大陆造山带碰撞-俯冲-折返-垮塌过程的岩浆作用及大陆地壳净生长

地球上的造山带可以划分为增生型造山带和碰撞型造山带,造山带岩浆作用发生在从大洋俯冲、大陆碰撞到造山带垮塌的每一个阶段.陆-陆碰撞的必要条件是大陆俯冲带的存在.一般假设,大陆岩石圈深俯冲的前提是大洋岩石圈俯冲及其在陆-陆碰撞时对紧随被动大陆边缘岩石圈的重力拖曳.大陆俯冲和碰撞的结果是地壳加厚和隆升,但是所产生的造山带岩浆作用发生在什么时间则取决于岩石圈加热机制.增生型造山带没有发生大陆之间强烈碰撞和深俯冲,一般缺少大规模的地壳叠置加厚和隆升,缺少与大陆深俯冲有关的超高压榴辉岩相变质岩,虽然大洋俯冲阶段可以形成巨厚的陆弧地壳,但同碰撞和碰撞后岩浆作用是否存在值得怀疑.碰撞型造山带由于大陆深俯冲和地壳强烈加厚,超高压变质的洋壳和大陆地壳在折返过程中减压熔融,形成同碰撞岩浆作用,在造山旋回晚期去根和垮塌过程中,由于岩石圈伸展和软流圈地幔上涌,形成碰撞后岩浆作用,并标志造山旋回的结束.因此,碰撞造山带的岩浆作用可以发生在大陆深俯冲的同时、俯冲洋壳与陆壳断离后的折返和隆升、造山带的去根和垮塌过程,从大陆碰撞到造山带垮塌和剥蚀(造山旋回结束)的时间跨度为50~90百万年.大陆碰撞造山带是深入了解大陆深俯冲、折返隆升及其造山带垮塌过程的重要场所,而碰撞造山过程中的岩浆作用对大陆地壳生长和再造有重要意义.     

根据地球物理资料分析大别——苏鲁超高压变质带演化的运动学与动力学

中国中央造山带东部的大别-苏鲁是全球最大的超高压变质带,本文基于地球物理资料的分析和综合研究,进一步指出这一超高压变质带演化的复杂性.在扬子与中朝克拉通碰撞后大别-苏鲁地体的俯冲产生超高压变质作用.之后由于两个克拉通之间的倾斜碰撞,产生旋转与局部的拉张为岩石折返造成了良好条件.扬子的旋转也形成一对剪切力使俯冲海洋岩石圈断开和陆块反弹.然而由于南北压挤力的继续作用与大别-苏鲁地体的折返,扬子克拉通继续向大别苏鲁地体下方俯冲.这种陆-陆俯冲携带了大量大陆物质进入上地幔,诱发部分熔融和后期的地幔上隆.本文给出了大别-苏鲁演化动力学的修正模型.     

大洋岩石层拖曳窄条陆壳俯冲的极限尺度分析——以新西兰南岛和大别山超高压变质带为例

超高压变质研究涉及的一个基本力学问题是为什么低密度的大陆地壳岩石能克服浮力俯冲到高密度地幔100多公里的深度.本文的三维有限单元法计算表明:俯冲海洋板块可以拖曳侧面相邻宽度不超过150km的一窄条大陆板块,俯冲到超高压变质深度,形成少见的大规模超高压变质带.十几公里乃至几十公里尺度的陆壳块体,可能被俯冲地幔裹挟至超高压变质深度,在造山带内形成零星出露的超高压变质岩.成熟的陆-陆碰撞带则不可能使陆壳俯冲到超高压变质深度.     

大别山超高压变质岩的地球动力学意义

超高压变质岩因其在岩性与原岩上的多样性,以及其岩块与基质混杂的构造特征而具变质混杂岩属性,其顺时针型P-T轨迹表明,超高压岩石的形成与演化与碰撞造山作用有关,年代学研究表明,峰期超高压变质作用发生于中-晚三叠世,几个不同地点的超高压岩石的P-T-t轨迹已被归纳,并据之计算了超高压岩石的折返速率.计算表明,大别山超高压岩石的折返具多阶段性,即中-晚三叠世的快速折返(3.3～3.6mm/a),早侏罗世的中速折返(0.7～1.1mm/a),以及中侏罗世至早白垩世的极慢速折返(0.15mm/a).以上述资料为约束条件,提出了一个大别山造山带的柱状模型.     

