大陆岩石圈地幔定年

大陆岩石圈地幔是伴随地壳熔体抽取而形成的低密度地幔残留,是联系软流圈与地壳的重要纽带。虽然大陆岩石圈地幔一直是固体地球科学研究的重要内容,但对其形成时代的准确厘定则是当前研究的难点。传统方法是采用岩石圈地幔中橄榄岩主要元素的贫瘠程度来对岩石圈进行定年,即古老的岩石圈地幔Al2O3和CaO含量低,而MgO含量高(同时导致橄榄石高Fo值),而年轻岩石圈地幔的特征正好相反。显然,这种间接的方法不能给出确切的年龄信息。尽管Sr-Nd和锆石U-Pb等同位素方法也被用来进行地幔橄榄岩定年,但岩石圈地幔通常具有的较高温度使上述同位素体系不能保持封闭,因而给出的年龄大多与岩石圈地幔的形成时代无关。近几年发展起来的Re-Os同位素技术是目前进行岩石圈地幔定年的最理想工具,但也存在一系列需要研究的问题。文中对这一方法的基本原理、发展现状和存在的问题进行了全面的介绍。同时,根据目前获得的Os同位素资料,对中国东部岩石圈地幔的时代进行了讨论,并简要论述所获得的资料对岩石圈减薄研究的启示。     

岩石圈地幔中的金刚石及其矿物包裹体的研究进展

金刚石及封存于其中的矿物包裹体对于研究金刚石的成因以及古老岩石圈地幔、超深地幔的性质和地幔过程具有重要的研究意义,是国内外地质学家们的研究热点。大多数金刚石来源于岩石圈地幔,根据包裹体相对于寄主金刚石形成的时间可分为先成包裹体、同生包裹体和后生包裹体,包裹体属于哪种类型直接关系到数据所代表的意义,根据包裹体源区的岩石类型,通常将包裹体分为P/U型和E型,介绍了2种类型包裹体包含的矿物种类,并对出现较多的橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、石榴石、铬铁矿和硫化物包裹体的矿物学特征进行了详细描述,归纳了金刚石及其矿物包裹体的主要研究方向:包裹体矿物的化学成分、金刚石的碳同位素组成、金刚石形成的温度、压力及年龄,综述了克拉通岩石圈地幔金刚石及其矿物包裹体的成因,总结了我国金刚石中包裹体的研究成果,分析了国内研究工作与国际上的差距。     

华北克拉通古老岩石圈地幔及其组成的“逆向演化”

华北克拉通古老岩石圈地幔演化过程中有3种深部地质作用最为重要:①岩浆的萃取作用;②不同来源的熔/流体对岩石圈的交代作用;③软流圈及其熔体与岩石圈的相互作用。在蒙阴金伯利岩的捕虏体样品中发现有早晚两期斜方辉石,前者是早期粗粒结构橄榄岩残留的矿物;后者是晚期地幔发生塑性流变后形成的辉石。本文对比了蒙阴和复县两岩区以及南非两种典型结构橄榄岩捕虏体的主、微量元素,发现较晚期的具剪切结构的橄榄岩难熔程度反而低于较早期的具粗粒结构者。粗粒结构的Mg’值都大于0.90(0.902～0.93),Al2O3含量变化于0.22%～2.32%;而具剪切结构者Mg’值都小于0.90(0.86～0.88),Al2O3含量变化于1.69%～2.75%。表明地幔成分演化时不仅存在受第①种作用制约的地幔不断贫瘠/难熔的正向演化,而且还存在受第③种作用制约的地幔由贫瘠转向饱满的"逆向"演化趋势。经粗略对比后,推测在约3Ga的这段地质历史时期内华北克拉通古老岩石圈地幔至少出现过2次岩浆萃取事件和两次"逆向演化"过程。与显生宙的相比,出现在古老岩石圈地幔中的第③种作用规模小,强度低,不均一性更为明显。     

大陆岩石圈地幔的组成与交代作用

结合前人研究成果,总结了大陆岩石圈地幔的研究方法和研究对象,并对研究方法及研究对象作了评述.Griffin等将岩石圈地幔分为Archon、Proton、Tecton三类.Archon大陆岩石圈地幔相对原始地幔来说是强烈亏损的;大多数Tecton相对于原始地幔是适度亏损的;而Proton的组成在Archon和Tecton大陆岩石圈地幔2个端元之间.总体上看,古老岩石圈地幔亏损程度最大,而年轻岩石圈地幔相对古老岩石圈富集.富集过程主要与地幔交代作用有关.从交代作用的表现形式、交代剂的性质与来源方面,通过研究地幔捕虏体/捕掳晶,可以很好地认识岩石圈地幔的富集过程.     

