斜長石和石英包體，邊部多呈港灣狀，發(fā)育“白眼圈”結(jié)構(gòu)(圖4f)；角閃石呈中粒和細(xì)粒，中粒角閃石分布于基質(zhì)中，細(xì)粒角閃石常環(huán)繞中粒角閃石邊部生長或分布于“白眼圈”結(jié)構(gòu)中(圖4e-g)；少量斜長石被石榴子石、角閃石和鈦鐵礦包裹，大部分分布于基質(zhì)中，還有少量細(xì)粒斜長石分布于“白眼圈”結(jié)構(gòu)中或與細(xì)粒角閃石環(huán)繞中粒角閃石邊部生長(圖4e-g)；少量黑云母被石榴子石包裹或環(huán)繞基質(zhì)角閃石邊部生長，部分黑云母則切割基質(zhì)角閃石(圖4f, g)；鈦鐵礦多分布于基質(zhì)或“白眼圈”結(jié)構(gòu)中，大顆粒鈦鐵礦中可見Pl+Bt多相包裹體， 個別晶內(nèi)可見殘余金紅石分布， 表明鈦鐵礦為早期金紅石退變的產(chǎn)物(圖4h)；石英在各部位均可見；金紅石僅在鈦鐵礦內(nèi)可見。

圖4 變基性巖顯微照片和背散射圖像

3 分析方法

礦物化學(xué)測試工作在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成，使用日本電子公司生產(chǎn)的電子探針顯微分析儀(型號：JXA-8100)進行測試分析，測試條件：加速電壓15kV，束流20nA，攝譜時間10sec，束斑5μm，小礦物束斑1～3μm不等，ZAF校正，SPI組合標(biāo)樣校正。

巖石的主量元素、微量元素和稀土元素分析在中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心完成。巖石主量元素采用X射線熒光光譜儀(PW4400)測定，采用等離子光譜法進行驗證，分析精度為5%。微量元素和稀土元素采用等離子質(zhì)譜儀(PE300Q)測定。

鋯石分選工作由廊坊市地巖礦物分選有限公司完成。樣品制靶、鋯石透反射和陰極發(fā)光(CL)照片均由北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。樣品鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素測定及其稀土元素的測定由北京科薈測試有限公司完成。將樣品粉碎為200目，通過磁選和重液分選出鋯石單礦物，然后用雙目鏡進行觀察，挑選出粒度較大、干凈、包體較少和裂隙不發(fā)育的鋯石150顆，制成符合拍攝鋯石陰極發(fā)光(CL)照片和LA-ICP-MS U-Pb定年和稀土元素分析的鋯石靶。LA-ICP-MS U-Pb定年數(shù)據(jù)的獲取使用激光剝蝕多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和ESI NWR 193nm固體激光器共同完成。以He為載氣。采用的激光剝蝕束斑直徑為32μm，頻率為10Hz。每個分析點背景分析時間為15s，樣品分析時間為45s。每10個分析點之間間隔標(biāo)樣NIST610、GJ-1、91500和Ple?ovice(侯可軍等, 2009; Liuetal., 2010)。數(shù)據(jù)處理使用軟件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008)。鋯石年齡計算采用ISOPLOT(4.5)。

4 分析結(jié)果

4.1 礦物化學(xué)

為了精確限定變質(zhì)溫壓條件，對樣品AQ17-1-1.2進行了礦物化學(xué)分析(代表性礦物成分詳見表1)。石榴子石變斑晶具有明顯的成分環(huán)帶(圖5)，從核部到邊部鎂鋁榴石組分升高(XPrp：0.10→0.15)，錳鋁榴石組分降低(XSps：0.08→0.03)，鈣鋁榴石組分升高(XGrs：0.22→0.24)，鐵鋁榴石組分降低(XAls：0.60→0.58)，到最邊部XPrp組分降低(0.15→0.12)，XSps組分升高(0.03→0.06)，XGrs組分降低(0.24→0.21)，XAls組分升高(0.58→0.6)。角閃石的Si=6.08～6.64p.f.u.，XMg=0.40～0.47，Ca=1.67～1.91p.f.u.，TiO2含量1.06%～2.06%，根據(jù)Leakeetal. (1997)的分類，角閃石大部分為鐵韭閃石(CaB≧1.5；(Na+K)A≧0.5；Ti<0.5)，基質(zhì)角閃石邊部成分，細(xì)粒斜長石和鈦鐵礦的角閃石包體、“白眼圈”結(jié)構(gòu)中的少部分角閃石為鐵鎂鈣閃石和鐵角閃石(圖6)，代表性的成分詳見表1。單斜輝石的XMg=0.17～0.30，Wo=0.25～0.30，En=0.13～0.22，F(xiàn)s=0.51～0.61，屬于普通輝石(圖7)。斜長石成分變化較大，An值從0.01到0.41，基質(zhì)中的部分斜長石、石榴子石和角閃石核部的包體斜長石An=0～0.10，石榴子石邊部斜長石包體An=0.22，基質(zhì)中部分斜長石具有環(huán)帶，從核部到邊部An值逐漸增大(An28→An33，An32→An37)，“白眼圈”結(jié)構(gòu)中的斜長石An=0.33～0.41(圖8a)。黑云母的XMg=0.40～0.47，Ti=0.21～0.27p.f.u.(圖8b)，基質(zhì)黑云母和切割基質(zhì)角閃石的黑云母的Ti值比切割“白眼圈”或圍繞“白眼圈”生長的黑云母Ti值高；與磁鐵礦共生的鈦鐵礦具有高的Ti值(0.98～0.99p.f.u.)，F(xiàn)e2+值為0.96～0.98p.f.u.。

