中国东部岩石圈地幔的富化和置换过程

中国东部大陆主要由华北和华南两个古老地块在早中生代沿秦岭-大别-苏鲁造山带拼合形成,在显生宙特别是晚中生代时,东部大陆特别是华北东部发生显著活化,表现为浅部强烈的构造变形、盆地形成、岩浆活动、巨量成矿和深部岩石圈地幔的改造、减薄和增生作用,从而明显区别于全球其他稳定的克拉通地区。本文梳理了中国东部大陆演化历史和岩石圈地幔特征,认为华北和华南地块均由古老陆块拼合而成,块体初始规模小且内部发育薄弱带;显生宙以来华北、华南甚至整个中国东部都受到周边多个构造域的夹持影响,板片俯冲引起的软流圈上涌和熔流体活动沿大陆内部薄弱带和边缘有效侵蚀、改造上覆大陆岩石圈,使之发生减薄、再富集和置换作用,这种被改造的岩石圈地幔具有饱满的组成(富含玄武质组分)、较高的密度和较低的刚性程度,容易发生构造变形和部分熔融,使原本稳定的克拉通发生活化。因此,块体规模和内部薄弱带(内因)及周边构造环境(外因)是大陆稳定性的重要控制因素,中国东部大陆显生宙活化是这些因素协同作用的结果。     

华北东部橄榄岩岩石化学特征及其岩石圈地幔演化意义

华北东部古生代以来火山岩中捕虏体橄榄岩和苏鲁早中生代构造侵位橄榄岩的岩石化学结果表明: 古生代金伯利岩侵位时仍然存在的难熔、漂浮克拉通地幔在中、新生代时其大部被新生饱满的岩石圈地幔物质取代置换.在100 Ma前(但不早于178 Ma), 新生软流圈物质就已开始沿古老岩石圈内的地幔薄弱带和岩石圈深断裂带对克拉通地幔进行侵蚀、交代和混合作用, 引起岩石圈大幅减薄.这一减薄存在时间、空间的不均匀性, 但在老第三纪达最大.新第三纪以来, 上涌的软流圈物质由于温度下降回落(岩石圈小幅增厚)并转化为新生岩石圈地幔, 实现地幔置换过程.分析的苏鲁造山带橄榄岩是早中生代构造侵位改造过的古老岩石圈地幔物质.      

华北东部橄榄岩与岩石圈减薄中的地幔伸展和侵蚀置换作用

对比分析了华北不同时代捕虏体橄榄岩及其南部超高压地质体橄榄岩的矿物化学。具古老难熔岩石圈地幔特征的橄榄岩是古生代金伯利岩捕虏体和早中生代苏鲁变质带地质体的主要岩石类型。具这一性质的橄榄岩也构成了河南鹤壁上新世玄武岩捕虏体的主体部分,并可以在辽宁阜新晚中生代玄武岩中被发现。具饱满岩石圈地幔性质的橄榄岩则是阜新晚中生代火山岩、特别是郯庐断裂带(山旺)及其附近地区(栖霞)中新世玄武岩捕虏体的主要类型。从华北东部已有的捕虏体橄榄岩及地质体橄榄岩所表现出的新生饱满与古老难熔地幔的时、空分布特点,即有些地区捕虏体橄榄岩表现出不同性质地幔共存现象(如阜新、鹤壁)或橄榄石Mg#呈渐变关系看:克拉通岩石圈地幔因扬子板块俯冲所引起的早期(如早中生代)地幔伸展、和晚中生代—渐新世因太平洋俯冲所引起的热扰动的软流圈物质上涌对古老地幔产生强烈的侵蚀作用(引起岩石圈的巨大减薄);中新世以来的软流圈热沉降作用出现新生岩石圈地幔并表现为岩石圈的小幅增厚,从而实现地幔置换过程和华北东部岩石圈的整体减薄过程。岩石圈幔内薄弱带及岩石圈深断裂(如郯庐断裂带)起了软流圈物质侵蚀古老岩石圈地幔的通道作用并导引着深部物质运移和不规则减薄作用等。个别地区(如阜新)强烈的软流圈上涌于晚中生代就已经开始,显示地幔置换作用的强烈不均一性。     

