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。     

俯冲带斑岩铜矿系统成矿机理与主要挑战

斑岩型铜(钼-金)矿床作为一种典型岩浆热液成矿系统,是板块俯冲带之上最具代表性的成矿类型,具有极其重要的经济价值,长期以来是学术界和工业界的重点关注对象.已有研究揭示了大型斑岩矿床一般起源于俯冲作用诱发地幔楔部分熔融而形成的初始弧岩浆,在经历一系列复杂的演化之后,最终上升至近地表(3～5km)成矿.这其中涵盖了下列步骤:(1)俯冲板片的脱水或部分熔融并交代地幔楔诱发橄榄岩部分熔融;(2)地幔岩浆上升至下地壳底部并经历熔融-同化-滞留和均一(MASH)以及初期分离结晶;(3)初始母岩浆自下地壳底部上升至中上地壳底部形成岩浆房;(4)岩株或岩枝的最终就位与挥发分出溶;(5)成矿流体汇集和金属沉淀等众多关键地质过程.虽然对这些过程的研究已经产生了丰富的成果,极大促进和加强了对不同构造背景之下斑岩型铜矿形成机制的认识,但斑岩成矿机理研究目前仍存在较多问题亟待解决,如不同构造动力学背景对成矿岩浆地球化学特征的控制、岩浆弧演化的长期性与成矿作用瞬时性的不协调、成矿物质来源、岩浆源区和演化过程金属预富集作用对成矿的贡献、Cu和Au在预富集过程中的解耦机制等.这些尚未解决的科学问题对斑岩成矿机理的进一步研究提出了挑战,而解决这些问题也必将深化对俯冲板块边缘成矿作用的认知.     

斑岩铜矿的若干研究进展

斑岩型铜矿床是世界上最重要的铜矿床类型,其规模大、埋藏浅、易开采,具有重要的经济学和地质学意义,一直以来吸引着众多研究者的注意,研究的角度多样。本文从斑岩铜矿的成因、含矿岩浆氧化状态与成矿关系以及斑岩铜矿与埃达克岩的关系等三个方面进行描述近期斑岩型铜矿的研究动态。已有的研究表明,斑岩铜矿的含矿岩浆形成于高氧逸度环境,但形成于碰撞环境和形成于俯冲环境的含矿斑岩其岩石地球化学性质及形成过程有较大的差异。     

平板俯冲及其地质效应的研究进展:观测与模拟

平板俯冲是指大洋板块以低角度(10°)或近水平方式下插到上覆板块之下的俯冲样式,仅占现今全球俯冲带的10%.相对于高角度俯冲,平板俯冲对上覆板块内部造成的影响更加显著,引发的地震强度更大,因此平板俯冲具有重要的研究意义.典型平板俯冲所引起的变形会从海沟向上覆大陆内部逐渐传递,并形成一个宽阔的岩浆带.平板俯冲的形成机制仍存在争议,主要包括大洋高原的浮力效应、上覆板块逆冲、板块吸力和海沟后撤等.文章系统分析和总结了以往有关平板俯冲的研究成果,归纳了平板俯冲所产生的地质效应(包括陆内造山和岩浆作用),并着重从数值模拟角度综述了平板俯冲形成机制的研究现状.通过对比得出,在控制平板俯冲形成的各种因素中,上覆板块逆冲和大洋高原是最为关键的两个因素,板块吸力虽有助于俯冲角度的减小,但不足以成为形成平板俯冲的独立条件,而海沟后撤则是形成平板俯冲的必要条件.今后基于数值模拟探索平板俯冲形成机制的工作,需要结合地质、地球物理观测数据,并将洋壳榴辉岩化(负浮力)与大洋岩石圈地幔蛇纹石化(正浮力)的影响加入到模型中,开展三维高分辨率热-力学模拟研究.     

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.     

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.     

胶东超大型金矿的形成与中生代华北大陆岩石圈深部过程

成矿年代学研究表明胶东地区超大型金矿形成于(120±10)Ma范围内.典型金矿Sr,Nd和Pb同位素组成反映成矿物质来源具有多元性和幔源物质参与成矿的信息.研究表明胶东地区之所以在中生代发生成矿大爆发,有其深部地质作用的原因.其中最主要的可能是中央造山带大陆深俯冲的后效作用和古太平洋板块俯冲的远程效应,由此诱发深部的岩石圈剧烈减薄和壳幔相互作用、浅层次的伸展和大型控矿构造的形成.     

