变质流体研究新进展

变质流体是变质过程的主要动力学因素之一。目前变质流体研究主要集中在下部地壳麻粒岩相变质流体，俯冲带高压－超高压变质流体和接触变质流体等方面。研究的主要问题是流体流动机制和元素迁移，流体－岩石相互作用和流体来源。下部地壳麻粒岩相变质流体以ＣＯ２为主，具有较低的ａＨ２Ｏ。δ１３Ｃ研究表明大约２／３ＣＯ２是深成的。富ＣＯ２流体流动是紫苏花岗岩形成和热扰动的原因之一，也是麻粒岩形成和大离子亲石元素亏损的主要因素。俯冲带是高压、超高压变质作用发生和流体活动最活跃的场所。流体富含Ｈ２Ｏ、ＣＨ４和ＣＯ２，可以诱导部分熔融反应和岛弧岩浆作用。高压变质条件下的矿物稳定性也与流体有关。同位素研究表明，在超高压变质期间没有化学上完全相同的流体大规模循环。流体－熔体系统模式能更有效地解释下插板片的元素再循环。接触变质流体研究主要集中在含有易于发生流体－岩石反应的不纯碳酸盐岩地区。硅灰石带中流体／岩石比率高达４０∶１，表明接触变质岩石中有大量流体存在。接触变质过程流体成分有较大差异，主要取决于流体来源、原岩性质和侵入体特征。流体流动和循环模式受控于构造变形，岩浆作用和变质过程的动力学条件及流体成分。     

变质地质学的三大前缘课题

本文主要从三个方面反映１９８７年以来国内外变质地质学研究的新进展：（１）变质Ｐ－Ｔ－ｔ轨迹与区域岩石学研究；（２）变质流体与岩石的相互作用；（３）高压、超高压变质。变质ｐ－Ｔ－ｔ轨迹按地壳拉张区、地壳增厚区、俯冲带和麻粒岩相变质地区等不同构造环境予以论列；变质流体岩石的相互关系是按区域变质、接触变质和麻粒岩相变质地区等三个类型对比描述。高压、超高压变质研究近年来得到快速发展，也提出了许多问题。本文主要介绍柯石英榴辉岩岩石学和榴辉岩相岩石学的主要问题。     

超高压岩石中变质脉的研究

超高压岩石中的变质脉体是示踪变质流体活动的重要途径之一。高压-超高压岩石中不仅出露"纯"的石英脉(石英含量>98%),还出露了具有不同复杂矿物组合的"不纯"脉。最近的研究成果表明,对各种类型变质脉的观察和研究有助于深化对大陆碰撞造山带中变质流体/熔体性质以及元素迁移行为的认识。目前主要解决的科学问题包括:(1)确认形成各种类型脉的流体/熔体性质;(2)获得成脉过程中主微量元素(特别是流体不活动性HREE和HFSE)发生迁移的尺度和规模,探讨流体/熔体性质对超高压变质条件下元素地球化学行为的影响;(3)获得各种类型变质脉形成的确切时代。     

变质流体地球化学：从静态定性“流”向动态定量

对变质岩的矿物学演化研究使岩石学家和地球化学家认识到,流体流动在变质作用过程中发挥着重要的作用。根据变质矿物共生组合、化学和同位素数据能够鉴别流体在变质体中所流经的区域,确定流体的数量、相对于温度和压力梯度以及岩石接触带的流体流动方向,并确定流体活动的时代。仅在特殊的矿物组合、流体成分、温度和压力条件下,流体可能沿矿物颗粒缝隙的网状交叉的显微通道流动。变质流体流动对于研究地壳的热和质量传输及变形机制和速率有着重要的作用。在各种地壳环境中都存在大量的含水流体,区域和接触变质岩石具有的时间积分流量远远大于紧邻岩石脱水所提供的数量。支持高水流量的证据包括不同学科种类,例如岩石学、矿物学、结构和显微构造以及稳定同位素。渗透率增大可能是促使流体流量变大的主要机制。通过同位素地球化学家与构造地质学家和岩石学家们之间的密切合作,直接对变质岩渗透率增大机制进行实验测定和理论模拟,并在野外检验渗透率增大模型,将有助于理解变质作用的热和流体循环与变形作用之间的关系。     

