中国西北部中古生代敦煌造山带东部东巴图构造-变质混杂岩（一种石榴石角闪岩）的变质演化与地质年代学研究

东哈布山地区古生代造山带构造-热混杂体的岩石地球动力学研究，通过矿物组合分析、P-T轨迹建模和锆石U-Pb测年，揭示角闪岩原岩为 oceanic-island 岩浆，晚泥盆世俯冲-抬升过程形成 clockwise P-T 轨迹，为区域构造演化提供关键约束。

贾学丽|陈一超|赵彦琳|李振明|张慧昌|Quek Longxiang|吴春明

中国科学院地球与行星科学学院地球系统数值模拟与应用国家重点实验室，中国北京100049，邮政信箱4588

摘要

东八图山位于中国西北部古生代敦煌造山带的东北段，对于理解该造山带的构造-热演化过程具有关键性意义。该地区存在的角闪岩以构造“团块”形式保存在变质岩中，表明其具有构造-变质混杂体的特征。在角闪岩样品中发现了三种不同的变质矿物组合：前缘组合（M1）包含包裹在石榴石内部的微小矿物；变质峰组合（M2）由石榴石、角闪石、石英、斜长石、黑云母及少量副矿物组成；以及后缘组合（M3），其石榴石周围呈现出“白色环带”。通过相平衡建模和传统的地质温压测量方法，确定了典型的顺时针压力-温度（P–T）演化轨迹，这符合造山带的特征。变质峰的P–T条件（8.1–10.3 kbar和660–770°C）表明变质作用主要发生在角闪岩相和中P/T相系列中。锆石U–Pb年龄测定结果显示，原岩形成于约16亿年前，而变质作用发生在约3.81–3.70亿年前。岩石化学特征表明，这些角闪岩最初形成于约16亿年前的海洋-岛屿环境，随后在晚泥盆世被纳入了不断演化的造山系统中，形成了构造-变质混杂体。

引言

古生代敦煌造山带（DOB）可能是中亚造山带（CAOB）的南部延伸部分（图1a, b；例如，Shi等人，2021年；Wang等人，2022年；Zhang等人，2022b年；Zhao等人，2016年）。它位于塔里木克拉通和华北克拉通之间（图1b），北部以晚石炭世至三叠世的天山-北山-索隆克尔缝合带为界（Xiao等人，2015年），南部以早古生代的原特提斯缝合带为界（图1b；Zhao等人，2016年）。在此背景下，DOB对于研究与主要古生代海洋盆地闭合相关的俯冲过程具有关键作用。近年来，许多研究聚焦于DOB，旨在揭示其俯冲和增生过程的构造演化（图1c；例如，Feng等人，2020年；He等人，2014年；Shi等人，2017年；Shi等人，2020年；Soldner等人，2022年；Soldner等人，2023年；Wang等人，2018a年；Wang等人，2022年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2022a年；Zhao和Sun，2018年；Zhao等人，2016年；Zong等人，2012年）。

以往对敦煌造山带的研究一致表明，该地区存在高压变质作用，伴随着顺时针方向的P–T演化过程，以及显著的古生代构造-热叠加现象。在水西口地区，高压麻粒岩记录了约18.5亿年的变质年龄，这被解释为早期碰撞造山作用的结果（Zhang等人，2012年）。然而后续研究表明，古生代事件是变质作用的主导因素。莫古台地块的高压麻粒岩的变质年龄约为4.40–4.30亿年，其变质过程接近等温减压（ITD）路径，反映了晚泥盆世南部准噶尔造山带与东北部塔里木克拉通之间的碰撞（Zong等人，2012年）。此外，在洪留夏地区还发现了角闪岩的顺时针P–T演化轨迹（Wang等人，2013年），以及在莫古台地区的麻粒岩（Zong等人，2012年；He等人，2014年；Zhao等人，2026年），后者在约4.31亿年前达到峰值后发生了逆向演化，可能与DOB地块俯冲到石板山地块下方有关。关英沟地区的斜长石角闪岩也记录了类似的泥盆纪俯冲-碰撞-抬升过程（Peng等人，2014年）。洪留夏地区的榴辉岩进一步证实了活跃的俯冲作用，其峰值压力约为24 kbar，变质年龄约为4.11亿年（Wang等人，2017a年；Wang等人，2017b年；Wang等人，2017c年）。这些研究共同表明，整个区域广泛存在中-高压变质作用、变质混杂体结构以及从麻粒岩到角闪岩相的变质过程，例如青石沟（Wang等人，2016a年；Wang等人，2016b年；Wang等人，2016c年）、莫古台（Wang等人，2018b年；Zhao等人，2026年）、洪留夏（Wang等人，2017a年）和水西口（Wang等人，2018a）地区，这些过程塑造了DOB的演化过程。

