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.     

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.     

俯冲带橄榄岩及其记录的壳幔相互作用

俯冲过程是板块构造运动的核心过程,而地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面发挥了重要作用.本研究汇总了全球代表性俯冲带橄榄岩(包括俯冲带型蛇绿岩和地幔楔型造山带橄榄岩)的研究现状,并展望未来需要解决的关键科学问题.俯冲带型蛇绿岩地幔单元和地幔楔型造山带橄榄岩分别代表着大洋和大陆俯冲带侵位的地幔岩石,是研究俯冲带壳幔相互作用的关键对象.该相互作用的本质是俯冲板片和地幔楔之间在物理过程主控下发生复杂的化学交换作用.俯冲带型蛇绿岩能够记录从大洋岩石圈产生到俯冲启动直至成熟到消亡等不同阶段复杂的熔-岩和水-岩相互作用、变形变质过程、金属成矿元素富集以及壳幔物质交换等.地幔楔型造山带橄榄岩则反映洋-陆和陆-陆俯冲/碰撞、折返等阶段强烈的变形变质历史,多种性质的熔/流体交代作用(硅酸盐熔体、碳酸盐熔体、含硅酸盐组分的C-H-O流体/超临界流体),以及复杂的壳幔物质循环过程等.利用俯冲带橄榄岩进一步探索壳幔相互作用,需要采用高空间分辨率、高精度的测试方法从微观尺度上约束复杂的化学交代过程和变质变形历史,并与宏观构造的时、空演化相联系.     

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.     

西太平洋板块俯冲与华北克拉通破坏

华北克拉通破坏与西太平洋板块俯冲相关是学界的重要共识,但西太平洋板块何时开始向东亚大陆俯冲、早白垩世西太平洋俯冲带在何处、东亚大地幔楔何时形成、晚中生代西太平洋俯冲板块如何演化等重要科学问题一直没有很好地解决.文章通过综合分析与研究,认为西太平洋板块起始俯冲的时间早达早侏罗世;早白垩世西太平洋俯冲带位于东亚大陆边缘,比现今西太平洋板块俯冲带靠西2200km;与此相对应,欧亚大陆自早白垩世以来向东漂移了大约900km.西太平洋俯冲板块后撤始于～145Ma,说明东亚大地幔楔开始形成于早白垩世;西太平洋板块俯冲作用对华北克拉通的影响可能是通过地幔楔增大过程中物质和能量的迁移和交换来实现的.利用地质构造事件反演了大洋板块在俯冲到地球内部之前的演化过程,提出燕山运动A幕和B幕发生的原因分别是西太平洋板块向东亚大陆边缘以高速低角度俯冲和俯冲角度逐渐变低两种不同的地球深部动力学过程新观点.在早白垩世大约130～120Ma期间,西太平洋板块可能已经转变为高角度俯冲、回转与后撤速率达到最大、最终在地幔过渡带产生滞留体.这个过程可能显著改变了所在区域和上覆地幔的物性和黏滞度,导致上覆地幔楔产生非稳态流动,从而导致岩石圈地幔中熔/流体含量急剧增加、黏滞度降低以及岩石圈伸展/减压,并使其转变为年轻地幔——克拉通破坏.这些认识对揭示西太平洋俯冲板块与华北克拉通岩石圈地幔之间相互作用过程具有重要意义.     