再论岩石圈地幔蘑菇云构造及其深部成因

根据地球物理资料的分析得到,除了东北吉辽地区太平洋板块向大陆俯冲外,当今中国东部其他地区大陆下都没有俯冲太平洋板块的证据。中生代以来中国东部发生的岩石圈巨变不是太平洋板块向中国大陆的俯冲所造成,而是由于软流圈物质上涌形成蘑菇云构造对岩石圈地幔的改造而引发的重大地质事件。软流圈物质的上涌使岩石圈地幔成为新生地幔与残剩地幔并存的结构,岩石圈被激活,稳定的克拉通地壳褶皱变形,地壳减薄,地震频发,岩浆活动活跃,地面沉降,并形成广袤的西太平洋边缘海。但是岩石圈厚度并未减薄,只是由于岩石圈地幔形成了蘑菇云结构使它的速度降低,与周遍地区的岩石圈结构产生明显差别。蘑菇云地幔发育的地区覆盖整个东南亚西太平洋地区。包括中国东北的中东部、华北的东部、华南的东南缘、马来半岛、印尼、菲律宾、日本海、黄海、东海、南海,加罗林盆地和菲律宾海盆。与这个东南亚西太平洋低速岩石圈地幔相对应,还存在一个巨大的大地椭球面正异常,它应是核幔边界的质量过剩所引起。它与印度洋—西藏地区核幔边界质量亏损引起的负大地椭球面异常孪生,并形成一个控制中国大陆构造的深层动力系统,这个动力系统产生的时代可能为中生代或晚古生代。它们之间的地幔环流造成了东南亚西太平洋岩石圈巨变,并驱动印度板块的北移和青藏高原的隆升。     

中国东部显生宙地幔演化的主要样式 :“蘑菇云”模型

从地幔类型、地球物理资料、岩石学研究成果 3方面讨论了中国东部显生宙地幔演化的主要样式 ,认为古老岩石圈地幔物质以亏损玄武质组分的橄榄岩为主 ,岩石密度低 ,具上浮性质 ,是克拉通稳定的主要原因 ,不可能发生因重力诱发的拆沉作用。白垩纪晚期—新生代地幔成分为饱满的二辉橄榄岩 ,地温高 ,明显有别于古老地幔。该热地幔物质呈“蘑菇云”状上涌 ,蘑菇云之间仍有古老地幔的残留体 ,二者多数呈陡边界接触 ,这是东部地幔演化的主要样式。与此同时岩石圈伸展导致岩石圈减薄。中生代中国东部绝大部分地区地温很高、地壳厚度大 ,但许多问题尚待研究。古老岩石圈地幔中的低速、低阻物质为流体和低熔程度的熔体 ,它们呈脉状、透镜状 ;新生代地幔中的该物质为含熔体的软流圈物质 ,它们呈多个蘑菇云状 ;中生代地幔中的低速物质可能为大量的玄武质熔体 ,呈蘑菇云平流层状。中生代壳幔相互作用明显 ,克拉通稳定时期及新生代时期层圈之间相互作用的活跃带位于岩石圈与软流圈之间。     

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。     

中国岩石圈三维结构雏型

根据岩石圈的流变习性,可以将中国岩石圈分成3层,即:弹性上地壳、塑性下地壳和岩石圈地幔.它们的构造各不相同,并且各层间呈现复杂的关系.在新疆地区,上地壳推覆叠置形成以三山四盆为特点的盆山构造,驮伏在一系列东西走向的条带状背型构造与向型构造的下地壳之上.在强烈隆升中的西藏地区,它的周边是差异隆升,但它的腹部地区的弹性上地壳完整未遭破坏.这是因为它的腹部的下地壳和岩石圈地幔发生局部熔融,上地壳被局部熔融的下地壳和岩石圈地幔顶托,以液压的方式整体抬升.华北地区,则是软流圈上升破坏了岩石圈地幔,形成新生地幔与残留地幔并存的蘑菇云岩石圈地幔构造.并由于软流圈的上升,使地壳拉张减薄形成裂谷盆地.中国大陆下除了东北吉辽地区太平洋板块向大陆俯冲外,东部其他地区都没有发现太平洋板块俯冲的证据.中生代以来中国东部发生的岩石圈巨变不是太平洋板块向中国大陆的俯冲而造成的,而是软流圈物质上涌的结果.因此,中国大陆当今的构造动力,是西部由印度板块俯冲推挤和东部东亚-西太平洋软流圈上升构成的二元系统.这两个动力系统的分界是南北地震带.在南北地震带以西整体处在压缩环境中:南北地震带以东,则处在拉张环境中.正是由于应力场由压缩转变成拉张产生的剪应力造成了南北地震带.华北地区所以成为地震活动地区是因为它的岩石圈地幔已被强烈的改造成为蘑菇云构造.热流上升,弹性层急剧减薄,弹性极限下降所致.     

