1 期 张贵宾等 : 柴北缘超高压变质带 : 从大洋到大陆的深俯冲过程 29 压变质带是一个典型的大陆型俯冲 折返带, 主要包含大面积出露的花岗质片麻岩和锆石中含柯石英的副片麻岩 (Yang et al.,2001;song et al., 2003a), 少量出露的含柯石英榴辉岩 (Zhang G

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1 2012 年 3 月, 第 18 卷, 第 1 期,28-40 页 March 2012,Vol. 18, No.1, p 高校地质学报 Geological Journal of China Universities 柴北缘超高压变质带 : 从大洋到大陆的深俯冲过程 张贵宾, 张立飞, 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 摘要 : 柴北缘超高压变质带同我国大别 - 苏鲁造山带类似, 同属典型的大陆型俯冲碰撞带 柯石英在榴辉岩和片麻岩中均有发现, 且石榴橄榄岩锆石中含有金刚石 本文从岩石学 温压计算 地球化学和年代学四个方面, 对此带中的鱼卡 绿梁山 锡铁山和都兰 4 个榴辉岩和石榴橄榄岩出露地区近些年的研究进展进行了系统详细的综述 与典型的大陆型俯冲碰撞带不同, 柴北缘超高压变质带保存了早期陆壳俯冲前发生的洋壳深俯冲的证据 因此, 结合现有数据, 本文对柴北缘超高压变质带从大洋俯冲到大陆俯冲碰撞的构造演化模式进行了探讨 关键词 : 柴北缘超高压变质带 ; 洋壳俯冲 ; 大陆俯冲碰撞中图分类号 :P541 文献标识码 :A 文章编号 : (2012) An Overview of the Tectonic Evolution of North Qaidam UHPM Belt: from Oceanic Subduction to Continental Collision ZHANG Guibin, ZHANG Lifei, SONG Shuguang MOE Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing , China Abstract: The North Qaidam UHPM belt is a typical continental type subduction zone. Coesite inclusions were found from eclogite and country gneiss, and diamond inclusion from garnet peridotite. This paper is focused on the progress of petrology, thermobarometry, geochemistry and geochronology studies of Yuka, Luliangshan, Xitieshan and Dulan terranes in the North Qaidam UHPM belt. This belt is unique because subducted oceanic relics prior to the continental subduction and collision are well preserved, Combined with the published data, especially the two protolith sources for eclogites, we conclude that the North Qaidam UHPM belt experienced a tectonic evolution from an oceanic subduction to a continental collision. Key words: oceanic subduction; continental collision; North Qaidam UHPM belt First author: Zhang Guibin, Lecturer; gbzhang@pku.edu.cn 1 引言 造山带中的高压和超高压变质岩石记录了大陆俯冲和碰撞的动力学过程 前人的研究总结出阿尔卑斯型 (Alpine-type 或者 A-type) 和环太平洋型 (B-type) 两种俯冲带的类型 (Ernst,1988, 2001;Maruyama et al.,1996), 用以描述大洋和大陆岩石圈俯冲折返的过程 大洋俯冲 / 折返带中的岩石类型主要有蛇绿混杂岩, 岛弧杂岩以及低温 / 高压的变质岩组合, 而大陆俯冲 / 折返带主要为经历过超高压变质作用的花岗质片麻岩 变沉积岩和少量的榴辉岩及超基性岩 柴北缘超高 收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 973 项目 (2009CB825007); 国家自然科学基金资助项目 ( , ) 作者简介 : 张贵宾, 男,1979 年生, 讲师, 研究方向 : 岩石地球化学 ; gbzhang@pku.edu.cn

