西峽-內鄉地區秦嶺巖群變質獨居石和鋯石的U-Pb定年*

梁爽 張謙 劉嘉惠 李真 閆全人 吳春明

中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 100049

秦嶺造山帶位于揚子板塊與華北板塊之間, 其物質組成與結構構造復雜, 是我國中央造山帶的重要組成部分(裴先治等, 1995, 1999; 張國偉等, 2001)。自元古代起, 秦嶺造山帶經歷了多期變質-變形作用(安三元等, 1985; 陳能松等, 1990, 1991, 1993; 裴先治等, 1995, 1998; 張宗清等, 1996; 王濤等, 1997; Dongetal., 2011)。 “秦嶺巖群”是秦嶺造山帶的核心構造單元，其元古代至中生代的大量巖漿事件有助于勾勒秦嶺造山帶演化的構造格架(盧欣祥, 1998; 楊力等, 2010; 王曉霞等, 2015)。其中，古生代期間侵入秦嶺巖群的花崗質巖可劃分為507～470Ma、460～422Ma、415～400Ma 三個階段(其中早期階段伴隨超高壓變質作用), 這三個階段的巖漿作用分別形成于俯沖、同碰撞和后碰撞環境(Wangetal., 2013; 張成立等, 2013; 王曉霞等, 2015)。

圖1 北秦嶺造山帶東部地質構造簡圖(據張二朋等, 1993; 閆全人等, 2009a修改)ZXF-朱陽關-夏館斷裂；SDF-商縣-丹鳳斷裂；YJS-云架山群；TW-陶灣群, NQB-北秦嶺地塊；KP-寬坪群；ELP-二郎坪群；DF-丹鳳群Fig.1 Geological sketch map of the eastern North Qinling Orogenic Belt (revised after Zhang et al., 1993; Yan et al., 2009a)ZXF-Zhuyang-Xiaguan Fault; SDF-Shangxian-Danfeng Fault; YJS-Yunjiashan Group; TW-Taowan Group; NQB-North Qinling Block; KP-Kuanping Group; ELP-Erlangping Group; DF-Danfeng Group

早期研究發現, 秦嶺巖群主要由角閃巖相(局部達麻粒巖相)變質巖石組成, 伴有混合巖化作用、多期巖漿侵入、變形作用(游振東等, 1991; 張國偉等, 2001)。近些年來, 人們發現秦嶺巖群還記錄了高壓-超高壓變質作用。不過, 人們對秦嶺巖群變質事件地質時代的看法還不一致。早期研究表明, 秦嶺巖群可能經歷了～990Ma和420～353Ma的兩期變質事件(陳能松等, 1989, 1990, 1991; 陳能松和游振東, 1990; 游振東等, 1991)。也有學者認為, 秦嶺巖群主期變質時代可能為450～400Ma (陸松年等, 2006; 任留東等, 2016)。在北秦嶺造山帶東部(“東秦嶺”), 秦嶺巖群巖石類型復雜多樣, 主體為角閃巖、大理巖、各種片麻巖和片巖。秦嶺巖群北側的官坡、雙槐樹一帶, 出露有古生代榴輝巖等(超)高壓變質巖(胡能高等, 1994, 1995; 楊經綏等, 2002)。秦嶺巖群南側的清油河、松樹溝、丹鳳大寺溝等地區, 出露有古生代退變榴輝巖、高壓基性麻粒巖(劉良和周鼎武, 1994; 楊勇等, 1994; 劉良等, 1995, 1996, 2013; Liuetal., 2003; Chengetal., 2011; Wangetal., 2014; 陳丹玲等, 2015; 宮相寬等, 2016)。秦嶺巖群高壓-超高壓變質巖的變質高峰期時代為～500Ma(陳丹玲等, 2004, 2019; Wangetal., 2011, 2014; 陳丹玲和劉良, 2011; Chengetal., 2012), 兩階段退變質時代分別為～450Ma和～430Ma (劉良等, 2013; 錢加慧等, 2013), 與侵入秦嶺巖群花崗巖年齡(Lerchetal., 1995; 王濤等, 2009; 劉良等, 2009; 張建新等, 2009, 2011; 張成立等, 2013)相當。也有學者指出, 東秦嶺地區秦嶺巖群可能記錄了早古生代多期變質作用(張建新等, 2011)。

盡管東秦嶺局部地域(清油河、松樹溝、大寺溝)的秦嶺巖群中發現有高壓-超高壓變質作用的信息, 但是, 秦嶺巖群的主體(各種片麻巖、片巖)變質作用及年代學研究仍較薄弱(王浩和吳元保, 2013)。它們是否普遍經歷了高壓-超高壓變質作用？變質作用的地質時代如何？目前尚不完全清楚。變質泥質巖中的獨居石為變質結晶成因, U-Pb體系封閉溫度高(Cherniaketal., 2004), 其年齡能夠清晰地指示變質時代。因此, 本文選取位于北秦嶺造山帶東部西峽和內鄉地區秦嶺巖群中的變質沉積巖、變質基性巖, 開展了變質獨居石、鋯石的U-Pb定年研究, 并探討了其變質作用溫度與壓力條件, 以期為解決上述問題提供比較扎實的科學資料。

