泥质岩变质脱水作用的高温高压实验研究

研究表明,大洋沉积物或陆壳岩石可以发生俯冲作用进入俯冲带深部[1-3].该过程中岩石的含水矿物发生了变质脱水作用和相转变,所产生的流体是俯冲带流体的重要来源[4]并对俯冲带岩浆产物的地球化学特征有标志性的影响.为了深入揭示陆壳物质在俯冲带温度-压力条件下的变质脱水作用和该过程中发生的微量元素变化,我们开展了泥质岩变质脱水作用的高温高压实验研究.     

南秦岭增生杂岩带马道地区变泥质岩的变质作用

摘要：南秦岭构造带出露于勉略断裂和虞关—留坝断裂之间,是一条复杂的增生杂岩带,也是秦岭造山带的重要组成部分。增生杂岩带内马道地区发育一套由黑云母片麻岩、片岩组成的变泥质岩,内部包含有石英岩、大理岩及超基性岩等岩块,构成了典型的“block in matrix”结构。选取了含石榴子石黑云母片麻岩样品进行详细的岩石学研究。结果显示,北部变质岩样品中的石榴子石具有弱退变质成分环带,利用岩石矿物组合中的石榴子石-黑云母温度计、石榴子石-黑云母-斜长石-石英组合温度-压力计,估算峰期压力为078~079 GPa,温度为705~707 ℃,退变质时期压力为064~076 GPa,温度为602~650 ℃,揭示出岩石峰期高角闪岩相变质后,经历降温减压过程。南部岩石样品中含有特征的十字石+蓝晶石组合,样品中的石榴子石具有进变质成分环带,其峰期压力为049~057 GPa,温度为553~562 ℃,相当于低角闪岩相。通过与其他典型增生杂岩带变质岩的剥露机制对比,认为马道变泥质岩的变质作用演化与南秦岭地区碰撞作用有关,而其剥露过程则主要受到双重逆冲构造控制。     

桐柏杂岩中印支期变质岩包体的变质作用

桐柏杂岩位于桐柏地区两条印支期高压变质带之间,长期以来被认为是一个前寒武纪变质杂岩体。由于岩石学和年代学研究资料的缺乏,对其构造属性和变质演化过程一直存在着模糊的认识。通过详细的野外地质调查,在桐柏杂岩中发现了含有石榴石的斜长角闪岩和片麻岩包体。对这些包体的变质作用研究发现,其主要矿物虽然受到晚期低温扩散的影响,但变质反应结构并不发育。变质作用温压估算结果显示,这些包体的峰期变质条件达到了高角闪岩相,其T＝560～670℃,p＝0.57～0.90 GPa。年代学资料表明,桐柏杂岩的主体为强烈变形的燕山期花岗岩体,其中变质岩包体的变质时代为印支期。然而,由于在这些变质岩包体中尚未找到高压或超高压变质的证据,它们是印支期高压/超高压岩石的退变产物,还是只经历了中下地壳变质作用影响的中压岩石,尚需今后进一步的探索。     

北秦岭二郎坪群低压变质作用研究

在对二郎坪群低压变质带进行相图分析后发现，二郎坪群低压变质带是叠加变质带，低压变质作用是在早期中压变质的抬升过程中发生的，中压变质的温压条件为0．5-0．6GPa、560～580℃，低压变质的压力为0．3-0．45GPa，红柱石-十字石带的温度为510～580℃，堇青石带为590-620℃。pT视剖面图在区分岩石中不同条件和期次的矿物组合及分析岩石温压演化历史和温压条件时显得更行之有效。     

泥质岩脱水作用的高压差热实验研究

俯冲带变质脱水作用对俯冲带的流体形成、岩浆起源和演化起着重要的控制作用。泥质岩是俯冲板块表层沉积物的典型代表,本文以天然泥质岩为对象,成功运用高压差热分析(HP-DTA)方法对其在1．5-4．0GPa下的脱水温度进行了实验研究。结果表明,泥质岩的脱水温度与压力呈很好的负相关关系。通过与冷、热俯冲带地热梯度线比较,确定了泥质岩在俯冲带深部发生变质脱水作用的深度范围(75-145 km),为岛弧岩浆源区位置的解释提供了实验证据。     

