板块构造与变质作用

板块构造与变质作用Thestudyofmetamorphismisakeytocrustalevolution原岩＋变质作用＝变质岩按照原岩：泥质系列基性系列长英质系列碳酸盐系列超基性系列按照岩相学：板岩千枚岩片岩片麻岩麻粒岩…按照PT条件：不同的变质相等变质作用类型：区域变质作用接触变质作用动力变质作用气液变质作用混合岩化作用变质作用方式：重结晶作用变质反应变形作用交代作用影响因素：温度（T）压力（P）流体应力泥质系列基性系列长英质系列碳酸盐系列超基性系列变质作用、变质相变质作用:在地壳形成和发展过程中，由于物理化学条件的改变，早先形成的岩石(包括岩浆岩和沉积岩）在固态条件下所发生的矿物成分、结构构造的转化称为变质作用。变质相：指一定的温度、压力区间内的一整套变质矿物共生组合，它们在时、空上反复出现并密切伴生在一起，一个变质相内部其矿物组合和岩石总体化学成分之间有着固定的因而也是可以预测的对应关系。主要的变质相类型变质带、变质相和变质级对应关系浊沸石相 葡萄石－绿纤石相蓝片岩相绿片岩相角闪岩相麻粒岩相榴辉岩相变质相变质带低高低高ChlBiAlmStKySilCord-AlmAb-Chl,Ab-ActAb-HbPl-HbCpx-OpxOmp-Gt富Al系列Fe-Mg系列很低级低级中级高级变质级中－高级Mineralassemblage

变质相系1961年，日本岩石学家都城秋穗（Miyashiro)首次提出，每一个变质相相当于一定的温压范围，然而，在某一个变质地区和变质带中，其温压范围一般很宽，不能用一个变质相来代表，可能表示为一系列的变质相，这就是变质相系。换句话说，在同一变质地带的不同空间上，由变质相系所表达的峰期变质条件，在P－T图解上构成一条曲线，它们代表当时某种固定的地热梯度(geothermalgradient)，后者又和固定的大地构造背景联系起来。

变质相系的概念通过变质时的特定地热梯度把变质作用的PT条件与大地构造环境结合起来，对变质岩石学的发展起了重要作用，它不仅为后来的板块构造理论提供了岩石学上的证据，而且为变质地质学理论的形成奠定了理论基础。都城秋穗划分出五个变质相系①低压相系：红柱石－夕线石型，低压型（领家－阿武隈型）以泥质岩石中出现红柱石（低级）、夕线石（高级）及堇青石等为特征地热梯度大于25℃/km。②中压相系：蓝晶石－夕线石型，中压型（巴洛型），泥质岩石中出现蓝晶石和夕线石，地热梯度为16－25℃/km。③高压相系：硬玉－蓝闪石型，高压型（三波川型），基性岩中出现硬玉＋石英、蓝闪石、硬柱石等矿物为特征，地热梯度小于16℃/km。④低压过渡型，也称为布恰型（Buchantype），以泥质岩石中出现红柱石－十字石，或红柱石－蓝晶石??。⑤高压过渡型，以出现蓝闪石和蓝晶石??为特征。后两个类型有若干问题？？所谓地热梯度的界线也有争议变质相系的概念属于静态思维方式；把变质峰期条件的连线－变质相系误认为代表变质作用发生时的地热梯度；未能阐明变质过程中的热流变化，变质作用是怎样一个动力学过程。

高压相系：板块俯冲中压相系：大陆造山带低压相系：岛弧、洋中脊、

热接触变质变质作用P-T轨迹是指一个岩石从变质作用开始到剥露至地表所经历的温压条件变化的全过程。变质作用PTt轨迹的研究是变质地质学的最新进展，反映与变质作用历史有关的动力学过程，根据热传导理论和现代热力学的原理，把变质过程中的热体制和构造作用联系起来。变质作用PTt轨迹的概念Richardson&England,1977)1、首次强调剥蚀作用对变质作用的影响，变质作用发生于一个动态过程，变质过程中的地热梯度是变化的；2、Pmax与Tmax不同时；Tmax是在抬升过程中达到的；3、PT－点阵也称为变质梯度，不同于地热梯度和PT轨迹；4、代表变质峰期条件的点阵对应地表出露的变质带，这些变质带是穿时的。利用锆石生长环带及其包裹体

