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剧巩
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进展 2013 年第 58 卷第 22 期 :2198 ~ 2202 www.scichina.com csb.scichina.com 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 大陆碰撞过程中地壳深熔的岩石学证据 : 以苏鲁造山带超高压变质岩为例陈伊翔 *, 郑永飞中国科学院壳幔物质与环境重点实验室, 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026 * 联系人, E-mail: cyxz@mail.

在花岗片麻岩和石英岩中识别出结晶自深熔熔体的锆石, 其 U-Pb 年龄集中在 220±2 Ma. 少量深熔锆石含有柯石英包裹体, U-Pb 年龄主要集中在 224±2 Ma, 部分与含较低压矿物包裹体的锆石域类似. 因此, 深熔作用开始于早期折返阶段, 部分仍处于超高压变质域. 折返过程中多硅白云母脱水熔融是这些岩石发生深熔的主要机制.

1 进展 2013 年第 58 卷第 22 期 :2198 ~ csb.scichina.com 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 大陆碰撞过程中地壳深熔的岩石学证据 : 以苏鲁造山带超高压变质岩为例陈伊翔 *, 郑永飞中国科学院壳幔物质与环境重点实验室, 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 * 联系人, cyxz@mail.ustc.edu.cn 收稿, 接受, 网络版发表国家重点基础研究发展计划 (2009CB825004) 和国家自然科学基金 ( ) 资助摘要岩石学显微结构证据表明, 苏鲁造山带西南部超高压变质岩石经历了不同程度的深熔作用. 在花岗片麻岩和石英岩中识别出结晶自深熔熔体的锆石, 其 U-Pb 年龄集中在 220±2 Ma. 少量深熔锆石含有柯石英包裹体, U-Pb 年龄主要集中在 224±2 Ma, 部分与含较低压矿物包裹体的锆石域类似. 因此, 深熔作用开始于早期折返阶段, 部分仍处于超高压变质域. 折返过程中多硅白云母脱水熔融是这些岩石发生深熔的主要机制. 黝帘石榴辉岩的石榴石和绿辉石中发现了由石英 + 斜长石 ± 钾长石 ± 重晶石组成的多相固体包裹体. 它们具有高钠和变化的钾含量, 可能是榴辉岩中黝帘石和多硅白云母脱水分解诱发部分熔融形成, 同时深熔过程中有大量绿辉石的参与. 超高压变质岩石在地幔深度的部分熔融, 可能促进了深俯冲陆壳在俯冲隧道内部的快速折返. 关键词大陆深俯冲超高压变质作用地壳深熔元素活动深熔锆石大陆碰撞过程中高压超高压变质岩石的深熔作用不仅会影响深俯冲岩片的流变学特征和大陆碰撞带的构造热演化过程, 同时它对大陆俯冲隧道中元素迁移和壳幔相互作用都具有重要意义 [1~8]. 由于深熔熔体的出现会显著降低岩石强度 [9], 超高压变质岩石在地幔深度的熔融会促进甚至诱发深俯冲陆壳岩片沿俯冲隧道向陆壳层位快速折返 [2,6,8]. 因此, 揭示大陆碰撞带中超高压变质岩石发生深熔的规模程度 P-T 条件和深熔反应过程, 具有重要的地球动力学意义. 由于深俯冲陆壳相对俯冲洋壳通常具有年龄较老温度较低和含水量较少的特征, 俯冲过程中流体诱导的岛弧岩浆作用通常不会在大陆俯冲带中发生, 但大陆俯冲带折返过程中陆壳深熔作用却比较普遍 [7]. 研究大陆地壳是如何俯冲到地幔深度而后又如何折返到地表的, 是大陆动力学领域的一个基础性问题. 为了建立深熔作用与折返过程之间的关系, 必须对超高压变质地体发生深熔的时代规模和 P-T 条件提供明确制约 [2,6,7,10,11]. 尽管通过野外地质观察室内同位素定年和地球化学分析比较容易识别超高压岩石大规模的部分熔融现象, 确定手标本或薄片尺度的深熔作用却并不容易, 特别是对经历缓慢冷却的超高压变质岩石. 这时, 必须借助显微结构分析来判断是否有深熔熔体出现 [12,13]. 大别 - 苏鲁造山带含有世界上规模最大出露最好的超高压变质地体之一 [14,15]. 本文概括了苏鲁造山带中部和西南部超高压变质石英岩花岗片麻岩和榴辉岩在大陆碰撞过程中发生深熔作用的岩石学证据, 并探讨了深熔发生的时限和机制. 1 岩石学证据苏鲁造山带中部和西南部仰口岚山和东海地区引用格式 : 陈伊翔, 郑永飞. 大陆碰撞过程中地壳深熔的岩石学证据 : 以苏鲁造山带超高压变质岩为例. 科学通报, 2013, 58: Chen Y X, Zheng Y F. Petrological evidence for crustal anatexis during continental collision in the Sulu orogen. Chin Sci Bull, 2013, 58: , doi: /

进展出露的超高压变质花岗片麻岩和石英岩的显微结构特征表明, 这些岩石经历了深熔作用(图 1).

