中国大陆科学钻探工程主孔榴辉岩的岩石学研究

中国大陆科学钻探工程5000m主孔位于苏鲁超高压变质带南部。该钻孔0～2000m主要由榴辉岩、片麻岩、石榴石橄榄岩和少量片岩和石英岩组成。累积厚度达1000多米的榴辉岩具有不同的矿物组成、不同的矿物含量和不同的全岩化学成分,可划分成富Si的石英榴辉岩、富Ti的金红石榴辉岩、富Al的多硅白云母和蓝晶石榴辉岩、富Mg的双矿物榴辉岩和具有正常玄武岩成分的普通榴辉岩。榴辉岩的原岩包括基性层状侵入岩和变质表壳岩。榴辉岩全岩成分对石榴石和绿辉石中某些化学组分的含量有明显控制,而且直接影响到变质条件估算的准确性。扩散成分环带的广泛发育表明超高压矿物在早期退变质过程中发生了成分再平衡。这一事实以及具有成分生长环带石榴石变斑晶的存在,为榴辉岩形成在更高温度(>940℃)和更高压力(>4.5GPa)条件下提供了有力的证据。     

中国大陆科学钻探主孔榴辉岩Sm-Nd年龄及其地质意义

南苏鲁中国大陆科学钻探主孔CCSD-MH及地表的榴辉岩Sm—Nd同位素年龄测试结果显示，每件样品中全岩（Wr)与石榴石(Grt)和绿辉石(Omp)点均在一条直线上。除样品B210R186以外，其余5件榴辉岩均给出十分相近的Sm—Nd等时线年龄，位于202．6-219Ma之间，这与榴辉岩围岩——片麻岩锆石边缘记录的近等温减压退变质年龄(200-220Ma)十分接近，表明测试的榴辉岩中石榴石的Sm—Nd同位素体系有可能在近等温减压退变质时重置，并在向角闪岩相退变质过渡时封闭。因此，笔者测定的202．6-219Ma的Sm-Nd全岩-矿物等时线年龄，应代表了南苏鲁榴辉岩在构造折返过程中近等温减压阶段的退变质年龄，而不能代表苏鲁地体的超高压变质年龄。     

中国大陆科学钻探主孔榴辉岩的分类及测井识别

榴辉岩是中国大陆科学钻探主孔的主要岩性之一, 分布在3245m之上.根据测井响应特征, 如自然伽玛、密度、中子孔隙度等, 可以很好地区分榴辉岩与主孔的其他岩类.由于主孔榴辉岩具有不同的矿物成分、全岩化学成分和测井响应特征, 这为进一步详细划分榴辉岩亚类奠定了基础.从原岩的起源、氧化物含量、次要矿物等3个角度对主孔榴辉岩进行分类, 研究了基于多元统计学的榴辉岩亚类的测井识别方法; 利用该方法对重构的11种榴辉岩亚类进行测井评价, 将可以利用测井资料识别的榴辉岩亚类归并为6种; 根据对榴辉岩亚类的识别结果, 将主孔中榴辉岩划分为20个层段, 分析了各种榴辉岩亚类在主孔中的深度分布特征, 为地学研究提供了资料.      

中国大陆科学钻探主孔榴辉岩中重晶石的发现及其意义

在中国大陆科学钻探主孔榴辉岩中发现了重晶石。重晶石以包裹体形式保存在石榴子石中,多为浑圆状,表面积平均约250μm2。通过电子探针测试,重晶石中SrO含量大多超过20%,为锶重晶石,其化学分子式为(Ba0.4836~0.6180Sr0.3787~0.4722Ca0.0064~0.0889)S0.9688~0.9963O4。同时还发现榴辉岩中的石榴子石有柯石英假象,温压条件计算表明该榴辉岩的峰期温压条件为696~730℃,2.9~3.2GPa。电子探针成分测定包裹这些重晶石的石榴子石为峰期变质矿物,这进一步说明重晶石也经历过超高压变质。重晶石通常形成于强氧化和高盐度流体作用的条件下,本文的研究表明超高压变质过程中至少出现了一定范围内的强氧化环境和高盐度流体作用,但其地球动力学意义有待进一步研究。     

