高喜马拉雅黑云斜长片麻岩脱水熔融实验：对青藏高原地壳深熔的启示

通过对高喜马拉雅块状黑云斜长片麻岩进行高温高压实验-T = 770-1028℃, P = 1.0-1.4 GPa, 无外加自由水), 初步研究了脱水熔融过程和熔体结构; 模拟了高喜马拉雅淡色花岗岩的形成. 实验结果表明: （1) 即便在初熔状态下-熔融程度<5%), 熔体也主要以熔体薄膜的形式分布于矿物的相边界上, 熔体的连通性不仅取决于熔体结构, 还受到熔融程度的控制; （2) “脱水熔融” 实际包含了亚固相脱水作用、流体迁移、含水和缺水熔融等一系列子过程; （3) 实验产生出过铝的花岗质熔体, 其成分与高喜马拉雅淡色花岗岩成分相似, 残留相矿物组合为Pl + Qz + Gat + Bio + Opx ± Cpx + Ilm（Rut) ± （Kfs), 化学成分为中偏基性, 可与在喜马拉雅地区发现的麻粒岩对比. 实验证实黑云斜长片麻岩是喜马拉雅淡色花岗岩的源岩之一, 脱水熔融是形成高喜马拉雅淡色花岗岩和下地壳麻粒岩的重要方式, 并为确定源区的温压条件提供了实验约束.     

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.     

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.     

青藏高原安多高压基性麻粒岩的发现及其地质意义

在青藏高原安多微陆块中发现了高压基性麻粒岩,其峰期矿物组合为石榴子石+单斜辉石+石英+金红石.该高压麻粒岩经历了两期退变质作用,退变质矿物呈后成合晶产状,早期退变质矿物组合是Opx+Pl±Spl,晚期退变质矿物组成是Hbl+Pl.温度与压力计算表明,高压麻粒岩相峰期变质温度为860~920℃,压力为14.6~15.6kbar;早期退变质的形成温压为820~890℃和8.8~11.5kbar;晚期退变质条件为550~670℃和5.2~6.5kbar.其退变质作用P-T轨迹为顺时针型近等温降压到降温降压的过程,指示该麻粒岩经历了俯冲至深部地壳层位(~50km),之后又快速抬升到浅部地壳(~20km)的变质过程.该高压麻粒岩的形成可能与安多微陆块和羌塘地体中生代时期的弧-陆碰撞作用有关,这对探讨青藏高原的构造演化具有重要的意义.     

青海省乌兰县早古生代低压高温变质岩:柴北缘存在双变质带?

乌兰县二郎洞南侧一带的矽线石榴黑云斜长片麻岩矿物组合为石榴子石+黑云母+长石+石英+矽线石,是典型的低压高温高角闪岩相岩石.岩石学和矿物化学研究表明其峰期变质P-T条件为:T=677~696℃,P=0.349~0.419 GPa.LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得二郎洞南侧低压高温矽线石榴黑云斜长片麻岩的峰期变质年龄为450~483 Ma.研究区内同时期岛弧岩浆作用、混合岩化作用的存在,以及低压高温峰期变质的P-T条件,共同指示二郎洞一带低压高温高角闪岩相岩石形成于柴达木地块与祁连地块之间的原特提斯洋向北俯冲过程中,俯冲形成的岛弧岩浆侵入并加热大陆地壳,在该热异常强烈区内形成了低压高温高角闪岩相岩石.通过分析该套低压高温变质岩与柴北缘高压-超高压变质带内岩石的变质属性、峰期变质时代和大地构造位置关系,二郎洞地区低压高温高角闪岩相岩石可能与其南部柴北缘大洋俯冲阶段形成的高压变质岩构成了双变质带.     

华北古陆块北缘中段发现晚古生代退变榴辉岩

华北古陆块北缘中段的退变榴辉岩呈透镜状或团块状分布于古元古宙红旗营子群黑云斜长片麻岩之中, 峰值矿物组合为石榴石、绿辉石、金红石和石英等, 形成温度约680~730℃, 压力大于1.40~1.50 GPa. 早期的麻粒岩相退变质表现为绿辉石被钠质透辉石和斜长石的蠕虫状后生合晶所取代; 晚期的角闪岩相退变质以角闪石和斜长石的次变边和后生合晶以及保留辉石假象角闪石的存在为特征. 该退变榴辉岩的原岩为洋壳成因的拉斑玄武岩, 形成时代可能为438±11 Ma, 榴辉岩相变质时代为325±4 Ma, 极有可能是古亚洲洋洋壳发生榴辉岩相高压变质作用的产物. 它的发现对于探讨该地区的构造属性和演化以及古亚洲洋与华北古陆块的构造历史都具有十分重要的意义.     

