大洋岩石圈拆沉与大陆下地壳拆沉：不同的机制及意义——兼评“下地壳＋岩石圈地幔拆沉模式”

拆沉作用(delamination)是地球科学中一个重要的科学问题。本文认为,大洋岩石圈拆沉和大陆下地壳拆沉是不一样的:(1)拆沉的物质不同。大洋岩石圈拆沉的物质包括大洋地壳、岩石圈地幔甚至一部分软流圈地幔,它们共同进入地幔深部;而大陆下地壳拆沉仅仅限制在下地壳,不包括岩石圈地幔。(2)拆沉的动力不同。大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲引起的,是地幔对流的产物,因此是一种快速的主动的拆沉;而下地壳拆沉是由于下地壳加厚使下地壳密度增加引起的,还要求其下刚性的岩石圈地幔转变成塑性的软流圈地幔才有可能发生。因此下地壳拆沉要克服许多阻力才能实现,使拆沉成为一个漫长的过程,是慢速的和被动的拆沉。(3)拆沉的过程不同。大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲触发的,俯冲导致碰撞,大洋岩石圈从根部断裂,拆沉进入地幔。大陆下地壳拆沉由地壳加厚开始,使下地壳转变为榴辉岩相;随后,岩石圈地幔减薄,直至全部转化为软流圈地幔;下地壳发生部分熔融,形成大规模的(埃达克质)岩浆,使下地壳榴辉岩的密度大于下伏的地幔,从而引发拆沉。大陆下地壳拆沉不大可能是整体进行的,可能是一块一块地被蚕食、被拆沉的。(4)拆沉后的效应不同。大洋岩石圈地幔拆沉,使热的软流圈地幔上涌,从而引发了一系列地质效应:如岩浆活动、地壳抬升、构造松弛以及随后的造山带垮塌等。而下地壳拆沉只引起地壳减薄,高原和山脉垮塌,并不伴有大规模的岩浆活动和地壳抬升等过程。(5)拆沉与岩浆活动的关系不同。主动拆沉导致大规模岩浆活动,而被动拆沉是在大规模岩浆活动的基础上开始的。此外,文中还对"下地壳 岩石圈地幔拆沉"模式提出了质疑,认为该模式有许多难以理解的问题和太多推测的成分,而且与现在保存的地质事实不符。     

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。     

大陆下地壳拆沉模式初探

下地壳拆沉是人们关注的问题,文中指出下地壳拆沉必须满足至少三个条件：（1）地壳加厚使其下部达到熘辉岩相是拆沉的前提.（2）大规模岩浆活动使大量低密度的中酸性物质移出下地壳,使下地壳密度增加直至超过下伏地幔.由于下地壳榴辉岩石部分熔融所形成的岩浆具有埃达克岩的地球化学特征,因此,大规模魂达克岩的熔出是下地壳拆沉的先决和必要条件.（3）岩石圈地幔转化为软流圈地幔,使下地壳能够进入地幔.陆壳下的岩石圈地幔原先是冷的、刚性的和不易流动的，如果有热和水的加入，可以被软化，使其变成热的、塑性的和易流动的软流圈地幔。因此，岩石圈了幔转化为软流圈地幔是下地壳拆沉的必要条件。作者认为，下地壳不大可能整体拆沉，而很可能是一块一块如飘雪花似地拆沉。如果下地壳的密度降低（低于下伏地幔），如果地幔停止热的供给，如果陆壳底部的软流圈地幔幔又恢复为岩石圈地幔，拆沉即终止。文中讨论了中国东部中生代下地壳拆沉的可能性，探讨了岩石圈减薄的机制，认为下地壳不需要也不可能与岩石圈地幔一道拆况。     

