1.   概述

近年来对喜马拉雅造山带的研究已取得一些重要的进展, Pognante等^[1]在高喜马拉雅构造带西构造结巴基斯坦北部的Babusar Pass地区和Kaghan山谷发现了始新世的榴辉岩和麻粒岩, 继后Guillot等^[2]又在西构造结印度西北部的Tso Morari地区发现了榴辉岩, Zhong等^{[3, 4]}和刘焰等^{[5, 6]}在东喜马拉雅构造结的大拐弯一带发现了高压麻粒岩.这些发现引起了国内外的广泛关注, 对研究喜马拉雅造山带早期的碰撞和后期的隆升均具有十分重大的意义.在喜马拉雅带的中段, Lombardo和Rolfo^[7]曾根据马卡鲁附近的镁铁质变质岩中石榴石和辉石(已消失) 典型的降压反应现象, 推测该区可能存在过榴辉岩, 但并未找到真正榴辉岩的矿物组合.本文工作地区位于西藏定结县境内, 构造位置位于喜马拉雅造山带的高喜马拉雅带中段, 与Lombardo报道的退变质榴辉岩的位置相近(图 1), 镁铁质麻粒岩及其降压退变质产物发现于高喜马拉雅结晶岩系中, 岩相学及矿物化学研究发现, 其早期的高压矿物组合为Grt (Alm_51.56-56.19Gro_19.06-28.30Pyr_14.57-19.57)+Cpx (富铝) +Ru+Q, 尽管已达到了由麻粒岩相向榴辉岩相转变的压力条件(斜长石已完全消失), 但由于温度和原岩组成(极低Na₂O) 的制约, 并未形成榴辉岩的标志矿物绿辉石, 只能定名为石榴辉石岩, 排除了Lombardo和Rolfo^[7]推测的榴辉岩存在的可能.此外, 本次研究亦发现石榴辉石岩降压退变质形成的麻粒岩相矿物组合Opx+Pl+Cpx+Sp和角闪岩相矿物组合Am+Pl+Q记录, 对研究喜马拉雅造山带的造山和隆升过程具有重要的意义.

图  1  工作区地质简图

1.构造分区断层；2.基底与盖层间的折离断层；3.正断层；4.聂拉木群曲乡岩组；5.聂拉木群江东岩组；6.古生代－新生代盖层；7. 拉轨岗日群；8.基性变质岩透镜体；9.样品位置

Fig.  1.  Geological sketch map of study area

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2.   样品描述

石榴辉石岩和镁铁质麻粒岩分布十分局限, 主要呈透镜体形态产于高喜马拉雅结晶岩系中, 围岩为聂拉木群的花岗质片麻岩(图 2) 和石英岩及石英片岩.透镜体一般长80 cm至300 cm, 厚30~100 cm.石榴辉石岩仅保存在规模较大的透镜体核部, 向边缘逐渐退变质为二辉麻粒岩、榴闪岩和斜长角闪岩.

图  2  片麻岩中的镁铁质麻粒岩透镜体

Fig.  2.  Lens of mafic granulite in gneiss

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石榴辉石岩: 原始矿物组合为石榴石(15%~25%)、富铝单斜辉石(40%~50%) 和石英及少量的金红石, 但岩石中降压退变质强烈, 石榴石与富铝单斜辉石粒间普遍发育由斜方辉石(10%~20%) +斜长石(15%~25%) 组成的后成合晶, 呈放射状、蠕虫状集合体环绕石榴石残晶分布(图 3a, 3b), 有时在后成合晶中还可见蠕虫状的低铝透辉石.富铝单斜辉石内部则被角闪石和斜长石交代穿孔, 边缘常具角闪石反应边.金红石在石榴石中呈包裹体产出, 多被钛铁矿交代.

图  3  石榴辉石岩及其降压退变质岩石的岩相学特征

a.石榴辉石岩、石榴石和单斜辉石之间发育有Opx+Pl+Cpx后成合晶(正交, 50×); b.石榴辉石岩中石榴石周围的蠕状后成合晶(单偏光, 100×); c.石榴辉石岩在麻粒岩相退变质, 形成以蠕状后成合晶(Opx+Pl+Cpx) 为主的麻粒岩相组合(单偏光, 50×); d.由麻粒岩相组合进一步退变质, 形成具石榴石假象的斜长角闪岩(单偏光, 50×)

Fig.  3.  Petrograph of the garnet-pyroxenite and retrograde rocks by decompression

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石榴二辉麻粒岩: 石榴辉石岩麻粒岩相退变质的产物, 矿物组成为蠕状斜方辉石(20%~25%)、蠕状单斜辉石(5%~10%)、蠕状斜长石(25%~35%)、角闪石(10%~15%)、石英(5%~8%)、黑云母(2%~5%).其中斜方辉石和斜长石、单斜辉石一起构成蠕状的后成合晶, 保留有石榴石的假象, 斜方辉石为紫苏辉石, 单斜辉石为低铝的透辉石, 斜长石成分变化较大, 交代石榴石者为原钙长石(w (An) > 90%), 与角闪石共生者为拉长石.石榴石和早期的单斜辉石完全消失, 或仅存少量的残晶(图 3c).

