随着温度压力升高 矿物相继发生分解
俯冲带深部流体活动
洋壳俯冲带: 对高压蓝片岩向高压榴 辉岩转变过程的流体活动已有了一定 研究，但高压榴辉岩向超高压榴辉岩 转变过程的流体活动认识甚少。
陆壳俯冲带: 与洋壳相比，陆壳本身 含水较少，因此俯冲过程释放流体较 少。但是，深俯冲陆壳折返过程中流 体活动相对活跃。
金刚石>120公里: Sobolev et al. (1990) Science; Xu et al. (1992) Science
大陆地壳俯冲到100-200km深度 后，是否发生了部分熔融？
柯石英 >80km 金刚石 >120km 镁铁铝石榴石 >200 km (Ye et al., 2000, Nature ) 斯石英 >350 km (Liu et al., 2007, EPSL)
板块构造理论的一场革命 地幔楔 大陆岩石圈
柯石英 >80km 金刚石 >120km
高温高压实验相图
超高压变质岩的全球地理分布
中国6个/全球22超高压地体 集中在大陆板块汇聚边界
中国超高压变质岩(6个带)
洋壳俯冲
西南天山 北秦岭
大别 阿尔金 柴北缘
CCSD
陆壳俯冲
苏鲁
广泛分布在中国中部东西向5000km范围内
Mineral 18O (%o)
变质流体活动
CO2
H2O
Liu & Xu (2004) CSB
Fu B et al. (2001) JMG
Fluid inclusions in garnet and epidote of eclogite
TEM
Su W et al. (2002) Geology
Wan YS et al. (2005) GCA Hacker et al. (2006) Tect Liu DY et al. (2006) EPSL Wu YB et al. (2006) GCA
UHPM Timescale 15±2 Ma
Liu et al. (2004) Lithos
SHRIMP U-Pb Dating of Coesite-bearing Zircons
25 years of continental deep subduction
地壳深俯冲过程中流体活动
陆壳深俯冲 洋壳深俯冲
H2O? CO2?
大洋地壳: 富水, 释放流体交代上 覆地幔楔⇒引起岛弧岩浆作用
大陆地壳: 相对缺水, 但是存在流体活动, 发挥了什么作用?
洋壳俯冲带含水矿物稳定性与流体活动
锆石学 结构 & 外部 形态) 微量元素 U-Pb定年 Lu-Hf同位素 O同位素
Comparison of diffusion coefficients for elements Th, U, Hf, Sm, Dy, Yb Pb and O in zircon
Zhao et al. (2007)
Geochim. Cosmochim. Acta
225-215 Ma
深俯冲大陆折返过程中 的流体作用
交代上覆板片岩石产生同折返岩浆作用 在超高压岩片内部流动形成未变形的石 英脉 超高压岩石自身广泛的角闪岩相退变质 作用
A Protracted Period of UHP-HP Metamorphism 40-50 Myr
10-20 Myr
超高压变质岩原岩性质
Modern meteoric water Seawater Mantle Sulu eclogite Dabie eclogite Kokchetav eclogite Alps eclogite Norway eclogite -12 -10 -8 -6 -4 -2 18 0 2 4 6 8 10
超高压岩石部分熔融: 实验岩石学可能性
Thermodynamic Stability of hydrous minerals
CCSD榴辉岩中部分熔融: 长英质脉体
Zhao et al. (2007) Geochim. Cosmochim. Acta 02-I5A 02-II1(2)A
04B-5A
Analytical spot size versus
Discordance of elements and isotopes in zircon
Technical details
SHRIMP Zircon U-Pb Dating of UHP Metamorphism
227±2 Ma 242±2 Ma
02-I4A
CCSD不同岩相过渡带元素分布
部分熔融引起SiO2和LILE迁移
Zhao et al. (2007) Geochim. Cosmochim. Acta
大别花岗片麻岩中部分熔融: 长英质脉体
Xia et al. (2008) Chem. Geol.
超高压岩片内部发生部分熔融!
陆壳俯冲带深部脱水和熔融
大陆深俯冲研究新趋势
俯冲陆壳性质：
什么学成分大陆地壳能够发生深俯冲?
俯冲带深部流/熔体：
俯冲和折返过程中脱水和熔融的规模?
地球化学变化：
俯冲带深部熔/流体活动与元素迁移？
大别-苏鲁造山带: 陆壳深俯冲产物 North China Block 出露规模最大 岩石种类最多 国际科研基地！
South China Block
中国地质学会 2009.10.23-25
大陆俯冲带深部流体活动 的地球化学研究 郑永飞
中国科学技术大学 地球和空间科学学院
在大陆地壳岩石中发现超高压变质指示矿物
柯石英: Chopin (1984) CMP; Smith (1984) Science 金刚石: Sobolev et al. (1990) Science; Xu et al. (1992) Science
Omphacite
Garnet
Katayama et al. (2006) Lithos
-60
-70
Garnet Omphacite
Mineral D (%o)
-80
-90
-100
CCSD-MH Eclogite
-110 0 500 1000 1500 2000 2500
Mineral H2O (ppm)
233±2 Ma
241±2 Ma
UHPM Timescale 15±2 Ma
大陆地壳俯冲和折返的P-T-t轨迹
Metamorphic Event ↔ Fluid Action
Zircon U-Pb dating
Effect of fluid availability on zircon growth Metamorphic dehydration and melting during continental collision
大别-苏鲁造山带构造地质简图
Subduction and exhumation of continental crust
A natural laboratory
to study fluid action
during continental collision
研究方法: 现代岩石学
岩相学(光学显微镜观察)研究的前提 下，对矿物进行各种元素和同位素 原位分析： 岩石学：采用电子探针、 BSE 、 CL 、 SEM 、 FTIR 等方法进行主要元素分 析和矿物形态识别， 地 球 化 学 ： 采 用 LA-ICPMS 、 LAMC-ICPMS 、 SIMS 等方法进行微量 元素和放射成因同位素分析。
Growth from aqueous fluid Growth from hydrous melt
(Chen RX et al., 2009; Xia QX et al., 2009; Zheng, 2009)
HP→UHP Transition
Episode I Zircon growth at 2422 Ma
226±2 Ma
Liu & Xu (2004) CSB Liu FL et al. (2004) JMG Liu FL et al. (2004) Lithos Liu FL et al. (2005) AM Liu FL et al. (2006) JMG Liu FL et al. (2008) GCA
Metamorphic zirconology
Metamorphic recrystallization
Solid-state recrystallization Replacement recrystallization Dissolution recrystallization
Metamorphic growth
O (‰ )
Oxygen Isotope Compositions of Eclogites
0
-30
Mineral D (%o)
Garnet Omphacite MWL BHY-NAMs
Mantle
-60
-90
-120 Water-rock interaction -150 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Rutile
TiO2(II)
Orthopyroxene
OH content of Clinopyroxene in Eclogite from Kokchetav
Katayama & Nakashima (2003) AM
Pressure dependence of water content in eclogite minerals
不同岩性和相同岩性之间氧同位素 不均一性的尺度为20-50cm 对应于大陆碰撞过程中流体活动的 最大尺度为20-50cm