大别山双河地区超高压变质岩矿物超微构造的HRTEM研究

报道了大别山双河地区超高压榴辉岩和硬玉石英岩矿物超微构造及缺陷结构的高分辨透射电镜研究结果。在天然变形绿辉石晶内的自由位错、位错倾斜壁、位错环、位错网、亚晶界、堆垛层错等亚构造中 ,发现了纳米级水分子团 ,这种球形状水分子团包体的存在是导致绿辉石晶体水解弱化和塑性变形的重要因素。在榴辉岩矿物中广泛发育的层错、(10 0 )变形双晶、晶畴结构、界面与晶面的交叉滑移、晶格畸变等变形构造及缺陷结构 ,指示超高压岩石经历了快速折返。在硬玉单晶大约 5 0 0nm的微晶畴内 ,发现了C2 /c和P2 1/n两种结构 ,C2 /c结构的晶体学参数对应于硬玉 ,而P2 1/n结构的晶体学参数对应于绿辉石 ,纳米级P2 1/n出溶结构的存在 ,表明在退变质过程中 ,硬玉在纳米尺度上部分转变为绿辉石 ,并且未能达到平衡。也说明在主体岩石的抬升过程中 ,硬玉晶体伴随有复杂的非平衡退变质作用。对于大别山超高压变质岩的p T轨迹描述及其构造解释具有重要意义。     

大别山双河和碧溪岭超高压变质岩流体包裹体研究

对大别山双河和碧溪岭含柯石英榴岩和硬玉石英岩进行了详细的流体包裹体研究。根据流体包裹体的成分和盐度的不同,可以划分出至少五种类型不同的气液包裹体;（１）Ｎ２包裹体;（３）高盐度流体包裹体;（３）ＣＯ２包裹体;（４）ＣＯ２－Ｈ２Ｏ包裹体;（５）低盐度流体包裹体。本仅见于含柯石英榴辉岩,而高盐度流体包裹体则几乎存在于所有的榴辉岩和硬玉石英岩中。ＣＯ２包裹体沿榴辉岩中微剪切带分布,或存在于强变形的硬玉石     

大别山超高压变质岩后成合晶矿物中微细流体包裹体的透射电镜研究

流体包裹体的研究对于了解地壳岩石的形成条件、构造演化及其动力学过程具有重要意义。利用透射电镜研究了大别山双河地区超高压硬玉石英岩中退变质矿物或后成合晶冠状体矿物(钠长石、霓辉石、绿闪石和磁铁矿)中的纳米-亚微米级流体包裹体特征及其与构造缺陷之间的关系。观察到该类流体包裹体的粒径(约1 nm～200 nm)要比石英中的流体包裹体(约10 nm～350 nm)小得多,一般呈圆形或负晶形分布、有些呈不规则状或小群体分布,其中大多数含H2O包裹体,有些含CO2流体。流体包裹体常与位错、位错网、晶界或亚边界等交生在一起,这些位错及构造缺陷空间构成了非爆裂流体相渗漏的有利通道。在变形钠长石中发现非均匀分布的纳米级(约1 nm～30 nm)水分子团,这种球形状水分子团包体是导致后成合晶矿物水解弱化和塑性变形的重要因素,该类流体和水分子团的存在,加速了岩石的塑性变形和退变质作用的进程。因此,可以反映大别山地区高压变质后的抬升历史。     

大别山超高压硬玉石英岩中的水:来自红外光谱的证据

为了探讨大别山“名义上无水矿物”(NAMs)中结构水的分布特征, 研究相关的流体活动、矿物变形以及板块俯冲和折返动力学过程提供重要的微观信息.对大别山双河和碧溪岭地区超高压硬玉石英岩中的石英、硬玉、石榴石和金红石进行了傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析, 研究结果显示这些矿物都含有以OH-或者H₂O形式存在的氢, 硬玉中结构水平均含量在1000×10-6左右; 石榴石结构水含量在(900~1600)×10-6之间, 各样品颗粒结构水的分布不均匀; 副矿物金红石结构水含量在2000×10-6以上, 而石英结构中基本不含或仅含微量水(< 4×10-6).双河和碧溪岭地区的硬玉石英岩全岩含水量分别为(490~600)×10-6和545×10-6, 不同地区同一种NAMs中结构水含量基本相同.表明在高压-超高压变质岩的形成过程中, 地壳或原岩中的水可以通过这些超高压变质岩中的NAMs携带到地球深部.      

