（地球化学专业论文）大别造山带北部麻粒岩和ttg片麻岩的地球化学和年代学研究.pdf

摘要 大别造山带北部麻粒岩和t t g 片麻岩的形成和演化历史直是大别山研究 的重点，对确定整个大别造山带的构造格局和演化具有重要的意义。本文应用 锆石u p b 、s m - - n d 、等计年方法，对北大别5 个麻粒岩样品和4 个t t g 片麻 岩样品进行了详细的岩石化学和年代学研究，取得了一些新的成果。 j 大部分麻粒岩和片麻岩为正变质岩。麻粒岩原岩年龄一般较为古老，具有 较长的下地壳居留历史。片麻岩的同位素组成特征相当于中一下地壳成分，其 原岩年龄相对年轻。 根据”a r 一3 9 a r 年代学分析结果，所有的麻粒岩和片麻岩样品均经历了燕 山期热事件的扰动，角闪石和黑云母的等时年龄几乎相同，为1 2 9 6 1 7 m a ， 表明北大别地体此时已冷却到a r 体系的封闭温度。 由于麻粒岩样品均经历了多期变质作用，因此在对样品进行s m n d 、r b s r 矿物内部等时线定年时，区分不同世代的矿物分别测试进行定年是十分必要 的。 麻粒岩和片麻岩中的钻石来源复杂，锆石u p b 体系均受到了三叠纪超高 压变质作用和白垩纪岩浆活动的扰动，但影响的程度可能并不象原先想象的那 么严重。根据错石的不一致线的上、下交点判断，片麻岩原岩形成于晋宁期， 在2 2 7 m a ，扬子陆块和华北陆块碰撞的深俯冲作用使t t g 原岩发生变质作用形 成片麻岩。而麻粒岩包体的峰期变质年代现在尚不能确定，由金寨巴河的麻粒 岩样品中锆石的特征及u p b 不一致线上交点年龄( 6 7 4 m a ) ，推测这可能代表 了一期麻粒岩相变质事件，但综合其它分析结果，则只能给出这些地区的麻粒 岩的峰期变质时代大于2 7 0 m a 的结论。 黄土岭麻粒岩为副变质岩。锆石年龄较为古老，其麻粒岩相峰期变质时代 应大于1 l o o m a 。没有明显的经受晋宁期构造事件扰动的痕迹，表明它可能有与 其它麻粒岩不同的物质来源和演化历史。j a b s t r a c t t h e o r i g i na n d e v o l u t i o nh i s t o r yo f g r a n u l i t ea n dt t gg n e i s so f n o r t ho fd a b i e o r o g e ni s t h e e m p h a s i so fd a b i er e s e a r c hw o r k ，i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r e s t a b l i s h i n gt e c t o n i cm o d e la n de v o l u t i o no ft h ed a b i eo r o g e n i cb e l t i nt h i sp a p e r ， w ea c h i e v e ds o m en e wr e s u l t sa f t e rd a t e dr b s r ，s m n d ，r b s r ，a r a ra g e so n f i v eg r a n u l i t es a m p l e sa n df o u rg n e i s ss a m p l e s ，a n dd i dp a r t i c u l a rg e o c h e m i s t r ya n d c h r o n o l o g yr e s e a r c h t h em o s to ft h e ma r eo r t h o m e t a m o r p h i t e t h ea g eo f p r o t o l i t ho ft h eg r a n u l i t e w a sv e r yo l d ，a n dt h e yw e r er e t a i n e di nl o w e r c r u s tf o ral o n gt i m e t h ei s o t o p e c h a r a c t e ro f g n e i s si ss i m i l a rt om i d e r u s ta n dl o w e r c r u s t ，a n dt h e i ra g eo fp r o t o l i t ha r e r e l a t i v e l yy o u n g a c c o r d i n gt o 4 0 a r 一”a r a g e a l l t h eg r a n u l i t ea n dg n e i s s s a m p l e ss u f f e r e d y a n s h a n i a nm a g m a t i s m ，t h ei s o c h r o na g e s ( 1 2 9 6 1 7 m a ) o fh o r n b l e n d ea r ev e r y s i m i l a rt ot h eb i o t i t e ，t h i ss h o wt h