超高压变质岩中柯石英—石英
相变动力学研究的评述^①

章军锋　金振民

摘　要　含柯石英超高压变质岩的发现是陆壳岩石向地幔深部俯冲的岩石学证据，也揭示了深部变质沉积物折返地表的可能性。超高压变质岩的形成和折返机制是当前地球科学中最有挑战性的前沿课题之一，具有深刻的大陆动力学意义。文中讨论和总结了世界上8个典型超高压变质岩地区的柯石英和柯石英假像特征，以及近10年来关于柯石英的显微结构、相变动力学和流变学研究成果。
关键词　柯石英　超高压变质岩　相变动力学　流变学实验
分类号　P588.33

REVIEW ON PHASE TRANSFORMATION OF COESITE-QUARTZ
FROM ULTRA-HIGH PRESSURE METAMORPHIC ROCKS
Zhang Junfeng
(Department of Geology, University of California, Riverside, CA 92527)
Jin Zhenmin
(Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan, 430074）

Abstract　The discovery of coesite in the UHP metamorphic rocks is a petrological evidence of the subduction of the continental crust to mantle depth, which also indicates the possibility of the exhumation of deep metamorphic rocks to crustal level. The mechanism of the formation and exhumation of the UHP metamorphic rocks is one of the most challenging frontiers in contemporary geosciences,which is significant for continental dynamics. The characteristics of coesite and quartz pesudomorphs after coesite from eight UHPM rock localities in the world, and the research fruits on coesite from microstructure phase transformation dynamics and rheology in the last decades were discussed in this paper.
Key words　coesite, UHP rock, phase transformation dynamics, rheology

　　柯石英(coesite)是SiO₂的高压同质多像，主要见于陨石冲击变质岩、金伯利岩捕虏体、榴辉岩和变质沉积岩。自从1984年西阿尔卑斯Dora Maira地块变质成因柯石英的首次发现以来，相继在世界各地发现了变质成因柯石英和金刚石，使得超高压变质作用(UHPM)及其地球动力学机制成为了当代地质学研究的热点。

1　变质成因柯石英及柯石英假像
1.1　变质成因柯石英及柯石英假象的发现
　　早在60年代中期，就在南乌拉尔Msksyutov地块发现了柯石英榴辉岩。自80年代中期以来，在意大利境内西阿尔卑斯山脉Dora Maira地块、挪威南部加里东造山带基底、欧洲厄尔士山脉和苏台德山脉Bohemian地块^〔1〕、哈萨克斯坦的Kokchetav地块^〔2〕、吉尔吉斯坦境内的北天山^〔3〕以及我国的大别—苏鲁地区^〔4～7〕等地，相继发现了含柯石英(或柯石英假像)的超高压变质岩。1994年法国学者Caby^〔8〕首次在非洲大陆西部前寒武纪榴辉岩质变质沉积岩和不纯大理岩中发现了柯石英及其假像。这些地区是世界上公认的8个典型超高压变质岩产区。最近，国外学者O’Brien等^②于1998年在世界上最年轻的喜马拉雅造山带西构造结的榴辉岩中发现了柯石英。众所周知，与欧洲阿尔卑斯、华力西或加里东造山带不同，在年轻的喜马拉雅造山带中，虽然已有铬铁矿重砂中发现金刚石的报道，但是这一新发现将对解释青藏高原地质演化产生重大影响。至少说明其产出的变质结晶基底和沉积盖层曾俯冲到超过90km的深度，然后折返到地表，这将可能导致对该区变质岩隆升速率和隆升模型的重大修改。
　　表1总结了世界上8个典型超高压变质岩地区的柯石英和柯石英假像的特征。从表1可以看出，这些超高压变质岩大都具有相似的大地构造背景，即均位于两个大陆板块之间的碰撞造山带内，并且大都产于经历了多期变质变形作用改造的古老结晶地块中。除西阿尔卑斯和喜马拉雅外，均属前寒武纪结晶基底。根据柯石英和金刚石的出现，并结合石榴石—单斜辉石温度计估计，其变质岩结晶的p,T范围大致为2.6～4.0GPa，600～900°C。超高压变质矿物柯石英大多包裹于石榴石、绿辉石、蓝晶石和锆石之中，少量也见于绿帘石、白云石、菱镁矿、黝帘石等矿物晶体之中。周围常具放射状裂纹，柯石英大部分已退变为低压石英(柯石英假像)，或仅以残余体形式保留在聚晶石英中。柯石英单晶也常见于锆石和金刚石单晶之中。在青岛仰口榴辉岩石榴石和绿辉石之间还发现了粒间柯石英^〔7〕。

