大陆俯冲隧道中的应变不均一分布：来自大别山超高压变质岩的记录

俯冲隧道是俯冲板片与上覆板块之间的剪切带,也是高压—超高压变质岩折返和深部流/熔体活动的通道。大别山超高压变质岩分布广泛,变形程度差异很大,是研究大陆俯冲隧道中岩石变质- 变形过程的理想地区。本文系统总结了前人对中大别双河地区超高压变质岩的岩石学和年代学研究成果,在双河地区开展了地质填图、应变分析和三维构造重建。通过将超高压变质岩的变形特征与P- T- t轨迹结合,识别出超高压变质岩折返过程中的三期韧性变形。在双河北部发现了一个上盘向NW剪切的千米尺度的榴辉岩相鞘褶皱,枢纽向SE倾伏,倾伏角约20°,与榴辉岩、片岩和长英质片麻岩的拉伸线理平行,表明超高压变质岩初始折返阶段的流体活动使榴辉岩的强度显著降低,榴辉岩与围岩一起发生韧性变形。该期变形被角闪岩相退变质阶段上盘向NW的剪切叠加,此时应变集中于片麻岩、片岩、大理岩等非能干层,强度较高的榴辉岩成为构造透镜体。而绿片岩相变质阶段上盘向SE方向的剪切与早白垩世北大别花岗片麻岩穹隆的形成有关。对双河南部弱变形花岗片麻岩的锆石U- Pb定年揭示了757±14 Ma的原岩年龄和 240~216 Ma的变质年龄,与双河北部含柯石英强变形花岗片麻岩类似,暗示其也经历了三叠纪超高压变质作用及随后的角闪岩相退变质作用。通过计算长英质片麻岩的有效黏度,发现无水碱长花岗片麻岩的有效黏度高于黑云斜长片麻岩,折返阶段的流体活动使超高压变质岩的强度显著降低,当局部的流体活动不足以弱化碱长花岗岩体时,应变集中于黑云斜长片麻岩。因此,大陆俯冲隧道中的应变分布受矿物组成、流体活动和岩体规模的共同影响。     

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。     

郯庐断裂带热年代学信息及其与大别造山带折返的关系

大别山东缘早期郯庐韧性剪切带内的 T28- 12和 T28- 13白云母的 (181.4± 0.5) Ma和 (181.6± 0.8) Ma的 40Ar/39Ar坪年龄指示了郯庐早期左旋剪切的冷却时间为 181 Ma,这些年代学数据指示了郯庐同造山期左旋走滑热事件的存在.起源于华北、华南板块陆-陆碰撞过程中的这期断裂平移活动,发生在高压-超高压带主体部分折返至中地壳后的早侏罗世,推测其活动形式表现为造山带折返过程中高压-超高压带向 SE的斜向折返中形成的转换断层.郯庐晚期韧性剪切带内糜棱岩中白云母、黑云母的 40Ar/39Ar年龄,指示了 139 Ma前(早白垩世)发生的又一次左旋走滑冷却事件.在这期断裂带左行平移的同时,大别造山带东段出现了大规模的岩浆侵入及穹状隆升.剪切带糜棱岩中斜长石 40Ar/39Ar年龄指示剪切带在晚白垩世存在一期快速冷却事件,此次快速冷却事件的时间为 97～ 92 Ma.磷灰石裂变径迹研究成果揭示了 45～ 58 Ma前郯庐断裂带的一次快速冷却事件.这两次快速冷却事件分别对应于断裂带晚白垩世、古近纪两次伸展活动,并控制发育了断裂带东侧的潜山断陷盆地.而钾长石和磷灰石所在地记录的冷却时间显示,造山带内部的抬升都相应早于东缘的郯庐断裂带,反映造山带晚白垩世-古近纪的隆升并不受该断裂带伸展控制,而应是岩石圈拆沉的结果.     

