大陆俯冲隧道过程:大陆碰撞过程中的板块界面相互作用

研究俯冲带过程是发展板块构造理论的关键.板块界面相互作用是实现地球表层与内部之间物质和能量交换的基本机制.将俯冲隧道模型拓展到大陆碰撞造山带,能够透视大陆俯冲带构造过程及其产物.由长英质到镁铁质岩石组成的大陆地壳于不同深度从大陆岩石圈上部拆离并迁移进入大陆俯冲隧道,由橄榄岩组成的大陆岩石圈地幔楔底部也受到俯冲板片刮削进入俯冲隧道.大小不同的地壳和地幔碎块在俯冲隧道中受到角力流作用向上或向下运动,导致它们经历不同程度的变质作用,并伴有不同程度的变形乃至局部深熔.在俯冲隧道中壳源岩石与幔源岩石之间发生机械混合,结果形成了超高压变质混杂岩.它们在折返到地壳层位时与低级变质岩拼合到一起,形成构造混杂岩,结果在同一造山带出露有不同变质程度的岩石.俯冲陆壳基底花岗岩和上覆沉积物衍生的熔/流体与上覆大陆岩石圈地幔楔橄榄岩之间发生化学反应,实现了大陆俯冲隧道中的壳幔相互作用.超高压变质岩原岩性质支配了碰撞造山带的类型、超高压变质地体的大小和折返速率.     

发展板块构造: 从洋壳俯冲到大陆碰撞

大陆地壳深俯冲与超高压变质的研究不仅带动了中国固体地球科学的发展, 而且为发展板块构造理论提供了契机. 根据俯冲地壳的性质, 已经认识到俯冲和碰撞分别以两种类型出现. 就地壳俯冲来说, 存在洋壳俯冲型(例如太平洋周边)和陆壳俯冲型(例如阿尔卑斯造山带). 就大陆碰撞来说, 则存在弧-陆碰撞型(例如喜马拉雅和青藏造山带)和陆-陆碰撞型(例如大别-苏鲁造山带). 大陆俯冲带深部化学变化与差异折返、洋壳俯冲与陆壳俯冲之间的时空转换, 将是今后一个时期大陆动力学研究的重点.     

深俯冲大陆板块折返过程中的流体活动

与洋壳俯冲过程中释放大量流体引起同俯冲岛弧岩浆作用、形成石英脉和变质矿床等现象相比, 陆壳俯冲过程以相对缺乏流体为特征. 但是在深俯冲陆壳的折返过程中, 含水矿物分解、原生包裹体爆裂和结构羟基出溶能够产生可观的含水流体, 成为碰撞造山带变质作用、岩浆作用乃至成矿作用研究的重要目标之一. 根据对大别-苏鲁造山带超高压变质岩中流体活动程度和总量的研究, 发现深俯冲陆壳折返过程中的流体活动具有如下效应: (1) 弥散式流体流动导致广泛的角闪岩相退变质; (2) 隧道式流体流动在榴辉岩内部形成高压石英脉; (3) 聚集式流体流动引起上覆岩石部分熔融, 在造山带内部形成同折返岩浆岩. 由超高压矿物降压释放羟基所形成的含水流体以低盐度为特征, 并且能够形成弥散式或隧道式流体流动. 因此, 研究超高压岩石折返过程中的流体活动, 不仅对于认识陆陆碰撞造山带的地球动力学过程, 而且对理解壳幔物质再循环及其有关的岩浆作用具有重要意义.     