宽甸橄榄岩包体微区地球化学特征及其岩石圈地幔演化

华北克拉通东部宽甸新生代碱性玄武岩中携带的地幔橄榄岩包体为我们认识该地区岩石圈地幔性质和演化过程提供了约束。根据橄榄石的Mg^#可将宽甸橄榄岩包体分成两类: 第1类为低Mg^#二辉橄榄岩包体(橄榄石Mg^#相对较低: 89.8～90.3),其单斜辉石具有高TiO₂(0.38%～0.57%)、Al₂O₃(4.41%～6.87%)、FeO_T(2.46%～3.73%)、MnO(0.08%～0.11%)含量和低Cr^#(7.42～14.2)的特征,它们所经历的部分熔融程度较低,这些特征类似于中国东部晚白垩世和新生代玄武岩中低Mg^#橄榄岩,代表了新生饱满的岩石圈地幔;第2类为高Mg^#方辉橄榄岩包体(橄榄石Mg^#相对较高:91.0～92.3),其单斜辉石具有低TiO₂(0.03%～0.33%)、Al₂O₃(2.27%～5.49%)、FeO_T(2.04%～2.40%)、MnO(0.07%～0.08%)含量和高Cr^#(15.3～25.8)的特征,它们经历了较高程度的部分熔融作用,其难熔的地球化学特征完全不同于低Mg^#二辉橄榄岩,却与克拉通内部太古宙和元古宙地幔包体类似,代表了古老难熔岩石圈地幔的残留。两类橄榄岩包体的平衡温度没有显著差异说明宽甸岩石圈地幔不存在明显的分层现象,而是新老岩石圈地幔混杂出现。宽甸橄榄岩包体的微量元素特征表明了它们受到过多期复杂的地幔交代作用,交代介质类型不仅有硅酸盐熔/流体还有碳酸盐熔体,其来源既有太平洋板块俯冲释放的熔/流体,又有因受太平洋板块俯冲扰动而上涌的软流圈熔体,因此太平洋板块俯冲可能对华北克拉通的破坏起到了重要作用。     

扬子克拉通东北缘岩石圈地幔的Re-Os同位素地球化学:大陆岩石圈地幔的形成和演化的制约

苏皖地区新生代碱性玄武岩中有丰富的地幔橄榄岩捕虏体 ,测定了 2 0多个样品的Re Os元素丰度和锇同位素组成 ,结果 :Re =0 .0 2 7× 10 - 9～ 0 .375×10 - 9,Os=0 .112×10 - 9～ 3.35× 10 - 9,1 87Os 1 88Os=0 .117～ 0 .134。由代理等时线法1 87Os 1 88Os Yb获得该区岩石圈地幔早期熔体亏损事件的年龄为 1.7Ga(中元古代 )。苏皖地区岩石圈地幔的古老性表明它是元古代后岩石圈拆沉 减薄作用的残余地幔部分。岩石圈地幔经过了亏损 富集多阶段演化。     

太古宙克拉通岩石圈地幔研究现状述评

本文主要介绍了太古富克拉通岩石圈地幔的一些基本特征，国内外有关早期地幔研究的最新进展和发展趋势，主要包括以下几方面：１．太古宙岩石圈地幔的岩石组成和化学组成；２太古亩地幔同位素体系；３．太古亩地幔热状态和结构特征；４．幔内地质事件。通过研究主要获得以下认识：１．早太古代岩石圈演化以壳－幔分异作用为主，晚太古代以壳内分界作用为主；２．太古宙存在一个又厚又冷（２００ｋｍ）的岩石圈；３馒内地质作用与克拉通化存在成因上的联系。     

