大陆俯冲带超高压变质岩部分熔融与壳幔相互作用研究进展

自20世纪80年代在大陆地壳岩石中发现柯石英和金刚石等超高压变质矿物以来,大陆深俯冲和超高压变质作用就成为了固体地球科学研究的前沿和热点领域之一.经过三十余年的研究,已经在大陆地壳的俯冲深度、深俯冲岩石变质P-T-t轨迹、俯冲地壳岩石的折返机制、深俯冲岩石的原岩性质、大陆碰撞过程中的熔/流体活动与元素活动性、俯冲隧道内...     

大陆碰撞过程中的流体活动:来自大别山低温超高压花岗片麻岩的地球化学制约

俯冲带流体活动对认识超高压变质作用、同俯冲、同折返岩浆作用有着十分重要的意义.由于大陆地壳的流体含量远低于大洋地壳,与大陆地壳深俯冲和折返过程有关的流体活动受到原岩性质和变质速率的双重制约.     

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.     

大陆造山运动：从大洋俯冲到大陆俯冲、碰撞、折返的时限——以北祁连山、柴北缘为例

北祁连山和柴北缘是典型的早古生代大陆造山带,分别发育有北祁连山大洋型俯冲缝合带和柴北缘大陆型俯冲碰撞带.作为早古生代大洋冷俯冲的典型代表,北祁连山经历了从新元古代-寒武纪大洋扩张、奥陶纪俯冲和闭合及早泥盆世隆升造山的过程.高压变质岩变质年龄为490～440Ma,证明古祁连洋经历了至少50m．y．的俯冲过程.柴北缘超高压变质带是大陆深俯冲的结果,岩石学、地球化学和同位素年代学表明,柴北缘超高压变质带中榴辉岩的原岩分别来自洋壳和陆壳两种环境.高压/超高压变质的蛇绿岩原岩的年龄为517±11Ma,与祁连山蛇绿岩年龄一致.榴辉岩早期的变质年龄为443～473Ma,与祁连山高压变质年龄一致,代表大洋地壳俯冲的时代,而柯石英片麻岩和石榴橄榄岩所限定的超高压变质时代为420～426Ma,代表大陆俯冲的年龄.从大洋俯冲结束到大陆俯冲最大深度的转换时间最少需要20m．y．.自420Ma起,俯冲的大洋岩石圈与跟随俯冲的大陆岩石圈断离,大陆地壳开始折返,发生隆升和造山.北祁连山和柴北缘两个不同类型的高压-超高压变质带反映了早古生代从大洋俯冲到大陆俯冲、隆升折返的造山过程.     

南阿尔金高压-超高温麻粒岩变质作用:大陆地壳超深俯冲与折返过程的记录

南阿尔金造山带是目前报道的具有最深俯冲记录的大陆超高压变质带,其内出露有高压-超高温麻粒岩,它们对深入理解大陆地壳岩石超深俯冲与折返过程具有重要意义.介绍了对南阿尔金巴什瓦克地区长英质麻粒岩和基性麻粒岩的岩相学、矿物化学、相平衡模拟及锆石U-Pb年代学研究成果.其中基性麻粒岩主要记录了深俯冲大陆地壳折返过程的变质演化:包括高压榴辉岩相、高压-超高温麻粒岩相、低压-超高温麻粒岩相及随后的近等压降温演化阶段;长英质麻粒岩除了记录与基性麻粒岩相似的折返过程外,还记录了从角闪岩相到超高压榴辉岩相的进变质演化过程.结合已有研究资料,确定超高压榴辉岩阶段峰期条件> 7~9 GPa和>1 000℃,可达到斯石英稳定域.锆石年代学显示两种岩石类型的原岩和变质年龄均分别在900 Ma和500 Ma左右.变质作用与年代学研究表明,南阿尔金大陆地壳岩石在早古生代发生超深俯冲至200~300 km后,折返至加厚地壳底部发生高压-超高温变质作用,随后被快速抬升至地壳浅部发生低压-超高温变质作用并经历迅速冷却.      

