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杨杨杨远远
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游振东

[中国地质大学(武汉)]

1999年,庆祝新中国成立50周年之际,笔者曾著文回顾50年来的中国变质岩石学的进展[1]。进入21世纪,传统的地质学正在转向以“地球系统科学”为核心内容的现代地质学。在全球地质一体化的[2]形势下,中国地质调查局不仅在内地开展了新一轮的1:25万区域地质调查,而且大力在西部地区青藏、新疆等地,开展 1:25万 区域地质调查,对西部一些重要的变质地区,如藏南、昆仑、天山等地区进行了详细的填图,获得了许多珍贵的第一手资料,为我国变质岩石学和变质地质学的研究打下了坚实的基础[3]。本文拟从岩石学学科发展的角度来观察变质岩石学的成就和展望。

一、极端条件下的变质作用

如若从变质岩石学自身发展来看,近10年来极端条件下的变质作用(metamorphism under extreme conditions)研究逐渐受到研究者的重视。所谓“极端条件”是指变质温度、压力等外部因素有异于常规变质作用的范围(即t=250~800℃,p= 1~ GPa)。超高压变质作用、超高温变质作用甚低级变质作用以及冲击变质作用等极端条件下的变质作用,近年来在国内都得到长足的发展。

1.超高压变质作用

在变质地质学中,人们习惯用变质的地温梯度(geothermal gradient)来划分变质作用的类型,超高压变质作用是指地温梯度很低(小于10℃/km)、变质压力大于以上的变质作用,以致在石榴子石、锆石等矿物中能够出现柯石英、金刚石等通常变质岩石中不可能出现的高压矿物。

20世纪80年代以来,在大别山—苏鲁一带发现的超高压变质作用,便是一种极端条件下的变质作用。它以榴辉岩及与之共生的片麻岩中普遍发现超高压标志性矿物——金刚石和柯石英的微细包裹体为特征,成为世界上出露条件最好、规模最大的超高压变质带,引起国内外学者的注意。近10年来的研究证明,此类岩石具区域性分布,西起天山,东延至阿尔金—祁连、东秦岭—大别山—苏鲁,构成横跨中国的“中央构造带”。超高压变质岩石的存在,揭示了陆壳物质可以深俯冲于地幔的深度。为了探索此类不寻常的造山带的深部构造,中国地质科学院地质研究所在国土资源部支持下,自2001年起,在江苏东海实施第一口中国大陆科学钻探(科钻一井),历时4年,终孔深度5000余米。全岩心钻进,加以地球物理等多学科交叉研究,获得了如下成果:大别-苏鲁汇聚板块边界的三维构造、组成及地球物理性质;探索超高压变质作用的性质与年代;探索超高压变质岩形成、折返过程中的地壳动力学与壳幔相互作用;研究地壳和地幔流体循环过程和矿化作用;建立研究地壳动力学和深部大陆地壳演化的长期观测实验室[4]。

超高压变质作用已经成为国际地质科学研究的热点,当前已发现的各个超高压变质地区研究日益深入,不断有新成果涌现;通过实验岩石学等手段探索岩石圈板块俯冲的深度;壳幔相互关系及流体循环等重大科学问题的研究都在深入开展。

2.超高温变质作用(ultrahigh temperature metamorphism)

属于麻粒岩相变质范畴,但不同于一般的麻粒岩的是变质温度大于800℃。以出现假蓝宝石(saphirine)、大隅石(osumilite)等高温矿物为特征。目前在南极、印度等地已有发现,国内仅黑龙江麻山群中有过假蓝宝石的报道。近年来,北京大学与日本Koshi大学 Santosh 合作,对内蒙古孔兹岩带重新进行研究,通过变质矿物组合、流体包裹体特征、独居石、锆石同位素年代学等方面,确定在原先认识的麻粒岩相岩石组合中,发现了如下超高温矿物组合:

假蓝宝石+石英;低Zn/Fe3+尖晶石+石英;高铝斜方辉石+矽线石+石英以及 高温中条纹长石。运用常规矿物温压计,据最新研究假剖面作相平衡模拟,查明该区变质作用的温度可达 1000℃,变质压力约 GPa。峰期变质之后继以近等压冷却过程 而后折返,形成近等温减压的途径。镜下显微构造、矿物反应和相平衡模拟说明岩石经历了逆时针的pT轨迹。