胶辽半岛金伯利岩中地幔捕虏体岩石学特征：古生代岩石圈地幔及其不均一性

华北东部古生代岩石圈地幔经历过复杂的多旋回多阶段熔融岩浆、重结晶、变质和剪切变形历史,因而岩石组成、结构复杂.地幔橄榄岩的主元素、地幔矿物特别是金刚石中的包裹体的Mg#值及Cr#值等显示古生代岩石圈地幔高度难熔亏损玄武质的成分特征,而地幔橄榄岩的不相容元素、同位素显示高度富集的特点.这种高难熔和强富集两重性是克拉通岩石圈地幔的特征.Pb同位素反映华北东部古生代岩石圈地幔具冈瓦纳大陆地幔的特点.复县和蒙阴古生代岩石圈地幔尽管都表现为太古代克拉通地幔的特征,但存在着不均一性,前者受克拉通化后的深部作用影响强于后者.与新生代地幔Sr、Nd同位素对比表明富集的古生代岩石圈地幔向亏损新生代的地幔转变和减薄伴有新生地幔物质对古老岩石圈的置换和混合作用.     

从地壳上地幔构造看大陆碰撞带岩石圈的克拉通化

本篇讨论超级大陆汇聚后逐渐变为克拉通或扩大克拉通的作用过程,即指经及大陆碰撞地体汇聚后新形成的大陆块逐渐转变为刚性克拉通的作用过程。增生大陆岩石圈的克拉通化的作用后果,包括大陆地壳密度的增加,岩石圈地幔的增厚和大地热流值的下降,使大陆岩石圈逐渐刚性强化。大陆碰撞后形成的大陆块必须经过克拉通化的过程,才能逐渐成为刚性克拉通。作用过程主要包括:①上地壳沉积碎屑岩石结晶岩化和中地壳岩石角闪岩化;②下地壳岩石基性化;③大陆碰撞带下凹莫霍面的磨平;④岩石圈地幔底侵加厚形成陆根。从大陆碰撞带转变为克拉通的过程也是岩石圈地幔不断增厚而地壳缓慢变硬变冷的过程。这个过程包含以下作用:区域变质作用,交代作用和岩石圈幔源岩浆的底侵。这个过程时间尺度比碰撞造山作用大一个级次。长期的底侵作用使地壳岩石密度和强度不断加大,改变岩层的矿物成分和局部结构。当大陆岩石圈克拉通化到一定程度之后,由于下方软流圈的热能供应逐渐减缓,使岩石圈地温梯度缓慢下降,最终结果会形成大陆根。由于显生宙大陆碰撞带岩石圈强度弱,大陆碰撞时更容易造成岩石圈变形,因此大陆碰撞的板内效应主要发生在大陆内的显生宙碰撞带。显生宙大陆碰撞带如果再次受到大陆碰撞板内效应的作用,其克拉通化的过程必然会推迟。     