华北中生代镁铁质岩浆作用与克拉通减薄和破坏

华北克拉通在中生代发生了岩石圈减薄,古老的大陆岩石圈地幔在减薄后被年轻的新生岩石圈地幔所取代.与此同时,华北克拉通发生了破坏,以大规模早白垩世岩浆作用为标志.尽管对这个现象有了共识,但是对华北克拉通岩石圈破坏的机制仍然存在争议.文章以华北中生代镁铁质岩浆作用为视角,试图对上述争议提出解决办法.华北中生代镁铁质岩浆作用以早白垩世的~121Ma为分界点,在此之前的镁铁质岩浆岩兼具岛弧玄武岩微量元素组成和明显富集Sr-Nd同位素组成的特点,而在此之后才开始出现兼具洋岛玄武岩微量元素组成和亏损至弱富集Sr-Nd同位素组成的镁铁质岩浆岩.这个差异表明,华北克拉通岩石圈地幔的地球化学性质在~121Ma发生了根本性转变.尽管华北克拉通在晚三叠世也出现过镁铁质岩浆作用,但是其成因是深俯冲华南陆块折返的结果,而古太平洋板块俯冲在那时尚未启动.古太平洋板块自侏罗纪开始向欧亚大陆东部之下俯冲,俯冲板片与上覆岩石圈地幔楔之间处于耦合状态,是俯冲板片脱水导致华北克拉通地幔的弱化阶段.古老岛弧型镁铁质岩浆岩的地幔源区可能既有侏罗纪时期俯冲古太平洋板片衍生流体与华北克拉通岩石圈地幔之间反应的产物,也有三叠纪时期俯冲华南陆壳衍生熔体与华北克拉通岩石圈地幔之间反应的产物.对于新生洋岛型镁铁质岩浆岩的地幔源区来说,则可能是俯冲古太平洋板片衍生熔体与华北岩石圈之下软流圈地幔之间反应的产物.从~144Ma开始,俯冲的古太平洋板片发生回卷,克拉通岩石圈底部受到侧向充填的软流圈地幔加热,导致弱化的克拉通岩石圈地幔发生减薄.在130~120Ma期间,减薄后的大陆岩石圈发生大规模破坏,不仅地幔楔下部超镁铁质交代岩发生部分熔融形成具有古老岛弧型地球化学信息的镁铁质岩浆岩,而且这些地区的下地壳岩石也受到加热发生大规模长英质岩浆作用.与此同时,回卷板片地壳岩石受到侧向充填的软流圈地幔加热,产生长英质熔体交代上覆软流圈地幔橄榄岩,这样在~121Ma开始部分熔融形成具有新生洋岛型地球化学信息的镁铁质岩浆岩,标志着华北克拉通岩石圈地幔已经被新生岩石圈地幔所取代.古太平洋板片在中生代时期向中国东部大陆之下的俯冲并不像现今地震层析成像所观察到的那样直接俯冲至地幔过渡带,而是像纳斯卡板块向美洲大陆之下俯冲那样为低角度俯冲.这种低角度俯冲不仅物理上可以直接侵蚀岩石圈地幔,而且化学上可以交代岩石圈地幔.因此,古太平洋板片与大陆岩石圈地幔之间的相互作用才是导致华北克拉通岩石圈地幔减薄和破坏的一级地球动力学机制.     

华北克拉通非均匀破坏的动力学原因:来自地震学和地球动力学的约束

关于华北克拉通破坏的原因和机制,学术界目前普遍接受的观点是由古太平洋板块俯冲及其触发的地幔流动、熔/流体的强烈交代改造导致,但其具体的动力学作用过程还不明确,是现阶段克拉通破坏研究的主要内容.文章总结了华北克拉通地区密集地震台阵探测获得的深部结构图像和地球动力学数值模拟实验结果,获得以下认识:华北克拉通下方地幔转换带的纵、横波速度及速度比扰动的小尺度空间变化特征是太平洋板块存在非均匀脱水的证据;俯冲板块引发了地幔转换带的湿上升流,导致克拉通下方上地幔熔/流体的非均匀分布,在地震波速度上表现为小尺度异常分布特征;密集地震台阵探测揭示上地幔速度结构和变形的非均匀特性,是华北克拉通岩石圈变形的应变集中效应和非均匀分布熔/流体破坏岩石圈的综合作用结果.如果大洋板块俯冲非均匀脱水、熔/流体非均匀分布在早白垩世就已经发生,那么它与华北克拉通岩石圈地幔之间的相互作用可以是华北克拉通非均匀破坏的动力学机制.这个推测对于进一步协调和解释华北克拉通地区多学科观测证据具有重要意义.     

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 .     

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.     

