超高压变质与大陆碰撞研究进展_以大别-苏鲁造山带为例

2008年 第53卷 第18期: 2129 ~ 2152

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《中国科学》杂志社

SCIENCE IN CHINA PRESS

专 题

超高压变质与大陆碰撞研究进展: 以大别-苏鲁造山带为例

郑永飞

中国科学院壳幔物质与环境重点实验室, 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026 E-mail: yfzheng@ 2008-04-03收稿, 2008-07-01接受

中国科学院知识创新工程重要方向性项目(批准号: KZCX2-YW-131)和国家自然科学基金项目(批准号: 40573011)资助

摘要 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.

关键词 大陆岩石圈 地壳深俯冲 超高压变质 板片折返 化学变异 流体活动

近十几年来大陆动力学研究最重要的进展之一, 是对超高压变质岩和大陆深俯冲作用的认识. 按照传统的板块构造学说, 大陆地壳由于其密度低, 不可能俯冲到高密度的地幔中. 然而, Chopin [1]和Smith [2]分别在西阿尔卑斯和挪威西部的变质表壳岩中, 发现了超高压变质矿物柯石英, 证明大陆地壳曾俯冲到至少80 km 深的地幔内部, 然后折返回地表. 这些发现在全球引发了超高压变质和大陆深俯冲研究的热潮[3~7]. 在随后的20余年中, 科学家相继在全球22条变质带中发现了柯石英、金刚石和其他超高压变质矿物和矿物组合(图1), 进一步证明低密度陆壳曾俯冲到地幔80~200 km 深. 特别是片麻岩锆石中柯石英和金刚石包体的不断发现, 证明大规模的低密度长英质岩石曾整体俯冲到深部地幔发生超高压变质, 然后又折返到浅部地壳. 现在超高压与非超高压变质岩沿着汇聚大陆边缘出露, 形成了大陆碰撞造山带的基本构造格局.

大陆碰撞造山作用包括大陆地壳俯冲和折返两

个过程[3~7], 在动力学机制上分别对应于被动和主动运动. 一方面, 大陆岩石圈由于高密度大洋岩石圈的牵引发生俯冲, 最终达到80~120 km 以上的地幔深度导致柯石英和金刚石相超高压变质作用. 另一方面, 超高压变质板片由于低密度大陆地壳的浮力而发生幕式上升和侵蚀(折返——将先前深埋的岩石带到近地表). 大陆深俯冲一般以低的地温梯度为特征, 只存在有限的脱水作用. 与此相反, 超高压板片的折返则常常是在高的地温梯度下进行, 伴有幕式脱水作用. 认识和理解大陆俯冲和折返过程中的变质作用, 能够确定大陆碰撞导致岩石圈加厚的时间、超高压变质矿物形成条件、大陆俯冲带地壳演化的热历史等. 超高压板片从地幔深度折返到地壳层位的过程可能是幕式进行的, 并且具有不同的速率. 这会影响超高压变质矿物脱水和水化的热力学和动力学, 进而涉及超高压板片内部的部分熔融和流体活动乃至超高压指示矿物的保存性.

自从在我国东部的大别造山带榴辉岩矿物中发

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现柯石英[9,10]和金刚石[11]以来, 大别-苏鲁造山带已经成为国际上超高压变质研究的典型地区[3~7,12~14].

图1 超高压变质地体的全球分布(其中大多数出露在欧亚大陆)[8]

地点旁边的数字代表变质年龄(单位: Ma)

本文从第一手观测资料本身及其解释的创新性出发, 阐述了地球科学家通过研究大别-苏鲁造山带变质岩和岩浆岩对发展大陆动力学的突出贡献, 其中涉及的构造过程从大陆地壳的俯冲和折返到碰撞造山带的构造跨塌. 在这个基础上, 作者试图将陆内造山作用发展进入板块构造理论. 因此, 对近十年来大别-苏鲁造山带研究中所取得的重要进展从12个方面进行了概括, 并对今后的工作提出了建议.

1 岩石构造概况

自从在我国东部的大别造山带榴辉岩矿物中发现柯石英[9,10]和金刚石[11]以来, 国内外科学家针对大别-苏鲁造山带(图2)超高压变质岩的分布范围和形成条件进行了广泛的研究. 结果证明, 大别-苏鲁造山带由华南陆块俯冲进入华北陆块之下所形成的大陆碰撞型造山带(图3), 出露有世界上规模最大(30000 km 2)、保存最好的超高压变质地体之一[5,14]. 在大别-苏鲁超高压变质岩中产有3个重要的地球化学异常: 过剩氩[15]、氧同位素负异常[16,17]、钕同位素正异常[18]. 近年来还发现了一些形成于200~300 km

深的出溶矿物相[19,20]. 就氧同位素负异常来说, 以极端亏损重氧同位素为特征的寒冷气候大气降水信息不仅出现在超高压榴辉岩、花岗片麻岩和石英片岩的

变质矿物中[21~24], 而且出现在花岗岩矿物石榴石[25]

图2 大别-苏鲁造山带地质简图[12]

图3 华南陆块-华北陆块碰撞造山结构演化示意图

(修改自Ernst [13])

由于重力不稳定性和俯冲拆离, 正在俯冲的大陆地壳与下沉的岩石圈之间发生断离而折返, 并在超高压变质岩内部发生部分熔融

和锆石[26]中. 它们的负δ18O值大小达到4个世界之最: 变质矿物中最负[12,27]、侵入岩矿物中最负[25]、岩浆成因锆石中最负[26,28,29]、变质成因锆石中最负[29]. 这些为我们研究大陆地壳深俯冲和折返过程中的物理-化学变化提供了天然实验室.

