部分熔融与高级变质岩流变机制_以内蒙古大青山高级变质岩为例

第15卷第3期2008年5月地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)Earth Science Frontiers (Chin a University of Geosciences,Beijing;Peking University)Vol.15No.3M ay 2008收稿日期:2007 09 20;修回日期:2008 01 14基金项目:国家自然科学基金资助项目(40572117);中国地质调查局项目(200113000021)作者简介:刘正宏(1960 ),男,博士,教授,从事构造地质研究。

E mail:zh liu@jlu edu cn部分熔融与高级变质岩流变机制 以内蒙古大青山高级变质岩为例刘正宏, 徐仲元, 杨振升吉林大学地球科学学院,吉林长春130061Liu Zhenghong, Xu Zhongy uan, Yang ZhenshengS ch ool of E arth Sc ienc es,J ilin Univ er sity ,Changc hun 130061,Ch inaLiu Zhenghong ,Xu Zhongyuan,Yang Zhensheng Partial m elting and the rheologic mechanism o f high grade meta morphic ro ck a case study on D aqingshan high grade metam orphic rock in Inner M ongolia .Earth Science Frontiers ,2008,15(3):168 177Abstract:T here is a restr icted relatio nship betw een t he par tial melting and the defo rmation o f hig h g rade meta mo rphic ro ck;the deformat ion enhances the deg ree of r ock partial melt ing and decreases the partial melt ingtemper ature.M elt influences r ock str eng th and deformat ion mechanism.T he Daqingshan hig h gr ade met amor phic ro cks wer e mo dified by metamo rphism,defo rmatio n and anatex ite in the lo wer cr ust,and developed a complex assemblag e o f st ructur al elements.T he characterist ics o f macr ostr uctures and micro tectonics show that the ma in defor matio n mechanism of high g rade metamo rphic rock is t he melt enhanced g rain side diffusion and the gr ain flow ,w hich caused a larg e scale plastic flo w of r ock.So me macr ostructural elements,such as a sy mmetry flo w fo lds,melted lineations,ro ck and miner al bands,intr ast ratal diapiric folds and a larg e do me,wer e for med in partially melt ed high g rade metamo rphic r ocks.T he microfabr ics features of ro ck are equilibri um tex tures of tr iple sides,similar to the metafabr ics of ro cks by stat ic cr ystalline metamo rphism;the deform at ion of miner al g rain is not obvio us and the intracr ystalline deformat ion tex tures did not dev elo p;the meta mo rphic tectonite of low er cr ustal tect onic level,the tectonic g neiss,was for med.Key words:Daqing shan;hig h gr ade metamo rphic rock;rheolo gic mechanism;partial melting摘 要:部分熔融作用与高级变质岩变形作用是相互制约,变形作用能够提高岩石部分熔融程度,降低熔融温度。

熔体存在影响和制约岩石强度和变形机制。

大青山高级岩经历了下部地壳构造层次变质变形和深熔作用改造,形成了复杂构造要素组合。

宏观与微观构造特点表明:高级变质岩变形机制主要为熔体增强颗粒边界扩散和颗粒流动,使岩石发生大规模的塑性流动。

在宏观上形成了不对称流动组构、熔融线理、岩石和矿物条带、层内底辟褶皱和大型穹窿构造。

但是,在微观上矿物颗粒变形不明显,晶内变形组构不发育,表现为三边平衡结构,与静态结晶变质岩结构相似,形成了地壳深部构造层次上变质构造岩 构造片麻岩。

关键词:大青山;高级变质岩;流变机制;部分熔融中图分类号:P 588 3 文献标识码:A 文章编号:1005 2321(2008)03 0168 10大青山高级变质岩位于华北克拉通北缘,以广泛发育高级变质的麻粒岩系和孔兹岩系为特征,其总体上呈东西向线形构造带产出。

前人对这些高级变质岩的原岩建造、形成构造背景和变质变形的演化历史进行了深入的研究,取得许多新的进展[1 12]。

高级变质岩普遍经受了角闪岩相 麻粒岩相变质变形作用改造,变形作用发生在高温、高压环境下,岩石塑性流动变形作用与变质作用、深熔作用和岩浆活动相伴生,造成了高级变质岩自身特有的构造样式和相互关系的复杂性。

