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东特提斯构造域变质演化及其构造启示
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中国大陆地壳形成和演化密切相关的三大构造域分别是东特提斯构造域、古亚洲洋构造域和太平洋构造域。特提斯洋有早古生代时期的原特提斯洋、晚古生代时期的古特提斯洋和中生代时期的新特提斯洋, 因此特提斯构造域是不同时代特提斯洋从早古生代经晚古生代到中生代时期连续俯冲闭合而形成的多个造山系的总称, 其中汇集了从大洋俯冲经大陆碰撞/俯冲到陆内张裂等多种板块构造过程(Zheng等, 2013; 吴福元等, 2020)。
中国中央造山系在特提斯构造域有东西两大部分组成, 出露了从低压经高压到超高压以及低温经高温到超高温的各种类型变质岩, 是原特提斯洋和古特提斯洋分别在早古生代和晚古生代-早中生代闭合过程中大陆硬碰撞或者深俯冲的产物(Dong等, 2011, 2018; Wu和Zheng, 2013)。西部原特提斯造山域包括西昆仑-阿尔金-北祁连-柴北缘-东昆仑-北秦岭-北桐柏造山带, 东部古特提斯造山域包括南桐柏-红安-大别-苏鲁造山带, 它们是研究汇聚板块边缘构造演化过程以及发展板块构造理论的理想地区。尽管前人对这些造山带的大地构造演化进行了大量的研究, 但是对各个造山带记录的汇聚大陆边缘构造演化的相似性和差异性还缺乏系统限定, 对大陆板块硬碰撞/深俯冲之后阶段发生的陆内造山作用缺乏系统认识。
为了系统阐明汇聚大陆边缘大地构造演化的一般规律, 中国科学技术大学郑永飞院士课题组张强强博士等对中央造山系不同造山带高级变质岩的变质温度(T)、压力(P)和年龄(t)信息进行了系统集成和梳理, 通过厘清各造山带在变质岩野外分布、变质T/P比值和P-T-t轨迹方面的时空关系, 结合矿物岩石学观察对变质温压条件的佐证, 厘定了原特提斯构造域和古特提斯构造域中央造山系记录的汇聚大陆边缘变质温压状态和动力体制。研究结果发表于《中国科学：地球科学》2023年第12期。
研究结果表明, 尽管中央造山系不同造山带变质岩在变质时间、峰期变质温压条件以及变质P-T-t轨迹上存在一定的差异, 但是它们在峰期变质之后的T/P比值均随时间呈逐渐升高的趋势。将这些变质T/P比值转变为地温梯度(Brown, 2009; Zheng和Chen, 2017, 2021), 可以确定出这些变质岩大都经历了三种类型的变质作用(图1), 分别是：(1) 低T/P比值的阿尔卑斯型蓝片岩相-高压榴辉岩相-超高压榴辉岩相; (2)中T/P比值的巴罗型中压角闪岩相-高压麻粒岩相; (3) 高T/P比值的巴肯型中低压角闪岩相-麻粒岩相。
(a) 西部原特提斯造山域; (b) 东部古特提斯造山域
就变质年龄而言, 在西部原特提斯构造域, 阿尔卑斯型和巴罗型进变质作用主要出现在500~490Ma(阿尔金、北秦岭和北桐柏造山带)和450~430Ma(北祁连-柴北缘-东昆仑造山带), 巴罗型退变质作用出现在480-450Ma(阿尔金、北秦岭和北桐柏造山带)和420~410Ma(北祁连-柴北缘-东昆仑造山带), 而巴肯型变质作用出现在450~420Ma(阿尔金、北秦岭和北桐柏造山带)和420~410Ma (北祁连-柴北缘-东昆仑造山带)。在东部的古特提斯构造域,阿尔卑斯型进变质作用主要出现在250~220Ma, 巴罗型退变质作用出现在230~210Ma, 而巴肯型变质作用出现在140~120Ma。
先前的研究表明, 汇聚大陆边缘构造演化的不同阶段具有不同的地温梯度, 从而形成具有不同T/P比值的变质岩(例如, Zheng和Chen, 2017, 2021; 郑永飞等, 2022)。具体而言, 在大洋俯冲阶段, 由于俯冲的冷的大洋岩石圈的温度明显低于对流地幔的温度, 因此一般具有低的地温梯度, 主要形成具有低T/P比值的阿尔卑斯型蓝片岩相-榴辉岩相高压到超高压变质相系(例如, Peacock, 1993; Zheng和Chen, 2017, 2021)。但是, 在东特提斯构造域的部分碰撞造山带(例如阿尔金、北秦岭以及北桐柏造山带), 出露有一些中T/P比值巴罗型中压角闪岩-高压麻粒岩相进变质相系, 指示碰撞大陆边缘经历了中等地温梯度下的地壳加厚作用。
