辽东-胶东半岛三叠纪镁铁质岩浆岩:记录从洋壳俯冲到大陆碰撞的构造转换

大陆碰撞造山带中出露的镁铁质岩浆岩,特别是形成于洋陆转换和大陆碰撞关键时期的镁铁质岩浆岩,对理解从大洋俯冲到大陆碰撞化学地球动力学过程的转变,以及发展板块构造理论具有重要意义.本文通过对苏鲁造山带和华北东南缘(胶东和辽东地区)三叠纪镁铁质岩浆岩同位素年代学和地球化学的系统总结,概括出从大洋俯冲到大陆碰撞过程中古洋壳和大陆地壳物质再循环的岩石地球化学记录.早-中三叠世洋岛型镁铁质岩浆岩属于同碰撞岩浆岩,具有洋岛型微量元素特征和弱富集的放射成因同位素组成,记录了先前俯冲古特提斯洋壳来源的熔体与上覆地幔楔橄榄岩的相互作用;晚三叠世岛弧型镁铁质岩浆岩属于同折返岩浆岩,具有弧型微量元素特征和相对富集的放射成因同位素组成,记录了随后俯冲的华南陆壳来源的熔体与上覆华北岩石圈地幔之间的相互作用.因此,辽东-胶东半岛三叠纪镁铁质岩浆岩记录了大陆俯冲带不同类型的壳幔相互作用及其形成的化学动力学过程.     

大洋俯冲和大陆碰撞沿走向的转换动力学及流体-熔体活动的作用

为了深入探讨大洋俯冲和大陆碰撞沿走向的转换及其动力学特征,同时更好的理解俯冲-碰撞带的流体-熔体活动及其效应,我们建立了一系列三维空间的大尺度、高分辨率的动力学数值模型。模拟结果显示,在板块会聚过程中,流体-熔体活动可以降低周围岩石的流变强度及两个板块之间的耦合作用,并能够促进大陆碰撞带俯冲板块的断离。同时,俯冲-碰撞带的空间转换模型揭示其深部结构存在巨大的沿走向的差异性,大陆碰撞带发生俯冲板块断离,而大洋俯冲板块持续下插。并且上覆板块的地壳物质发生从陆-陆碰撞带向洋-陆俯冲带的侧向逃逸。这种三维空间中沿走向的差异性俯冲-碰撞模式与中-东特提斯构造带相吻合,并揭示其动力学机制。     

长江中下游中生代安山质火山岩记录的新元古代大洋板片-地幔相互作用

大陆弧安山岩的形成是大洋板片向大陆边缘之下俯冲的结果,但是在具体形成机制上存在很大争议.针对这个问题,对长江中下游地区中生代安山质火山岩及其伴生的玄武质和英安质火山岩进行了系统的岩石地球化学研究,结果对大陆弧安山质火成岩的成因提出了新的机制.分析表明,这些岩石形成于早白垩世,它们不仅表现出典型的岛弧型微量元素分布特征,而且具有高度富集的Sr-Nd-Hf同位素和高的放射成因Pb以及高的氧同位素组成.通过全岩和矿物地球化学成分变化检查发现,地壳混染和岩浆混合作用对其成分的富集特征贡献有限,而其岩浆源区含有丰富的俯冲地壳衍生物质才是其成分富集的根本原因.虽然这些火山岩的喷发年龄为中生代,但是其岩浆源区形成于新元古代早期的华夏洋壳俯冲对扬子克拉通边缘之下地幔楔的交代作用.大陆弧安山岩地幔源区中含有大量俯冲洋壳沉积物部分熔融产生的含水熔体,显著区别于大洋弧玄武岩的地幔源区,其中只含有少量俯冲洋壳来源的富水溶液和含水熔体.正是这些含水熔体交代上覆地幔楔橄榄岩,形成了不同程度富集的超镁铁质-镁铁质地幔源区.在早白垩纪时期,古太平洋俯冲过程的远弧后拉张导致中国东部岩石圈发生部分熔融,其中超镁铁质地幔源区熔融形成玄武质火山岩,镁铁质地幔源区则熔融形成安山质火山岩.因此,大陆弧安山岩成因与大洋弧玄武岩一样,可分为源区形成和源区熔融两个阶段,其中第一阶段对应于俯冲带壳幔相互作用.      

