俯冲带地球深部碳循环作用

在地球深部和大气圈之间的碳循环(即深部碳循环)作用对于全球气候的长期和短期变化都具有非常重要的影响.碳可以通过多种方式和途径从地球深部进入大气圈,但从地表返回地球深部的途径主要是板块俯冲作用.由于碳存在形式的多样性和碳酸盐特殊的物理和化学性质,俯冲带中碳及含碳矿物的物理化学行为会显著地影响俯冲带动力学、氧逸度结构以及壳-幔作用过程中其他元素的活化迁移.因此,俯冲带碳循环不仅是调节大气CO_2浓度、影响全球气候变化和维持地球宜居性的重要因素,同时也是影响地幔物理化学性质和不均一性的关键因素.本文从俯冲带碳循环的观察和示踪、俯冲带碳的迁移与变化、俯冲带碳循环通量以及俯冲带碳循环的效应等四个方面对俯冲带碳循环的研究现状和需要深入研究的科学问题进行阐述.     

地幔矿物的氧同位素分馏

采用增量方法,计算了地幔矿物(特别是MgsiO_3和Mg_2SiO_4同质多相变体)的氧同位素分馏.结果表明,地幔矿物相之间存在如下~(18)O富集顺序:辉石(Mg,Fe,Ca)_2Si_2O_6>橄榄石(Mg,Fe)_2SiO_4>尖晶石型(Mg,Fe)_2SiO_4>铁铁矿型(Mg,Fe,Ca)SiO_3>钙钛矿型(Mg,Fe,Ca)SiO_3.如果地幔内部处于氧同位素完全平衡状态,由于地幔不同深度矿物相化学组成与晶体结构的差异,预计过渡带中尖晶石结构的硅酸盐矿物比下地幔钙钛矿结构的硅酸盐矿物相对富集~(18)O,但相对于上地幔中的橄榄石和辉石亏损~(18)O,从而出现地幔的氧同位素分层.如果假定全球范围同位素平衡,地球内部的化学结构可用下述~(18)O富集顺序来描述:上地壳>下地壳>上地幔>过渡带>下地幔>地核.     

大别-苏鲁造山带橄榄岩:进展和问题

大别-苏鲁造山带橄榄岩原岩属性可分为壳源和幔源橄榄岩,它们在矿物结构、变质演化以及全岩和单矿物化学成分上存在一系列差别.幔源橄榄岩来自于俯冲板块之上的古老华北克拉通岩石圈地幔,记录了俯冲板块与地幔楔之间相互作用的信息.石榴橄榄岩峰期条件下都显示石榴石和尖晶石共存,石榴石和尖晶石的稳定性和成分都受全岩富化程度控制,尖晶石成分不能用来判别部分熔融程度.难熔幔源纯橄岩中普遍发育低Mg高Ca橄榄石取代早期斜方辉石结构,指示硅不饱和熔体-橄榄岩反应过程,它可能是导致纯橄岩Re-Os同位素年龄偏年轻的原因之一.幔源橄榄岩/辉石岩中的金红石、钛斜粒硅镁石和锆石是俯冲地壳熔/流体迁移高场强元素进入地幔楔的直接矿物学证据,只有通过精细的原位元素和同位素工作,才能准确限定交代介质来源、时间和交代过程.大陆俯冲带地幔楔氧逸度变化范围宽泛(FMQ=5.50~1.75),并随深度增加而减小,但其氧逸度计算结果受矿物组合、温压条件以及折返过程中的脱氢-氧化作用等因素影响.本文对橄榄岩-辉石岩复杂体系相关系、大陆俯冲之前的地幔过程、地壳交代对地幔楔元素-同位素-氧逸度以及物理性质的改造等重要研究方向提出了建议.     

