大别造山带构造超压形成的碰撞力学机理

提出了大别山构造超压形成的点碰撞模型，简要分析了大陆碰撞带构造运动引起的粘性介质中粘性应力和平均应力随岩石物性的变化规律。探讨了构造压力对超高压的贡献及对成岩深度的重要意义。研究表明：构造运动引起的岩石圈中的附加压力可能与静岩压力有相同的数量级，大陆造山带两陆块不规则边界的碰撞会引起局部应力集中，产生较大的构造压力，岩石介质的流变学分析表明，在相同外力作用下，岩石圈上部的高粘度性质决定了其在构造活动期间增温效果显著，但增压效果有限；而粘性较低的岩石圈下部则增压效果明显，为此，在下地壳与上地幔之间的低粘度带内有可能发生超高压变质作用。     

高温高压下含水矿物脱水对斜长岩纵波速度的影响

在1GPa、室温至880℃条件下对斜长岩的纵波速度进行了测量，并对实验产物进行了鉴定分析，讨论了含水矿物脱水对岩石纵波速度的影响。实验结果表明，在680℃左右，由于斜长岩中的含水矿物绢云母和黝帘石开始脱水，矿物脱水产生的流体及其所引起岩石结构的变化可使岩石纵波速度降低10％左右。这意味着通过矿物脱水这一机制可以形成壳内低速层。     

构造差应力与构造附加静水压力关系研究

构造差应力究竟能够产生多大的附加静水压力在地学界一直有很大争议。本文通过大别山东端郯庐韧性剪切带中糜棱岩的构造差应力测量和同构造新生白云母的电子探针分析,对这一科学问题进行了初步探讨。对该断裂带12个糜棱岩样品进行了20次构造差应力测量,获得了114.6~149.6MPa的差应力值;对同构造新生白云母的电子探针分析获得岩石的形成时的围压为291.7~531.3MPa。通过构造差应力与岩石围压的对比分析,笔者认为岩石中的“构造超压”并不完全是构造差应力产生的附加静水压力造成的,还应包括了岩石中流体压力的贡献。在中-上地壳,附加静水压力主要由流体压力构成;而在下地壳和岩石圈深部,岩石的构造超压主要来自于由构造差应力产生的附加静水压力。但由于岩石圈深部构造差应力的急剧减小,产生的构造附加静水压力对围岩的贡献量极小,并不能使超高压岩石的形成深度明显变浅。     

大别——苏鲁高压-超高压变质带的“构造增压壳内成因”研究

研究发现,高压-超高压变质岩基本都发育于全球或区域规模的大型构造带,产于强烈构造变形带中相对较弱应变的部位。苏鲁—大别超高压变质岩具有明显的构造变形,这成为追索构造应力-应变作用和探讨形成构造环境与演化过程的重要线索。本研究用成岩成矿深度的"构造校正测算方法",进行野外观察、岩石变形-应力测算及构造校正测算。其结果显示,超高压变质岩形成深度在23~55km之间。大别—苏鲁超高压变质岩的锆石SHRIMP年龄显示,具有环带的内核高压矿物年龄大于680 Ma,而其含柯石英幔圈里超高压变质矿物在(231±4)Ma形成,角闪岩相等退变质矿物形成在(211±4)Ma,可见超高压变质发生在陆缘和陆内的地质环境。综合研究其岩石矿物的Sr-Nd、O和He同位素含量,有力证明了岩石的壳内成因特征。深钻孔岩心的岩石矿物学系统显示,超高压变质岩及其几公里宽范围里的各类围岩普遍含有柯石英等高压-超高压矿物包体。上述实际资料,用超高压变质的"深俯冲-折返"模式已经不能得到科学的解释。本文提出大别—苏鲁超高压变质岩"构造增压壳内成因模式",认为这些超高压变质作用可能发育在陆内地块之间的强烈构造挤压环境。在230Ma左右,由于构造压力与重力压力叠加致使局部达到超高压及相应温度等条件,特别是当p≥2.8GPa时,变质的物理化学条件得到满足,可以在23~55km深处发生超高压变质作用,之后经应力松弛和拆离构造,岩石又逐步抬升并发生退变质作用。也可以说,该超高压变质岩具有构造物理化学成因。     

