桐柏高压变质地体:对桐柏-大别-苏鲁高压/超高压变质带构造框架和俯冲/折返机制的制约

桐柏造山带位于秦岭造山带和大别-苏鲁造山带之间,是揭示秦岭-桐柏-大别-苏鲁巨型造山带中各地质体之间构造关系及地质演化差异的关键地区。桐柏高压变质地体主要由两个高压岩片(I和II)及其北侧的构造混杂岩带和南侧的蓝片岩-绿片岩带构成。高压岩片I以北、南两条榴辉岩带为代表,构成桐柏山背形构造的两翼,其峰期变质条件分别为530～610℃、1.7～2.0GPa和460～560℃、1.3～1.9GPa。高压岩片II以桐柏杂岩中的变质岩包体为代表,其峰期变质条件推测在<700℃、>1.2GPa的榴辉岩相范围内,而退变质条件为660～700℃、0.80～1.03GPa。U-Pb、Lu-Hf、Rb-Sr和Ar-Ar同位素年代学研究表明,高压岩片I的峰期变质时代为255Ma,冷却至白云母封闭温度的时代为238Ma;而高压岩片II的主期变质作用发生在232～220Ma,作为桐柏杂岩主体的片麻状花岗岩则侵位于140Ma。这说明,高压岩片I和II分属于两个时代不同的俯冲/折返岩片,当高压岩片II被俯冲到地壳深处并经受高压变质时,其上覆的高压岩片I已经折返到中上地壳的水平。这一结果验证了在西大别、东大别和苏鲁地区提出的高压/超高压岩石的穿时(或差异)俯冲/折返模型,同时说明华南大陆地壳最早的俯冲发生在晚二叠世,这也代表华北与华南陆块之间从洋壳俯冲转化为陆壳俯冲的时间。基于桐柏杂岩与北大别杂岩的可比性,认为桐柏高压变质地体相对低温低压的变质环境以及超高压岩石的缺乏缘于华南陆块的俯冲深度向西逐渐变浅,而早白垩世的构造挤出造成了桐柏-大别高压/超高压变质带东宽西窄的构造格局。

大别—苏鲁超高压变质带P-T-t轨迹的动力学模拟

综合现有的地质、地球化学资料以及同位素年龄等研究成果 ,同时结合新西兰南岛北端陆壳俯冲的最新发现 ,提出了超高压变质岩的形成四阶段演化模式 :板片俯冲形成增生楔、板片俯冲驱动角落流、板片拆离浮力抬升至Moho深度和后期上地壳伸展阶段 .以此为定量模拟的出发点 ,利用二维有限元对大别—苏鲁超高压变质带的形成演化进行了动力学和热演化模拟 ,追踪超高压变质岩形成演化过程中的质点路径以及对应的P T t轨迹 .计算的P T t轨迹及其空间分布特征均能与实测结果较好吻合 .

大别山-苏鲁超高压变质带的矿物学和岩石学研究进展

本文总结了近年来大别山 苏鲁超高压变质带的矿物学和岩石学进展。针对大别山 苏鲁超高压变质带中的区域片麻岩围岩是否经历超高压变质的问题 ,研究者在常规岩石学和矿物学手段不能奏效的情况下 ,引入显微喇曼光谱测试 ,最终在各种类片麻岩的锆石中发现柯石英、硬玉和雯石等高压和超高压矿物包裹体 ,证明大别山 苏鲁超高压变质带中的大多数岩石曾与榴辉岩一起被俯冲到地幔深度 ,后又一起回返到地表。在喇曼光谱的测试过程中 ,发现锆石中的柯石英包裹体有 0～ 2 3 0 0MPa不等的现时晶内超压 ,并证明这种晶内超压是超高压变质岩回返过程中 ,柯石英向石英转化而导致的体积膨胀造成的。研究者在产于青岛仰口榴辉岩的石榴子石中发现大量单斜辉石、金红石和磷灰石出熔 ,精细的晶体化学和岩石学研究证明出熔前的石榴子石形成于大于 70 0 0MPa的压力条件 ,说明苏鲁地区的部分陆壳岩石可能曾被俯冲到大于 2 0 0km深的地幔。岩石学研究发现产于桃行地区的榴辉岩在角闪岩相区域退变质之前 ,在 4 0～ 5 0km的浅部地幔深度发育有一期高压麻粒岩相 过渡榴辉岩相变质。进一步研究发现这期变质是由于峰期的多硅白云母在回返到 4 0～5

