东昆仑金水口地区格林威尔期超高温麻粒岩*

何凡 宋述光

造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京大学地球与空间科学学院，北京 100871

图1 青藏高原北缘东昆仑造山带-祁连造山带地质简图(据Song et al., 2017, 2018)

罗迪尼亚(Rodinia)超大陆在1300～900Ma的格林威尔期造山运动中形成(Lietal., 2008)，造山运动伴随的高温/高压变质作用记录在全球多个地区被发现和报道(Slagstadetal., 2017; 周信等, 2014; Toby, 2008; Dobmeier and Simmat, 2002)。东昆仑造山带近东西向分布，位于青藏高原北部(图1)，柴达木盆地的南部，在地史中经历了复杂的、多期次叠加的造山运动(Liuetal., 2005; 谌宏伟等, 2006; 陈能松等, 2006; 莫宣学等, 2007; 王国灿等, 2007; 陈有炘等, 2015; Dongetal., 2018; Songetal., 2018)。前人研究主要集中于早古生代和晚古生代到早中生代的两个时期的岩浆作用，近几年的研究显示东昆仑造山带和柴北缘前寒武纪地块广泛发育古-新元古代(2.47～0.8Ga)构造热事件(Chenetal., 2009; Songetal., 2012; Heetal., 2016)，而中、新元古代岩浆作用与罗迪尼亚超大陆的汇聚和裂解相关(Songetal., 2010, 2012; Xuetal., 2015, 2016)；但中、新元古代区域性变质作用研究相对较少，东昆仑造山带的同期变质作用尚未见报道。

超高温变质作用一般是指中低压(<10kbar)条件下温度达到900～1100℃的极端变质作用(Kelseyetal., 2007; Brown, 2007, Harley, 2008)。超高温变质岩石主要表现在富镁富铝的泥质原岩具有假蓝宝石+紫苏辉石+尖晶石+夕线石+大隅石+石英等标志性矿物组合(郭敬辉等, 2006; Santoshetal., 2007; 刘守偈和李江海, 2009; Guoetal., 2012)。但在基性变质岩石中，超高温变质的标志性矿物并不明显，主要矿物组合为单斜辉石(Cpx)+斜方辉石(Opx)+斜长石(Pl)±石榴石(Grt)±石英(Qtz)±黑云母(Bi)。其温压条件主要通过Fe-Mg交换温度计来获得。魏春景等(2017)认为基性麻粒岩中角闪石的消失温度在900℃或950℃以上。而单斜辉石中斜方辉石的固溶体出溶(反之亦然)常见于地幔方辉橄榄岩的辉石中，形成温度大于1000℃(Songetal., 2009)，是超高温变质的典型标志。

通过野外地质调查研究，我们首次在金水口地区识别出产于早古生代S-型石榴石花岗岩的超高温二辉麻粒岩捕虏体。通过详细的岩石学、锆石U-Pb定年以及温压计算，确定了捕虏体的岩石类型、变质作用特征和年代，为进一步探讨东昆仑造山带中前寒武纪基底的性质和新元古代汇聚事件提供依据。

1 地质背景和野外产状

东昆仑造山带位于青藏高原北部，柴达木地块的南缘，呈北西南东走向，长约1500km，宽50～200km。东昆仑造山带向东与秦岭造山带相连，向西与西昆仑造山带相接，是一个非常重要的构造纽带，其经历了从寒武纪到中生代长期而复杂的构造演化历程(姜春发等, 1992; Bianetal., 2004; Dongetal., 2018; Songetal., 2018)。

