地壳与弱化岩石圈地幔的相互作用:以燕山造山带为例

燕山造山带中生代发育4期钙碱性火山活动,它们的源区组成都是受壳幔相互作用的制约,其中髫髻山组和义县组分布广泛,具有代表性．髫髻山组岩性比较单一,地球化学参数变化范围小,岩浆的AFC作用不强烈,源区成分不复杂．依据Kay et al．(1991)的方法,估算了早-中侏罗世燕山地区的地壳厚度为40-45 km.髫髻山组粗安岩是在加厚的地壳 (40-45 km)条件下,源区是含角闪石的石榴石麻粒岩 底侵的基性岩的壳幔过渡带熔融形成．义县组火山岩的源区为下地壳 岩石圈地幔,地幔组分较髫髻山组增加．研究区中生代早期地壳开始加厚,发生下地壳拆沉,进入流变学性质改变了的“弱化的岩石圈地幔”,二者发生作用．岩石圈地幔在中生代晚期受到流体、熔体、地幔矿物中活化的分子水、剪切构造作用,以及温、压条件改变的影响,导致岩石圈地幔发生不均一的局部弱化,为容纳拆沉的下地壳提供了优化场所．推测弱化岩石圈地幔出现于135 Ma以后燕山地区发育的小型拉伸盆地之下,以及对应的小型软流圈底辟体之上．上述模型可以与俯冲带的楔形地幔与俯冲洋壳的相互作用相对比．     

地幔置换作用:华北两类橄榄岩及其透辉石微量元素对比证据

在华北地块东部，河南鹤壁新生代玄武岩中的耐熔橄榄岩捕虏体被认为是克拉通地幔的残留；山东山旺饱满橄榄岩捕虏体被认为是新生代玄武岩所捕获的新生地幔物质，对它们全岩的常量、微量元素，组成单矿物的常量元素和透辉石微量元素进行了对比．结果显示代表古老岩石圈的鹤壁克拉通型地幔和代表新生岩石圈的山旺“大洋型”地幔分别相当于原始地幔经历15％一25％和1％一5％熔融的产物．它们在熔融之后又都遭受了硅酸盐质碳酸岩熔体的交代改造作用，但前者明显强于后者．古老岩石圈橄榄岩的固相线温度受地幔熔／流体的长期交代而降低．由于早中生代时华北地块受扬子地块碰撞的地幔热扰动和软流圈上涌影响，促使橄榄岩熔融．所融出的基性岩浆主要垫托在地壳底部，形成壳-幔过渡带并实现大规模的壳-幔物质和热交换．第三纪以后的热沉降使抬升的软流圈物质冷却垫托在岩石圈底部构成新增生的岩石圈．因此，发生于东部的中、新生代(相对于古生代)岩石圈减薄不是软流圈抬升所引起的简单岩石圈厚度变小，而是伴随着新生地幔物质对古老地幔的置换过程．     

信阳基性麻粒捕虏体及其华北南缘早中生代下地壳性质

报道了信阳早中生代火山角砾岩中高压基性麻粒岩捕虏体的岩相学、矿物化学、和岩石主元素、微量元素、Nd同位素组成及计算的温压条件和岩石物性结果。这些基性麻粒岩主体为具细粒变晶结构的石榴石 单斜辉石 斜长石 角闪石±碱性长石±石英±钛铁矿组合,其中可见残斑单斜辉石±石榴石组合。它们的全岩化学成分相当于橄榄拉斑-石英拉斑玄武岩,具LREE平坦到富集的稀土配分形式(LaN/YbN=0.98-9.47),且Eu异常不明显(Eu/Eu=0.95-1.11)由细粒变晶矿物组合所计算的温压条件是765-890℃和1.25-1.59GPa(相当于存在深达52km的厚地壳)。麻粒岩的计算波速(Vp)和密度(D)分别为7.04-7.56km/s和3.05-3.30g/cm3。全岩143Nd/144Nd测试值为0.512267-0.512700,εNd(T)为-5.72至 1.01,Nd模式年龄(TDM)为1.8-1.9Ga。由这些高压基性麻粒岩所反映的华北南缘早中生代下地壳,其初始物质可能形成于早元古代的基性岩浆底侵作用,并受扬子板块俯冲碰撞作用的影响。它们在晚第三纪玄武岩喷发前大部分发生了拆沉作用。     

