張聰 黃杰，2 陳梅，2 楊經(jīng)綏

ZHANG Cong1，HUANG Jie1，2，CHEN Mei1，2 and YANG JingSui1

1. 中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，大陸構(gòu)造與動力學國家重點實驗室，北京 100037

2. 中國地質(zhì)大學地球科學與資源學院，北京 100871

1. State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics，Institute of Geology，Chinese Academy of Geosciences，Beijing 100037，China

2. School of Earth Science and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100871，China

2015-08-01 收稿，2015-10-11 改回.

1 引言

高壓-超高壓變質(zhì)帶是古板塊匯聚邊界及古大洋俯沖碰撞的重要標志，記錄了洋殼或陸殼物質(zhì)由俯沖發(fā)生超高壓變質(zhì)作用到折返的一系列動力學過程。自從在西阿爾卑斯Dora Maria 地塊(Chopin，1984)和挪威西片麻巖地區(qū)(Western Gneiss Region，WGR)的副片麻巖中(Smith，1984)發(fā)現(xiàn)超高壓指示性礦物柯石英以來，高壓-超高壓變質(zhì)作用的研究已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年，并在推動大陸動力學研究過程中取得了突破性進展。作為造山帶中重要的巖石類型，石榴橄欖巖不僅記錄了大陸地殼俯沖發(fā)生超高壓變質(zhì)作用到折返的整個過程，同時也攜帶了俯沖帶地幔楔形成及演化，殼幔相互作用，俯沖帶水巖反應等一系列信息，部分還記錄了俯沖帶形成之前巖石圈地幔形成時的物理化學特征(Brueckner，1998;Brueckner and van Roermund，2004;Scambelluri et al.，2008)。這些產(chǎn)于地幔深部的巖石經(jīng)歷了怎樣的演化過程，其是如何搬運到淺部地殼層次及其如何侵位到大陸地殼中去的一系列問題仍存在較大爭議。前人利用深部塑性疊瓦狀構(gòu)造模式來解釋橄欖巖侵位大陸地殼的機制(Cuthbert et al.，1983;Cuthbert and Carswell，1990)。這種模式可以解釋部分淺部尖晶石橄欖巖的侵位機制，但對形成于大陸巖石圈深部超過70km 的石榴橄欖巖并不適用(van Roermund，2009a，b)。

在前人的工作基礎上，本文提出一種對造山帶石榴橄欖巖的簡單分類模型，該模型通過對造山帶石榴橄欖巖的溫壓條件及P-T 軌跡的限定來區(qū)分其成因類型，主要分為地幔楔成因和俯沖帶成因兩種類型。地幔楔成因的石榴橄欖巖又被進一步細分為四個亞類進而重建古老造山帶的古動力學環(huán)境。

2 造山帶石榴橄欖巖的成因分類模型

不同造山帶中的石榴橄欖巖在結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、地球化學及年代學特征上均存在較大差異(Brueckner and Medaris，2000)，造成這種差異的原因主要有1)石榴橄欖巖的原巖來自不同的地幔源區(qū);2)受洋殼/陸殼俯沖過程中流體的影響;3)侵位于不同類型的陸殼巖石中。近幾十年來，針對世界范圍內(nèi)造山帶石榴橄欖巖的研究，已有不同的分類方法被提出(Brueckner and Medaris，2000;Zhang et al.，2000)。通過對造山帶石榴橄欖巖形成與演化過程的詳細研究，可以將其劃分為以下五個主要過程:1)大陸巖石圈地幔的形成與演化過程;2)俯沖盤上方地幔楔的形成過程;3)地幔楔石榴橄欖巖侵入俯沖陸殼侵位機制;4)攜帶石榴橄欖巖的俯沖陸殼物質(zhì)的折返過程;5)與俯沖帶流體/熔體相互作用發(fā)生水-巖/熔-巖反應過程。以上五個地球動力學過程在石榴橄欖巖中均有較好的記錄。對造山帶石榴橄欖巖開展詳細的野外勘察與室內(nèi)實驗研究有助于我們對造山帶演化過程的進一步限定。

