大別山超高壓變質巖的顯微構造與有效黏度

顧筱彤，王 勤

內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室，南京大學 地球科學與工程學院，南京 210023

1 引言

俯沖帶提供了穿越地球層圈結構的物質與能量交換的通道，俯沖帶的構造變形常常與變質作用、流體活動和部分熔融相伴，一直是國際地學研究的熱點（e.g., van Keken et al., 2002; Hacker et al., 2003; Zhao and Ohtani, 2009; Vannucchi et al.,2012）。俯沖板塊界面（subduction plate interface）指俯沖板片與上盤的構造邊界，包括頂板滑脫層、底板滑脫層以及這兩個構造邊界中間的部分，板塊界面的力學耦合程度控制了俯沖板塊界面的構造演化以及俯沖板片和上盤的相互作用（Vannucchi et al., 2012）。俯沖板塊界面的厚度可從淺部的厘米—米級（Saffer and Tobin, 2011）到深部的公里級（Agard et al., 2016），它與俯沖隧道的區(qū)別在于：俯沖隧道具有俯沖物質的連續(xù)回流（continuous return flow）（Gerya et al., 2002; 李忠海等 , 2015），而板塊界面復雜的幾何學形貌可能導致局部界面厚度為零，不存在隧道流。

俯沖板塊界面中的物質可包括沉積物、長英質到鎂鐵質的火成巖和變質巖、橄欖巖，這些巖石一部分持續(xù)俯沖并參與深部地幔循環(huán)，另一部分在一定的動力學條件下快速折返。目前全球已發(fā)現(xiàn)了20余個含柯石英、微粒金剛石或超硅石榴石的超高壓變質帶，表明陸—陸碰撞時大陸物質的俯沖和折返是造山帶演化的重要環(huán)節(jié)（Chopin,2003; Liou et al., 2009; Zheng, 2012）。折返的超高壓變質巖記錄了俯沖隧道發(fā)生的變質作用、流體-熔體活動及構造變形，是研究俯沖帶構造變形的重要基礎。榴輝巖常用來代表俯沖的基性下地殼或者中—上陸殼的基性組分，而長英質片麻巖和泥質片麻巖是超高壓變質帶中分布最廣泛的巖石，代表了俯沖的中—上陸殼。

前人研究表明：榴輝巖中的綠輝石常發(fā)育晶格優(yōu)選定向（lattice preferred orientation，簡稱LPO），而石榴子石表現(xiàn)為無序分布，后期的退變質作用會改變榴輝巖的礦物組成和顯微構造（Bascou et al.,2001; Mauler et al., 2001; Ji et al., 2003; Zhang and Green,2007; Wang et al., 2009）。長英質片麻巖和泥質片麻巖只在鋯石中保留了早期的超高壓變質記錄（Liu and Liou, 2011），石英的LPO反映了折返后期的韌性變形（Xu et al., 2009; Barth et al., 2010; 徐翔和王勤,2009），對超高壓變質巖的長石和角閃石的組構研究較少。大別-蘇魯超高壓變質巖異常低的δ18O特征表明它們的原巖經歷了大氣降水熱液蝕變，屬于表殼巖，在俯沖 —折返過程中的流體活動非常有限，折返速率很快（Zheng et al., 1998, 2009）。全球超高壓變質帶都以長英質片麻巖和泥質片麻巖為主，這表明俯沖板片的上—下地殼之間發(fā)生了力學解耦，折返的主要是上地殼物質。

雖然位錯蠕變是形成礦物LPO的主要機制，但是Gerya和St?skhert（2002）根據動力學數(shù)值模擬提出：俯沖隧道中的應力太低，難以驅動超高壓變質巖整體發(fā)生位錯蠕變并快速折返，變形應集中在韌性剪切帶并受擴散蠕變控制，超高壓變質巖的有效黏度控制了俯沖隧道的頂板滑脫層和底板滑脫層的構造演化以及巖石的折返速率。但是在俯沖隧道中，變質過程如何影響榴輝巖和圍巖的變形機制和流變強度，并促使超高壓變質巖從俯沖到折返的轉變尚不清楚。

