影响超高压变质岩P-T-t轨迹特征的主要因素

P-T-t轨迹是研究超高压变质岩形成演化过程主要的方法之一,是提出合理地球动力学模型的主要依据.准确理解影响P-T-t轨迹的因素对于理解超高压变质岩的俯冲-折返至关重要.运用增生楔、角落流、浮力抬升模型解释超高压变质岩形成演化的基础上,定量的探讨了不同俯冲速度、不同俯冲角度、不同俯冲阶段、剪切应变生热等因素对P-T-t轨迹的影响.板块持续的高速俯冲,不仅可以使得俯冲带形成低温环境,而且在陆壳岩石俯冲到地幔经受超高压变质作用后返回地表浅部的过程中,超高压变质岩在地幔滞留的时间短,为超高压变质岩的形成提供了必要条件.较低的俯冲速度不利于超高压变质岩的形成演化.     

大陆俯冲碰撞带高温超高压变质岩的多阶段折返与部分熔融

大陆碰撞造山带根部岩石经受高温(850℃)变质作用,特别是俯冲带超高压变质岩受到高温叠加变质,对超高压岩片折返期间的元素和同位素行为、部分熔融作用及其地球动力学效应等具有重要意义.本文简要介绍了世界上5个典型的发育高温超高压变质岩的大陆碰撞带,包括中国大别山、哈萨克斯坦Kokchetav地块、格陵兰东加里东造山带、希腊罗多彼山以及德国厄尔士山,分析了它们的高温超高压变质作用及演化特点,讨论了高温超高压岩石的变质P-T-t轨迹和多阶段折返过程以及折返期间的部分熔融作用、超高压指示性矿物的保存和退变质作用等及其可能的机制.在此基础之上,提出了大陆俯冲隧道内高温超高压变质岩的未来研究方向和重点.     

大别山超高压变质岩的地球动力学意义

超高压变质岩因其在岩性与原岩上的多样性,以及其岩块与基质混杂的构造特征而具变质混杂岩属性,其顺时针型P-T轨迹表明,超高压岩石的形成与演化与碰撞造山作用有关,年代学研究表明,峰期超高压变质作用发生于中-晚三叠世,几个不同地点的超高压岩石的P-T-t轨迹已被归纳,并据之计算了超高压岩石的折返速率.计算表明,大别山超高压岩石的折返具多阶段性,即中-晚三叠世的快速折返(3.3～3.6mm/a),早侏罗世的中速折返(0.7～1.1mm/a),以及中侏罗世至早白垩世的极慢速折返(0.15mm/a).以上述资料为约束条件,提出了一个大别山造山带的柱状模型.     

俯冲隧道中物质运移和流体-熔体活动的动力学数值模拟

俯冲隧道是指在会聚板块边缘、俯冲板片与上覆板片之间的剪切带及其中发生运动的物质,这些物质在俯冲隧道中经历了复杂的温度、压力、应力和应变等的演化以及流体和熔体的作用,而后部分物质可以从100 km的深度处折返至地表,从而形成自然界中出露的高压-超高压变质岩带.动力学数值模拟是定量化的研究该俯冲隧道过程的重要手段,前人的研究大多基于热动力学模型,但是一般不包含流体的活动和影响,因此上覆岩石圈物质很少参与到俯冲隧道过程中,这些模型与地质概念模型之间尚存较大差异.本文采用了新的包含流体-熔体活动的数值模型,对俯冲隧道的精细过程进行模拟研究.结果表明,俯冲隧道中的物质既包含了从俯冲板块拆离的表壳岩,也包含了从上覆板块刮擦、蚀变的地幔岩,从而形成一个构造混杂岩体.在特定条件下,俯冲隧道中的混杂岩既可近垂直向上穿过地幔楔侵入上覆地壳中,亦可近平行于俯冲隧道斜向上折返,形成靠近缝合带的高压-超高压变质岩.基于该数值模型及前人的地质概念模型,首先对大洋俯冲隧道和大陆俯冲隧道的特征进行了细致的对比和总结.而后,又对含水模型与无水模型进行了对比,主要区别在于无水模型中由于缺少流体-熔体活动而产生的弱化作用,上覆岩石圈的变形很小,在俯冲隧道过程中的参与程度也很低.最后,对数值模型中的一个重要的边界条件,即板块会聚速率,进行数值模拟研究.结果表明快速会聚导致上覆岩石圈剧烈变形,造山带主要沿上盘单侧生长;相反,在慢速会聚条件下,上覆岩石圈变形较小,造山带主要沿下盘单侧生长;而在中等会聚速率下,造山带沿上盘、下盘同时生长.     

