超高压变质作用研究进展

刘建宏，高路恒，张 鹏，马庆阳

(1.陕西延长石油国际勘探开发工程有限公司，陕西 西安 710000;2.西北大学地质学系，陕西 西安 710069;3陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安 710075)

20世纪90年代后，相继在某些长英质岩石中发现了柯石英、金刚石微粒等超高压矿物，说明陆壳岩石曾经经历了2.6GPa 以上的压力(如 Chopin，1984［1］;Sobolev and Shatsky，1990［2］;Xu Shutong et，1992［3］等)。然而在正常的地壳厚度范围内是难以有如此高的压力(以平均地壳为33 km，莫霍面处压力约1.0 GPa;以青藏高原地壳厚度70 km计，地壳底部压力约为2.1 GPa)，不难想象地壳范围静岩压力是不足以产生如此高的压力。这些发现使地学界逐渐认识到低密度的陆壳物质在碰撞造山过程中可以俯冲到地幔深度、经历变质作用并快速折返回近地表，改变了陆壳不可俯冲和变质作用仅限于地壳深度的传统观念，提出了超高压变质和大陆深俯冲的概念。超高压变质作用产生，促使了地球科学的飞速发展，也形成了新的内容。集中表现为大陆地壳深俯冲的深度及动力，俯冲板片的命运如何，超高压岩石如何折返，板片俯冲对地球的运作的影响。本文在超高压岩石研究的基础上对上述的前沿问题进行探讨。

1 超高压变质岩石的识别标志

现今出露的超高压变质记录主要保存在榴辉岩和石榴石橄榄岩中，多以透镜状产于片麻岩中。超高压变质岩石以出现柯石英、金刚石和某些出溶结构为识别标志。

柯石英包裹体主要出现在锆石、石榴石及绿辉石中，少见的微粒金刚石包裹体发现于石榴石和锆石中，且超高压变质带往往以断层和两边地体隔开。柯石英是SiO2的高压稳定相，表征压力大于2.6 GPa，大约相当于地球深处80 km处的压力。在超高压变质岩石中柯石英多被包裹于锆石、石榴石及绿辉石中。当岩石折返时，由于减压退变质，原生的柯石英渐渐消失，被多晶石英的假相所替代;由于这些多晶石英具有较高的表面能，所以往往进一步重结晶为单颗粒低压石英晶体。在上述的退变质过程中，体积增大，在柯石英晶粒周围的寄主矿物中形成放射状裂纹，成为柯石英的重要显微标志之一［4］。少数情况下，比如寄主矿物为绿辉石时，在包裹物的周围除放射状裂隙之外，还常见一组同心状的裂隙。

Sobolev和Shatsky(1990)首次在前苏联Kokchetan的黑云母片麻岩、石榴辉石岩中的石榴石和锆石包体中发现了金刚石;徐树桐(1992，2003)在含柯石英榴辉岩中发现了微粒金刚石作为包体出现在石榴石晶体中，粒度较大(150～700 μm)［5］;Massonne(1999)在德国 Saxonian Erzgebirge的长英片麻岩中发现金刚石，这些金刚石在石墨化过程中体积膨胀在其寄主矿物中出现放射状裂隙，在反射光下十分清晰。在Kokchetav的金刚石具有立方体至八面体晶面，有些颗粒已经石墨化了。这些金刚石的发现，使人们意识到超高压变质和陆壳俯冲的深度可达150 km。而且，有越来越多的证据说明俯冲的深度超过金刚石的稳定的深度达200 km以上［6］。

超高压变质的矿物学识别标志还包括某些出溶结构，即高压情况下呈均一相的某些相容元素，当压力减小时，由于晶体内某些元素出溶，形成特征的出溶结构，如些矿物的特殊的出溶结构，如单斜辉石出溶钾长石，石榴子石出溶单斜辉石或单斜辉石+金红石+磷灰石以及榍石出溶柯石英等。

2 超高压变质岩石时空分布

目前在世界范围内已识别出的超高压变质体有20余处，主要位于大陆板块之间的碰撞造山带内，主要集中在阿尔卑斯造山带西段、欧洲加里东造山带、中亚造山带、中国秦岭－大别－苏鲁造山带及西部阿尔金－柴北缘和喜马拉雅造山带中。超高压变质岩石出露面积从数百平方公里至数万平方公里不等，具不明显的面状分布特征。其中比较典型的有中国中东部大别－苏鲁地区(印支期)、德国东部Erzgebirge杂岩和Munch berg地块(海西期)、奥地利Bohemain地块(海西期)、意大利西阿尔卑斯 Dora Maria地块和 Zermatt—Seas带(早阿尔卑斯期)、哈萨克斯坦北部Kokchetav地块(加里东期)、吉尔吉斯北天山Marble杂岩及其西北部的俄罗斯南乌拉尔地区(加里东期)、挪威西部Selje地区(加里东期)［7］。