长期以来对于高级变质岩的形成机制一直没有解决,但是,近些年来岩石高温高压变形实验研究进展,使得对下部地壳岩石流变进行探索和研究成为可能[13 20]。

高级变质岩部分熔融十分普遍,双相共存特性控制岩石流变行为和变形机制,形成特征性的构造要素组合和构造变形特征。

所以在研究高级变质岩变形行为和变形特征时,不能按照中浅部地壳单相固态状态下岩石变形模式和思维,必须考虑双相共存时岩石的流变行为和流变机制。

本文是在大青山高级变质岩野外区域地质调查基础上,结合近些年来岩石高温高压变形实验成果,探讨高级变质岩的流变机制和变形特征。

图1 内蒙古大青山地区早前寒武纪高级变质岩区构造纲要图Fig.1 T he stru ctural outlin e of early Precamb rian high grade metamorph ic rock at Daqingshan,Inner M ong olia1 第四系;2 寒武系 古近系盖层;3 海西期 燕山期花岗岩;4 古元古代花岗岩;5 中元古界渣尔泰山群;6 古元古界美岱召岩群;7 太古宇色尔腾山岩群;8 新太古代T TG;9 花岗质 花岗闪长质片麻岩;10 乌拉山岩群上亚群;11 乌拉山岩群下亚群;12 紫苏花岗质片麻岩;13 桑干(兴和)岩群; 哈啦合少穹形构造;! 沙德盖穹形构造;∀ 沙湾子穹形构造;# 大庙穹形构造;∃ 前口子穹形构造;% 平方沟穹形构造1 大青山高级变质岩组成及其特征1 1 主要岩石类及其特征大青山高级区主要由一套高级变质杂岩组成,出露最古老的地层单位是一套麻粒岩系,称为桑干(兴和)岩群,通常分布在不同规模穹形构造的核部(图1),主要由中色麻粒岩组和浅色麻粒岩组两套变质地层组成[8]。

其上为乌拉山岩群,又可划分为两个亚岩群,下亚岩群称为黑云角闪片麻岩系,主要分布于大庙穹形构造以北地区。

上亚岩群,归为孔兹岩系,由三部分组成:下部由榴云片麻岩、夕线石榴黑云片麻岩、石墨黑云片麻岩、夕线石墨片麻岩组成,这一套富铝片麻岩在全区分布广泛;中部为透辉片麻岩,是一套以含有钙硅酸盐矿物为特征的片麻岩组合;上部为主要为厚层状蛇纹石化金云橄榄大理岩、含墨大理岩夹薄层透闪石岩、方柱石透辉大理岩等。

除上述这些变质地层之外,发育有规模不等的成分与之相应的原地或半原地深熔片麻岩形成,如石榴花岗质片麻岩、眼球状花岗质片麻岩、花岗质 花岗闪长质片麻岩、紫苏花岗质 紫苏花岗闪长质 紫苏斜长花岗质 紫苏石英闪长质片麻岩[10],它们在空间上与相应的变质表壳岩单位密切共生(图1),分布在不同变质地层接触带或穹形构造核部。

之外,还有规模较小的变质辉长岩岩株零星散布在高级变质杂岩中。

它们常常呈一种不同规模的似层状或层状体,并与围岩一起卷入变形,表明这些深熔片麻岩是在主期区域变形前就已存在。

区内高级变质杂岩表现出复杂的构造形式,主体构造样式为穹形与穹间褶皱群构造(简称穹 褶构造)、大型东西方向展布地壳深部层次的韧性变形带和深部层次的变质构造岩 构造片麻岩[8,12]。

在露头尺度上,发育熔融线理、层内底辟褶皱、层内不对称流动褶皱和各种旋转应变组构,形成了一套复杂构造要素组合。

1 2 岩石部分熔融特征大青山高级变质岩形成于地壳深部构造层次上,遭受了高角闪岩相 麻粒岩相变质变形作用改造。

由于地质环境的改变引起了物理化学条件变化(温度升高、流体加入和压力变化),岩石经历了粒间的、部分的、不均匀的、差异的或者完全被熔融,岩石从单一的固相转变为熔体和固体共存的双相。

高级变质岩部分熔融是十分普遍,双相共存特性控制岩石流变行为和变形机制,形成特征性的构造要素组合和构造变形特征。

随着变质温度的升高,构成熔融反应的矿物组合变得不稳定,发生熔融。

熔融首先发生在反应矿物相互接触的三连点或边界上,最初熔体形成小的、孤立的囊状体或管道。

如果温度继续增加,熔融程度增加,固体部分减少,囊状的熔体扩大,最终形成相互连接的熔体网络[13 20]。

一旦像这样网络形成,熔体在部分熔融的岩石中呈透入性分布。

在部分熔融程度较低的岩石中(<5%),岩石体系是以固相为主,熔体在固体格架中运移,应变的承载方式主要以LBF(Load Bearing Frame w ork)形式进行,即应变主要由非熔融体的固体来承担。