陆—陆点碰撞与超高压变质作用

迄今为止，非撞击型超高压变质作用均发生在陆陆碰－撞造山带，这在东半球许多地点已被证实，超高压变质岩石以含柯石英和金刚石包体的榴辉岩和榴辉岩相变质岩石为代表，形成的温压环境为650－800℃，2.6-3.5GPa，研究证明大多数超高压岩石原是陆壳火山－沉积岩系，因此推断大陆深俯冲作用曾经发生，而超高压岩石现今又出露地表或浅表，意味着它们又从深部折返至地表，陆壳岩石深储冲和折返机制已成为大陆动力学研究的热点，但认识莫衷一是，争论的焦点是陆壳俯冲的深度到底多大可以形成超高压岩石？是什么机制使其发生深俯冲而又折返到浅表？本文通过世界上出露规模最大的超高压变质带－大别山碰撞过程的动力学分析，探讨非规则边界的碰撞引起的构造附加压力对超高压石形成的影响作用。模拟计算表明，大陆板块的早期碰撞，会引起碰撞附近的局部应力集中现象（平均压力较周围增大了5－9倍），构造压力在超高压中所占的比例约为20％－35％，由此推测，大别山高压－超高压岩石形成深度可能为65－80km。为此本文提出超高压岩石新成因模式－大陆点碰撞模式。这种模式符合力学基本原理，也符合地质记录和地质过程，可以解释为什么超高压岩石并非沿碰撞造山带全线存在，而是出现某些特定部位。本文提出喜马拉雅山撞带的东西犄角是典型的点碰撞区域，陆壳岩石的超高压变质作用均发生在这两个特定的部位。     

高压-超高压变质岩外来40Ar成因探讨

高压—超高压变质带是地球上重要的地质单元,特殊的形成环境使该类变质岩的矿物中常因含有外来⁴⁰Ar而⁴⁰Ar／³⁹Ar年龄偏老,制约了⁴⁰Ar／³⁹Ar年代学在此类岩石中的应用。本文探讨了氩在不同相中的溶解度与分配系数的差异,并着重论述了扩散参数与压力的关系及压力对岩体封闭性的影响,系统总结了高压-超高压变质矿物中外来⁴⁰Ar的形成机制。此外,随Fe/Mg、Si/Al、K等组分不同,氩在矿物中保存能力的某种规律性变化、离子孔隙度研究等也从理论上为研究氩的扩散和封闭行为提供了新的视角。在高压—超高压变质过程中多种因素共同作用,氩在这类矿物中的扩散更为复杂。对外来⁴⁰Ar形成机制的探讨对揭示高压—超高压变质结晶环境、岩体开放与否、不同矿物对氩保存能力等有重要的指示意义。     

超高压矿物研究进展

我国超高压矿物研究近十年来取得了重要进展.参与发现了5个超高压新矿物及若干待命名高压相,被国际矿物协会新矿物、命名与分类委员会批准和命名的超高压矿物包括涂氏磷钙石、塞石英、玲根石、谢氏超晶石、阿考寨石等.在冲击变质陨石中发现了后尖晶石结构的超高压相,即谢氏超晶石和CF相,引起了高压地质学及大地构造学界的关注.揭示了从冲击成因二氧化硅熔体中结晶的柯石英,合理地限定了冲击变质成因柯石英的形成压力温度条件,为我国首个地外天体撞击构造——岫岩陨石坑的证实提供了关键的矿物物理证据.     

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

本文简要概述了近年在西阿尔卑斯、挪威西部、我国中东部及苏联一些地区超高压变质岩石的最新研究成果,指出柯石英及其向石英转变而形成的张裂结构是鉴别这一超高压变质作用的主要标志.指示超高压变质条件的其它矿物及矿物组合的尚有镁十字石、ellenberserite、硬玉十蓝晶石、滑石十蓝晶石和滑石十多硅白云母等,金刚石代表更极端的高压条件.超高压变质作用的边界压力>2.SGPa,温度约700~840C,代表一个近于7℃/km的极低的地热梯度,其退化轨还为压力和温度同时降低.超高压变质岩石严格地产出于陆内造山带,表明它们是在大陆与大陆碰撞过程中由深俯冲作用形成的,其俯冲深度可超过90km,使柯石英得以保存的快速构造抬升可能是连续俯冲一仰冲的结果.     

矿物热膨胀的晶体化学研究综述

热膨胀是矿物材料的重要属性之一,对它的研究在矿物学及材料科学中具有重要意义。前人关于矿物的热膨胀系数和晶体化学参数之间关系的研究表明,矿物的 结构、成分、化学键及原子价态、配位数、外层电子结构等对热膨胀系数都有不同程度的影响。晶体化学方法是研究矿物热膨胀系数的有效方法,但由 于矿物的热膨胀系数和晶体化学参数之间的定量关系尚未完全弄清,目前仅仅能对简单结构矿物的热膨胀系数进行计算,结构、成分较复杂的矿物的热膨胀系数计算尚缺乏好的晶体化学模型。为达到精确计算矿物热膨胀系数的目的,必须对矿物按照晶体化学特性进行分类。 在分类的基础上,把晶体化学方法和理论计算方法有效地结合起来。矿物的热膨胀性可按照 受热时结构有无旋转划分为键膨胀型和结构旋转型,过渡金属阳离子所形成的化合物根据d电子层电子云的分布进行分类。通过以上的分类,在计算不同类型矿物热膨胀系数时 ,可按矿物类型处理。对键膨胀型的矿物只需估计键的膨胀情况,而对于结构旋转型除考虑 键的膨胀性以外还要考虑配位多面体旋转的情况。     

