喜马拉雅造山带东构造结变形—变质作用和深熔作用的研究进展和问题

董汉文

中国地质科学院地质研究所，北京，100037

内容提要: 大陆碰撞造山带的造山过程是通过“变形—变质—深熔”自组织系统的高度耦合和时空上演化来实现的。因此，对经过强烈抬升的造山带核部的变形—变质—深熔作用的“三位一体”研究，为认识碰撞造山带的动力学背景具有重要的科学意义。笔者系统总结了大陆碰撞造山带内的变形和变质作用与深熔作用的研究进展，梳理了喜马拉雅东构造结在变形—变质作用和深熔作用方面的研究现状和存在问题，讨论并展望了未来的研究方向。

大陆碰撞造山带是一个非平衡的开放系统，造山过程是一个能量消耗过程，造山带通过变形—变质—深熔作用的自组织系统来建立耗散结构，表现为大量深部流体或熔体的萃取、聚集、运移、侵位和部分丢失(Brown，2007)。地壳深熔作用是造山带中普遍的地质过程，主要表现为形成混合岩和淡色花岗岩体，是构造变形、高级变质作用与岩浆作用之间高度耦合的重要体现，是联接深部过程和浅表作用的重要纽带(曾令森等，2008；于胜尧等，2014)。在众多大陆碰撞造山带构造演化过程中，混合岩从下地壳快速逆冲到中上地壳是最重要的构造相之一(Hollister，1993)，呈构造脉冲(tectonic surge)的形式普遍存在。这种快速地质作用直接决定了大型造山带深部物质的迁移、浅表物质的响应，以及造山带地貌和水系的形成和演化。

近年来，由于地球系统科学研究理念的不断深入，人们开始重视深部作用过程与浅表构造相互耦合作用。在众多的大型造山带中，如喜马拉雅造山带、大别—苏鲁造山带、柴北缘HP/UHP变质带和格陵兰加里东造山带，变形作用与地壳深熔通过熔体弱化和剪切生热相互作用(Brown and Rushmer，1997；Brown and Solar，1998；Ding Huixia et al., 2021)，变形作用通过流体迁移和应变能促进变质作用；变质作用导致成分与变形机制的改变，与地壳深熔通过矿物组合转变和熔体—矿物反应相互影响(Wallis et al., 2005；Brown，2007，2010；曾令森等，2008；Labrousse et al., 2011)。前人的这些研究，大力加强了地球科学界对造山带内构造变形和变质作用与地壳深熔作用之间相互作用关系的关注。

基于大陆碰撞造山带内变形和变质作用与深熔作用的重要性，笔者总结了前人在该领域的研究进展，重点总结了大陆碰撞造山带内的深熔作用及其与变形、变质等的关系；在此基础上，以喜马拉雅东构造结为例，讨论了当前存在的问题，并展望了未来的研究方向，为该地区的下一步研究提供了参考。

1 大陆碰撞造山带内的深熔作用

图1 构造、温度梯度、部分熔融程度及应变承载方式剖面图(据曾令森等，2008)Fig. 1 Cross-section showing covariation among the structure, thermal gradient, degrees of partial melting, and loading framework (from Zeng Lingsen et al., 2008&)

地壳深熔作用是大型造山带构造演化中的重要地质作用(Hollister and Crawford, 1986； Hollister，1993; Brown, 2007)，是连接地壳深部高级变质作用、构造变形及浅表地质作用的重要纽带。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。例如，大陆下地壳的深熔作用强烈地降低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(Hollister and Crawford, 1986； Hollister，1993)。实验研究已表明固体与熔体之间的强度差别达几个数量级(Rosenberg and Handy, 2005)。含少于10%熔体的岩石的峰值差异强度约在100 MPa 的量级上，明显高于完全熔融岩石，其差异强度在几个至几十兆帕之间(Renner et al., 2000)。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。野外观测揭示了：在许多混合岩中，以浅色体为代表的部分熔融体或经常平行于原始层面，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(Brown and Rushmer, 1997；Brown and Solar, 1998)。熔体的出现强烈地制约着应变分解作用并且影响同变质岩石的机械强度，即使部分熔融体的尺度在毫米—厘米的尺度上。其分解样式在两相或多相岩石的变形中，弱相和强相的相对含量及相对强度的差异控制着应变的分解(图1，曾令森等，2008)。

