浅谈高温高压区域变质岩——榴辉岩

1、浅谈高P/T区域变质岩榴辉岩相摘要：高P/T区域变质岩产于海沟带和大陆碰撞带，是地壳俯冲的标志，有很重要的构造意义。典型的高P/T区域变质相系列为ZLABSE。在一些过渡型高P/T变质区，如日本三波川出现BSEA角闪岩相系列。LA（硬柱石钠长石绿泥石相）、BS（蓝片岩相）和E（榴辉岩相）是高P/T变质地体特有的三个变质相。本次报告主要针对其中的E（榴辉岩相）进行描述，因为榴辉岩相为高温高压区域变质岩的典型代表，并且在我国秦岭、大别山、苏鲁一带分布明显，其为陆壳岩石可以深俯冲到地幔深处提供了证据，且对于超高压变质矿物（柯石英、金刚石）、超高压变质岩的全球分布及其剖露机制均有重要意义。由于本人学识

2、有限，如有不当之处，还请老师批评指正。关键词： 高P/T区域变质岩 榴辉岩相 俯冲Abstract: high P/T regional metamorphic rocks in trench belt and continental collision zone, is a sign of crustal subduction, tectonic significance. High P/T regional metamorphism typical phase series for Z - LA - BS - E. In some transitional type high P/T me

3、tamorphic zone, such as Japan's three wave in BS - EA - amphibolite facies series. LA (lawsonite - albite, chlorite facies), BS (blueschist facies) and E (eclogite facies) is high P/T metamorphic terrane of three unique metamorphic facies. This report mainly on the E (eclogite facies) is describ

4、ed, as a typical representative of eclogite facies for high temperature and high pressure metamorphic rocks, and in China's Qinling Mountains, fasten hill greatly, Su Lu area distribution significantly, which may be of deep subduction of continental crust to the deep mantle provides evidence, an

5、d the ultra high pressure metamorphism mineral (coesite, diamond), important global distribution and partition of the ultra-high pressure metamorphic rocks are exposed mechanism. Due to my limited knowledge, such as inappropriate, please criticism.Keywords: High P/T regional metamorphic rocks Eclogi

6、te Subduction1主要特征榴辉岩，呈深灰绿色，块状或片麻状构造，以块状为主，少数具面理和线理构造，粒状变晶结构。主要矿物由石榴石和绿辉石组成，二者之和大于75。次要矿物有角闪石、石英、金红石、榍石、帘石、钠长石等。石榴石呈红褐色，镜下无色，高正突起，粒状，粒径d=0.3-0.5mm，发育裂纹，并有由粒状(d=003mm±)斜长石，细小粒状角闪石组成的冠状边。石榴石核部矿物包体发育，本身有时也作为包体包于石英等矿物之中。绿辉石呈短柱状，粒径d=0.31.0mm，浅绿色，颜色不均匀，具有弱多色性：浅绿色-无色。部分在边部退变为斜长石和透辉石或角闪石后成合晶。高正突起，具辉石式解

7、理，干涉色达II级中部，二轴晶正延性，2v(+)。绿辉石中发育石英、角闪石、帘石等细小矿物包体，角闪石呈柱状或不规则形状，粒径d=0.lmm左右，具明显多色性：Ng=蓝绿色，Np=浅黄绿色。具角闪式解理垂直(O1O)纵切面平行消光，其它纵切面斜消光，消光角Ng“c=30°-20°，干涉色达II级蓝。角闪石多以嵌边形式分布于绿辉石和石榴石边部或以细粒状分布于它们之间，具退变质成囚的结构特征。金红石多为粒状、不规则粒状，粒径d=O.2mm±，其周边常被榍石环绕，二者含量互为消长，；说明槲石是由金红石退变质转变而来，常以粒状分布于绿辉石和石榴石之间，或呈细小包体包含于角

