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    西秦岭北缘秦岭杂岩变质作用:副片麻岩岩石学、相平衡模拟及其地质意义

    毛小红 张建新 于胜尧 李云帅 喻星星 路增龙 周桂生

    毛小红, 张建新, 于胜尧, 李云帅, 喻星星, 路增龙, 周桂生, 2018. 西秦岭北缘秦岭杂岩变质作用:副片麻岩岩石学、相平衡模拟及其地质意义. 地球科学, 43(1): 278-295. doi: 10.3799/dqkx.2018.017
    引用本文: 毛小红, 张建新, 于胜尧, 李云帅, 喻星星, 路增龙, 周桂生, 2018. 西秦岭北缘秦岭杂岩变质作用:副片麻岩岩石学、相平衡模拟及其地质意义. 地球科学, 43(1): 278-295. doi: 10.3799/dqkx.2018.017
    Mao Xiaohong, Zhang Jianxin, Yu Shengyao, Li Yunshuai, Yu Xingxing, Lu Zenglong, Zhou Guisheng, 2018. Metamorphism of Qinling Complex in Northern West Qinling Orogen: Petrology, Phase Equilibria Modelling of Paragneiss and Their Geological Implication. Earth Science, 43(1): 278-295. doi: 10.3799/dqkx.2018.017
    Citation: Mao Xiaohong, Zhang Jianxin, Yu Shengyao, Li Yunshuai, Yu Xingxing, Lu Zenglong, Zhou Guisheng, 2018. Metamorphism of Qinling Complex in Northern West Qinling Orogen: Petrology, Phase Equilibria Modelling of Paragneiss and Their Geological Implication. Earth Science, 43(1): 278-295. doi: 10.3799/dqkx.2018.017

    西秦岭北缘秦岭杂岩变质作用:副片麻岩岩石学、相平衡模拟及其地质意义

    doi: 10.3799/dqkx.2018.017
    基金项目: 

    国家自然科学基金项目 41630207

    中国地质调查局项目 DD20160022

    国家自然科学基金项目 41572180

    详细信息
      作者简介:

      毛小红(1983-), 女, 博士研究生, 主要从事构造地质学方面的研究

      通讯作者: 张建新
    • 中图分类号: P581

    Metamorphism of Qinling Complex in Northern West Qinling Orogen: Petrology, Phase Equilibria Modelling of Paragneiss and Their Geological Implication

    • 摘要: 造山带中的高级变质岩是研究造山带形成和演化历史的重要窗口.西秦岭北缘秦岭杂岩主要由正片麻岩、副片麻岩、少量变基性岩(基性麻粒岩)和大理岩组成.岩相学、矿物化学和相平衡模拟结果表明副片麻岩经历了3个变质演化阶段:(1)进变质阶段,以石榴子石核部包裹细粒片状黑云母和大小不等的石英为代表;(2)峰期变质阶段,矿物组合为石榴子石+斜长石+钾长石+夕线石+黑云母+金红石+石英.石榴子石变斑晶幔部成分在视剖面图上确定出峰期温压条件为T=793~803 ℃,P=8.8~9.5 kbar;(3)降温降压的退变质阶段,主要由石榴子石的最边部及后期斜长石记录.结合已有研究资料,表明西秦岭北缘秦岭杂岩可能经历了早古生代晚期与碰撞造山作用有关的变质作用与深熔作用.
    • 图 1  秦岭造山带大地构造位置简图(a), 秦岭造山带构造简图(b), 西秦岭造山带北部地质廊带图(c)

      Figure 1.  The location of the Qinling orogenic belt in the geological sketch of China (a), simplified tectonic map of the Qinling orogenic belt showing the location of the study area (b), and corridor-like geological sketch of the northern part of the West Qinling orogenic belt (c)

      图b修改自Dong et al.(2011);1.北祁连造山带;2.华北板块南缘;3.宽坪群;4.二郎坪群;5.秦岭杂岩;6.商丹缝合带;7.前寒武纪-古生代盖层;8.上古生界-三叠纪碎屑沉积物;9.勉略缝合带;10.大别地块;11.东西秦岭界限;12.研究区.图c修改自1:50万秦岭及邻区地质图,西安地质调查中心,2014.侵入体年龄数据裴先治等(2007a, 2012)、Zhang et al.(2006)王婧等(2008);中国地图据1:1亿中华人民共和国地图(审图号:GS(2016)1552号,国家测绘地理信息局监制)修改

      图 2  西秦岭天水地区秦岭杂岩花庙地质剖面

      Figure 2.  Geological section of the Qinling complex near Huamiao village in Tianshui area, West Qinling

      图 3  副片麻岩(AQ14-18-9.6)矿物组合和结构构造显微照片

      Figure 3.  Images of mineral assemblage and microstructures of sample AQ14-18-9.6 (paragneiss)

      a.基质中的黑云母、夕线石和云母定向排列, 石英、长石和石榴子石变斑晶被拉长, 且石榴子石边部呈港湾状, 与后期发育的黑云母组成压力影结构, 单偏光;b.石榴子石核部包裹细粒黑云母和石英, 石榴子石幔部及边部包裹细粒夕线石(照片左下角), 单偏光;c.石榴子石核部包裹细小矿物(主要为黑云母和石英), 边部包裹细粒夕线石, 单偏光;d.石榴子石边部呈港湾状, 其周围可见细小夕线石、黑云母、钾长石、斜长石及石英发育, 单偏光;e.港湾状石榴子石周围可见黑云母、钛铁矿, 单偏光;f.金红石边部发育细小钛铁矿, 指示金红石向钛铁矿的转换, 尖锐的钾长石薄膜出现在斜长石和石英之间, 指示早期熔体的存在, 背散射图像;g.石榴子石边部的晚期黑云母中包裹部分峰期矿物, 背散射图像;h.基质中可见钛铁矿和金红石, 且金红石边部转化为钛铁矿, 背散射图像

      图 4  石榴子石变斑晶EBSD图像(a)及其Fe、Mg、Ca、Mn成分剖面图(b)

      Figure 4.  EBSD image (a) and compositional profile (b) of garnet porphyroblast from sample AQ14-18-9.6

      图 5  副片麻岩中石榴子石的X-ray成分图

      Figure 5.  X-ray maps of garnet from sample AQ14-18-9.6

      图中线段代表图 4b中的剖面位置

      图 6  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中黑云母成分图解

      Figure 6.  Chemical composition of biotite from sample (AQ14-18-9.6)

      a.XMg-Ti图解;b.Fe-Mg图解

      图 7  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中斜长石的An-Ab-Or图解

      Figure 7.  Ternary plot of An-Ab-Or for plagioclase from sample AQ14-18-9.6 (paragneiss)

      图 8  副片麻岩(AQ14-18-9.6)相平衡计算

      Figure 8.  Calculated pseudosection for sample AQ14-18-9.6

      T-MH2O图(8 kbar), 黑色实线代表所限定的H2O含量, 红色虚线为固相线, 剖面图绘制了石榴子石X(g)(如gm24)、Z(g)(如gc2.4)和斜长石An值(如an29)等值线

      图 9  副片麻岩(AQ14-18-9.6)样品NCKFMASHTO体系下的P-T视剖面图及其P-T轨迹

      Figure 9.  P-T pseudosection and P-T path for sample AQ14-18-9.6 in the NCKFMASHTO system

      图中蓝色虚线代表夕线石-蓝晶石相变线,红色虚线为固相线;剖面图绘制了石榴子石X(g)(如gm24)、Z(g)(如gc2.4)和斜长石An值(如an29)等值线;红色填充区为确定的峰期温压范围,黑色粗虚线代表P-T轨迹

