大陆俯冲隧道中的应变不均一分布:来自大别山超高压变质岩的记录

俯冲隧道是俯冲板片与上覆板块之间的剪切带,也是高压—超高压变质岩折返和深部流/熔体活动的通道。大别山超高压变质岩分布广泛,变形程度差异很大,是研究大陆俯冲隧道中岩石变质-变形过程的理想地区。本文系统总结了前人对中大别双河地区超高压变质岩的岩石学和年代学研究成果,在双河地区开展了地质填图、应变分析和三维构造重建。通过将超高压变质岩的变形特征与P-T-t轨迹结合,识别出超高压变质岩折返过程中的三期韧性变形。在双河北部发现了一个上盘向NW剪切的千米尺度的榴辉岩相鞘褶皱,枢纽向SE倾伏,倾伏角约20°,与榴辉岩、片岩和长英质片麻岩的拉伸线理平行,表明超高压变质岩初始折返阶段的流体活动使榴辉岩的强度显著降低,榴辉岩与围岩一起发生韧性变形。该期变形被角闪岩相退变质阶段上盘向NW的剪切叠加,此时应变集中于片麻岩、片岩、大理岩等非能干层,强度较高的榴辉岩成为构造透镜体。而绿片岩相变质阶段上盘向SE方向的剪切与早白垩世北大别花岗片麻岩穹隆的形成有关。对双河南部弱变形花岗片麻岩的锆石U-Pb定年揭示了757±14 Ma的原岩年龄和240~216 Ma的变质年龄,与双河北部含柯石英强变形花岗片麻岩类似,暗示其也经历了三叠纪超高压变质作用及随后的角闪岩相退变质作用。通过计算长英质片麻岩的有效黏度,发现无水碱长花岗片麻岩的有效黏度高于黑云斜长片麻岩,折返阶段的流体活动使超高压变质岩的强度显著降低,当局部的流体活动不足以弱化碱长花岗岩体时,应变集中于黑云斜长片麻岩。因此,大陆俯冲隧道中的应变分布受矿物组成、流体活动和岩体规模的共同影响。

大别山超高压变质岩的变形历史及折返过程

大别山南部的超高压变质岩在其形成及折返过程中经过 5期变形。 D1变形为榴辉岩相前变形 ,形成于扬子板块北缘陆壳基底的俯冲过程中 ;D2 变形形成于折返初期 ( 2 2 0- 2 1 0 Ma)即超高压变质岩在浮力驱动下折返至下地壳底部的过程中 ,变形以块状榴辉岩的糜棱岩化及层状榴辉岩和基质的紧密 -同斜褶皱为特征 ;D3变形发生在折返中期 ( 2 0 0 -1 80 Ma)即超高压变质岩在南北陆块持续碰撞作用下被挤出并向北逆冲折返至中地壳的过程中 ,变形以榴辉岩的布丁化和基质的强烈韧性剪切变形为特征 ;D4 变形是折返晚期 ( 1 30 -1 1 0 Ma)超高压变质岩在地壳浅部伸展体制下向南滑脱所致 ;在折返至近地表时 ,超高压变质岩受到 NE向断层 ( D5)的切割。

大别山五庙超高压变质岩的变形构造

含柯石英榴辉岩、高压片麻岩的五庙超高压变质岩与外围低压片麻岩以边冲断层呈构造侵位关系,而在其内部榴辉岩与高压片麻岩为非构造接触,并且发育有榴辉岩相静态重结晶构造以及在纯剪应力状态下的前角闪岩相变形构造D_1和在顶端指向NNW运动的单剪应力状态下的角闪岩相变形构造D_2。

大别山超高压变质岩石变形构造研究

含柯石英、金刚石榴辉岩是南大别超高压变质岩石的主体，在这些榴辉岩的未退变质核心、退变质斜长角闪岩及超高压围岩中，保存有大量不同变质时期的宏观—微观变形构造．其中主要的变形构造是在单剪应力状态下，由具有顶端指向ＮＷ动向的角闪岩相变形作用Ｄ２形成的ａ型褶皱Ｆ２，以共轴样式叠加于纯剪应力状态下榴辉岩相变形作用Ｄ１形成的斜卧褶皱Ｆ１之上的二次叠加褶皱，总体形态符合Ｒａｍｓａｙ第三种干涉型．这两期变形作用揭示了超高压变质岩石在折返过程中存在两种动力学机制，它们相续作用才使得这些超高压岩石出露地表．

