大别山超高压变质岩的显微构造与有效黏度

顾筱彤，王 勤

内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023

1 引言

俯冲带提供了穿越地球层圈结构的物质与能量交换的通道，俯冲带的构造变形常常与变质作用、流体活动和部分熔融相伴，一直是国际地学研究的热点（e.g., van Keken et al., 2002; Hacker et al., 2003; Zhao and Ohtani, 2009; Vannucchi et al.,2012）。俯冲板块界面（subduction plate interface）指俯冲板片与上盘的构造边界，包括顶板滑脱层、底板滑脱层以及这两个构造边界中间的部分，板块界面的力学耦合程度控制了俯冲板块界面的构造演化以及俯冲板片和上盘的相互作用（Vannucchi et al., 2012）。俯冲板块界面的厚度可从浅部的厘米—米级（Saffer and Tobin, 2011）到深部的公里级（Agard et al., 2016），它与俯冲隧道的区别在于：俯冲隧道具有俯冲物质的连续回流（continuous return flow）（Gerya et al., 2002; 李忠海等 , 2015），而板块界面复杂的几何学形貌可能导致局部界面厚度为零，不存在隧道流。

俯冲板块界面中的物质可包括沉积物、长英质到镁铁质的火成岩和变质岩、橄榄岩，这些岩石一部分持续俯冲并参与深部地幔循环，另一部分在一定的动力学条件下快速折返。目前全球已发现了20余个含柯石英、微粒金刚石或超硅石榴石的超高压变质带，表明陆—陆碰撞时大陆物质的俯冲和折返是造山带演化的重要环节（Chopin,2003; Liou et al., 2009; Zheng, 2012）。折返的超高压变质岩记录了俯冲隧道发生的变质作用、流体-熔体活动及构造变形，是研究俯冲带构造变形的重要基础。榴辉岩常用来代表俯冲的基性下地壳或者中—上陆壳的基性组分，而长英质片麻岩和泥质片麻岩是超高压变质带中分布最广泛的岩石，代表了俯冲的中—上陆壳。

前人研究表明：榴辉岩中的绿辉石常发育晶格优选定向（lattice preferred orientation，简称LPO），而石榴子石表现为无序分布，后期的退变质作用会改变榴辉岩的矿物组成和显微构造（Bascou et al.,2001; Mauler et al., 2001; Ji et al., 2003; Zhang and Green,2007; Wang et al., 2009）。长英质片麻岩和泥质片麻岩只在锆石中保留了早期的超高压变质记录（Liu and Liou, 2011），石英的LPO反映了折返后期的韧性变形（Xu et al., 2009; Barth et al., 2010; 徐翔和王勤,2009），对超高压变质岩的长石和角闪石的组构研究较少。大别-苏鲁超高压变质岩异常低的δ18O特征表明它们的原岩经历了大气降水热液蚀变，属于表壳岩，在俯冲 —折返过程中的流体活动非常有限，折返速率很快（Zheng et al., 1998, 2009）。全球超高压变质带都以长英质片麻岩和泥质片麻岩为主，这表明俯冲板片的上—下地壳之间发生了力学解耦，折返的主要是上地壳物质。

虽然位错蠕变是形成矿物LPO的主要机制，但是Gerya和Stöskhert（2002）根据动力学数值模拟提出：俯冲隧道中的应力太低，难以驱动超高压变质岩整体发生位错蠕变并快速折返，变形应集中在韧性剪切带并受扩散蠕变控制，超高压变质岩的有效黏度控制了俯冲隧道的顶板滑脱层和底板滑脱层的构造演化以及岩石的折返速率。但是在俯冲隧道中，变质过程如何影响榴辉岩和围岩的变形机制和流变强度，并促使超高压变质岩从俯冲到折返的转变尚不清楚。

为研究俯冲隧道中高压—超高压变质岩的折返机制，本文选取大别山超高压变质带典型的榴辉岩和长英质片麻岩样品，使用电子背散射衍射技术（electron backscatter diffraction，简称EBSD）获得主要矿物的晶格优选定向，并根据矿物的流变学本构方程探讨相变对俯冲隧道中超高压变质岩的有效黏度的影响。

