大陆深俯冲带中的水: 来自大别山超高压榴辉岩的证据

采用Ｆｏｕｒｉｅｒ变换红外光谱（ＦＴＩＲ）研究了大别山碧溪岭和双河地区超高压榴辉岩主要矿物中结构水在３０００～４０００ｃｍ＾－１波段的红外光谱特征和含量。研究表明,超高压榴辉岩中绿辉石是最主要的结构水载体矿物（１００～２００μｇ／ｇ）;石榴石和石英基本不含或仅含微量的水;副矿物金红石可以含大量的结构水（〉１０００μｇ／ｇ）;柯石英不显示结构水的特征峰,但存在明显的分子水特征谱。研究成果为大别东部大     

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.     

大别山超高压变质带中钠铝云母的发现

钠铝云母是一种罕见的三八面体云母类矿物,它产在石英硬玉岩中,与斜长石,绿闪石,磁铁矿等一起构成退变矿物组合,计算获得钠铝云母的形成温度为６００～６２０℃（压力选择１．０～１．５ＧＰａ）说明钠铝云母质是榴辉岩相岩石降压退变至高级角闪岩相对出现的典型矿物。     

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.     

大陆碰撞过程中地壳深熔的岩石学证据:以苏鲁造山带超高压变质岩为例

岩石学显微结构证据表明,苏鲁造山带西南部超高压变质岩石经历了不同程度的深熔作用.在花岗片麻岩和石英岩中识别出结晶自深熔熔体的锆石,其U-Pb年龄集中在220±2 Ma.少量深熔锆石含有柯石英包裹体,U-Pb年龄主要集中在224±2 Ma,部分与含较低压矿物包裹体的锆石域类似.因此,深熔作用开始于早期折返阶段,部分仍处于超高压变质域.折返过程中多硅白云母脱水熔融是这些岩石发生深熔的主要机制.黝帘石榴辉岩的石榴石和绿辉石中发现了由石英+斜长石±钾长石±重晶石组成的多相固体包裹体.它们具有高钠和变化的钾含量,可能是榴辉岩中黝帘石和多硅白云母脱水分解诱发部分熔融形成,同时深熔过程中有大量绿辉石的参与.超高压变质岩石在地幔深度的部分熔融,可能促进了深俯冲陆壳在俯冲隧道内部的快速折返.     

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.     

阿尔金榴辉岩中超高压变质作用证据

阿尔金榴辉岩中石榴石具有大量特征结构的多晶石英包体，显示了峰期条件下柯石英存在的可能性。榴辉岩中绿辉石和磷灰石矿物中的出熔结构以及含多硅白云母榴辉岩的温度、压力计算，为阿尔金榴辉岩中超高压变质作用的存在提供了进一步的证据，结合在柴北缘地区榴辉岩围岩中柯石英的确定，确定在中国西部存在一条被巨型走滑断裂（阿尔金断裂）所切割的超高压变质带。     

阿尔金山西段榴辉岩的确定及其地质意义

继车自成等在阿尔金山东段贝克滩一带发现高压变质岩石之后,我们又在其西段江格萨依南确定了一套榴辉岩。该榴辉岩与石英石榴单斜辉石岩相伴生,有些已退变为榴闪岩。它们呈透镜体状出露于区内元古界中深变质岩系之中,向东断续可追索到茫崖石棉矿西北,全长约200km(图1)。     

大陆深俯冲作用对邻区岩石圈地幔改造的时间、方式与过程:鲁西橄榄岩类与辉石岩类捕虏体证据

鲁西早白垩世镁铁质岩石中有橄榄岩类和辉石岩类捕虏体,前者包括含尖晶石方辉橄榄岩(约占3%)、含铬铁矿纯橄岩(约占95%)和含铬铁矿异剥橄榄岩(约占2%).它们的岩相学、全岩地球化学与矿物地球化学为深俯冲陆壳对相邻岩石圈地幔的改造过程提供了直接证据.含尖晶石方辉橄榄岩主要由橄榄石(82%-89%)、斜方辉石(8%-13%)以及次要的尖晶石(1%-2%)、单斜辉石(-1.5%)和角闪石(-1%)组成,橄榄石的Mg#值介于92.1-93.8之间,其平均值为92.5,橄榄石的δ18O值介于5.5‰-5.6‰之间,全岩的Re亏损模式年龄(TRD)为2.6-2.68 Ga;部分纯橄岩和异剥橄榄岩中的橄榄石具有相对较低的Mg#值(85-90)和较高的δ18O值(6.1‰-7.7‰)以及明显偏高的全岩187Os/188Os比值(0.1269-0.5780).前者代表了鲁西早白垩世期间古老岩石圈地幔的少量残留,后者意味着鲁西早白垩世期间岩石圈地幔的绝大多数已经被改造.费县早白垩世玄武岩中含橄榄石的二辉石岩中可观察到橄榄石被斜方辉石所交代和相继出现的斜方辉石被单斜辉石所交代的改造过程,这与斜方辉石(1097-1491μg/g)和单斜辉石(581-809μg/g)明显富集Ni的地球化学属性相吻合.辉石岩中橄榄石的氧同位素组成(δ18O=7.28‰-8.21‰)和单斜辉石的锶同位素组成(介于0.70862-0.70979之间)表明,改造岩石圈地幔的熔体起源于深俯冲扬子板片的部分熔融.     