1.1 大陆碰撞造山带内的变形作用与深熔作用

影响地壳物质发生部分熔融的因素很多，其中变形作用是不容忽视的重要因素之一。深部地壳岩石在高温条件下发生位错蠕变、颗粒边界滑移、动态恢复与重结晶的塑性变形(王勤等，2007)，并发生部分熔融，导致下地壳固态物质韧性流动而形成隧道流挤出；相应地，熔体的产生也会弱化岩石的流变学性质，从而促进深俯冲大陆地壳的解耦和快速折返 (Labrousse et al., 2011)，并加快大陆地壳的变形(Brown，2006；Brown and Solar，1998；Clark and Royden，2000；Beaumont et al., 2001；Rosenberg and Handy，2005；王勤，2007；曾令森等，2008)。总之，有关深熔作用岩石流变学和构造变形机制的研究对认识地壳变形、地壳的成份分异、高级变质岩的折返及地壳隧道流等地质过程有着至关重要的作用。例如，实验岩石学家提出，当地壳深熔作用产生的熔体达到或超过20%～25%(Vigneresse and Tikoff，1999)，进一步聚集和分离，在浮力、差应力及构造变形等共同作用下，上升迁移至上地壳韧—脆性转换带，就位形成花岗岩体，最终导致地壳的成份分异(Brown，2006)。

Levine 等(2013)在科罗拉多普韦布洛山(Wet Mountains )系统研究了构造变形与部分熔融和岩浆作用之间的关系，指出应变的差异会导致不同程度的深熔作用，例如在上地壳发育少量且垂直或斜交面理面的花岗岩(脉)，而在中地壳则发育大量平行面理面的花岗岩(脉)。在拉达克和巴基斯坦北部的喀喇昆仑右行走滑断裂也有类似的现象，沿着断裂两侧出露大量花岗岩、角闪岩相变质岩、混合岩、平行面理的淡色花岗岩(脉)以及岩墙群(Phillips and Searle，2007；Searle and Phillips，2007；Phillips et al., 2013)。Levine等(2013)发现在熔体产生的区域构造变形特别强烈，相应地，熔体主要发育在剪切带内。由此可见，变形作用与深熔作用无疑具有密不可分的关系。目前，关于二者之间的因果关系仍然不清楚。是剪切带内构造变形导致了熔体的产生和运移(Brown and Solar，1998；Brown，2006)，还是熔体的产生促进了剪切带构造变形的发生？是剪切热导致混合岩和花岗岩的形成，并通过剪切带活动运移至地表(Lacassin et al., 2004；Weinberg and Mark，2008)，还是这些混合岩和花岗岩的形成与剪切带无关，而是由区域变质作用所形成(Phillips and Searle，2007；Phillips et al., 2013)？要解决这些关键地科学问题，首先要对这些混合岩和花岗岩的岩浆组构、矿物组成特征、变形温度等进行精细的研究。

1.2 大陆碰撞造山带内变质作用与深熔作用

在大陆碰撞造山过程中，高级变质岩石在俯冲和折返过程中经历了进变质、峰期变质和(多期)退变质等复杂的变质演化阶段(王勤等，2005)，深熔作用在高级变质岩中普遍发生(曾令森等，2008)，有效识别深熔作用发生的时间和温压条件对于揭示高级变质岩石的深熔作用与变质作用之间的联系具有重要意义(Hollister and Crawford，1986)。喜马拉雅造山带是典型的大型、热碰撞造山带(Large hot orogen)(许志琴等，2013；Cottle et al., 2015)，中下地壳发生了广泛地深熔作用(图2)，其中高喜马拉雅(GHS)是中下地壳物质折返至地表的产物，发生过强烈部分熔融，近年来的相平衡模拟及熔体含量与成分计算表明，高喜马拉雅中的变泥质和长英质岩石在高温和高压条件下可发生高程度(20%～30%)部分熔融，生成淡色花岗岩质成分的熔体(Kohn，2014；张泽明等，2017)。

