超高壓變質(zhì)作用研究進展

劉建宏，高路恒，張 鵬，馬慶陽

(1.陜西延長石油國際勘探開發(fā)工程有限公司，陜西 西安 710000;2.西北大學地質(zhì)學系，陜西 西安 710069;3陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075)

20世紀90年代后，相繼在某些長英質(zhì)巖石中發(fā)現(xiàn)了柯石英、金剛石微粒等超高壓礦物，說明陸殼巖石曾經(jīng)經(jīng)歷了2.6GPa 以上的壓力(如 Chopin，1984［1］;Sobolev and Shatsky，1990［2］;Xu Shutong et，1992［3］等)。然而在正常的地殼厚度范圍內(nèi)是難以有如此高的壓力(以平均地殼為33 km，莫霍面處壓力約1.0 GPa;以青藏高原地殼厚度70 km計，地殼底部壓力約為2.1 GPa)，不難想象地殼范圍靜巖壓力是不足以產(chǎn)生如此高的壓力。這些發(fā)現(xiàn)使地學界逐漸認識到低密度的陸殼物質(zhì)在碰撞造山過程中可以俯沖到地幔深度、經(jīng)歷變質(zhì)作用并快速折返回近地表，改變了陸殼不可俯沖和變質(zhì)作用僅限于地殼深度的傳統(tǒng)觀念，提出了超高壓變質(zhì)和大陸深俯沖的概念。超高壓變質(zhì)作用產(chǎn)生，促使了地球科學的飛速發(fā)展，也形成了新的內(nèi)容。集中表現(xiàn)為大陸地殼深俯沖的深度及動力，俯沖板片的命運如何，超高壓巖石如何折返，板片俯沖對地球的運作的影響。本文在超高壓巖石研究的基礎(chǔ)上對上述的前沿問題進行探討。

1 超高壓變質(zhì)巖石的識別標志

現(xiàn)今出露的超高壓變質(zhì)記錄主要保存在榴輝巖和石榴石橄欖巖中，多以透鏡狀產(chǎn)于片麻巖中。超高壓變質(zhì)巖石以出現(xiàn)柯石英、金剛石和某些出溶結(jié)構(gòu)為識別標志。

柯石英包裹體主要出現(xiàn)在鋯石、石榴石及綠輝石中，少見的微粒金剛石包裹體發(fā)現(xiàn)于石榴石和鋯石中，且超高壓變質(zhì)帶往往以斷層和兩邊地體隔開?？率⑹荢iO2的高壓穩(wěn)定相，表征壓力大于2.6 GPa，大約相當于地球深處80 km處的壓力。在超高壓變質(zhì)巖石中柯石英多被包裹于鋯石、石榴石及綠輝石中。當巖石折返時，由于減壓退變質(zhì)，原生的柯石英漸漸消失，被多晶石英的假相所替代;由于這些多晶石英具有較高的表面能，所以往往進一步重結(jié)晶為單顆粒低壓石英晶體。在上述的退變質(zhì)過程中，體積增大，在柯石英晶粒周圍的寄主礦物中形成放射狀裂紋，成為柯石英的重要顯微標志之一［4］。少數(shù)情況下，比如寄主礦物為綠輝石時，在包裹物的周圍除放射狀裂隙之外，還常見一組同心狀的裂隙。

Sobolev和Shatsky(1990)首次在前蘇聯(lián)Kokchetan的黑云母片麻巖、石榴輝石巖中的石榴石和鋯石包體中發(fā)現(xiàn)了金剛石;徐樹桐(1992，2003)在含柯石英榴輝巖中發(fā)現(xiàn)了微粒金剛石作為包體出現(xiàn)在石榴石晶體中，粒度較大(150～700 μm)［5］;Massonne(1999)在德國 Saxonian Erzgebirge的長英片麻巖中發(fā)現(xiàn)金剛石，這些金剛石在石墨化過程中體積膨脹在其寄主礦物中出現(xiàn)放射狀裂隙，在反射光下十分清晰。在Kokchetav的金剛石具有立方體至八面體晶面，有些顆粒已經(jīng)石墨化了。這些金剛石的發(fā)現(xiàn)，使人們意識到超高壓變質(zhì)和陸殼俯沖的深度可達150 km。而且，有越來越多的證據(jù)說明俯沖的深度超過金剛石的穩(wěn)定的深度達200 km以上［6］。