      图 10  计算样品AQ14-18-9.6内主要矿物的摩尔百分含量等值线

      Figure 10.  Calculated contours in mole percentage for main minerals in sample AQ14-18-9.6

      图中的红色虚线代表固相线,蓝色虚线代表蓝晶石-夕线石相变线;红色填充区为确定的峰期温压范围,黑色粗虚线代表P-T轨迹

      表 1  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中石榴子石的化学成分(%)

      Table 1.  Chemical composition of garnet from sample AQ14-18-9.6 (paragneiss) (%)

      点位 Grt-r Grt-r Grt-r Grt-r Grt-r Grt-c Grt-c Grt-c Grt-c Grt-c Grt-c
      SiO2 37.96 38.43 38.10 38.54 39.37 38.73 38.65 38.67 38.91 38.49 37.86
      TiO2 0.00 0.00 0.00 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
      Al2O3 20.85 20.85 20.85 20.75 20.88 20.95 20.85 20.72 20.99 20.83 20.64
      Cr2O3 0.05 0.06 0.05 0.02 0.04 0.01 0.02 0.02 0.08 0.05 0.03
      Fe2O3 1.18 0.20 1.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.13 2.47
      FeO 32.65 31.27 29.82 30.53 30.45 30.10 30.72 30.37 30.49 29.82 29.27
      MnO 0.76 0.81 0.78 0.73 0.85 0.76 0.71 0.80 0.76 0.74 0.71
      MgO 6.01 6.94 7.57 7.40 6.87 7.75 7.41 7.55 7.51 7.85 7.68
      CaO 0.98 0.96 0.95 1.05 0.90 1.01 1.05 1.02 1.08 1.01 1.03
      Na2O 0.00 0.05 0.05 0.03 0.00 0.00 0.00 0.02 0.05 0.03 0.04
      K2O 0.00 0.01 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.03
      Total 100.32 99.56 99.09 99.06 99.36 99.31 99.41 99.17 99.87 99.85 99.51
      O 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12
      Si 2.994 3.028 3.003 3.039 3.086 3.038 3.038 3.044 3.040 3.010 2.980
      Ti 0.000 0.000 0.000 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
      Al 1.939 1.937 1.938 1.929 1.929 1.938 1.932 1.923 1.930 1.920 1.910
      Cr 0.003 0.004 0.003 0.001 0.003 0.000 0.001 0.001 0.010 0.000 0.000
      Fe3+ 0.070 0.012 0.060 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.070 0.150
      Fe2+ 2.154 2.061 1.966 2.013 1.996 1.975 2.020 2.000 1.990 1.950 1.920
      Mn 0.051 0.054 0.052 0.048 0.056 0.050 0.047 0.053 0.050 0.050 0.050
      Mg 0.706 0.815 0.890 0.870 0.802 0.906 0.868 0.885 0.880 0.910 0.900
      Ca 0.083 0.081 0.080 0.088 0.076 0.085 0.089 0.086 0.090 0.090 0.090
      Na 0.000 0.008 0.007 0.005 0.000 0.000 0.000 0.003 0.010 0.010 0.010
      K 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
      X(g) 0.24 0.28 0.30 0.29 0.28 0.31 0.29 0.30 0.30 0.31 0.31
      Z(g) 0.028 0.027 0.027 0.030 0.026 0.029 0.030 0.029 0.030 0.031 0.031
      注:成分单位为质量百分含量;X(g)=Mg/(Fe2++Mg+Ca);Z(g)=Ca/(Fe2++Mg+Ca);Grt-r.石榴子石边部;Grt-c.石榴子石核部.
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      表 2  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中黑云母的化学成分(%)

      Table 2.  Chemical composition of biotite from sample AQ14-18-9.6 (paragneiss) (%)

      点位 bt(Grt-c) bt(Grt-c) bt(Grt-m) bt(Grt-r) bt(j) bt(j) bt(j) bt(Grt) bt(Grt) bt(Grt)
      SiO2 38.05 39.69 36.23 36.80 36.86 36.72 36.98 36.45 35.83 37.62
      TiO2 2.90 1.54 6.35 4.11 5.06 5.26 5.25 4.40 4.74 4.27
      Al2O3 16.62 17.98 15.38 16.39 15.61 16.71 15.29 15.75 16.89 17.34
      Cr2O3 0.13 0.05 0.07 0.08 0.05 0.07 0.06 0.09 0.15 0.18
      Fe2O3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
      FeO 10.50 8.00 13.12 12.27 15.95 14.98 16.03 15.78 15.37 14.02
      MnO 0.03 0.08 0.01 0.05 0.01 0.04 0.04 0.04 0.02 0.00
      MgO 17.15 18.61 14.83 15.00 12.07 11.66 11.71 13.38 12.04 12.19
      CaO 0.04 0.01 0.04 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.02 0.00
      Na2O 0.25 0.12 0.05 0.13 0.12 0.08 0.12 0.04 0.16 0.15
      K2O 9.97 9.54 9.82 10.06 10.14 9.65 10.26 9.63 10.13 9.66
      Total 95.65 95.62 95.91 94.88 95.89 95.18 95.74 95.56 95.35 95.44
      O 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11
      Si 2.772 2.830 2.680 2.734 2.760 2.745 2.776 2.731 2.694 2.782
      Ti 0.159 0.082 0.353 0.230 0.285 0.296 0.296 0.248 0.268 0.238
      Al 1.427 1.512 1.341 1.435 1.378 1.472 1.353 1.391 1.498 1.512
      Cr 0.008 0.003 0.004 0.005 0.003 0.004 0.003 0.005 0.009 0.010
      Fe3+ 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
      Fe2+ 0.639 0.477 0.811 0.762 0.999 0.937 1.007 0.988 0.966 0.867
      Mn 0.002 0.005 0.001 0.003 0.001 0.002 0.003 0.003 0.001 0.000
      Mg 1.862 1.978 1.635 1.661 1.347 1.299 1.311 1.494 1.349 1.343
      Ca 0.003 0.001 0.003 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000
      Na 0.035 0.016 0.008 0.018 0.018 0.012 0.017 0.006 0.023 0.022
      K 0.927 0.868 0.926 0.954 0.969 0.920 0.982 0.920 0.972 0.911
      注:成分单位为质量百分含量;bt(Grt-c).石榴子石核部包裹的黑云母;bt(Grt-m).石榴子石幔部包裹的黑云母;bt(Grt-r).石榴子石边部包裹的黑云母;bt(j).基质中的黑云母;bt(Grt).围绕石榴子石边部发育的黑云母.
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      表 3  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中长石的化学成分(%)

      Table 3.  Chemical composition of feldspar from sample AQ14-18-9.6 (paragneiss) (%)