a tn o r t hd a b i eo r o g e nh a dr e a c h e dt o b l o c k i n g t e m p e r a t u r eo f a ri s o t o p i cs y s t e ma tt h i st i m e i ti s v e r yn e c e s s a r y f o r m a k i n g ad i f f e r e n t a g ea n a l y s i sb e t w e e nd i f f e le n t g e n e r a t i o n m i n e r a l a g e s w h i l e d a t i n g s m n d 、r b s rm i n e r a l w h o l e r o c k i s o c h r o na g e s ，b e c a u s eg r a n u l i t eh a du n d e r g o n em e t a m o r p h i s mm a n yt i m e s t h eo r i g i no fz i r c o no fg r a n u l i t ea n dg n e i s sh a v ed i f f e r e n ts o u r c e s ，a n dz i r c o n u p bi s o t o p i c s y s t e m s u f f e r e dt h eu l t r a p r e s s u r e m e t a m o r p h i s mi n t r i a s s i ca n d m a g m a t i ca c t i v i t yi nc r e t a c e o u s ，b u tt h ed e g r e eo fi n f l u e n c em a y n o tb es oa c u t ea s w et h i n kb e f o r e b a s e do nt h e u p p e ra n d l o w e ri n t e r c e p t a g e so fz i r c o n u p b d i s c o r d i a ，t h ep r o t o l i t ho fg n e i s sf o r m e di nj i n n i n gp e r i o d a t2 2 7 m a ，t h et t g p r o t o l i t hm e t a m o r p h o s ei n t og n e i s sw i t hy a n g t z eb l o c ka n dn o r t h - c h i n ab l o c k c o l l i s i o na n ds u b d u c t i o n t h ea g eo fp e a ko fm e t a m o r p h i s mo fg r a n u l i t ei n c l u s i o n s t i l lc a n n o tb ea f f i r m e d ，f r o mt h ez i r c o nc h a r a c t e ra n du p p e ri n t e r c e p ta g e s ( 6 7 4 m a ) o fd i s c o r d i ao fg r a n u l i t es a m p l eo fj i n z h a ib a b e ，w ec a no n l yp r e s u m et h i si sa g r a n u l i t e - f a c i e sm e t a m o r p h i s me v e n t ，b u tt a k i n go n ew i t ha n o t h e r ，w ec a no n l ys a y t h a tt h eg r a n u l i t e - f a c i e sm e t a m o r p h i s me r ao f g r a n u l i t ei nt h e s er e g i o ns h o u l dm o r e t h a n2 7 0 m a t h e h u a n g t u l i n gg r a n u l i t e a r e p a r a m e t a m o r p h i t e z i r c o na g e so ft h e m a r e r e l a t i v e l yo l d ，t h eg r a n u l i t e - f a c i e sm e t a m o r p h i s me r ao fg r a n u l i t es h o u l em o r et h a n 11 0 0 m a t h e ya r en o to b v i o u se v i d e n c es u f f e r i n gj i n n i n gp e r i o dt e c t o n i ce v e n t ，t h i s s h o wt h e yh a v ed i f f e r e n ts o u r c e sa n de v o l u t i o nh i s t o r yc o m p a r e i n go t h e rg r a n u l i t e 前言 大别造山带是了解中国东部大地构造的关键地区，其构造演化一直受到中外 地质学家的重视。