苏鲁-大别山变质带岩石大地构造学

大别山变质带分隔了华北和扬子两个陆块,它们可以分为3个主要的岩石构造单元、分别相当于安第斯岩浆弧根部变质杂岩,碰撞带根部变质杂岩和扬子陆块边缘的变质沉积杂岩,3个岩石构造单元在空间分布上是有规律的,即在大别山区是由北向南逐个排列,在被郊庐断裂破坏的较为严重的苏鲁地区,也大致是从西北到东南依次排列,此外,中生代碰撞型花岗岩和碱性岩墙群在空间上有规律地分布,出露于北大别和南大别变质杂岩中,尤其在北大别更发育,含超高压变质岩的南大别变质杂岩是陆陆碰撞带的根部带,它们代表了两个大陆的缝合线.超高压变质岩石或岩片构造侵位于非高压变质的围岩片麻岩中,是俯冲到深部的岩石在碰撞之后抬升和就位于中、上地壳中的,现在出露于地表的超高压变质岩及其有关的岩石至少经历了两个主要阶段的抬升和折返过程.     

喜马拉雅汇聚带结构-属性解剖及印度-欧亚大陆最终拼贴格局

针对印度与欧亚大陆的碰撞方式与时限存在争议的现状,为探讨学术界关于喜马拉雅造山作用观点分歧的原因,本文首先综述了汇聚带结构-属性解剖方法论与基本原则,指出大陆碰撞造山带实际上包括了多种类型,但常见的大陆碰撞造山带往往包括了被动大陆边缘和活动大陆边缘的诸多块体拼贴的格局,其最终的碰撞格局及缝合带产出位置由增生楔底部界面控制,可能在拼贴后呈起伏状或者Z字形等复杂产状.厘定最终碰撞缝合带的可行思路,就是解剖活动大陆边缘结构,确定其作为俯冲上盘的岩石类型属性,特别是增生楔、高压-超高压和巴洛(Barrovian)变质带以及上叠弧前盆地.同时,找寻被动大陆边缘与活动大陆边缘接触的最外、最远边界及其趋近界面,就能厘定缝合面在地表的出露线.根据地球物理资料和高压变质岩等产出位置,限定其深部的产出状态,就可以限定缝合带的产出状态.结合汇聚带结构-属性解剖方法论与基本原则讨论,本文指出喜马拉雅南部汇聚带成分、结构复杂,急需重新开展结构-属性解剖.在综合前人研究资料的基础上,结合我们自己的最新研究结果,进一步总结探讨喜马拉雅造山带结构-属性的新认识,其中雅江蛇绿岩带包含多种构造组分,并非代表单一缝合带,可能是位于弧前后盾(backstop)的多地质单元组合.特提斯喜马拉雅(THS)包含混杂岩结构组成,具有"基质+块体"的结构特征;统一的南向古水流物源、单一的欧亚大陆特征碎屑锆石年龄谱,均表明特提斯喜马拉雅(THS)应该是冈底斯弧前体系,在最终碰撞前具有欧亚大陆属性.高喜马拉雅(GHS)和低喜马拉雅(LHS)组成复杂,由俯冲碰撞作用产生的榴辉岩等高压变质岩就位于高喜马拉雅(GHS)和低喜马拉雅(LHS)的顶部.根据造山带内的高压变质岩石折返都就位于俯冲上盘的产出特征,高喜马拉雅(GHS)和低喜马拉雅(LHS)的顶部含高压变质岩部分应属于俯冲上盘单元,俯冲带必须位于其下(南)部.因此,印度大陆最主要也是最终的俯冲作用是沿该俯冲带结构面发生.低喜马拉雅(LHS)和锡瓦里克的岩石组合表明其主体不发育混杂带,很可能属于印度的前陆体系.通过对喜马拉雅造山带内不同单元的结构-属性解剖,结合俯冲拼贴相关的构造变形年龄,本文认为印度与欧亚大陆最终的碰撞拼贴发生在14Ma之后.青藏地区南北向裂谷的发育、藏东地区哀牢山等剪切带左行-右行的转换等构造事件的发生,均可以协调地反映在俯冲带的影响范围和动力学控制之中.通过对喜马拉雅造山带的研究,提出喜马拉雅造山带最终碰撞拼贴新模式,表明造山带的结构-属性解剖是正确认识造山带的关键,其分析方法可以应用到全球造山带的研究.同时,本文也提出一些关于喜马拉雅造山带结构-属性研究未来需要关注的重要科学问题.     