超高壓變質(zhì)的礦物學識別標志還包括某些出溶結(jié)構(gòu)，即高壓情況下呈均一相的某些相容元素，當壓力減小時，由于晶體內(nèi)某些元素出溶，形成特征的出溶結(jié)構(gòu)，如些礦物的特殊的出溶結(jié)構(gòu)，如單斜輝石出溶鉀長石，石榴子石出溶單斜輝石或單斜輝石+金紅石+磷灰石以及榍石出溶柯石英等。

2 超高壓變質(zhì)巖石時空分布

目前在世界范圍內(nèi)已識別出的超高壓變質(zhì)體有20余處，主要位于大陸板塊之間的碰撞造山帶內(nèi)，主要集中在阿爾卑斯造山帶西段、歐洲加里東造山帶、中亞造山帶、中國秦嶺－大別－蘇魯造山帶及西部阿爾金－柴北緣和喜馬拉雅造山帶中。超高壓變質(zhì)巖石出露面積從數(shù)百平方公里至數(shù)萬平方公里不等，具不明顯的面狀分布特征。其中比較典型的有中國中東部大別－蘇魯?shù)貐^(qū)(印支期)、德國東部Erzgebirge雜巖和Munch berg地塊(海西期)、奧地利Bohemain地塊(海西期)、意大利西阿爾卑斯 Dora Maria地塊和 Zermatt—Seas帶(早阿爾卑斯期)、哈薩克斯坦北部Kokchetav地塊(加里東期)、吉爾吉斯北天山Marble雜巖及其西北部的俄羅斯南烏拉爾地區(qū)(加里東期)、挪威西部Selje地區(qū)(加里東期)［7］。

超高壓變質(zhì)巖在形成時代上以顯生宇為主，目前具有確鑿超高壓變質(zhì)證據(jù)的前寒武紀超高壓變質(zhì)地體僅有位于非洲西部泛非(Pan—African)造山帶中的Mall地體，其超高壓變質(zhì)的時代為1 034～820 Ma［8，9］。早古生代形成的超高壓變質(zhì)地體的數(shù)量最多，包括哈薩克斯坦(530 Ma)和Makbal地塊(482 Ma)、挪威 West Gneiss(408～425 Ma)、Boheimia(423～460 Ma).以及中國中西部的秦嶺、柴北緣和阿爾金超高壓地體(420 ～500 Ma)［10－14］，海西期的超高壓變質(zhì)巖有西歐的Erzgebrige地體(350～360 Ma)和南烏拉爾的Malsyutov地體(375 Ma)，印支期超高壓變質(zhì)帶只限于中國的大別一蘇魯?shù)伢w(220～240 Ma)和西南天山超高壓變質(zhì)地體(225～233 Ma)，而中生代超高壓變質(zhì)巖石沿特提斯帶分布，包括西歐的 Dora Maira(35 Ma)Zermatt－Saas(52 Ma)、喜馬拉雅(55 Ma)和 Indonesia(115～120 Ma)。

3 俯沖板片的命運

地球淺部物質(zhì)通過俯沖帶循環(huán)進入地球內(nèi)部，使得地球表面積近于恒定。大陸地殼成分的研究表明俯沖帶島弧巖漿作用可能是顯生宙以來地殼生長的重要方式。地球化學家認為俯沖板片俯沖到達上下地幔交界處670 km處，認為地幔是雙層對流模式;即下地幔的對流和上地幔的對流，二者之間存在機械層。地球物理的研究表明俯沖板片可能達到地幔與地核交界處，并在核幔邊界熔融，形成富集的地幔柱，開始底辟上涌。而目前研究發(fā)現(xiàn)的陸殼俯沖最大深度可能為350 km，然后折返。