超高温变质矿物中保存有古流体,成分为 CO2,这与岩石中广泛出现无水矿物组合相一致。据独居石、锆石单矿物样品所作的化学和同位素年代学定年,超高温事件年龄为,属于古元古代的高温变质作用,并且发现从西部到东部,超高温变质事件年龄从 变到,显然有变新的趋势。据此,作者推测:内蒙古缝合带中的超高温变质事件,是古元古时期华北克拉通焊合进入哥伦比亚超大陆时,南面的鄂尔多斯陆块与北面的阴山陆块作斜向碰撞和剪刀式的闭合所引起的[5]。

内蒙古超高温变质带的确定,是我国变质地质学的一大进展。

3.甚低级变质作用(very low grade metamorphism)

甚低级变质作用,是指变质温度条件介于成岩作用与低级变质之间的变质作用。利用沸石、黏土矿物、绿泥石等低温变质矿物及其矿物组合,可以填绘出甚低级变质的等变线从而揭示其热构造,这对于碳氢资源远景预测可以起一定作用,因为一般认为:如果地温达到变质作用的范畴,碳氢资源的远景就要大大降低了。

在甚低级变质地区,因为变质温度低,矿物结晶粒度很细,一般岩石显微镜都很难辨识。伊利石结晶度是在甚低级变质地区定量划分岩石变质程度的重要方法,X射线衍射分析是测量伊利石结晶度最有效的方法。1962年以来,西方文献出现了不同的伊利石结晶度指数,如Weaver指数、Weber指数和Kubler指数等。北京大学王河锦,从X射线理论角度,确定出这些指数之间的关系式,改善了伊利石结晶度的测定方法和精度。

我国甚低级变质作用研究薄弱,20世纪90年代末索书田等曾运用甚低级变质的方法[6]研究广西右江的低温金矿床。进入21世纪,我国甚低级变质研究逐渐与油气地质研究相结合,有了显著进展。毕先梅等曾论述极低级变质作用与成矿作用的关系[7]。王河锦、朱明新以层状硅酸盐的结构变化与变质温压条件的关系,如伊利石、绿泥石结晶度,伊利石多型、结晶轴b0。值及应变特征等,分析研究了湖南广泛分布的板溪群及其上的下古生界页岩及川西北三叠系复理石的甚低级变质[8,9]。其中湖南湘东、湘西等地 4个剖面垂直面理应变沿剖面变化,同时用与国际可对比的伊利石结晶度等数据资料,确定中新元古界—下古生界的区域低温甚低级变质温度为250~400 ℃,但变质压力因时代不同而异,中元古界为中压型,新元古界—下古生界为中低压型。这些都加深了地质界对扬子地台这些古老岩石的认知水平。

4.冲击变质作用(impact metamorphism)

陨石撞击地球或其他天体,造成陨石坑,其周围岩石在极高的应变速率(106~109S-1)、瞬时高温(1000~10000℃)、动态高压(10~100 GPa)下产生的变质作用为冲击变质作用。从嫦娥1号等发回的数据解译出的照片可知,月球表面布满了大大小小的陨石坑,地球不同于月球和其他天体,在于其表面有厚约1000km的大气层,所以陨击地球的较小天体,进入大气层后因强烈摩擦而烧毁。所以地球上保留的陨石坑较少,据统计,全球已知的陨石坑有160多个。不少大型陨石坑是世界著名金属矿床的所在地,如加拿大的Sudbury,大多数小型陨石坑被开发成为旅游胜地,如德国南部的Ries、美国亚利桑那州的Meteor Crater[10]。

因为地表沉积物的覆盖,一个陨石坑的确定,需要做大量的研究工作。目前,我国已确定的陨石坑有海南的白沙,是1997年公开报道的[11];辽宁岫岩陨石坑,20世纪70年代就已发现,曾被认为是个旋转构造。经过40年反复研究,最近广州地球化学研究所与辽宁冶金地质公司合作,实施深达307m的科学钻探,在107~149m深度发现了一系列冲击波所产生的冲击效应:石英击变面状页理、含熔体玻璃的多相角砾岩和陨击玻璃等,陨击构造的性质得以确定。该成果 2009年公开发表[12],是我国在冲击变质方面的一大进展。

