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佑岑
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进展 2013 年第 58 卷第 22 期 :2227 ~ 2232 www.scichina.com csb.scichina.com 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 大陆俯冲带变质过程中熔 / 流体活动的锆石学记录陈仁旭 *, 郑永飞中国科学院壳幔物质与环境重点实验室, 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026 * 联系人, E-mail: chenrx@ustc.

1 进展 2013 年第 58 卷第 22 期 :2227 ~ csb.scichina.com 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 大陆俯冲带变质过程中熔 / 流体活动的锆石学记录陈仁旭 *, 郑永飞中国科学院壳幔物质与环境重点实验室, 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 * 联系人, chenrx@ustc.edu.cn 收稿, 接受, 网络版发表国家重点基础研究发展计划 (2009CB825004) 和国家自然科学基金 ( , ) 资助摘要对大别 - 苏鲁造山带超高压变质岩开展了综合的锆石学研究, 包括锆石矿相学 ( 内部结构和外部形态 ) U-Pb 年代学矿物包裹体微量元素以及 Lu-Hf 和 O 同位素分析. 结果不仅深化了变质锆石学研究, 识别出了不同类型的锆石, 而且为大陆俯冲带变质过程中熔 / 流体活动性质提供了重要地球化学信息. 由于变质熔 / 流体活动程度和物理化学性质差异, 原岩岩浆锆石经历了 3 种不同类型变质重结晶作用, 包括固态重结晶交代重结晶和溶解重结晶. 新生长锆石可以从脱水来源的富水流体和深熔来源的含水熔体中结晶形成. 不同类型的受变质和变质成因锆石显示出不同的元素和同位素组成差异. 原岩性质控制着富水流体可获得性, 而熔 / 流体的性质则受变质温压条件控制. 大陆俯冲带变质过程中熔 / 流体活动是原岩锆石溶解和变质锆石生长的基本原因, 因此变质锆石的生长可以用作熔 / 流体活动的指示剂. 关键词变质锆石学变质生长变质重结晶熔 / 流体活动大陆俯冲带锆石是变质岩中的常见副矿物, 它对于 U-Pb 定年岩石学和地球化学示踪等具有非常大的用途. 但是, 大陆俯冲带变质岩中的锆石是相当复杂的, 表现出不同的来源和成因, 既有不同世代的岩浆锆石, 也有不同世代的变质锆石, 还有受到不同程度改造的变质重结晶锆石. 在锆石学研究中, 一般将与岩浆作用同期结晶的锆石称为岩浆锆石, 而将从源岩继承来的岩浆锆石称为残留锆石, 其中有部分属于经过风化搬运的碎屑锆石. 在变质作用过程中, 既有原岩矿物的消失也有变质矿物的生长, 其中变质新生长锆石就称为变质锆石. 我们将原位微区锆石 U-Pb 定年与阴极发光矿物包裹体微量元素以及 Lu-Hf 和 O 同位素分析相结合, 对大别 - 苏鲁造山带超高压变质岩进行了系统深入的研究, 结果不仅深化了变质锆石学研究, 识别出了不同类型的变质锆石, 而且为我们认识大陆俯冲带变质过程中熔 / 流体活动性质提供了重要地球化学信息. 根据锆石形成条件, 我们将变质锆石分为从富水流体生长和从含水熔体生长 ; 根据原岩锆石经受变质改造的机制, 将变质重结晶锆石分为固态转换交代蚀变和溶解再沉淀 [1~6]. 对于富水流体, 根据流体成分及其物理化学性质可以分为岩浆流体变质流体和热液流体, 从中生长的锆石在矿相学 ( 内部结构和外部形态 ) 元素和同位素组成等方面会表现出一系列差异. 对于熔体生长锆石, 根据熔体演化程度差异可以分为深熔锆石和岩浆锆石 [7], 对应的熔体分别称为深熔熔体和岩浆熔体, 两者在物理化学性质和地球化学平衡方面存在一系列差异. 不同类型变质锆石的出现取决于变质过程中流体的可获得性和熔 / 流体的物理化学性质, 它们在矿相学微量元素 U-Pb 年龄 Lu-Hf 和 O 同位素上表现出不同的特点. 变质生长锆石的元素和同位素组成取决于流体组成共生矿物温 / 压条件和体系的封闭性 [5,8]. 超高压变质岩中富水流体生长锆石通常以小的它形颗粒形式出现 ( 图 1(a)) 或在原岩残留锆石边部增生. 它们通常表现出无分带谐和的 U-Pb 变质年龄, 低引用格式 : 陈仁旭, 郑永飞. 大陆俯冲带变质过程中熔 / 流体活动的锆石学记录. 科学通报, 2013, 58: Chen R X, Zheng Y F. Zirconological records of fluid/melt action during continental subduction-zone metamorphism. Chin Sci Bull, 2013, 58: , doi: /