超高压变质岩在形成时代上以显生宇为主，目前具有确凿超高压变质证据的前寒武纪超高压变质地体仅有位于非洲西部泛非(Pan—African)造山带中的Mall地体，其超高压变质的时代为1 034～820 Ma［8，9］。早古生代形成的超高压变质地体的数量最多，包括哈萨克斯坦(530 Ma)和Makbal地块(482 Ma)、挪威 West Gneiss(408～425 Ma)、Boheimia(423～460 Ma).以及中国中西部的秦岭、柴北缘和阿尔金超高压地体(420 ～500 Ma)［10－14］，海西期的超高压变质岩有西欧的Erzgebrige地体(350～360 Ma)和南乌拉尔的Malsyutov地体(375 Ma)，印支期超高压变质带只限于中国的大别一苏鲁地体(220～240 Ma)和西南天山超高压变质地体(225～233 Ma)，而中生代超高压变质岩石沿特提斯带分布，包括西欧的 Dora Maira(35 Ma)Zermatt－Saas(52 Ma)、喜马拉雅(55 Ma)和 Indonesia(115～120 Ma)。

3 俯冲板片的命运

地球浅部物质通过俯冲带循环进入地球内部，使得地球表面积近于恒定。大陆地壳成分的研究表明俯冲带岛弧岩浆作用可能是显生宙以来地壳生长的重要方式。地球化学家认为俯冲板片俯冲到达上下地幔交界处670 km处，认为地幔是双层对流模式;即下地幔的对流和上地幔的对流，二者之间存在机械层。地球物理的研究表明俯冲板片可能达到地幔与地核交界处，并在核幔边界熔融，形成富集的地幔柱，开始底辟上涌。而目前研究发现的陆壳俯冲最大深度可能为350 km，然后折返。

对大洋板片深俯冲的研究表明，洋壳玄武质岩石俯冲至深部时，开始发生相变，形成榴辉岩，其密度大于橄榄岩密度，因此形成一种负浮力，拖拽板片继续俯冲。当榴辉岩板片弯曲折断(break－off)时，俯冲板片形成两部分:榴辉岩物质可能继续俯冲，或者停留在某一地幔深处，与围岩发生发应;密度轻的板片可能会因这种拖曳力释放，迅速折返。现今观察到的洋壳折返记录仅是在西Apls的Zermatt－Saas带和横贯于中亚的南天山造山带(吉尔吉斯斯坦境内的Atbashy、Makbal榴辉岩一蓝片岩带和中国境内的西天山榴辉岩一蓝片岩带［15］。而陆壳深俯冲的例子很多，诸如在超高压变质地体的花岗质片麻岩(正片麻岩)的锆石中发现了柯石英和金刚石等超高压变质的标型矿物，暗示超高压变质地体中的正片麻岩和副片麻岩都经历了超高压变质作用。

4 俯冲板片折返的机制

俯冲板片岩石的P－T－t轨迹的研究表明板片折返的机制是非常复杂的，可能是阶段，多路径的差异折返。宋述光对柴北缘都兰地区榴辉岩折返历史的研究，表明北带榴辉岩经历了两个阶段的折返:早期从地幔深度快速折返到中部地壳层次，伴随岩石的等温降压，并发生角闪岩相退化变质;晚期抬升到地壳浅部。都兰南带榴辉岩折返过程中经历了高压麻粒岩相变质的改造，高压麻粒岩阶段的p–T条件为p=1.9～2.0 GPa，T=873℃ ～948℃，并进一步经历了角闪岩相退化变质，说明都兰南带榴辉岩折返速率较慢，发生了壳幔过渡带(或加厚的深部地壳)层次的强烈热松弛。而这种热松弛发生在许多大陆俯冲带的超高压岩石的折返过程中，并且是榴辉岩发生深熔作用的主要机制。都兰两个变质带不同的变质演化轨迹反映了俯冲的大陆地壳具有差异折返的特征。

目前对俯冲板片折返的机制并不明确，仍然有较多的动力模型不断提出和修正。但这种动力模型必须建立在野外地质、岩石学研究的基础上，同时辅助算机数值模拟进行重现演绎，来综合探讨深俯冲板片折返的机制。

5 超高压变质作用研究展望

超高压变质作用的研究突破了以往的固有模型，使得地球科学重新焕发了新的生机，也带来了挑战。从超高压岩石的识别到高温高压实验岩石学，从超高压变质到陆壳深俯冲，人们对地球动力学的探索一如既往，但也带来了不少的疑问。诸如，早期前寒武纪未见超高压变质岩石的原因是什么深俯冲板片的动力学机制是什么，大陆地壳为什么又能折返呢?板片俯冲对地幔活动有什么影响?俯冲过程中流体的行为如何?

尽管对超高压变质作用存在着众多的不解，但正是这些疑惑促使学者们不断地孜孜进取，综合多学科、多方位知识，结合岩石学、地球化学、地球物理学及计算机数值模拟方法，努力探索超高压变质作用的奥秘。

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［3］Xu Shutong，Okey A.I，Jis，et a1.Diamond from the Dabie Shan metamorphic rocks and its implication for tectonic setting［J］.Science.1992，256:80 －82.

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