大别山东部桐城挂镇地区超高压变质杂岩的变形历史

桐城挂镇地区1∶5万地质填图资料表明，超高压变质杂岩经历了四期变形事件：D1变形为榴辉岩相变形，形成时代约212±33Ma，D2为角闪岩相变形，形成时代为200～180Ma，D3为绿片岩相变形，形成时代为137.8±3.2Ma，D4为脆性变形，形成时代为96～112.6Ma。上述资料为阐明大别山碰撞造山带的演化模式提供了详实的地质依据和年代学证据。

大别山超高压变质岩的变形特征及其地质意义

大别山超高压变质岩至少经过５期变形。第１期产生于榴辉岩相变质前；第２期大致与榴辉岩相变质作用同步．岩石产生紧密同斜褶皱及榴辉岩相糜棱岩；第３期产生于超高压变质岩向中地壳折返的过程中，以榴辉岩的布丁化及基质的透入性剪切为特征；第４期主要形成剪切条带及伸展沿劈理．是大别山碰撞后差异隆升，岩层向南滑脱的结果；最后一期为脆性变形，岩层沿北东向断层产生左行平移。通过超高压变质岩的变形分析，可以了解超高压变质岩形成和折返的构造运动过程。

大别山石马地区超高压变质岩角闪岩相变形的Rb-Sr同位素年龄及其构造意义

角闪岩相变形是大别山超高压变质岩的主期变形 ,露头和显微尺度的构造要素主要由这期变形产生 ,通过对超高压变质岩带内韧性剪切带中花岗片麻岩的Rb -Sr同位素年龄测定 ,获得一条变形花岗片麻岩的全岩 -白云母内部等时线年龄 ,表明超高压变质岩的角闪岩相变形产生于180Ma左右 ,超高压变质岩的主期变形确实为同角闪岩相变质期变形 ,该年龄与超高压变质岩的第二次快速冷却年龄一致 。

桐柏─西大别高压─超高压变质杂岩的变形变质演化

在桐柏─西大别山区，衍生于扬子克拉通北缘裂谷建造、被动陆缘沉积物和前中元古代结晶基底的高压—超高压变质杂岩可下分为四个峰期变质级互不相同的构造变质单元。各单元岩石均经历了四期变形，且具有形状相似的Ｐ—Ｔ轨迹，然而，它们的早期变形变质对比关系互不一致，并以北侧单元变质作用相对超前发展为特征。该变质杂岩在中生代的形成演化过程包括：１）下迭式俯冲推覆与岩片堆叠；２）克拉通之间右型转换与堆迭岩片间走滑式错位剪切；３）克拉通碰撞与岩片堆叠体收缩变形；４）平面上南北对扭运动与转换压缩—拉伸变形四个构造阶段，其中，高Ｐ／Ｔ变质岩石主体形成于俯冲推覆阶段，并在南、北克拉通碰撞之前通过仰冲、走滑运动呈岩片状迅速折返至地壳浅部。在我们的构造模式中，“古老的洞柏（大别）杂岩”被解释为定型于中生代的造山杂岩。

大别山超高压变质岩的退变质显微构造:折返过程的启示

大别山超高压变质岩中发现了一系列退变质显微构造,其主要类型有:①由于出溶而产生的定向性包裹物;②由于多型转变而产生的假像替代;③固→固反应产生的冠状体;④涉及流体的退变质反应产生的冠状体或后成合晶。借助显微构造关系,可以建立超高压变质岩的退变质演化阶段,从而构筑其PT演化趋势、识别出碰撞造山和超高压变质峰期之后的两阶段隆升历史:早期为“挤出”作用诱发的近等温减压退变质;晚期则是地壳伸展体制下的退变质,俯冲板片的断离,软流圈上涌,所诱发的部分熔融,降低岩石圈密度导致地壳规模的伸展与超高压变质岩的进一步隆升。最后,本文提出了超高压变质岩形成和折返的3阶段发展的模式。

