大地構(gòu)造學(xué)讀書報告

1、大地構(gòu)造學(xué)讀書報告題目：大別山超高壓變質(zhì)作用研究綜述目 錄引言3地質(zhì)背景4大別山超高壓變質(zhì)巖形成的機制6超高壓變質(zhì)作用力學(xué)模型6大陸地殼俯沖過程8大陸地殼的快速折返過程12大陸碰撞過程中的巖漿作用15參考文獻16大別山超高壓變質(zhì)作用研究綜述引言隨著世界上22條變質(zhì)帶中的柯石英、金剛石和其他超高壓變質(zhì)礦物和礦物組合相繼被發(fā)現(xiàn)，證明密度相對較小的大陸地殼曾俯沖到至少80 km 深的地幔內(nèi)部, 然后折返回地表。這些發(fā)現(xiàn)在全球引發(fā)了超高壓變質(zhì)和大陸深俯沖研究的熱潮。在我國東部的大別山造山帶榴輝巖礦物中發(fā)現(xiàn)柯石英和金剛石以來，國內(nèi)外科學(xué)家針對大別蘇魯造山帶超高壓變質(zhì)巖的分布范圍和形成條件進行了廣泛的研究

2、. 結(jié)果證明, 大別-蘇魯造山帶由華南陸塊俯沖進入華北陸塊之下所形成的大陸碰撞型造山帶（圖1），出露有世界上規(guī)模最大(30000 km2)、保存最好的超高壓變質(zhì)地體之一。圖1 華南陸塊-華北陸塊碰撞造山結(jié)構(gòu)演化示意圖（據(jù)鄭永飛等1）地質(zhì)背景大別造山帶（圖2）位于揚子克拉通與中-朝克拉通之間, 是秦嶺造山帶的東延部分。其中，大別地塊主要由大別雜巖、紅安( 宿松) 群、隨縣群及耀嶺河群等不同的構(gòu)造巖石單位組成, 它們分別經(jīng)歷過區(qū)域麻粒巖相-高角閃巖相、綠簾-角閃巖相和綠片巖相變質(zhì)作用, 根據(jù)已有同位素年齡資料，原巖時代分別屬于新太古-古元古、中-新元古及新元古代。大別地塊南緣被揚子克拉通型上震旦系

3、-古生界沉積蓋層覆蓋, 北緣以曉天-磨子潭斷裂與北淮陽構(gòu)造帶為界.超高壓(UHP) 變質(zhì)巖石主要分布在大別雜巖內(nèi), 高壓( HP) 變質(zhì)巖石分布于紅安( 宿松) 群內(nèi), 含青鋁閃石、鎂鈉閃石、紅簾石等礦物的藍片巖組合, 主要是新元古代隨縣群􀀁耀嶺河群的特征.大別地塊東部被郯-廬斷裂切割, 斷裂東側(cè)相應(yīng)的古老雜巖及超高壓-高壓變質(zhì)地體向北東位移, 在蘇魯?shù)貐^(qū)均有出露. 它們共同構(gòu)成延長1 000 多公里的世界上規(guī)模最大、出露最為良好的超高壓-高壓變質(zhì)帶。大別地塊具有長期的構(gòu)造-熱歷史,其中,大別雜巖內(nèi)表殼巖系的多期變形、晉寧期的廣泛硅鋁殼部分熔融作用和構(gòu)造再造作用,是印支期陸-

4、陸碰撞前的主要地質(zhì)事件。強大的中生代( 134 118 Ma) 巖漿就位、陸內(nèi)變形及伸展坍陷構(gòu)造, 則是改造超高壓-高壓變質(zhì)巖構(gòu)造的后期熱􀀁構(gòu)造事件,并最終導(dǎo)致超高壓-高壓巖石裸露地表?，F(xiàn)今大別造山帶的地殼組成及結(jié)構(gòu),主要是印支期碰撞造山及超高壓變質(zhì)期后伸展構(gòu)造和中-新生代構(gòu)造階段地球動力學(xué)演化過程的結(jié)果, 并具雙側(cè)造山帶的結(jié)構(gòu)特征。圖2 大別地塊超高壓-高壓變質(zhì)期后伸展構(gòu)造格架（據(jù)索書田等2）GMF 為龜梅斷裂, XMF 為曉天-磨子潭斷裂, XGF為襄樊-廣濟斷裂,TLF為郯廬斷裂, QOB為秦嶺造山帶, DM為大別地塊, SL為蘇魯區(qū), NHY為北淮陽構(gòu)造帶, CM為核

