地球科学  2018, Vol. 43 Issue (4): 1237-1252.   PDF    
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蓝岭地区蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩变质P-T轨迹
王仕林, 杜瑾雪, 王根厚, 梁晓     
中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要:羌塘中部蓝岭地区的蓝片岩呈透镜状包裹于多硅白云母片岩中.首次在多硅白云母片岩中发现的硬柱石被包裹于石榴石边部的石英颗粒中,正确厘定蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩的变质P-T轨迹对进一步探讨龙木错-双湖低温高压变质带的形成与演化具有重要意义.详细的岩相学和相平衡模拟显示,蓝片岩经历了较为明显的热驰豫过程(压力峰期条件为490 ℃/2.4 GPa、温度峰期条件为540 ℃/2.1 GPa),而含硬柱石多硅白云母片岩却经历了相对较弱的热驰豫过程(峰期温压条件为530 ℃/2.2 GPa).另外,蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩经历了相似的近等温降压的退变质轨迹,这可能暗示着密度较大的基性蓝片岩在折返过程中是借助于大面积、低密度的含硬柱石多硅白云母片岩的浮力才得以折返至地壳层次.
关键词青藏高原    羌塘中部    蓝岭    蓝片岩    含硬柱石多硅白云母片岩    变质P-T轨迹    岩石学    
Metamorphic P-T Paths of Blueschist and Lawsonite-Bearing Phengite Schist in Lanling Area, Central Qiangtang
Wang Shilin , Du Jinxue , Wang Genhou , Liang Xiao     
School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: The blueschist is lenticularly wrapped in the lawsonite-bearing phengite schist in Lanling area, central Qiangtang. The lawsonite included in quartz, which, on its part, is enclosed in porphyroblastic garnet in the phengite schist, is discovered for the first time. Studying on the metamorphic P-T paths of the blueschist and lawsonite-bearing phengite schist is important for the further research of the formation and evolution of the Longmu Co-Shuanghu low-temperature and high-pressure metamorphic belts. The detailed petrography and phase equilibria modeling reveal that the blueschist experienced a more obvious thermal relaxation process (the peak pressure conditions are 490℃ and 2.4 GPa, and the peak temperature conditions are 540℃, 2.1 GPa) while the lawsonite-bearing phengite schist has barely experienced a thermal relaxation process (the peak temperature and pressure conditions are 530℃ and 2.2 GPa). The similarity of the retrograde P-T paths of the blueschist and lawsonite-bearing phengite schist reveals that the exhumation of the blueschist from Lanling area, central Qiangtang, may have resulted from the exhumation of the low-density lawsonite-bearing phengite schist, which carried the denser blueschist to the earth's crust levels.
Key Words: Tibetan plateau    central Qiangtang    Lanling    blueschist    lawsonite-bearing phengite schist    metamorphic P-T path    petrology    

高压变质带作为了解洋壳/陆壳俯冲、碰撞造山及折返全过程的重要窗口(张立飞等,2013),为大家揭示了板块裂解、洋盆扩张、洋壳物质和部分陆壳物质(张修政等,2014)发生俯冲并快速折返至地壳以及板块碰撞、缝合造山的整个过程(杨经绥等,2009刘金龙等,2016).羌塘中部低温高压变质带作为青藏高原内部一条典型的洋壳冷俯冲型变质带,主要由榴辉岩、多硅白云母片岩和蓝片岩组成(董永胜等,2010).蓝岭地区位于该低温高压变质带的核心位置,区内蓝片岩主要呈透镜体状、断块状产出于多硅白云母片岩和大理岩中.前人针对这套高压岩石组合,开展了相应的岩石地球化学、年代学、实验岩石学以及变质地质学的研究(Kapp et al., 2003翟庆国等,2009Liu et al., 2011郑艺龙,2012杨波,2015Liang et al., 2017),但结论却相差颇大,尤其是蓝片岩的变质演化过程.部分学者认为蓝片岩的峰期温压条件为460℃/1.0GPa左右(Kapp et al., 2003郑艺龙,2012),其变质P-T轨迹可分为三段:升温升压进变质阶段、近等温降压退变质和降温降压退变质阶段(Kapp et al., 2003郑艺龙,2012),从而推断此变质带可能是松潘甘孜地区的古特提斯洋向南“平板俯冲”至羌塘地块之下的结果(Kapp et al., 2003);也有学者认为蓝片岩的峰期温压条件为550℃/2.2GPa左右(Liu et al., 2011车晓超,2013),其变质P-T轨迹可分为两段:升温降压进变质轨迹和近等温降压退变质阶段,蓝片岩依次经历了硬柱石榴辉岩相和绿帘石榴辉岩相,从而推断此变质带系冷洋壳俯冲的结果(Liu et al., 2011).而最新的研究结果表明,蓝岭高压变质带可细分为核、幔、边三部分.核部以石榴石蓝片岩为主,峰期温压条件为450℃/2.2GPa,其变质P-T轨迹可分为三段:升温升压进变质阶段,近等温降压退变质阶段和降温降压退变质阶段;幔部以绿帘石蓝片岩为主,峰期温压条件为400℃/1.3GPa,其变质P-T轨迹可细分为三段:升温升压进变质阶段,近等温降压退变质阶段和降温降压退变质阶段,其中在降温降压退变质阶段中有一阶段是升温升压阶段,以此推断此变质带可能是古特提斯洋发生原地冷俯冲的结果(Liang et al., 2017).为解决上述分歧,本文拟以羌塘中部蓝岭地区的蓝片岩为解剖窗口,从岩石学的角度对其变质作用演化进行研究,着重采用相平衡模拟的方法研究蓝片岩的变质作用.另外,本文还拟对多硅白云母片岩的变质演化过程进行研究,并将蓝片岩的变质P-T轨迹与其进行对比分析,以期查明蓝片岩的折返机制,进而为理解该变质带中低温高压变质岩石的形成与演化、俯冲-折返过程提供岩石学上的依据.