确定岩石P-T轨迹锆石：Zr2SiO4化学成分非常稳定GrowthindifferentstageBestcontainerforpreviousformedmineralinclusionsPhotomicrographsofmineralinclusionassemblagesinzirconsandCLimageofhostzirconsfromparagneiss.LiuFL,Lithos59(2001)199–2151.现代板块离散边界－大洋中脊WhatmetamorphismoccursatMOR?Mid-OceanRidgesPlateseparation-inducedpassiveupwellingdecompressionmeltingforMORBPassiveDuringextensionatmid-oceanridges(red-orange),convectioncarriesheattoveryshallowlevels,where7-kmthickoceaniccrust（including4layers)forms;Hydrothermalcirculationproduces

lowP/Tmetamorphism,oftencalledseafloormetamorphismControlledbybothTandFluid1、整个洋壳都发生了洋底变质作用；2、Additionofwaterfromthesurface1离散型板块边界－洋底变质作用洋底变质作用指洋中脊附近的岩石由于受到来源于深部的热流和自上而下的热卤水的影响发生变质作用，变质程度自上而下主要为沸石相、葡萄石－绿纤石相和绿片岩相，深部也可出现角闪岩相，为低压相系，由于洋底扩张洋底变质作用的岩石遍布整个洋底。俯冲带的分类2、俯冲型变质作用Maruyamaetal.(1996):A-type(Amprefer-type)，ContinentalB-type(Benioff-type)，Oceanic从洋壳（B型）→陆壳俯冲（A型）→大陆碰撞高压-超高压超高压变质都发生在板块汇聚边缘,与板块之间俯冲碰撞有关.大洋向大陆俯冲的大洋俯冲带—形成低温榴辉岩和蓝片岩及蛇绿混杂岩;大陆—大陆之间的大陆型俯冲带—中高温榴辉岩,片麻岩及石榴橄榄岩洋陆俯冲陆陆俯冲陆陆俯冲洋洋俯冲Oneofthebestindicatorsofformersubductionisthepresenceofpairedmetamorphicbelts,abeltoftypicalGreenschistandAmphibolitemetamorphismflankedbyabeltofBlueschistmetamorphism.StructuralZones2.1汇聚板块边界－洋壳俯冲型变质作用？BeneathSWJapan,themaximumdepthofintraslabearthquakesis50to65km.InSWJapan,Holocenevolcanismisrelativelysparse.AndesiteanddaciteeruptedatDaisenandSambevolcanoesinSWJapanaregeochemicallysimilartoadakites,whichareinterpretedtorepresentpartialmeltsofsubductedoceaniccrust.

InNEJapan,intraslabearthquakeactivitypeaksat125kmdepthandextendsto200kmdepth,anddeepearthquakesoccurdownto670kmdepth.AbundantHolocenevolcanismwithawell-definedvolcanicfrontlocated100kmabovethetopofthesubductingPacificplate.MostNEJapanarclavasexhibitcalc-alkalinegeochemistry,whichreflectspartialmeltinginthemantlewedgetriggeredbytheinfiltrationofaqueousfluidsderivedfromthesubductingslab.PeacockandWang,1999,SciencePeacockandWang,1999,ScienceKirby,2000,Nature“Warm”subduction

zones--aresultofslowsubductionoryoungsubductedlithosphere.“Cold"subduction

zones--aresultofrapidsubductionoroldersubductedlithosphere,havedifferentthermalregimes,dehydrationdepths,mantlewedgetemperaturesandcirculation,andstylesofvolcanism不同年龄的洋壳俯冲可能的PT轨迹PeacockandWang,1999,ScienceColdandwarmSubductionzones？双变质带在靠近大洋一侧为高压变质相系，其中变质基性岩出现蓝片岩、榴辉岩等高压岩石，而靠近大陆一侧为低压相系，其中变质泥质岩石中出现红柱石-矽线石型的变质作用。自Miyashiro(1961)最早用板块构造理论解释变质带成因，提出了双变质带的成因理论以来，随着板块构造理论研究的不断深入，已取得了一系列重要进展，如地体概念的提出(Schermeretal.,1984)，造山带中平行伸展构造带的发现(Ellisetal.,1987),板块会聚的斜俯冲作用(McCaffrey,1992)等，这些重要进展对重新认识双变质带的成因具有重要意义。最近Brown(1998,2002)提出了双变质带成因的另一种构造模式：即板块会聚斜俯冲作用过程中，由于平行海沟方向的构造转换，使得高压和低压变质地体倂置在一起形成了双变质带。尽管双变质带成因可能有不同的构造模式，但作为形成时代相近、空间上平行分布的高－低压变质带与板块俯冲作用相关还是为人们所接受的双变质带的概念及问题Pairedmetamorphicbelt加里福尼亚Franciscan杂岩的变质分带如图所示，很明显地从沸石相开始，递增为葡萄石－绿纤石相直到绿片岩相。在这里榴辉岩仅做为一些孤立的块体产于低级变质岩石中。高压岩石中止于海岸山脉冲断层处（CRT）。它类似于日本的中央构造线。SierraNevada代表古岛弧的根部，发育大量侵入体和低压变质带。因此也构成双变质带。大洋型俯冲带的岩石组合代表大洋和弧后盆地岩石圈残片的蛇绿岩组合;岛弧岩浆岩——

