2016, Vol. 51
20纪80年代以来, 中国中部高压、超高压变质带成为地学研究的热点区域。随之而来, 大别造山带的变质作用及其构造意义研究也引起了人们广泛关注(江来利等, 1995, 1999, 2005；翟明国等, 1995；郭震宇等, 1998；Zheng et al., 2003；Liu et al., 2005；Xia et al., 2008；宋传中等, 2010)。宿松杂岩位于大别山南缘尖端部位, 该尖端位于大别造山带和中-下扬子褶皱冲断带的结合处, 也是大别造山带重要组成部分。然而, 大别东南缘构造带仍是大别造山带研究相对比较薄弱的地区。在宿松杂岩的变质级别、变质条件以及变质年龄上也一直存在着争议。对于宿松杂岩主期变质条件目前存在几种不同的认识。刘雅琴等(1991)提出蓝片岩—榴辉岩—类白片岩三位一体的特征, 认为宿松杂岩的变质条件达到高超高压变质。魏春景等(1997)认为宿松杂岩的变质条件介于蓝闪绿片岩相和榴辉岩相之间。石永红等(2010)认为宿松杂岩达到绿帘角闪岩相变质。对于这些很多学者的看法也是不尽相同。
因此认识宿松杂岩的变质条件对研究大别造山带的演化有着重要的意义。根据前人研究的结果可知(荊延仁等, 1991；侯明金等, 1995, 1998；宋功保等, 1997；高道明等, 2008；石永红等, 2010, 2012), 宿松杂岩中的白云母是多硅白云母, 而多硅白云母是存在于高压变质带的重要矿物, 多硅白云母压力计可以很好地指示变质压力, Ti白云母温度计可以指示变质温度。故本文挑选了宿松杂岩中19个样品, 通过对其中的白云母进行研究来了解宿松杂岩的变质条件。
1 地质概况及样品介绍本次研究区位于大别造山带南缘太湖—宿松一带(图 1)。根据安徽省区域地质图上的划分方案(安徽省地质矿产局, 1987), 由太湖—宿松区域地质图可以看得出来, 此区域主要出露南大别和宿松杂岩, 南大别主要分布在花凉亭水库南部, 胡家湾—柳林—山龙一带北侧以及北浴—破凉亭一带南侧, 而宿松杂岩则主要分布在胡家湾—柳林—山龙和北浴—破凉亭两个带之间。经过野外研究和岩相学分析得知, 宿松杂岩的岩性主要有二长花岗片麻岩, 黑云斜长片麻岩, 白云斜长片麻岩, 二云斜长片麻岩, 白云片岩以及石榴云母片岩和石英岩。二长花岗片麻岩中常见变质岩的包体(例如南冲庙附近见有较多的条带状黑云斜长片麻岩)。在弱应变区域中, 也显示为交切的侵入接触关系, 其片麻理和残留褶皱构造与变质岩的片麻理几乎一致, 局部会有低角度的斜交。
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图1 太湖—宿松区域地质简图 Q.第四系；K.白垩系；S.志留系；T.三叠系；N.第三系；J.朱罗系；D.泥盆系；C.石炭系；Z.震旦系；∈.寒武系；P.二叠系；Zh.张八岭变质火山岩；Ky.刚玉—蓝晶石石英片岩；DB1.南大别二长花岗质片麻岩；Ss.宿松群含磷岩系, 包括大理岩、白云钠长英片岩、磷灰石和石墨片岩；Sgn.宿松群底部片麻岩, 主要为花岗质片麻岩；e.榴辉岩。 1.主要韧性冲断层(剪切带)；2.脆性冲断层；3.一般韧性冲断层；4.脆性平移断层；5.脆性正断层；6.采样点 Fig.1 The geological sketch map of Taihu-Susong |
为了保证所采样本具有代表性和说明性, 共选取了19块样品进行研究, 且均采自胡家湾—柳林—山龙一带和北浴—破凉亭一带之间, 如此确保样品全部来自于宿松杂岩。这些样品主要为白云斜长片麻岩和白云母片岩。从 图 1中的面线理分布图可以看出来, 此研究区的面理基本南西向或近南北向。对于白云斜长片麻岩, 斜长石呈似眼状, 外形上像初糜棱岩, 片麻理倾向为167°～191°, 倾角为60°～71°。对于白云母片岩, 岩石被一定程度风化剥蚀, 且有石英脉体发育, 呈透镜状, 与白云母片岩的片理方向一致, 片理倾向为170°～185°, 倾角为61°～70°。
2 岩相学分析19块来自宿松杂岩的样品(图 1)。从岩性上看, 以片麻岩和片岩为主, 区域会伴随有石英岩、石墨片岩、大理岩以及含磷岩系出现。
2.1 宿松杂岩的组分分析为了达到研究目的, 本次主要对白云斜长片麻岩以及白云片岩等白云母含量高的岩石样品进行详细研究。这些样品主要分布在 图 2的剖面上(即 图 1中的AB剖面)。