目前对这个碰撞造山带的形成时间及方式存在着不同的认识。 由于大别山超高压变质岩带的确定，大别山是二叠纪末一三叠纪初扬子陆块向北 俯冲与华北陆块碰撞的产物且南大别超高压杂岩带为扬子陆块俯冲基底已成共 识。 但由于对大别山主要构造一岩石单位形成的构造背景没有足够的制约，而对 碰撞前的构造格局有不同认识。不同研究者所建立的构造演化模式明显不同。分 歧的焦点主要是在对北大别杂岩的认识上。北大别杂岩被不同的研究者当作变质 蛇绿混杂岩带( 徐树桐等，1 9 9 2 ，1 9 9 4 ) 、古生代安第斯型岛弧杂岩( c o n g e ta 1 ， 】9 9 4 ；w a n ge ta j ，】9 9 4 ；z h a i e t a 1 ，】9 9 5 ) 、强烈叠加变质的扬子陆块俯冲基 底( w a n g e ta 1 ，1 9 9 2 ；o k a ye ta 1 ，1 9 9 3 ：e i d ee ，1 9 9 5 ) 、华北陆块南缘的仰 冲壳楔( z h a n ge ta 1 ，1 9 9 6 ) 、扬子陆块的微陆块( l ie ta 1 ，1 9 9 8 ) 和白垩纪的岩 浆岩带( h a r k e re ta 1 ，1 9 9 8 ) ，因此，由于对北大别杂岩的大地构造属性的认识 不同，不同研究者推测的南北陆块之间的缝合线位置不一，因而所建立的造山带 的构造格局也就不同，从而制约着对大别山构造演化及超高压变质岩折返机制的 了解。 北大别杂岩大地构造属性的核心是，在南北陆块碰撞前，它是扬子陆块北缘 的俯冲基底或微陆块还是华北陆块南缘的仰冲壳楔或古岛弧( 江来利，2 0 0 0 ) 。 那么，通过对北大别变质杂岩的系统的岩石学、地球化学及同位素年代学研究， 确定北大别变质杂岩的岩石组成、形成的构造背景及时代，对确定北大别地体的 形成和演化历史非常重要，对了解整个大别造山带的构造格局和演化都有重要的 意义。 由于在北大别，麻粒岩相岩石及t t g 片麻岩的面积占到整个北大别杂岩的 7 0 一8 0 ，对于北大别片麻岩的年代学研究，目前已经积累了一些年代学工作， 且大多是最近的工作成果。李曙光等( 1 9 9 4 ) 、谢智等( 1 9 9 6 ) 、c h e na n dj a h n ( 1 9 9 8 ) 用钕同位素模式年龄推测了它们的物源年龄范围，谢智( 1 9 9 8 ) 、x u ee ta 1 ( 1 9 9 7 ) 用钴石u p b 法测定了它们的不一致年龄，h a c k e re ta 1 ( 1 9 9 8 ) 率先用s h r i m p 法测定了片麻岩中的u p b 锆石年龄，陈道公( 2 0 0 0 ) 用s i m s 法对北大别两个 片麻岩中的锆石进行了微区定年。而郑祥身( 2 0 0 0 ) 则用s m n d 法测定了北大 别t t g 片麻岩的等时年龄。而对于北大别麻粒岩的年代学的研究仅有陈能松等 ( 1 9 9 6 ) 有过报道。 但由于年代学方面的工作太少，不同的研究者根据自己的工作和获得的年龄 值对麻粒岩和t t g 片麻岩的形成和演化提出了不同的解释，且各研究者之间的 结论均无法相互验证，所以目前解决北大别造山带麻粒岩和t t g 片麻岩的形成 时代和演化等问题还存在很多困难。 本文对北大别所出露的麻粒岩包体以及它们的围岩t t g 片麻岩进行详细的 年代学、岩石学以及它们的成因研究，并结合野外地质特征，力求获得关于变质 岩原岩和变质时代的信息，搞清北大别地体的构造归属以及它们的演化历史。 在论文工作期间完成的工作量如下： 1 阅读了大量有关大别造山带研究工作的中外文献和有关各种同位素当 年的文献数篇，了解大别山最新研究进展，并收集了各种有关同位素年代学数 据。 2 完成5 个样品薄片镜下鉴定。 3 进行了样品所有单矿物的精挑工作，以送样到各测试单位测试。在国 土资源部天津地质矿产研究所，协助李惠民研究员进行锆石u - - p b 同位索的化 学处理和质谱测定工作。 4 完成9 个样品的全岩主元素分析。 本研究工作的主要成果如下： i 麻粒岩和片麻岩中的锆石来源复杂，均受到燕山期退变质作用的影响 锆石发生变质增生。 2 麻粒岩的原岩大多为火成岩，原岩年龄较古老。并具有较长的下地壳居 留历史。麻粒岩相变质的峰期温压条件分别为8 0 0 9 0 0 。c ，0 8 1 4 g p a ，并可能 在6 7 4 m a 左右发生麻粒岩相变质作用。 3 北大别t t g 片麻岩的原岩岩浆形成于晋宁期岩浆事件( 8 0 0 m a ) 时 的岛弧环境，即原岩年龄较为年轻。 4 在2 2 7 m a 时，扬子陆块和华北陆块碰撞深俯冲作用使t t g 原岩发生变 质作用形成片麻岩。 