喜马拉雅造山带西构造结含柯石英
榴辉岩的发现及其启示

金振民

摘　要　着重介绍了最近几年外国学者在喜马拉雅西北部（巴基斯坦北部）发现高压榴辉岩和含柯石英超高压榴辉岩的新成果。这项重要发现，对于正确了解印度板块与亚洲板块碰撞动力学过程、大陆俯冲、折返和喜马拉雅造山带变质作用演化历史有着重要意义，同时对我国学者从事喜马拉雅东构造结（即大拐弯地区）下地壳高压变质岩和结晶基底隆升研究有着重要的启迪。
关键词　大陆碰撞造山带　榴辉岩　柯石英　喜马拉雅
分类号　P588.33

DISCOVERY OF COESITE-BEARING ECLOGITE FROM WEST
HIMALAYAN TECTONIC LINK AND ITS ENLIGHTENMENT
Jin Zhenmin
(Faculty of Earth Sciences,China University of Geosciences,Wuhan,430074)

Abstract　New research results on coesite-bearing eclogite from west Himalayan tectonic link were introduced.This important discovery is of critical significance for correctly understanding collision dynamics,continental subduction and exhumation as well as the evolution of metamorphism.These new results also provide us an important enlightenment for study of East Himalayan tectonic link in China.
Key words　continental collision orogenic belt,eclogite,coesite,Himalaya

　　自从大陆碰撞造山带超高压（UHP）岩石中发现柯石英和微粒金刚石以来，地球科学、大地构造学和变质岩石学发生了革命性（revolution）的变化^〔1～4〕。这些新成果对于正确了解大陆碰撞造山带动力学和俯冲—折返过程以及壳—幔相互作用具有深刻意义，同时为研究地球内部结构提供了一个新的窗口。目前世界上已确认的典型超高压变质带（地体）至少有8个（意大利西段阿尔卑斯、挪威南部加里东造山带、北哈萨克斯坦、南乌拉尔、苏台德地区、北天山、非洲马里和中国大别—苏鲁^〔5，6〕)。喜马拉雅和青藏高原是目前世界上规模最大、高度最高、年代最年轻的大陆碰撞造山带，它具有双倍地壳厚度（70～75km），因而已具备形成超高压矿物的压力和温度条件。因此，国际地学界一直在关注和期望在这个地区能找到超高压榴辉岩。笔者将介绍近年来意大利和法国学者在喜马拉雅西构造结（巴基斯坦北部）发现榴辉岩（HP）和超高压榴辉岩（UHP）的经过、岩石主要特征及其大陆动力学意义。同时分析这项新成果对我国学者开展喜马拉雅东部地区研究的启迪，并指出我国在喜马拉雅造山带东部（尤其是大拐弯地区）发现HP和UHP岩石的可能性。

图1　喜马拉雅西北部构造略图和榴辉岩产地分布
Fig.1　Tectonic sketch map the NW Himalaya
and localities of eclogite
MBT.主边界逆断层；MCT.主中央逆断层；MMT.主地
幔逆断层；MKT.主喀喇昆仑逆断层

2　喜马拉雅西北部HP和UHP榴辉岩基本特征
　　现将喜马拉雅西北部业已确认的三处HP(其中一处含柯石英)榴辉岩的产出构造背景、矿物和岩石化学成分的主要特征简述如下。
2.1　Kaghan山谷HP和UHP榴辉岩
　　该地的榴辉岩主要产于高喜马拉雅结晶岩石（HHC）和高喜马拉雅特提斯单元（HHTU）中，主要由结晶基底和Kaghan上部推覆体盖层组成。基底岩石主要由早古生代变质花岗岩和前寒武纪变泥质岩构成。喜马拉雅特提斯单元包括早古生代杂砂岩和含二叠纪火山岩变质盖层以及侏罗纪大理岩、白云质大理岩。榴辉岩直接产于结晶基底和盖层之中，在Kaghan山谷的Besal村庄附近出露面积约150km²。榴辉岩体呈透镜状，一般几米至几十米长。岩石呈花岗变晶结构，由绿辉石定向排列而成变形页理。榴辉岩的矿物共生组合为：石榴石—绿辉石—石英—金红石，以及少量多硅白云母和角闪石。各矿物的化学成分详见表1。石榴石化学成分如下：x(grs)为0.15～0.33，x(alm)为0.46～0.60，x(prp)为0.12～0.22。绿辉石含硬玉成分x(jad)=0.42。岩石有弱角闪石退变作用。矿物的温压条件如下：温度为(650±50)°C（Ellis和Green方法），压力为1.3～1.8GPa。榴辉岩变质峰值年龄为：(49±6)Ma（SmNd法）和ε(Nd)=+2.6，MSWD=1.1；43Ma（多硅白云母Rb-Sr封闭年龄）；39～40Ma（金红石UPb法）。Kaghan山谷是目前喜马拉雅西北部含有柯石英榴辉岩的唯一产地。据O’Brien等的初步研究，绿辉石中柯石英与世界上其它地区UHP岩石中柯石英特征类似：在寄主矿物中具有放射状裂隙和栅状结构，在石英假晶中仍保存柯石英晶体。根据O’Brien的计算，含柯石英UHP榴辉岩的温压条件为：650°C和2.6GPa。

