华北克拉通破坏与岩浆-成矿的深部动力学过程

华北克拉通在中生代发生强烈的破坏作用,诱发强烈的岩浆、构造、热事件,同时形成金等金属矿床.然而,克拉通破坏如何控制巨量金等金属矿床的形成与分布尚不十分清楚.本文基于已发表大量资料和科技部重点研发专项项目研究成果,系统总结了华北东部中生代岩浆岩岩石组合、年代学、地球化学和岩石成因、金等金属矿床成矿年代学、中生代盆地演化等最新资料,恢复了华北东部中-新生代盆地伸展量和郯庐断裂的左行走滑位移距离,确定了不同地质历史时期古太平洋板块俯冲带的位置,重新构建了华北东部中生代金等金属矿床和岩浆活动的时空分布规律,并发现早中侏罗世期间,岩浆-成矿作用由东向西逐渐迁移,而160～140Ma之后则由西向东迁移,论证了华北东部中生代金等金属成矿与岩浆岩成岩之间的成因关系,岩浆为金属矿床的形成提供了部分物源和成矿流体,阐明克拉通破坏与巨量岩浆-成矿作用的深部动力学机制,提出侏罗纪期间华北受到古太平洋板块向西低角度俯冲,不仅在华北东部(乃至中国东部)形成了类似于南美安第斯型富含斑岩铜矿的大陆岩浆弧,而且俯冲带流体交代地幔楔为早白垩世热液成矿奠定了物质基础.在早白垩世时期,古太平洋板块俯冲角度由低变高,俯冲板块和俯冲带发生后撤,使华北克拉通东部发生强烈破坏,并形成巨量岩浆和金等金属矿床.     

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.     

年青的九州俯冲带的地震结构和岩浆作用

地震层析成像表明，在九州北部深达俯冲的菲律宾海板块的地幔楔存在低速异常，且扩展到弧前区。我们还用岩石学资料采用数值模拟方法估计地幔楔的流体分布。地震学的数值模拟结果表明，年青的板块俯冲带的熔融和岩浆作用不同于老板块。脱水和熔融发生在年青（且热）板块如九州北部（≤26Ma）之上的板块弧和弧前底下，而流体（水溶液和熔融）主要发生在老板块区的弧后。     

全球超大型斑岩铜矿床形成的构造背景分析

全球近四分之三的超大型斑岩铜矿形成于太平洋东岸,绝大部分斑岩铜矿形成于中新生代.斑岩铜矿常产于板块俯冲的上盘和陆内造山带.部分斑岩铜矿在形成时间上与板块俯冲作用存在一定的差异,全球绝大部分的斑岩铜矿的形成可能与张性环境有关.成矿斑岩起源于地幔,下地壳或洋壳物质的参与起到了重要作用.在重点对冈底斯和玉龙成矿带含矿斑岩的地球化学特征和构造背景分析的基础上,提出拆沉作用可能是斑岩铜矿形成的重要机制.     

云南腾冲全新世火山源区性质及其岩浆演化

在对腾冲火山区进行野外考察的基础上,重点对区内3座全新世火山(黑空山、打莺山和马鞍山)的岩石学及地球化学特征、岩浆源区性质及其演化进行研究。对主量元素和微量元素研究表明,这套岩石属于高钾钙碱性系列,包括粗面玄武岩、玄武粗安岩、粗面安山岩和英安岩,从基性岩到酸性岩都有分布。这套火山岩富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损Nb-Ta-Ti不相容元素,具有岛弧火山岩特征。通过微量数据模拟认为,腾冲全新世火山岩为石榴石相地幔橄榄岩在低压条件下大比例部分熔融的产物。源区富钾矿物为金云母,不含角闪石。腾冲及其邻区新生代以来的火山喷发主要受盆地内断裂控制,不受板块俯冲或者火山弧作用的控制。其活动产物为板内火山岩,表现出的岛弧火山岩特征是由于地幔源区受到古洋壳的俯冲板片的富集作用,富集作用发生在部分熔融作用之前。富集地幔部分熔融形成的富钾岩浆沿断裂上升进入地壳形成岩浆房,在岩浆房阶段经历了分离结晶作用和地壳混染作用,有钛铁氧化物、磷灰石、橄榄石、单斜辉石和斜长石的结晶分离。     

