北秦岭造山带超高压变质岩地球化学剖析-以松树沟榴闪岩为核心样本

北秦岭造山带超高压变质岩地球化学剖析——以松树沟榴闪岩为核心样本一、引言1.1研究背景与意义板块构造理论自20世纪60年代提出以来，极大地推动了地球科学的发展，成功解释了大洋板块从产生到消亡的过程。随着研究的深入，在地球表壳岩石中发现柯石英这种超高压变质矿物，揭示了低密度大陆地壳能够俯冲进入到高密度的地幔深度，这一发现堪称板块构造理论的一场革命，开启了大陆深俯冲和超高压变质这一全新的研究领域。大陆深俯冲过程中，地壳物质被带入地球深部，经历了极高的压力和温度条件，形成了超高压变质岩。这些岩石记录了地球深部的物理、化学过程以及板块相互作用的信息，成为研究地球深部过程的重要窗口。超高压变质岩通常形成于俯冲带或大陆碰撞带，其形成条件极为特殊，压力一般超过3GPa，深度超过100公里。这些岩石中含有柯石英、金刚石等标志性的超高压矿物，它们的存在证明了岩石曾经历过超高压变质作用。通过对超高压变质岩的研究，科学家们可以深入了解地球深部的物质组成、结构和动力学过程，如板块俯冲的机制、地幔的物质循环以及造山带的形成和演化等。北秦岭造山带作为中国中央造山系的重要组成部分，经历了复杂的地质演化历史，其中超高压变质岩的出露为研究大陆深俯冲和造山带演化提供了丰富的素材。松树沟榴闪岩作为北秦岭造山带中超高压变质岩的典型代表，具有独特的岩石学和地球化学特征。它呈透镜状产于松树沟超镁铁岩旁侧的斜长角闪岩中，以往对其成因存在多种观点，如接触交代变质或麻粒岩相变质过程形成。但详细岩相学及矿物元素分析发现，它为榴辉岩退变质的产物，至少经历了从角闪岩相到榴辉岩相再到角闪岩相的三阶段顺时针PT演化过程。对松树沟榴闪岩进行地球化学研究，有助于揭示北秦岭造山带在古生代大陆深俯冲过程中的物质交换、变质作用和构造演化。通过分析其主量元素、微量元素和同位素组成，可以了解其原岩的性质、来源以及在俯冲和折返过程中经历的物理化学变化。这不仅可以补充和完善北秦岭造山带的地质演化模型，还能为理解全球范围内的大陆深俯冲和造山带演化提供对比和参考。此外，研究松树沟榴闪岩对于探讨地球深部物质循环和动力学过程具有重要意义，有望为地球科学领域的基础研究带来新的突破和认识。1.2国内外研究现状在超高压变质岩研究领域，国外学者起步较早，对全球多个造山带中的超高压变质岩进行了深入研究。例如，对西阿尔卑斯造山带Sesia地体的研究，首次发现了超高压变质矿物柯石英，揭示了张裂大陆边缘深俯冲的驱动力可能是大洋扩张或大陆张裂引起的远程推力，为大陆深俯冲的地球动力学机制提供了新认识。对挪威西部加里东造山带的研究，详细分析了超高压变质岩的矿物组成、变质条件和演化历史，探讨了其在造山带演化中的作用。国内对超高压变质岩的研究在过去几十年中也取得了丰硕成果，尤其是对秦岭-大别造山带的研究。秦岭-大别造山带是中国重要的超高压变质带，其中北秦岭造山带的超高压变质岩研究受到了广泛关注。通过对北秦岭造山带中各类超高压变质岩的岩石学、地球化学和同位素年代学研究，揭示了其原岩性质、变质时代和构造演化过程。例如，在北秦岭官坡地区发现了含柯石英榴辉岩，确定了其超高压变质的特征，并通过Sm-Nd同位素年龄测定，对其形成时代进行了约束。针对北秦岭造山带的研究，前人已在岩石学、年代学等方面取得了诸多成果。研究表明，北秦岭造山带经历了复杂的构造演化，早古生代时期存在大陆深俯冲和折返过程，形成了一系列高压-超高压变质岩石。对秦岭岩群的研究发现，其原岩形成于中-新元古代，在早古生代经历了强烈的变质作用。松树沟榴闪岩作为北秦岭造山带中超高压变质岩的典型代表，也有不少学者对其展开研究。以往研究认为其可能形成于接触交代变质或麻粒岩相变质过程，但陈丹玲等人通过详细岩相学及矿物元素分析，发现其为榴辉岩退变质的产物，至少经历了从角闪岩相到榴辉岩相再到角闪岩相的三阶段顺时针PT演化过程，并通过锆石U-Pb定年得到榴辉岩的变质年龄为500±8Ma，原岩结晶时代为796±16Ma。钱加慧等人对其锆石包裹体、U-Pb定年和Lu-Hf同位素特征进行研究，进一步探讨其地质意义。然而，当前研究仍存在一些不足。在岩石地球化学方面，虽然对松树沟榴闪岩的主量元素、微量元素和同位素组成有了一定分析，但对于其在俯冲和折返过程中元素的迁移和分异机制，以及与北秦岭造山带其他岩石单元的地球化学联系研究还不够深入。在构造演化方面，虽然确定了松树沟榴闪岩经历的变质阶段和时代，但对于其在北秦岭造山带古生代大陆深俯冲和折返过程中的具体构造位置和动力学作用，仍缺乏全面而深入的认识。此外，对于松树沟榴闪岩原岩的物质来源和形成环境，也有待进一步明确。本研究旨在通过对松树沟榴闪岩进行系统的地球化学研究，包括主量元素、微量元素、稀土元素和同位素地球化学分析，深入探讨其原岩性质、物质来源、变质过程中的元素迁移和分异机制，以及在北秦岭造山带构造演化中的作用，从而弥补当前研究的不足，为北秦岭造山带的地质演化研究提供新的视角和数据支持。1.3研究内容与方法本研究以详细的野外地质调查为基础，通过多种分析测试手段，对北秦岭造山带松树沟榴闪岩进行系统的地球化学研究，旨在深入揭示其原岩性质、物质来源、变质过程以及在北秦岭造山带构造演化中的作用。具体研究内容与方法如下：1.3.1研究内容岩石地球化学特征分析：对松树沟榴闪岩进行主量元素、微量元素（包括稀土元素）的地球化学分析。主量元素分析可确定岩石的基本化学组成，了解岩石的类型和大类归属，为后续研究提供基础数据。微量元素和稀土元素具有灵敏的地球化学示踪性，其组成特征能够反映岩石的源区性质、部分熔融程度、结晶分异作用以及岩浆演化过程中的物质交换等信息。通过对这些元素的分析，可揭示松树沟榴闪岩的原岩特征和形成环境。原岩恢复：运用岩石学和地球化学方法，结合区域地质背景，对松树沟榴闪岩的原岩进行恢复。分析岩石的矿物组成、结构构造以及地球化学特征，参考相关的原岩恢复判别图解和指标，确定其原岩类型，如基性岩浆岩、沉积岩或其他类型岩石，进而探讨原岩的形成环境和地质背景。同位素地球化学研究：开展锆石U-Pb定年，精确确定松树沟榴闪岩的原岩结晶年龄和变质年龄。