超高压变质带中的变质不均一性
姜为佳+刘贻灿
摘要：不同造山带的榴辉岩和有关变质表壳岩石中柯石英及金刚石等标志性超高压变质矿物的发现，已证明陆壳岩石能俯冲到大于120 km的地幔深度并折返至地表。超高压变质带中榴辉岩和相关的榴辉岩相岩石常常与具有低级变质矿物组合的岩石（如变质花岗岩、花岗片麻岩、变玄武岩或斜长角闪岩等）密切伴生，然而它们之间的相互关系和成因联系却一直是地质学家长期争议的焦点。查明这两类岩石的变质演化历史以及相互联系，对理解大陆的深俯冲及折返过程具有重要意义。在总结、分析若干陆陆碰撞造山带中变质不均一性的研究成果及成因解释的基础上，讨论了影响岩石保存超高压变质记录的若干关键因素，包括原岩性质、变质流体、构造变形、退变质作用等。
关键词：超高压变质带；变质不均一性；大陆深俯冲；折返；碰撞造山带；榴辉岩；退变质作用
中图分类号：P588.3文献标志码：A
Metamorphic Heterogeneity Within a Single Ultrahighpressure Belt
JIANG Weijia1，2， LIU Yican1，2
（1. Key Laboratory of Crustmantle Materials and Environments， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230026，
Anhui， China； 2. School of Earth and Space Sciences， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， Anhui， China）
Abstract： Ultrahighpressure （UHP） index minerals， such as coesite and diamond in eclogites and related metamorphosed supracrustal rocks from various orogenic belts， suggest that continental crustal rocks can be subducted to mantle depths of more than 120 km and subsequently return to the surface. Furthermore， eclogites and related eclogitefacies rocks， and lowgrade mineral assemblagebearing rocks （i.e. metagranite， granitic gneiss， metabasalt and amphibolite） commonly coexist in UHP metamorphic belts. However， their relationship and petrogenetic links between highgrade and lower grade assemblagebearing rocks are often matter of debate. Hence， to clarify the metamorphic evolutionary histories and the correlation of the two groups of rocks plays a significant role in understanding the continental deep subduciton and exhumation processes. Some investigations on the metamorphic heterogeneity within a single UHP metamorphic belt were summarized. On this basis， several key factors such as protolith nature， metamorphic fluids， structural deformation and retrogression， which affect the preservation of UHP metamorphic records， were discussed.
Key words： UHP metamorphic belt； metamorphic heterogeneity； continental deep subduction； exhumation； collisional orogenic belt； eclogite； retrogression
0引言
板块构造理论自20世纪60年代以来已被地球科学研究领域所熟识，并成为认识岩石圈结构、组成及演化的基本理论。传统板块构造理论对大陆岩石圈的认识有所缺乏，认为大洋岩石圈密度大，可以俯冲进入地幔，而密度低的大陆地壳则不能进入地幔。然而，表壳岩石中柯石英[13]和金刚石[45]等超高压变质矿物的发现证明了陆壳物质可以俯冲到超过120 km地幔深度，然后折返至地表。
