南北方晚中生代混合巖雜巖體的成因及構造意義

南北方晚中生代混合巖雜巖體的成因及構造意義

地殼物質的部分熔融效應，即地殼的深熔融效應，是大造山帶構造發(fā)育中的重要地質作用。這是地殼深部變質作用、構造變形作用和平坦地質作用的重要紐帶。如在喜馬拉雅造山帶中,地殼深熔作用是啟動藏南拆離系和地殼深部物質快速折返的重要因素。在眾多的大型造山帶中,以下幾種作用(單獨或共同作用)都可以導致地殼物質發(fā)生部分熔融作用:(1)在壓力及化學成分不變的情況下,溫度升高;(2)高溫巖石的近等溫快速減壓;(3)內部緩沖或外來水(或流體)的水致部分熔融。地殼深熔作用導致原來是單相的固體巖石轉化為固液兩相體系,改變地殼深部物質的流變學性質,進而影響巖石的變形機制和變形樣式。因此,了解部分熔融巖石的力學性質不僅對理解侵入體-變質巖地體的應變行為及物質運移模式,而且對檢驗和提出有關地殼深熔作用的構造物理效應理論及在大型造山帶的數(shù)值構造模擬中起著關鍵作用。例如,大陸下地殼的深熔作用顯著地降低了地殼的強度及其承受上覆地殼荷載的能力,并可能最終導致增厚地殼的垮塌。實驗研究結果已證明,固體與熔體之間的強度差別達幾個數(shù)量級。含少于10%熔體的巖石的峰值差異強度約在100MPa的量級上,明顯高于完全熔融的巖石,其差異強度在幾—幾十MPa之間。因此,隨著遞進加熱和部分熔融程度的增加,巖石的力學性質將從線彈性轉變?yōu)閺椝苄?最后到粘性。許多高級變質巖區(qū)中的混合巖的形成是地殼物質發(fā)生不同程度部分熔融的結果,如在喜馬拉雅造山帶和蘇魯超高壓變質帶中。這些混合巖提供了研究低度部分熔融如何影響新生熔體與固體基質之間的應變分解及其發(fā)生部分熔融巖石的總體力學性質的重要機會。在高級變質巖區(qū)中,部分熔融作用和局域變形常常緊密關聯(lián)。野外觀測揭示:在許多混合巖中,以淺色體為代表的部分熔融體或平行于原始層面,或形成相互連接的網(wǎng)絡結構,或集中在剪接帶、布丁的頸部、張性裂紋或小褶皺的軸面部位。正如Brown等指出的:遞進部分熔融如何影響巖石的流變學性質及其如何影響變形機制的轉變一直是構造地質學和變質地質學研究的突出問題。本文以美國加利福尼亞州內華達巖基(SierraNevadaBatholith)南部發(fā)育最好的羊圈(GoatRanch)混合巖雜巖體為例,在細致的野外填圖、構造解析和應變測量的基礎上,來闡明變泥質巖在遞進部分熔融過程中,熔體的出現(xiàn)如何影響巖石應變承載構造的變化,探討地殼物質部分熔融可能的構造物理學效應。雖然該觀測結果來自于花崗巖巖體侵位導致的接觸變質相關的部分熔融和構造變形,但同樣適用于諸如喜馬拉雅造山帶的區(qū)域變質作用區(qū)。1早白堊世變泥質巖的組成及演化美國加州南內華達巖基是內華達復合巖基的一部分,主要由年齡為80~120Ma的不同類型花崗質巖石組成[22,23,24,25,26,27]。研究區(qū)位于南內華達巖基中伊薩貝拉湖(LakeIsabella)的南邊(圖1),屬于總體成北西向分布的I-SCR(強烈混染還原的I型花崗巖)花崗巖帶的東南端,該帶中的花崗巖與其東部、西部的花崗巖相比,具有較高的表殼巖組分,來源于高度還原的變沉積巖。