变质脱水和部分熔融是陆壳深俯冲和折返阶段两个非常重要的地质过程,可显著降低岩石流变强度、促进矿物反应、板片折返,并可导致显著的壳幔相互作用。因此,确定变质熔流体形成和演化规律对更好解译大陆俯冲隧道内部进行的地质过程至关重要。然而,由于深俯冲陆壳遭受过多期变形叠加、广泛退变质反应和矿物集合体内部再平衡,关于陆壳深俯冲和折返阶段变质熔流体活动期次、性质、产生机制、来源和结晶产物等科学问题仍存在很大争议,即使在同一造山带内,不同位置报道的熔流体活动时间、尺度、变质条件、机制和来源仍有明显差别,因此仍需更为深入研究。中国大别-苏鲁造山带是世界上规模最大的超高压变质带之一,带内广泛出露有记录多阶段变形和变质作用的超高压变质岩。超高压片麻岩发生大规模部分熔融已广为报道,榴辉岩部分熔融则因缺乏大尺度熔融证据而研究相对匮乏。近年来作者所在团队在苏鲁造山带仰口-将军山地区(相距1–2 km)超高压榴辉岩中新识别出显微-宏观尺度和不同程度的变质、变形和部分熔融现象,使得综合研究超高压榴辉岩在俯冲折返过程中熔流体演化过程、成因机制和来源成为可能。因此仰口-将军山地区不仅是研究深俯冲和折返过程复杂水-岩相互作用过程的一个重要窗口,而且通过对两处榴辉岩体变形和变质程度以及相应熔流体活动对比研究可揭示出深俯冲陆壳不同空间位置变形-变质特征差异及其与熔流体活动的内在联系。基于此,本博士学位论文对仰口vs.将军山榴辉岩开展了野外精细填图为基础的显微构造地质学、岩相学、地球化学、锆石年代学和相平衡模拟等综合对比研究。首先,仰口榴辉岩非常新鲜,保存有超高压变质岩中罕见发育的粒间柯石英,超高压-高压榴辉岩在显微-手标本尺度保留有俯冲-折返早期的褶皱变形、有限退变质现象和粒间熔流体结晶特征,因此很可能保留进变质-峰期-折返阶段多期显微变质熔流体结晶证据,为解译大陆超深俯冲和折返过程封闭体系内粒间流体的形成和演化提供绝佳机会。重晶石是超高压变质岩中常见副矿物相,其结晶指示高盐度氧化流体活动,然而,大陆碰撞造山带中产出的重晶石却极少受到关注,其结晶期次、条件、成因机制及其与榴辉岩体系内不同阶段熔流体之间的关系仍未有系统研究。岩相学观察显示,仰口含柯石英超高压榴辉岩中识别出五类具有不同显微结构的重晶石。Type I小颗粒等径重晶石与金红石、单斜辉石等以原生包裹体形式存在于石榴石和绿辉石(近)核部区域,表明这些矿物(近)同时被俯冲过程中生长的石榴石和绿辉石捕获。金红石包裹体在2.5–4.5 GPa压力下计算得出的Zr温度为658–699oC,显著低于仰口榴辉岩峰期变质温度(>900oC),代表进变质阶段金红石生长的温度。因此,type I重晶石结晶于进变质榴辉岩相阶段矿物脱水产生的流体中。部分type I重晶石Sr O含量很高(~25 wt%),表明进变质流体为富Sr流体。Type II重晶石通常出现在石榴石和绿辉石边部固体多相包裹体中,未发育可见裂隙,应为寄主矿物生长末期捕获的原生包裹体。多相包裹体主要矿物组合为重晶石+黑云母+绿帘石±富Ba/贫Ba钾长石±钠云母±锆石,富集Si,Al,Na,K,Ca,Fe,Mg,Ba,Sr,SO42-和Zr等,表明其结晶于峰期超高压榴辉岩相阶段富溶质流体中。由于仰口超高压榴辉岩峰期压力远高于3.5 GPa,超过玄武岩-水体系第二临界点,因此该富溶质流体可能以超临界流体形式存在。Type III重晶石为石榴石内部钾长石+石英+斜长石+重晶石±黑云母组成的多矿物假象组分之一,多矿物假象晶形和矿物组成表明其前期矿物为多硅白云母,表明石榴石内多硅白云母包裹体发生过原位分解熔融。