大别山镁铁质下地壳的Pb同位素成分：来自榴辉岩的制约
古晓锋+刘贻灿+刘佳
摘要：北大別高温超高压杂岩带中榴辉岩的岩石学和地质年代学研究已经证明它们为华南板块新元古代镁铁质下地壳岩石经三叠纪深俯冲变质成因。基于此，开展了北大别榴辉岩的Pb同位素地球化学研究。结果表明：北大别榴辉岩表现出与北大别片麻岩相似的低放射性成因Pb同位素特征，并具有更低的N（208Pb）/N（204Pb）值；其初始Pb同位素组成分别为N（206Pb）/N（204Pb）i=15217～17.522，N（207Pb）/N（204Pb）i=15077～15540和N（208Pb）/N（204Pb）i=35219～38082，表现出目前已知的大别造山带3个含榴辉岩的超高压变质岩片中最低的Pb同位素组成，这进一步证明北大别榴辉岩的原岩来自于俯冲镁铁质下地壳；北大别榴辉岩表现出较宽的Pb同位素组成变化范围，其中最低的Pb同位素组成源自于具有低w（U）/w（Pb）值、低w（Th）/w（U）值演化特征的晚太古代至古元古代镁铁质下地壳，而相对较高的Pb同位素组成则继承于新元古代底侵的幔源岩浆，表明北大别榴辉岩的Pb同位素特征是幔源岩浆混染古老镁铁质下地壳的结果。与大别山中生代埃达克质岩的Pb同位素对比研究表明，早白垩纪拆沉再循环的陆壳物质中不仅含有镁铁质下地壳岩石，还含有长英质下地壳物质，大别山深部的长英质下地壳随镁铁质下地壳一起拆沉并再循环进入地幔。
关键词：地球化学；榴辉岩；Pb同位素；镁铁质下地壳；新元古代；地壳混染；大陆深俯冲；北大别
中图分类号：P597文献标志码：A
Abstract： The eclogites from the North Dabie hightemperature and ultrahighpressure complex zone in central China have been previously documented by petrology and geochronology to be transformed from the Neoproterozoic mafic lower continental crust underneath South China block during the Triassic continental deep subduction. An integrated study of Pb isotopic geochemistry on the whole rocks and omphacites of the eclogites from North Dabie was carried out， providing new insight into the Pb isotopic compositions of the mafic lower continental crust. The results show that the eclogites here display low radiogenic Pb isotopic characteristics similar to the surrounding gneisses with even lower N（208Pb）/N（204Pb）； （N（206Pb）/N（204Pb））i， （N（207Pb）/N（204Pb））i and （N（208Pb）/N（204Pb））i of the eclogites are 15.21717.522， 15.07715.540 and 3521938.082， respectively， showing the lowest Pb isotopic compositions in the three eclogitebearing ultrahighpressure metamorphic slices of Dabie orogen， and documenting a mafic lowercrustal origin of their protoliths； the variation range of Pb isotopic compositions of the eclogites is large， and the lowest Pb isotopic compositions are demonstrated to be derived from the Paleoproterozoic to Archean mafic lower continental crust with low w（U）/w（Pb） and w（Th）/w（U）， while the relatively higher Pb isotopic compositions are inherited from the Neoproterozoic mantledrived magma， suggesting the precursors of the eclogites from North Dabie are formed by mantledrived magma contaminated with variable degrees of ancient mafic lower continental crustal materials during the Neoproterozoic. Compared to the Pb isotopic compositions of the Mesozoic adakitic rocks derived from partial melting of delaminated lower continental crust in Dabie orogen， it is suggested that the recycled lower crustal materials contain both mafic and felsic lowercrustal rocks， implying the lowermost felsic lower continental crust together with the whole mafic lower continental crust in Dabie orogen may have been delaminated and recycled into the underlying convective mantle.
Key words： geochemistry； eclogite； Pb isotope； mafic lower continental crust； Neoproterozoic； crustal contamination； continental deep subduction； North Dabie
0引言
Pb同位素在上、下地殼和地幔之间有截然不同的演化特征[13]，有助于识别岩石在大陆地壳中的初始位置，示踪壳幔物质循环等[48]，因此，越来越多地被用在造山带地球化学研究中。位于华南板块和华北板块之间的大别—苏鲁造山带作为世界上出露面积最大的陆陆碰撞形成的超高压变质带，多位学者对其中的高压—超高压变质岩开展了Pb同位素地球化学研究工作[56，814]。Pb同位素填图研究显示，大别山3个超高压变质带（南大别低温榴辉岩带、中大别中温超高压变质带、北大别高温超高压杂岩带）分别表现出不同的Pb同位素特征[56，1012，14]。中大别和南大别具有相对较高的放射性成因Pb同位素组成，源于俯冲的中、上地壳；而北大别则具有低放射性成因Pb同位素组成，源于俯冲的下地壳[56]。但是，从目前地表出露的岩石组成及Pb同位素研究来看，大别造山带折返至地表的高压—超高压变质岩主要是相对密度较轻的俯冲上地壳及长英质下地壳岩石[6]，地球物理学研究更显示大别造山带现在缺乏镁铁质下地壳[15]。大别造山带中镁铁质下地壳可能大多数已经在三叠纪深俯冲过程中与长英质下地壳拆离后再循环进入了上地幔[1620]。因此，了解这些深俯冲镁铁质下地壳岩石的地球化学性质对研究壳幔物质相互作用和识别碰撞后岩浆活动的源区具有重要意义。然而，由于大别造山带中镁铁质下地壳俯冲变质成因的榴辉岩及相关岩石很少出露[2022]，因而其研究程度很低。