3　地球物理成果的预测
　　美国麻省理工学院Roecker^〔19〕在研究西构造结（即巴基斯坦北部—帕米尔—兴都—库什）的地球物理特征时，曾经预言这个地区的深部有榴辉岩和柯石英存在。他的科学预测竟然被90年代初地质学家们的发现所证实，这是令人深思的。当时地球物理学家预测的主要依据是：①通过580个微地震的v_p和v_s一维反演表明，该区的莫霍面深度为(70±5)km，160～230km为低速层，230km以下为高速层〔即比正常v_p(8.4km/s)高10.7%〕；②三维速度反演表明，70～150km为低速层（即波速比周围物质的低8%～10%），并与该区的地震分布深度范围一致；③该区板块俯冲速度高达20～43km/a^〔20〕，地壳已经俯冲至150km深处。
　　由此可见，该区的低速层上至下地壳［v_p与上地壳v_p(6.0km/s)］相近，向下延深到230km。当相对较冷的地壳向下俯冲深度超过120km时，石英（密度为2.65g/cm³）将相变为柯石英（3.01g/cm³）；或者角闪岩和麻粒岩（2.85g/cm³）相变为榴辉岩（3.15g/cm³)。由麻粒岩相变为榴辉岩所引起的密度增加了15%，使整个俯冲地壳的浮力减少了2个数量级。因此负浮力有可能使碰撞之后的大陆岩石圈有足够时间保持稳定俯冲状态，同时密度的增加也将减小俯冲地壳对重力异常的影响。高密度榴辉岩v_p比一般麻粒岩高1.0km/s，v_p增加值与低速层中v_p(7.5km/s)（相对该区下地壳v_p=6.5km/s）增加值是一致的。因此地球物理成果证实该区大陆岩石圈至少俯冲到150km深度之下，从而为UHP岩石和超高压柯石英矿物的形成提供了温度和压力物理环境。

4　HP和UHP榴辉岩的大陆动力学意义
　　喜马拉雅西北部HP和UHP榴辉岩的发现被认为是过去30年以来喜马拉雅地质研究中重大发现之一，这对大陆碰撞造山带模式的建立和动力学过程的认识有着重要意义。
　　(1)这个成果证实了在印度和西藏碰撞会聚过程中印度大陆边缘东北部发生了早期俯冲作用，俯冲倾角陡，俯冲速度快，俯冲深度至少达到60～80km。这种现象在喜马拉雅中部和东部是无法比拟的，这也是为什么在喜马拉雅东部尚未找到HP和UHP榴辉岩的原因。最近INDEPTH项目的新成果也证实了这一点^〔21〕。西构造结的地球物理成果也显示喜马拉雅西北部大陆俯冲板块产状陡，在帕米尔—兴都—库什地区俯冲深度至少已达到150km。
　　(2)从热模式角度考虑，这个成果为喜马拉雅大陆碰撞会聚过程提供了热状态和动力学过程信息。由蓝闪石片岩和高压低温榴辉岩记录的低地温梯度（约10°C/km）是与俯冲作用以来的热松驰和折返作用相符的。
　　(3)HP和UHP榴辉岩的发现为喜马拉雅造山带西部和东部俯冲时间、俯冲方式、变质类型提供了重要约束条件。这些榴辉岩的原岩是在65Ma开始俯冲（比变质年龄早15Ma），当喜马拉雅西北部开始与亚洲板块缝合时，在喜马拉雅东部大部分地区仍然是广阔的海洋。古地磁学和年代学资料分析也表明，喜马拉雅在早第三纪古新世时，NW部开始与亚洲板块缝合，逐渐向南东方向发展。
　　(4)在Kaghan和TsoMorari穹窿中发现了榴辉岩，从变质动力学角度证明喜马拉雅西北部是早期大陆俯冲，榴辉岩的形成不能用地壳均匀加厚理论来解释。而在喜马拉雅结晶岩地块（HHC）中，没有榴辉岩。正如Pognante等^〔22〕所指出的，HHC地块演化是一种典型的渐新世—中新世陆内俯冲，其俯冲和折返速率相对较低，使加厚地壳的温度增高，有利于深熔作用和大量过铝淡色花岗岩的形成。

