长江中下游中生代安山质火山岩记录的新元古代大洋板片-地幔相互作用

大陆弧安山岩的形成是大洋板片向大陆边缘之下俯冲的结果,但是在具体形成机制上存在很大争议.针对这个问题,对长江中下游地区中生代安山质火山岩及其伴生的玄武质和英安质火山岩进行了系统的岩石地球化学研究,结果对大陆弧安山质火成岩的成因提出了新的机制.分析表明,这些岩石形成于早白垩世,它们不仅表现出典型的岛弧型微量元素分布特征,而且具有高度富集的Sr-Nd-Hf同位素和高的放射成因Pb以及高的氧同位素组成.通过全岩和矿物地球化学成分变化检查发现,地壳混染和岩浆混合作用对其成分的富集特征贡献有限,而其岩浆源区含有丰富的俯冲地壳衍生物质才是其成分富集的根本原因.虽然这些火山岩的喷发年龄为中生代,但是其岩浆源区形成于新元古代早期的华夏洋壳俯冲对扬子克拉通边缘之下地幔楔的交代作用.大陆弧安山岩地幔源区中含有大量俯冲洋壳沉积物部分熔融产生的含水熔体,显著区别于大洋弧玄武岩的地幔源区,其中只含有少量俯冲洋壳来源的富水溶液和含水熔体.正是这些含水熔体交代上覆地幔楔橄榄岩,形成了不同程度富集的超镁铁质-镁铁质地幔源区.在早白垩纪时期,古太平洋俯冲过程的远弧后拉张导致中国东部岩石圈发生部分熔融,其中超镁铁质地幔源区熔融形成玄武质火山岩,镁铁质地幔源区则熔融形成安山质火山岩.因此,大陆弧安山岩成因与大洋弧玄武岩一样,可分为源区形成和源区熔融两个阶段,其中第一阶段对应于俯冲带壳幔相互作用.      

板片-地幔相互作用:大别造山带碰撞后安山质火山岩成因

安山岩广泛出露于汇聚板块边界,表明其成因与板块俯冲有关。另一方面,大陆地壳整体上被认为是地幔部分熔融的产物,平均成分为安山质,是与亏损地幔(DM)互补的地球化学储库。然而,地幔部分熔融的产物通常具有玄武质成分,这与大陆地壳的安山岩平均成分不符。这个问题一直困扰着地球化学家们。因此,揭示安山岩的成因对于理解大陆地壳的形成和壳幔分异历史具有十分重要的意义。目前普遍接受的汇聚板块边界安山岩的成因模型包括:1)玄武岩输入模型;2)安山岩模型。这两者的主要区别在于地幔来源的初始岩浆是玄武质还是安山质。玄武岩输入模型认为初始岩浆为玄武质,安山岩是由初始玄武质岩浆在壳内的分异如分离结晶、地壳混染以及岩浆混合等地质过程形成的。安山岩模型则认为初始岩浆为安山质,是富水地幔橄榄岩部分熔融或俯冲板片部分熔融产生的埃达克质熔体与地幔橄榄岩反应的产物。无论哪种模型,俯冲隧道内的板片-地幔相互作用是形成安山岩地幔源区的关键过程,俯冲地壳物质是形成汇聚板块边界安山岩重要的组分来源。板片俯冲进入地幔是引起地幔化学不均一性的重要地质过程。在大洋俯冲带,俯冲洋壳释放流体/熔体交代上覆地幔楔并引发地幔楔发生部分熔融,从而形成同俯冲弧岩浆岩。大陆俯冲带通常缺乏对应的同俯冲弧岩浆岩,但在造山带内部和仰冲板块边缘通常发育大量同折返和碰撞后岩浆岩,这些岩浆岩为研究俯冲陆壳物质再造和再循环及其壳幔相互作用提供了重要的研究载体。大别造山带是三叠纪华南板块向华北板块俯冲碰撞形成的碰撞造山带,发育有大量的碰撞后火成岩,其中含有安山质火山岩。我们对大别造山带北淮阳碰撞后安山质火山岩进行了详细的地球化学研究,包括全岩主微量、Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析,锆石SIMS U-Pb定年、O同位素和Lu-Hf同位素分析。这些火山岩具有变化的Si O2质量分数(50.3%~63.9%),Mg O质量分数(1.2%~4.7%),Mg#(32.4~63.6),Na2O+K2O质量分数(5.0%~8.5%),其岩性主体为粗面安山岩,还有少量玄武粗面安山岩、安山岩、英安岩和粗面岩。锆石SIMS U-Pb定年结果显示,北淮阳安山质火山岩的形成年龄为早白垩世(123~130 Ma)。另外,它们含有丰富的残留锆石核,其U-Pb年龄为新元古代和三叠纪,分别与大别造山带超高压变质岩的原岩和变质年龄一致。它们具有弧型的微量元素分布特征,即富集大离子亲石元素(LILE)和轻稀土元素(LREE),亏损高场强元素(HFSE);具有富集的Sr-Nd-Hf同位素组成,即高的初始87Sr/86Sr比值(0.707 5~0.711 0),低的εNd(t)值(-23.1~-15.0)和εHf(t)(-29.8~-18.3)。锆石具有低的εHf(t)值(-31.0~17.8)和变化的δ18O值(4.4‰~6.8‰)。这些元素和同位素特征表明,北淮阳碰撞后安山质火山岩来源于富集的造山带岩石圈地幔。三叠纪华南陆块与华北陆块碰撞过程中,俯冲的华南陆壳在地幔深度发生部分熔融产生的长英质熔体在大陆俯冲隧道内交代上覆华北岩石圈地幔楔橄榄岩,熔体-橄榄岩反应形成了富沃富集的地幔交代体。该地幔交代体在早白垩世发生部分熔融就形成了北淮阳碰撞后安山质火山岩。因此,大陆俯冲隧道内的板片-地幔相互作用是形成碰撞造山带安山质岩石的关键过程。     

