大陆板块俯冲和折返的同位素地球动力学

矿物 · 岩石 · 地球化学 大陆板块俯冲和折返的同位素地球动力学 郑 永 飞 �中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 � � � � �� 在海底扩张和板块构造学说发展过程中诞生的化学地球动力学 , 在研究大洋地质的许多 基本问中已经取得了巨大成功。 对大陆地质的基本问题应用化学地球动力学的理论和方法 进行研究 , 已成为上世纪末国际上大陆动力学研究的热点和前沿 。 随着大陆地壳向地慢深部 俯冲及温压的升高 , 一定会伴随各种各样的地球化学作用 。 认识这些地球化学现象 , 并以此 对大陆俯冲的动力学过程给予制约是大陆俯冲化学地球动力学的重要研究目标 。 大别一苏鲁造山带是扬子大陆板块与华北大陆板块之间的在三盛纪俯冲一碰撞所形成的 超高压变质带 � 自柯石英和显微金刚石在该造山带榴辉岩中发现以来 , 人们不仅在其围岩副 片麻岩和大理岩中发现了柯石英 , 而且在区域正片麻岩中发现超高压矿物集合体和错石中的 柯石英包体 � 最近 , 在北大别发现榴辉岩残片和麻粒岩化榴辉岩 。 这些指示 , 产于大别一苏 鲁造山带内的超高压岩石分布面积比原来预想的要大的多 � 地球化学研究明 , 这些榴辉岩 原岩为先前出露大陆地表的玄武质岩石 , 通过扬子板块的俯冲进入地慢深部经受超高压变质 作用形成榴辉岩 , 然后又折返回地表 。 这给人们提供了一个天然实验室示踪地壳物质的地球 动力学循环 。 由于地表物质的稳定同位素组成显著不同于地慢 , 预计能够对示踪这一地球动 力学过程发挥重要作用 � 我们对大别一苏鲁造山带中典型榴辉岩体及其围岩片麻岩和大理岩进 行系统的氧 、 氢和碳同位素研究 , 发现显著的稳定同位素异常 , 结果对认识大陆板块俯冲的 地球动力学过程提供了地球化学证据 。 �� 氧同位素 苏鲁地体西部江苏东海一带榴辉岩和片麻岩的全岩犷� 值变化较大 , 为一�� � �� 编 � 安徽 东南大别地区榴辉岩和副片麻岩的全岩目�� 值变化较大, 为一� � �� ��� � 正片麻岩的全岩口�� 值变化较小 , 为��� � �� 编 , 并且潜山双河榴辉岩和副片麻岩的全岩� ,�� 值呈同步变化 � 西大别 湖北红安和河南苏家河榴辉岩的�� � 值普遍较高 , 为�� � � �编 。 北大别燕子河榴辉岩的� �,� 值相对偏低 , 为�� � � � �� � �编 � 惠兰山基性麻粒岩的家�� 值也较低 , 为�� � � � �� � �编 � 黄土岭 酸性麻粒岩的� �� � 值较高 , 为�� � � � �� � ��� � 这些榴辉岩 、 片麻岩和麻粒岩的氧同位素组成不 仅显著偏离地梭的目,� 值��� � 巧编� , 而且明显不同于世界上其它地区榴辉岩的氧同位素组 成 � 其中东海青龙山榴辉岩低达一�� 编的� � ,� 值 , 是目前世界上报道的高级变质岩的最低口,� 值 � 北大别榴辉岩和基性麻粒岩的口� � 值也较低表明 , 它们与南大别超高压榴辉岩和片麻岩一 样 , 在板块俯冲前经历了高温地表水热液蚀变。 地表水不可能在超高压变质作用期间与岩石发生直接地同位素交换 , 因为超高压变质作 用的压实作用会使变质流体逸出榴辉岩原岩 , 而外部流体也不可能进入榴辉岩内部 。 变质后 第四届世界华人地质科学讨论会论文集 流体与岩石之间的相互作用�退变质�有可能在近地表发生 , 例如地表水可以渗透进入上部地 壳 , 在岩浆热源引发形成热水循环 。 