区域变质事件序列

区域变质成矿研究问题~

（一）正确区分变质前、变质形成和变质作用后叠加形成的矿床
现今就位于变质岩区的矿床，并非都是区域变质作用形成的。这一认识对于规划布置区域找矿工作，有着现实意义，可以避免一些盲目的工程。
以山东的招远金矿为例。其周围是前寒武纪变质的胶东群，变质达角闪岩相，部分地区为麻粒岩相。虽然也有人提出论据，证明胶东群变质岩是招远金矿的矿源层。但是区内燕山期花岗岩广泛分布，还伴生大量的基性脉岩，后期热液活动显著（胶西北的界河金矿石英脉40Ar-39Ar年龄为130±14Ma），导致金的多期富集，因此可以出现玲珑石英脉型和焦家蚀变岩型金矿。显然，对于该区找矿，应当首先考虑与燕山期花岗岩岩浆活动有关的构造和蚀变带。
表3-16 中国主要变质作用矿床实例


续表


表3-17 中国主要变质作用矿床的时代分布


冀东前寒武纪变质铁矿则完全不同。它是一个变质形成的矿床。其分布主要受变质地层和构造的控制。20世纪70～80年代，冀东铁矿会战，一个突出的成果便是查明迁西水厂—宫店子之间的同斜褶皱构造，角闪麻粒岩相的塑性变形使褶皱转折端铁矿层加厚，这一认识使该区铁矿的储量翻了几番。
（二）原岩建造的研究是扩大变质前的矿床远景的关键
前变质或变质前的矿床，它们形成于变质作用峰期之前。其前身可能是沉积的，或者火山沉积矿床，甚至有的是与变质作用前的侵入体有关。对于此类矿床，查明其原岩建造，查清变质作用前的区域构造环境，是寻找新靶区，扩大矿床远景的有效办法。
像冀东前寒武纪铁矿这样的矿床，实际是变质前的矿床，只不过变质前品位和可选性不够高，麻粒岩相的峰期变质使之富集，磁铁矿粒度增大而具有工业价值。此类变质铁矿，在华北地区乃至世界各个前寒武系发育地区，都有分布。这就是所谓前寒武纪绿岩建造，条带状铁矿是绿岩建造中特征性的岩石之一。
加拿大安大略省西北部的红湖地区含金绿岩带，主要为一套时代为2992～2733Ma的火山岩系，并被约2730～2700Ma的花岗岩基所侵入。金矿及其外围的蚀变带，空间上与大型的剪切系统关系密切。剪切带切穿火山岩系。含金侵入体U-Pb定年说明主变形期和金的成矿应晚于2720Ma，也就是说晚于火山岩系的发育，而且变形是与岩基的底辟侵位有关。详细工作证明金的矿化在时间和空间上都与花岗岩基的接触晕有关。变形带所显示的是接触带的地温梯度，矿物组合研究表明火山岩系的区域变质为绿片岩相至角闪岩相，出现红柱石、堇青石、十字石等表征低压变质梯度的矿物组合。种种证据说明红湖绿岩带金矿晚于区域火山作用，在时间和过程上直接与岩基侵位有关，不均匀的剪切带使地壳中的流体集中，导致大规模的强烈蚀变和金的沉积。流体的来源可能来自花岗岩底辟上升时的变质脱水和底辟本身的脱气作用（Andrews et al.，1986）。
原岩建造的恢复，主要靠地质标志。在变质不深情况下，原岩建造恢复比较容易，可信度也大些。区域变质和变形的增强，使原有的地质标志变得模糊最后消失。例如枕状熔岩中的气孔和杏仁体，在塑性变形条件下会压成扁平，或拉伸成长卵圆形，只有在垂直拉伸轴的断面上，才能看到杏仁体的本来面目。
运用岩石化学和地球化学方法查明火成岩的岩浆系列和大地构造环境，是在高级变质地区中恢复原岩常用的方法。这便是Pearce and Cann（1971，1973）所倡导的岩浆—大地构造判别图解，具体内容可参照Hugh Rollison（1993）。
（三）加强变质地区的构造研究，提高找矿成效
变质地区的矿床与区域构造密切相关，因此查明区域构造是有成效找矿的前提。绿片岩相及其以下的浅变质地区，构造研究方法可以比照一般沉积岩和未受变质地区进行，这里要强调的是高级变质地区的构造研究问题。
高级变质岩常出现于造山带结晶基底和前寒武纪克拉通区，是陆壳的重要组成部分，常蕴藏着多种重要的矿产资源。由于长期居留深部地壳，后来才隆升剥露于地表，经历过多次变质变形的叠加和岩浆事件，其内部构造和岩石间的相互关系总是十分复杂的。年轻的构造变形总是将先存的构造压扁，使得老构造模糊不清，甚至完全抹去。变质重结晶，陆壳的部分熔融（混合岩化）都会破坏先存构造的细节，使之不可恢复。一个深变质的片麻岩区的内部构造，是新老构造的复杂组合，因此如何将他们合理地表现在地质图上，是首先要解决的问题。
大多数高级变质地区原始地层已强烈变形，并转变成构造层理，许多片麻岩区主要是由不同时代的火成岩组成的。因此，常规的地层学原理对大多数片麻岩区是不适用的。高级片麻岩区的填图单位可以是延伸很远的一串特征性岩石透镜体或岩脉系列，他们构成了有用的构造地层标志层，借助这些标志层可以查明大型构造。
一些岩性单调的片麻岩区，可追索的岩石单位很少，填图中要逐点地测量产状，获取密集的构造要素数据，以便综合编制形面图（Form-surface Map）（图3-12）。所谓形面图就是把一个个面理走向，连接成为迹线，从而看出区域构造轮廓。在图上可以画出露头的界线并要把露头上可见的构造现象标在图上，如小型不对称褶皱，褶皱的倒向，多期面理的交切，岩脉，蚀变带，剪切带，破碎带等等。这样一来，形面图就是一张简明易读的实际资料图，对于解释区域复杂构造有重大价值。