斜长角闪岩: 由石榴二辉麻粒岩进一步退变质形成, 其中的辉石+钙长石合晶进一步被角闪石和较酸性的斜长石取代, 但仍保留石榴石的晶形假象(图 3d), 石榴石完全消失.矿物组成为角闪石(45%~50%)、斜长石(35%~40%)、石英(5%~10%)、黑云母(5%~10%).

3.   矿物学特征

本文主要对石榴辉石岩中的原生矿物和其中的麻粒岩相后成合晶及角闪岩相退变质的造岩矿物进行了电子探针分析.测试仪器名称及型号为: 电子探针仪JCXA-733EP120089384;测试环境为温度20 ℃, 湿度50%;测试依据: GB/T1570-94.所有数据均在中国地质大学(武汉) 测试中心电子探针室完成.

3.1   辉石

电子探针分析结果显示, 工作区基性变质岩中的单辉石均为透辉石, 但不同变质条件下形成的单斜辉石的w (Al₂O₃) 和w (Na₂O) 变化较大: 石榴辉石岩中的原生单斜辉, w (Al₂O₃) 高(6.50%~6.89%), 并含有较高的w (Na₂O) (0.47%~0.67%), 含Jd (2.87%~5.44%) 分子和较高的CaTs (5.06%) 分子.后成合晶中的单斜辉石w (Al₂O₃) (4.38%~0.79%) 明显要低, 且具有连续降低的特点, w (Na₂O) 亦明显降低(0.30%~0.03%), 具连续降低的特点, Jd分子含量由2.01%渐降至0.这种成分变化显然与降压反应有关, 表明其形成于一种连续降压的滑变反应过程.斜方辉石只见于后成合晶中, 属斜紫苏辉, 富Fs分子, 对早期石榴石的成分具明显的继承性, 与单斜辉石一样, w (Al₂O₃) (0.52%~2.67%) 变化范围大, 表明是在连续降压条件下的滑变反应的产物(表 1).

表  1  辉石的电子探针分析结果

Table  Supplementary Table   Electron microprobe data of pyroxenes

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3.2   石榴石

石榴石主要为早期的交代残晶, 不同样品中者和由核部到边缘成分有一定的变化, 前者反应了原岩组成对石榴石成分的影响, 后者则与麻粒岩相的退变质有关.在0312样品中, 成分环带不明显, 石榴石较富w (CaO) (11.64%~11.73%), 但相对低w (MgO) (3.77%~4.11%).在278-4样中, 石榴石显示出较明显的环带构造, 核部成分均一, 相对于0312中者较富w (MgO) (5.53%~4.94%), 低w (CaO) (8.14%~9.63%), 边缘有一宽约100 m的反应环带, w (MgO) (2.99%)、w (CaO) (7.41%) 均有明显的降低, 应该与后成合晶中的辉石和斜长石达到了平衡.石榴石核部的主要端元组分变化范围为x (Alm) =50.97%~56.19%、x (Gro) =19.06%~28.30%、x (Pyr) =14.57%~20.50%, 与巴基斯坦境内发现的榴辉岩^[1]中的石榴石的成分十分一致, 在Winkler的Alm+Sps-Cro+And+Ua-Pyr图中, 落在B型和C型榴辉岩的重叠区内.石榴石边缘的反应环带为x (Alm) =63.73%、x (Gro) =16.70%、x (Pyr) =12.07%, 成分投点落在榴辉岩与麻粒岩的重叠区.

3.3   斜长石

斜长石是麻粒岩相退变质阶段的产物, 均为基性斜长石, 但成分变化较大, 不仅与样品有关, 在同一样品中的不同产出部位也有明显的变化.在0312样品中, 斜长石仅在Opx+Cpx+Pl后成合晶中出现, 为x (An) =54.70%的拉长石.在278-4样品中, 斜长石既存在于石榴石周围的Opx+Pl后成合晶中, 也出现在被交代的单斜辉石内部.前者随与石榴石距离的增加An分子降低, 在靠近石榴石的放射状后成合晶中, x (An) > 90%, 为罕见的原钙长石.在距离石榴石较远的蠕状后成合晶中为培长石(x (An) =73.70%), 而在单斜辉内部由单斜辉石分解出来的斜长石为拉长石(x (An) =69.2%).可见, 斜长石的成分对所交代的矿物也有一定的继承性, 其组成的较大变化也表明在降压抬升期间的反应尚未达到平衡, 是连续降压过程中滑变反应的结果(表 2).

表  2  石榴石、斜长石和角闪石的电子探针分析结果

Table  Supplementary Table   Electron microprobe data of Grt, Pl and Am

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3.4   角闪石

角闪石多为交代单斜辉石成因, 探针分析结果显示主要为镁普通角闪石, 个别为镁钙闪石, 成分投点均投在角闪岩相区.同样, 在同一样品中, 角闪石的成分也显示出较大的变化范围, 以0312样品为例, 其w (SiO₂) 为40.66%~45.20%, w (Al₂O₃) 为14.92%~9.27%, w (MgO) 为6.87%~11.56%.由于角闪石中的w (Al₂O₃) 对压力的反应较灵敏, 其较大的变化范围亦反映了不平衡条件的存在, 指示本区高压变质岩快速抬升的过程.