俯冲陆壳和洋壳对华北克拉通中生代岩石圈地幔改造的氧同位素记录

来自华北克拉通山东省中生代镁铁质岩石及地幔包体的橄榄石氧同位素组成显示,早白垩世岩石圈地幔主要受到了来自俯冲的华南陆壳不同组分的改造作用,包括镁铁质下地壳和长英质上地壳组分以及少量的海相沉积碳酸盐岩,而晚白垩世的岩石圈地幔则受到了来自俯冲的太平洋板块的改造。早白垩世受俯冲陆壳改造的岩石圈地幔橄榄石相对正常地幔高δ¹⁸O (6.0‰～7.2‰),而晚白垩世被俯冲洋壳改造的局部地幔则相对正常地幔低δ¹⁸O (4.1‰～5.3‰)。板块俯冲作用是导致华北克拉通岩石圈地幔破坏的重要深部机制,三叠纪华南陆壳深俯冲导致了华北克拉通地幔强烈富集相容组分而转变为易熔的岩石圈,早白垩世大规模幔源岩浆的侵位很可能与俯冲大陆板片的整体断离或拆离作用相关;晚中生代以来的太平洋俯冲作用则引发了岩石圈地幔的置换和增生作用,形成了目前新、老地幔共存的格局。     

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。     

介绍一个产生玄武岩的模型

地幔柱存在的一个主要证据是大规模高熔玄武岩省的出现,而且多认为玄武岩的来源依赖于地幔柱从下地幔输送。Michele Lustrino研究了造山时下地壳和岩石圈地幔的拆沉和拆离作用,提出了产生玄武岩的一个新模型。该模型认为即使地幔柱不存在,拆沉到地幔的下地壳物质再循环同样可以解释小规模的板内(大洋岛弧和大陆内部)火山岩和大洋、大陆溢流玄武岩及洋中脊玄武岩的生成及其常见的几种地球化学特征。在陆-陆碰撞过程中,下地壳中的变质反应生成石榴石,导致岩石的密度增大,致使过厚岩石圈底部(下地壳和岩石圈地幔)和上地壳分离并沉入上地幔。下地壳发生部分熔融形成富SiO2的熔体,和上涌的软流圈地幔(充填在下沉的岩石圈地幔和下地壳的空间)发生变质交代反应,导致具有强烈的地壳特点的富含斜方辉石层的形成。这个变质交代地幔体可以在拆沉后保持不变长达几个百万年。这种源的部分熔体可以保有下地壳的明显特征,产生类似富集地幔1型玄武岩浆作用。因此,该模型是提供了玄武岩浆来源的一个新选择。     

青藏高原巨厚地壳：生长、加厚与演化

大陆地壳约占地表面积的40%, 其成因与生长, 是一个关乎人类生存和资源供给的基础地学问题。人们普遍认为, 大洋俯冲通过岛弧拼贴和幔源岩浆底侵形成造山带新生陆壳，大陆碰撞过程只对现存地壳进行再造，不产生新生地壳。青藏高原经历古/新特提斯大洋俯冲和印 亚大陆强烈碰撞, 拥有全球最厚的陆壳(65~80km), 是研究大陆地壳的形成、生长、加厚、演化与保存的天然实验室。我们研究表明, 古/新特提斯大洋的相继俯冲消减, 产生多期次的幔源镁铁质弧岩浆(270~66Ma), 在弧地壳下部底侵和上部侵位, 导致地壳侧向加积和垂向生长并加厚约10km。在同(软)碰撞期(65~41Ma), 印度大陆岩石圈俯冲导致俯冲前缘的洋壳板片回转和断离, 诱发软流圈地幔熔融及其幔源岩浆上升侵位, 在冈底斯碰撞带形成新生地壳, 并导致地壳加厚6~9km。在晚(硬)碰撞期(40~26Ma), 冈底斯碰撞造山带内不同地壳块体(地体)间发生逆冲叠覆, 导致中深层次地壳缩短加厚10~20km; 在碰撞带的后陆区, 印度大陆岩石圈地幔俯冲诱发软流圈沿地幔通道上涌, 侵蚀和吞噬地幔岩石圈, 并诱发其部分熔融, 向地壳注入大量幔源镁铁质岩浆, 形成新生地壳, 维持高原生长。在后碰撞期(<25Ma), 碰撞带和后陆区均发生地壳伸展与有限减薄, 伴有新生地幔组分少量注入和高原陆表强烈剥蚀。粗略估计：形成并保存于大陆碰撞造山带的新生地壳量占整个陆壳的28%, 大洋俯冲与大陆碰撞分别为青藏高原贡献了75%和25%的新生地壳。我们提出, 青藏高原巨厚地壳的形成发育, 实际上是幔源岩浆向地壳注入添加与中下地壳缩短加厚连续或交互作用的结果。伴随大洋俯冲与大陆碰撞, 巨厚地壳物质组成发生以新生地壳形成和古老地壳再造为特征的动态演变。镁铁质新生下地壳的大规模重熔与长英质岩浆大量侵位可能是巨厚地壳长英质化的主要机制。     