图3-12 形面图的编制

（四）研究变质变形史，正确建立地质事件序列
常规地质条件下的区域地质填图，首要的工作是建立标准剖面，以便拟定填图单位。可是在高级变质地区，填图一开始就应建立区域地质事件序列表。作为“工作模型”，随后在填图跑路线过程中不断补充、修正。
最初的区域地质事件表，应在踏勘的过程中，从路线剖面和系列的露头素描图归纳出来的。根据一系列露头的野外素描，可构思出的地质事件序列，即各类岩石间相互关系表。在后来工作过程中如果发现某些关系与事件表有矛盾，必须仔细分析其性质，以及它对事件表其他部分的影响。要判断这一矛盾究竟是属于个别现象?还是原事件表的缺陷。如属缺漏应予补充。
在野外建立的事件表的基础上，就可以有目的地采集同位素年龄样品，运用同位素定年技术，建立区域地质年代框架。这对于正确厘定成矿时代是十分有帮助的。
变质变形事件的建立，可进而构筑变质作用的P-T-t（温度-压力-时间）轨迹。一个高级区的变质岩的变质演化，一般都要经过P-T空间的一条递进变质轨迹，以达到高峰变质条件，然后经历一个退变质的轨迹而返回地表。具有漫长演化历史的，经历过多次变质的地区，必有更复杂的P-T-t轨迹。精确的P-T-t轨迹需要借助于类质同象矿物的化学成分变化，求出温度/压力的连续变化的轨迹。此种方法称为微分热力学方法。我国东秦岭地区秦岭杂岩，是高级变质岩区，利用其中泥质变质岩，石榴夕线黑云片麻岩中的石榴子石成分环带结合共生的黑云母，揭示出了秦岭杂岩两期构造变质旋回的历史，早期为晋宁期，晚期为加里东期（图3-13）。区域变质与区内两期造山旋回和花岗岩浆活动相对应。

