苏北榴辉岩变质变形模式与苏胶造山带的隆升机制

樊金涛，程振香

　　提要：苏北榴辉岩经历5期以上变质变形作用，其中至少有两期以上为高压变质变形作用，p—t轨迹呈顺时针方向旋转。榴辉岩形成后，随着地体的反弹、推覆，于印支期末迅速回返到中地壳，再经燕山期—喜山期区域隆升和拉伸折返，最终剥露于现代侵蚀面。苏胶造山带至少经历了晋宁期、印支期和燕山期3次以上的造陆或造山运动。
　　关　键　词：苏北；榴辉岩；变质变形模式；造山作用
　　中图分类号：P542.2　　文献标识码：A　　文章编号：1000-3967（1999）02-0162-06

A model of metamorphism and deformation of eclogites
in northern Jiangsu and evolution of the Su-Jiao orogenic belt

FAn Jin-tao and CHENG Zhen-xiang
(Jiangsu Institute of Geological Survey, Nanjing 211135,China)

Abstract:eclogits in northern Jiangsu experienced over five stages of metamorphism and deformation,of which there are at lest two stages of HP or CHP metamorphism and deformation. Their p-T-t trajectory rotates clockwise. After the eclogites formed, because of rebounding and overthrusting of the terrane, they quickly returned to the middle crust in Indosinian time, and then experienced regional uplift and extensional exhumation in the Yanshanian-Himalayan times. Finally, they were exhumed onto the surface. The Su-Jiao orogenic belt went through at least more than three orogenies or epeirorogenies, i.e. the Jinningian orogeny, Indosinnian orogeny and Yanshanian orogeny.
Key words:eclogite;model of metamorphism and deformation;orogeny;northern Jiangsu

　　苏胶造山带是苏北—胶南地体与胶北地体经历了洋壳俯冲、碰撞、多期陆内俯冲，并以印支期陆内俯冲碰撞为主的复杂造山带^［1］。苏北新沂—东海—赣榆高压—超高压变质带主要是其俯冲碰撞造山的结果，是在多期变形分解作用下形成的网状或线状高压—超高压剪切带与弱应变域透镜体共同组成的，是由不同时代、不同成因和不同变质变形程度地质体构造混杂而成的“东海杂岩”。其中有大量含金红石榴辉岩、蓝晶石榴辉岩、石英榴辉岩、白云母榴辉岩、蓝闪石榴辉岩和含柯石英及其假像榴辉岩、含微粒金刚石含柯石英榴辉岩等洋壳源、陆壳源低温高压、中高温超高压榴辉岩，并有石榴石二辉橄摇⑿被粤窕匝摇⒑旄沼窳窕匝业壬系蒯Ｋ?块。它既是寻找金红石、蓝晶石、磨料石榴石等矿产，亦是寻找金刚石、镁铝榴石、红刚玉、粗晶蓝晶石、硬玉、贵橄榄石、铬透辉石等深壳成和幔成宝石矿产的重要地区。因此，研究苏北榴辉岩变质变形演化模式，探讨榴辉岩回返和造山带隆升机制，具有重要的理论和经济意义。

1　榴辉岩变质变形阶段

　　综合所采集到的大量苏北高压—超高压榴辉岩，可识别出其形成和演化有3期8个阶段，反映苏北榴辉岩形成及苏胶造山带长期复杂演化的历史。

1.1　前榴辉岩期（Ⅰ）

　　前榴辉岩阶段（Ⅰ₁）：在苏北高压榴辉岩中发现有辉石、斜长石包体，有的尚保留变余杏仁
构造，说明辉长岩或玄武岩是榴辉岩的原岩。石榴石经电子探针扫描揭示有正生长环带，表现为核部富MnO，边部富MgO、FeO，反映典型的进变质增温增压石榴石环带特征。据研究^［2］，它主要与中低级变质作用中的绿泥石分解有关，说明本区榴辉岩形成前可能经历过绿片岩相变质。在含柯石英假像榴辉岩中发现石榴石包裹有多硅白云母（Si=3.5）、次闪石、钠云母、石英等。采用Schreyer多硅白云母压力计^［3］等方法，确定其温压条件为1.2～1.3 GPa和450～500℃，因此，本区辉长岩或玄武岩在形成榴辉岩之前，曾经历过绿片岩相或低温中高压的绿片岩相变质作用和塑性变形。