大陆碰撞造山带镁铁质岩浆岩记录俯冲古洋壳物质再循环

在大陆碰撞造山带中寻找消失的古洋壳再循环及其壳幔相互作用的证据,对理解从洋壳俯冲到陆壳俯冲化学地球动力学过程的转变,以及板块构造理论的发展具有重要意义.通过对桐柏-红安造山带晚古生代和晚中生代镁铁质岩浆岩的岩石地球化学特征进行总结,可以识别出俯冲古洋壳再循环的岩石学和地球化学记录.晚古生代岛弧型镁铁质岩石具有弧型微量元素特征和相对亏损的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧下深度（80~160 km）的流体交代作用;而晚中生代洋岛型镁铁质岩石OIB型微量元素特征和亏损-弱富集的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧后深度（>200 km）的熔体交代作用.这一定性的解释也进一步得到了定量计算的证实,其结果表明镁铁质岩浆岩中的不相容元素的含量以及放射性成因同位素的富集程度,主要受控于地幔源区中所加入的地壳组分的性质和比例.因此,碰撞造山带中的岛弧型和洋岛型镁铁质岩浆岩,分别记录了弧下和弧后深度的俯冲古洋壳物质再循环.      

造山带橄榄岩记录的大陆俯冲带多期壳幔相互作用

俯冲带是地壳与地幔之间物质交换的主要场所.前人对大洋俯冲带壳幔相互作用进行了大量研究,但是对俯冲带壳幔相互作用的物理化学过程和机理仍缺乏明确认识.在大陆俯冲带出露有造山带橄榄岩,它们来自俯冲板片之上的地幔楔,是解决这个问题的理想样品.通过对大别-苏鲁和柴北缘造山带橄榄岩进行系统的岩石学和地球化学研究,发现地幔楔橄榄岩由于俯冲地壳的交代作用而含有新生锆石和残留锆石,它们能为地壳交代作用时间、交代介质来源、性质和组成提供制约.地幔楔橄榄岩在大陆碰撞过程的不同阶段受到了俯冲大陆地壳衍生的多期不同性质流体的交代作用.地幔楔橄榄岩还受到了陆壳俯冲之前古俯冲洋壳衍生流体的交代作用.深俯冲陆壳衍生熔体与橄榄岩反应形成的石榴辉石岩具有高的水含量,能提供高水含量的地幔源区.      

青藏高原巨厚地壳：生长、加厚与演化

大陆地壳约占地表面积的40%, 其成因与生长, 是一个关乎人类生存和资源供给的基础地学问题。人们普遍认为, 大洋俯冲通过岛弧拼贴和幔源岩浆底侵形成造山带新生陆壳,大陆碰撞过程只对现存地壳进行再造,不产生新生地壳。青藏高原经历古/新特提斯大洋俯冲和印 亚大陆强烈碰撞, 拥有全球最厚的陆壳(65~80km), 是研究大陆地壳的形成、生长、加厚、演化与保存的天然实验室。我们研究表明, 古/新特提斯大洋的相继俯冲消减, 产生多期次的幔源镁铁质弧岩浆(270~66Ma), 在弧地壳下部底侵和上部侵位, 导致地壳侧向加积和垂向生长并加厚约10km。在同(软)碰撞期(65~41Ma), 印度大陆岩石圈俯冲导致俯冲前缘的洋壳板片回转和断离, 诱发软流圈地幔熔融及其幔源岩浆上升侵位, 在冈底斯碰撞带形成新生地壳, 并导致地壳加厚6~9km。在晚(硬)碰撞期(40~26Ma), 冈底斯碰撞造山带内不同地壳块体(地体)间发生逆冲叠覆, 导致中深层次地壳缩短加厚10~20km; 在碰撞带的后陆区, 印度大陆岩石圈地幔俯冲诱发软流圈沿地幔通道上涌, 侵蚀和吞噬地幔岩石圈, 并诱发其部分熔融, 向地壳注入大量幔源镁铁质岩浆, 形成新生地壳, 维持高原生长。在后碰撞期(<25Ma), 碰撞带和后陆区均发生地壳伸展与有限减薄, 伴有新生地幔组分少量注入和高原陆表强烈剥蚀。粗略估计：形成并保存于大陆碰撞造山带的新生地壳量占整个陆壳的28%, 大洋俯冲与大陆碰撞分别为青藏高原贡献了75%和25%的新生地壳。我们提出, 青藏高原巨厚地壳的形成发育, 实际上是幔源岩浆向地壳注入添加与中下地壳缩短加厚连续或交互作用的结果。伴随大洋俯冲与大陆碰撞, 巨厚地壳物质组成发生以新生地壳形成和古老地壳再造为特征的动态演变。镁铁质新生下地壳的大规模重熔与长英质岩浆大量侵位可能是巨厚地壳长英质化的主要机制。     

