岩石圈的热-机械侵蚀和化学侵蚀与岩石圈减薄

岩石圈减薄及其对区域构造岩浆演化的控制是近十几年来深部研究中所取得的重要成果。我国华北地区岩石圈的厚度、物质组成和热状态在近４００Ｍａ来有过剧烈的变化;由古生代时大于２００ｋｍ的厚度和方辉橄榄岩为主的物质组成演化为现今１００ｋｍ左右的厚度和以二辉橄...     

华北地区东部岩石圈导电性结构研究——减薄的华北岩石圈特点

华北古大陆克拉通解体、岩石圈减薄的深部过程,对于建立中国大陆中新生代演化动力学模型是亟待深入研究的重要科学问题,因而"华北克拉通破坏"也就成了当前学术界的热门话题。为了研究"华北克拉通破坏"首先需要给出较准确的华北岩石圈结构,这必须依靠包括超宽频带高精度大地电磁深探测在内的现代深部地球物理探测技术。2001和2005年在华北地区东部布置了应县—商河(HB-MT01)、文水—日照(HB-MT02)大地电磁测深剖面进行研究。研究结果表明,在华北地区东部沿地壳-上地幔探测剖面可划分为4个电性区,区内发现有下地壳高导带和上地幔高导层存在。文中依据研究区壳-幔电性结构特征,推断华北地区东部地壳和上地幔之间发生过大规模构造运动,导致壳-幔之间存在解耦现象。研究结果还发现,华北东部确实存在岩石圈减薄区,其岩石圈厚度约50~80km厚。岩石圈明显减薄的区域包括北太行山隆起、华北裂谷带北部和鲁西断隆,其范围比原先认识到的要复杂,并非以太行山重力梯度带为界划分东、西两区,简单地认为东区即是减薄区。此外,在华北地区东部的现代高精度大地电磁探测结果也进一步证明了地球物理观测对于大陆动力学研究的重要性,这使人们更加认识到在今后的研究中必须强调地球物理-地质-地球化学之间的有机结合。     

中国东部部分地区新生代岩石圈地幔的成因:主量和微量元素制约

为厘定中国东部新生代岩石圈地幔的成因,进而探讨岩石圈减薄的方式,本文选择汉诺坝、女山、盘石山和方山尖晶石二辉橄榄岩作为研究对象,系统分析了其主、微量元素。结果表明,这些地区新生代岩石圈地幔具有"新生"的性质,为上涌的软流圈物质经过小于10%的部分熔融程度后的残留相形成,后又经历了类似新生代玄武岩性质的富硅熔体的交代,交代介质的物质贡献小于3%。新生代岩石圈地幔与古老克拉通岩石圈地幔在主、微量元素上的显著差异以及新生代岩石圈地幔微量元素特征的拟合,支持拆沉为华北克拉通东部减薄的主要方式。     

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。     

中国东部岩石圈减薄时间的制约及构造控制因素探讨

华北地块中生代含幔源包体玄武岩同位素年龄、岩石化学、地球化学及Sr-Nd同位素研究成果表明:119 Ma~110 Ma之间华北地块岩石圈地幔性质由富集型岩石圈地幔转化为亏损的软流圈地幔,岩石圈地幔性质的显著变化,说明中国东部岩石圈减薄的主要时间发生在早白垩世晚期119~100 Ma之间。中生代古太平洋伊泽奈崎大洋板块(Izanagi Plate)向欧亚板块俯冲所导致的拆沉,应是岩石圈减薄的重要控制因素。     