1 区域地质概况

龙木错-双湖低温高压变质带沿近东西向发育于青藏高原内部(图 1),西起红脊山,经冈玛错、果干加年山、片石山、依布茶卡和蓝岭,向东一直延伸到双湖一带(Kapp et al., 2003陆济璞等,2006刘焰和吕永增,2011Zhai et al., 2011郑艺龙,2012车晓超,2013张修政等,2014杨波,2015Liang et al., 2017;如图 1),长度超过500 km.该变质带主要由榴辉岩、蓝片岩、石榴石多硅白云母片岩和蓝闪石大理岩等组成(张修政等,2014).该条低温高压带将羌塘划分为羌南和羌北两个地块.北羌塘主要由晚泥盆世至三叠世的沉积序列组成,上覆侏罗纪至新生代的沉积岩及三叠纪的火山岩主要出露在北羌塘南缘(翟庆国等,2009),在一些晚古生代的沉积岩中发现了具有华夏系温水动物群的类和珊瑚化石(Zhai et al., 2011);而南羌塘主要由中奥陶纪至二叠纪的变质沉积岩组成,上覆侏罗纪至新生界的沉积岩,内部包含冰海沉积以及亲冈瓦纳的冷水动物群,这与藏南地区石炭-二叠纪的沉积环境大体一致(李才等,1995).

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图 1 羌塘中部龙木错-双湖缝合带地质简图 Fig. 1 Simplified geological map of the Longmu Co-Shuanghu suture, central Qiangtang a.青藏高原大地构造单位划分(修改自赵少卿等,2015孟元库等,2016);b.羌塘中部龙木错-双湖缝合带地质简图(修改自Liang et al., 2017)

尼玛县荣玛乡蓝岭地区出露的蓝片岩和多硅白云母片岩作为羌塘中部低温高压变质带的重要组成部分,其变质作用演化P-T轨迹的精确厘定对研究该高压变质带具有重要的意义.蓝岭位于戈木日-角木日变质杂岩的核心位置,在区域尺度上,蓝岭的基性蓝片岩呈透镜体、断块状产出于大理岩和多硅白云母片岩中(图 2),而且这些大理岩亦经历了蓝片岩相变质作用(翟庆国等,2009).野外露头上可见明显的残余枕状构造,同时绝大部分基性蓝片岩具有OIB的地球化学特征,个别低Ti的样品具有E-MORB特征(郑艺龙,2012),其岩石组合特征能够很好地与地球化学特征相互印证,主体为洋岛/海山俯冲消减的产物(郑艺龙,2012).

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图 2 羌塘中部蓝岭地区蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩野外特征 Fig. 2 Field photograph of the blueschist and the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang

蓝片岩出露于蓝岭西北侧,多呈透镜状、孤立块状产出于含硬柱石多硅白云母片岩中.在二者的接触界面上,蓝片岩的产状为104°∠82°,含硬柱石多硅白云母片岩的产状为107°∠66°,本文挑选了两块典型的样品(蓝片岩L1414-1和含硬柱石多硅白云母片岩L1414-7)进行详细的岩相学和相平衡模拟研究.

2 岩相学与矿物学研究

电子探针主要在中国科学院地质与地球物理研究所完成,部分在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成.测试过程中所采用的仪器型号为:JEOL EPMA8100和JEOL EPMA8230,分析条件为:20kV加速电压、10nA束流、2μm束斑(云母5μm)、10s计数,标准样品为美国SPI矿物标样.主量元素相对误差小于2%.矿物分子式均采用Ax软件计算(http://www.esc.cam.ac.uk/research-groups/holland/ax).矿物代号依照Holland et al.(1998):铁铝榴石-alm,绿帘石-ep,钙铝榴石-gr,硬柱石-law,镁铝榴石-py,锰铝榴石-spss,硬玉-jd,蓝闪石-gl,钠云母-pa,滑石-ta,柯石英-coe,石英-q,赤铁矿-hem,金红石-ru,蓝晶石-ky和磁铁矿-mt.其他矿物的代号为:硬绿泥石-ctd,石榴石-g,绿泥石-chl,青铝闪石-cte,镁纤柱石-mcar,黑云母-bi,多硅白云母-ph和斜长石-pl.

2.1 蓝片岩(样品L1414-1)

蓝片岩L1414-1主要由石榴石(30%;体积百分数,下同)、蓝闪石(40%)、钠云母(10%)和绿帘石(10%)组成,并含有少量的硬绿泥石、金红石、钛铁矿、多硅白云母和绿泥石.岩石整体呈块状构造,中粗粒粒状变晶结构.部分代表性的矿物电子探针数据见表 1.

