大別超高壓變質帶榴輝巖中金紅石SHRIMP原位U—Pb定年及其年代學意義

侯晨陽+楊天水+石玉若

摘要：對大別超高壓變質帶榴輝巖中金紅石進行了SHRIMP原位U-Pb定年，得到金紅石U-Pb年齡為（219±4）Ma， 與前人利用TIMS方法獲得的金紅石年齡結果在誤差范圍內是一致的，驗證了金紅石用于SHRIMP原位U-Pb定年的可行性。通過對比發現，不同賦存狀態的金紅石U-Pb年齡無明顯差別。根據本次測得的年齡數據，結合前人的研究成果，金河橋榴輝巖中金紅石的U-Pb年齡為冷卻年齡，代表了大別超高壓變質帶構造折返階段的時代。

關鍵詞：年代學；榴輝巖；金紅石；SHRIMP；U-Pb年齡；封閉溫度；大別超高壓變質帶

中圖分類號：P597 文獻標志碼：A

Abstract： In-situ SHRIMP U-Pb dating of rutile in eclogite from Dabie ultra-high pressure （UHP） metamorphic belt was studied. The U-Pb age of rutile obtained is （219±4）Ma， consistent with the previous TIMS results of rutiles within the error range. This consistence points to the feasibility of in-situ SHRIMP U-Pb dating of rutile. The dating results indicate no obvious differences for the U-Pb ages of rutiles from different occurrences. Taking together with the previous dating results， it is suggested that the U-Pb age of rutile in Jinheqiao eclogite is the cooling age， representing the tectonic exhumation time of Dabie UHP metamorphic belt.

Key words： geochronology； eclogite； rutile； SHRIMP； U-Pb age； closure temperature； Dabie UHP metamorphic belt

0 引 言

隨著大別—蘇魯地區榴輝巖中標志性超高壓礦物（柯石英和金剛石）的相繼發現[1-5]，以及在榴輝巖圍巖中特別是各種類型正片麻巖和副片麻巖鋯石中柯石英包體的普遍發現[6-10]，證明了榴輝巖及其圍巖的原巖曾經發生過深俯沖并經歷了超高壓變質作用。經超高壓變質作用而形成的超高壓變質巖（包括榴輝巖、硬玉石英巖及超高壓片麻巖等）形成于100 km以上的深度，但現今已出露地表，說明超高壓變質巖一定經歷了快速的抬升折返過程[11]。準確限定抬升折返階段的時代對于重塑大別超高壓變質帶的快速俯沖-折返的動力學模式有重要的科學意義。

金紅石是陸殼巖石中一種常見的副礦物，其主要化學成分為TiO2。在自然界中，金紅石以副礦物形式廣泛存在于各級變質巖中。金紅石在成巖、風化和各種不同程度的變質過程中均能保持極大的穩定性[12]，其作為穩定的重礦物相保存了大量的地質作用信息，如變質溫度、變質壓力、冷卻年齡和源巖性質等[13]。金紅石中能夠容納一定量的U，部分U含量較高的樣品可用于Pb-Pb和U-Pb定年[14-17]。早期的金紅石U-Pb年代學研究主要是利用同位素稀釋-熱電離質譜法（ID-TIMS）[18-20]，該方法的優點在于精度很高，但是對樣品的消耗量大，流程繁瑣，而且當樣品經歷了復雜的生成過程時，使用該方法獲得的年齡可能會是毫無意義的混合年齡。近年來，二次離子探針質譜法（SIMS）已成功應用于金紅石的U-Pb年代學研究中[21-22]。目前，金紅石的U-Pb定年一般用于限定變質巖的冷卻歷史和超高壓變質巖折返速率的研究[17，19，22-28]。

本文主要對采自大別超高壓變質帶的金河橋榴輝巖中金紅石進行SHRIMP原位U-Pb定年，并對其年代學意義進行探討。

1 地質背景及樣品采集

大別—蘇魯超高壓變質帶是由華北板塊與揚子板塊碰撞而形成的，被郯廬斷裂所切錯分成大別（西部）和蘇魯（東部）超高壓變質帶兩部分（圖1）[29]。其中，大別超高壓變質帶在東部以郯廬斷裂為界，向西延伸至桐柏—秦嶺造山帶。Wang等把大別超高壓變質帶進一步劃分為北大別地體和南大別地體[30]。在南大別榴輝巖中已經發現了柯石英和金剛石等標志性超高壓礦物[1，4-5，30]，在榴輝巖的圍巖片麻巖鋯石中也已識別出柯石英包體，這表明南大別榴輝巖及其圍巖的原巖均發生了深俯沖并經歷了超高壓變質作用[6，10]。