目前，关于GHS的部分熔融机制有3种不同观点：①通过大量野外观察、年代学、地球化学以及实验和模拟研究，有相当多的研究者认为，部分熔融主要是由于GHS的快速折返降压所引起，而且多认为熔融发生在从蓝晶石稳定域到夕线石稳定域的近等温降压过程中(Harris and Massey，1994；Harris et al., 1995，2004；Harrison et al., 1998；Knesel and Davidson，2002；Zhang Hongfei et al., 2004；Aoya et al., 2005；King et al., 2011)。②一些学者认为深熔作用可能发生在低压下近等压加热阶段 (Visonà and Lombardo，2002；Streule et al., 2010)。Visonà等(2012) 认为淡色花岗岩中的红柱石是一个早期的岩浆转熔相，表明岩石的部分熔融发生在低压(<4 kbar)条件下。Groppo等(2013)研究表明，含堇青石的混合岩位于GHS上部构造层位，而且就在广泛分布的、以小岩体或网状岩墙产出的始新世淡色花岗岩体之下。这些混合岩经历了在低压下的近等压加热进变质熔融，是含红柱石淡色花岗岩的源区。③一些学者在岩相学观察、年代学分析和实验模拟的基础上认为GHS的部分熔融很可能主要发生在增压增温或降压增温进变质过程中(Godin et al., 2001；Zhang Hongfei et al., 2004；Lee and Whitehouse，2007；Rubatto et al., 2013)。

值得注意的是，近年来的研究显示喜马拉雅造山带记录了多重深熔事件(吴福元等，2015)，从碰撞造山早期的增厚阶段至后期的伸展垮塌阶段(侯增谦等，2020)，地壳物质发生不同类型的部分熔融，如白云母和黑云母脱水熔融(Harris et al., 1995；Streule et al., 2010； Visonà et al., 2012；Rubatto et al., 2013；Gaidies et al., 2015)，或者注水熔融(King et al., 2011；Gao Li’e and Zeng Lingsen，2014；Zeng Lingsen et al., 2014)，亦或者二者共同作用(Pognante and Lombardo，1989；Knesel and Davidson，2002)。在早期增厚阶段，深部地壳岩石可能由于增厚地壳的热松弛作用或由于来自深部地幔的外来热作用，基性物质发生部分熔融，形成富钠过铝质花岗质熔体(Zeng Lingsen et al., 2012)；在后期伸展垮塌阶段，快速减压作用导致含水矿物(如黑云母和白云母)的脱水部分熔融作用，形成富钾过铝质花岗岩熔体(Harris and Massey, 1994; Harris et al., 1995；Harrison et al., 1997；Searle et al., 1997；Zhang Hongfei et al., 2004；张宏飞等，2005；Zeng Lingsen et al., 2011)。

图2 喜马拉雅造山带高级变质岩的变质作用P—T轨迹(据Kohn，2014)Fig. 2 P—T paths calculated for main belt of the high-grade metamorphic rocks in the Himalayan orogenic belt (after Kohn, 2014) KFMASH—利用程序THERMOCALC计算时选择的K2O—FeO—MgO—Al2O3—SiO2—H2O)体系；NaKFMASH—利用程序THERMOCALC计算时选择的Na2O—K2O—FeO—MgO—Al2O3—SiO2—H2O体系KFMASH—selected K2O—FeO—MgO—Al2O3—SiO2—H2O) system when calculating using THERMOCALC; NaKFMASH—selected Na2O—K2O—FeO—MgO—Al2O3—SiO2—H2O system when calculating using THERMOCALC