2013 年 8 月第 58 卷图1 第 22 期大陆俯冲带变质过程中不同类型锆石代表性 CL 图像 (a) 超高压变质岩中富水流体生长锆石[5]; (b)和(c) 长英质脉体中富水流体生长锆石[6]; (d) 混合岩化片麻岩中深熔锆石[9]; (e) 混合岩化淡色体中深熔锆石[10]; (f) 伟晶岩中深熔锆石[11]; (g) 固态重结晶锆石[1]; (h) 交代重结晶锆石[1];

2 2013 年 8 月第 58 卷图1 第 22 期大陆俯冲带变质过程中不同类型锆石代表性 CL 图像 (a) 超高压变质岩中富水流体生长锆石[5]; (b)和(c) 长英质脉体中富水流体生长锆石[6]; (d) 混合岩化片麻岩中深熔锆石[9]; (e) 混合岩化淡色体中深熔锆石[10]; (f) 伟晶岩中深熔锆石[11]; (g) 固态重结晶锆石[1]; (h) 交代重结晶锆石[1]; (i) 溶解重结晶锆石[2]. 图中标尺为 50 m, 数字为 206 Pb/238U 年龄, 单位为 Ma Th/U 和 176Lu/177Hf 比值, 以及升高的 176Hf/177Hf 和 Hf/Y 比值, 低的 REE, Th 以及 HFSE 等微量元素含量但高的 Hf 含量(图 2 和 3)[1,5,6]. REE 配分形式则取决于共生矿物, 如与石榴石共生表现出平坦的 HREE 配分, 而与斜长石共生会表现出明显 Eu 的负异常. 尽管超高压变质阶段存在流体活动, 超高压变沉积岩和变火山岩中锆石生长通常是幕式的, 对应于两期流体活动主要发生在进变质高压-超高压榴辉岩相转变和折返过程中超高压-高压榴辉岩相转变阶段 [3,15,22], 而超高压变侵入岩仅在降压折返过程中出现一期流体活动 [3]. 流体活动缺乏的榴辉岩缺乏新生长锆石, 而流体活动显著的榴辉岩存在大量新生长锆石 [4]. 这些差异指示, 变质作用之前原岩性质支配了大陆俯冲带变质过程中变质流体的释放和锆石的新生长 [3,23]. 在超高压变质岩的长英质脉体中(图 1(b)) 图解黑色实线, 固态重结晶锆石 ; 红色虚线, 交代重结晶锆石[2]; 蓝色, 指示了大陆俯冲带变质过程中流体活动对元素 Zr 的化学迁移. 脉体中这些富水流体生长锆石表现出与超高压变质岩中富水流体生长锆石相似的元素和同 2228 大陆俯冲带变质过程中不同类型锆石代表性 REE 配分 [2] 富水流体生长锆石同样以大的自形晶体形式出现 [12,16,17,24,25] 图2 实线, 溶解重结晶锆石[2]; 青色实线, 超高压变质岩中富水流体生长锆石 [5] ; 青色虚线, 长英质脉体中富水流体生长锆石 [12]; 蓝色虚线, 混合岩化片麻岩中深熔锆石[9]; 紫色实线, 淡色体中深熔锆石[11]; 黄色虚线, 淡色体中深熔锆石[10]; 黄色实线, 淡色体中深熔锆石[10]; 绿色实线, 伟晶岩中深熔锆石[13]; 绿色虚线, 伟晶岩中深熔锆石[11]; 暗黄色实线, 伟晶岩中深熔锆石[14]

3 进展位素组成, 指示成脉富水流体来自超高压变质岩本身的变质脱水. 这些脉体中还普遍发现有原岩锆石的残留核存在 ( 图 1(c)) [12,17,25], 指示变质流体对原岩锆石的物理搬运. 这解释了为什么变质脉体和造山带橄榄岩中同时存在有残留锆石和新生锆石. 大别 - 苏鲁造山带超高压变质岩中发现有部分熔融现象 [9,10,18,26,27], 从薄片尺度到露头尺度, 形成各种不同类型混合岩. 深熔熔体是在升高的温 - 压条件下由超变质作用形成的, 同折返年龄的碱性到花岗质岩墙和岩体是深熔熔体高度演化的产物 [20,21]. 深熔锆石通常出现在混合岩化岩石和伟晶岩中 [9~11,13,14,18,19,28,29], 而岩浆锆石通常出现在同折返岩浆岩体中 [21,30]. 岩浆锆石通常具有较好的岩浆振荡环带, 高的 REE 含量和陡峭的 REE 配分型式, 高的 Th/U(>0.1) 和 Lu/Hf 比值, 正 Ce 异常和负 Eu 异常 ( 图 2). 相反, 深熔锆石则表现出无分带云雾状分带到典型的岩浆振荡环带 ( 图 1(d)~(f)), 具有低的 Th/U 比值 ( 通常 <0.1), 通常含有 Qtz±Ab±Kfs±Ap 包裹体. 与原岩岩浆锆石相比, 表现出类似的 REE 含量但类似或更为陡峭的 HREE 配分 ( 图 2), 较低或类似的 Th 含量, 类似或较高的 U 含量, 高的 Hf 含量, 类似或较高的 Nb 和 Ta 含量, 类似的 Ce 和 Eu 异常, 类似的 Nb/Ta 比值, 高的 Hf/Y 比值, 类似或较低的 Lu/Hf 比值但高的 176 Hf/ 177 Hf 比值 ( 图 3 和 4(a)). 