5 北大别麻粒岩和片麻岩均受到了白垩纪岩浆活动事件的影响，矿物a r a r 体系的年龄数据表明北大别地体在燕1 1 1 期经历了快速抬升，在1 2 9 6 m a 左 右己冷却到a r 体系的封闭温度。 6 黄土岭麻粒岩的原岩为沉积岩，锆石年龄较老，没有经历过晋宁期以后 构造事件扰动的痕迹，纪录的可能是早期演化历史。表明其可能具有与其它麻 粒岩不同的物质来源和演化历史。 本研究工作期间发表的论文如下： 葛宁洁，侯振辉，李惠民等。大别造山带岳西沙村辉长岩岩体的锆石u p b 年 龄及地质意义科学通报，1 9 9 9 ，4 4 ( 1 9 ) ：2 1 1 0 2 1 1 4 致谢：感谢葛宁洁老师和陈道公老师三年前接收我进入这个陌生而又有趣 的领域，感谢我的导师葛宁洁老师对我三年来的培养，感谢国家自然科学基金 的资助，使我完成了这篇论文。在论文的写作过程中，得到了陈江峰教授、李 曙光教授、陈道公教授、洪吉安老师的指导和帮助，在实验过程中，得到了张 巽副教授、李惠民研究员、左义成老师、周红英老师及实验室其他老师的指导 和帮助，在论文的完成过程中，得到了谈迎、孙梅、李惠玉的帮助，在此表示 我最诚挚的谢意。 因本人水平所限，论文中错误、缺点和疏漏之处敬请各位老师和前辈批评 指正。 2 第一章：区域地质及研究概况 大别造山带是扬予陆块和华北陆块的结合带，这两个大陆板块在三叠纪之前 有着互不相同的地质历史，发育了互不相同的沉积盖层。三叠纪以后它们才具有 类似的中生代一新生代地层。因而大别山是两个大陆板块之间的分界。大别山原 来是因为其南北的人文、地理有巨大差别而得名，实际上两者在地质方面也是如 此( 徐树桐等，1 9 9 4 ) 。该带是世界上最大的超高压变质带之一，是少数既有柯石 英又有微粒金刚石的超高压变质带之一，一直受到国内外地质学家的重视。本章 将简述造山带的地质背景和已有的同位条年代学工作。 一、区域地质背景 大别造山带位于我国东部，西连河南桐柏山、东接郯城一庐江断裂带，地质 位置在中朝和扬子两个大陆板块之间，是秦岭一大别造山带的东延部分，大别山 碰撞造山带由于其南北两侧前中生代具有完全不同的地质历史，并且因含柯石英 和金刚石包体超高压变质岩一直受到国内外地质界的重视。从8 0 年代初开始，地 质学家开始从板块深俯冲的角度认识大别山地区。自8 0 年代末在大别山南部榴辉 岩中发现超高压变质矿物柯石英( o k a ye ta 1 ，1 9 8 9 ；w a n g e t a 1 ，1 9 8 9 ) 和徐树桐等 ( 1 9 9 2 ) 在片麻岩和榴辉岩中发现微粒金刚石包体以及李曙光等( 1 9 8 9 a ，b ) 报 道了第一批榴辉岩s m n d 年龄数据以来，该带引起了中外地质学家、地球化学 家的广泛重视，并对该造山带的构造格局、超高变质岩岩石学、矿物学、同位素 年代学、地球化学及地球动力学等方面已做了大量的工作，并相继报导了一批年 龄数据，取得了一些重要成果。 根据地质、地球物理、地球化学资料，从北向南，大别造山带可分为四个构 造单元：即北淮阳构造带( n h y ) 、北大别变质杂岩带( n d t ) 、南大别超高压变 质带( u h p ) 和宿松杂岩带( s s b ) 。其中北大别杂岩带位于磨子潭晓天断裂和 五河一水吼断裂之间，主要由英云闪长质及奥长花岗质片麻岩组成，含少量麻粒 岩包体。 晓天一磨子潭断裂 麻城一团风断裂； 五河一水吼断裂； 太湖一马庙断裂； 郯庐断裂； 襄樊一广济断裂 图1 1 大别造山带地质示意图( 据谢智等1 9 9 9 改编) m y 一北准阳构造带；阿r 一北大g 归明瞬结带；u 口一南大别超高压变质地块；s s b 宿松杂岩带 二、麻粒岩及t t g 片麻岩的分布区域 大别山造山带中麻粒岩相岩石主要分布于北大别变质杂岩带中。该带为一套 以英云闪长质、奥长花岗质片麻岩系( 即t t g 或灰色片麻岩) 为主体( 内含众多 麻粒岩包体或残留体) 的片麻岩地体( 见图2 1 ) ，约占北大别全部变质杂岩出露面 积的7 0 8 0 ，总面积大于1 0 0 0 k m 2 ，与其共生的岩石有镁铁一超镁铁质透镜体 和变质的表壳岩等。麻粒岩相岩石多呈岛弧状出现在英云闪长质片麻岩中，或呈 残留体存于大别杂岩表壳岩系中，在露头尺度上呈大的“构造斑晶”或透镜体产 于变形较强的基质中( 刘贻灿，1 9 9 7 ) 。出露最好的为桐柏周庄、安徽省与湖北省 交界处长岭关和洗马河以及霍山县八河、姜河和杨崖一带。基质主要为角闪岩相 的片麻岩，并且大多受到强烈而广泛的剪切作用，形成不同类型磨棱岩带。按岩 性，以角闪斜长片麻岩或斜长角闪片麻岩和英云闪长质片麻岩为主，其次为花岗 质麻粒岩，还有一部分成极薄条带状注入于面理之间的长英质混合岩。麻粒岩在 北大别地体的西部曾多次被报道，现已经区分出5 种不同成分的麻粒岩( z h a n ge t a 1 ，1 9 9 6 ) 。罗田黄土岭石榴石紫苏黑云斜长片麻岩为代表的中酸性麻粒岩和惠兰 山一带的基性麻粒岩是大别山区西北部具典型意义的露头，代表了大别杂岩中变 质级别最高的岩石( 王江海等，1 9 9 6 ) 。此外，在麻城的木子店、洗马畈、黄冈贾 庙；金寨的巴河、燕子河、罗田梅花园、方家冲及金寨抱儿山一龚家岭一带和塌 儿河附近等也有麻粒岩相岩石的发现，构成一个规模不小的高级变质岩区( 苏文 等，2 0 0 0 ) 。 