图2 东昆仑造山带东段金水口地区地质简图

图3 金水口二辉麻粒岩岩石野外及镜下结构和矿物组合显微照片

图4 金水口二辉麻粒岩辉石与斜长石端元组分图解

东昆仑造山带主要由以下五部分组成：(1)古生代蛇绿岩；(2)前寒武纪结晶基底；(3)大面积的早古生代-早中生代花岗岩类；(4)早古生代高压-超高压带；(5)阿尼玛卿增生杂岩带(图1)。东昆仑造山带有一系列前寒武纪变质基底岩系出露，这些基底岩块可以划分为两类：北部基底以太古宙-古元古代的白沙河岩群(金水口岩群下组)和中元古代的小庙岩群为代表，南部基底以古、中元古代苦海杂岩为代表(王国灿等, 2007)。小庙岩组变质锆石及深熔成因的锆石给出的1035～1074Ma年龄峰值代表了小庙岩组的主期变质作用与小庙岩组韧性剪切变形构造格局奠定的时间，反映了中、新元古代之交东昆仑地区发生了一次极强的构造-热事件(王国灿等, 2004)；从碎屑锆石年龄谱中可以看出苦海岩群和金水口岩群都存在1550～1650Ma、1900～2100Ma、2350～2550Ma的年龄段峰值，可能存在相似的物源区(张建新等, 2003; 王国灿等, 2004; 陈能松等, 2006b; 龙晓平等, 2006; 陆松年等, 2009; 陈有炘等, 2011; 刘强等, 2016)。

本文研究的麻粒岩位于东昆仑地区都兰县诺木洪之南的金水口地区。该区域发育有金水口群变质岩系和侵入该变质岩群的古生代花岗岩(图2)。花岗岩为中粗粒结构，无变形，岩性为石榴石二云母二长花岗岩，石榴石粒度较粗，分布不均匀(图3a)。矿物组合特征显示该花岗岩为典型的S型花岗岩。二辉麻粒岩呈椭球形的捕虏体分布在花岗岩中，并与条带状变沉积岩捕虏体共存(图3b)。

2 麻粒岩的岩相学和矿物组合

二辉麻粒岩具有明显的中粗粒粒状变晶结构，后期退变质和蚀变作用不明显，岩石的主要变质矿物为：单斜辉石(35%)、紫苏辉石(30%)、石英(5%)，斜长石(30%)(图3c)，并有少量黑云母，未发现石榴子石。偶见退化变质的角闪石分布于辉石边缘。副矿物有锆石、磷灰石、磁铁矿和赤铁矿。峰期变质矿物为典型的中低压麻粒岩相矿物组合。

两种辉石的粒度大小不均匀，并具有被石英和斜长石港湾状交代现象，说明有局部熔融特征。单斜辉石发育一组平行于(100)面的斜方辉石出溶片晶(图3d)。

矿物的电子探针分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成，电子探针型号为JXA-8100，实验条件为束流10nA，束斑直径为1～2μm(云母类为5μm)。每种元素测定的计数时间为15～20s，背景计数时间为5s。修正采用PRZ方法，标样为美国SPI公司的53种矿物。主要矿物电子探针成分见表1。

电子探针结果显示，斜方辉石的铁含量较高，计算的端员成分为Wo=1.53～3.44，En=45.07～49.85，Fs=46.43～53.60，属于紫苏辉石-铁辉石系列；Cpx属于透辉石-钙铁辉石系列，计算的端员成分为Wo=43.33～45.20，En=32.88～33.14，Fs=21.37～23.09，斜长石成分以钙长石为主(An=88.13～90.18)(图4)。

表1 金水口地区新元古代二辉麻粒岩(样品11KL120)电子探针测试结果(wt%)

Table 1 EPMA data of Neoproterozoic two-pyroxene granulite (Sample 11KL120) in Jinshuikou region (wt%)