2 地质背景和样品描述

大别-苏鲁造山带形成于早三叠世华南板块和华北板块的陆—陆碰撞，在榴辉岩、片麻岩、片岩、大理岩、硬玉石英岩等岩石中都发现了柯石英、微粒金刚石等超高压矿物，证明扬子板块的巨量陆壳物质曾经俯冲到华北板块下超过100 km并快速折返（Xu et al., 1992; Liu et al., 2001; Zheng, 2008 and reference therein）。大别山从北至南可划分为5个构造单元：北淮阳绿片岩相变质带，北大别高温—超高压变质带、中大别中温—超高压变质带、南大别低温—超高压变质带，宿松低温—高压变质带（图1）。北大别高温—超高压变质带主要由角闪岩相至麻粒岩相的正片麻岩和混合岩组成，有少量含金刚石的榴辉岩透镜体，变质峰期温度为800～950℃，压力＞3.5 GPa（Liu et al., 2007,2011）。中大别中温—超高压变质带由含榴辉岩、橄榄岩透镜体的片麻岩、片岩、大理岩等组成，主要出露在菖蒲—五庙—新店—野寨—双河一带，变质峰期温度为650～750℃，压力＞3.5 GPa（图2）（e.g., Wang and Liou, 1991; Xu et al., 2003; Wu et al.,2006; 刘贻灿和李曙光, 2008; Gao et al., 2011, 2015;Zheng et al., 2011）。南大别低温—超高压变质带主要由含榴辉岩透镜体的副片麻岩组成，出露在黄镇、朱家冲一带，变质峰期温度为670℃，压力为～3.3 GPa（Li et al., 2004; Shi et al., 2014）。

大别山超高压变质岩的锆石U-Pb年龄、角闪石和云母40Ar/39Ar年龄表明：中大别和南大别一起经历了245～241 Ma的超高压进变质作用并在236～225 Ma达到超高压变质峰期，之后开始折返，经历了225～215 Ma的高压榴辉岩相退变质作用、215～205 Ma的角闪岩相退变质作用以及195～191 Ma的绿片岩相变质作用，中大别比南大别俯冲更深，具有更快的折返速率（e.g., Hacker et al., 1995; Zheng et al., 2003; Liu et al., 2007; Liu and Liou, 2011; 徐翔和王勤，2019）。

图1 大别山地质简图与采样位置(修改自Liu et al., 2011)Fig.1 Simplified geological map of the Dabie Mountains and sample locations (modified after Liu et al., 2011)

图2 中大别典型超高压变质岩的P-T轨迹Fig.2 P-T path of typical ultrahigh-pressure metamorphic rocks from the central Dabie orogen

本文在中大别和南大别的碧溪岭、新店、双河、野寨、花亭湖等地采集了两块新鲜榴辉岩、三块退变质榴辉岩和两块长英质片麻岩（图1和表1）。样品均进行了野外定向，以拉伸方向为X轴，垂直于面理方向为Z轴。在大别山超高压变质带，榴辉岩常作为片麻岩、片岩、大理岩、硬玉石英岩中的构造透镜体或夹层，发育布丁构造（图3a）。但是在野寨、双河、花凉亭等地也可以观察到榴辉岩与围岩一起发生褶皱变形，在褶皱翼部榴辉岩形成布丁构造（图3b）。榴辉岩中可见由富石榴子石层和富绿辉石层形成的面理，可能与变质过程中的成分分异有关（图3c）。这些变形特征表明在俯冲隧道里，榴辉岩相对围岩具有较高的有效黏度，应变主要由长英质片麻岩等围岩承担。但是，局部地区榴辉岩的有效黏度可以显著下降，与围岩一起发生强烈的塑性变形。此外，野寨、双河、花凉亭等地都观察到强变形的长英质片麻岩出现混合岩化（图3d），表明中大别的变质温度虽然低于北大别，但是局部地区长英质片麻岩的混合岩化可导致应变集中。

