深俯冲陆壳岩石部分熔融与苏鲁超高压榴辉岩中长英质多晶包裹体的形成

在苏鲁超高压榴辉岩中, 石榴石和绿辉石包含两类长英质多晶包裹体. 第一类由钠长石、石英和少量钾长石组成; 第二类主要由钾长石和石英组成, 不含钠长石. 在超高压基性榴辉岩中, 长英质多晶包裹体的存在进一步表明: 在快速折返早期, 深俯冲大陆地壳物质发生过明显的云母(钠云母或多硅白云母)部分熔融作用, 形成含水的纯花岗质Na-K-Al-Si熔体. 这些熔体被重结晶的石榴石或绿辉石捕获, 发生脱水结晶作用, 形成含长石和石英的多晶聚合体. 长英质熔体的存在不仅导致流体中活动元素, 如大离子亲石元素(LILE), 而且是导致流体中不活动元素, 如高场强元素(HFSE)迁移的重要机制. 同时深俯冲大陆岩片的部分熔融作用有效地改变了岩石的物理性质, 是强化深俯冲岩石快速折返的重要因素之一.     

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.     

北秦岭含柯石英斜长角闪岩的发现及其地质意义

详细的激光拉曼光谱分析,在陕西丹凤县城东北部的秦岭岩群斜长角闪岩锆石中发现柯石英、绿辉石、石榴子石和金红石等多种矿物包裹体.柯石英具有典型的524 cm?1主峰以及270和151 cm?1次峰的拉曼光谱组合,绿辉石显示680 cm?1拉曼特征峰.柯石英、石榴子石和绿辉石显微包裹体的发现证明,丹凤斜长角闪岩应该是退变的超高压榴辉岩,变质的峰期压力2.8 GPa.利用LA-ICP-MS锆石原位U-Pb定年方法,结合锆石CL图像特征、显微包裹体分布和微量元素组成,得到丹凤含柯石英斜长角闪岩的峰期变质时代为496.9±2.5 Ma,并同时得到451.7±4和425.8±3.3 Ma两期叠加变质事件年龄.丹凤斜长角闪岩锆石包裹体中柯石英的发现以及年代学研究结果与前人在邻区斜长角闪岩锆石包裹体中微粒金刚石的发现和490.4±5.8 Ma峰期变质年龄的获得,以及秦岭岩群已有榴辉岩和超高压长英质片麻岩普遍获得的~500 Ma的峰期变质以及~450和~420 Ma的后期构造事件叠加完全一致,表明北秦岭构造带的秦岭岩群在~500 Ma的早古生代确实经历过超高压变质作用,存在巨量陆壳物质的深俯冲.     

深俯冲大陆地壳的部分熔融:大别造山带超高压榴辉岩中多相固体包裹体证据

在大别造山带双河地区中温超高压榴辉岩中,石榴石含有不同类型的多相固体包裹体,从纯石英到纯钾长石,以及钾长石+石英±其他硅酸盐(钠长石、斜长石、绿帘石、褐帘石或重晶石).这些多相固体包裹体以钾长石+石英为主,呈细晶交互生长结构,为自形至半自形且具有放射状爆裂纹,与石榴石或绿辉石中柯石英假象或柯石英包裹体类似.研究指示,在深俯冲陆壳折返早期,超高压岩石发生降压脱水乃至部分熔融,形成了这些富Si-K-Al的长英质熔体.采用原位LA-ICPMS分析技术,对长英质多相固体包裹体进行微量元素分析,分别采用外剥法和内剥法这两种方法,定量计算熔体微量元素组成.结果显示,两种方法给出了相似的微量元素组成,具有相对富集LILE,Sr和Pb,相对亏损HFSE的微量元素分布型式,与弧型岩浆岩的分布型式相近.熔体具有变化的K,Rb和Sr含量,说明可能是多硅白云母脱水引发部分熔融,继而形成具有长英质成分的多相固体包裹体.     

苏鲁超高压榴辉岩长英质多晶包裹体中盐类固体包裹体

在江苏东海超高压榴辉岩中,绿辉石中发育罕见的钾长石+石英+榍石和钾长石+钠长石+石英+绿帘石等多晶包裹体.这些包裹体和纯钾长石+石英多晶包裹体具有类似的结构.在钾长石+钠长石+石英+绿帘石多晶包裹体发现方块状和浑圆状氯化钾-氯化钠(NaCl-KCl)固体包裹体.在含钾长石多晶包裹体中发育盐类固态包裹体表明:在超高压变质期间或在超高压榴辉岩快速折返早期,存在富含Cl的钾质花岗质熔体,钾质熔体与石英(或柯石英)和绿辉石反应形成钾长石+石英?钠长石±榍石±绿帘石组合.含氯熔体的脱水干化作用导致氯化钠-氯化钾(NaCl-KCl)固体包裹体的形成.同时表明,发生深俯冲的大陆地壳物质可能发生过部分熔融,形成含氯的钾质熔体,促进保守元素(Ti,Hf等)的迁移.     