大洋岩石层拖曳窄条陆壳俯冲的极限尺度分析——以新西兰南岛和大别山超高压变质带为例

超高压变质研究涉及的一个基本力学问题是为什么低密度的大陆地壳岩石能克服浮力俯冲到高密度地幔100多公里的深度.本文的三维有限单元法计算表明:俯冲海洋板块可以拖曳侧面相邻宽度不超过150km的一窄条大陆板块,俯冲到超高压变质深度,形成少见的大规模超高压变质带.十几公里乃至几十公里尺度的陆壳块体,可能被俯冲地幔裹挟至超高压变质深度,在造山带内形成零星出露的超高压变质岩.成熟的陆-陆碰撞带则不可能使陆壳俯冲到超高压变质深度.     

西北太平洋俯冲带及其深震活动

俯冲带是理解地球内部物质循环和能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节.本文聚焦于西北太平洋俯冲带,通过汇集多种地震观测研究结果,清晰地揭示了由日本海沟至中国东北的俯冲板片整体活动图像,即整个西北太平洋俯冲板片的主压应力轴一致地稳定在俯冲方向上,俯冲板片上深浅部的显著地震活动存在密切的关联性;俯冲板片深处的亚稳态橄榄岩楔形区及其周边是深源地震多发区,深源地震可能是由亚稳态橄榄岩楔形区内的相变断层开始破裂的;在410～660 km深的地幔过渡带内处观测到的俯冲板片上下界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板块下侧的高含水量.为更好地约束日本海下方的俯冲板片结构和深入探讨西太平洋的俯冲动力作用,有待于在全球罕有的大陆深部不断发生深震的西北太平洋俯冲区,开展海陆联合的地球物理探测及岩石高温高压实验和地球动力学模拟等研究.     

大别山双河超高压变质岩及北部片麻岩的U-Pb同位素组成——对超高压岩石折返机制的制约

大别山超高压变质岩及各种片麻岩的U-Pb同位素地球化学研究表明,出露于大别山南部的超高压变质岩具有较低的Pb含量（多数<4μg/g）和较高的 U/Pb比（多数>0.1）,以及较大的Pb同位素变化范围和较高的放射成因Pb（206Pb/204Pb=16.535～20.405）.它们表现出在俯冲过程中经历了脱水、析出流体和Pb丢失过程及地幔Pb与上地壳岩石Pb混合的Pb同位素特征.然而出露于大别山北部的片麻岩具有较高的Pb含量（多数>4μg/g）和较低的U/Pb（<0.07）以及较低的Pb同位素比值（206Pb/204Pb=15.781～16.647）,并与侵入南、北大别山的中生代花岗岩的Pb同位素特征相同.它们表现出在俯冲过程中仅有少量流体析出和Pb丢失以及地幔Pb与下地壳Pb混合的同位素特征.这些样品在230Ma前的初始Pb同位素组成还表明南大别带超高压岩石的U/Pb比在大陆俯冲前很长一段时期内比北大别带片麻岩高。这些观测表明南大别带出露的超高压岩石主要是深俯冲的上地壳岩石,而北大别带具有中、下地壳的性质.据此,本文提出了在大陆深俯冲过程中,俯冲陆壳拆离成若干岩片,深俯冲的超高压上地壳岩片有可能沿断层逆冲到较浅部位的超高压岩石折返机制模型.     