汉诺坝下地壳-上地幔包体的岩石圈热动力学记录

对汉诺坝含石榴石下地壳-上地幔包体中主要矿物核部至边部的化学组成进行了详细的电子探针分析. 核部至边部的温度-压力变化表明麻粒岩包体记录了增温、增压作用; 核部温度>930℃的地幔包体表现出降温、降压特征, 核部温度<930℃的地幔包体的温度-压力变化不明显. 这些包体记录的最终压力主要为0.9~1.5 GPa. 个别麻粒岩包体向榴辉岩相过渡的岩石学特征可能属于增温、增压过程中麻粒岩向榴辉岩转变的中间产物. 综合已有研究, 我们认为这些包体记录的温度-压力变化反映了它们被玄武岩捕获前经历的一次重要的岩石圈减薄作用及之前的岩石圈加厚作用.     

藏南也拉香波穹隆早渐新世地壳深熔作用及其地质意义

藏南也拉香波穹隆位于近东西向展布的北喜马拉雅片麻岩穹隆(NHGD)最东端, 主要由石榴角闪岩、石榴云母片麻岩、花岗岩和淡色花岗岩组成, 提供了限定NHGD形成和演化的重要机会. SHRIMP锆石U-Pb地质年代学研究表明该穹隆中的淡色花岗岩形成于(35.3±1.1) Ma, 明显老于位于该穹隆以西类似的淡色花岗岩. 淡色花岗岩的全岩Sr和Nd同位素组成揭示该花岗岩是石榴角闪岩和变泥质岩混熔的结果, 其中角闪岩部分熔融起主导作用. 在喜马拉雅造山带早期岩浆作用中, 角闪岩脱水部分熔融作用要强于泥质片麻岩, 是促使藏南拆离系开始活动的主要因素     

干的基性大陆下地壳部分熔融: 对Ｃ型埃达克岩成因的制约

C型埃达克岩通常被认为是基性下地壳高压下石榴子石残留时的部分熔融产物, 其依据主要来自含水玄武质岩石在高压下部分熔融的实验结果. 但是因为大陆基性下地壳一般不含大量的水, 这些含水实验的结果不能用来说明干的下地壳的熔融过程. 由于目前尚缺乏关于干的基性岩石部分熔融的系统的实验数据, 本文用MELTs程序来模拟干的基性下地壳在1~2 GPa下的部分熔融. 模拟和实验资料均表明, 无论压力如何变化(1~3 GPa), 熔融比例超过20%时, 干的基性下地壳大比例部分熔融不能产生C型埃达克岩的高硅含量(~70%). 虽然1~2 GPa时, 文献中有限的几个干的基性岩石熔融实验结果显示, 低比例熔融(<10%)不能产生高硅的岩浆, 但是MELTs程序模拟显示压力高于1.8 GPa时, 如果熔体的SiO2含量主要由残留的石榴子石控制, 低比例熔融则可以产生少量高K₂O/Na₂O的英安质熔体. 模拟进一步说明, 压力低于1.8 GPa时, 大量斜长石在残留相的存在使得熔体的SiO2 (<62%)远远低于中国东部出露的高硅C型埃达克岩. 考虑到产生高硅熔体需要的高温和深度以及极端亏损重稀土的性质, 我们推测这种熔体很容易受到其他壳源岩浆的混染, 这可能导致在地表出露的真正的由榴辉岩熔融形成的C型埃达克岩非常有限. 高Sr/Y和La/Yb可以由包括石榴子石作用的多种因素(产生例如继承源区和单斜辉石分异), 因此用这两个指标判别是否为埃达克岩是有问题的. 我们提出强烈的中重稀土分异(例如高的Gd/Yb)以及高度右倾的稀土元素分配模式可能是判别石榴子石的作用以及埃达克岩的更好的指标. 另外, 由于熔体的Eu异常取决于源区性质, 岩浆体系的氧逸度, 以及斜长石和基性矿物之间的比例, Eu异常不能简单地用来指示斜长石在岩浆过程中的作用.     

熔体参与变质反应的高温高压实验研究

大多数麻粒岩区变质高峰期温度、压力与许多变质岩类(尤其是变泥质岩)脱水熔融、部分熔融的P-T条件重叠,而模拟变质过程脱水熔融、变质反应及其矿物相转变动力学过程主要     

花岗岩体系的失水熔融及其意义

Q-Ab-Or-An-H_2O 系的相平衡关系表明,花岗岩体系的熔融作用遵循矿物相消失所制约的固-液相平衡规律.然而,天然花岗岩开放体系的熔融作用,其初熔液相成分、矿物相消失顺序、液相成分随熔融程度的变化以及残余固相的成分变化等,均与花岗岩封闭体系截然不同.天然花岗闪长岩块状样品的熔融实验表明,初熔液相并不相当于花岗闪长岩体系的低熔点成分,而是 SiO_2含量很低的玄武质液相.同时随着熔融程度的增加,液相成分向着安山质、英安质、流纹质演化,残余固相趋向于超酸性.这一实验结果对岩浆起源以及地壳深部的物质组成和地壳结构的研究可能有新的启示.     