      矿物 Pl Kfs
      点位 pl(Grt) pl(Grt) pl(Grt) pl(Grt) pl(j) pl(j) pl(j) pl(j) pl(j) kfs(Grt) kfs(Grt) kfs(j)
      SiO2 63.19 62.76 61.98 62.94 62.97 62.85 63.36 62.76 62.38 66.23 64.23 65.82
      TiO2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.03 0.03 0.00 0.00 0.01 0.02 0.01 0.01
      Al2O3 23.16 23.05 23.67 22.68 22.92 23.08 22.90 23.04 22.98 17.59 18.21 17.61
      Cr2O3 0.00 0.48 0.05 0.04 0.00 0.05 0.02 0.03 0.03 0.00 0.00 0.01
      Fe2O3 0.23 0.26 0.32 0.01 0.08 0.06 0.05 0.05 0.03 0.60 0.83 0.04
      FeO 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
      MnO 0.00 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.03 0.02 0.03 0.04 0.00
      MgO 0.00 0.05 0.02 0.00 0.00 0.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
      CaO 5.44 5.48 4.97 5.34 5.69 5.45 5.59 5.42 5.59 0.05 0.02 0.09
      Na2O 7.85 7.81 8.12 8.10 7.75 7.81 7.88 7.97 7.96 1.21 0.60 1.50
      K2O 0.05 0.09 0.37 0.11 0.11 0.32 0.08 0.11 0.13 14.38 15.72 14.42
      Total 100 100 99.51 99.23 100 100 100 99 99 100 100 100
      O 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
      Si 2.792 2.778 2.759 2.802 2.794 2.788 2.801 2.790 2.784 3.033 2.982 3.033
      Ti 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000
      Al 1.206 1.203 1.242 1.190 1.199 1.207 1.194 1.207 1.209 0.950 0.997 0.957
      Cr 0.000 0.017 0.002 0.001 0.000 0.002 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000 0.001
      Fe3+ 0.008 0.009 0.011 0.000 0.003 0.002 0.002 0.002 0.001 0.021 0.029 0.002
      Fe2+ 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
      Mn 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.001 0.002 0.000
      Mg 0.000 0.003 0.002 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
      Ca 0.257 0.260 0.237 0.255 0.271 0.259 0.265 0.258 0.267 0.002 0.001 0.004
      Na 0.673 0.671 0.701 0.699 0.667 0.672 0.675 0.687 0.689 0.107 0.054 0.134
      K 0.003 0.005 0.021 0.006 0.006 0.018 0.005 0.006 0.007 0.840 0.931 0.848
      An 0.275 0.278 0.247 0.266 0.287 0.273 0.280 0.271 0.277 - - -
      注:成分单位为质量百分含量;An=Ca/(Na+K+Ca);pl(Grt).围绕石榴子石边部发育的斜长石;pl(j).基质中的斜长石;kfs(Grt).围绕石榴子石边部发育的钾长石;kfs(j).基质中的钾长石.
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      表 4  副片麻岩(AQ14-18-9.6)用于相平衡模拟的各组分含量(%)

      Table 4.  Molar proportion of oxides for mineral equilibria modelling of sample AQ14-18-9.6 (paragneiss) (%)

      项目 H2O SiO2 Al2O3 CaO MgO FeO K2O Na2O TiO2 O
      MH2O(0) 0 78.47 7.72 1.51 3.45 4.52 1.56 2.09 0.64 0.03
      MH2O(1) 10 70.62 6.95 1.36 3.1 4.06 1.41 1.89 0.58 0.03
      P-T 2 76.9 7.57 1.48 3.38 4.43 1.53 2.05 0.63 0.03
      注:成分单位为摩尔百分含量.
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    出版历程
    • 收稿日期:  2017-09-24
    • 刊出日期:  2018-01-01

    西秦岭北缘秦岭杂岩变质作用:副片麻岩岩石学、相平衡模拟及其地质意义

      通讯作者: 张建新, zjx66@yeah.net
      作者简介: 毛小红(1983-), 女, 博士研究生, 主要从事构造地质学方面的研究
    • 1. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
    • 2. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871
    • 3. 中国海洋大学海洋地球科学学院, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东青岛 266100
    • 4. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 山东青岛 266235
    • 5. 天津大学表层地球系统科学研究院, 天津 300072
    基金项目:  国家自然科学基金项目 41630207中国地质调查局项目 DD20160022国家自然科学基金项目 41572180

    摘要: 造山带中的高级变质岩是研究造山带形成和演化历史的重要窗口.西秦岭北缘秦岭杂岩主要由正片麻岩、副片麻岩、少量变基性岩(基性麻粒岩)和大理岩组成.岩相学、矿物化学和相平衡模拟结果表明副片麻岩经历了3个变质演化阶段:(1)进变质阶段,以石榴子石核部包裹细粒片状黑云母和大小不等的石英为代表;(2)峰期变质阶段,矿物组合为石榴子石+斜长石+钾长石+夕线石+黑云母+金红石+石英.石榴子石变斑晶幔部成分在视剖面图上确定出峰期温压条件为T=793~803 ℃,P=8.8~9.5 kbar;(3)降温降压的退变质阶段,主要由石榴子石的最边部及后期斜长石记录.结合已有研究资料,表明西秦岭北缘秦岭杂岩可能经历了早古生代晚期与碰撞造山作用有关的变质作用与深熔作用.

    English Abstract

    • 造山带中的高级变质岩常分布在核心部位,并且记录了造山带的变质作用过程,是研究造山带形成和演化历史的重要窗口.在秦岭造山带东部,秦岭群位于朱夏右行剪切断裂带和商丹左行断裂带之间.秦岭群不同于一般的变质地层单元,它既包括变质表壳岩,也有变质的深成侵入体,因此被称为秦岭杂岩(王涛等,1997),代表了造山带的深部物质组成(张建新等,2011).前人对东秦岭地区的秦岭杂岩已进行了大量的变质作用研究(You et al., 1993; Hu et al., 1994; 胡能高等, 1995; 刘良等, 1995, 1996; Zhang, 1999; Liu et al., 2008; 张建新等, 2009, 2011; Cheng et al., 2011, 2012; Xiang et al., 2012, 2014; Bader et al., 2013; 王浩和吴元保, 2013; Liao et al., 2016),他们不仅发现了高压-超高压变质岩(胡能高等,1995; 杨经绥等,2002),还认为秦岭杂岩经历了中-低压麻粒岩相变质作用及深熔作用(张建新等,2011).前人对中-低压麻粒岩相变质作用形成的构造背景主要有2种不同的认识:第1种认为其形成于与商丹洋向北俯冲有关的大陆岩浆弧构造背景(Wang et al., 2011; Xiang et al., 2012, 2014; Wu and Zheng, 2013);第2种认为其与早古生代碰撞造山作用有关(Kröner et al., 1993; Zhai et al., 1998; Meng and Zhang, 1999; 张建新等,2011; 张成立等,2013; Liu et al., 2016).秦岭杂岩向西经太白地区可延伸至天水地区.毛小红等(2017)在该地区新发现了中低压麻粒岩相变质岩石,其形成的大地构造背景也存在争议;相比于东秦岭,西秦岭的秦岭杂岩的变质作用研究仍然比较薄弱.最近,笔者在该地区识别出角闪二辉麻粒岩,并用传统温压计对其形成的温压条件进行了初步估算(毛小红等,2017),但由于麻粒岩相变质作用通常伴随熔体的形成,并且高温条件下阳离子的扩散速率增加,这些因素都可能导致传统温压计对麻粒岩相峰期的低估(Harley, 1989; Powell and Holland, 2008).相平衡模拟可以有效地避免上述问题(White et al., 2002; Kelsey et al., 2003; Korhonen et al., 2013; Li and Wei, 2016),因此人们有必要利用这一方法对西秦岭的秦岭杂岩中出露的麻粒岩相岩石进行详细的变质作用研究.

      本文尝试对秦岭杂岩中的麻粒岩相副片麻岩进行岩相学、矿物化学和相平衡模拟研究,旨在确定该副片麻岩的峰期温压条件及其P-T演化轨迹,进而探讨研究区麻粒岩相副片麻岩形成的构造背景,为研究整个秦岭造山带早古生代的演化提供依据.