5、雜帶,UHP為超高壓單位,HP為高壓單位, EB為綠簾-藍片巖帶,DC為沉積蓋層.大別山超高壓變質(zhì)巖形成的機制現(xiàn)今觀察到的大別地塊內(nèi)部超高壓變質(zhì)地體的區(qū)域構(gòu)造樣式, 主要是在印支期( 240 210 Ma) 揚子與中-朝克拉通陸-陸碰撞及超高壓變質(zhì)作用期后形成的2, 具有變質(zhì)核雜巖和多層伸展拆離帶的組合格局。大陸碰撞造山作用包括大陸地殼俯沖和折返兩個過程1, 在動力學(xué)機制上分別對應(yīng)于被動和主動運動。一方面,大陸巖石圈由于高密度大洋巖石圈的牽引發(fā)生俯沖,最終達80120 km以上的地幔深度導(dǎo)致柯石英和金剛石相超高壓變質(zhì)作用。另一方面,超高壓變質(zhì)板片由于低密度大陸地殼的浮力而發(fā)生幕式上升和侵蝕(折

6、返將先前深埋的巖石帶到近地表)。大陸深俯沖一般以低的地溫梯度為特征,只存在有限的脫水作用。與此相反,超高壓板片的折返則常常是在高的地溫梯度下進行, 伴有幕式脫水作用。超高壓變質(zhì)作用力學(xué)模型超高壓變質(zhì)作用是在超高壓條件下發(fā)生的一種區(qū)域變質(zhì)作用。它與陸陸碰撞過程中的大陸俯沖和快速折返過程密切相關(guān)，是陸殼碰撞造山帶中特有的一種變質(zhì)作用。其明顯的標(biāo)志是存在著柯石英、微粒金剛石和其他的超高壓變質(zhì)礦物和礦物組合。超高壓變質(zhì)作用的壓力包括靜壓力和動壓力。靜壓力是指地塊的上覆靜巖載荷壓力。在絕大多數(shù)地區(qū)它仍然是最主要的壓力來源,從地表到地核, 壓力隨深度變化曲線是復(fù)雜的; 但在巖石圈深度內(nèi), 壓力與深度的關(guān)系

7、近似為線性關(guān)系, 壓力梯度近似為0. 033GPa/ km3。動壓力主要是指除靜壓力以外的其它壓力來源，如構(gòu)造應(yīng)力、體系內(nèi)部相變壓力等。胡寶群等3認(rèn)為在超高壓變質(zhì)作用的力學(xué)模型中，只有結(jié)合超高壓變質(zhì)作用過程中廣泛存在的各種相變、化學(xué)反應(yīng)等實際情況, 分析相態(tài)和物質(zhì)成分、地溫等因素對壓力的貢獻建立一個壓力組成模式, 才能充分反映超高壓變質(zhì)過程中各種因素對壓力的影響。于是，他們通過研究礦物中結(jié)構(gòu)水、結(jié)合水在巖石圈深部相態(tài)的變化，巖石是否能在莫霍面附近保持良好的彈性以及構(gòu)造增壓（巖石相態(tài)變化）等因素對超高壓變質(zhì)作用壓力來源的貢獻。最后提出，在建立超高壓變質(zhì)作用壓力模型時不考慮壓力的釋放, 并假定體系

8、性質(zhì)為封閉體系?；谏鲜龇治? 靜巖載荷壓力、巖石圈實際力學(xué)狀態(tài)偏離靜巖載荷壓力計算時力的平衡狀態(tài)所產(chǎn)生的構(gòu)造超（P超）, 巖石圈實際相態(tài)組成偏離靜巖載荷壓力(P靜) 計算時的成分均勻和相態(tài)不變等條件所產(chǎn)生的相變增壓(P相) 之和即為體系內(nèi)總壓力(P總)，即為如下公式：P總= P靜+ P超+ P相P總= P靜+ P超+ ( aP氣+ bP液+ cP固)式中a、b、c 為體系中氣相、液相、固相總摩爾數(shù)百分比, a+ b+ c= 1; P氣、P液、P固分別為多相體系中氣相、液相、固相壓力減去靜巖載荷壓力后的壓力增量。大陸地殼俯沖過程密度低的地殼物質(zhì)如何進入密度大，剛性強的地幔中?，F(xiàn)今主要有兩種觀點

