大别造山带宿松变质杂岩变质演化过程

周安泰，石永红，赵俊先，杨根山

(合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

宿松变质杂岩位于大别造山带最南缘(图1)，通常被视为扬子板块被动边缘沉积产物[1]。同大别造山带其他单元相比，其关注和研究程度一直较低[2]。最初，对该单元的研究集中于其变质程度，主要有两种不同的认识：一种观点是其为绿帘角闪岩相变质[3-4]；另一种观点则认为其经历了高压—超高压变质作用[5-8]。随后，研究则聚焦于年代学方面[9-15]，并借此探讨了其物源归属和变质时代(图1)。但对该单元主期变质时限的认识仍存较大争议，主要有400～500 Ma[10]、220～228 Ma[11-12]和大于223 Ma[13]等3种观点。随着研究的深入，魏春景等的研究基本明确宿松变质杂岩主体经历了绿帘角闪岩相-角闪岩相变质[16-18]，其压力较高，达到了中下地壳层次，主期变质年龄大致在250 Ma[19]。

然而，到目前为止，关于宿松变质杂岩压力(P)-温度(T)轨迹的研究仍较为薄弱，迟滞了对该块体在大别造山带俯冲、折返过程中的作用及形成机制的探究。目前，有限的研究主要源于魏春景等的成果[16，20-21]，且研究结果缺乏趋同性。魏春景等的P-T型式反映了宿松变质杂岩经历了一个相对缓慢俯冲和快速折返的过程[16]；王清晨等则认为其经历了增温降压过程，反映了一个缓慢的抬升过程，但早期变质特征并未充分揭示[20]；石永红等则认为早期反映的是一个较为缓慢的俯冲型式，表现近等压升温过程，晚期则推测为等温降压过程[21]。综上所述，宿松变质杂岩可能具有较为复杂的俯冲、折返过程。同大别造山带高压—超高压各单元建立的完整P-T轨迹相比[22-29]，宿松变质杂岩P-T轨迹的刻画和建立还有待深入。基于此，本文通过对宿松变质杂岩石榴斜长角闪岩进行详细的岩相学、矿物化学研究和热力学评价，构建出宿松变质杂岩的P-T轨迹，并探讨了其俯冲、折返过程和形成机制。

1 区域地质背景

图1 大别造山带宿松地区地质图Fig.1 Geological Sketch Map of Susong Area in Dabie Orogenic Belt

大别造山带自北至南可分为5个岩石构造单元，分别为北淮阳变质带、北大别变质带、中大别变质带、南大别碰撞杂岩带和宿松变质杂岩带，其间分别被晓天—磨子潭断裂、水吼—五河断裂和太湖—马庙断裂所分割[1](图1)。本次研究重点是宿松变质杂岩带的变质演化过程。该单元组成岩石较为繁杂，多为云母片岩、石榴云母片岩、钠长质片麻岩、大理岩、角闪岩，及少量石榴角闪岩、滑石片岩、石英岩、变质基性岩[16]，其面理产状总体倾向S-SSW，倾角为20°～50° ，以单斜层形式产出(图1)。由于石榴斜长角闪岩矿物组合充分，记录了多个变质阶段，能充分揭示地质体的演化过程，故此次研究将针对该类岩石展开。

分析样品采集于宿松变质杂岩带北部，朱湾以北约4 km处，样品编号为SS025-1(图1)。该岩石呈透镜体产出，出露宽度为3～5 m，围岩为石榴云母片岩[图2(a)]，片理产状为196°∠72°。本次矿物分析由合肥工业大学电子探针分析实验室完成，仪器型号为JEOLJXA-8230，工作条件为加速电压15 kV、电流20 nA。石榴石、角闪石、斜长石和黑云母分别以12、23、8、11个O进行计算，石榴石的Fe2+依据电价平衡方法进行校正，角闪石的Fe2+依据Si、Al、Ti、Mg、Fe、Mn等阳离子原子数总和为13进行计算[30]，代表性矿物分析结果见表1。

