中国大别山双河超高压变质大理岩的氧_碳同位素

中　国　科　学(D　辑) 第29卷　第3期SCIE NCE I N CHI NA(Series D)　1999年6月中国大别山双河超高压变质大理岩的氧、碳同位素3王清晨(中国科学院地质研究所岩石圈构造演化研究实验室,北京100029)Douglas Rumble(G eophysical Laboratory,Carnegie Institution of W ashington,W A20015,US A)摘要 中国大别山双河超高压变质岩板中发育了一系列大理岩层和透镜体,其δ18O值介于+1111‰～+2015‰(S MOW)间,δ13C值介于+1.0‰～+5.7‰(PDB)间.详细调查表明,大理岩的氧、碳同位素值在厘米尺度上表现出均一化,但在大于1m的范围内则不均一.与已经同地幔中的碳发生均一化的挪威榴辉岩相大理岩不同,双河超高压大理岩的碳同位素则保留了沉积碳酸盐岩的特征,而且表现出白云石含量与δ13C间的负相关关系.与原岩相比,双河大理岩18O有所亏损.这种亏损来自3种可能的地质过程:(1)在超高压变质作用前曾与亏损18O的水发生过氧同位素交换;(2)在超高压变质过程中发生过脱碳酸盐作用;(3)在退变质过程中与围岩片麻岩在接触部位发生过有限的氧同位素交换.氧、碳同位素研究表明,超高压变质岩的俯冲和折返过程历时较短,且在该过程中,流体的活动性极为有限.关键词 氧、碳同位素　超高压变质作用　双河大理岩　中国大别山大别山2苏鲁超高压变质岩带已经被公认为世界上规模最大、出露最好的超高压变质岩带.构成超高压变质岩带的岩石不仅有含柯石英和微粒金刚石的榴辉岩,而且有硬玉石英岩、变泥质岩及大理岩[1～6].这些超高压变质沉积岩的产出表明,大陆浅层的物质在陆2陆碰撞造山过程中经历了超深俯冲和快速折返的地球动力学过程.在这一过程中,含水沉积岩的矿物组合发生的极大改变已经成为许多研究的目标,而关于这一造山过程中深部流体的研究则刚刚和正在成为新的热点.在对流体的研究中,氧、碳同位素的研究已经成为重要的工具.例如,对中国苏鲁地区青龙山超高压榴辉岩与石英岩氧同位素(δ18O=-10.4‰～-7.3‰,S MOW)的研究表明,在经受超高压变质作用之前,其原岩曾与大气水发生过大规模水热交换[7,8].对挪威超高压大理岩碳同位素(δ13C≈-6‰)的研究表明,大理岩的深俯冲会使其碳同位素与地幔中的碳均一化[9].对大别山榴辉岩及其黑云母片麻岩围岩氧同位素相似性的研究表明,在其折返过程 1998205220收稿 3国家自然科学基金(批准号:49794042),中国科学院基金(K Z9512A12401)和美国科学基金会(E AR295226700)资助项目图1　双河超高压大理岩氧(a )、碳(b )同位素空间分布及采样位置(c )+为花岗岩.(c )阴影部分为超高压岩板被非超高压片麻岩包围中没有区域性的流体活动[10].当然,对超高压变质岩稳定同位素的研究仍处起步阶段,系统而精细的研究将会提供新的资料,深化我们对超高压变质岩带中流体的性质与作用的认识.本文旨在通过野外的系统采样,对中国大别山双河超高压变质大理岩的氧、碳同位素进行分析,研究其中氧、碳同位素组分空间分布的均一性,进而探讨大陆地壳深俯冲及随后的折返过程中流体的活跃性.1　地质背景和样品描述双河超高压变质大理岩呈透镜状和层状出露于大别山南部潜山县牌楼乡北的韩长冲周围(图1),是一超高压岩板的组成部分[4].该超高压岩板由榴辉岩、绿帘石云母片岩、石榴石黑云母片麻岩、硬玉石英岩及大理岩组成.这些岩石都经历了柯石英榴辉岩阶段(2.7～2.8G Pa ,(700±50)℃)的超高压变质作用,然后又经历了石英榴辉岩阶段(1.3～2.0G Pa ,630～730℃)的高压变质作用、后生合晶阶段(0.6～0.8G Pa ,470～570℃)的角闪岩相退变质作用及晚期绿片岩相阶段变质作用[4].大理岩层及透镜体的厚度从0.5～4m 不等,一些层中有直径为10～50cm 的榴辉岩块.