大陆深俯冲后效作用的地球化学记录——华北中生代岩石圈地幔源区特征变异的讨论

早中生代扬子板块与华北板块之间的俯冲及其后两陆块间的碰撞为大陆深俯冲后效作用研究提供了一个少见的实例。本文在系统论述华北中生代深部年代学记录、深源岩类源区地球化学特征的时空变化规律,普遍的 Sr 同位素高度富集现象及其空间变化指向、高场强元素强烈分馏以及时间制约分析基础上,提出了导致这些源区特征变化最可能的机制为扬子板片深俯冲中析出的熔体/流体交代并改造了华北大陆岩石圈地幔。而其后中生代全球事件引发的中国东部广泛而强烈白垩纪构造-岩浆幕则提供了侵位于地壳层位深源岩类的成岩条件。本文强调指出对华北岩石圈地幔这种大尺度实体上的改造,应被视为扬子板片深俯冲后效作用中最具深远意义的一种表现,并对中生代华北岩石圈整体转型产生了重要影响。     

华北东南部中生代岩石圈地幔性质、组成、富集过程及其形成机理

本文通过对我国华北东南部中生代幔源岩浆活动的时空分布规律及其地球化学特征的系统总结来进一步厘定该地区中生代岩石圈地幔的性质和组成,并通过与华北内部如鲁中地区中生代岩石圈地幔的对比研究探讨华北东部岩石圈的时空演化规律、富集过程及其形成机理。幔源岩石的 Sr-Nd-Ph 同位素特征表明华北东部中生代岩石圈地幔存在明显的时空不均匀性,其中心部位如鲁中地区以弱富集地幔为主体;而东南部如鲁西南和胶东地区则为类似 EM2型地幔(~(87)Sr/~(86)Sr_i 可高达0.7114)。华北东南部中生代岩石圈地幔随时间的演化特征也很明显。这些幔源岩石的地球化学特征和玄武岩中地幔岩捕虏体(橄榄岩和辉石岩)和捕虏晶(橄榄石和辉石)的组成和结构特征皆证明华北东南部中生代岩石圈地幔曾受到过富硅熔体的强烈改造。橄榄岩-熔体的相互反应是该区岩石圈改造和组成转变的重要方式,从而造成古生代高镁橄榄岩转变为晚中生代低镁橄榄岩和辉石岩。进入岩石圈地幔的熔体具下/中地壳物质重熔的特征,从而导致该区晚中生代岩石圈地幔的快速富集。有关华北东部中生代岩石圈减薄和改造的时限、过程和机制等问题也进行较详细的讨论。     

鲁西中生代辉长-闪长岩中辉石岩捕虏体的岩石成因

鲁西中生代辉长-闪长岩中包含有变晶结构和堆积结构两种类型辉石岩类捕虏体,它们的矿物化学和岩石地球化学特征可同中国东部新生代玄武岩中的辉石岩类包体相对比.它们代表了上地幔两次岩浆底侵事件的产物.辉石岩类捕虏体母岩浆来自于含有陆壳物质的软流圈及其上部岩石圈地幔的部分熔融.辉石岩类捕虏体是由该母岩浆高压分离结晶堆积的产物.辉石岩的母岩浆在上地幔的运移是引起鲁西中生代岩石圈地幔富硅质交代作用的主要因素.     

华北地块东部晚中生代至新生代岩石圈不均一减薄与改造模式

本文综合运用不同时代幔源包体平衡温压对比、玄武岩地球化学性质对岩石圈厚度的反演以及不同时代岩石圈地幔地球化学性质的对比的方法，把华北地块东部岩石圈的减薄时间限定在晚中生代至新生代之间。减薄的机制可能是华北东部地区晚白垩世以来大陆岩石圈的拉张作用。由于机械性拉薄和热、机械和化学侵蚀作用，岩石圈厚度最终减薄到70km以下。但古老的岩石圈地幔并没有完全因减薄而消失，残留部分受到了来自软流圈物质的强烈改造，使其Sr、Nd同位素组成类似于软流圈，但Os同位素没有受到明显的改变。改造后的岩石圈地幔成为华北地块东部新生代岩石圈地幔的主体。在时空上，岩石圈的减薄具有不均一的性质。     