南阿尔金含假蓝宝石高压基性麻粒岩及其意义

含假蓝宝石的高压基性麻粒岩发现于南阿尔金的巴什瓦克地区, 在空间上与石榴橄榄岩伴 生, 并与后者一起呈透镜状分布在含蓝晶石的高压长英质麻粒岩中. 假蓝宝石与刚玉、尖晶石和富钙的斜长石组成后成合晶, 分布在石榴子石和辉石之间. 从反应结构和矿物成分推断, 这些含假蓝宝石的后成合晶为早期蓝晶石分解反应的产物. 同时, 这些后成合晶的形成还涉及到早期的石榴子石和单斜辉石. 因此, 早期的矿物组合为石榴子石+单斜辉石+蓝晶石+金红石, 并推断其形成的压力条件大于2.1 GPa, 温度在1000℃左右. 含假蓝宝石的后成合晶形成于近等温降压或略降温降压的条件下, 为岩石在折返或抬升作用过程中的产物.     

赣东北弋阳早古生代麻粒岩的发现及其地质意义

新发现于赣东北弋阳县南的麻粒岩是一个基性麻粒岩,具有石榴子石+斜长石+紫苏辉石+黑云母+磁铁矿的矿物组合,根据矿物成分变化和矿物的包含关系确定了峰前变质(M1)和峰期变质(M2).成岩格子和地质温压计计算限定了麻粒岩峰前变质的温压是830~870℃和~1.0 GPa,而峰期的变质条件是850~900℃和0.7~0.8 GPa,显示了一个近于等温降压的顺时针P-T-t轨迹.LA-ICPMS锆石U-Pb定年表明麻粒岩相变质作用发生在436 Ma,而其原岩可能形成于新元古代早期.结合已有的发现,本文指出华夏地块内发生的早古生代(加里东期)高级变质作用与碰撞造山带作用有关,很可能是扬子地块与东冈瓦纳大陆挤压碰撞的结果.     

阿尔金发现超高压(>3.8 GPa)石榴二辉橄榄岩

阿尔金含菱镁矿的石榴石二辉橄榄岩呈透镜体状与石榴石辉石岩和含榴长英质片麻岩伴生,一起出露在江格萨依东约100多公里处的元古界片麻岩中,它与西段江格萨依一带的榴辉岩共同构成阿尔金南缘高压-超高压变质带.岩相学研究揭示该岩石经历了复杂多阶段的变质演化,其中峰期变质矿物组合是由粗粒 Grt+Ol+Opx+Cpx±Mgs组成,该期Opx的 Al2O3含量很低（0.30％～0.66％）,估算的P-T条件为 3.8～5.1GPa和880～970℃.同时,考虑该期石榴石含有单斜辉石和金红石的棒状出熔物以及菱镁矿的外围分布有由白云石和斜方辉石构成的反应关系,表明该岩石经历了超高压变质作用.综合区域地质、同位素年代学和岩石化学资料,进一步结合柴北缘地区榴辉岩和片麻岩锆石中柯石英包体的发现,证实中国西北部存在一条被中-新生代阿尔金走滑断裂截切错移的巨型超高压变质岩带.     

高温条件下二云母片麻岩Vp特征: 壳内异常速度层的成因约束

报道了在400 MPa, 20~950℃条件下, 二云母片麻岩弹性波速度的温度响应及时间对测量数据影响的实验结果. 在600~800℃温度区间, 弹性波速度快速降低, 其原因至少与白云母的脱水和α-石英在相变为β-石英前弹性软化有关. 而在875℃之上, V_p快速上升反映出石英进入了相对高速的β-相. 在 950℃, 详细测量了弹性波速度与实验时间的关系. 结果表明, 在30 h之内片麻岩的波速随时间的增加而迅速下降, 下降幅度达到9.9%. 与之对应的是弹性波的振幅也快速衰减, 其幅度达到80%以上. 其后波速和振幅趋于稳定. 950℃时片麻岩弹性波波速和振幅随时间的变化反映出黑云母逐步脱水并最终趋于稳定的过程. 实验结果为认识大陆地壳地震波速度反转现象提供了有益的启示. 对于加厚的中-上地壳和高地温梯度环境(例如, 青藏高原南部), 石英的α-β 相变不可避免, 并且其相变前的弹性软化与白云母的脱水(脱水熔融)的温压区间重叠. 因此, 两者共同造成岩石弹性波速度的显著下降. 在低速层之下, α-β 石英相变有可能形成可被探测的高速薄层. 高速薄层的识别可以为确定地温梯度提供了精确的约束条件.     

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.     