1.2　榴辉岩期（Ⅱ）

　　（1）高压榴辉岩阶段（Ⅱ₁）：属榴辉岩相变质作用，以钠长石消失和富钠单斜辉石的出现为标志，表现为石榴石与绿辉石共存，并可出现金红石、蓝晶石、石英、多硅白母等。它是进变石英榴辉岩等的形成阶段，是金红石重要成矿阶段，亦可能是一些超高压榴辉岩形成前的一个不可忽视的阶段。这可从含柯石英及其假像榴辉岩的石榴石或绿辉石有形状较规则、散乱分布的绿辉石或石榴石原生包体，石榴石虽因高温下的晶内扩散仍具不明显的进变生长环带而得到证实。
　　变形主要是形成a轴矿物生长线理（L₁），石榴石、绿辉石相对集中成带而形成构造成分层（S₀¹），反映岩石处在高压下的水平剪切流变作用，属造山塑性流变、塑性变形和重结晶作用。
Holland采用实验校正的单斜辉石硬玉分子压力计和Ellis等的石榴石—单斜辉石矿物对之间的Fe—Mg分配系数温度计估算，其温压条件为1.27～1.33 GPa和480～595℃。其低温榴辉岩及其石榴石为低镁铝榴石组分，属Coleman划分的C型榴辉岩，说明存在洋壳俯冲作用。
　　（2）超高压榴辉岩阶段（Ⅱ₂）：属榴辉岩相变质作用，以出现柯石英或微粒金刚石为标志，表现为柯石英或微粒金刚石与石榴石、绿辉石共存，并可出现金红石、多硅白云母等，它是金红石及微粒金刚石的成矿阶段。局部地段见变斑晶石榴石、钛磁铁矿，粒径达3～4 cm，包裹有石榴石、绿辉石、金红石、石英等。
　　其变形特征是形成a轴矿物生长线理，矿物颗粒被拉长、压扁，石英波状消光、条带状消光，压力影等强烈面状和线状变形组构，以及明显的构造分层和紧密的平卧褶皱（S_１¹）等，组成网状或线状超高压剪切带，属同造山变形和重结晶作用。采用Bohlen等的石英—柯石英相平衡和Bundy的石墨—金刚石相平衡压力计，石榴石—单斜辉石矿物对间Fe—Mg分配系数温度计估算，其形成温压条件为2.87～4.10 GPa和860～920℃。
　　（3）超高压榴辉岩退变阶段（Ⅱ₃）：矿物组合以石榴石和绿辉石为主，仍属榴辉岩变质相，但在含柯石英假像榴辉岩中发现石榴石有反环带结构，表现为核部相对富MgO、FeO，边部相对富MnO，反映温压降低的退变质条件。它以柯石英转变为多晶石英集合体而具有放射状胀裂结构，以及出现变斑晶蓝晶石为标志。在含柯石英假像蓝晶石榴辉岩中，变斑晶蓝晶石呈长柱状，包裹有石榴石、绿辉石、金红石、柯石英假像石英集合体，说明含柯石英榴辉岩向石英榴辉岩转变过程是一个相对缓慢的减压过程。
　　变斑晶蓝晶石具残缕结构，包裹体的排列方向代表退变前就地基质矿物的排列方向，即峰期变质形成的片理（S_１）方向。新生蓝晶石和其他被拉长、压扁矿物共同构成岩石发育的片麻理（S₂），与前片理（S_１）有近30°的夹角。露头变形以S_１为变形面，形成以片麻理（S₂）为轴面的斜卧褶皱，叠加在早期平卧褶皱（S_１¹）之上。此外，窗棂构造和杆状构造发育，它们是同造山塑性变形和重结晶作用的产物。蓝晶石的含量一般为5％～10％，高的可达15％以上，是本区榴辉岩型蓝晶石矿的重要成矿阶段。采用单斜辉石硬玉分子压力计和石榴石—单斜辉石矿物对间Fe—Mg分配系数温度计估算，其温压条件为1.70～2.17 GPa和790～860℃。
　　（4）高压榴辉岩退变阶段（Ⅱ₄）：矿物组合以石榴石和绿辉石为主，仍属榴辉岩变质相，但在榴辉岩中发现石榴石有退变扩散环带，反映温压下降的退变质条件。它以出现变斑晶的蓝闪石或黝帘石或多硅白云母或粗晶金红石为标志，其中变斑晶黝帘石可见明显的环带结构，反映榴辉岩在回返过程中有一个相对缓慢的减压过程，并有水溶液的参与。
　　在该阶段，占主导地位的是粒间滑移和动态重结晶作用。新生矿物的a轴生长线理和其他矿物的拉伸线理基本继承了早期线理方向。矿物破碎、弯曲、波状消光、压力影等现象发育，有些黝帘石因强烈拉伸呈细丝状。并可见变斑晶黝帘石雪球构造，其石英包裹体呈S型螺旋状排列，反映在剪切应力作用下的塑性流变。其露头是较大的榴辉岩块体在变形作用下分解成较小的块体，发育以片麻理（S₂）为轴面的斜卧褶皱，以及窗棂构造和杆状构造等。它们均属同造山塑性变形和重结晶作用。在含粗晶金红石榴辉岩中，金红石晶体可达1.5～4 mm，包裹石英、绿辉石等，含量2％～4％，是本区榴辉岩型金红石矿的重要成矿阶段。
　　变斑晶蓝闪石、黝帘石、多硅白云母及粗晶金红石等的形成比石榴石、绿辉石、石英等要晚，但其矿物组合仍属高压变质作用范围。采用单斜辉石硬玉分子压力计和石榴石—单斜辉石矿物对间Fe—Mg分配系数温度计估算，其温度条件为0.96～1.10 GPa和355～590℃。