华北东部中、新生代岩石圈地幔的不均一性：来自橄榄石的组成填图结果

华北中、新生代玄武质火山岩和基性脉岩携带的地幔橄榄岩捕虏体中橄榄石和/或橄榄石捕虏晶系统的组成填图显示华北东部中、新生代岩石圈地幔存在明显的时空分布规律和不均一性。这与通过岩石圈地幔源基性岩石的地球化学反演获得的华北中生代岩石圈地幔的时空不均一性及其块体特征完全一致。太行山和鲁皖地区新生代岩石圈地幔的差异演化主要反映古老地幔橄榄岩与熔体相互作用时熔体性质和来源的不同。同时,橄榄石 Fo 填图还揭示了郯庐断裂对华北东部中、新生代基性岩浆活动及其岩石圈地幔演化的重要制约作用。而且,华北东部中生代岩石圈减薄后尚存古老岩石圈地幔残留。因此,华北东部岩石圈减薄的整体拆沉模式很难成立。     

华北晚中生代中基性侵入岩中橄榄岩捕虏体是岩石圈地幔直接样品？

华北东部晚中生代中基性侵入杂岩体（如山东莱芜地区铁铜沟岩体；山东潍坊地区金岭．湖田岩体；河北邯邢地区符山岩体）中常含有橄榄岩捕虏体。这些橄榄岩的来源和成因问题存在很大争议，主要有堆晶成因或代表古老洋壳蛇绿岩和岩石圈地幔来源两种观点。本文在对山东潍坊地区金岭一湖田岩体中橄榄岩捕虏体的研究成果和总结前人资料的基础上，通过岩石学、矿物学和地球化学研究认为这些橄榄岩捕虏体皆是堆晶成因或代表古老洋壳蛇绿岩，而非岩石圈地幔直接样品。因此，不能用这些橄榄岩捕虏体的组成来反演该地区晚中生代岩石圈地幔特征。     

渤海湾盆地晚中生代以来伸展模式及动力学机制

通过分析盆地区大陆伸展模型参数、火成岩地球化学特征时空演化、岩石圈分层伸展几何学和运动学、应力场-变形场的匹配和演化,文章对渤海湾盆地晚中生代以来伸展断陷的动力学过程进行了系统讨论。晚中生代,盆地北、西部以变质核杂岩模式伸展,南、东部以宽裂陷模式伸展;在岩石圈伸展过程中,地壳变形方式为简单剪切,岩石圈地幔变形方式为纯剪切;盆地处于洋壳俯冲背景下弧后伸展区,盆地及西、北部隆起区岩石圈地幔为EM1型,而南、东部隆起区受扬子板块俯冲改造成类似EM2型;盆地变形的力源为板块相对运动产生的引张力,以及郯庐断裂的走滑作用。新生代,渤海湾盆地以窄裂陷模式伸展,地壳和岩石圈地幔变形方式均为纯剪,但岩石圈地幔伸展强度大于地壳;盆地处于大陆内裂谷环境,软流圈地幔上涌并改造岩石圈地幔,且盆地裂陷的力源以软流圈地幔上涌产生的引张力为主。     

中国东部中、新生代岩石圈转型与减薄研究若干问题

文中对中国大陆岩石圈的持续热点研究领域?东部中、新生代岩石圈巨厚减薄所涉及的问题进行了简要评述,特别是对减薄问题的提出和认识的历史过程作了较详细的回顾。笔者特别强调了中生代华北岩石圈地幔高度化学不均一性所反映的减薄作用时空分布特征,以及中生代岩石圈地幔的两次转型所导致的高度化学不均一性,进而建议以岩石圈全面转型来描述这一大尺度地球动力学过程。在此基础上讨论了减薄过程的可能机制,认为虽然在局部地区有可能存在拆沉作用,但从全局来看目前更多的岩石地球化学证据与热减薄-化学减薄的假说相兼容。而反映地球深部圈层相互作用的中生代全球事件则被解释为中国东部岩石圈地幔全面转型的动力学背景。显然,对此问题的深化仍将构成本世纪我国固体地球科学一个重要研究领域。     

