北淮陽變質單元中“淺變質”帶
——佛子嶺群主期變質條件和碎屑鋯石年代學探究*

趙俊先 石永紅 唐虎 李秋立 侯振輝 周甜

1. 合肥工業大學資源與環境工程學院, 合肥 2300092. 中國科學院地質與地球物理研究所, 北京 1000293. 中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 1000494. 中國科學技術大學, 合肥 230009

自二十世紀八十年代末至今, 大別碰撞造山帶的研究, 無論是在變質巖石學、巖石地球化學、年代學和構造地質學, 還是在大別造山帶俯沖-折返機制等方面的研究均取得了很大成果, 由此極大地豐富和推動了大陸深俯沖的理論研究(Okayetal., 1989, 1993; Wangetal., 1989, 1990; Xuetal., 1992; Cong, 1996; Carswelletal., 1997; Faureetal., 1999, 2003; Zheng, 2008, 2012, 2016; Linetal., 2015; Jietal., 2017)。目前,大別碰撞造山帶突出的研究成果和熱點主要集中于高壓-超高壓變質塊體,對其演化和形成機制研究極為成熟。然而,作為一個完整的造山帶而言,對于該造山帶淺、中層次變質作用的研究則略顯不足,由此也影響了人們對大別碰撞造山帶由淺、中至深層次俯沖-折返全過程的系統理解。就大別碰撞造山帶而言,淺層次的變質單元主要是位于該造山帶最北緣的北淮陽變質單元。該單元由盧鎮關群和佛子嶺群兩部分構成(安徽省地質礦產局, 1987; Zhengetal., 2005; Zheng, 2008, 2012; 圖1)。對于盧鎮關群的認識目前較為統一,普遍認為其為花崗片麻巖或變質變形侵入體,原巖結晶年齡為～750Ma (Chenetal., 2003; Zhengetal., 2004, 2007; Wuetal., 2007)。而對于佛子嶺群的研究則顯得較為薄弱,有關其變質屬性、時限和構造歸屬,以及在大別碰撞造山帶形成過程中間的作用缺乏相應的研究。

佛子嶺群各類巖石由于礦物顆粒細小,“層理”發育,出露和連續性較好,故一直被視為“淺”變質的沉積地層(張祖還, 1957; 鄭文武, 1964; 楊志堅, 1964)。安徽省地質礦產局(1987)則綜合前人資料和變質巖相學分析,定性判定佛子嶺群僅經歷了綠片巖相變質,且該認識一直為后期研究者所遵循。而在變質年齡方面,則僅限于有限的白云母40Ar-39Ar分析 (牛寶貴等, 1994; Faureetal., 2003; 林偉等, 2005; Ratschbacheretal., 2006),大致將其主期變質時限確定在270～260Ma范圍。至于佛子嶺群的構造歸屬、動力學機制及其在華北和揚子板塊碰撞俯沖過程的作用則存在較大的分歧。目前主要有三種不同的認識：① Okayetal. (1993)和周建波等(2001)從沉積大地構造角度認為佛子嶺群為揚子板塊北緣被動陸緣沉積物,以“加積楔”形式產出于揚子和華北板塊之間,屬于低級變質產物；② Faureetal. (1999, 2003)和林偉等 (2005)根據構造幾何學和運動學分析,認為佛子嶺群卷入了較深層次的俯沖-折返過程,暗示其經歷了中高級變質作用；③ Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)則依據碎屑鋯石年齡分析,認為其為揚子和華北板塊之間的一個獨立微陸塊,并未經歷俯沖-折返,為低級變質塊體。然而,仔細比較分析可以看出,①和③的研究是基于佛子嶺群為“淺”變質體這一共識(張祖還, 1957; 楊志堅, 1964; 鄭文武, 1964; 安徽省地質礦產局,1987)來進行的,認為其既未涉及大別碰撞造山帶的俯沖-折返事件,也沒有經歷中-高級變質作用。而②則僅是根據構造解析認為佛子嶺群卷入了較深層次的俯沖-折返過程,并結合同位素年代學相關的礦物封閉溫度推測其經歷了較高級的變質,其本身缺乏嚴謹而精確定量的變質巖石學分析數據的支持。此外,王勇生等 (2012)對北淮陽變質單元中盧鎮關群的主期變質P-T條件分析顯示,該單元經歷了高壓榴輝巖相變質作用(圖1),這也暗示了與其緊密共生的佛子嶺群可能也經歷了更高級變質,并非為“淺”變質產物。由此不難看出,佛子嶺群變質巖石學的精確定量分析十分關鍵和重要,是解疑上述爭論的重要途徑之一,也是完備大別山深俯沖造山帶形成全過程和機制的重要補充。

為此,本次研究通過區域變質巖石學、熱力學和年代學的詳細研究,精確判定了佛子嶺群主期變質條件和原巖形成時限,揭示其普遍經歷了中-高級變質,并卷入了大別碰撞造山帶較深層次的俯沖-折返過程。