南阿尔金早古生代俯冲碰撞过程中的花岗质岩浆作用

南阿尔金俯冲碰撞杂岩带早古生代存在517,501~496,462~451和426~385 Ma四个期次的花岗质岩浆岩.第一期岩浆岩侵位于区内蛇绿岩型镁铁质岩石之中,后三期分别对应于该构造带高压-超高压岩石~500 Ma的峰期变质及其~450和~420 Ma的两期退变质时间.结合区域地质背景、镁铁-超镁铁质岩和高压-超高压变质作用研究成果综合分析,这四期岩浆岩分别是南阿尔金早古生代板块俯冲碰撞过程中,先期俯冲洋壳,之后陆壳深俯冲导致地壳加厚引发下地壳以及深俯冲板片断离导致中上地壳和造山后伸展减薄阶段部分熔融作用的产物.其中,洋壳型埃达克岩的形成时代(517 Ma)为南阿尔金洋壳俯冲作用时限提供了直接约束,陆壳深俯冲引发的高压-超高压峰期变质时代(~500 Ma)作用滞后这一事件约10 Myr,表明南阿尔金早古生代时期由洋壳俯冲转换为陆壳俯冲可能是一个连续的构造演化过程.这四期花岗质岩石与区内蛇绿岩型镁铁-超镁铁质岩石以及高压-超高压变质岩石的形成,共同记录了南阿尔金早古生代时期从大洋俯冲、之后的大陆深俯冲碰撞再到后来深俯冲陆壳折返抬升的完整构造演化过程.     

俯冲大陆岩石圈重熔：大别-苏鲁造山带中生代岩浆岩成因

大别-苏鲁造山带是华南-华北陆块在三叠纪经过大陆碰撞形成的,其中含有大量中生代岩浆岩,形成时代上主要属于晚三叠世、晚侏罗世和早白垩世.晚三叠世碱性岩和晚侏罗世花岗岩仅出露在苏鲁造山带东部,而早白垩世岩浆岩则遍布整个大别-苏鲁造山带（包括大面积的花岗岩、零星的中基性侵入岩和火山岩）.虽然时代不同,但是它们均富集轻稀土元素和大离子亲石元素,亏损高场强元素,具有高的初始Sr同位素比值、低的εNd（t）值和低的放射成因Pb同位素组成.晚侏罗世和早白垩世花岗岩锆石中含有新元古代和三叠纪U-Pb年龄的继承核,大多数早白垩世基性岩中锆石具有比正常地幔锆石低的氧同位素比值,全岩具有比正常地幔低的碳同位素比值.系统的元素和同位素对比研究发现,大别-苏鲁造山带中生代花岗岩和基性岩分别与经过超高压变质的花岗片麻岩和榴辉岩具有相似性.尤其是若干鉴定性特征的地球化学指标证明,它们都是华南岩石圈北缘的组成部分.由于中生代大陆深俯冲,这些具有类似地球化学性质的岩石分别在不同时间和层位发生超高压变质和碰撞后深熔作用.因此,这些中生代岩浆岩的形成与华南陆块俯冲/折返之后的碰撞后造山带构造跨塌有关,是俯冲大陆岩石圈在碰撞造山带加厚背景下部分熔融的产物.     

大别山俯冲陆壳的再循环——地球化学证据

大别山超高压榴辉岩与邻区新生代大陆玄武岩的地球化学对比研究表明,碰撞造山带俯冲陆壳可以再循环进入软流圈地幔,并形成上地幔的EM Ⅰ富集端元它与交代富集不相容元素的岩石圈地幔不同,具有低Rb/Ba和La/Yb的特征.位于大别山和苏-鲁超高压变质带之间的嘉山具有EM Ⅰ特征的新生代大陆玄武岩可能就与大别造山带俯冲陆壳再循环有关.     

