大别山超高压变质岩的冷却史及折返机制

大别山超高压变质岩及其围岩 T-t 冷却曲线显示了超高压变质岩的冷却史从800℃到300℃经历了三个阶段:两次快速冷却(226±3Ma 到219±7Ma 期间从800℃到500℃的第一次快速冷却,180～170Ma 期间从450℃到300℃的第二次快速冷却)和介于二者之间的等温过程。这一具有两次快速冷却的 T-t 曲线已被近年来获得的高精度金红石 U-Pb 年龄(218±1.2Ma)(Li et al.,2003),高压变质和退变质独居石 Th-Pb 年龄(Ayers et al.,2002),和强面理化榴辉岩二次多硅白云母的Rh-Sr 年龄(182.7±3.6Ma)(Li et al.,2001)所证实。超高压变质岩的二次快速冷却事件反映了二次快速抬升过程。在东秦岭及苏鲁地体东端发育的同碰撞花岗岩 U-Ph 年龄为225～205Ma,与超高压变质岩第一次快速冷却时代吻合。考虑到同碰撞花岗岩与俯冲板片断离的成因联系,这种时代耦合关系表明俯冲板片断离可能是超高压变质岩第一次快速抬升和冷却的重要机制之一。大别山 Pb 同位素填图揭示出南大别带超高压变质岩具有高放射成因 Pb 特征,因而源于俯冲的上地壳;而北大别带超高压变质岩具有低放射成因 Pb 特征,源于俯冲长英质下地壳。这表明在陆壳俯冲过程中上、下地壳之间可发生挤离(detachment)或脱耦(decoupling)。已有实验证明脱耦的上地壳在俯冲过程中可沿挤离面逆冲抬升(Chemenda et al.,1995)。同理,由于俯冲镁铁质下地壳在大别山没有出露,可以推测俯冲长英质下地壳和镁铁质下地壳之间也最终发生了挤离或脱耦。大陆岩石圈在不同深度存在若干低粘度带(Meissner and Mooney,1998)是上述俯冲陆壳分层脱耦现象发生的依据。因此,俯冲上地壳及部分长英质下地壳的第一次快速抬升折返是俯冲过程中大陆地壳内部分层脱耦和俯冲板片断离的综合结果。上述过程只能使已脱耦的上地壳及部分长英质下地壳抬升折返,而未与俯冲岩石圈脱耦的下地壳在板片断离后仍可继续俯冲。俯冲板片断离后,两大陆块在晚三叠世和早-中侏罗世继续汇聚,导致华南陆块下地壳继续俯冲,及已经脱耦并折返至中上地壳的超高压岩片向北仰冲。这一仰冲可能是导致超高压变质岩第二次快速抬升的重要机制。强面理化榴辉岩二次多硅白云母的 Rb-Sr 年龄(182.7±3.6Ma)可能记录了这一超高压岩片仰冲事件发生的时代。惠兰山基性麻粒岩年代学研究揭示了罗田穹隆在早白垩世的快速抬升,与此同时大别山发生了大规模岩浆事件。山体快速抬升与大规模岩浆事件的耦合关系指示了大别造山带早白垩世的去根作用,或岩石圈拆离事件。伴随这一山体快速抬升,大别山超高压变质岩开始大面积出露地表。     

大别山超高压变质岩三期抬升的年代学证据

研究表明，大别山超高压变质岩至少经历了3个抬升折返阶段:即240～220Ma时由碰撞俯冲而引发的逆冲断层而发生的第一次快速抬升折返；在180～160Ma由岩石圈“折沉”作用而引起的第二次快速抬升折返；在135Ma～90Ma由拉张环境及花岗岩浆的侵入而最终使大别山超高压变质岩第三次抬升和定位于地壳浅处，并随着山体的整体抬升和剥蚀最终出露地表。     

苏鲁造山带超高压变质作用及其P-T-t轨迹

基于超高压变质岩的岩石学,特别是超高压矿物生长成分环带、扩散环带和蚀变作用研究,综合前人的岩石学和年代学研究成果,提出苏鲁造山带超高压变质作用峰期发生在1000-1100℃和6-7GPa条件下,俯冲深度相当于200km,形成年代为240-250Ma。在此基础上,重塑了一个包括八期变质作用的P-T-t轨迹,揭示出超高压变质岩经历了三个不同的折返阶段,即从200km到100km深度的快速折返阶段,抬升速率为5km/Ma,冷却速率为10℃/Ma;从100km到30km的快速折返,抬升速率为4km/Ma,或为近等温降压,或为缓慢降温的快速降压过程;从下地壳到近地表的缓慢折返阶段,抬升速率为1km/Ma,但为快速降温过程,冷却速率可达20℃/Ma。     