1 研究區地質概況和樣品介紹

北淮陽淺變質單元位于大別造山帶北部,整體呈WNW-ESE向展布。其北界為合肥盆地所覆蓋,向西止于南陽盆地,南為曉天-磨子潭斷裂所限,東被郯廬斷裂帶切割(Zhengetal., 2005, 2008; 圖1)。其中該單元的盧鎮關群主體分布于毛坦廠-磨子潭以東地區,而佛子嶺群則主要沿蘇仙石-金寨-油店-諸佛庵-佛子嶺-毛坦廠一線分布(圖1)。

圖1 研究區地質簡圖及分析樣品圖Fig.1 Simplified geologic map and sample locations in the study area

結合前人資料和我們近幾年的野外調查,佛子嶺群主體由云母石英片巖、石英云母片巖、大理巖和少量石榴云母片巖構成,并相間產出。巖石產狀變化較大,面理主體傾向北,傾角20°～70°之間,線理則以低緩傾角產出,傾伏向近東西,傾伏角在5°～10°左右,巖石基本以單斜層形式產出,其間發育大量的層間褶皺。

本次研究共實測兩條剖面：①磨子潭-牛角沖; ②諸佛庵-蘇家埠(圖1) 。采集樣品共78塊,用于分析的樣品總計10塊,分別為樣品HS1、HS2、HD24、HD25、HD26、HD27和HS3、HS5、HS6、HD33 (圖1),其中樣品HS1、HD27為石榴云母片巖,其余為石英云母片巖和云母石英片巖。由于這些樣品礦物組合較為充分,利于溫壓評價,故本次研究主要針對該類巖石展開細致分析。礦物縮寫據Whitney and Evans (2010),具體為Pl=plagioclase；Grt=garnet；Bt=biotite；Ms=muscovite；Qz=quartz；Tur=tourmalin；Rt=rutile；Ep=epidote；Aln=allanite；Ilm=ilmenite。

2 主要巖石類型巖相學特征

石榴云母片巖 共計采集兩塊樣品(HS1、HD27),均采自牛角沖,兩者相距約15m (圖2a)，均以單斜層形式產出,與云母石英片巖和石英云母片巖相間整合產出(圖2a),礦物組合基本相同。主要礦物有石榴子石(3%～5%)+斜長石(10%～15%)+黑云母(15%～20%)+白云母(5%～10%)+綠簾石(3%～5%)+石英(50%～55%)+金紅石(0%～1%)+電氣石(1%)(圖2b, c)。其中石榴子石呈半自形-自形,粒徑0.25～1mm,內部含有大量早期礦物包體石英、金紅石和磁鐵礦；斜長石呈他形,粒徑0.1～0.2mm；石英多為他形,粒徑0.1～2mm；白云母半自形-自形,粒徑0.3～1.0mm；黑云母呈半自形-自形,粒徑0.2～0.8mm,沿解理縫或邊緣常常被綠泥石所替代；綠簾石為他形-半自形,粒徑0.1～0.3mm,內部含褐簾石包體；金紅石呈他形細小顆粒,粒徑～0.1mm,常常被鈦鐵礦所替代；電氣石呈半自形,粒徑0.1～0.2mm。

石英云母片巖 呈單斜層產出(樣品HS5),單層厚度約1～30 cm,常與云母石英片巖相間產出(圖2d),其主要組成礦物為斜長石(3%～5%)+石英(35%～40%)+白云母(40%～45%)+黑云母(5%～10%)+綠簾石(3%)+金紅石(2%)(圖2e)。斜長石呈他形,粒徑0.1～0.3mm,糙面顯著；石英呈他形,粒徑0.1～1.5mm；白云母半自形-自形,粒徑0.2～1.2mm；黑云母呈半自形-自形,粒徑0.1～0.6mm,可見綠泥石化；綠簾石為他形-半自形,粒徑0.05～0.2mm,內部含褐簾石包體；金紅石呈他形,顆粒細小；電氣石呈半自形,粒徑0.1～0.2mm。

圖2 佛子嶺群中石榴云母片巖、石英云母片巖和云母石英片巖野外及顯微照片(a)石榴云母片巖(樣品HS1、HD27)野外照片; (b、c)石榴云母片巖(樣品HS1、HD27)顯微照片; (d、e)石英云母片巖(樣品HS5)野外和顯微照片; (f、g)云母石英片巖(樣品HS6)野外和顯微照片Fig.2 Field photos and micrographs for the garnet mica schists, quartz-mica schists and mica-quartz schists from the Foziling Group(a) the field photos of the garnet-mica schists (Sample HS1, HD27)；(b, c) the micrographs for the garnet mica schists (Sample HS1, HD27); (d, e) the field photo and micrograph for the quartz-mica schist (Sample HS5), respectively; (f, g) the field photo and micrograph for the mica-quartz schist (Sample HS6), respectively