本次用于研究的榴輝巖樣品采自安徽省太湖縣花涼亭水庫東北部的金河橋地區（30°30′59.9″N， 116°15′56″E），構造位置處于南大別超高壓變質帶的南端，屬于超高壓榴輝巖（圖2）。金河橋榴輝巖為粗粒結構，條帶狀構造，紅色石榴石、綠色綠輝石以及白色石英互為條帶[圖3（a）]，副礦物有金紅石、角閃石、鋯石、磷灰石、白云母、柯石英等。通過對樣品進行鏡下觀察，發現一部分金紅石以包體的形式存在于石榴石內部，其余金紅石則存在于石榴石及其他礦物顆粒之間或完全被其他礦物包裹[圖3（b）]。

2 分析方法

選取新鮮的榴輝巖樣品，清洗干凈后將其破碎成毫米級的巖石顆粒，然后在顯微鏡下挑選出含金紅石較多且金紅石顆粒較大的巖石顆粒，制成符合SHRIMP測試要求的標準樣品靶。

李秋立等利用ID-TIMS方法獲得金河橋榴輝巖中金紅石U-Pb年齡為（218±1）Ma，并根據文獻[35]提出的封閉溫度方程和文獻[14]給出的參數條件計算出金紅石的U-Pb體系封閉溫度為（470±50）℃[19]。這一結果與Li等在大別超高壓變質帶雙河地區獲得的榴輝巖中多硅白云母的Rb-Sr年齡結果（（219±5）Ma）和U-Pb體系封閉溫度（500 ℃）[36]相一致。陳振宇等計算得到金河橋榴輝巖中金紅石的Zr溫度為595 ℃～678 ℃，并指出該溫度要高于金紅石U-Pb年齡所對應的封閉溫度[37]。Liu等對采自大別地區的2件榴輝巖樣品和1件正片麻巖樣品退變鋯石微區進行了SHRIMP U-Pb定年，獲得的年齡為（220±1）Ma，并將該年齡結果解釋為大別地體構造折返至石英穩定域的退變質年齡[38]。劉福來等對大別超高壓變質帶雙河地區榴輝巖鋯石進行了SHRIMP U-Pb定年，獲得了（216±6）Ma的退變質年齡[39]。此外，已有的鋯石年齡數據顯示，大別超高壓變質帶的峰期變質時代在230 Ma左右[39-41]。在前人研究成果的基礎上，結合本次金紅石SHRIMP U-Pb定年結果，金河橋榴輝巖中金紅石的U-Pb年齡（（219±4）Ma）應為超高壓榴輝巖的冷卻年齡，代表了大別超高壓變質帶在超高壓峰期變質后構造折返事件的時代。

4 結 語

通過對大別超高壓變質帶金河橋榴輝巖中金紅石進行SHRIMP原位U-Pb定年，測得金紅石U-Pb年齡為（219±4）Ma，榴輝巖中不同賦存狀態的金紅石U-Pb年齡未發現存在明顯的差異。本次獲得的金紅石U-Pb年齡為超高壓榴輝巖的冷卻年齡，代表了大別超高壓變質帶構造折返階段的時代。

中國地質科學院地質研究所李琳琳參加了野外采樣，車曉超在樣品制備和儀器調試方面給予了幫助，李秋立研究員提供了金紅石標樣，在此一并表示感謝。

參考文獻：

References：

[1] OKAY A I，XU S T，SENGOR A M C.Coesite from the Dabieshan Eclogites，Central China[J].European Journal of Mineralogy，1989，1：595-598.

[2] WANG X M，LIOU J G，MARUYAMA S.Coesite-bearing Eclogite from the Dabie Mountains in Central China[J].Geology，1989，17：1085-1088.

[3] HIRAJIMA T，ISHIWATAR A，GONGB，et al.Coesite from Mengzhong Eclogite at Donghai Country，Northern Jiangsu Province，China[J].Mineralogical Magazine，1990，54（3）：579-583.

[4] XU S T，SU W，LIU Y C，et al.Diamond from the Dabieshan Metamorphic Rocks and Its Implication for Tectonic Setting[J].Science，1992，256：80-82.