白云斜长片麻岩主要出露在 图 1中隘口以北的位置, 矿物组合主要为白云母+斜长石+石英+黑云母+绿帘石(或黝帘石)+绿泥石+石榴子石为主。白云母颗粒较大, 呈现自形—半自形, 粒径为0.2～2 mm。斜长石呈半自形—他形, 粒径为0.1～0.6 mm。石英呈他形, 粒径为0.2～2 mm。黑云母比较少, 呈半自形或自形, 粒径为0.1～0.5 mm。帘石呈半自形—他形, 粒径为0.2～0.4 mm。绿泥石呈他形填充, 粒径为0.2～0.6 mm。石榴子石呈自形, 多为细小颗粒集合成不规则形状, 粒径为0.2～0.5 mm。
白云母片岩主要出露在 图 1中隘口以南的区域, 矿物组合主要为石榴子石+白云母+石英+黑云母+绿泥石(少量)+绿帘石。石榴子石呈自形, 粒径为0.2～2 mm。白云母颗粒较大, 呈现自形—半自形, 粒径为0.2～4 mm。斜长石呈半自形—他形, 粒径为0.1～0.6 mm。石英呈他形, 粒径为0.2～3 mm。黑云母比较少, 呈集合体状与白云母共生, 粒径为0.1～0.5 mm。帘石呈半自形—他形, 粒径为0.2～0.4 mm。绿泥石呈他形填充, 粒径为0.2～0.4 mm。综合发现, 在这两类岩石当中并没有发现任何高压—超高压矿物。
2.2 宿松杂岩的构造层次分析宿松杂岩位于大别山造山带最南端, 是多期构造作用叠加的结果(江来利等, 1995, 1999, 2005；郭震宇等, 1998；宋传中等, 2010)。大的方面可以从宏观构造来区分, 比如断层, 节理和褶皱等宏观现象, 其中断层和节理属于脆性的变形, 褶皱则属于塑性的变形。如 图 3a中, 断层在形成的时候, 会导致区域性节理的形成, 节理形成以后, 后期的石英岩脉会随着节理缝隙填充其中, 形成石英脉体, 如 图 3c中石英填充X节理形成的石英脉体。 图 3b中的石英脉和图 3d中的白云斜长片麻岩在后期构造作用下发生了褶皱变形, 而不是脆性变形, 表明该期的构造导致温度升高使得石英和白云斜长片麻岩只是发生塑性变形形成褶皱。小的方面可以通过显微构造来分析, 如 图 3e中石榴子石σ型压力影的形成可以反映当时的变形条件, 白云母和黑云母都发生了塑性变形, 石英也被拉长, 具有定向和流动构造, 发生糜棱化, 根据石榴子石压力影的旋向可以判断为右行剪切。
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图3 宿松杂岩野外照片及显微照片 a.白云斜长片麻岩中断层擦痕以及X节理；b.白云片岩中石英的不对称小褶皱；c.白云片岩中后期石英脉X型填充；d.白云斜长片麻岩中强烈褶皱；e.变晶糜棱岩中石榴子石雪球构造(压力影)；f.白云斜长片麻岩中石英的单晶条带；g.角闪斜长片麻岩中角闪石和黑云母的接触关系。Grt.石榴子石；Amp.角闪石；Bt.黑云母；Ms.白云母；Q.石英 Fig.3 The field photographs and micrographs of the Susong complex |
经过镜下鉴定分析, 发现宿松杂岩中的白云母变形复杂, 既有脆性变形又有塑性变形。有的白云母被拉长拉断, 像石英的石香肠构造, 并且出现了波状消光, 如 图 4a；有的白云母出现压扭性变形, 此类变形属于脆—韧性变形, 如 图 4c；还有的白云母发生了褶皱变形, 具有流动构造, 类似S-C组构, 根据形态可以判断出变形机制为右行剪切, 这与上面根据石榴子石压力影判断的旋向是一致的, 如 图 4b、 图 4d；也有白云母形成涡流状构造, 应该是在塑性状态下, 受多个外力的作用下形成, 如 图 4h, 这些白云母与 图 4b和图 4d中的白云母应该不是同一期构造作用形成的。
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图4 宿松杂岩中白云母的变形 a.白云片岩中白云母被拉长拉断；b.白云片岩中白云母的波状消光及褶皱变形；c.白云片岩中白云母的压扭性变形；d.白云片岩中白云母的S型小褶皱；e.白云片岩中白云母的流动构造及石英的多晶矩形条带；f.白云片岩中早期白云母被后期的白云母横切；g.白云片岩中的白云母的扭折变形；h.白云片岩中白云母的涡流状构造。 Pl.斜长石；Ms.白云母；Q.石英 Fig.4 The deformation of muscovite in the Susong complex |