大陆俯冲带两类壳幔相互作用

板块俯冲作用是实现地壳与地幔之间物质和能量转换的重要机制,俯冲带岩浆岩是研究地壳物质再循环及其壳幔相互作用的重要载体.本文通过对红安-大别-苏鲁造山带和华北东南缘碰撞后镁铁质岩浆岩的同位素年代学和地球化学的系统总结,概括出两种类型的大陆俯冲带壳幔相互作用,对应于两类地球化学性质截然不同的镁铁质火成岩.第一类岩石显示弧型微量元素分布特征(富集LILE,LREE和Pb,亏损HFSE)和相对富集的放射成因Sr-Nd同位素组成,而第二类具有OIB型微量元素分布特征(富集LILE和LREE,HFSE不亏损)和相对亏损的放射成因Sr-Nd同位素组成.它们都具有变化的且不同于正常地幔的锆石O同位素组成,含有残留的地壳锆石.这些地球化学特征表明,这两类镁铁质火成岩来源于不同地球化学性质的地幔源区,其中第二类岩石的地幔源区是先前俯冲古洋壳来源的熔体与上覆新生岩石圈地幔反应形成的,而第一类岩石的地幔源区是随后俯冲的华南陆壳来源的长英质熔体与上覆华北古老岩石圈地幔反应形成的.因此,在大陆俯冲带存在两种类型的壳幔相互作用,碰撞后镁铁质岩浆岩为大陆碰撞造山带不同类型的板片-地幔相互作用提供了岩石学和地球化学记录.     

中生代古太平洋板块俯冲诱发华北克拉通破坏的物质记录

华北克拉通破坏与古太平洋板块俯冲密切相关是当今学界的重要共识,但缺乏华北克拉通破坏峰期古太平洋板块俯冲的物质证据.为解决这一问题,本文对华北克拉通东北缘(辽东-吉南地区)中生代火山岩开展了详细的岩石学、锆石U-Pb年龄和Hf-O同位素、全岩地球化学和Sr-Nd-Hf同位素研究.研究发现,辽东-吉南地区中生代火山岩主要为玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩和安山岩组合,形成于早白垩世(129~124Ma),均富集大离子亲石元素(Rb、Sr、Ba、Th等)和轻稀土元素、亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti等),表明其来源于与俯冲相关的地幔源区.这些岩石具有不均一的同位素组成,其中,碱性玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩具有富集的全岩Sr-Nd-Hf、锆石Hf同位素组成和与地幔类似的锆石O同位素,表明其母岩浆来源于同位素富集的岩石圈地幔的低程度部分熔融,而钙碱性安山岩则具有相对亏损的同位素组成(锆石εHf(t)高达+5.2)和高的锆石O同位素组成(δ18O=+8.1^+9.0‰),揭示它们来源于遭受俯冲流体/熔体交代的地幔源区,交代介质来源于俯冲到深部的低温热液蚀变洋壳.辽东-吉南地区早白垩世火山岩是由来源于富集地幔和交代地幔的两种不同性质的岩浆混合形成,利用锆石Hf-O同位素组成有效识别出的低温热液蚀变洋壳组分,为中生代古太平洋板块俯冲对华北克拉通破坏影响提供了确凿的物质记录和同位素证据.     

初论华北东部中生代金成矿的地球动力学背景——以胶东金矿为例

山东金矿研究的最新成果表明 ,胶东众多金矿床 (无论矿化类型、产出空间、地质背景的不同)的成矿时代主要集中在 1 1 5± 1 5Ma(早白垩世 )前后这一狭短的时段内 ,暗示它们都受某一次统一的重大地质事件的制约 .金矿石中碳酸盐矿物的碳氧同位素组成显示成矿流体中的CO2 很可能来自深部 (岩石圈地幔甚或更深 ) .1 1 5± 1 5Ma(早白垩世 )前后正是华北东部中生代动力学体制转折的关键时段 ,此时古太平洋板块向欧亚大陆斜向快速俯冲、华北东部岩石圈剧烈减薄、郯庐断裂发生强烈左行走滑、区域构造应力场转变为强烈引张、火山 -岩浆活动也最为强烈、尤其是深源(幔源 )岩浆活动最为强烈 .同时 ,这也与部分学者提出的超级地幔柱的高潮时段 (1 2 5～ 1 0 0Ma)相吻合 ,暗示可能有深部物质 (不仅是上地幔物质 ,还可能包括下地幔物质 )和热能的大规模强烈上涌 .因此 ,胶东金矿 (以及华北东部的许多其它金矿床 )的形成有可能是 1 1 5± 1 5Ma前后华北东部动力学体制转折过程中一次大规模的深部物质和深部能量上涌的结果     