大洋板块拖曳窄条陆壳俯冲——大规模超高压变质形成的构造条件

超高压变质岩生成问题中解决低密度大陆地壳深俯冲力学机制是一个关键问题。虽然俯冲地幔岩石可以裹携十几千米乃至几十千米尺度的陆壳块体到超高压变质深度，大规模的陆壳深俯冲需要特殊的构造条件。新西兰南岛北端研究表明，俯冲大洋板块能携带宽度达150km左右的窄条陆壳克服浮力达到超高压变质深度，而大陆板块碰撞的主体则浮在岩石圈上形成走滑断层。苏鲁-大别可能曾存在类似的构造条件：苏鲁西侧俯冲海洋板片首先拖曳苏鲁陆壳俯冲到超高压变质深度；随后大别以西俯冲大洋板片拖曳大别至超高压变质深度，而陆壳浮力导致苏鲁陆壳停止俯冲，飘浮的陆壳被北推而形成郯庐断裂；秦岭陆陆碰撞造山后大别超高压陆壳也折返；秦岭作为典型造山带，虽然不排除零星超高压变质的可能，但不具备大规模超高压变质的条件。     

超高压变质作用研究进展

超高压变质岩石的发现改变了大陆地壳不能深俯冲的传统认识,使得地球科学有了前所未有的进展,超高压变质岩石的研究一直是近20a来地学研究的热点。从超高压岩石（柯石英、金刚石和某些矿物出溶结构）的识别标志,超高压变质岩石的时空分布,俯冲板片的命运及俯冲陆壳折返机制4个方面分析超高压变质岩石的主要进展。超高压变质岩石的研究为分析地球动力学过程提供新的窗口。     

青藏高原北缘早古生代板块构造演化和大陆深俯冲

青藏高原北缘北祁连山和柴达木盆地北缘分别发育有2类不同的高压和超高压变质带.北祁连山为典型的环太平洋型俯冲带,榴辉岩锆石的SHRIMP年龄为464 Ma±5 Ma.而柴北缘为典型的大陆俯冲型变质带,片麻岩锆石中的柯石英证明柴北缘是一超高压变质带.石榴橄榄岩中的超硅石榴子石和橄榄石中的钛铁矿等出溶反映其形成深度大于200 km.柴北缘榴辉岩的原岩具有MORB和OIB的特征,并与北祁连山榴辉岩的年龄相同,代表早古生代祁连洋俯冲变质的时代.而含柯石英片麻岩的锆石和石榴橄榄岩超高压变质年龄均为423 Ma,代表大陆地壳深俯冲发生的时间.北祁连山和柴北缘很可能是一个俯冲带从大洋俯冲到大陆碰撞的不同阶段的产物.     

喜马拉雅造山带两种不同类型榴辉岩与印度大陆差异性俯冲

印度与亚洲大陆新生代碰撞-俯冲形成的喜马拉雅造山带核部由高压和超高压变质岩组成.超高压榴辉岩分布在喜马拉雅造山带西段,由石榴石、绿辉石、柯石英、多硅白云母、帘石、蓝晶石和金红石组成.超高压榴辉岩的峰期变质条件为2.6～2.8GPa和600～620℃,其经历了角闪岩相退变质作用和低程度熔融.超高压榴辉岩的进变质、峰期和退变质年龄分别为～50Ma、45～47Ma和35～40Ma,指示一个快速俯冲与快速折返过程.高压榴辉岩产出在喜马拉雅造山带中-东段,由石榴石、绿辉石、多硅白云母、石英和金红石组成.高压榴辉岩的峰期变质条件为>2.1GPa和>750℃,叠加了高温麻粒岩相退变质作用与强烈部分熔融.高压榴辉岩的峰期和退变质年龄可能分别是～38 Ma和14～17 Ma,很可能经历了一个缓慢俯冲与缓慢折返过程.喜马拉雅造山带两种不同类型榴辉岩的存在表明,印度与亚洲大陆约在51～53Ma碰撞后,印度大陆地壳的西北缘陡俯冲到了地幔深度,导致表壳岩石经历了超高压变质作用,而印度大陆地壳的东北缘平缓俯冲到亚洲大陆之下,导致表壳岩石经历了高压变质作用.     