1 區域地質背景

以商丹縫合帶為界, 秦嶺造山帶被劃分為北秦嶺造山帶、南秦嶺造山帶兩個構造單元(Meng and Zhang, 1999, 2000; 張國偉等, 2001)。其中, 北秦嶺造山帶位于商丹斷裂帶、洛陽-欒川-方城斷裂帶之間, 包含四個巖石-構造單元, 自北向南依次為寬坪巖群、二郎坪巖群、秦嶺巖群和丹鳳巖群(圖1)。寬坪巖群主要由綠片巖、角閃巖及變碎屑沉積巖組成(張國偉等, 2001)。二郎坪巖群自下而上可分為大廟組、火神廟組及小寨組, 主體巖石類型依次為變質火山-沉積巖、變質基性火山巖、變質泥質碎屑巖夾基性火山巖(孫勇等, 1996; 張國偉等, 2001; 楊士杰等, 2015)。秦嶺巖群西起甘肅天水, 向東延經河南西峽、內鄉至桐柏一帶, 綿延千余千米, 呈透鏡狀斷續出露于秦嶺造山帶之中(張國偉等, 2001)。秦嶺巖群主要由變質碎屑沉積巖、黑云母大理巖及少量變質基性巖組成, 碎屑鋯石U-Pb定年限定的最大沉積年齡為1.2～1.9Ga之間(Shietal., 2013; 陸松年等, 2006)。閆全人等(2009b)將商南-西峽一帶秦嶺巖群中段劃分為四個巖性段：第一段為重岔溝-王里橋, 主要為云母石英片巖及黑云母變粒巖; 第二段位于重岔溝以北, 為大理巖夾云母石英片巖; 第三巖性段位于雙龍以南, 主要為石榴云母石英片巖夾大理巖; 第四巖性段位于小水-雙龍, 主要為大理巖夾角閃巖構造塊體。各個巖性段間均為斷層接觸關系。丹鳳巖群由一套經歷綠片巖相-角閃巖相變質的火山-碎屑沉積巖系, 包括斜長角閃片麻巖、黑云斜長片巖、黑云斜長石英片巖, 以及少量大理巖、石英巖等(裴先治等, 2001)。

圖2 西峽-內鄉地區地質簡圖(據河南省地質局, 1965(1)河南省地質局. 1965. 1:20萬欒川幅區域地質調查報告, 1966(2)河南省地質局. 1966. 1:20萬內鄉幅區域地質調查報告)

圖3 西峽-內鄉地區秦嶺巖群野外地質特征(a)強烈變形的黑云斜長片麻巖; (b)花崗巖脈體沿片麻理侵入石榴黑云斜長片麻巖; (c)斜長角閃巖呈巖墻狀產于石英云母片巖之中; (d)石榴黑云斜長片麻巖中夾持的石榴角閃巖透鏡體Fig.3 Outcrops of the Qinling metamorphic complex in the Xixia and Neixiang areas(a) strongly deformed biotite-plagioclase gneiss; (b) a granite dike intrudes into the garnet-biotite-plagioclase gneiss along the gneissosity; (c) dyke-like amphibolite and the quartz-mica schist; (d) garnet amphibolite occurs as tectonic lenses within the garnet-biotite-plagioclase gneiss

研究區位于秦嶺巖群東部(圖1), 處于閆全人等(2009b)劃分的第三、第四巖性段。區內主要出露有云母石英片巖、角閃黑云斜長片麻巖、黑云斜長片麻巖、變質砂巖、大理巖, 另有少量斜長角閃巖。變質沉積巖呈厚層狀產出。變質基性巖一般呈似層狀或構造透鏡體狀，被夾持于變質沉積巖中。

本文研究的代表性變質巖樣品均采自豫西西峽、內鄉地區(圖2), 包括石榴黑云斜長片麻巖、石榴黑云石英片巖、石榴黑云二長片麻巖、石榴斜長角閃巖。石榴黑云斜長片麻巖遭受輕微混合巖化和強烈變形(圖3a), 有花崗巖脈體順層侵入(圖3b)。石榴斜長角閃巖呈巖墻或透鏡體狀, 被夾持于黑云斜長片麻巖、云母石英片巖中(圖3c, d)。

2 巖相學特征

2.1 石榴黑云斜長片麻巖

石榴黑云斜長片麻巖 (樣品NY01、19QL07、19QL09) 呈片麻狀構造、斑狀變晶結構。石榴子石變斑晶粒徑從～0.5mm到～2mm不等, 所含包裹體普遍較少。

樣品NY01(圖4a, b)出露于內鄉縣馬山口鄉附近(33°13′44.76″N、111°58′23.27″E), 樣品19QL07(圖4c, d)位于內鄉縣黃村附近(33°18′14.53″N、111°46′02.58″E)。這兩個樣品中僅觀察到峰期變質階段礦物組合(M2)。樣品NY01中變質高峰期(M2)礦物主要包括石榴子石變斑晶(Grt2)以及基質黑云母(Bt2)、斜長石(Pl2)、普通角閃石(Amp2)等。樣品19QL07中變質高峰期(M2)礦物組合由石榴子石變斑晶(Grt2)、基質黑云母(Bt2)、斜長石(Pl2)、普通角閃石(Amp2)、單斜輝石(Cpx2)構成。

圖4 石榴黑云斜長片麻巖及石榴黑云二長片麻巖顯微巖相特征(a)樣品NY01中的變質高峰期(M2)礦物組合石榴子石變斑晶+黑云母+石英; (b)樣品NY01中的變質高峰期(M2)礦物組合石榴子石變斑晶+黑云母+斜長石+石英+普通角閃石; (c)樣品19QL07中的變質高峰期(M2)礦物組合石榴子石變斑晶+石英+黑云母+普通角閃石; (d)樣品19QL07中的變質高峰期(M2)礦物組合石石榴子石變斑晶+單斜輝石+黑云母+石英+斜長石+普通角閃石; (e)樣品19QL09中的石榴子石中黑云母包裹體(M1)、變質高峰期礦物組合(M2)及副礦物; (f)樣品19QL25中的石榴子石中黑云母包裹體(M1)、變質高峰期礦物組合(M2)及副礦物. 礦物代碼下標表示礦物世代Fig.4 Photomicrographs of garnet-biotite-plagioclase gneiss and garnet-biotite monzogneiss(a) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+biotite+quartz in Sample NY01; (b) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+biotite+plagioclase+quartz+amphibole in Sample NY01; (c) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+quartz+biotite+plagioclase in Sample 19QL07; (d) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+clinpyroxene+biotite+quartz+plagioclase+amphibole in Sample 19QL07; (e) biotite inclusions (M1) in garnet and metamorphic peak assemblage (M2) as well as accessory minerals in Sample 19QL09; (f) biotite inclusions (M1) in garnet and metamorphic peak assemblage (M2) as well as accessory minerals in Sample 19QL25. The subscripts of mineral symbols and for the corresponding metamorphic stages