腾冲热海地区现代幔源岩浆气体释放特征

详细讨论了腾冲热海地区逸出气体的化学和氦、碳同位素组成及其在地表的分布特征结果表明,该区地壳浅部存在幔源岩浆侵入活动;现代幔源岩浆挥发组分通过活动断裂带源源不断地向外释放,其主要成分是ＣＯ_２,还有少量的Ｈｅ,Ｈ_２,ＣＨ_４,Ｈ_２Ｓ和ＣＯ等．研究区内南北向断裂最深,它可能与得到幔源岩浆挥发组分直接补充的深部热储直接相通．逸出气体的氦、碳同位素组成特征指示,现今在热海地区壳内活动的幔源岩浆与导致区内最新火山喷发的幔源岩浆之间可能存在着渊源和继承关系．     

俯冲隧道中的部分熔融和壳幔相互作用:实验岩石学制约

俯冲隧道模型提出,俯冲板片界面相互作用是实现地球表层与内部之间物质和能量交换的基本机制.由于大陆岩石圈与大洋岩石圈在物质组成和状态上的显著差异,其深部物理和化学过程及壳幔相互作用产物必然出现一系列差异.许多实验岩石学研究已经为大洋俯冲隧道中可能发生的硅酸盐和碳酸盐岩石的部分熔融和壳幔相互作用提供了资料.无论是基性还是中酸性硅酸盐岩体系,取决于部分熔融发生的压力或深度,熔体是具有或不具有埃达克岩性质的花岗质熔体.微量CO2即可大幅降低橄榄岩的熔点,所形成的碳酸盐熔体可有效萃取岩石体系中不相容微量元素.这些硅饱和或不饱和熔体均可以在俯冲隧道或地幔深部条件下与地幔楔橄榄岩发生反应,形成复杂的反应过程和产物.但已有的实验结果主要是针对大洋岛弧环境条件而不是大陆俯冲带的环境.因此,高温高压实验需要充分考虑大陆俯冲隧道中板片-地幔界面上各种不同成分地壳及其衍生的熔/流体成分与不同橄榄岩之间的反应,并结合大陆俯冲带岩石部分熔融和壳幔相互作用的地质证据,以阐明大陆俯冲隧道过程中的变质脱水、部分熔融和地幔交代等问题.     

大陆深俯冲过程中的熔/流体成分与地球化学分异

板块俯冲是地球内部系统最为宏伟的地质过程,是实现地球表面-内部物质和能量交换、大陆地壳生长以及壳/幔相互作用的重要场所,广泛深刻地影响着地壳的增生与消亡、火山和地震活动、地球表层物质循环、矿产资源分布、大陆造山运动、大陆的聚合及裂解等与人类生活息息相关的地质过程,因此一直是固体地球科学研究所关注的热点.20世纪80年代中期关于大陆地壳能够俯冲进入地幔深度并大部分折返地表的发现,是俯冲带研究和板块构造理论的革命性进展.相较于俯冲洋壳,大陆地壳具有较冷、较干、较轻的特点,同时,俯冲陆壳与地幔相比具有更加不均一的性质和化学成分以及同位素组成,因此在局部而言会对上覆大陆岩石圈和大陆板块汇聚边界的结构、组成、变形和演化进程造成巨大影响.在大陆俯冲过程中,拆离的地壳碎块和岩片在俯冲隧道内受到构造剪切,促使其经历变质脱水和部分熔融,产生各种流体和熔体.这些熔/流体的产生和演化在俯冲带壳/幔相互作用过程中扮演着非常重要的角色,是俯冲过程中发生元素迁移、同位素分馏以及交代上覆地幔楔的不可或缺的介质.本文综合国际上近年来有关俯冲带研究的最新进展,总结了有关俯冲带流体和熔体的类型、存在条件、化学组成、熔体/流体-地幔相互作用的特点,同时对于与大陆俯冲带流体相关的特征性元素(Nb-Ta-V)迁移和最新的非传统稳定同位素(Li-Mg)研究进行了系统介绍,期望为中国读者较全面地认识板块俯冲过程中的熔/流体活动和元素迁移以及了解并运用Li和Mg同位素作为新兴的示踪手段提供一定帮助.     