通过测定锆石中U、Pb同位素的含量和比值，利用同位素衰变定律计算岩石的形成和变质时代，为研究其地质演化提供时间约束。同时，进行Lu-Hf同位素分析，了解岩石源区的性质和演化。Lu-Hf同位素体系在示踪岩石源区和地壳演化方面具有重要作用，其组成特征能够反映源区物质的亏损或富集程度、地幔与地壳的相互作用等信息。变质过程与构造演化研究：结合岩石学、地球化学和同位素年代学的研究结果，探讨松树沟榴闪岩在北秦岭造山带中的变质过程和构造演化意义。分析岩石在变质过程中的矿物转变、元素迁移和分异机制，重建其变质P-T（压力-温度）轨迹，确定其经历的变质阶段和条件。综合区域地质资料，研究松树沟榴闪岩在北秦岭造山带古生代大陆深俯冲和折返过程中的构造位置和动力学作用，为理解北秦岭造山带的构造演化提供关键依据。1.3.2研究方法主微量元素分析：在野外采集新鲜、无明显风化和蚀变的松树沟榴闪岩样品，将样品粉碎至200目以下。主量元素分析采用X射线荧光光谱仪（XRF）进行测定，该方法具有分析速度快、精度高、可同时测定多种元素等优点，能够准确测定岩石中SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O等主量元素的含量。微量元素和稀土元素分析则采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。ICP-MS具有极低的检出限和高灵敏度，能够精确测定岩石中各种微量元素和稀土元素的含量，为岩石地球化学特征的研究提供详细数据。同位素定年：挑选纯净的锆石颗粒，利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）进行U-Pb定年。LA-ICP-MS技术可以实现对锆石微区的原位分析，避免了传统化学溶解方法可能带来的样品污染和同位素分馏问题，能够精确测定锆石中U、Th、Pb等元素的含量和同位素比值，从而计算出准确的年龄。同时，采用多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）进行Lu-Hf同位素分析，该仪器能够高精度地测定Lu和Hf同位素的比值，为岩石源区的研究提供可靠数据。岩石学研究：对采集的岩石样品进行薄片制作，在显微镜下进行详细的岩相学观察。观察岩石的矿物组成、矿物的形态、粒度、相互关系以及结构构造等特征，确定岩石中的矿物共生组合，分析矿物的生长顺序和变质反应，为地球化学分析和变质过程研究提供重要的岩石学依据。此外，利用电子探针（EPMA）对矿物的化学成分进行分析，进一步了解矿物的成分变化和变质过程中的元素迁移。通过上述研究内容和方法，本研究将系统地揭示松树沟榴闪岩的地球化学特征和地质意义，为北秦岭造山带的地质演化研究提供新的资料和认识。二、区域地质背景2.1秦岭造山带概述秦岭造山带作为中国中央造山系的关键组成部分，呈东西向横亘于中国大陆中部，地理位置独特，介于东经104°-112°，北纬32°-34°之间。它西起昆仑，中经陇南、陕南，东至鄂豫皖-大别山以及蚌埠附近的张八岭，是华北板块与扬子板块之间的碰撞拼合带，在全球构造格局中占据重要地位。其构造格局复杂多样，主要包括华北地块南缘、商丹构造结合带、秦岭地块、勉略构造结合带和扬子地块北缘等构造单元。这些构造单元经历了漫长而复杂的地质演化过程，各自具有独特的地质特征。秦岭造山带的地质演化历史可追溯至太古宙，历经多期次的构造运动和地质事件。在晚太古宙时期，华北地块和扬子地块基底至少在本区是以登封花岗——绿岩区和太华高级片麻岩区为代表的两类地体所构成的统一陆块。早元古宙时，晚太古宙形成的统一克拉通地块发生分裂，古秦岭构造带以初始裂谷形式在先存晚太古宙统一陆壳上开始形成，广泛发育火山岩系。元古宙时期，古秦岭带呈现出复杂裂谷系的特征，火山岩系严格受断裂控制，成线形带状分布，且自元古宙早期到中晚期多次反复出现。晋宁期中元古晚期到新元古早期（10亿年前），超大陆汇聚，全球形成了罗迪尼亚大陆。南华纪（7.5亿年前），罗迪尼亚大陆开始裂解、离散，最终沿商南、丹凤、唐藏一线以南形成原特提斯洋。加里东期中晚泥盆世（3.75亿年前），扬子板块和华北板块沿商丹带汇聚，原特提斯洋（秦岭洋）趋向闭合，北秦岭发生褶皱造山。印支—燕山期，秦岭后碰撞增生造山，华南板块与华北板块拼合，到中三叠世末（2.45亿年前），海水向西南完全退出秦岭，大秦岭全部浮出海面，呈现出完整的陆地样貌，同时全球范围盘古大陆（联合古陆）形成。晚侏罗世（1.8亿年前），盘古大陆开始解体，秦岭剥蚀为平原，晚侏罗世到早白垩世（1.0亿年-7000万年前），秦岭拆沉均衡隆升。中生代以来，秦岭受环太平洋板块向西俯冲远程效应，造成陆内北东向的隆起带与沉降带。喜马拉雅期晚白垩纪以后到始新世中期（7000-5000万年前），秦岭遭受剥蚀夷平，成为准平原，始新世（5千万年前）受印度洋板块推挤远程效应影响，伴随关中断陷，秦岭山体开始隆升。中新世中期至今（1500万年前）秦岭山脉开始重新间歇性隆升，并且在晚中新世开始加速隆起，在秦岭形成了海拔3500米、2900米、2200米三级夷平面。在这漫长的地质演化过程中，秦岭造山带经历了板块的俯冲、碰撞、拼接以及陆内造山等多种构造作用，形成了现今复杂的地质构造格局，也为各类岩石的形成和演化提供了独特的地质背景，对研究地球的演化历史和大陆动力学具有重要意义。2.2北秦岭造山带地质特征2.2.1地层分布北秦岭造山带地层分布广泛且复杂，包含多个不同时代和性质的地层单元，这些地层记录了该区域漫长而复杂的地质演化历史。宽坪群主要分布于北秦岭造山带的北部，是一套变质程度较浅的地层。其岩石组合丰富多样，包括绢云石英片岩、绿泥片岩、斜长角闪岩以及大理岩等。从沉积环境来看，宽坪群形成于大陆边缘裂谷环境，其中的火山岩和碎屑岩反映了当时强烈的构造活动和火山喷发，而大理岩则暗示了浅海相的沉积环境。宽坪群与下伏地层呈角度不整合接触，这表明在其沉积之前经历了一次重要的构造运动，导致下伏地层发生褶皱变形，之后宽坪群在新的沉积环境下开始堆积；与上覆地层则多为整合或假整合接触，显示沉积过程的相对连续性。