测点号-2.1-2.3-3.1-3.2-3.4-3.5-4.1-4.2-4.3-4.4-5.1-5.2-5.3-5.4-6.1-6.2-6.3-6.4-6.5矿物OpxCpxBiPlSiO250.8750.7151.4750.5951.3851.0951.2252.4552.5437.746.0745.7145.646.1545.8446.1545.4642.1546.15TiO20.200.110.080.080.110.180.040.230.213.360.030.120.020.050.020.000.000.000.00Al2O30.440.430.410.380.340.450.451.041.0813.8834.4935.1735.0835.1634.9434.9734.6832.634.64Cr2O30.000.030.000.000.040.050.000.030.120.090.010.000.000.060.000.010.000.030.02FeO32.2631.7231.8031.8332.4231.7431.9014.6313.5320.110.180.240.090.240.440.150.220.410.17MnO0.640.660.690.700.720.700.730.350.370.090.010.000.000.030.000.000.010.000.01NiO0.000.000.000.050.050.000.730.350.370.090.000.080.000.000.000.080.000.050.00MgO13.9114.2714.1314.214.1914.1514.1610.8810.8610.390.000.000.000.000.000.000.000.010.01CaO0.691.000.850.780.670.790.6719.7920.770.0217.5517.8818.5317.8617.5417.9117.6617.0317.67Na2O0.000.010.040.090.010.040.050.110.140.071.281.050.931.161.421.091.342.751.2K2O0.000.000.010.110.000.040.040.000.008.820.040.040.030.060.080.050.091.240.08合计99.0198.9499.4898.899.9499.2399.3499.5199.9994.6599.65100.30100.29100.77100.29100.4199.4696.2699.96

注:Opx-斜方辉石；Cpx-单斜辉石；Bi-黑云母；Pl-斜长石

3 变质温压条件计算

从岩石结构和矿物组合来看，岩石中缺少角闪石，说明其变质温度范围应该超过了角闪石的稳定域，变质温度应大于900℃或者950℃(魏春景等, 2017)。单斜辉石中斜方辉石出溶片晶的出现证明其形成温度大于1000℃(Songetal., 2009)。

我们选取两组共生的单斜辉石和斜方辉石电子探针数据，选择不同的二辉石(Cpx-Opx)温度计对二辉麻粒岩进行温度计算，默认压力10kbar，计算结果见表2。结果显示清水泉地区新元古代二辉麻粒岩峰期变质温度范围为867～1079℃。除Brey and Köhler (1990)计算的1个温度数据偏低外，其他都在900℃以上，属于超高温的温度范围。

图5 金水口地区二辉麻粒岩(样品11KL-120)代表性锆石阴极发光图像和测点

图6 金水口二辉麻粒岩(样品11KL-120)锆石U-Pb年龄谐和图

利用单斜辉石-斜长石-石英(Cpx-Pl-Qtz)地质压力计(McMarthy and Patino Douce, 1998)，计算获得二辉麻粒岩的变质压力为4.6～8.9kbar。

4 锆石U-Pb年龄及锆石稀土元素分析

4.1 测试方法

锆石采用常规选法， 双目镜下挑纯， 用于阴极发光研究和U-Pb定年，阴极发光照相在北京大学地球与空间科学学院扫描电镜实验室完成，U-Pb年龄测定在中国地质大学(北京)科学研究院元素地球化学实验室完成。分析仪器为美国New Wave Research Inc.公司生产UP 193 SS激光器和美国AGILENT科技有限公司生产Agilent 7500a型四级杆等离子体质谱仪联合构成的激光等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)。分析仪器条件为激光器工作频率为10Hz，激光能量密度～8.5mJ/cm。U-Pb年龄计算以锆石标样91500(Wiedenbecketal., 1995)的同位素比值进行校正，锆石标样Qinghu(160Ma, 李献华等, 2013) 作为监控标样。详细分析步骤见Songetal. (2010)。普通铅校正采用Andersen (2002)的方法。数据处理采用为ISOPLOT(Ludwig, 2003)。同位素比值及年龄误差均为1σ。

表2 根据不同温压计计算出的二辉麻粒岩峰期变质温度

Table 2 Peak metamorphic temperatures of the two-pyroxene granulite calculated by several thermometers

温压计P/TCpx-Opx温度计(Wells, 1977)927～972℃Cpx-Opx温度计(Bertrand and Mercier, 1985)936～964℃ (@10kbar)Cpx-Opx温度计(Brey and Köhler, 1990)867～1007℃ (@10kbar)Ca-in-Opx温度计(Brey and Köhler, 1990)911～1079℃ (@10kbar)Na-in-Opx温度计(Brey and Köhler, 1990)925～1068℃ (@10kbar)Cpx-Pl-Qtz压力计(McMarthy and Patino Douce, 1998)4.6～8.9kbar