麻粒岩相变质作用与花岗岩成因-I:变质泥质岩/杂砂岩高温-超高温变质相平衡

麻粒岩相岩石作为洞察下地壳的窗口一直备受重视。二十世纪九十年代以来麻粒岩研究的一个重要进展是利用变质相平衡的定量研究方法模拟岩石中所发生的深熔变质反应、熔体成分变化、及熔体丢失对变质矿物组合的影响等。本文利用KASH、NKASH和KFMASH等简单体系的相平衡关系,做出P-T投影图、组分共生图解和基于固定全岩成分的P-T视剖面图解,并结合有关实验岩石学结果,讨论了高温和超高温条件下变质泥质岩和杂砂岩中的变质熔融反应、矿物组合、全岩成分与P-T条件之间的相互关系。多数变质泥质岩和杂砂岩中饱和流体固相线熔融反应可利用NKASH体系中有水流体参与的熔融反应模拟,在没有外来流体注入时,这些反应可形成<3mol%熔体。在不同体系中白云母脱水熔融反应型式及其P-T条件不同,如在NKASH和KFMASH体系中模拟计算的白云母脱水熔融反应与相应的实验结果相似,分别控制了白云母分解熔融的温度下限和上限;白云母的分解温度会随着其中Fe、Mg和Ti含量的增加而升高,也随着共生斜长石中钙长石组分增加而升高,泥质岩中白云母脱水熔融可以形成~10mol%熔体。在KFMASH体系中黑云母脱水熔融反应表现为4条单变反应,其理论计算的温度比实验模拟的结果低一些。在NCKFMASH体系或实际岩石中黑云母脱水熔融反应为滑动反应,如NCKFMASH体系中黑云母从其开始熔融到最后消失在泥质岩中可跨越~100℃,在杂砂岩中可跨越30~50℃。黑云母的稳定温度随着镁值升高而升高,其稳定上限受钛影响更大,黑云母脱水熔融可以形成超过30mol%~40mol%熔体。KFMASH体系中的相平衡模拟表明以出现斜方辉石+夕线石和假蓝宝石为特征的超高温组合易于出现于富镁泥质岩中,而对正常成分泥质岩在达到1000℃的超高温条件下,主要出现石榴石+夕线石(即夕线榴),该组合在更高温度反应形成假蓝宝石+尖晶石。利用饱和水固相线反应和白云母与黑云母分解反应可以更好地限定不同的变质相。如中压和低压条件下低角闪岩相和高角闪岩相的界限可利用NKASH体系中有水流体和白云母参与的熔融反应和亚固相线条件下的白云母分解反应限定;实验确定的泥质岩中黑云母开始熔融与消失的反应可分别用于限定高角闪岩相与(正常)麻粒岩相的界限,以及(正常)麻粒岩相和超高温麻粒岩相的界限。因此,从矿物组合角度,正常麻粒岩相可限定在黑云母开始熔融到完全消失的温度范围,超高温麻粒岩相可限定在黑云母消失(有石英存在)之后的温度范围。     

递增变质作用研究中的科学问题

递增变质带广泛出露于全球元古代至新生代的众多造山带中，但递增变质作用的成因尚不完全清楚。本文归纳了典型递增变质带的研究成果，讨论了如下几个悬而未决的科学问题：递增变质带的热源、变质反应与变质作用P- T- t轨迹特征、流体来源与作用、变质与变形耦合关系、花岗岩及混合岩化作用、递增变质带的折返/隆升机制，以及递增变质作用的构造成因等。本文综述了上述科学问题研究进展，探讨了递增变质作用的可能成因。     

辽河群变质泥质岩中变质重结晶作用和变形作用的关系

辽河群变泥质岩中变斑晶种类繁多,有的具多个世代。同位素年代学证据表明它们都形成于吕梁变质期。通过２０００多块薄片的详细显微构造分析,将吕梁变质期分成四个变质阶段。变斑晶微构造揭示Ｍ１发生于变形前埋藏过程中,Ｍ２、Ｍ３属进变质阶段,Ｍ４为退变阶段。变斑晶在各变质阶段以完整或不完整的基本结晶序列周期性地出现,成核具阶段性,生长既有阶段性的又有具连续性的。变斑晶在不同的变形条件下,具有不同的变形行为,如旋转与非旋转性。变斑晶的时空分布规律揭示,Ｍ２期间垂向递增变质带与Ｄ１伸展构造样式密切相关;Ｍ３期间侧向递增变质带样式与收缩挤压褶皱样式一致。     

辽河群变质泥质岩中变质重结晶作用和形作用的关系

辽河群变泥质岩中变斑晶种类繁多,有的具多个世代.同位素年代学证据表明它们都形成于吕梁变质期.通过2000多块薄片的详细显微构造分析,将吕梁变质期分成四个变质阶段.变斑晶微构造揭示 M1 发生于变形前埋藏过程中,M2、M3 属进变质阶段,M4 为退变阶段.变斑晶在各变质阶段以完整或不完整的基本结晶序列周期性地出现,成核具阶段性,生长既有阶段性的又有具连续性的.变斑晶在不同的变形条件下,具有不同的变形行为,如旋转与非旋转性.变斑晶的时空分布规律揭示,M2 期间垂向递增变质带与 D1 伸展构造样式密切相关;M3 期间侧向递增变质带样式与收缩挤压褶皱样式一致.     