图3-13 豫西秦岭杂岩的变质作用P-T-t轨迹

（五）韧性剪切带与成矿
许多高级片麻岩区都发育韧性剪切带，它是一种面状的高韧性的应变带，高应变带和相对弱的应变域，往往呈网结状构造格局。韧性剪切带是岩石变形强烈的区段，又是成矿流体活跃的部位，所以在变质地区它们直接控制着矿床的分布。
在片麻岩区，剪切带的识别主要看应变梯度。即由弱应变或无应变的围岩到强应变的剪切带中部有递进的变形程度，趋近剪切带面理逐渐增强，围岩中先存的岩脉，岩层，面理沿着剪切带发生位移，剪切带还常见一些剪切标志，如拉伸线理、鞘褶皱、斜卧褶皱，弱变形的透镜体，长石碎斑构成的眼球构造等组构要素（图3-14）。
如果剪切带的宽度大于露头的宽度，这时“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，如何识别剪切带，就会成为问题，上述高应变标志，就是解决问题的主要途径。此外，剪切带还具有以下特征性的组构要素：
①层厚稳定而非常规则的层状构造；
②层状构造面（面理）上有线状形态组构（线理）；
③层状构造中出现褶皱轴与线理大致平行的等斜褶皱和鞘褶皱；
④稳定的单斜对称组构要素（糜棱岩中的SC组构，旋转碎斑的不对称拖尾）。
据此，可以发现剪切带并进而追索出它与围岩的接触界线。
一个含矿的剪切带总是多期活动的，但是也很难识别。除非多期变形之间有岩脉或者石英脉的侵位。根据这些脉体的断错，可以识别出后期叠加的断裂。剪切带的韧性变形往往向着剪切破裂转化，应力大小是导致转化的关键。高温变形实验表明应力大于蠕变极限应力时，韧性剪切带就转化为剪切破裂。在地壳10～15km的深度，在韧性/脆性过渡带上，这种转化常导致深源地震。温度、围限压力、湿度、应力变化、岩石类型和矿物粒度都会对转化带来影响。总之，一个韧性剪切带，在适宜的构造环境和应力的作用下，在韧性变形较强的部分，先是发生微裂隙，继而裂隙扩大互相连通，形成剪切断裂，在断裂的内部，早期的糜棱岩成为断裂岩的角砾。

图3-14 韧性剪切带中常见的组构要素

一般说来，强构造作用下的韧性变形转化为弱构造作用下的脆性变形，在空间上这一转化的界面是热液活动的场所，在时间上这一转化阶段，正是热液蚀变转化为热液成矿的阶段。岩石剪切变形之后，强度大增，出现工作硬化（Work Hardening）。在韧性剪切带的边界，正是两种力学强度不同的过渡带，有利于后期脆性断裂的叠加。山东招远的焦家金矿，在韧性剪切带上成矿裂隙并不发育，矿化弱，而其旁侧脆性裂隙密集，矿化强烈。韧性剪切带在成矿作用中实际起了隔挡层的作用。
四川的东北寨金矿是个大型微细浸染金矿，前人认为是脆性断裂控矿，1995年发现矿化沿一个南北向的逆冲型剪切带分布，断裂角砾为糜棱岩，矿化沿糜棱岩的晚期显微破裂充填，胶结物也有矿化。看来，韧性剪切带与断层破碎带在时间上具连续性，在应力持续作用下，韧性剪切带向剪破裂转化，产生大量微裂隙，最终形成金矿脉。
近10年来，硫化物的变形实验已经识别出一系列从脆性到韧性的显微～超微的变形现象，如晶内和粒间的破裂，低温晶内塑性变形（滑移带，扭折带和机械双晶），位错蠕变，溶解沉淀蠕变，固态扩散蠕变，特别是对细粒硫化物高温变形最为重要的颗粒边界滑移（即超塑性）。借助这些变形现象，可以反演变质金属矿床的变形史（详见Brill B A，1989）。

据曹国权、徐惠芬等(1996)研究,鲁西隆起区区域变质作用开始于中太古代晚期,以后一直延续到古元古代—中元古代。主要可分为5期变质作用:
第Ⅰ期中—新太古代的麻粒岩相。
第Ⅱ期新太古代的角闪岩相。
第Ⅲ期新太古代—古元古代的高绿片岩相。
第Ⅳ期古元古代末—中元古代的绿片岩相,区域热变质为主。
第Ⅴ期古元古代绿片岩相,剪切应变机制为主。
张成基等(2001)认为,鲁西隆起区区域变质作用主要可分为2期:
第Ⅰ期中太古代低压角闪麻粒岩相区域高温变质作用(沂水群变质)。
第Ⅱ期新太古代中压低角闪岩相区域动力热流变质作用(泰山群变质)。
同时提出,该地区的区域变质作用仅止于南涝坡岩套,其后的变质是呈带状沿韧性剪切带展布的动力变质以及岩浆活动的自变质:含古元古代绿片岩相,区域热变质为主;古元古代末—中元古代的区域动力低绿片岩相变质作用,剪切应变机制为主(济宁群变质)。
董申保(1983)、卢良兆(1986)等根据原岩建造、变质相和相系类型及其空间分布规律,伴生的构造运动、变形作用及花岗岩浆作用等方面的特征,将区域变质作用划分为:埋深变质作用、区域低温动力变质作用、区域动力热流变质作用和区域中高温变质作用等四种主要类型。
依据辖域未见中太古代地层及侵入体出露的实际情况,结合邻区区域地质背景分析,辖域区域变质作用共划分为三期。
1.泰山岩群的变质作用
据中国地质大学(1997)研究,区域上泰山岩群经历了四期变质作用,分别是高角闪岩相变质作用、低角闪岩相变质作用、高绿片岩相变质作用及低绿片岩相变质作用。其中角闪岩相变质作用是泰山岩群的主变质期,后两期变质作用叠加在早期变质作用之上,表现广泛的退化变质作用。
第一期高角闪岩相变质作用所形成的矿物组合仅呈残留体形式存在,主要在泰山岩群及部分侵入岩中见及,如在变辉长岩中可见两期角闪石,早期角闪石呈半自形—不规则状,粒度大,有时呈残留体形式存在,Ng=黄绿—深绿色,Np'=浅黄色;第二期角闪石主要分布于早期角闪石边部,有时单独存在,细粒状,Ng=蓝绿色,Np=浅黄色。角闪石成分环带明显,中心部分AlⅣ和AlⅥ含量均比边部高。黑云母也可分为二期:早期黑云母Ng=红褐色,晚期黑云母Ng=深褐色。斜长石牌号可明显分为三期,最多出现的斜长石An=18～24,为奥长石,偶见有An=35～44的中长石。第一期角闪石、黑云母是第一期变质作用的残留物,第二期角闪石、黑云母是第二、三、四期变质作用的产物。泰山岩群平衡矿物共生组合见表1-6-1。