的三联点中填充有尖锐状长石颗粒; (2) 钾长石晶面发育; (3) 颗粒边界出现由石英+钾长石±斜长石±白

同时, 颗粒边界或三联点中尖锐状长石与周围矿物的二面角很小, 有些甚至相互连通呈网络状.

其他样品在露头或手标本尺度均未发现明显的部分熔融特征, 这可能与其部分熔融程度较低或普遍经

这些多相固体包裹体可分为三类, 分别由斜长石+石英斜长石+ 石英+钾长石和重晶石+斜长石+钾长石+黝帘石/绿帘石组成(图

前两类包裹体中石英和长石交互生长, 而在含重晶石包裹体中长石和绿帘石分布在重晶石和寄主矿物边界.

3 wt%), 非常低的 FeO+MgO+TiO2 和变化的 K2O(0 wt%~2.4 wt%)(wt%, 质量分数, 余同).

多相固体包裹体的显微结构和主微量元素组成表明它们不可能是硬玉柯石英或钾钡铝沸石分解形成, 而更可能结晶自先前存在的含水熔体

图2 图1 苏鲁造山带超高压变质花岗片麻岩和石英岩深熔作用苏鲁造山带含黝帘石榴辉岩发生深熔作用的显微结构证据的显微结构证据

2 进展出露的超高压变质花岗片麻岩和石英岩的显微结构特征表明, 这些岩石经历了深熔作用(图 1). 其中关键的显微结构证据包括 [10,11]: (1) 颗粒边界发育拉长的高度尖锐状长石颗粒, 石英-石英-石英/长石构成的三联点中填充有尖锐状长石颗粒; (2) 钾长石晶面发育; (3) 颗粒边界出现由石英+钾长石±斜长石±白云母组成的长英质显微脉体; (4) 石英或钾长石边界发育圆珠状(string of beads)结构. 同时, 颗粒边界或三联点中尖锐状长石与周围矿物的二面角很小, 有些甚至相互连通呈网络状. 这也与它们继承了熔体结构一致, 因为熔体 -固相矿物的二面角通常小于 40, 远低于结构平衡时固相-固相矿物之间的二面角 ~120 [12]. 值得注意的是, 除了仰口深熔片麻岩在露头上显示混合岩化特征出现浅色体和深色体之外, 其他样品在露头或手标本尺度均未发现明显的部分熔融特征, 这可能与其部分熔融程度较低或普遍经青龙山含黝帘石榴辉岩的石榴石和绿帘石中都含有多相固体包裹体, 这为榴辉岩在大陆碰撞过程中的局部部分熔融提供了岩石学证据. 这些多相固体包裹体可分为三类, 分别由斜长石+石英斜长石+ 石英+钾长石和重晶石+斜长石+钾长石+黝帘石/绿帘石组成(图 2). 寄主矿物沿多相固体包裹体周围多显示放射状裂纹. 前两类包裹体中石英和长石交互生长, 而在含重晶石包裹体中长石和绿帘石分布在重晶石和寄主矿物边界. 前两类包裹体具有高 SiO2(75 wt%~90 wt%)和 Na2O(2.9 wt%~7.3 wt%), 非常低的 FeO+MgO+TiO2 和变化的 K2O(0 wt%~2.4 wt%)(wt%, 质量分数, 余同). 它们总体上含有很低的稀土和其他微量元素, 但大离子亲石元素如 Sr, Ba 和 Pb 的含量较高. 多相固体包裹体的显微结构和主微量元素组成表明它们不可能是硬玉柯石英或钾钡铝沸石分解形成, 而更可能结晶自先前存在的含水熔体 [7,16~18]. 历角闪岩相退变质叠加有关. 图2 图1 苏鲁造山带超高压变质花岗片麻岩和石英岩深熔作用苏鲁造山带含黝帘石榴辉岩发生深熔作用的显微结构证据的显微结构证据 (a)和(b) 绿辉石中由石英和斜长石组成的多相固体包裹体; (c)和(d) 据文献[10,11]修改. (a)~(c) 花岗片麻岩; (d)~(f) 石英岩. (a) 颗粒边绿辉石和石榴石中由石英+斜长石+钾长石组成的多相固体包裹体. 界尖锐状的长石; (b)和(c) 由石英和钾长石组成的显微长英质脉体; 注意白色箭头指示尖锐状突出结构; (e)和(f) 石榴石和绿辉石中由重 (d)和(e) 石英-石英颗粒边界高度尖锐状的钾长石; (f) 石英-石英/绿晶石+斜长石+钾长石+绿帘石组成的多相固体包裹体. 所有图片均帘石颗粒边界高度尖锐状的斜长石. 所有图片均为正交偏光照片为背散射电子照片 2199