柴达木盆地北缘西段榴辉岩相变质泥质岩的确定及意义

在柴北缘西段的鱼卡—落凤坡一带,识别出榴辉岩相的变质泥质岩,其典型的矿物组合为石榴子石+蓝晶石+硬绿泥石+多硅白云母±十字石±钠云母+石英+金红石。温压估算获得其峰期变质条件为p=2.3～3.1GPa,T=615～700℃,与相邻榴辉岩形成的温压条件相似。结合大理岩和正片麻岩中保存有残留的榴辉岩相的矿物,认为榴辉岩与围岩经历了共同的变质历史,它们之间的关系是“原地”关系,而不是“构造侵位”关系。     

北桐柏地区镁铁质麻粒岩锆石U-Pb年代学及变质作用

对北桐柏地区镁铁质麻粒岩变质锆石进行LA-ICP-MS U-Pb定年,获得了418.7±3.2Ma的谐和年龄。详细的岩石学、矿物学研究表明,桐柏地区镁铁质麻粒岩遭受过较强的部份熔融,其变质峰期温压条件为~845℃,~0.85GPa。根据Zr的溶解度模型进行部分熔融模拟计算,发现在峰期变质条件下,熔体中Zr不饱和,在冷却到750~800℃时Zr才达到饱和;同时锆石Ti含量温度计也给出了750℃左右的结晶温度。这些表明418.7Ma记录的并不是麻粒岩峰期变质年龄,而是峰期后冷却到750~800℃左右的年龄,麻粒岩的峰期变质年龄可能为430~445Ma左右。部分锆石边部具明显增生边,相对核部的变质锆石区域CL发光性强,且普通Pb含量高,U-Pb定年结果为404.7±6.5Ma,该年龄反映了404Ma左右的一次退变质作用。大量研究表明,沿中央造山带存在一次十分强烈的加里东期板块构造事件,期间的大陆俯冲碰撞或岛弧-大陆碰撞导致大陆壳充分加厚,北桐柏地区的高温麻粒岩相变质作用很可能发生在碰撞加厚的地壳基底。     

东秦岭中段宽坪群秦岭群地层厘定

东秦岭中段商州地区下元古界宽坪群，秦岭群经１：５００００区调研究，宽坪自下而上建立了竹林沟组，四岔口组，广东坪组，麻街组，谢湾组等五个有序地层组和层位不确切的五峰山岩组。秦岭群属无序岩群，可分为变基性火山岩夹黑云变粒岩组合，黑云变粒岩夹条带状斜长角闪岩组合与浅粒岩夹大理岩组合，推断三种岩石组合可依次由老至新。     

北秦岭西段宽坪岩群斜长角闪岩锆石LA-ICP-MS测年及其地质意义

甘肃天水东岔镇一带出露的宽坪岩群位于北祁连—北秦岭—华北板块交界地带,呈残留体状分布于花岗岩之中,主体为一套低角闪岩相变质的片麻岩、片岩夹斜长角闪岩。利用西北大学大陆动力学重点实验室LA-ICP-MS(激光剥蚀等离子体质谱)方法,对其中的斜长角闪岩进行单颗粒锆石微区U-Pb同位素测定,获得1753±14Ma的上交点年龄,为古元古代晚期;并反映出415±2Ma～383±2Ma的变质年龄信息。结合前人研究成果,认为区域上宽坪岩群主体形成年龄为中元古代,而研究区的宽坪岩群形成于古元古代,受到加里东晚期和华力西早期构造—热事件的改造。推测研究区的宽坪岩群可能属于华北古老基底南缘的组成部分。     

河南桐柏麻粒岩相变质作用的p—t条件

地处华北板块南缘的桐柏麻粒岩区，主要以长英质麻粒岩为主，通过矿物化学及矿物组合特征的研究，结合温压计计算得出桐柏麻粒岩变质条件为700－840℃，0．61－0．85GPa，属于典型中压麻粒岩，地温梯度大致为28－31℃／km，桐柏麻粒岩相变质作用可能发生于早古生代晚期。     

集宁群和迁西群麻粒岩相变质流体的特征和成因

矿物中流体包裹体研究和脱水反应热力学计算结果表明，集宁群和迁西群麻粒岩相变质峰期流体均富碳质,x(CO2 CH4)一般为70%-80%，x(H2O)≈10%-20%，密度一般为1.0-1.1g/cm^3。集宁群中变质流体的成分和H2O活度在空间上分布不均匀，明显受岩性控制。富铝片麻岩、黑云紫苏片麻岩和基性麻粒岩中αH2O值分别为0.10-0.20、0.20-0.40和0.40-0.60，表明其非外源成因，未曾在岩石中均匀渗透，而可能与进变质过程原岩中普遍存在的有机质氧化和各种脱挥发分反应有关，其富碳质还与H2O相对易于逸散有关。迁西群变质峰期流体成分在空间上分布均匀，不受岩性控制，在玉平寨等地区上述3类岩石中αH2O值主要都在0.13-0.25之间，XH2O为0.1-0.2，反映流体似为外源成因，并确曾在岩石中均匀渗透。本区存在幔源基性岩浆底侵的地质条件，这种富碳质流体可能与它们结晶时析出的CO2流上升有关。     

