南北方晚中生代混合岩杂岩体的成因及构造意义

南北方晚中生代混合岩杂岩体的成因及构造意义

地壳物质的部分熔融效应，即地壳的深熔融效应，是大造山带构造发育中的重要地质作用。这是地壳深部变质作用、构造变形作用和平坦地质作用的重要纽带。如在喜马拉雅造山带中,地壳深熔作用是启动藏南拆离系和地壳深部物质快速折返的重要因素。在众多的大型造山带中,以下几种作用(单独或共同作用)都可以导致地壳物质发生部分熔融作用:(1)在压力及化学成分不变的情况下,温度升高;(2)高温岩石的近等温快速减压;(3)内部缓冲或外来水(或流体)的水致部分熔融。地壳深熔作用导致原来是单相的固体岩石转化为固液两相体系,改变地壳深部物质的流变学性质,进而影响岩石的变形机制和变形样式。因此,了解部分熔融岩石的力学性质不仅对理解侵入体-变质岩地体的应变行为及物质运移模式,而且对检验和提出有关地壳深熔作用的构造物理效应理论及在大型造山带的数值构造模拟中起着关键作用。例如,大陆下地壳的深熔作用显著地降低了地壳的强度及其承受上覆地壳荷载的能力,并可能最终导致增厚地壳的垮塌。实验研究结果已证明,固体与熔体之间的强度差别达几个数量级。含少于10%熔体的岩石的峰值差异强度约在100MPa的量级上,明显高于完全熔融的岩石,其差异强度在几—几十MPa之间。因此,随着递进加热和部分熔融程度的增加,岩石的力学性质将从线弹性转变为弹塑性,最后到粘性。许多高级变质岩区中的混合岩的形成是地壳物质发生不同程度部分熔融的结果,如在喜马拉雅造山带和苏鲁超高压变质带中。这些混合岩提供了研究低度部分熔融如何影响新生熔体与固体基质之间的应变分解及其发生部分熔融岩石的总体力学性质的重要机会。在高级变质岩区中,部分熔融作用和局域变形常常紧密关联。野外观测揭示:在许多混合岩中,以浅色体为代表的部分熔融体或平行于原始层面,或形成相互连接的网络结构,或集中在剪接带、布丁的颈部、张性裂纹或小褶皱的轴面部位。正如Brown等指出的:递进部分熔融如何影响岩石的流变学性质及其如何影响变形机制的转变一直是构造地质学和变质地质学研究的突出问题。本文以美国加利福尼亚州内华达岩基(SierraNevadaBatholith)南部发育最好的羊圈(GoatRanch)混合岩杂岩体为例,在细致的野外填图、构造解析和应变测量的基础上,来阐明变泥质岩在递进部分熔融过程中,熔体的出现如何影响岩石应变承载构造的变化,探讨地壳物质部分熔融可能的构造物理学效应。虽然该观测结果来自于花岗岩岩体侵位导致的接触变质相关的部分熔融和构造变形,但同样适用于诸如喜马拉雅造山带的区域变质作用区。1早白垩世变泥质岩的组成及演化美国加州南内华达岩基是内华达复合岩基的一部分,主要由年龄为80~120Ma的不同类型花岗质岩石组成[22,23,24,25,26,27]。研究区位于南内华达岩基中伊萨贝拉湖(LakeIsabella)的南边(图1),属于总体成北西向分布的I-SCR(强烈混染还原的I型花岗岩)花岗岩带的东南端,该带中的花岗岩与其东部、西部的花岗岩相比,具有较高的表壳岩组分,来源于高度还原的变沉积岩。在研究区内,变沉积岩主要包括三叠纪的变质泥岩、侏罗纪的大理岩和石英岩、早白垩世的大理岩和变泥质岩。这套变沉积岩组成伊萨贝拉表壳岩系列,是王子变沉积岩层序在南内华达岩基的一部分。早白垩世变泥质岩主要由泥质及砂质海相沉积物组成,局部夹基性火山灰和火山碎屑,形成于与大陆岛弧密切相关的浅海环境。岩相学观察及全岩的溶解实验都表明三叠纪及早白垩世变泥质岩都含有一定量的石墨,显示了这些变沉积岩的强还原特征,和Ague等的推论一致。中生代持续的花岗岩侵位导致中生代以前的表壳岩发生高级接触变质作用,在邻近花岗岩侵入体的部位,表壳岩中易熔融的组分往往发生不同程度的部分熔融,形成层状或网结状混合岩。