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.     

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.     

华北克拉通破坏

《华北克拉通破坏》重大研究计划,围绕克拉通破坏的时空范围、克拉通破坏的浅部效应和深部结构响应、克拉通破坏的动力学机制等核心科学问题,开展了系统与深入的探测、测试与研究.计划执行四年来的重要研究进展包括:(1)发现华北克拉通岩石圈厚度以及地壳-上地幔结构存在显著的空间差异,确定了华北克拉通破坏的时空范围;(2)厘定了华北克拉通古生代、中生代、新生代岩石圈的属性,发现了晚中生代华北克拉通岩石圈地幔富水而新生代岩石圈地幔贫水的特征;(3)根据岩浆作用和浅部地质响应的相关性,证实了地表地质构造受控于克拉通破坏的深部过程;(4)发现太平洋板块俯冲是华北克拉通破坏的主要动力因素的证据,揭示了华北克拉通破坏在板块构造体系中的科学意义.     

中国东部大地幔楔形成时代和华北克拉通岩石圈减薄新机制——深部再循环碳的地球动力学效应

地震P波速度成像显示,西太平洋俯冲板片滞留在地幔过渡带,在中国东部形成"大地幔楔"结构.中国东部大陆玄武岩的Mg同位素调查揭示了该俯冲滞留板片携带大量碳酸盐交代地幔过渡带上覆的对流地幔,形成了碳酸盐化橄榄岩,它是中国东部晚白垩世和新生代大陆强碱性玄武岩的源岩.该玄武岩的Mg-Sr同位素组成与年龄关系显示自106Ma以来,该地幔源区的碳酸盐种属为菱镁矿+少量白云石,发生初熔的深度为300~360km.因此,该地幔源区的碳酸盐化交代作用应发生在大于360km的深度,即在106Ma以前俯冲板片已经开始滞留地幔过渡带,形成了大地幔楔结构.这一时代支持大地幔楔的俯冲板片后撤形成机制.根据高温高压实验结果,碳酸盐化橄榄岩熔融产生的含碳酸盐硅酸盐熔体在到达至华北克拉通初步减薄的岩石圈底部(180~120km)时仍可以有高达25~18wt%的CO_2含量,其SiO_2和含量及类似于强碱性的霞石岩和碧玄岩,并具有较高的εNd值(2~6).该熔体向上渗透并交代底部岩石圈地幔可形成碳酸盐化橄榄岩.由于克拉通地热增温线与碳酸盐化橄榄岩固相线相交于130km深度,则华北克拉通岩石圈底部的碳酸盐橄榄岩将发生部分熔融导致其物理性质类似软流圈且较容易被对流上地幔置换.其新生成的碳酸盐-硅酸盐熔体又可以向上渗透交代上覆的岩石圈地幔.如此重复这一碳酸盐化交代-熔融过程,可以使岩石圈减薄,而碳酸盐-硅酸盐熔体也转变呈较富硅和具有较低εNd值(低至-2)的碱性玄武岩.随着华北克拉通岩石圈的减薄,其地热增温线逐步向大洋岩石圈靠近,岩石圈碳酸盐化橄榄岩的初熔深度可小于130km和逐步接近70km.因此,富碳酸盐熔体与岩石圈相互作用是华北克拉通岩石圈减薄过程在晚白垩世和新生代的一种可能机制.据中国东部低玄武岩的年龄统计,106~25Ma区间岩石圈的碳酸盐化交代-熔融引发的减薄过程仅零星存在,而在25Ma以后才大规模发生.因此,华北克拉通岩石圈的减薄可能存在两个峰期:与克拉通破坏峰期(135~115Ma)同时发生的岩石圈减薄,和25Ma以后由富碳酸盐硅酸盐熔体与岩石圈相互作用引发的岩石圈进一步减薄,它使得华北克拉通东部岩石圈减薄至现今的约70km左右.     

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.     

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.     