1.3　后榴辉岩期（Ⅲ）

　　（1）早期退变阶段（Ⅲ₁）：以石榴石出现冠状反应边和绿辉石分解为特征，反应边由次闪石+钠长石±石英等后成合晶组成，同时，金红石向钛铁矿或榍石转变，蓝晶石为钠云母所包围交代，形成榴闪岩等，属角闪岩相重结晶作用，反映快速减压过程。推测形成的温压条件为0.4～0.8 GPa和600～650℃。榴辉岩岩块赋存于区域性韧性剪切带内，在变形分解作用下，较大的榴辉岩块进一步解体为较小的透镜体，形成布丁—基质或残斑—基质及递进剪切无根褶皱等，属于地壳中部或中深部形成的塑性变形及重结晶作用。

　　（2）中期退变阶段（Ⅲ₂）：以石榴石、绿辉石消失为特征。在花岗质片麻岩包裹的榴辉岩边部，或在遭受强烈糜棱岩化作用的部位，石榴石、绿辉石等矿物组合为普通角闪石、斜长石、绿帘石、白云母、黑云母、石英等矿物所取代，形成斜长角闪岩或绿帘斜长角闪岩等，与相邻围岩的区域变质程度一致，属绿帘角闪岩相重结晶作用，形成温压条件为0.4 GPa和500℃左右。其矿物大都不具明显变形特征，形成的变晶矿物不具方向性，属静态重结晶作用，与区域面理无关。露头变形是一些折劈理和膝折带。膝折带具共扼特征，局部表现为破劈理，此外是一些韧性向脆性过渡的推覆剪切带，属碰撞造山后一次新的区域隆升变形和重结晶作用。

　　（3）晚期退变阶段（Ⅲ₃）：发生于断裂附近的局部动力变质作用，以角闪石消失为特征，斜长角闪岩的角闪石等为绿泥石、绿帘石、白云母等矿物所交代，形成绿帘斜长绿泥片岩等，属绿片岩相重结晶作用，形成温度低于400℃。露头变形为一些规模不大的舒缓波状褶皱，非透入性局部的剪切破裂，以及滑脱型剪切带或拆离带，属于造山期后发生于地壳浅部的伸展塌陷引起的脆性变形和变质作用。

2　榴辉岩p—t综合轨迹和造山带隆升机制

　　苏胶造山带剥露至今，形成于深地壳和上地幔的苏北高压—超高压变质带因构造就位而与总体相当于中地壳的岩石，包括燕山期花岗岩类侵入岩一起出露，其区域构造格架主要反映的是碰撞造山期后的伸展体制。这是讨论造山带隆升机制的基本事实。根据前述苏北榴辉岩变质变形综合演化阶段及其p—t条件，绘制p—t综合轨迹如图1，现由图结合同位素年龄、花岗岩类等资料，讨论榴辉岩回返和造山带隆升机制问题。