圖5 樣品AQ17-1-1.2中代表性石榴子石的成分環(huán)帶剖面

表1 樣品AQ17-1-1.2中代表性礦物的化學(xué)成分(wt%)

圖6 樣品AQ17-1-1.2中角閃石分類圖解

圖7 樣品AQ17-1-1.2中單斜輝石分類圖解

圖8 樣品AQ17-1-1.2中斜長石An-Ab-Or圖解和黑云母XMg-Ti圖解

4.2 巖石地球化學(xué)

本文所選兩個變基性巖的主量元素成分差別不大(數(shù)據(jù)詳見表2)，其中SiO2含量變化于47.61%～49.39%，Al2O3、CaO、FeOT和MgO分別變化于13.29%～15.00%、7.51%～7.94%、14.54%～15.51%和5.32%～6.83%之間。兩個變基性巖均貧MnO(0.20%～0.26%)、P2O5(0.17%～0.20%)和TiO2(1.79%～2.19%)。全堿(ALK)含量為3.64%～4.56%。Mg#值為37.95～45.57。

表2 變基性巖全巖主量(wt%)、稀土和微量元素(×10-6)分析結(jié)果

兩個變基性巖樣品的稀土總量分別為82.75×10-6和94.69×10-6，(La/Yb)N比值分別為2.59和2.75，(Gd/Yb)N比值分別為1.17和0.95。兩個變基性巖的稀土元素配分曲線具有重稀土(HREE)相對平坦，輕稀土(LREE)稍微富集，向右微弱傾斜的特點，均與E-MORB稀土配分模式具有一定的相似性(圖9c)。

圖9 變基性巖及其鋯石球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線(a-c)和變基性巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(d)(標(biāo)準(zhǔn)化值及E-MORB、N-MORB和OIB標(biāo)準(zhǔn)曲線據(jù)Sun and McDonough, 1989)

微量元素結(jié)果顯示兩個變基性巖的相容元素Ni的含量分別為76.3×10-6～105.0×10-6。Co含量為57.7×10-6～59.9×10-6。高場強元素含量Nb=7.44×10-6～7.90×10-6、Zr=92.6×10-6～100.0×10-6、Ta=0.49×10-6和Hf=3.04×10-6～3.42×10-6。兩個樣品的微量元素蛛網(wǎng)圖與E-MORB的具有相似性，但是相對虧損Nd、Ta(圖9d)。

4.3 鋯石年代學(xué)

4.3.1 鋯石特征

兩件變基性巖的鋯石形態(tài)和陰極發(fā)光圖像特征非常相似。樣品AQ17-1-1.2的鋯石主體為長柱狀自形晶，長寬比1:2.5～1:3.5。CL圖像顯示大部分鋯石具有核邊結(jié)構(gòu)，深色的核與灰白色的邊之間多發(fā)育不規(guī)則的具有熔蝕結(jié)構(gòu)的亮的薄殼，鋯石核部顯示弱的巖漿震蕩環(huán)帶特征，無環(huán)帶的灰白色邊部寬窄不一，有的寬達60μm以上，有的僅有幾微米(圖10)。透射圖像和CL圖像顯示鋯石核部包裹體較發(fā)育，邊部包裹體較少甚至不發(fā)育。個別鋯石無核邊結(jié)構(gòu)，呈長柱狀，灰白色，特征與繼承鋯石的邊部特征一致。

