造山带橄榄岩起源和大陆俯冲带壳幔相互作用

俯冲地壳衍生流体交代地幔楔,是产生俯冲带岩浆作用的重要机制.但是,目前人们对俯冲大陆物质改造地幔楔的岩石学过程和机理仍缺乏深入认识,造山带橄榄岩是解析这一问题的直接样品.通过对大别-苏鲁造山带橄榄岩进行系统的矿物学、岩石学和地球化学研究,发现橄榄石Ni/Co比值可有效区分幔源和壳源造山带橄榄岩,揭示幔源造山带橄榄岩起源于华北岩石圈地幔.苏鲁李家屯纯橄岩在进入俯冲带之前就已在地幔内部经历了碳酸盐熔体交代.大别毛屋和苏鲁蒋庄橄榄岩及其交代脉体记录了约170~200 km深度的俯冲带壳幔相互作用过程.深俯冲陆壳释放的富Si-Al质熔体可不同程度地改造地幔楔底部,形成富石榴石和富辉石的交代岩,并引发强烈的Os同位素分馏效应.该过程不仅改变地幔楔岩性和化学组成,还能够改变交代介质成分,为俯冲带各类深部地幔岩浆提供源区物质.因此,大陆深俯冲是导致上地幔不均一的重要途径.      

大陆俯冲隧道板片-地幔楔界面反向流体交代作用:西阿尔卑斯造山带超高压变质白片岩的地球化学证据

前人对深俯冲板片释放熔/流体交代地幔楔形成弧岩浆源区的过程和机制已得到充分认识,然而对地幔楔岩石能否脱水交代深俯冲地壳并不清楚.在对欧洲西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体白片岩的地球化学研究中,首次发现地幔楔交代岩能够脱水反向交代深俯冲地壳岩石,从而极大影响俯冲地壳的地球化学组成.结合白片岩和围岩的全岩地球化学特征以及锆石学结果,查明了白片岩的原岩为S型花岗岩,澄清了关于Dora-Maira白片岩原岩属性的长期争议.在此基础上,发现白片岩中变质锆石相对残留岩浆锆石δ18O值显著降低,指示原岩形成后受到低δ18O变质流体的交代作用.白片岩具有高温岩石中最高的δ26Mg值达0.75‰,显著高于围岩变花岗岩,指示交代流体具有重Mg同位素组成.基于地球主要岩石储库的Mg同位素组成,推测交代流体来自俯冲隧道中富滑石地幔楔蛇纹岩在弧下深度的脱水分解,而这些地幔楔蛇纹岩是新特提斯洋壳在弧前深度变质脱水产生的流体与地幔楔浅部橄榄岩反应形成.这些结果不仅提供了利用Mg-O同位素示踪俯冲隧道中流体来源的新思路,也提供了地幔楔蛇纹岩来源流体反向交代深俯冲地壳岩石的首个典型实例.这种反向交代不仅极大改变了深俯冲地壳的地球化学组成,而且对弧岩浆岩重Mg同位素成因具有重要意义.      

俯冲带壳-幔相互作用的高温高压实验:对地幔不均一性成因的启示

使用活塞-圆筒式高温高压装置进行一系列榴辉岩部分熔融熔体与橄榄岩反应实验,可以为深入了解俯冲带壳-幔相互作用的影响因素及地幔不均一性的成因提供重要信息.实验使用反应偶的方法,并在0.8~3.0 GPa和1 200~1 425℃条件下进行.实验结果表明,榴辉岩部分熔融熔体-橄榄岩反应的动力学和结果受控于熔体主量元素成分、熔体中的H₂O、温度、压力和橄榄岩的物理状态等因素.大陆俯冲带地幔岩石中斜方辉石的富集是再循环陆壳熔体与上覆地幔反应的结果,地幔岩石中斜方辉石岩脉的形成与含水熔体交代有关,地幔岩石中的石榴辉石岩和石榴石岩可能形成于高压、低温条件下的熔体-橄榄岩反应.      

