大别-苏鲁超高压和高压变质带构造演化

大别—苏鲁是世界上超高压 (UHP) ( >2 .7GPa)和高压 (HP)变质岩石出露最为广泛的地区。通过区域研究 ,尤其是在选择的 30多个关键位置上不同尺度构造记录的深入观察 ,结合已有的可利用的变质、热事件及同位素年代学资料分析 ,揭示出它们曾遭受过一个复杂的从深俯冲到折返构造演化历程 ,识别出 5个主要的构造变质事件 :( 1)由块状榴辉岩中发育的微弱面理和线理所代表的第 1期变形变质事件 (D1) ;( 2 )面状榴辉岩中发育的含拉伸线理的透入性主面理、中小型鞘状褶皱及网络状韧性剪切带 ,代表第 2期构造变质事件 (D2 ) ;( 3)第 3期变形事件主体发生于麻粒岩 /角闪岩相后成合晶形成之后 ,主要构造记录是区域性陡倾斜面理及不均一置换的成分层、榴辉岩透镜体及布丁群、面理内褶皱、网状韧性剪切带系统以及减压部分熔融作用形成的混合岩和含榴花岗质岩石组构 ;( 4)区域性的碰撞期后地壳韧性薄化及剪张作用 (D4)形成缓倾斜角闪岩相主面理及线理、穹状及弧形构造和多层韧性拆离带 ,它们主导了现今观察到的大别—苏鲁超高压和高压变质带的区域构造几何图像 ;( 5 )第 5期构造热事件 (D5)表现为不均一断块抬升、红色沉积盆地发育及大规模的岩体和岩脉就位 ,代表造山晚期的构造揭顶及坍陷作用 ,该期构造控制着造山带     

大别—苏鲁超高压地体中面理化含榴花岗岩的成因研究

大别—苏鲁超高压地体中的面理化花岗岩因为常含石榴石而被简称为含榴花岗岩, 其岩石类型主要为二长花岗岩、花岗岩和微斜长石花岗岩, 岩石具有花岗结构和片麻状构造.详细的野外地质研究表明, 超高压片麻岩作为超高压榴辉岩的围岩与含榴花岗岩呈渐变过渡关系, 或在含榴花岗岩中呈与面理平行的残留条带, 体现超高压片麻岩通过构造置换和部分熔融向含榴花岗岩转化.含榴花岗岩在常量元素的总体组成上, w(SiO₂)为71.73%~79.15%;A/CNK为0.83~1.09, 平均0.98, 为准铝质; w(K₂O+Na₂O)为6.15%~9.00%, w(K₂O)/w(Na₂O)为0.16~1.54(绝大多数集中在0.9~1.1), 具有相对弱富钠-弱富钾特征.从标准矿物组成上看, 大别含榴花岗岩主要相当于奥长花岗岩; 山东含榴花岗岩主要相当于花岗岩; 东海含榴花岗岩主要相当于钾质花岗岩.在微量元素特征上, 含榴花岗岩的∑REE、∑LREE明显富集, δEu具有明显的负异常, 在原始地幔标准化蛛网图上, 相对亏损Nb、Ta、P、Zr、Ti等高场强元素及大离子亲石元素Sr, 富集Ba、La、Nd、Y、K等大离子亲石元素, 结合其贫w(Al)(平均11.6%)富w(Ga)(> 17×10-6)、(Fe/Mg)_M(1.087~20.330)等特征, 表明其地球化学特征相当于非造山的A型花岗岩.结合前人超高压变质作用和构造演化等研究成果, 可以推断含榴花岗岩是超高压地体折返到中下地壳, 在底侵、构造体制转换等因素作用下, 由高压片麻岩的部分熔融形成的.含榴花岗岩在大别—苏鲁不同区域上的规律变化, 表明东海含榴花岗岩的出露相对于大别更低位.      

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-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—苏鲁超高压变质带内的块状榴辉岩及其构造意义

大别—苏鲁超高压(> 27× 108Pa) 变质带内的榴辉岩, 在大陆深俯冲、碰撞和折返剥露过程中, 大都遭受了强烈的变形和变质作用的重置与再造.但是, 大型榴辉岩体核部以及包裹于大理岩和石榴橄榄岩体内部的块状榴辉岩, 往往保留其初始简单的矿物组合、中-细粒状变晶结构和块状构造.详细地分析了块状榴辉岩的几何学、岩相学及变质作用特征, 指出它们是超高压榴辉岩递进及多期变质变形分解作用的残留体, 位于尺度不同的弱应变域内, 是大陆深俯冲及碰撞作用的真正记录.      

