大陆板块俯冲和折返的同位素地球动力学.pdf

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1、第8卷第4期高校地质学报VOI.8NO.42002年12月GeOIOgicaIJOurnaIOfChinaUniversitiesDec.2002!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!大陆板块俯冲和折返的同位素地球动力学郑永飞，傅斌，龚冰（中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥230026）摘要：大别-苏鲁造山带是扬子大陆板块与华北大陆板块之间在三叠纪时期俯冲-碰撞所形成的超高压变质带。对该带超高压变质岩的稳定同位素研究发现，不仅含柯石英榴辉岩出现局部氧同位素负

2、异常（!180=-10%），而且区域上存在氧同位素分布的不均一性（!180=-10%~+10%）。前者要求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；后者反映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的保存显示，这些超高压变质岩与地幔之间没有发生显著的化学相互作用。因此，载有榴辉岩原岩的板块俯冲到200多公里深的地幔内部时，超高压岩石形成后在地幔中的滞留时间很短（<10ma），致使它们与地幔之间的氧同位素交换没有达到再平衡。榴辉岩中不同矿物对氧同位素测温不仅给出了相互一致的

3、结果（650~750C），而且这些温度与阳离子交换温度计的结果（600~800C）相一致。因此，在榴辉岩相变质温度下共生矿物之间的氧同位素平衡已被“冻结”，岩石冷却过程中的氧同位素交换再平衡没有发生，从而证明超高压榴辉岩在变质作用后经历了快速降压/冷却过程，对应于板块的快速抬升。这些结果首次从地球化学角度证明了大陆板块俯冲—超高压变质—折返过程的“油炸冰淇淋模型”，一个完整循环的时间尺度总共约为10~20ma。关键词：大陆板块；超高压变质；俯冲和折返；稳定同位素；地球动力学中图分类号：P597.2文献标识码：A文章编号：1006"74

4、9（32002）04"365"151引言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，已经在研究大洋地质的许多基本问题中取得了巨大成功［1~4］。上世纪末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，也已成为国际上大陆动力学研究的热点和前沿。随着大陆地壳向地幔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［5］。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。大陆板块相互碰撞时形成山脉，例如扬子板块与华北板块碰撞形成大别山，实际上是扬子板块首先俯冲到华北

5、板块之下并插入到地幔深部发生超高压变质作用，然后折返回到地壳深度，继而发生区域性隆起引起造山作用［5，6］。类似的古碰撞造山带有阿尔卑斯山、乌拉尔山和阿巴拉契亚山，它们与年轻的喜马拉雅山相比经历了强烈的剥蚀作用，因此暴露出更高压力下形成的岩石。对这些高压-超高压变质岩进行研究，可以对板块俯冲和碰撞过程的地球动力学产生新的认识。地质学家们最近已在欧亚大陆和非洲大陆十多处碰撞造山带超高压变质岩中具有强化学稳定性的石榴石、单斜辉石和锆石颗粒中，发现了Si02的超高压同质多象变体基金项目：国家自然科学基金项目（49453003和4003301

6、0）和中国科学院知识创新工程项目（KZCX2-107）资助成果第一作者简介：郑永飞，男，1959年10月生，博士，教授，地球化学专业。366高校地质学报8卷柯石英，有的地方还发现了金刚石的微细颗粒。金刚石的产出意味着一部分超高压地体从超过120km的深部折返到地表，因为只有这样大的深度（相当于3.0Gpa的压力）才形成金刚石而不是石墨。认识到陆壳或洋壳会俯冲到如此地幔深度然后其部分残片又返回地表，这对板块构造特征的传统认识提出了挑战，并产生一些重要科学问题。大别-苏鲁造山带是扬子大陆板块与华北大陆板块之间在三叠纪时期俯冲-碰撞所形成的

7、超高压变质带（图1）。在该造山带榴辉岩中自发现柯石英和显微金刚石以来［7~10］，人们不仅在其围岩副片麻岩和大理岩中发现了柯石英［11~13］，而且在区域正片麻岩中发现超高压矿物集合体和锆石中的柯石英包体［14~17］。最近，不仅在北大别发现榴辉岩残片和麻粒岩化榴辉岩［18，19］，而且在青岛仰口榴辉岩的石榴石中发现单斜辉石出溶体［20］。这些现象表明，产于大别-苏鲁造山带内的超高压岩石分布面积比原来预想的要大得多，俯冲深度可能达到200km以上。地球化学研究表明［21］，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

8、冲进入地幔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。大量的地质地球化学研究表明，俯冲的扬子板块主要由元古代岩浆岩和震旦系—二叠系沉积岩组成，周边为新元古