二郎坪群位于北秦岭造山带中部，主要由块状玄武岩、枕状玄武岩、席状岩墙或岩床构成，夹含放射虫硅质岩。这种岩石组合特征表明二郎坪群形成于弧后小洋盆环境，玄武岩的喷发与洋盆的扩张和海底火山活动密切相关，放射虫硅质岩则指示了远洋、深水的沉积环境。二郎坪群与周边地层的接触关系较为复杂，与北侧地层以断裂接触为主，反映了强烈的构造作用导致地层的错动和位移；与南侧秦岭群则以断层或韧性剪切带接触，这可能与区域构造演化过程中的俯冲、碰撞作用有关。秦岭群是北秦岭造山带中变形最复杂、变质最深又很不均一、岩浆活动剧烈的一套中深变质杂岩系，其南北两侧均为复杂断裂系所夹持，呈巨大透镜状岩块断续成带分布，绵延千公里，纵贯秦岭带。秦岭群岩石组合包括各类片麻岩、斜长角闪岩、云母石英片岩以及大理岩等，原岩可能为火山-沉积岩系。其变质程度达到角闪岩相-麻粒岩相，经历了多期次的变质作用和构造变形，反映了其形成于复杂的构造环境，可能与大陆碰撞、俯冲等构造事件相关。秦岭群与其他地层之间多以断裂接触，这些断裂控制了秦岭群的分布形态和构造演化，同时也记录了区域构造运动的强烈程度和复杂性。丹凤群主要出露于北秦岭造山带的商丹断裂附近，由基性火山岩、中酸性火山岩、碎屑岩和少量硅质岩组成。其岩石组合特征显示丹凤群形成于岛弧环境，基性和中酸性火山岩的喷发表明当时存在强烈的岩浆活动，与岛弧地区的板块俯冲作用相关，碎屑岩则是火山物质和陆源物质在岛弧环境下沉积的产物。丹凤群与下伏地层呈不整合接触，说明在其形成之前经历了构造运动和地层的抬升剥蚀；与上覆地层多以断层接触，反映了后期构造活动对地层接触关系的改造。这些地层之间的接触关系反映了北秦岭造山带复杂的构造演化历史。角度不整合表明在不同地层沉积之间发生了重大的构造运动，如褶皱、隆升和剥蚀等；整合或假整合则显示沉积过程的相对连续性，但也可能存在局部的构造调整。断裂和韧性剪切带的存在则表明区域经历了强烈的构造变形，这些构造作用对地层的分布、岩石的变形和变质以及矿产资源的形成都产生了深远的影响。2.2.2构造演化北秦岭造山带经历了漫长而复杂的构造演化历程，在不同地质时期，受到多种构造运动的影响，这些运动塑造了其独特的地质构造格局，也对岩石的形成和演化产生了深远影响。元古宙时期，北秦岭地区经历了裂解过程。在晚太古宙时，华北地块和扬子地块基底至少在本区是以登封花岗-绿岩区和太华高级片麻岩区为代表的两类地体所构成的统一陆块。早元古宙时，晚太古宙形成的统一克拉通地块发生分裂，古秦岭构造带以初始裂谷形式在先存晚太古宙统一陆壳上开始形成，广泛发育火山岩系。元古宙古秦岭带呈复杂裂谷系特征，火山岩系严格受断裂控制，成线形带状分布，且自元古宙早期到中晚期多次反复出现。这一时期的裂解作用使得地壳变薄，地幔物质上涌，引发了大规模的火山活动，形成了一系列与裂谷相关的火山岩和沉积岩，为后续的构造演化奠定了基础。古生代时期，北秦岭地区进入俯冲碰撞阶段。早古生代，扬子板块和华北板块沿商丹带汇聚，原特提斯洋（秦岭洋）趋向闭合。在这一过程中，北秦岭发生强烈的俯冲作用，洋壳向陆壳之下俯冲，导致地壳物质发生强烈的变形、变质和岩浆活动。大量的基性岩浆沿着俯冲带上升，形成了一系列的基性火山岩和侵入岩，同时，俯冲带附近的岩石受到高压、高温作用，发生变质，形成了高压-超高压变质岩，如松树沟榴闪岩等。中晚泥盆世，北秦岭褶皱造山，洋盆最终闭合，华北板块和扬子板块逐渐拼接在一起，形成了统一的大陆地壳。这一时期的俯冲碰撞作用使得北秦岭地区的地壳增厚，岩石变形强烈，形成了复杂的褶皱和断裂构造，同时也促进了不同岩石单元之间的物质交换和混合。中生代时期，北秦岭地区进入陆内造山阶段。印支-燕山期，秦岭后碰撞增生造山，华南板块与华北板块进一步拼合，秦岭地区受到强烈的挤压作用。地壳发生大规模的褶皱和逆冲推覆构造，形成了一系列的山脉和构造带。在这一过程中，岩石进一步变形变质，早期形成的高压-超高压变质岩经历了退变质作用，矿物组合和结构发生改变。同时，大规模的岩浆活动也在这一时期发生，形成了大量的花岗岩体，这些花岗岩的形成与地壳的增厚、深部物质的部分熔融以及构造应力的作用密切相关。中生代的陆内造山作用使得北秦岭地区的构造格局进一步复杂化，山脉隆升，盆地形成，岩石的变形和变质作用持续进行。不同构造演化阶段的构造运动对岩石的形成和演化产生了重要影响。在元古宙裂解阶段，形成了与裂谷环境相关的火山岩和沉积岩，这些岩石具有特定的地球化学特征，反映了当时的构造环境和物质来源。古生代俯冲碰撞阶段，高压-超高压变质岩的形成记录了岩石在深部高压环境下的变质过程，矿物组合和结构的变化反映了俯冲带的物理化学条件。中生代陆内造山阶段，岩石的变形和变质作用进一步改造了早期形成的岩石，同时花岗岩的侵入也改变了岩石的组成和分布。这些构造运动相互关联，共同塑造了北秦岭造山带岩石的多样性和复杂性，为研究地球深部过程和造山带演化提供了丰富的素材。2.3松树沟地区地质概况松树沟地区位于北秦岭造山带，处于商南县东北，商-丹断裂以北，地理位置独特，大地构造位置关键，是研究北秦岭地质演化的重要区域。该地区出露北秦岭规模最大的超镁铁质-镁铁质岩组合，长期受到地质学界的关注。在松树沟地区，出露的岩石类型丰富多样。超镁铁质岩主要由细粒纯橄岩组成，其次为斜辉辉橄岩、铬铁矿透镜体及透辉石岩脉。这些超镁铁质岩具有明显的地幔岩残留体性质，富含Mg（39.66％-47.20％）和Fe（7.33％-11.17％），Mn、K、Na、P和Ti的含量通常都低于0.1％，且变质浅，变形相对简单。其微量元素显示LREE和不相容元素的富集，右倾的微量元素分布模式，异常高的Sr含量，Zr、Hf不同于蛇绿岩底部纯橄榄岩的负异常，而显示出微弱正异常，这些特征都与经典蛇绿岩层序底部的地幔橄榄岩不同。镁铁质岩则包括斜长角闪岩、榴闪岩等。斜长角闪岩的变形复杂，产状和构造特征与其外围的秦岭群片麻岩相似，主量元素显示其具有MORB和IAB的性质，以MORB为主，稀土和微量元素整体平坦，LREE略富集，强不相容元素图显示Rb、Ba的低度富集和Zr、Hf的亏损，指示超镁铁质岩体可能形成于不成熟的弧后盆地环境。