伟晶岩中深熔锆石由于深熔熔体分异演化的差异, 在微量元素含量和 REE 配分型式上表现出不同的变化. U-Pb 定年发现, 超高压变质岩部分熔融主要发生在折返高压麻粒岩相阶段. 某些锆石区域中发现柯石英 [20,21], 指示部分熔融可能从折返早期超高压榴辉岩相阶段就已经开始了. 大多数深熔和岩浆锆石具有比新元古代残留锆图 3 大别 - 苏鲁造山带不同类型变质生长锆石代表性元素含量和元素比值区分图解数据来源 : 超高压变质岩中富水流体生长锆石 [5], 石英脉中富水流体生长锆石 [4,12,15~17], 超高压变质岩 ( 包括片麻岩石英岩和混合岩 ) 中深熔锆石 [9~11,14,18,19], 伟晶岩中深熔锆石 [11,13,14], 同折返年龄花岗岩和正长岩侵入体中岩浆锆石 [20,21] ( 其中包括 Zhao 等人, 2012( 未发表数据 )), 残留岩浆 [5,9,11,13,17,18] 锆石为不同程度重结晶的新元古代岩浆锆石 2229

4 2013 年 8 月第 58 卷第 22 期图 4 变质新生长锆石和重结晶锆石 Lu-Hf 和 O 同位素组成差异 Lu-Hf 同位素数据来源 : 脉体中富水流体生长锆石和残留锆石 [17] ; 淡色体和伟晶岩中深熔锆石和残留岩浆锆石 [11] ; 超高压变质岩中富水流体生长锆石和残留岩浆锆石 [5] [6]. O 同位素数据来自苏鲁青龙山超高压变质岩中富水流体生长锆石和经历不同程度重结晶残留新元古代岩浆锆石石较高的 176 Hf/ 177 Hf 比值 ( 图 4(a)) [11,13,18,20], 指示了部分熔融涉及超高压变质岩中高 Lu/Hf 比值矿物的分解. 同一样品中存在不同期次的深熔和岩浆锆石生长 [9~11,13,18,20], 它们在有些样品中表现出不同的 Hf 和 O 同位素组成 [18,20], 指示了不同的熔体来源. 虽然岩浆锆石与淡色体和伟晶岩中深熔锆石在元素含量和比值上存在差异, 但它们相似的 Hf 同位素组成指示来自相同的岩石源区, 共同记录了大陆俯冲带超高压变质岩折返过程中部分熔融从深熔熔体向岩浆熔体的演化. 深熔熔体由超高压变质岩低程度部分熔融产生, 形成混合岩. 深熔熔体没有离开母岩, 因而没有达到水和不相容元素的饱和. 相反, 岩浆熔体已经离开母岩, 向上迁移和聚集, 随着岩浆矿物的结晶, 达到了水和不相容元素的饱和. 通过显著的迁移和聚集, 深熔熔体经高程度的岩石学演化会转变为岩浆熔体. 锆石变质重结晶作用是在一定温压条件下对原岩锆石晶格调整和局部化学蚀变, 并没有新锆石颗粒形成 [1~6]. 流体的存在或缺乏及流体活动的程度和方式导致了 3 种不同类型的重结晶作用, 引起锆石内部结构不同程度受到改造和变质过程中微量元素 O, U-Th-Pb 和 Lu-Hf 同位素体系的部分脱耦. 而变质过程中不同元素和同位素行为的差异则决定于它们在锆石中扩散行为的差异. 固态重结晶锆石是在流体相对缺乏的条件下进行的, 仅锆石内部结构和 U-Th-Pb 同位素体系受到部分改造, 表现出清晰或模糊的岩浆环带 ( 图 1(g)), 206 Pb/ 238 U 表面年龄在原岩年龄附近或朝向变质年龄方向分布, Th/U 比值有所降低 ( 仍然 >0.1), 而其微量元素 Lu-Hf 和 O 同位素体系近似保持原岩锆石的特征. 在固态重结晶过程中, 元素通过扩散机制发生丢失, 流体主要作为催化剂促进元素扩散. 交代重结晶锆石受流体改造程度较固态重结晶明显, CL 图像显示冷杉叶状分带弱分带或无分带结构, 在颗粒边缘和内部裂隙处发生溶解再沉淀形成斑状结构 ( 图 1(h)), 206 Pb/ 238 U 表面年龄朝向变质年龄方向移动明显. 与原岩锆石相比, U 含量升高而 Th 含量降低, Th/U 比值降低但仍然 >0.1. REE 配分和微量元素含量与原岩锆石表现出一定差异, 具体取决于引起交代的流 / 熔体组成, 局部区域类似溶解重结晶锆石. 176 Lu/ 177 Hf 比值轻微降低, 而 176 Hf/ 177 Hf 比值基本保持不变或稍升高 ; O 同位素变化很大, 18 O 值介于变质生长锆石和固态重结晶锆石之间. 交代重结晶过程中, 锆石元素和同位素组成变化受交代作用控制, 锆石和流 / 熔体之间存在元素和同位素交换. 溶解重结晶锆石受到变质流体改造程度最高, CL 图像显示海绵状结构或多孔状结构 ( 图 1(i)), 具有近变质时间的 206 Pb/ 238 U 年龄 ; 如果溶解重结晶改造得彻底, 则有可能得到谐和的变质年龄 [1,2,5,6]. Hf 同位素取决于体系的开放程度. 如果是相对封闭体系, Hf 同位素也主要受原岩锆石控制, 因此其 176 Lu/ 177 Hf 和 176 Hf/ 177 Hf 比值与原岩锆石相似. 如果是开放体系, 176 Lu/ 177 Hf 比值发生降低, 而 176 Hf/ 177 Hf 比值有所升高. O 同位素改造彻底, 表现为较均一的 18 O 值, 与变质生长锆石的 18 O 值接近 ( 图 4(b)) [6,17]. 其微量元素组成不同于原岩锆石, 具体取决于变质流体的物理化学性质和地球化学组成. 溶解重结晶过程中, 锆 2230