全球超大型斑岩铜矿床形成的构造背景分析

全球近四分之三的超大型斑岩铜矿形成于太平洋东岸,绝大部分斑岩铜矿形成于中新生代。斑岩铜矿常产于板块俯冲的上盘和陆内造山带。部分斑岩铜矿在形成时间上与板块俯冲作用存在一定的差异,全球绝大部分的斑岩铜矿的形成可能与张性环境有关。成矿斑岩起源于地幔,下地壳或洋壳物质的参与起到了重要作用。在重点对冈底斯和玉龙成矿带含矿斑岩的地球化学特征和构造背景分析的基础上,提出拆沉作用可能是斑岩铜矿形成的重要机制。     

俯冲带火山下岩浆的形成、上升和存储的时间尺度

现在有足够的资料可用来尝试建立一个关于俯冲带火山下熔体的产生、迁移和存储的完整的模型。在喷发前的几十万年到少于一千年的时间里,都可以发生流体从俯冲的洋壳流到地幔楔中的现象。这支持了认为流体的加入是与部分熔融紧密相关的模型,但也有一些证据可以证明流体是降压熔融的结果。流体开始加入的时间可能与俯冲的速率(例如,水供应的速率)、俯冲的角度以及由此决定的地幔楔的热结构有关。相反,俯冲沉积物到俯冲带熔岩源区的贡献在喷发前大约35万年到4百万年的时候看来就发生了。沉积组分的部分熔融证据与短的流体迁移时间、斑晶平衡温度及其他观测结果的结合都指出,地幔楔在接近于俯冲板块边界上的地方具有相当高的温度。新的226Ra资料表明,在流体加入和火山喷发之间只有很短的时间。这就要求快速的熔体分凝、沿通道流动的岩浆上升过程以及在岩石层内最短的停滞时间。一般说来,在上升期间或者在岩浆房里,发生从玄武岩到安山岩的演化是快速的,这可以从一些有关地幔的地球物理资料来推断。矿物等时线资料表明,一些安山质岩浆后来停在了更浅的岩浆房中。它们可以在那里以几万年或更短些的时间尺度通过分异作用演化成英安质成分,通常都伴有同化作用。     

大陆碰撞带成矿作用:年轻碰撞造山带对比研究

新特提斯俯冲带之上的年轻碰撞造山带是进行大陆碰撞成矿研究的天然实验室和理想对象.本文以比利牛斯、阿尔卑斯、扎格罗斯、喜马拉雅四个地球上最年轻的大陆碰撞造山带为例,通过对这些造山带结构组成、演化过程和成矿系统等方面的概述,划分碰撞造山带类型,探讨不同类型碰撞带成矿同异性及缘由.对比研究表明,四个碰撞造山带可划分成简单碰撞和复合碰撞两种类型.前者以比利牛斯和阿尔卑斯为代表,表现为狭窄线状造山带和对称式造山带结构,缺乏弧岩浆活动,发育以中上地壳物质活动为主的成矿系统(密西西比河谷型铅锌矿床和造山型金矿床).后者以扎格罗斯-伊朗高原和喜马拉雅-青藏高原为代表,在欧亚大陆南缘表现为宽阔的造山高原和不对称式造山带结构,大陆边缘弧岩浆活动显著,产有大规模成矿系统(岩浆碳酸岩型稀土矿床、碰撞型斑岩铜矿床、造山型金矿床、密西西比河谷型铅锌矿床和伸展构造有关的锑金多金属矿床).尽管在简单碰撞带形成之前也有新特提斯洋壳的俯冲,但是没有形成大陆弧.而复合碰撞带在大陆俯冲之前有大陆边缘弧的形成,大陆碰撞引起增生造山带再活化,其中新特提斯洋壳俯冲作用为随后大陆碰撞带成矿提供了金属预富集.     

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.     

板块俯冲中水分运移过程及其地球物理含义

流体/水分在地球演化过程中具有重要作用,它的存在可以提高地质体的扩散及蠕变,降低岩石/地幔的固液相限,对地质体的地球物理性质、地质灾害诱发、地质构造演化等都有着重要的作用.在板块俯冲区,流体/水分的影响贯穿了整个动力学过程,但板块深部脱水还存在着争议,且目前系统地研究水分在整个俯冲中的迁移过程及其地球物理意义的工作还较少.本次研究以我国东北地区为例,借助于地球动力学数值模拟,利用二维岩石化学-热-力学耦合的数值计算程序,建立西太平洋板块向欧亚大陆岩石圈俯冲的数值模拟模型,模拟了板块俯冲整个连续动力学过程中流体/水分的迁移过程.模拟与分析结果表明,板块俯冲过程中水分的迁移过程可分为三个阶段:洋壳水化、板块浅(中)部脱水、板块深部脱水.进一步揭示了洋壳水化过程中水分渗流通道形成、水分渗流以及板块及地幔物质水化反应的机制;解释了板块浅(中)部脱水过程对火山岛弧、弧后盆地及低速异常带形成的作用,以及对~410 km不连续带的影响;模型演化过程中观察到的板块深部脱水现象说明了存在板块深部脱水的可能性,而且板块深部脱水可以较好地解释部分内陆火山以及部分地区地幔柱(岩浆羽)和深源地震的成因.研究展示了板块俯冲过程中水分运移的地球物理意义.     