中生代岩浆活动有可能驱动大规模的热水蚀变作用 , 导 致地表水一榴辉岩之间的同位素交换作用。 但是 , 榴辉岩单矿物之间的高温同位素平衡的保 存排除了由于热液蚀变产生的显著退变质作用的可能性 � 因此合理的解释是 , 榴辉岩原岩已 与低��’� 值的地表水发生了氧同位素交换 , 产生这种异常低的扩,� 值 � 这意味着 , 在超高压变 质作用发生之前就已发生了强烈的流体一岩石同位素交换作用 � 单矿物的口勺值与全岩�,’� 值的变化同步 , 大多数共存矿物对之间的氧同位素分馏未出现 倒转 , 符合常见变质岩中矿物之间的 ’� � 富集顺序 � 这指示在榴辉岩相变质条件下 , 共存矿物 对之间达到或接近氧同位素平衡 � 根据共存矿物对之间的氧同位素分馏△�,� 值 , 利用已知的 矿物对氧同位素平衡分馏曲线 , 计算出东大别榴辉岩矿物氧同位素平衡温度为 ��� � ��� ℃ , 与已知的岩石学测温结果相一致 , 指示这些共存矿物对之间的氧同位素分馏分别记录了不同 变质条件下相应矿物集合体的形成温度 , 退化变质作用没有破坏这一部分样品的氧同位素平 衡 , 因此排除了变质期后外来流体对这些榴辉岩样品氧同位素组成的影响 。 另一部分样品的 氧同位素温度与阳离子配分温度不一致����� ℃或��� �℃� , 石榴石与绿辉石之间的氧同位素 分馏出现倒转现象 , 指示这些榴辉岩样品受到过退化变质作用的影响 , 从而未完全保存原有 的氧同位素平衡分馏 。 � � 氢同位素 在苏鲁西部东海地区 , 榴辉岩和石英片岩中含经基硅酸盐的�� 值具有较小的变化范围 � 多硅白云母为一 ��� ! � 召�编 , 黝帘石为币�编 � 名�编 。 在东大别双河地区 , 与榴辉岩共 存的超高压和非超高压片麻岩中含轻基矿物的氢同位素组成基本相似� 绿帘石 �和黝帘石�的�� 值落在一�偏栩一����范围内, 黑云母的�� 值为一�编一��� � 。 黑云母片麻岩中角闪石的�� 值 为一��编一�� 编 。黑云母片麻岩和花岗质片麻岩中多硅白云母的�� 值分别为币�编一�� ! 和一�� �� 一�� ! � 云母矿物的�� 值低达一 �� ��� , 指示其中含有高纬度大气降水同位素信息。 无论是榴辉岩还是片麻岩 , 帘石和云母之间的氢同位素分馏出现不平衡 “倒转 ” 现象 , 并在� 一△图解上呈有规律变化 , 指示了在相对封闭条件下进行的同位素交换。 这些含轻基矿 物的�� 值与实验得到的矿物氢同位素富集顺序�在 ��� ℃下 , 白云母 � 角闪石 � 绿帘石 � 黑 云母�不完全一致 , 出现氢同位素 “倒转” 现象。 实验氢扩散研究得到 , 矿物中氢扩散的速率 大小顺序为 � 多硅白云母 � 白云母 � 黝帘石 。 由于超高压变质条件下的氢同位素交换平衡 易于达到 , 因此我们在这些矿物中所观察到的氢同位素分馏 “倒转 ” 指示了退变质作用过程 中的差异性氢同位素交换 � 在榴辉岩相变质温度下 , 白云母与水之间的氢同位素分馏很小�约一 �� 喻� 。 在榴辉岩相变 质条件下不可能出现外来贫 � 流体的渗滤 。 因此 , 流体与白云母之间的氢同位素交换可能在 超高压变质作用开始前于近地表发生 � 换言之 , 榴辉岩矿物的氢同位素比值产生于流体与榴 辉岩原岩之间的同位素交换 , 且在超高压变质作用开始前取得了目前的�� 值 。 多硅白云母的 氢同位素扩散封闭温度较黝帘石要高。 因此 , 多硅白云母更容易保存其氢同位素组成 , 从而 矿物 · 岩石 · 地球化学 保存其大气降水信息。 而变质期后的氢同位素交换是导致黝帘石氢同位素组成发生改变的可 能原因 。 � � 碳同位素 应用 ����粥 连线技术 , 对大别山东南部和苏鲁西部榴辉岩及其中的磷灰石进行了碳同位 素分析 。 结果得到 , 榴辉岩全岩的口� 值变化较大 ��� � �编至一�� � �编� , 而所含磷灰石中结构 碳酸根的� ,� 值变化较小并显著亏损 ’�� �� � �编至一�� � �编 � � 部分榴辉岩具有高的全岩扩� 值 , 指示其形成后受到过含呱流体的退化蚀变 � 低的磷灰石�曳 值指示 , 榴辉岩中含有地表 有机碳 , 因此证明这些榴辉岩的原岩曾出露过地表 , 在超高压变质阶段流体以亏损 ’� 为特征 。 对不同产状的大理岩进行了碳和氧同位素分析 , 得到西大别河南苏家河榴辉岩围岩大理 岩的目, �值为一� � ��� 一均 � �偏 , 西大别湖北大悟大理岩的口� 值为月� �沁月� � � �编 , 东大别安徽 大理岩扩� 值为�� � �编州十� � �编 。 三地大理岩在碳同位素组成上存在一定差异 , 反映它们的原 岩沉积环境有所不同。 显生宙正常海相碳酸盐的�’� �值为 �土�编 , 而其它沉积岩相对于海相灰岩一般较为富集轻 碳同位素 。 一般来说 , �勺��� �编的大理岩在成岩一变质作用期间可能经历了与流体之间的相 互作用 。 在没有外来流体渗滤的情况下 , 变质去气作用仅会导致碳酸盐岩的粉� 和口,� 值下降 �� 编一�� 编 � 因此 , 大理岩的澎� 最大值接近于变质之前灰岩的碳同位素组成 � 基于这种考虑 , 灰岩 �即大别山大理岩的原岩�的扩� 值约在币编左右 � 沉积灰岩扩��值的增加一般被解释为由 于水体氧逸度降低而导致沉积物中有机物富集的结果 。 � � 地球动力学意义 大别一苏鲁造山带榴辉岩中柯石英和金刚石的发现表明 , 大陆地壳物质可以俯冲到大于 �� ��� 的地慢深度经受超高压变质作用 。 对这些榴辉岩中单矿物的氧同位素研究结果发现 , 不 仅含柯石英榴辉岩出现局部氧同位素负异常�� �’� 二 一�� 编� , 而且区域上存在氧同位素分布不 均一性 ��’�� 二 一�� 编 � �� �编� , 甚至尽头尺度的氧同位素不均一性也非常明显 � 大的全岩 和单矿物口,� 值变化可由两种不同的机制产生� �� 超高压变质岩的原岩 �玄武质和长英质岩 石�经受强烈的大气降水热液蚀变后 , 具有均一的�勺 值卜�� 编 � 书编� � 这种极端亏损 、 的岩石随板块俯冲进入地怪深度后 , 在高温高压条件下与周围的地性物质发生不同程度的氧 同位素交换 , 导致其� ,’� 值从一 ��编变化到�� 编 � 场编 � ��� 超高压变质岩的原岩与古大气 降水发生了不同程度的水一岩交换作用 , 导致热液蚀变岩具有不均一的口,� 值 , 榴辉岩相高温 超高压变质作用没有抹去其低��’� 值特征 � 无论在哪一种情况下 , 热液蚀变岩在板块俯冲的进 变质作用过程中将释放出大� 亏损”的流体 , 与板片内部及其上搜的岩石发生氧同位素交换 , 导致高压一超高压变质岩石本身及其围岩或者不同程度地亏损 ‘,� �隧道式流体流动� , 或者出 现大面积岩石氧同位素均一化 �弥散式流体流动� , 具体取决于岩石的孔隙度和渗透性以及区 域变质程度��一� 。 如果板块俯冲的速率较慢 , 所释放的流体有可能渗透整个板片 , 引起区域 性氧同位素均一化。 相反 , 较快的俯冲只会产生脆性断裂和隧道式流体流动 , 难以引起板片 第四届世界华人地质科学讨论会论文集 内部岩石的氧同位素均一化 � 大别一苏鲁高压一超高压变质岩出现的�与分布不均一性 , 可能 正是反映了一种板块快速俯冲变质的特征 。 