太行山北段木吉村髫髻山组安山岩锆石U Pb年龄和Hf同位素特征及其对区域成岩成矿规律的指示

太行山北段是中国东部中生代重要的成矿区带,髫髻山组火山岩记录了该地区中生代大规模成岩成矿事件发生的时代和有关岩浆作用源区的信息。髫髻山组安山岩中锆石大多具有明显的核幔结构,LA-MCICP-MS测试得出,锆石幔部年龄为144~145Ma左右,核部年龄为2.08~2.65Ga。两组锆石年龄中,前者代表了髫髻山组火山岩的形成时代,两件样品加权平均年龄分别为145.28±0.44Ma和144.61±0.76Ma;后者年龄与华北克拉通在前寒武纪增生变质等演化时代一致,揭示出火山岩形成过程中华北克拉通古老地壳的参与。对应两组年龄,锆石Hf同位素特征也明显的分为两组,中生代εHf_(l)值集中于-25~-10之间,表现为壳幔混合源区特征;新太古代—古元古代εHf_(1)值集中于0~10之间,表现为地壳增生的特征,与华北克拉通前寒武纪的演化时代相一致。结合已有岩石地球化学研究,髫髻山组火山岩的形成源于富集地幔部分熔融,在岩浆上侵过程中同化混染(或混合)了华北克拉通的古老地壳,在经历了分离结晶作用后侵位产出。髫髻山组火山岩是晚中生代华北克拉通构造背景转换的代表,在其形成后发育有大量与之相关的斑岩型铜钼矿床,通过总结对比中生代中国东部成岩成矿规律,我们推测太行山地区在中生代可能形成有两期重要的成矿事件,一期以斑岩型铜—钼矿床的形成为特征,另一期由金矿床的产出为代表。     

关于华北克拉通燕山期岩石圈减薄的机制与过程的讨论:是拆沉,还是热侵蚀和化学交代?

关于华北克拉通燕山期岩石圈减薄作用,主要有两种模型:(1)岩石圈拆沉;(2)热侵蚀和/或化学交代。文中主要从岩浆活动与构造变形两个途径,通过(1)燕山带造山幕和结构要素组合以及造山过程的p-T-t轨迹;(2)收缩构造变形、火成岩构造组合和下地壳岩石捕虏体3个独立证据提出陆壳的构造加厚;(3)火成岩成因的壳幔相互作用模型和热模拟等,试图讨论华北地区克拉通有浮力的岩石圈如何转变为密度大的岩石圈,随之发生拆沉作用,而不是热侵蚀或化学交代机制使岩石圈地幔改造为EMI印记实现的减薄作用。大量对流的软流圈物质注入克拉通是诱发陆壳发生局部熔融所必需的条件。底侵玄武质岩浆的加热并弱化先前的冷和强的克拉通地壳,创造一个流变学条件,以使收缩构造变形和陆壳加厚成为可能。陆壳最下部和岩石圈地幔中形成的大量玄武质岩石,在构造加厚作用下,相转变为榴辉岩,致使原先有浮力的岩石圈转变为密度大的岩石圈,随之发生拆沉作用。     