5 进展石元素和同位素组成变化受扩散 - 反应机制控制, 包含有溶解和再沉淀 2 个过程, 最终会导致锆石的元素和同位素组成趋近于变质流体组成 ( 类似于新生长锆石 ). 在俯冲带变质条件下, 能够引起锆石溶解重结晶的流体一般具有超临界性质 [2], 从而导致高场强不相容元素的溶解和再沉淀. Zr 是高场强元素, 当受到变质流体作用时, 矿物中的元素 Zr 并不轻易发生溶解和迁移, 但是如果遇到碱性流体或超临界流体则例外 [2,24,31] ; Zr 是不相容元素, 在部分熔融过程中向熔体方向富集, 因此大陆地壳岩石总是具有较高的 Zr 丰度 [32]. 根据元素地球化学, 流体或熔体中矿物得以生长的前提是其主要组成元素达到饱和. 一旦流体或熔体中 Zr 达到饱和, 就会发生锆石生长. 岛弧玄武岩以亏损 HFSE 为特征, 其中的 Zr 处于不饱和状态, 因此原始弧型岩浆难以结晶出锆石 [23,33], 除非其中 HFSE 得到局部富集, 这时结晶出锆石的岩浆就不再表现出弧型微量元素分布. 在俯冲带变质作用过程中, 原岩岩浆锆石或碎屑锆石会发生不同程度的重结晶, 具体取决于原岩锆石的物理化学性质 ( 矿物结晶程度晶体中是否存在裂隙 ) 以及变质流体或深熔熔体的可得到性. 大陆俯冲带变质过程中熔 / 流体活动是原岩锆石溶解和变质锆石生长的基本原因, 因此变质锆石的生长可以用作熔 / 流体活动的指示剂 [4]. 不过, 变质前原岩中的锆石性质以及其中含 Zr 矿物的行为也是支配俯冲带变质过程中锆石生长和重结晶的重要因素. 参考文献 1 Xia Q X, Zheng Y F, Yuan H L, et al. Contrasting Lu-Hf and U-Th-Pb isotope systematics between metamorphic growth and recrystallization of zircon from eclogite-facies metagranites in the Dabie orogen, China. Lithos, 2009, 112: Xia Q X, Zheng Y F, Hu Z C. Trace elements in zircon and coexisting minerals from low-t/uhp metagranite in the Dabie orogen: Implications for action of supercritical fluid during continental subduction-zone metamorphism. Lithos, 2010, 114: Xia Q X, Zheng Y F, Chen Y X. Protolith control on fluid availability for zircon growth during continental subduction-zone metamorphism in the Dabie orogen. J Asian Earth Sci, 2013, 67-68: Zheng Y F. Fluid regime in continental subduction zones: Petrological insights from ultrahigh-pressure metamorphic rocks. J Geol Soc, 2009, 166: Chen R X, Zheng Y F, Xie L W. Metamorphic growth and recrystallization of zircon: Distinction by simultaneous in-situ analyses of trace elements, U-Th-Pb and Lu-Hf isotopes in zircon from eclogite-facies rocks in the Sulu orogen. Lithos, 2010, 114: Chen Y X, Zheng Y F, Chen R X, et al. Metamorphic growth and recrystallization of zircons in extremely 18 O-depleted rocks during eclogite-facies metamorphism: Evidence