表 1 羌塘中部蓝岭地区蓝片岩典型矿物成分(%) Table 1 Compositions of representative minerals in the blueschist from Lanling, central Qiangtang (%)

石榴石呈半自形-他形粒状变斑晶,粒径大多在0.1~0.4mm,内部包裹金红石、磷灰石等矿物(图 3a).电子探针测试结果表明,变斑晶石榴石的成分环带较明显,可分为核、幔、边三部分(图 4a4c).核部, 相对贫镁铝榴石组分(2.32%~4.60%,即100×Mg/(Mg+Ca+Mn+Fe2+);摩尔百分数,下同)和钙铝榴石组分(13.91%~14.89%,即100×Ca/(Mg+Ca+Mn+Fe2+)),而富铁铝榴石组分(38.16%~54.15%,即100×Fe2+/(Mg+Ca+Mn+Fe2+))和锰铝榴石组分(26.73%~46.29%,即100×Mn/(Mg+Ca+Mn+Fe2+));幔部,伴随着锰铝榴石组分呈“钟型”快速下降(25.37%~11.20%,摩尔百分数),铁铝榴石组分快速升高(55.12%~60.28%,摩尔百分数),而钙铝榴石组分(14.28%~19.33%,摩尔百分数)和镁铝榴石组分(5.03%~11.71%,摩尔百分数)略有升高;边部,锰铝榴石组分(11.54%~4.86%,摩尔百分数)和钙铝榴石组分(21.08%~17.87%,摩尔百分数)略有下降,而镁铝榴石组分(10.53%~13.54%,摩尔百分数)和铁铝榴石组分(58.12%~63.86%,摩尔百分数)略有升高.石榴石呈锰铝榴石组分的“钟型”剖面以及边部钙铝榴石组分降低而镁铝榴石组分升高等特点,共同表现了石榴石完整的生长环带特征(Spear and Peacock, 1990).

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图 3 羌塘中部蓝岭地区蓝片岩岩相学特征 Fig. 3 Microphotographs of the blueschist from Lanling, central Qiangtang a.蓝片岩的第Ⅰ期矿物组合(单偏光),红色带箭头实线(ABCDEF)依次代表图 4c图 5b图 6a中石榴石、蓝闪石和硬绿泥石成分剖面所在的位置;b.硬绿泥石边部退变质成多硅白云母和绿泥石;c.蓝片岩的第Ⅱ期矿物组合(单偏光);d.绿帘石中包裹钠云母、蓝闪石和石英等包体
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图 4 羌塘中部蓝岭地区蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩中石榴石成分图解 Fig. 4 Mineral chemistry diagrams showing variation of garnet in the blueschist and the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang a.蓝片岩的alm+spss-gr-py图解;b.含硬柱石多硅白云母片岩的alm+spss-gr-py图解;c.蓝片岩中石榴石成分环带图解(对应于图 3a中石榴石的AB成分剖面);d.含硬柱石多硅白云母片岩中石榴石成分环带图解(对应于图 7a中石榴石的AB成分剖面)

蓝闪石的产状可分为3种:在基质中呈变斑晶产出(图 3a);以包体的形式出现在硬绿泥石中(图 3a);以包体的形式出现在绿帘石中(图 3c).3种产状的蓝闪石成分均落在了蓝闪石区域内(图 5a).基质中的蓝闪石呈自形-半自形长柱状变斑晶,粒径大多在0.20~0.65mm,内含少量金红石.显微镜下和背散射下均可见明显的核边结构(图 3a),从核部到边部,(Ca)M4含量明显升高(0.04~0.18p.f.u.,即每单位晶胞中的原子数,下同)而X(gl)(即Mg/(Fe2++Mg))却明显降低(0.69~0.58;图 5b).硬绿泥石中的蓝闪石包体呈水滴状或纺锤状分布于硬绿泥石的核部和边部(图 3a).硬绿泥石核部的蓝闪石包体的(Ca)M4(0.04~0.08p.f.u.)和X(gl)(0.64~0.65)较高;边部的蓝闪石包体的(Ca)M4(0.03p.f.u.)和X(gl)较高(0.36),整体上相当于基质中蓝闪石的核部向边部过渡部分的成分.绿帘石中的蓝闪石包体呈椭圆状或纺锤状分布于绿帘石边部(图 3d),其(Ca)M4X(gl)分别为0.17~0.24p.f.u.和0.64~0.66,整体上相当于基质中的蓝闪石的边部成分.

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图 5 羌塘中部蓝岭地区蓝片岩中蓝闪石成分图解 Fig. 5 Mineral chemistry diagrams showing variation of glaucophane in the blueschist from Lanling, central Qiangtang a.蓝闪石Mg/(Mg+Fe2+)-Si分类图解(Leake et al., 1997);b.蓝闪石Mg/(Fe2++Mg)环带图解(对应于图 3a中蓝闪石的CD成分剖面)

硬绿泥石呈自形-半自形板柱状变斑晶产出于基质中,内含蓝闪石和金红石等包体,边部可见退变质形成的绿泥石和白云母(图 3a, 3b).部分颗粒单偏光下的颜色环带(核部暗黄色-黄色,边部墨蓝色)指示其具有成分环带(图 3a),从核部到边部X(cld)(即Fe2+/(Fe2++Mg))先降低(0.741~0.674)后升高(0.674~0.721,图 5b),与岩相学中所观察的相一致(富Mg和富Fe区域相间出现).

钠云母呈细粒片状产出于基质中,钠云母成分接近其理想端元Na{Al2[AlSi3O10](OH)2},边缘可见绿泥石化,内部含有少量针柱状金红石;多硅白云母出现在硬绿泥石的退变质边部(图 3b,Si=3.30p.f.u.)和基质中(图 3d,Si=3.21~3.23p.f.u.).