洋脊和年轻洋壳俯冲与埃达克岩生成的热模拟

新生代以来 ,环太平洋周边分布的埃达克岩 (Adakite)主要与年轻洋壳俯冲时在 70～ 90km深处的部分熔融有关。利用数值方法 ,模拟了洋壳俯冲的热演化过程并讨论了脱水、熔融对埃达克岩浆活动的影响。结果表明 :仅在活动海岭俯冲前后约 10Ma内 ,年轻的、热的俯冲海洋板片在 75～85km深度范围内 ,温度升高至 82 5～ 10 0 0℃脱水 ,导致年轻洋壳中角闪岩部分熔融 ,形成埃达克岩(Adakite)。而一般洋壳俯冲在 10 0km以下深度才脱水 ,由于脱水区压力较高洋壳自身不能熔融 ,水进入上覆地幔楔状体导致部分熔融 ,形成安山岩 (Andesite     

中亚增生造山过程与成矿作用研究进展

中亚造山带作为全球最大的显生宙增生型造山带,是大陆动力学和成矿作用研究的天然实验室.文章简要概述中国新中国成立以来中亚造山带研究发展情况,并对未来研究提出展望. 20世纪50～70年代是中亚造山带研究的奠基时期,各地质研究学派理论相继运用于解释中亚地区的地质演化.改革开放初期,李春昱先生等开创性地运用板块构造理论解析北疆及兴蒙地区大地构造演化,提出了西伯利亚、哈萨克斯坦、中朝-塔里木三大板块俯冲-碰撞的认识,并提出了索伦山至延边缝合线的观点. 20世纪90年代,中亚造山带研究进入快速发展期,前苏联学者提出了多陆块碰撞模型;土耳其学者提出了单一岛弧增生模型,指出中亚造山带是一种特殊类型的碰撞造山带.中国学者对中国北方地区的蛇绿岩、高压变质岩等进行了大量开拓性研究,划分了主要缝合带. 1999年,"中亚成矿域"概念被提出,并与环太平洋成矿域和特提斯成矿域并称全球三大成矿域.进入21世纪,鉴于中亚在大陆增生理论和成矿机制研究领域的重要性,中亚造山带研究成为国际学术前沿.中国在中亚地区布局了一系列科研项目,催生了一大批重要科研成果,包括微陆块属性、蛇绿岩时代和构造背景、岩浆弧性质、增生楔识别和解剖、区域变质-变形作用、俯冲带(超)高压变质作用、洋中脊俯冲、地幔柱与板块相互作用、多岛海构造古地理与复式增生造山时空格架、大陆增生、增生成矿、构造叠加改造等.这些成果产生了重要的国际影响.展望未来,中亚造山带主要有以下几方面的内容需要进一步深入研究:(1)古亚洲洋早期演化历史及起始俯冲机制;(2)古亚洲洋外部造山带(Extroversion)的增生机制;(3)古亚洲洋地幔属性及其时空分布;(4)古亚洲洋与特提斯洋相互作用过程;(5)显生宙大陆增生机制及其全球对比;(6)中亚成矿域增生成矿机制;(7)大陆改造机制.     

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.     

洋脊俯冲与斑岩铜金矿成矿

很多大型、超大型斑岩铜、金矿都与洋脊俯冲密切相关. 环太平洋地区是世界上探明的超大型斑岩铜、金矿聚集的地区, 其中东太平洋沿岸中、南美洲的智利、秘鲁等地分布着多个正在俯冲的洋脊, 多数洋脊俯冲带都形成了大型、超大型斑岩铜、金矿; 而西太平洋的洋脊俯冲的数量少、规模小, 相应的斑岩铜、金矿的规模和数量都明显少于东太平洋, 造成了环太平洋地区斑岩铜、金矿分布不均一的特征. 其原因在于, 在洋脊俯冲过程中, 热的、年轻的洋壳容易发生部分熔融形成埃达克岩, 由于铜、金是中度不相容元素, 其在洋壳中的含量远比地幔和陆壳的平均丰度高, 因此, 洋壳部分熔融形成的岩浆具有系统偏高的铜、金含量, 有利于形成斑岩铜、金矿. 在中国东部、中亚造山带等地区剥蚀程度较低的地段寻找洋脊俯冲的迹象将有助于寻找大型、超大型斑岩铜、金矿以及其他相关矿床.     

