板塊構造與變質作用綜述

1、The study of metamorphism is a key to crustal evolution原巖 變質作用 變質巖按照原巖按照原巖：泥質系列基性系列長英質系列碳酸鹽系列超基性系列按照巖相學：按照巖相學：板巖千枚巖片巖片麻巖麻粒巖按照按照PT條件：條件：不同的變質相等不同的變質相等變質作用類型變質作用類型：區(qū)域變質作用接觸變質作用動力變質作用氣液變質作用混合巖化作用變質作用方式變質作用方式：重結晶作用變質反應變形作用交代作用影響因素影響因素：溫度（T）壓力（P）流體應力泥質系列基性系列長英質系列碳酸鹽系列超基性系列變質作用變質作用、變質相、變質相l(xiāng)變質作用變質作用:在地殼形成和

2、發(fā)展過程中，由于物理化學條件的改變，早先形成的巖石(包括巖漿巖和沉積巖）在固態(tài)條件下所發(fā)生的礦物成分、結構構造的轉化稱為變質作用。l變質相變質相：指一定的溫度、壓力區(qū)間內的一整套變質礦物共生組合，它們在時、空上反復出現(xiàn)并密切伴生在一起，一個變質相內部其礦物組合和巖石總體化學成分之間有著固定的因而也是可以預測的對應關系。主要的變質相類型主要的變質相類型變質帶、變質相和變質級對應關系變質帶、變質相和變質級對應關系濁沸石相葡萄石綠纖石相藍片巖相綠片巖相角閃巖相麻粒巖相榴輝巖相變質相變質相變質帶低高低高Chl Bi AlmSt KySilCord-AlmAb-Chl, Ab-ActAb-HbPl-Hb

3、Cpx-OpxOmp-Gt富Al系列Fe-Mg系列很低級低級中級高級變質級中高級Mineral assemblage 變質相系變質相系1961年，日本巖石學家年，日本巖石學家都城秋穗（都城秋穗（Miyashiro) 首次提出，首次提出，每一個變質相每一個變質相相當于一定的溫壓范圍，然而，在某相當于一定的溫壓范圍，然而，在某一個變質地區(qū)和變質帶中，其溫壓范一個變質地區(qū)和變質帶中，其溫壓范圍一般很寬，不能用一個變質相來代圍一般很寬，不能用一個變質相來代表，可能表示為表，可能表示為一系列的變質相一系列的變質相，這，這就是變質相系就是變質相系。換句話說。換句話說，在同一變，在同一變質地帶的不同空間上，

4、由變質相系所質地帶的不同空間上，由變質相系所表達的表達的峰期變質條件峰期變質條件，在，在PT圖解上構成一圖解上構成一條曲線，它們代表當時某種條曲線，它們代表當時某種固定的固定的地熱梯度地熱梯度(geothermal gradient)，后者又和固定的后者又和固定的大地構造背景大地構造背景聯(lián)系聯(lián)系起來。起來。 變質相系的概念通過變質時的特變質相系的概念通過變質時的特定地熱梯度把變質作用的定地熱梯度把變質作用的PT條件條件與與大大地構造環(huán)境地構造環(huán)境結合起來結合起來，對變質巖石學，對變質巖石學的發(fā)展起了重要作用，它不僅為后來的發(fā)展起了重要作用，它不僅為后來的板塊構造理論提供了巖石學上的證的板塊構造

5、理論提供了巖石學上的證據(jù)，而且為據(jù)，而且為變質地質學變質地質學理論的形成奠理論的形成奠定了理論基礎。定了理論基礎。都城秋穗劃分出五個變質相系都城秋穗劃分出五個變質相系低壓相系：低壓相系：紅柱石夕線石型紅柱石夕線石型，低壓型，低壓型（領家阿武隈型（領家阿武隈型）以）以泥質巖石中出現(xiàn)紅泥質巖石中出現(xiàn)紅柱石（低級）、夕線石（高級）及柱石（低級）、夕線石（高級）及堇青石堇青石等為特征地熱梯度等為特征地熱梯度大于大于25/km。中壓相系：中壓相系：藍晶石夕線石型藍晶石夕線石型，中壓型，中壓型（巴洛型），（巴洛型），泥質巖石泥質巖石中出現(xiàn)藍晶石和夕中出現(xiàn)藍晶石和夕線石，地熱梯度為線石，地熱梯度為1625/

6、km。高壓相系：高壓相系：硬玉藍閃石型硬玉藍閃石型，高壓型（，高壓型（三波川型三波川型），基性巖），基性巖中出現(xiàn)硬玉石英、中出現(xiàn)硬玉石英、藍閃石、硬柱石等礦物為藍閃石、硬柱石等礦物為特征，地熱梯度特征，地熱梯度 小于小于16/km。低壓過渡型，也稱為布恰型（低壓過渡型，也稱為布恰型（Buchan type），），以以泥質巖石中出現(xiàn)泥質巖石中出現(xiàn)紅柱石十字紅柱石十字石石，或紅柱石藍晶石，或紅柱石藍晶石?。高壓過渡型，以出現(xiàn)高壓過渡型，以出現(xiàn) 藍閃石和藍晶石藍閃石和藍晶石?為特征。為特征。 后兩個類型有若干問題？后兩個類型有若干問題？ 所謂地熱所謂地熱梯度的界線也有爭議梯度的界線也有爭議 變質相系