5　几点启示
　　最近国家重点基础研究发展规划——“青藏高原形成演化及其环境^.资源效应”项目即将启动，这对促进青藏高原大陆动力学高水平研究是一个很好的机遇。国外在喜马拉雅西北部发现HP和UHP榴辉岩的新成果也给我们一些有益启示。
　　(1)要在规模巨大的喜马拉雅造山带的关键地段（或关键部位），抓住关键问题（即国际地学界共同关注的问题或被人们忽视了的重要问题），集中有限目标，通过关键地区的扎实野外地质填图和高水平的地质露头观察，才会有新发现、新认识和新进展。西欧学者在喜马拉雅地区的踏实、持之以恒、锲而不舍的地质调查作风是值得我们学习的。
　　(2)在确定关键地区和进行野外地表地质调查时，要充分了解和重视现代地球物理成果在解决造山带动力学和深部地质结构问题中的地位和作用。从某种意义上来讲，深部地球物理成果对开创地质理论新思维具有先导性作用，在这点上我国地质学家不是每个人都理解的。本文第3节所述的，就是一个生动的例子：1982年地球物理学家对该区深部榴辉岩和柯石英的预测，分别被地质学家在1991年（发现榴辉岩）和1998年（发现柯石英）所证实。
　　(3)尽管西方学者一直认为喜马拉雅造山带东西两端在俯冲时间、类型、产状和变质类型等有明显差异，高压和超高压岩石主要集中在西构造结。然而这种看法也未必是完全正确的。我国学者钟大赉教授科研小组已经在喜马拉雅东部大拐弯地区发现了石榴石—蓝晶石高压麻粒岩和石榴石辉石岩，矿物组合的p-T条件为：1.7～1.8GPa和890°C^{〔23～25〕}，这个重要发现也充分证明了东构造结的表壳岩石同样也曾经俯冲到上地幔深度，以后快速折返到地表。因此，在喜马拉雅东构造结的关键地段发现HP和UHP榴辉岩的可能性是存在的。笔者坚信，我国学者在追踪国际地球科学界新理论和新发现的同时，应当立足国内，以我为主，以新思维和创新精神加速青藏高原形成演化科学研究，使我国在国际大陆造山带动力学研究领域中占有一席之地。
感谢SpencerD和Guillot S博士向笔者提供他们发现榴辉岩的最新成果和资料，也感谢加利福尼亚大学（Riverside分校）自然科学图书馆为笔者在系统检索喜马拉雅和青藏高原研究文献时所给予的大量支持。

①国家重点基础研究发展规划项目和国家自然科学基金资助项目（49574225）成果

②O’Brien P J,Law R,The subduction and exhuniation hitory of the lndian plate during Himalayan collision:evidence from rare eclogite Anuual Report,Bayerisches Forschungsinstitut Fur Experimentelle Geochemie und Geophysik.1998.75-76

作者简介：金振民，男，1941年9月生，教授，主要从事岩石圈流变学、大陆深部构造和高温高压实验研究工作。
作者单位：中国地质大学地球科学学院，武汉，430074