中国东部新生代玄武岩记录古太平洋俯冲带壳幔相互作用

大陆玄武岩通常具有与洋岛玄武岩相似的地球化学成分,其中含有显著的壳源组分.对于洋岛玄武岩来说,虽然其中的壳源组分归咎于深俯冲大洋板片的再循环,但是对板片俯冲过程中的壳幔相互作用缺乏研究.对于大陆玄武岩来说,由于其形成与特定大洋板片在大陆边缘之下的俯冲有关,可以用来确定古大洋板片俯冲的地壳物质再循环.本文总结了我们对中国东部新生代玄武岩所进行的一系列地球化学研究,结果记录了古太平洋板片俯冲析出流体对地幔楔的化学交代作用.这些大陆玄武岩普遍具有与洋岛玄武岩类似的地球化学成分,在微量元素组成上表现为富集LILE和LREE、亏损HREE,但是不亏损HFSE的分布特点,在放射成因同位素组成上表现为亏损至弱富集的Sr-Nd同位素组成.在排除地壳混染效应之后,这些玄武岩的地球化学特征可以由其地幔源区中壳源组分的性质来解释.俯冲大洋地壳部分熔融产生的熔体提供了地幔源区中的壳源组分,其中包括洋壳镁铁质火成岩、海底沉积物和大陆下地壳三种组分.华北和华南新生代大陆玄武岩在Pb同位素组成上存在显著差异,反映它们地幔源区中的壳源组分有所区别.中国东部新生代玄武岩的地幔源区是古太平洋板片于中生代俯冲至亚欧大陆东部之下时,在>200 km的俯冲带深度发生壳幔相互作用的产物.在新生代期间,随着俯冲太平洋板片的回卷引起的中国东部大陆岩石圈拉张和软流圈地幔上涌,那些交代成因的地幔源区发生部分熔融,形成了现今所见的新生代玄武岩.      

罗迪尼亚超大陆聚合在华南陆块北缘的镁铁质岩浆岩记录

超大陆的聚合必然伴随着从大洋俯冲、弧陆碰撞到陆陆碰撞等一系列板块汇聚和造山过程,这些不同阶段的俯冲和汇聚过程会产生不同特征的岩浆岩记录.华南陆块是新元古代罗迪尼亚超大陆的重要组成部分,在这个超大陆聚合过程中有格林维尔期洋壳俯冲及其伴随的壳幔相互作用.总结了华南陆块北缘记录的罗迪尼亚超大陆聚合不同阶段发生的岩浆活动,比较了其产物的地球化学特征,探讨了它们对应的构造环境.华南陆块北缘900~950 Ma的岩浆活动产物以镁铁质岩浆岩为主,伴随有少量斜长花岗岩,为洋壳俯冲作用的产物.当洋壳俯冲到大陆边缘之下形成安第斯型俯冲带,古老陆源沉积物也被携带进入俯冲带,由此部分熔融产生的含水熔体交代上覆地幔楔形成极度富集的造山带岩石圈地幔,其在新元古代中期发生部分熔融形成具有极负锆石ε_Hf（t）值的镁铁质岩浆岩.因此,在罗迪尼亚超大陆聚合过程中地幔楔被交代形成镁铁质-超镁铁质交代岩,其中一部分在俯冲阶段就发生部分熔融形成大洋弧或大陆弧镁铁质岩浆岩,另一部分在俯冲之后由于大陆裂断引起造山带岩石圈拉张使其与上覆地壳一起部分熔融形成双峰式岩浆岩.      

大陆深俯冲过程中的流体及变质化学地球动力学

俯冲带发生的化学作用导致了广泛的脱气作用和岩浆活动,控制着全球物质循环和大陆地壳的生长,是地球演化的基础.实际上,俯冲带化学作用是板块俯冲过程中流体形成、运移和流体-岩石(矿物)相互作用的结果.     

壳-幔演化和板块俯冲作用过程中的硼同位素示踪

硼同位素是近年来发展起来的一门新兴的稳定同位素地球化学方法。硼有两个稳定同位素 :10 B和11B。硼同位素组成自然界变化十分大 ,δ11B值为 - 37‰～ +58‰。对地幔岩石的硼同位素研究表明 ,原始地幔的δ11B值为 - 10‰± 2‰ ,B的质量分数估算为 (0 2 5± 0 1)×10 -6。相对而言 ,地壳岩石的B含量和δ11B值均较高。由于壳、幔岩石具有不同的B含量和δ11B值 ,硼同位素已被广泛应用于研究壳幔演化和板块俯冲作用过程 ,用于示踪俯冲板块中大洋沉积物和蚀变洋壳在地幔中的循环。