      • 秦岭造山带位于华北板块和扬子板块之间,东接桐柏-大别-苏鲁造山带,西接祁连-昆仑造山带.以商丹缝合带、勉略缝合带及其他主要的断裂为界,前人将秦岭造山带划分为华北板块南缘、北秦岭构造带、南秦岭构造带和扬子板块北缘构造带(张国伟等,1995; Meng and Zhang, 2000; Dong et al., 2011).以宝成铁路为界将秦岭造山带划分为东秦岭和西秦岭.在东秦岭, 北秦岭构造带主要是指位于商丹缝合带和洛南-栾川断裂带之间的区域(图 1b), 从北到南又依次划分为宽坪群、二郎坪群和秦岭杂岩.其中, 秦岭杂岩是北秦岭构造单元的主要组成部分.区域地质资料显示(1:50万秦岭及邻区地质图,西安地质调查中心,2014), 秦岭杂岩向西经由太白延至到了天水地区.通过野外地质调查, 结合区域地质资料及前人的研究成果, 笔者将西秦岭北缘(本文研究区)从南向北划分为3个地质单元, 依次为李子园俯冲杂岩带(商丹缝合带)、秦岭弧变质-岩浆杂岩带和清水-张家川弧后杂岩带(图 1c).

        图  1  秦岭造山带大地构造位置简图(a), 秦岭造山带构造简图(b), 西秦岭造山带北部地质廊带图(c)

        Figure 1.  The location of the Qinling orogenic belt in the geological sketch of China (a), simplified tectonic map of the Qinling orogenic belt showing the location of the study area (b), and corridor-like geological sketch of the northern part of the West Qinling orogenic belt (c)

        李子园俯冲杂岩带主要为一套中-浅变质的沉积-火山岩系(丁仨平等, 2004), 主要分布在花庙河-姚家坝一带, 与北侧秦岭杂岩以韧性剪切带相接触, 与南侧泥盆纪大草滩群为断层接触关系.该杂岩带主要有黑云石英片岩、绢云石英片岩、长英质片岩夹斜长角闪片岩、安山玢岩和少量磁铁石英片岩.分布于关子镇蛇绿岩中的变质基性火山岩具有N-MORB的地球化学特征(裴先治等, 2004, 2009), 且该蛇绿岩中的辉长岩的结晶年龄是499.7±1.8 Ma(裴先治等, 2007d).

        秦岭弧变质-岩浆杂岩带主要由深变质的秦岭杂岩、草滩沟群、花岗岩和闪长岩组成, 主要出露于北道和党川岩体以南.秦岭杂岩主要以副片麻岩和正变质岩为主, 夹少量大理岩和斜长角闪岩, 这些岩石普遍发生了强烈的混合岩化作用.副片麻岩主要为石榴夕线黑云片麻岩, 夹有少量角闪二辉麻粒岩透镜体, 锆石和独居石U-Pb定年显示这些岩石经历了晚志留世424~433 Ma麻粒岩相变质作用和深熔作用(毛小红等, 2017).正变质岩主要为眼球状花岗片麻岩和糜棱岩化正片麻岩, 它们的原岩年龄主要集中于850~950 Ma(陆松年等, 2005; 裴先治等, 2007b).秦岭杂岩与南侧的李子园俯冲杂岩带和其北侧的草滩沟群以及党川岩体均呈韧性剪切带接触关系.草滩沟群主要以火山碎屑岩和火山熔岩为主, 其中两当张家庄地区的草滩沟群火山岩的形成被认为是与俯冲作用有关, 且形成于岛弧环境(闫全人等, 2007).前人对该群中的变质中基性岩进行了锆石U-Pb定年, 得出其形成于晚奥陶世(王洪亮等, 2007).后期侵入的花岗岩和闪长岩, 主要包括438±3 Ma的党川岩体(王婧等, 2008)、435±2 Ma(裴先治等, 2007c)的百花基性岩浆杂岩和220±2 Ma的石门花岗岩(王婧等, 2008).其中, 党川岩体类似于C-型埃达克质岩石, 它的形成被认为与增厚地壳的部分熔融有关(王婧等, 2008), 而百花基性岩浆杂岩被认为形成于岛弧构造环境(裴先治等, 2007c).

        清水-张家川弧后杂岩带主要由葫芦河群碎屑岩、陈家河群火山-沉积岩、陇山杂岩、闪长岩、花岗岩, 以及少量的辉长岩和超基性岩组成.该杂岩带主要位于新阳和元龙以北的清水和张家川地区.其中葫芦河群主要由浅变质碎屑岩(砂岩、杂砂岩、泥质砂岩等)组成, 碎屑锆石定年结果显示其沉积时代为志留纪(裴先治等, 2012).陈家河群为一套低绿片岩相浅变质中酸性火山岩、陆源碎屑岩和基性火山岩.基性火山岩具有拉斑系列和钙碱性系列玄武岩特征, 被认为形成于弧后盆地的环境,形成时代为晚奥陶世(何世平等, 2007a, 2007b).陈家河群中酸性火山岩主要有流纹岩、流纹斑岩、英安岩等, 地球化学资料显示其形成于岛弧环境(何世平等, 2007a, 2007b).古元古代陇山杂岩(“陇山群”)主要由副片麻岩、花岗质片麻岩、斜长角闪岩和大理岩组成.该杂岩经历了1.90 Ga、2.35 Ga和2.50 Ga岩浆事件,部分花岗片麻岩具有与太古代TTG相似的地球化学特征(何艳红等, 2005).在该杂岩带中还分布着不同规模的闪长岩和花岗岩, 形成时代在434~454 Ma, 主要形成于岛弧环境(Zhang et al., 2006; 陈隽璐等, 2007).

      • 本文所研究的秦岭杂岩中的副片麻岩(AQ14-18-9.6)采自天水花庙地区, 取样位置为106°9.43′E,34°14.73′N(图 1c).该地区的秦岭杂岩主要以副片麻岩和大理岩为主, 夹有少量变基性岩,并可见含石榴子石淡色花岗岩沿片麻理或斜切片麻理分布.在样品所在剖面中,可见副片麻岩中包裹角闪二辉麻粒岩透镜体(图 2), 锆石U-Pb定年结果显示该基性麻粒岩经历了晚志留世麻粒岩相变质作用(毛小红等, 2017).在露头尺度, 副片麻岩中可见呈条带状或团块状分布的含石榴子石浅色体(图 2), 表明其经历了部分熔融.副片麻岩走向近东西向, 向北倾, 倾角为76~86°.采样位置见图 2.

        图  2  西秦岭天水地区秦岭杂岩花庙地质剖面

        Figure 2.  Geological section of the Qinling complex near Huamiao village in Tianshui area, West Qinling

        副片麻岩样品内的矿物化学成分分析在中国地质科学院地质研究所JXA-8100(JEOL)型电子探针上完成, 分析时的加速电压为15 kV, 电流束流为2.0×10-8 A.大部分矿物使用的电子束斑为5 μm,较小矿物使用的电子束斑为1 μm,使用ZAF修正法进行数据修正(周云等, 2017; 孙洋等, 2017).本文所使用的矿物代号据Whitney and Evans(2010).部分显微结构特征通过观察背散射图像获取.