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.     

班公—怒江构造带的电性结构特征——大地电磁探测结果

对青藏高原过班公—怒江构造带的三条大地电磁剖面进行探测,获得班公—怒江构造带及其邻区的电性结构模型,研究了班公—怒江构造带的深部结构与构造特征.研究结果表明：构造带及其两侧上地壳内广泛分布不连续高阻体,反映了岩浆岩的空间分布特征,表明构造带南北两侧岩浆的活动规律可能存在较大差别.研究区内的冈底斯及羌塘地体的中、下地壳普遍发育高导层,反映了印度大陆碰撞、俯冲过程的效应与痕迹,而高导层之下的高阻块体则可能是向北俯冲、冷的、刚性的印度大陆地壳.羌塘地体的电性结构模型可以分为南北两个区段,南羌塘块体的壳内高导层与班公—怒江构造带对印度板块俯冲的阻挡作用有关;而北羌塘块体壳内高导层与亚洲大陆对印度板块向北俯冲的“阻挡”与向南“对冲”有关.印度板块向北的俯冲与挤入,受到班公—怒江构造带及亚洲板块的阻挡,可能没有越过班公—怒江构造带,并在班公—怒江构造带附近向下插入软流圈,导致幔源物质上涌,形成壳、幔热交换与物质交换的通道和规模巨大、延伸至上地幔的高导体.班公—怒江构造带的电性结构证明了该构造带是一组产状陡立、巨型的超壳深断裂带.     

南阿拉斯加地壳及上地幔结构成像研究

通过反演562891个纵波和156321个横波走时数据,第一次同时获得了阿拉斯加地区地壳及上地幔的纵波与横波速度以及泊松比图像,为更好地认识阿拉斯加地区的深部地震结构、太平洋板块与亚库塔特板块的俯冲几何形态提供了科学依据.成像结果表明P波和S波速度图像与泊松比结构具有很好的一致性,强的高速度和低泊松比异常沿着阿拉斯加俯冲带延伸至200 km深度,该高速度和低泊松比异常体与俯冲带的地震空间分布吻合,因此,我们认为该高速体为俯冲的太平洋板块和亚库塔特板块.从地震空间分布发现,大部分大地震（M>6.5）发生在高速度与低速度异常交界处,可能反映了俯冲板块之间强耦合作用.在俯冲带的地幔楔显示出广泛的低速度和高泊松比异常,并且这些异常与岛弧火山的位置相对应,这与大洋板块俯冲所形成的岩浆入侵作用有关.研究结果表明在南阿拉斯加俯冲带,俯冲板块的俯冲角度从兰格尔块体下方的平坦变成在布里斯托尔湾下方的陡峭,这与亚库塔特板块俯冲在兰格尔块体下方和太平洋板块俯冲在布里斯托尔湾下方有关.在基奈半岛和科迪亚克岛连接处的上地幔位置存在强烈的低速与高泊松比异常体,使该处的大洋俯冲板块变薄.这一现象可能与亚库塔特板块和太平洋板块相互碰撞作用以及软流圈强烈的上升流入侵有关.     

大陆俯冲-碰撞-折返的动力学数值模拟研究综述

大陆板块通常紧接着大洋俯冲的完结而开始俯冲和碰撞,并可能伴随着高压-超高压变质岩石的形成和折返.基于对前人动力学数值模型的总结,大陆板块的稳定会聚过程可以大致分为6种模式:纯剪切增厚、挤压褶皱、单向高角度俯冲、单向低角度俯冲、双向俯冲以及俯冲板块的断离.同时,俯冲隧道中高压-超高压岩石的折返机制主要包含8种模式:逆冲断裂折返、褶皱挠曲折返、物质回旋折返、构造增压折返、俯冲板块"中上地壳"的整体拆离和折返、不同深度处物质周期性的韧性挤出、俯冲板块断离引发的板块后撤折返以及俯冲隧道中地壳物质穿过"破碎的"上覆岩石圈的折返.在大陆俯冲隧道中,中上地壳的弱化和拆离是物质从俯冲到折返转换的先决条件.但是物质弱化的主导机制及其在大陆俯冲隧道中的控制作用尚没有得到很好的解决.近似而言,大陆俯冲和折返的动力学机制可以等效为流体动力学中的"倾斜隧道流模式".该模式中,物质的俯冲抑或折返取决于俯冲隧道中"向下的Couette流"和"向上的Poiseuille流"这两种流动机制的竞争结果.另外,壳-幔岩石中的水对于俯冲隧道和上覆岩石圈的变形和破坏具有非常重要的作用,从而如果在模型中增加脱水和水化作用的数值算法,那么模拟的结果将可能大大区别于简单的"倾斜隧道流模式".数值模拟的另一个重要问题就是三维模型的应用,这对于研究造山带沿走向的差异性俯冲碰撞模式具有重要意义,也是该领域未来的发展方向之一.     