8、闪石、石英等矿物之中。帘石多为斜黝帘石，其或成包体包含于石榴石、绿辉石矿物之中，或分布于角闪石等矿物之间。石英常见，墨粒状，粒径d=O2mm±，分布于其它矿物之间。2产出状态呈包裹体产于金伯利岩和层状超基性岩中。呈夹层状、透镜体产于角闪岩相和麻粒岩相的岩石中。呈夹层或透镜体产于蓝闪石-硬柱石片岩相岩石中。通常认为它是在极高压条件下形成的岩石，但温度变化范围较大。3.值得研究的地方（1）柯石英榴辉岩相变质构造岩的显微构造根据变形岩石的组构和构造特点，仰口超高压变质构造岩可分为两种类型：面理化柯石英榴辉岩和各种岩性的糜棱岩。面理化柯石英榴辉岩在野外观察和手标本上有较明显的面理，线理不明显

9、。在显微镜下，绿辉石、兰晶石和多硅白云母等柱状片状矿物有明显的定向排列并与片理面平行，构成形态组构。糜棱岩具有十分发育的面理和线理，为F H J 型糜棱岩。镜下观察，多数超高压变质矿物由于动态重结晶作用发生细粒化。这两种变质构造岩所具有的不同特点是不同变形机制作用的结果。下面我们将重点描述主要超高压变质矿物的显微构造特点。绿辉石是榴辉岩的主要造岩矿物。在面理化柯石英榴辉岩中，绿辉石呈长柱状，矿物的长轴大体平行面理方向定向排列。颗粒的边界清晰，相邻颗粒在平行长轴（平行面理）的边界上有压溶现象，表现为一个颗粒边界向内凹进而另一个颗粒的边界向外凸出。绿辉石与多硅白云母和兰晶石之间呈长颗粒平滑接触，常

10、见绿辉石被多硅白云母“切削”，是典型的压溶特征。绿辉石普遍有不规则的波状消光，部分有亚晶界构造。在糜棱岩化榴辉岩中，绿辉石由于动态重结晶作用发生了明显的细粒化。重结晶颗粒大多在10-20 微米之间，具有明显的形态组构。颗粒的长边边界平直并平行面理方向，表明亚晶粒旋转是动态重结晶的主要机制，短边边界呈锯齿状并与面理方向高角度相交，表明颗粒边界迁移是动态重结晶的重要机制。有少量绿辉石斑晶残存，残斑具有核幔构造。核部绿辉石斑晶有亚晶界构造，幔部由动态重结晶的绿辉石颗粒组成。多硅白云母和兰晶石是榴辉岩中常见的超高压变质矿物。在面理化柯石英榴辉岩中，它们都具波状消光。多硅白云母局部发育有亚晶界构造。在糜

11、棱岩化榴辉岩中，多硅白云母普遍发生了动态重结晶。超高压变质岩的显微构造面理化柯石英榴辉岩中绿辉石、兰晶石和多硅白云母等超高压变质矿物定向排列构成形态组构。绿辉石有压溶现象（箭头所示），石榴石未发生明显的塑性流变，柯石英已经退变成蜂窝状多晶石英集合体。正交光0.3mm，榴辉岩糜棱岩中绿辉石和多硅白云母发生动态重结晶被细粒化，重结晶的颗粒定向排列构成明显的形态组构。石榴石没有明显的塑性变形，柯石英已退变为蜂窝状石英多晶集合体。正交光0.5mm，面理化柯石英榴辉岩中绿辉石和多硅白云母颗粒间的“切削”边界接触。正交光0.5mm，榴辉岩糜棱岩中绿辉石残斑和动态重结晶颗粒构成核幔构造。正交光0.5mm，动

12、态重结晶的绿辉石平行长轴的颗粒边界比较光滑平直，与长轴高角度相交的边界呈锯齿状。正交光0.1mm,兰晶石的亚晶界构造，有的已经旋转为高角度边界。(2)超高压变质岩的变形机制岩石与矿物的塑性流变可以通过不同的变形机制完成。这些变形机制可以归纳为粒边和粒内两种过程。粒边过程包括边界滑移和扩散迁移，超塑性流动和压溶是二者的典型。粒内过程是指晶体的位错蠕变。在不同的温度、压力、应变速率和流体作用条件下，不同的变形机制起主导作用，不同的变形机制产生的岩石和矿物的显微构造也不相同。因此，研究显微构造是开启岩石变形机制的钥匙，是研究岩石变形的主要依据。前面描述的仰口糜棱岩化榴辉岩中，绿辉石的核幔构造，绿辉石

