Mineral Assemblages and Their Evolution of Clinopyroxenite Xenolith in Early Jurassic Intrusive Complex from Xu-Huai Region, Central China
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摘要: 对徐—淮地区早侏罗世侵入杂岩中尖晶石单斜辉石岩捕虏体的岩石学和矿物学研究表明, 镁铁尖晶石和富铝单斜辉石矿物组合代表了更早期地幔岩浆在下部地壳或上地幔顶部的堆积体, 其形成的温压条件为0.90 GPa和835℃; 以尖晶石转变成石榴石和单斜辉石+石榴石+刚玉组合为代表的矿物组合(Ⅱ) 反映了尖晶石单斜辉石岩形成后又经历了高压变质作用, 所估算的温压条件为1.40~1.6 5 GPa和900~1 000℃; 晚期退变角闪石的形成表明尖晶石单斜辉石岩又遭受了角闪岩相的退化变质作用, 估算的温压条件为0.70 GPa和670~740℃.该类捕虏体的发现对认识大别—苏鲁超高压变质带的深部俯冲方向及其范围具有重要意义.Abstract: Petrology and mineralogy of spinel-clinopyroxenite xenolith in Early Jurassic intrusive complex from Xu-Huai region, central China indicate that Mg-Fe spinel and Al-clinopyroxene assemblage could be present as the cumulate of the underplating magma in the lower crust or the most upper mantle, which were formed under 0.90 GPa and 835 ℃; that the mineral assemblage (Ⅱ) represented by spinel-garnet transition and clinopyroxene (Cpx) +garnet (Grt) +corundum (Co) assemblage could reflect that the spinel-clinopyroxenite was subjected to high pressure metamorphism with 1.40-1.65 GPa and 900-1 000 ℃; and that the occurrence of retrogressive amphibole implies that the spinel-clinopyroxenite could undergo the amphibolite facies retrogressive metamorphism with 0.70 GPa and 670-740 ℃. The discovery of the xenolith is of important implication for us to recognize the deep subduction direction and the scale of the Dabie-Sulu ultrahigh-pressure (UHP) metamorphic belt.
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超高压变质作用是近15年来固体地球科学重要的研究课题之一[1].大别—苏鲁超高压变质带已经成为研究超高压变质作用的一个重要的天然实验室.随着对大别—苏鲁碰撞造山带研究的深入和在北大别超高压变质岩的发现[2, 3], 该带已经引起国际地学界的关注.然而, 关于该带的某些基础地质问题仍存在争议, 比如大别—苏鲁超高压变质带深部俯冲的方向和超高压变质作用影响的范围[2, 4].本文讨论了徐—淮地区早侏罗世侵入杂岩中单斜辉石岩捕虏体的矿物组合特征及其演化, 尤其是在该捕虏体中发现了高压矿物组合.这些新的发现对确定大别—苏鲁超高压变质带的深部俯冲方向及其范围具有重要意义.
1. 地质背景
徐—淮地区位于中国中东部郯庐断裂带以西约100 km处, 南距大别造山带约300 km (图 1).区内存在的新元古代(震旦纪) 和古生代地层遭受了褶皱变形, 并构成了徐州-宿州弧形构造带[5] (图 2).区内早侏罗世侵入杂岩主要由闪长岩和二长闪长斑岩组成[4, 6].它们侵位于弧形构造带中的张性断裂里, 呈北东向带状展布, 平行于郯庐断裂(图 1), 岩体侵入的最新地层为二叠系(如区内宿州西北的蔡山岩体) (图 2).闪长岩和二长闪长斑岩中角闪石的40Ar/39Ar的坪年龄介于188~191 Ma[6, 7], 这与野外地质观察相吻合, 并进一步表明徐—淮地区早侏罗世侵入杂岩的侵位发生在弧形构造带形成之后.单斜辉石岩、石榴单斜辉石岩和榴辉岩捕虏体就产在早侏罗世侵入杂岩中[4].
图 1 早侏罗世侵入杂岩和大别—苏鲁超高压变质带分布1.高温(超) 高压变质带; 2.低温高压变质带; 3.秦岭—桐柏深变质杂岩; 4.北淮阳浅变质杂岩; 5.古生界; 6.断层; 7.岩体; 8.断层Fig. 1. Distribution of Early Jurassic intrusive complex and Dabie-Sulu UHP metamorphic belt
图 2 徐—淮地区地质略图1.中生代和更年轻的地层; 2.晚古生代地层; 3.晚元古和早古生代地层; 4.逆冲断层; 5.正断层; 6.其他断层; 7.地层界线; 8.侵入体Fig. 2. Geologic sketch map in Xu-Huai region2. 单斜辉石岩捕虏体的岩相学
单斜辉石岩捕虏体呈浑圆状产于早侏罗世的闪长岩和二长闪长岩中(图 3a), 其大者可达5 cm×6 cm, 小者在2 cm×3 cm左右.捕虏体的边缘常常发育一个窄的蚀变边(1~2 mm), 它以绿色角闪石的形成为特征.单斜辉石岩呈中粗粒结构, 手标本上呈暗绿色, 主要由单斜辉石组成, 含少量尖晶石、刚玉、石榴石和角闪石.捕虏体中的尖晶石呈墨绿色, 产于单斜辉石中或单斜辉石粒间.单斜辉石和尖晶石共同构成了捕虏体中的第1期矿物组合(Ⅰ).显微镜下可观察到尖晶石转变成石榴石的现象(图 3b), 该转变可以用下列反应来描述: 富铝透辉石+尖晶石=2石榴石+透辉石.刚玉和尖晶石常常一起产出.在刚玉的边部也有石榴石的产出(图 3c).因此, 单斜辉石岩中的石榴石、单斜辉石和刚玉构成了第2期矿物组合(Ⅱ).捕虏体中的角闪石叠加在其他矿物(单斜辉石和石榴石) 之上或产于捕虏体的边缘, 这表明角闪石是呈退变相产出的.