柴北缘超高压地体折返过程中地壳深熔的岩石学研究

宏观、微观岩石学、地球化学和年代学研究表明,柴北缘锡铁山和绿梁山单元富含斜长石的浅色体和富含钾长石的浅色体是超高压地体折返过程中榴辉岩和片麻岩部分熔融的产物。阴极发光图像显示富含斜长石的浅色体中锆石具有明显的核-边双层结构,锆石核部无明显分带特征,并呈现出重稀土平坦和无Eu异常的稀土配分模式,～450Ma的年龄结果与区域上榴辉岩峰期变质时代一致;发光较弱的锆石边部具不明显的环带结构和较低的Th/U比值,～426Ma年龄结果代表了熔体的结晶时代。富含钾长石的浅色体中的锆石U-Pb定年结果记录的～910Ma、～450Ma和～426Ma三组年龄分别代表了片麻岩原岩结晶时代、高压-超高压变质作用时代和熔体结晶时代。富含斜长石的浅色体具有高SiO_2、Al_2O_3、CaO、Na_2O、Sr和LREE,而低MgO、FeO~T、K_2O、Y、Yb和HREE的英云闪长岩-奥长花岗岩的地球化学特征;而富含钾长石的浅色体具有高的SiO_2、Al_2O_3和K_2O+Na_2O,而较低的CaO、MgO、REE的花岗岩地球化学特征。黝帘石和少量的多硅白云母的脱水分解是触发超高压榴辉岩发生部分熔融形成富含斜长石的浅色体的主要机制;而多硅白云母的脱水分解则是触发超高压片麻岩部分熔融形成富含钾长石浅色体的主要机制。这些浅色体显著的促进了柴北缘超高压地体的快速折返,并对大陆俯冲隧道中的元素迁移和壳-幔作用具有重要的影响。     

大别—苏鲁区UHP变质岩构造学及流变学演化

在大别—苏鲁区的30个关键位置,对UHP/HP变质岩进行详细构造解析、大比例尺(1∶10000)制图并在区域尺度上进行观察和对比,以便揭示它们的构造几何学、变形条件和流变学演化。初步的研究结果指出,广泛出露的UHP/HP榴辉岩相岩石形成一个巨大的UHP/HP变质带,提供了一个观察中朝与扬子克拉通之间三叠纪大陆深俯冲-碰撞带过程的窗口。观察的显微构造及组构指出,UHP/HP变质带内岩石变形机制,无论是在榴辉岩相阶段还是在榴辉岩相后阶段,都是以塑性流变为主,其力学行为和组构特征都受组成矿物的强度、强度差等流变学特征,以及变形物理环境如压力、温度、应变速率、差异应力和流体含量等的制约。在俯冲/碰撞带内的变形分解作用于岩石圈不同层次及不同的构造阶段都曾发生,而且,在不同尺度上,应变局部化形成具高应变的剪切带网络,且一般显示典型的布丁-基质或碎斑-基质构造及流变学型式。根据构造、岩石、变质作用及地质年代学资料,借助于岩石圈流变学基本原理,提出一个大别—苏鲁区UHP/HP变质岩石流变学演化的工作模式,它涉及早期扬子与中朝克拉通间三叠纪(~250~230Ma)大陆深俯冲/碰撞、UHP/HP变质岩形成,相继深埋岩石的多期折返。特别强调UHP/HP岩石向地壳表层的折返,主要是构造过程,地面侵蚀作用是次要的。     

