超高溫變質作用

relation craton craton

前言:

超高溫變質作用的發展歷史及特徵的變質溫壓條件、礦物共生組合是近年來地學中的一個熱點問題。本文論述了目前超高溫變質作用的研究現狀,特別是國內的研究現狀,並結合近幾年來的研究進展,對超高溫變質作用領域取得的新認識做了簡要的介紹。“2010年早前寒武紀地殼演化討論會暨超高溫變質作用野外現場交流會”的召開表明學術界對超高溫變質作用的研究興趣正在加大。隨著研究工作的不斷深入,尤其是在超高溫變質作用的大地構造背景研究、異常高地熱梯度的成因研究和超高溫變質帶與相關變質岩帶的對比研究等方面的進一步探討,必將為認識早期構造背景、地殼熱演化,特別是板塊構造、不同地殼層次的構造作用等提供難得的科學機遇

發展歷史:

19世紀30年代,C.Lyell首次在其著名的《地質學原理》中提出了變質作用的定義。經過近180多年的發展和完善,變質地質學的研究主要經歷了變質相、變質相系、變質作用P-T-t軌跡理論等三個階段的曲折歷程(張立飛等,2007)。上個世紀80年代以來,變質地質學的研究取得了一系列新的成果和發展創新,包括超高溫變質作用、超高壓變質作用及很低溫變質作用等理論框架得以建立。由於這些變質作用的發生已經超出一般的變質溫壓條件,因此可以籠統地稱為極端條件下的變質作用(metamorphism under extreme conditions)(張立飛等,2007)。
極端變質作用中的超高溫變質作用研究歷史並不長。1980年,Ellis報導在東南極泥質變質岩中發現了溫度高於1000℃的變質礦物組合,這一溫度衝破了變質作用的溫度上限,引起了許多學者的關注。Hensen和Harley(1990)在系統研究了麻粒岩相變質泥質岩的P-T-t相平衡關係後,首次提出超高溫變質作用這一概念。據Harley(1998)的研究,超高溫變質作用一般發生指在中壓7-13kbar,變質溫度為900-1000℃的深度的深部地殼發生的變質作用,主要標誌是一些指示性礦物組合如假藍寶石 + 石英、尖晶石+石英、紫蘇輝石 + 矽線石 ± 石英等,以及含大隅石的組合出露於富鎂鋁的變泥質岩中。從理論上講,超高溫變質作用可以發生在任何岩石單元中,但實際的工作發現,只有在富Mg-Al的變質泥質岩中才能找到具有直接診斷意義的上述特徵礦物組合(劉守等,2008)。Brown(2007)認為,活動性板塊邊緣的島弧岩漿作用可能與超高溫變質作用有關,地幔岩漿的貢獻可能是導致其高地溫梯度的重要原因。

研究現狀:

據不完全統計,世界上已經發現的超高溫變質岩區已經超過46個,按時代和地區區分,主要有以下幾個集中帶:中太古代:南非的林波波帶(Toshiaki and Dirk,2006);新太古代:東南極的恩德比地(Sandiford,1985),南非的Namaqualand(Waters,1989);古元古代晚期:阿爾及利亞Hoggar,Ouzzal(Bertrand et al1992)古元古代-中元古代早期:華北克拉通北部孔茲岩區(Santosh et al,2006;劉守偈,2008),加拿大拉布拉多( Labrador ) WilsonLake地區( Cueand Gittins , 1988) ; 中元古代晚期一新元古代早期:印度東高止( Eastern Ghats) 帶(Boseetal.,200) ;新元古代晚期: 南印度Madurai 麻粒岩塊( Toshiakiand Santosh , 2 (X) 6 ) , 巴西巴魯埃里( baro Alt) 雜岩(Moraes and Fuek,2000) ,東南極Lutzow-HolIn海灣( Kawaka and Motyoshi ,2004) ,南馬達加斯加, 澳大利亞Arunta麻粒岩帶,等等(上述參考文獻詳見劉守偈等,2008)。我國的超高溫變質作用的研究剛剛起步,發現的超高溫變質露頭也很有限(郭敬輝等,2006),亟待開展更多深入的的科學研究。自內蒙古大青山一帶發現假藍寶石的報導以來,國內學者陸續在南阿爾金超高壓變質帶周圍的岩石中發現含假藍寶石的高壓麻粒岩(張建新等,2005),在廣西大容山的十萬大山花崗岩中也發現了超高溫麻粒岩包體(彭松柏,2006)。其中,華北克拉通北部孔茲岩帶中的兩處超高溫變質作用露頭分別為內蒙古武川縣東坡村和察右前旗土貴山。

相關進展:

近兩年來,國內的學者在研究內蒙古超高溫變質岩帶的工作中取得了許多進展。劉守偈等(2009)通過內蒙古土貴烏拉地區暗色含尖晶石堇青石夕線石榴黑雲母超高溫片麻岩的KFMASH系統岩石成岩格子、石榴石包裹體和礦物組合成分的分析,揭示出其經歷了三個階段的變質作用:早期變質作用階段, 以同一石榴石顆粒中含有夕線石、尖晶石、石英等單相礦物包體為特徵; 峰期變質作用階段, 以尖晶石+ 石英、假藍寶石+ 石英、抖方輝石+ 夕線石+ 石英三種超高溫礦物組合為特徵; 退變質階段過程, 粗顆粒斜方輝石邊部和核部Al 含量的重新平衡為特徵。認為內蒙古土貴烏拉地區超高溫變質岩經歷了逆時針的P-T演化特點。Shujuan Jiao et al.(2010)利用二長石溫度計對采自華北克拉通北部塊體孔茲岩帶中東部,即大青山的東坡地區,集寧的土貴山,土貴烏拉以及徐武家地區的超高溫變質岩石進行了最小變質峰期溫度的模擬計算,在四個採樣點均得到800-1050℃的溫度範圍,進一步證實了土貴烏拉和東坡地區發生的UHT變質作用,同時認為UTH變質作用不止局限在東坡和土貴烏拉兩點,至少還包括集寧地區土貴山和徐武家地區,拓展了UTH變質作用的範圍。Peng Peng et al.(2010)則認為在華北克拉通北部、形成於1.96-1.92Ga的徐武家輝長蘇長岩的侵位作用導致地殼的深熔作用,並且這一輝長蘇長岩來源於地幔,具有較高的侵入溫度(約1400℃),為該區域局部發生的超高溫變質作用提供了熱力來源。

結論:

2010年5月上旬,中科院地質與地球物理研究所及岩石圈演化國家重點實驗室組織了“2010年早前寒武紀地殼演化討論會暨超高溫變質作用野外現場交流會”,並在會後赴內蒙古武川縣東坡村和察右前旗土貴山兩處典型超高壓高溫麻粒岩出露點進行了野外考察,會議對超高溫麻粒岩的地質產狀特徵形成了共識,對超高溫變質作用條件和形成機理進行了廣泛的交流。顯然,超高溫變質作用作為新世紀變質地質學的重要前沿領域之一,對認識地殼構造-熱演化具有非常重要的意義,已經引起了越來越多學者的興趣和關注。隨著研究工作的不斷深入,尤其是在超高溫變質作用的大地構造背景研究、異常高地熱梯度的成因研究和超高溫變質帶與相關變質岩帶的對比研究等方面的進一步探討,必將為認識早期構造背景、地殼熱演化,特別是板塊構造、不同地殼層次的構造作用等提供難得的科學機遇(劉守偈等,2009;Brown,2007)。

參考文獻:

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