2 1 期 张贵宾等 : 柴北缘超高压变质带 : 从大洋到大陆的深俯冲过程 29 压变质带是一个典型的大陆型俯冲 折返带, 主要包含大面积出露的花岗质片麻岩和锆石中含柯石英的副片麻岩 (Yang et al.,2001;song et al., 2003a), 少量出露的含柯石英榴辉岩 (Zhang G B et al.,2009a,b;zhang J X et al., 2009a), 以及锆石中含金刚石的石榴橄榄岩 (Song et al., 2005) 到目前为止, 世界上所报道的被确认的超高压变质地体已有 20 多个 (Carswell and Compagnoni, 2003;Liou et al.,2004) 但这些超高压变质带中, 只有少数几个被认为是由洋壳物质发生深俯冲而形成的, 如 : 西阿尔卑斯的 Zermatt-Saas (Reinecke,1991;Bucher et al.,2005) 和我国的西天山 (Zhang L F et al.,2002a,b;2007; 2008; 张立飞等,2005) 而超高压变质带中的大多数榴辉岩和超基性岩石都形成于大陆型俯冲碰撞带中, 如中国大别 - 苏鲁造山带 (Jahn,1999) 和挪威的西片麻岩地区 (Carswell and Cuthbert, 2003) 在这些超高压变质带中岩石学和地球化学研究表明其岩石大多具有大陆地壳的性质 因此, 原地 成因的构造关系被用来解释大陆型俯冲带中的榴辉岩 超基性岩石和围岩片麻岩的关系, 它们被认为作为一个整体被俯冲下去, 并折返到地表 (Liou and Zhang,2002;Zheng et al., 2003) 自从柴北缘都兰地区泥质片麻岩锆石中发现柯石英 (Yang et al.,2001;song et al.,2003a) 以 后, 众多学者针对柴北缘超高压变质带的演化历史做了大量研究 与我国东部著名的大别 - 苏鲁大陆性俯冲碰撞带和西部天山大洋型俯冲碰撞带造山带不同, 柴北缘超高压变质带可能记录了从开始的大洋俯冲到之后的大陆俯冲再到最后碰撞的完整演化历史, 因此其具有独特的构造演化特点 本文中, 我们回顾十几年来有关柴北缘超高压变质带的研究进展, 并对其演化模式进行探讨 2 区域地质背景及研究进展 柴北缘超高压变质带位于我国西部的青海省境内, 青藏高原的东北缘, 沿柴达木盆地的北缘呈 NWW-SEE 走向展布 北侧是祁连地体, 南侧为柴达木地体, 东接秦岭造山带 ( 图 1), 其西端被阿尔金断裂所切 阿尔金断裂以西为阿尔金山的主体, 北临塔里木盆地 ; 其山体主要呈 NEE-SWW 走向 但研究表明, 阿尔金区域内的地质体构造线为近 EW 走向 柴北缘超高压变质带北部相距 300 km 处即为北祁连加里东期缝合带, 发育典型的蛇绿岩和低温高压变质岩组合 这样, 此区域内存在有两条平行的古俯冲缝合带 阿尔金区域的早古生代 HP/UHP 变质带和蛇绿岩带可以与柴北缘超高压带以及北祁连蛇绿岩带对应, 因此有学者认为它们是柴北缘和北祁连的西延部分, 属于早古生代的同一造山带, 被后来的阿尔金左行走滑断裂所分开 ( 许志琴等,1999) 但最近,Liu 等 (2009, Fig.1 图 1 柴北缘 阿尔金高压超高压变质带及相邻地区构造分区图 Map showing the geological setting and lithotectonic units in the North Qaidam-AltynTagh UHPM belt, China (after Song et al.,2003a)

3 30 高校地质学报 1 8 卷 1 期 2011) 根据基底 岩石类型 变形变质 以及两带中超高压岩石峰期和退变质时代等多方面工作, 提出了两者可能不构成同一超高压变质带的观点 如图 1 所示, 柴北缘超高压变质带自西向东主要出露于鱼卡 绿梁山 锡铁山和都兰 4 个区域 根据现有的研究资料来看, 在这几个区域中, 绿梁山区域内的岩石组合与其它 3 个区域有所差别, 它主要出露石榴橄榄岩和榴辉岩退变形成的高压麻粒岩 ; 而其它 3 个区域则以片麻岩和其中的榴辉岩为主 本文将从岩石学 温压计算 地球化学和年代学四个方面对这四个区域的研究进展进行综述 2.1 超高压变质作用证据柯石英包裹体首先发现于都兰北带泥质片麻岩的锆石中 (Yang et al.,2001;song et al., 2003a), 从而为柴北缘经历过超高压变质作用提供了确凿的矿物学证据 之后, 绿梁山石榴橄榄岩的锆石中又发现了金刚石 (Song et al. 2005) 但此带中的重要岩石类型 榴辉岩此前只有柯石英假象和绿辉石中的石英出溶的报道 (Song et al.,2003a) 直到最近, 柯石英包体在都兰和鱼卡榴辉岩薄片以及都兰榴辉岩锆石中被发现 (Zhang G B et al.,2009a,b;zhang J X et al.,2009a,2010b) 在都兰北带的榴辉岩中曾经报道过似 K-Cymrite 假象的包体 (Song et al., 2003a); 最近 Zhang R Y et al.,(2009) 进一步研究确认了此地区榴辉岩中 K-Cymrite 的存在 所有以上的这些证据表明柴北缘作为一个整体曾发生了深俯冲而经历过超高压变质作用 2.2 鱼卡地区 岩石学和温压计算此区域位于大柴旦镇西北方向约 4 0 k m 处, 它的北侧和西侧被第四系覆盖, 东侧和南侧以断层与奥陶纪火山岩接触 ( 图 2 ) 区内榴辉岩主要以透镜体的形式产于花岗质片麻岩 (Qtz+Pl+Kfs+Czo+Ms) 和泥质片麻岩 (Qtz+Phn+Grt+Ky+Pl+Rt) 中 (Zhang et al., 2004;Menold et al.,2009) 沿鱼卡河, 在长约 4 km 的剖面中有近 20 个规模不等的榴辉岩透镜体, 直径从 1 m 到 30 m 左右不等 透镜体中的榴辉岩大 