中国苏北预先导孔CCSD-PP2片麻岩中锆石的矿物包裹体及其超高压变质作用的证据

采用激光Raman及阴极发光技术，确认中国大陆科学钻探工程预选预先导孔CCSD－PP2几乎所有类型片麻岩中的锆石均保存典型的柯石英包体以及绿辉石、硬玉、石榴石、多硅白云母等矿物包体，表明片麻岩类岩石曾普遍经历了超高压变质作用，该成果对于重新探讨苏鲁超高压变质带的俯冲－折返机制和对中国大陆科学钻探工程的选址有重要的科学意义。     

新疆西南天山超高压变质带的空间分布、峰期变质时代和P-T轨迹特征

总结了近年来有关新疆西南天山超高压变质带研究取得的进展.根据新发现的柯石英矿物包体,结合以前报道的一些超高压变质矿物学证据,在西南天山蓝片岩-榴辉岩带中确定了长约80 km,宽10 km以上的超高压变质带,这是目前出露规模最大的洋壳岩石深俯冲超高压变质带,并确定了其由南向北的俯冲带极性.对含有柯石英的石榴石云母片岩中变质生长锆石边的定年,获得超高压变质时代为320±3.7 Ma,结合退变榴辉岩中获得的233-226 Ma变质边锆石的时代,确定了其退变过程经历了漫长的变质演化.根据详细的岩石学相平衡模拟计算,确定了西南天山含柯石英榴辉岩和石榴石多硅白云母片岩的P-T轨迹都具有热弛豫特征,即温度峰值期滞后于压力的峰值期,表明超高压变质岩石在俯冲通道中经历了缓慢的、长时间的升温减压抬升过程.根据少量的榴辉岩透镜体包裹于大面积的云母片岩中的野外产状特征,而且含柯石英榴辉岩和云母片岩都具有相似的P-T轨迹,提出了西南天山超高压变质榴辉岩的抬升可能是由于大面积的低密度的云母片岩抬升折返过程中把密度较大的榴辉岩携带到地表的新认识.     

南苏鲁超高压岩石含柯石英锆石中的流体包裹体

对锆石微区性质、显微结构、激光Raman测试及阴极发光图像的研究结果表明, 南苏鲁中国大陆科学钻探工程主孔片麻岩和退变榴辉岩中的锆石均保存了与柯石英等典型超高压矿物共存于同一变质增生锆石微区中的流体包裹体, 多数为CO₂(气)-H₂O(液)两相, 且以H₂O液相为主的流体包裹体, 少数为单一的H₂O液相流体包裹体, 表明苏鲁地体的榴辉岩及其围岩在超高压变质阶段并非处于“干体系”环境, 而是处在有流体参与的相对“湿体系”环境. SHRIMP定年结果显示, 含柯石英+流体包裹体的变质增生锆石微区的U-Pb年龄为233.7±4.3 Ma, 可能代表了苏鲁地体超高压变质峰期阶段至峰后降压初始阶段锆石生长时间. 其他锆石边的U-Pb年龄为213.2±5.2 Ma, 代表角闪岩相退变质过程中锆石增生的时间. 因此, 苏鲁地体超高压岩石折返过程中的流体活动主要出现在中晚三叠世, 不过在超高压阶段依然存在流体活动. 这些结果不仅为进一步深入探讨超高压变质过程中流体性质、演化以及流体-岩石相互作用机理提供重要的信息, 而且为今后在世界各地超高压岩石中准确识别原生流体包裹体提供了新的研究方法.     

1.5~3.0 GPa压力条件下多硅白云母榴辉岩的脱水熔融实验研究

以大别山东部碧溪岭超高压变质榴辉岩为实验样品, 使用活塞圆筒式高温高压装置, 在1.5~3.0 GPa, 800~950℃下进行封闭体系的脱水熔融实验. 结果表明: (1) 1.5~2.0 GPa下, 含5%多硅白云母榴辉岩的初始熔融温度(Tm)≤800~850℃, 熔融形成比例为3%的花岗质熔体; (2) 随着温度和压力变化, 榴辉岩中多硅白云母脱水熔融形成不同反应产物. 1.5~2.0 GPa和800~850℃下, 多硅白云母和黝帘石在亚固相下析出流体使岩石部分熔融, 蓝晶石形成斜长石反应边; (3) 随着温度升高, 多硅白云母与绿辉石、石英发生熔融反应, 形成更长石、蓝晶石和熔体, 更长石是多硅白云母在榴辉岩中主要的脱水熔融反应产物; (4) 1.5~3.0 GPa, ≥900℃的脱水熔融反应形成镁铝榴石分子较高(37.67%~45.94%)的新生石榴石; 在2.4~3.0 GPa, ≥900℃下, 反应产物中形成钾长石和硬玉, 代表反应体系处于更高压力下的流体不饱和状态. 实验初步约束了1.5~3.0 GPa下多硅白云母榴辉岩的脱水熔融固相线. 将实验结果与大别-苏鲁地区超高压榴辉岩的部分熔融特征相结合, 推断大别-苏鲁多硅白云母榴辉岩在折返过程中发生脱水熔融的压力和温度区间应为1.5~2.0 GPa, 800~850℃, 并指示超高压榴辉岩在不同变质相转变过程中可能经历了流体活动性明显不同的部分熔融过程.     