组成大理岩的主要矿物为方解石和白云石,其它矿物有石英、石榴石、透辉石、角闪石、黑云母、白云母、绿帘石及后生合晶.表1列出了代表性样品的矿物组成、含量以及氧碳同位素值.尽管在相邻超高压岩石中已识别出4期变质矿物组合[4],但双河大理岩中仅识别出两期矿物组合.大理岩中的第1期组合为白云石+文石+透辉石+绿帘石+多硅白云母+柯石英,而大理岩中硅质薄层的第1期组合为石榴石+绿辉石+柯石英+绿帘石+多硅白云母.所有的文石现在都已变成方解石,而多数柯石英也已变为石英,只有少数作为包体保存在石榴石和绿辉石中.第2期变质矿物组成了大理岩中的白云石、方解石新晶,以及硅质层中的后生合晶和反应边.白云石或方解石的新晶均围绕先期生成的同种矿物颗粒分布,形成核幔构造,为韧性剪切的产物.硅质第3期王清晨等:中国大别山双河超高压变质大理岩的氧、碳同位素215层中的后生合晶成分复杂,包括绿帘石+阳起石+石英,绿帘石+斜长石+黑云母+白云母,斜长石+角闪石及斜长石+黑云母+石英.这些后生合晶呈纹理状或呈透辉石、石榴石、绿辉石及其聚合体的假象产出.透辉石周围的冠状反应边由阳起石组成,而石榴石周围的冠状反应边为斜长石+角闪石.表1　双河大理岩代表性样品的矿物百分含量(薄片中200～300点统计资料)及氧、碳同位素测定值a )样品号D ol Cc2CO3(F )Qtz/Pl Dio/Om p M ica E pi Sm plδ18O/‰δ13C/‰9610259.539.50.50.519.6 1.79610583.813.1 3.111.2 3.99620172.620.22.0 2.42.818.3 4.89620374.71.00.723.619.6 3.99620643.941.2 4.47.03.520.5 1.69630284.514.3 1.216.8 2.89630434.131.820.0 6.47.713.7 3.89630557.88.55.710.410.57.118.0 3.49640270.214.5 2.612.716.5 4.69640484.3 4.4 1.5 3.4 6.418.2 2.49640570.99.18.710.0 1.318.7 2.39640654.56.31.437.813.5 1.79650959.12.88.79.320.112.7 4.69651056.2 2.51.47.18.923.911.6 4.59670657.421.34.117.213.9 3.89670798.50.5 1.017.6 1.79670876.5 1.60.8 1.619.513.5 4.79671058.4 5.6 1.5 1.932.716.3 5.29671262.626.40.91.88.420.14.7 a )D ol 为白云石;Cc 为方解石;2CO3(F )为新生细粒白云石或方解石;Qtz 为石英;Pl 为斜长石;Dio 为透辉石;Om p 为绿辉石;M ica 为云母;E pi 为绿帘石;Sm pl 为后生合晶与周围榴辉岩对比,上述第1期矿物组合属柯石英榴辉岩阶段,而第2期矿物组合则属后生合晶阶段.双河榴辉岩中石榴石2绿辉石Sm 2Nd 等时线年龄值(238±214)Ma [11]和石榴石2绿辉石全岩Sm 2Nd 等时线年龄值225Ma [12]可作为榴辉岩阶段的变质年代,而角闪岩相退变质作用的年代由该阶段形成的白云母的Rb 2Sr 等时线法确定为174Ma [12].2　分析方法与分析结果用于同位素分析的样品采自双河大理岩层和透镜体(图1).氧、碳同位素分析在美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室进行.所有大理岩样品均切成岩块,在磨出的平面上用金刚石钻头钻出3～5mg 岩粉,这些岩粉被放在反应管中与纯度为100%的磷酸加热至60℃反应.生成的C O 2气体经冷却提纯后,直接置入Finnigan MAT 252气体质谱仪分析.所有分析值均用S wart 等提出的公式[13]作了酸分馏矫正.