张广才岭燕山早期白石山岩体成因与壳幔相互作用

出露于东北地区张广才岭的白石山岩体,其全岩-矿物Rb-Sr等时线年龄为196士4 Ma,表明形成于中生代的燕山早期,而非传统认识上的印支期.岩体主岩和闪长质包体均具有低ISr(≈0.705)和正εNd(t)(+1.7～+2.2)值的特点,反映岩体成因与地幔具有密切的联系.地质学、岩石学和地球化学的详细研究表明该岩体具有壳幔混合成因,闪长质包体是较基性的地幔岩浆进入主岩浆中淬火结晶而成,花岗质岩浆的源区主要为新生的地壳物质.动力学分析表明,本区在华北板块和西伯利亚板块碰撞拼合后,由于东侧大洋板块的俯冲及后续的岩石圈拆沉效应,导致软流圈地幔上隆及幔源岩浆的板底垫托,并进而造成先存和新生地壳的部分熔融和不同源区岩浆的混合作用.底垫的新生地壳是兴蒙造山带造山后晚期形成的.因此,古生代-中生代是本区地壳生长的重要时期,且这种地壳生长是在垂向构造机制下进行的.     

辽西义县组火山岩:拆沉作用还是岩浆混合作用的产物?

通过对所有已发表的辽西义县组火山岩数据进行系统的主、微量元素和同位素分析,发现义县组火山岩以中基性为主,其上部层位中酸性组分增多。其高的Mg~#值和埃达克质特征并不是原始岩浆本身的性质,不能作为下地壳拆沉作用的有力证据。义县组火山岩的基性部分主要来自于受洋壳俯冲作用改造过的岩石圈地幔,并存在与古老下地壳来源的熔体不同程度的混合作用。因此,义县组火山岩是岩浆混合作用的产物而非下地壳拆沉作用的产物。底侵的下地壳也参与了义县组火山岩的形成,但软流圈组分的参与有限。     

北京西山地区髫髻山组和东岭台组火山岩的地球化学特征与岩浆起源

北京西山地区分布着大量的髫髻山组火山岩,区域上髫髻山组被东岭台组角度不整合覆盖。西山地区火山岩样品的主要氧化物含量变化范围比较大,如: SiO2=51.94%～77.30%,Al2O3=12.85%～19.17%,Na2O=1.65%～5.82%,K2O=0.83%～4.52%,Fe2O3 =0.95%～9.30%,CaO=0.13%～7.08%,且主要氧化物的含量与SiO2具有线性相关关系。同时,这些火山岩具有LREE富集、HREE明显亏损、Eu异常不明显、高的Sr,Ba 含量和Sr/ Y,La/Yb 比值等特征。火山岩的钕同位素成分变化大,且相当富集(εNd＝-11～-17),都分布在古老下地壳和富集地幔之间, 因此推断北京西山地区髫髻山组火山岩和东岭台组火山岩的形成与富集地幔起源的基性岩浆与古老下地壳组分相互作用有关。     

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。     

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。     

北京西山髫髻山组火山岩的地球化学特征与岩浆起源

对北京西山髫髻山组粗安岩斜长石Ar-Ar年龄测定获得全坪年龄和等时线年龄分别为148.91Ma±2.98Ma和146.60Ma±2.93Ma(相关系数r=0.9997),本文将其时代划为晚侏罗世.元素-同位素地球化学显示,西山髫髻山组火山岩主要为高钾钙碱性系列,低Ti\K,高Al\Ca和Na,轻稀土元素富集,Eu异常不明显,大离子亲石元素Rb\Sr\Ba等相对富集,高场强元素Nb\Ta\Ti\Zr\Hf相对亏损,Nd\Sr和Pb同位素比值较低,反映出火山岩形成于岛弧或活动大陆边缘,其源岩为富集地幔.据此认为髫髻山组火山岩形成于陆内挤压环境,由中生代玄武质岩浆底侵于下地壳-壳幔过渡带诱发古老(太古宙)的玄武质岩石部分熔融形成的.     