华北地区岩石圈类型: 地质与地球物理证据

根据华北地区的地质和地球物理特征, 区分出华北地区的克拉通型、造山带型和裂谷型3 种岩石圈类型, 依据岩石学方法以及地震波速与成分的关系, 建立了华北地区克拉通型、造山带型和裂谷型岩石圈的壳幔岩石学结构和化学结构. 研究表明, 华北地台具有与全球典型克拉通一致的特征, 鄂尔多斯为经历了中新生代地台“活化”和“改造”后残存的克拉通岩石圈, 陆壳主体成分由TTG构成, 岩石圈地幔主要由强亏损的方辉橄榄岩构成, 它于晚太古宙-早元古宙最终形成以后, 一直保持至今, 其壳幔岩石学结构可以作为华北乃至中朝地台克拉通型岩石圈的一个参照. 中生代时期, 华北地台中东部地区在燕山造山过程中被“活化”, 大量对流地幔物质与热输入使该区原来的TTG陆壳组分被改造成为花岗质陆壳, 岩石圈地幔被燕山期形成的方辉橄榄岩-二辉橄榄岩所代替. 燕山-太行山是华北东部地区新生代发育裂谷作用后残留的造山型岩石圈, 因为经历了新生代的伸展减薄, 现今的厚度不能代表燕山期造山时的地壳和岩石圈地幔厚度, 但岩石圈地幔和陆壳的物质及其结构仍然是燕山运动期间造山时形成的. 新生代时期, 华北东部的大陆裂谷作用形成以华北东部平原为代表的裂谷型岩石圈; 随着裂谷发育, 大量玄武岩喷发, 使燕山期的“酸性化”陆壳又被“基性化”, 燕山期形成的岩石圈地幔被破坏形成以二辉橄榄岩为主体的喜山期岩石圈地幔; 裂谷型地壳和岩石圈地幔经历了岩石圈尺度上伸展减薄和热侵蚀, 现今地球物理探测的岩石圈地幔和陆壳的物质和结构是新生代形成的. 华北地区岩石圈形成和演化表明, 大量对流地幔物质与热输入是不同类型岩石圈形成的关键, 壳幔岩石学结构是岩石圈演化的综合记录, 它们是中新生代中国大陆动力学系统与华北地台东侧的太平洋板块共同作用的结果.     

地幔柱作用与岩石圈改造:以塔里木克拉通为例

克拉通是稳定的大陆块体,形成于太古代,具有巨厚的岩石圈地幔根,其厚度多大于200 km.地幔热柱作用早期会显著减薄岩石圈地幔、降低岩石圈强度,现有地震和地幔捕虏体数据资料显示,克拉通经历过地幔柱作用后仍有超过150 km厚的稳定岩石圈地幔根,其岩石圈地幔根的主要物质成分是亏损的橄榄岩,岩石圈的强度仍旧保持高强度.这一现象具有全球效应,如北美Slave克拉通和非洲南部Kaapvaal克拉通均经历了这一过程.本文系统地归纳总结了地幔柱作用前后岩石圈典型特征,并结合相应阶段的构造响应发现：稳定的克拉通在地幔柱的作用下岩石圈会发生强烈的改造,伴随地表岩浆活动和克拉通岩石圈的减薄和弱化;而后亏损的地幔柱熔融残余物会重新加厚和增强岩石圈地幔.岩浆岩记录的地球化学资料显示,塔里木岩石圈在二叠纪时期经历了严重的改造过程;而岩石圈深部结构的地震、地热和大地电磁资料显示,现今塔里木岩石圈厚度约为150 km.塔里木岩石圈在新生代印度—欧亚大陆碰撞背景下仍旧表现出刚性的特征,塔里木岩石圈的增厚与增强是塔里木早二叠世地幔柱作用的结果.文章最后讨论了塔里木岩石圈减薄到再增厚的过程,并提出初步的模式．     

克拉通岩石圈减薄与破坏

我国华北克拉通在显生宙期间曾发生过〉100km的岩石圈减薄,并伴随克拉通的破坏。但如何认识该克拉通破坏的机制及在全球大陆演化中的意义,是目前需要深入研究的问题。本文通过对地球上印度、巴西、南非、西伯利亚、东欧（波罗地）、北美等克拉通的总结发现,岩石圈减薄是克拉通演化过程中经常见及的一种现象,但减薄并不一定伴随破坏。进一步深入研究表明,大多数克拉通的减薄可能主要通过地幔柱或地幔上涌的热侵蚀而实现,但目前还没有地幔柱或地幔上涌使克拉通发生破坏的实例。对已发生破坏的北美和华北克拉通的研究揭示,板块俯冲是导致克拉通破坏的重要原因。俯冲大洋板块的脱水交代上覆地幔楔,不仅可使其发生部分熔融而产生广泛的岩浆作用,更重要的是使大陆岩石圈地幔失去原有的刚性特征而易于发生变形。从这一过程出发,大规模地壳来源的花岗岩和壳内韧性变形可视为克拉通破坏的岩石学与构造学标志。     