圖10 變基性巖代表性鋯石CL圖像特征

樣品AQ17-2-9.1的鋯石呈長柱狀，自形，長寬比1:2～1:4。CL圖像顯示大部分鋯石具有核邊結(jié)構(gòu)，核部較黑，具有弱的巖漿震蕩環(huán)帶特征，與發(fā)光均勻無環(huán)帶的灰白色邊部之間存在亮的不規(guī)則薄殼，灰白色邊寬窄不一。少數(shù)無核邊結(jié)構(gòu)的鋯石與繼承鋯石的邊部特征一致(圖10)。透射圖像和CL圖像顯示鋯石核部包裹體較發(fā)育，繼承鋯石邊部和無核邊結(jié)構(gòu)的鋯石包裹體很少甚至沒有。

4.3.2 鋯石稀土元素

變基性巖AQ17-1-1.2和AQ17-2-9.1鋯石稀土元素分析結(jié)果詳見表3和表4，相應(yīng)的稀土元素配分模式見圖9a, b所示。樣品AQ17-1-1.2的鋯石稀土元素配分曲線顯示：該樣品巖漿結(jié)晶鋯石核部重稀土元素(HREE)相對富集，輕稀土元素(LREE)相對虧損，且具有明顯的負(fù)Eu異常和正Ce異常；被改造的邊部HREE輕度富集或平坦，LREE元素相對虧損，具有明顯的正Ce異常和弱的或無負(fù)Eu異常；巖漿結(jié)晶鋯石的核部REE含量要比具有變質(zhì)鋯石特征(CL圖像特征)的鋯石邊部要高(圖9a)。樣品AQ17-2-9.1與樣品AQ17-1-1.2的鋯石稀土元素配分曲線特征具有相似性，鋯石巖漿結(jié)晶核部HREE相對富集，LREE相對虧損，具有明顯的負(fù)Eu異常和正Ce異常，顯示巖漿結(jié)晶成因；改造的鋯石邊部HREE輕度富集或平坦，輕稀土虧損，具有明顯的正Ce異常和弱的或無負(fù)Eu異常(圖9b)。上述兩個樣品鋯石稀土元素配分曲線特征表明：鋯石核部為巖漿結(jié)晶成因，而鋯石邊部既有變質(zhì)過程中不完全重結(jié)晶或被改造的成因特征，又有巖漿結(jié)晶成因特征。

表3 變基性巖(樣品AQ17-1-1.2)的鋯石LA-ICP-MS原位稀土元素分析結(jié)果(×10-6)

表4 變基性巖(樣品AQ17-2-9.1)的鋯石LA-ICP-MS原位稀土元素分析結(jié)果(×10-6)

4.3.3 鋯石U-Pb定年

對樣品AQ17-1-1.2中的鋯石核部和邊部分別進行了LA-ICP-MS U-Pb年齡測試，總共獲得了50組測試數(shù)據(jù)，除去7組不諧和的數(shù)據(jù)外，鋯石核部和邊部獲取的測試數(shù)據(jù)分別為20組和23組，測試數(shù)據(jù)詳見表5。20組鋯石核部分析數(shù)據(jù)的Th/U值介于0.46～1.25之間，記錄的年齡跨度很大，206Pb/238U年齡差可達483Ma，這些核均具有同樣的特征和性質(zhì)，但是記錄的年齡差別卻很大，說明了鋯石核部經(jīng)歷了后期熱事件的改造，發(fā)生了不完全重結(jié)晶作用。有5個分析點的年齡明顯偏老，它們的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1140±30Ma(MSWD=0.9)(圖11d)，這個值可能代表了繼承鋯石的年齡。23個鋯石邊部記錄的年齡跨度也很大，206Pb/238U年齡變化于1093±35Ma～452±5Ma之間，年齡差可達641Ma(表5)，他們的Th/U值介于0.04～0.76之間，這種年齡差別總體上也反映了這些鋯石發(fā)生了不完全重結(jié)晶。然而，有16組數(shù)據(jù)的Th/U值介于0.04～0.31之間，加權(quán)平均年齡為469±4.6Ma(MSWD=2.1)(圖11e)，諧和圖顯示這16個數(shù)據(jù)分布集中，這可能說明了這些鋯石經(jīng)歷了后期熱事件的改造后發(fā)生了完全的重結(jié)晶，因此，他們的加權(quán)平均年齡可能代表了后期熱事件發(fā)生的時代，這與區(qū)域上其他類型巖石獲得的變質(zhì)年齡在誤差范圍內(nèi)一致(Pengetal., 2017; 彭銀彪等, 2017)。