造山带橄榄岩记录的大陆俯冲带多期壳幔相互作用

俯冲带是地壳与地幔之间物质交换的主要场所.前人对大洋俯冲带壳幔相互作用进行了大量研究,但是对俯冲带壳幔相互作用的物理化学过程和机理仍缺乏明确认识.在大陆俯冲带出露有造山带橄榄岩,它们来自俯冲板片之上的地幔楔,是解决这个问题的理想样品.通过对大别-苏鲁和柴北缘造山带橄榄岩进行系统的岩石学和地球化学研究,发现地幔楔橄榄岩由于俯冲地壳的交代作用而含有新生锆石和残留锆石,它们能为地壳交代作用时间、交代介质来源、性质和组成提供制约.地幔楔橄榄岩在大陆碰撞过程的不同阶段受到了俯冲大陆地壳衍生的多期不同性质流体的交代作用.地幔楔橄榄岩还受到了陆壳俯冲之前古俯冲洋壳衍生流体的交代作用.深俯冲陆壳衍生熔体与橄榄岩反应形成的石榴辉石岩具有高的水含量,能提供高水含量的地幔源区.      

罗迪尼亚超大陆聚合在华南陆块北缘的镁铁质岩浆岩记录

超大陆的聚合必然伴随着从大洋俯冲、弧陆碰撞到陆陆碰撞等一系列板块汇聚和造山过程,这些不同阶段的俯冲和汇聚过程会产生不同特征的岩浆岩记录.华南陆块是新元古代罗迪尼亚超大陆的重要组成部分,在这个超大陆聚合过程中有格林维尔期洋壳俯冲及其伴随的壳幔相互作用.总结了华南陆块北缘记录的罗迪尼亚超大陆聚合不同阶段发生的岩浆活动,比较了其产物的地球化学特征,探讨了它们对应的构造环境.华南陆块北缘900~950 Ma的岩浆活动产物以镁铁质岩浆岩为主,伴随有少量斜长花岗岩,为洋壳俯冲作用的产物.当洋壳俯冲到大陆边缘之下形成安第斯型俯冲带,古老陆源沉积物也被携带进入俯冲带,由此部分熔融产生的含水熔体交代上覆地幔楔形成极度富集的造山带岩石圈地幔,其在新元古代中期发生部分熔融形成具有极负锆石ε_Hf（t）值的镁铁质岩浆岩.因此,在罗迪尼亚超大陆聚合过程中地幔楔被交代形成镁铁质-超镁铁质交代岩,其中一部分在俯冲阶段就发生部分熔融形成大洋弧或大陆弧镁铁质岩浆岩,另一部分在俯冲之后由于大陆裂断引起造山带岩石圈拉张使其与上覆地壳一起部分熔融形成双峰式岩浆岩.      

大陆俯冲带超高压变质岩部分熔融与壳幔相互作用研究进展

自20世纪80年代在大陆地壳岩石中发现柯石英和金刚石等超高压变质矿物以来,大陆深俯冲和超高压变质作用就成为了固体地球科学研究的前沿和热点领域之一.经过三十余年的研究,已经在大陆地壳的俯冲深度、深俯冲岩石变质P-T-t轨迹、俯冲地壳岩石的折返机制、深俯冲岩石的原岩性质、大陆碰撞过程中的熔/流体活动与元素活动性、俯冲隧道内...     

大陆碰撞造山带镁铁质岩浆岩记录俯冲古洋壳物质再循环

在大陆碰撞造山带中寻找消失的古洋壳再循环及其壳幔相互作用的证据,对理解从洋壳俯冲到陆壳俯冲化学地球动力学过程的转变,以及板块构造理论的发展具有重要意义.通过对桐柏-红安造山带晚古生代和晚中生代镁铁质岩浆岩的岩石地球化学特征进行总结,可以识别出俯冲古洋壳再循环的岩石学和地球化学记录.晚古生代岛弧型镁铁质岩石具有弧型微量元素特征和相对亏损的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧下深度（80~160 km）的流体交代作用;而晚中生代洋岛型镁铁质岩石OIB型微量元素特征和亏损-弱富集的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧后深度（>200 km）的熔体交代作用.这一定性的解释也进一步得到了定量计算的证实,其结果表明镁铁质岩浆岩中的不相容元素的含量以及放射性成因同位素的富集程度,主要受控于地幔源区中所加入的地壳组分的性质和比例.因此,碰撞造山带中的岛弧型和洋岛型镁铁质岩浆岩,分别记录了弧下和弧后深度的俯冲古洋壳物质再循环.      