表3 金水口地区二辉麻粒岩(样品11KL-120)锆石U-Pb测试结果

Table 3 LA-ICP-MS zircon U-Pb age data of the two-pyroxene granulite (Sample 11KL-120) in Jinshuikou region

测点号ThUPb(×10-6)Th/U207Pb/206Pb207Pb/235U206Pb/238U207Pb/206Pb (Ma)207Pb/235U (Ma)206Pb/238U (Ma)比值1σ比值1σ比值1σ年龄1σ年龄1σ年龄1σ-01399.71114140.00.360.06910.00231.113890.033010.116920.0016490269760167139-0210.02819.2106.50.010.06980.00141.303160.026960.135330.00187924218471281811-0338.47349.632.740.110.06220.00190.810340.022530.094480.0013168168603135828-0422.72363.253.340.060.07320.00151.517620.033260.150440.002111018239381390312-0533.68713.374.070.050.06690.00140.995200.021090.107880.0015083523701116609-0678.39802.057.860.100.05810.00130.597450.013610.074570.001055342647694646-075.48832.5131.60.010.07200.00141.636020.034210.164750.00229987229841398313-0849.31561.347.440.090.06290.00140.751780.017100.086690.0012270526569105367-0938.81540.859.990.070.06690.00181.046790.024080.113530.0015783457727126939-1015.43929.0134.90.020.06990.00141.461730.031440.151680.00212925239151391012-1152.31648.954.430.080.06230.00130.746690.016650.086970.0012268325566105387-1281.33786.350.760.100.05510.00120.507390.011820.066750.000954172841784176-1310.97660.298.100.020.07010.00151.498180.032830.155110.00218930239301393012-1423.30440.951.350.050.06780.00161.124400.026920.120350.00173861277651373310-1524.84474.961.420.050.06950.00151.282950.028930.133900.00190913248381381011-1651.40601.162.270.090.06400.00140.943850.021740.107020.0015274026675116559-1727.15743.5111.00.040.07160.00191.517650.034710.153670.00214975569381492212-18100.5473.969.780.210.07170.00231.411990.040030.142760.00205978668941786012-1940.58491.152.520.080.06660.00161.016750.024500.110790.0015982427712126779-205.54475.974.460.010.07260.00161.638870.037690.163700.002341003259851597713-2144.21497.967.620.090.06740.00201.265840.031990.136310.00191849618311482411-2231.46534.061.200.060.06870.00151.124060.026210.118600.00169891267651372310-2341.81561.757.570.070.06650.00150.971950.023130.106060.0015282127689126509-24163.41342112.80.120.06050.00130.724210.016500.086770.0012362326553105367-257.88930.4131.20.010.07060.00151.443760.032880.148300.00211946259071489112-2610.78622.294.900.020.07220.00191.584220.035360.159180.00222991559641495212

表4 金水口地区新元古代二辉麻粒岩(样品11KL-120)锆石稀土元素测定结果(×10-6)

Table 4 Rare earth element compositions of zircon from the Neoproterozoic two-pyroxene granulite (Sample 11KL-120) in Jinshuikou region (×10-6)