[5] XU S T，LIU Y C，CHEN G B，et al.Microdiamonds，Their Classification and Tectonic Implications for the Host Eclogites from the Dabie and Su-Lu Regions in Central Eastern China[J].Mineralogical Magazine，2005，69（4）：509-520.

[6] TABATA H，YAMAUCHI K，MARUYAMA S，et al.Tracing the Extent of a UHP Metamorphic Terrane：Mineral-inclusion Study of Zircons in Gneisses from the Dabieshan[M]∥HACKER B R，LIOU J G.When Continents Collide：Geodynamics and Geochemistry of Ultrahigh-pressure Rocks.Berlin：Springer，1998：261-273.

[7] YE K，YAO Y P，KATAYAMA I，et al.Large Areal Extental of Ultrahigh-pressure Metamorphism in the Sulu Ultrahigh-pressure Terrane of East China：New Implications from Coesite and Omphacite Inclusions in Zircon of Granitic Gneiss[J].Lithos，2000，52（1/2/3/4）：157-164.

[8] LIU F L，XU Z Q，KATAYAMA I，et al.Mineral Inclusions in Zircons of Para- and Orthogneiss from Pre-pilot Drillhole CCSD-PP1，Chinese Continental Scientific Drilling Project[J].Lithos，2001，59（4）：199-215.

[9] LIU F L，XU Z Q，LIOU J G，et al.Ultrahigh-pressure Mineral Inclusions in Zircons from Gneissic Core Samples of the Chinese Continental Scientific Drilling Site in Eastern China[J].European Journal of Mineralogy，2002，14（3）：499-512.

[10] LIU J B，YE K，MARUYAMA S，et al.Mineral Inclusions in Zircon from Gneisses in the Ultrahigh-pressure Zone of the Dabie Mountains，China[J].Journal of Geology，2001，109（4）：523-535.

[11] 李曙光，李秋立，侯振輝，等.大別山超高壓變質巖的冷卻史及折返機制[J].巖石學報，2005，21（4）：1117-1124.

LI Shu-guang，LI Qiu-li，HOU Zhen-hui，et al.Cooling History of and Exhumation Mechanism of the Ultrahigh-pressure Metamorphic Rocks in the Dabie Mountains，Central China[J].Acta Petrologica Sinica，2005，21（4）：1117-1124.

[12] 肖益林，黃 建，劉 磊，等.金紅石：重要的地球化學“信息庫”[J].巖石學報，2011，27（2）：398-416.

XIAO Yi-lin，HUANG Jian，LIU Lei，et al.Rutile：An Important “Reservoir” for Geochemical Information[J].Acta Petrologica Sinica，2011，27（2）：398-416.

[13] 劉 磊.大別—蘇魯地區金紅石地球化學研究[D].合肥：中國科學技術大學，2013.

LIU Lei.Geochemistry of Rutile from Dabie-Sulu UHPM Belt[D].Hefei：University of Science and Technology of China，2013.

[14] MEZGER K，HANSON G N，BOHLEN S R.High-precision U-Pb Ages of Metamorphic Rutiles：Application to the Cooling History of High-grade Terranes[J].Earth and Planetary Science Letters，1989，96（1/2）：106-118.

[15] MEZGER K，RAWNSLEY C M，BOHLEN S R，et al.U-Pb Garnet，Sphene，Monazite，and Rutile Ages：Implications for the Duration of High-grade Metamorphism and Cooling Histories，Adirondack Mts.，New York[J].Journal of Geology，1991，99（3）：415-428.

[16] MOLLER A，MEZGER K，SCHENK V.U-Pb Dating of Metamorphic Minerals：Pan-African Metamorphism and Prolonged Slow Cooling of High Pressure Granulites in Tanzania，East Africa[J].Precambrian Research，2000，104（3/4）：123-146.

[17] VRY J K，BAKER J A.LA-MC-ICPMS Pb-Pb Dating of Rutile from Slowly Cooled Granulites：Confirmation of the High Closure Temperature for Pb Diffusion in Rutile[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2006，70（7）：1807-1820.

[18] WONG L，DAVIS D W，KROGH T E，et al.U-Pb Zircon and Rutile Chronology of Archean Greenstone Formation and Gold Mineralization in the Val dOr Region，Quebec[J].Earth and Planetary Science Letters，1991，104（2/3/4）：325-336.