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。     

华北地区新生代岩石圈伸展减薄的机制与过程

华北地区可划分出2个岩石圈尺度的构造单元:西面的鄂尔多斯克拉通块体和东部的华北裂谷盆地。华北裂谷由主体的似环状盆地和周边山岭组成,还有大的似环状盆地中央的苏鲁淮山岭。华北裂谷盆地,在古近纪(E)和新近纪(N)—第四纪(Q)时期分别通过主要的纯剪切(pureshearing)和分布剪切(distributedshesring)(均含简单剪切组分)变形机制形成,它们导源于软流圈上涌诱发的巨大岩石圈减薄作用。然而,鄂尔多斯块体周边的断陷盆地带则是通过简单剪切(simpleshearing)变形机制形成,它们导源于鄂尔多斯克拉通块体的隆升和作用于鄂尔多斯南缘的六盘山与来自青藏高原碰撞带的北东向挤压力的联合作用。新生代时期,在快速的岩石圈大幅度减薄的时期内,华北地区东部向东伸展的速率比西部的鄂尔多斯块体大得多,它暗示软流圈物质向东的流动可能主动地拖拉着上覆岩石圈向东移动。可能有3条这样的通道,允许青藏碰撞带下面的软流圈物质向东流动,它们是:(a)高原南部过松潘—甘孜、三江达南海;(b)高原北部经六盘山、鄂尔多斯周边和华北—东北平原达日本海;(c)帕米尔经天山、蒙古西部、贝加尔达鄂霍次克海。     

辽宁宽甸地区上地幔岩石圈组成及热结构——来自地幔岩包体的信息

中更新世时期火山爆发形成的宽甸黄椅山碱性玄武岩中含有种类丰富的地幔岩包体,为研究该地区的上地幔组成及热结构提供了良好的条件。本文计算了地幔岩包体的平衡温压、岩石密度及弹性波速值。结果表明：该地区莫霍面埋深为35～38 km。38～65 km范围内普遍存在着尖晶石二辉橄榄岩,54～64 km为尖晶石辉石岩转变为石榴子石辉石岩的过渡带,石榴 子石二辉岩分布范围为54～75 km,推测75 km以下进入上地幔低速层。45～80 km范围内的热结构可表示为：t(℃)=847.17+1.557d+0.02235d2。     

华北克拉通东部中生代高Mg闪长岩——对岩石圈减薄机制的制约

在华北克拉通东部鲁西—徐淮地区,存在一套辉石闪长岩-二长闪长岩-花岗闪长岩组成的adakitic岩石。锆石SHRI MP和LA-ICP-MS U-Pb定年结果表明它们形成于早白垩世(130~132Ma)。该类岩石具有较高的MgO含量(质量分数为1·46%~9·76%)、高的Mg#值(0·46~0·68)和高的Sr/Y值(主体介于30~52之间,个别高达410)。这些特征类似于由俯冲大洋板片部分熔融形成的adakitic岩石。然而,它们所表现出来的相对较高的87Sr/86Sr初始比值(0·7051~0·7077)和较低的εNd(t)值(-4·43~-15·92)则反映岩浆形成或演化过程中应有陆壳物质的参与。徐淮地区该类岩石中榴辉岩类捕虏体和石榴石捕虏晶的存在和鲁西辉石闪长岩中众多地幔橄榄岩捕虏体的发现,以及这些捕虏体中普遍发育富硅质交代作用,由此可以判定该类岩浆应起源于拆沉下部大陆地壳的部分熔融及其在上升过程中与地幔橄榄岩的反应,石榴石作为残留相。华北克拉通东部早白垩世adakitic岩石的存在以及榴辉岩类捕虏体的年代学表明,中生代早期曾存在一次重要的陆壳加厚过程,之后相继出现的加厚岩石圈的拆沉应是中生代岩石圈减薄的主导机制。     

中国东部中生代岩浆作用与岩石圈减薄

对中国东部新生代玄武岩及其包体的Ｓｒ Ｎｄ 同位素资料的总结表明,中国东部现今岩石圈地幔具有强烈亏损性质,现今岩石圈地幔是新生的。岩石圈减薄主要发生在中生代晚期,并与中国东部大面积、强烈的中生代岩浆活动在时间上相对应,且具有自西向东岩石圈减薄逐渐增强的趋势。分析表明,中生代期间印度洋型软流圈地幔的侵入与中国东部的岩石圈减薄密切相关。     