近年来，Liu等在北大别东部和西南部陆续都发现有榴辉岩[20，2325]，并在其中发现了金刚石、柯石英等超高压变质证据[21，24，2628]；岩石学和地质年代学研究证明它们经历了三叠纪超高压变质作用[2021，2830]，属于印支期华南俯冲陆壳的一部分。其中，北大别西南部的榴辉岩更被证明是华南板块镁铁质下地壳俯冲变质成因[20，25]。本文拟对北大别西南部（罗田地区）榴辉岩开展Pb同位素研究，结合前人对北大别东部榴辉岩的研究结果，以查清北大别榴辉岩Pb同位素特点，探讨大别山深俯冲镁铁质下地壳Pb同位素特征，为深俯冲壳幔物质循环及与拆沉镁铁质下地壳相关的大别山中生代碰撞后岩浆活动提供Pb同位素制约。
1区域地质背景和岩石学描述
大别造山带位于秦岭—大别—苏鲁造山带的中段，是三叠纪华南板块向华北板块之下俯冲形成的碰撞造山带[9，3133]。它包含了几个与大陆深俯冲、碰撞造山作用相关的不同变质程度岩石单位[20，26]，从南到北，可分为宿松变质杂岩带、南大别低温榴辉岩带、中大别中温超高压变质带、北大别高温超高压杂岩带及北淮阳带等构造岩石单位（图1）。它们之间依次分别被太湖—山龙、花凉亭—弥陀、水吼—五河及晓天—磨子潭等断裂带或韧性剪切带所分割。其中，南大别、中大别和北大别都发现了超高压变质岩，属于俯冲的华南板块，并具有不同的变质过程[1921，2627，30]。
BZ为北淮阳带；NDZ为北大别高温超高压杂岩带；CDZ为中大别中温超高压变质带；SDZ为南大别低温榴辉岩带；SZ为宿松变质杂岩带；DC为角闪岩相大别杂岩带；HMZ为浒湾混杂岩带；HZ为红安低温榴辉岩带；TLF为郯城—庐江断裂；XMF为晓天—磨子潭断裂；WSF为五河—水吼断裂；HMF为花凉亭—弥陀断裂；TSF为太湖—山龙断裂；SMF为商城—麻城断裂；图件引自文献[21]，有所修改
中大别中温超高压变质带主要由正片麻岩和表壳岩组成，含有大量榴辉岩、副片麻岩、硬玉石英岩和大理岩等一系列超高压变质岩；南大别低温榴辉岩带则主要为榴辉岩及二云绿帘斜长片麻岩、大理岩等副变质岩[31，3437]。变质岩中金刚石、柯石英和柯石英假象等超高压变质证据的发现[31，34，3639]，表明中大别和南大别都经历了超高压变质作用，指示中大别超高压变质的温度为700 ℃～850 ℃，压力高于28 GPa，南大别榴辉岩峰期变质的温度为670 ℃，压力为33 GPa。Pb同位素研究[56，14]进一步表明，中大别和南大别具有较高的放射性成因Pb同位素特征，来自于俯冲的中、上地壳。
北大别高温超高压杂岩带主要岩石类型有英云闪长质和花岗质片麻岩，少量呈布丁状或透镜状包裹于片麻岩中的变橄榄岩、石榴辉石岩、含石榴子石斜长角闪岩、麻粒岩及榴辉岩等，还有中生代辉长岩、辉石岩、花岗岩类等[30]。该杂岩带变质变形强烈，目前主要表现为角闪岩相，局部保留了麻粒岩相和榴辉岩相矿物组合[18，2021，28，4041]，在北大别西南部罗田穹窿一带还残留有古元古代变质形成的中酸性麻粒岩[4245]。徐树桐等在北大别榴辉岩和片麻岩中陆续发现了金刚石[24，2627，46]、柯石英和柯石英假象[21，28]等超高压变质证据，限定北大别经历超高压峰期变质的压力高于35 GPa。地质年代学研究表明，北大别榴辉岩和片麻岩的原岩时代为700～800 Ma，并普遍有三叠纪超高压变质年代学记录[16，2021，2930，4649]。因此，北大别榴辉岩和花岗片麻岩等高级变质岩具有与中大别、南大别相似的新元古代原岩时代，并经历了三叠纪超高压变质作用[2021，46，50]，属于印支期华南俯冲陆壳的一部分。同中大别和南大别相比，北大别片麻岩和斜长角闪岩等高级变质岩具有较低的放射性成因Pb同位素组成[56，14]，反映了下地壳特征。
北大别榴辉岩主要出露在东部的百丈岩、华庄、黄尾河和铙钹寨以及西南部罗田穹窿内的金家铺、板船山水库、石桥铺和罗田等地（图1）。岩石学研究表明，这些榴辉岩都至少经历了超高压榴辉岩相、高压榴辉岩相、高压麻粒岩相叠加和角闪岩相退变质等多阶段变质演化过程[2022，2527，30，5152]。但不同于东部的榴辉岩，北大别西南部的榴辉岩中还发现有超高压榴辉岩相变质作用之前的紫苏辉石+斜长石等麻粒岩相变质矿物组合[20，25]，证明其原岩为镁铁质下地壳岩石。早期麻粒岩变质作用的时代为（794±10）Ma，与其原岩时代（（791±9）Ma）基本一致，表明这些榴辉岩的原岩在华南板块北缘新元古代岩浆板底垫托作用下形成的[25]。
本文研究的榴辉岩样品大部分采自于北大别西南部罗田穹窿一带，另有一个样品来自于北大别东部的黄尾河（表1），样品采集位置见图1。这些样品的岩石学工作，Liu等已经做过详细的描述和介绍[2022，25，28，30]。北大别东部的黄尾河榴辉岩较新鲜，仅局部发生过相对较弱的退变质作用，围岩为面理化变质橄榄岩，主要组成矿物为石榴石、绿辉石、金红石，以及少量石英、紫苏辉石、斜长石和角闪石。北大别西南部榴辉岩主要以透镜体或块状包裹在花岗片麻岩中，遭受了强烈的退变质作用，大多数仅保留石榴石、金红石和少量绿辉石包体，以及晚期与退变质有关的斜长石、透辉石、角闪石、紫苏辉石、磁铁矿、石英等，偶尔含少量榴辉岩相变质作用之前形成的紫苏辉石和斜长石等矿物残留。石榴石中经常有石英包体，并具有放射状胀裂纹，广泛发育两种后成合晶或冠状体结构，即麻粒岩相退变质阶段形成的由紫苏辉石+透辉石+斜长石等矿物组成的后成合晶或冠状体结构和角闪岩相退变质阶段形成的由角闪石+斜长石+磁铁矿等矿物组成的后成合晶或冠状体结构。
2分析方法
本文分析的样品包括18个北大别榴辉岩和2个榴辉岩退变质形成的含石榴石斜长角闪岩全岩，以及3个榴辉岩的绿辉石单矿物。样品制备时，选取新鲜、无蚀变且矿物分布比较均匀的岩石样品，无污染地粉碎到200目（孔径为0071 mm）并筛制成测试分析所需的全岩粉末；再选取其中3个新鲜的榴辉岩样品，无污染地破碎到40～60目（孔径为0280～0450 mm）后用淘选、电磁选物理方法进行分离，选出绿辉石，并在双目镜下挑选纯净无包体的绿辉石颗粒备用。
样品Pb同位素测试分析在中国科学技术大学地球和空间科学学院放射性同位素实验室进行。称取全岩粉末约100 mg或双目镜下挑选过的纯净绿辉石约50 mg装于7 mL Teflon溶样罐中，依次加入二次纯化后的HF溶液约3 mL和HCLO4溶液8～10滴，拧紧盖子后置于电热板上保持120 ℃加热4 d左右。冷却后，置于超净柜内的电热板上在120 ℃加热，蒸干样品溶液；升温至160 ℃，加热至白烟冒尽，以赶尽过量的HF和HClO4；用1 mL纯化6 mol·L-1 HCl溶液淋洗闷罐内壁，蒸干；再次用1 mL纯化6 mol·L-1 HCl溶液淋洗闷罐内壁，蒸干；加入1 mL 纯化0.5 mol·L-1 HBr溶液溶解样品，准备化学分离和纯化。应用AG1X8常规离子交换树脂（200～400目（孔径为0037～0071 mm）） 并用HBr溶液做淋取液对Pb元素进行两遍纯化，烘干后备用。纯化后的样品Pb同位素测定在Finnigan MAT262质谱仪上完成。本次研究中的Pb同位素标样NBS981多次测定的加权平均结果为N（206Pb）/N（204Pb）=16941±0002，N（207Pb）/N（204Pb）=15497±0002和N（208Pb）/N（204Pb）=36728±0003。误差类型为2σ。质谱仪测定的Pb同位素分析精度优于0.01%。全流程中的Pb元素空白值小于2 ng。全岩初始Pb同位素组成利用ICPMS溶液法给出的U、Th和Pb含量（质量分数，下同）反算到220 Ma（榴辉岩相变质时代）即可得到。
3结果分析
20个全岩和3个绿辉石样品Pb同位素分析结果见表1，另外3个北大别东部榴辉岩的全岩Pb同位素分析结果引自文献[10]。全岩样品的Pb同位素组成变化较大，N（206Pb）/N（204Pb）=15229～18005，N（207Pb）/N（204Pb）=15.077～15588，N（208Pb）/N（204Pb）=35.226～38.778，平均Pb同位素组成分别为1724、1542和37.69。利用全〖CM（22〗岩U、Th和Pb含量对Pb元素同位素组成校正回
U、L、M线分别为Pb构造模型中理想的上地壳、下地壳和地幔演化线，引自文献[1]；L′线为根据文献[3]模拟的华南板块北缘古元古代长英质下地壳演化线；实线分别为0.8、1.2、1.6 Ga古等时线；黄土岭麻粒岩引自文献[56]；n（·）/n（·）为不同元素同位素比值，n（·）为元素的物质的量；初始Pb同位素组成校正到220 Ma