包括岛弧碱性和钙碱性火山岩和花岗岩侵入体;低温高压变质的蓝片岩低温榴辉岩(T<550oC,Pmostly<2.0GPa)混杂岩(mélange)——由蛇绿岩、杂砂岩、大理岩、硅质岩等组成典型例子：美国西海岸Franciscan杂岩；西天山；北祁连山Buchan:AndalusiteandkyaniteratherthansillimaniteGarnetandstaurolitelesscommon,cordioritewidespread(lowerT)Migmatitelesscommon.陆陆碰撞-陆陆俯冲环境大陆地壳深俯冲发生的必要条件：

1）必须具有大洋岩石圈的俯冲和消亡

2）必须是被动大陆边缘2.2陆壳俯冲型变质作用大部分大陆俯冲带都经历超高压变质石英的相变石英－柯石英P>2.6GPa柯石英—斯石英P>8GPa超高压变质岩的时空分布图(Liou,2002)中国境内超高压变质带大别-苏鲁:

印支期超高压变质带;桐柏(?)-秦岭-柴北缘-阿尔金:

加里东期超高压变质带;西天山：环太平洋型俯冲带西天山柴北缘超高压带和北祁连山高压带大陆型俯冲带的岩石组合正片麻岩——花岗质片麻岩（～80vol.%)副片麻岩——沉积岩变质的片麻岩中高温榴辉岩(T>600oC,P>2.0GPa)大理岩石榴橄榄岩硬玉石英岩白片岩大陆地壳岩石是其主要组分花岗质片麻岩中的榴辉岩包体鱼卡榴辉岩泥质片麻岩中的榴辉岩包体EclogitefromtheWestGneissRegion,NorwayTheKy-eclogiteatVerpeneset,NorwayBandedKy-eclogite,SouthbeltofDulan,N.QaidamUHPbelt硬玉石英岩—Jadeite(NaAlSi2O6)+Quartz±Garnet来自苏鲁超高压地体其成因可能是花岗质岩石变质的产物大理岩和榴辉岩Grt-lherzolite金云母石榴辉石岩DuniteGrt－lherzolite苏鲁超高压地体钻孔石榴橄榄岩样品GarnetperidotitefromtheWestGneissRegion,NorwayGarnetperidotitefromtheWestGneissRegion,Norway白片岩—Whiteschist即:滑石-蓝晶石片岩矿物组合:Grt+Talc+Ky+Phn+Coe原岩是富Mg的泥质沉积岩经超高压变质的产物.产于挪威的WestGneissRegion,哈萨克斯坦的Kokchtav超高压地体,以及中国的大别地区.柯石英/石英榴辉岩CoesiteQtz柯石英及其假象Diopside:CaM2MgM1Si2TO6Jadeite:NaM2AlM1Si2TO6Eskolapyroxene:Ca0.5M2AlM1Si2TO62Ca0.5M2AlM1Si2TO6

＝CaM2AlM1(AlSi)2TO6+3SiO2

Pyroxenesolution绿辉石中石英出溶片晶－超硅单斜辉石出溶的产物超高压变质的标志之一Songetal.,2003,JournalofMetamorphicGeologyPyrope:Mg3VIIIAl2VISi3IVO12SiVI+(M2+)VI=AlVI+AlVISiVI+NaVIII=AlVl+MVIII这种替代使石榴石中Si含量增加，称为MajoriticgarnetorSupersilicicgarnetTwoendmembers:SodicgarnetNaMg2(Al,Si)2Si3O12MajoriticgarnetMg3(MgSi)2Si3O12Majoriticgarnet–

asolutionbetweengarnetandpyroxene导致金红石溶解到石榴石中NatureYeetal.,2000Rutile+pyroxeneexsolutionsingarnetP>5GPa石榴石中辉石＋金红石出溶及橄榄石中钛铁矿出溶，证明石榴橄榄岩的形成压力>7GPa,深度>200kmSongetal.,2004,AmericanMineralogist石榴石中钠质闪石出溶，证明石榴石在超高压条件下含水可达1000ppmSongetal.,Americanmineralogist,2005Zhuetal.，2002Geology确定了大陆深俯冲的极限深度<240km在Kokochetav地块单斜辉石中识别出钾长石和金云母＋SiO2的出溶结构，论证了钾和水通过俯冲带发生深循环的过程白云石在超高压(>5GPa)条件下分解为菱镁矿和文石，天山aragoniteArgArgZhangetal.2003,J.MetamorphicGeol.P-TpathsofeclogitesfromWesternTianshanBasedonthedescriptionofregionalmetam