俯冲带复杂的壳幔相互作用

俯冲带除俯冲板片脱水形成的富大离子亲石元素流体、交代地幔楔形成的岛弧钙碱性玄武岩安山岩-英安岩-流纹岩及相应侵入岩组合外，还存在由俯冲扳片熔融形成的埃达克质熔体交代地慢楔形成的埃达克岩-富铌玄武岩-富镁安山岩组合，从而构成了俯冲带的流体交代与熔体交代两大类壳慢相互作用体系及相应的岩石组合。熔体交代作用的显著特点是Mg、高场强元素Nb、Ti、P等含量增加，Nd／Sr值增高，而Si、K、Na及La／Yb降低。洋壳板片或洋脊俯冲、玄武质岩浆底侵使地壳增厚，或板片断离、撕裂等作用均可产生埃达克质熔体并随之产生熔体交代作用。流体和熔体与地幔橄揽岩的相互作用构成了俯冲带复杂的地球化学体系。     

新疆新源县城南石炭纪火山岩岩石学和元素地球化学研究

新疆新源县南部那拉提山北坡出露的石炭纪火山岩主要由玄武岩、玄武质粗面安山岩、粗面安山岩、安山岩、流纹岩和火山碎屑岩组成。该火山岩中玄武岩属于钙碱性系列,安山质岩石和流纹岩属于高钾钙碱性系列,其中轻稀土轻微富集而重稀土相对亏损,玄武岩富集大离子亲石元素、U、Th和Pb,亏损高场强元素。研究表明,该火山岩岩浆可能是由俯冲板片脱水产生的流体交代地幔楔后,地幔楔发生部分熔融的结果。微量元素模拟计算表明,该玄武岩岩浆可以由石榴石二辉橄榄岩经3％～6％的部分熔融得到;安山质岩浆可由玄武岩岩浆经15％-28％的分离结晶形成。     

高镁安山岩及其地球动力学意义

高镁安山岩是当前国际地质研究的一个热点之一。本文重点介绍了高镁安山岩的分类、成因、成矿和地球动力学意义。高镁安山岩主要包括高镁埃达克岩、巴哈岩、赞岐岩和玻安岩等四类。高镁安山岩的成分复杂,可以包含地幔源区组分,以及俯冲大洋板片(玄武质洋壳或洋壳沉积物)或俯冲陆壳沉积物熔体或流体组分,有时也可能包含拆沉下地壳熔体组分。高镁安山岩可以通过地幔橄榄岩的直接熔融形成,也可通过熔体与地幔的相互作用形成。高镁安山岩的形成环境特殊：除青藏高原中部的一些新生代高镁安山岩外,几乎所有其它新生代的高镁安山岩都形成在会聚板块边界,且大都与年轻的、热的洋壳或洋脊的俯冲有关。高镁安山岩对揭示大陆地壳的形成以及金属矿化方面都有非常重要的意义。最后,对当前高镁安山岩的研究中存在的问题进行了探讨。     