表1 大别山超高压变质带榴辉岩和片麻岩采样信息Table 1 Sample locations of eclogites and felsic gneisses from the Dabie ultrahigh-pressure metamorphic belt

图3 大别山超高压变质岩的露头照片Fig.3 Outcrops of ultrahigh-high pressure metamorphic rocks from the Dabie Mountains

3 化学成分分析

全岩的主量元素含量在南京大学成矿机制研究国家重点实验室使用X射线荧光光谱（简称XRF）获得（表2）。矿物的主量元素含量在中国科学技术大学中国科学院壳幔物质和环境实验室，使用日本岛津EPMA 1600电子探针测量，探针束流20 nA，加速电压15 kV，电子束斑 5 μm，标样选用美国SPI矿物，所有数据均采用ZAF校正处理程序完成（表3）。

如表3所示，碧溪岭新鲜榴辉岩样品1-7和1-8的Al2O3含量高于18%，Fe2O3含量较低，CaO含量较高，为高铝型榴辉岩，其石榴子石的平均成分为Gr35.1Py31.3Al33.7。而退变质榴辉岩的Fe2O3含量明显升高而CaO含量明显降低，石榴子石的平均成分为Gr23.5Py23.0Al52.3，绿辉石的铁含量明显升高。长英质片麻岩的斜长石(An13)与退变榴辉岩中后成合晶里的斜长石成分(An12)基本一致。

4 组构分析

电子背散射衍射（electron backscatter diffraction，简称EBSD）实验在南京大学成矿机制研究国家重点实验室完成，使用配备了牛津仪器公司Nordlys EBSD探头的扫描电镜JEOL JSM-6490，加速电压为20 kv，束斑大小为70 µm，放大200倍，工作距离为17～20 mm。实验时将精细抛光的薄片呈70°角放置在样品仓内，使用手动模式获得矿物颗粒的衍射花样并使用Channel 5软件自动标定颗粒取向。后成合晶中的角闪石和斜长石因为粒径太小，没有进行EBSD测量。使用Mainprice (1990)的软件获得石榴子石、绿辉石、石英、斜长石和角闪石的极图。

5块榴辉岩样品中的石榴子石不论是否平行面理压扁拉长，在极图上均表现为无序分布，组构强度pfJ约等于1（图5）。而绿辉石发育了强烈的LPO，[001]轴形成平行或近平行于拉伸线理的极密，（100）面的法线近垂直于面理，属于L型组构（图6）。退变榴辉岩8-1和11-3的角闪石含量较高，样品8-1的角闪石[001]轴的极密近平行线理，(010)面的法线近垂直面理，表明(010)[001]是主控位错滑移系（图7）。而样品11-3的角闪石[001]轴形成近平行面理的环带，(100)面的法线形成近垂直面理的极密，表明(100)[001]是主控位错滑移系。与条带状退变榴辉岩8-1相比，块状退变榴辉岩11-3的绿辉石和角闪石组构强度都较低，与在露头观察的二者变形程度的差异一致。

图4 大别山榴辉岩和片麻岩样品的显微照片Fig.4 Photomicrographs of eclogite and felsic gneiss samples from the Dabie Mountains

如图8所示，长英质片麻岩样品6-1和9-4的石英c轴在靠近Z轴处极密，a轴近平行于线理，以低温底面滑移(0001)＜a＞为主控位错滑移系。退变榴辉岩8-1的石英c轴在靠近Z轴和Y轴处形成两个极密，a轴近平行于线理，表明(0001)＜a＞的低温底面滑移和{1010}＜a＞的中温柱面滑移共同作用。因此，三个样品中石英的组构记录了超高压变质岩折返到中地壳的韧性变形。

表2 大别山超高压变质带榴辉岩和长英质片麻岩样品的主量元素成分(wt%)Table 2 Bulk compositions (wt%) of eclogite and felsic gneiss samples from the Dabie ultrahigh-pressure metamorphic belt