Garnet growth at high- and ultra-high pressure conditions and the effect of element fractionation on mineral modes and composition

In this paper we show that thermodynamic forward modelling, using Gibbs energy minimisation with consideration of element fractionation into refractory phases and/or liberated fluids, is able to extract information about the complex physical and chemical evolution of a deeply subducted rock volume. By comparing complex compositional growth zonations in garnets from high-and ultra-high pressure samples with those derived from thermodynamic forward modelling, we yield an insight into the effects of element fractionation on composition and modes of the co-genetic metamorphic phase assemblage. Our results demonstrate that fractionation effects cause discontinuous growth and re-crystallisation of metamorphic minerals in high pressure rocks. Reduced or hindered mineral growth at UHP conditions can control the inclusion and preservation of minerals indicative for UHP metamorphism, such as coesite, thus masking peak pressure conditions reached in subducted rocks.Further, our results demonstrate that fractional garnet crystallisation leads to strong compositional gradients and step-like zonation patterns in garnet, a feature often observed in high-and ultra-high pressure rocks. Thermodynamic forward modelling allows the interpretation of commonly observed garnet growth zonation patterns in terms of garnet forming reactions and the relative timing of garnet growth with respect to the rock's pressure–temperature path. Such a correlation is essential for the determination of tectonic and metamorphic rates in subduction zones as well as for the understanding of trace element signatures in subduction related rocks. It therefore should be commonplace in the investigation of metamorphic processes in subduction zones.     

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.      

大别山陆—陆点碰撞和构造超压的形成

依据大别造山带的地质特征及古地磁证据, 提出大陆动力学非规则边界陆-陆点碰撞模型, 采用数值模拟方法, 分析点碰撞所引起的构造应力集中及其影响因素, 探讨构造压力在大别山超高压变质岩形成过程中所起的作用, 推测可能形成的深度范围.研究表明: 在本文的模拟条件下, (1) 大陆碰撞初期产生的构造应力场中的平均压力在碰撞点附近增大了约5~9倍.在边界力为100 MPa的情况下, 构造压力在超高压中所占的比例约为20 %~35 %; (2) 由于有构造压力的作用和影响, 超高压变质岩的形成深度有可能被提升20~35 km; (3) 仅考虑碰撞方式, 不计岩石物性差异和其他因素的影响, 构造应力的影响有限, 静岩压力在超高压变质岩形成过程中仍占据主导地位.      

大别山陆一陆点碰撞和构造超压的形成

依据大别造山带的地质特征及古地磁证据,提出大陆动力学非规则边界陆-陆点碰撞模型,采用数值模拟方法,分析点碰撞所引起的构造应力集中及其影响因素,探讨构造压力在大别山超高压变质岩形成过程中所起的作用,推测可能形成的深度范围.研究表明:在本文的模拟条件下,(1)大陆碰撞初期产生的构造应力场中的平均压力在碰撞点附近增大了约5～9倍.在边界力为100 MPa的情况下,构造压力在超高压中所占的比例约为20%～35%;(2)由于有构造压力的作用和影响,超高压变质岩的形成深度有可能被提升20～35 km;(3)仅考虑碰撞方式,不计岩石物性差异和其他因素的影响,构造应力的影响有限,静岩压力在超高压变质岩形成过程中仍占据主导地位.     

俯冲带深部流体:来自超高压变质锆石晶内结构和包裹物的证据

利用阴极发光和激光拉曼研究了大别山俯冲带超高压基性和长英质变质岩中的锆石。超高压变质增生锆石环带或新生锆石颗粒从不同角度反映了俯冲带地幔深度流体作用信息。其一,在超高压变质锆石生长域中存在微米级流体包裹体。由于其十分细小,组成往往难以测定。但是在变基性岩中检测到富CO2的负晶形包裹体。其二,在超高压锆石生长域中较普遍地发现富含挥发份的多硅白云母和磷灰石包裹体,其与典型的超高压变质矿物———柯石英稳定共生。副矿物研究表明,即使是在新鲜的弱退变质的榴辉岩中,富含挥发份的矿物相———磷灰石仍是含量较高的矿物,说明在俯冲带的深部(>100km),流体仍可以稳定地保存在高挥发份的矿物晶体格架中。其三,超高压变质增生锆石环带的边界呈蚕食状或港湾状,指示流体参与了锆石的变质生长过程,即通过流体与锆石之间的相互作用导致原有锆石的溶解和新生锆石的沉淀结晶。考虑到如此高的锆溶解度,认为在地幔俯冲深度,流体的成分复杂,并不是简单的富水体系,其化学组成与深熔融体相似,且赋存状态应为含水融体相。     

