超高壓變質帶中的變質不均一性

姜為佳+劉貽燦

摘要：不同造山帶的榴輝巖和有關變質表殼巖石中柯石英及金剛石等標志性超高壓變質礦物的發現，已證明陸殼巖石能俯沖到大于120 km的地幔深度并折返至地表。超高壓變質帶中榴輝巖和相關的榴輝巖相巖石常常與具有低級變質礦物組合的巖石（如變質花崗巖、花崗片麻巖、變玄武巖或斜長角閃巖等）密切伴生，然而它們之間的相互關系和成因聯系卻一直是地質學家長期爭議的焦點。查明這兩類巖石的變質演化歷史以及相互聯系，對理解大陸的深俯沖及折返過程具有重要意義。在總結、分析若干陸陸碰撞造山帶中變質不均一性的研究成果及成因解釋的基礎上，討論了影響巖石保存超高壓變質記錄的若干關鍵因素，包括原巖性質、變質流體、構造變形、退變質作用等。

關鍵詞：超高壓變質帶；變質不均一性；大陸深俯沖；折返；碰撞造山帶；榴輝巖；退變質作用

中圖分類號：P588.3文獻標志碼：A

Metamorphic Heterogeneity Within a Single Ultrahighpressure Belt

JIANG Weijia1，2， LIU Yican1，2

（1. Key Laboratory of Crustmantle Materials and Environments， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230026，

Anhui， China； 2. School of Earth and Space Sciences， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， Anhui， China）

Abstract： Ultrahighpressure （UHP） index minerals， such as coesite and diamond in eclogites and related metamorphosed supracrustal rocks from various orogenic belts， suggest that continental crustal rocks can be subducted to mantle depths of more than 120 km and subsequently return to the surface. Furthermore， eclogites and related eclogitefacies rocks， and lowgrade mineral assemblagebearing rocks （i.e. metagranite， granitic gneiss， metabasalt and amphibolite） commonly coexist in UHP metamorphic belts. However， their relationship and petrogenetic links between highgrade and lower grade assemblagebearing rocks are often matter of debate. Hence， to clarify the metamorphic evolutionary histories and the correlation of the two groups of rocks plays a significant role in understanding the continental deep subduciton and exhumation processes. Some investigations on the metamorphic heterogeneity within a single UHP metamorphic belt were summarized. On this basis， several key factors such as protolith nature， metamorphic fluids， structural deformation and retrogression， which affect the preservation of UHP metamorphic records， were discussed.

Key words： UHP metamorphic belt； metamorphic heterogeneity； continental deep subduction； exhumation； collisional orogenic belt； eclogite； retrogression

0引言

板塊構造理論自20世紀60年代以來已被地球科學研究領域所熟識，并成為認識巖石圈結構、組成及演化的基本理論。傳統板塊構造理論對大陸巖石圈的認識有所缺乏，認為大洋巖石圈密度大，可以俯沖進入地幔，而密度低的大陸地殼則不能進入地幔。然而，表殼巖石中柯石英[13]和金剛石[45]等超高壓變質礦物的發現證明了陸殼物質可以俯沖到超過120 km地幔深度，然后折返至地表。

目前已發現的含柯石英和金剛石超高壓變質帶主要由片麻巖、榴輝巖、石榴橄欖巖、大理巖和片巖等組成。高壓—超高壓巖石是匯聚型板塊邊緣，特別是大陸碰撞造山帶中最常見的典型巖石，其中榴輝巖及榴輝巖相巖石代表著地殼俯沖物質經過高壓—超高壓變質作用的產物，眾多學者已對其進行了詳細的巖石學、構造地質學、地球化學、同位素年代學以及地球物理學等方面的研究。然而，除高壓—超高壓榴輝巖之外，花崗片麻巖等一些缺乏超高壓指示性礦物并具有低級變質礦物組合的巖石，并未引起足夠重視，它們之間的關系更是地質學家長期爭議的焦點。同時，同一造山帶內高壓—超高壓巖石與變質程度較低的巖石之間的關系與成因聯系對理解和重建陸殼物質俯沖和折返過程及變質演化歷史具有重要意義。