氧、碳同位素分析结果分别换算成S MOW 的δ18O (‰)值和PDB 的δ13C (‰)值.测定时所用标样Chihuahua 方解石的氧、碳同位素值为δ18O =-8.0‰(S MOW )和δ13C =19.0‰(PDB ).榴辉岩中的硅酸盐矿物经分离后,置入BrF 5中用C O 2激光加热,释放出O 2置入Finnigan MAT 252气体质谱仪进行分析[14].氧同位素分析结果换算成S MOW 的δ18O 值.上述δ18O 和δ13C 的分析误差均为±0.1‰.双河大理岩的氧、碳同位素值及其在露头范围和手标本尺度的变化情况示于图1～3.由这些图可以看出,双河大理岩的氧、碳同位素值在米级的尺度上变化很大,δ18O 值介于216　中 国 科 学 (D 辑)第29卷+1111‰～+2015‰间,δ13C 值介于+1.0‰～+5.7‰间(图1,2).但在厘米级尺度上,氧、碳同位素值表现出均一化趋势(图3).图2　超高压大理岩氧、碳同位素值(δ18O/δ13C )在露头尺度上的变化图3　超高压大理岩氧、碳同位素值(δ18O/δ13C )在手标本尺度上的变化同时给出大理岩中榴辉岩中矿物的氧同位素值(δ18O ).●示方解石,■示石榴石,□示角闪石应该指出,由于大理岩中方解石和白云石新晶的粒径极细,在钻取样品时无法将其与超高压变质时形成的主晶有效地分离.这对氧、碳同位素成分变化的影响将取决于因剪切而形成核幔构造时有否流体参与.考虑到上面提到的氧、碳同位素成分空间分布的不均一性,可以假设并无流体参与.据此推测,钻取样品时新晶的混入不会对测定结果有本质性影响.另外需要指出的是,一部分大理岩中包含方解石和白云石两种碳酸盐矿物,在钻取样品时未能将二者分开,在计算δ18O 值时又采用了方解石的分馏系数,这会使含白云石大理岩的δ18O 值偏低1‰左右.但统计结果表明,白云石含量与大理岩氧同位素成分间无相关关系(图4).3　碳同位素分析结果的讨论挪威榴辉岩相大理岩的δ13C 为-9.2‰～-2.4‰,与地幔来源的碳酸盐岩有相似的组分,这被解释为深俯冲大理岩中的碳已被地幔来源碳同化[9].然而,双河超高压变质大理岩曾经俯冲到地幔深度[4],其δ13C 却均在+110‰～+5.7‰间.这显然表明,双河大理岩的原岩并没有与地幔来源的碳发生同位素交换,其原因可能是在碰撞造山带根部缺乏流体活动,或双河大理岩在深部停留时间很短,来不及与地幔碳发生交换便已折返到浅部.无论是哪种情况,都说明挪威的实例并不能代表一切,或许只是一种特例.另一方面,由于正常海相及其它沉积碳酸盐岩的δ13C 为0±2‰或稍低,而变质作用只会引起脱碳酸盐作用,使大理岩的δ13C 值降低.因此,一定有过引起13C 富集的某种地质过程.至少有三种可能性.一种是在变质过程中与石墨发生了同位素交换,但由于在双河大理岩不含石墨,所以,这种可能性可以排除.另一种是双河大理岩的原岩形成于特殊环境的碳酸盐岩.所谓特殊环境是指,高盐度海盆沉积环境、热泉沉积环境、低氧逸度富有机质成岩环境等.Zheng 等人[15,16]认为,扬子板块与中2朝板块之间在碰撞前存在过氧逸度低、富含有机碳的边缘海,大别山超高压大理岩的原岩就是在这种海盆中沉积的.这种可能性虽难以排除,但由于双河大理岩中不含石墨,使这一可能性多少受到质疑.第三种可能性为,双河大理岩原岩为具第3期王清晨等:中国大别山双河超高压变质大理岩的氧、碳同位素217图4　白云石含量及硅酸盐矿物含量与大理岩δ18O 和δ13C 间的统计学关系γ为相关系数,其临界值(γ0.05)为014555.白云石含量与δ18O 间(γ=0.176)无相关关系(a ),与δ13C 间(γ=-0.536)具负相关关系(b ).而硅酸盐矿物含量与δ18O 间(γ=-0.555)具负相关关系(c ),与δ13C 间(γ=01397)无相关关系(d )有较高的δ13C 值的碳酸盐岩.支持这一可能性的证据有两条:(1)从已有资料可知[17～23],扬子板块东北缘的碳酸盐岩具有较高的δ13C 值(图5),与双河大理岩的碳同位素成分相近;(2)一部分双河大理岩的主要矿物中有相当数量的白云石,而扬子板块东北缘的前寒武纪碳酸盐岩多为白云质灰岩,二者具有相似的矿物组成.