大别山超高压变质带的大地构造框架

依据岩石学、地球化学、同位素年代学的新资料,对大别山造山带研究中诸如蛇绿混杂岩、碰撞时代、超高压变质岩与围岩的关系、俯冲极性等问题进行了论证,指出大别山超高压变质带是中朝陆块与扬子陆块间碰撞造山的产物。在三叠纪发生的陆－陆碰撞中,扬子陆块向北俯冲至华北陆块之下,但至今尚无发现残存的蛇绿混杂岩,碰撞时缝合带的位置被已经折返出露地表的南大别碰撞杂岩带所取代。     

大别山侏罗纪变形及其构造意义

大别山造山带作为三叠纪华北与扬子大陆碰撞成因并形成超高压变质岩石已经没有异议。然而,对侏罗纪的变形性质和大地构造背景的认识还未取得一致意见。通过前陆早侏罗世地层褶皱,前陆深部反射地震探测,造山带内 SE 角闪岩相线理变形以及160～120Ma 岩浆岩记录和同位素年代学研究等新的研究成果,证实中侏罗世大别山曾发生强烈的造山运动。这次造山运动相当于“燕山运动”,由于扬子与华北陆块在三叠纪已经拼合成一个大陆,所以侏罗纪变形属于陆内造山性质。将侏罗纪变形事件从大别山碰撞造山过程中分离出来可以合理地解释大别山超高压岩石第二次折返(从壳幔边界到地壳浅部)机理,150Ma 的混合岩化作用和广泛的130～120Ma 花岗岩-火山岩成因,以及大别山前陆 MOHO 错断等现象。     

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。     

大陆板块俯冲和折返的同位素地球动力学

大别 -苏鲁造山带是扬子大陆板块与华北大陆板块之间在三叠纪时期俯冲 -碰撞所形成的超高压变质带。对该带超高压变质岩的稳定同位素研究发现 ,不仅含柯石英榴辉岩出现局部氧同位素负异常 (δ18O =- 10‰ ) ,而且区域上存在氧同位素分布的不均一性 (δ18O =- 10‰～+10‰ )。前者要求榴辉岩原岩在变质前经历过大气降水热液蚀变 ,说明俯冲板块具有大陆地壳特点 ;后者反映扬子板块具有快速俯冲变质的特征 ,否则将达到同位素均一化。榴辉岩氧同位素负异常的保存显示 ,这些超高压变质岩与地幔之间没有发生显著的化学相互作用。因此 ,载有榴辉岩原岩的板块俯冲到 2 0 0多公里深的地幔内部时 ,超高压岩石形成后在地幔中的滞留时间很短(<10Ma) ,致使它们与地幔之间的氧同位素交换没有达到再平衡。榴辉岩中不同矿物对氧同位素测温不仅给出了相互一致的结果 (6 5 0～ 75 0℃ ) ,而且这些温度与阳离子交换温度计的结果 (6 0 0～80 0℃ )相一致。因此 ,在榴辉岩相变质温度下共生矿物之间的氧同位素平衡已被“冻结” ,岩石冷却过程中的氧同位素交换再平衡没有发生 ,从而证明超高压榴辉岩在变质作用后经历了快速降压/冷却过程 ,对应于板块的快速抬升。这些结果首次从地球化学角度证明了大陆板块俯冲—超高压变质—折     

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     

中国超高压变质岩十五年研究进展

本文对20世纪80年代以来中国超高压变质岩研究的历史做了简要回顾，列举了该领域的5项重要进展，即：①发现了大批超高压变质岩，使中国的大别山-苏鲁超高压变质岩带成为世界之最；②通过细致的矿物学研究，确认低密度的陆壳岩石可以被俯冲到地下200多公里深处，经历超高压变质作用；③多种同位素体系定年结果表明，大别山-苏鲁超高压变质作用是在中生代早期扬子板块俯冲到中朝板块之下时发生的；④对超高压变质岩中O、C、H等同位素的研究进一步表明，超高压变质作用过程中并无大规模流体活动，大气水的O同位素成分可被带到地幔深处而不改变；⑤通过对岩石学、矿物学、年代学、构造地质学、地球物理学等多学科资料的综合研究，提出了超高压变质地体的多阶段折返模式。文中对目前超高压变质岩研究中的几个争论焦点做了归纳。     