中国东部大别山超高压变质杂岩中的石英硬玉岩带

大别山的石英硬玉岩是大别山超高压变质杂岩中的重要成员，与大理岩和榴辉岩紧密共生，呈大小不等的构造透镜体产出在云母斜长片麻岩和含硬玉片麻岩中，分布在长约４０ｋｍ，宽约１ｋｍ的带内。透镜体中心常为花岗变晶结构，边部有不同程度退变并面理化，向外围逐渐变为含硬玉片麻岩。岩石的主要矿物组成为硬玉、石英、石榴石、金红石。退变的石英硬玉岩中还有钠长石、霓石、霓辉石、榍石等。硬玉和石榴石中都有柯石英包体。硬玉的Ｊｄ端元组分为８１．２５％～９０．２７％。恢复的石英硬玉岩的原岩为硬砂岩，与大理岩伴生的榴辉岩的原岩为泥灰岩。因此，石英硬玉岩与共生的大理岩和榴辉岩都属于榴辉岩相变质的表壳岩系，它的成带分布、其中有柯石英的产出，进一步证明大陆地壳能够俯冲到１００ｋｍ左右深度并迅速折返地壳后使其中的高压标志保存完好。

大别山菖蒲—碧溪岭地区高压—超高压榴辉岩相变质岩和有关岩石的岩石类型及其原岩性质

安徽岳西菖蒲—碧溪岭地区出露两条北北西向的高压—超高压变质岩带:西带由土桥冲至菖蒲水电站,该带由层状硬玉石英岩类、大理岩及少量的石英深色榴辉岩以及浅色榴辉岩等组成;东带由小南山岭至碧溪岭,主要由层状的浅色榴辉岩系列和层状深色榴辉岩系列岩石组成。该区发育的层状浅色榴辉岩和层状的深色榴辉岩两种榴辉岩在岩石组合、矿物组合、矿物成分等方面有明显差别。浅色榴辉岩一般由硬玉质绿辉石(Jd 65～45)、+镁铝以及钙铝端元成分(Pyr+Gro,60±)的石榴子石+蓝晶石±多硅白云母±石英及次生的角闪石、绿帘石组成。其中夹有硬玉质绿辉石石英岩、富蓝晶石岩石、石榴子石岩和硬玉石榴白云片岩等岩石薄层。深色榴辉岩由绿辉石(Jd20～50)±富铁铝端元的石榴子石(Alm 50～60)+金红石±石英及次生的角闪石等组成。石英深色榴辉岩由绿辉石(Jd 40～45)+镁铝端元的石榴子石(Pyr 10～30)+石英+金红石及次生的角闪石、长石组成。深色榴辉岩与石榴橄榄岩分布上紧密相随。浅色榴辉岩的原岩为基性凝灰质沉积岩,相伴随的硬玉石英岩、硬玉岩、白云片岩的原岩大致分别为粉砂岩、长石砂岩、泥质粉砂岩;深色榴辉岩为基性凝灰质熔岩。大理岩的原岩为灰岩。同时,本文的研究表明,在相同的变质作用条件下。

大别山一些超高压矿物和岩石的发现以及超高压变质带的确定

大别山造山带由于其所处的特殊地质位置,已成为国内外众多地质、地球物理学家关注和研究的热点地区。本刊近年陆续刊出过数篇介绍有关研究工作的文章,如,张泽明:《对大别山地区榴辉岩的几点认识以及研究中应注意的问题》(1990.5)、张树业等:《华中陆内元古代高压变质带研究近况》(1990.8)、张树业等:《大别—苏北—胶东含柯石英榴辉岩中微粒金钢石及自然金的发现》(1991.11)、程裕淇等:《华中东部榴辉岩研究进展简述》(1995.3)、王晓燕:《鄂北豫南榴辉岩相变质岩》(1996.5)、董树文等:《大别山造山带深部地质初探》(1997.1)、杨建军:《大别—苏鲁造山带石榴石橄榄岩—地幔过渡带的信使》(1997.4)。本期再约请徐树桐等以照片为主介绍自1989年以来在大别山取得的一些重要工作成果,并同时约请李英康等介绍有关的物探工作成果,希望有助于推动该区的地质—地球物理研究。

