地幔柱构造与地幔动力学--兼论其在中国大陆地质历史中的表现

地幔柱构造是基于全地慢对流模式、主要依据热点火山活动提出的新的全球构造理论。它的主要表现形式和产物是地幔柱头上部地壳抬升、岩浆活动形成大火成岩省、大型放射状岩墙群，并导致大陆裂解、板块运动和大规模成矿，是生物灭绝、磁极倒转的诱因。中国大陆的地质演化历史中保存了多期地幔柱活动印记，它们主要是华南新元古代Rodinia地幔柱、古生代古特提斯和峨眉山地幔柱和中一新生代中国东部地慢柱构造事件。上述地幔柱活动产生了地壳抬升、强烈岩浆活动、大陆伸展与裂解、岩石圈剧烈减薄和大规模成矿等重要地质事件。     

峨眉山大火成岩省中攀枝花A型花岗岩的锆石U-Pb年龄、元素及Sr-Nd-Hf同位素地球化学

了解A型花岗质岩浆的形成过程是探讨大陆内部地壳演化和生长的基本前提.特别是其同位素组成可以反映形成过程中壳幔物质的贡献并用于确定其构造背景.研究证实,地球演化历史中重要的初生地壳形成阶段均与大型的地幔上涌事件密切相关[1].大陆地壳之下的软流圈地幔上涌带来的巨大热量可以导致大陆岩石圈地幔和镁铁质下地壳的广泛部分熔融,从而形成双峰式的镁铁质和长英质侵人体[2].     

地幔柱的识别和演化研究述评

地幔柱的研究已逐渐成为人类认识地球深部动力学机制的重要手段，其诞生-演化与LIPs形成、超大陆裂解以及生物大灭绝事件密切相关。近几十年来，对地幔柱的研究和探索取得了重要进展，尤其是动态地幔柱模式（t ime-dependent）的提出将这一研究热点推向了新的台阶。综合了近些年在地幔柱识别和演化方面的研究资料对前人工作进行总结，归结为以下几个主要方面：地幔柱的时空尺度及其与热点、溢流玄武岩、地壳抬升间的联系；地幔柱的热和物质起源；地幔柱上升和演化的动力学基础。目前仍存在的问题包括：地幔柱是主动还是被动上涌？地幔柱起源于上-下地幔还是核-幔边界？OIB是否代表原始地幔柱的熔融岩浆？无疑这些问题的深入探索将拓宽人类对核幔耦合、地幔对流及浅部物质-能量响应等动力学机制的认识。     

地球的物质运动与地幔热柱多级演化

地球是重力分异和热力对流的对立统一体。重力分异使地内重物质下沉、轻物质上浮，并分划成壳－幔－核结构圈层。核幔间巨大的温度差、压力差、粘度差和速度差的存在，导致源于“超临界层”的热物质流呈柱状上涌形成地幔热柱及其多级演化。由于地球圈层结构及其间的差异，分别在670km、100km深处，即核－幔界面上和岩石圈底部形成地幔亚热柱和幔枝构造。地幔热柱、地幔冷柱共同驱动幔壳运动，并控制着板块运动，形成复杂的大陆（大洋）动力学系统。这种动力学模式越来越得到地球物理学的证实。     

花岗岩类与大陆地壳生长初探——以中国典型造山带花岗岩类岩石的形成为例

本文主要基于东昆仑造山带、秦岭造山带、兴蒙造山带、阿尔泰造山带、燕山造山带以及华南过铝花岗岩带等花岗岩类形成的研究成果,讨论中国大陆内几个造山带的花岗岩类形成与大陆地壳生长方式和过程,我们的初步认识是:软流圈(对流地幔)的热和物质向大陆的输入(input)是大陆地壳生长和再改造的根本.大陆地壳的形成演化和再改造(reworking)主要通过岩浆作用完成,岩浆的形成、运移和定位是大陆地壳生长的基本过程.幔源玄武质岩浆底侵(underplating)于大陆地壳底部和内侵(intraplating)于地壳内部,是软流圈注入大陆的基本形式.造山带镁铁质下地壳的拆沉作用是致使陆壳总组成为中性火成岩(安山岩和闪长岩,或粗面安山岩和二长岩质的)的主要原因.收缩挤压构造作用使陆壳加厚达≥50 km,是诱发镁铁质下地壳拆沉作用的必需条件.火成岩构造组合及其时间序列是识别大陆地壳从软流圈地幔中分出,直至最终形成的过程的关键记录.     