华北克拉通中生代破坏前的岩石圈地幔与下地壳

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,有 38亿年的古老陆壳存在,它经历了复杂的地质变迁,在太古宙末(约2500Ma)基本完成克拉通化,在古元古代(约1900~1850Ma)整体受到了高级变质作用,最终完成了克拉通化。它的东部在中生代发生了重大的构造机制的转变,克拉通基底发生了破坏、置换和再造。在太行山重力梯度带以西的华北克拉通受中生代构造转折的改造程度较低,它们的下地壳和岩石圈地幔结构,大致保持了华北克拉通破坏前的状态。前寒武纪麻粒岩地体代表了掀翻抬升到地表的古元古代下地壳,出露地表的时间大致在1850~1800Ma。中、新生代火山岩中的地幔和麻粒岩捕虏体代表了现代的岩石圈地幔和下地壳的岩石。岩石学、地球化学和地球物理的研究,推测华北克拉通西部的岩石圈厚约200km,地壳厚度约45km~50km,是在古元古代(约1.9Ga)时期终极克拉通化作用形成的,其厚度和结构与全球典型的元古宙克拉通岩石圈相同。而太行山重力梯度带以东的克拉通岩石圈地幔受到程度不等的交代、改造、置换和减薄,下地壳大规模重熔,地壳厚度也发生减薄,指示了强烈的壳幔解耦、物质交换和重新耦合的过程。     

Refertilization of ancient lithospheric mantle beneath the central North China Craton: Evidence from petrology and geochemistry of peridotite xenoliths

The petrology and geochemistry of peridotite xenoliths in the Cenozoic basalts from Fanshi, the central North China Craton (NCC), provide constraints on the evolution of sub-continental lithospheric mantle. These peridotite xenoliths are mainly spinel-facies lherzolites with minor harzburgites. The lherzolites are characterized by low forsterite contents in olivines (Fo < 91) and light rare earth element (LREE) enrichments in clinopyroxenes. In contrast, the harzburgites are typified by high-Fo olivines (> 91), high-Cr# spinels and clinopyroxenes with low abundances of heavy REE (HREE). These features are similar to those from old refractory lithospheric mantle around the world, and thus interpreted to be relics of old lithospheric mantle. The old lithospheric mantle has been chemically modified by the influx of melts, as evidenced by the Sr–Nd isotopic compositions of clinopyroxenes and relatively lower Fo contents than typical Archean lithospheric mantle (Fo > 92.5). The Sr–Nd isotopic compositions of harzburgites are close to EM1-type mantle, and of the lherzolites are similar to bulk silicate earth. The latter could be the result of recent modification of old harzburgites by asthenospheric melt, which is strengthened by fertile compositions of minerals in the lherzolites. Therefore, the isotopic and chemical heterogeneities of the Fanshi peridotite xenoliths reflect the refertilization of ancient refractory lithospheric mantle by massive addition of asthenospheric melts. This may be an important mechanism for the lithospheric evolution beneath the Central NCC.     