超高压变质大理岩中的白云石分解结构：大陆地壳物质深循环的新证据

苏鲁超高压变质地体中产出的与柯石英榴辉岩共生的大理岩发生了不同程度的退变,根据退变程度差异识别出三类大理岩菱镁矿大理岩(弱退变)、滑石大理岩(中等退变)和透闪石大理岩(强烈退变).菱镁矿大理岩的稳定矿物组合是单斜辉石+白云石+方解石,菱镁矿仅仅在方解石中与方解石集合体镶嵌共存.单斜辉石发育出溶结构且局部形成由角闪石和钠长石组成的后成合晶.另外两类大理岩不含菱镁矿,但含滑石和/或透闪石.在菱镁矿大理岩中观察到白云石的分解反应(Mg,Ca)(CO3)2=MgCO3+CaCO3,说明这些大理岩是大陆地壳物质俯冲到地幔＞180 km(甚至超过210 km)后返回到地表的产物.所观察到的白云石分解反应表明,苏鲁地区大陆地壳物质在所谓的"地幔禁区"俯冲,俯冲的温度增加梯度可能为～4.2℃/km.大陆地壳物质以如此低的温度梯度俯冲意味着非常高的俯冲速度.如此深循环的大陆地壳物质同时也经历了非常快的折返过程.这是白云石分解结构这种标志超高压条件下进变质反应阶段的证据得到保存的重要原因.     

超高压变质岩的塑性流变学

岩石流变作用是大陆造山作用的基本特征,超高压岩石的形成和折返过程也是大陆深俯冲带内物质的复杂流变过程。要深入理解大陆造山带的造山作用和大陆壳岩石的深俯冲和折返动力学过程,必须对大陆地壳及地幔岩石的流变学进行深入研究。岩石圈流变学的主要研究内容主要包括流变学分层性、变形分解和应变局部化及大陆壳岩石部分熔融作用的流变学效应等。应用岩石圈流变学的基本原理和方法,分析了大别-苏鲁超高压变质带中超高压变质岩的塑性流变特点,探讨了超高压变质岩形成和折返过程的塑性流变学。     

喜马拉雅造山带的高压超高压变质作用与印度-亚洲大陆碰撞

喜马拉雅造山带是印度与亚洲大陆碰撞作用的产物,正在进行造山作用,是研究板块构造的天然实验室.高压和超高压变质岩分布在喜马拉雅造山带的核部.这些变质岩具有不同的形成条件、形成时间和形成过程,为印度与亚洲碰撞带的几何学、运动学和动力学提供了重要的限定.含柯石英的超高压变质岩产出在喜马拉雅造山带的西段,它们形成在古新世与始新世之间(53～46Ma),为印度大陆西北边缘高角度超深俯冲作用的产物,并经历了快速俯冲与快速折返过程.在约5 Myr内,超高压变质岩从＞100km的地幔深度折返到了中地壳深度,且仅仅叠加角闪岩相退变质作用.高压榴辉岩产出在喜马拉雅造山带中段,形成时间约为45Ma,为印度大陆低角度深俯冲作用的产物,经历了至少20Myr的长期折返过程,叠加麻粒岩相退变质作用和部分熔融.高压麻粒岩产出在喜马拉雅造山带的东端,是印度大陆东北缘近平俯冲作用的产物,峰期变质作用时间约为35Ma,经历了约20Myr的长期折返过程,叠加了麻粒岩相和角闪岩相退变质作用,并伴随有多期部分熔融.因此,喜马拉雅造山带的变质作用具有明显的时间与空间变化,显示出大陆深俯冲与折返过程的差异性,以及大陆碰撞造山带形成机制的多样性.     

