大別山超高壓巖石的動(dòng)態(tài)折運(yùn)

大別山超高壓巖石的動(dòng)態(tài)折運(yùn)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于柯基石和鉆石的發(fā)現(xiàn)，大邑地區(qū)已成為世界上最著名的鉆石研究遺址之一。到目前為止,中外科學(xué)家(1青溪嶺超高壓橄欖巖流變學(xué)研究1.1巖塊與超基性巖塊在整個(gè)大別—蘇魯超高壓變質(zhì)帶中,變質(zhì)的超鎂鐵質(zhì)巖,如純橄巖,石榴橄欖巖等常與榴輝巖密切共生。它們或與榴輝巖相鄰,或與其相互包裹。盡管對(duì)這些超鎂鐵質(zhì)巖的物源及成因有多種不同的看法,但其與榴輝巖密切共生的基本地質(zhì)事實(shí)說(shuō)明它們?cè)?jīng)與榴輝巖一起經(jīng)過(guò)或長(zhǎng)或短的共同變形史,事實(shí)上部分超基性巖石如碧溪嶺石榴橄欖巖業(yè)已公認(rèn)為超高壓巖石,因此對(duì)其變形史的研究對(duì)解決超高壓巖石的折返有著特殊的意義。碧溪嶺地區(qū)的超基性巖主要為石榴橄欖巖。它們以條帶或透鏡體的形式分布于碧溪嶺榴輝巖體之中(圖1),總共有數(shù)十條之多。寬一般為1～5m,長(zhǎng)幾米到幾十米;其長(zhǎng)軸方向多為北東向,產(chǎn)狀陡直,并于圍巖榴輝巖面理協(xié)調(diào),未見(jiàn)穿插關(guān)系。所采樣品97DB-2為石榴二輝橄欖巖。取自碧溪嶺小河河床上的超基性巖巖塊。該巖塊寬1～2m,長(zhǎng)3～5m,以透鏡體形式夾于圍巖榴輝巖之中,走向北北東,傾角直立,并與榴輝巖產(chǎn)狀協(xié)調(diào)。巖塊本身可見(jiàn)夾10～30cm左右的榴輝巖透鏡體。手標(biāo)本暗黑色,蝕變極為強(qiáng)烈,發(fā)育大量蛇紋石剪切脈。鏡下絕大部分橄欖石都已蝕變?yōu)樯呒y石,輝石具定向構(gòu)造,單斜輝石和斜方輝石含量基本相等。樣品D95-27為石榴橄欖巖,采自2km界碑往北約70m處公路旁。手標(biāo)本暗綠—灰黑色。鏡下殘碎斑結(jié)構(gòu)。主要礦物有橄欖石(50%),石榴子石(25%)和輝石(20%),其次有少量金紅石。殘碎斑為中粗粒板狀-粒狀變晶結(jié)構(gòu)橄欖石集合體。殘斑橄欖石本身無(wú)明顯定向,但其集合體具明顯的定向構(gòu)造;晚期時(shí)代橄欖石成細(xì)粒重結(jié)晶結(jié)構(gòu)分布于早期時(shí)代橄欖石周?chē)虻V物粒間。石榴子石多為等粒自形,集合體有拉長(zhǎng)形成連續(xù)面理的跡象。蛇紋石呈不規(guī)則細(xì)脈穿插于礦物之間。1.2斜方輝石組構(gòu)巖組測(cè)定結(jié)果如圖2。(1)從圖2-1中可以看出橄欖石的[001]有一良好主極密,[100]和[010]成大圓環(huán),上有多組次極密;僅就巖組圖表象而言,與造山帶中剪切帶成因糜棱巖化橄欖巖的組構(gòu)十分相似((2)圖2-2為斜方輝石的組構(gòu),可以看出其極密形態(tài)非常好,此組構(gòu)與幔源包體中斜方輝石的組構(gòu)十分相似,相當(dāng)于(3)圖2-3為單斜輝石(透輝石)組構(gòu),[001]具一對(duì)極密。[010]基本為一大圓環(huán),中心具—極密。[100]則為一大圓環(huán)。和圖2-4綠輝石的組構(gòu)非常相似。