2 岩石学特征

石榴斜长角闪岩组成矿物主要为石榴石(体积分数为10%～15%)、斜长石(20%～25%)、角闪石(30%～35%)、黑云母(3%～8%)、绿帘石(3%～5%)、石英(15%～20%)、金红石(1%～5%)和绿泥石(3%～5%) [图2(b)、(c)]。石榴石多呈他形—半自形，粒度为0.8～2.0 mm，内部具大量石英、角闪石、金红石和绿帘石早期矿物包体，呈环状排布[图2(c)、(d)]；其边缘则发育不完全的“冠状”反应边，主要由长石、角闪石、石英和不透明矿物构成[图2(c)]；矿物化学分析显示，该石榴石普遍富铁铝榴石、钙铝榴石，贫镁铝榴石和锰铝榴石[图3(a)、表1]。角闪石具包体、反应边和基质3种形式：包体中的角闪石为他形—半自形细小颗粒，与绿帘石、金红石、石英共生，显示了早期变质矿物组合特征[图2(c)、(d)]；反应边中的角闪石则与长石、石英和不透明矿物共生，显示了退变质矿物组合特征；基质中的角闪石则多为他形—半自形，粒度为0.4～1.0 mm[图2(b)、(c)]。从角闪石的矿物成分图解[图3(c)]可以看出，上述3种角闪石基本为切尔马克闪石，但n(Si4+)和n(Mg)/(n(Mg)+n(Fe2+))值变化略有差异，包体角闪石→基质角闪石→反应边角闪石的n(Mg)/(n(Mg)+n(Fe2+))值逐渐升高，分别为0.45～0.55、0.50～0.70、0.65～0.80，暗示了这3种角闪石在不同的变质条件下形成。斜长石则以反应边和基质两种形式存在，且均为更长石[图2(b)、(c),图3(b)和表1]，反应边中的斜长石呈他形细小颗粒，基质中的斜长石为他形—半自形，粒度为0.2～0.5 mm。从成分变化来看[图3(b)]，反应边中的斜长石Ab牌号为73.10～83.40，An牌号为11.00～15.80，Or牌号为0.10～1.00；基质中的斜长石Ab牌号为78.90～87.80，An牌号为11.90～20.40，Or牌号为0.20～1.90。不难看出，两者同样存在成分差异，表明形成条件有差异。绿帘石具包体和基质两种形式：包体中的绿帘石多呈他形，粒度为0.03～0.60 mm，赋存于石榴石中；基质中的绿帘石呈半自形—自形细小颗粒，粒度为0.1～0.3 mm[图2(b)、(c)]。金红石以包体和基质形式存在：基质中的金红石呈他形细小颗粒，粒度为0.05～0.10 mm，并与其他基质矿物平衡共生；包体中的金红石主要赋存于石榴石中，颗粒细小[图2(c)、(d)]。黑云母仅以基质形式存在，呈自形—半自形，粒度为0.1～0.5 mm，常被绿泥石替代[图2(e)]。石英在包体、反应边和基质中广泛存在，前两者均为细小颗粒，基质中的石英多为他形充填于矿物粒间，颗粒大小不一，粒度为0.2～1.0 mm。绿泥石多沿石榴石裂隙发育或以黑云母假晶形式存在[图2(e)、(f)]，其产出特征也暗示该矿物为最晚阶段产物。

表1 石榴斜长角闪岩中代表性矿物分析结果Tab.1 Representative Mineral Analysis Results of Garnet-plagioclase Amphibolites

注：w(·)为元素或化合物含量(质量分数，下同)；wtotal为主量元素总含量；n为元素原子数。

图2 样品SS025-1的野外照片、显微照片及背散射照片Fig.2 Field, Microscopic and BSE Photos of Sample SS025-1