根据对白云母的镜下分析, 可以大致判断宿松杂岩受到多期的构造作用, 而表现出来的主要由两期, 一期是导致石榴子石压力影形成和白云母右旋的构造作用, 这一期应该对应着燕山期大别造山带中下地壳物质发生平行造山带向东流动的地质事件(黄鹏, 2013, 2015), 晓天—磨子潭被认为是流动的北界, 而晓天—磨子潭剪切带为左旋剪切已被证实。宋传中(2010, 2014)推测流动的南界应该是殷店—马垅剪切带, 而殷店—马垅剪切带是右旋剪切。本次研究所采取的样品即位于殷店—马垅剪切带附近。另一期是导致白云母形成涡流构造形成的构造作用, 这一期构造应该对应扬子板块和华北板块碰撞事件, 在本文不做细究。
3 X射线粉末衍射分析 3.1 X射线粉末衍射实验本次实验主要采取云母含量比较高的样品, 分别是SS02, SS03, SS04, SS11, SS14, SS15, SS16, SS18, SS20, SS21等10个样品。X射线粉末衍射实验是在合肥工业大学分析测试中心完成的。实验仪器为日本产D/max-RB型X射线衍射仪, 实验条件为： 工作电压为40 kV、电流为80 mA、阳极材料为铜靶, 发射狭缝(DS)为1 μm, 接收狭缝(RS)为0.3 μm, 使用连续扫描方式, 步长为0.02°, 计数时间为0.03s, 扫描范围为5°～80°, 扫描速度为2°/min, 方法参阅邓苗等(2006)。
3.2 实验结果分析及结论对实验所获得的衍射数据用MDI Jade 5.0软件做图像处理和矿物相分析, 并以《矿物X射线粉晶鉴定手册》(中国科学院贵阳地球化学研究所, 1978)和粉末衍射(PDF, powder diffraction file)卡片为参考, 对两个时代的云母进行相关特征分析对比。同时结合Search-Match软件作为辅助加以分析验证。实验结果见 图 5。
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图5 宿松杂岩中白云母的X射线衍射图谱分析结果 Fig.5 The analysis result of X-ray powder diffraction of muscovite in the Susong complex |
自然界中的白云母常见的多型常为1Md、1M、2M1、2M2、3T和6H(Fery, 1988), 这些多型产生的原因在于它们形成时所处的温压条件, 其中以1M和2M1型最为常见, 因为这两种类型的形成温压条件代表着白云母的平均温压条件。这些多型可通过X射线粉末衍射实验加以区分, 1Md与1M相比, 缺少(11-1)、(11-2)、(023)衍射峰, 而(11-1)、(11-2)、(023)衍射峰恰恰是1M型的特征峰, 3T型的特征峰为(105)和(107), 2M1型的特征峰为(11-4)、(114)、(025)、(024)、(116)、(115)等面网(Smith and Yoder, 1956)。
由 图 5可以看出, 有10个样品的图谱形状近乎相同, 没有明显的差别。有明显衍射差别的峰如： d=0.988 7 nm, d=0.497 27 nm, d=0.424 24 nm, d=0.377 23 nm, d=0.350 08 nm, d=0.331 43 nm, d=0.318 86 nm, d=0.298 80 nm, d=0.286 06 nm, d=0.199 20 nm等, 这些不全是白云母峰值, 因为里面还会有斜长石、钠长石、绿泥石和石英等。石英(Qtz)的特征衍射峰主要有： d(101)=0.334 11 nm, d(100)=0.425 09 nm, d(112)=0.182 12 nm等。斜长石(Pl)的特征衍射峰主要有： d(201)=0.401 37 nm, d(111)=0.377 71 nm, d(130)=0.368 35 nm, d(202)=0.321 65 nm, d(002)=0.319 39 nm等。绿泥石(Chl)的特征衍射峰主要有： d(002)=0.720 nm, d(004)=0.355 nm, d(003)=0.475 nm等。钠长石(Ab)的特征衍射峰有： d(002)=0.318 nm, d(040)=0.324 nm。
对于2M1型白云母, 其特征峰有多个, 例如d(11-4)=0.349 10 nm, d(114)=0.320 20 nm, d(025)=0.298 60 nm, d(024)=0.331 71 nm等, 并且这些衍射峰分别都有相应的峰值与之对应, 分别是d=0.350 08 nm, d=0.318 86 nm, d=0.298 80 nm, d=0.331 43 nm。而对于1M型白云母, 其特征峰主要是d(111)=0.441 30 nm, d(112)=0.397 30 nm, d(023)=0.373 90 nm, 但是, 这些衍射峰附近均没有峰值出现。对于3T型白云母, 其特征峰主要为d(105)=0.360 42 nm, d(107)=0.310 59 mm, 同样, 这些特征峰附近也没有峰值与之对应。