在研究區(qū)內,變沉積巖主要包括三疊紀的變質泥巖、侏羅紀的大理巖和石英巖、早白堊世的大理巖和變泥質巖。這套變沉積巖組成伊薩貝拉表殼巖系列,是王子變沉積巖層序在南內華達巖基的一部分。早白堊世變泥質巖主要由泥質及砂質海相沉積物組成,局部夾基性火山灰和火山碎屑,形成于與大陸島弧密切相關的淺海環(huán)境。巖相學觀察及全巖的溶解實驗都表明三疊紀及早白堊世變泥質巖都含有一定量的石墨,顯示了這些變沉積巖的強還原特征,和Ague等的推論一致。中生代持續(xù)的花崗巖侵位導致中生代以前的表殼巖發(fā)生高級接觸變質作用,在鄰近花崗巖侵入體的部位,表殼巖中易熔融的組分往往發(fā)生不同程度的部分熔融,形成層狀或網(wǎng)結狀混合巖。時代大約為100Ma(U/Pb鋯石年齡)的羊圈花崗閃長巖侵位于伊薩貝拉表殼巖之中,導致早白堊世泥質巖發(fā)生綠片巖相至角閃巖相的中高級變質作用,并且在靠近花崗閃長巖的部位發(fā)生局部熔融,形成典型的網(wǎng)結狀混合巖。早白堊世變泥質巖中的基性火山物質發(fā)生角閃巖相變質作用,形成角閃巖也證明了較高的變質溫度。在本研究區(qū),羊圈花崗閃長巖的侵位深度及溫度分別為0.3~0.4GPa(相當于9~12km深度)和750~800℃。野外及巖相學的研究表明,早白堊世變泥質巖記錄了由于鄰近花崗巖體侵位的影響,部分熔融程度及變形構造的系統(tǒng)變化,可分為4個變質帶(圖1),即紅柱石帶、紅柱石+矽線石帶、矽線石帶和混合巖帶。紅柱石帶遠離羊圈花崗閃長巖體,變質溫度較低,為450~500℃,由紅柱石、鉀長石、石英、黑云母、斜長石及少量的白云母組成,副礦物為磷灰石、獨居石和鋯石(圖2-A)。隨著變沉積巖相對于花崗閃長巖體距離的減小(紅柱石+矽線石帶和矽線石帶),變質溫度逐漸升高,矽線石逐步代替紅柱石,局部出現(xiàn)孤立的長英質淺色體(圖2-B、C)。在矽線石帶,隨著距離的進一步減小,溫度進一步升高,基本上不見紅柱石,紅柱石完全被矽線石替代,部分熔融程度逐漸增強,長英質淺色體或平行于變泥質巖的葉理面(圖2-D)或局部形成互相連通的網(wǎng)狀構造,暗色體和中色體呈透鏡體被淺色體所包圍。在高度混合巖化帶中,淺色體主要由石英、斜長石、鉀長石組成,而暗色體主要由黑云母和矽線石組成(圖2-E、F)。淺色體和暗色體的礦物組合特征表明:淺色體為部分熔融體,暗色體為部分熔融的殘留體。在混合巖化較強的個別部位,暗色體中出現(xiàn)石榴子石,表明部分變泥質巖發(fā)生過黑云母脫水部分熔融反應。在羊圈花崗閃長巖的邊部,早白堊世變泥質巖中變質分帶的樣式與伊薩貝拉湖北岸CyrusFlat侵入體邊部變泥質巖的變質分帶相似,是相應的花崗巖體侵位造成的熱效應的表現(xiàn)。隨著離羊圈侵入體距離的減小,早白堊世變泥質巖發(fā)生遞進部分熔融。依據(jù)隨羊圈侵入體的距離和混合巖中淺色體的比例、構造樣式,可分為:(1)無淺色體的紅柱石帶;(2)紅柱石+矽線石帶中含不協(xié)調、孤立的淺色體;(3)在矽線石帶中具有大小不一的淺色體,局部連接成較大的長英質脈;及(4)在混合巖帶中淺色體形成協(xié)調的、彌漫性的網(wǎng)絡。