1.2　柯石英—石英退化变质结构
　　柯石英是SiO₂在p＞2.6GPa,T＞700°C时的高压多形，以高突起、低双折射率、解理差、偶见双晶和在电子束下发蓝光等^〔9〕特征与石英相区别。柯石英最早是由Coes于1953年人工合成的；天然柯石英最早是由Chao等于1960年在亚利桑那陨石冲击坑中发现的。其后Smyth等于1977年又在金伯利岩捕虏体和变质沉积岩中发现了柯石英。
　　产于超高压变质岩石榴石中的SiO₂包裹体通常仅几微米到几十微米，大者也可达几百微米。柯石英单晶(高突起)多以残余形式出现在退变的α-石英(低突起)中，退变量φ_B为25%～100%。退变石英在柯石英周围呈放射状排列，长轴方向近垂直于柯石英晶粒边缘，石英的晶格方位无定向性，显示典型的柯石英假像结构，类似的柯石英假像结构也在金伯利岩中观察到。这种在包裹体边部结晶良好并呈放射状排列的石英被认为是两个世代石英中较早的一期，可能形成于超高压岩石折返早期、石榴石放射状裂纹产生之前；另一世代的石英位于边部放射状石英和柯石英残余之间以及柯石英晶体的解理和裂隙之中，这类石英结晶程度较差且呈梳状排列，显示扩散成因特征，被认为形成于石榴石破裂阶段。柯石英及柯石英假像包裹体的另一个显著特征是石榴石外缘的放射状裂纹。通常认为这种放射状裂纹起因于岩石减压上升，由于包裹体与所赋存矿物之间的热弹性差异及相变产生的体积膨胀(7%～10%)，导致包裹体边部应力集中并最终超过石榴石强度而破裂^{〔10～13〕}。然而，将石英包裹体周围放射状裂纹作为先前柯石英出现的肯定标志要持慎重态度。根据石英和石榴石弹性性质计算^〔14〕表明包裹在石榴石中的石英颗粒即使仅从1.5～2.0GPa条件下减压，也可能发生“爆炸”形成放射状裂纹。所以，在缺乏柯石英残余情况下，唯一能作为先期柯石英出现的证据是包裹体中石英的结构：放射状—梳状截断(palisade)石英边围绕羽状或极细颗粒多晶石英核排列^〔10〕。