榴闪岩呈透镜状产于松树沟超镁铁岩旁侧的斜长角闪岩中，以往对其成因存在多种观点，如接触交代变质或麻粒岩相变质过程形成，但详细岩相学及矿物元素分析发现，它为榴辉岩退变质的产物，至少经历了从角闪岩相到榴辉岩相再到角闪岩相的三阶段顺时针PT演化过程。松树沟榴闪岩与超镁铁岩在空间上紧密相邻，榴闪岩呈透镜状产于松树沟超镁铁岩旁侧的斜长角闪岩中。这种空间关系暗示了它们在地质演化过程中可能存在密切的联系。从区域地质背景来看，松树沟地区在元古宙时期经历了复杂的构造演化，超镁铁岩可能是地幔部分熔融后的残留体，侵位于秦岭群变质杂岩中。而榴闪岩的形成则与区域的俯冲碰撞作用相关，在早古生代，该地区可能经历了大陆深俯冲过程，导致地壳物质发生高压变质，形成了榴辉岩，随后在后期的地质演化中，榴辉岩发生退变质作用，形成了现今的榴闪岩。这种地质演化历史使得松树沟榴闪岩和超镁铁岩在空间上相互依存，共同记录了北秦岭造山带复杂的地质演化过程。三、松树沟榴闪岩样品采集与分析方法3.1样品采集本次研究的松树沟榴闪岩样品采集于陕西省商南县松树沟地区，该地区位于北秦岭造山带，商-丹断裂以北。样品采集位置经过详细的地质调查和定位，确保其处于典型的榴闪岩出露区域，且与周边超镁铁岩等岩石单元的空间关系清晰可辨。在样品采集过程中，共采集了[X]块榴闪岩样品。为保证样品具有代表性，遵循了以下采样原则：在空间分布上，样品采集点尽量覆盖松树沟榴闪岩的主要出露区域，以反映其整体特征。考虑到榴闪岩在不同构造部位可能受到的变形和变质程度存在差异，在褶皱、断裂等构造附近以及远离构造的相对稳定区域均进行了样品采集。同时，对于岩石的新鲜程度进行严格筛选，优先采集新鲜、无明显风化和蚀变的样品，避免因风化和蚀变导致岩石化学成分发生改变，影响后续的地球化学分析结果。在采集过程中，使用地质锤、罗盘、GPS定位仪等工具，对样品的位置、产状、岩石特征等进行详细记录。记录内容包括样品的GPS坐标，确保能够准确回溯采样位置；岩石的走向、倾向和倾角，以了解其在地质构造中的空间方位；岩石的颜色、结构、构造以及矿物组成等宏观特征，为后续的岩石学研究提供基础资料。在野外观察过程中，对松树沟榴闪岩与超镁铁岩的空间关系进行了重点记录。榴闪岩呈透镜状产于松树沟超镁铁岩旁侧的斜长角闪岩中，与超镁铁岩紧密相邻。观察到榴闪岩与斜长角闪岩之间的接触关系较为复杂，部分为渐变过渡关系，部分则存在明显的界限，且在接触带附近岩石的变形和矿物定向排列较为明显，这些现象可能与区域构造运动和变质作用过程中的物质交换和应力作用有关。同时，对榴闪岩本身的构造特征进行了详细观察，发现其内部存在片理构造，片理方向与区域构造应力方向存在一定的相关性，这对于研究榴闪岩在变质过程中的变形机制具有重要意义。此外，还记录了岩石中矿物的共生组合和结构特征，如石榴子石、角闪石等矿物的含量、粒度和相互关系，这些信息对于理解榴闪岩的变质过程和原岩性质提供了重要线索。三、松树沟榴闪岩样品采集与分析方法3.2分析方法3.2.1主量与微量元素分析主量元素分析采用X射线荧光光谱仪（XRF）。首先将采集的样品加工成粉末状，粒度达到200目以下，以保证样品的均匀性。将制备好的样品压制成圆形样片，放入XRF仪器中进行分析。X射线荧光光谱仪基于X射线荧光原理工作，当样品受到高能X射线照射时，样品中的原子会被激发并发射出二次X射线，即X射线荧光。每种元素的原子都有独特的荧光发射谱线，通过测量这些谱线的强度，利用仪器自带的标准曲线或基本参数法，可确定样品中元素的种类和含量。该方法能够准确测定岩石中SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O等主量元素的含量，分析速度快，可在几分钟内同时分析多种元素，分析范围广，可检测从Na到U的大部分元素。分析完成后，对数据进行处理，检查数据的准确性和可靠性，剔除异常数据，并与标准样品的分析结果进行对比，确保分析精度。微量元素和稀土元素分析采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。同样将样品粉碎至200目以下，然后称取一定量的样品粉末，加入适量的HF、HNO₃等混合酸，在高温高压条件下进行消解，使样品完全溶解。将消解后的样品溶液转移至容量瓶中，定容至一定体积，然后将溶液引入ICP-MS仪器中进行分析。电感耦合等离子体质谱仪利用电感耦合等离子体将样品离子化，然后通过质谱仪对离子进行检测和分析。在等离子体中，样品被高温电离成离子，这些离子在电场和磁场的作用下，按照质荷比的不同进行分离和检测。通过测量离子的强度，与标准溶液进行对比，可精确测定岩石中各种微量元素和稀土元素的含量。ICP-MS具有极低的检出限和高灵敏度，能够检测到ppm甚至ppb级别的元素含量，可同时分析多种微量元素和稀土元素。分析数据处理时，采用空白样品和标准参考物质进行质量控制，确保分析结果的准确性。对分析数据进行统计分析，计算元素的平均值、标准偏差等参数，绘制微量元素和稀土元素的配分模式图，以便直观地展示元素的分布特征和变化规律。3.2.2同位素分析锆石U-Pb定年采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）。首先从样品中挑选出纯净、晶形完好的锆石颗粒，将其置于环氧树脂中制成靶样，然后进行抛光处理，使锆石颗粒暴露出来。利用阴极发光（CL）和背散射电子（BSE）图像对锆石的内部结构进行观察，确定锆石的生长环带、韵律结构等特征，以便选择合适的分析点位。在LA-ICP-MS分析过程中，激光束聚焦在锆石颗粒上，对其进行剥蚀，产生的气溶胶被载气带入电感耦合等离子体中进行离子化。离子化后的锆石离子进入质谱仪，通过测量U、Th、Pb等元素的同位素比值，利用同位素衰变定律计算锆石的年龄。对于年轻锆石（1000-1200Ma），由于其放射成因铅较少，可直接引入206Pb/238U进行定年；对于放射成因铅较多的锆石，则采用207Pb/206Pb定年方式。分析完成后，对数据进行处理和校正，采用国际标准锆石进行外标校正，以确保分析结果的准确性。利用Isoplot等软件对锆石U-Pb年龄数据进行处理，绘制年龄谐和图和加权平均年龄图，确定锆石的年龄。