图1　苏北榴辉岩的p—t综合轨迹
Fig.1.　p—ttrajectory of eclogites in northern Jiangsu
石墨—金刚石相平衡线根据Bundy（1980），石英—柯石英相平衡线据
Bohlen和Boettcher（1982）；Ⅰ—Ⅱ、A₁—B₄编号说明见正文

　　榴辉岩的形成（A）是温度和压力不断升高，俯冲不断加深，变质变形作用不断增强，最终到达峰期形成高压、超高压榴辉岩及其他岩石的过程，其变质变形作用可分为两个阶段。第一阶段（A₁），洋壳镁铁—超镁铁岩及伴生的沉积岩快速俯冲到35～40 km的深处，发生低温高
压变质变形作用，其地热梯度较低，为14℃／km左右，但比中新生代俯冲作用的地热梯度高，暗示该阶段可能发生在前寒武纪，因为Newton的研究^［4］表明，前寒武纪的俯冲作用地热梯度可超过16℃／km／。这与区内高压—超高压榴辉岩的晋宁期年龄组（1584、1108、788、747 Ma^{［5～6］①}）相吻合。这些榴辉岩等被随之俯冲构造脱水等诱发的下地壳部分熔融^［7］等所形成的主要是晋宁期I₂型片麻状花岗岩及其以后形成的主要是加里东早期碰撞型（S型）片麻状花岗岩（852、830、788、692、683 Ma^［8］①）所包裹。以牛山等片麻状碱性花岗岩（646 Ma^②）出现为标志，震旦期末，造山运动由挤压转为拉伸。由于这次造山作用后部分地区仍有石桥群、蓬莱群等新元古代海相沉积，这次造山作用不明显，属于“弱碰撞”或“软碰撞”。