中国东部新生代玄武岩记录古太平洋俯冲带壳幔相互作用

大陆玄武岩通常具有与洋岛玄武岩相似的地球化学成分,其中含有显著的壳源组分.对于洋岛玄武岩来说,虽然其中的壳源组分归咎于深俯冲大洋板片的再循环,但是对板片俯冲过程中的壳幔相互作用缺乏研究.对于大陆玄武岩来说,由于其形成与特定大洋板片在大陆边缘之下的俯冲有关,可以用来确定古大洋板片俯冲的地壳物质再循环.本文总结了我们对中国东部新生代玄武岩所进行的一系列地球化学研究,结果记录了古太平洋板片俯冲析出流体对地幔楔的化学交代作用.这些大陆玄武岩普遍具有与洋岛玄武岩类似的地球化学成分,在微量元素组成上表现为富集LILE和LREE、亏损HREE,但是不亏损HFSE的分布特点,在放射成因同位素组成上表现为亏损至弱富集的Sr-Nd同位素组成.在排除地壳混染效应之后,这些玄武岩的地球化学特征可以由其地幔源区中壳源组分的性质来解释.俯冲大洋地壳部分熔融产生的熔体提供了地幔源区中的壳源组分,其中包括洋壳镁铁质火成岩、海底沉积物和大陆下地壳三种组分.华北和华南新生代大陆玄武岩在Pb同位素组成上存在显著差异,反映它们地幔源区中的壳源组分有所区别.中国东部新生代玄武岩的地幔源区是古太平洋板片于中生代俯冲至亚欧大陆东部之下时,在>200 km的俯冲带深度发生壳幔相互作用的产物.在新生代期间,随着俯冲太平洋板片的回卷引起的中国东部大陆岩石圈拉张和软流圈地幔上涌,那些交代成因的地幔源区发生部分熔融,形成了现今所见的新生代玄武岩.      

利用石榴橄榄岩重建大陆俯冲带的古动力学环境及其演化过程

本文提出一种对于造山带石榴橄榄岩的简单概念分类模型。该模型将造山带石榴橄榄岩划分为地幔楔型和俯冲带型两种类型,根据所记录温压条件及P-T轨迹的差异,地幔楔型石榴橄榄岩进而被划分为A-D四个亚类,分别对应不同厚度的克拉通型岩石圈地幔及普通大陆岩石圈地幔环境中冷的/古老的/稳定的地幔环境及与之对应的相对热的/年轻的/活动地幔环境。我们选择研究程度较高的斯堪的纳维亚加里东期造山带及我国柴北缘造山带中出露的石榴橄榄岩来检验该模型的适用性。出露于挪威西片麻岩地区的Mg-Cr型及Fe-Ti型石榴橄榄岩分别属于地幔楔型的A亚类(来自于古老的/冷的/厚的/亏损的克拉通岩石圈地幔)及壳源俯冲带石榴橄榄岩,而来自Seve,Troms和Linds地体的石榴橄榄岩则属于地幔楔型的C亚类(来自于古老的/冷的/薄的/亏损的大陆岩石圈地幔)后经历俯冲过程变为俯冲带石榴橄榄岩。对我国柴北缘超高压带绿梁山石榴橄榄岩的检验结果相对复杂。前人的研究表明绿梁山石榴橄榄岩存在三种不同的成因方式,对应分类模型中的:1)D亚类橄榄岩(阿拉斯加型岩浆岩堆晶体);2)壳源俯冲带型石榴橄榄岩;3)A亚类来自克拉通岩石圈地幔的太古代石榴橄榄岩。检验结果表明,该分类模型能较好的解释斯堪的纳维亚加里东期造山带中的石榴橄榄岩的出露规律,岩石学及矿物学特征及不同期次矿物之间的年代学关系,但对于我国绿梁山石榴橄榄岩的成因分类仍需进一步研究。假设该分类模型能适用于大多研究程度较高的造山带石榴橄榄岩,起到决定性作用的两个分类参数为地幔楔形成初期的平均温度(T)及造山带岩石圈地幔的厚度(P)。熔融作用发生的时间及深度同样是区分不同类型石榴橄榄岩的重要因素。     