表1-6-1 变质共生矿物组合表

鲁西隆起区东部地区比西部地区的变质温度要高一些,邻区利用石榴石-角闪石矿物对和斜长石—角闪石矿物对计算得:泰山岩群变质作用温压条件为:高角闪岩相t=600℃±,p=0.55GPa;低角闪岩相;t=550℃,p=0.4～0.5GPa;高绿片岩相:t=450℃,p=0.15GPa;低绿片岩相t＜400℃,p=0.1～0.2GPa。
应该指出的是,第四期的低绿片岩相退变质局限于韧性剪切带,属动力变质作用。工作区内未见发育。
2.侵入岩的变质作用
新太古代基性超基性侵入岩的典型变质矿物共生组合分别是:Hb+Pl;Hb+Pl(An28)+Kp+Qz+Bit。指示其经历了低角闪岩相变质作用。傲徕山岩套及古元古代基性超基性侵入岩的典型变质矿物共生组合分别是:Kp+Pl+Qz+Bit±Mu,Hb+Bit+Pl+Ep,指示其经历了高绿片岩相变质作用。
根据变质作用演化特点,结合区域同位素年龄、地质事件序列综合分析:辖域的早期变质作用发生于新太古代,中期变质作用发生于新太古代末—古元古代早期,晚期变质作用发生于古元古代中晚期。区域上的同位素测年资料证实,其峰值分别为2700Ma、2500Ma、2000～1800Ma。

根据全区不同时代变质岩系的地质特征综合分析，结合同位素测年数据，可大体划分主要的变质期，建立基本的变质热事件序列：① 古—中元古代区域变质事件；② 新元古代区域变质事件；③ 早古生代变质事件。

东昆仑为复合型造山带，伴随有多期强烈的构造-岩浆作用叠加。其中，早古生代造山作用十分强烈，给识别、研究早期变质事件带来相当大的困难。由于缺少确切的测年资料，只能根据变质建造特征、部分同位素年代信息，通过与邻区基底热事件对比研究讨论早期变质事件特征。

1.古元古—中元古代区域变质事件

以往的研究根据变质岩的变质程度，将东昆仑地区所有的高级变质岩系和花岗质片麻岩归为古元古代变质岩系，被视为最古老的结晶基底的组成部分。随着近年来的基础地质研究进展和高质量同位素测年数据的积累，大大改变了这种原有的认识。东昆仑许多高级变质地块（区）的年代学研究结果表明：东昆仑原古元古—中元古代的高级变质岩多数为早古生代和新元古代造山型变质事件的作用结果。因此，对于本区早期区域变质事件的特征和性质均需进行重新认识和评价。

受工作程度限制，目前尚未找到能够保留古元古—中元古代变质作用信息的变质岩石、典型矿物组合及地质体，所以不能开展有效的同位素测年研究。但是，以金水口岩系表壳岩为代表的富铝片麻岩-大理岩建造和花岗片麻岩，均具有一个显著的同位素年代学特征：即存在确切的早古生代热事件年龄数据的同时，保留较多的大于800Ma的同位素年代学信息。如：2000～1600Ma的Rb-Sr全岩、矿物等时线年龄；2450～1700Ma的颗粒锆石U-Pb表面年龄；部分锆石颗粒、锆石核部的SHRIMP微区测试得到1800～1600Ma的U-Pb年龄。