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.     

新生代华南及邻区上地幔各向异性深部动力学机制的数值模拟

晚中生代以来,华南地区同时受到印度—欧亚板块碰撞和太平洋—菲律宾板块俯冲及后撤作用的影响,壳幔结构复杂.深入了解华南地区深部地幔流模式和地幔各向异性特征是认识华南复杂的深部构造演化过程与动力学机制的基础.本文采用三维全球地幔对流模型,从软流圈剪切变形的角度计算了软流圈的各向异性,尝试探讨了华南地区各向异性的起源和深部地幔流特征.华南地块东部,软流圈各向异性呈NW-SE向,各向异性主要来源于软流圈,壳幔具有垂直连贯的变形特征;南北构造带的中段,软流圈各向异性大致为N-S向,这一区域的造山作用虽然对岩石圈造成了巨大变形,但是并未显著影响软流圈变形,并且各向异性的主要来源可能是岩石圈地幔;在南北构造带中,30°N可能是地幔各向异性的过渡带,30°N以南的川滇地区,软流圈各向异性的方向出现了环形特征;菲律宾板块向欧亚板块下的俯冲到达地幔转换带,这种俯冲可能带动了西太平洋地幔向华南块体下的流动;华南地区的软流圈流场自西向东显示出顺时针旋转的特征,并在扬子板块东部与来自菲律宾板块下的西南向的地幔流相遇.     

中国东北远离海沟陆内弧后扩张形成新生代火山的深部地球动力学背景

板块俯冲时海沟位置存在不变、前进和后撤 3种情况 ,后撤俯冲可能造成弧后扩张 .层析成像等资料显示 :太平洋板块低角度俯冲到欧亚板块之下后没有穿透 670km相变界面 ,而是平卧于该界面之上 .这种平卧过程可能始于 2 8Ma前 .地球动力学计算表明 :俯冲板片前缘触及上下地幔相变界面而受阻平卧时 ,有利于形成后撤俯冲和弧后扩张 .中国东北火山形成很可能属于这种后撤俯冲、远离海沟陆内弧后引张、地幔热物质上涌、减压熔融的情况 .     

巴布亚新几内亚构造演化与找矿潜力

巴布亚新几内亚在大地构造位置上位于欧亚板块、印度-澳大利亚板块和太平洋板块的结合部位.本文介绍了自晚白垩世以来巴布亚新几内亚经历的复杂地质构造演化过程,不同板块间的汇聚、碰撞、俯冲和拆离、扩张等地质作用形成了以区内南部克拉通、中部褶皱带及北部岛弧带为特点的地质构造单元,在区内形成了具有活动大陆边缘特色的成矿系统,对寻找以斑岩型和浅成低温热液型铜金矿、红土型镍矿为主要成矿类型具有重要意义.     