测点号TiYNbLaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHfTa-01315.712954.027.8823.214.2727.0911.410.60722.596.5789.0242.44239.567.14815.1179.996562.228-026.79202.40.3360.0870.3120.0460.3270.330.1781.970.93314.316.4034.3510.75152.540.37110690.443-034.27137.00.2280.0640.2840.0410.2720.330.1381.380.689.924.4323.506.6687.9621.17118290.109-045.12162.10.240.0560.2150.0520.2150.370.0881.120.5439.444.9930.159.80143.738.28110890.243-052.69148.30.210.0480.180.0310.270.380.071.360.62610.124.7325.737.3797.0724.77115420.242-066.16686.90.3610.0490.8860.0200.300.670.117.213.1348.3121.82109.926.92276.070.73171070.319-073.09176.20.2340.0240.0950.0420.1140.1960.0861.080.5910.725.4331.7910.13147.239.86110330.341-087.70890.91.0470.0560.5550.0670.7282.320.08515.887.4593.0131.67127.728.96315.267.57166051.209-095.31189.80.2570.0270.3020.0440.2920.430.0751.590.8813.135.9533.259.70131.631.57120420.252-103.50186.10.2580.0570.1850.0590.1770.380.0891.260.73411.345.6832.599.92136.536.83114380.273-1113.83271.90.2790.0790.6180.0390.2590.340.1222.891.31919.248.9746.1512.91162.937.63120700.243-128.9120030.390.0180.6270.0350.7314.620.09836.1317.21211.171.35278.759.32577.0103.6115530.399-134.44135.70.2250.0510.1050.0210.2430.350.101.150.6068.794.1522.387.1195.3325.13122650.135-143.70158.70.2150.0570.2930.0300.2730.290.1591.370.66510.944.7828.008.10108.728.96120450.157-154.22148.40.2210.0490.1530.0250.2310.2850.0741.040.5669.314.5725.848.07112.729.80111770.167-165.19227.30.2320.0320.2760.0160.1850.290.122.251.02615.427.2438.6610.97140.536.09118010.179-174.27310.90.180.0510.2570.0520.420.520.1362.021.07217.929.2153.6014.81174.365.41143800.225-184.82443.10.3310.0760.580.0670.310.550.1772.941.7729.3714.2578.3223.38311.975.86107880.199-195.98273.00.2690.0400.2990.050.510.410.1062.191.07617.568.3044.411.54136.442.43143940.207-202.61139.40.2030.0490.100.0350.330.2050.0980.860.528.324.3325.247.98112.831.09108320.169-21119.2225.50.2870.7972.810.5923.732.070.1353.901.25816.337.1439.1211.79158.543.72109250.178-224.99234.10.2450.0460.3260.0460.1540.2920.0851.620.92614.707.2740.2911.51144.942.12127080.172-234.65334.30.2530.0730.4310.0350.330.350.1772.501.33421.5010.1855.1514.92176.949.33136440.239-244.41291.90.2730.0630.3860.0260.2810.3250.1262.711.30220.579.8452.3814.69187.747.65109850.291-255.66252.70.2540.0410.160.02930.1680.180.1081.900.94415.347.6644.1413.74194.253.23110710.238-263.31168.50.2320.03420.210.0430.2320.2110.1051.180.6219.975.0029.878.88118.437.56136970.187

表5 金水口麻粒岩与全球若干格林威尔期麻粒岩的对比

Table 5 The comparison between granulite of this study and several global Grenville-age granulites

位置年代峰期温压条件文献东南极拉斯曼丘陵1000Ma850～900℃/8～8.5kbar周信等, 2014波罗的地块1050～980Ma—Slagstad et al., 2017加拿大格林威尔省1090～980Ma800～850℃/17～18kbarToby, 2008秘鲁莫延多-卡马纳地块1200～940Ma1000℃/12kbarMartignole and Martela, 2003印度东高止～1100Ma985～1085℃/9～10kbarBhattacharya and Kar, 2002; Sengupta et al., 2004东昆仑995±34Ma867～1079℃/4.6～8.9kbar本文

图7 金水口二辉麻粒岩(样品11KL-120)锆石球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(标准化值据Sun and McDonough, 1989)

4.2 锆石特征与测试结果

对金水口地区二辉麻粒岩样品(11KL-120)总共选取26颗锆石进行U-Pb年龄测试，分析结果见表3。样品的锆石形态多呈浑圆状，阴极发光图像(图5)显示这些锆石内部结构不均匀，呈斑块状或杉树叶结构(图5a-c)，并见有辉石和斜长石的包裹体，均为变质成因锆石。部分锆石具有窄的变质生长边(<10μm)(图5d)，可能与早古生代变质叠加有关。测试锆石的U含量较高(320×10-6～1342×10-6)，Th/U 比值为0.01～0.36。所测定样品的207Pb/206Pb年龄值在900～1000Ma的有8个，约占锆石总数的32%。在U-Pb谐和年龄图解中，所有测点均在不一致线上，其上交点年龄为995±38Ma(上交点附件的5个测点207Pb/206Pb平均年龄为980±25Ma，MSWD=0.57)，下交点年龄为417±30Ma(MSWD=0.59)(图6)。二者分别代表格林威尔期峰期变质年龄和泥盆纪叠加改造年龄。