中国大陆科学钻探(CCSD)主孔岩芯榴辉岩中的重晶石副矿物研究

中国大陆科学钻探主孔岩芯190～320m榴辉岩中的富锶重晶石作为副矿物存在于超高压变质和退变质阶段,其中大部分的重晶石发现于绿辉石的退变质后成合晶中。具有不同Sr含量的重晶石在榴辉岩中至少具有3种产出状态,形成于3个变质阶段:Ⅰ超高压榴辉岩相阶段,存于石榴石包裹体中,SrSO4含量约在45mol%;Ⅱ早期退变质阶段,存于后成合晶(单斜辉石+钠长石)中,SrSO4含量变化范围很大,在0mol%～21mol%之间;Ⅲ晚期角闪岩相阶段,作为黄铁矿的氧化边存在,SrSO4占2mol%～5mol%。重晶石的形成与流体作用相关,富锶重晶石能反映原赋存流体的Sr/Ba值比较高。重晶石与其伴生矿物尤其硫化物的结构关系对岩体的相对氧化还原环境具有重要指示意义。本文通过榴辉岩中重晶石副矿物学研究,确定了榴辉岩曾经历超高压变质阶段的氧化环境、早期退变质阶段的还原环境和角闪岩相阶段的氧化环境。     

橄榄石的晶格优选定向、含水量与地震波各向异性:对大陆俯冲带变形环境的约束

橄榄石在不同热动力学条件下形成的晶格优选定向是认识上地幔塑性变形与地震波各向异性的基础.本文通过总结橄榄石的晶格优选定向、含水量与地震波各向异性的研究进展,探讨大陆俯冲带的变形环境.绝大部分天然变形橄榄岩中的橄榄石都发育了[100](010)组构[100]轴近平行于线理,(010)面平行或近平行于面理,使橄榄岩的最快P波速度近平行于线理,最大S波分裂平行面理并垂直线理.但来自超高压变质带的石榴石橄榄岩可发育[001](100)组构,使橄榄岩的最快P波速度和最小S渡分裂方向垂直面理.近年来的变形实验与理论计算表明超高压和低温是橄榄石组构从[100](010)向[001](100)转变的关键因素,而水对橄榄石流变行为的影响还有待进一步研究.对170个天然橄榄石结构水含量的统计结果表明橄榄石含水量变化很大(0～170×10-6H2O),玄武岩中橄榄岩包体的橄榄石比较贫水,而所有富水橄榄石均来自克拉通金伯利岩中的石榴石橄榄岩.因此,除了水在上地幔的不均匀分布,橄榄岩折返过程中氢的扩散会强烈影响橄榄石的含水量.苏鲁芝麻房橄榄岩提供了以超高压、低温、贫流体为特征的大陆俯冲带中[001](100)橄榄石组构的实例.在俯冲的大陆板片中,橄榄石组构在120～220 km从[100](010)向[001](100)的转变可导致地震波各向异性突然降低,而且最快P波速度垂直于俯冲方向.     

深俯冲和折返动力学:来自中国大陆科学钻探主孔及苏鲁超高压变质带的制约

中国大陆科学钻探工程和苏鲁高压-超高压变质带为大陆岩石圈的深俯冲与折返动力学的研究提供了以下制约(1)苏鲁高压/超高压变质地体迭置于南、北苏鲁两个不同时代及属性的基底之上;(2)苏鲁巨量表壳岩石深俯冲至200km以下的上地幔深度,并经历超高压变质作用;(3)根据不同类型超高压变质岩石锆石的SHRIMP-U/Pb原位精确定年,获得超高压变质岩石的深俯冲-折返全过程(240～252Ma→230～237Ma→207～218Ma)时限.并建立了新的深俯冲-折返全过程的P-T-t轨迹;(4)富钛铁的辉长岩在大陆地壳的深俯冲过程中,经历了超高压变质作用并转变成了富含金红石的榴辉岩,形成了超高压变质的钛矿床;(5)通过榴辉岩和石榴石橄榄岩的显微构造分析及石榴石、绿辉石和橄榄石EBSD测量,确定深俯冲过程中绿辉石和橄榄石的组构运动学和流变学特征;(6)在大陆的深俯冲过程中,强烈水化的陆壳岩石经历了进变质脱水过程,巨量的地表水带入到＞100～200Km的地幔深处,在超高压变质峰期的极端条件下,通过含水超高压变质矿物的分解形成超临界的含水熔体,导致有效的壳-幔物质交换和岩石圈物质分异;(7)苏鲁超高压变质地体在折返阶段形成挤出纳布构造,与岩石圈深俯冲管道流的折返挤出机制有关;(8)提出新的深俯冲-折返动力学模式陆.陆碰撞的深俯冲剥蚀模式及大陆地壳多重性、分层型和穿时性的俯冲和折返模式.     