7、的概念屬于靜態(tài)思維方式；變質相系的概念屬于靜態(tài)思維方式； 把變質峰期條件的連線變質相系誤認為代表變質作用發(fā)生時的地熱梯度；把變質峰期條件的連線變質相系誤認為代表變質作用發(fā)生時的地熱梯度； 未能闡明變質過程中的熱流變化，變質作用是怎樣一個動力學過程。未能闡明變質過程中的熱流變化，變質作用是怎樣一個動力學過程。 高壓相系：板塊俯沖高壓相系：板塊俯沖 中壓相系：大陸造山帶中壓相系：大陸造山帶 低壓相系：島弧、洋中脊、低壓相系：島弧、洋中脊、 熱接觸變質熱接觸變質變質作用變質作用PTt軌跡的研究軌跡的研究是變質地質學的最新進展，是變質地質學的最新進展，反映與變質作用歷史有關反映與變質作用歷史有關的的，

8、根據(jù)，根據(jù)熱傳熱傳導理論導理論和和現(xiàn)代熱力學的原現(xiàn)代熱力學的原理理，把，把。 Richardson & England, 1977)1、首次強調剝蝕作用對變質作用的影響，變質作用發(fā)生于一個動態(tài)過程，、首次強調剝蝕作用對變質作用的影響，變質作用發(fā)生于一個動態(tài)過程， 變質過程中的地熱梯度是變化的；變質過程中的地熱梯度是變化的；2、Pmax 與與Tmax不同時；不同時；Tmax是在抬升過程中達到的；是在抬升過程中達到的；3、PT點陣也稱為變質梯度，不同于地熱梯度和點陣也稱為變質梯度，不同于地熱梯度和PT軌跡；軌跡；4、代表變質峰期條件的點陣對應地表出露的變質帶，這些變質帶是穿時的。、代表變質峰期條件

9、的點陣對應地表出露的變質帶，這些變質帶是穿時的。Photomicrographs of mineral inclusion assemblages in zircons and CL image of host zircons from paragneiss. What metamorphism occurs at MOR ?Mid-Ocean RidgesPlate separation-induced passive upwelling decompression melting for MORBDuring extension at mid-ocean ridges (red-orang

10、e), convection carries heat to very shallow levels, where 7-km thick oceanic crust（including 4 layers) forms; Hydrothermal circulation produces low P/T metamorphism, often called Controlled by both T and Fluid1、整個洋殼都發(fā)生了洋底變質作用；2、Addition of water from the surface1離散型板塊邊界離散型板塊邊界洋底變質作用洋底變質作用 洋底變質作用指洋中脊

11、附近的巖石由于洋底變質作用指洋中脊附近的巖石由于受到來源于深部的熱流和自上而下的熱鹵水受到來源于深部的熱流和自上而下的熱鹵水的影響發(fā)生變質作用，變質程度自上而下主的影響發(fā)生變質作用，變質程度自上而下主要為沸石相、葡萄石綠纖石相和綠片巖相，要為沸石相、葡萄石綠纖石相和綠片巖相，深部也可出現(xiàn)角閃巖相，為低壓相系，由于深部也可出現(xiàn)角閃巖相，為低壓相系，由于洋底擴張洋底變質作用的巖石遍布整個洋底。洋底擴張洋底變質作用的巖石遍布整個洋底。2、俯沖型變質作用、俯沖型變質作用One of the best indicators of former subduction is the presence of

12、paired metamorphic belts, a belt of typical Greenschist and Amphibolite metamorphism flanked by a belt of Blueschist metamorphism.Structural Zones？Beneath SW Japan, the maximum depth of intraslab earthquakes is 50 to 65 km. In SW Japan, Holocene volcanism is relatively sparse. Andesite and dacite er

13、upted at Daisen and Sambe volcanoes in SW Japan are geochemically similar to adakites, which are interpreted to represent partial melts of subducted oceanic crust. In NE Japan, intraslab earthquake activity peaks at 125 km depth and extends to 200 km depth , and deep earthquakes occur down to 670 km

14、 depth.Abundant Holocene volcanism with a well-defined volcanic front located 100 km above the top of the subducting Pacific plate. Most NE Japan arc lavas exhibit calc-alkaline geochemistry, which reflects partial melting in the mantle wedge triggered by the infiltration of aqueous fluids derived f

15、rom the subducting slab. Peacock and Wang, 1999, SciencePeacock and Wang, 1999, ScienceKirby, 2000, Nature“Warm” subduction zones-a result of slow subduction or young subducted lithosphere. “Cold subduction zones-a result of rapid subduction or older subducted lithosphere, have different thermal reg