      • 副片麻岩主要由石榴子石、黑云母、夕线石、钾长石、斜长石和石英组成, 含有少量的钛铁矿、金红石以及微量的独居石和锆石.其中, 石榴子石变斑晶粒径约为0.5~1.0 mm, 受变形作用的影响多呈椭圆粒状, 边部多为港湾状(图 3a, 3b, 3d).大部分石榴子石核部可见细小包体, 多为黑云母和石英(图 3b, 3c), 有的石榴子石幔部和边部包裹细粒夕线石.黑云母有3种产出状态:第1种是作为包体分布于石榴子石的核部(图 3b, 3c); 第2种分布于基质中, 定向排列形成片麻理(图 3a, 3b); 第3种在基质中呈细小片状,与细小的斜长石和钾长石共生(图 3b, 3d; 镜下较第2种黑云母而言粒度更小), 或者围绕石榴子石港湾状边界分布, 这种黑云母有的包裹部分早期矿物(图 3g).夕线石主要有3种产出状态:第1种作为包体包裹在石榴子石幔部或者边部(图 3b, 3c); 第2种呈粗粒竹节状和黑云母定向排列形成片麻理(图 3a, 3b); 第3种围绕港湾状石榴子石呈细小针状非定向分布(图 3d).钾长石主要有2种产出状态:粗粒钾长石被拉长且平行片麻理存在于基质中; 细粒钾长石主要是分布于港湾状石榴子石的边部或者在基质中与细小的斜长石或黑云母分布于大矿物的粒间(图 3f, 3g).斜长石也有3种产出状态:粒度较大的被拉长定向排列, 平行片麻理分布(图 3f); 粒度较小的斜长石在基质中通常与细小的黑云母和钾长石一起出现(图 3f); 围绕在港湾状石榴子石边部的斜长石粒度常常介于前两者之间.作为包体存在的石英多呈椭圆状或圆状被包裹在石榴子石中(图 3b), 而大多数石英拉长呈带状, 定向分布于基质中, 显示出动态重结晶特征(图 3f).钛铁矿主要呈带状分布在基质中, 与黑云母和夕线石一起定向排列(图 3b), 也有一部分钛铁矿在港湾状石榴子石边部存在(图 3e).在背散射图中笔者观察到金红石边部已转化为钛铁矿(图 3f, 3h).

        图  3  副片麻岩(AQ14-18-9.6)矿物组合和结构构造显微照片

        Figure 3.  Images of mineral assemblage and microstructures of sample AQ14-18-9.6 (paragneiss)

      • 通过上述岩相学观察, 根据岩石内部矿物的组合特征和产出状态, 可将副片麻岩(AQ14-18-9.6)划分为3个变质阶段:进变质阶段(M1)、峰期变质阶段(M2)和退变质阶段(M3).

      • 此变质阶段主要以石榴子石核部包裹的细粒片状或者长柱状黑云母和大小不等的椭圆状石英为代表, 大多数石榴子石核部包体主要为上述2种矿物, 其他矿物并未见到.

      • 峰期变质阶段以基质中大量定向排列的粗粒竹节状夕线石、黑云母、钾长石、斜长石、石英、金红石和石榴子石的生长为主要特征(图 3a, 3b, 3g, 3h), 港湾状石榴子石边部与后期黑云母接触的部位发育细粒斜长石、钾长石及石英(图 3g), 粗粒斜长石和石英颗粒间发育细小钾长石(图 3f), 均反映了熔体的存在(Holness and Clemens, 1999; Holness and Sawyer, 2008), 所以峰期矿物组合为Grt+Sil+Bt+Kfs+Pl+Rt+Qz+Liq.

      • 该阶段主要以石榴子石的分解为主要标志, 石榴子石的边部往往呈港湾状, 且港湾状的边部常被一些钛铁矿、细小针状夕线石、细小片状黑云母和细小斜长石颗粒环绕(图 3d, 3e).

      • 石榴子石主要以变斑晶的形式存在, 以富含铁铝榴石(0.65~0.72)和镁铝榴石(0.236~0.30)为特征, 并含少量钙铝榴石(0.026~0.030)和锰铝榴石(0.016~0.019)端元(表 1).石榴子石变斑晶Fe、Mg、Ca、Mn成分剖面图显示石榴子石从核部到边部成分总体变化不大(图 4图 5), 比较均一, 说明可能在较高的温度(可能是在峰期温度)条件下, 石榴子石成分发生了均一化(Tian et al., 2016).在石榴子石最边部可见镁铝榴石的含量减少, 铁铝榴石的含量增加, 显示出与退变质相关的扩散环带的特征(Florence and Spear, 1991; Spear, 1991; Kohn and Spear, 2000).

        点位 Grt-r Grt-r Grt-r Grt-r Grt-r Grt-c Grt-c Grt-c Grt-c Grt-c Grt-c
        SiO2 37.96 38.43 38.10 38.54 39.37 38.73 38.65 38.67 38.91 38.49 37.86
        TiO2 0.00 0.00 0.00 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
        Al2O3 20.85 20.85 20.85 20.75 20.88 20.95 20.85 20.72 20.99 20.83 20.64
        Cr2O3 0.05 0.06 0.05 0.02 0.04 0.01 0.02 0.02 0.08 0.05 0.03
        Fe2O3 1.18 0.20 1.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.13 2.47
        FeO 32.65 31.27 29.82 30.53 30.45 30.10 30.72 30.37 30.49 29.82 29.27
        MnO 0.76 0.81 0.78 0.73 0.85 0.76 0.71 0.80 0.76 0.74 0.71
        MgO 6.01 6.94 7.57 7.40 6.87 7.75 7.41 7.55 7.51 7.85 7.68
        CaO 0.98 0.96 0.95 1.05 0.90 1.01 1.05 1.02 1.08 1.01 1.03
        Na2O 0.00 0.05 0.05 0.03 0.00 0.00 0.00 0.02 0.05 0.03 0.04
        K2O 0.00 0.01 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.03
        Total 100.32 99.56 99.09 99.06 99.36 99.31 99.41 99.17 99.87 99.85 99.51
        O 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12
        Si 2.994 3.028 3.003 3.039 3.086 3.038 3.038 3.044 3.040 3.010 2.980
        Ti 0.000 0.000 0.000 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
        Al 1.939 1.937 1.938 1.929 1.929 1.938 1.932 1.923 1.930 1.920 1.910
        Cr 0.003 0.004 0.003 0.001 0.003 0.000 0.001 0.001 0.010 0.000 0.000
        Fe3+ 0.070 0.012 0.060 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.070 0.150
        Fe2+ 2.154 2.061 1.966 2.013 1.996 1.975 2.020 2.000 1.990 1.950 1.920
        Mn 0.051 0.054 0.052 0.048 0.056 0.050 0.047 0.053 0.050 0.050 0.050
        Mg 0.706 0.815 0.890 0.870 0.802 0.906 0.868 0.885 0.880 0.910 0.900
        Ca 0.083 0.081 0.080 0.088 0.076 0.085 0.089 0.086 0.090 0.090 0.090
        Na 0.000 0.008 0.007 0.005 0.000 0.000 0.000 0.003 0.010 0.010 0.010
        K 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
        X(g) 0.24 0.28 0.30 0.29 0.28 0.31 0.29 0.30 0.30 0.31 0.31
        Z(g) 0.028 0.027 0.027 0.030 0.026 0.029 0.030 0.029 0.030 0.031 0.031
        注:成分单位为质量百分含量;X(g)=Mg/(Fe2++Mg+Ca);Z(g)=Ca/(Fe2++Mg+Ca);Grt-r.石榴子石边部;Grt-c.石榴子石核部.