220 Ma（峰期榴輝岩相变质时代）的结果见表1和图2。（N（206Pb）/N（204Pb））i=15217～17522，（N（207Pb）/N（204Pb））i=15007～15540，（N（208Pb）/N（204Pb））i=35219～38082。3个绿辉石的Pb同位素组成为17046～17445、15392～15555和37566～38110。
4讨论
4.1北大别榴辉岩Pb同位素特征
岩石学和地质年代学研究表明[2022，25，28，30，5354]，北大别榴辉岩在深俯冲和折返过程中经历了包括超高压榴辉岩相、高压榴辉岩相、麻粒岩相叠加和角闪岩相退变质等复杂的变质演化阶段，并在变质过程中部分受到了部分熔融作用及流体交代等活动的影响[5355]。由于U元素在流体活动和部分熔融过程中都非常活跃，Th元素作为不相容元素更容易富集在熔体中，在流体中则相对不活跃，而Pb元素在脱水过程中有较
大的活动性[6]。北大别榴辉岩w（U）/w（Pb）值和w（Th）/w（Pb）值可能会因为经历的多阶段变质演化过程而受到不同程度的扰动，进一步干扰到全岩初始Pb同位素组成的精确计算。
由于俯冲陆壳岩石在脱水过程中有部分Pb元素会被析出的变质流体带走[6]，所以折返过程中角闪岩相退变质阶段的外来流体可能会重置北大别榴辉岩的Pb同位素组成。样品03LT12和06LT2位于不同榴辉岩透镜体边部，与围岩片麻岩相接触，是榴辉岩发生退变质形成的含石榴石斜长角闪岩；同核部的榴辉岩样品03LT11和06LT32相比，这些斜长角闪岩表现出更低的（N（206Pb）/N（204Pb））i值和更高的（N（208Pb）/N（204Pb））i值（表1），表明在形成过程中其受到了具有低（N（206Pb）/N（204Pb））i、高（N（208Pb）/N（204Pb））i值特征的外来流体交代。这种流体的Pb同位素特征与北大别片麻岩的Pb同位素特征一致[14]，表明其来自于围岩片麻岩。同时，这一结果也表明，北大别折返阶段角闪岩相的流体活动主要改造了榴辉岩与片麻岩接触部位的Pb同位素组成，而对离围岩较远的榴辉岩Pb同位素特征影响较小。
绿辉石作为榴辉岩的一个主要组成矿物，具有很低的w（U）/w（Pb）值[57]，而且Pb同位素在绿辉石中的扩散活化能和封闭温度都很高[58]，不易受后期热事件的影响而改变组成。因此，绿辉石的Pb同位素组成能够代表矿物结晶的初始同位素组成，而无需年龄校正，可以用来直接进行榴辉岩普通Pb同位素研究[8，13，57]，评估后期退变质作用对计算榴辉岩全岩初始Pb同位素组成的影响。由于多阶段退变质作用的影响，北大别榴辉岩中的绿辉石大部分已经发生了退变质，主要以包体形式存在于石榴石中或退变成角闪石+长石后成合晶[20，22，25，28，30]，只有少数退变质程度较轻的样品能选出绿辉石单矿物来进行普通Pb同位素分析。榴辉岩样品03LT81的绿辉石与计算出的全岩初始值具有相似的Pb同位素组成（表1），表明其UThPb体系在变质过程中没有受到明显的扰动，通过全岩还原计算得到的Pb同位素组成基本能代表榴辉岩相变质阶段的初始Pb同位素特征。榴辉岩样品98702的绿辉石Pb同位素组成则显著低于其还原计算得到的全岩初始Pb同位素组成（表1）。这个样品表现出大离子亲石元素、轻稀土元素以及Th和U等微量元素亏损的特征[30]，表明该榴辉岩在折返阶段可能经历过部分熔融作用，熔体萃取导致该样品w（U）/w（Pb）值和w（Th）/w（Pb）值显著降低，进而影响初始Pb同位素组成还原计算的结果。不过，对于受到外来流体交代的榴辉岩，不仅全岩Pb同位素特征和U、Th含量会被外来流体改造，绿辉石的Pb同位素组成也可能会受到影响。主、微量元素研究结果显示，榴辉岩样品03LT3在退变质过程中受到一种富含Ca的变质流体交代（榴辉岩全岩中CaO含量高达235%）；还原计算得到的全岩初始Pb同位素组成也明显低于綠辉石的Pb同位素组成（表1），表明流体交代过程同时带入了额外的U、Th。此外，榴辉岩样品03LT3全岩及绿辉石单矿物都表现出显著高的N（207Pb）/N（204Pb）值（图2），表明这种变质流体不仅富含Ca、U、Th元素，还具有较高的N（207Pb）/N（204Pb）值特征。榴辉岩样品03LT3的全岩和绿辉石Pb同位素组成都受到了外来流体Pb同位素的改造，不能真实反映其原岩的Pb同位素特征。因此，在进行全岩初始Pb同位素组成还原计算时，除了要综合考虑样品的微量元素特征外，还要排除外来变质流体交代的影响，尽可能真实反映其原岩的初始Pb同位素组成。
总体而言，除少数受到外来流体交代的样品外（如样品03LT3），大部分北大别榴辉岩都具有非常低的U、Th含量和w（U）/w（Pb）值（大部分在0002～0100之间），还原计算得到的初始Pb同位素组成基本能反映北大别榴辉岩相变质阶段的初始Pb同位素特征。还原计算结果显示（表1、图2），绝大部分北大别榴辉岩的初始Pb同位素组成为（N（206Pb）/N（204Pb））i=16485～17.969，（N（207Pb）/N（204Pb））i=15304～15540，（N（208Pb）/N（204Pb））i=37001～38082，与北大别正片麻岩中长石的〖CM（22〗Pb同位素组成[14]给出的范围基本一致，其〖LL〗（N（206Pb）/N（204Pb））i值大部分在富集地幔EMⅠ的范围内（图3）；有两个榴辉岩样品（样品07LT5和07LT61）则具有极低的放射性成因Pb同位素组成，其（N（206Pb）/N（204Pb））i、（N（207Pb）/N（204Pb））i和（N（208Pb）/N（204Pb））i值分别为15217～15809、15077～15.216和35219～35949，其中榴辉岩样品07LT5具有目前已知的大别造山带超高压变质岩中最低的Pb同位素组成（图3），表明其原岩侵入到了很深的下地壳位置。在（N（207Pb）/N（204Pb））i（N（206Pb）/N（204Pb））i图解和（N（208Pb）/N（204Pb））i（N（206Pb）/N（204Pb））i图解（图3）上，北大别榴辉岩同北大别片麻岩一样，都表现出低放射性成因Pb同位素组成，不同于中大别和南大别具有较高放射性成因Pb同位素的特点[56，14]，进一步表明北大别榴辉岩的原岩来自于俯冲的镁铁质下地壳岩石。〖SD17〗
〖TPN3R3C.tif，+57mm。170mm，DY#〗〖TS（〗中大别榴辉岩和片麻岩及北大别片麻岩数据引自文献[5]～[6]；北大别片麻岩长石数据引自文献[14]；CCSD（中国大陆科学钻探工程）
榴辉岩和片麻岩数据引自文献[8]；大别山中生代埃达克质岩数据引自文献[59]和[60]；Ⅰ型富集地幔（EMⅠ）、Ⅱ型富集地幔（EMⅡ）和亏损型洋中脊玄武岩（NMORB）数据引自文献[61]；Geochron线为地球年龄线；NHRL线为北半球参考线；
（N（207Pb）/N（204Pb））NHRL=0108 4（N（206Pb）/N（204Pb））i+13.491；（N（208Pb）/N（206Pb））NHRL=1.209（N（206Pb）/N（204Pb））i+15627，引自文献[62]；初始Pb同位素组成校正到220 Ma
4.2对大别山深俯冲镁铁质下地壳Pb同位素的制约
不同于北大别片麻岩具有较为均一的低放射性成因Pb同位素特征[14]，北大别榴辉岩表现出更大的Pb同位素变化范围（图3）。在初始Pb同位素组成图解（图2）上，大部分北大别榴辉岩都落在0.8 Ga古等时线的右侧以及地幔演化线与下地壳演化线之间的区域内，表明北大别榴辉岩的原岩时代可能为0.8 Ga，物质成分主要为幔源物质，同时混合有下地壳物质。这与北大别榴辉岩的地质年代学研究结果[2021，29]基本一致，即北大别榴辉岩的原岩是由730～790 Ma幔源岩浆底侵下地壳岩石形成的。不过，在图2（a）上有少量样品的数据点分布在地幔演化线与上地壳演化线之间靠近上地壳的区域，全部为在折返过程中发生过外来流体交代的样品，这可能是由于退变质过程中流体交代作用导致还原计算的结果跟真实值之间存在较大的误差，而非混入了上地壳物质。