本文提出的石榴橄欖巖分類模型中將上述五個俯沖帶形成與演化相關的過程歸結(jié)為兩個主要地球動力學過程:1)板塊匯聚作用發(fā)生之前(＞200Ma)大陸巖石圈地幔的形成過程;2)陸殼俯沖/碰撞過程中大陸巖石圈地幔楔的形成，及地幔楔物質(zhì)侵位大陸地殼并發(fā)生折返過程。這兩個動力學過程在石榴橄欖巖演化P-T 圖中得到了很好的體現(xiàn)(圖1b，c)。圖1b 表示在假設巖石圈地幔形成于軟流圈地幔上升過程的情況下，產(chǎn)于大陸巖石圈地幔中的石榴橄欖巖形成時的P-T 條件，即為地幔楔型石榴橄欖巖，此類石榴橄欖巖中的含石榴石相礦物組合即可以形成于發(fā)生深俯沖之前巖石圈地幔形成階段(圖2a1-d1)，同樣也可以形成于俯沖過程中大陸地殼所捕獲的淺部地幔楔物質(zhì)(圖2a2-d2)。圖1c 則表示殼源橄欖巖在經(jīng)歷俯沖帶演化過程中經(jīng)歷進變質(zhì)作用獲得石榴石相礦物組合的P-T 條件，即為俯沖帶型石榴橄欖巖。該分類模型的優(yōu)點在于可以利用計算石榴橄欖巖不同期次礦物組合的簡單計算方法來對其物質(zhì)來源及成因類型進行限定。

2.1 地幔楔型石榴橄欖巖

圖1 造山帶中不同石榴橄欖巖的成因關系及P-T 圖解(a)俯沖帶型石榴橄欖巖的兩種原巖類型關系圖解;(b)地幔楔型石榴橄欖巖形成與演化過程P-T 圖解;(c)俯沖帶型石榴橄欖巖中變質(zhì)石榴石-橄欖石礦物組合形成的溫壓范圍Fig.1 The genesis and P-T diagram of the orogenic garnet peridotite(a)the relationship diagram of the two type of protolith of subduction zone garnet peridotite;(b)the P-T diagram illustrated the formation and evolution of the mantle wedge garnet peridotite;(c)the P-T ranges of the formation of garnet-olivine assemblage of the subduction zone garnet peridotite

在本文的石榴橄欖巖分類模型中，地幔楔型石榴橄欖巖形成于軟流圈上涌經(jīng)歷等壓冷卻過程形成的古老大陸巖石圈地幔及克拉通巖石圈地幔中(圖1b)。該型石榴橄欖巖在大陸深俯沖過程中被俯沖的地殼所捕獲并隨之折返到淺部地殼。其記錄的P-T 條件可能代表古老巖石圈地幔形成時的狀態(tài)，一般可以早于深俯沖作用幾億年(Brueckner et al.，2010)。同樣的，地幔楔型石榴橄欖巖也可以產(chǎn)出于相對年輕的大陸巖石圈地幔中，這種巖石圈地幔形成于軟流圈物質(zhì)上涌到已有的巖石圈地幔底部發(fā)生熔巖反應形成新的巖石圈地幔過程(圖2)。此類地幔楔型石榴橄欖巖記錄的P-T條件可能反應了古老巖石圈地幔的增生過程(Spengler et al.，2006;van Roermund，2009b)。地幔楔型石榴橄欖巖中所記錄的P-T 條件決定于巖石圈地幔的厚度及其形成時間與其經(jīng)歷俯沖帶作用形成地幔楔過程的時間差(t)。不同類型的巖石圈厚度差別較大，一般認為大洋巖石圈厚約為40km，普通大陸巖石圈厚度為100km，而克拉通巖石圈的厚度則為150 ～200km。形成于克拉通巖石圈底部的石榴橄欖巖中的礦物組合保存的壓力條件較大洋巖石圈和普通大陸巖石圈要高很多。另一方面，如果巖石圈地幔形成時間與進入俯沖帶時間間隔較大(如t ＞＞250Ma)，則其中石榴橄欖巖記錄的溫壓條件則為穩(wěn)定大陸或克拉通巖石圈的地熱梯度(如圖1b 中A 和C 所示)。如果軟流圈上涌過程與俯沖帶形成同時發(fā)生，或者時間間隔較短，則新生的巖石圈地幔沒有足夠的時間冷卻，其中保存的石榴橄欖巖所記錄的溫度則相對較高(＞1100℃)。

基于地幔楔型石榴橄欖巖形成的巖石圈厚度及其熱狀態(tài)的差異，可將其分為四種代表不同溫壓條件及成因的亞類(如圖1b)。軟流圈物質(zhì)上涌溫度變化一般介于1350 ～1750℃之間，圖1b 中簡化為邊界溫度下兩條等壓降溫曲線。在高溫高壓條件下，壓力條件降至干橄欖巖固相線時，石榴橄欖巖會隨之發(fā)生減壓熔融作用，這也是甄別地幔楔型石榴橄欖巖的重要標志之一。在軟流圈物質(zhì)達到原有巖石圈地幔底部經(jīng)歷減壓熔融過程以后，其中石榴橄欖巖經(jīng)歷等壓降溫的冷卻過程。如果石榴橄欖巖形成于厚的克拉通型巖石圈地幔底部(約150km)，則可能發(fā)生如下兩種情況:

(1)在巖石圈地幔形成后有足夠冷卻時間的情況下，石榴橄欖巖中保存的溫壓條件應與圖1b 中所示克拉通巖石圈地幔相應深度穩(wěn)定地熱梯度的溫壓條件相似(如圖1b 及圖2中的A 型石榴橄欖巖)，其保存的含石榴石相礦物組合的年齡應遠大于俯沖帶的形成年齡。

(2)在巖石圈地幔形成后沒有足夠時間冷卻而進入俯沖帶形成地幔楔的情況下，石榴橄欖巖中所記錄的溫壓條件則會明顯高于同深度克拉通巖石圈地幔的地熱梯度(T ≥1200℃)。除此之外，含石榴石相礦物組合的形成年齡應與大陸深俯沖事件時間相近(如圖1b 及圖2 中的B 型石榴橄欖巖)。

圖2 地幔楔型石榴橄欖巖四個亞類對應的大地構(gòu)造環(huán)境及俯沖帶演化過程圖中A-D 四種類型分別對應圖1b 中的地幔楔石榴橄欖巖的A-D 四個亞類. 圖中a1-d1 表示巖石圈地幔形成時的構(gòu)造環(huán)境，而a2-d2 表示發(fā)生俯沖作用在地幔楔中形成不同類型石榴橄欖巖的過程Fig.2 The tectonic settings and subduction zone evolution processes corresponded to the four subtypes of the mantle wedge garnet peridotiteThe A-D four types corresponded to the A-D subtypes of mantle wedge garnet peridotite in Fig.1b. The a1-d1 in this figure illustrates the tectonic settings of the formation of the lithospheric mantle，whereas the a2-d2 illustrates the processes of garnet peridotite formation in the mante wedge during subduction

如果石榴橄欖巖形成于普通巖石圈地幔底部(深度約100km)，其形成的地質(zhì)過程應與上述兩種情況類似，但礦物組合中所保存的壓力條件明顯偏低(如圖1b 及圖2 中的C、D 型石榴橄欖巖)。如圖2 所示地幔楔型石榴橄欖巖每一種亞類均包括巖石圈地幔形成(圖2a1-d1)及其俯沖帶演化過程(圖2a2-d2)。地幔楔型石榴橄欖巖進入俯沖帶最簡單的方式為被俯沖陸殼從不同深度的地幔楔中捕獲(Brueckner and Medaris，2000)，進而俯沖到更深的地幔深度經(jīng)歷俯沖帶變質(zhì)作用或被折返陸殼捕獲而直接帶到淺部地殼層次。伴隨發(fā)生的重結(jié)晶作用及變形過程使得地幔楔型石榴橄欖巖的礦物組合、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及地球化學特征均被不同程度的改造或被完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦_帶型石榴橄欖巖(Dijkstra et al.，2004)。

2.2 俯沖帶型石榴橄欖巖

俯沖過程中進變質(zhì)作用使殼源低壓礦物組合獲得含石榴石礦物組合形成俯沖帶型石榴橄欖巖。其原巖可能由殼源的鎂鐵質(zhì)巖漿分異或者是在巖石圈淺部形成的蛇紋巖、斜長石橄欖巖、尖晶石橄欖巖等。這種石榴橄欖巖常與榴輝巖互層產(chǎn)出并經(jīng)歷相似的變質(zhì)演化過程。部分俯沖帶型高壓/超高壓石榴橄欖巖中保存有完好的低壓礦物組合，如大別造山帶毛屋地區(qū)石榴石變斑晶中包裹的剛玉、斜綠泥石、角閃石等包體(Liou and Zhang，1998)。挪威西片麻巖地區(qū)Fe-Ti型石榴橄欖巖也屬于此種類型(Jamtveit，1987;Vrijmoed et al.，2006)。俯沖帶型石榴橄欖巖中含石榴石相礦物組合記錄了俯沖/碰撞過程的時代，巖石中保存的進變質(zhì)P-T 軌跡都是區(qū)別于B 型及D 型地幔楔石榴橄欖巖的重要標志。

3 石榴橄欖巖分類模型的適用性

我們選擇斯堪的納維亞加里東期造山帶和中國柴北緣含超高壓礦物的石榴橄欖巖對本分類模型的適用性進行探討。對前人研究獲得的石榴橄欖巖的溫壓條件及同位素年代學數(shù)據(jù)進行對比研究，如果已發(fā)表的數(shù)據(jù)與我們的理論模型相符，則該模型便可以作為重建造山帶石榴橄欖巖地質(zhì)動力學背景的首要依據(jù)。