為研究俯沖隧道中高壓—超高壓變質巖的折返機制，本文選取大別山超高壓變質帶典型的榴輝巖和長英質片麻巖樣品，使用電子背散射衍射技術（electron backscatter diffraction，簡稱EBSD）獲得主要礦物的晶格優(yōu)選定向，并根據礦物的流變學本構方程探討相變對俯沖隧道中超高壓變質巖的有效黏度的影響。

2 地質背景和樣品描述

大別-蘇魯造山帶形成于早三疊世華南板塊和華北板塊的陸—陸碰撞，在榴輝巖、片麻巖、片巖、大理巖、硬玉石英巖等巖石中都發(fā)現(xiàn)了柯石英、微粒金剛石等超高壓礦物，證明揚子板塊的巨量陸殼物質曾經俯沖到華北板塊下超過100 km并快速折返（Xu et al., 1992; Liu et al., 2001; Zheng, 2008 and reference therein）。大別山從北至南可劃分為5個構造單元：北淮陽綠片巖相變質帶，北大別高溫—超高壓變質帶、中大別中溫—超高壓變質帶、南大別低溫—超高壓變質帶，宿松低溫—高壓變質帶（圖1）。北大別高溫—超高壓變質帶主要由角閃巖相至麻粒巖相的正片麻巖和混合巖組成，有少量含金剛石的榴輝巖透鏡體，變質峰期溫度為800～950℃，壓力＞3.5 GPa（Liu et al., 2007,2011）。中大別中溫—超高壓變質帶由含榴輝巖、橄欖巖透鏡體的片麻巖、片巖、大理巖等組成，主要出露在菖蒲—五廟—新店—野寨—雙河一帶，變質峰期溫度為650～750℃，壓力＞3.5 GPa（圖2）（e.g., Wang and Liou, 1991; Xu et al., 2003; Wu et al.,2006; 劉貽燦和李曙光, 2008; Gao et al., 2011, 2015;Zheng et al., 2011）。南大別低溫—超高壓變質帶主要由含榴輝巖透鏡體的副片麻巖組成，出露在黃鎮(zhèn)、朱家沖一帶，變質峰期溫度為670℃，壓力為～3.3 GPa（Li et al., 2004; Shi et al., 2014）。

大別山超高壓變質巖的鋯石U-Pb年齡、角閃石和云母40Ar/39Ar年齡表明：中大別和南大別一起經歷了245～241 Ma的超高壓進變質作用并在236～225 Ma達到超高壓變質峰期，之后開始折返，經歷了225～215 Ma的高壓榴輝巖相退變質作用、215～205 Ma的角閃巖相退變質作用以及195～191 Ma的綠片巖相變質作用，中大別比南大別俯沖更深，具有更快的折返速率（e.g., Hacker et al., 1995; Zheng et al., 2003; Liu et al., 2007; Liu and Liou, 2011; 徐翔和王勤，2019）。

圖1 大別山地質簡圖與采樣位置(修改自Liu et al., 2011)Fig.1 Simplified geological map of the Dabie Mountains and sample locations (modified after Liu et al., 2011)

圖2 中大別典型超高壓變質巖的P-T軌跡Fig.2 P-T path of typical ultrahigh-pressure metamorphic rocks from the central Dabie orogen

本文在中大別和南大別的碧溪嶺、新店、雙河、野寨、花亭湖等地采集了兩塊新鮮榴輝巖、三塊退變質榴輝巖和兩塊長英質片麻巖（圖1和表1）。樣品均進行了野外定向，以拉伸方向為X軸，垂直于面理方向為Z軸。在大別山超高壓變質帶，榴輝巖常作為片麻巖、片巖、大理巖、硬玉石英巖中的構造透鏡體或夾層，發(fā)育布丁構造（圖3a）。但是在野寨、雙河、花涼亭等地也可以觀察到榴輝巖與圍巖一起發(fā)生褶皺變形，在褶皺翼部榴輝巖形成布丁構造（圖3b）。榴輝巖中可見由富石榴子石層和富綠輝石層形成的面理，可能與變質過程中的成分分異有關（圖3c）。這些變形特征表明在俯沖隧道里，榴輝巖相對圍巖具有較高的有效黏度，應變主要由長英質片麻巖等圍巖承擔。但是，局部地區(qū)榴輝巖的有效黏度可以顯著下降，與圍巖一起發(fā)生強烈的塑性變形。此外，野寨、雙河、花涼亭等地都觀察到強變形的長英質片麻巖出現(xiàn)混合巖化（圖3d），表明中大別的變質溫度雖然低于北大別，但是局部地區(qū)長英質片麻巖的混合巖化可導致應變集中。

