超高溫變質作用(ultrahigh temperature metamorphism, UHT)的發生機制是近年來地質學研究中的一個前沿問題。儘管超高溫變質岩毫無例外地出現在匯聚板塊邊緣，但是這些岩石一般都疊加在先前變質的高壓-超高壓變質岩上，並且板塊匯聚年齡都不同程度地老於超高溫變質年齡。這種時空疊加關係導致超高壓變質岩一方面表現出超高溫條件下脫水熔融的特點，另一方面表現出結構和成分上的繼承性。造山帶岩石圈拉張引起的變質脫水和部分熔融可能是引起地殼岩石發生超高溫變質作用的基本機制。
基本介紹
- 中文名：超高溫變質作用
- 外文名：ultrahigh temperature metamorphism
- 詞性：名詞
- 領域：區域變質作用領域
- 影響：熱點問題
前言,發展歷史,研究現狀,相關進展,參考文獻,
前言
超高溫變質作用的發展歷史及特徵的變質溫壓條件、礦物共生組合、發生機制是地質學中的一個前沿問題。隨著研究工作的不斷深入，尤其是對超高溫變質作用的大地構造背景研究、異常高熱梯度的成因研究及其與超高壓變質帶的對比研究等，為認識前寒武紀構造背景、地殼熱演化，特別是板塊構造體制、不同地殼層次的構造作用等提供難得的科學機遇。
發展歷史
19世紀30年代，C.Lyell首次在其著名的《地質學原理》中提出了變質作用的定義。經過近200年的發展和完善，變質地質學的研究主要經歷了變質相、變質相系、變質作用P-T-t軌跡理論等三個階段的曲折歷程，根據變質礦物共生組合區分出三個變質相系列：Alpine型、Barrovian型、Buchan型。20世紀80年代以來，變質地質學的研究取得了一系列新的成果和發展創新，分別在造山帶識別出榴輝岩相超高壓變質岩和麻粒岩相超高溫變質岩，進入21世紀後習慣上將形成這兩類變質岩的變質作用稱為極端變質作用(extreme metamorphism)。在實際工作中可將匯聚板塊邊緣的區域變質岩可以劃分成兩個系列(Zheng & Chen, 2017)：一個是在<10°C的低熱梯度條件下形成的藍片岩-榴輝岩相高壓-超高壓Alpine變質系列，另一個是在>30°C的高熱梯度條件下形成的角閃岩-麻粒岩相高溫-超高溫Buchan變質系列。根據板塊構造理論與區域變質作用之間的關係研究，發現前者形成於俯衝之中，後者形成與俯衝之後；Buchan型變質作用既可疊加在Alpine型相系列之上，也可疊加在Barrovian型之上。
極端變質作用中超高溫變質作用的研究歷史已經有了半個世紀。Dallwitz(1968)東南極泥質變質岩中發現了假藍寶石，變質礦物組合所記錄的溫度達到1100°C。這個發現得到Ellis等(1980)的證實，嗣後在世界各地克拉通造山帶變質岩中陸續發現變質溫度超過900°C的麻粒岩(Harley, 1998, 2008)。據Harley(1998)的研究，超高溫變質作用一般發生在中壓(0.7-1.3GPa)，變質溫度為900-1100°C，主要標誌是一些指示性礦物組合如假藍寶石 + 石英、尖晶石+石英、紫蘇輝石 + 矽線石 ± 石英等，以及含大隅石的組合出露於富鎂鋁的變泥質岩中。從理論上講，超高溫變質作用可以發生在任何岩石單元中，但實際的工作發現，只有在富Mg-Al的變質泥質岩中才能找到上述特徵礦物組合。
研究現狀
至今近50年間，全球共有66個超高溫變質岩地區的報導，其中有47個含有假藍寶石，這其中24個發育假藍寶石和石英的組合，尤其發育在幾個岡瓦納大陸地體，如印度南部、斯里蘭卡、馬達加斯加和南極洲東部等(Harley, 2008;Kelsey & Hand, 2015)。我國的超高溫變質作用研究才剛剛起步，發現的超高溫變質露頭也很有限。自內蒙古大青山一帶發現假藍寶石的報導以來，陸續在南阿爾金超高壓變質帶和桐柏高壓變質帶中發現含假藍寶石的高壓麻粒岩，在廣西大容山的十萬大山花崗岩中也發現了超高溫麻粒岩包體。其中，華北克拉通北部孔茲岩帶中的兩處超高溫變質作用露頭分別為內蒙古武川縣東坡村和察右前旗土貴山。
對超高溫變質作用發生的地球動力學機制一直是地質學界爭議的課題(Harley, 2008; Kelsey & Hand, 2015)。即使是對礦物組合最為發育、保存最為完整的幾個岡瓦納大陸，如印度南部東高支山地區和斯里蘭卡，不同的學者也存在不同的認識，一個核心問題就是如何在地殼深度獲得如此高的溫度。研究發現，超高溫變質岩毫無例外地出現在匯聚板塊邊緣。儘管麻粒岩相變質岩都出現在發散板塊邊緣(例如洋中脊和弧後盆地)或者匯聚板塊邊緣(增生和碰撞造山帶)，但是對超高溫變質作用發生的構造背景存在多種假說，包括弧後裂谷、地幔柱、板片撕裂、洋脊俯衝、熱造山帶、大陸裂谷等(Kelsey &Hand, 2015; Zheng & Chen, 2017)。對這些背景綜合起來可以歸為兩類，一是板塊構造邊界出現地殼熱異常，二是深部地幔對地殼的加熱作用。儘管大陸超高溫變質岩毫無例外地出現在匯聚板塊邊緣，但是這些岩石一般都疊加在先前變質的高壓-超高壓榴輝岩相變質岩上，並且板塊匯聚年齡都不同程度地老於超高溫變質年齡。這種時空疊加關係導致超高壓變質岩一方面表現出超高溫條件下脫水熔融的特點，另一方面表現出結構和成分上的繼承性。造山帶岩石圈拉張引起的變質脫水和部分熔融可能是引起地殼岩石發生超高溫變質作用的物理化學機制。
相關進展
研究超高溫變質岩需要解決如下關鍵科學問題：(1)超高溫變質岩的分布範圍及其與高溫角閃岩-麻粒岩之間的時空關係？(2)超高溫變質作用的P-T軌跡是順時針還是逆時針？(3)超高溫變質作用的持續時間尺度是多大？(4)超高溫變質作用是與擠壓型還是與拉張型造山作用有關？(5)超高溫變質作用是與超大陸聚合還是裂解有關？(6)超高溫變質作用與高壓-超高壓榴輝岩相變質作用之間的時空關係是什麼？