9、，一種是深俯沖觀點，基于實驗巖石學(xué)和靜巖壓力環(huán)境的恢復(fù)，目前該觀點占主流地；另一種是構(gòu)造超壓觀點，認(rèn)為俯沖碰撞帶強大剪切作用和地殼物質(zhì)偏應(yīng)力等可以產(chǎn)生附加的構(gòu)造超壓, 地殼巖石不需要俯沖到地慢深度就可以產(chǎn)生超高壓變質(zhì)作用（England,1984;Mancktelow,1993.1995;Smith,1993）。石耀霖等4認(rèn)為大別-蘇魯大規(guī)模超高壓變質(zhì)形成構(gòu)造條件是大洋板塊拖曳窄條陸殼俯沖的結(jié)果。他們通過分析新西蘭南島北端，推出俯沖大洋板塊能攜帶寬度達150km左右的窄條陸殼克服浮力達到超高壓變質(zhì)深度，而大陸板塊碰撞的主體則浮在巖石圈上形成走滑斷層的結(jié)果（圖3）。于是，他們又猜想這種模式同時也

10、存在于大別-蘇魯（圖4）：蘇魯西側(cè)俯沖海洋板片首先拖曳蘇魯陸殼俯沖到超高壓變質(zhì)深度；隨后大別以西俯沖大洋板片拖曳大別至超高壓變質(zhì)深度, 而陸殼浮力導(dǎo)致蘇魯陸殼停止俯沖, 飄浮的陸殼被北推而形成郊廬斷裂-秦嶺陸陸碰撞造山后大別超高壓陸殼也折返；秦嶺作為典型造山帶, 雖然不排除零星超高壓變質(zhì)的可能, 但不具備大規(guī)模超高壓變質(zhì)的條件。圖3 俯沖大洋板片拖曳陸殼窄條俯沖到超高壓變質(zhì)深度模型示意圖a現(xiàn)今狀況 b未來狀況（據(jù)石耀霖等）圖4 蘇魯-大別超高壓變質(zhì)帶形成過程示意圖（據(jù)石耀霖等）（a）揚子地塊洋殼向華北地塊下俯沖, 蘇魯陸殼(深色)開始與揚子碰撞; (b) 蘇魯及部分東大別大陸窄條在其西部俯沖海

11、洋板片拖曳下俯沖到超高壓變質(zhì)深度; (c )大別陸殼在側(cè)面海洋板片拖曳下俯沖;蘇魯陸殼職浮在巖石圈上隨揚子地塊北移形成郯廬斷裂;蘇魯超高壓變質(zhì)巖折返; (d) 秦嶺陸陸碰撞造山, 大別陸殼俯沖停止而開始折返呂古賢等5通過構(gòu)造附加靜水壓力研究與含柯石英榴輝巖成巖深度測算，認(rèn)為超高壓變質(zhì)巖可由殼內(nèi)構(gòu)造擠壓作用引起的構(gòu)造超壓形成, 并估算大別山柯石英榴輝巖的形成深度稍>32. 106 km。然而，王清晨6等卻認(rèn)為差應(yīng)力引起的構(gòu)造超壓嚴(yán)格受到巖石強度的限制, 由于巖石本身力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)變速率及溫度的影響, 它們在變形前所能承受的差應(yīng)力不會超過1 GPa. 這一數(shù)值代表了構(gòu)造超壓的值域的上限，同時,

12、 這一差應(yīng)力僅引起巖石的變形, 不會引起超高壓變質(zhì)作用。與此同時，董樹文等7 基于對中國大別山碰撞造山帶高壓-超高壓巖石研究成果, 并對比喜馬拉雅造山帶, 提出第三種模式陸-陸點碰撞與超高壓巖石形成模式（圖5）。點碰撞模式是從陸一陸碰撞的特殊方式和作用力邊界條件上來探討產(chǎn)生超高壓作用的可能, 是大陸深俯沖與超高壓變質(zhì)作用機理的一種新診釋。圖5 華北地塊與揚子地塊碰撞過程示意圖 （據(jù)董樹文等）綜上所述，我認(rèn)為相對于其它兩種模式，石耀霖等提出的大洋板塊拖曳窄條陸殼俯沖模式更加合理。雖然其他兩種模式都很好地從力學(xué)模型去解釋了大陸地殼俯沖，但是他們并未考慮到諸如從大別山超高壓變質(zhì)巖巖石、礦物的年齡、形