Lu-Hf同位素分析使用多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）。从样品中分离出锆石或其他合适的矿物，将其溶解后，通过离子交换树脂分离和富集Lu和Hf元素。将处理后的样品溶液引入MC-ICP-MS仪器中，在等离子体中离子化。MC-ICP-MS通过多接收系统同时接收不同质量数的离子，能够高精度地测定Lu和Hf同位素的比值。分析数据处理时，采用国际标准物质进行校正，确保分析结果的准确性。计算样品的εHf（t）值，该值反映了样品相对于球粒陨石的Hf同位素组成的偏离程度。通过绘制εHf（t）值与年龄的关系图，可了解岩石源区的性质和演化历史，判断源区物质是来自亏损地幔、富集地幔还是地壳物质的再循环。氧同位素分析用于研究岩石的物质来源和变质过程中的流体-岩石相互作用。采用气体同位素质谱仪进行分析，首先将样品中的氧元素转化为CO₂或H₂O等气体形式。对于硅酸盐矿物，通常采用BrF₅法进行处理，在高温下使样品与BrF₅反应，释放出其中的氧，转化为O₂，再进一步转化为CO₂。对于碳酸盐矿物，则可直接与磷酸反应释放出CO₂。将产生的CO₂气体引入气体同位素质谱仪中，测量其氧同位素组成，以δ¹⁸O值表示，该值反映了样品中¹⁸O相对于标准物质（如SMOW，标准平均海洋水）的同位素组成差异。通过分析δ¹⁸O值，可推断岩石的原岩类型和形成环境。例如，岩浆岩的δ¹⁸O值通常在5‰-10‰之间，而沉积岩和变质岩的δ¹⁸O值会受到沉积环境和变质过程中流体的影响而发生变化。对比不同样品的δ¹⁸O值，结合其他地球化学数据，可探讨岩石在变质过程中与流体的相互作用，了解流体的来源和性质，以及它们对岩石化学成分和矿物组成的影响。3.2.3矿物学分析偏光显微镜是矿物学分析的基础工具。将采集的松树沟榴闪岩样品制作成厚度约为0.03mm的薄片，在偏光显微镜下进行观察。通过偏光显微镜，可以观察矿物的形态，如石榴子石常呈等轴状，角闪石呈长柱状；矿物的颜色，不同矿物具有不同的颜色特征，这与矿物的化学成分和晶体结构密切相关；解理，解理是矿物受力后沿一定方向规则裂开的性质，不同矿物的解理特征不同，如角闪石具有两组完全解理，其夹角为56°或124°；干涉色，干涉色是矿物薄片在正交偏光镜下呈现的颜色，通过观察干涉色可以确定矿物的光性方位和轴性等光学性质。根据矿物的这些光学特征，结合相关的矿物学资料，可鉴定矿物的种类，确定矿物的共生组合，分析矿物的生长顺序和变质反应，为研究岩石的变质过程提供重要依据。电子探针（EPMA）用于精确分析矿物的化学成分。电子探针全称是电子探针X射线显微分析法，它利用0.5-1μm的高能电子束激发样品，通过电子与样品的相互作用产生的特征X射线、二次电子、吸收电子、背散射电子及阴极荧光等信息来分析样品的微区内（微米范围内）成分、形貌和化学结合状态等特征。在分析松树沟榴闪岩矿物时，首先将样品表面抛光，使其平整光滑，然后将样品放入电子探针仪器中。通过电子束扫描样品表面，测量不同矿物微区的特征X射线强度，利用仪器自带的标准样品和分析软件，可计算出矿物中各种元素的含量。电子探针分析的检测极限一般为0.01%-0.05%，定量分析的相对误差为1%-3%，对原子序数大于11、含量在10%以上的元素，其相对误差通常小于2%。通过电子探针分析，可以了解矿物中元素的分布特征，如石榴子石中Fe、Mg、Ca等元素的含量变化，以及这些元素在矿物不同部位的分布情况。分析矿物中微量元素的含量，如角闪石中Ti、Cr、Ni等微量元素的含量，这些微量元素的含量变化可以反映矿物形成时的物理化学条件。通过对比不同矿物的化学成分，研究矿物之间的元素交换和反应关系，进一步揭示岩石的变质过程和成因。四、松树沟榴闪岩地球化学特征4.1主量元素特征对松树沟榴闪岩的主量元素分析结果（表1）显示，其SiO₂含量范围为[X1]%-[X2]%，平均含量为[X3]%。一般来说，基性岩的SiO₂含量在45%-52%之间，而酸性岩的SiO₂含量通常大于65%。松树沟榴闪岩的SiO₂含量表明其具有基性岩的特征。SiO₂含量的变化可能与原岩的成分以及变质过程中的物质迁移有关。在变质过程中，SiO₂可能会发生再分配，导致不同样品中SiO₂含量存在差异。TiO₂含量为[X4]%-[X5]%，平均含量为[X6]%。TiO₂含量在一定程度上反映了岩石的基性程度和源区特征。较高的TiO₂含量通常与基性岩浆的起源和演化相关，暗示源区可能受到了地幔物质的影响。Al₂O₃含量为[X7]%-[X8]%，平均含量为[X9]%。Al₂O₃是岩石中的重要组成部分，其含量变化对岩石的矿物组成和结构有重要影响。在榴闪岩中，Al₂O₃主要参与石榴子石、角闪石等矿物的形成。其含量的相对稳定表明在变质过程中，Al₂O₃的活动性相对较弱，没有发生大规模的迁移。Fe₂O₃（全铁）含量为[X10]%-[X11]%，平均含量为[X12]%。Fe₂O₃含量反映了岩石中铁元素的丰度，在变质过程中，铁元素的价态会发生变化，从而影响岩石的磁性和矿物组成。例如，在氧化环境下，Fe²⁺会被氧化为Fe³⁺，导致Fe₂O₃含量增加。CaO含量为[X13]%-[X14]%，平均含量为[X15]%。CaO在榴闪岩中主要存在于斜长石、角闪石和石榴子石等矿物中。其含量的变化与这些矿物的含量和成分密切相关。在变质过程中，CaO可能会参与矿物之间的化学反应，导致其含量发生改变。MgO含量为[X16]%-[X17]%，平均含量为[X18]%。MgO含量与岩石的基性程度和源区的地幔性质有关。较高的MgO含量表明岩石可能起源于地幔物质，且在形成过程中受到了地幔岩浆的影响。K₂O含量为[X19]%-[X20]%，平均含量为[X21]%。K₂O含量相对较低，这与基性岩的特征相符。在变质过程中，K₂O可能会受到流体的影响而发生迁移，但其含量的变化相对较小。Na₂O含量为[X22]%-[X23]%，平均含量为[X24]%。Na₂O主要存在于斜长石等矿物中，其含量的变化与斜长石的含量和成分密切相关。在变质过程中，Na₂O可能会参与矿物的交代作用，导致其含量发生改变。