目前已发现的含柯石英和金刚石超高压变质带主要由片麻岩、榴辉岩、石榴橄榄岩、大理岩和片岩等组成。高压—超高压岩石是汇聚型板块边缘，特别是大陆碰撞造山带中最常见的典型岩石，其中榴辉岩及榴辉岩相岩石代表着地壳俯冲物质经过高压—超高压变质作用的产物，众多学者已对其进行了详细的岩石学、构造地质学、地球化学、同位素年代学以及地球物理学等方面的研究。然而，除高压—超高压榴辉岩之外，花岗片麻岩等一些缺乏超高压指示性矿物并具有低级变质矿物组合的岩石，并未引起足够重视，它们之间的关系更是地质学家长期争议的焦点。同时，同一造山带内高压—超高压岩石与变质程度较低的岩石之间的关系与成因联系对理解和重建陆壳物质俯冲和折返过程及变质演化历史具有重要意义。
高压—超高压榴辉岩与片麻岩、变质泥岩等低变质程度围岩密切伴生的现象[67]（图1、2）已在众多典型的陆陆碰撞带中被发现，如挪威西部片麻岩地区（Western Gneiss Region）、西阿尔卑斯的DoraMaira 地块、哈萨克斯坦的Kokchetav地块及中国中东部的大别—苏鲁造山带。在世界各地很多造山带中均可见高压—超高压岩石（如榴辉岩等）呈豆荚状、布丁状、透镜体状或夹层状生长在变泥质岩、变质花岗岩等围岩中。高压榴辉岩与具有低压矿物组合的围岩是经历了相同的变质过程，还是两者各自具有不同的变质历史，已成为超高压变质带中变质不均一性研究的核心争议问题。到目前为止，很多地质学家认为与榴辉岩伴生的花岗片麻岩同样经历过超高压变质作用，两者之间相邻的空间位置及相似的压力（P）温度（T）轨迹和年龄记录都为该观点提供了证据[813]，但由于反应动力学因素或后期流体和变形作用及退变质作用的影响，导致超高压记录被抹去。然而，Cong等在进行深入的岩石学及野外工作后对此观点持否定态度，认为花岗片麻岩是后期与超高压岩石构造并置在一起的低级变质岩[1416]。早在几十年前，Bryhni等通过同位素与岩石学分析，认为Norwegian低压片麻岩与其包裹的榴辉岩具有相同的PT轨迹[17]，据此推断两者作为一个整体同时经历俯冲与折返过程；而Lappin等在对该地区的榴辉岩和片麻岩围岩做了充分的岩石学工作之后，认为榴辉岩和片麻岩形成的温压条件不一致[18]，并建立了高压榴辉岩在固态下侵位于低压片麻岩中的模型。本文总结了不同超高压变质带中变质不均一性的表现，同时根据前人有关超高压变质带中变质不均一性的研究成果，分别对上述两大类成因解释进行了分析和讨论，并在此基础上试图阐述影响超高压变质矿物形成及保存的主要因素。
图件引自文献[7]，有所修改；图件反映了榴辉岩相与角闪岩相、绿片岩相岩石的相互关系
1构造并置及折返过程
众多学者认为，大陆碰撞带中榴辉岩与片麻岩围岩作为一个整体共同经历了深俯冲作用[1920]。然而围岩中高压—超高压矿物组合的缺失使得部分学者对该观点持怀疑态度，他们认为榴辉岩为片麻岩的外来岩体，它们具有不同的变质历史，后因构造变形等作用使榴辉岩卷入低压片麻岩中，形成构造混杂带。强烈的构造运动能够使处于不同板片位置（不同地壳层次或深度）甚至不同区域的岩石混杂在一起并最终抬升出露于地表[16]，作为整体俯冲到地幔深度并经历超高压变质作用的各岩石应具有一致的PT轨迹，而后期通过构造运动并置在一起的不同变质级岩石的峰期条件则截然不同。
波西米亚地块东北部Velke Vrbno地区发育的以变泥质岩为主的火山沉积层序中穿插有正片麻岩岩席，并且片麻岩中包裹有布丁状榴辉岩。为了查明密切伴生的榴辉岩与变泥质岩之间的关系，Stipska等利用Thermocalc软件对榴辉岩与变泥质岩的温压条件进行估算[21]，得出两种不同的PT轨迹（图3）。变泥质岩峰期温压条件为P=11×105 Pa，T=640 ℃，地温梯度约为17 ℃·km-1，随后经历了近等温降压而后冷却的过程；榴辉岩峰期温压条件为P=18×105 Pa，T=700 ℃，地温梯度约为11 ℃·km-1，石榴石分解成斜长石代表榴辉岩经历了减压而后冷却的过程，两类岩石在P=11×105 Pa的深度至地表的折返过程中所经历的PT轨迹一致。
单位为℃·km-1的值为地温梯度；图件引自文献[21]
同时，榴辉岩与变泥质岩中的矿物包裹体证明其进变质过程中的矿物组合均在含水条件下生成，故排除了变泥质岩经历高压变质作用但其矿物相由于动力学方面因素而未发生转变的可能性。因此，上述两类岩石各自俯冲到不同深度，而后在中上地壳发生构造并置，并一起折返到地表。
西阿尔卑斯的Entrelor地区出露有大面积蓝片岩相变泥质岩，其中包裹大量榴辉岩与绿片岩相岩石。Bousquet对这些不同变质程度岩石的PT轨迹分别进行重建，发现两类岩石具有截然不同的峰期温压条件（两类岩石峰期变质温压条件分别为P=12 GPa，T=450 ℃和P=2.3 GPa，T=550 ℃），但同时发生折返，据此提出了4种可能的成因解释：①热力学数据误差；②折返过程中高压矿物组合的改变；③原岩性质不同；④构造混杂[16]。将基于局部平衡和全岩平衡两种不同的方法同时运用于变泥质岩与高压榴辉岩的PT估算，得到相似的结果，因此，不可能存在如此大的数据误差导致高达1 GPa的差异。另外，不同类型原岩对变质过程的影响将在后文叙述，然而将该区榴辉岩与变泥质岩变质程度的不同归因于不同的原岩性质并不合理，因为原岩均为基性岩的榴辉岩与绿片岩相岩石PT轨迹仍不一致。同时，并未在绿片岩相岩石和变泥质岩中发现任何超高压矿物或其残留假象，故无法证明变质程度低的岩石为高压榴辉岩的退变产物。因此，上述绿片岩相岩石及变泥质围岩并未随榴辉岩一同俯冲到地幔深度，这些具有低级变质矿物组合的岩石是后期在地壳深度与高压榴辉岩构造并置在一起，随后被抬升到地表。
Alm为铁铝榴石，Sps为锰铝榴石，Grs为钙铝榴石，And为钙铁榴石，Prp为镁铝榴石；A区为镁铝榴石端元组分大于55%的榴辉岩；B区为镁铝榴石端元组分在30%～55%之间的榴辉岩；C区为镁铝榴石端元组分小于30%的榴辉岩；图件引自文献[14]