部分较为新鲜, 但部分榴辉岩块体的边部已退变成石榴角闪岩或者斜长角闪岩 透镜体长轴方向同围岩片麻理方向一致 榴辉岩可分为两类, 粗粒和细粒榴辉岩 其中粗粒榴辉岩的主要矿物组合为 Grt+Omp+Phn+Qtz/Coe+ Rt, 细粒榴辉岩的矿物组合为 Grt+Omp+Phn+Ep+Qtz+Rt(Zhang G B et al.,2009a) 根据该区榴辉岩几个类似的 p -t 轨迹报道 (Zhang et al.,2005; 陈丹玲等,2005;Menold et al.,2007;zhang G B et al.,2009a) 榴辉岩经历了 3 个阶段变质演化历史 :(1) 石榴石核部矿物包体组合 (Amp+Pl+Qtz) 所记录的峰期前变质阶段 ( 粗粒榴辉岩 :p =0.8~1.0 GPa,t =450~560 ; 细粒榴辉岩 :p=1.0~1.2 GPa,t= 450~510 );(2) 由峰期矿物组合所记录的峰期变质阶段 ( 粗粒榴辉岩 :p = 3.01 GPa,t =652 ; 细粒榴辉岩 :p = 2.9~3.2 GPa,t=566~613 );(3) 石榴石冠状体以及绿辉石退变矿物组合 (Grt+Amp+Pl+Qtz) 所记录的退变质阶段 (p= 0.7~1.1 GPa,t =550~590 ) 柯石英包裹体和计算的 p-t 轨迹表明鱼卡榴辉岩曾经历约 100 km 的深俯冲和之后较低地温梯度 (6~7 /km) 的快速折返 (Zhang G B et al., 2009a) 对于花岗质片麻岩, 残留高压矿物包体及石榴石的生长所模拟出的 p-t 轨迹类似于榴辉岩, 峰期变质阶段的压力为 ~ 2.6 GPa, 非常接近石英 - 柯石英相变界限 (Menold et al.,2009) 而泥质片麻岩的峰期变质温压条件为 p = 2.3~3.1 GPa,t= 610~750, 其 p-t 轨迹同样与榴辉岩类似并认为榴辉岩和变质泥质岩具有一致的进变质和退变质演化轨迹 (Zhang et al.,2004) 地球化学和年代学鱼卡地区的榴辉岩被分为低 Ti, 中 Ti 和高 Ti 三种类型 稀土和微量元素显示, 高 Ti 和中 Ti 类型具有板内玄武岩和洋岛玄武岩的原岩特征, 而低 Ti 榴辉岩具有洋脊玄武岩的原岩特征 ( 杨经绥等,2003) 榴辉岩样品的全岩 Sm-Nd 同位素数据显示其 ε Nd 值大多为正值 ε Nd (0)=0.76~3.88, ε Nd (800 Ma)=3.62~4.64( 杨经绥等,2003; Zhang et al.,2005), 表明其原岩起源于亏损地幔, 可能来源于大洋环境 ( 杨经绥等,2003) 最近,Song 等 (2010) 根据 Ti/Y 比值将该区榴辉

4 1 期 张贵宾等 : 柴北缘超高压变质带 : 从大洋到大陆的深俯冲过程 31 Fig. 2 图 2 鱼卡地区地质简图 Geological sketch map of the Yuka terrane,north Qaidam UHPM belt,china(after Zhang G B et al.,2009a) 岩分为低 Ti 和高 Ti 两类 其中低 Ti 榴辉岩具有较低的 Ti 含量 (<2.5%) 和 Ti/Y 比值 (<500) 及较高的 Mg # (48%~55%), 而高 Ti 榴辉岩具有较高的 Ti 含量 (>2.5%) 和 Ti/Y 比值 (>500) 及较低的 Mg # (46%~52%); 对榴辉岩的 Nd 同位素分析得到了更宽范围的 ε Nd 值 (-5.34 ~4.64) 在榴辉岩的变质时代研究方面, 早期锆石 U-Pb TIMS 方法所得到的榴辉岩变质年龄为 488~495 Ma( 可能含有锆石核边的混合年龄 ); 运用 Ar-Ar 法对角闪石和多硅白云母测定的年龄为 466~477 Ma, 并解释成为 HP/UHP 岩石折返到相对浅的构造层次的时代 (Zhang et al.,2005) 而最近运用 LA-ICP-MS U-Pb 方法对榴辉岩和围岩的研究给出了更年轻的时代, 得出相同的约 430 Ma 的结果, 并认为是榴辉岩相的变质时代 ( 陈丹玲等,2007,Chen et al.,2009) 以上几个研究中同时得到榴辉岩的原岩时代老于 750 Ma 最近 Song 等 (2010) 获得了 ~850 Ma 的榴辉岩的原岩年龄和 ~433 Ma 的榴辉岩相变质年龄, 结合地球化学特征 提出鱼卡榴辉岩有可能为与 Rodinia 超大陆裂解相关的地幔柱作用下的大陆溢流玄武岩 2.3 绿梁山地区 岩石学和温压计算绿梁山位于大柴旦镇以南约 20km 处, 大部分地区被第四系覆盖, 且其西侧侵入有志留纪花岗岩 (Song et al.,2004)( 图 3) 岩石类型主要以花岗质片麻岩和含夕线石 ( 蓝晶石 ) 的副片麻岩为主, 橄榄岩作为一个大块体 (~500~800m) 出露于其中 ( 杨建军等,1994;Yang and Deng, 1994;Song et al.,2004,2005,2007) 橄榄岩呈层状, 可以识别出 4 种岩石类型 (Song et al., 2005,2007,2009a;Yang and Powell,2008): (1) 纯橄岩 (Ol+Spl±Opx);(2) 含石榴石纯橄岩和方辉橄榄岩 (Grt+Ol+Opx±Cpx);(3) 石榴石二辉橄榄岩 (Ol+Grt+Opx+Cpx±Cmt± Phl) 和 (4) 石榴辉石岩 (Grt+Opx+Cpx+Phl) 杨建军等 (1994) 报道的石榴二辉橄榄岩温压条件为 p =(2.5±0.3)GPa,t =(850±60)