表1 大別山超高壓變質帶榴輝巖和片麻巖采樣信息Table 1 Sample locations of eclogites and felsic gneisses from the Dabie ultrahigh-pressure metamorphic belt

圖3 大別山超高壓變質巖的露頭照片F(xiàn)ig.3 Outcrops of ultrahigh-high pressure metamorphic rocks from the Dabie Mountains

3 化學成分分析

全巖的主量元素含量在南京大學成礦機制研究國家重點實驗室使用X射線熒光光譜（簡稱XRF）獲得（表2）。礦物的主量元素含量在中國科學技術大學中國科學院殼幔物質和環(huán)境實驗室，使用日本島津EPMA 1600電子探針測量，探針束流20 nA，加速電壓15 kV，電子束斑 5 μm，標樣選用美國SPI礦物，所有數(shù)據均采用ZAF校正處理程序完成（表3）。

如表3所示，碧溪嶺新鮮榴輝巖樣品1-7和1-8的Al2O3含量高于18%，F(xiàn)e2O3含量較低，CaO含量較高，為高鋁型榴輝巖，其石榴子石的平均成分為Gr35.1Py31.3Al33.7。而退變質榴輝巖的Fe2O3含量明顯升高而CaO含量明顯降低，石榴子石的平均成分為Gr23.5Py23.0Al52.3，綠輝石的鐵含量明顯升高。長英質片麻巖的斜長石(An13)與退變榴輝巖中后成合晶里的斜長石成分(An12)基本一致。

4 組構分析

電子背散射衍射（electron backscatter diffraction，簡稱EBSD）實驗在南京大學成礦機制研究國家重點實驗室完成，使用配備了牛津儀器公司Nordlys EBSD探頭的掃描電鏡JEOL JSM-6490，加速電壓為20 kv，束斑大小為70 μm，放大200倍，工作距離為17～20 mm。實驗時將精細拋光的薄片呈70°角放置在樣品倉內，使用手動模式獲得礦物顆粒的衍射花樣并使用Channel 5軟件自動標定顆粒取向。后成合晶中的角閃石和斜長石因為粒徑太小，沒有進行EBSD測量。使用Mainprice (1990)的軟件獲得石榴子石、綠輝石、石英、斜長石和角閃石的極圖。

5塊榴輝巖樣品中的石榴子石不論是否平行面理壓扁拉長，在極圖上均表現(xiàn)為無序分布，組構強度pfJ約等于1（圖5）。而綠輝石發(fā)育了強烈的LPO，[001]軸形成平行或近平行于拉伸線理的極密，（100）面的法線近垂直于面理，屬于L型組構（圖6）。退變榴輝巖8-1和11-3的角閃石含量較高，樣品8-1的角閃石[001]軸的極密近平行線理，(010)面的法線近垂直面理，表明(010)[001]是主控位錯滑移系（圖7）。而樣品11-3的角閃石[001]軸形成近平行面理的環(huán)帶，(100)面的法線形成近垂直面理的極密，表明(100)[001]是主控位錯滑移系。與條帶狀退變榴輝巖8-1相比，塊狀退變榴輝巖11-3的綠輝石和角閃石組構強度都較低，與在露頭觀察的二者變形程度的差異一致。

圖4 大別山榴輝巖和片麻巖樣品的顯微照片F(xiàn)ig.4 Photomicrographs of eclogite and felsic gneiss samples from the Dabie Mountains

如圖8所示，長英質片麻巖樣品6-1和9-4的石英c軸在靠近Z軸處極密，a軸近平行于線理，以低溫底面滑移(0001)＜a＞為主控位錯滑移系。退變榴輝巖8-1的石英c軸在靠近Z軸和Y軸處形成兩個極密，a軸近平行于線理，表明(0001)＜a＞的低溫底面滑移和{1010}＜a＞的中溫柱面滑移共同作用。因此，三個樣品中石英的組構記錄了超高壓變質巖折返到中地殼的韌性變形。

表2 大別山超高壓變質帶榴輝巖和長英質片麻巖樣品的主量元素成分(wt%)Table 2 Bulk compositions (wt%) of eclogite and felsic gneiss samples from the Dabie ultrahigh-pressure metamorphic belt