這可能說(shuō)明透輝石和綠輝石的流變學(xué)特征或變形機(jī)制十分相似,或者它們經(jīng)歷了相似的變形環(huán)境。(4)圖中可以看出,橄欖石c軸和斜方輝石a軸十分平行;橄欖石b軸和斜方輝石a軸完全垂直。這與通過(guò)對(duì)組構(gòu)的分析和對(duì)比,可以得出如下結(jié)論:①碧溪嶺地區(qū)超基性巖經(jīng)歷了塑性變形,其主要組成礦物橄欖石和輝石形成了晶格優(yōu)選方位;②碧溪嶺超基性巖的變形特征即不類(lèi)似于蛇綠巖,也不完全等同于幔源包體,它有十分獨(dú)特的變形圖象;③透輝石的變形機(jī)制可能與綠輝石十分相似。1.3光學(xué)顯微觀察片的制備D95-27(石榴橄欖巖)為殘碎斑變晶結(jié)構(gòu),殘碎斑為中粗粒橄欖石顆粒和其集合體,集合體本身具板狀或粒狀變晶結(jié)構(gòu),顆粒之間邊界平直。中粗粒橄欖石周?chē)嘤屑?xì)粒重結(jié)晶橄欖石。扭折帶多發(fā)育于重結(jié)晶顆粒之中,殘斑大顆粒中少見(jiàn)。利用弗氏臺(tái)可觀測(cè)到的滑移系有如下兩種:[001](100)為高溫滑移系,[010](100)為中低溫滑移系。中低溫滑移系和高溫滑移系的共存,說(shuō)明該巖塊至少經(jīng)歷過(guò)兩期塑性變形。我們用氧化綴飾法制備了96DB-2和D95-27的光學(xué)顯微鏡觀察片。制備過(guò)程如下:先將上述標(biāo)本磨成普通光片;然后放在高溫爐中,在溫度850～900℃條件下恒溫1h,自然緩慢冷卻即可。橄欖石在高溫塑性流動(dòng)過(guò)程中,形成了位錯(cuò)構(gòu)造。氧化綴飾法薄片所揭示的橄欖石位錯(cuò)組態(tài)主要有以下幾種:①自由位錯(cuò):分布十分不均勻,在殘碎斑集合體中比較少見(jiàn),但在單個(gè)殘碎斑和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒中很發(fā)育。②位錯(cuò)壁:在殘斑或重結(jié)晶顆粒中都十分發(fā)育,某些平行位錯(cuò)壁發(fā)生彎曲,位錯(cuò)壁之間可見(jiàn)弓彎現(xiàn)象。③亞顆粒構(gòu)造:在殘碎斑中十分發(fā)育,在其內(nèi)部可見(jiàn)參與動(dòng)態(tài)恢復(fù)作用而殘留下的位錯(cuò),后者是區(qū)別動(dòng)態(tài)恢復(fù)和靜態(tài)恢復(fù)作用的重要標(biāo)志之一。④位錯(cuò)網(wǎng)構(gòu)造:在殘碎斑中十分常見(jiàn)。位錯(cuò)網(wǎng)構(gòu)造實(shí)質(zhì)上是一種位錯(cuò)扭轉(zhuǎn)壁,它是由兩組縱橫交叉的螺型位錯(cuò)密集排列而成。⑤位錯(cuò)環(huán)構(gòu)造:前人工作指出橄欖石中的位錯(cuò)環(huán)為(010)位錯(cuò)環(huán)。薄片中可見(jiàn)單個(gè)封閉位錯(cuò)環(huán),并可見(jiàn)螺旋型向外發(fā)散位錯(cuò)環(huán)。以上的分析表明,本區(qū)橄欖石位錯(cuò)現(xiàn)象十分豐富,經(jīng)歷了強(qiáng)烈的塑性變形。