板块下的构造及地幔动力学

最新的全球地幔地震层析资料揭示了岩石圈板片可以俯冲到核幔边界，超地幔羽可以从核幔边界上升到地壳上部形成热点。在大陆板块汇聚边界，地幔地震层析图像不仅显示了岩石圈板片的超深俯冲，还保存了拆沉的岩石圈“化石”残片的重要信息。从地幔深部所获取的新资料为全地幔“单层对流“的新模式提供了依据。在介绍上述全球构造研究新动向的基础上，本文强调了研究岩石圈板块必须了解板块下的构造，探索岩石圈板块的驱动力应该从“岩石圈动力学”升华到“地幔动力学”，并提出了大陆板块汇聚边界地幔动力学研究的新思考。     

地幔柱假说及地质意义

文章介绍了地幔柱理论研究的一系列进展，诸如地幔柱特征、动力学模式及其地质意义。在重力分异过程中，随着地球质量不断向地心集中，地球自转动能也不断向地核集中，从而产生圈层分化和差异旋转。地核相对地壳、地幔高速旋转，具有巨大动能，旋转阻力不断将其转化为热能，在核幔边界聚积起来，为液核对流和热幔柱提供足够的能量。核幔边界是产生热幔柱的位置。阐明了地幔柱构造与板块构造的关系。地幔柱理论涉及地幔深部物质垂直运动的机制，对了解地球深部动力学机制有重大意义。     

地幔柱构造理论研究若干问题及研究进展

介绍了目前地幔柱构造理论研究中若干重要问题和最新进展,许多证据显示,地幔柱是严自于核幔边界附近的Ｄ″层发生热扰动并产生地幔柱的热动力源于外地核的不均匀加热作用;一个新启动的地幔柱在穿过整个地幔的缓慢上升过程会形成巨大球状顶冠和狭窄尾柱;地幔柱巨大球状顶冠会导致地壳发生上隆、区域变质作用、地壳深熔作用、构造变形作用和大规模火山作用,形成大陆或大洋溢流玄武岩;地幔柱狭窄尾柱的长期活动会在上覆运动板块上     

碰撞后岩浆作用与陆壳生长：以柴北缘超高压变质带为例

碰撞后岩浆活动对于了解造山带垮塌和去根过程及陆壳生长具有重要意义.总结了柴北缘超高压变质带中形成于400～360 Ma的碰撞后花岗岩-辉长岩侵入体和镁铁质岩脉的年代学和地球化学特征.其中，花岗岩侵入体具有典型的I-型花岗岩特征，形成于壳幔相互作用的岩浆混合.来自地幔的镁铁质岩脉可以划分为两组：（1）392～375 Ma中基性岩脉；（2）约360Ma超基性岩脉.其地球化学特征表明，镁铁质岩脉的微量元素和同位素随形成时间的变新而逐渐亏损，地幔源区从岩石圈地幔变为软流圈地幔.这种源自地幔的镁铁质岩浆活动是碰撞后岩浆活动开始和造山带垮塌的关键指标.结合碰撞后岩浆作用的特征，提出了一个地球动力学模型来解释柴北缘约35百万年（Ma）的造山带垮塌去根过程，在395～375 Ma发生缓慢的岩石圈地幔侵蚀，360 Ma前岩石圈发生拆沉作用，岩石圈地幔垮塌，同时软流圈地幔上升.地幔岩浆的加入表明碰撞后阶段是大陆生长的重要时期.     