西南天山洋壳高压-超高压变质岩石的俯冲隧道折返机制

出露于造山带的高压-超高压榴辉岩记录了地壳俯冲到地幔深度而后又折返回地表的过程,其俯冲过程与折返机制的研究对理解俯冲带性质、演化、地球动力学过程乃至板块构造理论都有着非常重要的作用.相对于较轻的陆壳长英质高压-超高压岩石,基性洋壳榴辉岩密度大,其折返难度大且过程复杂.折返过程除了受内在浮力的影响,还受外在构造力(如隧道流)的制约,另外板片构造环境(如板片后撤和板片断离)的作用也不可忽视.中国西南天山高压-超高压变质带是典型的经历过深俯冲变质作用的增生混杂岩带,主要由高压-超高压变质沉积岩及夹杂其中的变基性岩透镜体组成,但长期以来其折返模式一直不太清楚.根据其野外产状、岩相学特征、峰期变质温压条件和峰期变质年龄等多方面的综合分析,可以采用沉积岩型"俯冲隧道折返模式"来概括西南天山高压-超高压变质带的形成和演化.部分经历多期变质作用的榴辉岩岩块记录了多期俯冲-折返循环,反映了俯冲隧道内的上下环流运动,有力证明了俯冲隧道的存在.最后,本文对目前研究存在的问题和未来的探索方向进行了展望.     

大别山双河超高压变质岩及北部片麻岩的U-Pb同位素组成

大别山超高压变质岩及各种片麻岩的U-Pb同位素地球化学研究表明, 出露于大别山南部的超高压变质岩具有较低的Pb含量(多数<4 mg/g)和较高的U/Pb比(多数>0.1), 以及较大的Pb同位素变化范围和较高的放射成因Pb(206Pb/204Pb = 16.535～ 20.405). 它们表现出在俯冲过程中经历了脱水、析出流体和Pb丢失过程及地幔Pb与上地壳岩石Pb混合的Pb同位素特征. 然而出露于大别山北部的片麻岩具有较高的Pb含量(多数 > 4 mg/g)和较低的U/Pb(<0.07)以及较低的Pb同位素比值(206Pb/204Pb = 15.781～16.647), 并与侵入南、北大别山的中生代花岗岩的Pb同位素特征相同. 它们表现出在俯冲过程中仅有少量流体析出和Pb丢失以及地幔Pb与下地壳Pb混合的同位素特征. 这些样品在230 Ma前的初始Pb同位素组成还表明南大别带超高压岩石的U/Pb比在大陆俯冲前很长一段时期内比北大别带片麻岩高. 这些观测表明南大别带出露的超高压岩石主要是深俯冲的上地壳岩石, 而北大别带具有中、下地壳的性质. 据此, 本文提出了在大陆深俯冲过程中, 俯冲陆壳拆离成若干岩片, 深俯冲的超高压上地壳岩片有可能沿断层逆冲到较浅部位的超高压岩石折返机制模型.     

阿尔金超高压(>7 GPa)片麻状(含)钾长石榴辉石岩--石榴子石出溶单斜辉石的证据

岩相学和矿物化学研究表明,阿尔金英格利萨依一带片麻状(含)钾长石榴辉石岩中的粗粒石榴子石出溶单斜辉石和金红石.统计石榴子石出溶的单斜辉石的面积比最高>5%,重建出溶前该石榴子石(Grt1)单位分子式中的Si值高达3.061,为含Na的超Si-石榴石或含有majorite分子的石榴子石.依据石榴子石含辉石摩尔体积压力计和majoritic-石榴子石Si-(Al Cr)压力计估算其峰期变质压力>7GPa,利用三元碱性长石温度计和钛铁矿-磁铁矿固溶体的实验资料获其形成温度约1000C.同时,结合其原岩具有板内基性与中性火成岩及其可能是源于大陆岩石圈地幔的基性岩浆演化产物的地球化学特征,以及与其伴生的超高压石榴子石二辉橄榄岩的发现和超高压含石榴子石花岗质片麻岩的研究,不仅证明区内超高压岩石的形成是陆壳深俯冲作用的产物,而且表明这种深俯冲可能达到>200km的地幔深处.这对深入探讨阿尔金乃至中国西部碰撞造山带形成与演化的动力学机制提供了新的证据.     