超高压变质流体的组成与演化：中国大陆科学钻探工程主孔岩心的流体包裹体研究

中国大陆科学钻探工程主孔位于大别-苏鲁超高压变质带东段的江苏东海县,孔深为5100m,其上部2050m钻遇的岩石主要为榴辉岩,其次是正、副片麻岩、石榴橄榄(辉石)岩以及少量片岩和石英岩。它们经历了超高压变质作用和随后的角闪岩相退变质作用。通过对上述各种岩石的详细流体包体观察和RAMAN光谱分析,发现了五种不同成分的流体包裹体:(1)中-低盐度水溶液包裹体(Ⅰ型),呈原生的孤立和小群存在于榴辉岩和片麻岩锆石的岩浆核和超高压变质边缘,或存在于绿辉石、黝帘石和被绿辉石包裹的方解石和石英中,偶尔呈出溶包裹体产于磷灰石中,而主要沿绿辉石、石榴石、蓝晶石、黝帘石和石英等矿物的穿颗粒裂隙分布;也呈孤立和小群产于切穿榴辉岩的方解石脉和片麻岩重结晶石榴石和绿帘石中;(2)CO2(±CH4)-H2O包裹体(Ⅱ型),存在于锆石的岩浆核和变质边缘,或沿石英裂隙分布;(3)含石盐±SiO2±CaCO3的复杂盐水包裹体(Ⅲ型),呈原生流体包裹体产在榴辉岩的绿辉石中,与石英出溶棒一起平行于绿辉石的C轴分布,或产在石榴辉石岩透辉石的晶内裂隙中;(4)富CO2包裹体(Ⅳ型),在榴辉岩的石英中随机分布;(5)单气相包裹体(Ⅴ型),沿各种矿物穿颗粒裂隙分布。流体包裹体产状及其与捕获时代关系表明,Ⅰ型和Ⅱ型包裹体可以出现在超高压变质岩原岩、峰期变质和退变质各阶段。Ⅲ型包裹体出现在超高压变质岩的早期减压退变质阶段。而Ⅳ型和Ⅴ型包裹体主要形成于角闪岩相及更晚的退变质阶段。本研究的主要认识是:(1)低盐度H2O和CO2流体在进变质、超高压变质和退变质作用各阶段均有存在,这表明在整个超高压变质演化过程中流体具有继承性。(2)超高压变质岩原岩和角闪岩相退变质岩中存在较丰富的流体包裹体,但在超高压峰期捕获的流体包裹体却很少见,这表明丰富的原岩流体或在超高压进变质过程中被排出岩石体系,或进入含水超高压矿物和结合进名义无水矿物。(3)复杂成分原生流体包裹体的发现证明在超高压变质峰期后的早期减压退变质阶段存在一种高盐度似熔体流体,名义上的无水矿物在超高压条件下可以保存相当量的流体,并在退变质过程中分离出来,产生流体-岩石相互作用。(4)角闪岩阶段的流体包裹体具有各种不同的化学组成,且在局部富集,推测可能有部分外部加入的流体。(5)流体包裹体类型、丰度和成分在不同岩石类型中和不同钻孔深度都存在明显差异,表明超高压变质作用过程中没有大规模的透入性流体活动。(6)根据超高压变质峰期包裹体等容线得到的压力值大大低于根据矿物温压计获得的近峰期变质压力,这表明包裹体的密度在捕获后发生了改变。这些改变是由于流体渗漏、部分爆裂和流体-岩石相互作用所引起。     