地球早期大陆地壳的形成与演化

现代地球岩石圈主要由镁铁质上地幔和长英质地壳两个储集层组成,研究大陆地壳的形成和演化对揭示地球早期地质过程和物质循环、厘定板块构造启动时限具有重要意义。冥古宙—始太古代具有更高的地幔潜能温度和地温梯度,岩浆海冷却形成薄的原始地壳;大洋岩石圈表现为韧性,主要构造机制应为停滞盖层模式,有地幔柱参与。太古宙片麻岩中奥长花岗岩—英云闪长岩—花岗闪长岩(TTG)的出现标志着镁铁质原始地壳向长英质陆壳转变的开始。本文总结了地球早期停滞盖层模式到现代板块构造模式下含水玄武岩部分熔融、结晶分异形成大陆地壳的过程,主要包含幔源岩浆停滞盖层(“自下而上”的热管火山岩和“自上而下”的深成侵入岩构造模式)、增厚镁铁质地壳部分熔融、俯冲洋壳、岛弧及洋底高原部分熔融模式;陆壳的破坏和消减主要受陨石撞击、分层沉降、重力不稳导致拆沉控制;板块构造的出现进一步促进了地球内部的热量扩散,俯冲作用加快了洋壳和陆壳之间的物质循环。最后,结合太古宙变质岩、古老克拉通岩石学特征和锆石Hf、O及全岩Nd、Sr、Ar、Ti同位素组成,讨论了陆壳的形成时间和演化过程：3.0 Ga之前形成了现有陆壳体积的60%～70%,厚度约为20～4...     

地幔柱大辩论及如何验证地幔柱假说

目前关于地幔柱存在与否的争论主要集中在地幔柱学说的三个假设上:(1)起源于地球核幔边界缓慢上升的细长柱状热物质流;(2)热点下具有异常高温地幔;(3)地幔柱是相对静止的。这三个方面的验证需要今后深部地球物理探测、岩石学和古地磁等学科的综合运用和进一步的工作。文中认为,地幔柱学说依然能合理地解释地球上一级地质现象,反对地幔柱的学者过分强调了一些小尺度的与地幔柱理论不符的细节,而小尺度地壳特征显然还受到其他许多因素的影响。可以从以下5个方面来鉴别老地幔柱:(1)大规模火山作用前的地壳抬升;(2)放射状岩墙群;(3)火山作用的物理特征;(4)火山链的年代学变化;(5)地幔柱产出岩浆的化学组成。研究表明,峨眉山大火成岩省满足其中的3到4个指标,因此地幔柱是形成峨眉山玄武岩的主要动力学机制。     

地球早期大陆地壳的形成与演化

现代地球岩石圈主要由镁铁质上地幔和长英质地壳两个储集层组成,研究大陆地壳的形成和演化对揭示地球早期地质过程和物质循环、厘定板块构造启动时限具有重要意义。冥古宙—始太古代具有更高的地幔潜能温度和地温梯度,岩浆海冷却形成薄的原始地壳;大洋岩石圈表现为韧性,主要构造机制应为停滞盖层模式,有地幔柱参与。太古宙片麻岩中奥长花岗岩—英云闪长岩—花岗闪长岩（TTG）的出现标志着镁铁质原始地壳向长英质陆壳转变的开始。本文总结了地球早期停滞盖层模式到现代板块构造模式下含水玄武岩部分熔融、结晶分异形成大陆地壳的过程,主要包含幔源岩浆停滞盖层（“自下而上”的热管火山岩和“自上而下”的深成侵入岩构造模式）、增厚镁铁质地壳部分熔融、俯冲洋壳、岛弧及洋底高原部分熔融模式;陆壳的破坏和消减主要受陨石撞击、分层沉降、重力不稳导致拆沉控制;板块构造的出现进一步促进了地球内部的热量扩散,俯冲作用加快了洋壳和陆壳之间的物质循环。最后,结合太古宙变质岩、古老克拉通岩石学特征和锆石Hf、O及全岩Nd、Sr、Ar、Ti同位素组成,讨论了陆壳的形成时间和演化过程： 3.0 Ga之前形成了现有陆壳体积的60%~70%,厚度约为20~40 km;3.0~2.5 Ga,地壳改造速率明显增加,陆壳生长和破坏速率达到动态平衡,表明全球性现代板块构造体制逐渐成为控制大陆形成、裂解和陆壳演化的主要因素。     