绿帘石呈半自形-自形柱状产出于基质中,粒径大多为0.3~0.6mm,内含蓝闪石、金红石、钠云母等包体(图 3d),绿帘石组分(即Fe3+/(Fe3++Al-1))含量变化于0.32~0.39.绿泥石作为后期退变质产物产出于绿帘石、钠云母、多硅白云母、硬绿泥石和石榴石的边缘,X(chl)(即Fe2+/(Fe2++Mg))的含量变化范围为0.43~0.44.金红石呈他形粒状,以包体的形式产出在石榴石、多硅白云母和硬绿泥石中.

结合蓝片岩L1414-1镜下矿物组合和电子探针分析结果,厘定两期矿物共生组合:第Ⅰ期矿物共生组合为绿帘石+硬绿泥石+蓝闪石+石榴石+多硅白云母+石英,第Ⅱ期矿物共生组合为绿帘石+绿泥石+钠云母+石榴石+蓝闪石+多硅白云母+石英.

2.2 含硬柱石多硅白云母片岩(样品L1414-7)

含硬柱石多硅白云母片岩是蓝片岩的直接围岩,岩石呈片状构造,斑状变晶结构,基质为鳞片粒状变晶结构.主要由石榴石(20%;体积分数,下同)、多硅白云母(25%)、钠云母(15%)、石英(40%)及少量的方解石、金红石、绿泥石和钠长石等组成.硬绿泥石和硬柱石均以包体的形式存在于石榴石中.部分代表性的矿物电子探针数据见表 2.

表 2 羌塘中部蓝岭含硬柱石多硅白云母片岩典型矿物成分(%) Table 2 Compositions of representative minerals in the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang (%)

石榴石呈半自形-他形中-粗粒粒状变晶结构,粒径大多在1.40~3.25mm.石榴石呈透镜状产出于多硅白云母构成的片理中,两侧的拖尾由石英和多硅白云母组成(图 6a).石榴石中包体发育,长柱状硬绿泥石和片状钠云母被包裹于石榴石核部(图 6a6b),而包裹于石英中的硬柱石则出现在石榴石边部(图 6d).电子探针测试分析表明,石榴石环带可分为核部和边部两个部分(图 4b4d),核部相对富钙铝榴石(20.32%~26.04%)和铁铝榴石组分(67.16%~69.11%),而贫镁铝榴石(4.18%~4.69%)和锰铝榴石组分(2.12%~6.01%),至边部,钙铝榴石组分快速下降(23.34%~11.23%)而铁铝榴石组分快速升高(69.58%~81.71%),与此同时,锰铝榴石组分略有下降(2.65%~0.81%)而镁铝榴石组分略有升高(4.43%~6.24%).

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图 6 羌塘中部蓝岭地区蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩中硬绿泥石成分图解 Fig. 6 Mineral chemistry diagrams showing variation of chloritoid in the blueschist and the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang a.蓝片岩基质中的硬绿泥石成分环带图解(对应于图 3a中硬绿泥石的EF成分剖面);b.含硬柱石多硅白云母片岩石榴石核部的硬绿泥石包体的成分环带图解(对应于图 6b中硬绿泥石的CD成分剖面)

硬绿泥石包体呈半自形-他形细粒长柱状产出于石榴石核部(图 6b),粒度大多在0.10~0.60mm,成分环带明显(图 6b),从核部到边部X(cld)整体呈降低趋势(0.89~0.86),X(cld)值明显高于蓝片岩基质中的硬绿泥石.部分石榴石核部包裹的硬绿泥石的边部已退变质为钠云母(图 7b).

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图 7 羌塘中部蓝岭地区含硬柱石多硅白云母片岩岩相学特征 Fig. 7 Microphotographs of the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang a.变斑晶石榴石核部包裹硬绿泥石、钠云母、石英等包体(正交光),红色带箭头实线AB代表图 4b4d中石榴石成分剖面所在的位置;b.石榴石核部包裹的硬绿泥石的边部退变质成钠云母,红色带箭头实线CD代表图 6b中硬绿泥石包体成分剖面所在的位置;c.菱状“绿泥石+钠长石+石英+不透明矿物”集合体,正交光;d.石榴石边部包体石英中包裹的硬柱石(对应于图 9b中硬柱石的实测拉曼光谱图)

多硅白云母和钠云母呈自形-半自形中细粒片状共同形成岩石片理.钠云母接近其理想端元Na{Al2[AlSi3O10](OH)2}.多硅白云母Si含量变化于3.38~3.48(图 8a),形成于蓝片岩相带(图 8b).

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图 8 羌塘中部蓝岭地区含硬柱石多硅白云母片岩中多硅白云母成分投图 Fig. 8 Mineral chemistry diagrams showing variation of phengite in the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang a.多硅白云母Al-Si图解;b.多硅白云母w(FeO)-w(Al2O3)变质相带图解,底图据Miyashiro(1973)

石英呈自形-半自形中细粒状变晶结构,粒径大多在0.75~1.10mm,基质中的石英呈“矩形”状排列在由多硅白云母定向排列形成的片理之间,反映一种石英单晶界面受多硅白云母晶界控制.

硬柱石呈细粒浑圆状包裹于石英中,而后者又被石榴石包裹(图 5b).拉曼光谱测试显示其特征峰为279.9cm-1、464.4cm-1、564.4cm-1、697.8cm-1、810.4cm-1、937.7cm-1,与硬柱石参考拉曼光谱的特征峰近似相一致.