因此,本文作者倾向于第三种可能性.4　氧同位素分析结果的讨论虽然双河大理岩的碳同位素与扬子板块东北缘的碳酸盐岩很相似,但二者的氧同位素成分却有很大差别,下扬子碳酸盐岩的δ18O 值为+20‰～+30‰,而双河大理岩的δ18O 值却为+11.1‰～+20.5‰,比前者低10‰左右.如果碳酸盐岩中存在硅酸盐矿物,在超高压变质过程中会发生脱碳酸盐作用,从而造成δ18O 的降低,例如,Cc +Qtz +T r =Di +H 2O +C O 2,D ol +Qtz =Di +C O 2和Cc +T r =D ol +Di +H 2O +C O 2等反应均可引起H 2O 及C O 2的丢失,使大理岩的δ18O 降低.统计表明,双河大理岩中含有相当数量的硅酸盐矿物(表1),其含量与大理岩δ18O 间存在着负相关关系(图4(c )).因此,可以认为脱碳酸盐作用是造成双河大理岩δ18O 降低的原因之一.这些硅酸盐组分可能扮演了双重角色,它们既与碳酸盐矿物反应并释放出变质流体,又提高了大理岩的渗透性,为218　中 国 科 学 (D 辑)第29卷图5　双河大理岩与邻区未变质碳酸盐岩地层的氧、碳同位素成分对比资料引自文献[17～23]所生成的变质流体提供了通道.当然,从另一方面考虑,大理岩在脱碳酸盐过程不仅会丢失18O ,还会丢失13C ,但硅酸盐矿物含量与大理岩δ13C 间却无相关关系(图4(d )).因此,笔者推测,超高压变质过程中虽发生过脱碳酸盐作用,但其规模应很有限,不会是造成双河大理岩δ18O 降低的主要原因.通过水2岩反应,与亏损18O 的水进行氧同位素交换,也可造成大理岩δ18O 的降低.对双河地区榴辉岩氧、氢同位素的研究表明,双河榴辉岩在俯冲并经历超高压变质过程中及俯冲前曾与地表水发生过水2岩反应,使榴辉岩组成矿物的δ18O 可低达-2‰[15,16].因此,若与榴辉岩共生的大理岩也经历了相似的变质历史,则其δ18O 值会有一定程度的降低.双河大理岩的δ18O 值在区域上有一规律性变化趋势(图1),即,较低的δ18O 值(11‰～13‰)趋于分布在超高压岩板的周缘,而岩板的中心部位则具有较高的δ18O 值(约18‰～20‰).另一方面,双河超高压变质岩板片的围岩为花岗质片麻岩,其中云母的δ18O 值为-4.2‰～+0.8‰,与超高压变质片麻岩中者(δ18O =-4.7‰～+10.3‰)迥然不同[16].这一分布趋势暗示,围岩片麻岩与超高压岩板间的氧同位素交换仅限于二者的接触部位.已有研究表明,在超高压变质过程中,双河榴辉岩矿物曾达到氧同位素平衡,其平衡温度为545～730℃[16],该估算值略低于共生矿物石榴石2单斜辉石间Fe 2Mg 交换的平衡温度600～750℃[4].双河大理岩中所包裹的榴辉岩已经发生角闪岩相退变质,其中石榴石(钙铁榴石端元组分X end =0.015)的δ18O 值为8.0‰～8.2‰,角闪石的δ18O 值为8.5‰～8.9‰,而大理岩中方解石的δ18O 值为11.5‰～12.8‰(图3).根据Zheng [24,25]的矿物对氧同位素温度计估算,双河大理岩与其所包裹的退变榴辉岩的平衡温度为478～580℃,而据Matthews 的经典矿物对系数校正的氧同位素温度计[26]估算,该平衡温度为496～575℃(表2),与根据角闪石2斜长表2　双河大理岩与榴辉岩矿物的氧同位素组成及其平衡温度计算a )样品号矿物δ18O/‰矿物对Δ18O/‰T Z h /℃T M /℃96509Cc 12.7G t 8.2Cc 2G t 4.5478496Hbl 8.9Cc 2Hbl 3.848296510Cc 11.7G t 8.0Cc 2G t 3.7580575Hbl8.5Cc 2Hbl3.2573 a )Cc 为方解石;G t 为石榴石;Hbl 为角闪石.T Z h 为由郑永飞建议的矿物对氧同位素温度计[24,25]估算的平衡温度;T M 为由M atthews 建议的矿物对氧同位素温度计[26]估算的平衡温度第3期王清晨等:中国大别山双河超高压变质大理岩的氧、碳同位素219石温度计计算的平衡温度(470～570℃)[4]相近.