对日本俯冲带与IBM俯冲带俯冲特征的地球物理研究:来自重力与震源分布数据的启示

日本俯冲带与IBM俯冲带位于太平洋板块、菲律宾海板块和欧亚板块三者的交汇地带,是典型的"俯冲工厂"地区,具有重要的研究意义.本文利用震源分布资料与卫星重力数据对日本俯冲带与IBM俯冲带进行了研究.通过空间重力异常反映了俯冲带地区的区域构造形态,在此基础上基于艾利模式计算了均衡异常以反映地壳均衡特征.利用震源分布资料,分别从垂直俯冲带走向与沿俯冲带走向划定了横截剖面(cross-sections)进行了地震提取,讨论了俯冲带地区的Wadati-Benioff带形态特征,并借助于俯冲带地震等深线图直观描述了俯冲带的俯冲形态.在日本俯冲带与伊豆—小笠原俯冲带各选取了一条典型剖面进行了重力2.5D反演,研究了俯冲带地区的壳幔结构特征.研究结果表明,九州—帕劳海脊与IBM岛弧在均衡异常上存在差异,前者已逐渐趋向于地壳均衡.IBM的Wadati-Benioff带存在明显的南北差异,反映出伊豆—小笠原俯冲板片停留在了660km转换带中,而马里亚纳俯冲板片很可能垂直穿过了这一转换带,造成这种南北差异的原因与板块相对运动、岩石圈黏性和年龄差异以及俯冲板片的重力效应等因素有关.在IBM的中部和南部存在板片撕裂现象.日本俯冲带的俯冲洋壳密度随俯冲深度变化较小,洋幔存在一定程度的蛇纹岩化,地幔楔蛇纹岩化作用不典型,海沟处有一范围较小的含水畸变带;伊豆—小笠原俯冲带俯冲洋壳密度随深度增大而明显增大,洋幔蛇纹岩化程度较日本俯冲带低,地幔楔蛇纹岩化作用强烈,板块交汇处存在明显的蛇纹岩底辟.日本俯冲带与IBM俯冲带一线自北向南板片俯冲变陡,两侧板块耦合度降低,与俯冲带两侧的板块运动速率差异有关.     

基于地震参数的缅甸弧俯冲带处板块间几何接触方式的研究

从全球板块系统来看,中国大陆周边板块活动是其地壳运动的主要外部力源,明确周边板块与中国大陆间较精细的三维几何接触方式对中国大陆动力学研究具有实际意义.本文首先基于研究区域地震活动参数,引用Hayes等在2009和2010年提出的Slab1.0模型,对其进行改造以适用于研究缅甸弧俯冲带处欧亚大陆与印度板块接触的几何产状.其次,沿缅甸弧俯冲边界带截取了166个剖面,依次考察各剖面的震源深度分布情况,对其进行线性平面与非线性曲面拟合,定量地给出了缅甸弧俯冲带东向俯冲的三维几何产状及俯冲范围.最后,针对缅甸弧俯冲带上6个典型剖面的震源深度分布情况,并联合震源机制解和地质构造背景讨论并初步给出了该俯冲带可能的动力作用模式.本文企望为研究中国大陆与周边板块边界几何接触方式提供一个初步方案,并为板块间的动力作用及相关地球动力学研究提供基础研究资料.     

中国东北远离海沟陆内弧后扩张形成新生代火山的深部地球动力学背景

板块俯冲时海沟位置存在不变、前进和后撤3种情况, 后撤俯冲可能造成弧后扩张. 层析成像等资料显示:太平洋板块低角度俯冲到欧亚板块之下后没有穿透670 km相变界面, 而是平卧于该界面之上.这种平卧过程可能始于28 Ma前. 地球动力学计算表明:俯冲板片前缘触及上下地幔相变界面而受阻平卧时, 有利于形成后撤俯冲和弧后扩张. 中国东北火山形成很可能属于这种后撤俯冲、远离海沟陆内弧后引张、地幔热物质上涌、减压熔融的情况.      

南阿尔金早古生代俯冲碰撞过程中的花岗质岩浆作用

南阿尔金俯冲碰撞杂岩带早古生代存在517,501~496,462~451和426~385 Ma四个期次的花岗质岩浆岩.第一期岩浆岩侵位于区内蛇绿岩型镁铁质岩石之中,后三期分别对应于该构造带高压-超高压岩石~500 Ma的峰期变质及其~450和~420 Ma的两期退变质时间.结合区域地质背景、镁铁-超镁铁质岩和高压-超高压变质作用研究成果综合分析,这四期岩浆岩分别是南阿尔金早古生代板块俯冲碰撞过程中,先期俯冲洋壳,之后陆壳深俯冲导致地壳加厚引发下地壳以及深俯冲板片断离导致中上地壳和造山后伸展减薄阶段部分熔融作用的产物.其中,洋壳型埃达克岩的形成时代(517 Ma)为南阿尔金洋壳俯冲作用时限提供了直接约束,陆壳深俯冲引发的高压-超高压峰期变质时代(~500 Ma)作用滞后这一事件约10 Myr,表明南阿尔金早古生代时期由洋壳俯冲转换为陆壳俯冲可能是一个连续的构造演化过程.这四期花岗质岩石与区内蛇绿岩型镁铁-超镁铁质岩石以及高压-超高压变质岩石的形成,共同记录了南阿尔金早古生代时期从大洋俯冲、之后的大陆深俯冲碰撞再到后来深俯冲陆壳折返抬升的完整构造演化过程.     

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.