两个极低Pb同位素组成的榴辉岩都落在了12 Ga古等时线的左侧（图2），显示出古老下地壳的Pb同位素特征。这可能有两个原因：①折返阶段退变质过程中榴辉岩受到外来流体交代；②榴辉岩的原岩本身具有极低放射性成因Pb同位素特征，新元古代幔源岩浆底侵过程中混染了具有非常低Pb同位素组成的古老下地壳物质。由于U元素在流体中相对活跃而Th元素则相对不活跃，流体活动主要会改造岩石中的w（U）/w（Pb）值而对w（Th）/w（Pb）值影响较小，所以在对榴辉岩进行初始Pb同位素组成还原计算时，后期流体作用引起的w（U）/w（Pb）值升高会导致计算结果比实际值偏小，从而表现出虚假的低放射性成因Pb同位素特征。但对于榴辉岩样品07LT5而言，其本身具有极低放射性成因Pb同位素组成（表1），而且其w（U）/w（Pb）值也非常低（0006）。因此，流体活动导致的计算误差不足以解释北大别榴辉岩的低放射性成因Pb同位素特征。此外，如果外来流体具有非常低的放射性成因Pb同位素组成，也可以改造榴辉岩使其表现出低放射性成因Pb同位素特征，但这需要找到一个具有非常低Pb同位素组成的流体源区。研究区榴辉岩的围岩是片麻岩，目前已知的北大别乃至整个大别山片麻岩的Pb同位素组成都显著高于榴辉岩样品07LT5（图3），而且样品具有极低U、Th含量的特征，也不支持退变质阶段被外来流体交代的假设。因此，北大别榴辉岩具有极低放射性成因Pb同位素组成不是在退变质阶段被流体活动改造的结果，而是新元古代幔源岩浆底侵很深的下地壳岩石混染了较多古老下地壳物质的结果。
大量研究表明，华南板块北缘的古老变质基底主要由形成于晚太古代至古元古代的岩石组成[4445，63]。在新元古代发生地壳再造和地壳增生时，是否存在具有极低放射性成因Pb同位素特征的下地殼岩石？黄土岭中酸性麻粒岩是北大别的典型麻粒岩之一。大量的地质年代学研究表明，北大别黄土岭麻粒岩在（2 029±13）～（2 042±7）Ma就位于下地壳，并经历了高温麻粒岩相变质作用[4245]。然而，在黄土岭麻粒岩中没有发现三叠纪锆石UPb年龄记录，这可能意味着它没有参与三叠纪大陆深俯冲过程[43]。因此，黄土岭麻粒岩的全岩UPb同位素体系可能自约2.0 Ga经历麻粒岩相变质作用以来，一直保持封闭没有受到扰动。根据中国大陆地壳Pb同位素演化模型[3]，20 Ga时华南板块下地壳初始Pb同位素组成为（N（206Pb）/N（204Pb））i=1386，（N（207Pb）/N（204Pb））i=14.63，（N（208Pb）/N（204Pb））i=3434，按照下地壳岩石具有低n（238U）/n（204Pb）值和较高w（Th）/w（U）值的特征（取n（238U）/n（204Pb）=5，n（232Th）/n（238U）=7）进行简单模拟计算，演化得到现代Pb同位素组成，即N（206Pb）/N（204Pb）=15679，N（207Pb）/N（204Pb）=14854，N（208Pb）/N（204Pb）=38.001。这个模拟计算的结果与黄土岭麻粒岩的Pb同位素组成（N（206Pb）/N（204Pb）=15.674，N（207Pb）/N（204Pb）=14854，N（208Pb）/N（204Pb）=37938[56]）完全一致[图2（a）]，表明模拟计算参数设置和结果都是合理的，
华南板块北缘的古元古代长英质下地壳岩石具有类似于黄土岭麻粒岩低w（U）/w（Pb）值、高w（Th）/w（U）值的Pb同位素演化特征。当这类下地壳岩石演化到08 Ga时，模拟计算的年龄t对应的Pb同位素组成为（N（206Pb）/N（204Pb））t=15018，（N（207Pb）/
N（204Pb））t=14810，（N（208Pb）/N（204Pb））t=36580。然而，尽管这类下地壳岩石表现出很低的（N（206Pb）/N（204Pb））t值和（N（207Pb）/N（204Pb））t值特征，但其（N（208Pb）/N（204Pb））t值却远高于北大别榴辉岩的（N（208Pb）/N（204Pb））t值（35226）。榴辉岩样品07LT5极低的放射性成因Pb同位素组成要求华南板块北缘古老镁铁质下地壳在新元古代时不仅具有非常低的（N（206Pb）/N（204Pb））t值和（N（207Pb）/N（204Pb））t值，还具有非常低的（N（208Pb）/N（204Pb））t值。对比大别—苏鲁造山带中榴辉岩和片麻岩的Pb同位素组成可以发现，对应相同的（N（206Pb）/N（204Pb））i值，榴辉岩比片麻岩具有更低的（N（208Pb）/N（204Pb））i值[图3（b）]，表明大别山镁铁质原岩比长英质原岩具有更低的w（Th）/w（U）值。因此，w（Th）/w（U）值不同可能是长英质下地壳和镁铁质下地壳Pb同位素演化的一个重要区别。相对于长英质下地壳，华南板块北缘的古老镁铁质下地壳具有低的w（Th）/w（U）值，并在新元古代时演化为低（N（206Pb）/N（204Pb））t值、（N（207Pb）/N（204Pb））t值和（N（208Pb）/N（204Pb））t值的特征。
北大别榴辉岩的Pb同位素研究结果显示，在新元古代华南板块北缘发生地壳增生时，新生镁铁质下地壳有两个不同的Pb同位素源区：一个源区为具有低w（U）/w（Pb）值、低w（Th）/w（U）值演化特征的晚太古代至古元古代镁铁质下地壳；另一个源区则为幔源岩浆，表现出相对较高的放射性成因Pb同位素特征。图2中，北大别榴辉岩的（N（207Pb）/N（204Pb））i值、（N（208Pb）/N（204Pb））i值与（N（206Pb）/N（204Pb））i值之间分别表现出明显的线性正相关关系，进一步证明这些榴辉岩的Pb同位素特征是新元古代幔源岩浆侵位过程中混染了古老镁铁质下地壳低放射性成因Pb同位素特征的一系列结果。因此，大别造山带三叠纪深俯冲镁铁质下地壳存在两类成分：一类是晚太古代至古元古代的古老镁铁质下地壳物质，表现出极低的放射性成因Pb同位素特征；另一类为新元古代新生的镁铁质下地壳物质，主要表现为类似于地幔演化的Pb同位素特征，少量具有接近于古老镁铁质下地壳一系列变化的Pb同位素组成。
大量研究表明，大别山中生代埃达克质岩的源区与在三叠纪深俯冲过程中拆离并最终再循环进入上地幔的华南板块北缘镁铁质下地壳有关，并已证明是这部分拆沉的下地壳发生部分熔融的产物[5960，6467]，它们的SrNdPb同位素组成能够代表再循环的加厚下地壳特征[60]。这些埃达克质岩表现出低放射性成因Pb同位素组成以及较高的Δ8/4值（平均值为192）特征[5960]。然而，对北大别榴辉岩的Pb同位素研究结果显示，大别山镁铁质下地壳具有低放射性成因Pb同位素组成和较低的Δ8/4值（表1），其中大部分Δ8/4值都低于130（图3），显著低于大别山中生代埃达克质岩的Δ8/4值。此外，同苏鲁造山带相比，大别造山带缺少一个具有很低放射性成因Pb同位素特征的长英质下地壳岩片[6，14]。这个岩片原本应就位于北大别之下，但在三叠纪陆壳深俯冲和折返过程及后期造山作用后并未出露地表。它表现为类似于大别山中生代埃达克质岩的低（N（206Pb）/N（204Pb））t特征，却具有更高的（N（208Pb）/N（204Pb））t值（图3），其Δ8/4平均值为228[8]。大别山中生代埃达克质岩的Δ8/4值介于大别山镁铁质下地壳和缺失的长英质下地壳之间（图3），表明它可能是大别山长英质和镁铁质下地壳Pb同位素混合的结果。因此，再循环的陆壳物质中不仅含有镁铁质下地壳岩石，还含有长英质下地壳物质，在早白垩纪岩石圈拆离和造山带去山根事件中，大别山底层的长英质下地壳随镁铁质下地壳一起拆沉并再循环进入地幔。
5结语
（1）北大别榴辉岩具有与北大别片麻岩类似的低放射性成因Pb同位素成分的下地壳岩石特征，但表现出更低的（N（208Pb）/N（204Pb））i值，并具有已知的大別造山带3个含榴辉岩的超高压变质岩片中最低的Pb同位素组成，进一步证明它们的原岩来自于深俯冲的镁铁质下地壳岩石。
（2）北大别榴辉岩的Pb同位素特征是新元古代幔源岩浆侵位过程中不同程度混染具有低w（U）/w（Pb）值、低w（Th）/w（U）值演化特征的晚太古代至古元古代镁铁质下地壳的结果。参与三叠纪大别山深俯冲的镁铁质下地壳存在两类成分：一类是具有极低的放射性成因Pb同位素特征的古老镁铁质下地壳物质；另一类为新元古代新生的镁铁质下地壳物质，主要表现为类似于地幔演化的Pb同位素特征。
（3）与大别山中生代埃达克质岩的Pb同位素对比研究表明，在华南板块三叠纪深俯冲及早白垩纪岩石圈拆离过程中，大别山深部的长英质下地壳随镁铁质下地壳一起拆沉并再循环进入地幔。
中国科学技术大学陈福坤教授和肖平在Pb同位素测试中给予了支持和帮助，在此表示感谢！
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收稿日期：20160914
基金項目：国家重点基础研究发展计划（“九七三”计划）项目（2015CB856104）；国家自然科学基金项目（41273036，41503002）；中央高校基本科研业务费专项资金项目
作者简介：古晓锋（1982），男，河南漯河人，副研究员，理学博士，博士后，Email：xfgu@ustc.edu.cn。