中国主要高压-超高压变质带的大地构造背景及俯冲/折返机制的探讨

造山带中发现超高压矿物柯石英和金刚石,被认为与洋壳或陆壳岩片的深俯冲(>100km)有关。但探讨这些岩片是如何俯冲和折返的？却是一个极具挑战的难题。目前,中国境内含榴辉岩的高压超高压（HP/UHP）变质带已经发现11条,此外,世界各地发现的高压超高压变质带还有至少20条。高压超高压变质带,特别是中国众多的HP-UHP变质带,在什么特定的大地构造条件中形成？又是在怎样的构造背景下折返而剥露地表？中国大陆上为什么出现众多规模可观的HP-UHP变质带？为什么出现洋壳（深）俯冲与陆壳（深）俯冲不同类型的HP-UHP带？这是本文试探讨的问题。根据中国境内的11条高压/超高压变质带形成时代和区域构造背景,将其分为4类：Ⅰ.始特提斯（早古生代）高压/超高压变质带,包括（1）柴北缘-南阿尔金超高压变质带,（2）北祁连-北阿尔金高压变质带,（3）东秦岭超高压变质带;Ⅱ.古特提斯高压/超高压变质带,包括（4）大别高压/超高压变质带,（5）苏鲁高压/超高压变质带,（6）西藏羌塘高压变质带;（7）西藏松多（超）高压变质带;Ⅲ.新特提斯高压/超高压变质带,包括（8）雅鲁藏布江东构造结南迦巴瓦（超）高压变质带;Ⅳ.古亚洲域南缘高压/超高压变质带,包括（9）新疆西南天山超高压变质带,（10）甘肃北山高压变质带,和（11）冀北高压变质带。中国高压/超高压变质带形成的大地构造背景有洋壳（深）俯冲和陆壳（深）俯冲两大成因类型,认为前者大都与始-古特提斯洋盆中微陆块之间的汇聚碰撞有关;后者为大陆块之间剪式碰撞和撕裂式岩石圈舌形板片深俯冲的产物。由于中国（邻区）大陆是三大陆块与许多小陆块聚集构成的巨大拼合体,小陆块在特提斯洋盆（特别是始、古特提斯洋盆）中的独特位置,使陆块之间的刚性洋盆岩石圈得以（深）俯冲插入小陆块之下。而大陆块之间特殊部位的碰撞为陆壳（深）俯冲创造条件。研究表明,高压/超高压变质岩石和蛇绿岩、混杂堆积、俯冲增生楔一起构成俯冲/折返杂岩带;认为代表印支造山带山根物质的大别-苏鲁高压/超高压俯冲/折返杂岩带,呈面形推覆岩片的构造样式叠置在扬子陆块之上,提出汇聚陆块边缘深部地幔物质折返的“斜向挤出”和“沿岩石圈板片的多层隧道的多重/分片挤出”的两种模式;认为走滑断裂在高压/超高压变质岩石的快速折返中起重要作用,即阿尔金走滑断裂、郯庐走滑断裂和喀喇昆仑走滑断裂,分别制约了阿尔金和祁连山中的南北两条早古生代高压/超高压变质带、大别-苏鲁印支期超高压变质带和喜马拉雅西构造结的喜山期超高压变质带的快速折返。     

榴辉岩的两种变质演化轨迹和俯冲大陆地壳的差异折返——以柴北缘都兰超高压地体为例

都兰榴辉岩地体位于柴北缘—南阿尔金超高压变质带的东端,是唯一确定含柯石英的超高压变质地体,约700 km,其特点是含有两个特征不同的变质亚带,并经历了不同的折返过程。柯石英假像和温压计算表明两带榴辉岩峰期变质的压力都在柯石英的稳定域（2.8~3.3 GPa）,但它们退化变质的p–T 轨迹具有明显不同的特征。北带榴辉岩经历了两个阶段的折返：早期从地幔深度快速折返到中部地壳层次,伴随岩石的等温降压,并发生角闪岩相退化变质;晚期抬升到地壳浅部。都兰南带榴辉岩折返过程中经历了高压麻粒岩相变质的改造,高压麻粒岩阶段的p–T条件为p＝1.9~2.0 GPa,T＝873~948℃, 并进一步经历了角闪岩相退化变质,说明都兰南带榴辉岩折返速率较慢,发生了壳幔过渡带（或加厚的深部地壳）层次的强烈热松弛。这种热松弛发生在许多大陆俯冲带的超高压岩石的折返过程中,并且是榴辉岩发生深熔作用的主要机制。都兰两个变质带不同的变质演化轨迹反映了俯冲的大陆地壳具有差异折返的特征。     