大陆板片-地幔相互作用:来自大别造山带碰撞后安山质火山岩的地球化学证据

俯冲到地幔深度的地壳物质不可避免地在板片-地幔界面与地幔楔发生相互作用,由此形成的超镁铁质交代岩就是造山带镁铁质火成岩的地幔源区.因此,造山带镁铁质火成岩为研究俯冲地壳物质再循环和壳-幔相互作用提供了重要研究对象.为了揭示俯冲陆壳物质再循环的机制和过程,对大别造山带碰撞后安山质火山岩开展了元素和同位素地球化学研究.这些安山质火山岩的SIMS锆石U-Pb年龄为124±3~130±2 Ma,表明其形成于早白垩世.此外,残留锆石的U-Pb年龄为中新元古代和三叠纪,分别对应于大别-苏鲁造山带超高压变火成岩的原岩年龄和变质年龄.它们具有岛弧型微量元素特征、富集的Sr-Nd-Hf同位素组成,以及变化的且大多不同于正常地幔的锆石δ18O值.这些元素和同位素特征指示,这些安山质火山岩是交代富集的造山带岩石圈地幔部分熔融的产物.在三叠纪华南陆块俯冲于华北陆块之下的过程中,俯冲华南陆壳来源的长英质熔体交代了上覆华北岩石圈地幔楔橄榄岩,大陆俯冲隧道内的熔体-橄榄岩反应产生了富沃、富集的镁铁质地幔交代岩.这种地幔交代岩在早白垩世发生部分熔融,就形成了所观察到的安山质火山岩.因此,碰撞造山带镁铁质岩浆岩的地幔源区是通过大陆俯冲隧道内板片-地幔相互作用形成的,而加入地幔楔中长英质熔体的比例决定了这些镁铁质岩浆岩的岩石化学和地球化学成分.      

莫霍面,下地壳与岩浆作用

美国地质学会近期在意大利北部阿尔卑斯山区召开的关于地壳分异作用的Ｐｅｎｒｏｓｅ会议,以Ｉｖｒｅａ带大陆地壳剖面为样板,讨论了与大陆生长和演化有关的主要过程。文中结合会议情况,评述了岩浆作用与大陆生长、莫霍面演化和地壳动力学的关系。大陆壳特有的成分和大的花岗岩基的形成,要求下地壳有大体积的基性超镁铁质岩存在。这样的基性超镁铁质岩,既可能代表囤积在下地壳的幔源岩浆,也可能是幔源岩浆分异的堆积岩,或是在壳内分异作用过程中产生出花岗质熔体后的残余体。在伸展构造区,幔源岩浆的底侵作用强烈地影响了大陆壳的结构、组成和热状态,而在陆陆碰撞带,由于地壳加厚,下地壳的基性超镁铁质岩石会转变为“榴辉岩”,促进地壳沉没作用和下地壳拆沉作用。由于地壳岩石的榴辉岩相变质作用,地球物理莫霍面与壳幔边界可能并不对应。莫霍面和地壳对岩浆的密度过滤作用,又控制了大陆壳中岩浆的侵位和演化。     

地幔超镁铁质包体的研究现状和展望

对于地幔超镁铁质包体的研究,本世纪六十年代以前,仅限于描述岩石学和单纯的矿物化学的讨论。现在,经历了上地幔计划,已进入到与板块构造假说直接联系的区域岩石学和地球化学阶段。但目前,由于人们尚不能直接观察上地幔物质,超镁铁质包体及其载体玄武岩,无疑是研究上地幔最直观、最有效的对象了。这对地幔的部分熔融、岩浆起源、深部构造等重大地质问题的研究有着十分重要的意义。     

湘东南玄武质岩石地球化学特征及构造环境

湖南东南部是我国大规模钨，锡，锑及铅锌，稀有，稀土元素矿床集中区，其控矿构造环境倍受人们关注。幔源暗色岩系是深构造环境的产物，其地球化学特征是了解构造环境的有效途径。湘东南玄武质岩石包括碱性玄武岩和拉斑玄武岩两个系列，以碱性玄武岩系列为主。玄武质岩石稀土元素总量较高，无负铕异常，为轻稀土富集的右倾型。稀土元素反映岩浆形成主要受部分熔融作用控制。岩石形成于大陆拉张构造环境。微量元素具有明显OIB型分布特征，地壳混染程度很低，具有富集地幔特征。岩石地球化学，同位素地球化学和地球物理研究表明，软流圈地幔上涌并交代岩石圈地幔，形成以宁远－道县为中心的热地幔柱构造。该热幔柱构造控制该区的成岩，成矿作用。     