云母石英片巖 該巖石是佛子嶺群主體,單層厚度約20～50cm(圖2f)(樣品HS6)，組成礦物有斜長石(5%～10%)+石英(65%～70%)+白云母(10%～15%)+黑云母(5%～10%)+綠簾石(3%)+金紅石(2%)(圖2g)。斜長石呈他形,粒徑0.1～0.5mm,表面常糟化；石英呈他形,粒徑0.1～1.1mm；白云母半自形-自形,粒徑0.1～1mm；黑云母呈半自形-自形,粒徑0.1～0.3mm,沿解理縫常形成綠泥石；綠簾石呈他形,粒徑0.1～0.3mm,具褐簾石包體；金紅石呈他形,顆粒細小,粒徑～0.1mm,常被鈦鐵礦替代。

3 主要礦物化學成分分析

本次礦物化學成分測試分析由合肥工業大學資源與環境工程學院電子探針(EPMA)實驗室完成,儀器型號為JEOL JXA-8230,工作條件為加速電壓15kV,電子束流20nA,束斑尺寸為5μm。代表性礦物化學分析成分見表1和表2。

表1石榴云母片巖中代表性礦物化學成分(wt%)

Table 1 Geochemical compositions (wt%) of the representative minerals from the garnet mica schists

樣品號HS1HD27礦物GrtBtPlMsGrtBtPlMsSiO236.7938.2763.5046.0536.7337.6364.5246.30TiO20.021.760.040.620.101.560.000.30Al2O320.8017.6123.2432.4820.5017.2622.7831.04Cr2O30.000.040.000.010.000.000.000.00FeO24.4715.020.043.2021.7115.180.113.51MnO11.230.060.000.0114.420.040.000.01MgO3.1213.440.001.102.6213.820.001.55CaO3.490.003.830.024.070.013.450.00Na2O0.020.239.001.290.030.189.230.98K2O0.009.350.109.200.009.020.059.73Total99.9396.1799.7594.00100.1894.69100.1493.42O12118111211811Si2.952.822.813.132.952.812.843.18Al1.971.531.212.601.941.521.182.51Fe3+0.130.000.000.000.150.000.000.00Ti0.000.100.000.030.010.090.000.02Fe2+1.520.930.000.181.310.950.000.20Cr0.000.000.000.000.000.000.000.00Mg0.371.480.000.110.311.540.000.16Mn0.760.000.000.000.980.000.000.00Ca0.300.000.180.000.350.000.160.00Na0.000.030.770.170.000.030.790.13K0.000.880.010.800.000.850.000.85Sum8.007.774.987.028.007.794.977.05

表2云母石英片巖和石英云母片巖中代表性礦物化學成分(wt%)

Table 2 Geochemical compositions (wt%) of the representative minerals from the mica-quartz schist quartz and mica schist

樣品號HS2HS3HS5HS6HD24HD25HD26HD33HS2HS3HS5HS6HD24HD25HD26HD33礦物黑云母白云母SiO237.2138.4537.8936.9037.7537.5638.1437.4146.6546.0345.7345.2646.8246.5847.4545.92TiO21.911.532.792.901.881.672.181.750.520.940.951.120.500.730.801.14Al2O315.6517.2816.3416.5316.3915.6016.8616.8429.8031.2129.4429.5230.5128.9828.3830.92Cr2O30.020.060.040.040.000.020.080.000.070.030.100.400.040.080.260.00FeO16.5312.1915.6216.7317.4417.4613.9514.013.233.614.544.773.343.814.133.46MnO0.060.400.460.700.090.240.090.820.000.040.030.040.000.000.000.13

續表2

Continued Table 2

樣品號HS2HS3HS5HS6HD24HD25HD26HD33HS2HS3HS5HS6HD24HD25HD26HD33礦物黑云母白云母MgO12.3015.2012.0511.7612.0912.4214.4413.911.781.181.421.281.841.761.901.14CaO0.000.130.040.000.010.000.220.000.010.030.010.120.000.010.010.00Na2O0.020.240.140.050.120.080.110.081.010.170.080.090.730.820.160.15K2O9.969.6110.459.869.908.628.709.0310.1010.2610.6610.3210.3010.319.9310.26Total94.4895.2495.9995.4895.8594.0595.1594.0793.1793.5093.2293.1194.2693.0893.1893.14O11Si2.852.832.832.782.842.872.822.823.223.163.193.163.203.233.283.16Al1.411.501.441.471.451.401.471.492.422.522.422.432.452.362.312.51Fe3+0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.050.000.000.000.000.000.00Ti0.110.090.130.160.110.100.120.100.030.050.050.060.030.040.040.06Fe2+1.060.750.981.061.101.110.860.880.190.210.270.280.190.220.240.20Cr0.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.010.020.000.010.010.00Mg1.411.671.341.321.351.411.591.560.180.120.150.130.190.180.200.12Mn0.000.030.030.050.010.020.010.050.000.000.000.000.000.000.000.01Ca0.000.010.000.000.000.000.020.000.000.000.000.010.000.000.000.00Na0.000.030.020.010.020.010.020.010.140.020.010.010.100.110.020.02K0.970.901.000.950.950.840.820.870.890.900.950.920.900.910.870.90Sum7.817.817.777.807.837.767.737.787.077.037.057.027.067.066.976.98