3.1 斯堪的納維亞加里東期造山帶

斯堪的納維亞加里東期造山帶是一條早古生代造山帶，其中可見一系列構(gòu)造推覆體(圖3)，其中包含復雜的高級片麻巖基底和表殼巖石。多數(shù)高級片麻巖為前寒武紀結(jié)晶基底，時代與出露于外來體東部的波羅的陸殼一致。然而一些片麻巖，特別是出露于大陸西部地區(qū)的巖石，如西片麻巖地區(qū)顯示出加里東期的結(jié)晶時代，該時代代表了波羅的大陸經(jīng)歷不同程度的加里東期變質(zhì)事件發(fā)生再活化的時間。斯堪的納維亞加里東期造山帶中四個主要地體中均有石榴橄欖巖的報道，其產(chǎn)出位置見圖3。

3.1.1 西片麻巖(WGR)地區(qū)

圖3 斯堪的納維亞加里東期造山帶構(gòu)造簡圖及石榴橄欖巖出露位置(據(jù)Brueckner and van Roermund，2004 修改)Fig. 3 The sketch geological map of the Scandinavian Caledonides and the position of the garnet peridotite(modified after Brueckner and van Roermund，2004)

WGR 是斯堪的納維亞加里東期造山帶的下部構(gòu)造單元，它位于波羅的大陸的最外緣，形成于斯堪的納維亞碰撞時期(Krogh，1977)。區(qū)內(nèi)出露有與大陸巖石圈形成相關的橄欖巖體。WGR 北部地區(qū)出露的橄欖巖體中含有石榴石，其穩(wěn)定的溫壓條件為700 ～950℃，2.0 ～6.0GPa(Medaris and Carswell，1990;Cuthbert et al.，2000;van Roermund，2009a;Brueckner et al.，2010)。斯堪的納維亞地區(qū)造山帶石榴橄欖巖及與之伴生的俯沖地殼物質(zhì)中微型金剛石的發(fā)現(xiàn)表明這些巖石在斯堪的納維亞造山作用過程中經(jīng)歷了相同的俯沖演化過程(Spengler et al.，2009;van Roermund，2009b)，而太古代和中元古代石榴橄欖巖中輝石出溶物的發(fā)現(xiàn)表明WGR 石榴橄欖巖的起源深度遠大于其圍巖片麻巖(van Roermund and Drury，1998)。

WGR 地區(qū)出露兩種不同成分的石榴橄欖巖(Fe-Ti 型和Mg-Cr 型，Carswell et al.，1983)，F(xiàn)e-Ti 型石榴橄欖巖礦物組合記錄了進變質(zhì)演化過程，被認為是低壓的(超)鎂鐵質(zhì)地殼侵入體在斯堪的納維亞俯沖時期變質(zhì)而成(Jamtveit et al.，1991)。由于同位素體系不平衡，Jamtveit et al. (1991)未能準確獲得WGR 地區(qū)Eiksunddal 雜巖中Fe-Ti 型石榴橄欖巖的Sm-Nd 年齡，但測得同一個雜巖體中榴輝巖的Sm-Nd 同位素年齡為412 ～612Ma，與WGR 地區(qū)的斯堪的納維亞Sm-Nd 變質(zhì)時代一致(Griffin and Brueckner，1980)。加里東期微晶金剛石的發(fā)現(xiàn)(Vrijmoed et al.，2006，2008)，進一步揭示了WGR 北部Svartberget 地區(qū)Fe-Ti 石榴橄欖巖的俯沖起源，在石榴橄欖巖分類模型中為“俯沖帶型石榴橄欖巖”。