绿泥石呈不规则状作为后期退变质产物出现在绿帘石、多硅白云母、硬绿泥石和石榴石的边部及裂隙中,X(chl)(即Fe2+/(Fe2++Mg))的含量变化范围为0.67~0.68.金红石和榍石呈他形粒状,以包体的形式产出在石榴石和多硅白云母中.方解石呈脉状,树枝状填充于基质中的裂隙中.

结合含硬柱石多硅白云母片岩L1414-7镜下矿物组合和电子探针分析结果,厘定出两期矿物共生组合:第Ⅰ期矿物共生组合为硬柱石+硬绿泥石+钠云母+石榴石+多硅白云母+石英,第Ⅱ期矿物共生组合为石榴石+多硅白云母+石英+钠云母+菱形退变质集合体“绿泥石+钠长石+石英+不透明矿物”.

3 视剖面图模拟和P-T轨迹

本文全岩主量元素分析是在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,主量元素是在Axiosmax X射线荧光光谱仪上使用X荧光光谱法(XRF)进行分析,检测方法代号为GB/T14506.28-2010,其中Fe2+含量通过湿化学法(滴定)测试确定.本样品相平衡模拟计算采用Domino/Theriak软件(de Capitani and Brown, 1987),更新了内部一致性热力学数据库(Holland et al., 1998)及以下矿物固溶体模型:绿帘石(Holland et al., 1998)、斜长石(Holland and Powell, 2003; Baldwin et al., 2005)、石榴石(White et al., 2005)、绿辉石(Green et al., 2007)、绿泥石(Holland et al., 1998)、多硅白云母和钠云母(Coggon and Holland, 2002)、黑云母(White et al., 2007)、滑石(Holland et al., 1998)、硬绿泥石(Mahar et al., 1997; White et al., 2000)、磁铁矿(White et al., 2007)、纤柱石(Holland et al., 1998)和角闪石(Diener et al., 2007).其余矿物,如石英/柯石英、蓝晶石、水和硬柱石等均采用端元矿物.

3.1 蓝片岩

样品实测全岩成分如表 3所示,SiO2=47.66,属于基性岩范畴.考虑到TiO2、P2O5和K2O仅存在于副矿物中,如金红石、磷灰石和白云母等,故忽略三组分对相图的影响;MnO主要富集在石榴石中,对石榴石的稳定域影响较大;Fe2O3对角闪石的稳定域影响较大.因此选择在MnNCFMASHO(MnO-Na2O-CaO-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-O)体系中模拟岩石的变质作用过程,并假设q和H2O过量.

表 3 羌塘中部蓝岭蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩的全岩成分 Table 3 Whole-rock compositions of the blueschist and the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang

图 9为MnNCFMASHO体系下采用蓝片岩L1414-1的实测全岩成分计算的P-T视剖面图.该图主要由四变域和五变域组成,还有部分三变域和六变域.图中计算了锰铝榴石等值线、钙铝榴石等值线、蓝闪石的Mg#等值线以及饱和水等值线.相图显示在含有绿泥石的硬柱石蓝片岩相组合(chl+law+g+gl+ta±hem±q+H2O)内,石榴石中的钙铝榴石等值线斜率很平缓,其含量随压力升高而迅速降低,可以很好地指示压力的变化;锰铝榴石等值线具有较陡的负斜率,其含量随温度的升高而降低,可以很好地指示温度的变化(Du et al., 2014).在滑石消失后的硬柱石蓝片岩相组合(law+g+gl+hem±chl)内,石榴石中的钙铝榴石等值线具有中等正斜率,虽然其含量仍随压力的升高而降低,但与含绿泥石的硬柱石蓝片岩相组合相比,其含量随压力变化不敏感,并同时受温度控制.蓝闪石中的Mg#等值线在硬柱石的稳定域内的大多数矿物组合内都具有较陡的负斜率,Mg#含量随温度的升高而增加,可以很好地指示温度的变化,而在硬柱石的稳定域之外,虽然其含量仍随温度的升高而增加,但和硬柱石稳定域之内相比,其含量变化不敏感,并同时受压力影响;水含量等值线在整个区域上具有较陡的负斜率,并随着温度的升高,水含量在减少,表明变质反应的实质是岩石不断脱水,导致矿物组合不断演化的过程.岩相学观察到的两期矿物组合g+gl+ep+ctd+q(第Ⅰ期矿物组合)和g+gl+ep+chl+pa+q(第Ⅱ期矿物组合)在相图中稳定的P-T范围为(1.7~2.0GPa)/(535~550℃)和(1.3~ 1.7GPa)/(500~580℃).岩相学表明,硬绿泥石只出现在薄片的局部区域,而此相图是基于全岩成分计算的,因此,硬绿泥石的实际稳定域可能要比相图中的稳定域要大一些.另外,该图还显示硬柱石稳定在比绿帘石更低温和更高压的条件下,稳定域较大,而硬绿泥石却稳定在一个较小的范围内(480~570℃,1.6~2.1GPa),这种情况的出现主要受全岩成分以及变质条件的影响.