在混合巖帶中,毫米—厘米厚的淺色體形成相互連接的網(wǎng)絡,包圍著拉長或透鏡狀的暗色體+中成體(這兩者合稱為固態(tài)殘留體)(圖2)。固態(tài)殘留體的大小在幾厘米到幾十厘米之間,通常與混合巖的面理近平行或低角度(20~30°)相交。在紅柱石+矽線石帶中,孤立的淺色體不僅在手標本尺度而且在顯微尺度下都存在,以透鏡體的形式分布在固體基質中。2羊圈混合巖中石榴子石的殘留實驗研究表明:變泥質巖在較高溫度下,黑云母發(fā)生脫水部分熔融,不僅形成過鋁質淡色花崗質巖漿,同時形成石榴子石,通常的反應為:通過上述反應,黑云母脫水部分熔融所產生的熔體逃離后,暗色體中應殘留石榴子石和鉀長石。在羊圈混合巖中,雖然黑云母脫水部分熔融只起次要作用,但在個別地點,石榴子石的出現(xiàn)的確表明該地局部達到了黑云母脫水部分熔融的溫壓條件。對這類混合巖,從中分離出石榴子石,進行了全巖和石榴子石的Sm-Nd同位素測試,樣品化學處理流程和測試方法與Zeng等的一樣,測試結果見表1。石榴子石-全巖等時線給出99.0Ma±1.0Ma的部分熔融年齡(圖3),該年齡與Saleeby等報道的羊圈花崗閃長巖的鋯石U/Pb年齡相近,證明羊圈混合巖雜巖體的形成的確與約100Ma的花崗巖侵位相關。3拉伸線理方向及變形方式在羊圈混合巖雜巖體中,侏羅紀石英巖中含鵝卵石礫巖夾層。該地層的變形樣式與混合巖的類似(圖4),礫巖中的鵝卵石發(fā)生強烈的拉伸變形。礫巖中的變形鵝卵石是進行構造解析的良好的應變標志。可通過對比混合巖和層狀鵝卵石礫巖之間變形的異同,來標定部分熔融作用對混合巖的能干性的影響程度,確定遞進部分熔融作用的構造物理學效應。因此,筆者對層狀鵝卵石礫巖和混合巖中的固態(tài)殘留體進行了野外應變測量。在進一步討論之前,先對2類端元應變承載構造作簡要的定義。在巖石發(fā)生韌性變形或脆裂流變形中,參與變形的物質或礦物之間的流變學性質的不同導致應變發(fā)生分解。如果應變主要由強相承載,即弱相呈孤立狀態(tài)出現(xiàn),被動地適應強相的變形,則稱為強相承載構造(LBF);反之,如果弱相所占比例足夠高且形成互連網(wǎng)絡,應變主要由弱相來承擔,強相被動地適應弱相的變形,這種體系稱為弱相承載構造(IWL)。對于一給定的應變巖石,平行于最大拉伸應變的礦物或礦物結合體的方向為變形巖石的拉伸線理方向。在以下討論中,Z軸平行于拉伸線理,為有限拉伸應變最大的方向,Y軸為有限拉伸應變中間的方向,X軸為有限拉伸應變最小的方向。XZ面為包含拉伸線理(L)的平面,XY面為垂直拉伸線理(L)的平面。在恒定應力作用下,應變大小與變質物質的粘度成反比。由于熔體易遷移及固相—亞固相的塑性變形,很難在XZ或XY面上測定淺色體的有限應變。但通過測定包含暗色體和中色體的固態(tài)殘留體的形態(tài)比,可估計混合巖中最小的有限應變。因此,筆者只比較混合巖和鵝卵石礫巖中XY面的應變。在本研究區(qū),塊狀厚層石英巖包含不連續(xù)礫巖層,礫巖層主要由鵝卵石和環(huán)繞鵝卵石的細層泥質或粉砂質基質組成。