造山带高压、超高压变质岩形成和折返的地球动力学研究─—以中国中部为例

秦岭、大别、苏鲁地区是横亘中国中部的复合型大陆造山带，已成为世界高压、超高压变质岩研究的典型地区，在大陆动力学研究中具重要意义。本文综述了该带高压、超高压变质岩的多样性、多期性、区域分带性和形成折返的四种模式，即碰撞外来岩块模式、俯冲－碰撞－逆冲模式、碰撞－走滑转换－逆冲推覆模式和多期多成因复合模式。并指出高压、超高压变质岩的原岩属性、形成时代、ｐＴｔ轨迹、形成深度和岩浆作用等是深入研究形成和折返机制的关键问题。强调以构造为主的多学科综合研究是解决其地球动力作用过程的有效途径。     

苏北—鲁东南高压,超高压变质带剥露过程中伸展构造作用

尽管许多地质学家提出了不同的超高压变质岩石形成与折返模式,但高压、超高压变质岩折返与剥露机制仍是大陆造山带动力学研究中的热点和焦点问题。本文明确提出并研究了分布于苏北－胶南变质岩区西北和北部边缘的地壳规模的拆离伸展型韧性剪切带。通过韧性剪切带几何学、运动学、变形环境分析和形成时代的讨论,认为与高压、超高压变质带展布方向斜交的斜向伸展构造作用,是苏北－鲁东南高压、超高压变质带从中地壳抬升至地表的主导     

陆—陆点碰撞与超高压变质作用

迄今为止，非撞击型超高压变质作用均发生在陆陆碰－撞造山带，这在东半球许多地点已被证实，超高压变质岩石以含柯石英和金刚石包体的榴辉岩和榴辉岩相变质岩石为代表，形成的温压环境为650－800℃，2.6-3.5GPa，研究证明大多数超高压岩石原是陆壳火山－沉积岩系，因此推断大陆深俯冲作用曾经发生，而超高压岩石现今又出露地表或浅表，意味着它们又从深部折返至地表，陆壳岩石深储冲和折返机制已成为大陆动力学研究的热点，但认识莫衷一是，争论的焦点是陆壳俯冲的深度到底多大可以形成超高压岩石？是什么机制使其发生深俯冲而又折返到浅表？本文通过世界上出露规模最大的超高压变质带－大别山碰撞过程的动力学分析，探讨非规则边界的碰撞引起的构造附加压力对超高压石形成的影响作用。模拟计算表明，大陆板块的早期碰撞，会引起碰撞附近的局部应力集中现象（平均压力较周围增大了5－9倍），构造压力在超高压中所占的比例约为20％－35％，由此推测，大别山高压－超高压岩石形成深度可能为65－80km。为此本文提出超高压岩石新成因模式－大陆点碰撞模式。这种模式符合力学基本原理，也符合地质记录和地质过程，可以解释为什么超高压岩石并非沿碰撞造山带全线存在，而是出现某些特定部位。本文提出喜马拉雅山撞带的东西犄角是典型的点碰撞区域，陆壳岩石的超高压变质作用均发生在这两个特定的部位。     

高压─超高压变质岩石的折返机制与模式

高压，特别是超高压变质岩石的折返机制与构造模式是一个令人困惑的构造难题。近年来随着超高压变质岩石学研究的深入，越来越多的学者从不同角度、以不同的思路来考虑这些特殊岩石的构造折返与剥露问题，针对不同地区的实际情况，提出了许多构造模式。笔者依据高压─超高压变质岩石出露的大地构造背景，讨论和评述了洋壳俯冲带、陆－陆碰撞带的几种构造模式，讨论了与之有关的若干基本问题，并提出了关于超高压变质岩石抬升、剥露构造模式的新认识。     