表5 變基性巖(樣品AQ17-1-1.2)的鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年結(jié)果

續(xù)表5

在同一顆鋯石中，巖漿鋯石核部記錄的年齡也明顯的比被改造的巖漿鋯石的邊部記錄的年齡明顯偏老(圖10)。CL圖像表明鋯石的核部均具有暗的弱巖漿震蕩環(huán)帶特征，且90%以上分析點的Th/U值大于0.4，75%以上分析點記錄的206Pb/238U年齡大于900Ma；鋯石的邊部均具有淺色面狀結(jié)構(gòu)特征，所有分析點的Th/U值均小于0.4，70%以上分析點記錄的206Pb/238U年齡小于500Ma。

上述現(xiàn)象表明該樣品鋯石晶體的邊部比核部發(fā)生不完全重結(jié)晶的程度要高，有的甚至達到了完全重結(jié)晶。除了6個鋯石核部記錄了較老的年齡和16個鋯石邊部記錄了的年齡集中分布在470Ma外，其余分析點的數(shù)據(jù)在諧和圖上均投影落在諧和線的下方(圖11f)。

除去1組不諧和的數(shù)據(jù)外，樣品AQ17-2-9.1鋯石核部和邊部獲取的測試數(shù)據(jù)分別為25組和24組，測試數(shù)據(jù)詳見表6。25組鋯石核部分析數(shù)據(jù)的Th/U值介于0.61～1.47之間，206Pb/238U年齡變化于705±8Ma～1187±11Ma之間，年齡差可達482Ma，與樣品AQ17-1-1.2相似，該樣品的核部均具有相同的性質(zhì)，但記錄的年齡卻差別很大，表明鋯石核部經(jīng)歷了后期熱事件的改造，發(fā)生了不同程度的不完全重結(jié)晶。9個分析點年齡明顯偏老且在諧和圖上分布相對集中，207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1119±24Ma(MSWD=0.29)(圖11b)，這些年齡可能代表了繼承鋯石的年齡。鋯石邊部記錄的206Pb/238U年齡變化于1031±30Ma～455±6Ma之間，年齡差可達576Ma(表6)，Th/U值0.04～0.72，具有相同的鋯石特征，但年齡差別很大，反映了這些鋯石也發(fā)生了不完全重結(jié)晶。17組數(shù)據(jù)的Th/U值為0.04～0.20，加權(quán)平均年齡為478.2±3.9Ma(MSWD=1.6)(圖11c)，諧和圖上這些數(shù)據(jù)集中分布，這可能說明這些鋯石經(jīng)歷了后期熱事件的改造后發(fā)生了完全的重結(jié)晶，他們的加權(quán)平均年齡可能代表了后期熱事件發(fā)生的時代，與區(qū)域上獲得的變質(zhì)年齡誤差范圍內(nèi)一致(Pengetal., 2017; 彭銀彪等, 2017)。

表6 變基性巖(樣品AQ17-2-9.1)的鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年結(jié)果

續(xù)表6

在同一顆鋯石中，巖漿鋯石核部記錄的年齡也明顯的比被改造的巖漿鋯石的邊部記錄的年齡明顯偏老(圖10)。與樣品AQ17-1-1.2一致，該樣品鋯石晶體的邊部比核部發(fā)生不完全重結(jié)晶的程度要高，有的甚至達到了完全重結(jié)晶。除了9個鋯石核部記錄了較老的年齡和17個鋯石邊部記錄了的年齡集中分布在478Ma左右外，其余分析點的數(shù)據(jù)在諧和圖上均投影落在諧和線的下方或諧和線上，并可連成一條不一致線，其上交點年齡為1110±18Ma，與9個偏老年齡所得的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡在誤差范圍內(nèi)近似一致，應(yīng)代表了變基性巖的原巖結(jié)晶年齡，下交點年齡為451±23Ma，與諧和圖上17個集中分布年齡的加權(quán)平均年齡在誤差范圍內(nèi)一致，也與區(qū)域上其他類型巖石獲得的變質(zhì)年齡在誤差范圍內(nèi)一致，應(yīng)代表了變基性巖的變質(zhì)作用時代(圖11a)。