注：Bt-Ti適用范圍及成分限定:T=450～800℃,P=0.1～1.9GPa; XFe=0.19～0.55, XMg=0.23～0.67, XTi=0.02～0.14. Ms-Ti適用范圍及成分限定:T=450～800℃,P=0.1～1.4GPa: Ti=0.01～0.07, Fe=0.03～0.16, Mg=0.01～0.32, Mg/(Mg+Fe)=0.05～0.73

3.1 石榴云母片巖

(1)石榴子石：在X-ray Mapping圖中表現為較弱的成分變化(圖3a),而在成分剖面中則表現為較明顯的核邊結構(圖3b),由核部至邊部XFe和XMg逐漸升高,分別由0.45和0.09增加至0.55和0.12，XCa由0.33下降至0.23，XMn則呈平緩變化趨勢,總體顯示了一個進變質成分環帶特征。

(2)斜長石：在X-ray Mapping圖和成分剖面中(圖3c, d),均展現了均一性特征,無環帶結構。由核部至邊部,Ab、An和Or變化范圍分別為79.40～81.50、18.10～20.10和0.20～0.70。

(4)白云母：在BSE圖和成分剖面中(圖3g, h),顯示均勻變化特征,其中AlVl=1.71～1.79、Ti=0.03～0.04和Fe=0.17～0.19。

3.2 云母石英片巖

(2)白云母：其無環帶結構,顯示了均勻變化特征(圖4c, d),成分呈平緩線型,其中AlVl=1.65～1.72、Fe=0.16～0.21、Mg=0.10～0.16和Mg/(Mg+Fe)=0.36～0.44。

3.3 石英云母片巖

(2)白云母：該礦物在BSE圖和成分剖面圖(圖4g, h),同樣表現為均勻特征,無成分環帶,其中AlVl=1.58～1.62、Fe=0.26～0.30、Mg=0.13～0.15和Mg/(Mg+Fe)=0.31～0.35。

4 佛子嶺群主期變質P-T條件估算

綜合巖相學和礦物化學分析,石榴云母片巖具完整的石榴子石+斜長石+黑云母+白云母+石英礦物組合,云母石英片巖和石英云母片巖礦物組合相對單一。因此,本文對前者應用Holdaway (2000)的Grt-Bt溫度計(GB)和Wuetal. (2004)的Grt-Bt-Pl-Qz壓力計(GBPQ),以及Wu and Zhao (2006)的Grt-Ms溫度計(GM)和Grt-Ms-Pl-Qz壓力計(GMPQ)對石榴云母片巖進行聯合求解。而對于后兩類巖石則應用Wuetal. (2015a)的Bt-Ti溫度計和Wuetal.(2015b)的Ms-Ti溫度計進行主期溫度評價。在P-T估算成分選取方面,根據礦物成分剖面分析(圖3),石榴云母片巖的石榴石取其邊部的成分進行計算(圖3a, b),該石榴石顯示了進變質的環帶特征,邊部應代表了主期變質成分。斜長石、黑云母和白云母則顯示平坦變化趨勢,成分均勻(圖3c-h和表1),故選取核部或近邊緣部分。云母石英片巖和石英云母片巖中的黑云母和白云母同樣具有均勻的成分特征(圖4a-h),其成分選取也在核部或近邊緣部分(表2)。同時,為保證計算的統計性,每個樣品選取15～25個礦物對進行計算,詳細結果見表3。

圖3 石榴云母片巖中主要礦物的X-Ray Mapping、BSE圖和成分剖面圖(a、b)石榴石X-Ray Mapping和成分剖面; (c、d)斜長石X-Ray Mapping和成分剖面; (e、f)黑云母X-Ray Mapping和成分剖面; (g、h)白云母BSE圖像和成分剖面Fig.3 X-ray mapping, BSE images and compositional profiles for the main minerals in the garnet-mica schist(a, b) the X-ray mapping and compositional profile of garnet, respectively; (c, d) the X-ray mapping and compositional profile of plagioclase, respectively; (e, f) the X-ray mapping and compositional profile of biotite, respectively; (g, h) the BSE images and compositional profile of muscovite, respectively