苏鲁-大别造山带岩石圈应力场、构造运动特征以及超高压变质带折返机制的研究

苏鲁-大别造山带是华北、华南地块之间的大地构造交界带.本文分析研究了我国东部地区的3000余年的地震活动性,并根据1918～2006年问苏鲁-大别及其周围地区发生的1000余个地震的震源机制解,系统研究了地壳应力场和构造运动的区域特征,探讨了超高压变质带的折返机制.结果表明,苏鲁带以及华北地区受到太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压的同时,受到从贝加尔湖经过大华北直到琉球海沟的广阔地域里存在着的统一的、方位为170°的引张应力场的控制.右旋走滑运动是苏鲁地区和郯庐断裂带的现代构造运动的主要特征.地震发生类型多为右旋走滑型或右旋走滑正断层型地震.华南地区构造应力场主要表现为,受北西西向运动的菲律宾板块向欧亚板块碰撞挤压运动所产生的方位为110～120°挤压应力的控制.华北、华南地块之间现代地壳应力场的分界线,西部与秦岭带大致相符,在大别东开始则逐渐偏离大地构造,到黄山附近向东南偏转,在温州附近转为向东延伸,最终穿过东海直至琉球海沟.研究结果还表明,苏鲁-大别超高压变质带的折返运动机制,即致使大量超高压变质岩折返到上地壳或地表的岩石圈应力场背景原因为,中生代以来大华北地区存在着较强扩张应力场的主控作用.此外,岩石圈地幔的蘑菇云构造增强了华北地区扩张应力场及扩张构造运动,导致形成大量深裂谷、裂隙,深部物质上涌.苏鲁及东大别地带处于或接近蘑菇云构造运动发育地区的中心,深部地幔物质的上涌导致并加剧了超高压变质岩折返到上地壳或地表,形成了世界著名的苏鲁-别超高压变质带.     

大别-苏鲁区超高压(UHP)变质岩的多阶段构造折返过程

追溯和重塑超高压变质岩由100多千米地幔深度折返至上地壳及地表的过程,对理解会聚板块边缘及大陆碰撞带的运动学和动力学是极为重要的.主要依据构造学、岩石学、地球化学和可利用的地质年代学资料,结合区域多期变形分析,大别-苏鲁区超高压变质岩的折返过程至少可分解出4个大的阶段.块状榴辉岩记录了三叠纪(约250~230 Ma)大陆壳岩石的深俯冲/碰撞作用.超高压变质岩早期迅速折返发生于超高压峰期变质作用(P＞3.1~4.0 GPa,T≈800±50 ℃)之后,处于地幔深度和柯石英稳定域,相当于区域D₂变形期阶段.分别与区域变形期D₃、D₄和D₅对应的折返过程,以及后成合晶、冠状体等卸载不平衡结构发育和减压部分熔融作用2个中间性构造热事件,均发生在地壳层次. 网络状剪切带在折返过程的不同阶段和不同层次均有发育,标志着在超高压变质带内的变质和变形分解作用曾重复进行.着重指出,超高压变质岩的折返,主要是由大陆壳的深俯冲/碰撞和伸展作用控制的构造过程,且受到俯冲带内、带外诸多因素的约束,其中水流体就起关键作用.      

大别超高压变质地体的岩石组合及其演化--以皖西南碧溪岭和双河地区为例

碧溪岭和双河地区是大别超高压地体内2个典型的露头区,通过野外露头观察、岩相学和岩石化学研究发现,岩石组合主要为榴辉岩、斜长角闪岩、片麻岩和面理化花岗岩。榴辉岩具有壳源的特点,是地壳岩石在地幔深处发生超高压变质作用形成的;斜长角闪岩为板块折返期间榴辉岩的退变质产物;片麻岩为斜长角闪岩在折返过程中在合适的环境下深熔递进演变的产物;而面理化花岗岩是片麻岩部分熔融的结果。榴辉岩与片麻岩和面理化花岗岩之间为经过改造的原地关系。     

Zoned Zircon from Eclogite Lenses in Marbles from the Dabie-Sulu UHP Terrane, China： A Clear Record of Ultra-deep Subduction and Fast Exhumation