地壳流体CO_2的释放与地震关系:回顾与展望

介绍了地壳流体CO2的3个主要成因:有机成因、变质成因及幔源成因,并着重讨论了CO2气体的稳定同位素13C的示踪性能;总结了由地壳释放CO2的主要方式、上升通道及其存在形态。在回顾地壳流体CO2等释放在目前地震监测、预报及相关研究中的主要研究进展的同时,指出地壳深部流体(CO2、He、CH4等)在同位素地球化学、深源流体运移与地震活动、深源流体对震源介质的影响等。此外,提出对深源流体监测不能仅限单一组分(CO2)的监测,需多种深源成分(He、Ne、Ar、H2、CH4)同时监测。     

利用地下流体氦同位素比值估算大陆壳幔热流比例

地下流体中的氦同位素 3He来自地幔的排气作用 ,4He则是铀、钍衰变的产物 .由于铀、钍元素在大陆地壳中富集 ,4He通量与地壳热流呈正相关关系 ;同时 3He通量与地幔热流之间呈正相关 .所以地下流体的氦同位素比值 （3He / 4 He）与大陆壳幔热流比值 （qc/qm）呈反相关关系 .根据欧亚大陆和加拿大地盾的地下流体氦同位素比值数据和相应的壳幔热流比值数据 ,统计出 qc/ qm 与 3He / 4 He之间的回归关系 :qc/ qm =0 81 5- 0 30 0ln（3He / 4 He） ;此处 3He/ 4 He的单位是RA（大气的 3He/ 4 He比值 ） .有了地表热流值和壳幔热流比值即可得到地壳热流和地幔热流 .利用该公式以及热流值估算了中国主要盆地的壳幔热流值 ;根据这些数值得出的热岩石圈厚度和地壳平均生热率结果与地震学研究成果一致 .氦同位素比值是区分大陆热流中地壳热流值和地幔热流值的有用参数 .     

大别山碰撞后镁铁-超镁铁岩的U-Pb同位素地球化学: 壳-幔相互作用及LOMU端元

对大别山祝家铺辉石岩-辉长岩的U, Pb同位素研究表明, 大别山碰撞后镁铁-超镁铁岩的低U, 高Pb含量及低U/Pb的特征, 可能是亏损软流圈地幔(DMM)或岩石圈地幔与下地壳之间相互作用的结果, 而与地幔热柱(plume)及深俯冲陆壳无关. 发现祝家铺辉石岩-辉长岩的高²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb样品具有LOMU端元的特点, Pb, Sr和Nd同位素联合示踪显示祝家铺辉石岩-辉长岩的源区有古老富集岩石圈地幔(LOMU)、下地壳物质以及亏损软流圈地幔三端元混合的特征. 形成大别山碰撞后镁铁-超镁铁岩初始岩浆的壳幔相互作用过程可能为: 碰撞后增厚的岩石圈发生拆离, 引发亏损软流圈上涌, 使得上涌的软流圈及尚未拆离的古老富集岩石圈地幔发生部分熔融. 它们析出的熔体垫托在壳幔边界层, 并与下地壳相互作用, 从而使得这种熔体具有富集岩石圈地幔和下地壳的地球化学特征.     