表3 榴輝巖樣品中石榴子石和綠輝石的主量元素成分(wt%)Table 3 Major elements abundance (wt%) of garnet and omphacite from eclogite samples

兩塊長英質片麻巖中的斜長石成分相同，經歷的P-T軌跡近似，但是發(fā)育了不同的組構類型（圖9）。樣品6-1斜長石的[110]的極密平行線理，[001]的極密垂直面理，[100]軸圍繞Y軸分布，表明(001)＜110＞為主控位錯滑移系。而樣品9-4中的斜長石[100]軸形成近平行于線理的極密，(010)的法線近垂直于面理，指示了(010)[100]為主控位錯滑移系。樣品6-1和9-4的斜長石都沒有核幔構造，發(fā)育了亞晶粒旋轉重結晶，而樣品9-4的斜長石還具有顆粒邊界遷移重結晶（圖4g-h）。

回去的路上，楚墨傷心不已?，F(xiàn)在，那個縣城里跑得最快的小伙子，只能夠長年累月地坐在輪椅上，靠玩魔方贏得一點所謂的尊嚴。

對天然變形和實驗變形的長石研究表明：長石的位錯攀移和動態(tài)重結晶在450～600℃開始，可形成核幔構造；＞600℃，位錯攀移和動態(tài)恢復可導致長石發(fā)生亞晶粒旋轉重結晶（Passchier and Trouw,2005）。在中高級變質條件下，斜長石的主控位錯滑移系是 (010)[001]和 (001)＜110＞ (Ji and Mainprice,1988, 1990; Stunitz et al., 2003; Svahnberg and Piazolo,2010)。隨著溫度升高（＞850℃），斜長石的位錯滑移方向可轉變?yōu)閇100]，發(fā)育(010)[100]組構(Egydio-Silva et al., 2002; Ji et al., 2004)。新店的長英質片麻巖樣品6-1位于大別中溫—超高壓變質帶，其峰期變質溫度比來自花亭湖韌性剪切帶的樣品9-4高50～100℃。但是樣品9-4是混合巖化片麻巖，較高的含水量導致巖石在相對低溫的條件下發(fā)生部分熔融，因此，斜長石的組構形成于折返到下地殼的角閃巖相變質條件，熔體參與的變形可能是樣品9-4的斜長石的組構強度更高，而且發(fā)育(010)[100]滑移系的原因。

5 相變對超高壓變質巖有效黏度的影響

對在一級近似上，大陸上地殼、下地殼的流變學行為可以分別用石英、斜長石的流變律來擬合（Bürgmann and Dresen, 2008）。由于折返過程中柯石英會退變質成為α-石英，因此，對柯石英的變形機制和流變強度的研究主要基于高溫高壓實驗。Renner等（2001）在3.1～3.7 GPa對柯石英進行流變學實驗，發(fā)現(xiàn)位錯蠕變是柯石英的主控變形機制。Zhang等（2013）發(fā)現(xiàn)蘇魯仰口榴輝巖中的柯石英發(fā)育了微弱的LPO，在變形實驗中，超高壓條件下柯石英會發(fā)育[100](010)組構，而高壓下隨著應變的增加石英發(fā)育c滑移，柯石英的流變強度＞綠輝石/硬玉＞石英。

圖5 大別山榴輝巖中石榴子石的晶格優(yōu)選定向Fig.5 Lattice preferred orientation of garnet from the Dabie eclogite samples

圖6 大別山榴輝巖中綠輝石的晶格優(yōu)選定向（說明見圖5）Fig.6 Lattice preferred orientation of omphacite from the Dabie eclogite samples（Abbreviations are the same as Fig.5）

圖7 大別山退變榴輝巖中角閃石的晶格優(yōu)選定向（說明見圖5）Fig.7 Lattice preferred orientation of hornblende（Abbreviations are the same as Fig.5）

圖8 大別山片麻巖和退變榴輝巖中石英的晶格優(yōu)選定向（說明見圖5）Fig.8 Lattice preferred orientation of quartz from the Dabie gneiss and retrograde eclogite samples（Abbreviations are the same as Fig.5）

圖9 大別山長英質片麻巖中斜長石的晶格優(yōu)選定向（說明見圖5）Fig.9 Lattice preferred orientation of plagioclase from the Dabie felsic gneisses（Abbreviations are the same as Fig.5）