喜马拉雅造山带的高压超高压变质作用与印度-亚洲大陆碰撞

喜马拉雅造山带是印度与亚洲大陆碰撞作用的产物,正在进行造山作用,是研究板块构造的天然实验室.高压和超高压变质岩分布在喜马拉雅造山带的核部.这些变质岩具有不同的形成条件、形成时间和形成过程,为印度与亚洲碰撞带的几何学、运动学和动力学提供了重要的限定.含柯石英的超高压变质岩产出在喜马拉雅造山带的西段,它们形成在古新世与始新世之间(53～46Ma),为印度大陆西北边缘高角度超深俯冲作用的产物,并经历了快速俯冲与快速折返过程.在约5 Myr内,超高压变质岩从＞100km的地幔深度折返到了中地壳深度,且仅仅叠加角闪岩相退变质作用.高压榴辉岩产出在喜马拉雅造山带中段,形成时间约为45Ma,为印度大陆低角度深俯冲作用的产物,经历了至少20Myr的长期折返过程,叠加麻粒岩相退变质作用和部分熔融.高压麻粒岩产出在喜马拉雅造山带的东端,是印度大陆东北缘近平俯冲作用的产物,峰期变质作用时间约为35Ma,经历了约20Myr的长期折返过程,叠加了麻粒岩相和角闪岩相退变质作用,并伴随有多期部分熔融.因此,喜马拉雅造山带的变质作用具有明显的时间与空间变化,显示出大陆深俯冲与折返过程的差异性,以及大陆碰撞造山带形成机制的多样性.     

超高压——高压剪切带

超高压－高压剪切带是大陆碰撞造山过程中变质－变形分解作用形成的一类特殊的剪切带。剪切带内的构造以含柯石英、金刚石等超高压－高压矿物的榴辉岩、面理化超基性－基性岩、片麻岩、大理岩为特征，具有复杂的变形组构和变形历史。最终形成布丁－基质或残斑－基质结构。深入研究超高压－高压剪切带的几何学、运动学和流变学特征，对分析超高压－高压变质岩石的形成－折返过程及碰撞造山动力学，具有重要的实际和理论意义。     

中国的超高压岩石剥露与陆内逆冲作用有关的证据

三叠纪期间由于中朝板块与扬子板块的大陆碰撞,产生了一条含有柯石英和金刚石的超高压变质岩带。在中国东部,它被左旋的郯庐断裂平移了530 km。郯庐断裂在大别山地区突然终止于超高压变质地体的南部,并且不通过沿长江一带的前陆褶皱带。据此认为,该地区中生代沿郯庐断裂带的左行平移曾被转换成向南的逆冲,并且导致了超高压变质岩的剥露。碰撞期后的喜马拉雅型的陆内逆冲并伴随侵蚀作用可能是中国极高压变质岩石剥露的主要动因。     

苏鲁高压-超高压变质带折返抬升过程中构造界面和应力场的变化

作为地质历史时期深俯冲作用产物的超高压变质岩，尽管有不同的形成演化历史，但其最终的折返作用无不是在逆冲扩展过程中完成的。因此，逆冲扩展作用及其数值模拟的研究对完整认识苏鲁高压-超高压变质带的折返机制和折返过程具有重要意义。逆冲扩展作用最显观的构造效应是不同层次构造界面和应力场的变化，对于地壳尺度的逆冲扩展作用而言，陆表面和Moho是最重要的活动性构造界面，陆表面的变化导致山体抬升和滞后伸展盆地的形成，出现盆-山相间的构造格局。初步的模拟计算表明，山体的抬升量、滞后伸展盆地的坳陷量和Moho的上拱量与逆冲地块的平移速度和逆冲扩展速度成正相关关系，而且随着时间的推移，山体的抬升速度、滞后伸展盆地的坳陷速度和Moho的上拱速度都有逐渐增大趋势。逆冲扩展过程中，构造应力场的变化总的表现为随着平移速度和逆冲扩展速度的增大和逆冲扩展作用的持续进行，逆冲块体内部由挤压应力状态逐渐向拉张应力状态转化。地块的平移速度是构造强度的一个重要标量，当高压-超高压变质带以仰冲块体为运动载体，沿断裂带向陆壳浅部折返时，构造界面的移动规律基本反映了高压-超高压变质带的折返过程，可见，构造作用的强度和性质应该是制约高压-超高压变质带折返的重要因素之一，在岩石密度差相同的条件下，拉张构造应力场更有利于折返作用的进行。苏鲁高压-超高压变质带的折返是通过多期构造作用完成的，根据数值模拟结果可以推测，每期构造作用都伴随有折返速度由慢到快的变化，在整个折返过程中，构造运动性质和强度的差异导致了折返速度的不均一，总体上，折返速度将随着逆冲地块由挤压向拉张状态的转化和拉张强度（构造作用强度）的不断增强而逐渐增大，最终在以拉张为主导的构造应力场中完成了高压-超高压变质带折返的全过程。     