2 喜马拉雅东构造结

喜马拉雅造山带是世界上最年轻且仍在活动的陆陆碰撞型造山带，较完整地记录了与大陆深俯冲—快速折返伸展作用等相关的变形、变质和岩浆作用的重要信息(Hodges，2000；Yin An，2006；丁林等，2017；李海兵等，2021；许志琴等，2022)，是研究碰撞造山带深部物理和化学过程、检验造山作用理论和模型的天然野外实验室(曾令森等，2017)。喜马拉雅东构造结(南迦巴瓦)处于印度大陆东犄角与拉萨地体交汇点(Holt et al., 1991)，内部结构十分复杂，是一个经历过多期复杂地质演化历史，由不同层次、不同时期和形成于不同构造环境地质体所组成的高级变质杂岩体(丁林等，1995；钟大赉和丁林，1995；丁林和钟大赉，2013)，是研究大型碰撞造山带中深熔和变质作用与构造变形互馈关系的绝妙窗口。

由南迦巴瓦群组成的南迦巴瓦变质体自北而南的总体形态呈现由SN转为NEN—SWS方向的几何学特征，北窄(10 km)南宽(60 km)，外侧为倒“U”形的印度斯—雅鲁藏布江大拐弯缝合带所围限(图3)。在区域上，南迦巴瓦变质体是高喜马拉雅岩片东段的组成部分，高喜马拉雅—南迦巴瓦岩片的南缘通过主中冲断层(MCT)逆冲在由早古生代浅变质岩系组成的低喜马拉雅岩片之上，在南迦巴瓦岩片内部出现被MCT圈闭的低喜马拉雅构造窗。根据岩性、变质程度、变形特征及构造边界的性质，前人将南迦巴瓦变质体进一步分为4个岩石构造单元(自NW至SE)：比鲁构造岩片、直白构造岩片、南派乡构造岩片和多雄拉变质穹窿(图3，许志琴等，2008)。其中多雄拉变质穹窿位于南迦巴瓦变质体东南部，由多雄拉组混合岩化的黑云斜长角闪岩及富铝质片麻岩组成，大量长英质透镜、眼球体(图4a)和条带(图4b)贯入岩石之中可作为强烈混合岩化和熔融的标志。多雄拉组构成一个变质—熔融的背形构造，其西部面理向西、东部面理向东倾斜(图4c)，倾伏角20°～30°，受南迦巴瓦变质体的东、西边界断裂的影响，使背形构造的两侧产状变陡(图4d)。

前人对该地区的高压麻粒岩进行了多年研究(钟大赉和丁林， 1995；丁林等，1995； Burg et al., 1997；丁林和钟大赉，1999；张进江等，2003；Booth et al., 2004，2009；Guilmette et al., 2011；Xu Zhiqin et al., 2012；Zhang Zeming et al., 2010，2015；Zeng Lingsen et al., 2012；Dong Hanwen et al., 2016)，在变质作用和深熔作用方面取得了大量成果。

图3 喜马拉雅造山带东构造结地质简图(据Xu Zhiqin et al., 2012修改)Fig. 3 Geological sketch map of the Eastern Himalayan syntaxis (from Xu Zhiqin et al., 2012)

图4 喜马拉雅造山带东构造结多雄拉穹隆野外照片:(a)、(b) 多雄拉混合岩中发育不同形态的淡色体；(c)多雄拉穹窿核部产状平缓；(d) 多雄拉穹窿西界产状向西陡倾Fig. 4 Outcrop observations of the Duoxiongla dome in the Eastern Himalayan syntaxis：(a)，(b) different patterns of the leucosomes in the Duoxiongla migmatite; (c) the core of the Duoxiongla dome with gently occurrence; (d) the western boundary of the Duoxiongla dome dips steeply to the west