故而, 通过两组衍射图谱可以看出宿松杂岩中的白云母多型均为2M1型白云母, 2M1白云母含量可达100%, 没有3T型和1M型以及其他的类型。研究证实, 随着成岩作用的增强和变质程度的提高, 白云母矿物多型转化的方向是1M→1Md→2M1, 而且这种转化是不可逆的(Smith and Yoder, 1956)。低温成岩带(＜280 ℃)白云母的多型主要为1M型和1Md型；高温浅变带(＞360 ℃)的多型均为2M1型(Weaver and Broekstra, 1984)。所以, 本文中的白云母是高温浅变带的产物。
4 宿松杂岩的变质条件分析 4.1 分析测试方法本次实验通过对宿松杂岩中6个探针薄片中的白云母进行电子探针分析。分别是样品SS02, SS12-2, SS13, SS14, SS15和SS20。
电子探针分析工作是在合肥工业大学资源与环境工程学院电子探针分析实验室进行的。实验对每个探针片中的白云母取4～5个点进行电子探针分析, 实验数据得到的白云母化学成分以及温度结果见 表 1。
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表 1 宿松杂岩中白云母的探针数据以及Ti-Ms温度计计算结果 Table 1 The probe data of muscovite in the Susong complex and the calculation result of Ti-Ms thermometer |
电子探针的结果(表 1)显示, 宿松杂岩中的白云母SiO2的含量为45.75%～51.23%, 平均值为48.37%。以阳离子数O=11为基数计算后, 白云母Si原子数量为3.15～3.39, 平均值为3.32, 属于多硅白云母。
4.2 宿松杂岩的温压研究宿松杂岩的变质变形一直都是地质学者研究的热点(魏春景等, 1997, 2007；石永红, 2012)根据对石榴云母片岩的研究得出宿松杂岩的峰期变质条件为： T=460 ℃～540 ℃和P=0.85～1.10 GPa, 属于绿帘角闪岩相变质。魏春景(1997)将宿松杂岩的变质作用分为早期、主期和晚期3个阶段, 其中主期的变质条件为T=520 ℃～580 ℃, P=1.2～1.4 GPa, 属于高压过渡相；而晚期阶段的变质条件为： T=460 ℃～480 ℃, P=0.6～0.7 GPa, 属于中压绿帘角闪岩相。他认为宿松杂岩的变质条件介于其南部的蓝闪绿片岩相和北部的榴辉岩相之间, 三者是扬子板块向华北板块之下俯冲到不同深度的产物。
(1) 定性分析
本次实验通过白云母来探究宿松杂岩的变质条件。由Al2O3-FeO+Fe2O3变异图(图 6)和n(Mg)-n(Na)变异图(图 7)可以看出来, 宿松杂岩中多硅白云母的变质条件相当于蓝片岩相以及三波川蓝片岩相和绿泥石黑云母和铁铝榴石相, 属于中高压相。故而可知道, 宿松杂岩的变质条件属于中-高压相变质(王道轩等, 1996)。
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图6 白云母Al2O3-FeO+Fe2O3成分 与变质相带的关系(据Cipriani, 1971) Fig.6 The relationship between Al2O3-FeO+Fe2O3 composition of muscovite and the metamorphic facies belt(after Cipriani, 1971) |
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图7 白云母Mg-Na含量与压力关系(据Miyashiro, 1972) Fig.7 The relationship between Mg-Na content in muscovite and pressure(after Miyashiro, 1972) |