表3佛子嶺群主期變質P(℃)-T(GPa)條件

Table 3 The mainP(℃)-T(GPa) conditions for the Foziling Group

巖石石榴云母片巖樣品T-GBP-GBPQT-GMP-GMPQ礦物對數HS16160.936701.0225誤差50.04120.04HD276210.967001.1415誤差50.05140.05巖石石英云母片巖和云母石英片巖樣品T-Bt-0.6T-Bt-0.9T-Bt-1.2T-Ms-0.6T-Ms-0.9T-Ms-1.2礦物對數HS253656058657758559015HS352655157664565365916HS560262965867168068615HS659862665567868669315HD2453455958457858559015HD2552855257758959760218HD2656158761464565365915HD3355257760467568469016

注：GB=Holdaway (2000)的Grt-Bt溫度計；GBPQ=Wuetal. (2004)的Grt-Bt-Pl-Qz壓力計(GBPQ)；GM和GMPQ = Wu and Zhao (2006)的Grt-Ms溫度計(GM)和Grt-Ms-Pl-Qz 壓力計(GMPQ).T-Bt-0.6、0.9、1.2=在壓力設定為0.6、0.9、1.2時,應用Wu and Chen (2015a) Bt-Ti溫度計的計算的值;T-Ms-0.6、0.9、1.2=在壓力設定為0.6、0.9、1.2時,應用Wu and Chen (2015b) Ms-Ti溫度計的計算的值

圖4 石英云母片巖和云母石英片巖中黑云母、白云母BSE圖和成分剖面圖(a、b)石英云母片巖中黑云母BSE圖像和成分剖面; (c、d)石英云母片巖中白云母BSE圖像和成分剖面; (e、f)云母石英片巖中黑云母BSE圖像和成分剖面; (g、h)云母石英片巖中白云母BSE圖像和成分剖面Fig.4 BSE images and compositional profiles for biotite and muscovite in quartz-mica schist and mica-quartz schist(a, b) the BSE images and compositional profile of biotite from the quartz-mica schist, respectively; (c, d) the BSE images and compositional profile of muscovite in the quartz-mica schist, respectively; (e, f) the BSE images and compositional profile of biotite in the mica-quartz schist; (g, h) the BSE images and compositional profile of muscovite in the mica-quartz schist

此外,根據Wuetal. (2004, 2006, 2015a, b) 的闡述,這些溫度壓力計具有成分和適用的溫壓范圍的限定(見表1和2備注)。為此,本文將所有參與溫壓評價的礦物分析數據進行了投圖分析(圖5)。當應用GBPQ時,石榴石、斜長石和黑云母成分均符合計算要求(圖5a-d)。而應用GMPQ時,除斜長石外,石榴石和白云母的成分則超出了成分要求,其中石榴石的XFe均<0.53,白云母的Fe2+均>0.17(圖5a, b, e, f)。就Bt-Ti和Ms-Ti溫度計而言,黑云母的成分則完全符合限定要求(圖5c, d),白云母成分則基本不符合限定要求(圖5e, f)。但為便于比較和相互印證,本次研究應用了這些溫壓計進行了主期P-T條件評價。

4.1 石榴云母片巖主期變質P-T條件

4.2 云母石英片巖和石英云母片巖主期溫度

這兩類巖石為佛子嶺群主體,但如前述因其礦物組合并不充分,僅含有適用于溫度估算的黑云母和白云母,故本次研究應用Bt-Ti和Ms-Ti溫度計進行主期溫度評價。在溫度估算時,根據Wu and Chen (2015a, b)的闡述,將壓力設定在0.3～1.4GPa范圍,并每間隔0.3GPa計算一個溫度值。從表3和圖7可以看出,Bt-Ti的溫度普遍低于Ms-Ti的溫度。當壓力設定在0.3GPa至0.9GPa范圍時,無論應用何種溫度計,所有的樣品的主期溫度均位于角閃巖相范疇。而當壓力設定在0.9GPa至1.4GPa范圍時,這些樣品溫度主體進入角閃巖相,部分為綠簾角閃巖相、角閃石榴輝巖亞相范圍,變化范圍較大。然而,考慮到石榴云母片巖與云母石英片巖、石英云母片巖緊密共生(圖2a),以及這些巖石并未出現榴輝巖相特征礦物這一事實(圖2b, c, e, g),云母石英片巖和石英云母片巖并未達到角閃石榴輝巖亞相變質范疇,即壓力應當小于1.1GPa。進一步參照GB & GBPQ和GM & GMPQ 對石榴云母片巖主期變質P-T條件計算結果(圖6和表3),可以將壓力限定在0.9～1.1GPa,作為保守的估計,本文將其壓力標定在0.9GPa。據此,進一步通過比較可以看出,當應用Bt-Ti時,這兩類片巖主期溫度在534～645℃范圍；而當應用Ms-Ti時,主期溫度則在570～712℃范圍,其中前者普遍比后者偏低約60℃。