图4双河地区榴辉岩和片麻岩中多硅白云母SiAl图解和石榴石端元组分图解
Fig.4SiAl Diagrams of Phengites and （Alm+Sps）（Grs+And）Prp for Garnets from Eclogites and Gneisses in Shuanghe Area
大别超高压造山带的双河地区同样具有相似的变质不均一现象，含柯石英榴辉岩、硬玉石英岩、石榴黑云片麻岩及大理岩被花岗片麻岩包围。超高压岩石整个俯冲折返过程分为4个阶段：前榴辉岩阶段、峰期超高压含柯石英榴辉岩阶段（P≥（27～28）×105 Pa，T=（700±50）℃）、石英榴辉岩阶段和后成合晶阶段（角闪岩相）。超高压岩石中除含有柯石英之外，还发现多晶石英集合体及石榴石中的多硅白云母包裹体等证据[14]， 而其围岩中未发现任何高压—超高压证据，峰期温压条件估算也落在角闪岩相（P=4×105 Pa，T=（400±50）℃）范围内。同时，在矿物成分上（如石榴石和多硅白云母），花岗片麻岩围岩与超高压岩石也有明显差别（图4）。
摘要：不同造山带的榴辉岩和有关变质表壳岩石中柯石英及金刚石等标志性超高压变质矿物的发现，已证明陆壳岩石能俯冲到大于120 km的地幔深度并折返至地表。超高压变质带中榴辉岩和相关的榴辉岩相岩石常常与具有低级变质矿物组合的岩石（如变质花岗岩、花岗片麻岩、变玄武岩或斜长角闪岩等）密切伴生，然而它们之间的相互关系和成因联系却一直是地质学家长期争议的焦点。查明这两类岩石的变质演化历史以及相互联系，对理解大陆的深俯冲及折返过程具有重要意义。在总结、分析若干陆陆碰撞造山带中变质不均一性的研究成果及成因解释的基础上，讨论了影响岩石保存超高压变质记录的若干关键因素，包括原岩性质、变质流体、构造变形、退变质作用等。
关键词：超高压变质带；变质不均一性；大陆深俯冲；折返；碰撞造山带；榴辉岩；退变质作用
中图分类号：P588.3文献标志码：A
Metamorphic Heterogeneity Within a Single Ultrahighpressure Belt
JIANG Weijia1，2， LIU Yican1，2
（1. Key Laboratory of Crustmantle Materials and Environments， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230026，
Anhui， China； 2. School of Earth and Space Sciences， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， Anhui， China）
Abstract： Ultrahighpressure （UHP） index minerals， such as coesite and diamond in eclogites and related metamorphosed supracrustal rocks from various orogenic belts， suggest that continental crustal rocks can be subducted to mantle depths of more than 120 km and subsequently return to the surface. Furthermore， eclogites and related eclogitefacies rocks， and lowgrade mineral assemblagebearing rocks （i.e. metagranite， granitic gneiss， metabasalt and amphibolite） commonly coexist in UHP metamorphic belts. However， their relationship and petrogenetic links between highgrade and lower grade assemblagebearing rocks are often matter of debate. Hence， to clarify the metamorphic evolutionary histories and the correlation of the two groups of rocks plays a significant role in understanding the continental deep subduciton and exhumation processes. Some investigations on the metamorphic heterogeneity within a single UHP metamorphic belt were summarized. On this basis， several key factors such as protolith nature， metamorphic fluids， structural deformation and retrogression， which affect the preservation of UHP metamorphic records， were discussed.