惠兰山燕子河 图1 2 北大别地区麻粒岩相野外产状示意图( 据游振东1 9 9 5 ) 在北大别，t t g 片麻岩大面积出露，组成比较复杂，目前至少可以分出英云 闪长质片麻岩、花岗闪长质片麻岩、二长花岗质片麻岩及角闪斜长或斜长角闪片 麻岩等。在大别山北部，片麻理总体走向n w w ，局部有变化( 翟明国，1 9 9 6 ) 。 片麻岩强烈剪切变形，岩石发育片麻理构造，有长英质和镁铁质矿物分另0 集中显 示的条带状构造非常普遍，它们至少经过两期变形( 江来利等，1 9 9 9 ) 。超镁铁质 一镁铁质透镜体大多出露于这些强烈变形的片麻岩中。虽然t t g 片麻岩在区内的 分布并不一致，但它们大都经历了角闪岩相变质，基本矿物组成大致相同。典型 的矿物组合为石英+ 斜长石钾长石角闪石黑云母，副矿物为磁铁矿、磷灰石、 榍石、锆石，个别岩石中可能还有褐帘石。钾长石为反条纹长石，在淡粉色的奥 长花岗岩质岩石中存在。在硅含量较高的岩石中，黑云母出现的几率大于角闪石。 黑云母和角闪石可以同时出现在岩石中，并能够看到黑云母替代角闪石的现象。 长英质片麻岩中一般只有5 1 0 的黑云母，斜长角闪片麻岩中一般含有不足3 0 的铁镁矿物，角闪片麻岩中铁镁矿物的囊量往往超过4 0 。含有少量单斜辉石的 角闪岩仅在青山漫水河一线有出露。片麻岩的s i o ：含量为5 0 一7 5 ，具有轻稀 土富集和重稀土中等亏损的r e e 配分型式( z h a i e ta 1 ，1 9 9 5 ；z h e ne ta 1 ，1 9 9 8 ) ， 其多种不相容元素具有岩浆弧花岗岩特征( w a n ge ta 1 ，1 9 9 4 ) ，在不同的构造环 4 境微量元素判别图解中都被投在岛弧花岗岩区( z h e ne ta 1 ，1 9 9 8 ) 。北部的跃英 质片麻岩大都经历过混合岩化作用，并表现为由东南向西北逐渐增强的趋势。片 麻岩中斜方辉石+ 石榴子石- 4 - 金红石的出现表明部分长英质片麻岩也经过早期麻 粒岩相变质( z h a n g e ta 1 ，1 9 9 6 ；c h e nc ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 三、年代学研究现状以及问题 对造山带构造背景及其演化的研究离不开对其年代学的研究。目前用于对大 别造山带岩石定年的同位素方法包括锆石u p b 、s m n d 、r b s r 、k 。a r 、a i a r 、 裂变径迹等。不同定年方法有不同的适用范围和优缺点，而且不同的同位索体系 具有不同的封闭温度，获得的年龄反映不同的地质信息。 目前对于大别山造山带北部麻粒岩相岩石及其围岩的年代学工作主要集中在 t t g 围岩、镁铁一超镁铁岩侵入体和其它表壳岩上，而针对麻粒岩的年代学工作 却甚少。陈能松( 1 9 9 6 ) 对湖北罗田的石榴黑云紫苏麻粒岩样品进行了u p b 定 年，其下交点年龄为1 6 9 0 m a ，上交点年龄为2 6 6 3 m a 。他们认为，上交点年龄既 可能是表壳岩的沉积年龄，也可能是代表了一期强烈的区域变质作用年代，下交 点年龄是麻粒岩相变质的年代，这两个年龄与影响我国北方早前寒武纪变质岩区 的阜平运动和吕梁运动两次构造热事件一致 沈其韩等、徐树桐等、周汉文和z h a n g 等对于北大别地区的麻粒岩已经进行 了详细的岩石学研究。周汉文、游振东( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) 等对出露于湖北罗田县黄 土岭和安徽霍山燕子河地区所出露的石榴石紫苏黑云斜长片麻岩为代表的中性麻 粒岩相岩石和罗田县惠兰山、方家冲等地区所出露的基性麻粒岩以及浠水县蔡家 湾出露的铝直闪石片岩等麻粒岩相岩石做了岩相岩石学、矿物岩石化学、显微结 构及矿物共生组合以及p t 条件的基础研究。并认为；不论是基性还是中酸性 麻粒岩其峰期变质的温度均在9 0 0 以上，压力达1 0 g p a 以上。它们从峰期变质 以后经历了1 以降压为主温度降低很小和2 以降温水化为特征的两阶段退变质 作用。且基性麻粒岩可能来源于上地幔或下地壳。z h a n g ( 1 9 9 6 ) 等也得到北大 别麻粒岩的p t 轨迹近于等温降压型，而不是等压冷却型，并认为北大别麻粒岩 属高压型。徐树桐( 1 9 9 4 ) 等也对分布在大别山北部变质蛇绿混杂岩带内的石榴 二辉麻粒岩( 抱儿山至龚家岭一带) 、斜长二辉麻粒岩( 岳西附近) 以及紫苏石英 麻粒岩( 金寨斑竹与湖北省交界处) 也做了岩石矿物化学方面的基础研究。周高 志等和山东省区调队也分别报导在大别复背斜核部的麻城木子店、洗马店、黄冈 贾庙、罗田四泊河、英山猫儿尖等地和胶东地体中残留有麻粒岩包体。 对于这个地区的t t g 片麻岩，以前的研究者已经做了大量的岩石学、地球化 学、年代学方面的工作。李曙光等( 1 9 9 4 ) 、谢智等( 1 9 9 6 ) 、c h e na n dj a h n ( 1 9 9 8 ) 用钕同位素模式年龄推测了它们的物源年龄范围为1 9 2 6 m a 。