汉诺坝橄榄岩捕虏体的单斜辉石LAM-ICPMS分析及其岩石圈地幔演化意义

橄榄岩成分及其中矿物(如单斜辉石)微量元素组成可以很好地揭示岩石圈地幔性质．在对汉诺坝新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体做详细岩相学和岩石化学研究基础上,重点分析了单斜辉石的激光原位微量元素,并探讨了新生代华北克拉通北缘岩石圈地幔特征及地幔演化．汉诺坝地区岩石圈地幔是相当于原始地幔经过不同程度的部分熔融抽取形成的,除个别样品的部分熔融程度为15％-20％外,多数样品<5％．全岩主元素、单斜辉石成分体现出新生代汉诺坝地区的岩石圈地幔是很不均一的:在主体饱满型中有亏损型地幔的残留．这种共存现象可能是软流圈物质对古老地幔进行侵蚀、混合和改造置换的结果．单斜辉石微量元素组成所体现的碳酸岩岩浆交代作用和硅酸盐熔／流体的交代作用也支持这一认识．     

祁连山造山作用与岩石圈地幔的特型结构构造

本文探讨了祁连山地壳增厚与造山机制。提出新生代以来,由于印度地块向北推进,其延迟的远程效应使祁连地块内4条断裂再次活动,特别是23 Ma以来,分阶段的活动使上地壳缩短了30%,40 km厚的祁连地壳增加到57km厚;并通过柴达木地块下地壳物质的挤入,使祁连地块地壳厚度增加到现今的60~74 km;地壳质量基本平衡表明其下部地壳物质横向迁移较小,即走滑断裂带走的地壳物质较少。依据INDEPTH-V新的宽频地震调查成果,提出祁连地块下岩石圈地幔的复杂结构,南部来的昆仑岩石圈地幔(双层结构)与北部向南俯冲的阿拉善地块下的亚洲岩石圈地幔在祁连地块深部相碰撞,而柴达木—祁连岩石圈地幔则被保存在昆仑岩石圈与亚洲岩石圈地幔碰撞带之上,共形成一倒三角汇聚区;在柴北缘与中祁连北缘岩石圈地幔各出现一条北倾和南倾的正转换震相,可能是老俯冲带残存岩片的显示;在祁连地块岩石圈地幔的两端地壳底部还出现有"双"莫霍"现象",地表见有多条榴辉岩带。以上结果构成了高原最具特色的构造区。     

熔体再富集作用对大陆岩石圈地幔的影响

         二辉橄榄岩通常被认为是低程度部分熔融的残留,但熔体再富集作用为其成因提供了一种新的解释。熔体再富集作 用通常是指软流圈来源的玄武质熔体加入到难熔的方辉橄榄岩或纯橄岩形成更为饱满的二辉橄榄岩的过程。除了使主量元 素富集之外,熔体再富集作用还可以使微量元素与Sr-Nd 同位素从方辉橄榄岩中的富集特征转变为二辉橄榄岩所呈现的亏 损特征。对于熔体再富集作用是否改变橄榄岩的Os 同位素组成还存在较大的争议,它主要取决于加入熔体的比例,熔体中 硫的饱和程度以及熔体再富集作用发生的时间等因素。对于以低熔/岩比例为主的大陆岩石圈地幔来说,熔体再富集作用对 橄榄岩的Os 同位素组成的影响可能较为有限。除了化学成分上的影响之外,熔体的加入也会改变大陆岩石圈地幔的物理特 征。这一过程使得岩石圈地幔的渗透率增大和黏滞度降低,从而会破坏大陆岩石圈地幔的稳定性。虽然熔体再富集作用可 以影响和改变岩石圈地幔的性质,但它是否导致克拉通地幔的减薄以及克拉通破坏尚有疑问。     

Mantle Redox State Evolution in Eastern China and Its Implications

Using the secondary spinel standard, the authors have precisely measured the Fe3+/∑ Fe values of spinels in mantle xenoliths from Cenozoic basalts in eastern China, and estimated the oxygen fugacities recorded by 63 mantle xenoliths through olivine-orthopyroxene-spinel oxygen barometry. The results indicate that the oxygen fugacities of the lithospheric mantle in eastern China are higher in the south than in the north. Among them, the oxygen fugacity of the North China craton lithospheric mantle is the lowest, similar to that of the oceanic mantle, while that of Northeast and South China are the same as that of the global continental mantle. The variations of mantle redox state in eastern China are mainly controlled by the C-O-H fluids derived from the asthenospheric mantle. According to the mantle oxidation state, it can be concluded that the C-O-H fluids in the lithospheric mantle of eastern China consist mainly of CO2 and minor H2O, but CH4-rich fluids should come from the asthenosphere where the ox     