大陆深俯冲对邻区陆壳结构的影响与调整方式

华北克拉通东南缘胶北地体和蚌埠地区的中生代花岗岩具有相似的岩浆锆石和继承锆石U-Pb年龄分布.继承锆石主要为三叠纪和新元古代U-Pb年龄,它们不仅在U-Pb年龄上而且在Hf-O同位素组成上与苏鲁造山带变质岩的锆石相同,说明它们来源于俯冲的扬子陆块陆壳.一些花岗岩的岩浆锆石具有低的δ18O和相对较高且变化大的εHf(t)值,落在三叠纪和新元古代继承锆石的δ18O和εHf(t)组成范围内,说明它们主要来源于俯冲扬子陆块陆壳的部分熔融.由此可以判定,在华北克拉通东南缘深部陆壳中存在俯冲的扬子陆块陆壳,这些俯冲的扬子陆块陆壳参与到了中生代花岗岩的形成作用中.徐淮地区早白垩世高Mg#埃达克质岩石中发现的榴辉岩包体的形成条件为760-1060℃和1.50 GPa,指示了加厚陆壳的存在.这些榴辉岩捕虏体中变质锆石的U-Pb年龄介于219-227 Ma,表明榴辉岩相变质作用(即陆壳加厚的时间)发生在中晚三叠世,这与苏鲁-大别超高压变质的时代相吻合,暗示华北克拉通东南缘陆壳加厚过程应是扬子陆块俯冲于华北克拉通之下的结果.早白垩世高Mg#埃达克质岩石本身则是来源于拆沉陆壳物质的部分熔融随后与岩石圈地幔相互作用的产物.     

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.     

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.     

青岛仰口榴辉岩的Nd同位素不平衡及二次多硅白云母Rb-Sr年龄

退变质的青岛仰口含柯石英榴辉岩含两期白云母, 并以沿构造面理发育的二次多硅白云母为主. 由于退变质作用, 石榴石与退变质绿辉石以及二次多硅白云母之间均存在Nd, Sr位素不平衡. 因此多硅白云母 石榴石或含石榴石全岩给出的Rb-Sr年龄((193±4)~(195±4) Ma)高估了该白云母的形成时代. 二次多硅白云母与退变质绿辉石组合给出的较年轻Rb-Sr年龄 ((183 ± 4) Ma)可能更接近该云母的形成时代. 该年龄指示的是榴辉岩经历的退变质事件的时代而非超高压榴辉岩快速冷却至500℃ (白云母Rb-Sr封闭温度)的年龄, 这对文献中发表的类似白云母Rb-Sr年龄的解释有重要意义.     

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.     

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.     

超高压榴辉岩中金红石U-Pb年龄: 快速冷却的证据

对大别山南部超高压带内金河桥榴辉岩的金红石和绿辉石进行了U-Pb同位素分析,利用等时线法和依据绿辉石Pb同位素组成扣除普通Pb法获得了一致的高精度金红石U-Pb年龄(218±1.2)Ma.这表明低μ的绿辉石可以作为金红石普通Pb扣除的依据.另外,根据前人研究结果计算得到在快速冷却条件下金红石U-Pb体系封闭温度为(470±50)℃.这一结果证明218Ma代表超高压岩石冷却到470℃左右的时间,而非峰期变质时代.它证明大别山南部超高压岩石在峰期变质之后经历了一次快速冷却过程.     

苏鲁地体胡家林石榴橄辉岩中锆石SHRIMP U-Pb年龄及其地质意义

山东省日照市胡家林石榴橄辉岩产于苏鲁超高压变质带中, 其中的锆石主要为柱状和粒状(长/宽 = 1︰1.3~2.5), 晶型较好. 阴极发光(CL)和背散射(BSE)图像显示具岩浆成因的成分环带, Th/U比为0.99~2.81, 为岩浆成因的锆石特征. 14个点的锆石SHRIMP U-Pb年龄分析给出²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为207~223 Ma, 加权平均值为216±3 Ma, 与大别-苏鲁超高压变质岩片折返过程中角闪岩相退变质的时代一致. 石榴橄辉岩在随超高压变质岩片折返过程中被携带到地壳环境, 受到来自超高压岩片内部释放的流体交代, 锆石U-Pb年龄记录了交代所形成的熔体结晶时代. 因此, 深俯冲大陆板块折返过程中的流体释放可能是其中锆石生长的重要流体来源.     