大别——苏鲁高压-超高压变质带的“构造增压壳内成因”研究

研究发现,高压-超高压变质岩基本都发育于全球或区域规模的大型构造带,产于强烈构造变形带中相对较弱应变的部位。苏鲁—大别超高压变质岩具有明显的构造变形,这成为追索构造应力-应变作用和探讨形成构造环境与演化过程的重要线索。本研究用成岩成矿深度的"构造校正测算方法",进行野外观察、岩石变形-应力测算及构造校正测算。其结果显示,超高压变质岩形成深度在23~55km之间。大别—苏鲁超高压变质岩的锆石SHRIMP年龄显示,具有环带的内核高压矿物年龄大于680 Ma,而其含柯石英幔圈里超高压变质矿物在(231±4)Ma形成,角闪岩相等退变质矿物形成在(211±4)Ma,可见超高压变质发生在陆缘和陆内的地质环境。综合研究其岩石矿物的Sr-Nd、O和He同位素含量,有力证明了岩石的壳内成因特征。深钻孔岩心的岩石矿物学系统显示,超高压变质岩及其几公里宽范围里的各类围岩普遍含有柯石英等高压-超高压矿物包体。上述实际资料,用超高压变质的"深俯冲-折返"模式已经不能得到科学的解释。本文提出大别—苏鲁超高压变质岩"构造增压壳内成因模式",认为这些超高压变质作用可能发育在陆内地块之间的强烈构造挤压环境。在230Ma左右,由于构造压力与重力压力叠加致使局部达到超高压及相应温度等条件,特别是当p≥2.8GPa时,变质的物理化学条件得到满足,可以在23~55km深处发生超高压变质作用,之后经应力松弛和拆离构造,岩石又逐步抬升并发生退变质作用。也可以说,该超高压变质岩具有构造物理化学成因。

苏鲁—大别榴辉岩研究:形成于不同地质时期的高压-超高压变质带

含柯石英的苏鲁-大别榴辉岩是高压-超高压变质带的产物.依据榴辉岩的总体展布方向、岩石特征、高压-超高压变质作用及退变质作用的温压条件,可划分为NEE向胶东高压-超高压变质带、NNE向郯庐高压-超高压变质带和SEE向大别高压-超高压变质带.榴辉岩的同位素年龄值指示这3个带是主压应力方向不同、形成时期不同、发展和终止时期也各不相同的3个高压-超高压变质带.NEE向胶东高压-超高压变质带主要形成于700～900 Ma的晋宁期,终止于200 Ma左右的印支期;SEE向大别高压-超高压变质带主要形成于400～500 Ma的加里东期,终止于250 Ma左右的印支期;NNE向郯庐高压-超高压变质带初期曾经与胶东高压-超高压变质带是一个带,最早形成于900 Ma左右的晋宁期,但其最重要的形成期是200 Ma左右的印支期,55 Ma左右的喜马拉雅期该带进入推覆造山阶段.胶东、大别和早期的郯庐高压-超高压变质带的主压应力方向都是近SN向,印支期之后的郯庐高压-超高压变质带主压应力方向转变为近EW向.

造山带挤出构造与高压-超高压岩石剥露机制:以大别山为例

造山带挤出构造阐述了被边界断裂所围限的造山带深变质块体,在造山带内部垂向和(或)侧向应力的作用下折返变形的过程。研究主要集中在挤出块体的几何形态及其内部变形样式、边界断裂特征、挤出路径以及挤出动力来源等4个方面,其研究目的主要是为了解决造山带深变质岩石折返剥露的机制问题。依据挤出块体的挤出方向与造山带主体走向之间的关系,在三维球形坐标系Lx-Ly-Lz中,将造山带挤出构造大致分为7个端员类型(Ⅰ型～Ⅶ型)。其中Lx为造山带或俯冲带的主体走向;Ly呈水平方向并与Lx相垂直;Lz垂直于Lx和Ly所构成的平面。这些基本端员类型的组合及其之间的过渡类型可以详尽地诠释大别山印支期高压-超高压岩石的挤出过程。其中榴辉岩相挤出阶段介于Ⅳ型与Ⅶ型挤出构造之间,角闪岩相挤出阶段介于Ⅱ型与Ⅵ型挤出构造之间并可能具有渠道流挤出模式,而绿片岩相挤出阶段类似于Ⅴ型挤出构造。