地幔柱假说及地质意义

文章介绍了地幔柱理论研究的一系列进展,诸如地幔柱特征、动力学模式及其地质意义.在重力分异过程中,随着地球质量不断向地心集中,地球自转动能也不断向地核集中,从而产生圈层分化和差异旋转.地核相对地壳、地幔高速旋转,具有巨大动能,旋转阻力不断将其转化为热能,在核幔边界聚积起来,为液核对流和热幔柱提供足够的能量.核幔边界是产生热幔柱的位置.阐明了地幔柱构造与板块构造的关系.地幔柱理论涉及地幔深部物质垂直运动的机制,对了解地球深部动力学机制有重大意义.     

太古宙镁铁质和超镁铁质火山岩的地球化学特征:地幔组分和演化的意义

用一个 TiO_2/P_2O_5比值为10的恒量,来推测从38亿年到目前的原始地幔,表明地幔-地核的分异作用至少对上地幔来说,在38亿年以前就已完成。而且在早太古代(>38亿年)地幔-地壳和/或地幔内部的分异显著程度已由 Nd 和 Sr 同位素资料指示出来。球粒陨石比值对难熔的亲石元素来说(例如 Al、Zr、Y、REE)通常见到是介于非巴伯顿类型(Al-未亏损)的太古宙科马提岩和具有球粒陨石稀土模式的高镁质玄武岩之间。巴伯顿类型(Al-亏损)橄榄质科马提岩和分异岩产物(与同时代的拉斑玄武岩和非巴伯顿型科马提岩形成对照)常常发现35-38亿年的地体 Al/Ti 值仅具球粒陨石比值一半,而且重稀土和 Sc 为亏损的。这种差异可能是由于不同的岩浆产生过程(主要看法)或早太古代地幔的化学和矿物学的分层的结果。获得的 Hf 同位素资料不支持这个观点,即地幔内部的均匀性与出现在45亿年以前的地核-地幔分带有关。在主要元素和痕量元素丰度以及同位素比值方面,比较小范围的均匀性推测太古宙镁铁质和超镁铁质火山岩源类似于所推断的从全新世地幔派生的火山岩。许多太古宙镁铁质和超镁铁质火山岩显示的地球化学特征相似于典型的现代洋中脊玄武岩(轻稀土亏损),显示着主要元素和痕量元素丰度之间的内聚现象。然而,一些高镁质玄武岩以轻稀土富集和分为主要元素与某些常常不能共生的元素象 Ti、Zr、Nd、稀土及磷为特征,表明地幔富集过程与榴辉岩熔体有关。榴辉岩的出现可能与太古代俯冲或增生的与来自大陆底下未亏损的镁铁质-超镁铁质火成岩的沉没有关。太古宙大陆壳底下残留的橄榄岩造成的底侵作用和后来的地幔交代变质作用,可能在一定程度上改造壳下上地幔的痕量元素和同位素的组分。这些物质的活化能为元古宙到全新世大陆玄武岩提供主要的物源。因为化学和同位素的不均匀性是地幔内部的原始特征,为进一步了解现今地幔,需要更详细地了解早太古代和太古宙地幔作用。     

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.      

地幔岩石学研究现状

地幔岩石学是六十年代以后发展起来的一个较新的岩石学领域,研究的对象主要是深部岩石及其中各种形成岩浆的地质作用。由于地幔的组成是超镁铁质岩及镁铁质岩,导源的岩浆也以这两类为主,所以也自然地涉及到它们的成因及成矿等作用。地幔岩石学是在大地构造学、岩理学、矿床学及地震地质学等学科发展基础上出现的。板块学说建立起全球构造的概念,即岩石圈板块活动的概念,并建立起地球各层圈的构成、