Petrography and Geochemistry of Peridotite Xenoliths from Hannuoba and Significance for Lithospheric Mantle Evolution

Mantle-derived xenoliths and xenocrysts in Pale-ozoic diamondiferous ki mberlites in Mengyin (Shan-dong Province) and Fuxian (Liaoning Province) showthe presence of a cold,thick lithospheric mantle be-neath the North China craton ( NCC) in the MiddleOrdovician ( Griffin et al ., 1998 ; Menzies et al .,1993 ;Fan and Menzies ,1992) . However ,studies onmantle peridotites captured in the Tertiary to Neo-gene basalts of the NCC have revealed the existenceof a thin, hot and fertile lithosph…     

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。     

中国东部陆下岩石圈地幔中的再循环地壳流体组分

地幔捕虏体中的流体组分记录了地幔演化的信息,可用来认识地幔中再循环地壳组分的性质和来源。采用分步加热质谱法测定中国东部二辉橄榄岩捕虏体组成矿物中流体挥发份的碳、氢和氧同位素组成,结合化学组成(Zhang et al., 2004)综合分析表明,早期流体包裹体、矿物晶格缺陷和空隙中的流体挥发分主要在高温段(800-1200°C)释出,CO2和CO显示较轻的δ13C值,与世界其它地区地幔捕虏体明显不同;晚期流体包裹体中的流体挥发分主要在低温段(300-600°C)释出。根据中国东部地幔演化事件、地幔矿物性质认为陆下岩石圈地幔中三种类型的流体挥发份中均存在来源不同的再循环地壳组分：（1）地幔初始流体：主要为耐熔矿物橄榄石在800-1200°C释出的流体组分,华北克拉通地幔初始流体的化学组成（主要为CO）与华南克拉通（主要为CO2）明显不同,反映二者拼合前各自演化时期捕获的流体组分。地幔特征的δD、δ13CCH4和δ18OCO2反映初始流体组分可能为元古代克拉通大陆型岩石圈地幔成分,较轻的CO2 和 CO的δ13C值揭示初始流体中存在部分再循环地壳流体,可能在1.9Ga的大陆碰撞过程中混入。（2）地幔交代流体：指斜方辉石和单斜辉石800-1200°C释气峰的流体组分,以H2为主。华北克拉通交代流体主要组分H2含量(80.73 mm3.STP/g) 明显低于华南克拉通(138.91 mm3.STP/g),地幔特征的δDH2和δ13CCH4表明交代流体主体为地幔来源,较轻的δ13CCO2,CO和较重δ18OCO2揭示其中存在再循环陆壳流体,其可能的来源为华北与华南中生代拼合过程中的壳幔相互作用。（3）岩石圈减薄流体：指二辉橄榄岩捕虏体组成矿物在400-600°C释放出的流体,华北与华南克拉通在流体组成方面相似,壳源特征的CO2、CO和CH4的δ13C值,以及较轻的δ18OCO2和δDH2O值指示该流体可能为岩石圈地幔减薄过程中引起的再循环洋壳流体,可能与中国东部转换带中水平俯冲的太平洋岩石圈(或其前身)脱气有关。     

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.      

Compositions of Upper Mantle Fluids Beneath Eastern China: Implications for Mantle Evolution

The composition of gases trapped in olivine, orthopyroxene and clinopyroxene in Iherzolite xenoliths collected from different locations in eastern China has been measured by the vacuum stepped-heating mass spectrometry. These xenoliths are hosted in alkali basalts and considered as residues of partial melting of the upper mantle, and may contain evidence of mantle evolution. The results show that various kinds of fluid inclusions in Iherzolite xenoliths have been released at distinct times, which could be related to different stages of mantle evolution. In general, primitive fluids of the upper mantle (PFUM) beneath eastern China are dominated by H2, CO2 and CO, and are characterized by high contents of H2 and reduced gases. The compositions of PFUM are highly variable and related to tectonic settings. CO, CO2 and H2 are the main components of the PFUM beneath cratons; the PFUM in the mantle enriched in potassic metasomatism in the northern part of northeastern China has a high content of H2, while CO2 a     