樣品19QL09 (33°24′52.81″N、111°29′33.43″E)中保留了兩個階段礦物組合(圖4e), 即進變質階段礦物組合(M1)、變質高峰期礦物組合(M2)。石榴子石周圍未見到退變質反應結構。進變質階段礦物組合(M1)由石榴子石變斑晶中礦物包裹體組成, 包括黑云母(Bt1)、石英(Qtz1)。變質高峰期礦物組合(M2)由石榴子石變斑晶(Grt2)及基質礦物黑云母(Bt2)、石英(Qtz2)、普通角閃石(Amp2)、斜長石(Pl2)及少量鉀長石(Kfs2)和副礦物鋯石(Zrn2)、獨居石(Mnz2)、黃鐵礦(Pyr2)、金紅石(Rt2)。

2.2 石榴黑云二長片麻巖

石榴黑云二長片麻巖(樣品19QL25)采自西峽雙龍鎮南溚葉溝(33°25′22.05″N, 111°30′43.65″E)。巖石呈片麻狀構造, 斑狀變晶結構。巖石中保留了兩個階段的變質礦物組合(圖4f), 其中進變質階段礦物組合(M1)為保存于石榴子石變斑晶中的黑云母(Bt1)和石英(Qtz1), 變質高峰期礦物組合(M2)包括石榴子石(Grt2)變斑晶和基質礦物黑云母(Bt2)、石英(Qtz2)、鉀長石(Kfs2)、斜長石(Pl2)、夕線石(Sil2)及副礦物獨居石(Mnz2)和鋯石(Zrn2)。

2.3 石榴黑云石英片巖

樣品19QL03(圖5a)采自西峽縣赤眉鎮北(33°17′27.05″N、111°46′35.74″E), 巖石中只保留有變質高峰期礦物組合(M2), 包括石榴子石變斑晶(Grt2)以及基質黑云母(Bt2)、普通角閃石(Amp2)、斜長石(Pl2)、鉀長石(Kfs2)和副礦物獨居石(Mnz2)、鋯石(Zrn2), 其中斜長石與鉀長石含量<5%。

圖5 石榴黑云石英片巖顯微巖相特征(a)樣品19QL03中的變質高峰期(M2)礦物組合石榴子石變斑晶+黑云母+石英及副礦物; (b)樣品19QL12石榴子石中夕線石+斜長石包裹體(M1)、變質高峰期(M2)礦物組合石榴子石變斑晶+鉀長石+斜長石+石英及副礦物Fig.5 Photomicrographs of garnet-biotite-quartz schist(a) metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+biotite+quartz as well as accessory minerals in Sample 19QL03; (b) sillimanite and plagioclase inclusions (M1) in garnet, and metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+K-feldspar+plagioclase+quartz in Sample 19QL12

樣品19QL12采自西峽縣雙龍鎮南(33°22′10.51″N、111°34′56.52″E), 其中保留了兩期變質礦物組合(圖5b)。進變質階段礦物組合(M1)為保存于石榴子石變斑晶中的黑云母(Bt1)、斜長石(Pl1)、夕線石(Sil1)包裹體。變質高峰期礦物組合(M2)包括石榴子石(Grt2)變斑晶及基質礦物黑云母(Bt2)、斜長石(Pl2)少量鉀長石(Kfs2)和副礦物黃鐵礦(Pyr2)、獨居石(Mnz2)、鋯石(Zrn2)。

2.4 石榴(斜長)角閃巖

樣品19QL04、19QL05(圖6a)出露于內鄉縣赤眉鎮北(33°17′27.05″N、111°46′35.74″E), 只觀察到變質高峰期礦物組合(M2), 主要為普通角閃石(Amp2)、石英(Qtz2)、黑云母(Bt2)及少量鈦鐵礦(Ilm2)和副礦物鋯石(Zrn2)等。樣品19QL05中不含斜長石。樣品19QL04基質中斜長石(Pl2)含量低且蝕變嚴重, 單斜輝石(Cpx2)均蝕變為綠簾石(Ep3), 角閃石(Amp2)發生綠泥石化(Chl3)。

圖6 石榴角閃巖顯微巖相特征(a)樣品19QL04石榴子石中角閃石包裹體(M1), 以及變質高峰期(M2)礦物組合石榴子石變斑晶+普通角閃石+石英+斜長石+綠簾石及副礦物; (b)樣品19QL13石榴子石中角閃石包裹體(M1), 以及變質高峰期(M2)礦物組合石榴子石變斑晶+普通角閃石+石英及副礦物Fig.6 Photomicrographs of the garnet amphibolite(a) amphibole inclusion (M1) in garnet, and metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+amphibole+quartz+plagioclase+epidote as well as accessary minerals in Sample 19QL04; (b) amphibole inclusion (M1) in garnet, and metamorphic peak assemblage (M2) of garnet porphyroblast+amphibole+quartz as well as accessory minerals in Sample 19QL13

樣品19QL13出露于西峽縣雙龍鎮南(33°22′55.26″N、111°35′18.84″E), 可識別出兩個階段的變質礦物組合(圖6b)。進變質階段礦物組合(M1)為包裹于石榴子石變斑晶中的普通角閃石(Amp1)和石英(Qtz1)。變質高峰期礦物組合(M2)為石榴子石(Grt2)變斑晶及石英(Qtz2)、角閃石(Amp2)及副礦物鋯石(Zrn2)。巖石中未見斜長石。