大别山双河硬玉石英岩的超高压变质和退变质事件——SHRIMP测年的证据

应用北京SHRIMPⅡ,精确地测定了大别山双河硬玉石英岩中超高压变质锆石的中心、幔和壳的年龄。大部分锆石中心和幔的年龄集中于239～255Ma之间,加权平均值为243±1Ma(n=23)。壳和含矿物包体的晶域年龄集中在225～234Ma,加权平均值为228±2Ma(n=8)。这些锆石的中心、幔和壳都具有极低的Th/U(0.01～0.09)和REE总量,以及重REE平坦型的配分模式。因此,以锆石内部结构、矿物包体、Th/U值和REE地球化学特征为依据,本文提出了大别山超高压变质作用发生于243±1Ma,退变质作用发生于228±2Ma的新观点。     

大别-苏鲁地体超高压变质岩中的副矿物——锆石

激光拉曼和锆石阴极发光图像研究结果表明,大别-苏鲁强退变质岩石(包括正片麻岩、副片麻岩、斜长角闪岩、含蓝晶石石英岩、大理岩、云母片岩等)的锆石中,均保存以柯石英为代表的超高压矿物包裹体,且记录了十分一致的超高压变质温压条件:T=732～866℃,p=2.8～4.0GPa,表明大别-苏鲁地体曾发生过巨量物质深俯冲-超高压变质的壮观的地质事件。     

大别山双河硬玉石英岩石英中的纳米-亚微米级流体包裹体

用透射电子显微镜(TEM)观察产于大剐山双河地区含柯石英硬玉石英岩矿物石英中纳米级至亚微米级的流体包裹体超微观结构特征发现：大多数包裹体呈圆形或负晶形(粒径大多为10nm～350nm),构成宽的密集的包裹体串。TEM揭示了柯石英和寄主矿物石英之间为共晶格取向连生关系,并寻找到在峰期变质条件下高盐流体存在的有力证据。流体包裹体经常伴随着许多相互连接的位错,并且与位错和位错壁等交生在一起,形成网络分布,这是在光学显微镜尺度下所不能探测到的。非爆裂的流体渗漏可能通过H2O或CO2分子沿位错的管道扩散,从包裹体进入寄主矿物石英,因而导致原来包裹体密度和成分的变化。     

超高压变质岩的塑性流变：显微构造和变形机制

超高压变质岩是大陆深俯冲作用的产物。超高压变质岩在深俯,中和快速折返过程中,经历了长距离地构造搬运和构造力的作用。其构造变形主要集中在韧性剪切带中,并发生强烈地塑性流变。研究超高压变质构造岩的显微构造及其变形机制对于深入了解大陆壳岩石在深俯;中过程中的流变学行为有十分重要的意义。山东仰口的超高压韧性剪切带中榴辉岩质和花岗质糜棱岩记录了超高压变形的历史。在超高压条件下的稳定矿物绿辉石、多硅白云母、兰晶石和钾长石具有不规则波状消光、亚晶界、核幔构造和动态重结晶等显微构造特征,TEM研究揭示了大量的位错构造,表明位错蠕变是其主要的变形机制。在花岗质糜棱岩中,金红石在刚性矿物的压力影中沉积,细粒的石榴石条带平行片理延伸,都说明超高压变形过程中有流体存在,流体助力的物质扩散迁移是又一个重要的变形机制、依据现有的流变学定律估算的流变应力应该在几十兆帕以上。     

中国大陆科学钻探（CCSD）主孔超高压变质岩副矿物锆石中的流体包裹体研究

中国大陆科学钻探工程主孔位于苏鲁超高压变质地体南部,钻孔穿过的超高压岩石主要有榴辉岩、正、副片麻岩、石榴橄榄岩、角闪岩,以及少量片岩和石英岩。锆石是超高压岩石中的常见副矿物,按成因可以分为原岩锆石、变质(增生)锆石和新生锆石。这三类锆石中普遍含有矿物包体和少量流体包裹体,它们记录了超高压岩石经历的进变质、超高压变质和退变质期间流体作用的信息。锆石中的流体包裹体具有以下特征:(1)原岩锆石核部常见原生H2O和H2O-CO2包裹体,H2O包裹体的组成和盐度变化较大;而沿原岩锆石裂隙有时还有次生H2O-CO2和(或)CO2包裹体;(2)在变质锆石或锆石的变质增生带(幔部或边部)仅偶尔发现与超高压矿物包体共生的H2O-CO2包裹体;(3)榴辉岩,特别是片麻岩可以含大量微粒新生锆石,其中偶尔可见低盐度的H2O±CO2包裹体;(4)锆石中流体包裹体的丰度与主岩氧同位素值存在一定相关性:即具有很低δ18O值的岩石所含锆石中流体包裹体特别丰富,而具有正常氧同位素组成的岩石中锆石很少或不合流体包裹体;结合原岩锆石、变质锆石和新生锆石中均有中低盐度的H2O和H2O-CO2包裹体存在,反映了在大陆深俯冲-折返过程中变质流体具有继承性。H2O和H2O-CO2包裹体的等容线全都从根据矿物温压计获得的变质峰期压力-温度区间下部通过,推测在进变质-超高压变质峰期捕获的流体包裹体随后受到了改造。在进变质-超高压变质和退变质期间变质流体的存在促进了原岩锆石不同程度地受到溶蚀、变质增生和变质锆石、新生锆石的形成。     