Archean-Paleoproterozoic Lithospheric Mantle at the Northern Margin of the North China Craton Represented by Tectonically Exhumed Peridotites

Tectonically emplaced peridotites from North Hebei Province, North China Craton, have retained an original harzburgite mineral assemblage of olivine(54%–58%) + orthopyroxene(40%–46%)+minor clinopyroxene(1%)+spinel. Samples with boninite-like chemical compositions also coexist with these peridotites. The spinels within the peridotites have high-Al end-members with Al_2O_3 content of 30 wt % –50 wt %, typical of mantle spinels. When compared with experimentally determined melt extraction trajectories, the harzburgites display a high degree of melting and enrichment of SiO_2, which is typical of cratonic mantle peridotites. The peridotites display variably enriched light rare earth elements(REEs), relatively depleted middle REEs and weakly fractionated heavy REEs, which suggest a melt extraction of over 25% in the spinel stability field. The occurrence of arc-and SSZ-type chromian spinels in the peridotites suggests that melt extraction and metasomatism occurred mostly in a subduction-related setting. This is also supported by the geochemical data of the coexisting boninite-like samples. The peridotites have ~(187)Os/~(188)Os ratios ranging from 0.113–0.122, which is typical of cratonic lithospheric mantle. These ~(187)Os/~(188)Os ratios yield model melt extraction ages(TRD) ranging from 981 Ma to 2054 Ma, which may represent the minimum estimation of the melt extraction age. The Al_2O_3-~(187)Os/~(188)Os-proxy isochron ages of 2.4 Ga–2.7 Ga suggest a mantle melt depletion age between the Late Achaean and Early Paleoproterozoic. Both the peridotites and boninite-like rocks are therefore interpreted as tectonically exhumed continental lithospheric mantle of the North China Craton, which has experienced mantle melt depletion and subduction-related mantle metasomatism during the Neoarchean-Paleoproterozoic.     

The Origin and Evolution of the Kaapvaal Cratonic Lithospheric Mantle

A detailed petrological and geochemical study of low-temperatureperidotite xenoliths from Kimberley and northern Lesotho ispresented to constrain the processes that led to the magmaphileelement depletion of the Kaapvaal cratonic lithospheric mantleand its subsequent re-enrichment in Si and incompatible traceelements. Whole-rocks and minerals have been characterized forRe–Os isotope compositions, and major and trace elementconcentrations, and garnet and clinopyroxene for Lu–Hfand Sm–Nd isotope compositions. Most samples are characterizedby Archaean Os model ages, low Al, Fe and Ca contents, highMg/Fe, low Re/Os, very low (< 0·1 x chondrite) heavyrare earth element (HREE) concentrations and a decoupling betweenNd and Hf isotope ratios. These features are most consistentwith initial melting at 3·2 Ga followed by metasomatismby hydrous fluids, which may have also caused additional meltingto produce a harzburgitic residue. The low HREE abundances ofthe peridotites require that extensive melting occurred in thespinel stability field, possibly preceded by some melting inthe presence of garnet. Fractional melting models suggest that30% melting in the spinel field or 20% melting in the garnetfield followed by 20% spinel-facies melting are required toexplain the most melt-depleted samples. Garnet Nd–Hf isotopecharacteristics indicate metasomatic trace element enrichmentduring the Archaean. We therefore suggest a model includingshallow ridge melting, followed by metasomatism of the Kaapvaalupper mantle in subduction zones surrounding cratonic nuclei,probably during amalgamation of smaller pre-existing terranesin the Late Archaean (2·9 Ga). The fluid-metasomatizedresidua have subsequently undergone localized silicate meltinfiltration that led to clinopyroxene ± garnet enrichment.Calculated equilibrium liquids for clinopyroxene and their Hf–Ndisotope compositions suggest that most diopside in the xenolithscrystallized from an infiltrating kimberlite-like melt, eitherduring Group II kimberlite magmatism at 200–110 Ma (Kimberley),or shortly prior to eruption of the host kimberlite around 90Ma (northern Lesotho). KEY WORDS: Kaapvaal craton; lithospheric mantle; metasomatism; Nd–Hf isotopes; Re–Os isotopes