超高压变质岩——造山带深部过程的见证

超高压变质岩是大陆碰撞过程中俯冲于地幔较深部位的地壳物质（包括早先从地幔就位于地壳的超基性岩）,记录了地球系统内部物质再循环的过程。了解折返至地壳的超高压岩石的峰变质深度,是讨论造山带深部变质作用、岩浆形成和流体活动的关键,也是讨论折返机制的基础。详细的岩相学和变质反应热力学分析通常还不足以对岩石峰变质物理条件作出判断。高压下矿物固溶体的稳定性、相转变及出溶机制是最终解决问题的前提知识。柯石英假象具有特征的结构。并非只有相变才能引起矿物包裹体周围的放射状裂开。柯石英在寄主矿物中的保存情况对岩石的ｐ Ｔ路径有指示意义。以构造过压为主导的超高压变质作用观点与现有地质观察和高压下岩石的力学状态分析不相一致。定量估计构造过压在岩石俯冲过程中的作用尚需更深入的理论分析和观察资料。准确的ｐ Ｔ路径对于理解俯冲、折返机制至关重要。流体和熔体是岩石俯冲至较深部位时与地幔围岩发生物质交换的主要介质。进变质过程中岩石多放出流体,但也有一些发生在超高压下的水化或碳化反应。退变质过程晚期围岩流体渗入折返的超高压变质岩,但在退变质过程早期,由于温度增高,一些超高压含水矿物可能发生脱水。典型的地壳岩石在俯冲带深部很容易发生部分熔融。高?     

超高压变质作用过程中的流体——来自苏鲁超高压变质岩岩石学、氧同位素和流体包裹体研究的限定

苏鲁造山带超高压变质岩岩石学、氧同位素、流体包裹体和名义上无水矿物的研究表明，流体-岩石相互作用在大陆地壳的俯冲与折返过程中起到多重的重要作用，并形成了复杂的流体演化过程：（1）大陆表壳岩通过与高纬度大气降水的交换作用被广泛水化，并获得了异常低的氧同位素成分；（2）在水化陆壳物质的俯冲过程中发生了一系列的进变质脱水反应，所释放的流体主要结合进了高压、超高压含水矿物和名义上无水超高压矿物；（3）在超高压变质过程中，以水为主的变质流体通过选择性的吸收使其盐度逐渐升高，并在峰期出现高密度、高盐度的H2O或CO2-H2O流体。有机质的分解反应在局部形成了以CO2、N2、CH4或它们的混合物为主要成分的变质流体；（4）名义上无水超高压矿物的结构水出溶是早期退变质流体的主要来源，并在局部富集形成了高压变质脉体；（5）透入性的中、低盐度水流体活动使超高压变质岩通过一系列的水化反应转变成角闪岩相变质岩；（6）沿韧性剪切带和脆性破碎带的强烈水流体活动为绿片岩相退变质作用和低压石英脉的形成提供了变质流体；（7）可变盐度的H2O或CO2-H2O流体是整个超高压变质岩形成与折返过程中的主要流体，但局部的流体．岩石相互作用形成了非极性的变质流体。     

信息动态

变质岩是组成硅酸盐地球的三大岩石之一,对了解深部地壳的组成和地壳演化、研究地壳热结构历史记录、恢复变质岩原岩建造和指导找矿都具有重要意义.本文综述了近十年来我国变质岩学科在超高压/高温变质作用、相平衡、变质流体以及变质岩地球化学等几方面的研究进展.在已有研究基础上,近十年来我国学者又相继在柴北缘野马滩、南阿尔金、东昆仑、北秦岭及西南天山的不同类型岩石中发现了柯石英、斯石英假象(副象)以及其他一些特征的超高压变质指示矿物和结构,确定了这些超高压变质带的野外分布特征.在超高温变质作用研究方面,识别并确定了华北克拉通孔兹岩带超高温变质岩石的出露规模,准确的变质时代和时间尺度的限定以及P-T-t轨迹的构建,尤其是在进变质阶段的确定方面取得了一系列进展.在变质相平衡研究方面,在热力学数据库和矿物相及熔体活度模型进一步完善的基础上,开发了新的模拟计算软件GeoPS,建立了基于ACF组分分析的变质基性岩完整相平衡关系;同时在深熔作用与花岗质岩石成因的定量模拟方面也有重要进展.在矿物温压计研究方面,首次建立了与斜长石无关的GBAQ压力计、二云母压力计和白云母Ti温度计.在元素地球化学方面,高场强元素(如Ti、Nb、Ta、Zr、Hf等)和卤族元素(如F、Cl、Br和I)在变质脱水过程中的迁移和分异,以及变价元素(如V、Fe、W和Mo等)对指示氧逸度的变化研究方面都取得了一系列进展.在变质流体研究方面,对俯冲带高压-超高压流体活动的证据、流体成分的确定及流体活动时限等方面的研究也取得了明显进展.     

