西南天山超高压变质带蛇纹岩及伴生异剥钙榴岩和榴辉岩的岩石学研究

Serpentinite in subduction zone plays a crucial role in understanding the earth’s dynamic process and is an important link to the crust-mantle water and material cycle, therefore is hotly studied in the recent decades by international researchers. This project mainly focus on petrological, geochemical, geochronological studies and high-pressure experiments on the serpentinite and associated rodingite and eclogite in HP-UHP metamorphic belt, southwestern Tianshan. We will carry out Phase Equilibria Calculation on serpentinite and eclogite by using Perplex and Thermocalc software, and combined with high-pressure experiments, in order to obtain their peak metamorphism condition and P-T path. Detailed in-situ U-Pb dating and Sm-Nd isotopic analysis will be performed on perovskite found in rodingite closely associated with serpentinite, in order to limit the age of serpentinization and rodingization. Furthermore, We will study the oriented nanoscale inclusions found in antigorite by TEM and Raman spectrum to look for the possible ‘phase’ in the nature. Based on the previous research, this project will further constrain the subduction depth of southwestern Tianshan HP-UHP metamorphic belt, and be the key role in understanding the mineralogy behavior and water cycle in the deep oceanic subduction zone.

俯冲带蛇纹岩是近几十年来国际研究的热点，其深部脱水影响地幔动力学机制及壳幔水和物质循环。本申请拟对西南天山高压-超高压变质带中出露的大规模蛇纹岩及其内包裹的异剥钙榴岩和榴辉岩进行系统的岩石学、全岩和矿物化学、同位素地球化学和地质年代学以及高压实验岩石学的综合研究。利用Perplex和Thermocalc软件分别对蛇纹岩和榴辉岩进行相平衡计算，结合钛硅镁石的高压实验岩石学研究，确定其峰期变质条件和P-T演化轨迹；对与蛇纹岩密切接触的异剥钙榴岩中的钙钛矿进行详细的原位U-Pb定年和Sm-Nd同位素分析，确定蛇纹岩化与异剥钙榴岩化的时代；通过对蛇纹岩叶蛇纹石中的纳米级定向包裹体进行透射电镜和拉曼光谱分析，探索自然界中可能存在的“phase”。在前期研究基础上，本课题的研究将深化对西南天山高压-超高压变质带俯冲深度的认识，并对认识大洋俯冲带深部矿物学行为和水的深部循环有重要意义。

俯冲带蛇纹岩是俯冲带流体的重要来源，其深部脱水作用对地幔动力学影响深远，是研究俯冲带~80-200 km深度范围的地球动力学的关键，因此研究蛇纹岩的变质作用及相关特征矿物的温压稳定范围具有重要意义。中国西南天山变质带记录了大洋板片冷俯冲带的高压-超高压变质过程，蛇纹岩及包裹的榴辉岩和异剥钙榴岩以透镜体出露于UHP带的围岩变泥质岩中，含柯石英榴辉岩也在此类变泥质岩中广泛发现。本项目主要有以下研究内容和重要成果：（1）通过高压实验和岩相学相结合的方法，确定了西南天山蛇纹岩经历了超高压变质，峰期温压条件为：520 ± 10 ºC，>37 ± 7 kbar，折返深度为~90-110km，为目前世界上折返的最深的蛇纹岩；（2）UHP叶蛇纹石中发现了纳米级定向包裹体，Raman光谱数据、TEM数据和同步辐射X-ray数据等都表明这些片晶状包裹体是3.65Å phase。这是首次在自然界中发现3.65Å phase。该矿物相的高含水量和高压低温稳定特征表明，其寄主岩石是冷俯冲洋壳的一部分，才得以保存这种极端矿物相。这种俯冲带是连接地球表面和深部地幔之间水循环的纽带；（3）在蛇纹岩与异剥钙榴岩接触带blackwall中发现变质成因钙钛矿，通过SIMS U-Pb定年确定其平均年龄为308±5Ma，单个点年龄为317±11Ma，这与区域上峰期变质时代~320Ma相近，从而确定了蛇纹岩的变质时代和构造归属；（4）确定了包裹在UHP蛇纹岩中的榴辉岩的峰期变质条件为~460-505ºC, 28-35kbar，和P-T演化轨迹。蛇纹岩的浮力为榴辉岩的折返提供动力；（5）通过研究蛇纹岩中的锆石，总结超基性岩中的锆石的可能成因和意义，通过锆石的研究追溯超基性岩的演化历史；（6）通过TEM研究高压实验叶蛇纹石样品的晶格结构，确定叶蛇纹石的a轴晶胞参数随温度、压力的变化规律。在没有特征变质矿物的蛇纹岩中，通过叶蛇纹石的矿物特征可以半定量的确定蛇纹岩经历的温压条件。.通过本课题的研究，确定超基性岩体是天山HP-UHP变质带的重要组成部分，深化了对西南天山高压-超高压变质带俯冲深度的认识，并对深部矿物学行为和壳幔水循环有了新的认识。