1.4上地禾應(yīng)力計(jì)算結(jié)果利用其中:ρ=6.01×10資料表明,一般剪切帶及斷裂的古應(yīng)力計(jì)算結(jié)果多為20～200MPa,其中以50～150MPa為多,另?yè)?jù)金振民、何永年等對(duì)中國(guó)東部和山西五臺(tái)山、山東臺(tái)溝幔源包體中的位錯(cuò)古應(yīng)力計(jì)算,推算上地幔應(yīng)力在50MPa左右(2超高壓英語(yǔ)的流變學(xué)2.1超高壓榴輝巖-石榴橄欖巖巖體碧溪嶺和雙河地區(qū)的榴輝巖包括了大別山超高壓榴輝巖的3種典型產(chǎn)狀:①與超基性巖共生;②與片麻巖共生;③與大理巖共生。碧溪嶺地區(qū)為典型的超高壓榴輝巖-石榴橄欖巖巖體(圖1),位于安徽省岳西縣境內(nèi)。巖體成橢圓狀,長(zhǎng)軸約1000m,短軸約500m,面積約0.7km雙河地區(qū)的超高壓榴輝巖有兩種:一為呈透鏡體產(chǎn)于片麻巖中的榴輝巖;另一種則與大理巖和硬玉石英巖共生,其圍巖為一套變表殼巖系。根據(jù)野外地質(zhì)構(gòu)造,超高壓巖石的變形可以分為以下幾期:①榴輝巖透鏡體內(nèi)部面理的形成D2.2榴輝巖變形特征及機(jī)制榴輝巖最主要的兩種組成礦物為石榴子石和綠輝石。石榴子石在榴輝巖中作為剛形體,是難以變形的礦物;而綠輝石在榴輝巖中含量通常占30%～60%,是比較容易發(fā)生塑性變形的礦物,因此榴輝巖的流變學(xué)特征在很大程度上取決于綠輝石的物理力學(xué)性質(zhì)。近幾年來(lái),隨著超高壓變質(zhì)方面的深入研究,綠輝石的變形特征和機(jī)制愈來(lái)愈受到人們的重視,國(guó)外學(xué)者對(duì)綠輝石的組構(gòu)和變形有比較系統(tǒng)的研究(我們對(duì)大別山地區(qū)有代表性的3種超高壓榴輝巖中綠輝石的組構(gòu)進(jìn)行了測(cè)定((1)榴輝巖經(jīng)歷了高溫塑性變形,形成了綠輝石晶格優(yōu)選方位。(2)本區(qū)榴輝巖的主期變形,以共軸變形為主;由于造山帶內(nèi)部應(yīng)變分解,部分榴輝巖含非共軸成分。(3)[010]極密垂直于葉理表明(010)為晶內(nèi)主滑移面,[001]極密位于葉理面內(nèi),說(shuō)明[001]方向?yàn)橹骰品较?。但文獻(xiàn)表明,綠輝石的晶內(nèi)滑移中并未發(fā)現(xiàn)[001](010)是一個(gè)主滑移系,這可能說(shuō)明綠輝石的塑性變形可能包含其他機(jī)制,如擴(kuò)散蠕變和顆粒邊界遷移等。(4)本區(qū)榴輝巖中綠輝石組構(gòu)可與世界上其他地區(qū)榴輝巖中的組構(gòu)對(duì)比,而且僅就組構(gòu)圖像而言,超高壓榴輝巖中綠輝石的組構(gòu)和絕大部分經(jīng)過(guò)塑性變形的普通榴輝巖及其他深源巖石中單斜輝石組構(gòu)并無(wú)多大差別,有共同的[001]極密,這說(shuō)明形成該組構(gòu)的變形環(huán)境或變形機(jī)制是相似的。2.3綠色輝石的變形特征和機(jī)制2.3.1圖1:表3分別對(duì)碧溪嶺和雙河地區(qū)的代表性巖石96DB-21和96DS-23作了付林圖解分析,結(jié)果如下:96DB-21,X:Y:Z=1.72:1.18:1,k=4;96DS-23,X:Y:Z=3.57:1.89:1,k=2.9。均屬于收縮型橢球,拉伸型應(yīng)變。這與組構(gòu)測(cè)定結(jié)果是一致的。2.3.2位錯(cuò)評(píng)估見(jiàn)表1對(duì)96DB-21切制了TEM薄片。其中可見(jiàn)位錯(cuò)壁,位錯(cuò)纏結(jié),弓彎位錯(cuò),亞顆粒等,顯示了位錯(cuò)蠕變的特征。