图3 石榴斜长角闪岩中石榴石、斜长石和角闪石的矿物成分图解Fig.3 Diagrams for Mineral Composition of Garnet, Plagioclase and Amphibole from Garnet-plagioclase Amphibolite

根据岩相学分析，石榴斜长角闪岩大致具有4个变质阶段矿物组合：①阶段矿物组合以石榴石中早期包体为标志，主要为切尔马克闪石+绿帘石+石英+金红石(Ts+Ep+Qz+Rt)组合[图2(c)、(d)]；②阶段矿物组合为石榴石+斜长石+切尔马克闪石+石英+绿帘石+金红石(Grt+Pl+Ts+Qz+Ep+Rt)组合，这些矿物主要以基质形式存在；③阶段矿物组合以反应边形式存在，主要为斜长石+切尔马克闪石+石英+磁铁矿(Pl+Ts+Qz+Mag)组合[图2(c)]；④阶段矿物组合以绿泥石和石英为代表(Chl+Qz)，常沿石榴石裂隙发育或以黑云母假晶形式出现[图2(e)、(f)]。

图4 石榴石、角闪石和斜长石背散射照片及矿物成分剖面Fig.4 BSE Photos and Profiles for Mineral Composition of Garnet, Amphibole and Plagioclase

3 主要矿物化学成分变化特征

为了更精细地揭示矿物成分的细致变化，精确判定不同变质阶段矿物组合，并为温压评价奠定基础，本次研究针对该岩石基质中的石榴石、角闪石和斜长石进行成分剖面分析。

在石榴石背散射照片[图4(a)]中，石榴石显示均一的特征，没有明显的颜色差异；但矿物成分剖面则显示了轻微的成分差异，分为核部和极边两个区域[图4(b)]。在核部，Fe、Mg、Ca、Mn浓度呈平缓变化趋势，分别为0.60～0.70、0.03～0.08、0.25～0.35、0～0.01 mol·L-1；极边的Fe、Mg浓度略微增高，分别为0.60～0.70、0.08～0.10 mol·L-1，Ca浓度略微下降，为0.22～0.28 mol·L-1，Mn浓度则无明显变化。由此可以看出，该石榴石至少具有极边和核部两期成分变化特征，这与石榴石矿物成分图解[图3(a)]中的变化也是一致的。

角闪石背散射照片和矿物成分剖面均显示了角闪石均一的特征[图4(c)、(d)]，其Mg、Fe2+、Al和Ti离子数呈平缓变化，分别为1.7～2.0、1.1～1.7、2.4～2.9、0～0.1。该角闪石并未受到后期退变作用的影响。

斜长石同样展现了均一的变化样式[图4(e)、(f)]，其Na、Ca、K浓度分别为0.78～0.82、0.17～0.21、0～0.02 mol·L-1，表明其未受到后期事件的干扰。同反应边中的斜长石相比，基质中的斜长石Ca浓度更高，暗示了其较高的温度。

根据主要矿物精细的成分变化，并结合岩相学判定[32]可以看出，极边石榴石成分应与反应边矿物组合平衡共生。而核部石榴石则与岩相学的①阶段和②阶段矿物组合平衡，换而言之，在①阶段和②阶段矿物组合中石榴石成分没有明显变化，但考虑到岩相学观测的特征，本次将核部石榴石分为两部分，即Grt-Ⅰ (核部中心区域)和Grt-Ⅱ (核部外围区域)[图4(b)]，其中前者与①阶段矿物组合(石榴石包体)平衡，后者基本无矿物包体，并与②阶段矿物组合平衡。对于角闪石而言，其结构特征和成分变化均显示了前3个阶段的特征[图2(c)、(d),图3(c)]，其中包体、基质和反应边中的角闪石分别与岩相学的①阶段、②阶段和③阶段矿物组合相对应。依据斜长石的两种产出状态以及成分变化特征可以看出[图2(c)、图3(b)]，基质中的斜长石应归属于岩相学的②阶段矿物组合，而反应边中的斜长石则为③阶段矿物组合。因此，根据岩相学和矿物成分的精细分析，可以判定该岩石具有4个变质阶段矿物组合(表2)。