山东北岩地幔橄榄岩捕掳体Hf-Mg同位素特征及其地质意义

<正>地幔交代作用及地幔流体研究是深部地质过程研究的热点问题之一。地幔交代作用不仅关系到地幔深部的部分熔融,而且对地幔源岩浆的性质的研究具有重要的指示意义,对于我们理解岩石圈地幔的演化形成、大陆动力学机制以及岩浆作用有很大的帮助。地幔交代介质通常根据组分分成碳酸盐熔体、富H2O-CO2流体、玄武质熔体和富硅熔体等,这些交代熔体可能源于再循环的大陆地壳、软流圈地幔或俯冲洋壳。由于地幔交代作用交代介质及其来源复杂多样,因此如何鉴别地幔交代作用类型和进一步认识熔体在地幔中     

准噶尔盆地东北缘石炭系火山岩形成机制:对准噶尔洋盆闭合时限的新启示

准噶尔古大洋作为古亚洲洋北部的重要分支及阶段性演化产物,其洋盆的俯冲、闭合时限以及盆地基底属性一直存在分歧。本文选取准噶尔盆地东北缘(乌伦古地区)石炭系火山岩来说明其岩浆来源及成因机制,通过主微量元素、Sr-Nd同位素分析结果,进一步阐明准噶尔洋盆在晚古生代的闭合时限。本次研究包括玄武岩、玄武质安山岩和安山岩三类火山岩,岩体显示低TiO₂(0.60%~0.84%)、较高的全碱K₂O+Na₂O含量(1.18%~8.59%),玄武岩为岛弧拉斑系列,安山岩类的钙碱元素含量高,具有火山弧火山岩特征。中-低⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_(i)(0.703 250~0.704 559)、相对亏损的Nd同位素(+4.8~+6.8)以及t_DM2(483~625 Ma)值表明玄武岩、玄武质安山岩和安山岩同为亏损地幔熔融岩浆分异结晶的产物,安山岩为地幔熔融岩浆后期分离结晶形成;微量元素与同位素地球化学示踪暗示玄武岩、玄武质安山岩和安山岩含有洋壳俯冲过程的脱水流体交代上覆地幔楔的消减组分,安山岩在深部岩浆房经历了壳-幔混合作用,受地壳成分的混染程度更大。大离子亲石元素(LILE)Ba、Sr和轻稀土元素、不相容元素(Th、U、K)相对富集,高场强元素(HFSE)Nb、Ta相对亏损,以及Pb、Zr、Hf的富集,说明该区属于与俯冲消减带相关的构造背景;结合本套火山岩高Ba/La(30.14~208.86)值、低TiO₂(0.60%~0.84%)值,以及Ce/Nb比(8.71~12.05)、Th/Nb比(0.93~1.74)等,表明准噶尔洋盆于石炭纪沿着大陆板块下部持续俯冲,洋壳板片的俯冲脱水流体交代地幔楔后增生岛弧。该套中-基性火山岩建造佐证了准噶尔洋盆闭合时限为晚石炭世(ca. 305.5±4.4 Ma),结合区域地质资料分析,提出与俯冲带有关的岩浆通过岛弧拼贴增生到大陆地壳上,进一步为准噶尔盆地基底的岛弧拼贴成因提供了新依据。     

新疆北部的两类埃达克岩

新疆北部有两类埃达克岩，一是俯冲型，形成于早、中泥盆世-早石炭世晚期（≥320Ma），包括了埃达克岩、富Nb玄武岩、高（富）Mg安山岩。第二类埃达克岩是底侵型，形成于中晚二叠世（≤280Ma）。第一类埃达克岩分布于西天山的阿拉套山、博罗科努山，中天山的骆驼沟和巴仑台，东天山的土屋-延东，阿尔泰山陆缘南富蕴-青河南，准噶尔盆地中部陆梁，克拉玛依等地。在阿尔泰陆缘南，苦橄岩与埃达克岩、富Nb玄武岩和高（富）Mg安山岩密切组合。第二类埃达克岩分布于西天山的阿吾拉勒山和东天山的三岔口，未发现富Nb玄武岩和高（富）Mg安山岩组合。俯冲型埃达克岩、富Nb玄武岩和高（富）Mg安山岩的高Sr低Y、Yb、富Eu及高εNd（t）（＋1．5～＋10．0），低（^87Sr／^86Sr）；（〈0．7070）的同位素组成，均一致表明其源区物质为洋壳板片，部分为地幔楔、弧前棱柱，产于岛弧环境；而底侵型埃达克岩源于底侵的幔源玄武质物质，形成于后造山环境。两类埃达克岩及其组合岩石的地质及地球化学特点，展示了中亚型造山在本区晚古生代陆壳增生作用的多样性：在增生构造过程上，有洋壳板片的斜俯冲、俯冲板片的撕裂、板片窗、俯冲剥蚀及玄武质物质的底侵作用等；在增生方向上，有洋壳板片的侧向斜俯冲，也有玄武质物质垂向上底侵于壳-幔边界；在增生物质上，有洋壳板片、地幔楔、受地幔楔混染的洋壳板片熔体，弧前棱柱、地幔楔受板片熔体交代后形成熔体及底侵的幔源玄武质物质。与两类埃达克岩有关，尤其是第一类埃达克岩及其组合岩石，在本区广泛发育了Cu、Au成矿作用，其中部分达到大型-超大型规模。因此．对埃达克岩及其组合岩石的识别及相关Cu、Au成矿作用的找矿勘探应予以足够重视。     