大别山超高压变质岩形成深度的同位素限制

大别山超高压变质岩形成深度是各国地质学家十分关心的问题。它不仅影响对碰撞造山带形成机制和演化过程的认识,而且影响对地球深部状况及地球动力学的研究。该文对大别山超高压变质岩已有同位素资料进行了分析与讨论。大别山榴辉岩的ε_Nd为-6.2~-17,ε_Sr为18~42,且显示明显的Nd同位素的不平衡现象。大别山榴辉岩的氧同位素组成研究表明,这些榴辉岩的原岩在超高压变质前,不同程度地与贫18O的大气降水(或海水)发生过氧同位素交换,且在超高压变质过程中依然保留了这些痕迹。除一个样品外,大别-苏鲁地区的榴辉岩的3He/4He比值都落在0.79×10-7~9.35×10-7范围内,显示陆壳岩石来源He的重要贡献。所有Sr-Nd、O和He同位素研究均表明:超高压变质岩保存着表壳岩石原岩的同位素特征,而未显示变质时受到地幔物质的明显影响。对于超高压变质岩的上述同位素特征,有人认为是由于大别山造山带俯冲和折返的速度太快造成的。由于造山带俯冲和折返的速度太快,表壳岩石原岩变质时来不及与地幔物质发生交换,故没有留下地幔物质参与的痕迹。该研究认为这种解释有些勉强,因为大别造山带俯冲和折返时间至少需要15Ma.在如此长的时间内,在100多公里地幔深处高于700℃的高温下发生超高压变质作用,表壳岩石原岩不可能不与地幔物质发生同位素交换。相反,如果认为大别山超高压变质岩就在地壳内形成,则大别山超高压变质岩同位素的所有特征就很好解释了。      

北大别的多期深熔作用及山根垮塌的新证据

大别山是由华南板块在245～210 Ma向华北板块之下俯冲并发生陆陆碰撞形成的。随着南、北板块的汇聚继续,地壳持续加厚。然而,加厚的下地壳岩石（特别是镁铁质下地壳岩石）在重力作用下密度增大、稳定性降低,在145～130 Ma 时发生深熔作用;130 Ma 左右加厚下地壳拆沉,引发软流圈上涌,产生了130～110 Ma的大规模镁铁质和花岗质岩浆作用以及北大别发生强烈的混合岩化作用。其中,北大别混合岩中不同类型浅色体（至少可以分为4种）和碰撞后变质闪长岩的甄别及其岩石地球化学和同位素年代学方面系统研究为大别山印支期深俯冲陆壳的折返以及燕山期镁铁质下地壳岩石拆沉和山根垮塌所引发的多期深熔作用提供了新的关键证据。山根垮塌诱发的地幔对流导致～145 Ma时岩石圈开始减薄,进而导致加厚镁铁质下地壳温度和地壳中下部地热增温率升高,并使其发生部分熔融;加厚下地壳的部分熔融导致造山带下地壳持续弱化,加剧其重力不平衡,从而引发深部俯冲的镁铁质下地壳岩石的大规模拆沉和山根垮塌。     

北大别的多阶段高温变质作用与部分熔融及其地球动力学过程和大地构造意义

北大别经历了三叠纪高温超高压变质作用和多阶段折返历史,因而榴辉岩中广泛发育多期减压结构,极少保留早期的超高压变质记录,这为它们不同变质阶段的温度条件估算带来了巨大困难。然而,目前流行的微量元素温度计为北大别榴辉岩的峰期及之后的退变质阶段温度的确定提供了可能性。根据锆石中Ti和金红石中Zr温度计,结合传统矿物对温度计的计算数据,获得了北大别榴辉岩中多阶段高温（>900 ℃）条件的数据,证明研究区经历了从超高压榴辉岩相→石英榴辉岩相→高压麻粒岩相阶段的高温变质过程。并且,北大别经历了折返初期（207±4 Ma）的减压熔融和碰撞后燕山期（约130 Ma）的加热熔融作用。长时间的高温变质作用与多期部分熔融也许正是北大别长期难以发现柯石英和有关超高压变质证据等的重要原因。因此,这些成果有助于甄别北大别的岩石成因和演化过程以及大别山多岩片差异折返模型的建立和完善。     