2　柯石英—石英相变动力学研究
2.1　柯石英—石英相变的显微结构研究
　　产于变质沉积岩中的柯石英多以柯石英的退变残余形式存在，周围为放射状排列的低压石英，而石英颗粒又寄主于石榴石、辉石等矿物之中。上述特征决定了柯石英很难从榴辉岩中分离出来，亦无法像人造柯石英那样采用常规的X衍射方法进行鉴定。由于拉曼光谱可以对1μm大小的微区进行分子结构研究，并在鉴定SiO₂多形时具有独特的效果，所以被广泛应用于超高压变质岩中柯石英的确切鉴定。一些α-石英、天然和人造柯石英的拉曼光谱特征值为118，150，177，270，326，465，521cm^-1，其中521cm^-1为柯石英的最强特征峰，465cm^-1为石英的最强特征峰^{〔11～13〕}。
　　透射电镜(TEM)是鉴定和研究柯石英—石英相变微区结构和特征的有效技术，但是由于柯石英在强电子束照射下易快速损伤，所以有意义的实验数据比较难以获得。Ingirn等^〔15〕通过对西阿尔卑斯石英—柯石英包裹体进行TEM研究，结果发现柯石英中的位错密度(＜10⁷cm^-2)要低于周围石英中的位错密度(10⁸cm^-2)，而且这种位错密度远低于Green于1972年所发现的柯石英在石英颗粒边部准稳态生长所需的位错密度。石英和柯石英之间为贝壳状边界，突起方向朝向柯石英。由此推测：①柯石英在它成为包裹体的前后都是弹性变形，在相同的(p,T)条件下力学性质要强于石英，石英通过发育位错和机械双晶来释放应力；②隆升过程中石英的生长以消耗柯石英为代价，此过程受扩散而不受位错控制，而石英基本上不再转变为柯石英。
2.2　柯石英—石英相变动力学实验研究
　　关于柯石英—石英的平衡边界和转化速率目前已有大量的实验研究^{〔16，17〕}。值得特别指出的是，为了得到比自然界更快的实验转化率，在实验室通常采用粉末状柯石英、石英和H₂O作为原始实验材料。自然界中柯石英单晶多被包裹在石榴石单晶中，所以将实验资料应用于天然变质作用时应持审慎态度。大量实验业已表明，石英向柯石英相变的温压条件为600～800°C，2.6～3.2GPa。在大陆碰撞俯冲过程中，韧性剪切变形过程（包括动力变质）中和天然地震模拟计算获得的差异应力（国内有的学者称之为“构造过压”）一般为0.2～1.3GPa。因此，天然地质作用产生的构造过压，难以形成柯石英。尽管Green于1972年通过实验，在强大差异应力作用下（ε=10^-5/s）,石英在围压为1.5GPa条件下，可以转变为准稳态柯石英（metastablecoesite），然而这种高位错密度的柯石英除了在陨石冲击作用下产生之外，其它自然方式均难以形成这样高位错密度的柯石英。因此，静水压力为2.6GPa是形成柯石英的必要条件。
　　柯石英相变产生的石英最开始出现在柯石英颗粒的边界，随后定向结晶生长，长轴垂直于柯石英颗粒边界，石英颗粒之间互相截断。相变30%～40%后，在柯石英中产生剪性破裂，相变后期，“梳状”结构逐渐被镶嵌结构取代，石英颗粒之间以高角度边界结合。以后石英颗粒可以进一步产生亚颗粒旋转和颗粒边界迁移而重结晶，使镶嵌结构转变为多边形结构^〔17〕。对比天然超高压岩石中柯石英—石英相变结构特征和实验成果，发现它们之间存在惊人的相似。这表明实验中相变反应机制与自然界中可能是一致的。Mosenfelder等^〔17〕测量了柯石英转变为石英的生长速率和反应活化能，其反应活化能Q为243～269kJ/mol，反应常数k₀为0.185～26.537，并在此基础上外推柯石英—石英的p-T-t轨迹。计算表明100μm大小的柯石英晶体在温度T≥375°C条件下可以在1Ma内完全转变为石英。实际观察表明，天然超高压岩石中仍保存有柯石英，但岩石的温压条件已进入麻粒岩相和石英的稳定场。因此单纯从计算数据推测，天然超高压岩石具有不可思议的隆升速率。事实上，实验结果和自然实际之间仍有很大的差异，造成这种差异的可能原因如下。
　　（1）自然界中柯石英晶体是包含在载体矿物石榴石或其它矿物中。在减压上升过程中由于热力学性质差异及相变作用而膨胀，此时载体矿物(如石榴石)就可以起到高压釜的作用，限制了包裹体的膨胀。根据vander Molen等^〔18〕的弹性模型计算，当温度降到400°C时，包裹体的压力将升到比外面的压力高出3倍多，从而导致石榴石的破裂，使得流体进入，从而加速柯石英的退化变质作用。
　　（2）自然条件下成核速率或生长率可能与实验情况截然不同。实验资料表明在缺水的情况下，柯石英—石英的转化反应异常缓慢。因为自然界中保存柯石英的条件是干状态（缺乏流体）。这种假设已得到超高压岩石中地质证据的支持，如榴辉岩中粒间柯石英^〔7〕、原生火成岩结构和矿物^〔19〕以及极低的氧同位素δ(¹⁸O)值^〔20〕，都显示其为缺乏流体的干的封闭状态。
　　（3）柯石英—石英转变过程中柯石英的破裂和石英不均匀消光清楚地暗示了相变应力的出现^〔17〕。相变应力可以影响生长率和成核速率，弹性应变能会抑制成核，特别是应变能接近相变化学能时，永久塑性变形却可以消耗弹性应变能而降低这种抑制作用。所以，无论在实验中还是在自然变形样品显微结构中，都可以看到高应变区(包裹体边部和柯石英破裂处)，即强成核生长区或新的成核区^〔15,17〕。
2.3　柯石英流变学研究
　　石英的强度被认为是控制大陆地壳力学行为的主要矿物。通常用石英的实验流动律来模拟地壳流变律。因此，由于埋藏或隆升产生的石英—柯石英相变导致大陆地壳流变行为的变化，对理解会聚板块边缘的构造过程具有重要意义。有关石英流变学性质目前已积累了大量的实验资料，但是由于实验条件的限制，柯石英流变行为的研究是最近才开始的。Renner等^〔21〕利用5GPa流变仪在高温(700～1160°C)，超高压(3.27～3.70GPa)条件下研究了人造柯石英集合体的流变行为和幂律参数。利用斜度校正得到的应力指数值n为1，Q为194kJ/mol，暗示了扩散蠕变。由静态摩擦校正得到的n为3，Q为217kJ/mol，代表位错蠕变。实验证明，在相同条件下柯石英的力学强度要比石英的力学强度大。