埃达克质岩的构造背景与岩石组合

本文介绍了埃达克质岩形成的构造背景与岩石组合。埃达克质岩可以形成于不同的构造背景并与不同类型的岩石同时出现：1）火山弧环境中常出现埃达克质岩一高镁安山岩-富Nb玄武质岩组合,它的形成可能与板片熔融以及熔体一地幔橄榄岩的相互作用有关;2）大陆活动碰撞造山带环境（如羌塘）中埃达克质岩常与同期钾质或橄榄玄粗质岩共生,这可能与俯冲陆壳熔融和俯冲陆壳熔体交代的地幔橄榄岩熔融有关;3）造山带伸展垮塌环境（如大别山）中埃达克质岩会伴随有镁铁质一超镁铁质岩浆出露,增厚下地壳产生埃达克质岩浆后的榴辉岩质残留体拆沉进入地幔,与地幔橄榄岩的混合可能形成后期镁铁质一超镁铁质岩浆的源区;4）大陆板内伸展环境中埃达克质岩常与同期橄榄玄粗质的岩石共生,增厚、拆沉下地壳,以及富集地幔的熔融或岩浆混合在岩石的成因中发挥了重要作用。     

天山北部石炭纪埃达克岩-高镁安山岩-富Nb岛弧玄武质岩：对中亚造山带显生宙地壳增生与铜金成矿的意义

新疆天山北部地区存在有石炭纪的埃达克岩-高镁安山岩-富Nb玄武质岩组合，并且其中许多岩石与铜（金）矿床伴生（如达巴特、阿希、土屋-延东、赤湖，等等）。埃达克岩富钠、高Sr但亏损Y与Yb，无明显Eu-正Eu异常以及正Sr异常与Nb、Ti亏损。高镁安山（闪长）岩是本次研究首次报道的，这些岩石无明显Eu-正Eu异常以及Nb、Ti亏损，普遍具有高的MgO和Cr、Ni含量，其中阿希金矿区一些样品类似于日本西南新生代Setouchi弧火山岩带中的赞岐岩类。富Nb玄武质岩富钠贫钾，具有微弱负．正Ba、Nb和Ti异常以及高的Nb／La比值，不同于大多数正常岛弧玄武岩。天山北部地区石炭纪埃达克岩具有高的8Nd（t）（＋3．4-＋9．0）和低的（^87Sr／^86Sr）i（0．7032—0．7043）。富Nb玄武质岩具有变化的εNd（t）（＋3．6-＋11．6）和（^87Sr／^86Sr）；（0．7007—0．7067）。我们的研究表明，天山北部地区石炭纪埃达克岩-高镁安山岩-富Nb玄武质岩组合可能是“埃达克岩交代的岛弧岩浆岩系列”。埃达克岩最有可能由石炭纪北天山洋的年轻洋壳在俯冲过程中熔融形成。另外，俯冲板片产生的熔体以及所释放的少量流体在上升过程中可能交代地幔楔橄榄岩或与其发生反应：一方面，触发地幔楔橄榄岩发生熔融形成富Nb岛弧玄武质岩；另一方面，地幔组分迅速进入到板片熔体中，导致其地幔组分增加，乃至形成高镁安山岩。因此，天山北部地区石炭纪埃达克岩-高镁安山岩-富Nb玄武质岩组合表明：（1）天山北部地区石炭纪可能为岛弧环境而非裂谷环境；（2）天山地区石炭纪的地壳生长可能以侧向增生为主；（3）除了亏损地幔之外，俯冲洋壳的熔融可能也在地壳的生长中发挥了重要的作用；（4）俯冲板片产生的埃达克质岩浆具有高的氧逸度，而其与地幔楔橄榄岩的强烈相互作用将导致地幔中的金属硫化物分解，成矿金属元素进入到岩浆中。这可能是新疆北部铜金矿化与一些埃达克岩、高镁安山（闪长）岩或富Nb岛弧玄武质岩密切共生的基本原因。