圖5 石榴云母片巖、石英云母片巖和云母石英片巖樣品主要礦物成分圖解(a)石榴石成分三角圖; (b)斜長石成分三角圖; (c、d)黑云母XFe-XTi和XMg-XTi比值圖; (e、f)白云母Fe-Ti和Mg-Ti比值圖Fig.5 The composition plots for main minerals in the garnet-mica schists, quartz-mica schists and mica-quartz schists(a) the composition triangular plot for garnet；(b) the composition triangular plot for plagioclase；(c, d) the ratio plots of XFe vs. XTi and XMg vs. XTi for biotite; (e, f) the ratio plots of Fe vs. Ti and Mg vs. Ti for muscovite

圖6 石榴云母片巖主期變質P-T條件圖Fig.6 The main metamorphic P-T conditions for the garnet-mica schists

從主期變質P-T條件來看(圖6、圖7和表3),GB & GBPQ和GM & GMPQ,以及Bt-Ti和Ms-Ti計算的溫度壓力條件,均顯示佛子嶺群經歷了角閃巖相變質特征。然而,參照Wuetal. (2004, 2006, 2015a, b) 的溫壓計的范圍和成分限定,正如前述,GB & GBPQ和Bt-Ti溫壓計符合限制要求,其給出的主期變質P-T條件可能更為合適。據此,本文根據估算溫度值和分析樣品的空間分布位置(圖1),構建了一條橫切佛子嶺群溫度剖面。從圖8可以看出,當壓力為0.9GPa時,佛子嶺群主期變質溫度在534～645℃范圍,這表明該變質單元普遍經歷了中-高壓角閃巖相變質。

5 鋯石U-Pb年代學研究

本次鋯石U-Pb定年主要是針對石榴云母片巖(樣品HS1)進行。鋯石單礦物挑選由河北省廊坊市峰澤源巖礦檢測技術有限公司完成。鋯石制靶由合肥工業大學資源與環境工程學院LA-ICP-MS潔凈實驗室完成。鋯石陰極發光(CL)圖由合肥工業大學資源與環境工程學院電子探針(EPMA)實驗室完成,儀器型號JEOL XM-Z09013TPCL,測試電壓為700V,探針電流為5nA。鋯石U-Pb同位素定年測試由中國科學技術大學激光剝蝕電感耦合等離子質譜(LA-ICP-MS)實驗室完成,實驗以He作為剝蝕載氣,質普儀為Agilent7700s。剝蝕束斑直徑為32μm,剝蝕方式為單點剝蝕,剝蝕時間為90s,背景時間為19s,每測試4個點,測一次標準鋯石91500。測試以標準鋯石91500為年齡計算外標,元素29Si作內標。數據處理采用中國科學技術大學開發的LaDating@Zrn軟件,普通鉛校正應用ComPbCorr進行,諧和圖和鋯石年齡直方圖的繪制使用Isoplot3.23完成。本次測試對年齡值的選擇使用以1000Ma為界：≤1000Ma采用206Pb/238U同位素年齡>1000Ma采用207Pb/206Pb同位素年齡。

對56顆鋯石進行分析測定,獲得了62個數據,其中45個為諧和年齡。巖相學觀測顯示,這些鋯石多為無色透明或半透明,略帶淡黃色,晶形呈短柱狀或渾圓狀,粒徑為50～120μm,長寬比為1:1～3:1。陰極發光圖像則顯示,這些鋯石多具振蕩環帶、無分帶和弱分帶結構,部分鋯石具白色亮邊(圖9a-h)。根據年齡數值可以看出(圖9i, j和表4),鋯石年齡較為寬泛,范圍在3101±48～413±9Ma,顯示出碎屑鋯石特征。鋯石Th含量為12.74×10-6～796.4×10-6,U含量為14.75×10-6～1048×10-6,除兩顆鋯石外,其余鋯石Th/U比值均大于0.1 (表4和圖9k)。

根據本次測試的年齡數據(圖9i, j),并結合前人的研究和背景分析(Lietal., 2001; Chenetal., 2003; Zhengetal., 2004, 2007; Liuetal., 2005; Zhaoetal., 2012; Zhuetal., 2017; 圖1),這些數據可分為5組：①組鋯石：共14個數據點,年齡范圍為3101±48Ma～1794±79Ma,Th/U為0.24～1.30。除3101±48Ma、2191±63Ma、1811±77Ma和1794±79Ma四個數據外,其余數據則較為集中,峰值年齡為2537Ma (圖9l)；②組鋯石：有6個數據點,范圍為1699±57Ma～1444±60Ma,Th/U比值為0.33～1.02。該組數據較為集中,峰值年齡為1567Ma (圖9l)；③組鋯石：共11個數據點,年齡范圍為1089±74Ma～904±19Ma,除2顆年齡數值為944±20Ma和936±19Ma鋯石的Th/U<0.1外,其余鋯石Th/U為0.11～0.52。該組數據也較為集中,峰值年齡為940Ma (圖9l)；④組鋯石：9個數據點,年齡范圍為891±19Ma～602±14Ma,Th/U為0.14～1.25,峰值年齡為749Ma (圖9l)；⑤組鋯石：共計5個數據點,Th/U=0.38～0.86,年齡范圍為474±16Ma～413±9Ma,峰值年齡為440Ma (圖9l)。