谢智( 1 9 9 8 ) 用 单颗粒锆石u p b 法测定了英山金铀t t g 片麻岩的上交点年龄为8 1 0 m a ，并认 为这个年龄为t t g 片麻岩原岩的岩浆侵位年龄。x u ee ta 1 ( 1 9 9 7 ) 用锆石u p b t i m s 法测定了它们的不一致线下交点年龄为1 3 4 m a ，h a c k e re ta 1 ( 1 9 9 8 ) 率先用 s h r i m p 法测定了片麻岩中的u p b 锆石年龄为1 2 9 1 3 8 m a ，他们据此认为北 大别杂岩是在燕山期花岗岩侵位的前不久才就位于目前所在的位置的，是一个白 垩纪的花岗岩带。陈道公( 2 0 0 0 ) 用s i m s 法对北大别两个片麻岩样品中的锆石 进行了微区定年，根据其年龄数据指出北大别t t g 片麻岩存在年龄的不一致性， 这些年龄可能是由古老岩石和三叠纪的超高压变质锆石或者早白垩纪岩浆钻石所 代表的混合、增生锆石的混合年龄，从锆石年龄分布上也无法表明这些片麻岩就 是在白垩纪形成的，从而否定了上述二人的结论。而郑祥身( 2 0 0 0 ) 则用s m n d 法测定了北大别t t g 片麻岩的等时年龄为1 0 4 7 m a ，并认为是t t g 片麻岩的原岩 年龄。 因此，目前就大别造山带北部麻粒岩相岩石及t t g 片麻岩来说，主要是周汉 文、游振东、张儒嫒等( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) 所做的一些野外地质和岩石学、岩相学及 矿物岩石化学、p t 温压条件等工作。l 玎对它们的成因、年代学、冷却史的研究 工作却很少，而且目前各研究者的观点出是见仁见智，无法获得致。 本文期望通过对北大别麻粒岩相岩石及其t t g 片麻岩的系统的岩石学和年代 学研究，了解麻粒岩与其围岩t t g 片麻岩、麻粒岩与榴辉岩的成因关系，为探索 大别杂岩前寒武纪以来构造演化提供年代学制约，以推动对整个大别山构造格局 和演化的研究。 6 第二章麻粒岩及t t g 片麻岩的岩石学特征 本文主要研究的是大别造山带麻粒岩及其围岩( t t g ) 的年代学，主要研究手段 是各种同位素定年方法，包括u p b 、r b - - s r 、s m - - n d 、a r a r 等定年方法。首先 对岩石的岩石学、地球化学进行研究，以便更好的理解年代学数据的地质意义。 一、岩石学 本文研究的样品主要分布在北大别地块。以下将描述采样地质背景和样品的 岩石学特征。 i j ；5 麻粒岩 4 片麻岩 4 、 紫苏辉石+ 单斜 辉石+ 斜长石+ h 2 0 紫苏辉石+ 斜长石一一 硬玉+ 石英 在变质相系的划分中，麻粒岩类岩石大多在低一中压变质相系中，即绝大 多数麻粒岩属低压一中压麻粒岩。麻粒岩相的温度范围约为7 0 0 - - 9 0 0 c ，压力 约为3 1 2 k b a r 。据最新的大量数据显示，麻粒岩的峰期变质的p t 条件在7 1 k b a r ，和8 0 0 4 - 5 0 附近，其平均地热梯度为2 8 3 2 k m ，这意味着麻粒 岩的形成主要受地热条件的控制。近年来国内外不少研究者将各种经历了麻粒 岩相变质的各种岩石统称为麻粒岩。 根据对麻粒岩的矿物学和实验岩石学的研究证实，以c o ：成分为主的变质 流体是麻粒岩相发生变质作用和麻粒岩形成的主要动力学因素之一，即麻粒岩 是在无水的“干”环境下形成的。目前对麻粒岩的形成和演化大致有三种模式： 1 大陆碰撞模式：2 大陆拉张模式：3 大陆弧模式。由于受反应动力学因素的 限制，人们观察到的多是退变质过程。h a r l e y ( 1 9 8 9 ) 将麻粒岩的退变质归为 近等温降压( i t d ) 和近等压冷却两类，并以此表明麻粒岩形成环境的多样化。 大陆下地壳深埋于地表1 5 1 7 k m 以下，难以直接观察，对于它的物质组 成和结构是用地球物理资料推断的。由于暴露于地表的下地壳剖面( 被称为大 陆下地壳窗口) 和出露于金伯利岩、碱性玄武岩中的下地壳捕虏体等大量新的 地质资料的获得，以及新的地球物理资料，已经证明上层主要是花岗岩、花岗 闪长岩和变质或未变质的沉积火山岩、以及约1 0 的基性或超基性火成岩的混 合物。而下层由辉长岩组成，可能也包括了大量的奥长花岗岩在内的平均成分 为石英闪长岩的角闪岩相一麻粒岩相岩石。在不少文献中麻粒岩是下地壳的同 义词。 就目前来说，麻粒岩相岩石的成因仍然是当前变质地质学中几个前沿课题 之一，麻粒岩相岩石是认识下地壳物质的窗口，而下地壳是研究壳幔分异、物 质交换以及当前形成的关键部位。大别山由于大规模的构造抬升作用，深部地 壳岩石大面积出露于地表，是世界上为数不多的能观察到深部地壳“窗口”的 地区之一。因此充分利用这个有利条件，对其进行详细的岩石化学、冷却史、 年代学研究，不仅可以获得深部地壳构造作用的信息，对推动建立可信的大别 山构造格局的研究也有积极的作用。 1 4 、 第三章锆石u p b 年代学 自七十年代以后，随着仪器的灵敏度和精度的飞跃发展，锆石u p b 定年 才得到更为广泛的应用，而且单颗粒锆石u - - p b 定年才成为可能。 锆石u p b 体系的封闭温度较高，因此在变质过程中，能够保持部分或全 部形成时代的信息。