三维数值模拟研究俯冲区火山的时空活动性

俯冲板块的深部脱水使得上覆地幔含水, 从而降低含水地幔的熔点, 导致上覆地幔部分熔融。 部分熔融的地幔柱一旦喷发到地表就是俯冲带火山, 也形成新的地壳。 相对于周围的地幔来讲, 具有较小密度和黏度的部分熔融地幔的时空活动性就控制着俯冲带火山的时空分布特征。 本文主要回顾近年来运用三维热力学岩石力学模型数值模拟研究与板片脱水相关的俯冲带火山活动的时空分布特性。 结果表明, 部分熔融地幔的有效黏度和密度是影响俯冲板片之上的三维地幔柱横向分布特征的主要因素。 高黏度的部分熔融地幔(10²⁰~10²¹ Pa·s )易于形成近平行于海沟的、 长波长(70~100 km)的、 薄的波状地幔柱; 低黏度(10¹⁸~10¹⁹ Pa·s )的熔融地幔易于形成平行于海沟的, 短波长(30~50 km)的蘑菇状地幔柱和垂直于海沟的山脊状地幔柱。 当部分熔融地幔和周围地幔的密度相差小于50 kg/m³时, 在俯冲板片之上只能形成长波长低幅度(宽50~100 km, 高10~15 km)的地幔山丘。 岩浆产率随着时间的变化反映了火山活动的生命周期性。 板块俯冲速度会影响地幔柱形成的深度和范围大小。 高效率熔融提取会增加新地壳增长总量。 低的板块俯冲速度和低的熔融提取效率会增加上地壳(花岗岩质)和中地壳(英安岩质)化学成分的比例。 数值模拟结果可以很好地解释如日本东北、 新西兰、 南阿拉斯加俯冲区火山的横向分布特征。     

利用双差层析成像方法反演阿拉斯加地区岩石圈速度结构

阿拉斯加地区由不同地质时期的地体向北增生而成,经历了漫长的构造演化,地质构造复杂。ANF （Array Network Facility）网站新近提供的来自USArray地震台网记录的地震台站观测数据填补了阿拉斯加地区西部和北部的观测空白,本文选取该区域中345个台站记录的5 638个地震事件的P波、S波到时数据,采用区域双差地震层析成像方法反演得到了该地区的岩石圈三维P波速度模型和地震重定位结果。研究结果显示:阿拉斯加西部太平洋板块的俯冲倾角较大,深部地幔楔表现为P波低速异常,推测由俯冲板块顶部脱水产生的流体释放到地幔楔并触发部分熔融所致,这些熔融物质上升到达地表形成阿留申火山岛链;中部亚库塔特（Yakutat）地体与太平洋板块发生耦合,俯冲倾角减小,一方面使地壳压应力增加,引起地壳增厚和楚加奇（Chugach）山脉隆升,另一方面导致该处地幔楔降温从而使产生的熔体减少,并随着地壳压应力的增加部分地壳裂隙闭合,阻断了熔体上升至地表,从而形成迪那利（Denali）火山空区;亚库塔特地体与东部兰格尔（Wrangell）火山区之间存在较明显的分界,兰格尔火山区下方的低速区（与岩浆活动对应）集中于西北侧,火山区的岩浆来源可能与环形地幔流沿太平洋—亚库塔特板块边缘的上升流相关。这些结果表明,阿拉斯加地区深部复杂的地球动力学过程导致了其地表复杂的地质构造。      

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.     