Tectonic Affinity, T-t Path and Uplift Trajectory of Eclogites from Northern Dabie Mountains, Central-Eastern China

INTRODUCTIONTheDabieMountainsaretheeasternsectionoftheE WtrendingQinling DabieorogenicbeltbetweentheNorthChinablockandYangtzeblock ,andistransectedatitseasternendbyTan Lufault.Ultrahigh pressuremetamorphic (UHPM)rocksincludingcoesites (Okayetal.,1989;Wangetal.,1989)andmicrodiamonds (Xuetal.,1992b)bearingeclogitesareexposedintheDabieMountainsandSu Luorogen ,whichisthelargestUHPMbeltontheearthsurface .TheUHPMrocksarecomposedofdifferentkindsofmetamorphicrockssuchascoesite anddiamo…     

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.     

大别造山带在大陆裂解、地壳的俯冲-折返及山根垮塌期间的多期部分熔融作用

大别造山带发育了与大陆俯冲-折返和碰撞造山等相关的不同构造岩石单位.针对存在的问题,本项研究开展了宿松变质带、中大别超高压带和北大别杂岩带等不同俯冲岩片花岗质岩石的野外地质调查以及岩石学、元素-同位素地球化学和锆石年代学等方面系统研究.研究结果表明:（1）宿松变质带花岗片麻岩的原岩时代包括晚太古代（2.5~2.7 Ga）和新元古代（770~830 Ma）两大类,其中新元古代花岗片麻岩的原岩是由经历了~2.0 Ga变质作用的晚太古代岩石在新元古代大陆裂解过程中发生重熔作用形成的;（2）首次揭示中大别花岗片麻岩至少包含两种不同的原岩时代（~750 Ma和780~800 Ma）与岩石成因,并在三叠纪俯冲-折返期间经历了~230 Ma和~220 Ma两期部分熔融作用;（3）北大别混合岩中发育折返早期（209±2 Ma）因高温减压而引起的黑云母脱水熔融以及山根垮塌期间（110~145 Ma）有水加入的加热熔融（水致熔融）形成的多种浅色体;（4）发现并限定了北大别变质闪长岩是在燕山期山根垮塌期间,由三叠纪深俯冲的新元古代镁铁质下地壳岩石发生部分熔融作用而形成的.因此,这为大别造山带在新元古代大陆裂解、印支期地壳的俯冲-折返及燕山期山根垮塌期间发生的多种部分熔融作用提供了新的制约.      

北大别的高温超高压变质作用与多阶段折返

近期的变质岩石学、地球化学及同位素年代学研究表明,北大别整体经历了高温超高压变质作用和多阶段折返历史,因而表现为广泛发育的多期减压结构和极少保留早期的超高压变质记录。北大别榴辉岩以高温变质作用以及折返期间因麻粒岩相和角闪岩相退变质变质作用而形成的多期后成合晶为显著特征。石榴子石中伴有放射状胀裂纹的单晶和多晶石英包体指示早期柯石英的转变结果,这已被锆石中发现的柯石英残晶所证实。结合北大别北部榴辉岩和片麻岩中发现的金刚石等超高压证据以及三叠纪变质记录,由此证明北大别整体经历过深俯冲和印支期超高压变质作用。北大别榴辉岩的多阶段高温条件主要来自石榴子石-绿辉石矿物对温度计、单斜辉石中紫苏辉石+石英针状矿物出熔体以及金红石中较高的Zr含量和变质锆石中较高的Ti含量等得出的温度证据。此外,多期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多阶段、快速折返过程;而不同变质阶段的温度、压力和形成时代,却反映该区榴辉岩经历了长时间的高温变质演化与缓慢冷却过程。长时间的高温变质作用与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记录的重要原因。因此,这些成果为大别山三个不同超高压岩片的差异折返模型的建立提供了新的证据。     

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。     

Constraints on the early cooling rates of Mt. Dabie from diffusion modeling of chemical zoning of garnet