特提斯地幔域DUPAL异常成因及地球动力学意义

地幔化学组成不均一性揭示了在空间尺度上位于南半球的印度洋-南大西洋地幔和北半球的太平洋-北大西洋地幔Pb同位素组成呈现规律性的差异,这一大规模的南半球地幔同位素差异被称为DUPAL异常,但其成因存在争议.通过系统总结特提斯地幔域Nd-Pb同位素演化特征,从时间尺度上揭示了特提斯地幔域自早古生代以来长期具有DUPAL异常,即地幔长时间的高Th/U演化特征.对比泛太平洋地幔域(古亚洲洋、古太平洋和现代太平洋)的Nd-Pb同位素组成,揭示了地球早期的壳-幔分异过程造成了地幔具有低Th/U特征而地壳具有高Th/U特征,因此地幔开始时具有统一的低Th/U特征,这一特征被整个泛太平洋地幔域继承.然而特提斯域大陆碰撞型的板块构造机制改造了其地幔特征,从而形成了特提斯地幔域长时间大规模的DUPAL异常,即特提斯洋域在洋盆打开和俯冲消减过程中,冈瓦纳大陆的裂解和频繁的陆-陆碰撞过程,造成了特提斯域长期且广泛的壳-幔相互作用和高Th/U特征的壳源物质不断加入而改造了地幔,这一过程不仅形成了独特的特提斯地幔域DUPAL异常,而且形成了以大陆碰撞型为主的特提斯构造域.另外,原、古特提斯地幔呈现极高DUPAL异...     

中国东部大陆岩石圈地幔及幔源岩浆岩水含量和氢同位素组成

中国东部华北陆块和华南陆块的地幔包体单矿物和全岩水含量变化很大,总体低于全球其他克拉通和非克拉通岩石圈地幔包体单矿物和全岩水含量.然而,具有新生岩石圈地幔来源的莒南橄榄岩包体单矿物和全岩水含量总体高于其他中国东部岩石圈地幔包体,指示中国东部新生岩石圈地幔的初始水含量并不低.地幔包体中单矿物水含量与Mg~#之间无明显相关关系,其中的辉石缺乏水扩散环带,因此地幔包体的低水含量与包体随玄武岩岩浆上升过程的水扩散丢失无关.大陆岩石圈地幔底部受到热软流圈地幔烘烤有可能会造成水的扩散丢失,但是熔体提取也可能是引起低水含量的原因之一.通过斑晶水含量计算得到的中国东部中生代和新生代玄武岩初始熔体水含量均高于正常洋中脊玄武岩.中生代玄武岩初始熔体水含量与岛弧玄武岩类似,而新生代玄武岩初始熔体水含量则与洋岛玄武岩和弧后盆地玄武岩类似(部分地区与岛弧玄武岩类似).这些结果表明,大陆玄武岩地幔源区相对富水,指示其地幔源区曾经受到深俯冲地壳脱水所形成的富水流体/含水熔体的交代,使其水含量升高.中国东部新生代幔源巨晶、包体矿物和玄武岩斑晶的氢同位素组成变化也很大,反映中国东部新生代岩石圈地幔氢同位素组成高度不均一.新生代岩石圈地幔具有高于亏损地幔的水含量和偏离亏损地幔值的氢同位素组成,反映其受到过俯冲太平洋板片部分熔融所产生熔体的交代.俯冲大洋板片脱水熔融产生的富水流体和含水熔体对大陆岩石圈地幔底部的交代导致其水含量增加,引起底部岩石黏滞度降低,进而导致岩石强度的降低,使其容易被构造侵蚀乃至拆沉.因此,大洋俯冲隧道中的壳幔相互作用是克拉通岩石圈减薄的重要诱因.     

大地幔楔与克拉通破坏型金矿

环太平洋俯冲带是全球著名的金矿成矿域,其中华北克拉通和内华达是环太平洋俯冲带最重要的两个金成矿省,其成因分别与华北克拉通和怀俄明克拉通的破坏有关,成矿流体可能与俯冲板块在地幔过渡带的滞留相关.俯冲的大洋岩石圈地幔通常有数千米厚的蛇纹石化层,在板块俯冲过程中,蛇纹石在小于200km的深度内脱水转变为高压含水相——phase A,将水带到大于300km的深处.当滞留在地幔过渡带的俯冲板片中含水高压相脱水,会导致上覆大地幔楔的水化,这是克拉通破坏型金矿形成的先决条件.俯冲板片脱水释放出的富硫流体萃取周围岩石中的金等亲硫元素,形成富金流体.由于克拉通地温线低于二辉橄榄岩水饱和固相线,流体在克拉通岩石圈地幔内向上运移到100km以浅后交代岩石圈地幔,形成韭闪石等含水矿物,在克拉通岩石圈地幔中形成富水、富金的弱化层.随着克拉通岩石圈的破坏,该弱化层失稳,释放含金流体,并沿地壳浅部薄弱带迁移、聚集和沉淀,形成爆发式金矿床.由此可见,大地幔楔是形成克拉通地幔含矿弱化层,进而导致金爆发式成矿的关键.俯冲板片析出的流体富含二价铁,流体向上运移过程中,二价铁在低压下发生水解,释放出氢气;地幔楔岩浆岩可以具有较高的氧逸度,而成矿流体则是还原性的——即克拉通破坏型金矿往往属于还原性矿床.     