长江中下游地区晚中生代橄榄玄粗岩系列火山岩:年代学格架、地球化学特征及成因讨论

长江中下游地区晚中生代橄榄玄粗岩系列火山岩发育在宁芜、庐枞、溧水和怀宁四个火山岩盆地内,该系列的火山岩地球化学性质上以相对富碱、高K、明显富集Rb、Th、U、K等强不相容元素和轻稀土元素,亏损高场强元素Nb、Ta和Ti为特征。Ba和Sr的特征在不同盆地内随岩性的不同表现各异,表明斜长石的分离结晶可能在这些盆地内岩浆演化过程中起着一定的作用。这些盆地内橄榄玄粗岩系列火山岩的部分地球化学性质(如Ce/Yb比值)与大多数发育在大陆环境下的橄榄玄粗岩系列岩石不同,而类似于大洋岛弧环境内的同类岩石,可能意味着区内由于岩石圈的减薄,软流圈地幔上涌到了相对较浅的部位,控制源区部分熔融的主要是尖晶石相地幔岩。这些火山岩的Sr、Nd同位素组成总体处于扬子克拉通岩石圈地幔附近,指示它们的母岩浆主要是由富集的岩石圈地幔部分熔融形成的。但盆地所处的构造位置对岩浆的性质也有显著的影响,指示地壳基底物质的混染也不同程度存在。区内榄玄粗岩系列火山活动持续的时间很短,主要集中在约128~134 Ma左右,峰值约130Ma,其成因的动力学机制可能与晚中生代发生在中国东部的岩石圈减薄事件有关,橄榄玄粗岩系列火山岩盆地所在地带对应着长江中下游地区岩石圈减薄的中心部位。     

庐枞早白垩世火山岩的地球化学特征及其源区意义

从中生代到新生代,华北东部岩石圈地幔发生了减薄以及地球化学性质置换, 而扬子地块东部中生代岩石圈地幔也表现出类似的过程,对中生代火山岩的地球化学研究有助于了解这一变化过程以及发生置换时的时空关系。庐枞火山岩出露于扬子地块东部,为一套包括粗玄岩–玄武粗安岩–粗面岩的富碱橄榄安粗岩系。研究了双庙组基性火山岩,这些岩石富集Rb,K,Sr,Th和轻稀土元素,亏损高场强元素。(87Sr/86Sr)i = 0.7060~0.7063,εNd(t )=-3.9~-6.2,(206Pb/204Pb)i=17.788~18.125,(207Pb/204Pb)i= 15.511~15.546,(208Pb/204Pb)i =37.735~38.184。在喷出地表过程中,火山岩没有受到明显的地壳物质混染,因此元素和同位素组成反映了地幔源区的地球化学特征。 其地幔源区具有同位素富集特征,表明火山岩源区曾受到地壳物质的影响,是富集地幔部分熔融的产物,并经历明显的结晶分异作用。庐枞火山岩的岩浆成分和源区特征反映该地区在晚中生代岩石圈地幔的伸展和软流圈地幔上涌的演化过程。     

The Siberian lithosphere traverse: mantle terranes and the assembly of the Siberian Craton

The kimberlite fields scattered across the NE part of the Siberian Craton have been used to map the subcontinental lithospheric mantle (SCLM), as it existed during Devonian to Late Jurassic time, along a 1000-km traverse NE–SW across the Archean Magan and Anabar provinces and into the Proterozoic Olenek Province. 4100 garnets and 260 chromites from 65 kimberlites have been analysed by electron probe (major elements) and proton microprobe (trace elements). These data, and radiometric ages on the kimberlites, have been used to estimate the position of the local (paleo)geotherm and the thickness of the lithosphere, and to map the detailed distribution of specific rock types and mantle processes in space and time. A low geotherm, corresponding approximately to the 35 mW/m² conductive model of Pollack and Chapman [Tectonophysics 38, 279–296, 1977], characterised the Devonian lithosphere beneath the Magan and Anabar crustal provinces. The Devonian geotherm beneath the northern part of the area was higher, rising to near a 40 mW/m² conductive model. Areas intruded by Mesozoic kimberlites are generally characterised by this higher, but still ‘cratonic' geotherm. Lithosphere thickness at the time of kimberlite intrusion varied from ca. 190 to ca. 240 km beneath the Archean Magan and Anabar provinces, but was less (150–180 km) beneath the Proterozoic Olenek Province already in Devonian time. Thinner Devonian lithosphere (140 km) in parts of this area may be related to Riphean rifting. Near the northern end of the traverse, differences in geotherm, lithosphere thickness and composition between the Devonian Toluopka area and the nearby Mesozoic kimberlite fields suggest thinning of the lithosphere by ca. 50–60 km, related to Devonian rifting and Triassic magmatism. A major conclusion of this study is that the crustal terrane boundaries defined by geological mapping and geophysical data (extended from outcrops in the Anabar Shield) represent major lithospheric sutures, which continue through the upper mantle and juxtapose lithospheric domains that differ significantly in composition and rock-type distribution between 100 and 250 km depth. The presence of significant proportions of harzburgitic and depleted lherzolitic garnets beneath the Magan and Anabar provinces is concordant with their Archean surface geology. The lack of harzburgitic garnets, and the chemistry of the lherzolitic garnets, beneath most of the other fields are consistent with the Proterozoic surface rocks. Mantle sections for different terranes within the Archean portion of the craton show pronounced differences in bulk composition, rock-type distribution, metasomatic overprint and lithospheric thickness. These observations suggest that individual crustal terranes, of both Archean and Proterozoic age, had developed their own lithospheric roots, and that these differences were preserved during the Proterozoic assembly of the craton. Data from kimberlite fields near the main Archean–Proterozoic suture (the Billyakh Shear Zone) suggest that reworking and mixing of Archean and Proterozoic mantle was limited to a zone less than 100 km wide.     