中国大陆科学钻探主孔超高压榴辉岩中绿辉石结构水研究

本文利用傅立叶（Fourier）变换红外光谱技术对CCSD主孔100～3100米深度范围榴辉岩中的绿辉石结构水含量进行了原位分析。结果表明,所有绿辉石都舍有一定的以OH形式存在的结构水,其含量范围为45～784ppm,平均为235ppm。不同榴辉岩绿辉石之间的结构水含量差别较大,而且呈现出明显的空间分布不均一性。相关性分析显示,绿辉石的结构水含量与全岩的Mgo、TFeO、Al2O3,含量成正相关,与NaO成反相关,与绿辉石的NaO、TFeO含量成负相关,与榴辉岩的峰期变质条件无关;与其它类型榴辉岩相比,多硅白云母榴辉岩中绿辉石的结构水含量较高,平均为339ppm。由此推测,超高压榴辉岩绿辉石中所残留的结构水含量很可能与其峰期结构水含量、矿物化学成分和岩石矿物组成有关。     

大陆深俯冲过程中的流体-岩石相互作用——中国大陆科学钻探主孔氧同位素剖面

中国大陆科学钻探工程主孔深5158m,位于苏鲁超高压变质带南部。该钻孔钻进了一个超高压变质岩片,其主要榴辉岩、片麻岩、超基性岩和少量石英和片岩组成。基于连续样品的详细氧同位素分析可得出下列认识：（1）各种变质矿物的氧同位素成分具有很大的变化,其中石榴石为-7．4～＋6．2‰,绿辉石为-5．2～＋6．5‰。白云母为-4．4- ＋7．1‰,斜长石为-3．1～＋7．6‰,钾长石为4．8～8．3‰,石英为-2．8- ＋9．6‰。（2）整个钻孔剖面的氧同位素成分是连续和逐渐的变化的,而且与岩石类型无关,氧同位素亏损岩石产出的最大深度为3320m。这个深度之下的岩石均具有正常变质岩的氧同位素值。（3）氧同位素明显亏损的变质岩大多出现在正、副片麻岩及其与榴辉岩的互层带。（4）榴辉岩矿物大多具有平衡的氧同位素分异,大多数高压和低压石英脉体具有与它们的围岩类似的氧同位素成分。（5）利用石英．石榴石氧同位素温度计,所获得的榴辉岩变质温度为598～909℃,片麻岩的变质温度为550～786℃。基于这些事实,并结合氧同位素亏损变质岩在地表和浅钻孔中的广泛分布,可以得出以下重要结论：（1）在苏鲁造山带,有大量的表壳岩石与巨量的寒冷气候下的大气降水发生过交换作用,这为新元古代全球冰期的存在提供了重要证据。（2）许多呈厚层产出的花岗质片麻岩具有正常变质岩的氧同位素成分,并缺少超高压变质作用证据。（3）在大陆深俯冲和折返过程中,只存在通道式的水-岩相作用和非常有限的流体活动,与高压退变质有关的流体是原地形成的。（4）新元古代Rodinia超大陆裂解环境下形成的双峰式岩浆活动为大气降水与表壳岩之间的热液蚀变提供了热源。     