阿尔金超高压花岗质片麻岩中锆石SHRIMP U-Pb定年及其地质意义

阿尔金英格利萨依超高压花岗质片麻岩中锆石阴极发光图像和包裹体矿物组合特征显示, 其内部结构为由核部岩浆残留部分、幔部变质增生部分和边部后期新生部分组成的核-幔-边三层结构．对其进行的离子探针(SHRIMP)U-Pb年龄测试结果表明, 位于锆石颗粒幔部的5个测点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄值为484±11~491±12 Ma, 对应Th/U为0.01~0.03, 加权平均年龄为487±10 Ma(2σ), 应代表该岩石的变质年龄; 位于锆石颗粒核部具岩浆生长环带部位测点的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄值介于809±19 Ma与885±21 Ma之间, Th/U为0.42~0.83, 对应于岩石的原岩岩浆结晶时代. 该岩石变质年龄(487±10 Ma)与阿尔金西段江格萨依榴辉岩峰期变质年龄(约500 Ma)的一致性, 以及其原岩岩浆结晶年龄介于809±19 Ma与885±21 Ma之间的确定, 不仅证实沿阿尔金南缘断续分布着一条超高压变质岩带, 而且进一步表明阿尔金超高压变质岩石是先存地壳物质在早古生代发生深俯冲作用的产物.     

大别山榴辉岩中超高压硬柱石脱水分解及其对俯冲带深部流体活动的制约

硬柱石在基性岩石中通常稳定在低温-(超)高压的条件下.它是控制俯冲板片吸水/脱水、俯冲带流体演化和微量元素迁移的关键矿物.目前对大陆俯冲带榴辉岩中硬柱石分解过程和相关流体-元素活动的研究还很有限.大别山超高压变质带港河地区含硬柱石假象榴辉岩及内部发育的绿辉石-绿帘石脉体是进行该项研究的理想样品.通过矿物化学分析、相平衡模拟和质量平衡分析,证实港河榴辉岩中早期存在过超高压硬柱石.硬柱石在650-680℃/2.8-3.0GPa的条件下发生分解,释放大量超高压富水流体.脱水过程导致榴辉岩体积收缩和局部水压破裂,形成大量裂隙.富水流体汇聚进入裂隙,溶解裂隙(脉体)周围榴辉岩中绿帘石、蓝晶石、石英、金红石和磷灰石等矿物,同时导致靠近流体榴辉岩中主微量元素发生不同程度地迁移.逐渐靠近流体,水/岩比增大,溶解的强度和元素迁移的程度逐渐越大.富集硅酸盐组分和微量元素的超高压流体在榴辉岩折返过程中结晶成绿辉石-绿帘石脉体,残余的高压流体此后渗透进入榴辉岩,形成晚期的多硅白云母和冻蓝闪石等富集水溶性元素的变斑晶含水矿物.     

北大别两期混合岩化作用: SHRIMP锆石U-Pb年龄证据

对北大别漫水河和凤凰关2个地区混合岩中的锆石进行了CL显微结构分析和SHRIMP法U-Pb定年. 漫水河混合岩中的锆石具有明显的核边结构, 核部锆石具有扇形分带或弱分带特征, 低的Th/U比值(0.01~0.17), 为变质流体中生长锆石, U-Pb年龄为(137±2) Ma; 边部锆石具有显示面状分带或云雾状分带特征, 高的Th/U比值(0.35~0.69), 为变质熔体中生长锆石, U-Pb年龄为(124±2) Ma. 凤凰关混合岩中的锆石同样具有核边结构, 核部锆石具有弱的岩浆环带或无分带特征, Th/U比值较高(0.21~3.03), 年龄为(768±12) Ma, 为经历不同程度重结晶作用的原岩岩浆锆石; 边部锆石则没有明显的分带特征, Th/U比值很低(0.01~0.09), 为变质流体中生长锆石, U-Pb年龄为(137±4) Ma. 这些结果表明, 大别山存在两期混合岩化变质事件, 早期(137±2) Ma事件以变质脱水为主, 而晚期(124±2) Ma事件出现部分熔融. 部分混合岩的原岩为新元古代中期, 与大别-苏鲁造山带超高压变质火成岩原岩年龄一致. 因此, 大别碰撞造山带山构造从挤压到伸展构造体制转换的最小时间为(137±2) Ma, 北大别混合岩化与同时期花岗岩和麻粒岩之间存在着成因联系, 它们都是俯冲加厚的扬子地壳部分熔融的产物.