东亚大地幔楔与中国东部新生代板内玄武岩成因

西太平洋板块俯冲、东亚大地幔楔及其在东亚大陆边缘演化中的作用逐渐被学术界重视.文章对东亚大地幔楔的物质组成、化学不均一性以及中国东部新生代板内玄武岩的成因进行综述,并尝试提出大地幔楔体系中板内岩浆的成因机制.主要认识包括:(1)中国东部新生代玄武岩大致可以解释为高硅和低硅端员熔体的混合物.东北、华北和华南玄武岩共享一个低硅熔体端员,它具有高全碱、和型微量元素特征,其~(206)Pb/~(204)Pb较典型HIMU玄武岩偏低,Nd-Hf同位素具有(年轻的)太平洋洋壳特征,源区为含碳酸盐的榴辉岩+橄榄岩地幔.高硅玄武岩端员具有低全碱、和其Pb-Nd-Hf同位素落入印度洋型地幔范围,源区为石榴石辉石岩.高硅玄武岩同位素组成表现出地区差异:华北具有EM1型富集组分特征,华南具有EM2型富集组分特点,而东北兼有EM1和EM2两种富集组分.(2)中国东部新生代玄武岩源区含有洋壳、水、沉积碳酸盐和岩石圈地幔组分,说明东亚大地幔楔含有大量再循环物质.根据其主要出现在大兴安岭-太行山重力梯度带以东地区,并结合滞留板块的空间分布和地幔导电率特征,推测这些再循环组分主要来源于滞留在地幔过渡带的太平洋板片,而EM1或EM2组分来自浅部的岩石圈地幔.(3)根据石榴石辉石岩和碳酸盐化榴辉岩/橄榄岩的固相线,限定高硅玄武岩和低硅玄武岩的初始起源深度分别为100km和~300km.东亚大地幔楔具有垂向不均一的结构:上部含有EM1或EM2地幔组分,显示为印度洋地幔型同位素特征,下部含有太平洋板块物质组分;自下而上H_2O和CO_2含量逐渐降低.(4)在地幔过渡带中滞留板片的脱碳和脱水作用及相关的熔融和交代作用是大地幔楔体系中板内岩浆成因的主要驱动力.     

西太平洋俯冲板块对中国东北构造演化的影响及其动力学意义

中国东北地区在古生代期间以众多微陆块的拼合以及古亚洲洋的闭合为特征,其后又经历了中-新生代太平洋构造域及中生代蒙古—鄂霍茨克构造域的叠加与改造,以致东北地区的构造行迹显得极为复杂,而大兴安岭重力梯级带及其西部地区构造演化是否与西太平洋俯冲有关仍然存在争议.本研究利用分布于中国东北、华北地区以及韩国、日本等部分台网所接收的近震与远震走时数据获得了中国东北地区壳幔精细的三维P波速度结构.成像结果显示,太平洋板块持续西向俯冲,俯冲板片的前缘停滞在大兴安岭—太行山重力梯度带以东区域的地幔转换带之中;长白山火山区上地幔存在着显著的低速异常体,推测西太平洋板块的深俯冲脱水导致了上地幔底部岩石的熔点降低,从而形成了大范围的部分熔融物质上涌.通过分析上地幔的速度结构,我们认为由于太平洋板块的大规模西向深俯冲,在大地幔楔中发生板片脱水、低速热物质上涌等复杂的地球动力学过程;俯冲板片前缘带动上地幔中不均匀分布的地幔流强烈作用于上部的岩石圈,这对东北地区深部壳幔结构乃至大兴安岭重力梯级带的形成、演化有着重要的影响.     

大洋俯冲带变质作用、流体行为与岩浆作用

依据有效的实验岩石学和相平衡模拟结果、结合俯冲带热结构模型,讨论了大洋地壳中的基性岩、沉积岩和超基性岩在不同俯冲阶段发生的脱水和熔融作用,及其对俯冲带岩浆作用的影响.大多数洋壳在弧前(90～100km)俯冲阶段基性岩和超基性岩脱水很少,明显脱水作用发生在表层沉积物中.在弧下俯冲阶段基性岩和超基性岩都发生强烈脱水,如基性岩中90%以上的水是由绿泥石、蓝闪石、滑石和硬柱石相继在弧下100～200km深度分解释放的,这与以往基于实验模拟得到的结果大不相同;超基性岩在弧下120～220km深度发生叶蛇纹石、绿泥石和10?相脱水;但变质沉积岩在弧下深度对流体贡献不大,其主要含水矿物为多硅白云母,可以一直稳定至300km深处分解成钾锰钡矿,多硅白云母分解后直到地幔过渡带深度俯冲洋壳板片不再有明显流体释放.在少数热俯冲带中,变质沉积岩和基性岩都可以发生部分熔融(尤其是水化熔融)形成富水花岗质熔体或超临界流体,含碳酸盐矿物的沉积物可以熔融形成含钾碳酸岩熔体.在少数冷俯冲带中,超基性岩中出现A相,可把水带至地幔过渡带深处.俯冲板片特别是沉积物可以携带很多强不相容的次要元素和微量元素,通过板片流体影响俯冲带岩浆岩的地球化学成分.在弧下俯冲阶段,俯冲带的地热梯度不穿过碳酸盐化榴辉岩和橄榄岩的固相线,其中的碳酸盐矿物可被携带到深部地幔.碳酸盐化榴辉岩会在400km深度发生熔融形成富碱的碳酸岩熔体,而碳酸盐化橄榄岩则不会在俯冲带下部的地幔过渡带中发生熔融.