大洋型超高压变质带的地质特征及其研究意义: 以西南天山、柴北缘超高压变质带为例

在总结洋壳深俯冲超高压变质带的基本地质特征的基础上, 较深入地论述了洋壳深俯冲超高压变质作用研究意义和存在的问题. 大洋型超高压变质带的基本特征是以典型的洋壳组合的原岩建造为特征, 其变质作用峰期温度较低属于低温榴辉岩相范围, 在递进和退变过程中出现蓝片岩相变质过程, 具有低的、冷俯冲带的地热梯度, 并且在岩石组合方面常常与蛇绿岩带伴生. 大洋型超高压变质带的深入研究对于建立冷俯冲带变质反应系列, 探讨俯冲带的水流体是如何被带到地幔深处以及建立冷俯冲带超高压变质作用类型都具有重要意义. 深俯冲超高压变质洋壳岩石抬升、折返机制的研究是目前超高压变质作用研究最具挑战性的问题之一, 其深入研究对于探讨超高压变质作用发生机理、建立更加广泛的超高压变质岩石抬升、折返机制具有重要意义; 洋壳深俯冲超高压变质岩作为俯冲到地幔深度又折返到地表的岩石, 见证了俯冲与折返的全过程, 是研究俯冲变质带中元素地球化学行为及其物质循环的最理想场所之一; 洋壳俯冲到陆壳俯冲-碰撞是俯冲碰撞造山带形成演化的基本方式, 也是目前板块构造理论研究的前沿领域. 同时, 对中国西部西南天山和柴北缘2个具有洋壳深俯冲特征的超高压变质带研究现状和存在的问题也展开了讨论.     

大陆俯冲带岩石差异变质脱水和部分熔融:以苏鲁造山带超高压正片麻岩为例

对苏鲁造山带桃行地区2个代表性的花岗质超高压正片麻岩进行了综合的锆石学和岩石学研究,结果对大陆俯冲带深部变质脱水和部分熔融这2个重要地质过程发生的温压条件和时空关系提供了制约.样品1中锆石记录了大陆俯冲过程中在236±5 Ma的中温榴辉岩相变质作用和折返过程中223±3 Ma的高温深熔作用,而样品2中锆石记录了大陆俯冲过程中237±3 Ma低程度中温深熔作用和贯穿整个碰撞造山过程的低温脱水作用.2个样品中的石榴石也显示了不同的结构和组成变化,给出了与锆石一致的P-T记录,指示大陆俯冲隧道中流体活动对锆石和石榴石生长的作用.这2个样品在地表相距仅百米,具有基本一致的岩石化学组成,但在陆壳碰撞过程中具有明显不同的P-T轨迹,说明它们在陆壳俯冲和折返过程中,处在陆壳板片的不同位置,并最终导致它们变质脱水和部分熔融行为的差异.     

北喜马拉雅片麻岩穹窿始新世高级变质和深熔作用的厘定

厘定喜马拉雅造山带早期变质和深熔作用的时限和性质有助于理解大型碰撞造山带早期下地壳物质的物理和化学行为.雅拉香波穹窿位于北喜马拉雅穹窿的最东端,穹窿内发育3种地质产状、矿物组成和地球化学特征不同的角闪岩和多种片麻岩.SHRIMP锆石年代学测试结果表明:石榴角闪岩和黑云母花岗质片麻岩的近峰期变质作用分别发生在45.0±1.0和47.6±1.8Ma,比石榴角闪岩部分熔融的时间(43.5±1.3Ma)早2～4Ma.结合已有的研究结果,在北喜马拉雅带内,榴辉岩相变质作用发生在大约55Ma,高角闪岩相-麻粒岩相变质作用发生在45～47Ma,与增厚地壳条件下部分熔融相关的变质作用发生在43.5±1.3Ma,同时形成具有高Sr/Y比值的二云母花岗岩.位于北喜马拉雅带的高级变质岩代表了俯冲印度大陆地壳的前锋,不同位置保存的变质历史存在明显的差异.在大型碰撞造山带内,地壳缩短增厚的过程中,易熔组分可发生部分熔融,形成高Na/K比和Sr/Y比的花岗质熔体,明显不同于快速折返-减压部分熔融作用形成的熔体.     