从北淮阳构造带的多期变形透视大别山构造演化

大别山北部的北淮阳构造带主体由佛子岭群和庐镇关群构成. 北淮阳构造带没有经历超高压变质作用, 但却具有与大别山其他地区相同的构造变形形式. 通过几何学、运动学及多期构造变形的研究, 论证了北淮阳构造带具有与其他地质单元相同的动力学背景. 同大别山中部穹隆及南部超高压变质地体相比, 由于北淮阳构造带的俯冲深度较浅, 从而保留了超高压变质作用之前的构造变形形迹. 结合同位素年代学的测量结果, 把北淮阳构造带的岩石变形划分为五期, 分别代表了早期板块会聚的变形痕迹(D1), 早期的构造折返(D2), 表示主变形期的晚三叠世的伸展作用(D3), 晚三叠世的重力滑脱伸展作用(D4)和白垩纪的伸展作用(D5). 结合大别山的岩石变形, 可以认为华南与华北板块碰撞造山过程大致经历了陆壳俯冲阶段, 同俯冲期的折返作用, 穹窿及其边缘的重力滑脱变形和混合岩化及岩浆侵入作用.     

发展板块构造理论:从洋壳俯冲带到碰撞造山带

地壳俯冲和大陆碰撞是板块构造理论的核心,而认识大陆碰撞造山带的形成和演化,是发展板块构造理论的关键.根据俯冲地壳的性质,业已认识到不同类型的板块俯冲带.根据碰撞块体的性质及其衍生岩石的成分,已经认识到大陆碰撞形成了两种类型的造山带.弧陆碰撞造山带既含有古老地壳物质,也含有新生地壳物质,它们在碰撞后阶段的再造就能够产生不同地球化学成分的岩浆岩.而对于两个相对古老大陆之间的碰撞所形成的造山带来说,碰撞后岩浆作用只是俯冲带古老地壳的再造.碰撞造山带在岩石圈拉张作用下发生活化再造,不仅再造作用在构造体制上具有继承性,而且再造产物岩浆岩在地球化学成分上也具有继承性.因此,研究碰撞后体制下的造山带再造,认识大陆碰撞造山带深部物理化学差异、俯冲地壳性质与碰撞后岩浆岩之间的成因联系,建立碰撞后阶段大陆构造演化的基本规律,是构建大陆动力学体系、发展板块构造理论的关键.     

影响超高压变质岩P-T-t轨迹特征的主要因素

P-T-t轨迹是研究超高压变质岩形成演化过程主要的方法之一,是提出合理地球动力学模型的主要依据.准确理解影响P-T-t轨迹的因素对于理解超高压变质岩的俯冲-折返至关重要.运用增生楔、角落流、浮力抬升模型解释超高压变质岩形成演化的基础上,定量的探讨了不同俯冲速度、不同俯冲角度、不同俯冲阶段、剪切应变生热等因素对P-T-t轨迹的影响.板块持续的高速俯冲,不仅可以使得俯冲带形成低温环境,而且在陆壳岩石俯冲到地幔经受超高压变质作用后返回地表浅部的过程中,超高压变质岩在地幔滞留的时间短,为超高压变质岩的形成提供了必要条件.较低的俯冲速度不利于超高压变质岩的形成演化.     

大别山超高压变质杂岩的折返

作为世界上规模最大的一个超高压变质带,大别山超高压变质杂岩是扬子板块与中朝板块在三叠纪碰撞造山的产物,表现为扬子板块 呈北北东向斜向俯冲到中朝板块之下。超高压变质杂岩的折返机制是个复杂的动力学过程,折返速度也胡时间推移而变慢。早期阶段同碰撞期浮力驱动下高压－超高压变质杂岩在俯部带内沿逆冲－韧性剪切断裂快速到地位位,折返速率高达４ｍｍ／年;中期伴随着巨厚造山带根的拆沉。上部发生拉张塌陷,使超高压变质     