3 測試方法

鋯石與獨居石單礦物分選在河北省廊坊市宇能巖石礦物分選技術有限公司完成, 陰極發光(CL)圖像與背散射(BSE)圖像在中國科學院地質與地球物理研究所拍攝。在獲取圖像的基礎上, 檢查單礦物顆粒是否發育環帶結構、有無裂縫、有無核邊結構等, 再選擇合適的顆粒樣品進行U-Pb年齡測定。

鋯石與獨居石LA-ICP-MS定年測試在武漢上譜分析科技有限責任公司完成。采用的激光剝蝕系統為GeoLasPro, 質譜儀為Agilent7700。獨居石采用直徑為16μm激光束斑、鋯石采用直徑為24μm激光束斑, 分別進行剝蝕。每個分析點背景采集時間為20～25s, 樣品數據采集時間為50s。鋯石年齡采用國際標準鋯石91500作為外標進行校正。GJ-1作為未知標樣以校正儀器穩定性, 每隔5～6個測點樣品測定加測標樣一次。鋯石樣品測點前后各測兩次NIST SRM610, 采用29Si為內標, 測定鋯石U、Th、Pb含量。獨居石選用44069和NIST610作為內、外標分別進行U-Pb年齡數據校正。

圖7 獨居石電子背散射圖像圓形及旁邊順序數字代表LA-ICP-MS測試點位置及其代號, 帶有“±”符號的數字代表對應的206Pb/238U年齡Fig.7 BSE images of monazite grains separated from the representative metamorphic rocksThe circles and adjacent numbers stand for the LA-ICP-MS analytical spots and their sequential numbers. Numbers with “±” symbols represent the corresponding 206Pb/238U ages

圖8 獨居石U-Pb年齡諧和圖Fig.8 Concordia diagrams of the metamorphic monazite grains

樣品靈敏度漂移、同位素比值校正、年齡數據測算，采用軟件ICP MS DataCal進行處理(Liuetal., 2010)。諧和圖繪制及加權平均年齡計算采用Isoplot(Ver.4.15)軟件進行處理。采用年齡為206Pb/238U年齡, 單個數據點誤差為1σ, 加權平均年齡為95%及以上置信度。樣品測試結果見電子版附表1、附表2。

電子探針(EPMA)礦物化學成分測試在合肥工業大學資源與環境工程學院JOEL JXA 8230型電子探針儀上完成。工作條件為：加速電壓15kV, 電流20nA, 電子束斑直徑為3～5μm, 數據檢測時間10～20s。使用天然礦物作標樣, 使用程序ZAF對實驗本底進行校正。每個階段變質礦物組合中，每種礦物至少測試3個顆粒, 以檢查礦物化學成分的均勻性。代表性礦物電子探針分析結果見電子版附表3。

4 LA-ICP-MS U-Pb定年結果

4.1 獨居石U-Pb定年結果

石榴黑云斜長片麻巖 樣品19QL09中的獨居石為淺黃色, 顆粒大小不一, 其長軸約50～120μm, 個別顆粒可達150μm以上, 形態多為橢圓狀晶體形態, 部分為柱狀晶形。背散射圖像可見絕大部分獨居石環帶微弱(圖7a)。本樣品共30個測點,206Pb/238U加權平均年齡為413.7±1.6Ma (MSWD=2.1)(圖8a)，代表變質時代。

石榴黑云二長片麻巖 樣品19QL25中獨居石顏色為淺黃色和灰色, 顆粒普遍偏小, 大多不含包裹體, 長軸多為50～70μm(圖7b)。本樣品測點共30個, 年齡集中度高,206Pb/238U加權平均年齡為409.6±1.9Ma (MSWD=1.8)(圖8b)，代表變質時代。

石榴黑云石英片巖 樣品19QL03中獨居石呈淺黃色, 顆粒粒徑較大, 長軸約為110～150μm (圖7c)。樣品共30個測點, 年齡集中,206Pb/238U加權平均年齡為411.4±1.6Ma (MSWD=1.5)(圖8c)，代表變質時代。樣品19QL12中的獨居石為淺黃色, 顆粒粒度差異較大, 從30～120μm不等, 形態多為等軸柱狀和短柱狀。背散射圖像顯示僅少部分顆粒具成分環帶, 大多數顆粒為灰色(圖7d)。樣品測點共30個, 其中一個測試點諧和度較低(附表1), 其余29個測試點給出206Pb/238U加權平均年齡為409.0±1.9Ma (MSWD=3)(圖8d)，代表變質時代。

4.2 鋯石U-Pb定年結果

用于LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測試的副變質巖樣品共4件, 測試點共計100點; 變質基性巖樣品3件, 共65個測試點。測試中避開包裹體, 選擇變質邊較寬、無裂隙的變質鋯石進行剝蝕。

石榴黑云斜長片麻巖 樣品19QL09中的鋯石為無色透明, 較為自形, 以短柱-長柱狀為主, 顆粒粒度介于70～150μm之間, 多數為100μm左右。CL圖像下鋯石發光性較弱, 多具核-邊結構, 由碎屑鋯石核和周圍淺色變質邊組成, 發光性均較弱, 變質增生邊較窄。部分鋯石具面狀分帶或弱分帶, 為典型的變質鋯石內部結構特征(吳元保和鄭永飛, 2004)(圖9a)。本樣品共25個測試點, 其中1個測試點Th/U比值為0.68, 綜合CL圖像特征判斷其核部為繼承性碎屑鋯石核。另3個測試點諧和度較低, 未參與加權平均年齡計算。21個位于諧和線上的有效測試點Th、U含量變化值分別為10×10-6～75×10-6、1131×10-6～3323×10-6, Th/U比值為0.01～0.04, 給出的206Pb/238U加權平均年齡為408.8±3.3Ma (MSWD=2.3)(圖10a)，代表變質時代。