其自由位錯(cuò)密度為:ρ=4.98×102.3.3變巖結(jié)構(gòu)及變形特征(1)機(jī)械雙晶,用弗氏臺(tái)所測(cè)雙晶均為(100),這可能說(shuō)明綠輝石在高溫變形的基礎(chǔ)上有低溫變形疊加。(2)亞顆粒構(gòu)造,亞顆粒的發(fā)育是比較普遍的。需要指出的是碧溪嶺和雙河地區(qū)的綠輝石變形表象是不一樣的。碧溪嶺地區(qū)特別是榴輝巖巖體中心,亞顆粒多已旋轉(zhuǎn)成為動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒,而雙河地區(qū)特別是產(chǎn)于含石榴片麻巖中的透鏡體榴輝巖,其綠輝石亞顆粒邊界多不平直,成凹凸?fàn)钆c母晶鑲嵌。(3)電子探針結(jié)果表明((4)碧溪嶺地區(qū)榴輝巖中的綠輝石是以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶為其主要特征的。條帶狀或團(tuán)塊狀分布的綠輝石集合體通常其光性方位十分相似,橫過(guò)其長(zhǎng)軸方向光性方位差逐漸加大,這說(shuō)明它們是由同一個(gè)母顆粒亞顆粒化以后逐漸旋轉(zhuǎn)而來(lái)的。2.4石榴子石的變形2.4.1拉伸性應(yīng)變雙河由于應(yīng)變分解和變形的多期性,不同構(gòu)造部位榴輝巖中石榴子石的變形是不同的。我們分別取碧溪嶺和雙河的兩個(gè)樣品作為代表。96DB-21(碧溪嶺):X:Y:Z=1.56:1.23:1,k=2.43;96DS-23(雙河),X:Y:Z=4.35:2.32:1,k=2.53。兩者都屬于收縮性橢球,代表拉伸性應(yīng)變。這一點(diǎn)和綠輝石的組構(gòu)及應(yīng)變所得結(jié)論是一樣的。需要指出的是,碧溪嶺地區(qū)石榴子石是以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶為主,顆粒拉長(zhǎng)程度要低,而雙河地區(qū)長(zhǎng)短軸比可達(dá)5:1。2.4.2tem觀察對(duì)96DS-12的位錯(cuò)觀察表明,存在自由位錯(cuò),其密度為3.54×102.4.3石榴子石體成條手段變形部位不一樣,其應(yīng)變特征就不一樣。碧溪嶺地區(qū)榴輝巖巖體中心(96DB-47)部位以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶為主,可見(jiàn)石榴子石集合體成條帶狀分布。其邊部剪切帶附近(97DS-10)石榴子石發(fā)育典型的核幔構(gòu)造,其核部石榴子石一般較大,并成壓扁橢圓狀,向外石榴子石粒度急劇減小,核部和幔部動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒粒度相差可達(dá)10倍以上,這說(shuō)明石榴子石經(jīng)歷了強(qiáng)烈的塑性變形,形成了榴輝巖相糜棱巖。3石英和榴輝巖中的聯(lián)合構(gòu)造和變形3.1硬玉石學(xué)特性雙河地區(qū)有很多硬玉石英巖透鏡體與榴輝巖或大理巖共生,或夾于片麻巖之中。其面理與圍巖基本協(xié)調(diào)。手標(biāo)本灰白色,粒狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造。礦物成分:硬玉40%～50%,石英40%～60%,伴生礦物有柯石英、錐輝石、霓石、金紅石、磷灰石等。硬玉呈短柱狀,無(wú)色—淡蘭色,在XZ切片上可見(jiàn)明顯的拉長(zhǎng)定向排列。