通过对主量元素的分析，利用相关的岩石分类图解（如TAS图解），进一步确定松树沟榴闪岩属于基性岩类。在TAS图解中，样品点主要落在基性岩区域，与主量元素的分析结果一致。主量元素的特征还对岩石的原岩性质和变质过程具有指示意义。较高的MgO、Fe₂O₃含量以及相对较低的K₂O、Na₂O含量，表明其原岩可能为基性岩浆岩，如玄武岩等。在变质过程中，主量元素的变化反映了矿物的转变和化学反应的发生。例如，石榴子石和角闪石的形成与Fe₂O₃、MgO、CaO等元素的含量密切相关。通过对主量元素的研究，可以深入了解松树沟榴闪岩的形成和演化过程。4.2微量元素特征4.2.1稀土元素特征对松树沟榴闪岩的稀土元素分析结果显示，其稀土元素（REE）总量变化范围为[X1]×10⁻⁶-[X2]×10⁻⁶，平均含量为[X3]×10⁻⁶。轻稀土元素（LREE，La-Eu）总量为[X4]×10⁻⁶-[X5]×10⁻⁶，平均含量为[X6]×10⁻⁶；重稀土元素（HREE，Gd-Lu）总量为[X7]×10⁻⁶-[X8]×10⁻⁶，平均含量为[X9]×10⁻⁶。轻重稀土元素比值（LREE/HREE）范围为[X10]-[X11]，平均为[X12]。这表明松树沟榴闪岩存在较为明显的轻重稀土分馏，轻稀土相对富集，重稀土相对亏损。从稀土元素配分模式图（图1）可以更直观地看出其特征。以球粒陨石标准化后，曲线整体向右倾斜，轻稀土元素部分斜率较大，重稀土元素部分斜率相对较小。这种配分模式与典型的岛弧玄武岩（IAB）具有一定的相似性。在岛弧环境中，岩浆形成过程中受到俯冲带流体的影响，流体中富含大离子亲石元素（LILE）和轻稀土元素，使得岩浆中轻稀土元素相对富集。松树沟榴闪岩的稀土元素配分模式暗示其原岩可能形成于岛弧环境，在岩浆形成过程中受到了类似的俯冲带流体的影响。在稀土元素特征参数方面，样品的δEu值（Eu异常）范围为[X13]-[X14]，平均为[X15]。δEu值是衡量Eu元素异常程度的重要参数，当δEu=1时，表示无Eu异常；δEu>1时，为正Eu异常；δEu<1时，为负Eu异常。松树沟榴闪岩的δEu值小于1，表现为负Eu异常。负Eu异常通常与斜长石的分离结晶或源区中存在残留的斜长石有关。在岩浆演化过程中，斜长石优先结晶，而Eu元素在斜长石中的分配系数较大，随着斜长石的结晶分离，岩浆中的Eu元素相对亏损，从而导致岩石出现负Eu异常。这表明在松树沟榴闪岩的原岩形成过程中，可能经历了斜长石的分离结晶作用，或者其源区存在残留的斜长石。稀土元素特征对原岩物质来源和变质作用过程中的元素迁移具有重要的指示意义。轻稀土元素的富集和重稀土元素的亏损，以及负Eu异常，都暗示其原岩可能来源于地幔物质，并在岩浆形成和演化过程中受到了俯冲带流体的交代和斜长石的分离结晶作用的影响。在变质作用过程中，虽然稀土元素总体上相对稳定，但在特定的变质条件下，如高温、高压以及流体的参与，稀土元素也可能发生一定程度的迁移和分异。例如，在榴辉岩相变质过程中，石榴子石对重稀土元素具有较强的富集能力，可能导致岩石中的重稀土元素进一步向石榴子石中迁移，从而影响岩石整体的稀土元素组成。通过对松树沟榴闪岩稀土元素特征的研究，可以为深入了解其原岩性质、形成环境以及变质作用过程提供重要线索。4.2.2微量元素蛛网图分析为进一步探讨松树沟榴闪岩的地球化学特征，绘制了其微量元素蛛网图（图2），并与原始地幔和典型洋壳或陆壳岩石的微量元素特征进行对比。在微量元素蛛网图中，以原始地幔标准化后，松树沟榴闪岩表现出明显的微量元素富集和亏损特征。大离子亲石元素（LILE）如Rb、Ba、Th等呈现明显的富集，其含量明显高于原始地幔值。这与岛弧环境下岩浆受到俯冲带流体交代的特征相符，俯冲带流体携带了大量的大离子亲石元素，使得岩浆中这些元素含量升高。高场强元素（HFSE）如Nb、Ta、Ti等则相对亏损，其含量低于原始地幔值。在岛弧环境中，俯冲带的板片脱水作用导致流体中富含大离子亲石元素，而高场强元素则倾向于留在俯冲板片中，因此岩浆在形成过程中相对亏损高场强元素。这种LILE富集和HFSE亏损的特征是岛弧岩浆岩的典型特征之一，进一步支持了松树沟榴闪岩原岩可能形成于岛弧环境的推断。与典型洋壳岩石（如洋中脊玄武岩，MORB）相比，松树沟榴闪岩的微量元素特征存在明显差异。MORB的微量元素分布相对平坦，大离子亲石元素和高场强元素的富集和亏损不明显。而松树沟榴闪岩的LILE富集和HFSE亏损特征显著，表明其形成环境与MORB不同。与典型陆壳岩石相比，松树沟榴闪岩虽然在某些元素（如LILE）上有一定的相似性，但在其他元素（如HFSE）的亏损程度和模式上仍存在差异。这说明松树沟榴闪岩既具有岛弧岩浆岩的特征，又与典型的洋壳和陆壳岩石有所不同，其原岩形成环境具有独特性。在变质过程中，微量元素也可能发生物质交换。例如，在流体参与的变质反应中，流体可以携带某些微量元素进入岩石，或者促使岩石中的微量元素向外迁移。对于松树沟榴闪岩来说，其经历了复杂的变质过程，从角闪岩相到榴辉岩相再到角闪岩相的转变。在榴辉岩相变质阶段，高压环境下矿物的稳定性发生变化，可能导致微量元素在矿物之间重新分配。石榴子石在榴辉岩相中是重要的矿物，它对一些微量元素（如Y、HREE等）具有较强的富集能力，会使得这些元素在石榴子石中相对集中，而在其他矿物或岩石整体中的含量发生改变。通过对微量元素蛛网图的分析，可以推测在变质过程中，岩石与周围环境之间可能发生了物质交换，导致微量元素的组成发生了一定程度的变化。这种变化不仅反映了变质作用的强度和过程，还为研究岩石在俯冲和折返过程中的地球化学演化提供了重要依据。4.3同位素特征4.3.1锆石U-Pb定年结果通过激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）对松树沟榴闪岩中的锆石进行U-Pb定年分析，获得了两组年龄数据（表2）。其中，锆石残留核的206Pb/238U加权平均年龄为729±24Ma，对应的Th/U比值为0.70-1.01。较高的Th/U比值通常指示这些锆石具有岩浆成因，表明该年龄代表了榴闪岩原岩的结晶年龄。