苏鲁-大别超高压岩石中锆石SHRIMP U-Pb定年研究——综述和最新进展

如何建立苏鲁-大别超高压岩石深俯冲-超高压-快速折返过程连续而完整的P-T-t轨迹及精细的年代谱系,是目前地学界研究的热点。而变质锆石是否记录深俯冲石英榴辉岩相进变质阶段的年代学信息和超高压峰期变质时代的准确归属,是目前苏鲁-大别超高压变质带需要深入研究的核心问题。本文在对前人同位素年代学方面所取得的成果进行系统总结的基础上。采用锆石中矿物包体激光拉曼和电子探针测试、锆石阴极发光图像成因分析以及SHRIMP U-Pb定年等综合研究手段,确定苏鲁-大别地体榴辉岩及其强退变质围岩在深俯冲-构造折返过程中主要经历了四个阶段的变质演化:深俯冲石英榴辉岩相进变质(Ⅰ)、超高压峰期变质(Ⅱ)、构造折返初期石英榴辉岩相退变质(Ⅲ)和构造折返晚期角闪岩相退变质(Ⅳ)。研究发现,扬子板块(中)新元古代巨量的陆壳物质在早三叠纪(246～244Ma)俯冲到华北板块之下约65km的深处。发生了石英榴辉岩相进变质,相应的变质温压条件为T=542～693℃,P=1.7～2.02GPa。这些高压石英榴辉岩相岩石在中-新三叠纪继续向下俯冲,在235～225Ma期间,俯冲的深度至少达到了170km的地幔深处,并发生了峰期柯石英榴辉岩相超高压变质,相应的变质温压条件为T=722～866℃,P>5.5GPa。苏鲁-大别超高压地体自石英榴辉岩相进变质阶段到超高压峰期变质阶段的俯冲速率为7.0km/Myr。这些超高压岩石在219～216Ma期间,发生了第一次构造抬升至75km的深处,并经历了石英榴辉岩相退变质作用的改造,退变质温压条件为T=730～780℃,P=1.7～2.6GPa。这些退变质岩石在212～205Ma期间,又经历了第二次抬升至25km中-下地壳深处,并叠加了角闪岩相退变质作用,该阶段变质温压条件为T=610～710℃,P=0.7～1.2GPa。苏鲁-大别超高压地体两次构造抬升的速率大致相同,为5.6km/Myr。该项成果不仅确定了苏鲁-大别榴辉岩及其强退变质岩石深俯冲过程石英榴辉岩相进变质-超高压峰期变质、构造折返过程石英榴辉岩相-角闪岩相退变质连续而完整的变质演化P-T-t轨迹及精细的年代谱系,而且对于重新建立苏鲁-大别巨量陆壳物质快速超深俯冲-快速折返的动力学模式有着重要的科学意义。

大别-苏鲁区超高压变质岩的多期构造变质演化

对大别-苏鲁地区超高压(UHP)变质岩的详细构造和岩石学研究揭示了其复杂的构造变质演化历史。除前超高压事件外,至少可识别出5个相继发育的构造变质事件或阶段(D_1-D_5)。D_1和 D_2同超高压事件与三叠纪(250～230Ma)中朝克拉通和扬子克拉通间的大陆深俯冲及碰撞有关,而超高压后的 D_3和 D_4韧性变形及其伴生的减压部分熔融作用和退变质作用事件,则是超高压岩石向中上地壳折返过程中(230～140Ma)发生的。碰撞后形成的 D_4构造,主导了大别-苏鲁超高压和高压变质带区域尺度的构造格架。第5阶段的构造以摩擦或摩擦-粘性过渡性变形机制为主,并伴随有大规模的未变形的花岗质岩体就位,该期构造热事控制了现今大别-苏鲁地区的地貌学特征。新的构造和岩石学资料并结合可利用的地质年代学和地球化学等资料,提出一个涉及中朝与扬子克拉通间三叠纪大陆深俯冲、碰撞及相继超高压变质岩石向地表的多期折返构造变质演化模式。