俯冲陆壳内部的拆离和超高压岩石的多板片差异折返: 以大别-苏鲁造山带为例

对国内外学者关于大陆碰撞过程中深俯冲陆壳的折返机制模型进行了简要评述, 并以大别-苏鲁造山带为例, 对大陆碰撞过程中俯冲陆壳内部在不同深度发生多层次地壳拆离解耦并呈多板片差异折返的关键证据进行概括. 这些证据包括: (1) 大别-苏鲁超高压带北侧分布的具有华南陆壳特征, 部分经历过三叠纪变质的浅变质岩片, 它们显示了陆壳俯冲开始阶段其上部地壳与下部基底岩石的解耦; (2) 大别-苏鲁高压-超高压带均由若干高压-超高压岩片组成, 这些岩片由南至北变质程度逐步加深、峰期和退变质时代逐步变年轻; (3) 苏北大陆科学钻探揭示了超高压变质带在垂向上也是由若干岩片组成, 上部岩片具有高放射成因Pb, 下部岩片具有低放射成因Pb, 反映了俯冲陆壳在不同深度的解耦和折返. 俯冲陆壳内部的拆离解耦和差异折返, 主要是由于大陆地壳上、下不同部位岩石组成的差异导致的力学性质差异和壳内古断层带作为流体通道而被弱化的结果. 该模型的建立, 突破了陆壳整体俯冲与整体折返的传统模式, 揭示了陆壳俯冲与洋壳俯冲的主要区别. 在此基础之上, 提出了有待于进一步研究的若干重要科学问题.     

大别-苏鲁造山带橄榄岩的变质和交代过程

详细的岩石学研究表明,大别-苏鲁造山带橄榄岩和辉石岩记录了俯冲带之上地幔楔的交代和变质信息.在苏鲁芝麻坊石榴二辉橄榄岩中识别了七期变质矿物组合,反映了大陆俯冲-碰撞-折返过程中多期的变质和交代作用.大别毛屋石榴斜方辉石岩同样保存了大量的交代结构,高Ni和富集轻稀土(LREE)的斜方辉石核部包裹了早期原岩橄榄石,表明它是俯冲地壳熔/流体与原岩橄榄石在超高压条件下反应的产物.毛屋石榴斜方辉石岩记录了六期变质作用,对应了岩石从浅部地幔楔沿俯冲隧道进入深部地幔楔,最后随陆壳岩石折返回浅部地壳的全部过程.其中石榴石变斑晶核部包裹了大量的以含水矿物为主的角闪岩相多相包裹体,具有高XMg和Ni含量,并富集大离子亲石元素(LILE)和LREE,表明它们是早期岩石在浅部地幔楔与地壳流体交代的产物.角闪岩进入深部地幔楔经历高压和超高压变质,早期含水矿物完全脱水分解,形成超高压石榴斜方辉石岩,释放LILE和LREE富集的流体进入上覆高温地幔楔,从而导致高温地幔楔发生部分熔融并产生岛弧岩浆.     

大别山腹地浅变质岩层中富硅凝灰岩Ar-Ar年龄及其地质意义

大别-苏鲁造山带内部出露的浅变质岩与超高压变质围岩之间的成因关系是研究大陆板块俯冲过程中地壳拆离的重要对象之一. 本文通过对大别山岳西县菖蒲地区产于超高压带内浅变质岩层中富硅凝灰岩进行40Ar/39Ar定年, 得到与超高压变质火成岩原岩一致的两组新元古代年龄. 一组Ar-Ar坪年龄为784.4±2.0 Ma, 等时线年龄为785.0±4.7 Ma; 另一组坪年龄为770.9±2.0 Ma, 等时年龄为769.5±3.1 Ma. 由于火山岩Ar-Ar同位素体系具有低的扩散封闭温度, 这些新元古代Ar-Ar年龄的保存说明, 浅变质火山岩未受到三叠纪超高压变质事件的明显影响, 因此在扬子板块向华北板块俯冲过程中并未发生深俯冲, 而是大陆板块俯冲过程中盖层与基底之间发生拆离后被刮削下来的构造残片. 浅变质岩与超高压变质岩之间的共存指示, 深俯冲岩片折返过程能够导致构造混杂现象.     