對(duì)硬玉的流變學(xué)研究國(guó)內(nèi)外尚屬空白。圖4(J3.2石英-石墨的構(gòu)造和變形3.2.1粒間石英及柯石英榴輝巖中的石英有兩種類(lèi)型:屬石英榴輝巖相的普通粒間石英,柯石英及柯石英假象多晶石英。前者一般成等粒結(jié)構(gòu),顆粒之間邊界平直,波狀消光不明顯,為典型的靜態(tài)重結(jié)晶產(chǎn)物。其組構(gòu)如圖4中Q1和Q3.2.2硬玉石英巖巖石學(xué)硬玉石英巖中石英的變形有兩種:一種是退變質(zhì)強(qiáng)烈的硬玉石英巖(96DS-26),硬玉已完全退變?yōu)殁c長(zhǎng)石和霓石;石英顆粒巨大,相互之間邊界彎曲,有非常明顯之波狀消光和變形紋,其石英組構(gòu)為一大圓環(huán)(圖4Q3.2.3相糜棱巖結(jié)構(gòu)采自雙河超高壓片麻巖中(96DS-10)。巖石片麻狀構(gòu)造。鏡下為典型的二相糜棱巖結(jié)構(gòu),波狀消光明顯的細(xì)小動(dòng)態(tài)重結(jié)晶石英和同樣粒度的長(zhǎng)石構(gòu)成的基質(zhì)中分布許多多晶石英條帶,條帶內(nèi)部石英無(wú)波狀消光,顆粒之間邊界平直。這種結(jié)構(gòu)在糜棱巖中是常見(jiàn)的。石英變晶條帶組構(gòu)如圖4Q3.2.4榴輝巖或石英巖石在雙河石英榴輝巖中,發(fā)育一些剪切石英脈。樣J-5采自苗竹園水庫(kù)邊。巖石為條帶狀構(gòu)造,為寬5cm左右的榴閃巖和石英石榴巖條帶相間構(gòu)成。石英脈形狀不甚規(guī)則,成團(tuán)塊狀或樹(shù)枝狀(圖5),和石英石榴巖層漸變過(guò)渡,或切割榴閃巖和石英石榴巖層,這說(shuō)明:該期石英脈的物質(zhì)來(lái)源為榴輝巖中的石英,為角閃巖相退變期或稍后的產(chǎn)物。石英脈在外觀上并無(wú)受剪切或壓扁等變形的跡象,鏡下顯示發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的韌性變形。石英波狀消光,亞顆粒和變形條帶十分發(fā)育,其變形特征非常類(lèi)似于退變石英硬玉巖中的石英。顆粒邊界成鋸齒狀,港灣狀,可見(jiàn)顆粒邊界遷移和亞顆粒旋轉(zhuǎn)形成的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒。對(duì)變形母顆粒和重結(jié)晶顆粒分別測(cè)量了其組構(gòu),圖4Q由于石英脈是角閃巖相退變峰期產(chǎn)物,其變形溫度應(yīng)該500～650℃左右。利用3.2.5金紅石的tem觀察我們?cè)陔p河采到石英石榴巖(96DS-8),和大理巖相間產(chǎn)出。其中石榴子石含量可達(dá)80%～90%,其余為石英和少量金紅石等?？率⒒蚱浼傧蠓浅０l(fā)育,一個(gè)薄片中可達(dá)20～30顆。對(duì)其中普通石英的TEM觀察發(fā)現(xiàn),自由位錯(cuò),位錯(cuò)環(huán)及胞狀構(gòu)造等非常發(fā)育,特別是其中交叉滑移的發(fā)育,說(shuō)明經(jīng)歷了高溫位錯(cuò)蠕變。自由位錯(cuò)密度為ρ=1.43×104超高壓巖石的動(dòng)態(tài)發(fā)展綜合前人的資料和本文的研究成果,超高壓巖石的折返可分以下幾個(gè)階段。4.1榴輝巖系的巖石學(xué)特征石榴橄欖巖的原始組構(gòu)形成階段,也就是超高壓礦物形成階段。