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。     

大别山石马地区超高压变质岩角闪岩相变形的Rb-Sr同位素年龄及其构造意义

角闪岩相变形是大别山超高压变质岩的主期变形 ,露头和显微尺度的构造要素主要由这期变形产生 ,通过对超高压变质岩带内韧性剪切带中花岗片麻岩的Rb -Sr同位素年龄测定 ,获得一条变形花岗片麻岩的全岩 -白云母内部等时线年龄 ,表明超高压变质岩的角闪岩相变形产生于180Ma左右 ,超高压变质岩的主期变形确实为同角闪岩相变质期变形 ,该年龄与超高压变质岩的第二次快速冷却年龄一致 ,由此证实超高压变质岩在180Ma左右快速从下地壳折返至中地壳     

苏鲁—大别榴辉岩研究:形成于不同地质时期的高压-超高压变质带

含柯石英的苏鲁-大别榴辉岩是高压-超高压变质带的产物.依据榴辉岩的总体展布方向、岩石特征、高压-超高压变质作用及退变质作用的温压条件,可划分为NEE向胶东高压-超高压变质带、NNE向郯庐高压-超高压变质带和SEE向大别高压-超高压变质带.榴辉岩的同位素年龄值指示这3个带是主压应力方向不同、形成时期不同、发展和终止时期也各不相同的3个高压-超高压变质带.NEE向胶东高压-超高压变质带主要形成于700～900 Ma的晋宁期,终止于200 Ma左右的印支期;SEE向大别高压-超高压变质带主要形成于400～500 Ma的加里东期,终止于250 Ma左右的印支期;NNE向郯庐高压-超高压变质带初期曾经与胶东高压-超高压变质带是一个带,最早形成于900 Ma左右的晋宁期,但其最重要的形成期是200 Ma左右的印支期,55 Ma左右的喜马拉雅期该带进入推覆造山阶段.胶东、大别和早期的郯庐高压-超高压变质带的主压应力方向都是近SN向,印支期之后的郯庐高压-超高压变质带主压应力方向转变为近EW向.     

再论“大陆深俯冲和折返动力学”: 来自中国大陆科学群钻及苏鲁超高压变质带的制约

通过CCSD-MH、卫星孔的岩性-构造剖面和苏鲁造山带中榴辉岩-超镁铁质岩的产出、深俯冲/折返过程的岩石的塑性流变特征和变形序次的分析、俯冲-折返过程中流体作用及变质化学地球动力学对流变学行为的制约,以及韧性剪切作用形成的折返年代学时限,提出苏鲁超高压变质地体为面型深俯冲/折返杂岩带组成的穹形挤出推覆岩片、叠置在扬子陆块之上; 根据岩石变形微构造及组构的分析,重塑超高压变质岩石深俯冲阶段、折返早期、折返主期和折返后期的塑性流变;提出深俯冲的物质沿板块汇聚边界的多层隧道呈多重/分片样式“挤出”的折返模式,并认为在折返初期开始（230~220Ma）和折返主期（220~200Ma）形成的透入性韧性剪切是俯冲岩片挤出的重要机制;提出郯庐走滑断裂的形成对苏鲁高压/超高压变质地体演化的影响。     

北苏鲁荣成地区超高压变质带的形成与折返动力学

山东省荣成地区位于苏鲁高压-超高压变质带的东北部,以花岗质片麻岩、副片麻岩为主,夹有少量的榴辉岩、石榴辉石岩、麻粒岩、超基性岩、石英岩、大理岩和斜长角闪岩等,各类岩石的锆石中普遍含有柯石英包裹体,表明荣成地区岩石曾经历超高压变质作用过程。荣成地区区域构造格架表现为面理产状总体为NNE-SSW走向,向南转为由NE-SW走向,呈弧形展布,倾向SE或SSE,超高压变质岩石由一系列近平行的剪切岩片组成,岩片之间的分界线为一些韧性剪切带,是折返阶段角闪岩相-绿片岩相的产物。结合野外宏观变形现象、显微构造分析以及糜棱岩中石英的优选方位EBSD （electron backscatter diffraction,电子背散射技术）测量结果,可以判断北苏鲁荣成地区韧性剪切带主要形成于中、低温（550~350℃）条件,并具有由NW向SE“斜向正滑”的剪切指向。根据韧性剪切带中所含的榴辉岩透镜体的显微构造和绿辉石与金红石的优选方位的EBSD的研究,重塑超高压变质阶段的流变学特征：绿辉石和金红石都具有高温的滑移系组构模式。横穿苏鲁高压-超高压变质带的地震反射剖面揭示了苏鲁高压-超高压变质带呈厚10km以上的穹形板片,位于苏鲁高压-超高压变质板片下部的荣成及江苏刘山以韧性正断裂系列为主。Ar-Ar测年结果表明,发生这种伸展韧性剪切作用的时间在117~130Ma。位于板片上部的南苏鲁以韧性逆冲性断裂系列为主。基于以上各方面的研究,进一步验证了苏鲁超高压-超高压变质带折返动力学的挤出模式。     