中国大陆构造及动力学若干问题的认识

中国(东亚)大陆受特提斯、古亚洲和太平洋构造体系的制约,具有复杂的地体构架和特殊的岩石圈结构。本文从地学前沿——大陆动力学的视野出发,围绕中国大陆构造及动力学四个方面的研究,总结已有的进展并提出新的思考:①中国大陆板块下的构造和整个地幔运动的构架:地震层析资料揭示西太平洋板片向西俯冲到东亚大陆之下,其倾角逐渐减小,最后近水平地插进400～600km深度的地幔过渡带中,成为箕状几何形态的超深俯冲板片。印度岩石圈板片超深俯冲至青藏高原之下～800km的深度,在喜马拉雅西构造结部位发生双向不对称深俯冲,印度岩石圈板片向东俯冲至东构造结东侧之下300～500km的深度。②中国大陆变质基底的再活化:中国大陆的大部分陆块未受显生宙以来构造、变质和岩浆事件的改造与激活,在冈瓦纳大陆北缘的印度陆块和阿拉伯陆块北缘还发育有形成于泛非期(530～470Ma)的造山带,其影响范围至高喜马拉雅、拉萨地体和三江地区。新生代的变质活化普遍出现在喜马拉雅、南迦巴瓦、拉萨地体和三江-缅甸地区,最新的变质年龄仅2～1Ma(南迦巴瓦)。③中国主要高压-超高压变质带的大地构造背景及深俯冲-折返机制:中国及邻区含榴辉岩的高压-超高压(HP/UHP)变质带有洋壳(深)俯冲和陆壳(深)俯冲之分。青藏高原中,大部分洋壳俯冲形成的高压/超高压变质带与原-古特提斯洋盆中诸多微陆块之间的小洋盆的汇聚碰撞有关,陆壳深俯冲作用有两种机制,它们分别是大陆块之间剪式碰撞和撕裂式岩石圈舌形板片的深俯冲。④中国大陆造山带的深部物质可经3类机制挤出,即深部地壳物质"牙膏式"挤出、侧向挤出和"挤压转换式"挤出。     

俯冲带变质作用与构造机制

形成在汇聚板块边缘的俯冲带由俯冲岩石圈板块和上部岩石圈板块组成,具有不对称的热结构。俯冲岩石圈板块具有冷的地温梯度,而上部岩石圈板块具有热的地温梯度。俯冲板块的变质作用发生在5~15℃/km地温梯度下,可进一步划分为冷俯冲板块型（5~10℃/km）和热俯冲板块型（10~15℃/km）,即西阿尔卑斯型和古巴型。俯冲带上板块的变质作用发生15~50℃/km地温梯度下,可进一步划为冷地壳型（15~25℃/km）和热地壳型（25~50℃/km）,统称为科迪勒拉型。冷俯冲板块的变质作用是以大洋和大陆地壳岩石深俯冲到地幔,发生低温/高压及超高压变质作用为特征。所形成的低温/高压和超高压变质岩具有顺时针型P-T轨迹,其折返过程是以近等温或升温降压和部分熔融为特征。热俯冲板块型变质作用发生在年轻板块的正常俯冲和古老板块的平缓俯冲过程中。从大洋岩石圈初始俯冲到成熟俯冲,俯冲板块的地温梯度由热到冷,从热俯冲型转变成冷俯冲型。热俯冲板块的变质岩可具有顺时针型,也可具有逆时针型P-T轨迹,可以发生高温和高压下的部分熔融,形成埃达克质岩浆岩。俯冲带上板块的冷地壳型变质作用发生在构造挤压导致的加厚地壳环境,加厚的下地壳发生高温、高压麻粒岩相和榴辉岩相变质作用,可具有顺时针和逆时针型P-T轨迹。加厚新生下地壳的部分熔融形成埃达克质岩浆和高密度的基性残留体（弧榴辉岩）。热地壳型变质作用发生在构造伸展导致的减薄地壳环境。由于强烈的幔源岩浆增生和软流圈上涌,下地壳发生高温或超高温麻粒岩相变质作用和部分熔融,所形成的变质岩可具有顺时针型或逆时针型P-T轨迹。在岩浆弧加厚地壳的伸展过程中,早先形成的高温和高压变质岩可以叠加超高温变质作用。俯冲带上板块的岩浆弧可能是超高温变质岩形成的最主要构造环境。上板块下地壳的部分熔融可以形成大体积的花岗岩,由此导致新生地壳组成和成分的分异,是大陆地壳生长和成熟的重要机制。大陆碰撞造山带的加厚下地壳具有冷的地温梯度,可以发生高压麻粒岩和榴辉岩相变质作用。这些高级变质岩具有顺时针型P-T轨迹,在其折返过程中叠加中压、高温,甚至超高温变质作用。碰撞造山带下地壳的长期部分熔融可以形成不同成分的壳源花岗岩。     