5 32 高校地质学报 1 8 卷 1 期 Fig. 3 图 3 绿梁山地区地质简图 Geological sketch map of Luliangshan terrane, North Qaidam UHPM belt, China (after Song et al.,2004) 而温压计算和一些出溶结构确定其温压条件为 p=4.6~6.6 GPa,t=800~1000, 并认为其形成深度超过 200 km (Song et al.,2004;2005) 并且, 在石榴橄榄岩的锆石中还发现有金刚石包体 (Song et al.,2005) 而 Yang and Powell (2008) 运用 THERMOCALC 视剖面图方法计算出了较低的温压结果 (p=3.0~3.5 GPa,t= 700 ) 由此所计算出的 p-t 轨迹也明显不同, 并给出了不同的构造解释 (Yang and Powell,2008;Song et al., 2009a) 此外, 区内片麻岩中出露有基性麻粒岩, 矿物组合为 Grt+Cpx+Pl+Qtz±Rt, 温压条件为 :p=0.96~1.35 GPa,t=730~870 在基性麻粒岩的石榴子石包体中发现有绿辉石包体, 证明其早期经历了榴辉岩相变质作用 ( 张建新等,2007) 地球化学和年代学绿梁山区的橄榄岩保存了主量元素亏损的特征, 而富集不相容元素尤其是大离子亲石元素 (LILE) 这些岩石的 Nd 同位素特征 [ε Nd (460 Ma)=-0.5~-6.8] 也与其平坦到轻稀土富集的特征相一致 (Song et al.,2007) 因此,Song 等 (2007) 提出石榴橄榄岩 石榴辉石岩及纯橄岩所组成的这 一超基性岩石组合可能来自于上升地幔楔的熔体 最近的全岩 Re-Os 同位素研究表明, 这些橄榄岩可能来自于古老的岩石圈地幔 (Shi et al.,2010) 橄榄岩和辉石岩中的锆石 Hf 同位素也得出类似的解释, 即这些橄榄岩的原岩可能为被交代过的古老岩石圈地幔残片 (Xiong et al.,2011) 关于橄榄岩的变质时代, 石榴橄榄岩中的锆石 SHRIMP 定年结果表明, 其原岩的形成年龄为 (457±22) Ma, 超高压变质作用的时代为 (423 ±5) Ma, 并经历过 (397±6)Ma 的后期热事件叠加 (Song et al.,2005) 最近的研究获得了类似的橄榄岩变质年龄为 (429±2) Ma, 围岩片岩变质年龄 (430±5) Ma; 而 Hf 的亏损地幔模式年龄表明, 橄榄岩的原岩可能经历了中 - 新元古代时期的地幔交代作用 (Xiong et al.,2011) 基性麻粒岩的麻粒岩相锆石 SHRIMP 定年表明其变质时代为 421~454 Ma ( 张建新等,2007b) 2.4 锡铁山地区 岩石学和温压计算与绿梁山东部相距不远即为柴北缘超高压变质带中段的锡铁山地区 ( 图 4) 此区域的北侧

6 1 期 张贵宾等 : 柴北缘超高压变质带 : 从大洋到大陆的深俯冲过程 33 Fig. 4 图 4 锡铁山地区地质简图 ( 据张聪等,2009) Geological sketch map of Xitieshanterrane, North Qaidam UHPM belt, China 和东侧被第四系覆盖, 中部被志留纪花岗岩侵入 ( 孟繁聪等,2003); 东南部阿莫尼克山一带被泥盆系沉积岩不整合覆盖, 西侧逆冲到奥陶纪火山岩之上 区内的岩石类型主要有含夕线石 蓝晶石和石榴石的副片麻岩 (Qtz+Mu+Bt±Grt±Kfs ±Pl±Ky±Sill) 花岗质片麻岩(Qtz+Kfs+Pl+Bt ±Mu±Tur) 以及少量的大理岩和变基性 超基性岩 榴辉岩以几十厘米到数十米大小不等透镜体产于副片麻岩和正片麻岩中 相对于其它几个地区来说, 本区的榴辉岩多已退变, 仅在某些大块的退变石榴角闪岩透镜体核部有较新鲜残留 其峰期矿物组合为 Grt+Omp±Phn+Qtz+Rt ( 张聪等,2009;Zhang et al.,2011) 之前, 由于没有共生白云母的发现, 所以其峰期压力只得到了下限值 p>1.4 GPa,t= 770~830 ; 其后经历过麻粒岩相的叠加, 其温压条件为 p =1.0~1.4 GPa, t =750~865 (Zhang et al.,2005) 最近在榴辉岩中发现了残存的多硅白云母, 且绿辉石中 保留有柯石英假象 ; 计算出的峰期温压条件为 p=2.71~3.17 GPa,t=751~791, 并经历了角闪岩 相的退变 (p=1.4~1.6 GPa,t=610~660 )( 张聪 等,2009;Zhang G B et al.,2010) 地球化学和年代学 杨经绥等 (2003) 根据 Ti 含量的高低将此区 的榴辉岩划分为中 Ti 和低 Ti 两类, 稀土和微量元 素数据表明其具有洋中脊玄武岩 (N-MORB) 的特 征 ( 杨经绥等,2003; 孟繁聪等,2003) 榴辉 岩的全岩 Sm-Nd 同位素数据与鱼卡榴辉岩类似, 但变化范围较大 ; 其 ε Nd (0)=-0.25~10.98,ε Nd (800 Ma)=-0.48~9.20( 杨经绥等,2003; 孟繁 聪等,2003;Zhang et al.,2005) 因此它们的原 岩被认为可能形成于大洋环境, 并不同程度的受 到地壳物质的混染 榴辉岩的锆石 U-Pb TIMS 和 SHRIMP 定年获得 的榴辉岩峰期变质时代为 480~486 Ma; 并有少数 几个 750~800 Ma 的年龄值, 被解释为原岩年龄