超高压变质作用：地球科学的新热点

超高压质作用是变质压力达2.5Gpa 以上的超深变质作用。以出现柯石英、金刚石等超高压变质矿物为标志。我国大别苏鲁是世界上出露最好、延伸最长的超高压变质带。代表中晚三叠纪扬子陆块向中朝陆块深俯冲过程中巨量陆壳物质曾经进入地幔深度达150Km.超高压变质的形成和折返、隆升岩石记录的精细研究，可以获得变质的PT轨迹，进而重塑“先挤压、后拉张”的构造演化模型。超高压变质作用的研究为板块构造理论在大陆的应用，展开新前景，已经成为地球科学的新热点之一。     

大陆俯冲带流体活动和元素迁移:大别-苏鲁超高压变质岩和变质脉的研究

大别-苏鲁超高压变质岩和变质脉的岩石学及地球化学研究表明,在大陆俯冲带流体-岩石反应过程中,伴随着显著的元素迁移和同位素分馏.大别-苏鲁造山带高压脉中单矿物(如金红石和多硅白云母)具有明显的生长环带,指示变质脉是流体-岩石相互作用的结果.较高的流体/岩石比和强烈的二者相互作用是导致Nb-Ta迁移和分异的主导因素.对中国大陆科学钻探主孔石榴橄榄岩、榴辉岩和变质脉的Li和B同位素地球化学研究,表明在陆壳深俯冲和折返过程中Li和B发生了明显的分馏且表现出不同的地球化学行为.富集Si,Al,Na,LILE(如Rb,Ba和Sr)和HFSE(如Nb,Ta和Ti)的高压变质脉的存在以及不同岩性接触带高度变化的地球化学特征指示,在峰期超高压变质条件下可能形成了超临界流体,它对微量元素的迁移起到了非常重要的作用.     

大陆俯冲带壳幔相互作用的碰撞后镁铁质岩浆岩记录

对大别-苏鲁造山带和华北陆块东南缘中生代碰撞后镁铁质岩浆岩进行详细的同位素年代学和地球化学研究,结果显示出弧型微量元素分布特征、富集的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成和异常的锆石18O值.尤其特别的是,大别造山带部分镁铁质岩浆岩具有低的锆石18O值并含有新元古代和三叠纪U-Pb年龄的残留锆石,这是区分俯冲华南陆块与上覆华北陆块的鉴定性特征.这些特征指示它们来源于造山带岩石圈地幔的部分熔融.在三叠纪大陆碰撞过程中,来源于俯冲华南陆壳的长英质熔体与上覆华北岩石圈地幔橄榄岩反应,形成了富集的造山带岩石圈地幔.根据某些特定的微量元素比值如Ba/Th,Sr/Rb和(La/Yb)N等,可以厘定出卷入大陆俯冲隧道壳幔相互作用的陆壳物质既有俯冲陆壳基底,也有上覆沉积盖层.因此,碰撞造山带以及上覆陆块边缘的碰撞后镁铁质岩浆岩为大陆俯冲带壳幔相互作用提供了岩石学和地球化学记录.     

超高压岩石中矿物显微出溶结构研究进展、面临问题与挑战

造山带岩石中一些矿物显微出溶结构的深入研究, 不仅成为识别其赋存岩石是否经历超高压变质的标志之一, 而且在了解超高压岩石俯冲深度及其动力学演化过程等研究方面发挥着重要作用. 然而, 如何区分认定某些矿物的显微结构是“出溶结构”还是“非出溶结构”, 并准确解析这些显微结构的地质内涵是目前超高压研究亟待解决的科学难题之一. 从矿物出溶作用的基本概念出发, 依据前人关于超高压与超深地幔岩石中一些矿物出溶结构的研究成果, 本文强调应从出溶矿物精细的几何学特征以及出溶前后矿物之间化学成分是否一致两个方面的研究, 综合分析判别一些矿物的显微结构是“出溶结构”还是“非出溶结构”; 进一步强调提出解析矿物出溶结构能否作为超高压变质的标志及其指示的温压环境等地质内涵的关键, 是要加强对出溶母体矿物在高温高压条件下的晶体化学行为及其分解与变化规律的全面深入的了解; 同时提出: 把高温高压实验与天然岩石样品中的显微结构观察以及多种矿物微区分析测试手段有机结合, 深入开展对造山带岩石中发现的各种矿物的显微出溶结构的研究, 不仅对深化超高压变质作用以及大陆深俯冲研究提供重要信息和关键性的约束条件, 而且有望对陆壳深俯冲以及引发的壳幔交换作用等固体地球科学重要问题提供新认识.     