摘要：北大別高温超高压杂岩带中榴辉岩的岩石学和地质年代学研究已经证明它们为华南板块新元古代镁铁质下地壳岩石经三叠纪深俯冲变质成因。基于此，开展了北大别榴辉岩的Pb同位素地球化学研究。结果表明：北大别榴辉岩表现出与北大别片麻岩相似的低放射性成因Pb同位素特征，并具有更低的N（208Pb）/N（204Pb）值；其初始Pb同位素组成分别为N（206Pb）/N（204Pb）i=15217～17.522，N（207Pb）/N（204Pb）i=15077～15540和N（208Pb）/N（204Pb）i=35219～38082，表现出目前已知的大别造山带3个含榴辉岩的超高压变质岩片中最低的Pb同位素组成，这进一步证明北大别榴辉岩的原岩来自于俯冲镁铁质下地壳；北大别榴辉岩表现出较宽的Pb同位素组成变化范围，其中最低的Pb同位素组成源自于具有低w（U）/w（Pb）值、低w（Th）/w（U）值演化特征的晚太古代至古元古代镁铁质下地壳，而相对较高的Pb同位素组成则继承于新元古代底侵的幔源岩浆，表明北大别榴辉岩的Pb同位素特征是幔源岩浆混染古老镁铁质下地壳的结果。与大别山中生代埃达克质岩的Pb同位素对比研究表明，早白垩纪拆沉再循环的陆壳物质中不仅含有镁铁质下地壳岩石，还含有长英质下地壳物质，大别山深部的长英质下地壳随镁铁质下地壳一起拆沉并再循环进入地幔。
关键词：地球化学；榴辉岩；Pb同位素；镁铁质下地壳；新元古代；地壳混染；大陆深俯冲；北大别
中图分类号：P597文献标志码：A
Abstract： The eclogites from the North Dabie hightemperature and ultrahighpressure complex zone in central China have been previously documented by petrology and geochronology to be transformed from the Neoproterozoic mafic lower continental crust underneath South China block during the Triassic continental deep subduction. An integrated study of Pb isotopic geochemistry on the whole rocks and omphacites of the eclogites from North Dabie was carried out， providing new insight into the Pb isotopic compositions of the mafic lower continental crust. The results show that the eclogites here display low radiogenic Pb isotopic characteristics similar to the surrounding gneisses with even lower N（208Pb）/N（204Pb）； （N（206Pb）/N（204Pb））i， （N（207Pb）/N（204Pb））i and （N（208Pb）/N（204Pb））i of the eclogites are 15.21717.522， 15.07715.540 and 3521938.082， respectively， showing the lowest Pb isotopic compositions in the three eclogitebearing ultrahighpressure metamorphic slices of Dabie orogen， and documenting a mafic lowercrustal origin of their protoliths； the variation range of Pb isotopic compositions of the eclogites is large， and the lowest Pb isotopic compositions are demonstrated to be derived from the Paleoproterozoic to Archean mafic lower continental crust with low w（U）/w（Pb） and w（Th）/w（U）， while the relatively higher Pb isotopic compositions are inherited from the Neoproterozoic mantledrived magma， suggesting the precursors of the eclogites from North Dabie are formed by mantledrived magma contaminated with variable degrees of ancient mafic lower continental crustal materials during the Neoproterozoic. Compared to the Pb isotopic compositions of the Mesozoic adakitic rocks derived from partial melting of delaminated lower continental crust in Dabie orogen， it is suggested that the recycled lower crustal materials contain both mafic and felsic lowercrustal rocks， implying the lowermost felsic lower continental crust together with the whole mafic lower continental crust in Dabie orogen may have been delaminated and recycled into the underlying convective mantle.
Key words： geochemistry； eclogite； Pb isotope； mafic lower continental crust； Neoproterozoic； crustal contamination； continental deep subduction； North Dabie
0引言
Pb同位素在上、下地殼和地幔之间有截然不同的演化特征[13]，有助于识别岩石在大陆地壳中的初始位置，示踪壳幔物质循环等[48]，因此，越来越多地被用在造山带地球化学研究中。位于华南板块和华北板块之间的大别—苏鲁造山带作为世界上出露面积最大的陆陆碰撞形成的超高压变质带，多位学者对其中的高压—超高压变质岩开展了Pb同位素地球化学研究工作[56，814]。Pb同位素填图研究显示，大别山3个超高压变质带（南大别低温榴辉岩带、中大别中温超高压变质带、北大别高温超高压杂岩带）分别表现出不同的Pb同位素特征[56，1012，14]。中大别和南大别具有相对较高的放射性成因Pb同位素组成，源于俯冲的中、上地壳；而北大别则具有低放射性成因Pb同位素组成，源于俯冲的下地壳[56]。但是，从目前地表出露的岩石组成及Pb同位素研究来看，大别造山带折返至地表的高压—超高压变质岩主要是相对密度较轻的俯冲上地壳及长英质下地壳岩石[6]，地球物理学研究更显示大别造山带现在缺乏镁铁质下地壳[15]。大别造山带中镁铁质下地壳可能大多数已经在三叠纪深俯冲过程中与长英质下地壳拆离后再循环进入了上地幔[1620]。因此，了解这些深俯冲镁铁质下地壳岩石的地球化学性质对研究壳幔物质相互作用和识别碰撞后岩浆活动的源区具有重要意义。然而，由于大别造山带中镁铁质下地壳俯冲变质成因的榴辉岩及相关岩石很少出露[2022]，因而其研究程度很低。