對大洋板片深俯沖的研究表明，洋殼玄武質(zhì)巖石俯沖至深部時，開始發(fā)生相變，形成榴輝巖，其密度大于橄欖巖密度，因此形成一種負浮力，拖拽板片繼續(xù)俯沖。當榴輝巖板片彎曲折斷(break－off)時，俯沖板片形成兩部分:榴輝巖物質(zhì)可能繼續(xù)俯沖，或者停留在某一地幔深處，與圍巖發(fā)生發(fā)應(yīng);密度輕的板片可能會因這種拖曳力釋放，迅速折返?，F(xiàn)今觀察到的洋殼折返記錄僅是在西Apls的Zermatt－Saas帶和橫貫于中亞的南天山造山帶(吉爾吉斯斯坦境內(nèi)的Atbashy、Makbal榴輝巖一藍片巖帶和中國境內(nèi)的西天山榴輝巖一藍片巖帶［15］。而陸殼深俯沖的例子很多，諸如在超高壓變質(zhì)地體的花崗質(zhì)片麻巖(正片麻巖)的鋯石中發(fā)現(xiàn)了柯石英和金剛石等超高壓變質(zhì)的標型礦物，暗示超高壓變質(zhì)地體中的正片麻巖和副片麻巖都經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用。

4 俯沖板片折返的機制

俯沖板片巖石的P－T－t軌跡的研究表明板片折返的機制是非常復雜的，可能是階段，多路徑的差異折返。宋述光對柴北緣都蘭地區(qū)榴輝巖折返歷史的研究，表明北帶榴輝巖經(jīng)歷了兩個階段的折返:早期從地幔深度快速折返到中部地殼層次，伴隨巖石的等溫降壓，并發(fā)生角閃巖相退化變質(zhì);晚期抬升到地殼淺部。都蘭南帶榴輝巖折返過程中經(jīng)歷了高壓麻粒巖相變質(zhì)的改造，高壓麻粒巖階段的p–T條件為p=1.9～2.0 GPa，T=873℃ ～948℃，并進一步經(jīng)歷了角閃巖相退化變質(zhì)，說明都蘭南帶榴輝巖折返速率較慢，發(fā)生了殼幔過渡帶(或加厚的深部地殼)層次的強烈熱松弛。而這種熱松弛發(fā)生在許多大陸俯沖帶的超高壓巖石的折返過程中，并且是榴輝巖發(fā)生深熔作用的主要機制。都蘭兩個變質(zhì)帶不同的變質(zhì)演化軌跡反映了俯沖的大陸地殼具有差異折返的特征。

目前對俯沖板片折返的機制并不明確，仍然有較多的動力模型不斷提出和修正。但這種動力模型必須建立在野外地質(zhì)、巖石學研究的基礎(chǔ)上，同時輔助算機數(shù)值模擬進行重現(xiàn)演繹，來綜合探討深俯沖板片折返的機制。

5 超高壓變質(zhì)作用研究展望

超高壓變質(zhì)作用的研究突破了以往的固有模型，使得地球科學重新煥發(fā)了新的生機，也帶來了挑戰(zhàn)。從超高壓巖石的識別到高溫高壓實驗巖石學，從超高壓變質(zhì)到陸殼深俯沖，人們對地球動力學的探索一如既往，但也帶來了不少的疑問。諸如，早期前寒武紀未見超高壓變質(zhì)巖石的原因是什么深俯沖板片的動力學機制是什么，大陸地殼為什么又能折返呢?板片俯沖對地?；顒佑惺裁从绊?俯沖過程中流體的行為如何?

盡管對超高壓變質(zhì)作用存在著眾多的不解，但正是這些疑惑促使學者們不斷地孜孜進取，綜合多學科、多方位知識，結(jié)合巖石學、地球化學、地球物理學及計算機數(shù)值模擬方法，努力探索超高壓變質(zhì)作用的奧秘。

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