Mg-Cr 型石榴橄欖巖多產(chǎn)于重結(jié)晶的綠泥石橄欖巖中，與其圍巖角閃巖相片麻巖具有相同的巖相特征(Carswell，1986;Jamtveit，1984)。其中特殊的上地幔礦物，全巖化學成分和同位素特征顯示Mg-Cr 型石榴橄欖巖起源于高度虧損的大陸巖石圈地幔(Brueckner，1977)。Mg-Cr 石榴橄欖巖與之伴生的石榴輝石巖Sm-Nd 及Re-Os 同位素特征表明其中早期的含石榴石礦物組合形成于中元古代時期或者更老(Jamtveit et al.，1991;Brueckner et al.，2002，2010;Lapen et al.，2005)，形成年齡遠大于斯堪的納維亞大陸發(fā)生碰撞的年齡。基于對WGR 最北部地區(qū)Mg-Cr 石榴橄欖巖詳細的巖相學，礦物化學，地球化學，同位素年代學研究，前人將其劃分為三個主要的演化階段:太古代(M1)、元古代(M2)巖石圈地幔形成與演化過程及斯堪的納維亞期(M3)超高壓變質(zhì)作用及橄欖巖侵位過程(van Roermund，2009b)。硫化物Re-Os 同位素年齡表明石榴橄欖巖中橄欖石，石榴石和斜方輝石巨晶所組成的的礦物組合(M1)形成于太古代(Brueckner et al.，2002)，后被M1 礦物組合的2.53Ga 和2.9Ga Sm-Nd 模式年齡進一步限定(Spengler et al.，2006)。這些同位素年齡數(shù)據(jù)清楚的顯示高度虧損的石榴橄欖巖具有太古代特征。Mg-Cr 型石榴石橄欖巖巖體的石榴石巨晶中輝石出溶片晶的發(fā)現(xiàn)(van Roermund and Drury，1998;van Roermund et al.，2001)表明石榴石中包含相當含量的超硅石榴石組分(5% ～8%)，這說明了高溫條件下石榴石的最小形成壓力為6.0 ～6.5GPa(van Roermund et al.，2000)，解釋為軟流圈物質(zhì)對流上涌穿越干的橄欖巖固相線，導致高溫壓減壓熔融的結(jié)果(van Roermund and Drury，1998;Spengler et al.，2006)。減壓熔融伴隨著難熔橄欖巖在石榴石-橄欖石穩(wěn)定域增生至克拉通巖石圈底部(1% 鎂鐵榴石，van Roermund，2009a)冷卻到達該深度的地溫梯度。石榴石橄欖巖中元古代含石榴石礦物組合(M2)由太古代礦物組合重結(jié)晶而形成(Brueckner et al.，2002;Spengler et al.，2006)，其形成溫壓條件為1300 ～1500℃、3.0 ～4.5GPa(Carswell and van Roermund，2005)。由于M3 期微晶金剛石的發(fā)現(xiàn)，認為Mg-Cr 型石榴石橄欖巖侵位大陸地殼發(fā)生的溫壓條件為840～900℃，3.4 ～4.1GPa(Jamtveit，1987;van Roermund et al.，2002;Scambelluri et al.，2010)。Spengler et al. (2009)獲得的含微晶金剛石的M3 礦物集合體的Sm-Nd 平均年齡為430Ma，說明Mg-Cr 型石榴橄欖巖在斯堪的納維亞俯沖/碰撞早期發(fā)生了超高壓變質(zhì)作用。

3.1.2 Seve Nappe 雜巖地區(qū)

根據(jù)巖石的伴生關系和碎屑鋯石的源區(qū)年齡，Seve Nappe 雜巖被認為是波羅的大陸西緣和古大西洋之間的洋陸轉(zhuǎn)換區(qū)(Brueckner and van Roermund，2007)。前人在Seve Nappe 的J?mtland 區(qū)域發(fā)現(xiàn)榴輝巖，石榴石橄欖巖及石榴輝石巖的高壓巖石組合認為其曾經(jīng)歷了高壓變質(zhì)作用(圖3，van Roermund，1989)。

J?mtland 地區(qū)包含一套中-高級泥質(zhì)到長英質(zhì)片巖和片麻巖，角閃巖，榴輝巖和次生大理巖及其中包裹的石榴橄欖巖。石榴橄欖巖透鏡體的變質(zhì)溫壓條件為620 ～796℃，1.9～2.1GPa(圖4a，b;van Roermund，1989)，其Sm-Nd 礦物等時線年齡452.9 ±5.3Ma 表明含石榴石巖石的結(jié)晶年齡與相鄰的榴輝巖的結(jié)晶年齡一致(Brueckner et al.，2004)。硫化物的Re-Os 同位素研究表明石榴橄欖巖的原巖年齡至少為元古代，或者更晚至晚太古代(Brueckner et al.，2004);結(jié)合Sm-Nd 同位素和微量元素研究認為石榴橄欖巖起源于古老的巖石圈地幔而非先前認為的大洋巖石圈。此外，斜方輝石顆粒Sm-Nd 同位素研究給出了石榴石橄欖巖中元古代的模式年齡，斜方輝石富集的微量元素特征則與俯沖帶流體疊加作用有關。石榴橄欖巖的地球化學特征顯示J?mtland 橄欖石起源于從古大西洋裂解形成的微陸塊巖石圈地幔(厚度約60km，Brueckner and van Roermund，2007)。以上研究結(jié)果表明J?mtland 石榴橄欖巖屬于分類模型中C 型的地幔楔石榴石橄欖巖，其原巖形成于相對較薄的大陸巖石圈地幔底部。