[19] 李秋立，李曙光，周紅英，等.超高壓榴輝巖中金紅石U-Pb年齡：快速冷卻的證據[J].科學通報，2001，46（19）：1655-1658.

LI Qiu-li，LI Shu-guang，ZHOU Hong-ying，et al.U-Pb Age of Rutiles in UHP Eclogite：Evidence of Rapid Cooling[J].Chinese Science Bulletin，2001，46（19）：1655-1658.

[20] HIRDES W，DAVIS D W.U-Pb Zircon and Rutile Metamorphic Ages of Dahomeyan Garnet-hornblende Gneiss in Southeastern Ghana，West Africa[J].Journal of African Earth Sciences，2002，35（3）：445-449.

[21] LI Q L，LIN W，SU W，et al.SIMS U-Pb Rutile Age of Low-temperature Eclogites from Southwestern Chinese Tianshan，NW China[J].Lithos，2011，122（1/2）：76-86.

[22] SHI G H，LI X H，LI Q L，et al.Ion Microprobe U-Pb Age and Zr-in-rutile Thermometry of Rutiles from the Daixian Rutile Deposit in the Hengshan Mountains，Shanxi Province，China[J].Economic Geology，2012，107（3）：525-535.

[23] 梁金龍，孫曉明，徐 莉，等.CCSD超高壓變質金紅石U-Pb定年及其約束意義[J].巖石學報，2007，23（12）：3275-3279.

LIANG Jin-long，SUN Xiao-ming，XU Li，et al.U-Pb Dating and Its Constraints on Genesis of Rutiles from UHP Metamorphic Rocks from CCSD[J].Acta Petrologica Sinica，2007，23（12）：3275-3279.

[24] 周紅英，李惠民.金紅石U-Pb同位素稀釋法定年技術的改進[J].巖石礦物學雜志，2008，27（1）：77-80.

ZHOU Hong-ying，LI Hui-min.The Improvement of the Rutile Isotope Dilution U-Pb Dating Methodology[J].Acta Petrologica et Mineralogica，2008，27（1）：77-80.

[25] 周紅英，李惠民.U-Pb同位素定年技術及其地質應用潛力[J].地質調查與研究，2011，34（1）：63-70.

ZHOU Hong-ying，LI Hui-min.U-Pb Isotope Dating Technique and Potential Prospects for Applying in Geology[J].Geological Survery and Research，2011，34（1）：63-70.

[26] KOOIJMAN E，MEZGER K，BERNDT J.Constraints on the U-Pb Systematics of Metamorphic Rutile from In-situ LA-ICP-MS Analysis[J].Earth and Planetary Science Letters，2010，293（3/4）：321-330.

[27] ZACK T，STOCKLI D F，LUVIZOTTO G L，et al.In-situ U-Pb Rutile Dating by LA-ICP-MS：208Pb Correction and Prospects for Geological Applications[J].Contributions to Mineralogy and Petrology，2011，162（3）：515-530.

[28] 熊伯琴，許文良，李秋立，等.徐淮地區早白堊世Adakitic巖石中榴輝巖類捕虜體中金紅石的SIMS U-Pb定年：對華北克拉通東部陸殼加厚時間的制約[J].中國科學： 地球科學，2015，45（5）：553-560.

XIONG Bo-qin，XU Wen-liang，LI Qiu-li，et al.SIMS U-Pb Dating of Rutile Within Eclogitic Xenoliths in the Early Cretaceous Adakitic Rocks of the Xuzhou-Huaibei Area，China：Constraints on the Timing of Crustal Thickening of the Eastern North China Craton[J].Science China：Earth Sciences，2015，45（5）：553-560.

[29] 許志琴，張澤明，劉福來，等.蘇魯高壓—超高壓變質帶的折返構造及折返機制[J].地質學報，2003，77（4）：433-450.

XU Zhi-qin，ZHANG Ze-ming，LIU Fu-lai，et al.Exhumation Structure and Mechanism of the Sulu Ultrahigh-pressure Metamorphic Belt，Central China[J].Acta Geologica Sinica，2003，77（4）：433-450.

[30] WANG X M，LIOU J G，MARUYAMA S，et al.Coesite-bearing Eclogites from the Dabie Mountains，Central China：Petrogenesis，P-T Paths，and Implications for Regional Tectonics[J].Journal of Geology，1992，100（2）：231-250.