二、变质岩石学的教学

由于变质岩石学各个领域都获得了长足的进步,我国变质岩石学教学也有很大的进展。表现在:①不少中国学者的研究成果已被国外领先的变质岩石学教科书所采用;②中国地质大学(武汉)率先进行了《变质岩石学》英语教学试点,获得成功。

1.不少国内学者变质岩石学研究成果进入国外的教科书

长期以来国外学者对我国国内研究现状了解甚少,以致在国外出版的《变质岩石学》教科书中引用的普遍是国外学者的成果。近年来随着改革开放的步伐加大,中西方学术交流频繁。现在我国学者的成果渐渐在国外出版的教科书中出现了。

以 2011年Springer-Verlag 出版的 Kurt Bucher 和Rodney Grapes 合作编写的“Petro-genesis of Metamorphic Rocks”(8thed.)为例,就引用了12篇国内学者的成果。

1)吴春明教授2004~2007关于高级变质岩中地质温压计方面的论文有4篇被该书第4章“Metamorphic Grade”所引用。

2)张立飞教授(2003)发表了关于西天山超高压变质岩系深俯冲达150km发生极低地温梯度的组合,白云石反应生成菱镁矿+文石,属于变质岩中的“禁区”。该文被多次引用,该书第3章“变质作用过程”将其作为指定参考文献供读者阅读,在第6章“白云岩和石灰岩的变质”则被列为“Cited Reference”。

3)在第9章“变质基性岩”中还引用了7篇中国学者关于超高压变质的论文。在此就不一一列举。

2.《变质岩石学》的英语教学

国内《变质岩岩石学》的教学一向是作为《岩石学》的一个部分进行的,讲课时数高时达40学时,2001年以后《岩石学》从220学时减至150学时,变质岩更要相应缩减。为了加快我国高等教育与国际接轨,加快专业人才国际化培养,中国地质大学(武汉)地球科学学院,对理科基地班的《变质岩岩石学》课程进行了双语教学的改革,10年来,在桑隆康教授等的努力下,很好地发挥了英国岩石学家Roger Mason的作用,进行英语《变质岩岩石学》教学,克服重重困难,取得良好的成绩,在教育部理科教学评估中得到充分肯定[13]。

Roger Mason教授在教学中除了介绍我国国内典型变质岩产地之外,还详细介绍英国苏格兰的巴罗带、挪威sulitjelma 变质带、英国skidaw花岗岩接触带的接触变质等,极大开阔了学生的视野,深入了解掌握了变质地质学的工作方法。桑隆康与 Roger Mason 合作编著的《变质地质学》也于2007年作为中国地质大学“十一五”规划教材出版,并获得2009年度湖北省教学成果二等奖[14]。

《变质地质学》的问世,《变质岩石学》双语教学的成果,为今后《变质岩岩石学》的教学质量的提高,奠定了良好的基础。

回顾近10年来变质岩石学研究的进展,可以发现:①与解决社会经济发展重大问题相结合,在生产实际中发现问题、解决问题,是变质岩石学进一步发展的原动力;②密切注意学科发展前沿,抓住热点问题,投入研究力量,是提高学科理论水平的必由之路;③加强国际学术交流,开阔研究视野,是保证学科水平、提升国际竞争力的必要手段。

当前我国地质研究正从地质大国向地质强国迈进,加强变质岩石学、结晶岩岩石学、变质地质学的研究,是我国地质科学发展的关键之一。

参考文献

[1]游振东.五十年来中国的变质岩石学.见:王鸿祯主编.中国地质科学五十年.武汉:中国地质大学出版社,1999,144~152

[2]游振东.地质一体化——区域地质研究的新纪元.见:中国地质学会地质学史专业委员会第20 届学术年会论文汇编,2008,70~72

[3]孟宪来.在青藏高原空白区1:25万区域地质调查成果报告会暨“十一五”工作重点研讨会开幕式上的讲话.地质通报,2006,(2)

[4]Zhiqin Xu,Jingsui drilling in the Dabie-Sulu Ultrhigh pressure metamorphic belt,China EOS,Transactions,AGU 22th ,86(8):77~78

[5]Santosh S Tet ultrahigh-temperaturemetamorphism granulites in North China craton:implications for tectonic models on extreme crustal Research,2011