3.1.3 Troms? Nappe 雜巖地區(qū)

Troms? Nappe 包含一系列多期變質(zhì)的高級變質(zhì)沉積物(含石榴石云母片巖、大理巖、鈣硅酸巖巖石)，伴隨著大量鎂鐵質(zhì)巖體和少量超鎂鐵質(zhì)巖石如石榴橄欖巖和純橄欖巖(Ravna and Roux，2006;Ravna et al.，2006)。Ravna et al.(2006)通過對石榴橄欖巖中石榴石礦物包裹體的巖石學研究得到粗粒石榴石核部的角閃石和綠泥石包體及邊部的單斜輝石、貧鉻尖晶石包體是從基質(zhì)中的石榴石、鎂橄欖石，透輝石和富鉻尖晶石繼承而來。這一系列的礦物組合演化被用來解釋俯沖過程中溫壓條件為675 ～740℃，1.4 ～2.4GPa的進變質(zhì)演化過程，此類石榴橄欖巖屬于俯沖帶型石榴橄欖巖。同區(qū)域出露的榴輝巖中石榴石+綠輝石+多硅白云母礦物組合計算得出了更高的變質(zhì)條件(735℃，3.36GPa)，表明Troms? Nappe 曾經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用(Ravna and Roux，2006)。榴輝巖中鋯石保存的變質(zhì)年齡為452 ±2Ma(Corfu et al.，2003)，該年齡與Seve Nappe 雜巖中榴輝巖和石榴石橄欖巖的高壓變質(zhì)年齡一致。

3.1.4 Lind?s Nappe 雜巖地區(qū)

Lind?s Nappe 位于斯堪的納維亞加里東造山帶南部(圖3)，Lind?s Nappe 主體由斜長巖-花崗閃長巖組合在920 ～1230Ma 麻粒巖相條件下變質(zhì)而成(Bingen et al.，2001)。Lind?s Nappe 中橄欖巖巖體(二輝橄欖巖、異剝橄欖巖)呈透鏡狀產(chǎn)出，與斜長巖互層。橄欖巖與其寄主巖石具有相似的麻粒巖相礦物組合(Austrheim，1990)，Kühn et al. (2000)將其解釋為尖晶石橄欖巖原巖形成于元古代(840 ～992Ma)下部地殼層次。尖晶石橄欖巖轉(zhuǎn)化為石榴橄欖巖的過程記錄了與加里東期陸-陸碰撞相關的高壓變質(zhì)作用，該變質(zhì)作用發(fā)生于440 ～460Ma 之間，導致麻粒巖相殼源巖石進入650 ～700℃，1.6 ～2.1GPa 高壓變質(zhì)范圍內(nèi)(Krogh et al.，1990;Bingen et al.，2001)。綜上，Lind?s Nappe 橄欖巖被認為是俯沖帶型石榴橄欖巖。

圖4 斯堪的納維亞加里東期造山帶石榴橄欖巖的溫壓數(shù)據(jù)匯總(d)中P-T 軌跡1，2，3，4 分別與(1)van Roermund (2009b);(2)Ravna et al. (2006);(3)Jamtveid et al. (1989);(4)Brueckner et al.(2010)對應Fig.4 The published P-T data of the garnet peridotite from Scandinavian CaledonidesThe P-T path in Fig.4d corresponded to the one published from (1)van Roermund (2009b);(2)Ravna et al. (2006);(3)Jamtveid et al.(1987);and (4)Brueckner et al. (2010)

我們總結(jié)了斯堪的維亞地區(qū)出露于不同構(gòu)造層次的石榴石橄欖巖保存的巖石學及變質(zhì)溫壓條件特征。石榴橄欖巖礦物-地球化學特征所記錄的變質(zhì)條件列于表1 中。在參考石榴橄欖巖原巖年齡的基礎上，在橄欖巖分類模型P-T 圖中繪制其形成溫壓范圍(圖4)。地幔楔型和俯沖帶型石榴橄欖巖具有典型的溫壓范圍特征。具有普通巖石圈地幔(SCLM1)溫壓條件特征的石榴橄欖巖(圖4a 中T，SP和LP)均產(chǎn)于斯堪的納維亞加里東期造山帶的上部外來塊體(圖3中藍色和綠色區(qū)域)，代表相對淺的巖石圈地幔(C 型地幔楔石榴橄欖巖)及部分地殼物質(zhì)。除此之外，其經(jīng)歷俯沖帶變質(zhì)作用的時間均為加里東造山帶形成初期階段(＞425Ma)，變質(zhì)程度相對較淺(圖4b)。然而，產(chǎn)于相對較厚的克拉通型巖石圈地幔(SCLM2)中的石榴橄欖巖僅在挪威西片麻巖地區(qū)有所出露(圖4a 中M2c、M2d1、M2d2)，代表造山帶的底部構(gòu)造單元(圖3)，其溫壓條件結(jié)合同位素年代學數(shù)據(jù)代表了厚的古老的冷的克拉通巖石圈地幔特征(A 型地幔楔石榴橄欖巖)。此類石榴橄欖巖進入俯沖帶的時間較前者晚(＜425Ma)，并經(jīng)歷了深俯沖變質(zhì)作用(圖4b 所示約150 ～200km)。上述石榴橄欖巖溫壓條件及年代學特征均與本文提出的地幔楔(A，C 型)和俯沖帶型石榴橄欖巖分類依據(jù)相吻合，說明該分類模型可以適用于斯堪的納維亞加里東造山帶的石榴橄欖巖分類方案。