斜長石和鉀長石的變形行為近似，在中高級變質條件下，以位錯蠕變?yōu)橹骺刈冃螜C制，但是在細粒基性糜棱巖中，主控變形機制可轉變?yōu)閿U散參與或位錯參與的顆粒邊界滑移（Rosenberg and Stunitz, 2003; Rybacki and Dresen, 2004; Miranda et al., 2016）。隨著壓力增加，斜長石會經歷一系列分解反應：鈉長石 = 硬玉+石英，鈣長石 = 鈣鋁榴石+藍晶石+石英，頑火輝石+鈣長石 = 鎂鋁榴石+透輝石+石英，斜長石的消失成為榴輝巖形成的重要標志。這意味著超過50 km，大陸下地殼的流變強度由硬玉/綠輝石和石榴子石控制（圖2）。

礦物的塑性變形機制主要有三種：位錯蠕變，擴散蠕變和顆粒邊界滑移。對于位錯蠕變和擴散蠕變主導的穩(wěn)態(tài)蠕變，可以用冪律方程來建立應變速率與應力的關系：

如前所述，對超高壓變質巖的顯微構造分析和流變學實驗表明：位錯蠕變是超高壓變質巖的主控變形機制。因此，假定俯沖隧道中的應力為10 MPa，根據中大別超高壓變質巖的P-T軌跡（圖2）和前人實驗獲得的礦物位錯蠕變流變律（表4），本文估算了俯沖和折返過程中，榴輝巖和長英質片麻巖中主要礦物的有效黏度隨深度的變化（圖10）。采用的流變學參數(shù)中只有活化焓，沒有活化體積和活化能，因此，忽略了壓力對有效黏度的影響。水可以顯著降低石英、長石、單斜輝石、石榴子石等名義上無水礦物的強度，但是由于超高壓變質巖中這些礦物的含水量差異很大，難以獲得代表性的平均值，因此，本文暫不考慮水對礦物流變強度的影響。

表4 榴輝巖與長英質片麻巖中主要礦物的流變律Table 4 Flow laws of major minerals in eclogites and felsic gneisses in subduction zones

圖10 中大別超高壓變質巖俯沖和折返過程中主要礦物的有效黏度變化Fig.10 Change of the effective viscosity of major minerals from the central Dabie UHP belt during subduction and exhumation

如圖10a所示，俯沖過程中溫度和壓力都隨著深度增加，石榴子石、鈉長石、石英的有效黏度均隨著深度增加而降低。在～42 km（1.2 GPa 和340℃），鈉長石分解為硬玉和石英，由于硬玉的有效黏度＞鈉長石＞石英，這一分解反應可造成應變在富石英域的集中，可能導致韌性剪切帶的發(fā)育和高壓變質巖的折返。在～82 km（2.5 GPa和480℃），石英—柯石英的相變使有效黏度提高了3個數(shù)量級，上地殼的流變強度由柯石英和硬玉/綠輝石控制，顯著提高的流變強度為大陸深俯沖的繼續(xù)進行提供了條件。＞82 km，由于石榴子石的有效黏度＞硬玉＞綠輝石＞柯石英，榴輝巖和長英質片麻巖的流變強度差異促使上地殼與下地殼拆離。

折返早期近于等溫降壓，此時有效黏度隨深度變化不大，但是綠輝石和硬玉的有效黏度相近，曲線重合（圖10b）。在～91 km（2.8 GPa和820℃），柯石英相變?yōu)槭?，有效黏度降?個數(shù)量級。在～73 km（2.22 GPa和810℃），硬玉和石英形成鈉長石。之后巖石經歷了角閃榴輝巖相、角閃巖相和綠片巖相的退變質作用，在這個降溫降壓的過程中，礦物的有效黏度隨溫度降低而升高，從圖10b可見，硬玉和石英=鈉長石這一變質反應對應于俯沖隧道中礦物有效黏度的最小值。此外，石榴子石和綠輝石逐漸退變成長石、角閃石等，榴輝巖的整體有效黏度降低，但是相比以石英為主的長英質片麻巖，榴輝巖的有效黏度仍然高2個數(shù)量級，導致應變集中于片麻巖，榴輝巖作為構造透鏡體與圍巖一起折返。值得注意的是，水可以顯著降低石榴子石、硬玉、石英的流變強度（Orzol et al., 2006; Xu et al., 2013; Tokle et al.,2019），含水量增加可導致榴輝巖與長英質片麻巖具有相近的強度甚至低于片麻巖，使榴輝巖與片麻巖一起褶皺變形，發(fā)育榴輝巖韌性剪切帶。