时代大约为100Ma(U/Pb锆石年龄)的羊圈花岗闪长岩侵位于伊萨贝拉表壳岩之中,导致早白垩世泥质岩发生绿片岩相至角闪岩相的中高级变质作用,并且在靠近花岗闪长岩的部位发生局部熔融,形成典型的网结状混合岩。早白垩世变泥质岩中的基性火山物质发生角闪岩相变质作用,形成角闪岩也证明了较高的变质温度。在本研究区,羊圈花岗闪长岩的侵位深度及温度分别为0.3~0.4GPa(相当于9~12km深度)和750~800℃。野外及岩相学的研究表明,早白垩世变泥质岩记录了由于邻近花岗岩体侵位的影响,部分熔融程度及变形构造的系统变化,可分为4个变质带(图1),即红柱石带、红柱石+矽线石带、矽线石带和混合岩带。红柱石带远离羊圈花岗闪长岩体,变质温度较低,为450~500℃,由红柱石、钾长石、石英、黑云母、斜长石及少量的白云母组成,副矿物为磷灰石、独居石和锆石(图2-A)。随着变沉积岩相对于花岗闪长岩体距离的减小(红柱石+矽线石带和矽线石带),变质温度逐渐升高,矽线石逐步代替红柱石,局部出现孤立的长英质浅色体(图2-B、C)。在矽线石带,随着距离的进一步减小,温度进一步升高,基本上不见红柱石,红柱石完全被矽线石替代,部分熔融程度逐渐增强,长英质浅色体或平行于变泥质岩的叶理面(图2-D)或局部形成互相连通的网状构造,暗色体和中色体呈透镜体被浅色体所包围。在高度混合岩化带中,浅色体主要由石英、斜长石、钾长石组成,而暗色体主要由黑云母和矽线石组成(图2-E、F)。浅色体和暗色体的矿物组合特征表明:浅色体为部分熔融体,暗色体为部分熔融的残留体。在混合岩化较强的个别部位,暗色体中出现石榴子石,表明部分变泥质岩发生过黑云母脱水部分熔融反应。在羊圈花岗闪长岩的边部,早白垩世变泥质岩中变质分带的样式与伊萨贝拉湖北岸CyrusFlat侵入体边部变泥质岩的变质分带相似,是相应的花岗岩体侵位造成的热效应的表现。随着离羊圈侵入体距离的减小,早白垩世变泥质岩发生递进部分熔融。依据随羊圈侵入体的距离和混合岩中浅色体的比例、构造样式,可分为:(1)无浅色体的红柱石带;(2)红柱石+矽线石带中含不协调、孤立的浅色体;(3)在矽线石带中具有大小不一的浅色体,局部连接成较大的长英质脉;及(4)在混合岩带中浅色体形成协调的、弥漫性的网络。在混合岩带中,毫米—厘米厚的浅色体形成相互连接的网络,包围着拉长或透镜状的暗色体+中成体(这两者合称为固态残留体)(图2)。固态残留体的大小在几厘米到几十厘米之间,通常与混合岩的面理近平行或低角度(20~30°)相交。在红柱石+矽线石带中,孤立的浅色体不仅在手标本尺度而且在显微尺度下都存在,以透镜体的形式分布在固体基质中。2羊圈混合岩中石榴子石的残留实验研究表明:变泥质岩在较高温度下,黑云母发生脱水部分熔融,不仅形成过铝质淡色花岗质岩浆,同时形成石榴子石,通常的反应为:通过上述反应,黑云母脱水部分熔融所产生的熔体逃离后,暗色体中应残留石榴子石和钾长石。在羊圈混合岩中,虽然黑云母脱水部分熔融只起次要作用,但在个别地点,石榴子石的出现的确表明该地局部达到了黑云母脱水部分熔融的温压条件。对这类混合岩,从中分离出石榴子石,进行了全岩和石榴子石的Sm-Nd同位素测试,样品化学处理流程和测试方法与Zeng等的一样,测试结果见表1。石榴子石-全岩等时线给出99.0Ma±1.0Ma的部分熔融年龄(图3),该年龄与Saleeby等报道的羊圈花岗闪长岩的锆石U/Pb年龄相近,证明羊圈混合岩杂岩体的形成的确与约100Ma的花岗岩侵位相关。3拉伸线理方向及变形方式在羊圈混合岩杂岩体中,侏罗纪石英岩中含鹅卵石砾岩夹层。该地层的变形样式与混合岩的类似(图4),砾岩中的鹅卵石发生强烈的拉伸变形。