大别山碰撞造山带基本结构

碰撞造山带理论和模式已成为大陆动力学研究的热点, 大别山造山带是我国南北地块的接合带,以其诸多特色,尤其暴露造山带根带极难得的剖面,吸引了众多的国内外地质学家,然而,目前对大别造山带的碰撞过程,造山带结构及深部地质了解甚少,1991年由地质矿产部第一综合物探大队实测的安徽六安-江西瑞昌大地电磁测深剖面,成为第一条横穿大别造山带的地球物理剖面,提供许多深部信息,对已有造山带地质模型予以检验。     

大别造山带深部地缝合线与地表地缝合线的解耦及大陆碰撞岩石圈楔入模型: 中生代幔源岩浆岩Sr-Nd-Pb同位素证据

中国东部华北和华南陆块的中生代镁铁质岩浆岩的Nd-Pb同位素存在显著差异 华北陆块中生代幔源岩浆岩的εNd值可低至-15～-21, 206Pb/204Pb<17.9, 而华南陆块的εNd值>-10, 206Pb/204Pb>18.3. 大别造山带北部发育的中生代辉石-辉长岩的εNd值可低至-19, 206Pb/204Pb<17.3. 这说明北大别带深部岩石圈的地球化学特征与华北陆块岩石圈类似, 而不同于华南陆块. 因此, 虽然大别造山带华北与华南陆块地表地缝合线位于北大别带北侧, 但是切割中国东部的中生代深部岩石圈Nd同位素剖面显示其深部地缝合线应位于北大别带以南. 这与前人建议的郯庐断裂以东深部地缝合线南移现象是一致的, 但与华南陆块地壳向北俯冲相矛盾. 这一深部地缝合线与地表地缝合线的解耦现象可以用大陆碰撞岩石圈楔入模型来解释. 俯冲板片断离后, 两陆块的持续会聚可形成缝合带的强挤压环境, 从而导致已折返的俯冲陆壳与未折返的镁铁质下地壳及岩石圈地幔分离, 并使华北陆块下地壳及岩石圈楔入扬子陆块北缘俯冲陆壳和岩石圈地幔之间. 这一构造作用导致华南陆块原俯冲陆壳向北仰冲, 而华南陆块深部岩石圈向华北陆块下俯冲. 它是导致大别山侏罗纪超高压变质岩的第2次快速抬升和岩石圈拆离(delamination)及相应岩浆作用的重要构造机制. 大别-苏鲁造山带深部地缝合线南移也为早白垩纪沿长江中下游一带发生的大规模中生代岩浆-成矿作用创造了深部构造条件.     

横过西昆仑造山带与塔里木盆地结合带的深地震反射剖面

横过西昆仑造山带与塔里木盆地结合地带的深地震反射剖面，揭示出青藏高原西北缘山－盆结合地带地壳与上地幔顶部的精细结构，发现了青藏高原西北缘岩石圈向北俯冲，并与向南俯冲的塔里木岩石圈在西昆仑山下相碰撞的证据。这种大陆岩石圈相向俯冲碰撞图像，确定了西昆仑山与塔里木盆地岩石圈尺度的耦合关系，反映出陆内大陆－大陆的碰撞过程。     

通化地区印支期花岗岩锆石U-Pb年龄及其与大别-苏鲁超高压带碰撞造山作用之间的关系

应用颗粒锆石U-Pb法, 对出露于吉林省南部通化地区的岔信子岩体、小苇沙河岩体和龙头岩体进行了侵位年代测定, 确认它们形成于印支期, 年龄为203~217 Ma. 地质与地球化学研究显示, 该时期形成的岩体主要包括石英闪长岩和花岗岩两大岩石类型, 前者来自于基性下地壳或者岩石圈地幔的部分熔融; 而后者来源于加厚地壳的部分熔融, 且岩浆源区存在石榴石残留相. 尽管上述两类岩石的源区不同, 但它们具有完全一致的形成年龄. 由于这些花岗岩与北侧兴蒙-吉黑造山带中的同期岩石性质差别较大, 而其年代仅比大别-苏鲁超高压变质作用的年代晚10~20 Ma左右, 与超高压变质岩的第1次快速折返和碰撞后花岗岩的年代一致, 推测其形成应与大别-苏鲁超高压碰撞造山带作用有关.     