大陆俯冲过程中的流体

含水矿物矿物稳定性的实验研究和超高压岩石的同位素地球化学研究表明 ,大陆地壳在俯冲过程中 ,随着变质程度的升高和部分含水矿物的相继分解 ,会有流体释放出来。当俯冲深度接近5 0km ,俯冲陆壳岩石中大量低级变质含水矿物 (如绿泥石、绿帘石、阳起石 )会脱水并从俯冲陆壳逸出形成流体流。这一流体流可溶解带走俯冲陆壳内已从云母类矿物逸出的放射成因Ar及部分U、Pb ,并导致w(U) /w(Pb)升高。这一阶段逸出的流体有可能交代、水化仰冲壳楔 ,为其发生部分熔融形成同碰撞花岗岩或加速山根下地壳的榴辉岩化创造条件。在俯冲深度为 5 0～ 10 0km ,变镁铁质岩石中的角闪石相继分解并释放出H2 O。由于变镁铁质岩石在陆壳中所占比例较少 ,因此 ,这一阶段释放的水不能形成大规模的流体流 ,因而不能使体系内的过剩Ar大量散失 ,但足以形成局部循环 ,加速变镁铁质岩石及其互层或邻近围岩的榴辉岩化变质反应。在俯冲深度 >10 0km的超高压变质阶段 ,仅有少量的含水矿物分解 ,而多硅白云母仍保持稳定。这时俯冲陆壳内只可能有少量粒间水存在 ,从而导致俯冲陆壳与周围软流圈地幔不能发生充分的相互作用。     

大陆俯冲带的深部流体及变质化学地球动力学 ——以苏鲁超高压变质带为例

通过苏鲁超高压变质带的岩石学、矿物化学、地球化学和年代学研究,在大陆俯冲带深部流体与变质化学地球动力学方面取得了重要的创新性成果。研究证明大陆俯冲带的深部流体是高氧逸度、富硅酸盐的超临界流体,揭示出超高压变质极端条件下的流体－矿物(岩石)相互作用可以导致不活动元素发生溶解和迁移,可以导致金红石的Nb/Ta之间发生强烈的分异,提出俯冲到地幔深处的超高压榴辉岩是地球内部“隐藏”的超球粒陨石Nb/Ta比值的物质源区,与低球粒陨石Nb/Ta比值的物质源区大陆地壳和亏损地幔在化学成分上形成互补。     

超高压变质矿物中的多相固体包裹体研究进展

大陆碰撞过程中熔/流体的组成和演化是研究大陆深俯冲动力学的重要内容,而超高压岩石记录了大陆俯冲和折返过程中的熔/流体-岩石相互作用,因而是研究大陆碰撞过程中熔/流体组成和演化的天然实验室。大陆俯冲带高压/超高压变质矿物中多相固体包裹体作为熔/流体活动的直接记录,为我们提供了揭示超高压变质过程中熔/流体演化的重要制约。近年来,围绕超高压岩石中多相固体包裹体的形成时间、演化过程及其所反映的俯冲带超高压变质熔/流体的组成和性质,进行了大量的研究工作。超高压岩石中多相固体包裹体的发现,为理解峰期超高压变质流体的组成和演化提供了重要制约,同时也为研究俯冲板片-地幔楔界面的熔/流体交代作用提供了新的途径。本文从多相固体包裹体形成机制、结构形态特征、矿物化学成分及其地质地球化学意义等方面,对于超高压变质岩中多相固体包裹体的研究现状和存在的问题进行系统地总结和探讨,以期促进多相固体包裹体的岩石学和地球化学研究。     