这表明,退变榴辉岩与相邻大理岩的氧同位素在角闪岩相变质温度下重新达到了平衡.5　讨论与结论如前所述,双河大理岩的δ18O 值介于+11.1‰～+20.5‰间,δ13C 值介于+1.0‰～图6　大别山碰撞造山过程中流体活动示意图HP 为高压变质岩;UHP 为超高压变质岩+5.7‰间.大理岩的氧、碳同位素值在厘米尺度上表现出均一化,但在大于1m 的范围内则不均一.这无疑表明,在双河大理岩变质过程中,流体活动的规模极小,仅限于几厘米或几十厘米的范围之内.双河大理岩经历了多阶段变质作用,这必然会在其氧、碳同位素成分中留下印迹.因而,从中又可透视陆2陆碰撞过程中不同阶段流体活动的特点(图6).(1)在陆2陆碰撞之前,大别山超高压变质岩的一些原岩已经在特定环境中与大气水发生了氧同位素交换,这使得大别山榴辉岩的主要造岩矿物具有很低的δ18O 值[10,15,16].(2)与挪威榴辉岩相大理岩不同,双河大理岩虽然曾俯冲到地幔深处,但并未与地幔中的碳发生碳同位素均一化,而是保留了沉积碳酸盐岩的特征.这表明,陆2陆碰撞造山带根部的流体并不活动,脱碳酸盐作用规模有限,陆壳物质是在一种“干”状态下经受超高压变质作用的.(3)与沉积原岩相比,双河超高压大理岩的18O 有所亏损.其控制因素除其在超高压变质作用前曾与亏损18O 的地表水发生过氧同位素交换外,在角闪岩相退变质过程中还与中地壳花岗质片麻岩发生过氧同位素交换,但其规模有限,仅发生在二者的接触部位.估算出的氧同位素平衡温度(480～580℃)表明,大理岩和榴辉岩的角闪岩相退变质过程造成了二者间氧同位素的重新平衡.致谢　该项目由中国科学院地质研究所从柏林教授和美国斯坦福大学地质学与环境科学系刘忠光教授领导.在野外采样中得到刘曦和吴维平的帮助,在实验室测试过程中得到Mari 2lyn F ogel 教授和James Farquhar 博士的帮助.作者在此谨向上述单位和个人表示衷心的感谢.220　中 国 科 学 (D 辑)第29卷参 考 文 献1　Okay A I ,Xu S ,Seng or A M C.C oesite from the Dabie Shan eclogites ,central China.European Journal of M ineralogy ,1989,1:595～5982　W ang X ,Liou J G,M ao H K.C oesite 2bearing eclogites from the Dabie M ountains in central China.G eology ,1989,17:1085～10883　Xu S ,Okay A I ,Ji S ,et al.Diam ond from the Dabie Shan metam orphic rocks and its im plication for tectonic setting.Science ,1992,256:80～824　C ong B ,Zhai M ,Carswell D A ,et al.Petrogenesis of ultrahigh 2pressure rocks and their country rocks in Shuanghe of Dabieshan M oun 2tains ,Central China.European Journal of M ineralogy ,1995,7:119～1385　Liou J G,W ang Q ,Zhang R ,et al.Ultrahigh 2P metam orphic rocks and their ass ociated lithologies 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