阿尔金超高压(>7 GPa)片麻状(含)钾长石榴辉石岩

岩相学和矿物化学研究表明, 阿尔金英格利萨依一带片麻状(含)钾长石榴辉石岩中的粗粒石榴子石出溶单斜辉石和金红石. 统计石榴子石出溶的单斜辉石的面积比最高>5%, 重建出溶前该石榴子石(Grt1)单位分子式中的Si值高达3.061, 为含Na的超Si-石榴石或含有majorite分子的石榴子石. 依据石榴子石含辉石摩尔体积压力计和majoritic-石榴子石 Si-(Al+Cr)压力计估算其峰期变质压力>7 GPa, 利用三元碱性长石温度计和钛铁矿-磁铁矿固溶体的实验资料获其形成温度约1000℃. 同时, 结合其原岩具有板内基性与中性火成岩及其可能是源于大陆岩石圈地幔的基性岩浆演化产物的地球化学特征, 以及与其伴生的超高压石榴子石二辉橄榄岩的发现和超高压含石榴子石花岗质片麻岩的研究, 不仅证明区内超高压岩石的形成是陆壳深俯冲作用的产物, 而且表明这种深俯冲可能达到>200 km的地幔深处. 这对深入探讨阿尔金乃至中国西部碰撞造山带形成与演化的动力学机制提供了新的证据.     

大洋俯冲带变质作用、流体行为与岩浆作用

依据有效的实验岩石学和相平衡模拟结果、结合俯冲带热结构模型,讨论了大洋地壳中的基性岩、沉积岩和超基性岩在不同俯冲阶段发生的脱水和熔融作用,及其对俯冲带岩浆作用的影响.大多数洋壳在弧前(90～100km)俯冲阶段基性岩和超基性岩脱水很少,明显脱水作用发生在表层沉积物中.在弧下俯冲阶段基性岩和超基性岩都发生强烈脱水,如基性岩中90%以上的水是由绿泥石、蓝闪石、滑石和硬柱石相继在弧下100～200km深度分解释放的,这与以往基于实验模拟得到的结果大不相同;超基性岩在弧下120～220km深度发生叶蛇纹石、绿泥石和10?相脱水;但变质沉积岩在弧下深度对流体贡献不大,其主要含水矿物为多硅白云母,可以一直稳定至300km深处分解成钾锰钡矿,多硅白云母分解后直到地幔过渡带深度俯冲洋壳板片不再有明显流体释放.在少数热俯冲带中,变质沉积岩和基性岩都可以发生部分熔融(尤其是水化熔融)形成富水花岗质熔体或超临界流体,含碳酸盐矿物的沉积物可以熔融形成含钾碳酸岩熔体.在少数冷俯冲带中,超基性岩中出现A相,可把水带至地幔过渡带深处.俯冲板片特别是沉积物可以携带很多强不相容的次要元素和微量元素,通过板片流体影响俯冲带岩浆岩的地球化学成分.在弧下俯冲阶段,俯冲带的地热梯度不穿过碳酸盐化榴辉岩和橄榄岩的固相线,其中的碳酸盐矿物可被携带到深部地幔.碳酸盐化榴辉岩会在400km深度发生熔融形成富碱的碳酸岩熔体,而碳酸盐化橄榄岩则不会在俯冲带下部的地幔过渡带中发生熔融.     