西太平洋板片俯冲与后撤引起华北东部地幔置换并导致陆内盆-山耦合

华北中生代构造-岩浆活动频繁,深部岩石圈地幔性质发生变化,即克拉通发生活化作用.活化作用大致可分为三个阶段:(1)晚古生代至早侏罗世(至~170Ma),(2)中侏罗世至早白垩世早期(160~140Ma),(3)早白垩世至新生代(~140Ma以来).其中后两个阶段与古太平洋板片俯冲及后撤导致华北东部深部的岩石圈地幔置换并引起陆内浅部的盆山耦合过程是本文讨论的重点.在第一阶段,古亚洲洋俯冲和关闭引起华北北缘经历弧后拉张、碰撞挤压及碰撞后伸展等构造-岩浆活动,而且造成陆块边缘完整性的机械破坏和地幔性质的化学改造,成为后续软流圈物质上涌的通道和岩浆活动的优先发生区;受华南陆块俯冲的影响,华北南缘也发生了类似的过程.在第二阶段,蒙古鄂霍次克洋闭合及古太平洋板片俯冲剪切,引起华北北缘的两次近S-N向的挤压作用(燕山运动的A、B幕),近E-W向分布的陆缘盆地被晚中生代岩体和NE-SW断裂肢解为零星分布的盆岭省,岩浆作用由东北角向西迁移进入地块内部,同时郯庐断裂的性质由左行走滑转换为正断层,华北由早期的近S-N向的压扭性背景进入NW-SE向的弧后拉张阶段.第三阶段是华北克拉通破坏和岩石圈地幔增生的关键时期,深部难熔的克拉通型地幔被饱满的大洋型地幔置换,实现岩石圈大幅度减薄后的小幅增生增厚过程;浅部的表现是岩浆作用持续向东南迁移,陆内岩石圈薄弱带优先发生伸展变形,包括在早白垩世(140~110Ma)中部带侏罗纪逆冲断层反转为正断层、郯庐断裂的持续拉张引起中地壳拆离和大渤海湾盆地的沉降;晚白垩世至今(110Ma~),中部山带发生断陷作用形成汾渭盆地和沁水盆地,大渤海盆地内部断陷形成盆-山相间的地貌特征,苏鲁造山带则发育莱阳盆地等.华北克拉通规模小并发育陆内薄弱带,是克拉通容易破坏的内因.具这种特性的克拉通容易受周边多个俯冲构造域和上涌软流圈物质的共同影响.晚中生代(~160Ma)以来,华北克拉通破坏主要表现为周边块体的俯冲导致软流圈物质上涌、岩石圈减薄和浅部地壳滑脱,岩石圈薄弱带处(如中部山带)出现褶皱和逆冲,实现伸展背景下的局部挤压;俯冲板块后撤(~140Ma)则使上涌的软流圈回落形成岩石圈并实现地幔小幅增生置换(~125Ma)与伸展背景下浅部地壳断陷和成盆过程.因此,西太平洋板片俯冲和后撤是引起华北东部深部岩石圈地幔置换并导致陆内浅部盆-山耦合的外在动力来源,表明华北克拉通破坏是地块内部与地块边缘、深部过程与浅部盆-山耦合响应的综合地质记录,我们认为这也是燕山运动的本质.     