[6]索书田,毕先梅,周汉文.极低级变质作用:以右江中生代构造带为例.北京:地质出版社,1999

[7]毕先梅,莫宣学.成岩-极低级变质-低级变质作用及有关矿产.地学前缘,2004,11(4)

[8]Wang H,Rahn M,Tao X F et and metamorphism of Triassic flysch along Northwest Sichuan, Geologica Sinica 2008,82:17~926

[9]朱明新,王和锦.长沙-醴陵-浏阳一带冷家溪群及板溪群的甚低级变质作用.岩石学报,2001,17(2)

[10]游振东,刘嵘.陨石撞击构造作用的研究现状与前景.地质力学学报,2008,14(1):22~36

[11]王道经.海南白沙陨石坑.海口:海南出版社,1997

[12]陈鸣,肖万生,谢先德.岫岩陨石坑的证实.科学通报,2009,54:2777~2780

[13]杨坤光,龚一鸣,桑隆康,等.中国地质大学地质学专业主干课程建设与人才培养.武汉:中国地质大学出版社,2012

[14]Roger Mason,Sang Longkang.变质地质学(英文版).Wuhan:China University of Geosciences Press,2007

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zhangzhangdd

(一)概述

冲击变质作用(impact metamorphism,近年来多译为 “撞击变质作用”、“陨击变质作用”)是1960年代以来新认识的一个领域。它是分布在陨石坑(astrobleme,meteoritecrater)附近,在陨石冲击地表的强大冲击波作用下产生的变质作用。瞬时(1μs~1s)的高压(可达数百吉帕)、高温(可达>1500℃)条件是其控制因素。变形和伴随的部分熔融是其主要的变质机制。从变质因素看,冲击变质作用是一种极端条件下的变质作用,它的温压范围及其与正常变质作用的比较如图24-9所示。从图中看出,冲击变质作用的温度随压力而增高,在高温影响下岩石发生熔融,甚至气化。典型的冲击变质岩为陨击角砾岩(suevite),这是一种似熔岩外貌的角砾岩,瞬时的高压使石英出现变形纹、变形带,甚至出现超高压石英变体柯石英和斯石英。瞬时的高温使长石、石英熔融形成玻璃,黑云母出现暗化现象。由于其变质因素,变质岩特点与动力变质相似,有时也把它归为动力变质范畴(如Raymond,1995)。但它不是地球内力作用的结果,而且在月球、火星及其卫星等地外星体表面更为发育。例如在月球表面上,直径大于1km的陨石坑总数达33000多个,占月球表面积的7%~10%,至于更小的则数不胜数了。因此,更一般地说,冲击变质作用是小行星或彗星撞击行星并在其表面产生的变质作用,可称为地外变质作用(extra-terrestrialmetamorphism)(Mason &Sang,2007)。本节只讨论发生在地球上的冲击变质作用。

图24-9 陨击变质作用范围及各类陨击效应的P-T范围(据French,2003,引自游振东和刘嵘,2008)