鵝卵石主要由石英組成,鵝卵石的粘度通常比泥質或粉砂質基質大10倍。鵝卵石礫巖為一典型的弱相承載構造(IWL),即鵝卵石為強相,而富含泥質的基質為弱相,且相互連接而成網(wǎng)結狀構造。通過鵝卵石礫巖中有限應變的研究可以確定石英巖中的最小應變。在整個伊薩貝拉表殼巖構造剖面上,構造是連續(xù)的,從南往北表現(xiàn)出相似的特征,因此可以估計整個表殼巖的最小應變量。在鵝卵石礫巖中,XY和XZ面上都可以測定變形鵝卵石的形態(tài)、線理的方向和軸率。結果如圖5所示。變形鵝卵石礫巖中的應變記錄表明:(1)在與XZ平行的面上,鵝卵石的拉伸系數(shù)高達40000%,平均為800%~1000%;(2)在XY面上,鵝卵石的拉伸系數(shù)變化范圍是200%~500%,平均為300%(圖5-a)。巖石學觀察表明,由細粒石英、長石、斜長石和白云母組成的富泥質層的變形特征與堅硬的鵝卵石不一樣。富泥質層中礦物顆粒粒度大大減小,形成亞顆粒邊界,石英集合體具有優(yōu)選方向,具有典型的糜棱巖構造。相反,鵝卵石只發(fā)生了弱的顆粒內部變形,鵝卵石內部的石英顆粒比富泥質層的石英顆粒粗一個數(shù)量級。高度變形的泥質基質為一弱相,有利于應變的分解和變形的局域化。鵝卵石和富泥質基質之間能干性的差異不僅取決于組成礦物的強度,而且強烈依賴于顆粒的粒度。XZ面上鵝卵石礫巖中的拉伸系數(shù)為4.0~40.0,XY面上為1.0~7.0。這些變化表明,鵝卵石強化了礫巖的強度,導致富泥質層承載了主要應變。同時,在幾個點上對混合巖進行了應變測量。測量結果表明:在XY面上,混合巖中固態(tài)殘余體的形態(tài)比平均為300%(圖5-b),與XY面上的鵝卵石礫巖的變形程度一樣。這表明,以淺色體為代表的淺色花崗質熔體與鵝卵石礫巖中弱的富泥質基質在流變學性質上相似。熔體的出現(xiàn)改變了應變的分布,由于熔體比固相殘余體強度小,熔體使應變發(fā)生分解,強度小、易變形的物質成為應變的主要承載體。在相同的壓力條件下,熔體的出現(xiàn)還可以強烈降低物質的粘度。根據(jù)淺色體的主量元素地球化學組成,曾令森等估算了這些淺色體和固體殘留體在部分熔融時的粘度,分別為1011Pa·s和1015Pa·s,若混合巖中含有10%的熔體,則粘度就會從1015Pa·s減小到1011Pa·s。這與部分熔融的巖石的實驗結果和野外觀測所得出的推論一致。4流變流體中部分熔融體羊圈花崗閃長巖的侵位使得早白堊世變泥質巖發(fā)生部分熔融,產生過鋁質花崗質熔體,熔體的出現(xiàn)改變了原本為固相的變泥質巖的流變學性質,導致固體殘余相和熔體相之間強烈的差異變形。通過對比變泥質巖和不含熔體的變形巖石的應變差異,發(fā)現(xiàn)熔體的出現(xiàn)加強了巖石的變形。野外觀測和上述溫壓估算表明,紅柱石+矽線石帶含熔體程度少于4%,矽線石帶含5%~9%的熔體,混合巖帶含10%~15%的熔體。圖6顯示了一條構造剖面(a)、簡單的熱梯度(b)、部分熔融程度(c)和變泥質巖中的應變承載構造的轉變特征(d)。由于早白堊世變泥質巖含白云母很少,且變質溫度較低,部分熔融程度上限不超過15%。