3 2013 年 8 月第 58 卷第 22 期 2 锆石学证据副矿物在陆壳深熔作用过程中具有复杂地响应行为. 一些副矿物 ( 如锆石和褐帘石 ) 可以有效地溶解于含水熔体而非富水流体中, 它们在熔体结晶时会有溶蚀或变质生长 [19,20]. 因此, 这些矿物通常会具有显著的主微量元素分带. 揭示与深熔作用相关的矿物不同分带区域的形成机制及温度压力条件, 可以为深熔过程和机制提供重要制约. 锆石不仅是确定陆壳深熔作用的理想定年矿物, 它的 Hf-O 同位素也可用来制约深熔过程和机制. 矿物氧同位素组成对水岩反应非常敏感, 具体变化方向取决于温度 [8,21]. 如果深熔熔体来自氧同位素组成不同的反应组合, 从熔体中结晶的锆石也会具有不同的氧同位素组成. 另一方面, 矿物和岩石的 Hf 同位素组成取决于它们的 Lu/Hf 比值和同位素体系封闭的时间. 因此, 如果锆石生长于不同源区的熔体, 其 Hf 同位素组成也可能有显著差异 [3]. 根据锆石中矿物包裹体 U-Pb 年龄 REE 配分型式和微量元素特征, 在花岗片麻岩和石英岩中区分出了深熔锆石残留岩浆锆石及亚固相变质生长锆石 [10,11]. 花岗片麻岩中深熔锆石具有陡峭 REE 配分型式显著高的 U 含量和负 Eu 异常. 石英岩中深熔锆石含有由石英 ± 钾长石 ± 斜长石 ± 白云母组成的多相固体包裹体. 这些包裹体显示花岗斑状结构, 总体具有花岗质组成, 可能代表了先前出现的含水熔体. 这些深熔锆石也具有陡峭的 REE 配分型式和显著负 Eu 异常. 花岗片麻岩和石英岩中深熔锆石平均 U-Pb 年龄为 224±3~217±3 Ma( 图 3(a)), 主要集中在 220±2 Ma, 因此总体上晚于柯石英稳定域超高压变质年龄主体范围 225~235 Ma [8], 对应于深俯冲陆壳的早期折返阶段. 一些深熔锆石含有柯石英包裹体 ( 图 3(b) 和 (c)), U-Pb 年龄为 229±5~216±5 Ma( 图 3(a)), 主要集中在 224±2 Ma, 表明深熔作用开始时可能仍处于超高压变质条件下. 这是首次在超高压变质岩中发现含柯石英的深熔锆石. 含不同压力组合包裹体的深熔锆石域具有接近的 U-Pb 年龄, 指示深俯冲陆壳从地幔深度快速折返到下地壳层位. 深熔作用可能持续了大约 10~15 Ma, 总体上标志着超高压榴辉岩相变质作用的结束. 石英岩中深熔锆石的 18 O 值可分为两组, 一组为 0.6 ~0.1, 另一组为 5.2 ~ 4.3. 锆石中这么大的氧同位素差别不可能由封闭体系的化学分异造成 [22,23], 而更可能来自氧同位素有明显差异的两个源区. 这两组锆石域的包裹体组成类似, 并且都含有花岗质成分的多相固体包裹体, 指示都形成于深熔熔体中. 它们具有类似的 U-Pb 年龄, 表明可能几乎同时形成. 由于 18 O 接近零的锆石域占主导, 深熔熔体主体可能来自石英岩自身, 而少量 18 O 很负的熔体可能来自围岩片麻岩. 这种解释也与薄片中观察到显微脉体呈拉长状延伸很长一致, 表明在折返阶段可能有外来熔体渗透进入到石英岩中图 3 含不同包裹体组合深熔锆石域的 U-Pb 年龄及其中柯石英包裹体的激光拉曼光谱 (a) 含超高压矿物柯石英硬玉和金红石及较低压矿物组合深熔锆石域 206 Pb/ 238 U 年龄汇总 ( 数据引自文献 [10,11]); (b) 花岗片麻岩深熔锆石域中柯石英包裹体的激光拉曼光谱谱图 [10], 其中标尺为 50 m; (c) 石英岩深熔锆石域中柯石英包裹体的激光拉曼光谱谱图 [11], 其中标尺为 5 m. 超高压变质时限据文献 [15]