表3 榴辉岩样品中石榴子石和绿辉石的主量元素成分(wt%)Table 3 Major elements abundance (wt%) of garnet and omphacite from eclogite samples

两块长英质片麻岩中的斜长石成分相同，经历的P-T轨迹近似，但是发育了不同的组构类型（图9）。样品6-1斜长石的[110]的极密平行线理，[001]的极密垂直面理，[100]轴围绕Y轴分布，表明(001)＜110＞为主控位错滑移系。而样品9-4中的斜长石[100]轴形成近平行于线理的极密，(010)的法线近垂直于面理，指示了(010)[100]为主控位错滑移系。样品6-1和9-4的斜长石都没有核幔构造，发育了亚晶粒旋转重结晶，而样品9-4的斜长石还具有颗粒边界迁移重结晶（图4g-h）。

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对天然变形和实验变形的长石研究表明：长石的位错攀移和动态重结晶在450～600℃开始，可形成核幔构造；＞600℃，位错攀移和动态恢复可导致长石发生亚晶粒旋转重结晶（Passchier and Trouw,2005）。在中高级变质条件下，斜长石的主控位错滑移系是 (010)[001]和 (001)＜110＞ (Ji and Mainprice,1988, 1990; Stunitz et al., 2003; Svahnberg and Piazolo,2010)。随着温度升高（＞850℃），斜长石的位错滑移方向可转变为[100]，发育(010)[100]组构(Egydio-Silva et al., 2002; Ji et al., 2004)。新店的长英质片麻岩样品6-1位于大别中温—超高压变质带，其峰期变质温度比来自花亭湖韧性剪切带的样品9-4高50～100℃。但是样品9-4是混合岩化片麻岩，较高的含水量导致岩石在相对低温的条件下发生部分熔融，因此，斜长石的组构形成于折返到下地壳的角闪岩相变质条件，熔体参与的变形可能是样品9-4的斜长石的组构强度更高，而且发育(010)[100]滑移系的原因。

5 相变对超高压变质岩有效黏度的影响

对在一级近似上，大陆上地壳、下地壳的流变学行为可以分别用石英、斜长石的流变律来拟合（Bürgmann and Dresen, 2008）。由于折返过程中柯石英会退变质成为α-石英，因此，对柯石英的变形机制和流变强度的研究主要基于高温高压实验。Renner等（2001）在3.1～3.7 GPa对柯石英进行流变学实验，发现位错蠕变是柯石英的主控变形机制。Zhang等（2013）发现苏鲁仰口榴辉岩中的柯石英发育了微弱的LPO，在变形实验中，超高压条件下柯石英会发育[100](010)组构，而高压下随着应变的增加石英发育c滑移，柯石英的流变强度＞绿辉石/硬玉＞石英。

图5 大别山榴辉岩中石榴子石的晶格优选定向Fig.5 Lattice preferred orientation of garnet from the Dabie eclogite samples

图6 大别山榴辉岩中绿辉石的晶格优选定向（说明见图5）Fig.6 Lattice preferred orientation of omphacite from the Dabie eclogite samples（Abbreviations are the same as Fig.5）

图7 大别山退变榴辉岩中角闪石的晶格优选定向（说明见图5）Fig.7 Lattice preferred orientation of hornblende（Abbreviations are the same as Fig.5）

图8 大别山片麻岩和退变榴辉岩中石英的晶格优选定向（说明见图5）Fig.8 Lattice preferred orientation of quartz from the Dabie gneiss and retrograde eclogite samples（Abbreviations are the same as Fig.5）

图9 大别山长英质片麻岩中斜长石的晶格优选定向（说明见图5）Fig.9 Lattice preferred orientation of plagioclase from the Dabie felsic gneisses（Abbreviations are the same as Fig.5）