(二)陨石坑在地球上的分布

地球上的陨石坑是小行星或彗星撞击地球并在其表面形成的一种特殊环状地质构造。与月球、火星等其他行星不同,地球表面有厚约1000km的大气层,这就使陨落的小天体进入大气层后,因强烈的摩擦而烧毁,这便是通常所说的流星,只有那些个体较大的才能够在地球表面撞击成坑。此外,在漫长的地质演化历史中,地球表面一直受表生作用和板块运动的影响,因而地质历史较老的陨石坑往往受到风化侵蚀以及构造作用的叠加所破坏;许多陨石坑被埋藏在陨击后期的沉积层之下而难以发现。据国际陨石坑资料库(Earth ImpactDatabase),迄今(至2010年7月15日)地球上已发现的陨石撞击坑数量为176个,其中,非洲17个,亚洲和俄罗斯29个(图24-10),大洋洲26个,欧洲37个,北美洲59个,南美洲8个。这些陨石坑中,最古老的是俄罗斯Suavjarvi陨石坑(约2400Ma),最年轻的是俄罗斯Sikhote Alin陨石坑,只有63年;最大的是南非Vredefort陨石坑,直径达300km,最小的是美国堪萨斯州Haviland陨石坑,直径仅。这些陨石坑分布在世界上32个国家,尽管从20世纪80年代开始,中国学者对中国的陨石坑开展了系列的调查和研究,找到了海南白沙、江苏太湖、河北涿鹿矾山盆地、香港九龙、内蒙古的多伦和辽宁岫岩罗圈里等一批疑似陨石坑的环状地质构造,但遗憾的是,没有一个能入选国际陨石坑资料库。长期以来我国陨石坑研究没有取得突破的主要原因,是未能获得证实陨石冲击成因的关键证据(陈鸣,2007)。2009年经过科学钻探,辽宁岫岩陨石撞击坑在107m厚的湖泊沉积之下发现了不同程度的冲击变质岩的混合堆积物,包括含熔体的多相角砾岩,冲击熔体玻璃和石英中击变面状页理PDFs(陈鸣等,2009)。令人欣慰的是,最近陈鸣等(Chen et al.,2010)的岫岩坑的研究成果已在美国的EPSL杂志公开发表,岫岩坑已成为我国第一个被国际公认的陨石坑,这是我国在冲击变质研究领域的突破。不过,在冲击变质研究方面,我们与国际差距仍然很大,任重道远。经验证明,许多大型陨击构造的确定,都经历过数十年的反复探索。如南非的Vredefort(陨石坑),1937年就有人提出属陨击成因,直至1962年才得到确认。针对我国目前陨石冲击构造研究的现状,从已知资料出发,对已发现线索地区加强综合研究,加大岩石学、构造学、遥感地质和地球物理研究的力度,必能在短期内有更多的发现(游振东和刘嵘,2008)。

图24-10 亚洲和俄罗斯冲击构造分布图(据EarthImpact Database,Asia &Russia,2010年7月15日)

(三)陨石撞击构造的鉴别标志

由于陨石坑形成之后常常受到后期的侵蚀作用和构造破坏。要在现今地表发现陨击构造,需要多学科的共同探索。需要岩石学、遥感地质学和地球物理方法相结合,才能有效发现它们。从地质方面来看,主要有如下鉴别标志。

1.陨石坑的形貌和构造

年轻的陨击坑的形貌从航空照片就可看出。其主要特征是具有环状隆起坑沿,坑周的抛射物的层序与陨击坑原来的地层层序相反;有时还伴生因巨型碎块轰击而出现的次生坑。按照陨石坑的形貌和构造,陨石坑可大致分为简单和复杂两类(图24-11)。

◎简单陨石坑:深度/直径比为1/5~1/7,作浅碗状,有抛出物堆积成的坑沿,抛出物沉积的范围是撞击坑直径的2倍,抛出物的粒度随远离坑沿而减小。典型实例,美国亚利桑那州Barringer陨石坑(图24-12),冲击作用时代万年,直径,深100m。我国岫岩陨石坑为简单碗形坑,直径约为1800m,现在的坑底到坑唇山峰最大高程差约为200m(陈鸣等,2009)。

◎复杂陨石坑:复杂陨石坑的直径视靶区的地质情况而不同。如果靶区为沉积地层,则坑直径 >2km;如果靶区是个结晶岩发育区则坑直径>4km。深度/直径比很小,约为1/20~1/10。复杂陨石坑的构造:坑底常有中心隆起,坑围有塌陷、断裂。中心隆起的成因有二:一是坑底靶区岩石因减压而反弹;二是冲击坑开掘后物质坍塌所造成。复杂陨石撞击坑常常诱发岩浆活动,冲击回落的角砾岩层,常常覆盖于熔岩之下。典型实例:加拿大萨德贝里(Sudbury)巨型陨石撞击坑(图24-13)。直径140km,面积达15000km2,包括整个萨德贝里岩浆杂岩(Sudbury Igneous Complex,SIC)和底盘岩石破裂而成的底盘角砾岩(floorbreccia)。萨德贝里陨石冲击构造正位于元古宙休仑超群和太古宙基底之间的界面上。北部和东部为太古宙基底岩石,SIC以南为元古宙的表壳岩系休仑超群。陨击角砾岩、泥岩和杂砂岩(Whitewater群)均覆盖在SIC之上。整个SIC周围17 km以内,都能找到陨石撞击的构造标志冲击锥;SIC周围均有陨击角砾岩、假玄武玻璃等撞击变质岩的分布,显然属于陨石冲击构造的外环。在不少地方,陨击角砾岩还成为Cu-Ni-PGE(铂族元素)矿床的围岩。