大别-苏鲁区超高压变质岩的多期构造变质演化

对大别-苏鲁地区超高压(UHP)变质岩的详细构造和岩石学研究揭示了其复杂的构造变质演化历史。除前超高压事件外,至少可识别出5个相继发育的构造变质事件或阶段(D_1-D_5)。D_1和 D_2同超高压事件与三叠纪(250～230Ma)中朝克拉通和扬子克拉通间的大陆深俯冲及碰撞有关,而超高压后的 D_3和 D_4韧性变形及其伴生的减压部分熔融作用和退变质作用事件,则是超高压岩石向中上地壳折返过程中(230～140Ma)发生的。碰撞后形成的 D_4构造,主导了大别-苏鲁超高压和高压变质带区域尺度的构造格架。第5阶段的构造以摩擦或摩擦-粘性过渡性变形机制为主,并伴随有大规模的未变形的花岗质岩体就位,该期构造热事控制了现今大别-苏鲁地区的地貌学特征。新的构造和岩石学资料并结合可利用的地质年代学和地球化学等资料,提出一个涉及中朝与扬子克拉通间三叠纪大陆深俯冲、碰撞及相继超高压变质岩石向地表的多期折返构造变质演化模式。     

大别山碰撞造山带的地球动力学

大别山碰撞造山带的形成和其中超高压变质岩的形成折返具有统一的动力学过程。对大别山超高压变质岩形成 -折返的研究表明 ,大别山的超高压变质作用是冷大陆地壳被前导洋壳下拽而持续俯冲的结果。超高压变质岩的折返是多阶段的。第一阶段 (2 30～ 2 10Ma)在低地温梯度 (约10℃ /km)下发生同俯冲折返 ;第二阶段 (2 10～ 170Ma)的折返由深俯冲板片的断离引发 ,浮力开始起作用 ;第三阶段 (170～ 12 0Ma) ,以区域性岩浆活动、穹隆伸展构造活动和深剥蚀沉积为特征。从分析超高压变质岩的形成折返过程入手 ,以侏罗纪末作为时间参照点 ,以合肥盆地的侏罗系顶界作为当时的地理参照点 ,根据不同岩石单元中岩石的形成深度和碰撞造山中的位移状态 ,可把大别山碰撞造山带划分为原位系统、准原位系统、异位系统和热穹隆改造系统等结构单位。陆陆碰撞造山带形成的物理学前提是俯冲陆壳物质的低密度 ,而最终形成造山带的直接动力学过程则是深俯冲板片的断离及其引发的一系列近垂向运动的地质过程。     

大别山碧溪岭地区超高压变质岩构造分析

大比例尺 (1∶10 0 0 0 )构造制图及构造分析表明 ,碧溪岭地区超高压变质岩石含有丰富的构造演化历史记录。同碰撞或挤压组构只保留于榴辉岩及其它超高压变质岩透镜体内部 ,表现为高角度网络状超高压剪切带与弱应变透镜体域规律组合格式。前者由面理或糜棱岩化榴辉岩组成 ,后者由块状榴辉岩及石榴橄榄岩组成。碰撞期后伸展构造表现为区域性的假单斜状 ,内部呈低缓角度的网络状强应变带及所环绕的透镜状弱应变域组合格式 ,强应变带的岩石为由榴辉岩退变成的角闪岩相高压片麻岩及部分熔融形成的含榴花岗岩 ,透镜状弱应变域的岩石为弱角闪相改造的榴辉岩及石榴橄榄岩。不同尺度上同碰撞或挤压组构及碰撞期后伸展组构所显示的这种残斑基质流变学结构样式 ,虽然与先期原岩成分、结构、流变学的不均一性有关 ,但主要是多期递进应变分解作用的结果 ,支持榴辉岩“原地”成因模式。依据构造学证据和可利用的岩石学及同位素年代学资料 ,分析了超高压变质岩石的形成及折返过程 ,指出碧溪岭地区超高压变质岩石是在 2 45～ 2 10Ma形成的 ,碰撞期后伸展作用主要发生在 2 0 0～ 170Ma。在超高压变质岩石向地壳表层折返过程中 ,张扭作用可能有重要功能 ,不支持碧溪岭地区遭受过多期超高压变质作用的推论。     

超高压变质岩的塑性流变学

岩石流变作用是大陆造山作用的基本特征,超高压岩石的形成和折返过程也是大陆深俯冲带内物质的复杂流变过程。要深入理解大陆造山带的造山作用和大陆壳岩石的深俯冲和折返动力学过程,必须对大陆地壳及地幔岩石的流变学进行深入研究。岩石圈流变学的主要研究内容主要包括流变学分层性、变形分解和应变局部化及大陆壳岩石部分熔融作用的流变学效应等。应用岩石圈流变学的基本原理和方法,分析了大别-苏鲁超高压变质带中超高压变质岩的塑性流变特点,探讨了超高压变质岩形成和折返过程的塑性流变学。     