中国东部上地幔各向异性研究

地震各向异性研究是了解地壳和上地幔变形的有效方法之一.这一研究不仅能了解板块内部的形变特征,而且能提供与板块构造运动有关的下覆岩石圈的地幔形变状况.中国东部地处欧亚板块与太平洋板块的接触带附近,紧邻西太平洋俯冲带.中国大陆受印度板块与欧亚板块强烈碰撞的影响,大陆西部地壳增厚并隆起,同时造成物质东向挤出.太平洋板块和菲律宾海板块向欧亚板块下的俯冲作用,强烈地影响着板块边缘及内部的构造运动.     

俯冲带流体反向交代作用

<正>1俯冲带流体交代作用俯冲带是连接地球表生圈层和深部圈层的关键纽带(Zheng和Chen,2016).俯冲带中发生的流体活动与很多关键地质过程密切相关,如火山与地震活动、元素迁移富集成矿、物质迁移与壳幔物质循环,以及地球的表层环境变化.因此,对俯冲带流体来源、性质和地球化学效应的研究具有重要意义(Zheng,2019).     

克拉通岩石圈减薄与破坏机制的动力学数值模拟

大陆克拉通岩石圈的减薄是一种常见现象,但是其破坏并不常见.尽管前人针对这两种过程开展了不少研究,但是对其动力学机制尚缺乏统一认识.文章以大陆克拉通岩石圈,尤其是华北克拉通作为研究对象,基于前人的地质地球物理学观测以及动力学数值模拟研究,对克拉通岩石圈减薄与破坏的过程和机制进行了系统的分析和总结.其中,华北克拉通减薄和破坏的动力学机制限定为与大洋板块俯冲相关的两种主要模式,分别是:(1)"自下而上"过程,即俯冲板片扰动富水的地幔转换带,使其中流体上涌,软流圈物质受到扰动而发生对流,对上覆岩石圈底部进行"烘烤",并可能伴随流体/熔体-岩石反应,改变岩石圈地幔的矿物组成和流变学性质,导致岩石圈底部物质混合进入软流圈而发生减薄乃至破坏.(2)"自上而下"过程,强调大洋板片在克拉通岩石圈底部平俯冲并发生脱水,水化蚀变上覆岩石圈地幔,降低岩石圈地幔岩石流变特性;随后平俯冲转变为陡俯冲,伴随软流圈侧向上涌,被弱化的岩石圈地幔由于热侵蚀作用而进入软流圈,从而发生减薄乃至破坏.这两大类过程都是比较复杂的、多过程耦合的模式,都把大洋板块的俯冲及其流体活动作为上覆克拉通岩石圈减薄/破坏的主要驱动机制;不同之处在于俯冲大洋板片的位置,一种是在地幔转换带的平卧与滞留,另一种是沿着克拉通岩石圈底部的平俯冲.对于华北克拉通而言,东部岩石圈在中生代时期受到古太平洋板片的俯冲,板块俯冲带对华北克拉通之下的地幔和转换带物质的扰动及其伴随的流体活动,很大程度上控制着华北克拉通岩石圈的改造.为了更好的探讨和对比这两种模式,其核心关键点在于大洋俯冲带中水的活动.因此,文章重点对含水矿物相变及俯冲带和地幔转换带中水的迁移过程进行了探讨,分析了大洋俯冲带中可能的流体活动模型、各自存在的问题及其可行性.此外,为了全面认识克拉通岩石圈的减薄与破坏机制,还对其他可能的机制进行了总结,包含以下四组模式:拉张减薄模型、挤压增厚拆沉模型、大尺度地幔对流侵蚀模型以及地幔柱侵蚀模型.相对于前面介绍的两种大洋俯冲相关模型,这四种模型主要是由相对简单的单一过程和机制所致(分别是拉张、挤压、对流和地幔柱),可能是华北克拉通减薄与破坏的二级驱动机制.     

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.     