A TEM Study on Fluid Inclusions in Coesite-bearing Jadeite Quartzite in Shuanghe in the Dabie Mountains

Fluid inclusions at a nano to sub-micron scale in quartz from jadeite quartzite at Shuanghe, Dabie Mountains, have been investigated by using the transmission electron microscopy (TEM). Most fluid inclusions are spherical or negative crystal shaped, forming wide swarm-like trails. The TEM reveals that the relationship between coesite and the host quartz is syntaxic and provides strong evidence of the occurrence of high-salty fluids at peak metamorphic conditions. The fluid inclusions are often connected to dislocations, which are undetected at the scale of optical microscopy. Non-decrepitation leakage of fluid inclusions may occur by pipe diffusion of molecule H2O or CO2 along dislocations from the inclusions into the host quartz, thus leading to original inclusion density and composition changes. It should be taken into full account for the correct petrological interpretation of micro-thermometric results.     

TEM and HRTEM Study of Microstructures in Omphacite from UHP Eclogites at Shima, Dabie Mountains, China

Transmission electron microscope (TEM) and high resolution transmission electron microscope (HRTEM) analyses have been performed on omphacite from ultra-high pressure (UHP) eclogites at the locality of Shima, Dabie Mountains, China. TEM reveals that the microstructures consist dominantly of dislocation substructures, including free dislocations, loops, tiltwalls, dislocation tangles and subboundaries. They were produced by high-temperature ductile deformation, of which the main mechanism was dislocation creep. Antiphase domain (APD) boundaries are common planar defects; an age of 470±6 Ma for UHP eclogite formation has been obtained from the equiaxial size of APDs in ordered omphacites from Shima, coincident with ages given by single-zircon U-Pb dating (471±2 Ma). HRTEM reveals C2/c and P2ln space groups in different parts of one single omphacite crystal, and no exsolution is observed in the studied samples, which is attributed to rapid cooling. It is suggested that the UHP eclogites underwent a long     

大别超高压变质地体的岩石组合及其演化--以皖西南碧溪岭和双河地区为例

碧溪岭和双河地区是大别超高压地体内2个典型的露头区,通过野外露头观察、岩相学和岩石化学研究发现,岩石组合主要为榴辉岩、斜长角闪岩、片麻岩和面理化花岗岩。榴辉岩具有壳源的特点,是地壳岩石在地幔深处发生超高压变质作用形成的;斜长角闪岩为板块折返期间榴辉岩的退变质产物;片麻岩为斜长角闪岩在折返过程中在合适的环境下深熔递进演变的产物;而面理化花岗岩是片麻岩部分熔融的结果。榴辉岩与片麻岩和面理化花岗岩之间为经过改造的原地关系。     

Evidence for UHP anatexis in the Shuanghe UHP paragneiss from inclusions in clinozoisite,garnet, and zircon