西太平洋俯冲板块对中国东北构造演化的影响及其动力学意义

中国东北地区在古生代期间以众多微陆块的拼合以及古亚洲洋的闭合为特征,其后又经历了中-新生代太平洋构造域及中生代蒙古—鄂霍茨克构造域的叠加与改造,以致东北地区的构造行迹显得极为复杂,而大兴安岭重力梯级带及其西部地区构造演化是否与西太平洋俯冲有关仍然存在争议.本研究利用分布于中国东北、华北地区以及韩国、日本等部分台网所接收的近震与远震走时数据获得了中国东北地区壳幔精细的三维P波速度结构.成像结果显示,太平洋板块持续西向俯冲,俯冲板片的前缘停滞在大兴安岭—太行山重力梯度带以东区域的地幔转换带之中;长白山火山区上地幔存在着显著的低速异常体,推测西太平洋板块的深俯冲脱水导致了上地幔底部岩石的熔点降低,从而形成了大范围的部分熔融物质上涌.通过分析上地幔的速度结构,我们认为由于太平洋板块的大规模西向深俯冲,在大地幔楔中发生板片脱水、低速热物质上涌等复杂的地球动力学过程;俯冲板片前缘带动上地幔中不均匀分布的地幔流强烈作用于上部的岩石圈,这对东北地区深部壳幔结构乃至大兴安岭重力梯级带的形成、演化有着重要的影响.     

从变质反应空间看宣化、密云两地基性麻粒岩不同的P-T演化

宣化、密云两地的基性麻粒岩具有相似的矿物组合,但结构上存在显著差异.本文应用“反应空间理论”对两地区基性麻粒岩的变质反应空间进行对比,进一步确定了两地麻粒岩不同的演化历史,宣化地区基性麻粒岩经历的是顺时针等温减压型(CW-ITD)的P-T-t轨迹,而密云地区基性麻粒岩经历的是逆时针等压降温型(ACW-IBC)的P-T-t轨迹.     

苏鲁-大别山变质带岩石大地构造学

大别山变质带分隔了华北和扬子两个陆块,它们可以分为3个主要的岩石构造单元、分别相当于安第斯岩浆弧根部变质杂岩,碰撞带根部变质杂岩和扬子陆块边缘的变质沉积杂岩,3个岩石构造单元在空间分布上是有规律的,即在大别山区是由北向南逐个排列,在被郊庐断裂破坏的较为严重的苏鲁地区,也大致是从西北到东南依次排列,此外,中生代碰撞型花岗岩和碱性岩墙群在空间上有规律地分布,出露于北大别和南大别变质杂岩中,尤其在北大别更发育,含超高压变质岩的南大别变质杂岩是陆陆碰撞带的根部带,它们代表了两个大陆的缝合线.超高压变质岩石或岩片构造侵位于非高压变质的围岩片麻岩中,是俯冲到深部的岩石在碰撞之后抬升和就位于中、上地壳中的,现在出露于地表的超高压变质岩及其有关的岩石至少经历了两个主要阶段的抬升和折返过程.     

苏鲁超高压变质带北部地球物理调查(1)─—深反射地震

苏鲁超高压变质带是世界上研究陆一陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳地质场所之一．为了解超高压变质带岩石的形成、折返和相应的动力学过程,必须了解该区的地壳和浅地幔构造．本文介绍了该区北部的地质情况和进行深反射地震调查取得的成果,包括（１）在五莲─青岛断裂南侧超高压变质岩片向北倾斜,呈现叠复组构,反映岩片的折返;（２）根据地震资料推测在１４６Ｍａ前后胶南地块的隆升一伸展构造内幕;（３）超高压变质岩片厚约１２ｋｍ,由于含有大量相辉岩透镜体,地震波速高达６．８─７．３ｋｍ／ｓ;（４）莫霍面附近有许多楔形反射体,反映陆一陆碰撞;（５）石门地区７ｋｍ深处存在高波速的强反射体,可作为在该区进行大陆科学钻探的候选场址．     

郯城-涟水综合地球物理剖面

在穿过苏鲁地体的郯城-涟水剖面上进行了深反射地震和大地电磁调查,剖面全长１３９．５ｋｍ,取得了高质量记录,一级品记录高达８５％。结果表明：（１）苏鲁超高压－高压变质岩片向北西倾斜,表现为高速高阻岩片,并受到强烈的变形,反映了超高压岩片的俯冲与折返;（２）杨子克拉通向北俯冲在苏鲁地体之下,表现为常速、中低阻的挠曲板状体,内部有大量反映碰撞的反射楔形体;（３）嘉山-响水断裂带向南陡倾,低阻带直通浅地幔,具有燕山期裂谷的特征,估计有可能是与沂沭断裂带同期的中生代裂谷;（４）印支期俯冲扬子地壳的古Ｍｏｈｏ面与期后形成的新Ｍｏｈｏ面都有强反射,表明中新生代在地壳底部有强烈的岩浆活动与壳幔相互作用,促使新Ｍｏｈｏ面的形成;（５）超高压变质带下方有一组南倾的逆断层,与折返有关,在此处进行科学钻探对了解超高压变质带形成和折返机制很有利。     