16、imes, dehydration depths, mantle wedge temperatures and circulation, and styles of volcanism BST ( OC)HGRAMEAGRGSPAZo EcAm Ecslab melting5100150200250300(km)12345678910Dry EclogiteLawsonite Eclogite02003004005006007008009001000 1100 120001001300 1400 1500不同年齡的洋殼俯沖可能的PT軌跡Peacock and Wang, 1999, Scien

17、ceCold and warm Subduction zones？雙變質帶在靠近大洋一側為高壓變質相系，其中變質基性巖出現(xiàn)藍片巖、榴輝巖等高壓巖石，而靠近大陸一側為低壓相系，其中變質泥質巖石中出現(xiàn)紅柱石-矽線石型的變質作用。自Miyashiro(1961)最早用板塊構造理論解釋變質帶成因，提出了雙變質帶的成因理論以來，隨著板塊構造理論研究的不斷深入，已取得了一系列重要進展，如地體概念的提出(Schermer et al., 1984)，造山帶中平行伸展構造帶的發(fā)現(xiàn)(Ellis et al., 1987), 板塊會聚的斜俯沖作用(McCaffrey, 1992)等，這些重要進展對重新認識雙變質帶

18、的成因具有重要意義。最近Brown(1998, 2002)提出了雙變質帶成因的另一種構造模式：即板塊會聚斜俯沖作用過程中，由于平行海溝方向的構造轉換，使得高壓和低壓變質地體倂置在一起形成了雙變質帶。盡管雙變質帶成因可能有不同的構造模式，但作為形成時代相近、空間上平行分布的高低壓變質帶與板塊俯沖作用相關還是為人們所接受的 雙變質帶的概念及問題雙變質帶的概念及問題Paired metamorphic belt加里福尼亞加里福尼亞Franciscan雜巖雜巖的變質分帶如圖所示，很明的變質分帶如圖所示，很明顯地從沸石相開始，遞增為顯地從沸石相開始，遞增為葡萄石綠纖石相直到綠片葡萄石綠纖石相直到綠片巖相

19、。在這里榴輝巖僅做為巖相。在這里榴輝巖僅做為一些孤立的塊體產于低級變一些孤立的塊體產于低級變質巖石中。高壓巖石中止于質巖石中。高壓巖石中止于海岸山脈沖斷層處（海岸山脈沖斷層處（CRT）。）。它類似于日本的中央構造線。它類似于日本的中央構造線。Sierra Nevada 代表古島弧代表古島弧的根部，發(fā)育大量侵入體和的根部，發(fā)育大量侵入體和低壓變質帶。因此也構成雙低壓變質帶。因此也構成雙變質帶。變質帶。 Buchan:-Andalusite and kyanite rather than sillimanite-Garnet and staurolite less common, cordiori

20、te wide spread (lower T)-Migmatite less common. 2.2 陸殼俯沖型變質作用陸殼俯沖型變質作用: 印支期超高壓變質帶印支期超高壓變質帶; 加里東期加里東期超高壓變質帶超高壓變質帶; ：環(huán)太平洋型俯沖帶：環(huán)太平洋型俯沖帶西天山柴北緣超高壓帶和北祁連山高壓帶花崗質片麻巖中的榴輝巖包體Eclogite from the West Gneiss Region, NorwayThe Ky-eclogite at Verpeneset, NorwayBanded Ky-eclogite, South belt of Dulan, N. Qaidam UHP b

21、elt大理巖和榴輝巖蘇魯超高壓地體鉆孔石榴橄欖巖樣品Garnet peridotite from the West Gneiss Region, NorwayCoesite柯石英及其假象Diopside: CaM2MgM1Si2TO6Jadeite: NaM2AlM1Si2TO6Eskola pyroxene: Ca0.5M2AlM1Si2TO62Ca0.5M2AlM1Si2TO6 CaM2AlM1(AlSi)2TO6+3SiO2 Pyroxene solutionSong et al., 2003, Journal of Metamorphic GeologyPyrope: Mg3VIIIA

22、l2VISi3IVO12SiVI + (M2+)VI = AlVI + AlVISiVI + NaVIII = AlVl + MVIII這種替代使石榴石中這種替代使石榴石中Si含量增加，稱為含量增加，稱為Majoritic garnet or Supersilicic garnet Two endmembers: Sodic garnet NaMg2(Al, Si)2Si3O12Majoritic garnet Mg3 (MgSi)2Si3O12Majoritic garnet a solution between garnet and pyroxene導致金紅石溶解到石榴石中導致金紅石溶解到石榴石中Nature Ye et al., 2000Rutile + pyroxene exsolutions in garnetP 5 GPaZhu et al.，2002Geology確定了大陸深俯沖確定了大陸深俯沖的極限深度的極限深度240km在Kokochetav地塊單斜輝石中識別出鉀長石和金云母SiO2的出溶結構，論證了鉀和水通過俯沖帶發(fā)生深循環(huán)的過程