在大陆俯冲/碰撞阶段, 由于大陆地壳和岩石圈地幔在力学强度上的差异, 使得大陆地壳在俯冲/碰撞带的浅部和深部发生不同程度的变形和加热, 由此产生不同类型的变质作用(郑永飞等, 2022)。一方面, 在大陆岩石圈浅部, 韧性大陆地壳因板块汇聚的挤压而发生硬碰撞加厚, 在地壳内部放射性热产元素的作用下(Jamieson和Beaumont, 2013), 发生中等地温梯度下的巴罗型中压角闪岩相-高压麻粒岩相进变质作用(Zheng和Chen, 2017, 2021)。另一方面, 大陆地壳直接俯冲到岩石圈地幔深部, 其地温梯度一般继承自之前的大洋俯冲带(Zheng和Chen, 2016, 2017, 2021; 郑永飞等, 2022), 具有低的地温梯度, 因此形成阿尔卑斯型超高压榴辉岩相变质岩(Peacock, 1995; Zheng和Chen, 2017, 2021)。
在碰撞后阶段, 加厚的造山带岩石圈因重力或流变学不稳定而发生减薄(Bird, 1979; Houseman等, 1981), 导致软流圈上涌并加热残留的上覆岩石圈而诱发陆内张裂造山作用(Göğüş和Pysklywec, 2008; Zheng和Chen, 2017, 2021)。在下伏软流圈地幔加热的条件下, 先前折返到下地壳深度的超高压变质岩受到高T/P比值的低压角闪岩相-麻粒岩相高温-超高温变质叠加, 形成巴肯型变质相系(Zheng和Chen, 2021; 郑永飞等, 2022)。
因此, 根据东特提斯构造域内中央造山系不同造山带出露的变质岩的变质温压信息及其时空关系, 可见西部原特提斯造山系的大陆碰撞/俯冲发生在500~490Ma(阿尔金、北秦岭、北桐柏)和450~430Ma(柴北缘、东昆仑), 陆内张裂发生在450~420Ma(阿尔金、北秦岭、北桐柏)和410~400Ma(柴北缘、东昆仑)。与此相比, 东部古特提斯构造域造山系大陆俯冲/碰撞发生在250~220Ma, 而大撞后伸展发生在140~120Ma。无论是大陆深俯冲引起超高压变质作用还是大陆硬碰撞引起地壳加厚, 它们的持续时间都在10~30Myr这个范围内。
就汇聚大陆边缘从大陆碰撞/俯冲挤压体制转换为陆内张裂伸展体制所需的时间尺度来说, 大陆俯冲/碰撞与陆内张裂造山之间的时间间隔在西部的原特提斯构造域是40~60Myr, 而在东部的古特提斯构造域约为110Myr。这些相似性和差异性表明, 不同特提斯构造域变质岩均记录了汇聚大陆边缘从冷俯冲向暖折返的转化, 结果早期形成的阿尔卑斯型变质相系在晚期转变成巴罗型变质相系(图2a), 然后又都经历了热的陆内张裂作用形成巴肯型变质相系(图2b)。中生代时期古太平洋板块俯冲对东部古特提斯构造域造山带岩石圈的影响, 可能造成两大构造域从俯冲/碰撞挤压体制转变到伸展拉张体制在经历时间间隔上的差异。
（修改自郑永飞等, 2022）
张强强等的研究结果显示, 通过确定造山带变质岩的变质T/P比值及其随年龄的变化, 可以发现汇聚板块边缘地温梯度和动力体制的变化规律。一般来说, 大陆碰撞带变质岩经历了三个阶段的变质作用(图1), 其中第一阶段既可以是地壳冷俯冲引起的低T/P比值阿尔卑斯型进变质作用(图2a), 也可以是地壳硬碰撞加厚引起的中T/P比值巴罗型进变质作用, 两者都对应于板块汇聚条件下的构造挤压；第二阶段是深俯冲地壳折返到莫霍深度之后发生的巴罗型退变质作用, 对应于板块边缘的稳定和松弛；第三阶段是造山带大陆张裂引起的高T/P比值巴肯型叠加变质作用(图2b), 对应于板块汇聚之后古缝合带岩石圈减薄引起的软流圈上涌。
上述研究成果的论文第一作者为中国科学技术大学张强强博士, 通讯作者为中国科学技术大学郑永飞院士, 合作者包括中国科学技术大学高晓英教授和陈仁旭教授。该研究得到了国家自然科学基金(批准号: 92155306)资助。
【主要参考文献】
吴福元, 万博, 赵亮, 肖文交, 朱日祥. 2020. 特提斯地球动力学. 岩石学报, 36: 1627–1674
郑永飞, 陈伊翔, 陈仁旭, 戴立群. 2022. 汇聚板块边缘构造演化及其地质效应. 中国科学: 地球科学, 52: 1213–1242
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中文版: 张强强, 高晓英, 陈仁旭, 郑永飞. 2023. 东特提斯构造域变质演化及其构造启示. 中国科学: 地球科学, 53(12): 2723–2749
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