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。

苏鲁高压-超高压变质地体南缘高压与超高压变质带原岩的接触关系及其地质意义

苏鲁高压-超高压变质地体南缘高压与超高压变质带接触关系的确定对该地区构造格局的建立具有重要的意义。研究表明苏鲁高压-超高压变质地体南缘高压变质带内的锦屏群底部含砾岩层不整合覆盖于超高压变质带南部的朐山花岗片麻岩之上,含砾岩层中的砾石虽然经历了后期的塑性变形改造,但其地质特征仍展示出地层下部层位沉积砾石特有的性质。此外,同位素年代学研究揭示出朐山花岗片麻岩与锦屏群变质岩的原岩分别形成于859Ma和814Ma。这些都说明锦屏群变质岩与下伏朐山花岗片麻岩原岩之间的接触关系为角度不整合。在后期的构造运动过程中它们一起经历了高压-超高压变质变形作用,折返过程中锦屏群变质岩向北西西方向逆冲,形成叠加于不整合接触面的韧性剪切带。

地壳深部“重力-构造力复合压力状态”研究和大别——苏鲁超高压变质形成深度的测算

讨论了地壳深部岩石处于"重力-构造力复合的静水压力模型"。此模型的基本认识为,地壳深部压力是由重力应力和构造应力引起的两部分各向等应力合成的,构造应力场的静水压力部分被称为"构造附加静水压力"。遵循这一认识,需要从总静水压力中先去掉构造附加静水压力,进而用构造校正[深度=重力引起压力/(总压力-构造附加的压力)]的方法,进行形成深度的测算。考虑岩石作为黏弹性体的应力-应变关系,作者用黏弹性本构方程,获得大别地区英山县含柯石英榴辉岩的成岩深度≥30km,安徽岳西碧溪岭地区含柯石英榴辉岩深度为23~53km,河南新县地区的含柯石英榴辉岩成岩深度为36~40km。再进一步用变质深度的流变学公式,在黏性系数0.2×10^(23)条件下,推算出超高压变质岩形成深度约50~55km。可见,大别超高压变质岩形成深度介于23~55km,而不是前人认为的超过100km甚至更深,由此,"深俯冲-折返"模式需要科学的论证。本研究为高压-超高压变质的"构造增压壳内成因"提供了一些依据。

大别造山带超高压变质岩和镁铁质岩浆岩锆石U-Pb年代学的TIMS和SIMS法定年结果比较

大别山已报导的锆石U-Pb年龄数据的综合对比表明大别山超高压变质岩的变质锆石的ID-TIMS年龄变化范围为212～238Ma(平均值为225.8Ma),SHRIMP单个样品年龄平均值变化范围219～231Ma(平均值为224.2Ma),二者吻合得很好。已报导的Cameca IMS 1270锆石U-Pb年龄显示较大变化。瑞典及美国有关实验室用Cameca IMS 1270得到的年龄值与ID-TIMS法给出的结果一致,但法国CNRS-CRPG离子探针国家实验室用Cameca IMS 1270获得的两个年龄值(248±16Ma,254±38Ma)的中心值显著高于其它ID-TIMS和SHRIMP的测定结果。对大别山镁铁-超镁铁岩岩浆锆石U-Pb年龄的统计结果表明,用ID-TIMS法得到的年龄均集中在123～130Ma,SHRIMP年龄变化范围为125～129Ma,二者仍吻合很好。而在法国CNRS-CRPG离子探针国家实验室得到的年龄平均值为144.5Ma,也显著高于ID-TIMS和SHRIMP法的定年结果。因此已报导的法国CNRS-CRPG实验室用Cameca IMS 1270得到的大别山U-Pb锆石年龄结果可能存在偏高的系统偏差,其年龄数据不适于用来讨论地质事件中的精细年代学问题。此外,锆石SHRIMP单点分析年龄值具有较大的随机误差,在一个符合正态(高斯)分布的数据群中,只有平均值才有意义。