松辽盆地深部地壳构造特征与无机油气生成模式

松辽盆地中地壳有一低速-高导层(也称塑性层),中地壳的塑性层与松辽盆地的成因以及盆山耦合系统有关.盆地地幔流体活动有下列表现:(1)高热流、高地温场;(2)深大断裂与火山岩喷溢;(3)碱交代作用(如钠长石化、伊利石化);(4)Mg2 交代作用(如白云石化)等等.地球化学省与地球化学急变带控制了大油气田的分布并显示了盆地发生的壳-幔相互作用.中地壳的低速-高导层不是岩浆岩,而是一充满地幔流体的地质体,它们富含氢、碱金属(K 、Na )、卤素(F-、Cl-)、碳(甲烷、CO、CO2)、氮、硫等.在中地壳的温度压力条件下,在Fe、Ni等催化荆的参与下,H2与CO(CO2)可发生费-托合成烃的反应.实验表明:这个反应不仅可生成气态烃还可生成液态烃,并将发生碳同位素分馏作用.松辽盆地的U形运移模型受到质疑.按照石油无机生成的模型,松辽盆地的深部将会有更多的石油与天然气,庆深气田的发现便是一个明证.     

山东幔源岩浆岩的碳-氧和锶-钕同位素地球化学研究

系统研究了鲁西早白垩世碳酸岩、方城玄武岩、胶东白垩世煌斑岩、蒙阴古生代金伯利岩的碳-氧和锶-钕同位素组成特征. 古生代金伯利岩的碳氧同位素组成集中, δ¹³C和δ¹⁸O分别在−4.8‰~−7.6‰和+9.9‰~+13.2‰之间, 属正常情况, 而白垩纪3类岩浆岩的碳氧同位素则变化较大, 并暗示当时的地幔源区可能局部受到过含有机碳的地壳物质的混染. 白垩纪3类岩浆岩的锶钕同位素一致显示了EMII型富集地幔的源区特征, 暗示了再循环地壳物质对地幔源区的改造. 碳-氧和锶-钕同位素特征的系统对比显示, 华北东部克拉通下岩石圈地幔在早古生代、早白垩世、第三纪时期的特征互不相同, 表明该陆下岩石圈地幔自古生代以来至少经历了两次改造过程. 目前的资料暗示, 第1次改造过程可能主要发生在三叠纪-侏罗纪, 带有缓慢渐变的特征, 第2次改造过程主要发生在白垩纪, 显示为快速突变. 种种迹象表明, 华北东部早白垩世(尤其是120~130 Ma)可能是华北东部中生代动力学体制转折的关键时段.     

新疆阔尔真阔腊金矿田成矿流体地球化学及其意义

新疆阔尔真阔腊金矿田是萨吾尔金矿带中最重要的金矿田, 对矿田中阔尔真阔腊金矿床和布尔克斯岱金矿床的流体包裹体及矿物中氢、氧、氦、碳、硫、铅、锶等同位素的研究, 确定了这两个矿床成矿流体来源相同, 主要来自具壳幔混合性质的幔源流体, 少量来自壳源流体, 其中水以岩浆水为主, 有少量大气降水的加入, 矿化剂和成矿物质主要来自地幔, 混入有少量壳源物质. 结合矿床产出的构造环境和矿床地质研究结果, 文中提出这两矿床成因相同, 是火山晚期热液型金矿床的新认识.     

东秦岭及邻区壳、幔地球化学分区和演化及其大地构造意义

通过东秦岭及邻区壳源、幔源和前寒武纪基底岩石Pb和Nd同位素组成对比研究,辅以部分微量元素示踪,探讨了华北陆块南缘、北秦岭、南秦岭及扬子陆块北缘的构造归属,地壳增生历史及早期上地幔的演化,进而分析了它们的大地构造意义.     

胶东超大型金矿的形成与中生代华北大陆岩石圈深部过程

成矿年代学研究表明胶东地区超大型金矿形成于(120±10)Ma范围内.典型金矿Sr,Nd和Pb同位素组成反映成矿物质来源具有多元性和幔源物质参与成矿的信息.研究表明胶东地区之所以在中生代发生成矿大爆发,有其深部地质作用的原因.其中最主要的可能是中央造山带大陆深俯冲的后效作用和古太平洋板块俯冲的远程效应,由此诱发深部的岩石圈剧烈减薄和壳幔相互作用、浅层次的伸展和大型控矿构造的形成.     