13、成深度、地球化學(xué)、構(gòu)造變形等現(xiàn)有的證據(jù)。在董樹文等提出的點碰撞模式中還未考慮到地塊之間的洋殼的影響。大陸地殼的快速折返過程大別山這些形成于100 km 以下巖石圈地幔深處原巖以陸殼為主的變質(zhì)巖石,是如何迅速折返到地殼上部并剝露于地表的, 尚眾說紛紜。關(guān)于折返作用的動力學(xué)機制,目前已提出的模式主要包括：剝蝕與浮力的聯(lián)合作用模式（Platt,1993）; 剝蝕與低角度正斷層伸展的聯(lián)合模式(Harrison,1992); 陸內(nèi)沖斷、加楔和剝蝕的聯(lián)合作用(Cuthbert et al .,1983;Okay et al . .1989;Hsu,1991;Avigad,1992;Dong et al .

14、 ,1998); 上地殼拆離帶單剪伸展斷層和塑性變形的下地殼純剪垂直縮短作用的聯(lián)合(Arderson et al . ,1990;Ballevre et al . ,1990;Blake et al . ,1990;Hacker er al . ,1995;Maruyama et al . ,1998); 角流、浮力一垂直擠出一熱隆伸展聯(lián)合作用（Cong et al . ,1995）;山根拆沉模式等。薛懷明等8通過同位素年代學(xué)，PTt軌跡，變質(zhì)巖（帶）的空間分布規(guī)律、構(gòu)造要素及其空間配置等所提供的信息以及考慮到郯廬斷裂、斜向俯沖的影響。他們認(rèn)為大別山超高壓變質(zhì)雜巖的折返過程可分為5個階段：揚子

15、板塊剪扭性斜向俯沖到中朝板塊之下（大約230Ma年前的中-晚三疊世）原巖在巖石圈不同深度發(fā)生超高壓變質(zhì)作用，俯沖地殼部分?jǐn)嗔眩?30Ma220Ma）在浮力驅(qū)動下變質(zhì)雜巖快速折返（200Ma180Ma）超高壓巖石折返到地表，浮力消失，板塊俯沖停止（約180Ma年前）超高壓巖石被抬升，穹窿發(fā)育(133Ma122Ma)。圖6 大別地塊超高壓變質(zhì)巖石折返過程示意圖（據(jù)索書田等）( a) 在角閃巖相條件下地殼薄化、伸展拆離, 超高壓巖石抬升到中上地殼; ( b) 增厚巖石圈拆沉、超高壓巖石迅速折返至中下地殼; ( c) 超高壓變質(zhì)巖石的形成階段. 1 示榴輝巖透鏡體, 2 示被剪切帶分隔的榴輝巖體, 3

16、 示花崗巖及變形花崗巖, 4 示基性􀀁超基性雜巖, 5 示逆沖剪切帶, 6 示正向剪切帶、斷層及拆離帶與此同時，針對于大別山超高壓變質(zhì)雜巖的折返，索書田2等依據(jù)現(xiàn)有同位素年代學(xué)、巖石學(xué)、構(gòu)造學(xué)資料及其地質(zhì)意義的進一步分析，以及通過對大別山區(qū)域性伸展作用前的超高壓剪切帶和退變質(zhì)剪切帶的深入研究，提出另一個與擠出楔模式相吻合的3階段模式(圖6)：第1階段（210200Ma）由揚子克拉通與中-朝克拉通碰撞增厚的巖石圈地幔拆沉作用，驅(qū)動超高壓變質(zhì)巖石迅速折返( 擠出) 到中下地殼（圖6b）；第2 階段( 200 170 Ma) , 可能延續(xù)到130 Ma, 在伸展體制下, 超高壓巖石