超高压变质作用：固体地球科学领域的新挑战

本文简述了国际上超高压变质岩研究领域中十年来的主要进展。含柯石英变沉积岩的发现暗示了上地壳物质可被迅速带至地下９０ｋｍ或更深处经受超高压变质作用，并在八千万年中很快折返出露地表。这一研究在实验岩石学、造岩矿物学、同位素年代学和大陆造山带的地球动力学等四个方面给固体地球科学领域带来了一系列重大突破。预计在今后五至十年内，这一研究将保持其热点地位，并围绕超高压变质作用过程和超高压变质岩折返的动力学过程展开工作。     

大陆俯冲-碰撞-折返的动力学数值模拟研究综述

大陆板块通常紧接着大洋俯冲的完结而开始俯冲和碰撞,并可能伴随着高压-超高压变质岩石的形成和折返.基于对前人动力学数值模型的总结,大陆板块的稳定会聚过程可以大致分为6种模式:纯剪切增厚、挤压褶皱、单向高角度俯冲、单向低角度俯冲、双向俯冲以及俯冲板块的断离.同时,俯冲隧道中高压-超高压岩石的折返机制主要包含8种模式:逆冲断裂折返、褶皱挠曲折返、物质回旋折返、构造增压折返、俯冲板块"中上地壳"的整体拆离和折返、不同深度处物质周期性的韧性挤出、俯冲板块断离引发的板块后撤折返以及俯冲隧道中地壳物质穿过"破碎的"上覆岩石圈的折返.在大陆俯冲隧道中,中上地壳的弱化和拆离是物质从俯冲到折返转换的先决条件.但是物质弱化的主导机制及其在大陆俯冲隧道中的控制作用尚没有得到很好的解决.近似而言,大陆俯冲和折返的动力学机制可以等效为流体动力学中的"倾斜隧道流模式".该模式中,物质的俯冲抑或折返取决于俯冲隧道中"向下的Couette流"和"向上的Poiseuille流"这两种流动机制的竞争结果.另外,壳-幔岩石中的水对于俯冲隧道和上覆岩石圈的变形和破坏具有非常重要的作用,从而如果在模型中增加脱水和水化作用的数值算法,那么模拟的结果将可能大大区别于简单的"倾斜隧道流模式".数值模拟的另一个重要问题就是三维模型的应用,这对于研究造山带沿走向的差异性俯冲碰撞模式具有重要意义,也是该领域未来的发展方向之一.     

西南天山洋壳高压-超高压变质岩石的俯冲隧道折返机制

出露于造山带的高压-超高压榴辉岩记录了地壳俯冲到地幔深度而后又折返回地表的过程,其俯冲过程与折返机制的研究对理解俯冲带性质、演化、地球动力学过程乃至板块构造理论都有着非常重要的作用.相对于较轻的陆壳长英质高压-超高压岩石,基性洋壳榴辉岩密度大,其折返难度大且过程复杂.折返过程除了受内在浮力的影响,还受外在构造力(如隧道流)的制约,另外板片构造环境(如板片后撤和板片断离)的作用也不可忽视.中国西南天山高压-超高压变质带是典型的经历过深俯冲变质作用的增生混杂岩带,主要由高压-超高压变质沉积岩及夹杂其中的变基性岩透镜体组成,但长期以来其折返模式一直不太清楚.根据其野外产状、岩相学特征、峰期变质温压条件和峰期变质年龄等多方面的综合分析,可以采用沉积岩型"俯冲隧道折返模式"来概括西南天山高压-超高压变质带的形成和演化.部分经历多期变质作用的榴辉岩岩块记录了多期俯冲-折返循环,反映了俯冲隧道内的上下环流运动,有力证明了俯冲隧道的存在.最后,本文对目前研究存在的问题和未来的探索方向进行了展望.     