        表 1  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中石榴子石的化学成分(%)

        Table 1.  Chemical composition of garnet from sample AQ14-18-9.6 (paragneiss) (%)

        图  4  石榴子石变斑晶EBSD图像(a)及其Fe、Mg、Ca、Mn成分剖面图(b)

        Figure 4.  EBSD image (a) and compositional profile (b) of garnet porphyroblast from sample AQ14-18-9.6

        图  5  副片麻岩中石榴子石的X-ray成分图

        Figure 5.  X-ray maps of garnet from sample AQ14-18-9.6

      • 在该岩石中, 黑云母主要以细粒状包裹体存在于石榴子石变斑晶内部, 以细粒鳞片状分布于港湾状石榴子石边部, 在基质中与粗粒夕线石和长石及石英等共生.黑云母产出的部位不同, 成分也存在一定的差异.作为包体存在的黑云母XMg(Mg/(Mg+Fe2+))值比基质中和石榴子石边部的黑云母的XMg值要高(包体黑云母:0.668~0.806;基质中黑云母:0.566~0.581;石榴子石边部黑云母:0.583~0.608), 而基质中黑云母的TiO2含量总体比另外两种黑云母的要高(包体黑云母:1.54%~6.35%;基质中黑云母:5.06%~5.26%;石榴石边部黑云母:4.27%~4.74%).Fe-Mg图解(图 6b)显示黑云母内Fe和Mg之间呈线性负相关, 这体现了黑云母内Mg-Fe的相互替代(Aydin et al., 2003).XMg-Ti图解(图 6a)显示Ti的含量从0.08到0.35变化, XMg值从0.566到0.806变化, XMg和Ti之间呈线性负相关.代表性黑云母化学成分见表 2.

        图  6  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中黑云母成分图解

        Figure 6.  Chemical composition of biotite from sample (AQ14-18-9.6)

        点位 bt(Grt-c) bt(Grt-c) bt(Grt-m) bt(Grt-r) bt(j) bt(j) bt(j) bt(Grt) bt(Grt) bt(Grt)
        SiO2 38.05 39.69 36.23 36.80 36.86 36.72 36.98 36.45 35.83 37.62
        TiO2 2.90 1.54 6.35 4.11 5.06 5.26 5.25 4.40 4.74 4.27
        Al2O3 16.62 17.98 15.38 16.39 15.61 16.71 15.29 15.75 16.89 17.34
        Cr2O3 0.13 0.05 0.07 0.08 0.05 0.07 0.06 0.09 0.15 0.18
        Fe2O3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
        FeO 10.50 8.00 13.12 12.27 15.95 14.98 16.03 15.78 15.37 14.02
        MnO 0.03 0.08 0.01 0.05 0.01 0.04 0.04 0.04 0.02 0.00
        MgO 17.15 18.61 14.83 15.00 12.07 11.66 11.71 13.38 12.04 12.19
        CaO 0.04 0.01 0.04 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.02 0.00
        Na2O 0.25 0.12 0.05 0.13 0.12 0.08 0.12 0.04 0.16 0.15
        K2O 9.97 9.54 9.82 10.06 10.14 9.65 10.26 9.63 10.13 9.66
        Total 95.65 95.62 95.91 94.88 95.89 95.18 95.74 95.56 95.35 95.44
        O 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11
        Si 2.772 2.830 2.680 2.734 2.760 2.745 2.776 2.731 2.694 2.782
        Ti 0.159 0.082 0.353 0.230 0.285 0.296 0.296 0.248 0.268 0.238
        Al 1.427 1.512 1.341 1.435 1.378 1.472 1.353 1.391 1.498 1.512
        Cr 0.008 0.003 0.004 0.005 0.003 0.004 0.003 0.005 0.009 0.010
        Fe3+ 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
        Fe2+ 0.639 0.477 0.811 0.762 0.999 0.937 1.007 0.988 0.966 0.867
        Mn 0.002 0.005 0.001 0.003 0.001 0.002 0.003 0.003 0.001 0.000
        Mg 1.862 1.978 1.635 1.661 1.347 1.299 1.311 1.494 1.349 1.343
        Ca 0.003 0.001 0.003 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000
        Na 0.035 0.016 0.008 0.018 0.018 0.012 0.017 0.006 0.023 0.022
        K 0.927 0.868 0.926 0.954 0.969 0.920 0.982 0.920 0.972 0.911
        注:成分单位为质量百分含量;bt(Grt-c).石榴子石核部包裹的黑云母;bt(Grt-m).石榴子石幔部包裹的黑云母;bt(Grt-r).石榴子石边部包裹的黑云母;bt(j).基质中的黑云母;bt(Grt).围绕石榴子石边部发育的黑云母.

        表 2  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中黑云母的化学成分(%)

        Table 2.  Chemical composition of biotite from sample AQ14-18-9.6 (paragneiss) (%)

      • An-Ab-Or图解(图 7)显示样品中的斜长石均属于更长石(An=0.25~0.29).基质中的钾长石的Ab值略高于生长在石榴子石周边的钾长石, 所有钾长石的Or值在0.860~0.944, 接近纯的钾长石端元.代表性长石的化学成分见表 3.

        图  7  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中斜长石的An-Ab-Or图解

        Figure 7.  Ternary plot of An-Ab-Or for plagioclase from sample AQ14-18-9.6 (paragneiss)

        矿物 Pl Kfs
        点位 pl(Grt) pl(Grt) pl(Grt) pl(Grt) pl(j) pl(j) pl(j) pl(j) pl(j) kfs(Grt) kfs(Grt) kfs(j)
        SiO2 63.19 62.76 61.98 62.94 62.97 62.85 63.36 62.76 62.38 66.23 64.23 65.82
        TiO2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.03 0.03 0.00 0.00 0.01 0.02 0.01 0.01
        Al2O3 23.16 23.05 23.67 22.68 22.92 23.08 22.90 23.04 22.98 17.59 18.21 17.61
        Cr2O3 0.00 0.48 0.05 0.04 0.00 0.05 0.02 0.03 0.03 0.00 0.00 0.01
        Fe2O3 0.23 0.26 0.32 0.01 0.08 0.06 0.05 0.05 0.03 0.60 0.83 0.04
        FeO 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
        MnO 0.00 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.03 0.02 0.03 0.04 0.00
        MgO 0.00 0.05 0.02 0.00 0.00 0.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
        CaO 5.44 5.48 4.97 5.34 5.69 5.45 5.59 5.42 5.59 0.05 0.02 0.09
        Na2O 7.85 7.81 8.12 8.10 7.75 7.81 7.88 7.97 7.96 1.21 0.60 1.50
        K2O 0.05 0.09 0.37 0.11 0.11 0.32 0.08 0.11 0.13 14.38 15.72 14.42
        Total 100 100 99.51 99.23 100 100 100 99 99 100 100 100
        O 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
        Si 2.792 2.778 2.759 2.802 2.794 2.788 2.801 2.790 2.784 3.033 2.982 3.033
        Ti 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000
        Al 1.206 1.203 1.242 1.190 1.199 1.207 1.194 1.207 1.209 0.950 0.997 0.957
        Cr 0.000 0.017 0.002 0.001 0.000 0.002 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000 0.001
        Fe3+ 0.008 0.009 0.011 0.000 0.003 0.002 0.002 0.002 0.001 0.021 0.029 0.002
        Fe2+ 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
        Mn 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.001 0.002 0.000
        Mg 0.000 0.003 0.002 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
        Ca 0.257 0.260 0.237 0.255 0.271 0.259 0.265 0.258 0.267 0.002 0.001 0.004
        Na 0.673 0.671 0.701 0.699 0.667 0.672 0.675 0.687 0.689 0.107 0.054 0.134
        K 0.003 0.005 0.021 0.006 0.006 0.018 0.005 0.006 0.007 0.840 0.931 0.848
        An 0.275 0.278 0.247 0.266 0.287 0.273 0.280 0.271 0.277 - - -
        注:成分单位为质量百分含量;An=Ca/(Na+K+Ca);pl(Grt).围绕石榴子石边部发育的斜长石;pl(j).基质中的斜长石;kfs(Grt).围绕石榴子石边部发育的钾长石;kfs(j).基质中的钾长石.