from U-Pb ages, trace elements, and O-Hf isotopes. Geochim Cosmochim Acta, 2011, 75: Li W C, Chen R X, Zheng Y F, et al. Zirconological tracing of transition between aqueous fluid and hydrous melt in the crust: Constraints from pegmatite vein and host gneiss in the Sulu orogen. Lithos, 2013, : Rubatto D. Zircon trace element geochemistry: Partitioning with garnet and the link between U-Pb ages and metamorphism. Chem Geol, 2002, 184: Chen Y X, Zheng Y F, Hu Z. Synexhumation anatexis of ultrahigh-pressure metamorphic rocks: Petrological evidence from granitic gneiss in the Sulu orogen. Lithos, 2013, : Liu F L, Robinson P L, Liu P H. Multistage partial melting events in the Sulu UHP terrane: Zircon U-Pb dating of granitic leucosomes within amphibolite and gneiss. J Metamorph Geol, 2012, 30: Liu F L, Robinson P T, Gerdes A, et al. Zircon U-Pb ages, REE concentrations and Hf isotope compositions of granitic leucosome and pegmatite from the north Sulu UHP terrane in China: Constraints on the timing and nature of partial melting. Lithos, 2010, 117: Chen R X, Zheng Y F, Hu Z C. Episodic fluid action during exhumation of deeply subducted continental crust: Geochemical constraints from zoisite-quartz vein and host metabasite in the Dabie orogen. Lithos, 2012, 155: 刘福来, 王舫, 刘平华. 北苏鲁威海地区伟晶岩的形成过程及其与超高压岩石深熔作用的成因关系. 地质学报, 2009, 83: Xu H J, Ye K, Song Y, et al. Prograde metamorphism, decompressional partial melting and subsequent melt fractional crystallization in the Weihai migmatitic gneisses, Sulu UHP terrane, eastern China. Chem Geol, 2013, 341: Zheng Y F, Gao X Y, Chen R X, et al. Zr-in-rutile thermometry of eclogite in the Dabie orogen: Constraints on rutile growth during continental subduction-zone metamorphism. J Asian Earth Sci, 2011, 40: Wu Y B, Gao S, Zhang H F, et al. U-Pb age, trace-element, and Hf-isotope compositions of zircon in a quartz vein from eclogite in the western Dabie Mountains: Constraints on fluid flow during early exhumation of ultrahigh-pressure rocks. Am Miner, 2009, 94:

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