7 34 高校地质学报 1 8 卷 1 期 退变质榴辉岩中的角闪石 Ar-Ar 年龄为 (409±1) Ma, 被解释为冷却年龄 (Zhang et al.,2005) 围岩含夕线石的副片麻岩 SHRIMP 定年结果为 (437~441)Ma, 解释为麻粒岩相叠加的时代 ( 孟繁聪等,2005) 最近,Zhang J X 等 (2009b) 运用 SHRIMP 方法对含石榴石 蓝晶石的片麻岩和变基性岩的定年获得了三组年龄 : 高压麻粒岩相叠加年龄 451~461 Ma; 低压麻粒岩相 - 角闪岩相叠加年龄 423~430 Ma; 晚期叠加年龄 409 Ma 对相同区域的榴辉岩, 最近的研究也得到了类似的结果, 但只有两组年龄 :(461±4) Ma 和 (439±8) Ma(Zhang et al.,2011) 宋述光等 (2011) 得到了相近的 (433±3) Ma 的年龄, 并解释为此区内的高压 / 超高压变质作用的时代 花岗质片麻岩的锆石 TIMS 方法定年结果表明, 其上交点年龄为 (952±13) Ma, 被解释为原岩岩浆结晶年龄 ; 下交点年龄为 (478±44) Ma, 被解释为早古生代变质年龄 ( 张建新等,2003) 2.5 都兰地区 岩石学和温压计算都兰地区位于柴北缘超高压变质带的最东端, 青海省都兰县城北东 40 km 的野马滩 沙柳河 一带 ( 图 5) 区内榴辉岩地体呈东西向沿沙柳河流域的南北两侧出露, 总面积大于 400 km 2 Yang and Deng(1994) 和张雪亭等 (1999) 在上世纪 90 年代对沙柳河与青藏公路的北端交汇处的榴辉岩进行了报道 根据榴辉岩的岩石 矿物组合及地球化学特征, 本区被划分为南北两带, 其界限大致以东西流向的沙柳河为界 ( 杨经绥等,2003; Song et al.,2003a,b) 之前这些研究所确定的南北两带的大体范围如下 ( 图 5 ): 北带出露面积较小, 其东部为野马滩第四纪沉积物所覆盖, 西部则被约 400 Ma 的花岗岩体所侵入 (Wu et al., 2004) 南带呈东西向被限定于两条逆冲断裂之间, 出露宽度大于 5 km, 向东延伸到青藏公路与沙柳河并行为界 ; 其出露面积远大于北带 榴辉岩地体的主要特征就是含有上述的两个变质特征不同的变质亚带, 并经历了不同的折返过程 (Song et al.,2003a; 宋述光等, 2007) 其中北带岩石的出露情况较好, 岩石之间的相互关系比较清楚 岩石类型主要包括榴辉岩 石榴辉石岩 蛇纹石化橄榄岩 花岗质片麻岩和富铝泥质片麻岩 榴辉岩的典型矿物组合为 :Grt+Omp+Phn+Rt 和 Grt+Omp+Ep+Ttn+Cal Fig. 5 图 5 都兰地区地质简图 Geological sketch map of the Dulanterrane, Noth Qaidam UHPM belt, China (after Song et al.,2003a)

8 1 期 张贵宾等 : 柴北缘超高压变质带 : 从大洋到大陆的深俯冲过程 35 (Arg), 石榴石和绿辉石中保存有超高压变质作用的痕迹, 柯石英假象, 石英出溶及透长石 + 石英的包裹体 ; 榴辉岩的峰期变质条件为 p =2.87~3.17 GPa,t =631~687 (Song et al., 2003a) 围岩中的石榴石蓝晶石云母片岩锆石中最早发现的柯石英包裹体提供了确凿的超高压变质作用证据 (Yang et al.,2001;song et al., 2003a) 此外, 在北带的超基性岩中发现了残留的 Grt+Ol+Opx+Cpx 组合 (Mattison et al.,2007) 南带中的榴辉岩同北带相比, 矿物组合上的差异主要是含蓝晶石, 且退变严重 其峰期变质条件为 :p=2.86~3.26 GPa,t=729~768 (Song et al., 2003a) 榴辉岩中在薄片尺度和单矿物锆石中均有柯石英报道 (Zhang J X et al.,2009, 2010) 两带中的榴辉岩经历了不同的折返轨迹, 北带榴辉岩经历了早期快速折返的过程 ; 而南带部分榴辉岩则经历过麻粒岩相的叠加, 折返速率较慢, 可能伴随有深熔作用 (Song et al.,2003a; 2009b) 该区近几年的另一个进展集中在沙柳河东侧区域的沙柳河蛇绿岩剖面 此剖面中可以识别出三类不同的榴辉岩 : 蓝晶石榴辉岩 ( K y - eclogite), 绿帘石榴辉岩 (Ep-eclogite) 和多硅白云母榴辉岩 (Phn-eclogite) 它们都以透镜体的形式产于花岗质和泥质片麻岩中, 或者以夹层的形式与大理岩互层 (Zhang G B et al.,2008, 2009b) 此外, 与榴辉岩共生有蛇纹石化橄榄岩和异剥钙榴岩 ( 张贵宾等,2005; 张贵宾和张立飞,2011) 三类榴辉岩和共生的橄榄岩构成了肢解的蛇绿岩组合 蓝晶石榴辉岩保存有柯石英包裹体, 而在基质绿辉石中也有柯石英假象的保存 岩相学研究发现, 蓝晶石榴辉岩经历了峰期前, 峰期和退变质三个阶段 :(1) 保存于石榴石核部的包裹体限定出其峰期前阶段的温压条件为 :p= 0.49~0.67 GPa,t=410~490 ;(2) 峰期矿物组合 Grt+Omp+Ky+Rt+Phn+Qtz 确定出其峰期温压条件为 p= 2.7~3.4 GPa,t=610~700 ;(3) 石榴石和绿辉石及蓝晶石的退变反应结构结合退变生成的石榴角闪岩确定出其退变质阶段的温压条件为 :p =0.7~1.0 GPa,t =630~720 ;(4) Ab+Chl+Ep+Act 矿物组合确定出其经历了绿片岩相 的晚期退变 多硅白云母榴辉岩的峰期温压条件 为 :p=2.7~2.9gpa,t=645~725, 退变质阶段所 确定出的温压条件为 :p=1.2~1.4gpa,t=610~670 p -t 轨迹反映它们的温压演化历史类似, 都 经历了相对快速冷俯冲和折返的动力学过程 蛇 纹石化橄榄岩的岩相学研究表明其为典型的尖晶 石相方辉橄榄岩, 主要矿物成分能够与现代大洋 和蛇绿岩底部地幔橄榄岩对比, 是经过高度部分 熔融 形成深度较浅的地幔方辉橄榄岩 ( 张贵宾 等,2005) 与蛇纹石化方辉橄榄岩共生的异剥 钙榴岩主要由钙铝榴石 透辉石 绿泥石 碳酸 盐及少量葡萄石和黝帘石组成 异剥钙榴岩通常 被认为是洋底变质作用的标志性产物 因此, 它 为此洋壳组合的确定提供了又一证据 ( 张贵宾和 张立飞,2011) 地球化学和年代学 地球化学研究表明, 北带榴辉岩的稀土和微 量元素特征类似于正常的和富集的大洋中脊玄武 岩 (N-MORB 和 E -MORB), 结合共生的超基性 岩可能构成似蛇绿岩组合 ; 而南带榴辉岩的稀 土和微量元素表现出岛弧的特征 (Song et al., 2003a) 榴辉岩的全岩 Sm-Nd 同位素数据如下, ε Nd (0)=-0.92~2.32,ε Nd (460Ma)=-0.8~1.7 (Song et al.,2003a; 杨经绥等,2003); 同样 表现出亏损地幔的特征 对于沙柳河蛇绿岩剖面 的岩石, 蓝晶石榴辉岩和绿帘石榴辉岩的原岩 可能是堆晶辉长岩, 前者继承了原岩的堆晶条 带 而多硅白云母榴辉岩的稀土和微量元素特征 表明其原岩具有 E -MORB 的特征 Sr-Nd 同位素 分析结果显示, 蓝晶石榴辉岩和绿帘石榴辉岩 一致的 ( 87 Sr/ 86 Sr) i 初始值 (0.703~0.704) 和 ε Nd (t) 值 (5.9~8.0), 而多硅白云母榴辉岩具有高 ( 87 Sr/ 86 Sr) i 初始值 (0.705~0.716) 和低 ε Nd (t ) 值 (1.4~4.1) 的特征 结合野外关系, 三类榴辉 岩与具有蛇绿岩型地幔橄榄岩特征的方辉橄榄岩 构成了地幔橄榄岩 - 堆晶岩 - 玄武质岩石的一个较 完整的蛇绿岩剖面 ( 张贵宾等,2005;Zhang G B et al.,2008,2009b) 年代学研究方面, 最初的 Sm-Nd 等时线年龄 和锆石 U-Pb 年龄结果表明, 两带榴辉岩的变质 时代为 (444~496) Ma(Song et al.,2003b)

9 36 高校地质学报 1 8 卷 1 期 Song 等 (2006) 对北带榴辉岩和围岩的详细锆石年代学研究得出榴辉岩的变质年龄为 (457± 10) Ma, 而围岩泥质片麻岩锆石中含柯石英局部微区的年龄为 (423±6)Ma, 两者之间有 30 Ma 的时代差 Mattison 等 (2006) 对同一个区域内的榴辉岩锆石进行的年代学研究认为榴辉岩相的变质时代持续了 20~30 Ma(422~450 Ma) 陈丹玲等 (2008,2009) 对副片麻岩的年代学研究表明其变质时代介于 421~458 Ma 之间, 与榴辉岩的变质时代一致, 从而认为它们经历了同一期变质事件, 也即它们有可能都为陆壳深俯冲的产物 以上的年代数据主要针对北带榴辉岩, 而南带榴辉岩早期的 Sm-Nd 等时线年龄为 (497±87) Ma (Song et al.,2003b) 最近, 含柯石英锆石的年龄分析表明其超高压变质的年龄为 430~446 Ma, 原岩约为 830 Ma(Zhang J X et al.,2010), 表明都兰地区存在有陆壳深俯冲成因的原岩年龄较老的榴辉岩 对于沙柳河蛇绿岩组合, 锆石 U-Pb 定年结果表明, 蓝晶石榴辉岩的原岩年龄为 (516±8) Ma, 变质年龄为 440~445 Ma 揭示在早奥陶纪前柴达木和祁连地块之间存在过洋壳 这一蛇绿岩组合可能是奥陶纪 志留纪间大陆深俯冲碰撞前的洋壳俯冲的残留, 它的俯冲是导致柴北缘大陆深俯冲的根本原因 (Zhang G B et al.,2008) 3 构造演化讨论 柴北缘超高压变质带的鱼卡榴辉岩, 都兰榴辉岩和副片麻岩中均已发现柯石英包裹体 ; 锡铁山地区的榴辉岩中保留有柯石英假象 ; 绿梁山石榴橄榄岩锆石中保存有金刚石 (Yang et al., 2001;Song et al.,2003a,2005;zhang G B et al., 2009a,b,Zhang J X,2009;2010) 这些确凿的超高压变质作用证据表明柴北缘作为整体曾经被俯冲到 80~100 km 的地幔深度 以下结合上述各地体研究进展探讨本区的构造演化模式 3.1 榴辉岩的两类源区与其他典型的大陆型俯冲碰撞带中的榴辉岩野外产状一样, 柴北缘的榴辉岩主要以透镜体的形式产出于片麻岩中 一些较大体积透镜体核部所保存的新鲜榴辉岩提供了其原岩信息 如上所 述的本区中的大量诸如主 微量元素和 Sr-Nd 同位素地球化学数据表明, 与大别 - 苏鲁超高压变质带中的榴辉岩不同, 本区中的部分榴辉岩具有洋壳榴辉岩的特征 ( 孟繁聪等,2003; 杨经绥等, 2003;Song et al.,2003b,2006;zhang G B et al., 2008;Song et al.,2010) 结合年代学数据可以划分出两类不同的榴辉岩原岩, 也即来自于两种构造背景下 新元古代大陆裂谷背景此类榴辉岩在柴北缘超高压变质带中广泛分布, 