4 P-T轨迹构建

根据岩相学和矿物化学分析(图2～4)，石榴斜长角闪岩可分为4个变质阶段(表2)，其中①阶段、②阶段和③阶段矿物组合较为充分，适于温压评价。因此，本文将应用角闪石单矿物温压计[33](方法1)、角闪石-斜长石温度计[34](方法2)和石榴石-角闪石-斜长石-石英压力计[35](方法3)对各变质阶段进行温压评价，构建完整的P-T轨迹。①阶段矿物组合因缺乏斜长石，故仅应用方法1进行温压评价。②阶段、③阶段矿物组合普遍发育石榴石+角闪石+斜长石(Grt+Hb+Pl)组合，应用方法2和方法3进行联合求解。④阶段矿物组合则因缺乏合适的温压计，仅大致估计。为保证分析的统计性和全面性，①阶段、②阶段、③阶段分别选取5、7和8个矿物对进行评价(表3、图5)。

表2各变质阶段矿物组合
Tab.2MineralAssemblagesinDifferentMetamorphicStages

由表3和图5可以看出：①阶段选取了5个矿物对，应用方法1计算，其温压范围为591 ℃～620 ℃、0.48～0.56 GPa，平均温压为608 ℃、0.51 GPa；②阶段选取了7个矿物对，应用方法2和方法3联合求解，计算的温压范围为606 ℃～636 ℃、1.01～1.12 GPa，平均温压为624 ℃、1.05 GPa；③阶段选取了8个矿物对，同样应用方法2和方法3联合求解，温压范围为600 ℃～619 ℃、0.79～0.91 GPa，平均温压为612 ℃、0.86 GPa；④阶段因缺乏合适的温压计，故仅根据绿泥石+石英(Chl+Qz)组合特征，推测该阶段的温压条件为400 ℃～500 ℃、0.1～0.3 GPa。由图5可以看出，该类岩石展示了一个较为独特的P-T型式，显示了近等温升压→近等温降压→降温降压的过程。

表3 各变质阶段的温压条件Tab.3 P-T Conditions for Different Metamorphic Stages

注：④阶段为估计值。

5 P-T轨迹探讨

P-T轨迹的研究能够较好地从动态研究的角度解释地质块体变质演化过程，充分反演其构造演变阶段[36]。从本文构建的宿松变质杂岩P-T轨迹(图5)可以看出，其变质演化过程大致可以分为3个区段：第一区段由①阶段到②阶段，温度基本保持不变，仅增加约16 ℃，压力则迅速升高，升高幅度达0.54 GPa；第二区段由②阶段到③阶段，温度仅降低约12 ℃，基本保持等温状态，压力则降低约0.2 GPa；第三区段由③阶段到④阶段，由于④阶段为估计值，故温压的降低为推测值。