近年来，Liu等在北大别东部和西南部陆续都发现有榴辉岩[20，2325]，并在其中发现了金刚石、柯石英等超高压变质证据[21，24，2628]；岩石学和地质年代学研究证明它们经历了三叠纪超高压变质作用[2021，2830]，属于印支期华南俯冲陆壳的一部分。其中，北大别西南部的榴辉岩更被证明是华南板块镁铁质下地壳俯冲变质成因[20，25]。本文拟对北大别西南部（罗田地区）榴辉岩开展Pb同位素研究，结合前人对北大别东部榴辉岩的研究结果，以查清北大别榴辉岩Pb同位素特点，探讨大别山深俯冲镁铁质下地壳Pb同位素特征，为深俯冲壳幔物质循环及与拆沉镁铁质下地壳相关的大别山中生代碰撞后岩浆活动提供Pb同位素制约。
1区域地质背景和岩石学描述
大别造山带位于秦岭—大别—苏鲁造山带的中段，是三叠纪华南板块向华北板块之下俯冲形成的碰撞造山带[9，3133]。它包含了几个与大陆深俯冲、碰撞造山作用相关的不同变质程度岩石单位[20，26]，从南到北，可分为宿松变质杂岩带、南大别低温榴辉岩带、中大别中温超高压变质带、北大别高温超高压杂岩带及北淮阳带等构造岩石单位（图1）。它们之间依次分别被太湖—山龙、花凉亭—弥陀、水吼—五河及晓天—磨子潭等断裂带或韧性剪切带所分割。其中，南大别、中大别和北大别都发现了超高压变质岩，属于俯冲的华南板块，并具有不同的变质过程[1921，2627，30]。
BZ为北淮阳带；NDZ为北大别高温超高压杂岩带；CDZ为中大别中温超高压变质带；SDZ为南大别低温榴辉岩带；SZ为宿松变质杂岩带；DC为角闪岩相大别杂岩带；HMZ为浒湾混杂岩带；HZ为红安低温榴辉岩带；TLF为郯城—庐江断裂；XMF为晓天—磨子潭断裂；WSF为五河—水吼断裂；HMF为花凉亭—弥陀断裂；TSF为太湖—山龙断裂；SMF为商城—麻城断裂；图件引自文献[21]，有所修改
中大别中温超高压变质带主要由正片麻岩和表壳岩组成，含有大量榴辉岩、副片麻岩、硬玉石英岩和大理岩等一系列超高压变质岩；南大别低温榴辉岩带则主要为榴辉岩及二云绿帘斜长片麻岩、大理岩等副变质岩[31，3437]。变质岩中金刚石、柯石英和柯石英假象等超高压变质证据的发现[31，34，3639]，表明中大别和南大别都经历了超高压变质作用，指示中大别超高压变质的温度为700 ℃～850 ℃，压力高于28 GPa，南大别榴辉岩峰期变质的温度为670 ℃，压力为33 GPa。Pb同位素研究[56，14]进一步表明，中大别和南大别具有较高的放射性成因Pb同位素特征，来自于俯冲的中、上地壳。
北大别高温超高压杂岩带主要岩石类型有英云闪长质和花岗质片麻岩，少量呈布丁状或透镜状包裹于片麻岩中的变橄榄岩、石榴辉石岩、含石榴子石斜长角闪岩、麻粒岩及榴辉岩等，还有中生代辉长岩、辉石岩、花岗岩类等[30]。该杂岩带变质变形强烈，目前主要表现为角闪岩相，局部保留了麻粒岩相和榴辉岩相矿物组合[18，2021，28，4041]，在北大别西南部罗田穹窿一带还残留有古元古代变质形成的中酸性麻粒岩[4245]。徐树桐等在北大别榴辉岩和片麻岩中陆续发现了金刚石[24，2627，46]、柯石英和柯石英假象[21，28]等超高压变质证据，限定北大别经历超高压峰期变质的压力高于35 GPa。地质年代学研究表明，北大别榴辉岩和片麻岩的原岩时代为700～800 Ma，并普遍有三叠纪超高压变质年代学记录[16，2021，2930，4649]。因此，北大别榴辉岩和花岗片麻岩等高级变质岩具有与中大别、南大别相似的新元古代原岩时代，并经历了三叠纪超高压变质作用[2021，46，50]，属于印支期华南俯冲陆壳的一部分。同中大别和南大别相比，北大别片麻岩和斜长角闪岩等高级变质岩具有较低的放射性成因Pb同位素组成[56，14]，反映了下地壳特征。
北大别榴辉岩主要出露在东部的百丈岩、华庄、黄尾河和铙钹寨以及西南部罗田穹窿内的金家铺、板船山水库、石桥铺和罗田等地（图1）。岩石学研究表明，这些榴辉岩都至少经历了超高压榴辉岩相、高压榴辉岩相、高压麻粒岩相叠加和角闪岩相退变质等多阶段变质演化过程[2022，2527，30，5152]。但不同于东部的榴辉岩，北大别西南部的榴辉岩中还发现有超高压榴辉岩相变质作用之前的紫苏辉石+斜长石等麻粒岩相变质矿物组合[20，25]，证明其原岩为镁铁质下地壳岩石。早期麻粒岩变质作用的时代为（794±10）Ma，与其原岩时代（（791±9）Ma）基本一致，表明这些榴辉岩的原岩在华南板块北缘新元古代岩浆板底垫托作用下形成的[25]。
本文研究的榴辉岩样品大部分采自于北大别西南部罗田穹窿一带，另有一个样品来自于北大别东部的黄尾河（表1），样品采集位置见图1。这些样品的岩石学工作，Liu等已经做过详细的描述和介绍[2022，25，28，30]。北大别东部的黄尾河榴辉岩较新鲜，仅局部发生过相对较弱的退变质作用，围岩为面理化变质橄榄岩，主要组成矿物为石榴石、绿辉石、金红石，以及少量石英、紫苏辉石、斜长石和角闪石。北大别西南部榴辉岩主要以透镜体或块状包裹在花岗片麻岩中，遭受了强烈的退变质作用，大多数仅保留石榴石、金红石和少量绿辉石包体，以及晚期与退变质有关的斜长石、透辉石、角闪石、紫苏辉石、磁铁矿、石英等，偶尔含少量榴辉岩相变质作用之前形成的紫苏辉石和斜长石等矿物残留。石榴石中经常有石英包体，并具有放射状胀裂纹，广泛发育两种后成合晶或冠状体结构，即麻粒岩相退变质阶段形成的由紫苏辉石+透辉石+斜长石等矿物组成的后成合晶或冠状体结构和角闪岩相退变质阶段形成的由角闪石+斜长石+磁铁矿等矿物组成的后成合晶或冠状体结构。
2分析方法
本文分析的样品包括18个北大别榴辉岩和2个榴辉岩退变质形成的含石榴石斜长角闪岩全岩，以及3个榴辉岩的绿辉石单矿物。样品制备时，选取新鲜、无蚀变且矿物分布比较均匀的岩石样品，无污染地粉碎到200目（孔径为0071 mm）并筛制成测试分析所需的全岩粉末；再选取其中3个新鲜的榴辉岩样品，无污染地破碎到40～60目（孔径为0280～0450 mm）后用淘选、电磁选物理方法进行分离，选出绿辉石，并在双目镜下挑选纯净无包体的绿辉石颗粒备用。
样品Pb同位素测试分析在中国科学技术大学地球和空间科学学院放射性同位素实验室进行。称取全岩粉末约100 mg或双目镜下挑选过的纯净绿辉石约50 mg装于7 mL Teflon溶样罐中，依次加入二次纯化后的HF溶液约3 mL和HCLO4溶液8～10滴，拧紧盖子后置于电热板上保持120 ℃加热4 d左右。冷却后，置于超净柜内的电热板上在120 ℃加热，蒸干样品溶液；升温至160 ℃，加热至白烟冒尽，以赶尽过量的HF和HClO4；用1 mL纯化6 mol·L-1 HCl溶液淋洗闷罐内壁，蒸干；再次用1 mL纯化6 mol·L-1 HCl溶液淋洗闷罐内壁，蒸干；加入1 mL 纯化0.5 mol·L-1 HBr溶液溶解样品，准备化学分离和纯化。应用AG1X8常规离子交换树脂（200～400目（孔径为0037～0071 mm）） 并用HBr溶液做淋取液对Pb元素进行两遍纯化，烘干后备用。纯化后的样品Pb同位素测定在Finnigan MAT262质谱仪上完成。本次研究中的Pb同位素标样NBS981多次测定的加权平均结果为N（206Pb）/N（204Pb）=16941±0002，N（207Pb）/N（204Pb）=15497±0002和N（208Pb）/N（204Pb）=36728±0003。误差类型为2σ。质谱仪测定的Pb同位素分析精度优于0.01%。全流程中的Pb元素空白值小于2 ng。全岩初始Pb同位素组成利用ICPMS溶液法给出的U、Th和Pb含量（质量分数，下同）反算到220 Ma（榴辉岩相变质时代）即可得到。
3结果分析
20个全岩和3个绿辉石样品Pb同位素分析结果见表1，另外3个北大别东部榴辉岩的全岩Pb同位素分析结果引自文献[10]。全岩样品的Pb同位素组成变化较大，N（206Pb）/N（204Pb）=15229～18005，N（207Pb）/N（204Pb）=15.077～15588，N（208Pb）/N（204Pb）=35.226～38.778，平均Pb同位素组成分别为1724、1542和37.69。利用全〖CM（22〗岩U、Th和Pb含量对Pb元素同位素组成校正回
U、L、M线分别为Pb构造模型中理想的上地壳、下地壳和地幔演化线，引自文献[1]；L′线为根据文献[3]模拟的华南板块北缘古元古代长英质下地壳演化线；实线分别为0.8、1.2、1.6 Ga古等时线；黄土岭麻粒岩引自文献[56]；n（·）/n（·）为不同元素同位素比值，n（·）为元素的物质的量；初始Pb同位素组成校正到220 Ma
220 Ma（峰期榴輝岩相变质时代）的结果见表1和图2。（N（206Pb）/N（204Pb））i=15217～17522，（N（207Pb）/N（204Pb））i=15007～15540，（N（208Pb）/N（204Pb））i=35219～38082。3个绿辉石的Pb同位素组成为17046～17445、15392～15555和37566～38110。