云开地块晚二叠世富Fe-Ti-P超镁铁质岩的年代学、地球化学与岩石成因

为了更好地理解华南板块南缘二叠纪与三叠纪之交复杂的构造格局,通过岩石学、地球化学和年代学的方法,对粤西云开地区新发现的3处晚二叠世超镁铁质侵入岩进行了研究.这些岩石位于云开地块东缘的阳春三甲和地块中部的高州大井、东岸等地,呈小岩株、岩脉产出于云开岩群的片岩、变粒岩中.它们的主要岩性为辉石岩、角闪石岩、角闪岩和斜长角闪岩...     

The Evolution of Alpine Ultramafic Rocks and Partial Melting of the Upper Mantle

Ultramafic rocks of Tibet and Xinjiang are the products of partial melting of the upper mantle. The evolution of their mineral composition is marked by two parallel evolutionary series: one is the progressive increase of the 100 Mg/(Mg+Fe~(2+) ratio of silicate minerals in order of lherzolite→harzburgite→dunite, i.e. the increase in magnesium; the other is the increase of the 100 Cr/(Cr+Al) ratio of accessory chrome spinel in the same order, i. e. the increase in Chromium. The above-mentioned evolutionary trends are contrary to that of magmatic differentiation. The evolution of fabrics of ultramafic rocks is characterized by progressive variation in order of protogranular texture→melted residual texture, symplectic texture and clastophyritic texture→equigranular mosaic texture and tabular mosaic texture. Experiments of partial melting of lherzolite have convincingly shown that the evolution of Alpine ultramafic rocks resulted from the partial melting of pyrolite. Various subtypes of them represent different degrees of partial melting. The vertical zoning marked by more basic rocks in the upper part and more acid rocks in the lower actually belongs to the fusion zoning of pyrolite.     

The Evolution of Alpine Ultramafic Rocks and Partial Melting of the Upper Mantle1

Abstract Ultramafic rocks of Tibet and Xinjiang are the products of partial melting of the upper mantle. The evolution of their mineral composition is marked by two parallel evolutionary series: one is the progressive increase of the 100 Mg / (Mg+Fe²⁺) ratio of silicate minerals in order of lherzolite?harzburgite?dunite, i.e. the increase in magnesium; the other is the increase of the 100 Cr/(Cr+Al) ratio of accessory chrome spinel in the same order, i.e. the increase in Chromium. The above- mentioned evolutionary trends are contrary to that of magmatic differentiation. The evolution of fabrics of ultramafic rocks is characterized by progressive variation in order of protogranular texture? melted residual texture, symplectic texture and clastophyritic texture? equigranular mosaic texture and tabular mosaic texture. Experiments of partial melting of lherzolite have convincingly shown that the evolution of Alpine ultramafic rocks resulted from the partial melting of pyrolite. Various subtypes of them represent different degrees of partial melting. The vertical zoning marked by more basic rocks in the upper part and more acid rocks in the lower actually belongs to the fusion zoning of pyrolite.     

桂北元宝山地区超镁铁岩的年代、源区及其地质意义

桂北元宝山地区超镁铁岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄为(841±22)Ma(2σ),与桂北三防-何家湾地区出露的镁铁-超镁铁侵入岩年龄(约825 Ma)接近,表明桂北地区出露的镁铁-超镁铁侵入岩具有基本一致的结晶年龄.超镁铁岩的岩石学和主量元素特征表明超镁铁岩是堆晶岩,其微量元素质量分数较低(＜NMORB),蛛网图上除了Nb、Ta、Zr、Hf亏损外,一般表现为平坦的分配曲线.超镁铁岩εNd(t)的变化范围为-1.0～6.5,表明超镁铁岩的母岩浆遭受了一定程度的地壳混染.元宝山地区超镁铁岩低的w(Th)/w(Nb)比值与原始地幔非常类似,而与大陆弧玄武岩浆的比值明显不同,推测元宝山地区超镁铁岩应形成于板内环境,而不是活动大陆边缘,其形成很可能与导致新元古代Rodinia超大陆裂解的发生于约825 Ma的华南地幔柱有关.     