图24-11 简单陨击坑(a)和复杂陨击坑(b)(据Hamilton,2001;转引自游振东和刘嵘,2008)

岩石学(第二版)

2.陨石的残块

较年轻的陨击坑中常常可以找到陨石的残块。采集坑内及坑沿沉积物样品,仔细淘洗,分析研究其中的重组分,可能发现铁镍球粒陨石等更确切的判据。

3.冲击锥(shatter cone)

冲击锥又称震裂锥。在地表受陨击的岩石破裂面上有明显条纹状锥形构造。条纹长度从不足1cm至数米,条纹从锥顶向侧翼分散作马尾状(图24-14),冲击锥的出现说明冲击波的压力可达2~25GPa。受到核爆炸的岩石,也有因冲击波造成的冲击锥。系统测量统计冲击锥顶的指向,可以判定冲击波发射的中心。

4.冲击面状变形构造(planar deformation features,PDFs)

冲击面状变形构造,又译作击变面状页理。特点是石英、长石等矿物颗粒中出现许多小的板片(图24-15a),矿物的折射率和双折率都普遍降低,其中有的板片甚至已转变成非晶质体;在强烈冲击情况下,长程有序的晶体结构受到破坏,出现晶格不平行域或镶嵌构造,在偏光镜下亦表现为波状消光,但与一般的构造应力所引起的不同,它在X光衍射胶片中谱线变宽,且出现星芒现象(游振东和刘嵘,2008)。

冲击坑岩石造岩矿物石英和长石中发育的PDFs是判断陨石撞击坑的标志性判据。FDFs是由冲击作用产生的特定矿物结构,是石英和长石等岛状和架状硅酸盐矿物中的一种动态高压变形微结构。矿物FDFs通常沿着晶体特定方向(如石英的 {101n},n=1~4)产生,片晶状薄片在矿物中均匀分布平行排列,单个薄片厚度<1μm。石英中的FDFs可由以下微结构组成:高密度的位错带、不规则的石英微粒薄层、非晶化玻璃薄层等。除人工核爆炸和自然界大规模撞击作用以外,任何其他地质作用包括火山喷发、构造运动和地球深部高温高压等,都不可能在矿物中产生这种特殊的面状变形构造,所以,PDFs是判断陨石坑的决定性判据。我国辽宁岫岩环状构造中发现的石英FDFs特征十分典型(图24-15b),其特征与世界上其他已知陨石撞击坑中揭示的石英FDFs相同,从而为确定该坑陨石冲击成因提供了确切证据(陈鸣,2007)。需要特别指出的是PDFs很容易与变质岩中出现的 “变形纹”或 “微页理” 相混淆,这类变形特征被称为面状裂隙(planar fractures,PFs),与PDFs有明显差别。PFs之间的宽度一般大于5~10μm,分布不均匀,平行于特定的晶体面,如 {0001} 或1011}。PFs通常是长期缓慢高压变质作用的结果,形成压力要远比PDFs低。PDFs则是瞬间高压冲击作用的产物。因此,PFs不能作为判断冲击坑的结论性依据。

图24-13 加拿大的萨德贝里(Sudbury)巨型陨石坑(据Reimold,2005)

图24-14 加拿大Haughton冲击构造细粒石灰岩中的震裂锥

5.矿物相的转变

在冲击变质的极端条件,可以出现一系列超高温、超高压矿物(见图24-16)。

◎柯石英:柯石英常见于超高压变质的岩石中,不过最先在自然界发现的却是赵景德(Chao,1967)在美国亚利桑那州的陨石坑,从重砂样品中淘洗出的柯石英。最近在德国Ries冲击坑强烈冲击的石英冲击玻璃中也发现了柯石英。在冲击变质岩中,柯石英常呈微粒出现于其他氧化硅物相中,因为冲击变质后的余热仍高达摄氏数百度,所以原先高压下形成的柯石英极易退变为鳞石英和方石英。

图24-15 冲击岩中石英的PDFs

◎斯石英(stishovite):其形成压力比柯石英还要高,大致P>10GPa,在冲击变质岩中多呈细小颗粒与柯石英共生。斯石英密度大()、折射率高。特征X光衍射峰d=,,是较简便的检测方法。斯石英也极易退变质,很难保存所以难以发现。