此時(shí)以橄欖石中高溫滑移系的活動(dòng),榴輝巖中以柯石英、金剛石的形成為特征。石榴子石和綠輝石發(fā)生塑性變形。石榴子石以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶為主,綠輝石亞顆粒發(fā)育為特征。壓力大于2.8GPa,溫度大于900℃,Δσ為7.27MPa。石榴橄欖巖在進(jìn)一步的抬升中有低溫變質(zhì)作用的疊加。4.2超高壓榴輝巖組構(gòu)的性質(zhì)溫度依然很高,壓力降低,榴輝巖中石榴子石進(jìn)一步變形,綠輝石以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶為主要變形機(jī)制,綠輝石形成LPO。榴輝巖內(nèi)部的應(yīng)變分解開(kāi)始,石榴子石形成核幔構(gòu)造和壓扁拉長(zhǎng)。我們認(rèn)為綠輝石LPO是非超高壓組構(gòu)的主要原因,根據(jù)對(duì)比,綠輝石的組構(gòu)和其他深源巖石中CPX組構(gòu)并無(wú)多大區(qū)別,相同的[001]極密說(shuō)明有相同的變形機(jī)制和變形環(huán)境,因此現(xiàn)在的LPO不可能是榴輝巖俯沖到100km時(shí)的產(chǎn)物,而應(yīng)該是相當(dāng)于一般幔源包體60～70km或以上的產(chǎn)物,早期超高壓組構(gòu)完全被置換;問(wèn)題的另一面是:雖然我們對(duì)冷榴輝巖沒(méi)有做更詳細(xì)的研究,但初步的野外觀察和光學(xué)顯微鏡觀察表明,其石榴子石和綠輝石的等粒自形結(jié)構(gòu)說(shuō)明其變形機(jī)制和特征與超高壓榴輝巖的不一樣,而冷榴輝巖的變質(zhì)壓力,溫度條件為1.8～2.4GPa和580～650C(上面的討論中我們沒(méi)有考慮差異應(yīng)力的情況,根據(jù)榴輝巖中高溫石英所算應(yīng)力為:Δσ=78.92MPa。上面的討論中我們總是努力把礦物一定的組構(gòu)歸之于特定的溫壓環(huán)境:或是超高壓或是高壓,換句話(huà)說(shuō),或是100km或是殼幔邊界或者其他特定深度。當(dāng)然這種思維習(xí)慣或者研究準(zhǔn)則對(duì)幔源包體或殼幔邊界以上的巖石是適應(yīng)的;巖石組構(gòu)形成以后地質(zhì)體的抬升和剝露要么速度慢,要么溫度低,對(duì)原始組構(gòu)影響很小。對(duì)超高壓巖石則不一樣,速度快,溫度高,因此其組構(gòu)的形成是抬升過(guò)程的反映,在PTtD軌跡上應(yīng)該是一條線(xiàn),而不是一個(gè)點(diǎn)(圖7)。根據(jù)4.3石英硬玉巖中的變形應(yīng)變進(jìn)一步局部化,形成同構(gòu)造剪切石英脈,石英硬玉巖中石英產(chǎn)生變形條帶和亞顆粒等。溫度為500～700℃,壓力為1GPa,Δσ為25.2MPa4.4綠色巖相階段長(zhǎng)英質(zhì)剪切帶形成階段,此時(shí)壓力為0.2～0.4GPa,溫度為200～300C,Δσ=59.61MPa5巖石學(xué)和超基性巖(1)本區(qū)變形分解非常普遍,表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:首先從空間尺度上,無(wú)論是區(qū)域規(guī)模,還是手標(biāo)本尺度,甚至在薄片中,應(yīng)力的分解造成應(yīng)變的不同