华北东部橄榄岩岩石化学特征及其岩石圈地幔演化意义

华北东部古生代以来火山岩中捕虏体橄榄岩和苏鲁早中生代构造侵位橄榄岩的岩石化学结果表明: 古生代金伯利岩侵位时仍然存在的难熔、漂浮克拉通地幔在中、新生代时其大部被新生饱满的岩石圈地幔物质取代置换.在100 Ma前(但不早于178 Ma), 新生软流圈物质就已开始沿古老岩石圈内的地幔薄弱带和岩石圈深断裂带对克拉通地幔进行侵蚀、交代和混合作用, 引起岩石圈大幅减薄.这一减薄存在时间、空间的不均匀性, 但在老第三纪达最大.新第三纪以来, 上涌的软流圈物质由于温度下降回落(岩石圈小幅增厚)并转化为新生岩石圈地幔, 实现地幔置换过程.分析的苏鲁造山带橄榄岩是早中生代构造侵位改造过的古老岩石圈地幔物质.      

中国东部岩石圈减薄研究中的几个问题

中国东部岩石圈减薄是近 10年来国内外研究的热门课题 ,但关于岩石圈减薄的具体时间、机制及其构造控制因素 ,多有争论。根据目前的研究资料 ,文中对上述问题进行了全面的讨论。初步认为该岩石圈减薄发生在晚中生代 ,且在 12 0～ 130Ma的早白垩世达到高潮。综合分析认为 ,岩石圈的减薄与东侧太平洋板块的俯冲有关 ,即大洋板块的俯冲作用导致岩石圈加厚 ,进而发生岩石圈拆沉。Os同位素资料显示 ,由地幔橄榄岩包体所反映的新生代岩石圈地幔具有年轻性质 ,与古生代时的岩石圈地幔截然不同。因此笔者认为 ,中国东部现今的岩石圈地幔并不是减薄后的残留 ,它表明中生代时 ,岩石圈地幔和部分下地壳一起通过拆沉作用而沉入软流圈地幔 ,由此而导致软流圈地幔与地壳的直接接触。幔源岩浆的底侵及软流圈对地壳的直接加热作用 ,使上覆地壳发生大规模的岩浆和成矿作用 ,并导致中国东部中生代时期伸展构造的广泛发育。     

华北东部中生代晚期-新生代软流圈上涌与岩石圈减薄

现今的地幔是由软流圈地幔(热的,主元素饱满、微量元素亏损的,塑性流变性质的)、古老岩石圈地幔(地幔1,冷的,主元素贫瘠、微量元素富集的,刚性的,以方辉橄榄岩为代表)以及现今的岩石圈地幔(地幔2,主元素饱满、微量元素亏损,以二辉橄榄岩为代表,可能包括多时期形成的)组成。古老岩石圈地幔与地幔2样品的共存、100~4·3Ma在地幔内部持续发生的古老岩石圈与软流圈的相互作用以及上述作用的时空不均一性,都表明了岩石圈减薄是软流圈呈“蘑菇云状”大规模上涌的结果。上述事件发生于100Ma以后。软流圈来源的玄武岩大范围喷发并伴随了岩石圈的强烈拉伸是事件发生的主要标志,岩石圈减薄是一个深部地质过程,不像是突发事件。     

中国东部壳-幔、岩石圈-软流圈之间的相互作用带：特征及转换时限

中国东部中—新生代,下部岩石圈存在壳与幔、岩石圈与软流圈两个相互作用带,它们是重要的岩浆源区,在层圈相互作用中,热和物质的交换及其动力学过程是引起中、新生代岩石圈内部层圈间的厚度调整、岩石圈不均匀减薄以及区域构造-岩浆-成矿作用的重要机理。大陆内部的壳-幔作用有3种类型:地幔来源的底侵熔体与下地壳的作用;下地壳拆沉进入弱化(weakening)了的岩石圈地幔二者发生的作用以及陆-陆碰撞深俯冲带的壳-幔相互作用。它们形成的火山岩组合有一定的差别,但源区都含有地壳组分。岩石圈-软流圈的作用带也是重要的岩浆源区,源区是以软流圈地幔为主,基本不含地壳组分。东部岩石圈的减薄时间大体与出现大规模软流圈来源的玄武岩喷发的时间一致,也与上述两类层圈作用转换的时间一致,大约在100Ma以后。     