西北太平洋俯冲带大地幔楔及地幔过渡带各向异性证据和特征

地震层析成像研究清晰给出了地球深部俯冲板片的大尺度形态,但与俯冲过程相关的地幔流动特征仍不明确.在俯冲地幔楔系统中,前人观测到了与海沟平行和垂直的快波偏振方向.本文研究了西北太平洋俯冲板片在地幔过渡带中停滞形成的"大地幔楔"中的各向异性特征.对具有长期稳定观测数据的MDJ台站SKS震相和区域深源地震的直达S波震相进行了...     

华北克拉通岩石圈地幔特征与演化过程

克拉通能否长期稳定存在,主要取决于岩石圈地幔的特征和属性.中生代以来,华北岩石圈地幔的组成和性质发生了根本性转变,导致了克拉通破坏.尽管目前取得了上述共识,但是对岩石圈地幔转变形式与机制的认识仍然存在分歧.本文以华北克拉通破坏前后岩石圈地幔的特征为视角,对华北不同时代幔源岩石及地幔捕虏体的研究结果进行综述,旨在为上述问题的讨论提供新的思路.华北古生代岩石圈厚达200km,具有高度难熔、SrNd同位素富集的克拉通型岩石圈地幔特征;中生代岩石圈地幔具有易熔、同位素高度富集的特征,在空间上具有明显的不均一性和分布规律;在新生代,华北东部岩石圈厚约60～80km,具有易熔、同位素亏损的大洋型岩石圈地幔特征;中部带岩石圈厚度大于100km,岩石圈地幔具有上老下新的双层结构;西部岩石圈厚达200km,仍然保存有克拉通型古老地幔.岩石圈地幔组成的转变主要是通过橄榄岩-熔体反应的方式实现的.古生代周边板块的多次俯冲作用使华北克拉通边缘地区岩石圈地幔的组成发生了明显改变.中生代古太平洋板块俯冲作用的叠加,促成华北东部岩石圈地幔组成和性质的根本转变,导致克拉通破坏区域的面积占华北总面积的1/2以上.从克拉通破坏的峰期时间和破坏区域空间展布来看,古太平洋板块俯冲及其驱动的深部动力学过程是华北克拉通破坏的一级控制因素.造成东部岩石圈巨厚减薄的主导因素是俯冲板块回转、海沟后撤引起的大陆岩石圈伸展.俯冲板块机械侵蚀、熔流体交代作用造成的岩石圈弱化、非稳态地幔流动伴随的热-化学侵蚀和岩石圈局部拆沉共同加剧了岩石圈减薄和克拉通破坏的进程.     

塔里木盆地寒武系底部硅质岩的稀有气体同位素组成特征

塔里木盆地寒武系底部黑色岩系是重要的海相烃源岩之一.对该岩系中11个主要组成岩石-硅质岩进行稀有气体同位素分析,柯坪地区硅质岩的R/Ra比值为0.032~0.319,40Ar/36Ar为338~430;库鲁克塔格硅质岩的R/Ra比值为0.44~10.21,40Ar/36Ar为360~765.从西部到东部,硅质岩中的R/Ra与40Ar/36Ar比值同步增长,二者呈现正相关关系,并从壳源区向幔源区演化.硅质岩中的过剩氩40ArE与R/Ra比值正相关,说明硅质岩中过剩氩与幔源氦的来源一致.西部和东部硅质岩的R/Ra比值对比显示,东部硅质岩形成于幔源流体驱动的海底热水流体活动系统,该区壳幔物质和能量的交换作用强烈,而西部硅质岩则是海底热水流体羽漂移到该处沉淀而成的,远离海底热水流体活动中心.另外,从硅质岩的稀有气体同位素异常可推知,寒武系底部黑色岩系形成的海洋缺氧事件可能与海底大规模的火山作用及其伴生的海底热水流体活动有直接的关系.