圖11 變基性巖的鋯石U-Pb諧和圖

5 相平衡模擬與P-T軌跡

樣品AQ17-1-1.2選擇NCKFMASHTO(Na2O-CaO-K2O-FeOtotal-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-TiO2-O(Fe2O3))體系，利用3.45版THERMOCALC軟件進行相平衡模擬(Powelletal., 1988；2016年更新)，內(nèi)部一致性熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫采用ds62(Holland and Powell, 2011)，相關(guān)礦物活度模型包括：熔體、單斜輝石、角閃石(Greenetal., 2016)；石榴子石、黑云母(Whiteetal., 2014)；長石(Holland and Powell, 2003)；鈦鐵礦(Whiteetal., 2000)；磁鐵礦(Whiteetal., 2002)。

在XRF方法獲得的全巖成分基礎(chǔ)上，根據(jù)測得的H2O+和Fe2O3的含量確定模擬所需的H2O和O含量，巖石中MnO含量很低(<0.2%)，故所選化學(xué)體系未考慮MnO。假設(shè)P2O5主要形成磷灰石，并對CaO含量做出相應(yīng)調(diào)整，歸一后獲得計算所用的全巖成分(mol%)為：SiO2：49.43；Al2O3：9.18；CaO：8.1；MgO：8.23；FeO：13.46；K2O：1.05；Na2O：2.99；TiO2：1.71；O：1.66；H2O：4.19。

圖12為樣品AQ17-1-1.2的P-T視剖面，范圍為T=650～900℃，P=4～12kbar。固相線出現(xiàn)在710～790℃溫度區(qū)間；石榴子石穩(wěn)定在壓力大于6.1～7.6kbar；磁鐵礦在壓力小于6.2～8.2kbar條件下穩(wěn)定存在；黑云母在溫度小于730～819℃條件下穩(wěn)定存在；斜方輝石穩(wěn)定于壓力小于9.2kbar，溫度大于745℃的區(qū)域；鉀長石穩(wěn)定于壓力大于6～8.2kbar的區(qū)域；石英穩(wěn)定于溫度小于750～860℃的區(qū)域；鈦鐵礦在壓力小于10.8～12kbar的區(qū)域穩(wěn)定；金紅石在壓力大于10.1～12kbar的區(qū)域穩(wěn)定。在石榴子石的穩(wěn)定區(qū)域，鎂鋁榴石含量等值線與壓力軸近似平行，隨著溫度的升高含量逐漸升高；斜長石An含量等值線與溫度軸基本平行，隨著壓力的降低，An含量逐漸升高；角閃石的Ti含量等值線在壓力大于9～12kbar范圍內(nèi)與壓力軸近平行，在壓力小于9kbar范圍內(nèi)與溫度壓力軸呈高角度相交，隨著溫度壓力的降低含量逐漸降低；黑云母XMg等值線顯示隨著溫度壓力的降低XMg值逐漸增大。

圖12 石榴斜長角閃巖(AQ17-1-1.2)P-T視剖面圖及P-T演化軌跡

如圖12所示，峰期礦物組合Grt+Pl+Kfs+Aug+Amp+Ilm+Qz在視剖面圖上穩(wěn)定在T=740～860℃，P=7.8～12kbar區(qū)域。實測石榴子石從核部(Grt1)到邊部(Grt2)鎂鋁榴石組分含量逐漸升高(圖5)，在視剖面圖中Grt+Pl+Kfs+Aug+Amp+Ilm+Qz+Liq組合穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為逐漸升溫的過程；實測石榴子石從核部到邊部斜長石包體的An值逐漸升高，在視剖面圖中表現(xiàn)為逐漸降壓的過程；石榴子石及其包體斜長石的成分可能記錄了一個升溫降壓的過程，利用石榴子石邊部包裹的斜長石最低的An值(An=0.22)與石榴子石中最高的鎂鋁榴石成分(XPrp=0.15)限定峰期穩(wěn)壓條件為P=10.6kbar，T=800℃(圖12)；實測石榴子石從邊部(Grt2)到最邊部(Grt3)鎂鋁榴石組分含量逐漸降低(0.15→0.13)，在視剖面圖中表現(xiàn)為逐漸降溫的過程；實測斜長石變斑晶從核部到邊部An值逐漸升高(An28→An33，An32→An37)，在視剖面圖中表現(xiàn)為逐漸降壓的過程；巖相學(xué)觀察顯示晚期退變質(zhì)階段以“白眼圈”結(jié)構(gòu)及黑云母和磁鐵礦的出現(xiàn)為特征，磁鐵礦的產(chǎn)出狀態(tài)表明其形成與熔體結(jié)晶有關(guān)，因此，推測其可能經(jīng)歷了峰期之后的近等溫降壓的P-T軌跡(圖12)。