6 討論

6.1 退變質作用對榴輝巖組構的影響

前人對榴輝巖組構的實驗測量和數(shù)值模擬表明，石榴子石具有等軸晶系的高度對稱性和66組位錯滑移系，石榴子石的1/2＜111＞位錯可以沿著{110}、{112}或者{123}等晶帶發(fā)生滑移，此外(010)＜100＞ 和 (011)＜100＞ 也是常見的位錯滑移系，因此雖然榴輝巖中的石榴子石經歷了位錯蠕變，但是石榴子石并不發(fā)育LPO（Ando et al., 1993;Bascou et al., 2001; Mainprice et al., 2004）。而綠輝石的位錯蠕變由多組滑移系控制，包括[001](100)、[001]{110}和 1/2＜110＞{110}，導致榴輝巖中的綠輝石[001]近平行線理，(100)面和(110)面的法線近垂直面理（Bascou et al., 2001; Mauler et al., 2001;Zhang et al., 2006; Zhang and Green, 2007; Wang et al., 2009）。低于650～700℃，角閃石以脆性變形和溶解—沉淀為主，高于700℃，角閃石可發(fā)育多組位錯滑移系并形成(100)[001]或(010)[001]組構（Skrotzki, 1992; Egydio-Silva et al., 2002）。

本文2塊新鮮榴輝巖和3塊退變榴輝巖的石榴子石的組構特征與前人對榴輝巖的研究結果一致，但是退變榴輝巖8-1和11-3形成的綠輝石組構略有差異（圖6）。樣品8-1的綠輝石的[001]軸形成近平行于X軸的極密，(010)的法線形成近平行于Z軸的極密，(100)面的法線靠近Y軸分布。樣品11-3的綠輝石的[001]軸形成近平行于XY面的條帶，(010)面的法線雖然靠近Z軸分布，但是并不集中，而(100)面的法線形成了近平行于Z軸的極密。值得注意的是，樣品8-1和11-3的角閃石的[001]軸、(010)面和(100)面的取向分布與樣品中的綠輝石非常近似，而且角閃石與綠輝石的組構不對稱性也完全一致（圖7）。綠輝石和角閃石都是單斜晶系，兩個樣品的角閃石都具有不規(guī)則的晶型，為綠輝石分解的產物，這暗示退變質過程中角閃石的生長繼承了綠輝石的LPO。

受溫度、應力、應變速率和含水量的影響，石英的組構類型非常復雜。石英在低溫（＜400℃）發(fā)育(0001)＜a＞為主控位錯滑移系的底面滑移，400～500℃發(fā)育 {1101}＜a＞ 為主導的菱面滑移，550～650℃發(fā)育 {1010}＜a＞ 為主導的柱面a滑移，高溫下（＞650℃）發(fā)育{1010}＜c＞為主導的柱面c滑 移（Mainprice et al., 1986; Gleason et al., 1993;Okudaira et al., 1995; Kurz et al., 2002; Barth et al.,2010）。此外，應變強度和早期變形會導致石英組構的轉變（Heilbronner et al., 2006; Toy et al., 2008）。Xu等（2009）發(fā)現(xiàn)蘇魯超高壓韌性剪切帶的石英有三種組構類型，分別記錄了高溫、中溫和低溫三個階段的折返變形。本研究的退變榴輝巖8-1中的石英LPO記錄了低溫(0001)＜a＞滑移和中溫{1010}＜a＞滑移，而長英質片麻巖中的石英以低溫(0001)＜a＞滑移為主，記錄了折返后期綠片巖相的變形（圖8）。值得注意的是，樣品8-1的綠輝石和角閃石的LPO剪切旋向都是左行，而石英的LPO剪切旋向為右行，這進一步證明了退變榴輝巖的角閃石繼承了綠輝石的LPO，不能用來反映折返階段的構造變形。