大别山造山带高压-超高压变质岩的折返过程

高压-超高压变质岩的形成与折返是地球动力学过程,虽人眼不能见及,但在岩石中留下种种记录。本文以大别山为例对高压-超高压变质岩的折返过程进行了探讨。文中(1)综合构造地质学和地球物理学观测资料,剖析了大别山造山带的结构构造,指出了作为高压-超高压变质岩折返通道的莫霍面断口和折返形成的挤压穹隆地壳结构;(2)综合变质岩石学P-T-t轨迹研究资料,追踪高压-超高压变质岩在地下的运动轨迹,揭示了其在俯冲-折返过程不同时段经过的深度和运动速率,并指出其向南的折返极性;(3)结合沉积岩石学研究资料,利用合肥盆地中砾岩成分和碎屑白云母Si含量记录,限定了高压-超高压变质岩折返至地表的时间为中侏罗世前。基于上述资料,本文重建了大别山高压-超高压变质岩的三阶段折返过程,指出大别山包含三个岩片,于230Ma左右分别从不同深度快速折返,折返速率为3～10km/Ma,于210Ma左右进入中地壳,并于180Ma左右快速折返(折返速率为3km/Ma左右)至上地壳,白垩纪折返速率极慢(0.1km/Ma左右)。

关于含柯石英锆石SHRIMP测年获得大别-苏鲁超高压变质带超高压变质作用年龄的讨论

对大别-苏鲁超高压变质(UHPM)带部分含柯石英包体的锆石及部分进行SHRIMPU-Pb测年的锆石进行划分和讨论后得出为大别-苏鲁UHPM带超高压变质作用(UHPM)年龄而进行含柯石英锆石SHRIMPU-Pb测年,宜从有结晶环带且在环带域或环带核部有柯石英包体的锆石的核部或环带域进行SHRIMPU-Pb测年,不宜从锆石边部获得UHPM年龄。着重讨论杨经绥等(2002)的两颗含柯石英锆石的结构,柯石英包体所在部位,测年数据的意义,得出苏鲁UHPM带UHPM年龄是578Ma(或略大于578Ma)。且这一认识与苏鲁UHPM带内区域地质情况相吻和。锆石中(多在边部)给出的印支期年龄值反映印支期地质作用(流体改造、重结晶等)改造事件的时代。

大别-苏鲁地体超高压变质岩中的副矿物——锆石

激光拉曼和锆石阴极发光图像研究结果表明,大别-苏鲁强退变质岩石(包括正片麻岩、副片麻岩、斜长角闪岩、含蓝晶石石英岩、大理岩、云母片岩等)的锆石中,均保存以柯石英为代表的超高压矿物包裹体,且记录了十分一致的超高压变质温压条件:T=732～866℃,p=2.8～4.0GPa,表明大别-苏鲁地体曾发生过巨量物质深俯冲-超高压变质的壮观的地质事件。

大别造山带超高压变质带中含金钛-铁氧化物

大别造山带ＨＰ（高压）－ ＵＨＰ（ 超高压） 变质岩中的钛－ 铁氧化物系列矿物和其寄主岩石同是ＨＰ－ ＵＨＰ变质作用过程的重要地质记录，经研究发现这些钛－ 铁氧化物中金元素浓度较高。对榴辉岩相、角闪岩相变质岩中金红石、钛铁矿电子探针微区分析发现其含金值高达０－０１ ％ ～０－６１ ％ ；微区电子探针浓度扫描揭露金呈超微粒包体、弥散状态分布于金红石、钛铁矿中。钛－ 铁氧化物矿物中出现这种含金形式不仅是金在ＨＰ－ ＵＨＰ变质作用下具有亲铁性质的表现，也可能是金在地幔岩石中的主要赋存状态。

大别-苏鲁超高压榴辉岩中石榴子石和绿辉石的微量元素研究

对9件大别-苏鲁超高压榴辉岩主要矿物石榴子石和绿辉石进行的激光熔样-等离子质谱(LA-ICP-MS)微量元素研究结果表明,所研究的榴辉岩可由石榴子石稀土元素特征分为两类(Group 1和Group 2):Group 1的石榴子石具有一般石榴子石的贫轻稀土、富重稀土的平滑型配分模式,Group 2的石榴子石则表现出独特的高正Eu异常和平坦型重稀土元素的配分模式.可以认为Group 2的原岩属于堆晶辉长岩,而Group 1更可能是正常的玄武岩.矿物颗粒和两种主矿物的主量元素和微量元素分析表明,所研究的榴辉岩达到了矿物规模上的微量元素分配平衡.

超高压变质与大陆碰撞研究进展：以大别-苏鲁造山带为例

《科学通报》第18期报道：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．大别一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。从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.冲带深部元素活动性、