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图 9 羌塘中部蓝岭地区含硬柱石多硅白云母片岩中硬柱石拉曼光谱 Fig. 9 Raman spectra of lawsonite in the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang a.硬柱石标准拉曼光谱(数据来源于:http://rruff.info/lawsonite/display=default/R050042);b.羌塘中部蓝岭地区含硬柱石多硅白云母片岩中包裹于石英中的硬柱石(而石英又被石榴石包裹,图 7d)拉曼光谱.硬柱石和石英的特征谱峰分别用law和q标注,而没有标注的谱峰是薄片上树胶的谱峰.拉曼光谱测试在北京大学地球与空间科学学院进行,操作条件依据Zhang et al.(2005)

将实测石榴石成分环带中的钙铝榴石及锰铝榴石的电子探针数据投在图 10b中,研究发现,石榴石的进变质阶段可分为两阶段:第Ⅰ阶段为从核部到幔部(c→m),P-T轨迹比较平缓,以出现chl+gl+g+ta+law±q±hem为特征,指示一段升温升压的过程(温压条件变化于422℃/2.3GPa到485℃/2.4GPa之间);第Ⅱ阶段为从幔部到边部(m→r),P-T轨迹相对较陡,指示一段升温降压的过程(温压条件变化于485℃/2.4GPa到535℃/2.1GPa之间).结合岩相学观察(g与gl共生)以及蓝闪石的X(gl)环带数据(图 5b)可知,蓝闪石生长于石榴石进变质第Ⅰ阶段后期和第Ⅱ阶段前期.

根据石榴石环带在P-T视剖面图上的投影,笔者得到了一条近等温降压的进变质P-T轨迹,峰期矿物组合为g+gl+law+q,石榴石环带及蓝闪石环带详细地记录了这一进变质过程(图 10b).在这个过程中,石榴石成分投图中的最高锰铝榴石组分值明显晚于最高钙铝榴石组分值的出现,表明岩石在俯冲到最深处时经历了短暂的加热过程(即热驰豫),如西南天山的榴辉岩(Du et al., 2014).结合薄片中的两期矿物组合(ep+g+gl+ctd+pa+q和ep+g+gl+chl+pa+q),推测岩石先经历了近等温降压后降温降压的退变质轨迹.当P-T轨迹高角度切过硬柱石消失线时,硬柱石快速分解,释放大量的水,导致体系中水含量急剧减少,同时伴随着蓝闪石、硬绿泥石、绿帘石的生长,出现ep+g+gl+ctd+pa+q的矿物组合;当P-T轨迹切过硬绿泥石消失线时,硬绿泥石消失释放出一定量的水,导致体系中的水略有减少,同时伴随着钠云母、绿泥石的生长,出现ep+g+gl+chl+pa+q的矿物组合.此时,体系中的水含量基本不发生变化,各矿物含量也基本不发生变化,近等温降压退变质P-T轨迹结束,最终,岩石沿着近乎平行水含量等值线的P-T轨迹折返至地壳层次.

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图 10 羌塘中部蓝岭地区蓝片岩在MnNCFMASHO体系下的P-T视剖面图 Fig. 10 P-T pseudosections in the system MnNCFMASHO for the blueschist from Lanling, central Qiangtang a.MnNCFMASHO(+g+gl+q/coe+hem+H2O)体系下的P-T视剖面图底图.该视剖面图是基于表 3中的有效全岩成分所计算的.深灰色区域代表三矿物五变域,其余灰度区域递减,依次代表六变域、七变域和八变域;b.MnNCFMASHO(+g+gl+q/coe+hem+H2O)体系下的P-T轨迹.该图中添加了锰铝榴石等值线(绿色粗虚线spss10-spss50)、钙铝榴石等值线(红色虚线gr10~gr30)、蓝闪石中的Mg#等值线(紫色实线gl0.50~gl0.77)以及饱和水含量等值线(蓝色实线h1~h5).红色实心圆圈、绿色实心圆圈和蓝色实心圆圈依次代表石榴石环带中的核部、幔部和边部成分.洋红色实线箭头和虚线箭头代表蓝片岩的变质P-T轨迹
3.2 含硬柱石多硅白云母片岩

样品实测全岩成分如表 4所示.由于样品中矿物分布不均匀,同时也遭受了一定程度上的后期退变质改造,全岩XRF实测数据已不能看作是石榴石核部初始生长时岩石的有效全岩成分,因此笔者综合MnNCKFMASHO模式体系下岩石中的共生矿物组合中各矿物的电子探针数据和体积百分比来估算有效全岩成分(Wei and Song, 2008),如表 4所示.考虑到TiO2和P2O5仅存在于金红石、磷灰石中,故忽略二组分对相图的影响,并假设q、H2O过量.

表 4 羌塘中部蓝岭含硬柱石多硅白云母片岩的有效全岩成分 Table 4 Effective whole-rock compositions of the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang

图 11为MnNCKFMASHO体系下采用含硬柱石多硅白云母片岩L1414-7的有效全岩成分计算的P-T视剖面图.该图主要由四变域和五变域组成,还有部分三变域和六变域.图中计算了石榴石中的钙铝榴石等值线和镁铝榴石等值线,饱和水含量等值线.在整个区域上,钙铝榴石等值线斜率比较平缓,显示与压力负相关,而镁铝榴石等值线在整个区域上具有较陡的斜率,显示与温度正相关(图 11b);水含量等值线在整个区域上具有较陡的斜率,并随着温度的升高,水含量减少(图 11b).另外,该图还显示硬柱石稳定在比绿帘石更低温和更高压的条件下,稳定域较大;硬玉稳定在高压部分(P>1.8GPa);而硬绿泥石稳定在图左上角一个较大的范围内.