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。     

软流圈熔体地幔交代作用过程中的铂族元素行为

南美洲南部的Pali Aike火山岩区第四纪碱性玄武岩中普遍发育含石榴石的斜方辉石岩包体。这种斜方辉石岩既作为独立的捕掳体存在又以细脉的形式穿插于橄榄岩捕掳体中。斜方辉石岩普遍含富Ti矿物,并且次生斜方辉石含橄榄石和单斜辉石残晶。与含石榴石橄榄岩中的斜方辉石相比,这种次生的斜方辉石以高TiO2、中等含量的Al2O3以及低Mg#为特征,表明它是在一种高度分异演化的富Ti熔体交代作用下通过消耗橄榄石和单斜辉石方式形成的。斜方辉石岩全岩的Co、Ni略低,Cr和铂族元素(PGE)含量与地幔橄榄岩相当,表明这些元素在交代作用过程中相对稳定,而交代介质带入的组分以碱质(K2O+Na2O)、Ti、Si、Al和S为主。交代的斜方辉石在现代活动岛弧和古克拉通的地幔橄榄岩捕掳体中多有报道。与这些环境中地幔样品的斜方辉石相比,PaliAike地区的次生斜方辉石含有相对高的Ti和Al,以及相对低的Mg。高Ti低Mg属性反映了交代介质可能来源于下伏的软流圈地幔并且经历了高度的分异和演化过程。Pali Aike地区所见到的这种交代斜方辉石和斜方辉石岩在其他被上涌软流圈影响的陆下岩石圈地幔中可能普遍存在。这些研究对了解中国华北-东北中生代以来的岩石圈地幔减薄机制有着重要的借鉴意义。     

太行山中生代板内造山作用与华北大陆岩石圈巨大减薄

近年来,华北大陆岩石圈巨大减薄成为国际地学界关注的焦点之一,但对其减薄的时间、机制仍然知之甚少。约束条件的多解性和表面上相互矛盾的证据导致了对区域构造发展史的模糊认识。笔者认为,华北板内造山过程是理解岩石圈巨大减薄机制的关键,因为华北岩石圈是在造山带而不是在克拉通基础上开始减薄过程的。岩石圈减薄过程可以划分为拆沉减薄、伸展减薄、热减薄和化学侵蚀减薄4种类型。前者依赖于岩石圈重力不稳定性,是一种突变过程;后三者取决于软流圈挤出构造,属于渐变过程。减薄过程主要始于120~110Ma的拆沉减薄,其标志是造山后脉岩组合的形成。亚洲大陆软流圈的多阶段汇聚过程造成软流圈向东挤出,是中国东部中新生代以来岩石圈持续减薄的重要基础。因此,大陆动力学与大洋最重要的区别之一就是大陆岩石圈经常发生减薄作用,特别是拆沉作用,并由此将软流圈系统区分为浅部混染系统和深部纯净系统,火成岩的地球化学属性主要取决于岩浆起源的深度。     

Geochemistry and petrogenesis of spinel lherzolite xenoliths from Boeun,Korea

Geochemical characteristics of spinel lherzolite xenoliths, enclosed in Miocene alkali basalt from Boeun, Korea, provide important clues for understanding the lithosphere composition, equilibrium temperature and pressure conditions, and depletion and enrichment processes of subcontinental lithospheric mantle beneath Boeun. The spinel lherzolite xenoliths with protogranular to porpyroclastic textures were accidentally trapped by the ascending alkali basalt magma. The spinel lherzolite xenoliths originated at depths between 50 and 63 km with equilibrium temperatures ranging from 847 to 1030 °C. These xenoliths may have undergone small degrees (1–2%) of partial melting and cryptic metasomatism by an alkali basaltic melt. Based on Sr and Nd isotope compositions, the subcontinental lithospheric mantle beneath Boeun was heterogeneous and similar to that beneath East China and Central Mongolia rather than the Japanese Island Arc.     