大别山东北缘桐城高压-超高压变质带的构造解析及其对郯庐断裂带的制约

通过对郯庐断裂带南段桐城地区高压-超高压变质带详细的岩石学和构造学研究,将研究区从空间结构上划分为三个构造单元:上部低温-高压单元、中部中温-高压单元和下部超高压单元。根据研究区多期构造变形分析,共识别出了五期有区域构造地质学含义的事件(D_1-D_5):D_1代表高压-超高压变质岩中-晚三叠世同碰撞早期折返过程;D_2表征了高压-超高压变质岩晚三叠世同碰撞晚期折返过程;D_3记录了早白垩世中大别变质核杂岩的形成,也即整个中国东部晚中生代大规模伸展构造在研究区的表现;D_4可能标志着郯庐断裂走滑构造对高压-超高压造山带的叠加;D_5表现为脆性正断作用,控制了晚白垩世-古近纪潜山半地堑盆地的形成。这些结果表明了研究区所经历构造演化的复杂性,其构造几何形态很难用郯庐断裂左行平移南大别超高压变质岩来解释,也不支持桐城地区存在巨大走滑作用的证据。

大别山东段超高压变质带中变质花岗岩的矿物化学和地球化学特征

大别山东段超高压变质带中变质花岗岩富硅、贫钙、贫铝 ,属偏碱性花岗岩 ,围岩为含榴辉岩包体的超高压副片麻岩。变质花岗岩稀土元素总量多在 (10 0～ 2 0 0 )× 10 - 6,具有较大的负铕异常 ,其原岩应为壳源型花岗岩。元素地球化学特征表明变质花岗岩原岩与古造山作用有关。变质花岗岩中存在大量由岩浆型内核和变生型边缘构成的变质增生锆石。结合锆石U Pb年龄资料认为 ,变质花岗岩应由古老花岗岩变质形成 ,而不是超高压变质作用之后部分地壳岩石重熔的产物。岩石中有富锰和贫锰两种石榴子石 ,通过富锰石榴子石 黑云母、贫锰石榴子石 多硅白云母等矿物对的温压计算可知变质花岗岩在 4 0 0～ 5 0 0℃、0 .6～ 0 .8GPa条件下经历过变质作用。但几种间接证据反映出变质花岗岩可能经历过超高压变质作用。

大别山超高压变质带的大地构造框架

依据岩石学、地球化学、同位素年代学的新资料，对大别山造山带研究中诸如蛇绿混杂岩、碰撞时代、超高压变质岩与围岩的关系、俯冲极性等问题进行了论证，指出大别山超高压变质带是中朝陆块与扬子陆块间碰撞造山的产物。在三叠纪发生的陆－陆碰撞中，扬子陆块向北俯冲至华北陆块之下，但至今尚无发现残存的蛇绿混杂岩，碰撞时缝合带的位置被已经折返出露地表的南大别碰撞杂岩带所取代。

大别山碧溪岭未经历超高压变质的片麻状花岗岩

关于大别山超高压变质带中与榴辉岩密切伴生的花岗片麻岩是否也经历了超高压变质作用一直是个争议的问题。笔者最近在碧溪岭片麻状花岗岩中首次发现了可靠的岩相学和矿物学证据 ,证明该岩石只遭受到绿片岩相变质作用的改造 ,而未曾记录超高压变质矿物组合。根据片麻状花岗岩与围岩接触部位强烈糜棱岩化的发育 ,认为超高压岩石在抬升到地壳范围时与以花岗质岩石为主构成的扬子陆壳发生了大规模的构造并置。