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图 11 羌塘中部蓝岭地区含硬柱石多硅白云母片岩在MnNCKFMASHO体系下的P-T视剖面图 Fig. 11 P-T pseudosections in the system MnNCKFMASHO for the lawsonite-bearing phengite schist from Lanling, central Qiangtang a.MnNCKFMASHO(+g+ph+H2O+q/qoe)体系下的P-T视剖面图底图.该视剖面图是基于表 4中的有效全岩成分所计算的.深灰色区域代表五矿物四变域,其余灰度区域递减,依次代表五变域、六变域和七变域;b.MnNCFMASHO(+g+ph+H2O+q/qoe)体系下的P-T轨迹.该图中添加了镁铝榴石等值线(绿色粗虚线py2-py8)、钙铝榴石等值线(红色虚线gr5~gr41)以及饱和水含量等值线(蓝色虚线h0.5~h5).红色实心圆圈、绿色实心圆圈和蓝色实心圆圈依次代表石榴石环带中的核部、幔部和边部成分.洋红色实线箭头和虚线箭头代表该含硬柱石多硅白云母片岩的变质P-T轨迹

将含硬柱石多硅白云母片岩实测石榴石环带(表 2图 4b)投影于P-T视剖面图(图 11c),笔者得到了一条升温升压的进变质P-T轨迹(温压条件变化于490℃/1.8GPa和510℃/2.1GPa之间),石榴石环带详细地记录了这一进变质过程.从图中不难看出,石榴石的生长环带位于ctd+law+gl+pa/mu+q±jd中,这正好可以解释硬绿泥石、钠云母/白云母和硬柱石(被包裹于石英中)被包裹于石榴石中的现象及石榴石中包裹的部分钠云母包体可能是早期硬玉的退变质产物(硬玉+硬绿泥石+石英+水→钠云母+蓝闪石,Du et al., 2011).另外,由于后期折返过程中退变质作用较严重,蓝闪石已基本上退变成横切面为菱形的“绿泥石+钠长石+石英+不透明矿物”集合体(蓝闪石→绿泥石+钠长石+石英+不透明矿物).根据基质中的矿物组合g+ph+pa+q和部分蓝闪石假象(以“绿泥石+石英+不透明矿物”所组成的短柱状集合体为特征),推测岩石先经历了“近等温降压,后降温降压”的退变质P-T轨迹,当P-T轨迹高角度切过硬绿泥石消失线时,硬绿泥石消失释放出一部分水,同时伴随着蓝闪石和钠云母的生长,当硬绿泥石所释放出的水被消耗殆尽后,体系中的水含量基本不发生变化,各矿物也不再生长.随后,岩石经历降温降压退变质过程,进入g+gl+pa+chl组合中,P-T轨迹高角度切穿水含量等值线,岩石发生广泛的绿泥石化等后期退变质叠加过程,导致岩石中的蓝闪石没能够很好地保存下来.最后,岩石沿推测的抬升轨迹折返至地壳层次.

4 讨论 4.1 低温高压岩石中硬绿泥石产状

硬绿泥石作为低级变质作用的标志性矿物,通常出现在低级变质的结晶片岩中.详细的岩相学研究表明,蓝片岩中自形-半自形长柱状的硬绿泥石变斑晶只产出于基质中,而含硬柱石多硅白云母片岩中的半自形-他形硬绿泥石则被包裹于石榴石核部.相平衡模拟显示,蓝片岩中的石榴石生长结束以后才进入硬绿泥石的稳定域(图 10),这与该蓝片岩中硬绿泥石仅产出于基质中的岩相学观察结果是一致的(图 3);而含硬柱石多硅白云母片岩中的石榴石生长阶段位于硬绿泥石的稳定域内(图 11c),这与含硬柱石多硅白云母片岩中硬绿泥石被包裹于石榴石中的现象是一致的;但在变质作用峰期之后P-T轨迹切穿了硬绿泥石的稳定域,这与该片岩基质中未见硬绿泥石的现象是一致的(Du et al., 2011).另外,详细的岩相学及矿物化学研究表明蓝片岩的矿物共生组合为石榴石+蓝闪石+硬绿泥石+钠云母+石英+绿帘石,石榴石环带所限定的峰期温压条件为530℃/2.1GPa,而在北祁连山的蓝片岩中也发现了相似的矿物共生组合(硬绿泥石+蓝闪石+石榴石+多硅白云母+绿帘石+石英),峰期温压条件为(540~580℃)/(2.1~2.3GPa)(Wei and Song, 2008),二者具有相似的峰期温压条件及后期退变质轨迹,可能暗示着本文中的蓝片岩具有和北祁连蓝片岩类似的俯冲-折返过程.