华北东部大陆地幔橄榄岩组成、年龄与岩石圈减薄

对比分析了华北东部地块陆下岩石圈地幔橄榄石Mg#值和单斜辉石的REE配分形式。报道了汉诺坝和鹤壁橄榄岩中不同产状硫化物的激光MC-ICPMS原位Re-Os年龄和信阳橄榄岩中锆石的U-Pb年龄和信阳橄榄岩锆石的U-Pb年龄。在这些资料基础上,进一步讨论了华北东部岩石圈中、新生代时的减薄机制。原位分析在揭示岩石圈深部过程的细节上,有比全岩分析更大的优越性,并揭示出了在华北深部有中元古代(14亿年)和新元古代(7～8亿年)热活动的记录。岩石圈拆沉作用不能很好地解释古老难熔地幔、过渡型地幔和新生饱满地幔并存的事实;同时,单纯的熔体-橄榄岩相互作用也难以解释中、新生代岩石圈的减薄过程和新生地幔单斜辉石中出现强烈LREE亏损现象,即历史复杂的克拉通岩石圈向历史明显简单的“大洋型”地幔的转换。因此,华北东部岩石圈减薄包括地幔伸展、熔-岩作用、侵蚀置换等复杂过程。这些过程可能包括:(1)早中生代时,扬子地块向北俯冲碰撞所引起华北岩石圈的熔/流体交代富集作用、地幔伸展和受扰动软流圈物质上涌并侵蚀被改造了的岩石圈;(2)晚中生代—古近纪,因太平洋俯冲的热扰动致使软流圈物质进一步的强烈侵蚀作用引起岩石圈的巨大减薄;(3)晚第三纪以来的软流圈热沉降作用所带来的小幅度岩石圈增厚过程。岩石圈先大幅减薄、后小幅增厚实现了最终的地幔置换和岩石圈整体的减薄过程。喷发时代为100Ma的阜新玄武岩所捕获的橄榄岩主体是饱满的,说明华北东部部分地区在此之前曾有过地幔置换作用。     

冀东-辽西玄武岩二长岩包体锆石U-Pb定年、Hf同位素和微量元素示踪燕辽地区169Ma和107Ma的热事件

报道了辽西阜新中生代(92~100 Ma)和冀东平泉第三纪(23~45 Ma)碱性玄武岩K-Ar年龄及其中二长岩包体的锆石原位U-Pb定年、Hf同位素和微量元素微区分析结果, 并对发生于燕辽陆内造山带的壳-幔相互作用进行了讨论. 阜新玄武岩中二长岩包体的锆石有非常一致的中侏罗世U-Pb年龄((169±3) Ma). 平泉玄武岩二长岩包体中除个别锆石具2491 Ma和513 Ma的老年龄外, 95%以上的锆石具(107±10)Ma的U-Pb年龄. 年龄为169 Ma的锆石接近于零的eHf 值(-1.2~ -4.6); 而年龄为107 Ma的锆石的eHf值主要为-11.5~ -16.3, 具明显的壳源性质. 阜新锆石具低的Nb, Ta, Sr, Th, U丰度, 低且狭窄的Hf模式年龄(0.87 ~ 1.00 Ga), 反映其二长岩岩浆源区物质的形成时代较新; 平泉锆石所具有的高不相容微量元素丰度, 高且宽的Hf模式年龄(0.89 ~ 2.56 Ga), 集中在(1.28±0.08)Ga, 则反映复杂的源区组成和较高的地壳成熟程度. 综合资料表明, J₃ ~ K₁是燕辽地区深部过程及壳层构造转折的关键时期, 但深部的作用过程存在明显的时空不均一性.     

大陆科学钻探先导孔(CCSD-PP1)橄榄岩地幔属性及动力学意义

早中生代的扬子大陆向华北大陆的深俯冲碰撞作用以及中、新生代的华北东部岩石圈减薄作用是国际大陆动力学问题研究的两个热点。然而,把它们有机联系起来,探讨深部岩石圈演化动力学过程的研究还很少。报道了中国大陆科学钻探先导孔(CCSD-PP1)橄榄岩的矿物岩石化学分析结果。这些橄榄岩亏损玄武质组分(如低w(CaO+Al2O3)、高Mg#等),并经历了中元古代来自软流圈的碳酸岩熔体的交代作用和早中生代的超高压再平衡过程。结合已发表的华北捕虏体橄榄岩资料,对这一橄榄岩的原始地幔属性进行了分析。发现CCSD-PP1橄榄岩与华北古老岩石圈地幔组成相似,是早中生代来自华北岩石圈的构造侵入体。早中生代华北岩石圈的伸展减薄与苏鲁超高压变质岩石的折返提供了早期软流圈物质上涌的构造体制。     