近年來，國內學者在研究內蒙古超高溫變質岩帶的岩石學工作中取得了許多進展(Jiao & Guo, 2010; Guo et al., 2012;Santosh et al., 2012)。國內外學者通過內蒙古土貴烏拉地區暗色含尖晶石堇青石夕線石榴黑雲母超高溫片麻岩的KFMASH系統岩石成岩格子、石榴石包裹體和礦物組合成分的分析，揭示出其經歷了三個階段的變質作用：早期變質作用階段, 以同一石榴石顆粒中含有夕線石、尖晶石、石英等單相礦物包體為特徵; 峰期變質作用階段, 以尖晶石+ 石英、假藍寶石+ 石英、抖方輝石+ 夕線石+ 石英三種超高溫礦物組合為特徵; 退變質階段過程, 粗顆粒斜方輝石邊部和核部Al 含量的重新平衡為特徵。認為內蒙古土貴烏拉地區超高溫變質岩經歷了逆時針的P-T演化特點。Jiao & Guo(2010)利用二長石溫度計對采自華北克拉通北部塊體孔茲岩帶中東部，即大青山的東坡地區、集寧的土貴山、土貴烏拉以及徐武家地區的超高溫變質岩石進行了最小變質峰期溫度的模擬計算，在四個採樣點均得到800-1050℃的溫度範圍，證實土貴烏拉和東坡地區發生的超高溫變質作用，同時發現超高溫變質作用不止局限在東坡和土貴烏拉兩點，至少還包括集寧地區土貴山和徐武家地區，拓展了超高溫變質作用的範圍。
Peng et al.(2010)認為，華北克拉通北部形成於1.96-1.92Ga的徐武家輝長蘇長岩的侵位作用導致地殼的深熔作用；由於這一輝長蘇長岩來源於地幔並且具有較高的侵入溫度(約1400℃)，有可能為該區域發生的局部超高溫變質作用提供熱源。但是，詳細的同位素年代學研究發現，輝長蘇長岩的侵入年齡顯著老於超高溫麻粒岩相變質年齡，因此不可能提供所需要的熱量。Zheng & Chen(2017)根據匯聚板塊邊緣高溫-超高溫變質岩與同時代混合岩和花崗岩之間的共生關係以及對俯衝帶高壓-超高壓變質岩的疊加關係，提出造山帶岩石圈拉張引起的變質脫水和部分熔融是引起地殼岩石發生超高溫變質作用的基本機制，並將這類變質作用概括為裂熔變質作用。這個機制也可以推廣到華北克拉通的古元古代中期超高溫變質作用，對應的地質事件是哥倫比亞超大陸的試圖裂解(伸展)而不是聚合(收縮)。
參考文獻
Dallwitz, W.B., 1968.Co-existing sapphirine and quartz in granulite from Enderby Land, Antarctica.Nature, 219, 476-477.
Ellis D.J., 1980. Osumilite-sapphirine-quartzgranulites from Enderby Land , Antarctica : P-T conditions of metamorphism, implicationsfor garnet-cordierite equilibria and the evolution of the deep crust. Contrib.Mineral. Petrol., 74, 201-210.
Guo, J.H., Peng, P.,Chen, Y., Jiao, S.J., Windley, B.F., 2012. UHT sapphirine granulitemetamorphism at 1.93–1.92 Ga caused by gabbronorite intrusions: Implicationsfor tectonic evolution of the northern margin of the North China Craton.Precambrian Research, 222-223, 124-142.
Harley S.l., 1998. Onthe occurrence and characterization of ultrahigh-temperature crustalmetamorphism. Spec. Publ. Geol. Soc., 138, 81-107.
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Kelsey, D.E., Hand, M.,2015. On ultrahigh temperature crustal metamorphism: Phase equilibria, traceelement thermometry, bulk composition, heat sources, timescales and tectonicsettings. Geoscience Frontiers, 6, 311-356.
Peng P., Guo J.H., Zhai M.G.,Bleeker W., 2010. Paleoproterozoic gabbronoritic and granitic magmatism in thenorthern margin of the North China craton:Evidence of crust-mantle interaction.Precambrian Research, 183, 635-659.
Jiao, S.J.，Guo, J.H.,2010. Application of the two-feldspar geothermometer to ultrahigh-temperature(UHT) rocks in the Khondalite belt, North China craton and its implications.American Mineralogist, 96, 250-260.
Santosh, M., Liu, S.J.,Tsunogae, T., Li, J.H., 2012. Paleoproterozoic ultrahigh-temperature granulitesin the North China Craton: Implications for tectonic models on extreme crustalmetamorphism. Precambrian Research, 222–223, 77–106.
Zheng, Y.-F., Chen,R.-X., 2017. Regional metamorphism at extreme conditions: Implications fororogeny at convergent plate margins. Journal of Asian Earth Sciences, 145,46-73.