Eclogite lenses in marbles from the Dabie-Sulu ultrahigh-pressure (UHP) terrane are deeply subducted meta-sedimentary rocks. Zircons in these rocks have been used to constrain the ages of prograde and UHP metamorphism during subduction, and later retrograde metamorphism during exhumation. Inherited (detrital) and metamorphic zircons were distinguished on the basis of transmitted light microscopy, cathodoluminescence (CL) imaging, trace element contents and mineral inclusions. The distribution of mineral inclusions combined with CL imaging of the metamorphic zircon make it possible to relate zircon zones (domains) to different metamorphic stages. Domain 1 consists of rounded, oblong and spindly cores with dark-luminescent images, and contains quartz eclogite facies mineral inclusion assemblages, indicating formation under high-pressure (HP) metamorphic conditions of T = 571-668℃and P = 1.7-2.02 GPa. Domain 2 always surrounds domain 1 or occurs as rounded and spindly cores with white-luminescent images. It contains coesite edogite facies mineral inclusion assemblages, indicating formation under UHP metamorphic conditions of T = 782-849℃and P > 5.5 GPa. Domain 3, with gray-luminescent images, always surrounds domain 2 and occurs as the outermost zircon rim. It is characterized by low-pressure mineral inclusion assemblages, which are related to regional amphibolite facies retrograde metamorphism of T = 600-710℃and P = 0.7-1.2 GPa. The three metamorphic zircon domains have distinct ages; sample H1 from the Dabie terrane yielded SHRIMP ages of 245±4 Ma for domain 1, 235±3 Ma for domain 2 and 215±6 Ma for domain 3, whereas sample H2 from the Sulu terrane yielded similar ages of 244±4 Ma, 233±4 Ma and 214±5 Ma for Domains 1, 2 and 3, respectively. The mean ages of these zones suggest that subduction to UHP depths took place over 10-11 Ma and exhumation of the rocks occurred over a period of 19-20 Ma. Thus, subduction from～55 km to > 160 km deep mantle depth took place at rates of approximately 9.5-10.5 km/Ma and exhumation from depths >160 km to the base of the crust at～30 km occurred at approximately 6.5 km/Ma. We propose a model for these rocks involving deep subduction of continental margin lithosphere followed by ultrafast exhumation driven by buoyancy forces after break-off of the UHP slab deep within the mantle.     

榴辉岩的两种变质演化轨迹和俯冲大陆地壳的差异折返——以柴北缘都兰超高压地体为例

都兰榴辉岩地体位于柴北缘—南阿尔金超高压变质带的东端,是唯一确定含柯石英的超高压变质地体,约700 km,其特点是含有两个特征不同的变质亚带,并经历了不同的折返过程。柯石英假像和温压计算表明两带榴辉岩峰期变质的压力都在柯石英的稳定域（2.8~3.3 GPa）,但它们退化变质的p–T 轨迹具有明显不同的特征。北带榴辉岩经历了两个阶段的折返：早期从地幔深度快速折返到中部地壳层次,伴随岩石的等温降压,并发生角闪岩相退化变质;晚期抬升到地壳浅部。都兰南带榴辉岩折返过程中经历了高压麻粒岩相变质的改造,高压麻粒岩阶段的p–T条件为p＝1.9~2.0 GPa,T＝873~948℃, 并进一步经历了角闪岩相退化变质,说明都兰南带榴辉岩折返速率较慢,发生了壳幔过渡带（或加厚的深部地壳）层次的强烈热松弛。这种热松弛发生在许多大陆俯冲带的超高压岩石的折返过程中,并且是榴辉岩发生深熔作用的主要机制。都兰两个变质带不同的变质演化轨迹反映了俯冲的大陆地壳具有差异折返的特征。     

大别山的构造变形期次和超高压岩石折返的动力学

从构造关系上看,大别山可分为南部,中部和北部3个构造系统,大别山南部构造系统为一套（原地）构造堆叠系统（相对的）,从上到下依次为：（1）未变质的震旦纪一早三叠世沉积盖层,它被造山后的侏罗－白垩纪砂－砾岩不整合覆盖;（2）弱变质的新元古代板岩;（3）高压变质岩系（宿松群）,这些变质岩系大多退变质为绿片岩相;（4）含柯石英榴辉岩超高压变质单元的异地系统;（5）未经历超高压变质作用的原地（相对的）片麻岩系。北西－南东向的拉伸线理在各个地质单元均有表现。从动力学上看,上盘指向NW的剪切运动被后期的褶皱所改变,大别山中部为（混合岩）热穿窿改造系统,系经历了超高压变质作用的地体叠加了混合岩化作用的产物,它与超高压变质地体的界限为一拆离断层,而正是这个拆离断层使超高压变质地体向地表折返并经历了角闪岩相的退变质作用。大别山北部为构造堆叠系统,早期的面理和南北向的挤压线理被轴面北倾的褶皱所改造,这种褶皱对应于大别山中部同折返期的韧性变形的隆升构造。同时建立了地球运力学模型并讨论了逆冲作用和正断层的作用。     

