大陆深俯冲过程中的熔/流体成分与地球化学分异

板块俯冲是地球内部系统最为宏伟的地质过程,是实现地球表面-内部物质和能量交换、大陆地壳生长以及壳/幔相互作用的重要场所,广泛深刻地影响着地壳的增生与消亡、火山和地震活动、地球表层物质循环、矿产资源分布、大陆造山运动、大陆的聚合及裂解等与人类生活息息相关的地质过程,因此一直是固体地球科学研究所关注的热点.20世纪80年代中期关于大陆地壳能够俯冲进入地幔深度并大部分折返地表的发现,是俯冲带研究和板块构造理论的革命性进展.相较于俯冲洋壳,大陆地壳具有较冷、较干、较轻的特点,同时,俯冲陆壳与地幔相比具有更加不均一的性质和化学成分以及同位素组成,因此在局部而言会对上覆大陆岩石圈和大陆板块汇聚边界的结构、组成、变形和演化进程造成巨大影响.在大陆俯冲过程中,拆离的地壳碎块和岩片在俯冲隧道内受到构造剪切,促使其经历变质脱水和部分熔融,产生各种流体和熔体.这些熔/流体的产生和演化在俯冲带壳/幔相互作用过程中扮演着非常重要的角色,是俯冲过程中发生元素迁移、同位素分馏以及交代上覆地幔楔的不可或缺的介质.本文综合国际上近年来有关俯冲带研究的最新进展,总结了有关俯冲带流体和熔体的类型、存在条件、化学组成、熔体/流体-地幔相互作用的特点,同时对于与大陆俯冲带流体相关的特征性元素(Nb-Ta-V)迁移和最新的非传统稳定同位素(Li-Mg)研究进行了系统介绍,期望为中国读者较全面地认识板块俯冲过程中的熔/流体活动和元素迁移以及了解并运用Li和Mg同位素作为新兴的示踪手段提供一定帮助.     

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.     

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.     

俯冲带地球深部碳循环作用

在地球深部和大气圈之间的碳循环(即深部碳循环)作用对于全球气候的长期和短期变化都具有非常重要的影响.碳可以通过多种方式和途径从地球深部进入大气圈,但从地表返回地球深部的途径主要是板块俯冲作用.由于碳存在形式的多样性和碳酸盐特殊的物理和化学性质,俯冲带中碳及含碳矿物的物理化学行为会显著地影响俯冲带动力学、氧逸度结构以及壳-幔作用过程中其他元素的活化迁移.因此,俯冲带碳循环不仅是调节大气CO_2浓度、影响全球气候变化和维持地球宜居性的重要因素,同时也是影响地幔物理化学性质和不均一性的关键因素.本文从俯冲带碳循环的观察和示踪、俯冲带碳的迁移与变化、俯冲带碳循环通量以及俯冲带碳循环的效应等四个方面对俯冲带碳循环的研究现状和需要深入研究的科学问题进行阐述.     

俯冲隧道中物质运移和流体-熔体活动的动力学数值模拟

俯冲隧道是指在会聚板块边缘、俯冲板片与上覆板片之间的剪切带及其中发生运动的物质,这些物质在俯冲隧道中经历了复杂的温度、压力、应力和应变等的演化以及流体和熔体的作用,而后部分物质可以从100 km的深度处折返至地表,从而形成自然界中出露的高压-超高压变质岩带.动力学数值模拟是定量化的研究该俯冲隧道过程的重要手段,前人的研究大多基于热动力学模型,但是一般不包含流体的活动和影响,因此上覆岩石圈物质很少参与到俯冲隧道过程中,这些模型与地质概念模型之间尚存较大差异.本文采用了新的包含流体-熔体活动的数值模型,对俯冲隧道的精细过程进行模拟研究.结果表明,俯冲隧道中的物质既包含了从俯冲板块拆离的表壳岩,也包含了从上覆板块刮擦、蚀变的地幔岩,从而形成一个构造混杂岩体.在特定条件下,俯冲隧道中的混杂岩既可近垂直向上穿过地幔楔侵入上覆地壳中,亦可近平行于俯冲隧道斜向上折返,形成靠近缝合带的高压-超高压变质岩.基于该数值模型及前人的地质概念模型,首先对大洋俯冲隧道和大陆俯冲隧道的特征进行了细致的对比和总结.而后,又对含水模型与无水模型进行了对比,主要区别在于无水模型中由于缺少流体-熔体活动而产生的弱化作用,上覆岩石圈的变形很小,在俯冲隧道过程中的参与程度也很低.最后,对数值模型中的一个重要的边界条件,即板块会聚速率,进行数值模拟研究.结果表明快速会聚导致上覆岩石圈剧烈变形,造山带主要沿上盘单侧生长;相反,在慢速会聚条件下,上覆岩石圈变形较小,造山带主要沿下盘单侧生长;而在中等会聚速率下,造山带沿上盘、下盘同时生长.     

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.     