3　超高压变质岩中柯石英—石英相变动力学意义
　　超高压变质岩中柯石英形成的温度和压力条件相当于90km深度左右，这已超过了正常地壳(33km左右)和年轻大陆造山带山根(60～70km)厚度所形成的压力，达到了上地幔的范围，与俯冲带的环境相当^〔22〕，经历了3.0GPa左右的超高压变质作用后，由于剥蚀和构造作用而折返到地表。在抬升期间，如果柯石英作为变斑晶(石榴石等)内的包裹体产出，使之内部保持了相对外部的高压，从而阻止柯石英的退化变质和流体的进入，使部分柯石英得以保存下来。西阿尔卑斯^〔23〕和中国大别^〔24〕的新地质证据表明，某些大陆地壳可以俯冲到更大的深度(＞300km)。显然，这种含柯石英超高压岩石包含了板块聚合过程及壳幔相互作用的一些重要信息，记录了一个完整的地球动力学过程。而以重力均衡为基础的剥蚀和传统隆升机制无法解释这些岩石的抬升过程。因此，深入研究这种含柯石英超高压岩石是我们理解大陆碰撞和地幔动力学过程的钥匙。尽管目前已经对这些曾在深部就位(deep-seated)的岩石进行了大量的研究，我们对超高压岩石折返机制仍旧知之甚少^{〔25，26〕}。
　　超高压作用为地壳和地幔作用过程之间架起了一座桥梁，为我们理解俯冲和大陆碰撞提供了关键性的线索^〔27〕。我国大别—苏鲁地区是世界上经典超高压变质岩产区之一，其规模巨大，保存完整。到目前为止，该地区许多研究工作仍多集中于基础性岩石学和矿物学方面，缺乏构造地质学、地球物理、地球化学和实验岩石学等多学科的共同研究。中国大陆科学钻探计划为我们开展这些领域的综合研究提供了一个极好的机遇。相信这项研究会为我国查明超高压变质岩成因、揭开UHPM岩石的折返奥秘、了解壳幔相互作用和深部地幔行为提供一些直接的地质证据。

①国家自然科学基金资助项目（49672144）和美国自然科学基金资助项目成果

②O’Brien P J，Law R，Trelar P J．The subduction and exhumattion histiry of the Indian Plate during Himalayan collision：evidence from rare eclogites，Bayerisches Forschungsinstitut fur Exper imentlle Geochemie und Geophysik Universitat Bayreuth Annual Report．1998.75－76

③Xu Zhiqin，Yang Wenchan．Drilling operations in the Dabie-Sulu UHPM belt，East China，Submitted to ICDP，unpublished

第一作者简介：章军锋，男，1979年5月生，现为美国加利福尼亚大学（Riverside分校）访问学者，在构造物理实验室从事超高压榴辉岩流变学高温高压实验研究工作。
作者单位：章军锋(Department of Geology,University of California,Riverside,CA
　　　　　92527)；
　　　　　金振民(中国地质大学地球科学学院，武汉，430074)

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