圖9 鋯石陰極發光圖像及其U-Pb年齡圓圈及旁邊順序數字代表LA-ICP-MS測試點位置及其代號, 帶有“±”符號的數字代表對應的U-Pb年齡Fig.9 CL images of zircon grains separated from the representative metamorphic rocksThe circles and adjacent numbers stand for the LA-ICP-MS analytical spots and their sequential numbers. Numbers with “±” symbols represent the corresponding U-Pb ages

圖10 鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.10 Concordia diagrams of the metamorphic zircon grains

石榴黑云二長片麻巖 樣品19QL25中的鋯石多為半自形, 短柱狀, 邊部圓滑無色透明, 粒度80～120μm不等。鋯石蛻晶化嚴重, 無分帶。多數鋯石具有清晰的核邊結構。經變質作用改造的碎屑鋯石核在CL圖像下呈深灰-黑色。變質過程中生長的邊部發光性較強。還有部分鋯石呈狀環帶, 為變質成因(吳元保和鄭永飛, 2004)(圖9b)。本樣品共25個測點, 其中9個點諧和度低, 年齡誤差大。其余16個位于諧和線上有效測試點的Th、U含量分別在3×10-6～19×10-6、192×10-6～347×10-6之間, Th/U比值為0.01～0.03, 其206Pb/238U加權平均年齡為405.8±3.6Ma (MSWD=1.18)(圖10b)，代表變質時代。

石榴黑云石英片巖 樣品19QL03中的鋯石粒徑差異懸殊, 粒度50～150μm不等, 多呈半自形-他形結構, 顆粒邊緣較為圓滑, 顏色淺黃透明。CL圖像下鋯石核部多保留寬緩的巖漿振蕩環帶, 變質增生邊普遍較窄, 這些鋯石為原有鋯石經變質作用改造形成。部分鋯石無核邊結構, 具有扇形分帶, CL發光較弱, 具有變質新生鋯石的內部結構特征(吳元保和鄭永飛, 2004)(圖9c)。樣品共25個測試點, 其中1號點、9號點年齡較老(735±9Ma、716±6Ma), 位于鋯石核部，為繼承年齡。另有14個測試點的Th、U值變化分別為33×10-6～123×10-6、2813×10-6～4821×10-6, Th/U為0.01～0.03,206Pb/238U加權平均年齡為407.6±3.8Ma (MSWD=2.3)(圖10c)，代表變質時代。

樣品19QL12中的鋯石為無色透明, 顆粒小, 長軸50μm左右。鋯石顆粒多為他形結構, 顆粒邊緣磨圓明顯。CL圖像顯示絕大部分鋯石發光性弱, 核部有殘留的寬緩巖漿環帶, 為殘留的碎屑鋯石核。變質增生邊一般較窄，呈弱分帶, 符合變質鋯石的特征(吳元保和鄭永飛, 2004) (圖9d)。共測試25個測點, 除第1、8、16、23號這4個測試點剝蝕到碎屑鋯石核為混合年齡及10個諧和度年齡偏低的測試點外(附表2), 共11個有效測試點。其Th含量變化在8×10-6～11×10-6, U含量變化在434×10-6～553×10-6, Th/U比值為0.01～0.02,206Pb/238U加權平均年齡為408.1±2.9Ma (MSWD=0.86)(圖10d)，代表變質時代。

石榴角閃巖 樣品19QL04中的鋯石無色透明, 顆粒較小(30～70μm), 個別鋯石長軸達100 μm以上。CL圖像可見鋯石大多顯示扇形分帶或弱分帶或無分帶特征, 小部分鋯石具溶蝕結構, 均為變質鋯石典型的內部結構特征(吳元保和鄭永飛, 2004), 這些鋯石CL圖像發光性較強(圖9e)。本樣品20個測試點, 除去諧和度偏低的6個測試點(附表2)外，其余14個有效測試點Th和U含量變化范圍分別為17×10-6～48×10-6、104×10-6～298×10-6, Th/U比值為0.11～0.27,206Pb/238U加權平均年齡為383.9±3.5Ma (MSWD=0.95)(圖10e)，代表變質時代。

樣品19QL05中的鋯石形態均為半自形或它形, 呈短軸-等軸狀, 粒徑差異較大, 多數為30～70μm, 部分超過100μm。樣品中鋯石CL圖像包括無分帶、弱分帶或扇形分帶, 具有變質鋯石的典型結構(吳元保和鄭永飛, 2004)(圖9f)。共測試20個點, 其中7個點誤差較大或諧和度偏低, 第6號測試點為混合年齡(508±9Ma)。第13、14號點年齡較分散(413±6Ma, 412±7Ma), 未參與加權平均年齡計算, 但仍考慮為同一期變質事件年齡。10個有效測試點年齡集中, Th、U含量分別介于27×10-6～109×10-6、63×10-6～393×10-6, 其Th/U比值為0.15～0.37, 其206Pb/238U加權平均年齡為379.3±3.7Ma (MSWD=0.36)(圖10f)，代表變質時代。

樣品19QL13中的鋯石呈長柱狀-粒狀, 形態為半自形-他形, 粒徑30～70μm。由CL圖像可見鋯石發光性較弱, 顏色為灰黑色, 呈片狀分帶, 部分為弱分帶, 具有變質增生鋯石的特征(吳元保和鄭永飛, 2004)。本樣品共測試25個點(圖9g), 其中4個點諧和度偏低(附表2), 其余21個有效測試點Th、U含量變化范圍分別為60×10-6～216×10-6、535×10-6～942×10-6, Th/U比值為0.09～0.28,206Pb/238U加權平均年齡為401.4±4.1Ma (MSWD=3.6)(圖10g)，代表變質時代。

圖11 石榴黑云斜長片麻巖(a-c)和石榴黑云二長片麻巖(d)中石榴子石的化學成分剖面Fig.11 Chemical profiles of garnet in the garnet-biotite-plagioclase gneisses (a-c) and garnet-biotite monzogneiss (d)