苏鲁超高压变质带北部地球物理调查（1）─-深反射地震

苏鲁超高压变质带是世界上研究陆一陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳地质场所之一．为了解超高压变质带岩石的形成、折返和相应的动力学过程,必须了解该区的地壳和浅地幔构造．本文介绍了该区北部的地质情况和进行深反射地震调查取得的成果,包括（１）在五莲─青岛断裂南侧超高压变质岩片向北倾斜,呈现叠复组构,反映岩片的折返;（２）根据地震资料推测在１４６Ｍａ前后胶南地块的隆升一伸展构造内幕;（３）超高压变质岩片厚约１２ｋｍ,由于含有大量相辉岩透镜体,地震波速高达６．８─７．３ｋｍ／ｓ;（４）莫霍面附近有许多楔形反射体,反映陆一陆碰撞;（５）石门地区７ｋｍ深处存在高波速的强反射体,可作为在该区进行大陆科学钻探的候选场址．     

桐柏-红安造山带的构造演化:从大洋俯冲/增生到陆陆碰撞

桐柏-红安造山带位于秦岭与大别-苏鲁造山带之间,因其完好地保存了古生代增生造山体系和古生代末-中生代碰撞造山体系而成为了解华北-华南陆块之间构造演化的关键地区.近20年来的可利用研究资料表明,桐柏-红安造山带显生宙的总体构造演化框架包括以下4个主要阶段:(1)早古生代(490~420 Ma)大洋俯冲、岛弧增生与弧陆碰撞,从而于早古生代末在华北陆块南缘形成一个新的安第斯型大陆边缘;(2)晚古生代(340~310 Ma)大洋俯冲与增生,进而在商丹-松扒断裂南侧形成变质时代相同,但变质作用类型不同的"双变质带",即被分割的武关-龟山中级变质杂岩带和熊店高压榴辉岩带;(3)晚古生代末-早中生代(255~200 Ma)大陆俯冲与陆陆碰撞,通过华南大陆岩板东深西浅的俯冲和多层次拆离/折返形成桐柏高压变质地体和红安高压/超高压变质地体;(4)晚中生代(140~120 Ma)伸展、大规模岩浆侵位与构造挤出,造成桐柏-红安-大别高压/超高压变质地体最终出露地表及东宽西窄的构造格局.然而,对每一构造演化阶段的具体细节以及早期地质历史的认识方面还存在着诸多争议和(或)难以解释的问题.未来的研究除在桐柏-红安造山带继续开展深入细致的工作外,还需与西部"软碰撞"的秦岭造山带和东部"硬碰撞"的大别-苏鲁造山带的研究紧密结合,以期建立适合于整个秦岭-桐柏-红安-大别-苏鲁造山带从古生代到中生代的经典构造演化模型.     

大别杂岩减压变质过程与造山带深部区域性快速构造折返

大别杂岩的变质岩岩石可分出麻粒岩相带和角闪岩相带.麻粒岩相中石榴石内带的生长成分环带保存完好,角闪岩相石榴石内带无成分变化,但近外带为生长环带,反映两个变质相带早期具有不同的变质历史.但是,两个变质相带普遍发育反映减压的反应结构和成分演化趋势.矿物温度计压力计估算麻粒岩相带减压△P≈-0.70GPa;角闪岩相带减压△P≈-0.85GPa.变质P-T轨迹具碰撞和俯冲变质的双重特点,表明大别杂岩经受了快速下沉和快速构造折返.区内高压超高压榴辉岩折返可能与之同期.