◎焦石英(lechatelierite):这是一种硅酸玻璃,形成温度极高(达1710℃),高于一般火山喷出的熔体,著名产地是北非的利比亚沙漠玻璃(Libyan Desert Glass,LDG)。这种玻璃质析离体(schlieren)状构造,其中焦石英和斜锆石呈陨击变质消熔矿物的残余而存在。利比亚沙漠玻璃的成因历来争议不断。最近有人通过卫星照片在利比亚和埃及边界线附近发现了两个陨石坑(BP和Oasis),支持了冲击成因。

◎斜锆石(baddeleyite):为单斜晶系的ZrO2,是锆石(ZrSO4)加热分解的产物:

岩石学(第二版)

在冲击变质过程中锆石被斜锆石和非晶质氧化硅的集合体所假象交代,保持锆石原来晶形,需对含锆石的冲击变质岩样品切制一系列的磨光片,利用斜锆石的强反射率加以识别。

此外,在冲击玻璃或冲击岩中还可见到铁镍球粒、滴状钛铁矿、金红石、假板钛矿,说明其形成温度应在1500℃以上。

◎矿物的熔融:石英、长石选择性或全部转变成固态硅酸玻璃或斜长石玻璃,又称熔料玻璃或熔料长石(maskelynite)。而与之共生的暗色矿物则仍维持结晶质。相邻矿物之间无反应现象。极高压下所形成的柯石英、斯石英等都呈细小包裹物出现于玻璃质的基质中。

6.冲击玻璃( diaplectic glass)

冲击玻璃是高密度的玻璃,其成分与原岩相同。原岩中氧化物矿物如磁铁矿等都完全熔融。这种高密度玻璃是岩石遭受陨击变质作用的有力证据(游振东和刘嵘,2008)。

这里必须强调的是,仅从地貌形态特征来判别陨击坑是远远不够的,并且常常会造成误判,这也是国内很多有关疑似陨石坑的报道得不到确认的主要原因。这是一个误区,很多学者常常从宏观的地形地貌入手来研究陨石坑,因为这是最直观的,容易观察到。其实,判断陨石坑的关键证据主要来自微观的岩石矿物学特征,如:PDFs、高压矿物相、冲击玻璃等。它们是决定性的判据,是由于冲击波在短暂的撞击过程中留下的痕迹,它们能很好地保留下来,而不容易被后期的地质作用所改造;宏观的地貌形态特征则是次要的,起到补充证明的作用。地球上有很多地质作用可以产生环形地貌,环形地貌特征不能用来作为判断陨石坑的决定性判据。最典型的例子就是非洲毛里塔尼亚撒哈拉沙漠中的Richat构造(图24-16a),它与另两个陨击坑排成一串(图24-16b),虽然它的形态很像陨击坑,但经考察研究确证Richat构造不是撞击构造,是地层隆起受地表风化剥蚀产生的特殊地貌形态。对于那些被深埋地表以下的陨击坑,而又被地球物理(地震的、重力的)资料确定为完整的陨击坑,则需要通过深钻井取样来进一步验证。

图24-16 Richat构造(据Mattonet al.,2005)

(四)冲击变质岩(impactite)岩石类型

冲击变质岩包括石质角砾岩、陨击角砾岩和假玄武玻璃。

◎石质角砾岩(lithic breccia):主要是指撞击坑内及其底面以下受冲击波影响而不同程度破裂的角砾岩,角砾的成分多是准原地的靶区岩石,基质成分为靶区岩石的碎屑。是冲击变质岩中,变质程度最低的一种,以产状与其他成因角砾岩相区分。

◎ 陨击角砾岩(suevite):由冲击玻璃胶结的角砾岩。出现范围很广,从坑内充填直至坑沿的抛射物。角砾成分可以是准原地的也可以是异地的坑内充填物。基质除碎屑外还有冲击玻璃,按玻璃质的含量可以细分为:含熔体的角砾岩、陨击角砾岩、冲击熔融角砾岩等(图24-17)。