[31] 鄭永飛.超高壓變質與大陸碰撞研究進展：以大別-蘇魯造山帶為例[J].科學通報，2008，53（18）：2129-2152.

ZHENG Yong-fei.Advances on the Study of Ultra-high Pressure Metamorphism and Continental Collision：Take the Dabie-Sulu Orogen for Example[J].Chinese Science Bulletin，2008，53（18）：2129-2152.

[32] 石永紅，王清晨.大別山金河橋榴輝巖的精細P-T軌跡與多階段折返[J].巖石學報，2006，22（12）：2850-2860.

SHI Yong-hong，WANG Qing-chen.Precise P-T Path and Multi-stage Exhumation of the Jinheqiao Eclogite，Dabie Mountains，China[J].Acta Petrologica Sinica，2006，22（12）：2850-2860.

[33] 周紅英，李懷坤，崔玉榮，等.金紅石U-Pb同位素定年技術研究[J].地質學報，2013，87（9）：1439-1446.

ZHOU Hong-ying，LI Huai-kun，CUI Yu-rong，et al.Rutile U-Pb Isotopic Dating Methodology[J].Acta Geologica Sinica，2013，87（9）：1439-1446.

[34] 李秋立，楊亞楠，石永紅，等.榴輝巖中金紅石U-Pb定年：對大陸碰撞造山帶形成和演化的制約[J].科學通報，2013，58（23）：2279-2284.

LI Qiu-li，YANG Ya-nan，SHI Yong-hong，et al.Eclogite Rutile U-Pb Dating：Constraint for Formation and Evolution of Continental Collisional Orogen[J].Chinese Science Bulletin，2013，58（23）：2279-2284.

[35] DODSON M H.Closure Temperature in Cooling Geochronological and Petrological Systems[J].Contributions to Mineralogy and Petrology，1973，40（3）：259-274.

[36] LI S G，JAGOUTZ E，CHEN Y Z，et al.Sm-Nd and Rb-Sr Isotopic Chronology and Cooling History of Ultrahigh Pressure Metamorphic Rocks and Their Country Rocks at Shuanghe in the Dabie Mountains，Central China[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2000，64（6）：1077-1093.

[37] 陳振宇，李秋立.大別山金河橋榴輝巖中金紅石Zr溫度計及其意義[J].科學通報，2007，52（22）：2638-2645.

CHEN Zhen-yu，LI Qiu-li.Zr in Rutile Thermometer and Its Significance in Jinheqiao，Dabie Mountains[J].Chinese Science Bulletin，2007，52（22）：2638-2645.

[38] LIU D Y，JIAN P，KRONER A，et al.Dating of Prograde Metamorphic Events Deciphered from Episodic Zircon Growth in Rocks of the Dabie-Sulu UHP Complex，China[J].Earth and Planetary Science Letters，2006，250（3/4）：650-666.

[39] 劉福來，薛懷民，許志琴，等.大別超高壓變質帶的進變質、超高壓和退變質時代的準確限定：以雙河大理巖中榴輝巖鋯石SHRIMP U-Pb定年為例[J].巖石學報，2006，22（7）：1761-1778.

LIU Fu-lai，XUE Huai-min，XU Zhi-qin，et al.SHRIMP U-Pb Zircon Dating from Eclogite Lens in Marble，Shuanghe Area，Dabie UHP Terrane：Restriction on the Prograde，UHP and Retrograde Metamorphic Ages[J].Acta Petrologica Sinica，2006，22（7）：1761-1778.

[40] 劉福來，薛懷民.蘇魯—大別超高壓巖石中鋯石SHRIMP U-Pb定年研究：綜述和最新進展[J].巖石學報，2007，23（11）：2737-2756.

LIU Fu-lai，XUE Huai-min.Review and Prospect of SHRIMP U-Pb Dating on Zircons from Sulu-Dabie UHP Metamorphic Rocks[J].Acta Petrologica Sinica，2007，23（11）：2737-2756.

[41] 夏 斌，蔡周榮，張玉泉，等.大別山岳西縣石關混合巖鋯石SHRIMP定年及其地質意義[J].地質學報，2010，84（2）：206-210.

XIA Bin，CAI Zhou-rong，ZHANG Yu-quan，et al.SHRIMP U-Pb Dating of Migmatite in Shiguan of Yuexi County，Dabie Mountains and Its Geological Significance[J].Acta Geologica Sinica，2010，84（2）：206-210.