俯沖隧道型折返模式特征與存在問題的探討

李楊

摘 ?要：造山帶中的高壓/超高壓巖石（如榴輝巖）記錄了物質向下俯沖到地幔深度發生高壓/超高壓變質作用而后折返到地表的一系列地球動力學過程。目前我們對礦物在俯沖和折返過程中的變質作用已經有了比較深入的了解，但是我們對俯沖帶深部巖石的折返過程仍然存在一些疑問。文章對折返模式中的俯沖隧道型折返模式進行了簡單的探討，討論了俯沖隧道型折返模式在地學研究中的作用，希望為俯沖隧道型折返模式的發展與完善做出貢獻。

關鍵詞：造山帶;變質作用;俯沖隧道

中圖分類號：P541 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0057-02

Abstract： High pressure-ultrahigh pressure rocks （such as eclogites） in the orogenic belt record a series of geodynamic processes of the materials that experienced deep subduction and exhumation to the earth surface. At present， we have a deep understanding of the metamorphism of minerals in the process of subduction and exhumation， but we still have some doubts about the process of exhumation of deep rocks in the subduction zone. This paper briefly explores the subduction channel exhumation model， and discusses the role of subduction channel exhumation model in geological research， in the hope ofmaking contributions to the development of subduction channel exhumation.

Keywords： Orogenic belt; metamorphism; subduction channel

前言

高壓/超高壓變質礦物廣泛的分布在世界各地，它記錄了眾多的地質學信息，對于高壓/超高壓變質礦物的研究在地質學上是一個十分重要的命題。而經歷深俯沖發生高壓/超高壓變質作用礦物的折返過程作為該命題的重要組成部分也吸引了眾多學者的關注。深入了解俯沖帶深部巖石的折返機制對地質學研究有著十分重要的意義。

1 俯沖隧道模型及基本概念

俯沖隧道是指板塊匯聚邊界下伏的俯沖板片與上覆板片之間由較軟弱物質組成的強變形帶，其中含有發生相向運動的地殼地幔物質， 構成板塊界面的相互作用[1]。它最初是由Shreve和Cloos根據大洋俯沖帶的探索研究提出建立的。俯沖隧道寬度的范圍有較大的差距，從幾百米到幾公里不等。大洋俯沖隧道主要由下壁俯沖大洋地殼、上壁地幔楔和內部構造混雜巖這三個單元組成。其中下壁俯沖大洋地殼是由一些海底沉積物、蝕變玄武巖與輝長巖組成， 它在洋殼俯沖過程中會隨溫度壓力增加發生不同程度變質變形、脫水熔融;上壁地幔楔是存在于上覆板塊之下的地幔橄欖巖;內部構造混雜巖主要為大洋板片俯沖過程中從俯沖洋殼表面刮削下來的沉積巖及其下伏的玄武巖，含有少量從地幔楔底部刮削下來的橄欖巖， 并且在刮削過程中受到了俯沖洋殼來源的熔/流體交代形成蛇綠巖組合[2]。

2 俯沖隧道型折返模式的基本過程及判斷方法

首先地幔楔隧道壁由于受到機械刮削作用，導致向下俯沖的大洋巖石圈板片的上地殼物質被拆離成不同大小的地殼碎塊進入俯沖隧道，這些洋殼物質可以俯沖到地幔深度而后被低密度物質（如：蛇紋巖）形成的回流帶回地表，這就是俯沖隧道型折返模式的基本過程。這種折返模式廣泛的應用于含蛇紋石混雜巖中洋殼榴輝巖的折返過程。

通過不斷地學習研究，我們對俯沖隧道型折返模式有了更深刻的認識，所以我們可以通過俯沖隧道型折返模式產出的高壓-超高壓地體的特征為依據來判斷折返模式的類型。下面是對俯沖隧道型折返模式特征的總結：（1）不同類型巖石呈混雜狀產出;（2）變質峰期溫壓條件變化顯著;（3）變質峰期年齡散布在一定年齡段內;（4）具有復雜的P-T軌跡及壓力循環[2，3]。