圖7 云母石英片巖和石英云母片巖主期溫度Fig.7 The main metamorphic temperature for the mica-quartz and quartz-mica schists

圖8 佛子嶺群溫度-地理位置圖Fig.8 The temperature-geography plot across the Foziling Group

6 佛子嶺群的原巖屬性及其形成的溫壓條件、時限及構造歸屬探討

6.1 佛子嶺群的原巖屬性

由于佛子嶺群一直被視為“淺”變質沉積巖(張祖還, 1957; 鄭文武, 1964; 楊志堅, 1964; 安徽省地質礦產局,1987)。因此,在揚子板塊和華北板塊碰撞過程中,其通常被作為加積楔或未經歷俯沖的沉積蓋層(Okayetal., 1993; 周建波等, 2001; Chenetal., 2003; Zhuetal., 2017)。盡管,Faureetal. (1999, 2003)和林偉等(2005)通過構造解析認為其經歷了較深層次的俯沖、折返,但變質巖石學的研究并未給予充分的支撐。

長期以來,佛子嶺群之所以被作為“淺”變質沉積巖,可能的原因：(1)沉積“現象”的困擾。佛子嶺群主體巖性為細粒云母石英片巖和石英云母片巖,互層產出,總體表現出沉積“韻律”特征(圖2d, f),加之巖石礦物顆粒細小,具體礦物構成和結構不易清晰觀測。野外觀測往往認為其保留了較好的“沉積巖石”特征,進而判定其未經歷高級變質；(2)變質巖石學研究不充分。早先研究由于條件所限,對該單元各類變質巖多是定性的判定,缺乏定量礦物化學和特征性礦物的分析,影響了變質級別的精確判別；(3)熱力學評價不充分。

6.2 佛子嶺群形成的溫壓條件

由于佛子嶺群特征性巖石和變質礦物組合的缺乏,加之早期地質溫壓計的不充分,對其精確的主期變質P-T條件估算并沒有較為確實的認定。例如,陳躍志等(1995)和石永紅等(2014)進行了簡單的定量評價,但由于溫壓計選用的不明確和適用范圍的不合適,他們給出了截然相反的認識(圖6)。

本次研究選取GB & GBPQ、GM & GMPQ、Bt-Ti 和Ms-Ti溫壓計,均適用于佛子嶺群的石榴云母片巖和云母片巖P、T條件估計(Wuetal., 2004, 2006, 2015a, b)。同時,對各類巖石主要礦物進行了精細的礦物成分剖面分析,確保了主期變質成分選擇(圖3和圖4),并對每個樣品選取了多個礦物對進行評價,保證了統計上的意義。通過比較,由GB & GBPQ和Bt-Ti評價的結果較為合適。因此,根據此次熱力學評價,佛子嶺群主期變質P-T條件在610～620℃和0.9～1.0GPa范圍,再結合區域變質巖石學和野外地質剖面分析(圖8),其應普遍達到了中-高壓角閃巖相變質范疇(圖6)。當然,由于此次研究的特征性巖石——石榴云母片巖發育較少,對該P、T條件能否代表佛子嶺群普遍經歷中-高壓角閃巖相變質作用仍需進一步求證。然而,考慮到本次對區域上出露的各類云母片巖的溫度評價(圖7和圖8),并結合石榴云母片巖主期變質壓力限定,佛子嶺群應處于中-高壓變質條件。這是因為各類云母片巖與石榴云母片巖緊密共生(圖2a),其間沒有任何構造并置作用現象,暗示兩者應經歷相同的俯沖、折返作用。同時,Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)對佛子嶺群中云母片巖的碎屑鋯石研究顯示(圖1),該類巖石形成于400～450Ma,與本次確定石的榴云母片巖原巖時限一致(圖9j和表4)。換言之,在大別碰撞造山帶形成過程中,這些片巖應當經歷了共同的變質和構造過程。進一步地,從所處的構造單元來看,佛子嶺群屬于北淮陽變質單元的一部分,與盧鎮關群緊密共生,而王勇生等(2012)研究表明盧鎮關群經歷了角閃巖相,局部達到高壓榴輝巖相變質,佐證了佛子嶺群也可能經歷較高級的變質。此外,Faureetal. (2003)和林偉等(2005)從構造地質學角度,確認佛子嶺群卷入了較深層次俯沖-折返過程,相應地其變質程度較高。因此,綜合本次溫壓評價和前人的分析,可以確定佛子嶺群并非為“淺”變質產物,而應普遍經歷中-高壓角閃巖相變質,其形成深度大致在30～40km,地溫梯度在15～20℃/km之間。至于野外觀測到的沉積“韻律”層(圖2d, f),推測可能是在變質過程中受原巖成分層控制,或者變質分異所致。而巖相學觀測也充分表明這些巖石普遍具變晶結構(圖2c, e, g),不具任何變余結構和構造,例如,沉積巖中的顆粒支撐、雜基支撐等。