Helium Isotope Geochemistry of Ultrahigh-Pressure Metamorphic Eclogites From the Dabie-Sulu Terrane in East China

The 3He/4He ratios of most eclogites from the Dabie-Sulu terrane range from 0.056 to 0.67 Ra; the data points fall into the mixing part of the crust and the mantle in the 3He-4He diagram. The 3He/4He ratios of eclogites are obviously correlated with the types of their surrounding rocks. The helium isotope composition of the eclogites from the Bixiling complex possesses characters of mantle-derived rocks with the 3He/4He ratio being 5.6 Ra. The 4He concentration of the eclogites exhibits visible inverse correlation with the δ18O value of the quartz in the eclogites from the Sulu area. The δ18O values of the eclogites change synchronously with those of the country rocks. Those results suggest that protoliths of the eclogites were basic-ultrabasic rock bodies or veins intruding into the continental crust in the early stage; strong exchange and hybridization between the basic-ultrabasic rocks and continental rocks and the atmospheric water during the intrusion led to abrupt increase of the 3He/4He ratios,     

大别山超高压变质榴辉岩的氦同位素组成及对其形成环境的制约

大别山地区榴辉岩全岩的3He/4 He值分布在0 .0 13×10 - 6 ～0 .76 0×10 - 6 之间,平均0 .2 0 0×10 - 6 ,榴辉岩中石榴子石单矿物的3He/4 He值与其全岩的3He/4 He值基本一致。在3He—4 He分布图上榴辉岩的氦同位素数据点远离地幔氦的分布范围,而位于大气氦与地壳氦的过渡部位。采用真空压碎方法对榴辉岩中石榴子石和绿辉石的氦同位素组成进行了分析,也未找到地幔氦的明显踪迹。结合大别—苏鲁地区榴辉岩中极低的δ1 8O值、εNd(0 )值等地球化学特征,提出大别—苏鲁地区超高压变质榴辉岩可能是在地壳中形成的,并未曾俯冲至10 0多千米的地幔深度。榴辉岩的3He/4 He值与围岩类型密切相关,榴辉岩的δ1 8O值与围岩的δ1 8O值同步变化,以及含柯石英大理岩、片麻岩和硬玉石英岩等非基性超高压变质岩和脉状榴辉岩的发现,均证明榴辉岩与其围岩一起经历了超高压变质过程,榴辉岩及其围岩在变质过程中未发生明显的位移,即榴辉岩是原地成因的。     

Triassic Collisional Structures and Post—Collisional Deformation of Bixiling UHP Rock Stack： Insights for Tectonic Evolution of UHP Metamorphic Belt in Dabie Massif, Central China

Detailed three-dimensional structural studies indicate that the Bixiling area,Dabie massif,central Chian shows the deepest exposed levels of the orogenic wedge formed during the Triassic Yangtze0Sino-Korean continental collision.New1:10000 scale structural mapping,combined with detailed petrological analysis in this area,has enabled us to accurately distinguish structures related to the Trias-sic continental collision from those related to post-collisional deformation in the ultrahigh pressure (UHP) metamorphic unit.The collisional or compressional structures include the massive eclogite with a weak foliation,foliated eclogite or UHP ductile shear zones,as well as upper amphibolite facies shear zones,whereas the post-collisional deformation is characterized by a regionally,flat-lying foliation con-taining stretching lineations and common reclined folds .The former is present exclusively in the eclogite lenses and their margins,representing orogenic thickening or syn-collisional events,while the latter was best occurred on variable scales under amphibolite facies conditions,showing sub-vertical,extreme short-ening and ductile thinning of the metamorphic rock stack.The eclogite facies tectonites that have a marked fabric discordance to the penetrative amphibolite facies extension flow fabric are common.It is emphasized that an extensional tectonic setting following the collision-orogenic thickening stage was,at least partly,responsible for exhumation of the UHP metamorphic rocks in the Dabie massif.A new tec-tionic evolution model is proposed for the UHP metamorphic belt on the scale of the Dabie massif.The Bixiling area thus provides a window,from which the dynamic processes concerning the formation and exhumation of the UHP rocks can be observed.Regional studies in the Dabie Mountains have confirmed this interpretation.