2.1 变质作用研究现状

南迦巴瓦变质体内发育的高压麻粒岩受到了广泛的关注，但这些变质岩的变质时代和演化过程(即P—T条件)仍然存在较大的分歧。①变质时代：有关南迦巴瓦变质体的变质时代可从40 Ma变化到7 Ma(Ding Lin et al., 2001； Xu Wangchun et al., 2010；Zhang Zeming et al., 2010，2015)。对这些定年结果有不同的解释，高压峰期的变质时代也有较大争议，如40～30 Ma(Ding Lin et al., 2001；Zhang Zeming et al., 2010，2015)、29.2～10.2 Ma(田作林等，2017)、以及25～20 Ma(Xu Wangchun et al., 2010；Zhang Zeming et al., 2012；刘凤麟和张立飞，2014)。Ding Lin等(2001) 认为约40 Ma 的变质和岩浆作用是有流体参与的高级变质作用，而小于25 Ma 的地壳深熔作用与快速折返相关的减压部分熔融相关(Ding Lin et al., 2001；Booth et al., 2004)，田作林等(2017)认为从29.2～10.2 Ma的连续变质年龄代表了退变质年龄，与此同时，其他学者也获得了类似的结果，认为约18 Ma经历了角闪岩相变质作用(Xu Zhiqin et al., 2012；Su Wen et al., 2012)。②P—T条件：钟大赉和丁林(1995)认为南迦巴瓦变质体中基性高压麻粒岩的峰期温压条件为14～15 kbar和800℃；刘凤麟和张立飞(2014)认为高压麻粒岩峰期温压条件为13.7 kbar和904℃；最近，田作林等(2017)也获得了类似的结果，认为石榴角闪岩的峰期温压条件为约11.5 kbar和790℃。

2.2 深熔作用研究现状

在南迦巴瓦地区，中下地壳变基性岩在10 Ma以来发生广泛的不同程度的深熔作用，主要表现为大面积出露的淡色花岗岩(脉)和不同性质的混合岩。淡色花岗岩(脉)侵入到印度板块的基底岩石中，变泥质岩和变基性岩广泛发育混合岩化。混合岩化角闪岩包裹的淡色体具有相似的主量元素特征，即富Na和Ca过铝花岗质。实验岩石学和野外研究表明，富Na过铝花岗质熔体形成机制有两种：变泥质岩在高压条件下(>10 kbar)的水致部分熔融(Patio Douce and Harris, 1998; Zeng Lingsen et al., 2012)或基性岩(如角闪岩)部分熔融(Zeng Lingsen et al., 2011)。年代学研究结果显示，这些混合岩和淡色花岗岩记录了多期深熔作用事件，高利娥等(2009)和Zeng Lingsen等(2011)分别在雅拉香波地区发现约35 Ma淡色花岗岩和约43 Ma二云母花岗岩具有高SiO2、Na2O、Sr/Y值特征，并认为该富Na过铝质花岗岩是角闪岩脱水部分熔融形成； Zeng Lingsen等(2012)报道了南迦巴瓦地区21～25 Ma变泥质岩水致部分熔融形成的富Na和Ca淡色花岗岩；同时基性麻粒岩及其中的二云母花岗质浅色体记录了约11 Ma 的地壳深熔作用(Ding Lin et al., 2001)；而混合岩(原岩年龄为484±3 Ma)中浅色体形成于2.9～3.9 Ma (Burg et al., 1997)。