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。     

玄武岩浆起源和演化的一些基本概念以及对中国东部中-新生代基性火山岩成因的新思路

以全球大地构造为背景讨论了玄武岩浆起源和演化的一些基本概念.这些概念的正确理解有助于合理解释各种环境中火成岩的形成机制,也有助于依据野外岩石组合来判别古构造环境.在此基础上结合已有资料和观察,对中国东部中生代岩石圈减薄及中-新生代基性火山岩成因提出了一些新解释.这些解释与地质观察相吻合,且符合基本的物理学原理.虽然中国东部基性火山活动可称为"板内"火山活动,但它实际上是板块构造的特殊产物.中国东部中生代岩石圈减薄是其下部被改造为软流层的缘故.这种改造是加水"软化"所致.水则源于中国东部地幔过渡带(410～660 km)内古太平洋(或其前身)俯冲板块脱水作用.其将岩石圈底部改造为软流层的过程,实际上就是岩石圈减薄的过程.因为软流层是地幔对流的重要部分,而大陆岩石圈则不直接参与地幔对流.中生代玄武岩具有εNd＜0的特征,说明其源于新近改造而成的软流层,亦即原古老岩石圈之底部.中国大陆北北东-南南西向的海拔梯度突变界线与东-西部重力异常,陆壳厚度变化,以及地幔地震波速变化梯度吻合.因此可将北北东-南南西向梯度线称为"东-西梯度界".该界东-西海拔高差(西部高原与东部丘陵平原),陆壳厚度差异(西部厚而东部薄)和100～150 km的深度范围地幔地震波速差异(西部快而东部慢),均受控于上地幔重力均衡原理.这表明西部高原岩石圈厚度＞150～200 km,而东部丘陵平原岩石圈厚度＜80km."遥远"的西太平洋俯冲带具有自然的地幔楔吸引作用.此吸引作用可引起中国东部"新生"软流层东流.软流层东流必将引起西部高原底部软流层的东向补给(流动).这一过程必然导致东移软流层的减压,即从西部的深源(岩石圈深度＞150～200 km处)到东部的浅源(岩石圈深度～80km处).东移软流层的减压分熔可合理解释具有软流圈地球化学特征(εNd＞0)的新生代中国东部基性火山活动及玄武岩的成因.这些对中国东部中-新生代地质过程的解释,将为更加细致的,以岩石学和地球化学为主的讨论所验证.     

华北东部中生代构造体制转折峰期的主要地质效应和形成动力学探讨

华北中生代构造体制转折始于 15 0～ 14 0Ma ,终于 110～ 10 0Ma ,峰期是 12 0～ 110Ma ,总体上是由挤压构造体制转化为伸展构造体制 ,由EW向转变为NNE向的盆岭构造格局。但是转折过程有复杂的细节和多次挤压与伸展的转变 ,边缘与克拉通内部、北缘与南 (东 )缘之间在时间和空间上也有一定的变化。南 (东 )缘的挤压构造以 2 30～ 2 10Ma为主 ,然后在 130～ 110Ma期间达到构造转折的剧变期。北缘则似乎表现出 2 30～ 2 10Ma和 180 ( 170 )～ 16 0 ( 15 0 )Ma两期挤压构造 ,130～ 110Ma是构造转折的峰期。盆地的演化有多样性 ,燕山地区前晚侏罗世时期呈现出北东东向褶皱逆冲带与挤压挠曲盆地带相邻并存的盆山结构 ;而后晚侏罗世时期呈现出北北东向裂谷盆地与断隆相间的盆岭结构 ;晚侏罗世后时期则呈现出北东—北北东向盆地与“活动”断隆相间 ,并受北东东向褶皱逆冲带控制的盆山结构。大别山南北隆升历史完全不同。深部结构的研究表明 ,华北东部的岩石圈在古生代末期已有减薄表现 ,在中生代急剧减薄 ,地幔和下地壳发生大规模置换 ,至 130～ 110Ma到达顶峰。新生代以来又有加厚的趋势。中生代构造转折不具典型造山带特征 ,可能与周围块体夹击引发的区域性大规模地幔隆起有关     

华北克拉通破坏的物理、化学过程:地幔橄榄岩证据

本文对比了华北东部不同时代、不同位置捕虏体/地质体橄榄岩的地幔属性,讨论了华北克拉通破坏的物理、化学过程。结果表明,拆沉作用不能很好地解释古老难熔、过渡型和新生饱满地幔并存的事实;单纯的熔体-橄榄岩相互作用也不易解释中、新生代岩石圈巨大减薄和新生饱满地幔Cpx中LREE亏损现象,即具复杂演化历史的克拉通地幔向演化历史简单的"大洋型"岩石圈的转换。华北东部克拉通破坏作用包括地幔伸展、熔-岩作用、侵蚀置换等复杂的物理、化学过程。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减薄过程。喷发时代为100 Ma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有过地幔置换作用。     

华北克拉通上地幔变形及其动力学意义

华北克拉通从稳定到破坏的演化过程对有关地球动力学的经典理论提出了挑战,研究其独特的演化历史是固体地球科学研究的一项重要内容。上地幔矿物晶体的各向异性记录了上地幔发生构造变形的信息,研究上地幔地震波各向异性能够揭示现今和构造历史时期所发生的构造运动。本文总结了近年来作者在华北克拉通地区所进行的高密度、覆盖广泛的地震波横波分裂观测研究结果。横波分裂的快轴方向与绝对板块运动方向的不一致,以及横波分裂参数快速的空间变化特征表明了华北克拉通的SKS横波分裂主要反映上地幔的变形。观测结果表明：鄂尔多斯块体保留了克拉通较弱的各向异性特征,其西端体现了元古代克拉通拼合的变形特征; 中新生代华北克拉通破坏事件以不同的机制主导了华北克拉通中部和东部的上地幔变形,在东部地区北西-南东向的拉张应力作用使得快轴方向平行于拉张方向,而在中部则因受到较厚岩石圈的阻挡使得地幔流动改变了方向,因此造成了北东和北北东向的岩石圈拉张。     