大陆板片多重性俯冲与折返的动力学模式——苏鲁高压-超高压变质地体的折返年龄限定

苏鲁高压超高压变质地体自南而北由高压(HP)、很高压(VHP)和超高压(UHP)变质叠覆岩片组成,前者依次叠覆在后者之上,岩片之间的界限为韧性剪切带。根据超高压变质岩片中角闪岩相岩石与高压变质岩片中绿片岩相岩石的黑云母和白云母Ar_Ar和Rb_Sr测年新结果,结合前人在该区所做的锆石SHRI MP U_Pb、全岩Sm_Nd、Rb_Sr等测年数据综合分析表明,超高压变质岩石的峰期变质年龄为240~220Ma,折返年龄为220~200Ma;而高压变质岩石的峰期变质年龄大于258Ma,起始折返年龄为258~240Ma,折返年龄比超高压变质岩石早30~40Ma。这说明扬子板片并不是整体俯冲和折返的。由于具组分和密度差异,俯冲板块的不同部位沿岩性或构造界面先后分片俯冲和折返,在北苏鲁超高压变质板片开始俯冲时,南苏鲁高压变质板片已开始折返。     

北大别罗田榴辉岩的原岩性质:微量元素及Sr-Nd-Pb同位素地球化学证据

近20年来,大别山造山带,因含柯石英和金刚石的超高压岩石的发现以及出露有大陆俯冲与碰撞过程中形成的不同构造岩石单位,一直是国内外的研究热点地区.其中,大别山超高压变质带由北大别杂岩带、中大别含柯石英超高压变质带和南大别低温榴辉岩带等三个不同的岩片组成.     

桐柏-大别-苏鲁UHP和HP变质带的结构及流变学演化

在岩石圈流变学基本原理指导下，运用现代构造解析学方法，在不同尺度上差别和分析了桐柏－大别－苏鲁UHP和HP变质带内深俯冲，同碰撞构造及UHP和HP岩石折返过程中的变形特征，重点讨论同碰撞形成的高角度网结状榴辉岩切带阵列，高角闪岩相剪切及有关变形组合以及碰撞期后伸展韧性薄化变形样式，强调指出不同地壳层次和物理条件下变形分解作用的重要性，而且，在UHP和HP变质带内最有效的应变体制是剪切作用，并在三维空间上形成不同格式的剪切带网状系统，以构造学记录为主线，结合已有可利用的岩石学，变质作用pT轨迹和同位素年代学资料，提出一个UHP和HP变质带尺度上的流变学演化模式，其中，UHP和HP变质岩石由地幔深度折返到地壳表层，经历了楔状挤出，碰撞期后地壳韧性薄化及晚造山伸展塌陷，揭顶作用等多个阶段的动力学过程。     

Sequence of Ductile Shear Zones in UHP Metamorphic Province within Dabie Massif, China

ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＯｖｅｒｔｈｅｌａｓｔｔｗｏｄｅｃａｄｅｓｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅａｄｖａｎｃｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｍａｄｅｔｏｗａｒｄｓｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇａｎｄｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｔｅｃｔｏｎｉｃｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｄ...     

苏北东海地区超高压变质带内的斜卧褶皱

详细的野外观察和制图证实，在苏北东海地区的驼峰、房山及虎山等超高压（UHP）变质带岩石出露地段，都有不同尺度的斜卧褶皱发育。在详细地描述了典型的斜卧褶皱组成、几何形态、位态及其形成的物理环境之后，指出斜卧褶皱及分隔它们的韧性剪切带，在构造上，是组成超高压变质带构造柱的两个基本要素，是在超高压变作用期后伸展体制及角闪岩相条件下形成的。同超高压变质作用的残余构造，只保留于大的榴辉岩和超镁铁质结构透镜体核部。无疑，在超高压变质岩石露头区地表构造研究所得的结果，对在东海地区第四纪沉积物所掩盖区实施的大陆科学钻探工程中揭露的地质现象解释，有重要参考意义。强调指出，大陆科学钻探工程所揭示的地壳构造，可能主要代表角闪岩相及伸展体制下的变形特征。     