4讨论
4.1北大别榴辉岩Pb同位素特征
岩石学和地质年代学研究表明[2022，25，28，30，5354]，北大别榴辉岩在深俯冲和折返过程中经历了包括超高压榴辉岩相、高压榴辉岩相、麻粒岩相叠加和角闪岩相退变质等复杂的变质演化阶段，并在变质过程中部分受到了部分熔融作用及流体交代等活动的影响[5355]。由于U元素在流体活动和部分熔融过程中都非常活跃，Th元素作为不相容元素更容易富集在熔体中，在流体中则相对不活跃，而Pb元素在脱水过程中有较
大的活动性[6]。北大别榴辉岩w（U）/w（Pb）值和w（Th）/w（Pb）值可能会因为经历的多阶段变质演化过程而受到不同程度的扰动，进一步干扰到全岩初始Pb同位素组成的精确计算。
由于俯冲陆壳岩石在脱水过程中有部分Pb元素会被析出的变质流体带走[6]，所以折返过程中角闪岩相退变质阶段的外来流体可能会重置北大别榴辉岩的Pb同位素组成。样品03LT12和06LT2位于不同榴辉岩透镜体边部，与围岩片麻岩相接触，是榴辉岩发生退变质形成的含石榴石斜长角闪岩；同核部的榴辉岩样品03LT11和06LT32相比，这些斜长角闪岩表现出更低的（N（206Pb）/N（204Pb））i值和更高的（N（208Pb）/N（204Pb））i值（表1），表明在形成过程中其受到了具有低（N（206Pb）/N（204Pb））i、高（N（208Pb）/N（204Pb））i值特征的外来流体交代。这种流体的Pb同位素特征与北大别片麻岩的Pb同位素特征一致[14]，表明其来自于围岩片麻岩。同时，这一结果也表明，北大别折返阶段角闪岩相的流体活动主要改造了榴辉岩与片麻岩接触部位的Pb同位素组成，而对离围岩较远的榴辉岩Pb同位素特征影响较小。
绿辉石作为榴辉岩的一个主要组成矿物，具有很低的w（U）/w（Pb）值[57]，而且Pb同位素在绿辉石中的扩散活化能和封闭温度都很高[58]，不易受后期热事件的影响而改变组成。因此，绿辉石的Pb同位素组成能够代表矿物结晶的初始同位素组成，而无需年龄校正，可以用来直接进行榴辉岩普通Pb同位素研究[8，13，57]，评估后期退变质作用对计算榴辉岩全岩初始Pb同位素组成的影响。由于多阶段退变质作用的影响，北大别榴辉岩中的绿辉石大部分已经发生了退变质，主要以包体形式存在于石榴石中或退变成角闪石+长石后成合晶[20，22，25，28，30]，只有少数退变质程度较轻的样品能选出绿辉石单矿物来进行普通Pb同位素分析。榴辉岩样品03LT81的绿辉石与计算出的全岩初始值具有相似的Pb同位素组成（表1），表明其UThPb体系在变质过程中没有受到明显的扰动，通过全岩还原计算得到的Pb同位素组成基本能代表榴辉岩相变质阶段的初始Pb同位素特征。榴辉岩样品98702的绿辉石Pb同位素组成则显著低于其还原计算得到的全岩初始Pb同位素组成（表1）。这个样品表现出大离子亲石元素、轻稀土元素以及Th和U等微量元素亏损的特征[30]，表明该榴辉岩在折返阶段可能经历过部分熔融作用，熔体萃取导致该样品w（U）/w（Pb）值和w（Th）/w（Pb）值显著降低，进而影响初始Pb同位素组成还原计算的结果。不过，对于受到外来流体交代的榴辉岩，不仅全岩Pb同位素特征和U、Th含量会被外来流体改造，绿辉石的Pb同位素组成也可能会受到影响。主、微量元素研究结果显示，榴辉岩样品03LT3在退变质过程中受到一种富含Ca的变质流体交代（榴辉岩全岩中CaO含量高达235%）；还原计算得到的全岩初始Pb同位素组成也明显低于綠辉石的Pb同位素组成（表1），表明流体交代过程同时带入了额外的U、Th。此外，榴辉岩样品03LT3全岩及绿辉石单矿物都表现出显著高的N（207Pb）/N（204Pb）值（图2），表明这种变质流体不仅富含Ca、U、Th元素，还具有较高的N（207Pb）/N（204Pb）值特征。榴辉岩样品03LT3的全岩和绿辉石Pb同位素组成都受到了外来流体Pb同位素的改造，不能真实反映其原岩的Pb同位素特征。因此，在进行全岩初始Pb同位素组成还原计算时，除了要综合考虑样品的微量元素特征外，还要排除外来变质流体交代的影响，尽可能真实反映其原岩的初始Pb同位素组成。
总体而言，除少数受到外来流体交代的样品外（如样品03LT3），大部分北大别榴辉岩都具有非常低的U、Th含量和w（U）/w（Pb）值（大部分在0002～0100之间），还原计算得到的初始Pb同位素组成基本能反映北大别榴辉岩相变质阶段的初始Pb同位素特征。还原计算结果显示（表1、图2），绝大部分北大别榴辉岩的初始Pb同位素组成为（N（206Pb）/N（204Pb））i=16485～17.969，（N（207Pb）/N（204Pb））i=15304～15540，（N（208Pb）/N（204Pb））i=37001～38082，与北大别正片麻岩中长石的〖CM（22〗Pb同位素组成[14]给出的范围基本一致，其〖LL〗（N（206Pb）/N（204Pb））i值大部分在富集地幔EMⅠ的范围内（图3）；有两个榴辉岩样品（样品07LT5和07LT61）则具有极低的放射性成因Pb同位素组成，其（N（206Pb）/N（204Pb））i、（N（207Pb）/N（204Pb））i和（N（208Pb）/N（204Pb））i值分别为15217～15809、15077～15.216和35219～35949，其中榴辉岩样品07LT5具有目前已知的大别造山带超高压变质岩中最低的Pb同位素组成（图3），表明其原岩侵入到了很深的下地壳位置。在（N（207Pb）/N（204Pb））i（N（206Pb）/N（204Pb））i图解和（N（208Pb）/N（204Pb））i（N（206Pb）/N（204Pb））i图解（图3）上，北大别榴辉岩同北大别片麻岩一样，都表现出低放射性成因Pb同位素组成，不同于中大别和南大别具有较高放射性成因Pb同位素的特点[56，14]，进一步表明北大别榴辉岩的原岩来自于俯冲的镁铁质下地壳岩石。〖SD17〗
〖TPN3R3C.tif，+57mm。170mm，DY#〗〖TS（〗中大别榴辉岩和片麻岩及北大别片麻岩数据引自文献[5]～[6]；北大别片麻岩长石数据引自文献[14]；CCSD（中国大陆科学钻探工程）
榴辉岩和片麻岩数据引自文献[8]；大别山中生代埃达克质岩数据引自文献[59]和[60]；Ⅰ型富集地幔（EMⅠ）、Ⅱ型富集地幔（EMⅡ）和亏损型洋中脊玄武岩（NMORB）数据引自文献[61]；Geochron线为地球年龄线；NHRL线为北半球参考线；
（N（207Pb）/N（204Pb））NHRL=0108 4（N（206Pb）/N（204Pb））i+13.491；（N（208Pb）/N（206Pb））NHRL=1.209（N（206Pb）/N（204Pb））i+15627，引自文献[62]；初始Pb同位素组成校正到220 Ma
4.2对大别山深俯冲镁铁质下地壳Pb同位素的制约
不同于北大别片麻岩具有较为均一的低放射性成因Pb同位素特征[14]，北大别榴辉岩表现出更大的Pb同位素变化范围（图3）。在初始Pb同位素组成图解（图2）上，大部分北大别榴辉岩都落在0.8 Ga古等时线的右侧以及地幔演化线与下地壳演化线之间的区域内，表明北大别榴辉岩的原岩时代可能为0.8 Ga，物质成分主要为幔源物质，同时混合有下地壳物质。这与北大别榴辉岩的地质年代学研究结果[2021，29]基本一致，即北大别榴辉岩的原岩是由730～790 Ma幔源岩浆底侵下地壳岩石形成的。不过，在图2（a）上有少量样品的数据点分布在地幔演化线与上地壳演化线之间靠近上地壳的区域，全部为在折返过程中发生过外来流体交代的样品，这可能是由于退变质过程中流体交代作用导致还原计算的结果跟真实值之间存在较大的误差，而非混入了上地壳物质。