相平衡模拟显示其分解发生在折返阶段,相应温压条件为P=1.7–1.2 GPa和T=710–655°C。Type IV重晶石以不规则斑块状集合体形式存在,与角闪石+钠长石后成合晶共生,而type V重晶石为颗粒边界延伸的细脉,与黄铁矿→赤铁矿/针铁矿氧化反应共生,形成环带结构。Type IV和type V重晶石的显微结构和共生矿物组合表明其为角闪岩相退变质阶段流体结晶产物。显微构造观察未发现外来流体浸润现象,表明流体具有内部缓冲性质。因此,这两类重晶石发育指示角闪岩相退变质阶段榴辉岩内存在一期颗粒边界富水流体活动,与名义无水矿物脱溶密切相关。黄铁矿→赤铁矿/针铁矿的氧化反应表明重晶石所处环境高度富氧。虽Sr易被后期流体作用改造、淋滤,但部分type I重晶石保留高Sr O含量,表明进变质末期流体以高Sr/Ba比为特征;其余四类重晶石均具有一致低的Sr O含量(大多<5 wt%),表明峰期-退变质阶段变质流体以低Sr/Ba比为特征。因此,对仰口超高压榴辉岩中重晶石的详细显微构造和化学分析首次综合厘定出多期重晶石的结晶顺序和变质条件;并且这些多阶段重晶石结晶为俯冲进变质末期-峰期-退变质阶段多期粒间变质流体演化规律提供关键约束。相比于仰口,将军山榴辉岩显示复杂褶皱变形、强剪切变形和强面理化特征,且因经历部分熔融而呈混合岩化现象、并遭受强烈角闪岩退变质作用叠加。此外,将军山退变质榴辉岩内部发育成米宽的浅色体和复合花岗岩-石英脉,是研究大陆碰撞过程中大规模熔流体活动时间、机制和来源的有效靶区。因此,本论文以榴辉岩内复合花岗岩-石英脉为研究对象,对其岩石学成因进行综合分析,从而探讨其对折返阶段强烈熔流体活动性质、时间、机制和来源的指示意义。复合岩脉中花岗岩组分和石英脉组分空间上密切共生,主体顺榴辉岩面理发育。其中,花岗岩组分主要由石英+多硅白云母+褐帘石/绿帘石+石榴石组成,多硅白云母Si压力计和锆石Ti温度计计算表明其结晶温压为2.5–2.1 GPa和~820°C;而石英脉则>99 vol.%由石英组成。花岗岩和石英脉组分内新生锆石U–Pb定年得到ca.221 Ma的变质年龄,与苏鲁造山带多处露头报道的高压榴辉岩相重结晶年代(225–215 Ma)一致,而晚于峰期超高压榴辉岩相变质时间(235–225 Ma)。因此,锆石年代学和温压计算一致表明复合岩脉结晶于陆壳折返过程的高压榴辉岩相阶段。在地球化学特征上,花岗岩组分富集轻稀土元素和大离子亲石元素,亏损重稀土元素和高场强元素,表明结晶于壳源熔体中;而石英脉Si O2含量>99 wt%,其它氧化物和微量元素含量均极低,与富水流体结晶产物一致。复合花岗岩-石英脉中新生锆石初始Hf同位素比值和花岗岩组分全岩Sr–Nd同位素组成均介于寄主榴辉岩和围岩片麻岩之间,而O同位素组成则与寄主榴辉岩和围岩片麻岩一致,表明形成复合岩脉的含水熔体和富水流体为榴辉岩和片麻岩两端元释放的混合流体,而无俯冲陆壳之外物质参与。仰口-将军山榴辉岩体峰期俯冲深度可能超过200 km,在峰期超高压变质阶段,粒间柯石英榴辉岩的存在表明俯冲板片整体处于非常―干‖的状态,基本没有自由流体活动,表明形成复合岩脉的熔流体产生于深俯冲陆壳折返阶段。因此推测复合岩脉的形成机制为:深俯冲陆壳折返初期,片麻岩和榴辉岩内名义无水矿物和少量含水矿物(包括石榴石、绿辉石、长石、石英、多硅白云母等)中结构水和分子水会发生脱溶,形成粒间富溶质超临界流体。