6 討論

6.1 變基性巖的變質(zhì)作用P-T軌跡

根據(jù)石榴子石邊部斜長石包體最低的An值等值線和石榴子石邊部最高鎂鋁榴石組分含量等值線的交點在視剖面圖中限定樣品AQ17-1-1.2的峰期溫壓條件為：P=10.6kbar，T=800℃，峰期礦物組合為Grt+Pl+Kfs+Aug+Amp+Ilm+Qz，與巖相學(xué)觀察推測的峰期礦物組合一致。峰期溫壓條件下，巖石發(fā)生了部分熔融，產(chǎn)生～4.2%的熔體(圖12)。礦物化學(xué)結(jié)果顯示石榴子石從核部到邊部鎂鋁榴石成分逐漸升高，石榴子石中的斜長石包體An值從核部到邊部逐漸升高，可能記錄了升溫降壓的進變質(zhì)階段(圖12)。石榴子石從邊部(Grt2)到最邊部(Grt3)Xprp值從0.15減小到0.13，在視剖面圖峰期礦物組合對應(yīng)的區(qū)域體現(xiàn)為近等溫降壓的P-T軌跡；基質(zhì)中部分斜長石從核部到邊部An值逐漸增大，在視剖面圖中表現(xiàn)為壓力逐漸降低；磁鐵礦的產(chǎn)出狀態(tài)表明其與晚期鈦鐵礦共生，且兩者的形成與熔體的結(jié)晶有關(guān)；黑云母常圍繞白眼圈結(jié)構(gòu)或切割基質(zhì)角閃石產(chǎn)出，而被磁鐵礦切割，指示黑云母晚于白眼圈結(jié)構(gòu)而早于磁鐵礦形成。石榴子石周圍發(fā)育“白眼圈”結(jié)構(gòu)，是基性麻粒巖近等溫降壓型P-T軌跡的巖相學(xué)標(biāo)志(Harley, 1989)，因此，推測該樣品在峰期之后經(jīng)歷了近等溫降壓的P-T軌跡(圖12)。沿著P-T軌跡，黑云母的XMg逐漸增大，角閃石的Ti逐漸降低，與實測黑云母和角閃石成分的變化一致；退變質(zhì)階段，黑云母先于磁鐵礦而晚于白眼圈結(jié)構(gòu)形成，這與薄片中觀察到的磁鐵礦切割黑云母，黑云母切割白眼圈結(jié)構(gòu)現(xiàn)象相吻合。如果峰期產(chǎn)生的全部熔體未丟失并參加退變質(zhì)反應(yīng)，在P=7.4kbar，T=795℃條件下石榴子石會消失。但發(fā)生部分熔融的巖石，保存的熔體最多為熔體總量的10%(Brown, 2007)，而且熔體保存的比例不僅與熔體的產(chǎn)量有關(guān)、還與巖石發(fā)生的應(yīng)變等密切相關(guān)。野外觀察顯示，部分巖石發(fā)生了強變形呈片麻狀構(gòu)造，鏡下觀察顯示該樣品中礦物發(fā)生了弱的定向排列，這表明巖石中保留的熔體少于0.4%，熔體發(fā)生了丟失，這與露頭上觀察到淺色體脈的存在相一致。熔體發(fā)生丟失，那么參與退變質(zhì)反應(yīng)的殘留熔體不足以消耗掉所有的石榴子石。此外，巖相學(xué)觀察顯示：石榴子石多被中粒角閃石包圍(圖4a、圖5)，角閃石的存在某種程度上阻隔了退變質(zhì)階段石榴子石與熔體的充分接觸，使得熔體不能和石榴子石一起參加退變質(zhì)反應(yīng)，這可能也是導(dǎo)致石榴子石未被完全消耗掉的又一原因。

6.2 變基性巖鋯石性質(zhì)及其成因

變基性巖鋯石透反射照片顯示其具有巖漿鋯石的特征，CL圖像顯示多數(shù)鋯石具核邊結(jié)構(gòu)，大部分核具有弱的巖漿震蕩環(huán)帶特征，且Th/U>0.4，為巖漿成因，鋯石核部球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線的特征也證實了這一點。同樣特征的鋯石核部記錄年齡差別很大，應(yīng)是后期熱事件的改造，使得他們發(fā)生了不同程度的不完全重結(jié)晶作用。變基性巖繼承鋯石邊部CL圖像特征與變質(zhì)鋯石相似，兩個樣品邊部Th/U值介于0.04～0.76之間，記錄的年齡差異很大，球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線顯示既有巖漿成因特征，又有變質(zhì)成因特征，這些表明繼承鋯石的邊部為不完全重結(jié)晶形成的，重結(jié)晶程度相對鋯石核部要高。因此，鋯石的邊部和與之特征相似的鋯石，應(yīng)是后期熱事件過程中發(fā)生高程度不完全重結(jié)晶形成的。