5 變質礦物的化學成分

變質泥質巖中, 石榴子石是最重要的變質礦物。采用泥質巖典型的NCMnKFMASH化學系統, 對綠片巖相-高角閃巖相泥質變質巖中最常見礦物組合進行的熱力學模擬計算(Spearetal., 1990)表明, 進變質階段生長的石榴子石, 從核心到邊部, 其XMn、Fe/(Fe+Mg)的值逐漸降低, 呈現“掛鐘狀”生長剖面。此外, 對大量變質泥質巖中石榴子石的化學成分統計發現, 其Ca/Fe離子比值與溫度和壓力均呈非線性正相關關系(Wu, 2019)。在退變質期間, 石榴子石可能與其他鐵鎂質礦物(通常是黑云母)發生Fe-Mg離子再交換(反向擴散), 石榴子石化學成分剖面被不同程度改造。剖面改造不徹底時, 石榴子石邊部XMn基本不變, Fe/(Fe+Mg)升高而呈現“鉤狀”上翹特征(Kohn and Spear, 2000)。這些特征成為判別石榴子石化學成分環帶性質的重要指標。

5.1 石榴黑云斜長片麻巖

石榴子石 樣品NY01、19QL07、19QL09電子探針化學成分測試剖面位置如圖4, 測試方向以帶箭頭的虛線所示。石榴子石總體以鐵鋁榴石為主, 富鈣鋁榴石, 另有少量錳鋁榴石、鎂鋁榴石組分。

樣品NY01中石榴子石主要由鐵鋁榴石(52%～59%)組成, 富含鈣鋁榴石(21%～34%), 含少量鎂鋁榴石(6%～10%)與錳鋁榴石(6%～12%)。從核心到邊部,XMn與Fe/(Fe+Mg)逐漸下降, 最邊部XMn與Fe#[=Fe/(Fe+Mg)]有輕微上升(圖11a), 表明在變質作用后期石榴子石邊部曾發生輕微分解, 與黑云母間曾發生Fe-Mg擴散(Spear and Florence, 1992; Kohn and Spear, 2000)。幔部到邊部Ca/Fe比值明顯升高(圖11a), 暗示石榴子石生長后期階段可能有壓力升高過程(Wu, 2019)。

樣品19QL07中石榴子石組分主要為鐵鋁榴石(53%～62%), 其次為鈣鋁榴石(20%～34%)與鎂鋁榴石(9%～13%), 含少量錳鋁榴石(3%～6%)(圖11b)。該剖面含有較多包裹體, 個別包裹體顆粒對其周圍測點有一定影響, 導致出現XCa、Ca/Fe的波動。從核部到邊部, 錳鋁榴石與鎂鋁榴石含量無明顯變化, 最邊部XMn、Fe#輕微升高，很可能系Fe-Mg離子擴散所致。幔部到邊部Ca/Fe比值有明顯升高(圖11b), 表明石榴子石生長后期可能有壓力上升過程(Wu, 2019)。核部可能受到包裹體的影響，化學成分顯示異常(圖11b)。

圖12 石榴黑云石英片巖中的石榴子石化學成分剖面Fig.12 Chemical profiles of garnet of the garnet-biotite-quartz schist

樣品19QL09中石榴子石成分剖面測試表明, 石榴子石主要為鐵鋁榴石(69%～73%), 富含鎂鋁榴石(17%～22%), 含少量錳鋁榴石(5%～8%)與鈣鋁榴石(2%～3%)(圖11c)。從石榴子石核部到邊部成分均勻。最邊部Fe#輕微升高(圖11c), 表明在變質作用后期石榴子石與黑云母發生過輕微的Fe-Mg擴散(Kohn and Spear, 2000)。

單斜輝石 樣品19QL07中單斜輝石不同顆粒之間成分較均一, 無化學成分環帶。根據Morimoto (1988)的分類方法, 這些單斜輝石均為透輝石。

斜長石 樣品NY01、19QL07與19QL09中，斜長石均存在于基質(Pl2)中, 未發現明顯化學成分環帶，成分基本均勻。NY01中Pl2的XAn值介于0.42～0.48之間，樣品19QL07中Pl2的XAn值介于0.42～0.51之間，樣品19QL09中的XAn值介于0.26～0.29之間。

黑云母 樣品NY01、19QL07中黑云母僅以基質礦物(Bt2)形式存在。19QL09中黑云母以包裹體(Bt1)和基質礦物(Bt2)形式存在。石榴子石變斑晶中黑云母包裹體FeO與TiO2含量分別介于12.80%～13.49%之間與4.35%～5.05%之間, 基質中黑云母FeO 與TiO2含量分別為16.42%～19.34%與2.41%～4.21%。基質黑云母更加富鐵貧鈦。

角閃石 樣品19QL07與NY01中角閃石存在于基質中。依據Leakeetal. (1997)的分類方法, 兩個樣品中的角閃石成分均投在鈣鐵鎂閃石區域, 屬鈣質角閃石亞族。樣品19QL09中不含角閃石。

鉀長石 樣品19QL09d的基質中含有少量鉀長石, 粒度小, 成分基本均一,XOr值介于0.89～0.93之間,XAb值介于0.08～0.11之間。

5.2 石榴黑云二長片麻巖

石榴子石 樣品19QL25中石榴子石無化學成分環帶(圖11d)。石榴子石主要組分為鐵鋁榴石(78%～83%), 富含鎂鋁榴石(12%～15%), 含少量鈣鋁榴石(3%～6%)和錳鋁榴石(1%～2%)(圖11d)。

斜長石 樣品19QL25中斜長石僅存于基質中,XAn值介于0.25～0.48, 為中-更長石。

鉀長石 該樣品中鉀長石含量較高, 礦物含量約占55%～60%。鉀長石以包裹體(Kfs1)和基質(Kfs2)的形式存在, 二者化學成分略有差異。Kfs2的XOr值介于0.82～0.91之間,XAb值介于0.09～0.18之間; Kfs1的XOr值為0.86,XAb值介于0.13～0.14之間。