斜长石和钾长石的变形行为近似，在中高级变质条件下，以位错蠕变为主控变形机制，但是在细粒基性糜棱岩中，主控变形机制可转变为扩散参与或位错参与的颗粒边界滑移（Rosenberg and Stunitz, 2003; Rybacki and Dresen, 2004; Miranda et al., 2016）。随着压力增加，斜长石会经历一系列分解反应：钠长石 = 硬玉+石英，钙长石 = 钙铝榴石+蓝晶石+石英，顽火辉石+钙长石 = 镁铝榴石+透辉石+石英，斜长石的消失成为榴辉岩形成的重要标志。这意味着超过50 km，大陆下地壳的流变强度由硬玉/绿辉石和石榴子石控制（图2）。

矿物的塑性变形机制主要有三种：位错蠕变，扩散蠕变和颗粒边界滑移。对于位错蠕变和扩散蠕变主导的稳态蠕变，可以用幂律方程来建立应变速率与应力的关系：

如前所述，对超高压变质岩的显微构造分析和流变学实验表明：位错蠕变是超高压变质岩的主控变形机制。因此，假定俯冲隧道中的应力为10 MPa，根据中大别超高压变质岩的P-T轨迹（图2）和前人实验获得的矿物位错蠕变流变律（表4），本文估算了俯冲和折返过程中，榴辉岩和长英质片麻岩中主要矿物的有效黏度随深度的变化（图10）。采用的流变学参数中只有活化焓，没有活化体积和活化能，因此，忽略了压力对有效黏度的影响。水可以显著降低石英、长石、单斜辉石、石榴子石等名义上无水矿物的强度，但是由于超高压变质岩中这些矿物的含水量差异很大，难以获得代表性的平均值，因此，本文暂不考虑水对矿物流变强度的影响。

表4 榴辉岩与长英质片麻岩中主要矿物的流变律Table 4 Flow laws of major minerals in eclogites and felsic gneisses in subduction zones

图10 中大别超高压变质岩俯冲和折返过程中主要矿物的有效黏度变化Fig.10 Change of the effective viscosity of major minerals from the central Dabie UHP belt during subduction and exhumation

如图10a所示，俯冲过程中温度和压力都随着深度增加，石榴子石、钠长石、石英的有效黏度均随着深度增加而降低。在～42 km（1.2 GPa 和340℃），钠长石分解为硬玉和石英，由于硬玉的有效黏度＞钠长石＞石英，这一分解反应可造成应变在富石英域的集中，可能导致韧性剪切带的发育和高压变质岩的折返。在～82 km（2.5 GPa和480℃），石英—柯石英的相变使有效黏度提高了3个数量级，上地壳的流变强度由柯石英和硬玉/绿辉石控制，显著提高的流变强度为大陆深俯冲的继续进行提供了条件。＞82 km，由于石榴子石的有效黏度＞硬玉＞绿辉石＞柯石英，榴辉岩和长英质片麻岩的流变强度差异促使上地壳与下地壳拆离。

折返早期近于等温降压，此时有效黏度随深度变化不大，但是绿辉石和硬玉的有效黏度相近，曲线重合（图10b）。在～91 km（2.8 GPa和820℃），柯石英相变为石英，有效黏度降低1个数量级。在～73 km（2.22 GPa和810℃），硬玉和石英形成钠长石。之后岩石经历了角闪榴辉岩相、角闪岩相和绿片岩相的退变质作用，在这个降温降压的过程中，矿物的有效黏度随温度降低而升高，从图10b可见，硬玉和石英=钠长石这一变质反应对应于俯冲隧道中矿物有效黏度的最小值。此外，石榴子石和绿辉石逐渐退变成长石、角闪石等，榴辉岩的整体有效黏度降低，但是相比以石英为主的长英质片麻岩，榴辉岩的有效黏度仍然高2个数量级，导致应变集中于片麻岩，榴辉岩作为构造透镜体与围岩一起折返。值得注意的是，水可以显著降低石榴子石、硬玉、石英的流变强度（Orzol et al., 2006; Xu et al., 2013; Tokle et al.,2019），含水量增加可导致榴辉岩与长英质片麻岩具有相近的强度甚至低于片麻岩，使榴辉岩与片麻岩一起褶皱变形，发育榴辉岩韧性剪切带。