秦岭造山带宽坪群中的变铁镁质岩的成因、时代及其构造意义

地球化学分析结果显示,宽坪群变基性火山岩和斜长角闪岩SiO2含量均小于53%,TiO2的含量分别是0.87%~2.03%和0.92%~2.12%,MgO含量较低（Mg#=29~49）,原岩类型为亚碱性TH系列玄武质岩石。宽坪群变基性火山岩和斜长角闪岩的轻稀土、重稀土元素无明显分异,LREE呈现亏损—略富集,稀土元素配分模式呈平坦型,与E-MORB的配分模式相似。相对于N-MORB,宽坪群变基性火山岩和斜长角闪岩的大离子亲石元素（LILE, 如Sr、K、Rb和Ba）轻度富集,高场强元素（HFSE,如Ta、Nb、Zr、Hf、Ti等）既不富集也不亏损, 显示与E-MORB相类似的地球化学特征。宽坪群变基性火山岩和斜长角闪岩的初始锶比值比较分散,但其初始钕比值(143Nd/144Nd)(t)比较集中和均一,分别为0.511962~0.512192和0.512028~0.512157,??Nd(t)值均为正值,分别是+5.7~+10.2和+7.0~+9.5,表明2类岩石来自轻稀土和大离子亲石元素略呈亏损的源区。SHRIMP锆石U-Pb年代分析揭示,宽坪群变基性火山岩形成于晚新元古代Ediacaran期（611Ma±13Ma）,较老的残余晶核锆石可能是岩浆活动过程中捕获古老地壳成分的记录。黑云母40Ar/39Ar热年代学分析表明,宽坪群原岩变质时代为石炭纪Serpukhovian期（319.1Ma±3.6Ma）。认为宽坪群中的变铁镁岩块/片形成于晚新元古代被动陆缘裂谷洋盆,是华北陆块南缘大陆裂解作用的产物。     

北桐柏长英质麻粒岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及微量元素研究及其构造意义

桐柏造山带中秦岭群中出露有志留纪麻粒岩,然而其原岩形成时代和变质年龄却没有得到有效的约束。本文对北桐柏秦岭群中长英质麻粒岩中锆石开展了详细的形貌学、阴极发光图像、微量元素以及U-Pb年代学研究。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明继承碎屑锆石给出了2.7~0.55 Ga的年龄,岩浆锆石给出了478±7 Ma(MSWD=0.73)的206Pb/238U加权平均年龄,代表了桐柏长英质麻粒岩原岩的形成年龄。变质锆石区域获得了437±7 Ma(MSWD=1.3,n=10)的206Pb/238U加权平均年龄。结合锆石微量元素特征和前人研究结果表明437±7 Ma可能代表了前进变质阶段的年龄。而最外层的增生边给出了406±8 Ma(MSWD=0.72,n=4)的206Pb/238U加权平均年龄,代表了退变质年龄。我们认为在480 Ma时,商丹洋已开始向北俯冲,导致480 Ma左右的岩浆作用,由于持续的俯冲消减,在440~420 Ma时,洋中脊与弧交汇,发生洋脊俯冲导致志留纪麻粒岩相变质作用以及岩浆作用的发生。     

桐柏秦岭岩群的两类变质作用

本文重点对河南桐柏地区的秦岭岩群进行了观察与研究,根据野外地质、岩相关系及同位素测年资料,提出该区秦岭岩群具有明显不同的两类变质作用,一是较早期的高温麻粒岩相变质作用,以包体或长透镜群、甚至巨型条块状局限于中部郭庄组的花岗质片麻岩之中。根据伟晶岩、片麻岩及麻粒岩锆石年龄的综合限定,该变质作用的时间可能为~498Ma,多数人主张的445~430Ma的麻粒岩相变质年龄实际上是早期锆石被后期岩浆或变质事件引起的同位素体系重启年龄。另一种是相对晚期的角闪岩相变质作用,变质程度以角闪岩相为主,局部达高角闪岩相,没有任何早期高温或高压变质的残留迹象,形成秦岭岩群中主导类型的变质作用。同样,采用伟晶岩及有关片麻岩和麻粒岩中锆石测年限定,角闪岩相变质时间可能为~472Ma。高温麻粒岩的产出具有其特殊机制,大量的花岗质岩浆侵位过程中把地壳深部的高温麻粒岩裹挟上升至浅部层次,随后一起遭受区域上的角闪岩相变质作用。