砾岩中的变形鹅卵石是进行构造解析的良好的应变标志。可通过对比混合岩和层状鹅卵石砾岩之间变形的异同,来标定部分熔融作用对混合岩的能干性的影响程度,确定递进部分熔融作用的构造物理学效应。因此,笔者对层状鹅卵石砾岩和混合岩中的固态残留体进行了野外应变测量。在进一步讨论之前,先对2类端元应变承载构造作简要的定义。在岩石发生韧性变形或脆裂流变形中,参与变形的物质或矿物之间的流变学性质的不同导致应变发生分解。如果应变主要由强相承载,即弱相呈孤立状态出现,被动地适应强相的变形,则称为强相承载构造(LBF);反之,如果弱相所占比例足够高且形成互连网络,应变主要由弱相来承担,强相被动地适应弱相的变形,这种体系称为弱相承载构造(IWL)。对于一给定的应变岩石,平行于最大拉伸应变的矿物或矿物结合体的方向为变形岩石的拉伸线理方向。在以下讨论中,Z轴平行于拉伸线理,为有限拉伸应变最大的方向,Y轴为有限拉伸应变中间的方向,X轴为有限拉伸应变最小的方向。XZ面为包含拉伸线理(L)的平面,XY面为垂直拉伸线理(L)的平面。在恒定应力作用下,应变大小与变质物质的粘度成反比。由于熔体易迁移及固相—亚固相的塑性变形,很难在XZ或XY面上测定浅色体的有限应变。但通过测定包含暗色体和中色体的固态残留体的形态比,可估计混合岩中最小的有限应变。因此,笔者只比较混合岩和鹅卵石砾岩中XY面的应变。在本研究区,块状厚层石英岩包含不连续砾岩层,砾岩层主要由鹅卵石和环绕鹅卵石的细层泥质或粉砂质基质组成。鹅卵石主要由石英组成,鹅卵石的粘度通常比泥质或粉砂质基质大10倍。鹅卵石砾岩为一典型的弱相承载构造(IWL),即鹅卵石为强相,而富含泥质的基质为弱相,且相互连接而成网结状构造。通过鹅卵石砾岩中有限应变的研究可以确定石英岩中的最小应变。在整个伊萨贝拉表壳岩构造剖面上,构造是连续的,从南往北表现出相似的特征,因此可以估计整个表壳岩的最小应变量。在鹅卵石砾岩中,XY和XZ面上都可以测定变形鹅卵石的形态、线理的方向和轴率。结果如图5所示。变形鹅卵石砾岩中的应变记录表明:(1)在与XZ平行的面上,鹅卵石的拉伸系数高达40000%,平均为800%~1000%;(2)在XY面上,鹅卵石的拉伸系数变化范围是200%~500%,平均为300%(图5-a)。岩石学观察表明,由细粒石英、长石、斜长石和白云母组成的富泥质层的变形特征与坚硬的鹅卵石不一样。富泥质层中矿物颗粒粒度大大减小,形成亚颗粒边界,石英集合体具有优选方向,具有典型的糜棱岩构造。相反,鹅卵石只发生了弱的颗粒内部变形,鹅卵石内部的石英颗粒比富泥质层的石英颗粒粗一个数量级。高度变形的泥质基质为一弱相,有利于应变的分解和变形的局域化。鹅卵石和富泥质基质之间能干性的差异不仅取决于组成矿物的强度,而且强烈依赖于颗粒的粒度。XZ面上鹅卵石砾岩中的拉伸系数为4.0~40.0,XY面上为1.0~7.0。这些变化表明,鹅卵石强化了砾岩的强度,导致富泥质层承载了主要应变。同时,在几个点上对混合岩进行了应变测量。测量结果表明:在XY面上,混合岩中固态残余体的形态比平均为300%(图5-b),与XY面上的鹅卵石砾岩的变形程度一样。这表明,以浅色体为代表的浅色花岗质熔体与鹅卵石砾岩中弱的富泥质基质在流变学性质上相似。熔体的出现改变了应变的分布,由于熔体比固相残余体强度小,熔体使应变发生分解,强度小、易变形的物质成为应变的主要承载体。在相同的压力条件下,熔体的出现还可以强烈降低物质的粘度。根据浅色体的主量元素地球化学组成,曾令森等估算了这些浅色体和固体残留体在部分熔融时的粘度,分别为1011Pa·s和1015Pa·s,若混合岩中含有10%的熔体,则粘度就会从1015Pa·s减小到1011Pa·s。这与部分熔融的岩石的实验结果和野外观测所得出的推论一致。