黑云母 樣品19QL25中黑云母以包裹體(Bt1)和基質(Bt2)形式存在。石榴子石變斑晶中黑云母包裹體FeO與TiO2含量分別介于18.85%～21.54%之間與3.23%～5.39%之間, 基質中黑云母FeO 與TiO2含量分別介于21.69%～23.29%之間與3.39%～4.77%之間。基質中黑云母相對于包裹體黑云母更加富鐵貧鈦。

5.3 石榴黑云石英片巖

石榴子石 樣品19QL03中石榴子石主要組分為鐵鋁榴石(71%～77%), 富含鎂鋁榴石(12%～21%), 含少量錳鋁榴石(4%～6%)與鈣鋁榴石(4%～6%)。近包裹體周圍XMg、Fe#值有波動,XMn、XCa、Ca/Fe的值基本均勻(圖12a)，這可能是由于包裹體對其化學成分有所改造。從石榴子石核部到邊部, Fe#有明顯升高, 表明在變質作用后期石榴子石邊部存在一定的Fe-Mg離子再交換(Kohn and Spear, 2000)。

樣品19QL12中石榴子石主要為鐵鋁榴石(63%～65%), 富含鎂鋁榴石(29%～31%), 含少量錳鋁榴石(3%～4%)與鈣鋁榴石(約3%)。從核部到邊部, 石榴子石各組分較為均一, 無明顯成分環帶(圖12b)。

斜長石 樣品19QL03和19QL12均含斜長石。樣品19QL03中斜長石只存在于基質中, 成分較均一,XAn介于0.30～0.48之間, 均屬于中長石。樣品19QL12基質中不同顆粒斜長石之間成分差異較小,XAn介于0.24～0.48之間, 屬更長石-中長石。

圖13 西峽-內鄉地區變質作用P-T軌跡Fig.13 Metamorphic P-T paths of metamorphic rocks of the Xixia and Neixiang areas

黑云母 樣品19QL03中黑云母僅存在于基質中, 化學成分均一。樣品中19QL12中黑云母見于石榴子石中包裹體和基質中。石榴子石變斑晶中黑云母包裹體(Bt1)的FeO與

表1 西峽-內鄉地區變質巖不同變質階段的P-T條件

TiO2含量分別為10.14%～12.52%和4.44%～5.67%。基質中黑云母(Bt2)的FeO 與TiO2含量分別為13.89%～15.47%和4.17%～5.42%。基質中黑云母(Bt2)比包裹體中黑云母(Bt1)更加富鐵貧鈦。

6 變質作用溫度與壓力條件

根據副變質巖中的具體礦物組合, 采用石榴子石-黑云母(GB)溫度計(Holdaway, 2000)和石榴子石壓力計(Wu, 2019)計算進變質階段(M1)P-T條件。變質高峰期P-T條件的計算, 采用石榴子石-黑云母(GB)溫度計(Holdaway, 2000)和石榴子石-黑云母-斜長石-石英(GBPQ)壓力計(Wuetal., 2004)。其中, 樣品19QL07中含有角閃石, 也采用石榴子石-角閃石溫度計(Ravna, 2000)和石榴子石-角閃石-斜長石-石英(GHPQ)壓力計(Holland and Blundy, 1994)計算。P-T條件計算結果參見表1。

石榴黑云斜長片麻巖 樣品NY01、19QL07變質高峰期(M2)的P-T條件分別為0.92GPa/655℃ (GBPQ)、1.02GPa/683℃ (GBPQ)。樣品19QL09進變質階段(M1)、變質高峰期(M2)的P-T條件分別為0.21GPa/553℃ (GB)、0.52GPa/676℃ (GBPQ)。由于樣品19QL09在變質階段后期石榴石邊部曾發生分解, Fe-Mg離子發生再交換, 因此計算出的峰期變質溫度低于真實的峰期溫度(圖13a)。

石榴黑云二長片麻巖 樣品19QL25進變質階段(M1)、變質高峰期(M2)的P-T條件分別為0.30 GPa/617℃ (GB)、0.60 GPa/705℃ (GBPQ) (圖13b)。

石榴黑云石英片巖 樣品19QL03變質高峰期(M2)的P-T條件為0.70GPa/710℃ (GBPQ)。樣品19QL12進變質(M1)、變質高峰期階段(M2)的P-T條件分別為0.29GPa/570℃ (GB)、0.53GPa/692℃ (GBPQ) (圖13c)。

7 鋯石、獨居石中包裹體的物相鑒定

東秦嶺地區已確定的高壓-超高壓變質巖石, 出露于秦嶺巖群北側的官坡、雙槐樹一帶, 以及南側的清油河、松樹溝、丹鳳大寺溝等地, 分布范圍可能延伸至河南西峽寨根以北(劉良等, 2009)。劉良等(2013)對西峽北部榴閃巖的研究表明, 巖石遭受強烈退變質作用改造, 早期礦物組合難以恢復, 樣品中未見高壓變質特征礦物。

秦嶺巖群東部是否有高壓-超高壓變質的信息, 還不得而知。前人研究表明, 鋯石及獨居石能夠在較大溫度區間內穩定, 其中的包裹體礦物可以記錄重要的變質作用信息。為此, 我們對分離自石榴黑云斜長片麻巖、石榴黑云二長片麻巖、石榴黑云石英片巖中的鋯石和獨居石, 進行了激光拉曼光譜鑒定分析。鋯石中的包裹體礦物有斜長石(Pl)、磷灰石(Ap)、黑云母(Bt)、方解石(Cal)。獨居石中包裹體有鋯石(Zrn)、石英(Qtz)、斜長石(Pl)。石榴角閃巖鋯石包裹體中發現有普通角閃石(Amp)、磷灰石(Ap)、石榴子石(Grt)、赤鐵礦(Hem)。目前研究表明，秦嶺巖群東部這些代表性變質巖的鋯石和獨居石中, 均未發現高壓、超高壓變質礦物包裹體。