地幔过渡带顶面低速层的研究进展

位于地幔过渡带顶面上方的低速层是近20年来固体地球物理学研究领域的一个重要发现.其对于认识俯冲作用、地幔对流模式和强度、地球内部圈层间的耦合和解耦、物质分布和迁移,乃至原始地球演化等地球深部物理化学过程有着极为重要的意义.该低速层陆续发现于全球的多个区域,所处的构造位置也不尽相同,主要包括俯冲带和大陆克拉通.其在横向上有很大的变化,主要体现在深度和厚度的波动.关于低速层的成因,虽然部分熔融成因得到了较为广泛的认同,但部分熔融作用的诱发因素、发生位置以及熔体的密度和黏度等方面的研究还不够充分.通过分析基于部分熔融成因的几个关键问题,本文最后讨论了相关的地球动力学意义.     

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.     

俯冲带热结构的动力学模型研究

俯冲板块在俯冲过程中与周围地幔不断发生热交换,该热演化过程主要由热传导和平流物质交换两种作用构成.俯冲带热结构的演化是控制俯冲过程中物理化学性质转变的决定性因素之一,直接影响我们对矿物脱水、岩石部分熔融、岛弧火山喷发以及俯冲带地震等关键地质现象的理解.对俯冲带热结构的动力学模型研究主要分为解析方法和数值方法两种.解析模型能够从物理上给出对热结构具有最重要影响的控制因素,比如俯冲板块的年龄、速度和角度、剪切应力以及热传导系数等.数值模型能够进一步给出解析模型难以处理的各种复杂因素的影响,比如地幔楔的黏性变化、俯冲板块与周围地幔的耦合过程、与矿物岩石学的结合等.将模型结果实际应用于各俯冲带时由于各种影响因素很多,因此对俯冲带热结构的限定是一个非常复杂的过程.随着地球物理与地球化学各种定量观测手段的进步,将能够给出更多对俯冲带热结构的约束条件,进而更合理的解释与俯冲带相关的地质现象.     

日本南海海槽地震区域应力场及其板块构造动力学特征

为了研究海沟型巨大地震发生机制及其构造动力学特征，详细研究了地震活动与震源机制结果，根据地震俯冲带几何形状及其内应力场区域特征，南海海槽下的俯冲带可划分为两段: 东部的四国-纪伊半岛段和西部的九州段. 东部的菲律宾海板块地震俯冲带呈现出低角度俯冲(10°～22°)，且俯冲深度相当浅(60～85km)的特征;而西部九州段的俯冲带为高角度俯冲(40°)，且俯冲深度较深(160km). 东、西部俯冲带内部应力场也截然不同. 东部的四国大部分地区和纪伊半岛的俯冲带内表现为俯冲压缩型应力场， 而西部的九州段则为明显的俯冲拉张型应力场. 本文在综合分析了重力异常、GPS、热流量等地球物理观测结果后指出，南海海槽东部， 即四国-纪伊半岛以南的海槽区域， 具有与智利海沟极其相似的地震发生板块构造动力学背景和高应力积累等特征， 属于年轻活动俯冲带的高应力型俯冲. 而西部的九州段，虽然也是海沟型地震活动区， 但不具有大地震发生的构造动力学背景和高应力积累， 不属于年轻活动俯冲带的高应力型俯冲. 俯冲带年龄的不同很可能是造成南海海槽东、西段板块构造动力学以及应力场不同的根本原因之一.     

俯冲带中的水迁移

水从俯冲地壳迁移到地幔主要受地壳中含水矿物的稳定性支配,而俯冲带的热结构是决定俯冲地壳在哪个深度发生脱水的关键.大洋俯冲带的地温梯度变化很大,既有冷俯冲带也有热俯冲带,但是地震活动和弧火山作用在冷俯冲带相对突出.大陆俯冲带的地温梯度较低,地壳岩石总是在冷俯冲带发生变质作用,但是缺乏同俯冲弧火山作用.超冷俯冲带地温梯度很低(?5℃/km),俯冲地壳中的硬柱石可以把水带到?300km的深度.热俯冲带地温梯度很高(25℃/km),俯冲地壳在浅部就大量脱水,在80km的深度会产生长英质熔体.由于水大量溶解在这种熔体中,结果只有少量的水会运移到80~160km的弧下深度.在这两种脱水方式之外还存在大量介于两者之间的方式,使得俯冲带表现出多种水迁移现象.在暖俯冲带,低温/低压含水矿物在俯冲到60~80km的弧前深度时就发生分解,释放出大量的水.在冷俯冲带,低温/低压含水矿物随俯冲深度增加转变成低温/高压含水矿物,允许大量的水被迁移到弧下深度.无论在何种情况下,俯冲地壳的脱水不仅启动了地震活动,而且引起了地幔楔的水化.不过,总有少量水被超高压含水矿物和名义上无水矿物带至更深部地幔.俯冲板片之上的地幔楔并没有因为水的加入而立即发生部分熔融引起弧火山作用,而是首先在板片-地幔界面上发生水化.由于这里温度最低,比水化橄榄岩的湿固相线要低几百度,结果直到水化橄榄岩受到加热之后才能发生部分熔融.因此,弧火山作用一般发生在地幔楔被流体交代之后的某个时间.     