表1 斯堪的納維亞加里東期造山帶及柴北緣造山帶石榴橄欖巖的溫壓條件匯總Table 1 The published P-T data of garnet peridotite from Scandinavian Caledonides and North Qaidam orogen，China

3.2 我國柴達木盆地北緣造山帶

圖5 柴北緣超高壓帶地質(zhì)簡圖及其中石榴橄欖巖溫壓條件匯總(a，據(jù)Song et al.，2006 修改)圖c 中:G-lh-石榴二輝橄欖巖;GP-石榴輝石巖Fig.5 The Sketch geological map of the North Qaidam UHPM belt and the published P-T data of the garnet peridotite in it (a，modified after Song et al.，2006)In Fig.5c:G-lh-garnet lherzolite;GP-garnet pyroxenite

綠梁山石榴橄欖巖產(chǎn)于我國西北部柴北緣超高壓變質(zhì)帶中(圖5a)，巖石組合類型為含石榴石純橄欖巖，石榴石方輝橄欖巖，石榴石二輝橄欖巖，石榴石輝石巖和尖晶石純橄欖巖(楊建軍等，1994;Song et al.，2004，2005a，b，2007，2009a，b;Yang and Powell，2008)。3 個純橄欖巖和石榴石橄欖巖樣品Sm-Nd 同位素研究結(jié)果顯示εNd為負值，這與洋殼或者大陸巖石圈地幔起源的物質(zhì)有明顯不同(Song et al.，2007)。石榴石二輝橄欖巖中巖漿鋯石核部年齡為457 ±22Ma，被解釋為為石榴石橄欖巖原巖的年齡(Song et al.，2005b)。根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)特征，礦物化學特征及地球化學特征，Song et al.(2007，2009a，b)認為綠梁山石榴橄欖巖起源于中奧陶紀阿拉斯加弧下型層狀低壓侵入體。Yang and Powell(2008)則根據(jù)石榴石、單斜輝石變斑晶中保存的利蛇紋石、陽起石、綠泥石及方解石等低溫低壓礦物，利用Thermalcalc 相平衡模擬方法，認為石榴二輝橄欖巖的原巖來自于被蛇紋石化的深海橄欖巖，由于俯沖過程中蛇紋巖脫水作用形成了現(xiàn)今保留的礦物組合。以上研究均認為綠梁山石榴橄欖巖應屬于殼源俯沖帶型石榴橄欖巖。

圖5 柴北緣超高壓帶地質(zhì)簡圖及其中石榴橄欖巖溫壓條件匯總(a，據(jù)Song et al.，2006 修改)

近年來，利用純橄欖巖Re-Os 同位素測試技術，獲得了純橄欖巖太古代的Re-Os 模式年齡(tRD= 2.6Ga，tMA=2.8Ga)，該年齡代表了原始熔融虧損事件的最小估計值，從而綠梁山石榴橄欖巖的另一種成因模式被提出(Shi et al.，2010;Xiong et al.，2015)。石榴石二輝橄欖巖和石榴石橄欖巖具有較高的全巖Ca，Al 和較高的Mg(Mg#＜92)，可投點于元古代大陸巖石圈地幔域(Griffin et al.，1999)，與太古代Re-Os 同位素年齡相結(jié)合，表明綠梁山石榴石橄欖巖可以代表了華北克拉通之下古老的太古代克拉通巖石圈地幔經(jīng)熔體抽離之后的殘留物(純橄欖巖，方輝橄欖巖，Shi et al.，2010)，與圖1 中A 型或C 型地幔楔石榴橄欖巖一致。石榴石中的金紅石+輝石+鈉質(zhì)角閃石出溶片晶及橄欖石中的鈦鐵礦，鋁鉻鐵礦和鋯石中的微晶金剛石包體均說明了綠梁山橄欖巖的原巖經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用，變質(zhì)溫壓條件為900 ～1000℃，5.5 ～6.5GPa(圖5b 中的L1，Song et al.，2004，2005b，2009a)。含金剛石的鋯石變質(zhì)時代被測定為423 ±5Ma(Song et al.，2005b)，表明石榴橄欖巖曾隨陸殼俯沖至超過200km 以下的地幔深度(Song et al.，2007)。綠梁山石榴橄欖巖的原巖經(jīng)歷了地幔(楔)演化過程及后期的俯沖帶變質(zhì)疊加過程，與分類模型中的地幔楔型石榴橄欖巖相吻合(圖5c)。