        表 3  副片麻岩(AQ14-18-9.6)中长石的化学成分(%)

        Table 3.  Chemical composition of feldspar from sample AQ14-18-9.6 (paragneiss) (%)

      • 本文主要采用相平衡模拟的方法对样品副片麻岩(AQ14-18-9.6)进行P-T条件的估算.此样品P-T视剖面图和T-MH2O图的计算选择在NCKFMASHTO(Na2O-CaO-K2O-FeOtotal-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-TiO2-O(Fe2O3))体系下进行.岩石中MnO含量很低(<0.1%), 故所选化学体系未考虑MnO.通过T-MH2O图(图 8)及实测的矿物成分等值线来限定H2O摩尔百分含量.计算8 kbar时该样品的T-MH2O图, MH2O含量为0.2(摩尔含量约为2%的H2O)可保证所观察到的最终组合(final phase assemblage)恰好在固相线上可以稳定存在(Korhonen et al., 2012; Li and Wei, 2016).O的摩尔百分含量限定与H2O相同, 摩尔含量为0.03%.视剖面采用THERMOCALC软件3.40版本计算(Powell and Holland, 1988,于2016年更新), 内部一致热力学数据库采用Holland and Powell(2011)发表的最新版tc-ds62, 固溶体采用适用于NCKFMASHTO体系的模型(Powell et al., 2014; White et al., 2014).金红石、石英和铝硅酸盐为纯端元组分.岩石全岩成分的测定在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成.用于相平衡模拟的各组分摩尔百分含量见表 4.

        图  8  副片麻岩(AQ14-18-9.6)相平衡计算

        Figure 8.  Calculated pseudosection for sample AQ14-18-9.6

        项目 H2O SiO2 Al2O3 CaO MgO FeO K2O Na2O TiO2 O
        MH2O(0) 0 78.47 7.72 1.51 3.45 4.52 1.56 2.09 0.64 0.03
        MH2O(1) 10 70.62 6.95 1.36 3.1 4.06 1.41 1.89 0.58 0.03
        P-T 2 76.9 7.57 1.48 3.38 4.43 1.53 2.05 0.63 0.03
        注:成分单位为摩尔百分含量.

        表 4  副片麻岩(AQ14-18-9.6)用于相平衡模拟的各组分含量(%)

        Table 4.  Molar proportion of oxides for mineral equilibria modelling of sample AQ14-18-9.6 (paragneiss) (%)

        图 9为副片麻岩样品AQ14-18-9.6在P=4~11 kbar和T=600~1 000 ℃范围内的P-T视剖面图.固相线出现在约760~790 ℃温度区间; 金红石在压力>7.0~8.8 kbar条件下稳定; 堇青石在压力≥7.2 kbar条件下消失; 黑云母在温度大于800~860 ℃条件下消失; 斜方辉石稳定于低压高温区域, 温度高于800 ℃, 压力<7.3 kbar; 钾长石在温度>920~1 000 ℃条件下消失; 石榴子石稳定于压力>4.0~5.5 kbar的区域.石英和斜长石存在于各个稳定域中.在峰期矿物组合所在的稳定区域, 镁铝榴石含量等值线与压力轴近平行, 并随温度的升高其值逐渐增大(gm22→gm38);斜长石中An含量等值线与镁铝榴石含量等值线小角度相交, 并随温度的升高An值逐渐增大(an25→an28).在Grt+Bt+Sil+Kfs+Pl+Ilm+Qz+Liq矿物组合所在的稳定区域内, 镁铝榴石含量等值线与压力轴近平行, 并随温度的升高其值逐渐增大(gm24→gm42);斜长石中An含量等值线与镁铝榴石含量等值线小角度相交, 并随温度的升高An值逐渐增大(an25→an30).

        图  9  副片麻岩(AQ14-18-9.6)样品NCKFMASHTO体系下的P-T视剖面图及其P-T轨迹

        Figure 9.  P-T pseudosection and P-T path for sample AQ14-18-9.6 in the NCKFMASHTO system

        图 9所示, 峰期矿物组合Grt+Bt+Sil+Kfs+Pl+Rt+Qz+Liq在视剖面图中稳定在760~830 ℃和8.2~10.5 kbar的区域.实测石榴子石变斑晶核幔部的镁铝榴石摩尔含量为0.29~0.31(gm29~gm31), 钙铝榴石摩尔含量为0.029~0.031(gc2.9~gc3.1), 限定了峰期矿物组合稳定的温压条件为T=793~803 ℃和P=8.8~9.5 kbar(图 9粉红色填充区域).实测石榴子石最边部的镁铝榴石摩尔含量为0.24~0.30(gm24~gm30), 钙铝榴石摩尔含量为0.026~0.030(gc2.6~gc3.0), 港湾状石榴子石边部的细小长石的An值(Ca/(Ca+Na+K))为0.247~0.278(an24.7~an27.8), 限定了一条降温降压的退变质P-T轨迹(图 9).

      • 图 10显示了石榴子石、黑云母、夕线石和斜长石摩尔百分含量的变化趋势.在峰期矿物组合所在的稳定域中, 石榴子石、黑云母、夕线石和斜长石的摩尔百分含量等值线均近似平行于压力轴(P轴), 表明这4种矿物的含量对温度的变化比较敏感.在该稳定域中, 随着温度的升高, 石榴子石的摩尔百分含量逐渐增加, 而黑云母、夕线石和斜长石的摩尔百分含量则逐渐减小, 这表明石榴子石的生长是靠消耗黑云母、夕线石和斜长石等矿物来实现的, 在镜下笔者观察到石榴子石的幔部包裹有黑云母、夕线石和石英等矿物, 这种岩相学特征正是这些矿物之间这种关系的体现, 它们可能经历的变质反应为:Pl+Bt+Sil+Qz→Grt+Kfs+Rt+Liq.相反, 在降压降温的过程中, 石榴子石、黑云母、夕线石和斜长石的摩尔百分数值的变化刚好与增温增压阶段相反, 所经历的变质反应为上述反应的逆反应.另外, 在Grt+Bt+Sil+Kfs+Ilm+Rt+Pl+Qz+Liq稳定域, 随着温度和压力的下降, 黑云母、夕线石、斜长石、钛铁矿的摩尔百分含量增加, 石榴石、金红石、钾长石和熔体的摩尔百分含量减小, 表明黑云母、夕线石和斜长石的生长与石榴子石的分解有关; 在Grt+Bt+Sil+Kfs+Ilm+Pl+Qz+Liq稳定域, 随着温度和压力的下降, 黑云母、夕线石、斜长石、钛铁矿的摩尔百分含量增加, 石榴石、钾长石和熔体的摩尔百分含量减小, 表明黑云母、夕线石和斜长石的生长也是靠石榴子石的分解来实现的, 这与镜下观察到的石榴子石的分解结构一致, 即:港湾状石榴子石的周边有后期细小的黑云母、夕线石和斜长石及钛铁矿发育, 反映了峰期之后经历了一个降温降压的退变质过程.