苏北青龙山超高压变质榴辉岩流体包裹体特征与流体演化

根据青龙山超高压变质榴辉岩中流体包裹体的化学成分、矿物中的分布特征将岩石中的流体包裹体分为五类,即富N2包裹体、高盐度(22.4-略大于23.2wt%NaCl)的NaCl CaCl2 H2O体系流体包裹体、中高盐度(12.6-16.0wt%NaCl)的含Mg2 或Fe2 的NaCl H2O体系流体包裹体、中等盐度(6.4-10.5wt%NaCl)水溶液包裹体和低盐度(3.3-0.2wt%NaCl)的水溶液包裹体。富N2包裹体形成于超高压变质峰期阶段,高盐度的流体包裹体形成于超高压变质岩折返早期固体出溶体出溶阶段,中高盐度的流体包裹体形成于高压变质重结晶作用阶段,中等盐度的流体包裹体形成于角闪岩相变质重结晶作用阶段,低盐度的流体包裹体形成于折返晚期的绿片岩退变质作用阶段。超高压变质峰期阶段和折返早期的高盐度流体和中高盐度的流体主要来自继承原岩中的流体(如含NH4 矿物分解或片麻岩原岩中的有机质分解,名义上无水矿物中羧基水的出溶),晚期角闪岩相退变质阶段的中等盐度的流体除名义上无水矿物中羟基水的出溶外还有外来流体的加入,绿片岩相退变质作用阶段的流体主要为外来流体。     

高压-超高压变质岩石中石榴石的环带和成因

在俯冲带变质过程中,石榴石是高压-超高压变质榴辉岩和片麻岩的常见变质矿物。由于石榴石具有难熔和流体中的低溶解能力的特点,通常可以很好地保存下来,并且能够保留复杂的化学成分环带,以及不同类型的矿物或流体包裹体,为解释石榴石寄主岩石经历的变质演化历史提供了重要信息。石榴子石的主微量元素成分受控于很多因素,如全岩成分、变质的温压条件、控制石榴子石形成的相关变质反应、与石榴子石共生的矿物种类和成分等。因此,在利用石榴石探讨超高压变质的演化历史时,对石榴石进行系统的主要元素、微量元素、氧同位素以及矿物包裹体分析,以及相互间的成因关系。同时,对石榴石中的锆石或独居石包裹体并进行原位U-Pb定年和微量元素分析,可以为变质石榴石的形成时代提供直接的时间制约。深入研究超高压变质岩中石榴石的生长阶段,不仅可以为含石榴石寄主岩石的变质过程提供岩石学和地球化学证据,而且对于理解石榴石的形成机制、生长规律及其变质化学动力学过程具有重要的科学意义。     

非保守元素在苏鲁超高压榴辉岩退变质作用中有限迁移和近原地重新分布

中国大陆科学钻探工程主孔揭露的基性岩石包括新鲜榴辉岩和角闪岩.角闪岩是榴辉岩在折返过程中不同程度退变质作用的产物.全岩主量和痕量元素地球化学数据表明它们不仅在高场强元素(Ti,Zr,Nb,Ta),而且在高度活动元素(Rb,Cs,Sr,Ba)上化学特征相似.尽管从榴辉岩向角闪岩的退变质作用需要流体的参与,上述地球化学特征表明在榴辉岩快速折返过程中,流体仅仅有限地存在,在流体中高度活动的碱性元素仅作有限迁移和近乎原地重新分布.流体可能以高度局域化的管道流形式出现,是导致榴辉岩退变质作用和剪切变形高度局域化的主要因素.     

北大别超高压榴辉岩的快速折返与缓慢冷却过程

岩石学研究表明,北大别超高压榴辉岩经过了超高压和高压榴辉岩相变质作用以及麻粒岩相叠加和角闪岩相退变质作用.其中,高压麻粒岩相和角闪岩相变质阶段形成的后成合晶以及石榴子石和单斜辉石等矿物中成分分带的存在,证明该区榴辉岩经历了一个快速折返过程;而不同变质阶段的温度、压力和形成时代,却反映该区榴辉岩在峰期超高压变质作用之后又经历了一个缓慢冷却过程.超高压岩石折返期间的缓慢冷却过程也许正是北大别长期难以发现柯石英和有关超高压证据的重要原因.因此,本文为大别山不同超高压岩片的差异折返模型的建立提供了新的证据.     