铙钹寨岩体是蛇绿岩吗？——评“也谈铙钹寨超镁铁岩体的成因和构造类型的归属问题”

王希斌等根据铙钹寨岩体恢复的原岩由亏损强烈的方辉橄榄岩、纯橄岩和弱亏损的二辉橄榄岩组成以及有豆荚状铬铁矿存在,认为铙钹寨岩体属于大洋岩石圈地幔,是蛇绿岩的成员;并且还根据岩体存在两种地幔橄榄岩组合进一步推断铙钹寨岩体"可能经历了洋内扩张(形成 MOR 型的地幔残余)和洋内俯冲两个阶段的演化过程"。我们认为,铙钹寨岩体是交代的地幔橄榄岩,它不大可能是蛇绿岩;铙钹寨岩体的特征比较接近大陆岩石圈地慢而非大洋岩石圈地幔;铬铁矿不是判别蛇绿岩的标志;不能根据岩体存在强烈亏损和弱亏损的两种橄榄岩而推断其形成于两种环境。     

华北中—新生代大陆岩石圈转型的研究现状与方向 ——兼评“岩石圈减薄”和“克拉通破坏”

对我国大陆岩石圈的持续热点研究领域——华北中-新生代大陆岩石圈巨厚减薄研究中所涉及的问题再次进行了评述,特别是将对问题认识过程与克拉通陆内造山研究相联系。综述了岩石地球化学、地球物理、构造地质等不同学科对中生代华北大陆岩石圈演化特征研究的最新进展,以及对大陆岩石圈诸多学科不同定义内涵及由此产生的讨论。在分述了国际大陆岩石圈研究背景,岩石圈转型的空间特征及时间特征,新技术方法的应用,地表构造体系转折的再认识,以及几种可能的转型机制基础上,再次建议以大陆岩石圈全面转型,即一系列大陆岩石圈地质、物理及化学参量的系统变化,来描述这一大尺度东亚地球动力学过程,并提出目前以“克拉通破坏”作为大陆岩石圈改造研究的提法应予修正。呼吁大力鼓励及进行多学科交叉综合研究,重视各学科新技术新方法的引进及应用。在相关研究中高度重视地球深部圈层相互作用,将中生代全球深部地幔事件对中国东部岩石圈地幔全面转型的影响作为今后研究重点。     

Progress in the Study of Deep Profiles of Tibet and the Himalayas (INDEPTH)

This paper introduces 8 major discoveries and new understandings with regard to the deep structure and tectonics of the Himalayas and Tibetan Plateau obtained in Project INDEPTH, They are mainly as follows. (1) The upper crust, lower crust and mantle lithosphere beneath the blocks of the plateau form a "sandwich" structure with a relatively rigid-brittle upper crust, a visco-plastic lower crust and a relatively rigid-ductile mantle lithosphere. This structure is completely different from that of monotonous, cold and more rigid oceanic plates. (2) In the process of north-directed collision-compression of the Indian subcontinent, the upper crust was attached to the foreland in the form of a gigantic foreland accretionary wedge. The interior of the accretionary wedge thickened in such tectonic manners as large-scale thrusting, backthrusting and folding, and magmatic masses and partially molten masses participated in the crustal thickening. Between the upper crust and lower crust lies a large detachment (e.g     

Tomographic Imaging of the India-Asia Plate Collisional Tectonics and Mantle Upwelling Beneath Western Tibet

To better understand the lithosphere mantle collision tectonics between the India plate and Asia plate, we determine three dimensional P wave velocity structure beneath western Tibet using 27,439 arrival times from 2,174 teleseismic events recorded by 182 stations of Hi-CLIMB Project and 16 stations in the north of Hi-CLMB. Our tomographic images show the velocity structure significantly difference beneath northern and southern Qiangtang, which can further prove that the Longmu Co-Shuanghu ophiolitic belt is a significant tectonic boundary fault zone. There are two prominent high velocity anomalies and two prominent low velocity anomalies in our images. One obvious high velocity anomalies subduct beneath the Tibet at the long distance near 34°N, whereas it is broke off by an obvious low velocity anomaly under the IYS. We interpret them as northward subducting Indian lithosphere mantle and the low velocity anomanly under IYS likely reflects mantle material upwelling triggered by tearing of the northward subduction Indian lithosphere. The other prominent high velocity anomaly was imaged at a depth from 50 km to 200 km horizontal and up to the northern Qiangtang with its southern edge extending to about 34°N through Hoh Xil block. We infer it as the southward subducting Asia lithosphere mantle. The other widely low velocity anomaly beneath the Qiangtang block lies in the gap between the frontier of India plate and Asia plate, where is the channel of mantle material upwelling.