苏鲁高压-超高压变质地体南缘高压与超高压变质带原岩的接触关系及其地质意义

苏鲁高压-超高压变质地体南缘高压与超高压变质带接触关系的确定对该地区构造格局的建立具有重要的意义。研究表明苏鲁高压-超高压变质地体南缘高压变质带内的锦屏群底部含砾岩层不整合覆盖于超高压变质带南部的朐山花岗片麻岩之上，含砾岩层中的砾石虽然经历了后期的塑性变形改造，但其地质特征仍展示出地层下部层位沉积砾石特有的性质。此外，同位素年代学研究揭示出朐山花岗片麻岩与锦屏群变质岩的原岩分别形成于859Ma和814Ma。这些都说明锦屏群变质岩与下伏朐山花岗片麻岩原岩之间的接触关系为角度不整合。在后期的构造运动过程中它们一起经历了高压-超高压变质变形作用，折返过程中锦屏群变质岩向北西西方向逆冲，形成叠加于不整合接触面的韧性剪切带。     

大别-苏鲁区超高压(UHP)变质岩的多阶段构造折返过程

追溯和重塑超高压变质岩由100多千米地幔深度折返至上地壳及地表的过程,对理解会聚板块边缘及大陆碰撞带的运动学和动力学是极为重要的.主要依据构造学、岩石学、地球化学和可利用的地质年代学资料,结合区域多期变形分析,大别-苏鲁区超高压变质岩的折返过程至少可分解出4个大的阶段.块状榴辉岩记录了三叠纪(约250~230 Ma)大陆壳岩石的深俯冲/碰撞作用.超高压变质岩早期迅速折返发生于超高压峰期变质作用(P＞3.1~4.0 GPa,T≈800±50 ℃)之后,处于地幔深度和柯石英稳定域,相当于区域D₂变形期阶段.分别与区域变形期D₃、D₄和D₅对应的折返过程,以及后成合晶、冠状体等卸载不平衡结构发育和减压部分熔融作用2个中间性构造热事件,均发生在地壳层次. 网络状剪切带在折返过程的不同阶段和不同层次均有发育,标志着在超高压变质带内的变质和变形分解作用曾重复进行.着重指出,超高压变质岩的折返,主要是由大陆壳的深俯冲/碰撞和伸展作用控制的构造过程,且受到俯冲带内、带外诸多因素的约束,其中水流体就起关键作用.      

大别山东北缘桐城高压-超高压变质带的构造解析及其对郯庐断裂带的制约

通过对郯庐断裂带南段桐城地区高压-超高压变质带详细的岩石学和构造学研究,将研究区从空间结构上划分为三个构造单元:上部低温-高压单元、中部中温-高压单元和下部超高压单元。根据研究区多期构造变形分析,共识别出了五期有区域构造地质学含义的事件(D_1-D_5):D_1代表高压-超高压变质岩中-晚三叠世同碰撞早期折返过程;D_2表征了高压-超高压变质岩晚三叠世同碰撞晚期折返过程;D_3记录了早白垩世中大别变质核杂岩的形成,也即整个中国东部晚中生代大规模伸展构造在研究区的表现;D_4可能标志着郯庐断裂走滑构造对高压-超高压造山带的叠加;D_5表现为脆性正断作用,控制了晚白垩世-古近纪潜山半地堑盆地的形成。这些结果表明了研究区所经历构造演化的复杂性,其构造几何形态很难用郯庐断裂左行平移南大别超高压变质岩来解释,也不支持桐城地区存在巨大走滑作用的证据。     