分步淋洗方法研究碧溪岭榴辉岩Pb同位素组成及其演化

根据大量年代学、地球化学和岩石学等方面的研究,前人对碧溪岭榴辉岩的形成及变质历史有了较明确的认识,但这些研究对超高压变质前后过程中元素和同位素的变化涉及较少。通过分步淋洗方法对碧溪岭榴辉岩中石榴石的Pb同位素研究发现,不同淋洗步骤的Pb同位素组成明显不同,但对不同的石榴石样品以及同一样品用不同的淋洗流程,得到的淋洗规律以及Pb同位素组成变化范围基本一致。不同淋洗步骤的Pb同位素组成构成等时线,给出表面年龄为30亿年左右,与前人报道的碧溪岭地区榴辉岩原岩形成及超高压变质的年龄数据有明显差异。结合前人研究可以判断,这些年龄不具有明确的地质意义,属于假等时线。但分步淋洗结果能反映碧溪岭榴辉岩中Pb同位素的来源可能由地幔组分和上地壳组分混合而成,地幔组分的Pb反映了碧溪岭榴辉岩的原岩是地幔成因的,上地壳组分的Pb表明在榴辉岩快速折返过程中,受到具有上地壳Pb同位素组成的含水流体交代     

高压超高压变质作用中流体—熔体—岩石相互作用

在高压超高压变质作用过程中所释放的流体对俯冲板块的演化起着重要作用,与岛弧岩浆活动有着直接联系,随着温度和压力的增加,俯冲板片将发生高压到超高榴辉岩相转变,大量的水将通过含水矿物的消失反应释放出来,这些流体可引起上覆岩圈大规模水化,并促进地幔楔状体的部分熔融,同时,通过流体的向上迁移可将某些组分带入上覆岩石圈板块,并改变其总体组成,许多含水矿物,同变质脉体,高压自形晶体组成的布丁,原生液态包裹体和     

Distinct zircon U–Pb and O–Hf–Nd–Sr isotopic behaviour during fluid flow in UHP metamorphic rocks: evidence from metamorphic veins and their host eclogite in the Sulu Orogen,China

Fluid plays a key role in metamorphism and magmatism in subduction zones. Veins in high‐pressure (HP) to ultrahigh‐pressure (UHP) rocks are the products of fluid‐rock interaction, and can thus provide important constraints on fluid processes in subduction zones. This contribution is an integrated study of zircon U–Pb and O–Hf, as well as whole‐rock Nd–Sr isotopic compositions for a quartz vein, a complex vein, and their host eclogite in the Sulu UHP terrane to decipher the timing and source of fluid flow under HP‐UHP metamorphic conditions. The inherited magmatic zircon cores from the host eclogite constrain the protolith age at c. 750 Ma. Their variable ε_Hf(t) values from ?1.11 to 2.54 and low δ¹⁸O values of 0.32–3.40‰ reflect a protolith that formed in a rift setting due to the breakup of the supercontinent Rodinia. The hydrothermal zircon from the quartz and the complex veins shows euhedral shapes, relatively flat HREE pattern, slight or no negative Eu anomaly, low ¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf ratios, and low formation temperatures of 660–690 °C, indicating they precipitated from fluids under HP eclogite facies conditions. This zircon yielded similar U–Pb ages of 217 ± 2 and 213 ± 3 Ma within analytical uncertainty, recording the timing of fluid flow during the exhumation of the UHP rock. It is inferred that the fluids might be of internal origin based on the homogeneity of δ¹⁸O values of the hydrothermal zircon from the quartz (?2.41 ± 0.13‰) and complex veins (?2.35 ± 0.12‰), and the metamorphic grown zircon of the host eclogite (?2.23 ± 0.16‰). The similar ε_Nd(t) values of the whole rocks also support such a point. Zircon O and whole‐rock Nd isotopic compositions are therefore useful to identify the source of fluid, for they are major and trace components in minerals involved in metamorphic reactions during HP‐UHP conditions. On the other hand, the hydrothermal zircon from the veins and the metamorphic zircon from the host eclogite exhibit variable ε_Hf(t) values. Model calculation suggests that the Hf was derived from the breakdown of major rock‐forming minerals and recycling of the inherited magmatic zircon. The variable whole‐rock initial ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios might be caused by subsequent retrograde metamorphism after the formation of the veins.