大别山含柯石英榴辉岩区——一个晚太古代的超高压变质带

安徽碧溪岭岩体的锆石U-Pb年龄为2774±24Ma。它显示大别山的含柯石英榴辉岩可能形成于晚太古代。榴辉岩多硅白云母的Ar-Ar等时线年龄(662±13Ma)也同样限定其退变质作用的上界年龄在寒武纪。同位素年代学结果与该类榴辉岩严格产出在由大别群组成的太古宙地块中的地质特征一致。我们相信,大别山含柯石英榴辉岩变质地区可能是一个晚太古代的超高压变质带。大别山地区在中生代三叠纪时期处于南秦岭构造带的东延部分。大别群以及赋存其中的含柯石英榴辉岩共同遭受晚期的区域动力变质事件。作者分别测得斜长片麻岩白云母Ar-Ar等时线年龄为192.6±3.8Ma,榴辉岩中低角闪岩相普通角闪石Ar-Ar坪年龄230.7±4.6Ma。它们代表大别群片麻岩和榴辉岩两种原始变质岩的印支期改造年龄。

大别山超高压变质带层析地震调查

1997年3月中德合作进行了大别山科学钻探选址区层析地震调查,研究结果揭示出大别山超高压变质带(UHP)地壳精细结构。郯庐断裂带近垂直延伸至Moho界面(可能更深),在Moho界面以上郯庐断裂带西侧大别山地壳物质没有迁移进入其东侧。在主测线(横中至潜山镇)20km深度发现一个由西向东倾斜的强反射层,推测可能是一个大的滑脱层。超高压变质岩石(或地幔物质)可能由地幔深处通过郯庐断裂带再沿此滑脱层折返到地壳上部,经后期剥蚀出露地表。

大别山超高压变质带燕山期花岗岩地球化学特征及成因探讨

依据花岗岩类的岩性组合、产出状况、结构、侵位机制和地球化学特征等,将大别山超高压变质带中燕山期花岗岩大致可以划分为两大类一类为高钾钙碱性系列,以大同岩体和司空山早、主期岩体为代表,岩性为花岗闪长岩—二长花岗岩,表现为SiO2>56%,Al2O3一般≥14%,MgO<3%,富集LREE,低HREE和Y、Yb(如Y<18×10-6,Yb<1.9×10-6),高Sr、Ba,高La/Yb>39和Sr/Y≥30,Sr、Eu异常不明显,与Adakite岩相似;另一类属正常钙碱性系列,以英山尖岩体为代表,岩性以二长花岗岩为主,具有高硅、低铝的特点,一般SiO2>70%,Al2O3<14%,LREE略显亏损,HREE略显富集和高Y、Yb(如Y>18×10-6,Yb>1.9×10-6),低Sr和La/Yb<10、Sr/Y<10,Sr、Eu负异常明显。高钾钙碱性花岗岩可能为增厚的下地壳部分熔融的产物,正常钙碱性花岗岩可能为正常的地壳重熔形成。

大别—苏鲁超高压变质带内变形分解作用对榴辉岩透镜体群发育的影响——以碧溪岭地区为例

确定超高压变质岩体的大小、分布、构造关系及变质演化 ,是理解超高压变质岩形成和折返动力学过程的关键。在大别—苏鲁超高压变质带内 ,榴辉岩及变质的镁铁质—超镁铁质岩石 ,一般成厘米至公里尺度的布丁或透镜体 ,散布于片麻岩及面理化含榴花岗岩内。区域系统性的岩石学及构造学观察 ,尤其是在安徽省碧溪岭区 1∶ 1万比例尺的精细制图中证实 ,榴辉岩及其它超高压变质岩透镜体群的形成 ,主要是多期及递进变形分解作用的结果 ,造成了网络状线形强应变带与透镜状弱应变域流变学组合型式。榴辉岩与围岩片麻岩的过渡关系也证实 ,超高压变质的榴辉岩体是“原地”形成的。榴辉岩体的形态、大小及空间分布规律特征 ,不支持超高压变质带岩石属构造混杂岩的推论 ,而是反映了超高压及角闪岩相条件下不均匀韧性流动的应变图像。