隨著距羊圈侵入體的距離增大,溫度快速下降,變泥質巖的部分熔融程度隨之快速減小(圖6-c)。所以,淺色體靠近變泥質巖和羊圈侵入體的接觸部位,相互連接,形成透入性網(wǎng)絡,固相殘余體成為透鏡體(圖4-a)。逐漸遠離接觸部位,淺色體逐漸變得孤立,最后在變泥質寄主巖中形成孤立體。羊圈混合巖雜巖體的構造變化表明,隨著部分熔融程度的減小,變泥質巖的應變承載構造從IWL變成LBF(圖6-d)。要深刻理解上述觀測結果,必須考慮變泥質巖部分熔融的物理和化學特征。由于硅酸鹽熔體的粘度較大,變泥質巖的部分熔融體的遷移機制和遷移的特征尺度強烈取決于部分熔融程度,即產生熔體的數(shù)量。在部分熔融過程中,溫度、壓力、全巖成分和含水量是決定巖石部分熔融程度及熔體成分的主要因素。在一定的溫壓條件下,源巖中水的成分和礦物質成分決定了熔體的產出量。由于地殼深熔作用沒有固定的模式,石英、斜長石、鉀長石、白云母、黑云母和鋁硅酸鹽的比例是控制熔融反應的主要參數(shù)。野外觀察和巖石地球化學研究表明,淺色體代表著變沉積巖部分熔融的產物。在羊圈侵入體侵位的過程中,起主控作用的部分熔融反應為:(1)石英+斜長石+水→熔體(ΔV<0);(2)白云母+斜長石+石英+水→熔體(ΔV<0);(3)白云母+鋁硅酸鹽+石英→熔體+矽線石+鉀長石±黑云母(ΔV>0)。前2個部分熔融反應的溫度較白云母脫水熔融反應溫度低。在這些反應中,黑云母不參與部分熔融反應,呈殘留體賦存于暗色體中。深熔反應的體積變化(ΔV)的方向是強烈影響熔體的分離和遷移行為的重要因素。在缺失流體的條件下,白云母脫水部分熔融的體積變化為正(ΔV>0),可導致部分熔融早期階段孔隙壓力快速升高,降低有效正應力,有利于熔體周圍發(fā)生脆性變形和裂紋的形成,促進熔體的擴展和遷移,有利于熔體分離和逃逸,在應力較低的區(qū)域聚積。這可以解釋混合巖帶和矽線石帶中的一些構造。如:在混合巖帶中,許多地方可見淺色體在固相殘余體“瓶頸”處聚集和增厚;在矽線石帶中,淺色體沿著張性裂隙發(fā)生分離和堆積。相反,流體存在的部分熔融反應(反應(1)和(2))的體積變化為負,在無應力的條件下,熔體傾向于原地分離并滯留在原地。在合適的溫壓條件下,變泥質巖可通過石英+斜長石組合持續(xù)熔融,隨著熔體數(shù)量的增加,部分熔融巖石的變形逐漸轉變?yōu)槿垠w控制的變形。因此,透入性的部分熔融可以產生足夠量的熔體,并相互連接,形成網(wǎng)結狀構造,如羊圈混合巖的混合巖帶。在這種構造帶中,巖石的流變學性質主要由熔體控制,熔體為強變形區(qū)域,承載了主要應變;固相殘余體為弱變形區(qū)域,只被動地發(fā)生微弱的變形。上面的討論已表明變泥質巖的變形方式與鵝卵石礫巖的變形方式相似。在較低溫度的條件下,不管是石英+斜長石組合的水致部分熔融,還是白云母脫水熔融,都不可能產生大量熔體,僅產生少量熔體,這些熔體滯留在原巖中,形成孤立的淺色體,如矽線石帶和紅柱石+矽線石帶,表現(xiàn)為強相應變承載構造。5構造巖石學和深熔作用的差異對內華達巖基南部保存最好的中地殼層次的同巖漿混合巖雜巖體的韌性變形特征的觀測