干的基性大陆下地壳部分熔融:对C型埃达克岩成因的制约

C型埃达克岩通常被认为是基性下地壳高压下石榴子石残留时的部分熔融产物,其依据主要来自含水玄武质岩石在高压下部分熔融的实验结果.但是因为大陆基性下地壳一般不含大量的水,这些含水实验的结果不能用来说明干的下地壳的熔融过程.由于目前尚缺乏关于干的基性岩石部分熔融的系统的实验数据,本文用MELTs程序来模拟干的基性下地壳在1～2GPa下的部分熔融.模拟和实验资料均表明,无论压力如何变化(1～3GPa),熔融比例超过20%时,干的基性下地壳大比例部分熔融不能产生C型埃达克岩的高硅含量(～70%).虽然1～2GPa时,文献中有限的几个干的基性岩石熔融实验结果显示,低比例熔融(10%)不能产生高硅的岩浆,但是MELTs程序模拟显示压力高于1.8GPa时,如果熔体的SiO2含量主要由残留的石榴子石控制,低比例熔融则可以产生少量高K2O/Na2O的英安质熔体.模拟进一步说明,压力低于1.8GPa时,大量斜长石在残留相的存在使得熔体的SiO2(62%)远远低于中国东部出露的高硅C型埃达克岩.考虑到产生高硅熔体需要的高温和深度以及极端亏损重稀土的性质,我们推测这种熔体很容易受到其他壳源岩浆的混染,这可能导致在地表出露的真正的由榴辉岩熔融形成的C型埃达克岩非常有限.高Sr/Y和La/Yb可以由包括石榴子石作用的多种因素(产生例如继承源区和单斜辉石分异),因此用这两个指标判别是否为埃达克岩是有问题的.我们提出强烈的中重稀土分异(例如高的Gd/Yb)以及高度右倾的稀土元素分配模式可能是判别石榴子石的作用以及埃达克岩的更好的指标.另外,由于熔体的Eu异常取决于源区性质,岩浆体系的氧逸度,以及斜长石和基性矿物之间的比例,Eu异常不能简单地用来指示斜长石在岩浆过程中的作用.     

地幔通道流:青藏高原大规模生长的深部机制

地处喜马拉雅造山带后陆区的青藏高原,其成因与生长一直存在争议.基于前人资料和我们的综合研究发现,西起西昆仑,东经北羌塘和昆仑山口,向南折向芒康-大理,直抵红河-哀牢山,发育一条跨越青藏高原不同构造单元的长达数千公里的巨型高热流带,并显示由高原内部向东北部边缘迁移之势.沿此巨型高热流带,岩石圈地幔部分熔融产生的钾质镁铁质岩-煌斑岩群(42～32 Ma)和钾质碱性岩-碳酸岩(27～7 Ma)、软流圈减压熔融产生的洋岛玄武岩(ocean island basalts, OIB)(16～1 Ma),以及中下地壳熔融产生的钾质长英质岩(40～0.3 Ma)呈群聚式断续展布;以峰期麻粒岩相变质为特征的高温深变质带与大型走滑断裂带(40～17 Ma)相伴发育;下地壳麻粒岩包体具有高达800°C的变质温度,地幔橄榄岩包体显示地幔垂直流动特征;地球物理探测所揭示的6个大型低速异常体呈群聚式、等间距、断续式展布.我们提出:印度大陆岩石圈地幔俯冲触发了亚洲大陆软流圈涌动,后者沿后陆区若干地幔通道垂直上涌,热蚀并吞噬地幔岩石圈,直抵地壳底部.这些"地幔通道流"源于400 km深处,形成于晚(硬)碰撞以来(≤40 Ma),不仅为维持青藏高原隆升提供了深部热能,而且为高原地壳生长输送了新生幔源物质,同时引发中下地壳塑性流变和侧向流动,并驱动青藏高原向北东方向侧向生长.     

大别-苏鲁造山带超高压变质岩矿物水含量和氢同位素组成

将热分解元素分析仪(TC/EA)与同位素气体质谱仪(MS)连接起来,建立了TC/EA-MS在线连续流方法,分析了大别-苏鲁造山带超高压变质岩中矿物的水含量和氢同位素组成.采用分步加热方法,研究了石榴石中不同形式水(分子水和结构羟基)的含量和氢同位素组成.通过对若干典型露头超高压变质岩进行系统的矿物氢同位素和水含量测定,认识到在深俯冲板块折返过程中,超高压片麻岩能够比榴辉岩释放出更多的水.在榴辉岩和片麻岩接触带的降压脱水,释放的水会从片麻岩进入榴辉岩从而导致邻近片麻岩的榴辉岩发生显著的水化.通过测定榴辉岩中矿物最高水含量,得到石榴石和绿辉石在峰期超高压条件下所能溶解的最大水含量分别约为2500和3500 ppm.     

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.