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。     

华北克拉通东部中生代岩石圈减薄的过程与机制:中生代火成岩和深源捕虏体证据

基于最新的同位素年代学资料 ,华北克拉通东部中生代的岩浆作用可划分成四个阶段 ,即晚三叠世 ( 2 0 5～ 2 2 5Ma)碱性岩浆作用 ;中晚侏罗世 ( 1 5 5～ 1 6 0Ma)花岗质岩浆作用 ;早白垩世 ( 1 1 2～ 1 32Ma)双峰式岩浆作用和晚白垩世 ( 92～ 73Ma)碱性玄武质岩浆作用。徐淮地区中生代侵入岩中榴辉岩捕虏体的发现及其地质年代学资料 ( 2 1 9Ma)表明 ,华北克拉通东部中生代早期曾发生过一次重要的陆壳加厚过程。俯冲板片的断离以及高压—超高压变质岩的快速折返和晚三叠世 ( 2 0 5～ 2 2 5Ma)的碱性岩浆作用的存在均暗示 ,华北克拉通中生代岩石圈减薄已经开始。拆沉作用则是引起中生代早期岩石圈减薄的主要机制。中、晚侏罗世 ( 1 5 5～ 1 6 0Ma)花岗质岩浆作用形成于造山期后的伸展环境 ,代表了中生代岩石圈减薄的继续和发展。早白垩世 ( 1 1 2～ 1 32Ma)双峰式岩浆作用表明中生代岩石圈减薄达到了峰期。而幔源纯橄岩捕虏体中富硅质熔体的交代作用和玄武岩的高87Sr/ 86Sr值、低ε(Nd ,t)值特征表明 ,软流圈对岩石圈底部的化学侵蚀可能是导致该阶段岩石圈减薄的主导机制。晚白垩世 ( 92～ 73Ma)碱性玄武质岩浆作用和“海洋型”地幔捕虏体的存在代表了等温面的下降和岩石圈地幔的增生     

Late Mesozoic magmatism in the Jiaodong Peninsula,East China:Implications for crust-mantle interactions and lithospheric thinning of the eastern North China Craton

A section from the Linglong gold deposit on the northwestern Jiaodong Peninsula,East China,containing Late Mesozoic magmatic rocks from mafic and intermediate dikes and felsic intrusions,was chosen to investigate the lithospheric evolution of the eastern North China Craton(NCC).Zircon U-Pb data showed that low-Mg adakitic monzogranites and granodiorite intrusions were emplaced during the Late Jurassic(～145 Ma) and late Early Cretaceous(112-107 Ma),respectively;high-Mg adakitic diorite and mafic dikes were also emplaced during the Early Cretaceous at～139 Ma and ～118 Ma,and 125-145 Ma and 115-120 Ma,respectively.The geochemical data,including whole-rock major and trace element compositions and Sr-Nd-Pb isotopes,imply that the mafic dikes originated from the partial melting of a lithospheric mantle metasomatised through hydrous fluids from a subducted oceanic slab.Low-Mg adakitic monzogranites and granodiorite intrusions originated from the partial melting of the thickened lower crust of the NCC,while high-Mg adakitic diorite dikes originated from the mixing of mafic and felsic melts.Late Mesozoic magmatism showed that lithosphere-derived melts showed a similar source depth and that crust-derived felsic melts originated from the continuously thickened lower crust of the Jiaodong Peninsula from the Late Jurassic to Early Cretaceous.We infer that the lower crust of the eastern NCC was thickened through compression and subduction of the Palaeo-Pacific plate beneath the NCC during the Middle Jurassic.Slab rollback of the plate from ～160 Ma resulted in lithospheric thinning and accompanied Late Mesozoic magmatism.     

The late Cretaceous lithospheric mantle beneath the Central Andes: Evidence from phase equilibria and composition of mantle xenoliths