华北克拉通东部岩石圈地幔碳酸盐熔体交代作用与克拉通破坏

华北克拉通东部在早白垩世经历了显著的破坏作用,不同性质熔/流体活动对岩石圈地幔的改造在克拉通破坏过程中起到了至关重要的作用.碳酸盐熔体作为一种非常重要的地幔交代介质,可以对岩石圈地幔的物理化学性质产生显著影响,并在地幔橄榄岩的单斜辉石中留下独特的地球化学指纹(例如,高Ca/Al、低Ti/Eu比值等),为示踪地幔碳酸盐熔体交代作用提供了依据.文章系统总结了华北克拉通破坏最为显著的东部地区岩石圈地幔经历碳酸盐熔体交代作用的时空变化规律,揭示出三种不同类型的地幔碳酸盐熔体交代作用.第一类碳酸盐熔体交代作用形成的单斜辉石具有异常高的Ca/Al比值(15～70)和富集的Sr同位素组成(~(87)Sr/~(86)Sr=0.706～0.713);第二类碳酸盐熔体交代作用形成的单斜辉石具有相对较高的Ca/Al比值(5～18)和Sr同位素组成(~(87)Sr/~(86)Sr=0.703～0.706);第三类碳酸盐熔体交代作用形成的单斜辉石具有略微偏高的Ca/Al比值(5～9)和低Sr同位素组成(~(87)Sr/~(86)Sr=0.702～0.704).时间上,华北克拉通东部苏鲁造山带及其邻区晚三叠世之前深部石榴石相和浅部尖晶石相岩石圈地幔均经历了第一类碳酸盐熔体交代作用的强烈改造,这可能与携带碳酸盐岩的华南陆块向华北克拉通深俯冲过程中碳酸盐熔体-橄榄岩反应作用有关.第一类碳酸盐熔体交代作用可以显著弱化岩石圈地幔的强度,可能为华北克拉通东部岩石圈地幔的最终破坏提供了关键前提条件.华北克拉通破坏峰期之后(晚白垩世-新生代)火山岩捕获的古老岩石圈地幔残余(全部为尖晶石相方辉橄榄岩)只记录了第二类碳酸盐熔体交代作用的改造,表明那些经历了第一类碳酸盐熔体交代作用强烈改造的古老岩石圈地幔在克拉通破坏过程中并未保留下来,已经被完全改造.相比之下,火山岩中的二辉橄榄岩地幔包体代表了克拉通破坏之后新生、饱满的岩石圈地幔,其中只有部分样品记录了第二类或者第三类碳酸盐熔体交代作用的改造,反映了克拉通破坏之后含有不同比例再循环地壳物质的软流圈来源碳酸盐熔体的改造作用.空间上,胶东及其邻区岩石圈地幔经历碳酸盐熔体交代作用的特征最明显,这与该地区岩石圈地幔减薄和克拉通破坏最显著以及巨量金成矿的特征具有空间一致性.所有这些特征表明碳酸盐熔体交代作用在华北克拉通岩石圈地幔改造、破坏和大规模金成矿过程中可能起到了至关重要的作用.     

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.     

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.     

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.     

由诸城-宜川人工地震剖面反演结果看太行山两侧岩石圈结构的差异

利用诸城-宜川人工地震折射/宽角反射剖面的资料,得到了华北克拉通南部岩石圈二维速度结构.结果表明,太行山东西两侧岩石圈结构存在着巨大的差异.东侧较薄,为70～80km;西侧较厚,为85～120km.在太行山重力梯度带附近,岩石圈厚度出现了约30km的突变.岩石圈地幔和下地壳介质的P波速度值东侧较低,西侧较高.东侧的中下地壳内存在不同尺度的低速体,西侧则尚未发现.这些差异表明,太行山重力梯度带也是一条岩石圈厚度突变带和岩石成分分隔带.根据Pm波的波形特点,推测东部地区的莫霍面不再是一个尖锐的间断面,而是一个复杂的过渡带.初步分析认为,上地幔物质的热机械-化学侵蚀作用是引起太行山东侧岩石圈减薄和破坏的主要机制,太平洋板块俯冲是改变华北克拉通岩石圈地幔性质的重要动力学因素.     

华北克拉通破坏的时间、范围与机制

华北是全球古老克拉通遭受破坏最明显和最典型的地区.自国家自然科学基金委员会设立＂华北克拉通破坏＂研究计划以来,通过不同学科间的有效交叉融合,围绕该克拉通破坏的时间、范围和机制等重要科学问题,进行了大量的工作,并取得了诸多新认识太行山东西两侧地壳与岩石圈厚度空间变化以及地球化学属性的异同显示,华北克拉通破坏主要集中在东部,而西部主要表现为克拉通的改造.克拉通化之后的沉积建造、岩浆活动和构造变形等特征表明,克拉通破坏发生在中生代,其峰期为125Ma左右.通过对比发现,岩石圈减薄在全球其他克拉通中也多有发生,但大多并不伴随克拉通的破坏;只有当受到大洋板块俯冲作用的强烈影响时,克拉通破坏才有可能发生.具体到华北地区,在早白垩世全球地幔整体升温背景下,太平洋板块的俯冲使华北克拉通东部地幔对流系统失稳,导致了华北克拉通东部破坏;岩石圈拆沉或热-化学/机械侵蚀是地幔对流失稳所产生的不同表现形式.     

华北克拉通地壳结构研究——长观测距地震测深剖面的结果

<正>华北克拉通是当今世界最古老的克拉通之一,其自18亿年前克拉通化之后至早中生代,一直保持相对稳定,并保存有巨厚的太古宙岩石圈根。自中生代以来,华北克拉通东部经历了一系列的构造隆升和伸展运动,东部的岩石圈已经被强烈改造和破坏。近年来,相关研究表明,华北克拉通东部岩石圈地幔不仅减薄了100多千米,而且其物理化学性质也发生了相应的变化,同时,华北克拉通本身具有的稳定性也遭到了破坏。其中,天然地震台阵探测、重力和地球化学等研究在华北克拉通破坏的研究中获得了丰富的成     