东北和华北地区上地幔成分和热状态对比及对中国东部岩石圈减薄的启示

地幔成分与其上覆地壳年龄存在相关关系,年龄越老,地幔越亏损玄武质组分。本文对产于东北和华北地区的尖晶石相橄榄岩包体的成分进行了统计分析,结果显示东北地区橄榄岩包体比华北地区包体更亏损玄武质组分。这说明东北岩石圈地幔比华北上地幔更难熔,但其上覆地壳年龄却远小于华北地区地壳的年龄。这种地壳年龄和地幔组分之间的解耦暗示东北和华北地区的岩石圈地幔形成之后发生了大规模的改造。华北地区的壳幔解耦与中生代岩石圈减薄和增生有关,而东北地区的壳幔解耦则是该区地壳的多期改造和中生代岩石圈减薄和增生等过程综合作用的结果。两地区地幔成分的差异显然与部分熔融程度的不同有关,但影响部分熔融程度的因素很多,目前尚不能确定。包体的平衡温度统计和地温线对比显示东北岩石圈的地温梯度低于华北的地温梯度,可能是东北地区岩石圈减薄的时间要早于华北地区,或者华北岩石圈减薄程度可能大于东北地区的结果,因此中国东部岩石圈减薄存在时空不均一性。     

胶辽半岛金伯利岩中地幔捕虏体岩石学特征：古生代岩石圈地幔及其不均一性

华北东部古生代岩石圈地幔经历过复杂的多旋回多阶段熔融岩浆、重结晶、变质和剪切变形历史,因而岩石组成、结构复杂.地幔橄榄岩的主元素、地幔矿物特别是金刚石中的包裹体的Mg#值及Cr#值等显示古生代岩石圈地幔高度难熔亏损玄武质的成分特征,而地幔橄榄岩的不相容元素、同位素显示高度富集的特点.这种高难熔和强富集两重性是克拉通岩石圈地幔的特征.Pb同位素反映华北东部古生代岩石圈地幔具冈瓦纳大陆地幔的特点.复县和蒙阴古生代岩石圈地幔尽管都表现为太古代克拉通地幔的特征,但存在着不均一性,前者受克拉通化后的深部作用影响强于后者.与新生代地幔Sr、Nd同位素对比表明富集的古生代岩石圈地幔向亏损新生代的地幔转变和减薄伴有新生地幔物质对古老岩石圈的置换和混合作用.     

河北阳原新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体矿物化学:华北岩石圈地幔演化

橄榄岩及其中矿物的组成, 特别是单斜辉石的微量元素, 可以很好的揭示岩石圈地幔性质.在对河北阳原新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体详细岩相学和矿物化学研究基础上, 重点分析了单斜辉石的激光原位微量元素, 讨论了新生代华北内部山带岩石圈地幔特征及其演化机制.阳原地区陆下岩石圈, 除个别样品的部分熔融程度为15%~20%外, 多数样品<5%, 显示该区的地幔演化是不均一的, 并表现为饱满与难熔-过渡型地幔的交叉并存.这种共存现象可以用软流圈物质对古老地幔进行不均匀侵蚀、改造和置换作用来解释.      

微陆块属性及过程:我国东北地区岩石圈地幔性质差异之根本

我国东北地区位于中亚造山带的东段,由多个微陆块俯冲拼合所组成,是研究壳幔相互作用的理想地区。但该区岩石圈地幔性质,包括壳幔属性是否解耦、是否有古老地幔残留、导致地幔性质差异的机制是什么,都还不清楚。东北地区多地出露新生代玄武岩并有橄榄岩捕虏体,如松嫩-张广才岭地块的阿巴嘎、五大连池和蛟河,兴安地块的哈拉哈、诺敏和科洛,以及与华北拼合褶皱带处的双辽、伊通和汪清等。其中阿巴嘎、哈拉哈、诺敏、科洛和蛟河的橄榄岩含有Mg#≥91.5的橄榄石,最大Re亏损年龄是2.1~1.9Ga,富集Sr、Nd同位素组成且变化范围大,反映交代作用强烈,这些特征与大陆岩石圈地幔有明显的相似性;而拼合带处的双辽、伊通、汪清及松嫩-张广才岭地块中的五大连池地幔包体橄榄石,Re亏损年龄总体为中元古代,Sr、Nd同位素组成变化范围小,交代作用弱,与大洋岩石圈地幔亲缘性更明显。这些差别总体反映出地块内部与地块边缘相比,有岩石圈地幔形成时代相对较老、亏损程度较高、地幔交代作用较强的特点。但也有例外的情况,如五大连池与科洛相比,更远离贺根山-黑河断裂带,但地幔属性更饱满,反映地块内部深部作用过程可能更强烈。因此,我们认为东北岩石圈地幔性质差异的根本原因与微陆块初始属性和后来的俯冲拼合及软流圈-岩石圈相互作用等有关。     