針對綠梁山同一巖體的巖石學及同位素地球化學研究得到了對于石榴橄欖巖起源兩種不同的認識，如殼源低壓原巖經(jīng)歷俯沖帶進變質(zhì)作用獲得石榴石相礦物組合而形成俯沖帶型石榴橄欖巖或來自于巖石圈地幔下部的虧損橄欖巖經(jīng)歷元古代或古生代的熔體“再富集”作用后進入俯沖帶中經(jīng)歷超高壓變質(zhì)作用改造過程。產(chǎn)生這兩種分歧的主要原因在于強烈的俯沖帶變質(zhì)改造可能重塑了石榴橄欖巖的巖石學及同位素特征，從而部分或完全抹掉了其攜帶的地幔(楔)演化過程信息。

4 討論與結(jié)論

大陸巖石圈地幔的成分和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是建立大陸巖石圈地幔模型的基礎，反應了地球演化過程中地球化學和構(gòu)造演化特征(Griffin et al.，1999)。金伯利巖和深源火山巖中的捕虜體及捕擄晶是研究地幔成分及結(jié)構(gòu)信息的主要來源。隨著造山帶超高壓變質(zhì)作用的深入研究，古老造山帶中出露的石榴橄欖巖為我們研究造山帶巖石圈地幔的物理化學性質(zhì)提供了一個新的窗口。它們可用于研究巖石圈地幔的形成，俯沖帶地幔楔的演化，石榴橄欖巖侵位俯沖陸殼的動力學機制及隨之發(fā)生的深俯沖及折返作用等一系列地質(zhì)過程。為研究造山帶石榴橄欖巖中蘊含的上述地質(zhì)過程信息，我們提出一種依據(jù)其形成溫壓條件和構(gòu)造環(huán)境對其進行分類的簡單分類模型，把造山帶石榴橄欖巖劃分為地幔楔型和俯沖帶型兩種類型，其中地幔楔型石榴橄欖巖的研究與大陸巖石圈的形成與演化過程關系密切。對于斯堪的納維亞加里東造山帶石榴橄欖巖來說，我們的分類模型能與前人發(fā)表的區(qū)內(nèi)石榴橄欖巖的巖相學、礦物化學、地球化學以及同位素特征很好的吻合。雖然我國柴北緣綠梁山石榴橄欖巖尚不能確定其在分類模型中的位置，但對于已發(fā)表的兩種不同石榴橄欖巖的形成假說均有較好的對應關系，如俯沖帶型石榴橄欖巖(Song et al.，2009a)及A 型或C 型地幔楔型石榴橄欖巖(Shi et al.，2010;Xiong et al.，2015)，說明該分類模型具有廣泛的適用性。

該分類模型提出一種對石榴橄欖巖的簡單分類方案，其最重要的分類標準有兩個:(1)石榴橄欖巖由地幔楔被俯沖大陸地殼捕獲時所記錄的溫度T(如圖2 中區(qū)分冷/熱地幔楔);(2)俯沖帶上盤巖石圈地幔的厚度(如圖2 中區(qū)分克拉通型和普通大陸型巖石圈地幔)。同時發(fā)生部分(減壓)熔融作用的時間及深度也是對造山帶石榴橄欖巖分類的重要參數(shù)。圖1b 中所示的減壓熔融作用發(fā)生在不同溫度的軟流圈物質(zhì)上涌過程中，當溫度達到干二輝橄欖巖固相線時，形成熔體及殘余難熔物質(zhì)，熔體可能保留在體系中參與反應，也可能從體系中分離，視熔體規(guī)模及地幔的熱結(jié)構(gòu)而定。當熾熱的軟流圈物質(zhì)上升到已有巖石圈地幔底部發(fā)生冷凝作用，部分難熔殘余地幔橄欖巖則記錄了當時巖石圈地幔的形成深度及熱狀態(tài)(van Roermund，2009b)。另一種情況是相對冷的軟流圈物質(zhì)上涌，減壓熔融程度較低，則可能形成相對富集的巖石圈地幔，這種富集型巖石圈地幔同樣可以由后期基性巖墻與早期形成的虧損地幔物質(zhì)反應而來。對于地幔楔型石榴橄欖巖，我們還應該區(qū)分其不同期次的含石榴石相礦物組合及其顯微構(gòu)造，因為巖石圈地幔形成與演化過程中形成的礦物組合與俯沖帶變質(zhì)作用產(chǎn)生的礦物組合在礦物學特征及成分上具有較大差別，如礦物的顆粒大小、包體類型、單礦物微量元素等諸多方面。通過對造山帶石榴橄欖巖的巖石學、礦物學、地球化學及同位素特征的研究，結(jié)合其礦物組合中保留的P-T 軌跡信息，我們能夠利用本文提出的分類模型重建造山帶巖石圈地幔的動力學環(huán)境及古俯沖帶的演化過程。

致謝 成文過程中與北京大學張立飛教授及荷蘭烏特勒支大學van Roermund 教授等進行了深入的討論，兩位教授均給出了建設性意見;兩位匿名審稿人提出了寶貴的建議和意見;在此一并表示感謝。

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