6 讨论

6.1 退变质作用对榴辉岩组构的影响

前人对榴辉岩组构的实验测量和数值模拟表明，石榴子石具有等轴晶系的高度对称性和66组位错滑移系，石榴子石的1/2＜111＞位错可以沿着{110}、{112}或者{123}等晶带发生滑移，此外(010)＜100＞ 和 (011)＜100＞ 也是常见的位错滑移系，因此虽然榴辉岩中的石榴子石经历了位错蠕变，但是石榴子石并不发育LPO（Ando et al., 1993;Bascou et al., 2001; Mainprice et al., 2004）。而绿辉石的位错蠕变由多组滑移系控制，包括[001](100)、[001]{110}和 1/2＜110＞{110}，导致榴辉岩中的绿辉石[001]近平行线理，(100)面和(110)面的法线近垂直面理（Bascou et al., 2001; Mauler et al., 2001;Zhang et al., 2006; Zhang and Green, 2007; Wang et al., 2009）。低于650～700℃，角闪石以脆性变形和溶解—沉淀为主，高于700℃，角闪石可发育多组位错滑移系并形成(100)[001]或(010)[001]组构（Skrotzki, 1992; Egydio-Silva et al., 2002）。

本文2块新鲜榴辉岩和3块退变榴辉岩的石榴子石的组构特征与前人对榴辉岩的研究结果一致，但是退变榴辉岩8-1和11-3形成的绿辉石组构略有差异（图6）。样品8-1的绿辉石的[001]轴形成近平行于X轴的极密，(010)的法线形成近平行于Z轴的极密，(100)面的法线靠近Y轴分布。样品11-3的绿辉石的[001]轴形成近平行于XY面的条带，(010)面的法线虽然靠近Z轴分布，但是并不集中，而(100)面的法线形成了近平行于Z轴的极密。值得注意的是，样品8-1和11-3的角闪石的[001]轴、(010)面和(100)面的取向分布与样品中的绿辉石非常近似，而且角闪石与绿辉石的组构不对称性也完全一致（图7）。绿辉石和角闪石都是单斜晶系，两个样品的角闪石都具有不规则的晶型，为绿辉石分解的产物，这暗示退变质过程中角闪石的生长继承了绿辉石的LPO。

受温度、应力、应变速率和含水量的影响，石英的组构类型非常复杂。石英在低温（＜400℃）发育(0001)＜a＞为主控位错滑移系的底面滑移，400～500℃发育 {1101}＜a＞ 为主导的菱面滑移，550～650℃发育 {1010}＜a＞ 为主导的柱面a滑移，高温下（＞650℃）发育{1010}＜c＞为主导的柱面c滑 移（Mainprice et al., 1986; Gleason et al., 1993;Okudaira et al., 1995; Kurz et al., 2002; Barth et al.,2010）。此外，应变强度和早期变形会导致石英组构的转变（Heilbronner et al., 2006; Toy et al., 2008）。Xu等（2009）发现苏鲁超高压韧性剪切带的石英有三种组构类型，分别记录了高温、中温和低温三个阶段的折返变形。本研究的退变榴辉岩8-1中的石英LPO记录了低温(0001)＜a＞滑移和中温{1010}＜a＞滑移，而长英质片麻岩中的石英以低温(0001)＜a＞滑移为主，记录了折返后期绿片岩相的变形（图8）。值得注意的是，样品8-1的绿辉石和角闪石的LPO剪切旋向都是左行，而石英的LPO剪切旋向为右行，这进一步证明了退变榴辉岩的角闪石继承了绿辉石的LPO，不能用来反映折返阶段的构造变形。