大量研究证明, 多硅白云母普遍存在于高压低温变质带中(Cipraini et al., 1971；应育浦等, 1995；宋仁奎等, 1997；王勇生等, 2004)。Sassi(1972, 1976)提出了用多硅白云母b0值研究变质压力的方法, 并总结了绿片岩相变质作用的压力特征, 提出以b0=9.000和b0=9.040为基准划分低、中和高压变质的方法(宋仁奎等, 1997)。
b0值是根据多硅白云母d(060) 衍射峰计算出来的, b0=6×d(060)。通过X射线粉末实验即可得知多硅白云母d(060) 的值, 计算结果见 表 2。
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表 2 宿松杂岩中多硅白云母的b0值 Table 2 The phengite's b0 value in the Susong complex |
由 表 2可以知道, 宿松杂岩中多硅白云母的b0值平均为9.039。根据划分低、中和高压变质的标准可以知道宿松杂岩的变质压力应为中压—高压。
(2) 定量分析
Wu and Chen(2015a, 2015b)提出了白云母中的Ti来计算变质温压的方法, 取得了很好的效果。公式表达为：
ln[T/℃]=7.258+0.289ln(Ti)+0.158[Mg/Fe+Mg]+0.031ln[P/kbar]
此公式的适用条件为变质温度在450 ℃～800 ℃, 压力在0.1～1.4 GPa, 白云母中的Ti=0.01%～0.07%, Fe=0.03%～0.16%, Mg=0.01%～0.32%, Mg/(Fe+Mg)=0.05～0.73。这个公式适合于自然界90%以上的白云母, 误差为65 ℃左右(Krogh and Rfiheim, 1978；Newton and Haselton, 1981；Green and Hellman, 1982；Hynes and Forest, 1988)。根据这个公式可以看出, 在计算温度时, 压力的影响是很小的, 可以忽略, 因此可以先计算出变质温度, 再用多硅白云母压力计来计算变质压力, 这样所计算出来的温度和压力能反映与出宿松杂岩的变质条件。
根据石永红(2012)和魏春景等(1997, 2007)所研究的变质条件, 在压力的范围内取合适的值代入来计算温度, 结果见(表 1)。从 表 1中可以看出, 宿松杂岩的变质温度为480 ℃～579 ℃范围, 能较好的反映出宿松杂岩的变质温度。
多硅白云母广泛存在与中-高压变质带当中, 并且在一定的温度下, 其中的Si原子含量与形成压力有明显的正相关关系(张儒瑗等, 1983；魏春景等, 2007)。根据Massonne and Szpurka(1997)提出的多硅白云母中Si原子含量与T-P的关系图解, 再结合上面计算的温度, 就可以得到其变质作用压力, 如 图 8所示。
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图8 多硅白云母Si含量等值线P-T关系(据Massonne and Szpurka, 1997) Fig.8 P-T plot with phengite Si isopleths(after Massonne and Szpurka, 1997) |
从 图 8中可以看出, 多硅白云母的变质压力为0.7～1.2 GPa。所计算出来的结果满足白云母中Ti温度计的适用范围, 而且与石永红(2012)、魏春景(1997)所研究的宿松杂岩的变质压力相吻合。故而得出宿松杂岩的变质条件为T=480 ℃～579 ℃, P=0.7～1.2 GPa, 属于绿片岩相到角闪岩相。
5 结 论经过野外的实地考察和室内的研究分析, 本文主要得出以下3个结论：
(1) 宿松杂岩的岩性主要以片岩和片麻岩为主, 其中白云母均为多硅白云母, 多硅白云母的多型都是2M1型, 其b0值平均为9.039, 反映出变质压力为中-高压。
(2) 根据宿松杂岩中白云母的显微变形特征可以猜测, 至少存在着两期变形, 一期是导致石榴子石压力影形成和白云母右旋的构造作用, 对应着燕山期大别造山带中下地壳物质发生平行造山带向东流动的地质事件。另一期是导致白云母形成涡流构造形成的构造作用, 这一期构造应该对应扬子板块和华北板块碰撞事件。
(3) 根据白云母中的Ti温度计和多硅白云母压力计可以得出宿松杂岩的变质条件为T=480 ℃～579 ℃, P=0.7～1.2 GPa, 属于绿片岩相到角闪岩相。
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