锆石的微量元素测试结果见表4，其Ti含量相对较低，除2个点具有异常高的Ti含量外，其它测点的变化范围在2.69×10-6～13.83×10-6。锆石球粒陨石标准化稀土配分曲线(图7)显示出大部分具有明显且不同程度的负Eu异常(Eu*=0.02～0.71)，受共生的斜长石影响较大；重稀土曲线不平坦，向Lu的方向升高，表明麻粒岩中应没有石榴石，与显微镜下观察相符；Ce异常的范围(Ce*=0.59～6.87)。

5 讨论

一般认为东昆仑造山带广布的格林威尔造山期基性-中性火成岩代表该区构造岩浆热事件(Heetal., 2016)。此次发现的超高温二辉麻粒岩也证明了本区前寒武纪基底格林威尔期区域性变质作用的存在。

柴北缘地区格林威尔期副片麻岩具明显负Eu异常，亏损Sr、Ba元素，在新元古代时期应为活动大陆边缘，并与罗迪尼亚超大陆形成有关(张聪等, 2016)。与本研究中类似的格林威尔期岩浆、变质作用记录同样存在于祁连山和柴北缘(于胜尧和张建新, 2010; Songetal., 2012)，因此，东昆仑造山带与柴北缘在新元古代经历了相似的演化历史，说明格林威尔期造山事件在整个青藏高原北部地区呈面状分布。

全球范围内广泛发育的格林威尔期造山带是罗迪尼亚超大陆汇聚缝合带(Lietal., 2008)，并发育强烈的岩浆活动和不同程度变质作用。同时代高温-超高温麻粒岩相变质岩石主要出现在东南极、波罗的地块、秘鲁莫延多-卡马纳(Mollendo-Camana)地块、加拿大格林威尔省和印度的高止(Ghats)省(表5)。本研究的二辉麻粒岩与全球多个格林威尔期麻粒岩在形成年代十分相近，虽然这些麻粒岩的峰期变质压力条件有所差异，但都反映了格林威尔期高温变质作用的共性。以1000～900Ma的超大陆形态为底图，据前人研究成果(周信等, 2014; Slagstadetal., 2017; Toby, 2008; Dobmeier and Simmat, 2002; Lietal., 2008; Songetal., 2018)，作出全球格林威尔期麻粒岩分布示意图(图8)，这些高温麻粒岩基本分布在格林威尔期造山带边缘或内部，麻粒岩成因与造山过程的板块俯冲和碰撞密切相关。

图8 全球格林威尔期麻粒岩分布示意图(据Li et al., 2008修改)

本研究的二辉麻粒岩的变质温压条件为超高温(主要>900℃)和低压(<10kbar)，反映其形成于高热流值的岛弧或大陆碰撞带环境。

6 结论

(1)东昆仑造山带东段金水口地区发现超高温二辉麻粒岩，其峰期矿物组合为单斜辉石+斜方辉石+斜长石+石英+磁铁矿，利用温压计得到峰期麻粒岩相变质温度为：T=867～1079℃，P=4.6～8.9kbar；峰期变质年龄为995±38Ma，并受到泥盆纪岩浆-变质事件的改造。

(2)该期超高温麻粒岩是Rodinia超大陆汇聚事件在东昆仑地区响应，反映整个祁连和昆仑地区存在广泛的格林威尔期造山事件的岩浆和变质记录，可以与全球格林威尔造山带进行对比。

致谢诚挚感谢北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室的李小犁和中国地质大学(北京)激光剥蚀等离子体质谱实验室苏犁、张红雨等在实验过程中给予了帮助！