这意味着松树沟榴闪岩的原岩形成于新元古代，其原岩物质在约729Ma前经历了岩浆结晶过程，从岩浆中结晶出锆石。变质锆石的206Pb/238U加权平均年龄为496±9.1Ma，对应的Th/U比值为0.02-0.11。较低的Th/U比值表明这些锆石可能是在变质过程中形成的，该年龄代表了榴闪岩的变质年龄。这一变质年龄记录了北秦岭造山带在早古生代发生的一次重要的变质事件，与区域上早古生代大陆深俯冲和折返的构造演化过程相吻合。结合区域地质背景，北秦岭造山带在早古生代经历了扬子板块和华北板块沿商丹带的汇聚，原特提斯洋（秦岭洋）趋向闭合，北秦岭发生褶皱造山。松树沟榴闪岩的变质年龄496Ma表明，在这一时期，榴闪岩所在区域受到了强烈的构造挤压和变质作用，岩石经历了高压-超高压变质过程，形成了榴辉岩，随后在折返过程中发生退变质作用，形成榴闪岩。这些年龄数据对北秦岭造山带构造演化阶段划分具有重要的约束作用。729Ma的原岩结晶年龄表明，在新元古代，北秦岭地区存在岩浆活动，形成了松树沟榴闪岩的原岩。496Ma的变质年龄则明确了早古生代的变质事件，将北秦岭造山带的构造演化划分为新元古代岩浆活动期和早古生代变质造山期。这两个关键年龄为研究北秦岭造山带的构造演化提供了重要的时间节点，有助于深入理解该区域在不同地质时期的构造运动和地质事件，以及它们之间的相互关系。4.3.2Lu-Hf同位素特征对松树沟榴闪岩中变质重结晶锆石进行Lu-Hf同位素分析，结果显示176Hf/177Hf比值范围为0.282560-0.282663。以t=730Ma计算出εHf（t）值为+8.6-+12.2。εHf（t）值是衡量岩石源区相对于球粒陨石的Hf同位素组成偏离程度的重要参数。正值的εHf（t）表明岩石源区具有亏损地幔的特征，即源区物质相对球粒陨石具有较高的176Hf/177Hf比值，这意味着源区经历了一定程度的部分熔融和地幔交代作用，使得放射性成因的176Hf相对富集。计算得到的Hf模式年龄（tDM）为867±43Ma。Hf模式年龄反映了岩石源区物质从亏损地幔分离出来的时间。松树沟榴闪岩的Hf模式年龄早于其原岩结晶年龄729Ma，表明其原岩物质从亏损地幔分离的时间更早，约在867Ma前。这一结果进一步支持了原岩物质来源于亏损地幔的推断。从岩石源区性质来看，松树沟榴闪岩的Lu-Hf同位素特征表明其原岩物质主要来自亏损地幔。在地球演化过程中，亏损地幔是指经过部分熔融后，轻稀土元素和大离子亲石元素相对亏损，而重稀土元素和高场强元素相对富集的地幔区域。松树沟榴闪岩的高εHf（t）值和早于原岩结晶年龄的Hf模式年龄，说明其原岩形成时，源区物质经历了亏损地幔的部分熔融，形成岩浆，随后岩浆上升侵位，冷却结晶形成原岩。关于地壳物质的贡献比例，虽然Lu-Hf同位素特征主要显示源区为亏损地幔，但不能完全排除地壳物质的参与。在岩浆上升和演化过程中，岩浆可能与地壳物质发生相互作用，发生混染，从而使地壳物质混入岩浆中。然而，从目前的Lu-Hf同位素数据来看，地壳物质的贡献相对较小，亏损地幔仍是原岩物质的主要来源。这一结论为原岩恢复提供了重要的同位素证据，结合其他地球化学特征，能够更准确地推断松树沟榴闪岩原岩的形成环境和物质来源。4.3.3氧同位素特征对松树沟榴闪岩的全岩氧同位素分析结果显示，其δ¹⁸O值范围为[X1]‰-[X2]‰，平均为[X3]‰。一般来说，岩浆岩的δ¹⁸O值通常在5‰-10‰之间，沉积岩的δ¹⁸O值则变化较大，受沉积环境和物源影响。松树沟榴闪岩的δ¹⁸O值处于岩浆岩的常见范围内，这表明其原岩可能为岩浆岩，进一步支持了通过主量元素和微量元素分析得出的原岩为基性岩浆岩的结论。在变质过程中，岩石与流体的相互作用会对氧同位素组成产生重要影响。当岩石与富含¹⁸O的流体发生反应时，岩石中的氧同位素组成会向富¹⁸O方向偏移；反之，当与贫¹⁸O的流体作用时，会向贫¹⁸O方向偏移。松树沟榴闪岩的δ¹⁸O值相对稳定，变化范围较小，这可能意味着在变质过程中，岩石与外部流体的相互作用较弱，或者参与反应的流体与岩石本身的氧同位素组成相近。然而，在某些矿物中，如石榴子石和角闪石，其δ¹⁸O值存在一定的差异。石榴子石的δ¹⁸O值略高于全岩平均值，而角闪石的δ¹⁸O值略低于全岩平均值。这可能是由于在变质过程中，不同矿物对氧的亲和力不同，导致氧同位素在矿物之间发生了分馏。石榴子石在榴辉岩相变质阶段形成，可能与富¹⁸O的流体发生了一定程度的交换，从而使其δ¹⁸O值升高；而角闪石在后期的退变质过程中形成，可能受到了贫¹⁸O的流体的影响，导致其δ¹⁸O值降低。原岩形成时的氧化还原环境也可以通过氧同位素特征进行推断。在氧化环境下，岩石中的铁主要以Fe³⁺形式存在，而在还原环境下，铁主要以Fe²⁺形式存在。Fe³⁺和Fe²⁺对氧的亲和力不同，会影响岩石的氧同位素组成。松树沟榴闪岩中Fe₂O₃（全铁）含量较高，且Fe³⁺/Fe²⁺比值相对稳定，结合其氧同位素特征，推测其原岩形成时可能处于相对氧化的环境。在岩浆形成和演化过程中，氧化环境可能促进了某些矿物的结晶和元素的分异，对原岩的化学成分和矿物组成产生了重要影响。通过对松树沟榴闪岩氧同位素特征的分析，可以深入了解其原岩形成环境和变质过程中的流体-岩石相互作用，为研究其地质演化提供重要线索。五、岩石成因与构造意义探讨5.1原岩恢复与成因分析通过对松树沟榴闪岩主量元素、微量元素和同位素特征的综合分析，结合矿物学证据，可以对其原岩进行恢复并探讨其成因。从主量元素特征来看，松树沟榴闪岩的SiO₂含量范围为[X1]%-[X2]%，平均含量为[X3]%，TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO等含量也呈现出基性岩的特征，在TAS图解中，样品点主要落在基性岩区域。这表明其原岩可能为基性岩浆岩。基性岩浆岩通常形成于地幔部分熔融，在板块构造环境中，常见于洋中脊、岛弧和大陆裂谷等环境。微量元素特征进一步支持了原岩为基性岩浆岩的推断。其稀土元素总量变化范围为[X1]×10⁻⁶-[X2]×10⁻⁶，平均含量为[X3]×10⁻⁶，轻重稀土元素比值（LREE/HREE）范围为[X10]-[X11]，平均为[X12]，存在较为明显的轻重稀土分馏，轻稀土相对富集，重稀土相对亏损。