Key words： UHP metamorphic belt； metamorphic heterogeneity； continental deep subduction； exhumation； collisional orogenic belt； eclogite； retrogression
0引言
板块构造理论自20世纪60年代以来已被地球科学研究领域所熟识，并成为认识岩石圈结构、组成及演化的基本理论。传统板块构造理论对大陆岩石圈的认识有所缺乏，认为大洋岩石圈密度大，可以俯冲进入地幔，而密度低的大陆地壳则不能进入地幔。然而，表壳岩石中柯石英[13]和金刚石[45]等超高压变质矿物的发现证明了陆壳物质可以俯冲到超过120 km地幔深度，然后折返至地表。
目前已发现的含柯石英和金刚石超高压变质带主要由片麻岩、榴辉岩、石榴橄榄岩、大理岩和片岩等组成。高压—超高压岩石是汇聚型板块边缘，特别是大陆碰撞造山带中最常见的典型岩石，其中榴辉岩及榴辉岩相岩石代表着地壳俯冲物质经过高压—超高压变质作用的产物，众多学者已对其进行了详细的岩石学、构造地质学、地球化学、同位素年代学以及地球物理学等方面的研究。然而，除高压—超高压榴辉岩之外，花岗片麻岩等一些缺乏超高压指示性矿物并具有低级变质矿物组合的岩石，并未引起足够重视，它们之间的关系更是地质学家长期争议的焦点。同时，同一造山带内高压—超高压岩石与变质程度较低的岩石之间的关系与成因联系对理解和重建陆壳物质俯冲和折返过程及变质演化历史具有重要意义。
高压—超高压榴辉岩与片麻岩、变质泥岩等低变质程度围岩密切伴生的现象[67]（图1、2）已在众多典型的陆陆碰撞带中被发现，如挪威西部片麻岩地区（Western Gneiss Region）、西阿尔卑斯的DoraMaira 地块、哈萨克斯坦的Kokchetav地块及中国中东部的大别—苏鲁造山带。在世界各地很多造山带中均可见高压—超高压岩石（如榴辉岩等）呈豆荚状、布丁状、透镜体状或夹层状生长在变泥质岩、变质花岗岩等围岩中。高压榴辉岩与具有低压矿物组合的围岩是经历了相同的变质过程，还是两者各自具有不同的变质历史，已成为超高压变质带中变质不均一性研究的核心争议问题。到目前为止，很多地质学家认为与榴辉岩伴生的花岗片麻岩同样经历过超高压变质作用，两者之间相邻的空间位置及相似的压力（P）温度（T）轨迹和年龄记录都为该观点提供了证据[813]，但由于反应动力学因素或后期流体和变形作用及退变质作用的影响，导致超高压记录被抹去。然而，Cong等在进行深入的岩石学及野外工作后对此观点持否定态度，认为花岗片麻岩是后期与超高压岩石构造并置在一起的低级变质岩[1416]。早在几十年前，Bryhni等通过同位素与岩石学分析，认为Norwegian低压片麻岩与其包裹的榴辉岩具有相同的PT轨迹[17]，据此推断两者作为一个整体同时经历俯冲与折返过程；而Lappin等在对该地区的榴辉岩和片麻岩围岩做了充分的岩石学工作之后，认为榴辉岩和片麻岩形成的温压条件不一致[18]，并建立了高压榴辉岩在固态下侵位于低压片麻岩中的模型。本文总结了不同超高压变质带中变质不均一性的表现，同时根据前人有关超高压变质带中变质不均一性的研究成果，分别对上述两大类成因解释进行了分析和讨论，并在此基础上试图阐述影响超高压变质矿物形成及保存的主要因素。
图件引自文献[7]，有所修改；图件反映了榴辉岩相与角闪岩相、绿片岩相岩石的相互关系
1构造并置及折返过程
众多学者认为，大陆碰撞带中榴辉岩与片麻岩围岩作为一个整体共同经历了深俯冲作用[1920]。然而围岩中高压—超高压矿物组合的缺失使得部分学者对该观点持怀疑态度，他们认为榴辉岩为片麻岩的外来岩体，它们具有不同的变质历史，后因构造变形等作用使榴辉岩卷入低压片麻岩中，形成构造混杂带。强烈的构造运动能够使处于不同板片位置（不同地壳层次或深度）甚至不同区域的岩石混杂在一起并最终抬升出露于地表[16]，作为整体俯冲到地幔深度并经历超高压变质作用的各岩石应具有一致的PT轨迹，而后期通过构造运动并置在一起的不同变质级岩石的峰期条件则截然不同。