6.2 相变对长英质片麻岩密度的影响

长英质片麻岩中最主要的矿物是石英和斜长石。如图2所示，高于2.5 GPa和480℃，三方晶系的α-石英会转变为单斜晶系的柯石英。常温常压下，α-石英的密度为2.648 g/cm3（Hearmon,1979），柯石英的密度为2.911 g/cm3（Weidner and Carleton, 1977）。矿物在某一温度和压力下的密度ρ为：

其中K为体模量，γ为热膨胀系数。根据石英和柯石英的体模量（Hearmon, 1979; Chen et al., 2015）和热膨胀系数（Fei, 1995），对应于图2，在2.5 GPa和480℃（进变质阶段），石英—柯石英的相变将导致矿物密度从2.79 g/cm3增加到2.97 g/cm3；而在2.8 GPa和820℃（退变质阶段），这一反应将导致矿物密度从2.97 g/cm3降低到2.79 g/cm3，密度变化为6.4%。

长英质片麻岩另一个重要的相变反应是钠长石=硬玉+α-石英（图2）。常温常压下，钠长石的密度是2.62 g/cm3，硬玉的密度是3.346 g/cm3（Hacker et al., 2003）。在1.2 GPa和340℃（进变质阶段），钠长石的分解反应将导致密度从2.64 g/cm3增加到3.02 g/cm3；而在2.22 GPa和820℃（退变质阶段），硬玉+石英形成钠长石将导致密度从3.01 g/cm3降低到2.63 g/cm3，密度变化了14.5%。大多数情况下，柯石英、硬玉只是作为包体存在于石榴子石、绿辉石、锆石等矿物中，表明长英质片麻岩的退变质反应已达到平衡，相变导致的密度变化在俯冲和折返阶段基本相当。考虑到矿物的体积百分比，假设长英质片麻岩含50%石英+50%长石，钠长石→硬玉+α-石英的分解反应导致岩石的密度从2.68 g/cm3增加到2.87 g/cm3，而石英→柯石英相变导致岩石的密度从2.91 g/cm3增加到3.05 g/cm3，因此，相变有助于深俯冲的持续进行。但是长英质片麻岩的密度仍然显著低于橄榄岩（密度约为3.3 g/cm3），如果发生板片断离或者俯冲隧道内的拆离，相对低密度的长英质片麻岩在浮力作用下可以快速折返。

7 结论

矿物相变如何影响超高压变质岩的俯冲和折返是认识俯冲带构造演化的关键。本文对大别山超高压变质带的典型榴辉岩与长英质围岩进行了全岩成分和显微构造分析，并使用前人实验获得的矿物流变律，探讨了相变对超高压变质岩有效黏度的影响，以及折返过程中矿物晶格优选定向和密度的变化。获得如下认识：

（1）俯冲隧道中榴辉岩和长英质片麻岩都以位错蠕变为主要变形机制，榴辉岩中的石榴子石近于无序排列，绿辉石发育(100) [001]主控位错滑移系，角闪石的(100)[001]组构可能是退变质过程中继承了绿辉石的组构。石英的组构记录了超高压变质岩折返到中地壳的(0001)＜a＞的低温底面滑移和{1010}＜a＞的中温柱面滑移，而斜长石的(001)＜110＞和(010)[100]组构形成于折返到下地壳的角闪岩相变质条件，并可能受到混合岩化的影响。

（2）相变导致的矿物有效黏度和密度的变化对陆壳物质的俯冲和折返具有重要影响，俯冲过程中石英→柯石英相变、钠长石→硬玉+石英的变质反应会显著提高矿物的有效黏度和密度，促进大陆深俯冲。＞80 km深度，石榴子石的流变强度＞硬玉＞绿辉石＞柯石英，俯冲上地壳的流变由柯石英和硬玉控制，下地壳的流变由绿辉石和石榴子石控制。

（3）早期近等温降压折返阶段有效黏度随深度变化不大，柯石英相变为石英可导致有效黏度降低1个数量级，晚期降温降压的过程中，矿物的有效黏度随温度降低而升高，榴辉岩的有效黏度比围岩高2个数量级，相变导致的密度降低可以促进超高压变质岩快速折返。