圖9 樣品HS1的鋯石陰極發光照片和諧和圖(a-h)樣品HS1的陰極發光照片; (i、j)樣品HS1的5組年齡諧和圖; (k) Th/U與年齡比值圖; (l) 樣品HS1年齡直方圖Fig.9 Cathode luminescence (CL) images and concordia diagram for zircons from Sample HS1(a-h) the cathode luminescence images for zircons from the sample HS1; (i, j) the concordia diagrams for 5 groups of age from the sample HS1; (k) Th/U to age plot; (l) the age histogram for the sample HS1

6.3 佛子嶺群形成的時間

關于佛子嶺群的形成時限,最初安徽省地質礦產局(1987)綜合前人資料,將其劃歸為新元古代。然而,Lietal. (2001)依據Sm-Nd和Rb-Sr全巖等時線研究,認為該單元形成于泥盆紀。Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)的碎屑鋯石研究則進一步明確該單元形成于志留紀。同時,基于年齡資料和大地構造分析,均認為佛子嶺群為揚子板塊和華北板塊之間的一個獨立微陸塊,其物源分別來自這兩個板塊。對比本次研究確定的5組碎屑鋯石年齡來看 (圖9a, c, d-h),其中①、③、④、⑤組的年齡與前人的研究基本一致(Lietal., 2001；Chenetal., 2003 和Zhuetal., 2017),展現佛子嶺群物源的多樣性特征,其中⑤組的峰值年齡～0.44Ga進一步支持了佛子嶺群形成于志留紀的認識(Lietal., 2001; Chenetal., 2003; Zhuetal., 2017)。從年齡分布背景上來看,②、③和④組的～0.75Ga、～0.94Ga和～1.57Ga的年齡峰值(圖9i, j),顯示了親揚子性(Gaoetal., 2001; Zheng, 2008; Lietal., 2014)。而①組年齡(圖9i),特別是～2.54Ga的峰值年齡,暗示了佛子嶺群具華北板塊物源特征(Zhaoetal., 2012; Zhao and Zhai, 2013),進而表明佛子嶺群可能具有混合物源的特性。然而,由于揚子板塊也具有少量2.5～2.6Ga的年齡 (Chen and Jahn, 1998; Chenetal., 2014; Gaoetal., 1999, 2011; Qiuetal., 2000; Wuetal., 2012; Lietal., 2014),影響了對其物源的準確判定,但考慮到Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)的研究,本文遵從了前人混合物源的認識。關于佛子嶺群主期變質年齡,由于此次分析鋯石的顆粒細小和變質鋯石不發育,并未獲得任何變質年齡信息。但鑒于前人白云母40Ar-39Ar的270～260Ma年齡(牛寶貴等, 1994; Faureetal., 2003; 林偉等, 2005; Ratschbacheretal., 2006; 圖1),同時,考慮到佛子嶺群構造位置處于大別造山帶最北端,為揚子板塊深俯沖的最前導巖片,相應的俯沖時限較早,故推測其主期變質年齡應較老一些,也許該年齡能代表佛子嶺群的變質時限。當然,由于云母過剩Ar的影響(Lietal., 1994),該年齡準確性仍需進一步確證。

6.4 佛子嶺群的構造屬性

對于佛子嶺群是否為古生代微陸塊(Chenetal., 2003; Zhuetal., 2017),本次研究并不能予以充分支持,目前在大別造山帶東段未見到大規模出露的古生代巖漿弧出露,現有的～0.44Ga碎屑鋯石物源存在較多的困惑。也許如Lietal. (2001)、Chenetal. (2003)和Zhuetal. (2017)的研究,佛子嶺群是北秦嶺古生代巖漿弧東延部分剝蝕沉積產物,而古生代的巖漿弧由于被其覆蓋并未出露至地表。然而,基于本次變質巖石學和年代學的研究,并結合前人構造地質學研究(Okayetal., 1993; Faureetal., 1999, 2003; 周建波等, 2001;林偉等, 2005),本文傾向于佛子嶺群為揚子板塊最北緣的沉積單元,卷入了較深層次的俯沖和折返事件。

7 結論

(1)佛子嶺群主期變質P-T條件范圍為610～620℃和0.9～1.0GPa,達到了高壓角閃巖相變質范疇,普遍經歷中-高壓角閃巖相變質,卷入了較深層次的俯沖折返過程。

(2)佛子嶺群物源具有多源性,其中～0.44Ga的年齡表明佛子嶺群形成于早古生代晚期,～0.75Ga、～0.94Ga和～1.57Ga的年齡峰值暗示了其物源具有親揚子性,～2.54Ga的年齡則顯示該單元具有華北物源屬性。