水与地幔的部分熔融

水对于地幔的部分熔融发挥了关键作用.地幔岩浆作用主要发生在板块边界(俯冲带和洋中脊)和若干板内热异常区域.在大洋俯冲带,俯冲板片释出的水可以诱发上覆地幔楔甚至板片自身发生熔融,导致弧岩浆作用,也有可能形成超临界流体.板片熔融和产生超临界流体的物理化学条件仍存在争议.在洋中脊和板内热异常区域,水和CO_2使上涌地幔发生熔融的起始深度增加,熔融比例增大.在地球深部层圈边界可能发生低程度的地幔熔融,如岩石圈和软流圈边界、上地幔和过渡带边界、过渡带和下地幔边界等,其成因一般认为与边界两侧矿物储水能力的差异有关.水可以促进地幔岩石熔融的根本原因在于水是一种不相容组分,强烈倾向于富集在硅酸盐熔体相(矿物-熔体的水分配系数远小于1),从而令其吉布斯自由能降低.前人对水在橄榄石、辉石和石榴石等地幔矿物与熔体之间的分配行为已经研究得比较充分,但水对硅酸盐熔体密度和迁移性质的影响还需要更进一步的高温高压实验和计算制约.     

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.     

克拉通破坏型金矿床

华北克拉通金矿床主要形成于早白垩世,具有爆发性成矿的特点,成矿时代与克拉通破坏峰期一致.成矿流体主要源于岩浆或地幔脱挥发分,这与世界其他克拉通内造山型金矿床显著不同,后者的成矿流体主要来自区域变质过程中的变质脱挥发分.结合华北克拉通破坏的时空范围、破坏机制等研究成果,本文系统分析了华北克拉通金矿床的时空分布规律、矿床成因和成矿机制等问题.我们认为,华北克拉通早白垩世金矿床不属于"造山型",而是"克拉通破坏型",其与"造山型"金矿床的本质区别在于成矿构造背景(伸展背景)和成矿流体来源(主要与来自克拉通破坏相关的岩浆活动有关).由于早白垩世古西太平洋板块(Izanagi板块)俯冲、回转与后撤、在地幔过渡带的滞留,改变了所在区域地幔过渡带和上覆地幔的物性与流动状态-出现非稳态流动,导致华北克拉通经历了来自深部熔/流体的强烈交代改造,形成强烈富集的岩石圈地幔.正是这种强烈交代富集的岩石圈地幔熔融产生的熔/流体与地壳的相互作用造成金元素短期巨量聚集成矿.通过对比分析北美克拉通破坏过程,我们发现美国内华达州卡林(Carlin)型金矿与华北克拉通早白垩世金矿具有相似的形成机制,两者差别仅表现在成矿流体最终就位的赋矿岩石类型不同.内华达州卡林型金矿实际上也属于克拉通破坏型金矿,克拉通破坏型金矿具有爆发性成矿规律.根据成矿地理位置,我们推断早白垩世古西太平洋俯冲板块后撤速率约为8.8 cm/a,始新世古东太平洋板块(Farallon板块)俯冲后撤速率约为3.3 cm/a.     

腾冲火山起源的地球物理和地球化学研究进展

腾冲新生代火山位于印度板块与欧亚板块碰撞边界上.该区域构造活动强烈,火山具有潜在的喷发性,研究腾冲火山起源对于认识板块俯冲过程、火山活动规律具有重要意义.本文总结了近年来腾冲火山起源的最新进展,包括地球物理和地球化学的新成果,探讨了火山岩浆来源和火山形成的深部动力学机制.这些研究发现腾冲火山的形成主要与板块俯冲有关,早期俯冲形成的残余大洋板片和现今俯冲的印度板块都可能是交代物质的来源,大洋板片在深部释放融流体形成富集软流圈地幔和岩石圈地幔.后期岩石圈的伸展作用可能诱导了富集软流圈地幔的部分熔融,导致岩浆物质喷出地表.根据⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与SiO₂的相关性,得到腾冲玄武岩遭受到地壳混染作用不明显,而安山岩和英安岩遭受地壳混染作用明显.地球物理成像显示腾冲火山下方地壳中有不同尺度的岩浆囊,其中上地壳有若干小岩浆囊,在中下地壳有大岩浆囊.地震成像显示地壳中的低速体向下延伸至上地幔,很可能反映地壳中的岩浆囊有地幔热物质的持续供给.