3 俯沖隧道型折返模式的發展與存在的問題

俯沖隧道模型最早是基于對現代匯聚板塊邊界的地震資料和深海鉆探資料而建立的，模型設計的深度最深為30km。之后一些學者使用新的方法和新的科學技術（如數值模擬）通過實驗研究把俯沖隧道模型的深度延伸到俯沖帶100km，并對俯沖帶深部動力學環境及高壓-超高壓巖石的折返機制進行了探討[4]。相平衡熱力學模擬計算與超高壓變質巖中微粒金剛石的發現更是說明了大洋俯沖隧道中形成的高壓-超高壓巖石的折返深度可達120km[5]。在這個深度，發生深俯沖的洋殼物質的密度大于周圍地幔巖石的密度，所以依靠自身的浮力很難折返到地表，但是由于洋殼物質在俯沖過程中會發生脫水反應釋放出富水流體，而后這些流體與上伏板塊的地幔橄欖巖會發生反應將其轉換成蛇紋巖，這樣在上下板塊之間就形成了以蛇紋巖為主的俯沖隧道，由于蛇紋巖的密度低于周圍的地幔巖，所以密度大的洋殼物質可以在低密度的蛇紋巖的包裹下發生折返作用。數字模擬技術也預測了在蛇紋巖質的俯沖隧道中存在向下、向上流動和對流作用[6]。

隨著研究的不斷深入，一些學者發現俯沖隧道型折返模式也可以很好地運用到大陸俯沖作用中[7]。他們將俯沖隧道型折返模式用于探討大陸俯沖作用過程中的殼幔相互作用、流體作用、化學地球動力學過程及超高壓巖石的折返機制，并取得了很好的學術成果。

由于前人對俯沖隧道型折返模式進行了大量的實驗研究，所以我們對其也有了更深刻的理解，但是目前為止我們對俯沖隧道模型仍然存在眾多的疑問沒有解決。比如大陸俯沖隧道與大洋俯沖隧道的差異，俯沖隧道的流變學性質等問題還需我們進一步的研究探討。

4 結束語

高壓-超高壓巖石的折返機制是個復雜的命題，本文僅論述了俯沖隧道型的折返模式，其中仍有諸多的問題尚不清楚，由于俯沖隧道型折返模式的過程十分復雜，因此需要我們更加努力的研究，從而深入理解俯沖帶深部巖石的折返機制，這對我們地質學的發展有著深遠的意義。

參考文獻：

[1]Shreve R L， Cloos M. 1986. Dynamics of sediment subduction， mélange formation， and prism accretion [J]. Geophys Res， B91：10229-10245.

[2]鄭永飛，陳伊翔，戴立群，等.發展板塊構造理論：從洋殼俯沖帶到碰撞造山帶[J].中國科學，2015，45（6）：711-735.

[3]Hacker B R， Gerya T V. Paradigms， new and old， for ultrahighpressure tectonism [J]. Tectonophysics， 2013，603：79-88.

[4]Chen Y， Ye K， Wu T F， Guo S. Exhumation of oceanic eclogites： Thermodynamic constraints on pressure， temperature， bulk composition and density[J]. Metamorph Geol， 2013，31：549-570.

[5]Sobolev N V， Shatsky V S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks： A new environment for diamond formation[J]. Nature， 1990，343：742-746.

[6]Gerya T V， Stckhert B， Perchuk A L. Exhumation of high-pressure metamorphic rocks in a subduction channel： A numerical simulation[J]. Tectonics， 2002，21：1056.

[7]鄭永飛，趙子福，陳伊翔.大陸俯沖隧道過程：大陸碰撞過程中的板塊界面相互作用[J].科學通報，2013，58（23）：2233-2239.