变质相之间的界限引自文献[42]图5 石榴斜长角闪岩P-T轨迹Fig.5 P-T Path for Garnet-plagioclase Amphibolite

同魏春景等构建的P-T轨迹[16,20-21]相比，本文构建的P-T轨迹有较大的差异。魏春景等的主期变质条件落入角闪石榴辉岩亚相(图5)，且俯冲和折返处于一个相对较低温度环境(<600 ℃)，反映的是一个相对缓慢俯冲和快速抬升的环境[16,21]；王清晨等的P-T轨迹则主要反映的是较为缓慢的增温抬升过程[20]。产生这种差异可能有两个方面的原因：一是P-T轨迹计算选用的地质温压计不同；二是研究变质单元的差异。就第一个原因而言，文献[16]应用的是石榴石-白云母温度计[37]、石榴石-角闪石温度计[38]和石榴石-角闪石-斜长石-石英压力计[39]，文献[20]采用的是Ge0-Calc 程序[40]，文献[21]应用的是石榴石-角闪石温度计[41]和石榴石-角闪石-斜长石-石英压力计[39]，进而构建的P-T轨迹具有较大的不同(图5)。然而，基于大别造山带地质单元和背景的研究[1-2]，本文更倾向于第二个原因。从图1可以看出，文献[16]和文献[21]的样品位于太湖—马庙断裂和柳林—缺月岭—山龙断裂之间，围岩主要为花岗片麻岩。早期的区域构造划分将该地段归属于宿松变质杂岩，最近石永红等基于高压矿物组合，认为该区域应归属于南大别低温高压—超高压单元，其以柳林—缺月岭—山龙断裂为界[31]。换而言之，文献[16]和文献[21]的P-T轨迹反映的是南大别低温高压—超高压变质单元变质演化过程，记录的是50～80 km深度的变质岩片变质行为和特征。而宿松变质杂岩属于中—高压变质块体，其P-T轨迹应当反映的是在30～50 km深度的变质演化过程[18-19]。王清晨等的增温退变型式[20]在本次研究的P-T轨迹中并未体现，考虑到大别造山带在快速的背景下形成这一认识，本文推测增温特征也许是局部的变化。

本次构建的P-T轨迹能较好地反映宿松变质杂岩的变质演化过程。其中，第一区段反映的是快速俯冲过程，第二区段揭示了快速折返过程。这在岩相学和矿物化学方面也得到了佐证，其不完全的反应边和轻微的矿物成分变化[图2(b)、图3]均表明因俯冲、折返速度过快，导致其成分、结构特征未得到充分记录。尽管第三区段由于矿物组合和热力学的评价不充分，属于推测过程，但借鉴Wang等的研究[22-29]，其应当代表的是最晚期缓慢抬升过程(图5)。因此，P-T轨迹特征表明了作为扬子板块前缘块体——宿松变质杂岩，在俯冲和折返初期，在大洋板片的拖曳作用下迅速俯冲，并在中下地壳层次解耦，在浮力作用下迅速抬升至近浅表，再缓慢抬升至地表。相比较于大别造山带高压—超高压单元的P-T轨迹而言，宿松变质杂岩反映的是中浅层次俯冲及折返样式，这一特征进一步表明该造山带形成于快速的俯冲与折返过程中。

6 结 语

(1)根据岩相学、矿物化学和热力学研究，大别造山带宿松变质杂岩的石榴斜长角闪岩可分为切尔马克闪石+绿帘石+石英+金红石(Ts+Ep+Qz+Rt)、石榴石+斜长石+切尔马克闪石+石英+绿帘石+金红石(Grt+Pl+Ts+Qz+Ep+Rt)、斜长石+切尔马克闪石+石英+磁铁矿(Pl+Ts+Qz+Mag)及以绿泥石和石英为代表(Chl+Qz)等4个变质阶段矿物组合，其温压条件分别为：591 ℃～620 ℃、0.48～0.56 GPa，606 ℃～636 ℃、1.01～1.12 GPa，600 ℃～619 ℃、0.79～0.91 GPa，400 ℃～500 ℃、0.1～0.3 GPa。

(2)石榴斜长角闪岩P-T轨迹具有3个演化区段，第一区段表现为近等温升压，第二区段为近等温降压，第三区段为降温降压。这表明宿松变质杂岩经历了一个快速俯冲→快速抬升→晚期缓慢抬升的过程。其原因可能是作为扬子板块的前缘块体——宿松变质杂岩在大洋板片拖曳作用下迅速俯冲，由于板片断离在浮力作用下迅速回返，并长时间停滞在上地壳层次，再缓慢上升至地表。

电子探针分析得到合肥工业大学王娟博士的帮助，在此表示由衷的感谢。