敦煌地区的古生代岩浆活动以中等到长英质岩浆系列为主，包括早古生代的中-长英质火山岩（Kang等人，2021年）、I型花岗岩（Zhao等人，2017年；Gan等人，2020b年；Gan等人，2023a年；Gan等人，2023b年）和S型花岗岩（Wang等人，2016a年），以及晚古生代的钙碱性花岗岩（Wang等人，2016b年；Zhao等人，2017年；Feng等人，2020年；Gan等人，2020b年），仅有少量的中生代基性岩脉（Feng等人，2010年）。这些侵入岩和火山岩主要为中-长英质岩石，伴有少量基性-超基性成分，形成时间从寒武纪延续到二叠纪，并在局部地区延续至早三叠世（Gan等人，2024年）。从区域上看，这些岩浆岩形成了一条从梁湖到多巴沟方向的NE–SW走向带，其侵入年龄沿走向逐渐年轻，并显示出明显的阶段性峰值（Gan等人，2024年）。

然而，关于DOB的俯冲方向、时间范围和确切的构造环境仍存在争议。DOB地区含有广泛分布的中奥陶世至晚泥盆世的高级变质岩（包括榴辉岩、高压麻粒岩）（图1c），这些岩石被认为是由于古亚洲洋（PAO）或古特提斯洋在中奥陶世至晚志留世的长期俯冲-增生作用形成的阿尔卑斯型混杂体（例如，Shi等人，2020年；Wang等人，2017a年；Wang等人，2022年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2022a年）。这些岩石也可能起源于前寒武纪大陆，随后在古生代活跃的大陆边缘环境中经历了造山作用改造（Soldner等人，2022年；Soldner等人，2023年；Gan等人，2021年；Gan等人，2024年）。

造山带内的变质岩通常保存了完整的构造-热演化记录；然而，东八图山区（特别是其中心东部段）的压力-温度-时间（P–T–t）演化轨迹和变质历史尚未得到充分研究。为了更好地阐明东八图山的变质演化过程，并加深对DOB地区俯冲-抬升动力学及相关构造-变质过程的理解，需要系统地整合详细的反应纹理、地质年代学和严格的变质重建方法。本研究旨在填补东八图山区域变质历史的关键空白，并通过系统整合反应纹理、地质年代学和变质重建，为更全面理解DOB的地质演化做出贡献。我们采用岩石学分析、地质温压测量、相平衡建模、全岩地球化学和锆石U-Pb地质年代学相结合的方法，以实现以下目标：（1）确定角闪岩的岩浆原岩来源和变质年龄；（2）重建P–T演化路径以评估俯冲-抬升过程；（3）为DOB的构造演化提供新的约束。

部分内容

地质背景

DOB北部与北山造山带相邻，西部为塔里木克拉通，东部为华北克拉通（图1a，b；Zhao等人，2016年）。由于中生代-新生代期间周围走滑断层的活动，DOB被分割成多个独立地块（图1b，c），例如西北部的奇莫-兴兴夏断层和东南部的阿尔廷塔格断层。出露的地层主要由中等到高级变质岩组成

岩石学特征

在野外，角闪岩以构造透镜体或“构造团块”的形式存在，长度从几十厘米到几米不等。这些角闪岩块嵌入在强烈变形的变质岩基质中，通常与围岩形成明显的构造接触，呈现出“块-基质”结构（图3a，b，d）。从东八图山中部选取了五个具有代表性的石榴石角闪岩样品，进行详细的岩石学、地球化学和地质年代学研究（图2

电子探针分析

矿物成分分析使用了中国合肥工业大学资源与环境工程学院的电子显微镜分析仪（JEOL JXA 8230）。操作条件为15 kV加速电压和20nA束流电流，束径为3–5 μm，计数时间为10–20秒。采用ZAF程序进行基质校正。矿物的化学成分见表S1。