随板片折返进行,超临界流体体积增大、溶质含量增多,以扩散渗流方式从粒间孔隙迁移至流体通道中,并从占主要体积含量的片麻岩迁移至占次级体积含量的榴辉岩内部,产生复合岩脉记录的混合流体特征。进而,在板片从超高压柯石英榴辉岩相向石英榴辉岩相折返期间,超临界流体穿过硅酸盐体系第二临界点及含水熔体和富水流体临界线(固溶线),发生分离产生不混溶的含水熔体和富水流体,结晶形成花岗岩-石英脉。此外,在复合岩脉花岗岩组分和围岩片麻岩中,均发现多硅白云母周围发育有斜长石+黑云母+钾长石集合体以及钾长石呈尖锐状细脉、薄膜沿颗粒边界延伸现象,与其它矿物呈低二面角接触。这些显微特征表明花岗岩脉结晶之后的进一步折返过程中,花岗岩组分和围岩片麻岩中多硅白云母发生过原位分解。对花岗岩组分进行相平衡模拟分析显示,多硅白云母分解作用发生于高压榴辉岩相到角闪岩相转变期间,消解~5 mol%多硅白云母,产生~3–4 mol%熔体。最终,花岗岩组分在饱和水固相线之下达到稳定,相应温压条件为P=0.7–1.1 GPa和T<670°C。仰口和将军山相距仅~2 km,但两榴辉岩体记录的变形、变质特征存在显著差异,并且与熔流体活动尺度耦合。本学位论文认为,在三叠纪扬子克拉通向华北克拉通俯冲和随后折返过程中,仰口和将军山榴辉岩可能分别位于一个基性岩块体的核部和边部。由于俯冲和折返过程遭受剪切力和熔流体浸润程度差别,导致两地体变形和退变质程度明显解耦,核部仰口榴辉岩未遭受外部强烈剪切变形和熔流体渗透的影响,从而导致变形较弱、熔流体活动尺度较小并具有内部缓冲性质,进变质-峰期变质特征和粒间熔流体活动证据得以较好保留。然而,边部将军山榴辉岩遭受强烈剪切变形和熔流体渗透,产生大规模混合熔流体活动。流体水弱化效应促进将军山榴辉岩发生明显变形和广泛退变质现象,程度加强的变形构造为熔流体迁移提供更充足通道。通过对苏鲁造山带中部仰口和将军山榴辉岩及内部复合花岗岩-石英脉进行详细分析,本论文主要获得如下结论:1.综合厘定出超高压榴辉岩中重晶石结晶期次和过程。仰口超高压榴辉岩中共发育五类具有不同显微结构的重晶石,分别为:type I-石榴石和绿辉石核部区域的重晶石包裹体,形成于进变质高压榴辉岩相富水流体中;type II-石榴石和绿辉石边部区域含重晶石多相包裹体,形成于超高压榴辉岩相阶段超临界流体中;type III-石榴石内含重晶石多矿物假象,结晶于高角闪岩相阶段多硅白云母分解产生的含水熔体中,分解温压为P=1.7–1.2 GPa和T=710–655°C;types IV和V-角闪石和钠长石后成合晶围绕的不规则重晶石集合体以及粒间重晶石细脉,结晶于角闪岩相退变质阶段富水流体中,主要为榴辉岩内名义上无水矿物脱水所致;2.仰口超高压榴辉岩内多期次重晶石发育表明,在俯冲进变质-峰期-退变质过程中,存在不同性质的幕式变质流体活动,其活动造成深俯冲陆壳内部Ba、Sr和S等元素的局部重组;3.将军山退变质榴辉岩内复合花岗岩-石英脉发育表明,深俯冲陆壳折返初期,超高压榴辉岩和片麻岩内名义上无水矿物(包括含水矿物)结构水和分子水发生脱溶,形成具有混合同位素特征的富溶质超临界流体,并在高压榴辉岩相阶段分离成空间上密切共生的含水熔体和富水流体;4.深俯冲陆壳折返后期高压榴辉岩相-角闪岩相转变期间,超高压变质岩和高压脉体内多硅白云母分解产生第二期含水熔体活动;5.深俯冲板片折返阶段存在多期次不同机制变质流体活动,名义上无水矿物脱水是深俯冲陆壳折返初期变质熔流体活动的主要机制,但目前仍未被明确认识;而多硅白云母分解则是折返后期高角闪岩阶段含水熔体产生的主要机制。