中国东部显生宙地幔演化的主要样式 :“蘑菇云”模型

从地幔类型、地球物理资料、岩石学研究成果 3方面讨论了中国东部显生宙地幔演化的主要样式 ,认为古老岩石圈地幔物质以亏损玄武质组分的橄榄岩为主 ,岩石密度低 ,具上浮性质 ,是克拉通稳定的主要原因 ,不可能发生因重力诱发的拆沉作用。白垩纪晚期—新生代地幔成分为饱满的二辉橄榄岩 ,地温高 ,明显有别于古老地幔。该热地幔物质呈“蘑菇云”状上涌 ,蘑菇云之间仍有古老地幔的残留体 ,二者多数呈陡边界接触 ,这是东部地幔演化的主要样式。与此同时岩石圈伸展导致岩石圈减薄。中生代中国东部绝大部分地区地温很高、地壳厚度大 ,但许多问题尚待研究。古老岩石圈地幔中的低速、低阻物质为流体和低熔程度的熔体 ,它们呈脉状、透镜状 ;新生代地幔中的该物质为含熔体的软流圈物质 ,它们呈多个蘑菇云状 ;中生代地幔中的低速物质可能为大量的玄武质熔体 ,呈蘑菇云平流层状。中生代壳幔相互作用明显 ,克拉通稳定时期及新生代时期层圈之间相互作用的活跃带位于岩石圈与软流圈之间。     

华北地块东部晚中生代至新生代岩石圈不均一减薄与改造模式

本文综合运用不同时代幔源包体平衡温压对比、玄武岩地球化学性质对岩石圈厚度的反演以及不同时代岩石圈地幔地球化学性质的对比的方法，把华北地块东部岩石圈的减薄时间限定在晚中生代至新生代之间。减薄的机制可能是华北东部地区晚白垩世以来大陆岩石圈的拉张作用。由于机械性拉薄和热、机械和化学侵蚀作用，岩石圈厚度最终减薄到70km以下。但古老的岩石圈地幔并没有完全因减薄而消失，残留部分受到了来自软流圈物质的强烈改造，使其Sr、Nd同位素组成类似于软流圈，但Os同位素没有受到明显的改变。改造后的岩石圈地幔成为华北地块东部新生代岩石圈地幔的主体。在时空上，岩石圈的减薄具有不均一的性质。     

东秦岭造山带岩石圈热结构及断面模型

东秦岭岩石圈热结构热状态十分不均匀,沿断面可分成华北地块、北秦岭、南秦岭、扬子地块四大块,南秦岭为“热区”,北秦岭为“冷区”。商丹断裂带具８１．３ｍＷ／ｍ２高热流值,是南北秦岭的分界线,是多期构造运动的活动带,是扬子地块与华北地块的缝合带。加里东期扬子地块向华北地块俯冲碰撞,印支—燕山期俯冲板片由于“去层状化作用”断开下沉,软流圈上侵,岩石圈上地幔变薄。后国华北岩石圈下部插入扬子俯冲板片中形成穿插构造,商丹断裂带成为现今向南倾的走滑断裂带。中上地壳有不同时期的大规模逆冲推覆体,断块向南叠置;下地壳缩短成“漏斗”状下滑,地壳增厚造成东秦岭造山带现今独特复杂的岩石圈五层结构模型。     

地幔活动在南海扩张中的作用数值模拟与讨论

对于地幔活动对南海扩张有无影响及影响大小这一问题,目前仍存在不同观点。本文采用数值模拟方法对地幔活动在南海扩张中的作用和影响进行了考查,结果表明:地幔上涌作用能引起南海岩石圈很大程度的减薄,但对南海地壳减薄影响很小;地幔上涌作用是南海扩张的重要动力学因素之一,但只在地幔上涌作用下要很长的时间才能打开南海。     