整体岩石的主要和微量元素

石榴石

这些样品中的石榴石几乎呈化学均匀状态，或仅有轻微的分区现象（图5a-e，表S1）。通常定义石榴石三个立方晶位中不同阳离子的浓度为：X_i = i/(Fe+Mg+Ca+Mn)，其中i = Fe, Mg, Ca, Mn；Fe# = Fe/(Fe+Mg)。

样品24DH75中的石榴石成分较为均匀（X_Mg = 0.06–0.08，X_Fe = 0.66–0.75，X_Mn = 0.03–0.05），但从中心向边缘X_Ca浓度略有降低（= 0.23–0.14）（图5a，表S1）。

地质温压测量

通过地质温压计测得的变质P–T条件列于表2中。对于角闪岩样品，使用单矿物角闪石温压计（Gerya等人，1997年）计算了前缘阶段（M1）和后缘阶段（M3）的P–T条件。同时应用了角闪石-斜长石（HP）温压计（Holland和Blundy，1994年）以及石榴石-角闪石-斜长石-石英（GHPQ）温压计（Dale等人，2000年）来计算P–T条件

岩石化学

样品表现出均匀的基性成分，SiO₂含量为39.76–51.51 wt%。石榴石角闪岩的特点是Fe₂O₃（15.6–24.09 wt.%）和Al₂O₃（15.23–19.08 wt.%)含量较高，而TiO₂（1.06–3.05 wt.%）、CaO（6.19–11.75 wt.%）、MgO（1.02–3.26 wt.%）和Na₂O（0.57–3.53 wt.%)含量较低（表1）。地球化学特征表明，所有分析样品均位于玄武安山岩成分范围内

地质年代学

选取了两个代表性样品（24DH81和24DH100）进行锆石U-Pb同位素测年。石榴石角闪岩中的锆石颗粒呈短棒状、卵形或不规则形状，大小约为140–190 μm（图13a–b）。一些颗粒在阴极发光（CL）图像中显示出扇形或黑亮分区（图13a–b），这反映了高级变质锆石的特征（Hoskin和Schaltegger，2003年）。一些颗粒的发光中心较弱（图13a–b）（Hoskin和Schaltegger，

石榴石角闪岩的原岩

可移动元素（如Rb、Sr和Ba）的浓度存在显著变化（图12d），表明这些元素可能在变质过程中经历了部分改造，可能是由于海水蚀变和/或随后的流体-岩石相互作用（Polat等人，2002年）。相比之下，不移动元素如高场强元素（HFSEs；例如Ti、Nb、Ta、Zr、Hf；图12d）、稀土元素（REEs）和过渡金属（例如V、Ni、Cr）

结论

（1）东八图山石榴石角闪岩记录了顺时针方向的P–T演化轨迹，其峰值P–T条件为8.1–10.3 kbar/660–770°C，这一结果通过地质温压测量和相平衡建模得到验证。

（2）锆石U–Pb年龄表明原岩形成于约16亿年前，峰值变质作用发生在约3.81–3.70亿年前。原岩具有海洋-岛屿玄武岩的地球化学特征，表明其起源于海洋-岛屿环境，随后被构造作用纳入造山带。

（3）东八图山角闪岩代表了俯冲后又被抬升的岩石

未引用的参考文献

Bao等人，2017年；Gan等人，2020a年；Klemd等人，2015年；Liu等人，2016年；Lu和Wei，2020年；Meng等人，2011年；Zhang等人，2009年；Zheng等人，2020年；Zhu等人，2014年；Zhu等人，2018年；Zhu等人，2020年。

CRediT作者贡献声明

贾学丽：撰写 – 审稿与编辑；撰写 – 初稿；验证；方法论；调查；正式分析；数据管理；概念构建。陈一超：调查；正式分析；概念构建。赵彦琳：调查；正式分析。李振明：验证；调查；数据管理；概念构建。张慧昌：方法论；调查；数据管理；概念构建。Quek Longxiang：正式分析。吴春明：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

史永洪教授和王 Juan博士帮助我们进行了电子显微镜分析。李珊教授指导我们使用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA−ICP−MS）技术进行了锆石的U-Pb测年。四位匿名审稿人提供了宝贵的建议。本研究得到了国家自然科学基金（42330303，42372258）的支持。