锆石年代学研究对于了解大别山造山带岩石原岩年龄和恢复 其地质历史尤为重要。就目前的锆石u p b 法测定大别山变质岩年代，已经积 累了相当多的年代学数据。但是，不同的研究者对同一变质带甚至同一岩体而给 出不同的年龄值和完全不同的解释，这是因为大别山造山带变质岩的物质来源和 演化历史复杂，使得锆石类型及其成因具有多样性，而且由于锆石在变质过程中 的复杂行为，使得锆石的来源很复杂，因此对同一岩石样品中不同锆石进行分类， 分别测定其年龄，可以获得较多的有关岩石成因的信息。另外，岩石本身的熔融 温度也很高，在岩浆的活动过程中，能够部分或全部地保存下来，因此也就保留 了有关岩浆来源的信息。 一、计年原理 u p b 计时优点是它同时有两个衰变系列，一个样品可以同时获得三个不同 的年龄方程，得到三个等时年龄，容易进行结果可靠性的内部检验， 丽2 0 6 p b = f 篇 + 鬻，) ( 1 ) 丽2 i 丽j 。+ 丽p 1 j ( 1 ) 丽2 0 t p b - f 名卜嚣一一1 ) ( 2 ) 丽2 【丽j + 砺妒。1 j 罂：祟掌! ( 3 ) 丽2 可。两 u 如果三组年龄一致或接近，其年龄可信度是毫无疑问的。若由于体系没有保 持封闭，或者由于普通铅扣除不当，这三组年龄是不一致的。若年龄关系表现为： t 2 0 7 2 0 6 t ：。， t ：。，则原因可能为由于子体的丢失。此时t ：。，m e 年龄最接近真实年龄。 因为这组年龄对铅的丢失不灵敏。反之，如果是母体铀的丢失，则年龄关系为 t 2 0 7 2 0 6 t ：。，表明这些锆石都有 放射成因铅丢失。在谐和图中，除1 号点外的的5 个点构成线性分布，不一致线 与谐和线的上交点年龄为2 3 6 0 1 l o m a ，下交点年龄为1 4 0 5 5 m a 。除l 号点外， 均位于不一致线的下部，因此其下交点的年龄是比较可信的。而5 、6 号点落在 谐和线上，其2 ”p b 2 ”u 表面年龄统计权重平均值为为1 3 3 4 5 m a ，与下交点年 龄在误差范围内一致( 显然下交点年龄误差较大) 。该年龄也表明燕山期热事件 对岩石u p b 体系的影响。仅供参考的上交点年龄可能代表了麻粒岩的原岩的 年龄。 2 0 7 p b 2 3 5 u 图3 29 7 g 0 0 1 锆石u p b 谐和年龄图及统计权重图 加权平均值为1 3 3 4 5 m a ( 9 5 可信度) 9 7 l 0 0 1 ( 黄土蛉) 锆石晶形有长柱状、短柱状、浑圆状三种。长柱状锆石两 端被磨圆，透明。短柱状锆石可见圆形溶蚀坑。浑圆状锆石透明有颜色，可见残 留核。所有锆石边缘均磨圆，应为后期变质增生环带。锆石来源复杂( 见图版i i i ) 。 我们测定了6 个点。其中包括3 个长柱状、2 个等轴状、1 个短柱状。它们 的2 0 e p b z 0 4 p b 比值均在2 0 0 0 以上，表明年龄分析结果可靠。这些锆石的表明年 龄关系是t2 0 7 2 0 6 t 。， t 。表明这些锆石曾经有过放射成因铅丢失。在谐和图中， 6 个点中3 、4 、5 、6 号点构成一条不一致线与谐和线的上交点年龄为2 3 5 l 6 3 m a ， 下交点年龄为1 0 3 0 1 4 i m a 。而l 号点的t 2 0 7 2 0 6 年龄为2 3 6 7 m a ，接近上交点年 、 龄值。样品点分布于不一致线的中上部。由于该样品为副变质岩，其上交点年龄 可能代表了麻粒岩样品中继承锆石物源区的岩石年龄，或一前期强烈变质事件的 年龄。下交点年龄可能代表了后期变质事件的年龄，例如可能是麻粒岩相变质作 用事件。 3 篇 h d 山 8 2 0 7 p b 2 3 5 u 图3 39 7 l 0 0 1 锆石u p b 谐和年龄图 2 片麻岩 9 7 g y 0 2 ( 燕子河) 锆石有长柱状、短柱状两种。长柱状锆石透明晶形发育良 好，可见晶尖和晶棱。其中一颗一端残缺不齐，疑为断裂，表明其后期受到了强 烈的构造应力作用。短柱状锆石尖部被磨圆，表面可见溶蚀坑。其颜色主要为浅 紫红色、浅黄棕色。所有锆石边缘均有后期增生环带( 见图版i v ) 。 o 篇 h d 山 8 2 0 7 p b 2 ”u 图3 49 7 g y 0 2 锆石u p b 谐和年龄图 、 在分析的5 个点中，除了4 号点的”6 p b ”4 p b 为1 5 5 较底外，其余点的 2 ”p b 2 “p b 均大于3 4 0 。这些点位于不一致线的下部，其上交点年龄为8 8 5 + 8 0 m a ， 上交点年龄可能是t t g 片麻岩的原岩侵位年龄。下交点年龄为2 2 7 1 0 m a ，下交 点年龄较为可靠。该年龄可解释为t t g 片麻岩发生变质作用的年龄，亦即t t g 片 麻岩的形成年龄。这个年龄确凿的表明了印支期碰撞事件对北大别变质岩的影 响。 9 7 l 0 0 3 ( 罗田方家桥) 主要为浅黄色透明晶体，晶形有长柱状和短柱状。长 柱状锆石透明，晶形发育良好，均可见晶尖和晶棱。不见明显的的残留核和增生 边。短柱状锆石为多面晶形( 见图版v ) 。 其”6 p b ”4 p b 除了6 号点为3 2 8 外，其余均大于2 3 0 0 ，最高甚至达到3 6 0 0 0 。 