◎假玄武玻璃(pseudotachylite):一般构造变形岩石中也可以产生假玄武玻璃,作为陨击熔融体(impact melt)的假玄武玻璃常含有冲击变形矿物的残余,出现的规模是极不相同的,可以是毫米级的和厘米级的细脉或不规则充填基质。从德国Ries陨击坑的冲击花岗岩薄片(图24-18a)中,可见假玄武玻璃基质中有长石残余。偶尔也有数十米厚的假玄武玻璃,其成因尚有待探讨。它们通常呈脉状或不规则的充填物充填在破碎的岩石裂隙之间(图24-18b)。

图24-17 德国Ries陨石坑的冲击角砾岩(提供,转引自游振东和刘嵘,2008)

图24-18 冲击成因的假玄武玻璃

(五)冲击构造的研究意义

若一个直径为1km的铁陨石(设其密度为),以25km/s的速度撞击地表,其动能是E=1/2mv2=×1021J。这一动能相当于×1011t TNT炸药的爆炸能。2004年印尼级地震能量只有184×1016J。所以巨型陨石撞击地球是一种大的灾变事件,必然影响地球的内外力地质作用、环境变迁和和生物演化。例如墨西哥的Chicxulub撞击事件是中生代末恐龙和许多物种灭绝的 “罪魁祸首”(Sharpton et al.,1992);上述加拿大肖德贝里(Sudbury)诱发的岩浆活动形成著名的肖德贝里岩浆杂岩SIC(见图24-13)等,这使得撞击构造与地球演化的研究已成为21世纪地球科学的新起点,涉及地球起源与演化一系列新的基本问题。如撞击周期、撞击作用与地球内动力作用的关系,地史中地磁、地轴的改变,岩浆起源,大陆壳生成,巨大撞击事件在地史中的证据与影响,太阳系不同行星上的撞击抛射模式和地球膨胀说的新全球构造观等(覃功炯等,2001)。

特别值得注意的是冲击构造的经济价值,地球上已经发现的陨击构造,几乎都有一定的经济价值(Reimold,2007)。南非Vredefort Witwatersrand和加拿大Ontario省的肖德贝里都是开发历史达百年以上的著名金属矿床区。Vredefort以铜-铀矿床闻名,而Sudbury则一向认为是岩浆型铜 -镍矿床。只是到了1961年,Dietz RS在他的论文 《Vredefort RingStructure:Meteorite Impact Scar?》 中才正式提出Vredefort的穹隆属于陨石撞击构造的论点。次年,他指出Sudbury也是一个陨石撞击坑。他的观点被后来的发现所证实。近年来,发现不少陨石撞击构造与油气藏有成因联系。例如加拿大艾伯塔的Steen River(91±7Ma)是个潜在的巨型油气藏;美国俄克拉何马州的Ames,得克萨斯的Sierra Madera(<100Ma)等都已经试采出油。据估算,北美陨击构造碳氢资源每年已能提供50亿~160亿美元的产值。另外一些陨石撞击构造则是非金属矿产资源的所在地,例如俄罗斯西伯利亚Anabar地盾Popigai撞击构造的陨击金刚石(Vishnevsky,1997);德国南部Nordlingen Ries陨石撞击坑经济价值更大,它不仅发现了陨击金刚石,它的陨击角砾岩是很好的建筑材料,更何况Ries陨石撞击坑现在已经成为旅游参观的胜地。

【Avak冲击构造】

据Reimold et al.(2005),Avaka构造(图24-19)位于阿拉斯加的北极滨海平原,被Kirschner et al.(1992)认为是冲击成因的,同时他还描述了冲击锥及石英面状变形构造。基于地层层序资料,给出这个构造的年龄为100±5Ma,Avak直径大约为12km,是一个复杂的冲击构造,具有环形槽和中央隆起。中央隆起被Avak井钻遇,其钻遇地层从区域下白垩统到奥陶系。这口井也显示有油,但是没有商业价值。然而在冲击构造的附近,有三个主要的天然气田,它们是Sikulik,东Barrow和南Barrow,都发生并跨越环形结构,被认为是与冲击事件有关的。按Grieve & Masaitis(1994)解释,是陨石坑边缘的铲式断层截断早白垩世Barrow砂岩,并与早白垩世Torok页岩并置,从而创造了一个有效的气体密封。南Barrow和东Barrow天然气田都已被开发。Lantz(1981)初步估计了这种构造可采天然气储量为370×108ft3。

图24-19 阿拉斯加Avaka有叠加油气田的冲击构造区构造图

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