桐柏-大别山区高压变质相的构造配置

作为华北和扬子陆块间的碰撞造山带桐柏大别山区以发育高压、超高压变质带为特征,从南到北变质相从低级到高级,代表俯冲带深度不同的变质产物,整体形成高压变质相系列。不过现今各变质相岩石的分布极受后期地壳规模的伸展构造控制,大别杂岩的穹隆作用更使高压变质相带的空间分布复杂化。超高压变质岩今日多呈大小不等的块体嵌布于相对低压的大别杂岩之内,造山带根部物质的热软化,使许多深层地幔物质得以像挤牙膏一样挤出于大别杂岩内。它们之中广泛发育着减压退变质的显微结构,与大别杂岩内一些麻粒岩相表壳岩所保存的减压退变质证迹一样,同是挤出作用和碰撞后隆升的构造证迹。高压相系的发育使南桐柏山和大别山迥然不同于桐商（ 商丹） 断裂以北的北秦岭北淮阳变质带。新近发表的同位素年代学（４０Ａｒ ３９ Ａｒ） 资料：３１６ ～４３４ Ｍａ ,已证明北秦岭是古生代变质带,它与桐柏－ 大别印支期碰撞造山带差异甚大。这两个变质地温梯度差异甚大的变质地体的拼合,说明华北和扬子陆块碰撞的主缝合带是商丹－ 桐商断裂带     

苏鲁-大别超高压变质岩的弹性力学性质与密度的关系

我们采集了31块来自中国大陆科学钻探(CCSD)主孔和预先导孔岩芯以及29块苏鲁-大别地区地表露头的典型超高压变质岩,在10～850 MPa的静水压力和室温下测量了60块标本的P波与S波速度,分别建立了纵横波速和围压之间的定量关系,并在此基础上计算了不同压力下各岩石标本的弹性参数即杨氏模量(E)、剪切模量(G)、体模量(K)和泊松比(v),着重探讨了超高压变质岩的弹性力学性质与密度之间的关系.这些最新成果将为超高压变质岩地区以及新老俯冲带地震波资料的解释提供关键的理论和实验基础.     

The Exhumation of Dabie Ultrahigh‐High Pressure Metamorphic Rocks Shown by the Deformation of Taihu‐Mamiao Shear zone

Since the discovery of high‐pressure metamorphic minerals such as coesite and diamond (Xu et al., 1992), the exhumation mode and process of the Dabie ultrahigh‐high pressure (UHP) rocks had become hot topics. For the exhumation process of UHP rocks, several explanation models had been proposed, and the subduction tunnel mode (Warren et al., 2008) seemed to be recognized by most scholars. A low rheological zone formed along the subduction, and the deep subduction material was rapidly exhumated by buoyancy or tectonic stress. In the tunnel, the exhuming rock moved at the opposite direction of the subduction. Following this model, the Dabie UHP rock exhumation structure would generally tend to NW, and show a top to SE shear sense (Fig 1a, b). However, the existing structural observations indicate that the UHP rocks tend to be S‐SE with the top to NW shear sense (Faure et al., 2003). Therefore, the more detailly analysis of the exhumation structure in the UHP rocks, especially in the exhuming shear zone is very necessary.     

Extensional Tectonic Framework of Post High and Ultrahigh Pressure Metamorphism in Dabieshan, China

ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｓｔｕｄｙｏｆｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＨＰ）ａｎｄｕｌｔｒａｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＵＨＰ）ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃｒｏｃｋｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｊｏｒｈｏｔｔｏｐｉｃｓｉｎｔｈｅｓｏｌｉｄｅａｒｔｈｓｃｉｅｎ...     

Partial Melting Processes During Exhumation of Ultrahigh-Pressure Metamorphic Rocks in Dabieshan, China

INTRODUCTIONUptonowthereisinagreementonthetectonic-dynamicbackgroundoftheformationofUHPmetamorphicrocks,i.e.,theUHPMrocksareproductsofobliquecollisionbe-tweentheYangtzeandSinokoreancratonsinIndosinianstage(Jahn,1998lWangandCong,l998,1996;Lietal.,l997,l996iHackeretal.,l996ILiouet.al.,l9961Okay;Sen-gor,l993,CongandWang,l994;Sengor,1993).Buthowthesemetamorphicrocksareformedatmantledepthexhumedbacktothesurfacesorapidlyisstillastandingproblem-TheexhumationofUHPMrocksisacomplextectoni…