地球物质的人为转移与地球物理环境

通过分析航天活动向外层空间迁移物质形成的地球转动惯量改变,重叠1998年以来,从高纬度向赤道方向上,巨大物质发生再分布构成的地球转动惯量改变,和它们致使地球自转速率的变慢,重合地球自转运动的规律性变慢,以叠加的效果影响地球物理环境;以及与地壳差速旋转的巨大地核,及覆盖地表的水,包裹地球的大气层,在地壳转速变化时,完成其相互问角动量交换存在的时间滞后性,将会在一些瞬时段突出物质转移对地球物理环境的作用影响.讨论航天发射从地球迁移到外层空间的物质,正将形成一定规模的物质群而改变地球系统的空间结构,且现时,太空武器化竞争已剑拔弩张,其一旦加剧了航天活动构成外层空间新物质体系圈层的发展,其过程对地球物理环境的影响,合并地球自身多重因素的作用,可能会增大突破维持稳定自然环境的某些临界条件的几率和增大突发事件发生频率.     

发展板块构造理论:从洋壳俯冲带到碰撞造山带

地壳俯冲和大陆碰撞是板块构造理论的核心,而认识大陆碰撞造山带的形成和演化,是发展板块构造理论的关键.根据俯冲地壳的性质,业已认识到不同类型的板块俯冲带.根据碰撞块体的性质及其衍生岩石的成分,已经认识到大陆碰撞形成了两种类型的造山带.弧陆碰撞造山带既含有古老地壳物质,也含有新生地壳物质,它们在碰撞后阶段的再造就能够产生不同地球化学成分的岩浆岩.而对于两个相对古老大陆之间的碰撞所形成的造山带来说,碰撞后岩浆作用只是俯冲带古老地壳的再造.碰撞造山带在岩石圈拉张作用下发生活化再造,不仅再造作用在构造体制上具有继承性,而且再造产物岩浆岩在地球化学成分上也具有继承性.因此,研究碰撞后体制下的造山带再造,认识大陆碰撞造山带深部物理化学差异、俯冲地壳性质与碰撞后岩浆岩之间的成因联系,建立碰撞后阶段大陆构造演化的基本规律,是构建大陆动力学体系、发展板块构造理论的关键.     

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。     

西北太平洋俯冲带及其深震活动

俯冲带是理解地球内部物质循环和能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节.本文聚焦于西北太平洋俯冲带,通过汇集多种地震观测研究结果,清晰地揭示了由日本海沟至中国东北的俯冲板片整体活动图像,即整个西北太平洋俯冲板片的主压应力轴一致地稳定在俯冲方向上,俯冲板片上深浅部的显著地震活动存在密切的关联性;俯冲板片深处的亚稳态橄榄岩楔形区及其周边是深源地震多发区,深源地震可能是由亚稳态橄榄岩楔形区内的相变断层开始破裂的;在410～660 km深的地幔过渡带内处观测到的俯冲板片上下界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板块下侧的高含水量.为更好地约束日本海下方的俯冲板片结构和深入探讨西太平洋的俯冲动力作用,有待于在全球罕有的大陆深部不断发生深震的西北太平洋俯冲区,开展海陆联合的地球物理探测及岩石高温高压实验和地球动力学模拟等研究.     

马尼拉俯冲带热结构数值模拟与地震意义

研究马尼拉俯冲带地震分布的成因机制,根据马尼拉俯冲带最新的莫霍面深度和地壳厚度等地质与地球物理资料,选取3条典型剖面,模拟俯冲带热结构。结果表明:1俯冲带热结构主要受俯冲角度、俯冲速度和俯冲板块本身地质条件等因素影响;2 BB′剖面和CC′剖面属于热俯冲;3当洋壳俯冲至软流圈边界时,俯冲板块温度迅速升高,容易形成地震活动。BB′剖面的俯冲角度和俯冲速度比CC′剖面小,使得BB′剖面发生地震的深度更浅。俯冲洋壳底部温度比顶部低,地震活动也持续到更大的深度。     

汤加地区地幔结构及俯冲演化的地球动力学研究

汤加的俯冲板块结构复杂,板块形态的起因和形成机制不是很清晰.为了探索其演化,我们借助于板块运动学、海底年龄和关键的大地构造特征,用地球动力学模型模拟了本区域40 Ma之后的俯冲历史.通过研究我们发现,沿着海沟的分布位置,不同的黏度、流体的吸力与浮力比特征控制着板块的力学强度,从而影响着板块的俯冲角度和形态.我们的模型显示在俯冲板块形成前,研究区表面西侧的黏度剖面形成的弱化带为水平低黏度区,它对俯冲的发生有一定的引导作用,高黏度的上覆板块的存在和俯冲导致的地幔流体的吸力降低了俯冲板块的倾角,15°S附近的俯冲板块的分离发生在16-8 Ma之间.最后我们通过匹配实际的构造特征,包括贝尼奥夫带和波速结构剖面,用所得的相关性最佳的模型对本区的地幔结构随时间演化提供探索.     

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.     

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.     

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.