中国大陆现今构造作用的地块运动和连续变形耦合模型

板块构造基本理论（特别是其刚性块体假设）能否应用于大陆，是大陆动力学研究所面临的主要问题之一，不同的理论模型给出不同的回答。缺乏完整、可靠的构造变形运动学图像使得无法对不同的理论模型给予约束和检验，以至于无法回答上述基本问题。本文以中国大陆及其周边近年来的1350个GPS观测资料为主，结合活动断裂和地震活动性资料，研究中国大陆现今构造变形的运动学特征。中国大陆的现今构造变形既有刚性地块的运动，如塔里木、鄂尔多斯、华南等地块；又有非刚性的连续变形，如青藏高原和天山。在大陆构造变形过程中，由于岩石圈性质的不同而造成变形的分区差异和上部脆性地壳的分块运动，不仅有整体性好的刚性地块运动，也有刚性很差的连续变形。以粘塑性流变为特征的下地壳和上地幔在周边板块作用下发生连续流动，从底部驱动着上覆脆性地块的运动，而不同活动地块本身的性质决定着地块的整体性和变形方式，中国大陆的现今构造变形可以用耦合的地块运动和连续变形模式来描述。     

Petrology and geochemistry of spinel peridotite xenoliths from Hannuoba and Qixia, North China craton

We report mineralogical and chemical compositions of spinel peridotite xenoliths from two Tertiary alkali basalt localities on the Archean North China craton (Hannuoba, located in the central orogenic block, and Qixia, in the eastern block). The two peridotite suites have major element compositions that are indistinguishable from each other and reflect variable degrees (0–25%) of melt extraction from a primitive mantle source. Their compositions are markedly different from typical cratonic lithosphere, consistent with previous suggestions for removal of the Archean mantle lithosphere beneath this craton. Our previously published Os isotopic results for these samples [Earth Planet. Sci. Lett. 198 (2002) 307] show that lithosphere replacement occurred in the Paleoproterozoic beneath Hannuoba, but in the Phanerozoic beneath Qixia. Thus, we see no evidence for a compositional distinction between Proterozoic and Phanerozoic continental lithospheric mantle. The Hannuoba xenoliths equilibrated over a more extensive temperature (hence depth) interval than the Qixia xenoliths. Neither suite shows a correlation between equilibration temperature and major element composition, indicating that the lithosphere is not chemically stratified in either area. Trace element and Sr and Nd isotopic compositions of the Hannuoba xenoliths reflect recent metasomatic overprinting that is not related to the Tertiary magmatism in this area.     

中国东部深部构造特征及其与矿集区关系

文中以地震层析原始数据为基础,结合大地电磁测深和热流值数据,对老资料重新开发,编制了中国东部岩石圈厚度图、大地热流值图、岩石圈构造与矿集区关系图等,在此基础上对中国东部上地幔岩石圈-软流圈构造及其变异进行了初步研究,认为:(1)中生代燕山期较大型深部构造(如软流圈上涌体)的地震层析影象可存留至今,运用大地热流值及其相应浅表岩浆岩、矿集区等特征差异可以将中、新生代深部构造加以区分;(2)中国东部深部构造总特征:上地幔岩石圈-软流圈构造起伏变化,岩石圈西厚东薄,软流圈上涌发育且形式各异。大体可分为华南(构造线呈NWW)、华北(构造线近SN)、东北(构造线呈NNE)三大块,其基本特征各异。整个中国东部深部构造中,软流圈上涌起主导作用;(3)中生代软流圈上涌是相应浅表燕山期花岗质岩形成的根源,并与金属矿集区密切相关,新生代软流圈上涌则是大陆裂谷、玄武岩喷发及大型油气田形成的基础;(4)岩石圈减薄的主因是软流圈上涌,中生代燕山期主要减薄于中国东部大陆内部,新生代主要减薄于偏东部沿海区域。