值得注意的是2 号点和4 号点，其晶形特征为淡黄( 褐) 色透明晶体，且是6 卜 点中仅有的两个长柱状晶体，其余均为短柱状。这两个点的表面年龄值明显大于 其它值：2 号点的较为可靠的2 ”p b 2 “p b 年龄值为2 4 7 9 1 m a ，4 号点的值为2 5 8 3 2 m a ，这两颗锆石有可能是片麻岩原岩中的岩浆成因的残留锆石。用其余4 个 点拟合，得到上交点年龄为2 1 1 5 6 2 m a ，下交点年龄为4 0 8 1 9 4 m a 。上交点年 龄可能代表了片麻岩原岩的形成年龄，而下交点年龄可能是样品受到了加里东期 运动的影响。或者，由于不一致线的m s w d 很大，且下交点的年龄误差太大，其 不一致线上、下交点的年龄意义还需进一步讨沦。 o o 山 兽 2 0 7 p b 2 ”u 图3 59 7 l 0 0 3 锆石u p b 谐和年龄图 从上述锆石的形态及获得的年龄可以看出，锆石来源复杂，有岩浆成因锆 石、变质锆石及残留锆石等，获得的年龄范围也较广。可能的原因是：样品中的 锆石不是同一成因的，而且样品经历了不同程度后期叠加变质作用。因此获得的 年龄值需要进一步讨论，李曙光等( 1 9 9 4 ) 曾提出了锆石多期变质p b 丢失模型， 据此这种情况的合理解释可能是：原岩锆石来源不同，分布在一个较古老的年龄 区域内，在后其经历各种变质作用的过程中，发生铅丢失，甚至少数锆石的u p b 体系彻底重置。这样，所有的锆石可能会落在原岩锆石、早期变质事件和晚 2 4 期锆石u p b 体系重置的强烈变质事件所构成的区域内。如图。t 。为原岩锆石的 结晶年龄，t 。点为一后期p b 丢失事件年龄，t 。为又次p b 丢失事件。在岩石经 历变质作用时，原岩中的一部分锆石有可能以残留核或独立晶体的形式保存下 来。残留锆石核与其外围的岩浆结晶锆石具有明显的成分和年龄分带性，表示两 种完全不同成因的锆石；更为复杂的情况是残留核本身及其外围的结晶锆石各自 都有成分和年龄分带性。但是，普通的分析方法常不能区分这些，即使单颗粒饴 石分析也不能很好的避开这一问题。因此，在经历多期变质作用的复杂成因的样 品中，所得到的数据有可能就是一种年龄的平均。在谐和图上，可能分布在t 。 t 、t ，的阴影区域内，也就可能得出如t 。、一t ，、那样的不一致线，而得出无意义 的上、下交点年龄。因此，上述样晶( 9 7 l 0 0 3 ) 中2 u 5 6 2 m a 和4 0 8 t 9 4 m a 的 上、下交点年龄可能并无实际地质意义。 o = 、 山 暑 图3 6多期变质岩石的锆石增生示意图( 据李曙光等，1 9 9 4 ，修改) 第四章s m - - n d 、r b - - s r 年攀哟铅 s m - - n d 和r b s r 法都是地质体年代测定的重要方法，但由于其在地球化 学过程中的元素行为不同，它们在同位素地质年代学方面的应用各有其优缺点 和适用范围。 s m 、n d 的晶体化学和地球化学性质相近，都属难熔的固体元素，对蚀变和 变质作用稳定，因此由母体衰变形成的子体容易在晶格中保存下来，在复杂而 漫长的地质历史过程中能较好地保存封闭体系。同时由于”7s m 半衰期很长， 这些因素使全岩或矿物s m - - n d 等时线定年的应用受到了限制，尤其是年轻的 样品。换言之，它却非常适合于太古代等古老岩石的年龄测定，但在未变质情 况下( 如花岗岩) ，由于s m n d 值变化范围窄，其差异不能满足等时线年龄测 定的要求，这种情况下一般不用等时线而用模式年龄测定。r b 和s r 是地球化 学性质非常不同的两个元素，在岩浆分异的过程中可产生很大的r b s r 差别， 所以r b s r 体系的化学和同位素变化比s m n d 体系要大得多，故用r b s r 等时线定年要相对容易些。 第一节s m - - n d 年代学 由于s m 和n d 两种元素化学性质近试以及在地质作用过程中的相对稳定 性，应用s m n d 同位素体系研究地球岩石的形成和演化是很有效的方法。 一、定年原理 1 等时年龄 同大多数同位素衰变体系计算方法一样，一套成因相同的样品组的s m - - n d 同位素比值在双变量投影图解上可以构成一条等时线。直线的截距，即岩石形 成时初始( “3 n d n d ) 。值，具有重要的岩石成因意义，直线的斜率则和样品的 年龄有关。计时方程表示为： ( 鬻h 器 0 + ( 器 ，h t ) 全岩等时线的计算需要一组成因相同的样品，形成于相同的母源物质，并 假定岩石体系除了放射性衰变外，不与外界发生物质交换作用，即岩石为封闭 体系。s m 和n d 比r b 、s r 、u 、p b 的活动性差的多，但由于“7 s m 的半衰期太 长，s m n d 比值变化不大，因此可以【l j 来确定那些经历了年轻地质事件的占老 岩石的年龄。 测定同一岩石中不同矿物的同位索成分可以用来获得矿物内部等时线，前 提是这些矿物之间达到同位素平衡。含石榴子石的矿物组合能够给出精确的s m n d 矿物等时线年龄，因为石榴子石的s m n d 体系封闭温度较高，s m n d 比 值很大，可以精确的确定矿物等时线的斜率。这样，全岩内部的矿物等时线因 给出较大的s m n d 分布范围而提高年龄