苏鲁超高压变质带北部地球物理调查(1)─—深反射地震

苏鲁超高压变质带是世界上研究陆一陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳地质场所之一．为了解超高压变质带岩石的形成、折返和相应的动力学过程,必须了解该区的地壳和浅地幔构造．本文介绍了该区北部的地质情况和进行深反射地震调查取得的成果,包括（１）在五莲─青岛断裂南侧超高压变质岩片向北倾斜,呈现叠复组构,反映岩片的折返;（２）根据地震资料推测在１４６Ｍａ前后胶南地块的隆升一伸展构造内幕;（３）超高压变质岩片厚约１２ｋｍ,由于含有大量相辉岩透镜体,地震波速高达６．８─７．３ｋｍ／ｓ;（４）莫霍面附近有许多楔形反射体,反映陆一陆碰撞;（５）石门地区７ｋｍ深处存在高波速的强反射体,可作为在该区进行大陆科学钻探的候选场址．     

桐柏-红安造山带的构造演化:从大洋俯冲/增生到陆陆碰撞

桐柏-红安造山带位于秦岭与大别-苏鲁造山带之间,因其完好地保存了古生代增生造山体系和古生代末-中生代碰撞造山体系而成为了解华北-华南陆块之间构造演化的关键地区.近20年来的可利用研究资料表明,桐柏-红安造山带显生宙的总体构造演化框架包括以下4个主要阶段:(1)早古生代(490~420 Ma)大洋俯冲、岛弧增生与弧陆碰撞,从而于早古生代末在华北陆块南缘形成一个新的安第斯型大陆边缘;(2)晚古生代(340~310 Ma)大洋俯冲与增生,进而在商丹-松扒断裂南侧形成变质时代相同,但变质作用类型不同的"双变质带",即被分割的武关-龟山中级变质杂岩带和熊店高压榴辉岩带;(3)晚古生代末-早中生代(255~200 Ma)大陆俯冲与陆陆碰撞,通过华南大陆岩板东深西浅的俯冲和多层次拆离/折返形成桐柏高压变质地体和红安高压/超高压变质地体;(4)晚中生代(140~120 Ma)伸展、大规模岩浆侵位与构造挤出,造成桐柏-红安-大别高压/超高压变质地体最终出露地表及东宽西窄的构造格局.然而,对每一构造演化阶段的具体细节以及早期地质历史的认识方面还存在着诸多争议和(或)难以解释的问题.未来的研究除在桐柏-红安造山带继续开展深入细致的工作外,还需与西部"软碰撞"的秦岭造山带和东部"硬碰撞"的大别-苏鲁造山带的研究紧密结合,以期建立适合于整个秦岭-桐柏-红安-大别-苏鲁造山带从古生代到中生代的经典构造演化模型.     

苏鲁超高压变质带北部地球物理调查（1）─-深反射地震

苏鲁超高压变质带是世界上研究陆一陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳地质场所之一．为了解超高压变质带岩石的形成、折返和相应的动力学过程,必须了解该区的地壳和浅地幔构造．本文介绍了该区北部的地质情况和进行深反射地震调查取得的成果,包括（１）在五莲─青岛断裂南侧超高压变质岩片向北倾斜,呈现叠复组构,反映岩片的折返;（２）根据地震资料推测在１４６Ｍａ前后胶南地块的隆升一伸展构造内幕;（３）超高压变质岩片厚约１２ｋｍ,由于含有大量相辉岩透镜体,地震波速高达６．８─７．３ｋｍ／ｓ;（４）莫霍面附近有许多楔形反射体,反映陆一陆碰撞;（５）石门地区７ｋｍ深处存在高波速的强反射体,可作为在该区进行大陆科学钻探的候选场址．     

大别杂岩减压变质过程与造山带深部区域性快速构造折返

大别杂岩的变质岩岩石可分出麻粒岩相带和角闪岩相带.麻粒岩相中石榴石内带的生长成分环带保存完好,角闪岩相石榴石内带无成分变化,但近外带为生长环带,反映两个变质相带早期具有不同的变质历史.但是,两个变质相带普遍发育反映减压的反应结构和成分演化趋势.矿物温度计压力计估算麻粒岩相带减压△P≈-0.70GPa;角闪岩相带减压△P≈-0.85GPa.变质P-T轨迹具碰撞和俯冲变质的双重特点,表明大别杂岩经受了快速下沉和快速构造折返.区内高压超高压榴辉岩折返可能与之同期.