燕辽地区燕山期火成岩与造山模型

通过与安第斯、青藏北缘、大陆裂谷带火成岩的比较，阐述了燕辽地区燕山期火成岩具活动大陆边缘靠内陆一侧的构造属性。提出了三种可能的母岩浆（玄武质、粗面质与花岗质）以及它们的混合作用是制约以壳幔混合型为主、组成谱系宽的火成岩的主要机制。基于实验岩石学成果，论述了无负Ｅｕ异常的中酸性火成岩类（正长岩、二长岩、石英闪长岩类）形成于加厚陆壳底部（或山根带）。主要基于岩石学成果，讨论了燕山期本区陆壳厚约６０～７０ｋｍ，岩石圈厚约１００～１５０ｋｍ。通过与印支期岩石圈（厚约１５０～２００ｋｍ）的对比，提出了造山岩石圈的拆沉－去根作用，使岩石圈减薄了约５０ｋｍ。由此，提出了一个大洋俯冲与岩石圈拆沉相结合的造山模型，称为华北式（或燕辽式）造山带模型。这一模型不但可以满意地解释为什么弧火成岩属性的岩浆活动可深入远离海沟达一千多公里的内陆地区以及挤压与拉伸交替的反转构造的发育，而且还可以比较满意地解释为什么火成岩组成极性极不明显，伴随岩浆活动的陆壳不断抬升等，并指出燕山期地幔岩石圈减薄，山根仍存在，所以造山后Ａ型花岗岩（指碱性正长岩类）仍保持无负Ｅｕ异常，而本区新生代处于大陆裂谷发育环境，地幔岩石圈与陆壳均减薄。     

皖南江南陆内造山带的基本特征与中生代造山过程

皖南地区的江南隆起带 ,在震旦纪—中三叠世与周边一样处于被动大陆边缘海相环境。印支—早燕山期 ,该带成为陆内造山带 ,其中发育了一系列近东西向、向北逆冲的逆冲—推覆构造 ,使基底岩系相互叠置、强烈隆升。江南陆内造山带属板内叠置山系 ,不具阿尔卑斯式远程推覆体。地球物理资料表明 ,该陆内造山带下的地壳和岩石圈曾显著加厚。江南陆内造山带形成于北部华北与扬子板块发生陆—陆碰撞、南部华南板块向北推挤的区域动力学背景下     

南海东北部及其邻近地区地壳上地幔P波速度结构

利用中国地震台网和ISC台站记录的P波到时数据,采用球坐标系有限差分地震层析成像方法反演了南海东北部及其邻近地区壳幔三维P波速度结构,并分析了不同地质单元的构造差异及其深部特征。结果表明:南海东北部表现出陆架地区的岩石层特性,属于华南大陆向海区的延伸,岩石层厚度较大,现今不存在大规模的地幔热流活动,推测大陆边缘张裂作用仅限于地壳内部而没有延伸进入上地幔,具有非火山型大陆边缘的深部特点。中央海盆附近上地幔P波速度明显降低,与海盆下方地幔热流活动密切相关。不同的速度异常特征表明:华南大陆暨台湾地区属于欧亚大陆的正常地壳或是与菲律宾海板块相互作用产生的增厚型地壳,冲绳海槽则是弧后扩张产生的减薄型地壳。滨海断裂带作为华南大陆高速异常和南海北部高速异常的分界,代表了一定地质时期华南地块和南海地块的拼合边界。断裂附近的上地幔低速异常揭示了闽粤沿海岩浆作用的深层动力机制。吕宋岛弧、马尼拉海沟、东吕宋海槽的速度异常与其所处的特殊构造位置有密切的关系,清晰地反映出岛弧俯冲带的地壳结构差异;台湾南部至吕宋岛弧的上地幔低速异常揭示了两个重要火山链的深部构造特征,北吕宋海脊下方100 km深度的条带状高速异常有可能代表了俯冲下沉的岩石层板片。     

Yanshanian Magma-Tectonic-Metallogenic Belt in East China of Circum-Pacific Domain (Ⅰ):Igneous Rocks and Orogenic Processes

Ｙａｎｓｈａｎｉａｎｍａｇｍａ－ｔｅｃｔｏｎｉｃ－ｍｅｔａｌｏｇｅｎｉｃｂｅｌｔｏｆｔｈｅＥａｓｔＣｈｉｎａｉｓａｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｍ－Ｐａｃｉｆｉｃｄｏｍａｉｎ．Ａｌｏｔｏｆｐａｐｅｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｕｂｌｉｓｈｅｄｔｏｄｉｓｃｕｓｓ...     