        图  10  计算样品AQ14-18-9.6内主要矿物的摩尔百分含量等值线

        Figure 10.  Calculated contours in mole percentage for main minerals in sample AQ14-18-9.6

      • 通过岩相学观察、矿物化学分析和相平衡模拟, 笔者确定了西秦岭北缘秦岭杂岩中副片麻岩的峰期温压条件及其峰期之后的降温降压退变质阶段.根据岩相学观察到的峰期矿物组合及其石榴子石核幔部的镁铝榴石和钙铝榴石组分含量等值线,笔者限定了副片麻岩峰期温压条件为:T=793~803 ℃、P=8.8~9.5 kbar,达到了中压麻粒岩相变质条件, 表明研究区副片麻岩的原岩(碎屑沉积岩)曾深埋到下地壳33~36 km(假设平均地壳密度为2.7 g/cm3)深处, 并经历了中压高温变质作用.峰期之后, 岩石经历降温降压退变质过程, 体现在石榴子石边部呈港湾状, 被黑云母、斜长石和少量夕线石集合体环绕, 并且这些斜长石和石榴子石记录了这一过程:实测石榴子石最边部的镁铝榴石含量为0.24~0.30(gm24~gm30), 钙铝榴石含量为0.026~0.030(gc2.6~gc3.0), 港湾状石榴子石边部长石的An值(Ca/(Ca+Na+K))为0.247~0.278(an24.7~an27.8), 限定了降温降压的退变质P-T轨迹(图 9).该P-T轨迹与固相线相交于T=770 ℃、P=7.8 kbar位置, 可能表明岩石中的熔体在这个温压条件下结晶, 也显示该岩石已经折返到了约29 km的地壳深度.

        已有的锆石及独居石年代学的研究显示, 该地区秦岭杂岩中的副片麻岩和基性麻粒岩经历了晚志留世(424~433 Ma)麻粒岩相变质作用, 以及402~411 Ma的退变质作用(角闪岩相?)改造(毛小红等, 2017).基性麻粒岩(角闪二辉麻粒岩)呈透镜体包在本文所采副片麻岩之中(图 2).笔者推测该副片麻岩在晚志留世已深埋到下地壳, 同样经历了中压麻粒岩相变质作用以及402~411 Ma角闪岩相的退变质作用, 考虑到角闪二辉麻粒岩中的角闪石390 Ma的Ar-Ar坪年龄(笔者未发表数据), 该岩石在390 Ma时已冷却至500 ℃左右, 表明其经历了一个相对缓慢的冷却过程.

      • 秦岭杂岩作为北秦岭造山带的主要组成部分, 其经历了早古生代多阶段变质作用.对东秦岭的秦岭杂岩的研究显示, 其经历了500 Ma左右的榴辉岩相变质作用、500 Ma左右的高压麻粒岩相变质作用、440 Ma的中低压麻粒岩相变质作用和426 Ma的角闪岩相变质作用(张建新等, 2011).其中, 中低压麻粒岩-角闪岩相岩石在区域内广泛出露.吴元保和郑永飞(2013)认为这种420~440 Ma的中低压麻粒岩相-角闪岩相变质作用可能是商丹洋壳北向俯冲过程中弧后拉张加热的结果; 也有其他学者认为其与碰撞造山作用有关(Kröner et al., 1993; Zhai et al., 1998; Meng and Zhang, 1999; 张建新等, 2011; 张成立等, 2013; Liu et al., 2016).毛小红等(2017)在西秦岭的秦岭杂岩中识别出的中压麻粒岩相变质作用的时代大致与东秦岭相同, 并且与该期麻粒岩相变质作用同时期的深熔作用广泛发育, 这些中压高温变质作用及深熔作用形成在何种构造环境呢?

        在西秦岭天水地区, 武山、关子镇和唐藏等地发育具有蛇绿岩性质的混杂岩, 其中分布于关子镇蛇绿岩中的变基性火山岩具有N-MORB的特征, 形成时代为早古生代(裴先治等, 2004, 2007d), 因此, 李子园群俯冲杂岩带和天水地区武山、关子镇、唐藏等地的蛇绿混杂岩被认为是商丹缝合带向西的延伸(裴先治等, 2004, 2007b; 张国伟等, 2004; 张宏飞等, 2005, 2006; 杨钊等, 2006).在西秦岭天水地区, 既出露有早古生代的岩浆活动, 如天水百花中基性岩浆杂岩, 形成时代为435 Ma(裴先治等, 2007c), 具有C-型埃达克质岩石的党川花岗岩(王婧等, 2008), 一些学者认为这些岩浆活动具有弧岩浆性质, 与商丹洋向北俯冲有关(张宏飞等, 2006; 裴先治等, 2007c); 然而这些岩浆活动也能解释为陆陆碰撞造山作用的产物, C-型埃达克质岩石可解释为增厚的陆陆碰撞造山带下地壳部分熔融产物(毛小红等, 2017).通常, 变质作用类型和P-T轨迹反映了变质作用的过程及其与造山作用过程之间的关系, 碰撞造山作用以中压相系变质作用(巴罗型变质作用)和顺时钟P-T轨迹为特征(Thompson and England, 1984); 与增生造山作用有关的弧变质作用, 其变质作用类型以低压高温变质作用和逆时钟的P-T轨迹为特征(Maruyama and Parkinson, 2000).然而, 一些研究显示在大陆边缘弧背景下, 其变质作用同样可以出现中压相系(巴罗型)变质作用类型和顺时钟的P-T轨迹(Otamendi et al., 2008; Zhang et al., 2017).由于广泛的麻粒岩相变质作用和深熔作用的存在, 使得本文所研究副片麻岩早期与进变质作用相关的记录难以保存, 仅记录了峰期温压条件及峰期之后降温降压的P-T轨迹, 但从岩相学、矿物学的数据以及相平衡模拟的结果看, 副片麻岩石的峰期条件为T=793~803 ℃、P=8.8~9.5 kbar, 并且石榴子石及长石记录了后期抬升冷却的阶段, 从以上特征来看, 似乎是一个顺时针的P-T轨迹, 与典型碰撞造山作用有关的巴罗型的变质作用一致.当然, 为了更明确地确定秦岭造山带早古生代晚期中低压麻粒岩相变质作用形成的构造背景, 除了需要进一步明确这些麻粒岩相岩石进变质阶段的演化轨迹外, 还需要综合更多的其他区域地质资料来加以确定.

      • 运用THERMOCALC软件对西秦岭天水花庙地区秦岭杂岩中的副片麻岩进行了相平衡模拟, 结合详细的岩石学、矿物化学对该岩石的峰期温压条件及P-T轨迹进行确定, 得到了如下结论:

        (1) 岩相学观察及其矿物成分分析结果显示, 副片麻岩经历了3个变质演化阶段:早期进变质阶段(M1), 以石榴子石及其核部矿物包体(黑云母和石英)为特征; 峰期变质阶段(M2), 该阶段的矿物组合为Grt+Sil+Bt+Kfs+Pl+Rt+Qz+Liq; 峰期之后的退变质阶段(M3), 以石榴子石的消耗为主要特征.

        (2) 利用相平衡模拟计算得到副片麻岩峰期矿物组合稳定存在的温压条件为T=793~803 ℃,P=8.8~9.5 kbar, 峰期之后经历了降压降温的冷却抬升阶段.

        (3) 研究区内广泛存在的该期中压麻粒岩及同时代的深熔作用、麻粒岩相岩石矿物组合特征及相平衡模拟得到的峰期温压条件显示其具有“巴罗型”变质作用的特征, 可能经历了顺时针的P-T演化轨迹.

    参考文献 (110)

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