①江苏省第五地质大队，1995，王庄镇幅)1∶5万区调报告。
②江苏省区调大队，1986，苏北前震旦系地质（送审稿）。

　　第二阶段（A₂），部分高压变质变形岩石，部分包裹有高压变质变形岩石的花岗岩片（A_2—1），在华北板块强力推动着的胶北俯冲地体携带下，继承原洋壳俯冲方向一起作陆内俯冲，并穿过上覆苏北胶南地体的莫霍面到达100余公里的上地幔深处，压力相对温度急剧上升，存在超高压流体，发生了高温超高压变质变形作用，除榴辉岩中出现微粒金刚石、柯石英等超高压指示矿物外，其围岩片麻状花岗岩类和大理岩、黑云变粒岩、石英岩中亦可见柯石英等。其地热梯度低，为5℃／km左右。根据超高压榴辉岩的同位素年龄（326、281、232、220.7、211.4、207.8 Ma^［9～10］）以及区域地质特征，确定其主要形成时期为印支期。而另一部分高压变质变形岩石（A_2—2）则由于高压流体的作用，以及上覆苏北—胶南地体刮带和应力导向下，沿着原俯冲带回返。
　　榴辉岩的抬升和剥露（B）与上相反，是温度和压力不断减低，赋存部位不断抬升，变质变形作用不断减弱，最终剥露于现代侵蚀面的过程，即反映苏胶造山带抬升的过程。其变质变形作用可分3～4个阶段。第一个阶段（B₁），俯冲到100余公里上地幔深处形成的榴辉岩、蛇纹岩及变形的大理岩、变粒岩、石英岩、花岗质片麻岩及刮带上的地幔碎块，在上地幔超高压流体作用下，发生浮力反弹^［11］上升或“地幔离折”^［12］上升，沿着上覆苏北—胶南地体应力导向下的倾斜俯冲带迅速回返到地壳35～45 km的深处。在该回返过程中大体可分为前后两个阶段。前段（B_1—1）由上地幔深处回返到莫霍面附近，这是一个绝热的由浮力反弹大幅度抬升的过程，
可能减压较慢，形成了变斑晶蓝晶石、钛磁铁矿等，与石榴石、高硬玉绿辉石共存，是一个超高压的退变质重结晶作用，地热梯度极低，小于5℃／km；后段（B_1—2）由莫霍面附近回返到约
处，这是一个减压降温抬升过程，由于减压较慢，在含水流体作用下，形成了变斑晶蓝闪石、黝帘石、多硅白云母等一系列含水矿物及粗晶金红石等，与石榴石、绿辉石共存，是一个高压的退变重结晶作用，地热梯度比前段稍高，为5℃／km左右。
　　第二阶段（B₂），榴辉岩等岩石单元回返到中地壳部位（15 km左右），榴辉岩出现冠状反应边——后成合晶结构，这是一个绝热的抬升过程，抬升机制是剪切推覆作用，形成大量韧性剪切带，使高压、超高压变质变形的榴辉岩、大理岩、变粒岩、石英岩、花岗质片麻岩及从上地幔刮带上来的碎块等强烈破碎，进一步变形，与未经高压变质作用的上覆苏北—胶南地体的岩石、低温榴辉岩和包有榴辉岩但未经变质的花岗质片麻岩混杂，形成了目前大致所见的不同时代、不同成因和不同变质变形程度岩块的构造混杂岩带。从榴辉岩的后成合晶结构与区域面理无关来看，已属碰撞造山期后。
　　根据榴辉岩次变角闪岩的年龄^［10］确定，本阶段应发生于印支期末。由燕山早期闪长岩^［13］K₂O的含量为2.66％，采用Condie提出的由K₆₀（SiO₂=60％时的K₂O含量）计算陆壳厚度的公式^［14］，计算当时造山带厚度为59.2 km，明显小于两地体碰撞叠加的厚度，说明造山带根部在印支期末可能发生过拆沉作用。
　　第三阶段（B₃），高压—超高压变质带与未经高压变质的中地壳岩石一起发生区域隆升，半
脆性剪切推覆作用使地壳加厚，印支末期山根的拆沉作用使地幔热流上涌，产生大量深壳源重熔型（I₂型）高钾钙碱性花岗岩类和火山活动，与此出现的地壳范围区域变质作用，使榴辉岩和
围岩普遍发生中压绿帘角闪岩相重结晶作用而相互协调。它是上述碰撞造山后的另一次隆升作用。根据I₂型花岗岩同位素年龄^［13］确定，这次隆升的造陆或造山运动应发生于燕山早型花岗岩类同位素年龄—中期，与库拉—太平洋板块向欧亚大陆俯冲作用有关，属滨太平洋体系。由于这种作用于印支期已经开始，因此印支期造山作用与燕山造山作用间并没有明显的伸展间断。
　　第四阶段（B₄），以踢球山碱性花岗岩（96 Ma）^［13］出现为标志，燕山中期末，造山运动由挤压转向拉伸，造山带伸展塌陷，发育红色盆地，以及此后沉积巨厚的第三系和发育新生代大陆裂谷玄武岩，表明不断拉伸，不断遭受剥蚀，榴辉岩和中压绿帘角闪岩相变质岩，以及燕山期花岗岩类侵入岩最终一起露出地表，并于断裂处叠加了绿片岩相变质作用。

3　结论

　　（1）苏北榴辉岩经历了绿片岩相→榴辉岩相→角闪岩相→绿帘角闪岩相→绿片岩相或绿帘蓝片岩相5期变质作用，是一个含有柯石英、微粒金刚石、镁铝榴石、硬玉、多硅白云母等矿物组合的高压—超高压变质带。
　　（2）苏北榴辉岩经历了塑性→塑性→塑性→韧脆性→脆性等5期以上变形作用，分解成大小不等，具强烈面状和线状变形组构块体，呈带状或线状群体分布的高压—超高压剪切带。
　　（3）苏北高压—超高压榴辉岩变质作用p—T—t轨迹呈顺时针方向旋转。其进变质作用早期为近等压缓慢升温过程，中期为缓慢升温显著升压过程，晚期为近等温降压过程。
　　（4）苏北地区既存在高压变质作用，亦存在超高压变质作用，至少经历了两期以上高压或超高压变质作用。
　　（5）苏胶造山带经历了晋宁期、印支期和燕山期3次以上的造陆或造山运动。苏北榴辉岩形成后，随着地体的反弹、推覆，于印支期末迅速回返到中地壳，再经燕山期—喜山期区域隆升和拉伸折返，最终剥露于现代侵蚀面。

作者简介：樊金涛，男，1945年生，高级工程师，1968年毕业于北京地质学院，从事地质矿产调查研究工作。
作者单位：江苏地勘局地质调查研究院，江苏　南京　211135

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