大别山花凉亭-弥陀剪切带与超高压变质岩片的斜向差异折返

超高压变质岩的折返过程是陆陆碰撞边界演化的关键问题。南倾的花凉亭-弥陀剪切带位于南大别低温-超高压变质 带和中大别中温-超高压变质带之间,矿物拉伸线理倾伏向为SE,逆冲和走滑分量大致相等。电子背散射衍射分析表明： 花凉亭-弥陀剪切带大多数样品的石英组构记录了上盘向NW的剪切变形,反映了中大别超高压变质岩向SE的快速折返, 而部分样品的石英具有上盘向SE的剪切指向,与早白垩世花岗岩穹隆发育导致的区域伸展有关。对前人的岩石学和年代学 成果进行总结,发现大别山进变质和超高压变质峰期/退变质的锆石U-Pb年龄从南往北逐渐变新,南大别和中大别在215~ 225 Ma同时经历了高压榴辉岩相退变质作用,在191~195 Ma经历了绿片岩相变质作用。超高压变质岩的白云母和黑云母的 40Ar/39Ar年龄靠近郯庐断裂时偏年轻,可能受到郯庐断裂活动的影响。南大别和中大别变质峰期温压的等值线与花凉亭-弥 陀剪切带的走向斜交,反映了超高压变质岩的斜向折返。因此,南大别低温-超高压变质带在~236 Ma最先开始折返,之后 中大别和北大别依次发生快速折返,具有不同折返速率和折返角度的构造岩片通过韧性剪切带调节相对运动。     

苏鲁高压—超高压变质带的折返构造及折返机制

苏鲁高压—超高压变质带的折返构造是由韧性剪切叠覆构造岩片组成,具NWW-SEE向剪切矢量及SEE向NWW的剪切指向,与折返构造伴随的高压和超高压退变质反应过程与石英从高温—中温—低温的组构模式吻合。150～100Ma期间的伸展事件包含了北界韧性伸展转换性剪切带及莱阳盆地的形成、苏鲁高压—超高压变质带北部花岗岩侵位、折返面理弯曲形成背形构造及伴随的韧—脆性正滑构造。多学科的综合研究表明,240～220Ma扬子板块巨量物质往北深俯冲于北中国板块之下,220～200Ma高压—超高压变质岩石整体快速折返,折返板片中保存的自上而下变质岩石单元序列与剪切叠覆构造岩片的物质组成序列基本一致。提出苏鲁高压—超高压变质折返板片呈上拱的舌形体,变形分解表明苏鲁高压—超高压变质板片是在“挤出”机制下折返及受后期伸展事件的改造。     

陆—陆点碰撞与超高压变质作用

迄今为止,非撞击型超高压变质作用均发生在陆- 陆碰撞造山带,这在东半球许多地点已被证实。超高压变质岩石以含柯石英和金刚石包体的榴辉岩和榴辉岩相变质岩石为代表,形成的温压环境为650～800℃,2.6～3.5Pa。研究证明大多数超高压岩石原岩是陆壳火山——沉积岩系,因此推断大陆深俯冲作用曾经发生。而超高压岩石现今又出露地表或浅表,意味着它们又从深部折返至地表。陆壳岩石深俯冲和折返机制已成为大陆动力学研究的热点,但认识莫衷一是。争论的焦点是陆壳俯冲的深度到底多大可以形成超高压岩石?是什么机制使其发生深俯冲而又折返到浅表?本文通过世界上出露规模最大的超高压变质带——大别山碰撞过程的动力学分析,探讨非规     

大别—苏鲁超高压—高压变质带伸展构造格架及其动力学意义

构造分析结合变质作用PTt轨迹和同位素年代学资源指出，现今观察到的大别－苏鲁超高压－高压变质带区域构造框架，主要是在印支期中－朝与扬子克拉通斜向碰撞及超高压－高压变质作用期后伸展体制下形成的（200－170Ma)。构造样式类似于北美科迪勒拉型变质核杂岩并发育多层低缓角度地壳尺度的伸展拆离带。几何形态表现为大型穹窿或小型穹窿群。区域伸展构造叠加于先期碰撞或挤压构造之上，控制了超高压和高压变质岩石的空间分布。大规模的近水平韧性伸展流动，是在超高压－高压变质岩石从地幔深处折返到中、下地壳层次及角闪岩相环境下发生的。广泛的减压部分熔融作用反映的壳－幔动力学过程和地壳热结构的变化，是促使造山带从挤压体制向伸展体制转换的因素之一。证明造山带尺度的地壳伸展和薄化作用，在超高压和高压变质岩石折返到地表动力学过程中，曾起过重要作用。     

大别造山带岩石学结构和热结构及其地质意义

岩石学结构和热结构表明大别碰撞造山带是由两个不同岩石－构造单元叠置形成,代表两个深部地壳物质剖面。本文通过对高压、超高压岩石形成过程中岩石物理（密度）性质分析,指出大陆长英质地壳自身在特定岩石学结构情况下可以』俯冲至帽深度。低温、快速折返是缺乏同碰撞和碰撞后花岗岩类的主要原因。“浮沉子效应”是超高压岩石形成的折返的力学机制。