3 存在的主要问题与建议

喜马拉雅东构造结(南迦巴瓦)是喜马拉雅碰撞造山带中构造应力最强、新生代深熔作用和变质作用最剧烈的地区，也是印度板块高角度俯冲致使东构造结隆升和剥蚀最快的地区，其中保存了印度与欧亚板块碰撞造山过程中变形作用、变质作用和地壳深熔作用的重要信息(Ding Lin et al., 2001；Booth et al., 2004，2009；Xu Zhiqin et al., 2012)，特别是具有强烈混合岩化的多雄拉变质穹窿体是研究变形—变质—深熔“三位一体”的天然野外实验室。尽管前人已经分别对变质作用、深熔作用等方面做了大量的工作，但是就变形—变质作用与深熔作用之间的互馈关系仍不清楚，具体问题如下：

3.1 不同尺度变形作用如何制约深熔作用

毫无疑问，深熔作用与构造变形作用密切相关，但是在南迦巴瓦多雄拉穹窿，不同尺度的变形作用如何制约深熔作用仍然不清楚。例如，在宏观上，深熔作用与区域规模的变形构造(如区域褶皱或韧性剪切带等)和露头尺度的变形构造(如小褶皱、面理和线理等)的关系如何？在显微及超微尺度上，深熔作用与显微变形作用如何相互制约?

3.2 深熔作用与变质作用的关系

大量的研究显示，高级变质作用与深熔作用具有相似的时空分布，实验岩石学结果同样证实二者具有一定的成因联系，如深熔作用过程中熔体成分随原岩成分和温压条件的变化而发生明显改变(Patio Douce，2005；Moyen，2009；于胜尧等，2013)。但在南迦巴瓦地区多雄拉穹窿，二者之间的时空分布及成因关系还缺乏详细的解剖。在空间上(不同尺度：区域、露头及显微)，不同类型和不同变质阶段的变质作用(UHP变质作用或麻粒岩相变质作用，进变质、峰期或退变质作用)与深熔作用的关系如何？在成因上，不同的变质作用(包括不同类型变质反应或变质脱水熔融反应等)怎样制约深熔作用？

3.3 变形/变质作用与深熔作用之间存在怎样的互馈关系

在诸多不同类型造山带构造演化中，地壳深熔作用普遍存在，是构造变形与高级变质作用之间的有机连接。以淡色花岗岩和混合岩为代表的部分熔融作用具有阶段性，在每一个阶段都伴随着不同程度的构造变形和变质作用。但到目前为止，有关深熔作用与变形/变质作用之间存在怎样的互馈关系仍尚未解决。对这些问题的探讨不仅在深化理解多雄拉穹窿本身和喜马拉雅造山带的构造演化，而且对确定影响地壳岩石部分熔融的构造环境、温压条件、岩石物理化学特征等因素都具有重要意义。

4 结论

喜马拉雅东构造结(南迦巴瓦)是喜马拉雅碰撞造山带中构造应力最强、新生代岩浆—深熔作用和变质作用最剧烈的地区，也是印度板块高角度俯冲致使东构造结隆升和剥蚀最快的地区，其中保存了印度与欧亚板块碰撞造山过程中变形作用、变质作用和地壳深熔作用的重要信息，特别是具有强烈混合岩化的多雄拉变质穹窿体是研究变形—变质—深熔“三位一体”的天然野外实验室。虽然前人已在构造变形、变质和深熔作用各个方面做了大量的研究，但这些高级变质—深熔岩石与构造变形机制以及岩石流变的关系方面的研究还非常缺乏。正如Brown和Rushmer(1997)指出的：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。

因此，在未来的研究当中，需要重点考虑这些问题：①多雄拉穹窿变质—深熔岩石的变形特征; ②变质和深熔作用的期次及时限；③变质—深熔岩石的流变行为和构造变形机制；④不同期次、不同熔融程度岩石的流变特征及其与喜马拉雅东构造结造山过程的耦合关系。

致谢：1922年2月3日中国地质学会正式成立，至今已有100年的历史。百年华诞，一个值得纪念的日子，特以此文纪念中国地质学会成立100周年，致敬一代又一代的地质工作者。两位审稿专家提出宝贵的修改意见对提高本文质量起到重要作用，在此一并表示衷心的感谢！