The Shuanghe garnet-bearing paragneiss from the Dabie ultra-high–pressure (UHP) orogen occurs as an interlayer within partially retrogressed eclogite. A first UHP metamorphic stage at 680°C, 3.8–4.1 GPa is documented by Zr-in-rutile temperatures coupled with phengite inclusions (Si = 3.55) in clinozoisite and grossular-rich garnet. Relic matrix phengite and phengite inclusions in zircon rims display lower Si of 3.42. Combined with garnet compositions and Ti-in-zircon temperatures, they provide evidence for a second UHP metamorphic stage at 800–850°C, ~3.8 GPa. Such isobaric heating at UHP conditions has not been documented so far from the adjacent eclogites and other rock types in the Dabie orogen and indicates proximity to the hot, convecting mantle wedge. The dominant mineral assemblage consisting of plagioclase, epidote, biotite, and amphibole provides evidence for widespread retrogression during the exhumation of the UHP paragneiss. Several types of polyphase mineral inclusions were identified. Phengite inclusions hosted by clinozoisite are partially replaced by kyanite and K-feldspar, whereas inclusions in host garnet consist of relic phengite, K-feldspar, and garnet, indicating limited sub-solidus dehydration of phengite by the reaction Ph→Kfs+Ky±Grt+fluid. Tightly intergrown K-feldspar and quartz are preserved as inclusions with sharp boundaries and radial cracks in garnet. Analyses of whole inclusions also show small enrichments in light rare earth elements. These inclusions are interpreted to be derived from melting of an inclusion assemblage consisting of Ph+Coe±Czo. A third type of polyphase inclusion consists of typical nanogranite (Ab+Kfs+Qz±Ep) inclusions in recrystallized metamorphic zircon. Ti-in-zircon thermometry and the Si content of phengite included in these zircon domains indicate that melting occurred at 800–850°C and 3.8–4.0 GPa during isobaric heating at UHP conditions. The partial melting event led to an equilibration of trace elements in garnet, phengite, and apatite. Using published partition coefficients between these minerals and hydrous granitic melt, the trace element composition of the UHP anatectic melt can be constrained. The melts are characterized by high LILE contents and pronounced relative enrichments of U over Th and Ta over Nb. The REE are below primitive mantle values, likely due to the presence of residual clinozoisite and garnet during partial melting. So far, no major granitic bodies have been found that share the same trace element pattern as the partial melts from the UHP anatexis of the Shuanghe paragneiss.     

Role of Water in Deformed Omphacite in UHP Eclogite from the Dabie Mountains, Eastern China

Omphacite grains from UHP eclogite of the Dabie Mountains in eastern China are elongated and show strong lattice preferred orientations (LPOs). Observations by the transmission electron microscopy (TEM) identified not only structures of plastic deformation occurring as free dislocation, dislocation loops and dislocation walls, but also bubbles of water present in the deformed omphacite. The bubbles attach to the dislocation loops which are often connected to one another via a common bubble. Using infrared spectroscopy (IR), two types of hydrous components are identified as hydroxyl and free-water in the omphacite. An analysis of deformation mechanism of microstructure in omphacite suggests that the mineral deformed plastically under UHP metamorphic conditions by dislocation creep through hydrolitic weakening.     