Diffusion modeling of zoning profiles in eclogite garnets from three different tectonic units of Mt. Dabie, UHPM unit, HPM unit and northern Dabie, was used to estimate the relative time span and cooling rates of these rocks. Modeling result for the Huangzhen eclogite garnet shows that the maximal time span for the diffusion-adjustment process is about 22 Ma since the peak-temperature metamorphism, which is the maximum time span from amphibolite facies metamorphism to greenschist facies metamorphism. The Bixiling eclogites had subjected to a cooling process at a rate of - 10℃/Ma from 750℃ to 560℃ during 20 Ma. The second cooling stage of the Raobazhai eclogite following granulite-facies metamorphism is an initial fast cooling process at a rate of about 25℃/Ma and then slowed down gradually. All these belong to a coherent Dabie collision orogen with differences in subduction depth and exhumation/uplifting path.     

大陆深俯冲实验模拟研究进展

介绍了大陆深俯冲及超高压变质岩在物理实验模拟和数值实验模拟方面的进展及由实验得出的主要结论和板片断离模式的应用；综合各研究成果，总结出大陆深俯冲的3个基本要素是周边板块的推力、洋壳及地幔岩石圈的拉力和大陆岩石圈内发育的主断层，3个可能的板片断离过程，以及俯冲过程中大陆岩石圈可能的形态变化；对实验模拟在该领域的应用研究进行了简要评述及前景展望。     

Eclogite origin and timings in the North Qinling terrane,and their bearing on the amalgamation of the South and North China Blocks

The amalgamation of South (SCB) and North China Blocks (NCB) along the Qinling‐Dabie orogenic belt involved several stages of high pressure (HP)‐ultra high pressure (UHP) metamorphism. The new discovery of UHP metamorphic rocks in the North Qinling (NQ) terrane can provide valuable information on this process. However, no precise age for the UHP metamorphism in the NQ terrane has been documented yet, and thus hinders deciphering of the evolution of the whole Qinling‐Dabie‐Sulu orogenic belt. This article reports an integrated study of U–Pb age, trace element, mineral inclusion and Hf isotope composition of zircon from an eclogite, a quartz vein and a schist in the NQ terrane. The zircon cores in the eclogite are characterized by oscillatory zoning or weak zoning, high Th/U and ¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf ratios, pronounced Eu anomalies and steep heavy rare earth element (HREE) patterns. The zircon cores yield an age of 796 ± 13 Ma, which is taken as the protolith formation age of the eclogite, and implies that the NQ terrane may belong to the SCB before it collided with the NCB. The ?_Hf(t) values vary from ?11.3 to 3.2 and corresponding two‐stage Hf model ages are 2402 to 1495 Ma, suggesting the protolith was derived from an enriched mantle. In contrast, the metamorphic zircon rims show no zoning or weak zoning, very low Th/U and ¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf ratios, insignificant Eu anomalies and flat HREE patterns. They contain inclusions of garnet, omphacite and phengite, suggesting that the metamorphic zircon formed under eclogite facies metamorphic conditions, and their weighted mean ²⁰⁶Pb/²³⁸U age of 485.9 ± 3.8 Ma was interpreted to date the timing of the eclogite facies metamorphism. Zircon in the quartz vein is characterized by perfect euhedral habit, some oscillatory zoning, low Th/U ratios and variable HREE contents. It yields a weighted mean U–Pb age of 480.5 ± 2.5 Ma, which registers the age of fluid activity during exhumation. Zircon in the schist is mostly detrital and U–Pb age peaks at c. 1950 to 1850, 1800 to 1600, 1560 to 1460 and 1400 to 1260 Ma with an oldest grain of 2517 Ma, also suggesting that the NQ terrane may have an affinity to the SCB. Accordingly, the amalgamation between the SCB and the NCB is a multistage process that spans c. 300 Myr, which includes: the formation of the Erlangping intra‐oceanic arc zone onto the NCB before c. 490 Ma, the c. 485 Ma crustal subduction and UHP metamorphism of the NQ terrane, the c. 430 Ma arc‐continent collision and granulite facies metamorphism, the 420 to 400 Ma extension and rifting in relation to the opening of the Palaeo‐Tethyan ocean, the c. 310 Ma HP eclogite facies metamorphism of oceanic crust and associated continental basement, and the final 250 to 220 Ma continental subduction and HP–UHP metamorphism.