高温高压微束衍射实验进展及其地学应用

同步辐射X射线微束衍射技术与静态高压装置(包括金刚石压砧设备和大腔体压力机设备)结合运用是研究高温高压下物质晶体结构、相变等的有效方法。金刚石压砧高温高压实验技术的发展体现在:在产生极端高温高压的同时,获得准确的实验温度压力值,采用充装气体传压介质等方法减小压力梯度,采用激光双面加温技术和改进激光光路以减小样品径向和轴向的温度梯度。大腔体压力机高温高压实验技术的发展主要表现在产生更高的实验压力,以及测试过程中使样品在一定幅度摆动以消除晶体生长和择优取向对衍射数据的影响。同步辐射X射线微束衍射技术的发展主要表现在更高亮度和更宽能量范围的同步辐射光源的使用、X射线聚焦技术的发展,以及角色散X射线衍射测试技术的进步。介绍了近年来高温高压微束衍射实验在地球科学领域所取得的一些最新进展,包括硅酸盐超钙钛矿的实验发现,铁的高温高压相变及熔融曲线、SiO2 超斯石英相变、橄榄石尖晶石相—超尖晶石相转变压力的精确测定等研究结果;认为硅酸盐超钙钛矿的进一步深入研究,水对地球深部矿物岩石力学性质及熔融行为的影响,高温高压下物质的化学反应性和地球深部元素的地球化学行为等,是今后高温高压实验研究的重要方向。     

Petrogenesis of the Early Jurassic Nandaling flood basalts in the Yanshan belt, North China Craton: A correlation between magmatic underplating and lithospheric thinning

Integrated geochemical and Sr–Nd–Pb isotopic studies of the Early Jurassic Nandaling flood basalts (NFB) in the Yanshan belt, northern margin of the North China Craton (NCC), are presented in this paper. These sub-alkaline basalts evolved from a more magnesium-rich parental magma through fractional crystallization of olivine and clinopyroxene. The primitive magma of the NFB originated from 2–5% partial melting of spinel to garnet transitional peridotite at about 70–80 km depth in the Mesozoic lithosphere mantle. The NFB contain a distinctive lithospheric component, characterized by Nb (Ta), Th, U and Ti depletions, LREE enrichments, moderate Sr, and low Nd and Pb initial isotopic ratios, as a result of an interaction between lower crust (15–25%) and primitive magma evoked by magmatic underplating at crust–mantle boundary. The Early Jurassic NFB extruded in an intraplate extensional setting related to post-orogenic collapse in the northern margin of the NCC, indicating an event of lithospheric modification earlier than that in the southern margin (Early Cretaceous). The temporal similarity of the Jurassic–Cretaceous mantle-derived mafic rocks to lower crust replacement, and the decoupling of surface shortening with lithospheric thinning during the Late Jurassic–Early Cretaceous, suggest the important role of magmatic underplating and subsequent crust–mantle interaction accompanied by asthenosphere upwelling on the evolution of the Mesozoic lithosphere of the NCC. The correlation between lithospheric thinning and magmatic underplating may be an important process in continental rifting.     

华北克拉通东部显生宙地幔演化

华北克拉通东部显生宙以来的地幔可以划分为3种类型:克拉通型地幔,大陆活动带型地幔和大陆裂谷型地幔。1 700 Ma—古生代末,地幔属于克拉通型:ε(Nd,t)值高于-5,为弱富集型;层圈相互作用以幔源的熔体和/或流体与古老的岩石圈地幔的作用为主,但规模较小,范围局部。100 Ma以前的中生代地幔属于“大陆活动带型”:ε(Nd,t)值低,在-5以下,为富集型;地幔中含有地壳的组分,层圈相互作用以下地壳与弱化的岩石圈地幔之间的作用为主;发生的时间为190~100 Ma,高峰期在130 Ma左右;发生的部位邻近莫霍面,导源的岩浆多为钙碱性系列,部位浅,活动范围广泛。100 Ma至新生代,地幔属于“大陆裂谷型”:为亏损型的软流圈地幔,ε(Nd,t)值高,几乎均为正值。层圈相互作用转变为软流圈岩石圈地幔之间的作用,转变的时间具有约40 Ma的过渡时期,前锋开始于100~109 Ma,导源的岩浆大致沿NWW和NEE向的大型断裂带分布。进一步证实了软流圈地幔上隆的不均匀性和主动性。