其特点是具有新元古代的原岩年龄 鱼卡 锡铁山和都兰部分榴辉岩的锆石继承有较老的岩浆核, 其原岩年龄老于 750 Ma, 而变质年龄为 430~450 Ma( 陈丹玲等,2007;Chen et al., 2009;Song et al.,2010; 宋述光等,2011;Zhang J X et al.,2005,2010) 榴辉岩的峰期变质年龄和其岩浆锆石年龄之间存在一个超过威尔逊旋回周期的时间差 因此, 这些榴辉岩原岩被认为可能形成于新元古代的裂谷环境中, 侵入就位到大陆地壳物质中 ( 陈丹玲等,2007;Chen et al., 2009;Zhang J X et al.,2005,2010) Song 等 (2010) 通过对鱼卡榴辉岩进行的地球化学和年代学表明, 它们的原岩有可能是来自于与 Rodinia 超大陆裂解有关地幔柱活动的产物, 类似于大陆溢流玄武岩, 时代集中于 850 Ma 左右 如图 6 所示, 鱼卡部分榴辉岩显示出强烈的富集地幔特征, 与沙柳河蛇绿岩剖面中的榴辉岩的明显来源于亏损地幔的特征截然不同 早古生代洋壳这类榴辉岩以沙柳河蛇绿岩剖面为典型 (Zhang G B et al.,2008,2009b) 如前所述, 沙柳河剖面中的三类榴辉岩和共生的蛇纹石化方辉橄榄岩构成了地幔橄榄岩 - 堆晶岩 - 玄武岩的较完整蛇绿岩组合 ; 且在橄榄岩中发现有洋壳岩石变质过程中所出现带有一定标志性岩石类型的异剥钙榴岩 其中的含柯石英变质堆晶辉长岩中的锆石年代学数据显示其原岩时代为 514 Ma, 变质时代为 450 Ma 这一岩石组合的确定说明早奥陶纪前的洋壳经历了奥陶纪 志留纪的深俯冲 3.2 构造演化模式已有一些研究对柴北缘的构造演化模式进行

10 1 期 张贵宾等 : 柴北缘超高压变质带 : 从大洋到大陆的深俯冲过程 37 数据来源 : 柴北缘, 孟凡聪等,2003;Song et al.,2003b,2010; 杨经绥等,2003;Zhang et al.,2008;chen et al.,2009;alpine Chain,Hercynian Belt 和大别 - 苏鲁,Jahn,1999; 西天山 : 张立飞等,2005;Zhang et al.,2007 图 6 柴北缘超高压变质带榴辉岩 Nd 同位素数据投图 Fig. 6 ε Nd (0)- 147 Sm/ 144 Nd plots for eclogites from the North Qaidam UHPM belt 了详细探讨 ( 详见综述文章 :Mattinson et al., 2007;Yin et al.,2007 和张建新等,2007) 柴北缘超高压变质带的西端被阿尔金左行走滑断裂所切 断裂西侧的南阿尔金高压超高压变质带与柴北缘超高压变质带的岩石组合类似, 因此通常认为它们原为一个整体, 被后来的阿尔金断裂约 400 km 走滑位移所错开 ( 许志琴等,1999) 此外, 探讨此带的构造演化模式还要考虑与其平行的另一条著名的缝合带 北祁连造山带 北祁连造山带出露有大面积的蛇绿混杂岩 低温 / 高压蓝片岩 榴辉岩和与俯冲相关的 I 型花岗岩 Yin 和 Harrison (2000) 提出了三个平行的北向俯冲带的模型, 自南向北包括柴北缘超高压变质带 中部党河缝合带和北祁连缝合带 Yang 等 (2002) 提出了双俯冲带的模型, 其中柴北缘和北祁连经历了近乎同时的平行北向俯冲和折返过程 Song 等 (2006) 将柴北缘和北祁连作为一个整体考虑发生了单一的北向俯冲, 认为柴北缘超高压变质带的岩石来自于中祁连岩石的长距离折返 Yin 等 (2007) 认为柴北缘的变质时代与区域的岛弧岩浆活动具有同时性, 提出了柴北缘的超高压变质岩石来自于早古生代祁连俯冲板片经过底辟的模式上升到现在的位置 综上, 尽管众多学者对柴北缘超高压变质带的构造演化进行了十几年的研究, 但对其俯冲带 极性等仍无定论 本文结合现有数据, 特别是两类来源榴辉岩的划分探讨柴北缘超高压变质带演化模式 ( 图 7) 1) 对于具有较老原岩的榴辉岩, 它们可能发育于与超大陆裂解有关的地幔柱作用 (Song et al.,2010), 或者来源于大陆裂谷或夭亡的初始洋盆 (Zhang et al.,2005;chen et al.,2009) 这些榴辉岩的原岩之后侵入就位到柴达木地块的大陆地壳物质中 ( 图 7 a) 2) 沙柳河蛇绿岩剖面的确定表明在柴达木和祁连地体之间存在过早古生代的大洋 ( 南祁连洋,Xu et al.,2006) 变质辉长岩锆石具有岩浆震荡生长环带特征的核部年龄范围为 480~544 Ma, 加权平均年龄为 (516±8) Ma; 为此洋壳的持续时间提供了时间限定 而此蛇绿岩组合的变质年龄约为 450 Ma, 表明 450 Ma 之前存在过持续的洋壳俯冲 本区都兰东北部的旺尕岛弧型辉长岩的时代为 468~522 Ma, 也为早古生代洋盆的存在提供了限定 ( 朱小辉等,2010) 此带西部的滩间山群的岛弧岩浆岩的形成时间约为 514 Ma, 说明有同时代的洋壳俯冲发生 (Shi et al.,2006) ( 图 7a) 洋壳中的部分橄榄岩由于发生蛇纹石化而使其自身密度明显下降, 有可能扮演了临近的较重榴辉岩在折返过程的携带者 (Hermann et al.,2000)