在地慢深度下的氧同位素交换速率是相当大的 , 这有可能足以使地怪物质与榴辉岩矿物 达到氧同位素再平衡 。 根据在 �� �妞� �� � � ���� 压力、 无水条件下碳酸盐与硅酸盐之间氧同位 素交换实验 , 增加压力将显著提高氧同位素交换速率 , 重结晶作用和扩散作用是决定交换速 率的主要控制机理 � 当压力从 ���即� 增加到 �� �柳� 时 , 交换的百分率将增加 �� � 倍 � 当压 力超过 � � ���� 、 温度超过 � �� ℃时 , 硅酸盐与碳酸盐之间发生快速的氧同位素交换。 实验表 明 , 少� 呱书习超临界流体存在将有效地增加矿物之间的氧同位素交换速率 � 如果矿物之间 发生化学反应 , 其产物间可达到完全的同位素平衡。 实验表明 , 在榴辉岩相温压条件下氧在 石榴石中的迁移速率小于 �� 如八扭 , 在超过 � � �� ! 的地恢压力下 , 榴辉岩与地怪之间的氧同 位素交换将快得多。 因为增加压力将增加氧同位素交换速率 , 随板块俯冲的玄武质岩石在发 生变质反应形成榴辉岩期间及其后在地幢内部与地性物质之间的氧同位素交换有可能达到氧 同位素再平衡 � 这样不仅会使榴辉岩的扮,� 值接近地性扩,� 值范围��� 编 � 币编� , 而且会抹 去榴辉岩中大气降水的氧同位素特征卜�� 编 � 用编� � 然而青龙山榴辉岩低扩,� 值的保存指 示 , 超高压榴辉岩与地怪之间没有发生显著的氧同位素交换 � 这意味着 , 超高压榴辉岩在地 性中的滞留时间可能很短 �� ���� , 因此不足以使地怪与榴辉岩之间达到氧同位素再平衡 。 在变质岩缓慢冷却过程中 , 矿物与矿物之间、 矿物与流体之间会发生氧同位素退化交换 , 氧扩散是这种退化同位素交换的速率限制步蕊 � 矿物对氧同位素温度是其中一个或两个矿物 的氧扩散封闭温度 , 而不是顶峰变质温度或矿物形成温度 。 氧同位素自扩散数据显示 , 榴辉 岩中不同矿物的扩散系数有几个数量级的差别 。 在缓慢冷却条件下 , 不同矿物对氧同位素温 度计将产生不同的有规律的温度 , 这些温度应与相应矿物的封闭温度一致 。 大别一苏香造山带 超高压榴辉岩不同矿物对的氧同位素温度值是墓本一致的 , 并且这些温度也与阳离子交换地 质沮度计的结果相一致 。 因此 , 在榴辉岩矿物形成温度下共生矿物之间的暇同位素平衡已被 “冻结 ” , 岩石冷却过程中的氧同位素再平衡没有发生 � 这表明 , 超高压榴辉岩在变质作用后 可能经历了快速冷却和抬升 � 换言之 , 含超高压榴辉岩的板块在地性中经短暂停留后快速回 升至上部地壳。 总而言之 , 大别一苏普造山带榴辉岩原岩在变质前经历过大气降水热液蚀变 , 说明俯冲板 块具有大陆地壳特点 � 扬子板块具有快速俯冲变质的特征 , 否则将达到同位素均一化 。 榴辉 岩氧同位素负异常和大理岩碳同位素正异常的保存指示 , 这些超商压岩石与地怪之间没有发 生显著的化学相互作用 。 因此 , 载有榴辉岩和大理岩原岩的板块俯冲到 �加 多公里深的地性 内部时 , 超高压岩石形成后在地性中的滞留时间很短 , 以致于它们与地怪之间的筑碳同位素 交换没有达到再平衡 。 榴辉岩中具不同氧扩散速率矿物的氧同位素沮度相对一致 , 并且与岩 石学侧温结果一致 , 说明在榴辉岩相变质后岩石的冷却速率较快 � 这些结果首次从地球化学 角度证明了大陆板块俯冲�折返过程的 “油炸冰淇淋模型 ” � 快速俯冲、 在地性深度的超高压 变质时间很短 、 快速折返 。