桐柏-大别山区高压变质相的构造配置

作为华北和扬子陆块间的碰撞造山带桐柏大别山区以发育高压、超高压变质带为特征,从南到北变质相从低级到高级,代表俯冲带深度不同的变质产物,整体形成高压变质相系列。不过现今各变质相岩石的分布极受后期地壳规模的伸展构造控制,大别杂岩的穹隆作用更使高压变质相带的空间分布复杂化。超高压变质岩今日多呈大小不等的块体嵌布于相对低压的大别杂岩之内,造山带根部物质的热软化,使许多深层地幔物质得以像挤牙膏一样挤出于大别杂岩内。它们之中广泛发育着减压退变质的显微结构,与大别杂岩内一些麻粒岩相表壳岩所保存的减压退变质证迹一样,同是挤出作用和碰撞后隆升的构造证迹。高压相系的发育使南桐柏山和大别山迥然不同于桐商（ 商丹） 断裂以北的北秦岭北淮阳变质带。新近发表的同位素年代学（４０Ａｒ ３９ Ａｒ） 资料：３１６ ～４３４ Ｍａ ,已证明北秦岭是古生代变质带,它与桐柏－ 大别印支期碰撞造山带差异甚大。这两个变质地温梯度差异甚大的变质地体的拼合,说明华北和扬子陆块碰撞的主缝合带是商丹－ 桐商断裂带     

大别山超高压变质岩的变形历史及折返过程

大别山南部的超高压变质岩在其形成及折返过程中经过5期变形。D₁变形为榴辉岩相前变形,形成于扬子板块北缘陆壳基底的俯冲过程中;D₂变形形成于折返初期(220-210Ma)即超高压变质岩在浮力驱动下折返至下地壳底部的过程中,变形以块状榴辉岩的糜棱岩化及层状榴辉岩和基质的紧密-同斜褶皱为特征;D₃变形发生在折返中期(200-180Ma)即超高压变质岩在南北陆块持续碰撞作用下被挤出并向北逆冲折返至中地壳的过程中,变形以榴辉岩的布丁化和基质的强烈韧性剪切变形为特征;D₄变形是折返晚期(130-110Ma)超高压变质岩在地壳浅部伸展体制下向南滑脱所致;在折返至近地表时,超高压变质岩受到NE向断层(D₅)的切割。     

Triassic Collisional Structures and Post—Collisional Deformation of Bixiling UHP Rock Stack： Insights for Tectonic Evolution of UHP Metamorphic Belt in Dabie Massif, Central China

Detailed three-dimensional structural studies indicate that the Bixiling area,Dabie massif,central Chian shows the deepest exposed levels of the orogenic wedge formed during the Triassic Yangtze0Sino-Korean continental collision.New1:10000 scale structural mapping,combined with detailed petrological analysis in this area,has enabled us to accurately distinguish structures related to the Trias-sic continental collision from those related to post-collisional deformation in the ultrahigh pressure (UHP) metamorphic unit.The collisional or compressional structures include the massive eclogite with a weak foliation,foliated eclogite or UHP ductile shear zones,as well as upper amphibolite facies shear zones,whereas the post-collisional deformation is characterized by a regionally,flat-lying foliation con-taining stretching lineations and common reclined folds .The former is present exclusively in the eclogite lenses and their margins,representing orogenic thickening or syn-collisional events,while the latter was best occurred on variable scales under amphibolite facies conditions,showing sub-vertical,extreme short-ening and ductile thinning of the metamorphic rock stack.The eclogite facies tectonites that have a marked fabric discordance to the penetrative amphibolite facies extension flow fabric are common.It is emphasized that an extensional tectonic setting following the collision-orogenic thickening stage was,at least partly,responsible for exhumation of the UHP metamorphic rocks in the Dabie massif.A new tec-tionic evolution model is proposed for the UHP metamorphic belt on the scale of the Dabie massif.The Bixiling area thus provides a window,from which the dynamic processes concerning the formation and exhumation of the UHP rocks can be observed.Regional studies in the Dabie Mountains have confirmed this interpretation.     

羌塘中部高压变质带的退变质作用及其构造侵位

羌塘中部的高压变质带主要由榴辉岩、石榴石白云母片岩和蓝片岩等组成,它们在遭受高压变质作用之后折返,构造侵位于晚古生代展金组地层中,二者以韧性变形带为接触边界.本文以高压变质带中的榴辉岩和韧性变形带为研究对象,讨论了高压变质带折返过程中的退变质作用特征及折返时代.研究表明,榴辉岩在高峰期变质作用之后的折返过程中经历了由榴辉岩相→蓝片岩相→绿帘角闪岩相的退变质作用演化过程;在高压变质带构造侵位过程形成的韧性变形带中,白云母石英片岩的白云母40Ar-39Ar坪年龄为219±2Ma.高压变质带在219Ma左右构造侵位于展金组地层中,并于214Ma之前最终抬升出露地表.     