辽西阜新-义县盆地及附近地区早白垩世地壳大规模减薄及成因探讨

辽西阜新-义县盆地及其附近地区,其早白垩世的地层、构造和火山岩有明显的特殊性。在地层方面,阜新-义县盆地内下白垩统分布较齐全,而土城子组及以前的侏罗系基本缺失,反映在义县期之前,阜新-义县盆地处在剥蚀环境中（正地形）,而在早白垩世处在快速沉降的沉积环境中（负地形）,并在早白垩世沉降了约7km。构造方面,晚侏罗世末期,褶皱、逆冲作用反映研究区发生了一定规模的挤压抬升作用;早白垩世阜新-义县盆地的伸展断陷作用贯穿始终,也说明了该地区早白垩世快速沉降的存在。在火山岩方面,阜新-义县盆地及附近地区的义县组下部多处分布有含镁较高的火山岩,其地球化学特征反映该火山岩岩浆源于地幔,同时有复杂的成因,这提供了阜新-义县盆地及附近地区早白垩世地壳大规模减薄、地幔岩浆上涌的信息。以上地质特征说明,早白垩世阜新-义县盆地发生了与地幔作用有关的大规模地壳减薄作用。     

北祁连山元古宙末－寒武纪主动大陆裂谷火山作用

北祁连山元古宙末－寒武纪大陆裂谷火山岩系为双峰式火山岩套，主要由基性与酸性火山岩组成。基性火山岩有磁性玄武岩与拉斑玄武岩两个岩浆系列，且富集ＬＲＥＥ与ＬＩＬ，其岩浆源区为与洋岛玄武岩源相似的富集地幔柱源。软流圈地幔柱上涌导致岩石圈地慢部分熔融，其熔体与地幔柱衍生熔浆混合，形成本区具有中等钕，锶同位素比值特点的基性岩浆。基性岩浆上侵至陆壳，引起下部陆壳深熔，产生长英质岩浆。地幔柱上隆促使大陆扩张，及至形成北祁连山元古宙末－寒武纪大陆裂谷。     

松辽盆地北部营城组火山岩地球化学特征及地质意义

松辽盆地北部早白垩世营城组发育一套以流纹岩为主的中酸性火山岩,其具有高硅、铝,富碱和低镁、铁的特征,不同类型火山岩均具有轻稀土富集、重稀土亏损、轻重分异严重的特征。其中：酸性流纹岩表现为富集Pb、U、Th、Ta、Hf和Zr等元素,亏损Sr、Ba、Eu等元素;中性安山岩、粗安岩和基性玄武岩则亏损不明显;中酸性英安岩介于两者之间。地化特征分析表明,营城组岩浆来源于亏损地幔,是地幔底侵导致地壳部分熔融,并受到地幔物质的混染,酸性岩喷出前经历了较强的岩浆分异作用。构造判别图解指示营城组火山岩形成于板内伸展环境,具有与板块俯冲作用有关的、发育于活动陆缘或岛弧的火山岩类似的演化特征。结合中国东部构造环境演化特征,认为松辽盆地北部早白垩世火山活动可能是古太平洋板块北北西方向高速俯冲导致地壳岩石圈减薄、地幔物质上涌的产物。     

辽西早白垩世义县组火山岩的地质特征及其构造背景

早白垩世义县组火山岩虽辽西地区分布最为广泛的中代火山岩。岩石学、元素－同位素地球化学研究表明，义县组火山岩主要为高钾钙碱性系列，相容元素（Cr,Co,Ni,V等）和大离子亲石元素（如Rb,Sr,Ba等）相对富集，市场强元素（如Nb,Ta,Ti,Zr,Hf等）和放射性元素（U,Th）相对亏损，轻重稀土元素分 馏明显，δEu弱负异常，放射成因的Nd,Sr,Pb同位素较低， 具有板内和活动大陆边缘弧地球化学特点。作者认为辽西早白垩世义县组火山岩起源于富集的岩石圈地幔的部分熔融。岩浆在演化过程中以结晶分异作用为主，伴有少量的地壳混染作用，即AFC过程。结合区域构造，作者认为义县组火山岩形成于板内岩石圈的不均匀拉伸环境，是燕山板内造山作用的产物，与中生代古太平洋板块向欧亚板块俯冲没有直接关系。