高壓—超高壓榴輝巖與片麻巖、變質泥巖等低變質程度圍巖密切伴生的現象[67]（圖1、2）已在眾多典型的陸陸碰撞帶中被發現，如挪威西部片麻巖地區（Western Gneiss Region）、西阿爾卑斯的DoraMaira 地塊、哈薩克斯坦的Kokchetav地塊及中國中東部的大別—蘇魯造山帶。在世界各地很多造山帶中均可見高壓—超高壓巖石（如榴輝巖等）呈豆莢狀、布丁狀、透鏡體狀或夾層狀生長在變泥質巖、變質花崗巖等圍巖中。高壓榴輝巖與具有低壓礦物組合的圍巖是經歷了相同的變質過程，還是兩者各自具有不同的變質歷史，已成為超高壓變質帶中變質不均一性研究的核心爭議問題。到目前為止，很多地質學家認為與榴輝巖伴生的花崗片麻巖同樣經歷過超高壓變質作用，兩者之間相鄰的空間位置及相似的壓力（P）溫度（T）軌跡和年齡記錄都為該觀點提供了證據[813]，但由于反應動力學因素或后期流體和變形作用及退變質作用的影響，導致超高壓記錄被抹去。然而，Cong等在進行深入的巖石學及野外工作后對此觀點持否定態度，認為花崗片麻巖是后期與超高壓巖石構造并置在一起的低級變質巖[1416]。早在幾十年前，Bryhni等通過同位素與巖石學分析，認為Norwegian低壓片麻巖與其包裹的榴輝巖具有相同的PT軌跡[17]，據此推斷兩者作為一個整體同時經歷俯沖與折返過程；而Lappin等在對該地區的榴輝巖和片麻巖圍巖做了充分的巖石學工作之后，認為榴輝巖和片麻巖形成的溫壓條件不一致[18]，并建立了高壓榴輝巖在固態下侵位于低壓片麻巖中的模型。本文總結了不同超高壓變質帶中變質不均一性的表現，同時根據前人有關超高壓變質帶中變質不均一性的研究成果，分別對上述兩大類成因解釋進行了分析和討論，并在此基礎上試圖闡述影響超高壓變質礦物形成及保存的主要因素。

圖件引自文獻[7]，有所修改；圖件反映了榴輝巖相與角閃巖相、綠片巖相巖石的相互關系

1構造并置及折返過程

眾多學者認為，大陸碰撞帶中榴輝巖與片麻巖圍巖作為一個整體共同經歷了深俯沖作用[1920]。然而圍巖中高壓—超高壓礦物組合的缺失使得部分學者對該觀點持懷疑態度，他們認為榴輝巖為片麻巖的外來巖體，它們具有不同的變質歷史，后因構造變形等作用使榴輝巖卷入低壓片麻巖中，形成構造混雜帶。強烈的構造運動能夠使處于不同板片位置（不同地殼層次或深度）甚至不同區域的巖石混雜在一起并最終抬升出露于地表[16]，作為整體俯沖到地幔深度并經歷超高壓變質作用的各巖石應具有一致的PT軌跡，而后期通過構造運動并置在一起的不同變質級巖石的峰期條件則截然不同。

波西米亞地塊東北部Velke Vrbno地區發育的以變泥質巖為主的火山沉積層序中穿插有正片麻巖巖席，并且片麻巖中包裹有布丁狀榴輝巖。為了查明密切伴生的榴輝巖與變泥質巖之間的關系，Stipska等利用Thermocalc軟件對榴輝巖與變泥質巖的溫壓條件進行估算[21]，得出兩種不同的PT軌跡（圖3）。變泥質巖峰期溫壓條件為P=11×105 Pa，T=640 ℃，地溫梯度約為17 ℃·km-1，隨后經歷了近等溫降壓而后冷卻的過程；榴輝巖峰期溫壓條件為P=18×105 Pa，T=700 ℃，地溫梯度約為11 ℃·km-1，石榴石分解成斜長石代表榴輝巖經歷了減壓而后冷卻的過程，兩類巖石在P=11×105 Pa的深度至地表的折返過程中所經歷的PT軌跡一致。