大别-苏鲁造山带超高压变质岩主体由花岗片麻岩组成, 其他岩石类型所占比例相对较小并且主要呈透镜体或岩片出现在区域花岗片麻岩中[30~34]. 它们具有如下特征: (1) 柯石英及其假象作为矿物包裹体不仅广泛出现在有名无实的无水矿物石榴石、绿辉石、锆石、蓝晶石和白云石中, 而且出现在含水矿物黝帘石和绿帘石中; (2) 在榴辉岩和石榴橄榄岩中发现的微量金刚石包裹体主要产在石榴石中, 极少量产在锆石中; (3) 在榴辉岩和石榴橄榄岩中发现丰富的超高压矿物出溶结构, 其中有的推断为镁铁铝石榴石; (4) 常见的超高压变质矿物记录主要出现在榴辉岩、橄榄岩、大理岩、硬玉石英岩和副片麻岩中, 在区域花岗片麻岩中只有锆石内部存在显微柯石英;

(5) 在超高压榴辉岩中存在像多硅白云母、黝帘石/绿帘石、滑石等含水矿物; (6) 出露在陆壳上的超高压单元主要为薄的呈亚水平状分布的板片, 其上盘为正断层, 下盘为逆断层, 周围是高压或低级变质单元; (7) 大多数岩石在总体成分上具有大陆亲和性, 矿物明显亏损重氧同位素18O; (8) 缺乏同时期岛弧岩浆岩, 但是常见碰撞后或同折返花岗岩. 在苏鲁造山带发现有晚三叠世、晚侏罗世和早白垩世等3个时代侵位的岩浆岩, 而在大别造山带只发现早白垩世侵位岩浆岩和侏罗纪(~180 Ma)隐性构造热事件. 为什么出现这个差别有待研究.

根据野外地质产状和围岩组合, 大别-苏鲁造山带可区分3种类型的榴辉岩[32]: (a) G型, 主要被包裹在区域花岗质正片麻岩中, 少量与黑云母副片麻岩互层; (b) M型, 与大理岩互层或被包裹在其中; (c) P 型, 与超镁铁岩(橄榄岩或辉石岩)共生. 那些与超高压榴辉岩共生的石榴橄榄岩在元素和同位素成分上存在较大变化, 但是从成因上可划分为幔源型和壳源型[33,8]. 幔源型指大陆俯冲和折返过程中从上覆地幔楔刮削裹带上来的, 而壳源型则是镁铁-超镁铁质原岩组合于俯冲前一起侵入大陆地壳. 近十年来, 国内外地球科学家对该造山带中高压-超高压变质岩在构造地质学、岩石学、同位素年代学和地球化学等方面开展了大量研究[12,27,30,34~38], 已经在大陆碰撞和超高

压变质研究领域取得了许多重要成果, 为理解汇聚大

陆板块边界的地球动力学过程作出了突出贡献.

2突出研究进展

2.1超高压变质岩的空间分布范围

先前在大别-苏鲁造山带发现的含柯石英包体的

岩石限于榴辉岩、大理岩、硬玉石英岩和黑云母副片

麻岩[39~42], 但是对广泛分布的区域花岗片麻岩是否

存在相同的超高压变质矿物则没有报道. 因此, 这些

超高压变质岩与围岩花岗片麻岩之间的关系成为20

世纪90年代关注的焦点, 引发了“异地”与“原位”之

争. 在“异地”关系的情况下, 超高压岩石作为外来岩

块或岩片通过折返过程中的构造侵位进入区域花岗

片麻岩之中, 因此只是少量大陆地壳物质深俯冲进

入地幔深度发生超高压变质. 在“原位”关系的情况

下, 含有柯石英的岩石与其周围的花岗片麻岩一起

经历了地幔深度的超高压变质作用, 两者所经历的

温度压力条件是一致的, 因此存在巨量大陆地壳物

质俯冲进入地幔深度发生超高压变质. 确定区域花

岗片麻岩是否经历了超高压变质作用及其矿物学标

志, 不仅有助于解决上述地学焦点问题, 同时对大陆

板块俯冲与折返的机制也具有重要的理论意义.

由于退变质作用是诱导花岗片麻岩中柯石英转

化为石英的最可能因素, 而包裹柯石英的矿物性质

是决定这种转化存在与否的关键, 因此寻找能够保

存柯石英的特殊矿物进行研究成为解决“异地”与“原

位”之争的突破口. 通过努力, 在榴辉岩的围岩花岗

片麻岩的锆石中发现了许多柯石英包体[43~47], 结合

先前在围岩副片麻岩和大理岩中发现的柯石英包体,

证明榴辉岩与围岩区域片麻岩一起经历了超高压变质

作用. 在北大别发现了榴辉岩残片和麻粒岩相叠加变

质榴辉岩[48~50], 并在榴辉岩中发现微粒金刚石[51~53],

在南大别低温榴辉岩中也发现柯石英假象和硬柱石假

象[54], 显著扩大了超高压变质带的分布范围和温压类

型. 在中国大陆科学钻探5158 m深度岩心样品中依然

发现有柯石英(图4). 结合大别-苏鲁造山带地表露头

柯石英产出面积, 证明大陆碰撞过程中大规模的长英

质陆壳岩石整体经历了深俯冲作用.

2.2超高压变质作用的年龄

确定大别-苏鲁造山带超高压变质发生的时间,

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