大别超高压变质带的进变质、超高压和退变质时代的准确限定:以双河大理岩中榴辉岩锆石SHRIMP U-Pb定年为例

在大别超高压变质带的双河地区存在一种特殊类型的榴辉岩,该类榴辉岩主要以似层状、条带状以及不规则透镜体赋存于大理岩中。矿物组成主要为石榴石、绿辉石以及少量的金红石、白云石、菱镁矿等。沿石榴石和绿辉石边缘常退变为角闪石+斜长石等,有的岩石完全退变为斜长角闪岩。激光拉曼和阴极发光综合分析表明,该类榴辉岩中的锆石可划分为两种类型:继承性碎屑锆石和变质锆石。继承性碎屑锆石十分少见,阴极发光图象具有明显的双层结构,即强发光的核和弱发光的边,核部和边部的包体矿物分别为Pl+Ap和Qtz+Pl。SHRIMP U-Pb定年结果表明。继承性碎屑锆石核部记录的207Pb／206Pb年龄为2701±15Ma,Th/U比值明显偏高为1．05,稀土元素配分模式显示重稀土明显富集,具有典型岩浆结晶锆石的特点;边部记录的207Pb／206Pb年龄为1801±12Ma-1753±22Ma,Th／U比值则明显偏低,为0．19-0．22之间,稀土元素配分模式显示重稀土相对平坦,具有典型变质锆石的特点。上述特征表明该类继承性碎屑锆石可能来源于太古代的基底,并经历了早元古代变质热事件的改造。新生的变质锆石无论是矿物包体还是阴极发光图象均与继承性碎屑锆石存在明显差异。有的变质增生锆石具有弱发光的核(阴极发光图象呈灰色)和强发光的边(阴极发光图象呈白色)。核部包体矿物组合为Qtz +Grt+Omp+Phe+Dol+Ap,具有典型石英榴辉岩相矿物组合特征,而边部则保存含柯石英的超高压包体矿物组合Coe+Grt +Omp+Mgs+Arg+Ap,表明该类锆石的核部和边部分别形成于俯冲进变质阶段和超高压变质阶段。另一部分变质增生锆石具有强发光的核(阴极发光图象呈白色)和弱发光的边(阴极发光图象呈黑色)。核部保存的标志性超高压包体矿物组合为Coe+Grt+Omp+Mgs+Arg+Ap,边部则保存Qtz+Cal等退变矿物组合,有的则缺乏矿物包体,表明该类锆石自超高压变质阶段开始生长,并经历了后期退变质作用的改造。从不同微区矿物包体组合的性质及其转变特征可以明显看出,自石英榴辉岩相进变质阶段到超高压峰期变质阶段存在下列转变反应:Qtz→Coe和Dol→Mgs+Arg;而自超高压峰期变质阶段到后期退变质阶段则存在下列退变反应:Coe→Qtz和Arg→Cal。SHRIMP U-Pb定年结果表明,含石英榴辉岩相矿物包体的锆石微区记录的206Pb／238U年龄为249-241Ma,加权平均值为244±4Ma,代表了深俯冲石英榴辉岩相进变质阶段的变质年龄;含柯石英等超高压矿物包体的锆石微区记录的206Pb／238U年龄为239-231Ma,加权平均值为234±3Ma,代表超高压阶段的峰期变质年龄;而含石英和方解石的退变边记录的206Pb／238U年龄为219-211Ma,加权平均值为216±6Ma,应代表后期折返阶段的角闪岩相退变质年龄。上述两类变质增生锆石微区的Th／U比值和稀土元素配分模式十分相似,Th／U比值变化于0．02- 0．18之间,稀土元素配分模式显示重稀土相对平坦,稀土元素总量明显低于继承性碎屑锆石,具有典型变质锆石的特点。根据锆石微区矿物包体的化学成分,采用Grt-Omp和Grt-Omp-Phe温压计,结合前人的变质反应实验资料的综合分析,确定榴辉岩的原岩在深俯冲过程的石英榴辉岩相进变质阶段的变质温压条件为T=588-668℃,P=1．7-1．8GPa;超高压峰期阶段的温压条件为T=784-849℃,P>5．5GPa;而构造折返过程中角闪岩相退变质阶段的温压条件为T=550-720℃,P=0．8～1．4GPa。由此可见,大别超高压变质岩的原岩——元古代(部分可能为太古代)的陆壳物质在早三叠纪发生俯冲至55- 60km深处,并经历了石英榴辉岩相变质作用。随后这些变质岩石继续深俯冲至165～175km的地幔深处,于中三叠纪发生了超高压变质作用,石英榴辉岩相矿物组合转变为超高压榴辉岩相矿物组合。最后这些超高压变质岩石发生构造折返,至晚三叠纪抬升到约30km的中下地壳深度,并经历了角闪岩相退变质作用的改造,超高压榴辉岩相矿物组合退变为角闪岩相矿物组合。由此推断,大别超高压变质带俯冲和折返速率分别为11-12km Myr-1和7．5-8．1km Myr-1。该项成果不仅确定了大别超高压变质地体的石英榴辉岩相进变质-超高压榴辉岩相峰期变质-角闪岩相退变质的年代谱系,而且对于重塑大别超高压变质地体的快速俯冲-折返的动力学模式有着重要的科学意义。     

榴辉岩石榴石中的水分子团：超高压变质过程中流体的证据

通过透射电镜，我们在大别山榴辉岩的石榴石中识别出水分子团。这证明 在大陆地壳岩石俯冲的过程中，石榴石作为水的载体是可以将水携带到地幔深处。而石榴石中的水分子团为超高压变质过程中有流体存在提供了有力的证据。     

大别超高压变质地体四道河地区岩石学研究

对四道河地区超高压变质岩剖面的研究分析显示,该剖面有3种岩石类型:榴辉岩类、片麻岩和面理化含榴花岗岩。榴辉岩具不同程度的退变质现象,呈透镜体状产出于斜长角闪岩、片麻岩和面理化含榴花岗岩中,原生矿物组合为石榴石、绿辉石、柯石英和金红石。榴辉岩退变为斜长角闪岩近于等化学系列;片麻岩在主量成分上与榴辉岩及其退变产物(斜长角闪岩)存在突变关系,但微量元素与榴辉岩有一定的相似性;面理化含榴花岗岩主量元素和微量元素地球化学特点为:富SiO2 、K2 O Na2 O和高价阳离子Ga、Y以及REE ,K2 O/Na2 O值低,贫Al、Ca、Mg、Ti、P ,结合构造环境、同位素及年代学资料分析,其应属于后碰撞造山A型花岗岩。基于以上认识推断:大陆板片俯冲至上地幔经历了超高压变质作用,表壳岩变质形成榴辉岩;当超高压变质岩石折返至中下地壳时发生了强烈的减压退变质作用形成斜长角闪岩,随后,与片麻岩及面理化含榴花岗岩一道从中下地壳向地表进一步折返,并一同经历了后期的变质变形作用。