4.   变质温压条件的估算

综合上述资料可以看出, 代表本区峰期变质事件的石榴辉石岩的矿物组合为富铝Cpx+Grt+Q+Ru, 原生矿物中未发现斜长石, 而存在于富铝Cpx与Grt间的降压后成合晶组合为Opx+An±贫铝Cpx, 表明由石榴辉石岩向二辉石麻粒岩的转变存在着以下变质反应:

Cpx (富铝) +Q——An+Cpx (贫铝)

Grt+Q——An+Opx

这2个反应是高压麻粒岩向中压麻粒岩降压退变质的典型反应, 其反应过程则是由麻粒岩向高压麻粒岩、榴辉岩转变的过程, 并以斜长石的消失和绿辉石的出现作为榴辉岩相的临界标志^[8], 其反应压力在麻粒岩相温度范围(1 000 ℃) 附近, 视原岩成分的差别变化在1.2~1.7 GPa的范围内^[9], 由此可见, 本区发现的石榴辉石岩至少应是高压麻粒岩相的产物, 是喜马拉雅造山带中段高压变质的记录.石榴辉石岩的峰期变质条件实际上已经达到了斜长石完全消失的榴辉岩相的压力条件, 其压力条件至少应在1.2 GPa以上.在斜长石完全消失且岩石中并无其他富钠矿物相的情况下, 本区石榴辉石岩中未出现绿辉石的原因应与其原岩的组成有关, 对0312和278-4两个样品的全岩湿化学分析结果表明, 2个样品均具有很低的w (Na₂O) (0.57%~0.72%), 即使全部的Na₂O都进入单斜辉石, 也不可能形成绿辉石.石榴辉石岩的变质温度采用石榴石单斜辉石温度计^[10~12]进行计算, 在压力标定为0.8~1.4 GPa的范围内, 其温度在845~896 ℃之间很窄的范围内变化.

由石榴辉石岩退变质形成的石榴二辉麻粒岩的代表矿物组合为Grt (边缘) +Opx+Cpx (低铝) +Pl, 本文用Powell^[11]的石榴石-单斜辉石温度计和Niekel^[13]的二辉石温度计进行了温度计算, 0312样品的Ga-Cpx温度计算结果为855~884 ℃, 二辉石温度计计算结果为766~739 ℃, 278-4样品2种温度计计算的结果分别为937~993 ℃和928~955 ℃.岩相学特征显示, 在麻粒岩相阶段存在Ga+Cpx+Q→Opx+Pl的反应, 其压力可用Paria等^[14]的石榴石(边缘) -斜方辉石-单斜辉石(低铝) -斜长石压力计计算, 获得0312样品的压力为0.80~0.96 GPa, 278-4样品压力为0.90~1.21 GPa.由此亦可推断, 石榴辉石岩的峰期变质压力应大于1.21 GPa.

5.   讨论

作为地球上最年轻的陆内造山带, 在喜马拉雅造山带寻找高压变质岩一直是地质工作者关注的问题, 目前在喜马拉雅西构造结的巴基斯坦和印度境内已发现了与麻粒岩共存的榴辉岩^{[1, 2]}, 在东构造结的大拐弯地区也发现了形成压力达1.7 GPa的高压麻粒^[5].鉴于这些发现, 金振民^[15]指出在东构造结的大拐弯一带发现高压和超高压榴辉岩的可能性.但是在喜马拉雅造山带中段大范围出露的HHC中, 除有推测性的榴辉岩报道外, Lombardo等^[7]尚未找到真正保存下来的高压变质岩.本文在西藏定结境内HHC中发现的高压变质石榴辉石岩中, 从其变质矿物组合和温压条件估算表明, 其变质温压条件已经达到了榴辉岩相, 只是由于原岩极低Na₂O才未出现绿辉石, 因此在该区寻找真正的榴辉岩是十分可能的.本区高压变质石榴辉石岩的发现, 使喜马拉雅高压变质带在横向上得到了链接, 证明其为一个完整的高压变质带.

高喜马拉雅结晶岩系是喜马拉雅造山带抬升幅度最大、剥露最深的地质体, 高压镁铁质变质岩的发现, 表明其至少是由下地壳底部抬升到地表的, 结合本次研究在同一地区超镁铁岩的发现, 表明本区很可能存在剥露的下地壳剖面, 值得在以后的研究中关注.

从温度、压力的估算结果可看出, 由高压石榴辉石岩向中压二辉麻粒岩的转变, 其压力值具有由大于1.2 GPa到0.8 GPa的快速降压的过程, 温度则表现为由石榴辉石岩的845~896 ℃到麻粒岩的928~993 ℃的增温后渐变为766~739 ℃的先增温再降温的过程, 表明其在快速隆升的早期, 有地幔热源作用的存在, 这一点已经被本次研究中在该区发现的喜马拉雅期的幔源超镁铁质岩浆活动证实.