13、、多硅白云母和兰晶石的亚晶界构造和动态重结晶构造，以及在花岗质糜棱岩中，钾长石的双晶弯曲、核幔构造和动态重结晶构造， 揭示的位错构造、倾斜壁和位错网格，都清楚地说明以动态重结晶为恢复机制的晶体位错蠕变是超高压变质糜棱岩的主要变形机制。这为我们研究深俯冲大陆壳岩石在上地幔深度的流变学行为和深俯冲带的应力状态提供了重要依据。在上述研究的基础上，依据现有的变形实验确定的流变参数和流变方程，估算的流变应力从几十（柯石英）到几千（榴辉岩）兆帕，差异达两个数量级以上。这种差异说明了变形实验与天然变形条件的差异，也对实验结果在实际应用中的可行性提出了质疑。尽管如此，估算的流变应力下限至少应该在几十兆帕是可以

14、接受的，大大地超出了前人所推算的流变应力（赵中岩等）。从624和3.3GPa的变形温度压力和较高的应变强度分析，俯冲的大陆壳在上地幔的深度仍然是“冷的”和“刚性”较高的，从流变学的角度考虑有条件俯冲到更深的地幔。在花岗质糜棱岩中，金红石在单斜辉石眼球的压力影中沉积，表明有流体助力的物质扩散迁移是超高压变质岩的又一个重要的变形机制。花岗质糜棱岩中细粒的石榴石组成的条带平行面理延伸，表明它们是同变形期形成的。而在榴辉岩中，石榴石呈刚性矿物出现，既未发生细粒化，也未发生明显地拉长。因此，花岗质糜棱岩中细粒石榴石条带的形成是由于剪切变形作用下，晶体无法像在静变质状态下稳态生长，而只能形成细小颗粒的集合

15、体。在石榴石生长的过程中，元素的迁移正是在剪切带内流体活动的结果。与此同时，钾长石的变形则以位错蠕变为主。这说明在超高压变质条件下，在同一个岩石内，不同的矿物通过不同的变形机制发生塑性流变。值得一提的是在面理化柯石英榴辉岩中所有超高压变质矿物都未发生细粒化作用，但是片状和柱状矿物都发生了定向排列。显微构造揭示的绿辉石压溶现象，多硅白云母和绿辉石之间的“切削”接触关系，说明它们的定向排列可能是生长过程中，在应力作用下发生压溶的结果。(3)超高压变质岩退变质作用对榴辉岩和角闪岩进行地球化学和构造解析，发现榴辉岩的退变质作用强烈局域化，和变形的局域化相一致。非保守元素（K、Rb、Cs和Ba）在这两类

16、榴辉岩中的特征相似。从超高压榴辉岩相、榴辉岩相到角闪岩甚至更低变质相的退变质作用对非保守元素（K, Rb, Cs, Ba等）的影响很小。在榴辉岩退变质作用中，绿辉石或石榴石分解形成斜长石+角闪石的矿物组合要求相当量的水。由于上述元素在水溶液中可溶且易迁移，如果退变质过程伴随着大量、弥散性的流体，退变榴辉岩应在这些非保守元素上表现出可观的变化。因此上述特征表明：在退变质过程中，基本上没有外来液体，流体的来源为名誉上无水矿物减压脱水或分解中形成；这些流体只作有限的迁移，溶解于这些流体中的保守元素近原地重新分布。该研究结果与基于同位素、流体包裹体、岩相学、及榴辉岩的变形构造观测结果一致。来源于无水矿

17、物减压脱水作用的有限且内部缓冲的流体，可以解释（1）在苏鲁强烈退变质的榴辉岩中，退变质和榴辉岩韧性剪切带为什么高度局域化；（2）为什么即使在强烈退变质域还保存有颗粒极大的磷灰石。上述推断的流体存在的形式与规模，有助于理解苏鲁超高压榴辉岩的变形特征。在CCSD主孔和地表榴辉岩中，韧性变形通常表现为高度区域化，往往与高度退变质域相吻合。这种关系也说明流体的高度局域化，成管道流的形式出现，不仅是促进剪切变形，而且是促进榴辉岩局部退变质的主要因素。中国大陆科学钻探主孔位于大别苏鲁这条典型的超高压变质带上，孔内0-2000m的岩心中，各种榴辉岩占到50%以上。榴辉岩大多经历了不同程度的退变质。依据榴辉岩