喜马拉雅超高压变质作用

喜马拉雅超高压变质带主要由表壳岩石组成,其中的长英质变质岩已经全部退变质,只在基性的榴辉岩中保留有某些超高压变质矿物.这些超高压变质矿物在锆石、石榴石及其他一些化学和机械性质稳定的矿物中以微米级的包裹体形式产出.到目前为止,已经在Tso Morari结晶穹隆和上Kaghan谷高喜马拉雅结晶岩中发现了超高压指示矿物柯石英和多晶石英假像.这2个地区同属一个超高压变质带,具有相似的构造背景、岩石组成及变质年龄.Kaghan谷超高压变质岩形成条件为700～770°C和2.7～3.2 GPa,相当于90～110 km 的上地幔深度,形成年龄为(46.2±0.7) Ma.Tso Morari结晶穹隆中超高压变质岩的形成条件约为750°C和3.9 GPa,形成年龄为(48±1) Ma.上述超高压变质带在其折返过程中普遍经历了强烈的水化和角闪岩相退变质作用.研究表明,印度大陆地壳俯冲的垂向速率为1.1～1.4 cm/a,水平速率为4.5 cm/a,俯冲到约100 km深度时的平均俯冲角度为14～19°.     

超高压变质作用与壳幔循环

榴辉岩相的高压超高压变质作用发生在俯冲或碰撞增厚的大陆地壳的底部或上地幔中（深度可达１２０ｋｍ）,并导致岩石密度增大。超高压岩石同一些地球动力学问题关系十分密切,如榴辉岩可能是在拆沉作用中被拆沉的地壳物质,超高压变质作用可能是实现壳幔循环的一种途径等...     

大陆俯冲隧道壳幔相互作用:来自苏鲁造山带橄榄岩的锆石学证据

大陆碰撞造山带石榴橄榄岩作为超高压变质地体的重要组成部分之一,记录了大陆俯冲带之上地幔楔的组成和演化、壳-幔相互作用、流体-岩石相互作用及俯冲带化学地球动力学等重要信息。我们在锆石岩相学研究的基础上,对苏鲁造山带腾家橄榄岩及其寄主片麻岩不同锆石区域进行了U-Pb定年、微量元素和Hf-O同位素联合原位分析。滕家橄榄岩呈块状产于超高压花岗质片麻岩中,主要矿物组成为橄榄石+斜方辉石+尖晶石+铬铁矿+角闪石+蛇纹石±绿泥石±白云石±锆石。锆石具有明显的核-(幔)-边结构。残留岩浆锆石具有振荡环带或模糊的振荡环带,主要为新元古代U-Pb年龄,同时含有少量中、古元古代的U-Pb年龄。它们具有高的Th/U比值(0.1)和陡峭的MREE-HREE配分,包含石英、磷灰石和斜长石包裹体。残留岩浆锆石的U-Pb年龄、微量元素和Hf-O同位素组成与大别-苏鲁造山带超高压变质岩的原岩锆石相似。因此,这些残留岩浆锆石可能是被来自深俯冲大陆地壳脱水产生的交代流体物理搬运到橄榄岩之中。相反,交代生长锆石具有弱分带或无分带,U-Pb年龄为(220±2)~(231±4)Ma,略低于大别—苏鲁造山带超高压变质作用时间。它们具有相对低的Th/U比值(0.1)、HREE含量、陡的MREE-HREE配分、负的Eu异常和低的δ18O值(-11.3%~0.9‰),包含石英和磷灰石包裹体。因此,这些锆石在深俯冲大陆地壳折返初期从交代流体中新生长。不论残留岩浆锆石还是交代生长锆石,其微量元素和Hf-O同位素组成都与寄主片麻岩明显不同,可见,交代流体不是直接来自寄主片麻岩,而是深俯冲大陆地壳的脱水流体。交代流体亦造成显性交代,形成角闪石、蛇纹石和绿泥石等交代成因矿物。总之,滕家橄榄岩经历了来自深俯冲大陆地壳在折返初期变质脱水形成的富水流体的交代作用。在大陆俯冲隧道的板块-地幔界面,这些地壳来源的流体不仅携带Zr和Si等化学组分,而且把深俯冲地壳来源的微小锆石颗粒迁移进入橄榄岩。因此,造山带橄榄岩通过化学迁移(溶解元素)和物理迁移(微小矿物颗粒)等机制记录了大陆俯冲带的壳幔相互作用。流体-橄榄岩反应是大陆俯冲带壳幔相互作用的基本机制。     

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