华北克拉通不均匀破坏和地幔置换作用与陆内山-盆耦合驱动

华北东部自中、新生代以来克拉通地幔发生了60～120 km的不均匀减薄并伴随强烈的构造运动(如燕山陆内造山过程)、大型矿床的富集、强烈的火山活动和克拉通盆地的形成.可见中生代的壳-幔相互作用在东部岩石圈演化中占据重要位置,然而引起如此强烈的壳-幔相互作用的深层原因是什么,一直困绕着固体地球科学家们.     

华北东部新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的流体及稀有气体组成研究

应用热爆裂质谱测量和高温熔融样品释气技术分别测定了山旺、栖霞和鹤壁新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体中的橄榄石颗粒的流体和稀有气体组成。结果表明,鹤壁方辉橄榄岩具低于大气的~3He/~4He 比值0.778Ra 和大气成因的 Ne、Ar、Kr、Xe 组成。三个地区饱满地幔样品均以还原性流体为主,CO_2/~3He、N_2/~3He、N_2/Ar 比值分别为(0.62～4144)×10~9、(2631～64482)×10~6、269～73467。这些还原型流体偏离典型的幔源流体组成而表现出明显的碳和氮元素过剩,具有大气-地幔-壳源组份混合的特点,反映了大气和富含有机质的壳源组份在新生岩石圈上地幔中的影响。同时,这些饱满地幔样品的 Ne、Ar、Kr、Xe 具有大气属性,反映了大气型稀有气体在上地幔源区的广泛混染。其中,山旺和栖霞的~3He/~4He 比值分别为(2.91～3.07)Ra、(1.79～4.01)Ra,均高于大气低于 MORB,具有交代富集地幔的特点,而鹤壁则具有类似 MORB 的~3He/~4He 比值(7.03～7.05)Ra。这样的流体和稀有气体组成差别显示华北东部新生岩石圈地幔具亏损 MORB 型的特点并含壳源组份, 且其东缘所含壳源组份比例高于中部,说明华北东部新生岩石圈地幔中有俯冲洋壳组份的记录。     

不连续生长的金刚石与克拉通地块内部增生过程中的地幔流体作用

产于克拉通地块及其边缘褶皱带金伯利岩和钾镁煌斑岩中的原生金刚石 ,其主体上属地幔捕虏晶并具复杂的生长历史。从克拉通岩石圈存在复杂多发的壳幔相互作用和多层次的流体活动事件的角度 ,结合金刚石的精细内部结构所反映的不连续生长及微区原位傅立叶变换红外光谱研究成果 ,认为具复杂生长环带的金刚石是克拉通地块内部增生过程中的地幔流体对已形成金刚石间的相互作用的产物。这一认识有助于增进金刚石微观结构与地块内部改造事件有机联系的研究。地幔交代作用的介质成分主要为SiO2 不饱和的碳酸岩熔体或富含不相容微量元素的CHON流体。多种年龄数据所给出的 1 1～ 1 2Ga结果 ,可能反映华北地块东部的岩石圈深部存在一次明显的地幔增生改造过程。     

汉诺坝橄榄岩捕虏体的单斜辉石LAM-ICPMS分析及其岩石圈地幔演化意义

橄榄岩成分及其中矿物(如单斜辉石)微量元素组成可以很好地揭示岩石圈地幔性质．在对汉诺坝新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体做详细岩相学和岩石化学研究基础上,重点分析了单斜辉石的激光原位微量元素,并探讨了新生代华北克拉通北缘岩石圈地幔特征及地幔演化．汉诺坝地区岩石圈地幔是相当于原始地幔经过不同程度的部分熔融抽取形成的,除个别样品的部分熔融程度为15％-20％外,多数样品<5％．全岩主元素、单斜辉石成分体现出新生代汉诺坝地区的岩石圈地幔是很不均一的:在主体饱满型中有亏损型地幔的残留．这种共存现象可能是软流圈物质对古老地幔进行侵蚀、混合和改造置换的结果．单斜辉石微量元素组成所体现的碳酸岩岩浆交代作用和硅酸盐熔／流体的交代作用也支持这一认识．