中祁连党河南山碱性系列岩浆岩埃达克岩成因及其对俯冲带壳幔相互作用的启示

碱性系列岩浆岩和埃达克岩是通常产生于汇聚板块边缘的特殊岩石类型,记录了俯冲物质与地幔橄榄岩相互作用的过程。笔者对中祁连南缘党河南山地区贾公台杂岩体和鸡叫沟岩体进行了岩石学、地球化学和锆石U-Pb年代学研究。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年表明,鸡叫沟岩体中的二长闪长岩形成于（467±4.7）Ma,贾公台岩体花岗闪长岩形成于（445±4.3）Ma。地球化学分析结果表明,鸡叫沟杂岩体中角闪辉石岩、辉长岩和二长闪长岩整体上具有富K、富Na的特征,均属于碱性系列岩浆岩,具有钾玄岩特征;岩体中不同岩石类型具有相似的微量元素配分型式,富集Sr、Nb、LILE和LREE等,岩浆源区存在金红石残留,其形成过程与弧地幔楔底部富碱的俯冲沉积物和地幔橄榄岩混合、熔融有关。贾公台花岗闪长岩属于中钾钙碱性系列,Na2O/K2O值大于2.5,样品具有高Sr（>400×10-6）、低Y（<7×10-6）的特征,高Sr/Y值（>70）和La/Yb值（>22）具有高硅埃达克岩特征,与俯冲洋壳的榴辉岩相部分熔融有关,源区存在石榴子石残留特征。党河南山碱性岩浆岩-埃达克岩组合指示了俯冲物质深部熔融的特点（大于50~100 km）,揭示了该地区强烈的壳幔相互作用过程,表明俯冲沉积物和俯冲洋壳可以为弧岩浆侵入体形成提供直接的物质来源,进一步说明俯冲物质和地幔橄榄岩相互作用可能是岛弧地壳生长的方式之一。     

Sm-Nd Isotope Tracer Study of UHP Metamorphic Rocks: Implications for Continental Subduction and Collisional Tectonics

Sm-Nd isotope tracer techniques are powerful tools in identification of the protolith nature of UHP and HP rocks and can be used to constrain modeling of tectonic processes of continental collision. UHP rocks may have diverse origins, and not all of them carry the same significance for subduction of continental blocks. In this paper, Sm-Nd isotopic data are compiled for UHP and HP rocks, mostly represented by eclogites and garnet peridotites, from the Alpine, Hercynian (Variscan), and Caledonian belts of western Europe; the Pan-African belts of northern Africa; and the Ross belt of Antarctica. These data then are compared with the isotopic characteristics of the UHP rocks from the Dabie orogen of central China. Except for the coesite-bearing quartzitic metasediments of Dora-Maira (Western Alps), which are clearly of continental origin, all HP and UHP rocks (eclogites and ultramafic rocks) from the Alpine, Hercynian, and Pan-African belts have oceanic affinities with the characteristic positive ε_Nd(T) values (= metamorphic initial ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd ratios). They represent segments of oceanic lithosphere that were subducted, underwent eclogite-facies metamorphism, and later were tectonically transported into orogenic zones during continental collisions. By contrast, the majority of UHP rocks from the European Caledonide and the Dabie orogen have negative ε_ND(T) values, indicating continental affinity. This suggests that these mafic and ultramafic rocks have had a long crustal residence time and that their UHP metamorphism is indicative of subduction of ancient and cold continental blocks, as represented by some Precambrian gneiss terranes containing mafic components including greenschists, amphibolites, or basic granulites.

In the Dabie orogen, none of the UHP eclogites analyzed thus far have shown oceanic affinity; thus they do not represent subducted Tethys Ocean crust. The preservation of ultrahigh ε_ND(0) values (+170 to +260) in eclogites of very low Nd concentrations (average 0.5 ppm) from the Weihai region and of the extraordinarily low δ¹⁸O in many eclogites and gneisses, the general absence of syntectonic granites in the Dabie Shan, and the available age data obtained by different techniques all point to a rapid rate of exhumation and the absence of a pervasive aqueous fluid phase during the entire process of subduction and exhumation of the Dabie UHP terrane.