4 进展 3 深熔发生机制根据超高压花岗片麻岩和石英岩的 P-T 轨迹, 以及基质和锆石包裹体中白云母残晶与石英和钾长石共生的现象, 多硅白云母的脱水熔融可能是这些岩石发生深熔的主要机制 [10,11]. 这与前人对相关体系的部分熔融实验结果一致 [24,25]. 在花岗片麻岩中, 深熔反应形成了具有高锰特征的自形石榴石, 这些石榴石与长石和白云母残晶接触. 在石英岩中, 石榴石可分为两组. 一组富铝, 具有低 LREE 和 Nb 含量和陡峭的 REE 配分型式, 可能形成于金红石稳定时的高压榴辉岩相. 另外一组具有显著低的铝含量和升高的铁含量, Nb 和 LREE 也显著升高, HREE 变化较大. 它们包裹的锆石 U-Pb 年龄为 ~214 Ma. 这组石榴石可能是深熔反应过程中转熔产物. 石榴石中含有钾长石和榍石等包裹体, 有些石榴石出现在角闪石边部. 这些石榴石形成的可能矿物反应为 : 白云母 + 石英 + 斜长石 + 石榴石 -I± 角闪石 ± 榍石熔体 + 石榴石 - II+ 钾长石. 在含黝帘石榴辉岩中, 三类多相固体包裹体具有显著不同的主量元素组成, 暗示它们具有不同的成因. 由石英和斜长石组成的多相固体包裹体可能主要由黝帘石脱水熔融产生, 并且有大量绿辉石参与, 形成了富钠的熔体. 由石英斜长石和少量钾长石组成的多相固体包裹体可能由黝帘石和多硅白云母共同脱水熔融形成, 使熔体具有变化的钾含量. 由重晶石斜长石钾长石和绿帘石组成的多相固体包裹体可能是与熔体有关的高氧逸度富水流体与寄主矿物反应的结果. 这些解释总体上与榴辉岩经历的 P-T 轨迹和前人对多硅白云母和黝帘石所做的脱水熔融实验结果一致 [17,18,26,27]. 从深熔时序来看, 超高压岩石早期折返时初始熔融主要发生在 224±2 Ma [10,11], 仍处在超高压变质域 ; 而广泛的高程度熔融主要发生在 220 Ma 以后的较低压力下 [3~5]. 这也表明这些岩石在大陆碰撞过程中经历了多阶段深熔作用. 因此, 超高压变质成因含水矿物在深俯冲陆壳早期折返阶段发生脱水分解, 可能是引发不同成分超高压变质岩发生初始部分熔融的主要因素. 俯冲陆壳在不同深度发生拆离后进入俯冲隧道, 发生同碰撞折返, 可能伴有局部脱水熔融. 但是, 广泛的深熔作用主要发生在晚期折返阶段, 可能与俯冲大陆岩石圈断离后软流圈地幔沿俯冲隧道侧向侵位所提供的外来热源有关. 参考文献 1 Hermann J, Rubatto D, Korsakov A, et al. Multiple zircon growth during fast exhumation of diamondiferous, deeply subducted continental crust (Kokchetav Massif, Kazakhstan). Contrib Mineral Petrol, 2001, 141: Wallis S, Tsuboi M, Suzuki K, et al. Role of partial melting in the evolution of the Sulu (eastern China) ultrahigh-pressure terrane. Geology, 2005, 33: Liu F L, Robinson P T, Gerdes A, et al. Zircon U-Pb ages, REE concentrations and Hf isotope compositions of granitic leucosome and pegmatite from the north Sulu UHP terrane in China: Constraints on the timing and nature of partial melting. Lithos, 2010, 117: Liu F L, Robinson P T, Liu P H. Multiple partial melting events in the Sulu UHP terrane: Zircon U-Pb dating of granitic leucosomes within amphibolite and gneiss. J Metamorph Geol, 2012, 30: Zong K Q, Liu Y S, Hu Z C, et al. Melting-induced fluid flow during exhumation of gneisses of the Sulu ultrahigh-pressure terrane. Lithos, 2010, 120: Labrousse L, Prouteau G, Ganzhorn A C. Continental exhumation triggered by partial melting at ultrahigh pressure. Geology, 2011, 39: Zheng Y F, Xia Q X, Chen R X, et al. Partial melting, fluid supercriticality and element mobility in ultrahigh-pressure metamorphic rocks during continental collision. Earth-Sci Rev, 2011, 107: Zheng Y F. Metamorphic chemical geodynamics in continental subduction zones. Chem Geol, 2012, 328: Rosenberg C L, Handy M R. Experimental deformation of partially melted granite revisited: Implications for the continental crust. J Metamorph Geol, 2005, 23: Chen Y X, Zheng Y F, Hu Z C. Synexhumation anatexis of ultrahigh-pressure metamorphic rocks: Petrological evidence from granitic gneiss in the Sulu orogen. Lithos, 2013, : Chen Y X, Zheng Y F, Hu Z C. Petrological and zircon evidence for anatexis of UHP quartzite during continental collision in the Sulu orogen. J Metamorph Geol, 2013, 31:

5 2013 年 8 月第 58 卷第 22 期 12 Holness M B, Cesare B, Sawyer E W. Melted rocks under the microscope: Microstructures and their interpretation. Elements, 2011, 7: Holness M B, Sawyer E W. On the pseudomorphing of melt-filled pores during the crystallization of migmatites. J Petrol, 2008, 49: Zheng Y F, Fu B, Gong B, et al. Stable isotope geochemistry of ultrahigh pressure metamorphic rocks from the Dabie-Sulu orogen in China: Implications for geodynamics and fluid regime. Earth-Sci Rev, 2003, 62: Zheng Y F, Chen R X, Zhao Z F. Chemical geodynamics of continental subduction-zone metamorphism: Insights from studies of the Chinese Continental Scientific Drilling (CCSD) core samples. Tectonophysics, 2009, 475: 曾令森, 梁凤华, Asimow P, 等. 深俯冲陆壳岩石部分熔融与苏鲁超高压榴辉岩中长英质多晶包裹体的形成. 科学通报, 2009, 54: Gao X Y, Zheng Y F, Chen Y X. Dehydration melting of ultrahigh-pressure eclogite in the Dabie orogen: Evidence from multiphase solid inclusions in garnet. J Metamorph Geol, 2012, 30: Gao X Y, Zheng Y F, Chen Y X, et al. Trace element composition of continentally subducted slab-derived melt: Insight from multiphase solid inclusions in ultrahigh-pressure eclogite in the Dabie orogen. J Metamorph Geol, 2013, 31: Hermann J, Rubatto D. Accessory phase control on the trace element signature of sediment melts in subduction zones. Chem Geol, 2009, 265: Gregory C J, Rubatto D, Hermann J, et al. Allanite behaviour during incipient melting in the southern Central Alps. Geochim Cosmochim Acta, 2012, 84: Taylor H P, Sheppard S M F. Igneous rocks; I, Processes of isotopic fractionation and isotope systematics. Rev Mineral Geochem, 1986, 16: Valley J W. Oxygen isotopes in zircon. Rev Mineral Geochem, 2003, 53: Zhao Z F, Zheng Y F. Calculation of oxygen isotope fractionation in magmatic rocks. Chem Geol, 2003, 193: Vielzeuf D, Holloway J R. Experimental determination of the fluid-absent melting relations in the pelitic system. Contrib Mineral Petrol, 1988, 98: Hermann J. Experimental constraints on phase relations in subducted continental crust. Contrib Mineral Petrol, 2002, 143: 刘强, 金振民, 章军锋. 1.5~3.0 GPa 压力条件下多硅白云母榴辉岩的脱水熔融实验研究. 科学通报, 2009, 54: Skjerlie K P, Patino Douce A E. The fluid-absent partial melting of a zoisite-bearing quartz eclogite from 1.0 to 3.2 GPa; Implications for melting in thickened continental crust and for subduction-zone processes. J Petrol, 2002, 43:

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Microsoft Word 进展 2013 年第 58 卷第 22 期 :2215 ~ 2221 www.scichina.com csb.scichina.com 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 大别山超高压榴辉岩与片麻岩的脱水熔融 : 从实验模拟到显微观测刘强 1* 2, 吴耀 1 中国地质大学 ( 武汉 ) 地球科学学院, 武汉 430074; 2 中国地质大学, 地质过程与矿产资源国家重点实验室,