6.3 變基性巖的原巖形成時代和變質(zhì)時代

上述討論表明兩個變基性巖中鋯石發(fā)生了不完全重結(jié)晶作用，且大部分鋯石核和邊具有一定的鉛丟失，但樣品AQ17-2-9.1的年齡數(shù)據(jù)構(gòu)成了一條較好的不一致曲線，其上交點年齡為1110±18Ma，下交點年齡為451±23Ma。在該樣品中9個年齡明顯偏老分析點的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1119±24Ma(MSWD=0.29)，樣品AQ17-1-1.2中5個年齡明顯偏老分析點的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為1140±30Ma(MSWD=0.9)，上交點年齡與這兩個加權(quán)平均年齡誤差范圍內(nèi)一致，因此，我們認(rèn)為上交點年齡1110±18Ma應(yīng)代表了變基性巖AQ17-2-9.1的原巖結(jié)晶年齡，1140±30Ma應(yīng)代表了變基性巖AQ17-1-1.2的原巖結(jié)晶年齡。

變質(zhì)重結(jié)晶鋯石的Th/U比值和U-Pb年齡有明顯的正相關(guān)關(guān)系，只有那些Th/U比值最低、年齡最小測點年齡值的加權(quán)平均年齡才能代表鋯石重結(jié)晶作用發(fā)生的時間(吳元保和鄭永飛, 2004)。樣品AQ17-2-9.1中17個測點的Th/U值為0.04～0.2，加權(quán)平均年齡為478.2±3.9Ma(MSWD=1.6)，這個年齡與該樣品得到的下交點年齡在誤差范圍內(nèi)近似一致，因此，478.2±3.9Ma應(yīng)代表了鋯石重結(jié)晶作用發(fā)生的時間。樣品AQ17-1-1.2中16個測點的Th/U值介于0.04～0.31之間，加權(quán)平均年齡為469±4.6Ma(MSWD=2.1)，這個值誤差范圍內(nèi)與478.2±3.9Ma近似一致，應(yīng)代表了該基性巖中鋯石重結(jié)晶作用發(fā)生的時間。麻粒巖中鋯石的生長主要發(fā)生于與熔體結(jié)晶有關(guān)的降溫過程(Kelsey and Powell, 2011; Yakymchuk and Brown, 2014)，麻粒巖相鋯石記錄的退變質(zhì)年齡與峰期變質(zhì)年齡的差異大小，與巖石所經(jīng)歷的P-T軌跡有關(guān)(魏春景, 2016)。樣品AQ17-1-1.2變質(zhì)作用研究表明該樣品在麻粒巖相峰期之后經(jīng)歷了近等溫降壓的P-T軌跡，因此，469～478Ma的年齡應(yīng)近似記錄了麻粒巖相變質(zhì)作用的年齡。

6.4 地質(zhì)意義

13～10億年的格林威爾造山運動的發(fā)生，使得早期存在的克拉通塊體以勞倫大陸為中心發(fā)生了俯沖、增生和碰撞，形成了羅迪尼亞超大陸(Lietal., 2008; Nanceetal., 2014)。與格林威爾造山作用相關(guān)的變質(zhì)作用和巖漿作用是羅迪尼亞超大陸重建的關(guān)鍵。祁連地塊為深變質(zhì)的前寒武地塊，近年來在祁連地塊中識別出了1100～900Ma的變質(zhì)作用和弧相關(guān)的巖漿作用(Songetal., 2012; Tungetal., 2012, 2013; Yuetal., 2013; Fuetal., 2019)，且均形成于主動大陸邊緣環(huán)境。本文研究的兩個變基性巖樣品來自祁連地塊(前寒武基底)的北緣，鋯石U-Pb年齡測試顯示，這兩個變基性巖的原巖結(jié)晶年齡分別為1110±18Ma和1140±30Ma，與格林威爾造山作用發(fā)生的時間一致，變基性巖稀土元素配分曲線和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖顯示這些曲線與E-MORB標(biāo)準(zhǔn)曲線一致，這些可能指示變基性巖原巖是格林威爾造山作用的產(chǎn)物，祁連地塊可能卷入了格林威爾造山事件。