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.     

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.     

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.     

寻找大陆俯冲板片的遗迹

６０年代末期总结大洋地质地球物理观测结果而出现的岩石层板块大地构造学说,继承了大陆漂移、海底扩张的活动论内涵,引起２０世纪地球科学的一场革命．但板块构造学说并不能令人满意地阐释复杂的大陆地质现象,更未曾阐明大陆的形成和演化过程．大陆是怎样形成的,又是怎样演化的？这些一直是近年地球科学探讨的热门话题．而特提斯海的启闭关系到中生代中国大陆的形成演化与挤压改造,具有重要意义． Ｒｕｄｎｉｃｋ等人［１］的研究认为,底侵作用可能是大陆地壳增生和地幔演化的重要机制．Ｄａｖｉｅｓ等人［２］提出岩石层拆离模型,…     

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.     

青岛榴辉岩相蛇绿混杂岩——俯冲“洋壳”推覆体的发现及其意义

长期以来,人们观察到的蛇绿岩均被解释为是在板块聚敛边界仰冲侵位于陆壳内的“洋壳”残片;而俯冲消减到深部的洋壳,根据现代碰撞造山模型,只能在陆壳俯冲时,作为碰撞混杂岩被推覆上来。例如造山带碰撞混杂岩中的榴辉岩和超镁铁岩就被解释为是早期俯冲     

大陆深俯冲作用对邻区岩石圈地幔影响的时空范围:以华北陆块东南部为例

大陆深俯冲作用对邻区岩石圈地幔影响的时空范围是大陆动力学研究的核心问题之一,来源于大陆岩石圈地幔的火成岩为探索这一科学问题提供了重要资料.我们对华北陆块东南部朝鲜-辽东半岛以及辽南-吉南地区晚三叠世花岗质-镁铁质火成岩进行了详细的岩石学、同位素年代学和地球化学研究,结果表明它们是由华南与华北陆块俯冲碰撞后伸展过程中多元岩浆混合形成;相对亏损和富集地幔组分的识别标志着晚三叠世期间华北陆块东南部表现为亏损与富集岩石圈地幔共存的属性.鲁西-辽南-吉南地区早白垩世镁铁质火成岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成表现出与郯庐断裂距离有关的空间变化,结合吉南地区三叠纪变质锆石和新元古代岩浆锆石的发现,推测起源于深俯冲华南陆块部分熔融的熔体改造了靠近郯庐断裂带的鲁西一侧(如方城、费县、上峪)和辽南地区的岩石圈地幔,而起源于华北陆块加厚地壳部分熔融的熔体则主要改造远离郯庐断裂带的鲁西西北部(如济南、金岭)和吉南地区的岩石圈地幔.因此,华南大陆深俯冲作用对邻区华北岩石圈地幔影响的时间为晚三叠世-早白垩世,影响的空间范围约为200 km.     

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.     

超高压变质与大陆碰撞研究进展:以大别-苏鲁造山带为例

大陆深俯冲研究已经成为21世纪发展板块构造理论的前沿和核心课题. 大别-苏鲁造山带出露有世界上最大的超高压变质构造单元, 地球科学家以此作为天然实验室, 在超高压变质和大陆碰撞的一些重要领域取得了国际上有影响力的系列成果. 本文概括了其中12个方面的突出进展, 主要包括超高压变质岩的空间分布范围、超高压变质作用的年龄、超高压变质作用的持续时间、深俯冲陆壳的原岩性质、大陆碰撞过程中的俯冲侵蚀和地壳拆离、大陆地壳俯冲的可能深度、大陆俯冲带深部流体活动、大陆碰撞过程中的部分熔融、大陆俯冲带深部元素活动性、俯冲大陆地壳物质再循环、碰撞后岩浆作用的地球动力学机制、碰撞造山带岩石圈结构等. 对今后研究的问题和方向也提出了建议.     

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.