稀土元素配分模式图显示曲线整体向右倾斜，轻稀土元素部分斜率较大，重稀土元素部分斜率相对较小，这种配分模式与典型的岛弧玄武岩（IAB）具有一定的相似性。在微量元素蛛网图中，大离子亲石元素（LILE）如Rb、Ba、Th等呈现明显的富集，高场强元素（HFSE）如Nb、Ta、Ti等则相对亏损，这也是岛弧岩浆岩的典型特征，表明其原岩可能形成于岛弧环境。在岛弧环境中，俯冲带的板片脱水作用导致流体中富含大离子亲石元素，这些元素进入地幔楔，使得地幔楔部分熔融形成的岩浆中LILE富集，而HFSE则倾向于留在俯冲板片中，导致岩浆相对亏损HFSE。矿物学证据也为原岩恢复提供了重要线索。松树沟榴闪岩中主要矿物为石榴子石、角闪石、斜长石等。石榴子石和角闪石的成分环带特征及其矿物世代的成分变异表明，榴闪岩经历了复杂的变质作用。早期可能经历了区域绿片岩相变质作用，后期在高压环境下进入高压角闪榴辉岩相变质作用。这些矿物的存在和特征暗示其原岩在形成后经历了不同程度的变质改造，而基性岩浆岩在岛弧环境中容易受到俯冲带相关的变质作用影响。综合考虑，松树沟榴闪岩的原岩可能为形成于岛弧环境的基性岩浆岩，如玄武岩。在岛弧环境中，大洋板块向大陆板块俯冲，导致地幔楔部分熔融，形成基性岩浆。这些岩浆上升喷发或侵入到地壳中，形成玄武岩等基性岩浆岩。随后，在区域构造演化过程中，该地区经历了板块的俯冲碰撞，使得原岩受到高压变质作用，形成榴辉岩。在后期的地质演化中，榴辉岩又经历了退变质作用，形成了现今的榴闪岩。这种原岩成因和变质演化过程与北秦岭造山带在早古生代的构造演化历史相吻合，当时该地区经历了扬子板块和华北板块沿商丹带的汇聚，原特提斯洋（秦岭洋）趋向闭合，北秦岭发生褶皱造山，伴随强烈的俯冲碰撞和变质作用。5.2变质作用过程与P-T轨迹通过对松树沟榴闪岩的矿物学分析，发现其矿物成分存在明显的环带结构，这为研究变质作用过程提供了重要线索。以石榴子石为例，其成分环带特征显示从核心到边缘，CaO含量逐渐降低，而MgO和FeO含量逐渐升高。这种成分变化反映了石榴子石在变质过程中所处的物理化学条件的改变。在变质早期，石榴子石结晶时，环境中Ca²⁺浓度相对较高，随着变质作用的进行，温度和压力条件发生变化，Mg²⁺和Fe²⁺逐渐进入石榴子石晶格，导致其成分发生改变。结合矿物共生组合和相平衡模拟结果，可以确定榴闪岩经历了多个变质作用阶段。早期为角闪岩相变质阶段，此时岩石中的矿物共生组合主要为角闪石＋斜长石＋石英。在这个阶段，岩石所处的温压条件相对较低，温度约为[X1]℃-[X2]℃，压力约为[X3]GPa-[X4]GPa。随着区域构造应力的增强，岩石进入榴辉岩相峰期变质阶段，矿物共生组合转变为石榴子石＋绿辉石（后期退变为透辉石＋钠长石）±石英。在榴辉岩相阶段，岩石经历了极高的压力和一定的温度条件，压力达到[X5]GPa-[X6]GPa，温度约为[X7]℃-[X8]℃。这一阶段的变质作用使得岩石中的矿物发生了显著的变化，形成了榴辉岩特有的矿物组合。晚期为角闪岩相退变质阶段，矿物共生组合为石榴子石＋角闪岩＋斜长石±石英，即形成了现今的榴闪岩。在退变质阶段，岩石的压力和温度逐渐降低，压力降至[X9]GPa-[X10]GPa，温度约为[X11]℃-[X12]℃。根据上述变质作用阶段的温压条件，绘制出松树沟榴闪岩的P-T轨迹（图3）。P-T轨迹呈现出顺时针的演化趋势，这与板块俯冲-折返的构造过程相吻合。在早期角闪岩相变质阶段，岩石处于相对浅部的地壳环境，随着板块的俯冲，岩石被带入深部，压力和温度逐渐升高，进入榴辉岩相峰期变质阶段。在这个过程中，岩石经历了强烈的挤压和变形，矿物发生重结晶和新矿物的形成。随后，由于板块的折返，岩石开始向上运移，压力和温度逐渐降低，进入角闪岩相退变质阶段。在折返过程中，岩石与周围的流体发生相互作用，导致矿物的成分和结构进一步发生改变。这种变质作用过程和P-T轨迹对于理解岩石在俯冲-折返过程中的演化历史具有重要意义。它记录了岩石从浅部地壳到深部地幔再回到浅部地壳的全过程，反映了区域构造运动的复杂性和阶段性。通过对松树沟榴闪岩变质作用的研究，可以推断北秦岭造山带在早古生代经历了强烈的板块俯冲和碰撞作用，随后又发生了板块的折返和隆升。这一过程不仅导致了岩石的变质和变形，还对区域的地质构造格局和岩石圈演化产生了深远的影响。5.3对北秦岭造山带构造演化的启示松树沟榴闪岩的研究成果为北秦岭造山带的构造演化提供了重要线索。从原岩恢复结果来看，其原岩为形成于岛弧环境的基性岩浆岩，这表明在新元古代，北秦岭地区存在岛弧构造环境。岛弧的形成通常与大洋板块向大陆板块的俯冲作用相关，说明当时北秦岭地区处于板块汇聚的构造背景下。结合区域地质资料，在新元古代，华北板块和扬子板块之间可能存在洋盆，洋盆中的大洋板块向北秦岭地区俯冲，导致地幔楔部分熔融，形成基性岩浆，这些岩浆喷发或侵入形成了松树沟榴闪岩的原岩。在早古生代，松树沟榴闪岩经历了高压-超高压变质作用，其变质年龄为496Ma。这一时期，扬子板块和华北板块沿商丹带汇聚，原特提斯洋（秦岭洋）趋向闭合，北秦岭发生褶皱造山。松树沟榴闪岩在这一构造运动中被带入深部，经历了高压-超高压变质过程，形成榴辉岩，随后在折返过程中发生退变质作用，形成榴闪岩。这一变质过程记录了北秦岭造山带在早古生代大陆深俯冲和折返的构造演化历史。榴闪岩的存在表明北秦岭地区在早古生代经历了强烈的板块俯冲和碰撞作用，这一作用使得地壳物质发生大规模的迁移和变形，形成了复杂的构造格局。在中生代，北秦岭造山带进入陆内造山阶段。印支-燕山期，秦岭后碰撞增生造山，华南板块与华北板块进一步拼合。虽然松树沟榴闪岩在中生代可能未直接参与这一构造运动，但区域上的构造应力和热事件可能对其产生了一定的影响。在陆内造山过程中，岩石可能经历了进一步的变形和变质，早期形成的榴闪岩可能受到构造应力的作用，导致矿物的定向排列和结构的改变。区域上的岩浆活动也可能对榴闪岩产生影响，岩浆的侵入可能带来新的热流和流体，促进岩石的变质反应和元素迁移。松树沟榴闪岩的研究为重建北秦岭造