4流变流体中部分熔融体羊圈花岗闪长岩的侵位使得早白垩世变泥质岩发生部分熔融,产生过铝质花岗质熔体,熔体的出现改变了原本为固相的变泥质岩的流变学性质,导致固体残余相和熔体相之间强烈的差异变形。通过对比变泥质岩和不含熔体的变形岩石的应变差异,发现熔体的出现加强了岩石的变形。野外观测和上述温压估算表明,红柱石+矽线石带含熔体程度少于4%,矽线石带含5%~9%的熔体,混合岩带含10%~15%的熔体。图6显示了一条构造剖面(a)、简单的热梯度(b)、部分熔融程度(c)和变泥质岩中的应变承载构造的转变特征(d)。由于早白垩世变泥质岩含白云母很少,且变质温度较低,部分熔融程度上限不超过15%。随着距羊圈侵入体的距离增大,温度快速下降,变泥质岩的部分熔融程度随之快速减小(图6-c)。所以,浅色体靠近变泥质岩和羊圈侵入体的接触部位,相互连接,形成透入性网络,固相残余体成为透镜体(图4-a)。逐渐远离接触部位,浅色体逐渐变得孤立,最后在变泥质寄主岩中形成孤立体。羊圈混合岩杂岩体的构造变化表明,随着部分熔融程度的减小,变泥质岩的应变承载构造从IWL变成LBF(图6-d)。要深刻理解上述观测结果,必须考虑变泥质岩部分熔融的物理和化学特征。由于硅酸盐熔体的粘度较大,变泥质岩的部分熔融体的迁移机制和迁移的特征尺度强烈取决于部分熔融程度,即产生熔体的数量。在部分熔融过程中,温度、压力、全岩成分和含水量是决定岩石部分熔融程度及熔体成分的主要因素。在一定的温压条件下,源岩中水的成分和矿物质成分决定了熔体的产出量。由于地壳深熔作用没有固定的模式,石英、斜长石、钾长石、白云母、黑云母和铝硅酸盐的比例是控制熔融反应的主要参数。野外观察和岩石地球化学研究表明,浅色体代表着变沉积岩部分熔融的产物。在羊圈侵入体侵位的过程中,起主控作用的部分熔融反应为:(1)石英+斜长石+水→熔体(ΔV<0);(2)白云母+斜长石+石英+水→熔体(ΔV<0);(3)白云母+铝硅酸盐+石英→熔体+矽线石+钾长石±黑云母(ΔV>0)。前2个部分熔融反应的温度较白云母脱水熔融反应温度低。在这些反应中,黑云母不参与部分熔融反应,呈残留体赋存于暗色体中。深熔反应的体积变化(ΔV)的方向是强烈影响熔体的分离和迁移行为的重要因素。在缺失流体的条件下,白云母脱水部分熔融的体积变化为正(ΔV>0),可导致部分熔融早期阶段孔隙压力快速升高,降低有效正应力,有利于熔体周围发生脆性变形和裂纹的形成,促进熔体的扩展和迁移,有利于熔体分离和逃逸,在应力较低的区域聚积。这可以解释混合岩带和矽线石带中的一些构造。如:在混合岩带中,许多地方可见浅色体在固相残余体“瓶颈”处聚集和增厚;在矽线石带中,浅色体沿着张性裂隙发生分离和堆积。相反,流体存在的部分熔融反应(反应(1)和(2))的体积变化为负,在无应力的条件下,熔体倾向于原地分离并滞留在原地。在合适的温压条件下,变泥质岩可通过石英+斜长石组合持续熔融,随着熔体数量的增加,部分熔融岩石的变形逐渐转变为熔体控制的变形。因此,透入性的部分熔融可以产生足够量的熔体,并相互连接,形成网结状构造,如羊圈混合岩的混合岩带。在这种构造带中,岩石的流变学性质主要由熔体控制,熔体为强变形区域,承载了主要应变;固相残余体为弱变形区域,只被动地发生微弱的变形。上面的讨论已表明变泥质岩的变形方式与鹅卵石砾岩的变形方式相似。在较低温度的条件下,不管是石英+斜长石组合的水致部分熔融,还是白云母脱水熔融,都不可能产生大量熔体,仅产生少量熔体,这些熔体滞留在原岩中,形成孤立的浅色体,如矽线石带和红柱石+矽线石带,表现为强相应变承载构造。5构造岩石学和深熔作用的差异对内华达岩基南部保存最好的中地壳层次的同岩浆混合岩杂岩体的韧性变形特征的观测