两个极低Pb同位素组成的榴辉岩都落在了12 Ga古等时线的左侧（图2），显示出古老下地壳的Pb同位素特征。这可能有两个原因：①折返阶段退变质过程中榴辉岩受到外来流体交代；②榴辉岩的原岩本身具有极低放射性成因Pb同位素特征，新元古代幔源岩浆底侵过程中混染了具有非常低Pb同位素组成的古老下地壳物质。由于U元素在流体中相对活跃而Th元素则相对不活跃，流体活动主要会改造岩石中的w（U）/w（Pb）值而对w（Th）/w（Pb）值影响较小，所以在对榴辉岩进行初始Pb同位素组成还原计算时，后期流体作用引起的w（U）/w（Pb）值升高会导致计算结果比实际值偏小，从而表现出虚假的低放射性成因Pb同位素特征。但对于榴辉岩样品07LT5而言，其本身具有极低放射性成因Pb同位素组成（表1），而且其w（U）/w（Pb）值也非常低（0006）。因此，流体活动导致的计算误差不足以解释北大别榴辉岩的低放射性成因Pb同位素特征。此外，如果外来流体具有非常低的放射性成因Pb同位素组成，也可以改造榴辉岩使其表现出低放射性成因Pb同位素特征，但这需要找到一个具有非常低Pb同位素组成的流体源区。研究区榴辉岩的围岩是片麻岩，目前已知的北大别乃至整个大别山片麻岩的Pb同位素组成都显著高于榴辉岩样品07LT5（图3），而且样品具有极低U、Th含量的特征，也不支持退变质阶段被外来流体交代的假设。因此，北大别榴辉岩具有极低放射性成因Pb同位素组成不是在退变质阶段被流体活动改造的结果，而是新元古代幔源岩浆底侵很深的下地壳岩石混染了较多古老下地壳物质的结果。
大量研究表明，华南板块北缘的古老变质基底主要由形成于晚太古代至古元古代的岩石组成[4445，63]。在新元古代发生地壳再造和地壳增生时，是否存在具有极低放射性成因Pb同位素特征的下地殼岩石？黄土岭中酸性麻粒岩是北大别的典型麻粒岩之一。大量的地质年代学研究表明，北大别黄土岭麻粒岩在（2 029±13）～（2 042±7）Ma就位于下地壳，并经历了高温麻粒岩相变质作用[4245]。然而，在黄土岭麻粒岩中没有发现三叠纪锆石UPb年龄记录，这可能意味着它没有参与三叠纪大陆深俯冲过程[43]。因此，黄土岭麻粒岩的全岩UPb同位素体系可能自约2.0 Ga经历麻粒岩相变质作用以来，一直保持封闭没有受到扰动。根据中国大陆地壳Pb同位素演化模型[3]，20 Ga时华南板块下地壳初始Pb同位素组成为（N（206Pb）/N（204Pb））i=1386，（N（207Pb）/N（204Pb））i=14.63，（N（208Pb）/N（204Pb））i=3434，按照下地壳岩石具有低n（238U）/n（204Pb）值和较高w（Th）/w（U）值的特征（取n（238U）/n（204Pb）=5，n（232Th）/n（238U）=7）进行简单模拟计算，演化得到现代Pb同位素组成，即N（206Pb）/N（204Pb）=15679，N（207Pb）/N（204Pb）=14854，N（208Pb）/N（204Pb）=38.001。这个模拟计算的结果与黄土岭麻粒岩的Pb同位素组成（N（206Pb）/N（204Pb）=15.674，N（207Pb）/N（204Pb）=14854，N（208Pb）/N（204Pb）=37938[56]）完全一致[图2（a）]，表明模拟计算参数设置和结果都是合理的，
华南板块北缘的古元古代长英质下地壳岩石具有类似于黄土岭麻粒岩低w（U）/w（Pb）值、高w（Th）/w（U）值的Pb同位素演化特征。当这类下地壳岩石演化到08 Ga时，模拟计算的年龄t对应的Pb同位素组成为（N（206Pb）/N（204Pb））t=15018，（N（207Pb）/
N（204Pb））t=14810，（N（208Pb）/N（204Pb））t=36580。然而，尽管这类下地壳岩石表现出很低的（N（206Pb）/N（204Pb））t值和（N（207Pb）/N（204Pb））t值特征，但其（N（208Pb）/N（204Pb））t值却远高于北大别榴辉岩的（N（208Pb）/N（204Pb））t值（35226）。榴辉岩样品07LT5极低的放射性成因Pb同位素组成要求华南板块北缘古老镁铁质下地壳在新元古代时不仅具有非常低的（N（206Pb）/N（204Pb））t值和（N（207Pb）/N（204Pb））t值，还具有非常低的（N（208Pb）/N（204Pb））t值。对比大别—苏鲁造山带中榴辉岩和片麻岩的Pb同位素组成可以发现，对应相同的（N（206Pb）/N（204Pb））i值，榴辉岩比片麻岩具有更低的（N（208Pb）/N（204Pb））i值[图3（b）]，表明大别山镁铁质原岩比长英质原岩具有更低的w（Th）/w（U）值。因此，w（Th）/w（U）值不同可能是长英质下地壳和镁铁质下地壳Pb同位素演化的一个重要区别。相对于长英质下地壳，华南板块北缘的古老镁铁质下地壳具有低的w（Th）/w（U）值，并在新元古代时演化为低（N（206Pb）/N（204Pb））t值、（N（207Pb）/N（204Pb））t值和（N（208Pb）/N（204Pb））t值的特征。
北大别榴辉岩的Pb同位素研究结果显示，在新元古代华南板块北缘发生地壳增生时，新生镁铁质下地壳有两个不同的Pb同位素源区：一个源区为具有低w（U）/w（Pb）值、低w（Th）/w（U）值演化特征的晚太古代至古元古代镁铁质下地壳；另一个源区则为幔源岩浆，表现出相对较高的放射性成因Pb同位素特征。图2中，北大别榴辉岩的（N（207Pb）/N（204Pb））i值、（N（208Pb）/N（204Pb））i值与（N（206Pb）/N（204Pb））i值之间分别表现出明显的线性正相关关系，进一步证明这些榴辉岩的Pb同位素特征是新元古代幔源岩浆侵位过程中混染了古老镁铁质下地壳低放射性成因Pb同位素特征的一系列结果。因此，大别造山带三叠纪深俯冲镁铁质下地壳存在两类成分：一类是晚太古代至古元古代的古老镁铁质下地壳物质，表现出极低的放射性成因Pb同位素特征；另一类为新元古代新生的镁铁质下地壳物质，主要表现为类似于地幔演化的Pb同位素特征，少量具有接近于古老镁铁质下地壳一系列变化的Pb同位素组成。
大量研究表明，大别山中生代埃达克质岩的源区与在三叠纪深俯冲过程中拆离并最终再循环进入上地幔的华南板块北缘镁铁质下地壳有关，并已证明是这部分拆沉的下地壳发生部分熔融的产物[5960，6467]，它们的SrNdPb同位素组成能够代表再循环的加厚下地壳特征[60]。这些埃达克质岩表现出低放射性成因Pb同位素组成以及较高的Δ8/4值（平均值为192）特征[5960]。然而，对北大别榴辉岩的Pb同位素研究结果显示，大别山镁铁质下地壳具有低放射性成因Pb同位素组成和较低的Δ8/4值（表1），其中大部分Δ8/4值都低于130（图3），显著低于大别山中生代埃达克质岩的Δ8/4值。此外，同苏鲁造山带相比，大别造山带缺少一个具有很低放射性成因Pb同位素特征的长英质下地壳岩片[6，14]。这个岩片原本应就位于北大别之下，但在三叠纪陆壳深俯冲和折返过程及后期造山作用后并未出露地表。它表现为类似于大别山中生代埃达克质岩的低（N（206Pb）/N（204Pb））t特征，却具有更高的（N（208Pb）/N（204Pb））t值（图3），其Δ8/4平均值为228[8]。大别山中生代埃达克质岩的Δ8/4值介于大别山镁铁质下地壳和缺失的长英质下地壳之间（图3），表明它可能是大别山长英质和镁铁质下地壳Pb同位素混合的结果。因此，再循环的陆壳物质中不仅含有镁铁质下地壳岩石，还含有长英质下地壳物质，在早白垩纪岩石圈拆离和造山带去山根事件中，大别山底层的长英质下地壳随镁铁质下地壳一起拆沉并再循环进入地幔。
5结语
（1）北大别榴辉岩具有与北大别片麻岩类似的低放射性成因Pb同位素成分的下地壳岩石特征，但表现出更低的（N（208Pb）/N（204Pb））i值，并具有已知的大別造山带3个含榴辉岩的超高压变质岩片中最低的Pb同位素组成，进一步证明它们的原岩来自于深俯冲的镁铁质下地壳岩石。
（2）北大别榴辉岩的Pb同位素特征是新元古代幔源岩浆侵位过程中不同程度混染具有低w（U）/w（Pb）值、低w（Th）/w（U）值演化特征的晚太古代至古元古代镁铁质下地壳的结果。参与三叠纪大别山深俯冲的镁铁质下地壳存在两类成分：一类是具有极低的放射性成因Pb同位素特征的古老镁铁质下地壳物质；另一类为新元古代新生的镁铁质下地壳物质，主要表现为类似于地幔演化的Pb同位素特征。
（3）与大别山中生代埃达克质岩的Pb同位素对比研究表明，在华南板块三叠纪深俯冲及早白垩纪岩石圈拆离过程中，大别山深部的长英质下地壳随镁铁质下地壳一起拆沉并再循环进入地幔。
中国科学技术大学陈福坤教授和肖平在Pb同位素测试中给予了支持和帮助，在此表示感谢！
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收稿日期：20160914
基金項目：国家重点基础研究发展计划（“九七三”计划）项目（2015CB856104）；国家自然科学基金项目（41273036，41503002）；中央高校基本科研业务费专项资金项目
作者简介：古晓锋（1982），男，河南漯河人，副研究员，理学博士，博士后，Email：xfgu@ustc.edu.cn。