8 討論

8.1 秦嶺巖群東部變質作用高峰期的地質時代

獨居石封閉溫度略低于鋯石, 普通鉛含量極低(Corfu, 1988), 在變質和流體作用過程中, 不易受后期熱事件的干擾(Suzuki and Adachi, 1991)。被屏蔽在石榴子石中的獨居石通常能夠有效阻止流體作用所導致的鉛丟失及同位素重設, 能更好地保留地質年代信息(Zhu and O’Nions, 1999)。結合變質巖中獨居石形態、BSE圖像特征等能夠判斷獨居石成因類型及形成階段, 從而限定變質事件的地質時代(周桂生等, 2017; Chenetal., 2020)。

本文用于定年的變質沉積巖中獨居石和鋯石, 具有以下特征：(1)它們有的以石榴子石中包裹體礦物的形式出現, 有的形成于變質高峰期, 出現于基質礦物組合中(圖4、圖5)。由于單顆粒獨居石和鋯石, 都是自變質沉積巖分離的, 因此這些用來定年的獨居石和鋯石, 應該是選自基質礦物組合中即形成于變質高峰期; (2)原巖均為泥質巖或泥砂質巖, 獨居石均為變質成因。獨居石大多發育深淺不一的扇形成分環帶。通過測試獨居石環帶發現, 單個樣品中所有獨居石測點年齡均高度集中, 其年齡并無明顯差異。不同樣品中的獨居石U-Pb年齡介于414～409Ma; (3)變質沉積巖中鋯石的Th/U比值為0.01～0.04, 不同樣品中的鋯石U-Pb年齡介于409～406Ma; (4)同一樣品中, 獨居石U-Pb年齡、鋯石U-Pb年齡在誤差范圍內沒有差別, 獨居石加權平均年齡要比鋯石大1～4Myr。這不僅驗證了獨居石U-Pb系統和鋯石U-Pb系統封閉溫度同樣較高, 也說明本文定年結果是可靠的。變質沉積巖中獨居石和鋯石的定年結果為414～409Ma。

本文定年的石榴角閃巖中的鋯石Th/U比值為0.09～0.37, 其U-Pb年齡為401～379Ma。

變質基性巖樣品19QL04與19QL05距離不足1km (圖2), 其鋯石U-Pb年齡基本一致(384～379Ma)。同樣位于該點的黑云石英片巖(樣品19QL03), 鋯石與獨居石U-Pb年齡為411～408Ma。這可能表明西峽-內鄉地區的變質基性巖、變質沉積巖達到各自最大俯沖深度的時間很可能存在差異, 它們是在后期的構造抬升階段才就位于相鄰區域的。

早古生代期間, 北秦嶺造山帶存在的三期(～500Ma、～450Ma、～420Ma)花崗質巖漿事件(張成立等, 2013), 可能分別對應于北秦嶺造山帶高壓-超高壓變質事件的高峰期(～500Ma)，以及～450Ma和～420Ma兩期連續退變質事件(劉良等, 2013)。前人研究發現, 西峽地區秦嶺巖群鋯石U-Pb年齡普遍被限定在450～400Ma之間。例如, 黑云斜長片麻巖中變質鋯石的SHRIMP U-Pb年齡為～400Ma (萬渝生等, 2011), LA-ICP-MS U-Pb定年表明鋯石變質增生邊年齡為424±9.1Ma (向華等, 2014)。角閃二輝麻粒巖中鋯石U-Pb定年結果為440±2Ma和426±1Ma, 可能分別代表中壓麻粒巖與區域角閃巖相變質時代(張建新等, 2011)。值得注意的是, 本文測定的西峽-內鄉地區變質作用高峰時代(414～379Ma), 均略晚于前人確定的變質高峰期和退變質時代，原因待查。

8.2 北秦嶺造山帶東部秦嶺巖群折返速率

西峽-內鄉地區秦嶺巖群的巖石類型多種多樣, 其中變質基性巖多呈透鏡體形式被夾持于片麻巖與片巖之中, 類似構造混雜帶“基質夾巖塊”的特征，可能是規模不等的不同構造巖片疊置所致。從巖相學角度看, 西峽-內鄉地區的變質巖石并未顯示多期變質作用的跡象。這些巖石普遍經歷了角閃巖相區域變質作用, 變質高峰達到中壓相系。不過, 不同樣品的變質高峰期溫度條件相似, 但壓力條件差異較大, 可能原因是不同巖石俯沖的深度不一致。此外, 各種變質巖石中退變質礦物組合并不常見, 推測折返階段巖石抬升速度過快, 巖石大多未來得及發生退變質反應。

9 結論

(1)北秦嶺造山帶東部的西峽-內鄉地區, 各種變質巖的鋯石、獨居石中, 均未發現高壓、超高壓變質礦物包裹體;

(2)副變質巖中鋯石、獨居石記錄的變質時代為414～405Ma, 變質基性巖中鋯石記錄的變質時代為401～379Ma, 屬同一期變質事件的記錄。這一變質事件的高峰期發生于晚志留世-中泥盆世;

(3)西峽-內鄉地區的變質巖石中, 未見到多期變質作用的巖相學證據。巖石普遍經歷了角閃巖相變質作用, 變質高峰期P-T條件為660～710℃/0.5～1.0GPa, 屬于中壓變質相系。不同變質巖的變質高峰期壓力條件差異明顯, 說明這些變質巖俯沖深度不同, 在構造折返階段才構造混雜在一起。退變質礦物組合不發育, 暗示折返抬升速率較快。

致謝張建新研究員、陳丹玲教授、朱賴民教授提出了寶貴的修改建議, 俞良軍副編審訂正了文中的多處錯誤，提高了本文的學術水平，作者謹向他們致以真摯的感謝。