中国大陆科学钻探工程主孔榴辉岩原岩研究及其成因指示

榴辉岩是造山带中最为常见的高级变质岩石,无论是自身还是其原岩均蕴含着丰富的地球动力学信息。以中国大陆科学钻探工程主孔0～2000m范围内揭露的榴辉岩为对象,按其与围岩接触关系,划分为与片麻岩类共生的榴辉岩、与超基性岩毗邻的榴辉岩以及与超基性岩共生的榴辉岩3种类型。据此对比分析了此3类榴辉岩的地球化学组成的差异,提出了这些岩石的原岩可能是由单一岩浆房岩浆经堆晶及分离结晶作用演化而来的基性—超基性杂岩体,物质来源主要为富集地幔物质的部分熔融,其构造环境应位于洋壳对大陆俯冲的消减带,但并非岛弧环境,应是弧后拉张岩浆作用的产物。     

Fabric kinematics of the ultrahigh-pressure metamorphic rocks from the main borehole of the Chinese Continental Scientific Drilling Project: Implications for continental subduction and exhumation

The 5158-m-deep main borehole of the Chinese Continental Scientific Drilling Project (CCSD-MH) penetrated granitic gneisses, paragneisses, eclogites, retrograde eclogites, amphibolites and ultramafic rocks in the Sulu ultrahigh-pressure (UHP) metamorphic terrane, eastern China. The CCSD-MH consists of four petro-structural units separated by three SE-dipping ductile shear zones DFa (835-1280 m), DFb (2010-2280 m) and DFc (2920-3225 m), which are correspondent with the regional shear zones in the northern Sulu UHP supracrustal zone. Using the electron backscatter diffraction (EBSD) technique, we investigated the lattice-preferred orientations (LPOs) of omphacite, diopside and quartz in core samples from the CCSD-MH. Omphacite from eclogites and diopside from garnet pyroxenites display very strong LPOs, which are characterized by the maximum concentration of [001]-axes parallel to the lineation and (010)-poles normal to the foliation. Quartz in para- and granitic mylonites/gneisses from the shear zones DFa, DFb and DFc developed multiple slip systems. ⁴⁰Ar/³⁹Ar dating of biotite in para- and granitic gneisses from the CCSD-MH yields 223-202 Ma, which constrains the formation ages of the quartz high-temperature prism slip systems {m}<a> and {m}[c]. The asymmetric LPOs of omphacite, diopside, olivine and quartz with respect to the structural frame reveal three deformation phases in the Sulu terrane. In the Middle Triassic, the northward subduction of the Yangtze plate to depths > 100 km produced a top-to-the-south shear sense in LPOs of omphacite, diopside and olivine, and a nearly N-S-striking foliation and a subhorizontal N-S-trending lineation in eclogites and ultramafic rocks. In the Late Triassic, the UHP rocks were exhumed to the lower crust and quartz developed high-temperature slip systems with a top-to-the-NW shear sense, which is consistent with the regional SE-dipping foliation and SE-plunging lineation in the ductile shear zones. In the Cretaceous the UHP rocks were exhumed to the middle crust when the migmatization and granitic intrusion formed a NE-striking antiform structure. As a result, the activation of quartz low-temperature basal slip (0001)<a> is characterized by a top-to-the-SE shear sense in the south, but a top-to-the-NW shear sense in the north.     