Carboniferous and Triassic eclogites in the western Dabie Mountains,east‐central China: evidence for protracted convergence of the North and South China Blocks

SHRIMP U–Pb dating and laser ablation ICP‐MS trace element analyses of zircon from four eclogite samples from the north‐western Dabie Mountains, central China, provide evidence for two eclogite facies metamorphic events. Three samples from the Huwan shear zone yield indistinguishable late Carboniferous metamorphic ages of 312 ± 5, 307 ± 4 and 311 ± 17 Ma, with a mean age of 309 ± 3 Ma. One sample from the Hong'an Group, 1 km south of the shear zone yields a late Triassic age of 232 ± 10 Ma, similar to the age of ultra‐high pressure (UHP) metamorphism in the east Qinling–Dabie orogenic belt. REE and other trace element compositions of the zircon from two of the Huwan samples indicate metamorphic zircon growth in the presence of garnet but not plagioclase, namely in the eclogite facies, an interpretation supported by the presence of garnet, omphacite and phengite inclusions. Zircon also grew during later retrogression. Zircon cores from the Huwan shear zone have Ordovician to Devonian (440–350 Ma) ages, flat to steep heavy‐REE patterns, negative Eu anomalies, and in some cases plagioclase inclusions, indicative of derivation from North China Block igneous and low pressure metamorphic source rocks. Cores from Hong'an Group zircon are Neoproterozoic (780–610 Ma), consistent with derivation from the South China Block. In the western Dabie Mountains, the first stage of the collision between the North and South China Blocks took place in the Carboniferous along a suture north of the Huwan shear zone. The major Triassic continent–continent collision occurred along a suture at the southern boundary of the shear zone. The first collision produced local eclogite facies metamorphism in the Huwan shear zone. The second produced widespread eclogite facies metamorphism throughout the Dabie Mountains–Sulu terrane and a lower grade overprint in the shear zone.     

Zoned Zircon from Eclogite Lenses in Marbles from the Dabie-Sulu UHP Terrane, China： A Clear Record of Ultra-deep Subduction and Fast Exhumation

Eclogite lenses in marbles from the Dabie-Sulu ultrahigh-pressure (UHP) terrane are deeply subducted meta-sedimentary rocks. Zircons in these rocks have been used to constrain the ages of prograde and UHP metamorphism during subduction, and later retrograde metamorphism during exhumation. Inherited (detrital) and metamorphic zircons were distinguished on the basis of transmitted light microscopy, cathodoluminescence (CL) imaging, trace element contents and mineral inclusions. The distribution of mineral inclusions combined with CL imaging of the metamorphic zircon make it possible to relate zircon zones (domains) to different metamorphic stages. Domain 1 consists of rounded, oblong and spindly cores with dark-luminescent images, and contains quartz eclogite facies mineral inclusion assemblages, indicating formation under high-pressure (HP) metamorphic conditions of T = 571-668℃and P = 1.7-2.02 GPa. Domain 2 always surrounds domain 1 or occurs as rounded and spindly cores with white-luminescent images. It contains coesite edogite facies mineral inclusion assemblages, indicating formation under UHP metamorphic conditions of T = 782-849℃and P > 5.5 GPa. Domain 3, with gray-luminescent images, always surrounds domain 2 and occurs as the outermost zircon rim. It is characterized by low-pressure mineral inclusion assemblages, which are related to regional amphibolite facies retrograde metamorphism of T = 600-710℃and P = 0.7-1.2 GPa. The three metamorphic zircon domains have distinct ages; sample H1 from the Dabie terrane yielded SHRIMP ages of 245±4 Ma for domain 1, 235±3 Ma for domain 2 and 215±6 Ma for domain 3, whereas sample H2 from the Sulu terrane yielded similar ages of 244±4 Ma, 233±4 Ma and 214±5 Ma for Domains 1, 2 and 3, respectively. The mean ages of these zones suggest that subduction to UHP depths took place over 10-11 Ma and exhumation of the rocks occurred over a period of 19-20 Ma. Thus, subduction from～55 km to > 160 km deep mantle depth took place at rates of approximately 9.5-10.5 km/Ma and exhumation from depths >160 km to the base of the crust at～30 km occurred at approximately 6.5 km/Ma. We propose a model for these rocks involving deep subduction of continental margin lithosphere followed by ultrafast exhumation driven by buoyancy forces after break-off of the UHP slab deep within the mantle.