單位為℃·km-1的值為地溫梯度；圖件引自文獻[21]

同時，榴輝巖與變泥質巖中的礦物包裹體證明其進變質過程中的礦物組合均在含水條件下生成，故排除了變泥質巖經歷高壓變質作用但其礦物相由于動力學方面因素而未發生轉變的可能性。因此，上述兩類巖石各自俯沖到不同深度，而后在中上地殼發生構造并置，并一起折返到地表。

西阿爾卑斯的Entrelor地區出露有大面積藍片巖相變泥質巖，其中包裹大量榴輝巖與綠片巖相巖石。Bousquet對這些不同變質程度巖石的PT軌跡分別進行重建，發現兩類巖石具有截然不同的峰期溫壓條件（兩類巖石峰期變質溫壓條件分別為P=12 GPa，T=450 ℃和P=2.3 GPa，T=550 ℃），但同時發生折返，據此提出了4種可能的成因解釋：①熱力學數據誤差；②折返過程中高壓礦物組合的改變；③原巖性質不同；④構造混雜[16]。將基于局部平衡和全巖平衡兩種不同的方法同時運用于變泥質巖與高壓榴輝巖的PT估算，得到相似的結果，因此，不可能存在如此大的數據誤差導致高達1 GPa的差異。另外，不同類型原巖對變質過程的影響將在后文敘述，然而將該區榴輝巖與變泥質巖變質程度的不同歸因于不同的原巖性質并不合理，因為原巖均為基性巖的榴輝巖與綠片巖相巖石PT軌跡仍不一致。同時，并未在綠片巖相巖石和變泥質巖中發現任何超高壓礦物或其殘留假象，故無法證明變質程度低的巖石為高壓榴輝巖的退變產物。因此，上述綠片巖相巖石及變泥質圍巖并未隨榴輝巖一同俯沖到地幔深度，這些具有低級變質礦物組合的巖石是后期在地殼深度與高壓榴輝巖構造并置在一起，隨后被抬升到地表。

Alm為鐵鋁榴石，Sps為錳鋁榴石，Grs為鈣鋁榴石，And為鈣鐵榴石，Prp為鎂鋁榴石；A區為鎂鋁榴石端元組分大于55%的榴輝巖；B區為鎂鋁榴石端元組分在30%～55%之間的榴輝巖；C區為鎂鋁榴石端元組分小于30%的榴輝巖；圖件引自文獻[14]

圖4雙河地區榴輝巖和片麻巖中多硅白云母SiAl圖解和石榴石端元組分圖解

Fig.4SiAl Diagrams of Phengites and （Alm+Sps）（Grs+And）Prp for Garnets from Eclogites and Gneisses in Shuanghe Area

大別超高壓造山帶的雙河地區同樣具有相似的變質不均一現象，含柯石英榴輝巖、硬玉石英巖、石榴黑云片麻巖及大理巖被花崗片麻巖包圍。超高壓巖石整個俯沖折返過程分為4個階段：前榴輝巖階段、峰期超高壓含柯石英榴輝巖階段（P≥（27～28）×105 Pa，T=（700±50）℃）、石英榴輝巖階段和后成合晶階段（角閃巖相）。超高壓巖石中除含有柯石英之外，還發現多晶石英集合體及石榴石中的多硅白云母包裹體等證據[14]， 而其圍巖中未發現任何高壓—超高壓證據，峰期溫壓條件估算也落在角閃巖相（P=4×105 Pa，T=（400±50）℃）范圍內。同時，在礦物成分上（如石榴石和多硅白云母），花崗片麻巖圍巖與超高壓巖石也有明顯差別（圖4）。