中国大陆科学钻探主孔540-600m榴辉岩中赤铁矿-钛铁矿固溶体出溶结构的特征及对榴辉岩折返动力学过程的意义

在中国大陆科学钻探主孔540-600m榴辉岩中集中发育了一种具特殊出溶结构的不透明金属矿物——具高度精细共生结构的赤铁矿-钛铁矿固溶体。在这段榴辉岩中，这种固溶体少部分以细小圆粒状包裹体分布于单斜辉石和石榴石内部，大部分则呈海绵陨铁状充填于单斜辉石和石榴石空隙之间。出溶分多个不同的期次，相对粗粒的赤铁矿质钛铁矿和钛铁矿质赤铁矿出溶片晶中又包含有更细粒的出溶片晶，在次一级的赤铁矿质钛铁矿域出溶钛铁矿质赤铁矿，同时在钛铁矿质赤铁矿域又出溶赤铁矿质钛铁矿，出溶片的大小可以从毫米级一直变化到纳米级，以至于很难测到纯的端元组分。出溶片在单个颗粒中按照平行（001）的方向定向排列，但在整个样品中则没有规律。出溶片中钛铁矿的摩尔百分数从23．80变化到89．84，反映了从不具明显磁性的赤铁矿和钛铁矿端元组分向具有强磁性的出溶体演化的过程。这样的出溶过程需要一个缓慢降温的环境，说明在超高压地体快速折返的整个过程中可能存在一个近等温降压或滞留在高温状态下（近等温等压）的阶段。这种固溶体在矿物的磁性特征方面十分特别：（1）可以包含异常强且稳定的天然剩磁；（2）所保存的剩磁即使在强的退磁磁场中也不会消退；及（3）能引起区域上显著的磁异常。因此，这种固溶体可能是导致CCSD主孔540～600m段榴辉岩较高磁化率、区域高度航磁异常及高度V、Ti异常的主要因素。赤铁矿-钛铁矿固溶体出溶结构在540～600m岩性段集中分布的现象与这一岩性段在各方面均有异常表现的奇特现象相吻合，结合前人的研究，认为赤铁矿-钛铁矿固溶体的成因与导致这段岩性段各种异常的成因有着直接的联系。赤铁矿-钛铁矿固溶体出溶结构的出溶成分和所具磁性强烈依赖于榴辉岩温压条件的变化特征，对它的继续深入研究，将会为精确限定苏鲁超高压变质带变质岩石形成中的温压变化，解释CCSD主孔附近区域的磁性异常及钒钛矿的勘探等问题起到重要的指示作用。     

苏鲁超高压变质带中国大陆科学钻探主孔(CCSD-MH)榴辉岩中发现金刚石

苏鲁榴辉岩中除了早前发现的一粒金刚石外,最近又发现了6粒,它们具有基本相似的外形和大小,但其晶体结构与普通自然界金刚石和人工合成金刚石存在一定差别.金刚石具有异常X-射线衍射峰以及有磁铁矿的包裹体等特征,表明可以排除这些金刚石是人造或被外来样品混染的可能性.金刚石的再发现,证实苏鲁榴辉岩的形成压力可以达到4GPa以上,并且为大别和苏鲁两个超高压变质带的对比提供了一个重要标志.金刚石的异常晶胞参数和X-Ray异常峰的出现有可能与超高压变质作用有关,但需要实验岩石学研究证实.     

从洋壳俯冲到陆壳俯冲和碰撞：来自羌塘中西部地区榴辉岩和蓝片岩地球化学的证据

羌塘中部晚三叠世低温/高压变质带是目前青藏高原内部延伸规模最大的高压变质带,但大量关键高压变质岩石出露地区地球化学资料匮乏,严重制约了对高压变质带原岩建造以及构造演化的全面认识。本文以羌塘中西部地区尚无地球化学资料的果干加年山榴辉岩和红脊山蓝片岩为研究对象,进行了系统的地球化学以及原岩恢复工作。研究表明,果干加年山榴辉岩呈透镜状产于围岩石榴石多硅白云母片岩和少量大理岩中,其原岩为亚碱性玄武岩,具有较低的稀土总量(∑REE=51.19×10-6~59.43×10-6)和轻稀土亏损的特征[(La/Yb)N=0.59~0.70],不具有Nb、Ta、Ti的亏损,与典型的N-MORB特征一致,暗示其原岩可能来源于亏损的地幔源区,形成于洋中脊环境。红脊山地区基性蓝片岩的原岩为碱性玄武岩-亚碱性玄武岩,具有高的TiO2(2.97%~4.14%)和P2O5(0.29%~0.48%)含量,富集轻稀土元素[(La/Yb)N=6.10~11.6]和高场强元素,地球化学特征类似于OIB。但是这些基性蓝片岩与大量的陆源碎屑岩伴生产出,且具有明显的硅铝质上地壳物质混染的特征,与南羌塘地区二叠纪大陆板内基性岩墙的产出特征以及地壳混染特征一致,可能是其俯冲消减的产物。通过本文研究结果并结合区域内已识别出的E-MORB型洋壳和洋岛/海山物质深俯冲的证据,我们认为羌塘中部晚三叠世高压变质带以洋壳物质深俯冲为主,同时亦保留了部分陆壳物质俯冲的证据,暗示大洋向北俯冲消减结束之后,又牵引至少一部分南羌塘北缘陆壳物质经历了随后的俯冲过程。     