图 3 捕虏体产状和矿物组合的图片a.单斜辉石岩的野外照片; b.捕虏体中尖晶石-石榴石转变的背散射图像; c.捕虏体中的尖晶石、刚玉和石榴石组合.Grt.石榴石; Sp.尖晶石; Co.刚玉; Cpx.单斜辉石Fig. 3. Photomicrographs showing mineral microstructures3. 矿物化学
单斜辉石岩中主要矿物的电子探针分析结果列于表 1中.
表 1 单斜辉石岩中的矿物成分Table Supplementary Table Mineral composition in clinopyroxenite xenolith
(1) 单斜辉石.单斜辉石岩中的单斜辉石是透辉石变种, 明显富含Al2O3, 这种成分特征与新生代玄武岩中的辉石岩类捕虏体里的单斜辉石成分相类似[8].与单斜辉石的边部相比, 其核部明显富含Al2O3、Na2O和FeO, 但贫CaO和MgO, 这种成分变化可能与相接触的尖晶石转变成石榴石有关(图 3b).
(2) 尖晶石.显微镜下尖晶石呈墨绿色.属于镁铁尖晶石变种, Al2O3质量分数较高, Cr2O3质量分数明显偏低.尖晶石的Mg#值及富铝贫铬的成分特征与该地区女山新生代玄武岩中尖晶石辉石岩类捕虏体里的尖晶石成分相类似, 而明显不同于该地区新生代玄武岩中尖晶石二辉橄榄岩类捕虏体里的尖晶石, 后者明显富含Cr2O3、贫Al2O3, 且为铬尖晶石变种[9].此外, 本区单斜辉石岩中尖晶石的核部和边部成分上没有变化(表 1).
(3) 石榴石.单斜辉石岩捕虏体中的石榴石呈2种形式产出, 一种是以尖晶石转变成石榴石的形式; 另一种则是产于刚玉的边部.前者相对富含CaO, 后者相对富含MgO.该石榴石属于镁铝-铁铝榴石变种, 其镁铝榴石分子(Pyr) 介于0.455~0.512之间, 铁铝榴石分子(Alm) 介于0.307~0.313之间, 钙铝榴石分子(Gro) 介于0.172~0.206之间, 锰铝榴石分子(Spe) 为0.008, 钙铁榴石分子(And) 介于0.001~0.018之间, 它们具有B型榴辉岩中石榴石的特征[10], 并且在化学成分上类似于金伯利岩中刚玉榴辉岩捕虏体和新生代玄武岩中石榴辉石岩捕虏体里的石榴石[9, 11].
(4) 角闪石.单斜辉石岩捕虏体中的角闪石常常以退变形式产出.根据Leake等[12]的分类, 该角闪石为韭闪石质普通角闪石, 这与本区早侏罗世侵入杂岩内榴辉岩捕虏体中的退变角闪石相类似[4].
4. 矿物组合温压条件的估算及其演化
根据单斜辉石岩捕虏体中矿物组合的变化, 可将其划分成3个阶段, 即单斜辉石岩阶段, 以单斜辉石和尖晶石的形成为标志; 尖晶石-石榴石转变阶段, 以石榴石的形成为标志; 退变角闪石形成阶段, 以退变角闪石的形成为标志.
(1) 单斜辉石岩阶段.单斜辉石岩捕虏体中的矿物组合及其成分(富铝的单斜辉石和镁铁尖晶石组合) 表明该类捕虏体可能是由更早期底侵岩浆在下地壳或上地幔最顶部侵入堆积所形成.单斜辉石的核部成分反映了单斜辉石岩形成阶段的温压条件.为了估算该阶段的温压条件, 本文采用了Boyd[13]单斜辉石地温计和Nimis[14]单斜辉石地质压力计, 结果表明, 单斜辉石岩形成的温压条件分别为0.9 GPa和835 ℃.