尽管Rb-Sr全岩、矿物等时线年龄的地质意义值得怀疑，部分测年锆石被确认为碎屑锆石或捕获锆石，但都不能排除或确定古—中元古代变质事件的存在和时限。

东昆仑高级变质岩系具有的同位素年代学特征与柴北缘、东秦岭地区的基底岩系十分相似。可据此推断本区早期（古—中元古代）变质热事件的存在，其性质、时限尚得不出明确的结论。

2.新元古代区域变质事件

新元古代区域变质作用反映十分清楚，主要来自两方面的证据。

1）东昆仑东段存在大量新元古代片麻状花岗岩，变质程度一般为角闪岩相，局部为高角闪岩相—麻粒岩相。岩体变形程度较高，大部分呈片麻状-条带状，显示出中深层次地壳变形特点。锆石U-Pb同位素测年数据多在（880～800）Ma之间。

2）在本区东段受早古生代造山作用影响较弱的地段（1∶25万兴海幅扎那合惹地区）通过变质矿物（石榴子石、角闪石）Ar-Ar测年工作，获得了885Ma和880Ma的新元古代变质年龄数据。这一结果与新元古代花岗岩侵位时间相一致。

据此可以确定，东昆仑新元古代发生了与花岗岩浆作用同时的区域变质作用。

3.早古生代区域变质事件

伴随早古生代造山带的形成，本区经历了又一次高温区域变质作用，变质程度最高为角闪岩—麻粒岩相。这使东昆仑的基底变质岩系遭受不同程度的改造，发生叠加变质作用和部分熔融，变质岩系中同位素时钟发生不同程度的重置。许多基底岩系都记录了这次变质事件的年龄信息。

（1）天台山夕线石榴堇青黑云钾长片麻岩

天台山地区的层状高级变质岩系主要包括富铝片麻岩、长英质片麻岩和大理岩等，是东昆仑地区高级变质岩系出露最多的地区。

夕线石榴堇青黑云钾长片麻岩（样品号：TT02019）采自N 36°17′06″，E 94°25′12″。主要矿物组合为Gar+Cord+Kf+Bi+And+Sil+Pl+Q，具有低压麻粒岩相变质作用特征。

锆石具有核幔结构，核部为浑圆状锆石，可能为源区继承锆石，边部为半自形—自形状锆石，未见环带现象，应为变质作用形成的锆石。SHRIMP测定结果表明，3个核部浑圆状锆石由于铅丢失而落在谐和线的下方，其²⁰⁷ Pb/²⁰⁶ Pb年龄为（1003±180）Ma；边部变质锆石具有两组年龄信息，7个颗粒的²⁰⁶ Pb/²³⁸ U年龄为（372±11）Ma，而另5 个颗粒的²⁰⁶ Pb/²⁰⁶ U年龄为（288±7）Ma（图5-37）。上述（372±11）Ma可能为早古生代麻粒岩相变质作用的年龄，而（288±7）Ma则可能是麻粒岩相变质作用形成的锆石由于印支期花岗闪长岩-花岗岩的侵位结晶影响的结果。

图5-37 天台山夕线石榴堇青黑云钾长片麻岩（TT02019）锆石U-Pb同位素年龄图谱

（2）白日其利沟夕线黑云钾长片麻岩

白日其利沟夕线黑云钾长片麻岩是与天台山白沙河表壳岩相当的高级变质岩石，在白日其利沟地区出露较少，主要以岩块或捕虏体存在于早古生代花岗闪长岩中，因此样品的同位素体系发生了彻底的重置。

GB02010样品采自N 36°09′06″，E 95°13′24″。CL图像显示，该样品的锆石普遍具有核幔结构，其核部较暗，边部明亮。18个点的分析结果表明，除一个点年龄较大，并落在谐和线上，其²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄为（626±15）Ma，其余的点²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄介于（380～540）Ma之间。将²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄比较集中的8个点计算，其²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄为（427±10）Ma（图5-38），应该代表早古生代麻粒岩相变质作用的时间。

图5-38 白日其利沟矽线黑云钾长片麻岩（GB02010）锆石U-Pb同位素年龄图谱

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