4.2 低温高压岩石中硬柱石的保存机制

硬柱石作为一种典型的低温高压含水矿物(分子中H2O含量为~11.5%),常常出现在洋壳俯冲带中(Tsujimori et al., 2006),但是,到目前为止,含硬柱石的蓝片岩仅在少数几个地方被发现(吴汉泉等,1990陆济璞等,2006王乾杰等,2007),这说明硬柱石的保存机制比较特殊.一般来讲,如果含硬柱石的蓝片岩具有降温降压的退变质轨迹,那么它的P-T轨迹可能不切穿硬柱石的消失线,这意味着硬柱石可以在基质和石榴石等矿物的包体中都能出现(Davis and Whitney, 2006),红脊山地区硬柱蓝片岩基质中大量出现的硬柱石(陆济璞等,2006)可能就是这种成因;另一种情况是,含硬柱石的蓝片岩具有近等温降压的退变质轨迹,它的P-T轨迹会切穿硬柱石消失线,伴随着后期的退变质作用,基质中的硬柱石可能会被完全消耗完,但在折返过程中,如果硬柱石处于绝热的环境中,硬柱石(或硬柱石假象,以呈“盒子状”产出的绿帘石和钠云母等矿物所组成的矿物集合体为特征)就有可能被保存在石榴石和蓝闪石中(Du et al., 2011),荣玛蓝岭地区蓝片岩中包裹于石榴石中的硬柱石假象可能就是这种成因(Liu et al., 2011; Liang et al., 2017).而多硅白云母片岩作为蓝片岩的直接围岩,目前还没有关于多硅白云母中发现硬柱石的报道.本文首次在羌塘中部蓝岭地区多硅白云母片岩中发现了硬柱石包体,这对研究羌塘中部低温高压变质带的形成与演化具有重要意义.本文发现的保存在含硬柱石多硅白云母片岩中的硬柱石包体和岩石中大量出现的含水矿物,如蓝闪石、钠云母、白云母及硬绿泥石,都表明含硬柱石多硅白云母片岩在低温高压条件下的水是饱和的(Du et al., 2011).但是,详细的岩相学观察表明硬柱石并没有在岩石中大量保存,仅存在于石榴石边部石英包体中.结合含硬柱石多硅白云母片岩的相平衡模拟结果,笔者发现岩石的折返P-T轨迹切穿了硬柱石的消失线,硬柱石发生分解,释放大量的水,促进矿物组合向脱水方向演化(Guiraud et al., 2001),导致基质中的硬柱石发生分解,而石榴石边部石英包体中出现的硬柱石,可能得益于刚性寄主矿物(如石榴石)的封闭绝热性.

4.3 蓝片岩俯冲-折返机制

尼玛县荣玛乡蓝岭地区出露的蓝片岩呈透镜状、断块状产出于含硬柱石多硅白云母片岩中,本文选取两块典型样品开展了详细的岩石学研究.电子探针分析研究结果表明,蓝片岩中的石榴石环带为典型的生长环带,即从核部到边部,钙铝榴石组分先升高后降低而镁铝榴石组分持续升高,结合相平衡模拟和岩相学观察的结果,蓝片岩的变质P-T轨迹可分为四段:升温升压进变质作用阶段、升温降压进变质作用阶段、近等温降压退变质作用阶段和降温降压退变质作用阶段;而含硬柱石多硅白云母片岩中的石榴石环带则表现为核部较平坦,至边部,钙铝榴石成分降低而镁铝榴石成分升高,结合相平衡模拟和岩相学观察的结果,含硬柱石多硅白云母片岩的变质P-T轨迹可以分为三段:升温升压进变质阶段、近等温降压退变质阶段和降温降压退变质阶段.综合蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩的野外产状、变质作用P-T轨迹、变质作用峰期P-T条件及后期退变质轨迹,笔者提出一个可能的蓝片岩折返机制.当蓝片岩和含硬柱石多硅白云母俯冲至最深处发生板片断离后,因蓝片岩具有比含硬柱石多硅白云母片岩更大的密度,导致蓝片岩折返的较慢且在早期折返过程中经历了较明显的热驰豫过程.而含硬柱石多硅白云母片岩的热传导系数相对较大(欧新功等,2006),在俯冲及折返过程中很容易达到热稳定状态,经历了相对较低的热驰豫过程.当基性蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩折返至温度峰期的深度后,大面积低密度的含硬柱石多硅白云母片岩挟裹着密度较大的蓝片岩以很快的速度近等温降压折返至地壳层次.综上所述,密度较大的基性蓝片岩在折返过程中可能是借助于大面积、低密度的含硬柱石多硅白云母片岩的浮力才得以折返至地壳层次(Wei et al., 2009).

5 结论

本文首次在羌塘中部地区的多硅白云母片岩中发现硬柱石包体,进一步表明羌塘中部低温高压变质带是一条典型的冷俯冲带.相平衡模拟显示,MnNCFMASHO体系中蓝片岩的变质作用依次经历了升温升压进变质作用阶段(压力峰期条件为490℃/2.4GPa)、升温降压进变质阶段(温度峰期条件为540℃/2.1GPa)、折返过程中近等温降压阶段以及后期折返过程中的降温降压阶段;MnNCKFMASHO体系中含硬柱石多硅白云母片岩的变质作用依次经历了升温升压进变质阶段(峰期温压条件为530℃/2.2GPa)、折返过程中的近等温降压退变质阶段及后期折返过程中的降温降压阶段.蓝片岩和含硬柱石多硅白云母片岩在进变质阶段中“热驰豫”现象的差异主要是因为含硬柱石多硅白云母片岩具有比蓝片岩更大的热传导系数,更容易达到热稳定状态,而退变质作用P-T轨迹的相似性则可能暗示密度较大的基性蓝片岩在折返过程中是借助于大面积、低密度的含硬柱石多硅白云母片岩的浮力才得以折返至地壳层次.

致谢 本次研究工作得到了中国地质大学(北京)王晓赛和史本巽等人的全力支持,中科院地质与地球物理研究所电子探针实验室张迪在实验中给予了很大的帮助,三位审稿人在审稿过程中提出了很多建设性修稿意见,在此一并致以诚挚的谢意!

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