6.2 相變對長英質片麻巖密度的影響

長英質片麻巖中最主要的礦物是石英和斜長石。如圖2所示，高于2.5 GPa和480℃，三方晶系的α-石英會轉變?yōu)閱涡本档目率?。常溫常壓下，?石英的密度為2.648 g/cm3（Hearmon,1979），柯石英的密度為2.911 g/cm3（Weidner and Carleton, 1977）。礦物在某一溫度和壓力下的密度ρ為：

其中K為體模量，γ為熱膨脹系數(shù)。根據石英和柯石英的體模量（Hearmon, 1979; Chen et al., 2015）和熱膨脹系數(shù)（Fei, 1995），對應于圖2，在2.5 GPa和480℃（進變質階段），石英—柯石英的相變將導致礦物密度從2.79 g/cm3增加到2.97 g/cm3；而在2.8 GPa和820℃（退變質階段），這一反應將導致礦物密度從2.97 g/cm3降低到2.79 g/cm3，密度變化為6.4%。

長英質片麻巖另一個重要的相變反應是鈉長石=硬玉+α-石英（圖2）。常溫常壓下，鈉長石的密度是2.62 g/cm3，硬玉的密度是3.346 g/cm3（Hacker et al., 2003）。在1.2 GPa和340℃（進變質階段），鈉長石的分解反應將導致密度從2.64 g/cm3增加到3.02 g/cm3；而在2.22 GPa和820℃（退變質階段），硬玉+石英形成鈉長石將導致密度從3.01 g/cm3降低到2.63 g/cm3，密度變化了14.5%。大多數(shù)情況下，柯石英、硬玉只是作為包體存在于石榴子石、綠輝石、鋯石等礦物中，表明長英質片麻巖的退變質反應已達到平衡，相變導致的密度變化在俯沖和折返階段基本相當?？紤]到礦物的體積百分比，假設長英質片麻巖含50%石英+50%長石，鈉長石→硬玉+α-石英的分解反應導致巖石的密度從2.68 g/cm3增加到2.87 g/cm3，而石英→柯石英相變導致巖石的密度從2.91 g/cm3增加到3.05 g/cm3，因此，相變有助于深俯沖的持續(xù)進行。但是長英質片麻巖的密度仍然顯著低于橄欖巖（密度約為3.3 g/cm3），如果發(fā)生板片斷離或者俯沖隧道內的拆離，相對低密度的長英質片麻巖在浮力作用下可以快速折返。

7 結論

礦物相變如何影響超高壓變質巖的俯沖和折返是認識俯沖帶構造演化的關鍵。本文對大別山超高壓變質帶的典型榴輝巖與長英質圍巖進行了全巖成分和顯微構造分析，并使用前人實驗獲得的礦物流變律，探討了相變對超高壓變質巖有效黏度的影響，以及折返過程中礦物晶格優(yōu)選定向和密度的變化。獲得如下認識：

（1）俯沖隧道中榴輝巖和長英質片麻巖都以位錯蠕變?yōu)橹饕冃螜C制，榴輝巖中的石榴子石近于無序排列，綠輝石發(fā)育(100) [001]主控位錯滑移系，角閃石的(100)[001]組構可能是退變質過程中繼承了綠輝石的組構。石英的組構記錄了超高壓變質巖折返到中地殼的(0001)＜a＞的低溫底面滑移和{1010}＜a＞的中溫柱面滑移，而斜長石的(001)＜110＞和(010)[100]組構形成于折返到下地殼的角閃巖相變質條件，并可能受到混合巖化的影響。

（2）相變導致的礦物有效黏度和密度的變化對陸殼物質的俯沖和折返具有重要影響，俯沖過程中石英→柯石英相變、鈉長石→硬玉+石英的變質反應會顯著提高礦物的有效黏度和密度，促進大陸深俯沖。＞80 km深度，石榴子石的流變強度＞硬玉＞綠輝石＞柯石英，俯沖上地殼的流變由柯石英和硬玉控制，下地殼的流變由綠輝石和石榴子石控制。

（3）早期近等溫降壓折返階段有效黏度隨深度變化不大，柯石英相變?yōu)槭⒖蓪е掠行юざ冉档?個數(shù)量級，晚期降溫降壓的過程中，礦物的有效黏度隨溫度降低而升高，榴輝巖的有效黏度比圍巖高2個數(shù)量級，相變導致的密度降低可以促進超高壓變質巖快速折返。