位于青藏高原東北緣的北阿爾金造山帶和北祁連造山帶屬于早古生代增生造山帶(Wuetal., 1993; 張建新等, 1997, 1998, 2015; Xiaetal., 1999, 2003; 許志琴等, 1994; Gehrelsetal., 2003a, b; Songetal., 2006, 2013; Xiaoetal., 2009; Zhangetal., 2007, 2017)，均發(fā)育典型的蛇綠巖和高壓/低溫變質(zhì)巖(Wuetal., 1993; Zhangetal., 2005; 張建新和孟繁聰, 2006; 張建新等, 2007; Songetal., 2007; Wei and Song, 2008)，其中北祁連造山帶還發(fā)育早古生代島弧巖漿雜巖和弧后盆地巖石組合，發(fā)育典型的“溝-弧-盆”體系(許志琴等, 1994; 張建新和許志琴, 1995; 張建新等, 1997, 1998; Zhangetal., 2012, 2017)。形成于島弧或弧后環(huán)境的蛇綠巖時代為500Ma左右的(相振群等, 2007; 孟繁聰?shù)? 2010; Xiaetal., 2012)；低溫榴輝巖的年齡為463～489Ma(宋述光等, 2004; Zhangetal., 2007)；島弧巖漿雜巖形成時代450～510Ma(張建新等, 1997; Wangetal., 2005; 吳才來等, 2010; Chenetal., 2014)。前人通過對榴輝巖相變沉積巖的研究認(rèn)為變沉積巖既有來自早古生代早期(寒武紀(jì))的碎屑物質(zhì)，也有來自祁連地塊的前寒武紀(jì)(古元古代-新元古代為主)的陸源碎屑物質(zhì)(喻星星和張建新, 2016)。近年來在北祁連造山帶南部(祁連地塊北部)識別出了一個侵入巖年齡為512～476Ma的弧巖漿帶(吳才來等, 2010; Pengetal., 2017; 彭銀彪等, 2017)和493～504Ma的變質(zhì)事件(彭銀彪等, 2017)。宋志杰等(2019)在中祁連地塊北緣識別出了退變榴輝巖，確定其經(jīng)歷了一個順時針的P-T演化軌跡，榴輝巖相變質(zhì)作用的上限年齡為485±22Ma。因此，前人認(rèn)為北祁連洋也存在向南的俯沖(Gehrelsetal., 2003a, b; Huangetal., 2015; Pengetal., 2017; Xiaoetal., 2009; Zhangetal., 2012; 李金平等, 2009; 彭銀彪等, 2017; 吳才來等, 2010; 喻星星和張建新, 2016; 宋志杰等, 2019)。

樣品AQ17-1-1.2變質(zhì)作用和年代學(xué)研究顯示該巖石經(jīng)歷了469Ma的麻粒巖相變質(zhì)作用和峰期之后近等溫降壓的退變質(zhì)階段。兩個樣品的變質(zhì)年齡均落入了區(qū)域內(nèi)識別出的弧巖漿帶侵入巖的年齡范圍，這表明北祁連洋不僅存在北向俯沖，同時存在南向俯沖，南向俯沖導(dǎo)致俯沖帶上盤祁連地塊內(nèi)發(fā)生了與此次俯沖相關(guān)的弧巖漿作用和麻粒巖相變質(zhì)作用，使得前寒武紀(jì)基底在古生代再活化，使得結(jié)晶年齡為1140～1110Ma的基性巖發(fā)生了469～478Ma的變質(zhì)作用。已有資料顯示北祁連洋向南俯沖引發(fā)的變質(zhì)作用時代為485～504Ma(彭銀彪等, 2017; 宋志杰等, 2019)，結(jié)合本文的研究，我們認(rèn)為該期變質(zhì)作用至少持續(xù)到了469Ma。

7 結(jié)論

根據(jù)以上的研究，我們得出以下幾點結(jié)論：

(1)連祁地塊北緣門源寶庫河附近的變基性巖經(jīng)歷了麻粒巖相變質(zhì)作用，其峰期溫壓條件為P=10.6kbar、T=800℃，峰期之后經(jīng)歷了近等溫降壓的P-T軌跡。

(2)變基性巖的原巖結(jié)晶年齡分別為1110±18Ma和1140±30Ma，麻粒巖相變質(zhì)年齡分別為478.2±3.9Ma和469±4.6Ma。

(3)祁連地塊可能卷入了Rodina超大陸的形成過程，北祁連洋的南向俯沖使得祁連地塊北緣經(jīng)歷了早古生代的再活化。

致謝感謝兩位審稿人對論文原稿提出了建設(shè)性的修改意見和建議，使作者受益匪淺。