17、緩慢向中上地殼抬升（圖6c）；第3 階段( 130Ma 現(xiàn)在),伴隨著大別地塊的斷塊狀不均一隆升、伸展坍陷和侵蝕作用,超高壓巖石逐漸暴露于地表.麻城等紅色盆地內(nèi)沉積物的觀察證明,至少自晚白堊世( 97.5Ma),部分超高壓巖石就已裸露于侵蝕面。Hacker等9認(rèn)為對不同變質(zhì)溫度壓力超高壓變質(zhì)巖的同位素定年得到,隨著變質(zhì)溫度升高, 峰期變質(zhì)年齡逐漸年輕化，指示在大陸地殼俯沖過程中上、下地殼之間出現(xiàn)的深部拆離和差異折返。因此，在大陸碰撞過程中存在不同層次的地殼拆離和不同時間的多巖板折返,而不是先前假設(shè)的整個俯沖陸殼與下伏巖石圈地幔之間發(fā)生拆離解耦并整體折返。綜上所述，大陸地殼的快速拆返是一個相當(dāng)復(fù)

18、雜過程。只有巖石學(xué)、礦物學(xué)、同位素年代學(xué)、變質(zhì)作用PTt軌跡、構(gòu)造學(xué)等的發(fā)展成熟，我們才可能更好地去探索出引起超高壓變質(zhì)作用折返的驅(qū)動機制。大陸碰撞過程中的巖漿作用大陸碰撞過程存在巖石的部分熔融。鋯石U-Pb 定年發(fā)現(xiàn)蘇魯造山帶東部存在晚三疊世富鉀花崗巖10和長英質(zhì)巖墻11，指示深俯沖板片在地幔深部斷離后出現(xiàn)同折返巖漿作用12。同時，蘇魯造山帶高溫/超高壓榴輝巖和花崗質(zhì)片麻巖中部分熔融產(chǎn)物的存在, 得到了中國大陸科學(xué)鉆探工程主孔巖芯樣品巖相學(xué)觀察。如一些榴輝巖和片麻巖樣品中多硅白云母周圍出現(xiàn)黑云母+斜長石冠狀體, 指示了多硅白云母分解導(dǎo)致的熔體產(chǎn)生；一些片麻巖中花崗質(zhì)礦物如石英、長石和黑云母的

19、聚集, 指示了含水花崗質(zhì)熔體的存在; 一些榴輝巖和片麻巖中長英質(zhì)脈體的出現(xiàn)。許多超高壓地體在俯沖帶深部似乎只經(jīng)歷了少量的部分熔融, 不僅表明大陸地殼深俯沖過程以較低的地?zé)崽荻?510/km)為特征, 而且要求超高壓巖石從地幔向地殼的折返過程具有相對較快的速率(>20 mm/a). 與此相比, 大別-蘇魯超高壓變質(zhì)巖中出現(xiàn)明顯的部分熔融, 說明它們或者具有相對較慢的折返速率(<5 mm/a), 或者折返過程中在固相線之上P-T 區(qū)間的滯留時間較長。綜述，大別山超高壓變質(zhì)巖帶作為世界上最大、保存最為完整的天然實驗室，對地質(zhì)學(xué)科的研究發(fā)展起著重要作用。超高壓變質(zhì)作用在陸-陸碰撞過程中，因

20、為原巖在陸殼俯沖作用下進入深部巖石圈，此時巖石所處環(huán)境的壓力、溫度等因素發(fā)生很大的改變。由于地殼下部的熔融斷裂，在浮力的驅(qū)動多用下，部分超高壓變質(zhì)巖快速折返到大地表，同時遭受風(fēng)化剝蝕，大陸碰撞結(jié)束。在巖漿的作用下，穹窿發(fā)育，造山帶形成，地殼處于一種伸展的環(huán)境。參考文獻1鄭永飛，2008，超高壓變質(zhì)與大陸碰撞研究進展: 以大別-蘇魯造山帶為例，科學(xué)通報，53（18）2129 21522 索書田,鐘增球,游振東, 2000，大別地塊超高壓變質(zhì)期后伸展變形及超高壓變質(zhì)巖石折返過程,中國科學(xué)（D輯）,30（1）9173 胡寶群, 王方正, 肖龍,2000，超高壓變質(zhì)作用壓力模型的思考，地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，6

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