波西米亚地块东北部Velke Vrbno地区发育的以变泥质岩为主的火山沉积层序中穿插有正片麻岩岩席，并且片麻岩中包裹有布丁状榴辉岩。为了查明密切伴生的榴辉岩与变泥质岩之间的关系，Stipska等利用Thermocalc软件对榴辉岩与变泥质岩的温压条件进行估算[21]，得出两种不同的PT轨迹（图3）。变泥质岩峰期温压条件为P=11×105 Pa，T=640 ℃，地温梯度约为17 ℃·km-1，随后经历了近等温降压而后冷却的过程；榴辉岩峰期温压条件为P=18×105 Pa，T=700 ℃，地温梯度约为11 ℃·km-1，石榴石分解成斜长石代表榴辉岩经历了减压而后冷却的过程，两类岩石在P=11×105 Pa的深度至地表的折返过程中所经历的PT轨迹一致。
单位为℃·km-1的值为地温梯度；图件引自文献[21]
同时，榴辉岩与变泥质岩中的矿物包裹体证明其进变质过程中的矿物组合均在含水条件下生成，故排除了变泥质岩经历高压变质作用但其矿物相由于动力学方面因素而未发生转变的可能性。因此，上述两类岩石各自俯冲到不同深度，而后在中上地壳发生构造并置，并一起折返到地表。
西阿尔卑斯的Entrelor地区出露有大面积蓝片岩相变泥质岩，其中包裹大量榴辉岩与绿片岩相岩石。Bousquet对这些不同变质程度岩石的PT轨迹分别进行重建，发现两类岩石具有截然不同的峰期温压条件（两类岩石峰期变质温压条件分别为P=12 GPa，T=450 ℃和P=2.3 GPa，T=550 ℃），但同时发生折返，据此提出了4种可能的成因解释：①热力学数据误差；②折返过程中高压矿物组合的改变；③原岩性质不同；④构造混杂[16]。将基于局部平衡和全岩平衡两种不同的方法同时运用于变泥质岩与高压榴辉岩的PT估算，得到相似的结果，因此，不可能存在如此大的数据误差导致高达1 GPa的差异。另外，不同类型原岩对变质过程的影响将在后文叙述，然而将该区榴辉岩与变泥质岩变质程度的不同归因于不同的原岩性质并不合理，因为原岩均为基性岩的榴辉岩与绿片岩相岩石PT轨迹仍不一致。同时，并未在绿片岩相岩石和变泥质岩中发现任何超高压矿物或其残留假象，故无法证明变质程度低的岩石为高压榴辉岩的退变产物。因此，上述绿片岩相岩石及变泥质围岩并未随榴辉岩一同俯冲到地幔深度，这些具有低级变质矿物组合的岩石是后期在地壳深度与高压榴辉岩构造并置在一起，随后被抬升到地表。
Alm为铁铝榴石，Sps为锰铝榴石，Grs为钙铝榴石，And为钙铁榴石，Prp为镁铝榴石；A区为镁铝榴石端元组分大于55%的榴辉岩；B区为镁铝榴石端元组分在30%～55%之间的榴辉岩；C区为镁铝榴石端元组分小于30%的榴辉岩；图件引自文献[14]
图4双河地区榴辉岩和片麻岩中多硅白云母SiAl图解和石榴石端元组分图解
Fig.4SiAl Diagrams of Phengites and （Alm+Sps）（Grs+And）Prp for Garnets from Eclogites and Gneisses in Shuanghe Area
大别超高压造山带的双河地区同样具有相似的变质不均一现象，含柯石英榴辉岩、硬玉石英岩、石榴黑云片麻岩及大理岩被花岗片麻岩包围。超高压岩石整个俯冲折返过程分为4个阶段：前榴辉岩阶段、峰期超高压含柯石英榴辉岩阶段（P≥（27～28）×105 Pa，T=（700±50）℃）、石英榴辉岩阶段和后成合晶阶段（角闪岩相）。超高压岩石中除含有柯石英之外，还发现多晶石英集合体及石榴石中的多硅白云母包裹体等证据[14]， 而其围岩中未发现任何高压—超高压证据，峰期温压条件估算也落在角闪岩相（P=4×105 Pa，T=（400±50）℃）范围内。同时，在矿物成分上（如石榴石和多硅白云母），花岗片麻岩围岩与超高压岩石也有明显差别（图4）。
