一种非板块深俯冲快折返的柯石英形成新机制——评析“石英—柯石英相变研究中若干问题讨论”一文

本文分析评论了嵇少丞等(2010)发表的"石英—柯石英相变研究中若干问题讨论"一文。指出他们对柯石英非俯冲折返新机制的一些误解,对某些热力学、物理学概念,及其在地学问题中的解释理解的不同。分析了机械球磨的作用机制;论证了机械球磨作用本质与构造挤压剪切作用本质的同一性。分析了岩石糜棱岩化过程的两个阶段;讨论了地震波形成柯石英机制的可能性。围绕比较标准问题,论证了高能机械球磨(预处理)能大大降低α-石英转变成柯石英的压力、温度和合成时间,促进柯石英的形成。用小尺度不均匀局域高压微区模型解释了人工合成柯石英的规律性、南极洲天然矿物的行为,柯石英的寄生矿物、岩石——锆石、榴辉岩包裹体、非包裹体的形成。列举事例澄清了"球磨引进的Fe杂质提高柯石英形成压力迟缓合成"的说法;讨论了第二相存在对石英—柯石英转变的影响和"应变禁区"边界区的应力梯度相变驱动力可以形成柯石英问题。指出了机械球磨石英原料预处理和静高压合成柯石英后处理两步法,是一种实验室研究柯石英形成规律的有效物理方法;小尺度不均匀局域高压微区模型和无需板块深俯冲快折返的柯石英形成机制,是一种有希望的柯石英形成新机制。

远离平衡相边界的柯石英形成机制及板块折返假说的物理基础

本文从热力学、物理学、物质结构和高压高温相变的角度对板块俯冲—折返假说的物理基础进行了分析讨论。在实际不均匀固体地球高压高温热力学体系中,地表柯石英超高压变质的非平衡态形成模式比平衡态形成模式有更大的普遍性、多样性;"静态流体地球"模型和静岩压力与深度换算公式,对其中的非平衡态体系,和地表中可能存在的局域准静水压平衡态体系,都不适用。把压力直接换算成地球深度,断言地表矿物柯石英就是产生于上地幔的稳定相的结论,以及回避俯冲原动力,把地表柯石英和金刚石超高压变质物的存在与深俯冲之间划上恒等号,缺乏科学根据。实际不均匀固体地球是一个天然的高压高温体系,为了保存高压高温相柯石英,岩石圈内板块折返冷却速率应与实验室中所进行的保压淬火临界速率具有可比性。从实验室的高压高温相变规律看,如此极端缓慢的板块折返抬升冷却速率很难保持住柯石英。有关影响折返过程保存柯石英的四个重要因素还存在很多矛盾问题。物质中原子扩散和化学反应时间通常落在μs^m s范围,而建立平衡时间在m in^102h之间。在由超高压变质岩的同位素定年法和扩散动力学冷却速率法所得构造变质过程的时间内,己有极其充足的时间在几十千米的有限尺度中,进行扩散反应、产物变质,乃至于建立同位素平衡。由于波速异常成因存在的多解性,板块俯冲—折返通道(轨迹),不应仅由地震层析波速异常图来确定。板块俯冲与折返运动的变化应遵循能量和质量守恒定律,在P—T—t轨迹(通道)中应留下数量较多的俯冲—折返过程陆壳岩石、地幔物质的一次相变或二次相变等产物。回顾板块俯冲—折返假说本身的发展过程,最关键的一步,是忽视了固体地球物质的成分、应力等局部不均匀性所造成的局部高压微区和其它非平衡热力学因素影响等事实,沿用传统的静流体模型及其压力—深度换算公式。从物理基础看,板块深俯冲快折返的"壮观地质事件"的猜想,尚需更多更科学的证据去证实。

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.