11 38 高校地质学报 1 8 卷 1 期 (a) 柴达木和祁连地体间存在的早古生代南祁连洋发生了大洋深俯冲, 并产生了同时代的岛弧岩浆作用 ;(b) 在先期洋壳俯冲的带动下, 柴达木陆壳发生深俯冲, 其中的新元古代侵入体也随同俯冲发生了超高压变质作用 ;(c) 折返过程中陆壳中的新元古代基性岩石所变质而成的 榴辉岩 -1 与洋壳变质而成的 榴辉岩 -2 混杂共生 (a) oceanic subduction (Paleozoic South Qilian Ocean) between Qaidam and Qilian blocks and the coeval island-arc magmatism; (b) Qaidam continental crust and the Neoproterozoic mafic rocks were subducted to mantle depth,triggered by the oceanic subduction pull ; (c) oceanic eclogite-2 coexisting with the continental eclogite-1 at the Earth surface after exhumation Fig. 7 图 7 柴北缘超高压变质带从大洋深俯冲到大陆深俯冲碰撞的构造演化模式图 Tecotonic model that involves an evolution from an oceanic subduction to a continental collision for the North Qaidam UHPM belt 3) 在密度较大的洋壳俯冲带动下, 紧随其后的柴达木地块的陆壳物质也发生了深俯冲 其中早期就位的元古代榴辉岩原岩与围岩以 原地 的关系作为一个整体被俯冲下去 (Zhang et al., 2004) ( 图 7b) 4) 随着洋壳的断离, 陆壳由于较小密度在浮力的作用下发生迅速折返 折返到地表后形成了我们现今所能观察到的新元古代基性岩变质生成的榴辉岩与早古生代洋壳变质而来的榴辉岩共生 的野外布局 ( 图 7c) 参考文献 (References): 陈丹玲, 孙勇, 刘良, 等 柴北缘鱼卡河榴辉岩的变质演化 石榴石成分环带及矿物反应结构的证据 [J]. 岩石学报, 21(4): 陈丹玲, 孙勇, 刘良 柴北缘鱼卡河榴辉岩围岩的变质时代及其地质意义 [J]. 地学前缘, 14(1): 陈丹玲, 孙勇, 刘良 柴北缘野马滩超高压榴辉岩中副片麻岩夹层的锆石 U-Pb 定年及其地质意义 [J]. 岩石学报,24(5): 陈丹玲, 孙勇, 刘良, 等 柴北缘野马滩超高压地体的成因

12 1 期 张贵宾等 : 柴北缘超高压变质带 : 从大洋到大陆的深俯冲过程 39 年代学研究结果的约束 [J]. 西北大学学报 ( 自然科学版 ), 39(4): 孟繁聪, 张建新, 杨经绥, 等 柴北缘锡铁山榴辉岩的地球化学特征 [J]. 岩石学报, 19(3): 孟繁聪, 张建新, 杨经绥, 等 柴北缘锡铁山早古生代 HP/UHP 变质作用后的构造热事件 花岗岩和片麻岩的同位素与岩石地球化学证据 [J]. 岩石学报, 21(1): 宋述光, Niu Y L, 张立飞 榴辉岩的两种变质演化轨迹和俯冲大陆地壳的差异折返 以柴北缘都兰超高压地体为例 [J]. 高校地质学报, 13(3): 宋述光, 张聪, 李献华, 等 柴北缘超高压带中锡铁山榴辉岩的变质时代 [J]. 岩石学报, 27(4): 许志琴, 杨经绥, 张建新, 等 阿尔金断裂两侧构造单元的对比及岩石圈剪切机制 [J]. 地质学报, 73(3): 杨建军, 朱红, 邓晋福, 等 柴达木北缘石榴石橄榄岩的发现及其意义 [J]. 岩石矿物学杂志, 13(2): 杨经绥, 张建新, 孟繁聪, 等 中国西部柴北缘 阿尔金的超高压变质榴辉岩及其原岩性质探讨 [J]. 地学前缘, 10(3): 张聪, 张立飞, 张贵宾 柴北缘锡铁山一带榴辉岩的岩石学特征及其退变 PT 轨迹 [J]. 岩石学报, 25(9): 张贵宾, 宋述光, 张立飞, 等 柴北缘超高压变质带沙柳河蛇绿岩型地幔橄榄岩的发现及其意义 [J]. 岩石学报, 21(4): 张贵宾, 张立飞 柴北缘沙柳河地区洋壳超高压变质单元中的异剥钙榴岩的发现及其地质意义 [J]. 地学前缘, 18(2): 张建新, 万渝生, 孟繁聪, 等 柴北缘夹片麻岩 ( 片岩 ) 地球化学 Sm-Nd 和 U-Pb 同位素研究 深俯冲的前寒武变质基底 [J]. 岩石学报, 19(3): 张建新, 孟繁聪, 于胜尧, 等 柴北缘绿梁山高压基性麻粒岩的变质演化历史 : 岩石学及锆石 SHRIMP 年代学证据 [J]. 地学前缘, 14: 张立飞, 艾永亮, 李强, 等 新疆西南天山超高压变质带的形成与演化 [J]. 岩石学报, 21(4): 张雪亭, 吕惠庆, 陈正兴, 等 柴北缘造山带沙柳河地区榴辉岩相高压变质岩石的发现及初步研究 [J]. 青海地质, 2: 朱小辉, 陈丹玲, 刘良, 等 柴达木盆地北缘都兰地区旺尕秀辉长杂岩的锆石 LA-ICP-MS U-Pb 年龄及地质意义 [J]. 地质通报,29(2-3): Buch er K, Fazis Y, De Capitani C, et al Blueschists, eclogites, and decompression assemblages of the Zermatt-Saasophiolite: High-pressure metamorphism of subducted Tethys lithosphere [J]. 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