大别造山带周缘盆地发育及其对碰撞造山过程的指示

大别造山带中生代构造演化是国内外高度关注的热点问题之一, 尤其是周缘中生代沉积盆地如何记录这一经历了强烈俯冲消减和巨量剥蚀的造山带构造演化更为引人瞩目. 近年来, 通过周缘盆地沉积学分析, 并结合构造变形研究, 认为大别造山带南北边缘从晚三叠世至早白垩世遭受挤压逆冲, 从而控制外缘前陆盆地发育, 而其核部自侏罗纪至早白垩世逐步发生伸展变形、穹隆和裂陷, 直至在晚白垩世之后造山带全面塌陷, 总体上造山带呈现出长时期的挤压逆冲, 伸展自核部向边缘不断扩展、增强, 挤压与伸展在地壳尺度上并存(J-K₁)的构造演化特征; 大别造山带核部超高压变质岩揭顶年代自东向西依次为早侏罗世至晚侏罗世, 其剥露深度从西至东不断加大; 造山带剥露的深层次轴部变质杂岩为北侧合肥盆地提供主要物源, 而南侧中扬子盆地的物源可能主要来自于造山带南部盖层岩石及现已被逆冲掩盖的、并与勉略缝合带相关的地层. 动力学分析表明, 华北与华南板块之间受沿商丹和勉略缝合带拼合碰撞作用及其之后的江南褶皱逆冲带自南东向北西推进、华北板块南缘沿秦岭北界断裂向南的陆内俯冲的叠加影响, 导致大别造山带逆冲增厚及之后的核部重力扩展、均衡隆升, 从而导致高压/超高压变质岩多期剥露. 未来从周缘沉积盆地揭示大别造山带造山过程方面的研究应强调进一步探索勉略缝合带的东延、大别造山带高压/超高压变质地体对华南北缘不同地质单元和盆地的掩盖及盆地同沉积期源区构造面貌及其东西延展、大别造山带盖层和基底岩石的巨量剥蚀及其流向、恢复大别造山带内部俯冲消减和被剥蚀的构造单元等.     

大陆深俯冲的矿物学证据

金刚石是反映超高压变质条件的关键指示矿物, 尤其是它在榴辉岩相岩石中的产出, 证明这种岩石已经受到了大于3.3 GPa压力的超高压变质作用. 按正常的静岩压力梯度计算, 对应的深度可达120 km以上. 由于超高压榴辉岩通常是玄武质岩石随板块俯冲到地幔深度后的变质产物, 金刚石在榴辉岩中的产出证明地壳岩石通过板块俯冲进入上地幔深度, 然后又折返回到地表, 经历了一个完整的地球动力学循环......     

大陆造山过程的多期演化: 以西大别为例

大陆碰撞造山带的形成和演化是汇聚板块边缘的重要特征, 其形成和演化大多经历了复杂的过程. 以西大别为例, 利用锆石成因矿物学、U-Pb年龄和Hf同位素组成特点等, 结合区域地质情况, 对造山带的多期演化提供了较为重要的制约. 结果得到, 浒湾地区洋壳的形成时间约为400~430 Ma, 稍晚于北秦岭与华北的碰撞时间, 可能是碰撞后扬子板块北缘伸展作用形成的边缘盆地. 浒湾地区榴辉岩相变质作用峰期发生在约310 Ma的石炭纪, 浒湾地区洋壳初始抬升时间约为270 Ma. 新县和红安地区榴辉岩的原岩时代和性质与大别-苏鲁其他地体一致, 超高压变质作用也发生在中三叠纪, 并经历了多阶段的抬升作用过程, 应该是大别-苏鲁造山带的西延部分. 因此, 秦岭-大别-苏鲁地区是一个典型的多阶段复合型造山带, 其聚合过程可能持续了200 Ma以上.