中国大陆科学钻探主孔揭示的大陆地壳生热模型

本文对大陆科学钻探主孔149块岩心样品进行了系统的岩石放射性生热元素U、Th和K的含量测试,同时结合该井浅部井段前人的实测数据,揭示了上地壳5km生热率的垂向分布。结果显示,以1650m为界,上下两段生热率均随深度呈增加趋势,与正常地壳生热率特征不同,显示出超高压变质带独特的生热率垂向变化特征。结合地壳的岩性分布,建立了苏鲁超高压变质带地壳的生热模型。该模型中,地壳厚32km,其中上地壳0-10km,由超高压变质岩片组成,按岩性又详细分为8层,生热率变化在0．49～1．73μWm^-3。中地壳10～20km,由片麻岩组成,生热率为生热率1．51μWm^-3。下地壳20～32km为麻粒岩,生热率0．31μWm^-3。整个地壳热流约31mW／m^2,其中上地壳12mW／m^2。上地壳厚度和热流分别占整个地壳的31％和39％。与华北和下扬子地壳生热模型相比,上地壳热流整个地壳热流的比例最低。这表明,苏鲁超高压变质带,作为中朝与扬子板块俯冲-碰撞的产物,其地壳生率垂向分布与正常大陆地壳（华北、下扬子）相比,具有显著的不同。     

苏鲁超高压变质带的岩浆型超镁铁原岩：来自中国大陆科学钻探主孔的亏损氧同位素证据

苏鲁超高压变质带有大量的超镁铁岩体,对这些岩体的成因的研究一直是一个热点。为了鉴别这个地区有无在俯冲进变质前经历过地壳浅部地质过程的超镁铁岩,本文利用BrF5气氛中用CO2红外激光熔样和质谱测试分析方法对中国大陆科学钻探工程主孔内603．20-683．53m深度的三个石榴单辉橄榄岩样品的单矿物橄榄石、石榴石、单斜辉石的氧同位素进行了分析。橄榄石的δ^18O值为＋3．31‰＋3．82‰;石榴石的为＋4．03‰＋4．10‰;单斜辉石的δ^18O值误差较大,平均值为＋2．10‰。这些矿物的氧同位素组成总地低于典型的地幔值。研究表明,岩石单矿物低δ^18O值是侵入到地壳浅部的超镁铁岩体与寒冷大气降水热液之间的氧同位素交换反应所造成,之后发生了与地壳围岩一齐的俯冲、超高压变质、折返退变质等过程。这是苏鲁地区首次发现的低δ^18O值的岩浆侵入型超镁铁岩体,具有重要的大陆动力学意义,从超镁铁岩方面证明了苏鲁地体可能是大别地体的东延部分。     

中国大陆科学钻探主孔高钛与低钛榴辉岩地球化学特征对比及其对金红石成矿的指示意义

榴辉岩型金红石矿床是我国原生金红石矿床的最重要类型。本文以中国大陆科学钻探主孔0～2000m范围内揭露的榴辉岩为对象,通过对榴辉岩中TiO2与其它元素协变关系的全面分析,同时结合我国原生榴辉岩型金红石矿床TiO2的平均品位,将榴辉岩区分为高钛榴辉岩（TiO2〉2％）和低钛榴辉岩（TiO2〈2％）,并据此系统对比了二类榴辉岩地球化学组成的差异。研究结果表明,高钛榴辉岩相对贫硅、贫钾、富铁,Al2O3／TiO2比值和全碱（K2O＋Na2O）含量总体偏低,Cs、Rb、Ba等大离子亲石元素和Zr、Hf等高场强元素不同程度亏损,而放射性元素Th、U则相对富集,并总体具有较低的轻重稀土比值。榴辉岩型金红石矿床的形成主要受原岩因素制约,原岩的源区组成、产出环境、起源深度、部分熔融程度和随后的结晶分异过程对Ti的初始富集均具重要影响,富钛基性原岩是榴辉岩型金红石矿床形成的物质基础,高压区域变质作用是这类矿床形成的必要条件。