(2) 尖晶石-石榴石转变阶段.上述铝透辉石+尖晶石=2石榴石+透辉石的反应关系可以描述矿物组合Ⅰ(Cpx+Sp) 向矿物组合Ⅱ (Cpx+Grt) 的演化, 即从尖晶石相向石榴石相的转变.已有的几个实验研究已经表明, 二辉橄榄岩中尖晶石向石榴石转变的温压条件分别是1.60~2.0 GPa和900~1 000 ℃ [15, 16, 17].新生代玄武岩中辉石岩捕虏体内尖晶石转变成石榴石的压力应小于1.80 GPa[17].李天福等[18]对河北汉诺坝新生代玄武岩中二辉橄榄岩和辉石岩捕虏体内尖晶石转变成石榴石的温压条件研究表明, 辉石岩捕虏体内尖晶石转变成石榴石的温压条件为1.42~1.65 GPa和930~978 ℃, 二辉橄榄岩捕虏体中尖晶石向石榴石转变的温压条件为1.58~2.16 GPa和991~1 110 ℃.Ionov等[19]对Vitim火山区二辉橄榄岩中尖晶石相向石榴石相转变的研究表明, 其转变压力介于1.60~2.0 GPa之间.基于上述研究成果, 笔者认为本区单斜辉石岩捕虏体中尖晶石向石榴石转变的温压条件应介于1.40~1.65 GPa和900~1 000 ℃.另一方面, 实验研究表明, 在Al2O3-MgO-CaO-SiO2体系中, Cpx+Grt+Co矿物组合在1 300 ℃时的稳定压力介于1.95~3.16 GPa[20].这表明本区单斜辉石岩捕虏体中Cpx+Grt+Co矿物组合的出现意味着该捕虏体可能遭受了高压变质作用.
(3) 退变角闪石形成阶段.根据角闪石中铝的地质压力计[21], 估算的角闪岩相退化变质作用的压力是0.70 GPa.退变温度的估算, 因没有适用的温度计, 故可参考本区榴辉岩和石榴辉石岩捕虏体中退变角闪岩相的温度估算结果, 即670~740 ℃[4].
矿物共生组合和温压条件估算结果表明, 单斜辉石岩捕虏体可能代表了底侵岩浆在下部地壳或上地幔最顶部的堆积体, 并遭受了2期变质事件, 即以尖晶石-石榴石转变为代表的高压变质作用和角闪岩相退化变质作用.捕虏体中存在的2期变质事件已经揭示了该区曾经发生过一种快速抬升过程, 这与本区榴辉岩捕虏体所揭示的演化历史相吻合[4].
5. 对大别—苏鲁超高压变质带演化的地质意义
徐—淮地区早侏罗世侵入杂岩中单斜辉石岩和榴辉岩捕虏体的发现对大别—苏鲁区域构造格架的重新建立具有重要意义.捕虏体中2次变质事件的确立表明温压条件快速降低的过程, 进而表明一种快速抬升过程的发生.这与本区榴辉岩捕虏体以及大别—苏鲁超高压变质带所揭示的演化历史相吻合[4, 22, 23].已有的研究表明, 本区榴辉岩捕虏体在钐-钕同位素组成和同位素年龄(219 Ma) 方面, 与大别—苏鲁超高压变质带中的同类岩石具有相同的特征[4, 24].这表明徐淮地区早侏罗世侵入杂岩中的单斜辉石岩和榴辉岩捕虏体可能代表了大别—苏鲁带中超高压变质岩的深部产物, 这进一步暗示着大别—苏鲁超高压变质带的深部俯冲方向为北西西向, 并且郯庐断裂带并没有发生大的左形平移.上述认识也可被早侏罗世侵入杂岩带和榴辉岩捕虏体的空间展布所证实[4].因此, 在该区早侏罗世侵入杂岩中单斜辉石岩捕虏体的发现对重新认识大别—苏鲁超高压变质带的演化历史及其动力学意义将产生重要影响.
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图 1 早侏罗世侵入杂岩和大别—苏鲁超高压变质带分布
1.高温(超) 高压变质带; 2.低温高压变质带; 3.秦岭—桐柏深变质杂岩; 4.北淮阳浅变质杂岩; 5.古生界; 6.断层; 7.岩体; 8.断层
Fig. 1. Distribution of Early Jurassic intrusive complex and Dabie-Sulu UHP metamorphic belt
图 2 徐—淮地区地质略图
1.中生代和更年轻的地层; 2.晚古生代地层; 3.晚元古和早古生代地层; 4.逆冲断层; 5.正断层; 6.其他断层; 7.地层界线; 8.侵入体
Fig. 2. Geologic sketch map in Xu-Huai region
图 3 捕虏体产状和矿物组合的图片
a.单斜辉石岩的野外照片; b.捕虏体中尖晶石-石榴石转变的背散射图像; c.捕虏体中的尖晶石、刚玉和石榴石组合.Grt.石榴石; Sp.尖晶石; Co.刚玉; Cpx.单斜辉石
Fig. 3. Photomicrographs showing mineral microstructures
表 1 单斜辉石岩中的矿物成分
Table 1. Mineral composition in clinopyroxenite xenolith
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