Temperature estimates and chemical composition of mantle xenoliths from the Cretaceous rift system of NW Argentina (26°S) constrain the rift evolution and chemical and physical properties of the lithospheric mantle at the eastern edge of the Cenozoic Andean plateau. The xenolith suite comprises mainly spinel lherzolite and subordinate pyroxenite and carbonatized lherzolite. The spinel lherzolite xenoliths equilibrated at high-T (most samples >1000 °C) and P below garnet-in. The Sm–Nd systematics of compositionally unzoned clino- and orthopyroxene indicate a Cretaceous minimum age for the high-T regime, i.e., the asthenosphere/lithosphere thermal boundary was at ca. 70 km depth in the Cretaceous rift. Major elements and Cr, Ni, Co and V contents of the xenoliths range between values of primitive and depleted mantle. Calculated densities based on the bulk composition of the xenoliths are <3280 kg/m³ for the estimated P–T conditions and indicate a buoyant, stable upper mantle lithosphere. The well-equilibrated metamorphic fabric and mineral paragenesis with the general lack of high-T hydrous phases did not preserve traces of metasomatism in the mantle xenoliths. Late Mesozoic metasomatism, however, is obvious in the gradual enrichment of Sr, U, Th and light to medium REE and changes in the radiogenic isotope composition of an originally depleted mantle. These changes are independent of the degree of depletion evidenced by major element composition. ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd_i ratios of clinopyroxene from the main group of xenoliths decrease with increasing Nd content from >0.5130 (depleted samples) to ca. 0.5127 (enriched samples). ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_i ratios (0.7127–0.7131, depleted samples; 0.7130–0.7134, enriched samples) show no variation with variable Sr contents. Pb_i isotope ratios of the enriched samples are rather radiogenic (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb_i 18.8–20.6, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb_i 15.6–15.7, ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb_i 38.6–47) compared with the Pb isotope signature of the depleted samples. The large scatter and high values of ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb_i ratios of many xenoliths indicates at least two Pb sources that are characterized by similar U/Pb but by different Th/Pb ratios. The dominant mantle type in the investigated system is depleted mantle according to its Sr and Nd isotopic composition with relatively radiogenic Pb isotope ratios. This mantle is different from the Pacific MORB source and old subcontinental mantle from the adjacent Brazilian Shield. Its composition probably reflects material influx into the mantle wedge during various episodes of subduction that commenced in early Paleozoic or even earlier. Old subcontinental mantle was already replaced in the Paleozoic, but some inheritance from old mantle lithosphere is represented by rare xenoliths with isotope signatures indicating a Proterozoic origin.     

华北克拉通西北部显生宙岩石圈地幔属性与演化特征: 橄榄岩捕虏体证据

众所周知,华北克拉通东部岩石圈地幔的组成和性质在显生宙发生了显著变化,但由于西部出露含有捕虏体的火山岩较少,这在一定程度上限制了人们对该区岩石圈地幔属性与演化特征的认识。本文将华北克拉通西北部晚白垩世-新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的研究成果归纳总结,旨在进一步揭示该区岩石圈地幔的属性与演化特征。研究表明,华北克拉通西北部岩石圈地幔主要由低Mg^#的二辉橄榄岩和少量高Mg^#的方辉橄榄岩组成。高Mg^#橄榄岩代表该区受轻微再富集作用影响的古老岩石圈地幔残余,低Mg^#橄榄岩是软流圈来源熔体与高Mg^#橄榄岩反应的产物,代表地幔再富集作用对古老岩石圈地幔改造的结果。该区岩石圈地幔经历了多期地幔交代作用的改造,早期交代事件与古亚洲洋俯冲有关,近期与软流圈来源的玄武质熔体有关。这种广泛的地幔再富集作用对华北克拉通古老岩石圈地幔的转变做出了重要贡献。

     

内蒙古集宁新生代玄武岩中橄榄岩包体矿物化学特征及其地幔演化意义

在无水"干"体系的四矿物相橄榄岩中,单斜辉石由于熔点低而通常记录着丰富的部分熔融作用和地幔交代作用信息。在详细岩相学特征和组成矿物主元素分析基础上,重点对内蒙古集宁玄武岩中橄榄岩包体的单斜辉石进行了激光原位微量元素研究。通过与新生代时华北具古老克拉通地幔特征(如鹤壁)和具新生岩石圈地幔特征(如山旺)的橄榄岩对比,讨论了新生代时集宁地区陆下岩石圈地幔性质及其形成和演化机制。集宁地区岩石圈地幔是相当于原始地幔经过较低程度的部分熔融抽取形成的,除个别样品的部分熔融程度5%外,多数样品为5%～10%。橄榄岩的平衡温度与橄榄石Mg#关系表明新生代时集宁地区的陆下岩石圈地幔是不均一的,无明显分层现象,表现为饱满与过渡型地幔的共存。这种主体饱满并兼有过渡型地幔的不均一现象,可能是软流圈物质对古老地幔进行不均匀侵蚀、改造和置换作用的结果。