鄂尔多斯盆地深部热结构特征及其对华北克拉通破坏的启示

基于二维稳态热传导方程,利用有限元数值模拟方法,选取东西向横穿鄂尔多斯盆地地质与地球物理解释大剖面进行了深部温度场数值模拟研究,得到了华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地下伏岩石圈热结构特征.地幔热流变化范围:21.2~24.5mW·m-2,体现为东高西低特征.壳幔热流比(Qc/Qm)介于1.51~1.84之间,为"热壳冷幔".与华北东部地幔热流对比表明,西部的鄂尔多斯盆地相对处于稳定的深部动力学环境.在岩石圈热结构研究基础上,对克拉通地震岩石圈与热岩石圈厚度差异进行了对比,研究表明:鄂尔多斯盆地西部地震岩石圈与热岩石圈厚度差异约达140km,而东部的汾渭地堑,渤海湾盆地二者差异逐渐减小.华北克拉通自西向东,地震岩石圈厚度与热岩石圈厚度差异不断减小,意味着华北克拉通岩石圈下部的软流圈地幔黏性系数自西向东逐渐降低,本文从地热学角度可能印证了太平洋俯冲脱水作用对华北克拉通的影响.     

华北地区410km间断面和660km间断面结构——克拉通活化的地幔动力学状态探测

地幔过渡带间断面的形态能够提供地幔动力学状态的重要信息.本文利用密集流动台阵观测获得的地震波形记录,采用高分辨的地壳-上地幔速度结构成像结果作为接收函数共转换点叠加的速度模型,获得了华北克拉通地区地幔过渡带410km间断面和660km间断面深度的空间分布.结果揭示华北克拉通410km间断面和660km间断面结构的空间变化显著,存在多处间断面深度异常.地幔过渡带的结构特征以南北重力梯度带为界分为东西两部分;410km间断面变深（420～430km）的区域主要分布在华北克拉通东部,660km间断面变浅（642～655km）的区域出现在华北克拉通西北部;在华北克拉通东南部,660km间断面显著加深.本文分析认为,停滞在地幔过渡带的太平洋俯冲板块、厚度剧烈变化的克拉通岩石圈以及它们与周围地幔的相互作用,导致华北克拉通下存在活跃的地幔流动体系,造成过渡带间断面形态的高度不均匀.本文推测了两种可能的地幔过程：在克拉通根厚度显著变化的区域发生减压熔融,或者边界驱动的对流引起地幔物质沿着厚的克拉通根向上流动;或者是停滞在地幔过渡带的俯冲板块部分沉入下地幔,同时导致被排出的下地幔物质上升.     

大别苏鲁地区层状地幔反射体及其解释

深反射地震虽然己广泛应用于地壳上地幔调查，然而，来自地幔的反射体在全世界 都还比较少见，尤其是尚未有发现上地幔中多层水平反射体的报道. 近年来，作者用24s 的 深反射地震记录揭示了在大别苏鲁地区岩石圈地幔内存在5组水平的反射体, 表明该区具有 特殊演化作用形成的上地幔组构, 它们可随深度增加分别命名为M1到M5 . 这些反射体不仅 可在地震叠加剖面上看到，有时还可在野外单炮记录上看到. 反射体M1对应Moho面，而M5大 概与现今岩石圈底界对应，根据地热资料，苏鲁热岩石圈厚度约为78km. 其他3个反射体可 能是中生代岩石圈减薄诱发的壳幔作用的结果. 根据岩石学与地球化学的数据，在晚中生代 中国东部岩石圈的厚度约从150km减薄到约60km，在新生代又略微加厚到平均 78km. 这一减 薄作用引起岩浆底侵并在下地壳产生麻粒岩层，而早侏罗纪扬子克拉通向北的陆-陆俯冲又 在上地幔产生榴辉岩层. 在双程走时12s处的反射体M2 则是麻粒岩层与榴辉岩层的边界，它 也是古生代的 Moho面. 反射体 M3 出现在14s 前后，看来是榴辉岩层的底面, 它的下面应 保存有残留的古生代上地幔. 由于新老岩石圈地幔成分不同，其界面产生反射体 M4. 这种 多层岩石圈地幔反射体的存在表明，所研究地区的地幔结构与中国东部中生代岩石圈减薄作 用有关. 同时，由于20世纪80年代以来一直认为上地幔在反射地震上是相对透明的，多层反 射体的发现对这一认识是新的挑战, 表明采用爆炸震源与地震反射新技术有可能揭露岩石圈 地幔内部结构细节，这些细节也是地幔动力学作用的产物.