18、中主要矿物绿辉石和石榴石的退变质程度，0-2000m榴辉岩的退变质过程可分为2个大阶段，4个亚阶段：第一大阶段（又分为轻微退变质、部分退变质）、第二大阶段（又分为退变质和强退变质）。总的退变质趋势是：石榴石逐渐被角闪石或黑云母+绿帘石替代；绿辉石逐渐被角闪石+钠长石后成合晶替代，硬玉（Jd）含量逐渐减少，并部分转化为霓辉石。榴辉岩在退变质过程中所经历的温压条件为：峰期变质温度为697-831，压力3.0Gpa左右；部分退变质阶段温度为629-776，压力1.2-1.6Gpa；退变质阶段温度为550-650，压力0.5-0.7Gpa；强退变质阶段温度为300400，压力0.30-0.35Gpa。

19、综合岩石、矿物及形成温压条件等特征，推断榴辉岩的折返过程经历了两个大阶段：第一大阶段是近等温降压的快速折返（榴辉岩在此期间经历了第一大阶段的退变质），第二大阶段是降温降压的缓慢抬升（榴辉岩继而经历了第二大阶段的退变质）。绿辉石的完全退变质，既是划分榴辉岩两大退变质阶段的标志，同时也是区分两大折返阶段的标志。（4）折返机制造山带高压、超高压变质岩形成和折返机制研究是极具挑战性的一个地球动力学问题，目前国内在该方面研究基本上与国际上同步，并形成四种主要的代表性模型。1碰撞外来岩块模式刘若新等人(1989)通过研究苏北一胶南地区的高压、超高压变质岩认为，该区的高压超高压变质岩是扬子板块和华北板块碰撞

20、缝合的构造混杂带中的外来岩块，具“与碱性玄武岩中的幔源包体”相似的深源岩块性质，是分别源自下地壳、上地慢的岩浆岩变质产物。2俯冲-碰撞-逆冲模式该模式目前在国内比较盛行，可分为与洋壳俯冲和陆壳俯冲相关的两种类型。洋壳俯冲-碰撞-逆冲模式是杨建军在研究苏鲁地区的高压、超高压变质岩时归纳提出的，认为该区高压变质岩的形成是由于中生代初期洋壳的俯冲作用，其抬升则是华北和扬子地台碰撞后仰冲所致，属仰冲到大陆地壳岩石中的外来岩块。徐树桐等也认为大别山地区在经历了早古生代末开始的洋壳俯冲作用，继之扬子板块俯冲于中朝板块之下，在2439-224M溯间形成高压、超高压变质带，并于中三叠世陆-陆碰撞过程中，以前导

21、式冲断、推覆作用，使其抬升剥露地表。陆壳俯冲-碰撞-逆冲模式由张树业等(1989)提出，认为发育于秦岭-大别-苏鲁地区的高压、超高压变质带是由华北和扬子陆台间的裂陷盆地于晚元古代闭合过程中，扬子陆台向北俯冲、碰撞形成，后经仰冲抬升于地表。3陆内碰撞-走滑转换-逆冲推覆模式该模式是Arall okay(1992)在大别山-苏鲁高压、超高压变质带建立的成因和折返的统一模式，认为该带是三叠纪期间，由于中朝和扬子板块的碰撞作用产生，并因中生代沿郯庐断裂的大规模左行走滑转换导致的逆冲推覆作用而使其抬升剥露于地表。4多期、多成因的复合模式张泽明等(1994)认为桐柏-大别高压、超高压变质带中的超高压变质带形成于加里东期的洋壳俯冲过程，高压变质带则是印支期陆壳俯冲作用所致，随后的陆-陆碰撞的逆冲作用导致不同时期的高压、超高压变质岩带抬升。4.总结以榴辉岩为主要代表的高温高压区域变质岩是古板块汇聚边缘及大陆碰撞造山带的重要标志，它记录了地壳物质从俯冲到构造折返一个完整的动力学过程，世界范围内以西阿尔卑斯、哈萨克斯坦和我国大别-苏鲁地区的超高压变质岩研究正在火热展开，有关于此类岩石的研究也必将会取得进一步成果，虽然我现在学识有限，还无法完全理解此类较为深奥的