中国大陆部分构造单元出露地壳与全球大陆上地壳化学成分的比较——对地壳演化的制约和思考

根据中国东部上地壳区域元素丰度研究和新疆北部地区1∶20万化探成果,总结了23个二级大地构造单元出露地壳的元素地球化学特征。与全球大陆上地壳元素丰度值的对比显示,中国大陆出露地壳成分演化程度介于岛弧与成熟的加拿大地盾之间。华北、扬子地台由于含大量碳酸盐岩地层,其出露地壳SiO2含量偏低,明显富集CaO和MgO,可见在出露地壳和上地壳元素丰度值研究中不应忽视碳酸盐岩的贡献。相对于最新发表的2种全球大陆上地壳平均成分模型,中国大陆出露地壳系统亏损Au、Hg、Mo、Sn和W,表明现有上地壳模型过高地估计了Au、Hg、Mo、Sn、W等元素丰度值。华北地台及其南缘的秦岭-大别山造山带出露地壳具低μ(238U/204Pb)值(<8)特征,但其他地区μ值较高,暗示华北地台及其周边地区出露地壳的低μ值特点不具备全球意义。鉴于中国大陆内部各构造单元之间出露地壳成分的显著横向差异,以华北地台为主体的上地壳成分模型目前尚无充分理由作为中国和全球大陆上地壳平均值的可靠代表。     

中国大陆部分构造单元出露地壳与全球大陆上地壳化学成分的比较--对地壳演化的制约和思考

根据中国东部上地壳区域元素丰度研究和新疆北部地区1：20万化探成果，总结了23个二级大地构造单元出露地壳的元素地球化学特征。与全球大陆上地壳元素丰度值的对比显示，中国大陆出露地壳成分演化程度介于岛弧与成熟的加拿大地盾之间。华北、扬子地台由于含大量碳酸盐岩地层，其出露地壳SiO2含量偏低，明显富集CaO和MgO，可见在出露地壳和上地壳元素丰度值研究中不应忽视碳酸盐岩的贡献。相对于最新发表的2种全球大陆上地壳平均成分模型，中国大陆出露地壳系统亏损Au、Hg、Mo、Sn和W，表明现有上地壳模型过高地估计了Au、Hg、Mo、Sn、W等元素丰度值。华北地台及其南缘的秦岭-大别山造山带出露地壳具低μ（^238U/^204Pb）值（〈8）特征，但其他地区μ值较高，暗示华北地台及其周边地区出露地壳的低μ值特点不具备全球意义。鉴于中国大陆内部各构造单元之间出露地壳成分的显著横向差异，以华北地台为主体的上地壳成分模型目前尚无充分理由作为中国和全球大陆上地壳平均值的可靠代表。     

中国大陆地壳和岩石圈化学成分模型可信吗? ——来自大地热流值的检验

大地热流值是大陆地壳和岩石圈U，Th,K丰度的直接约束；根据地球化学元素丰度值推算出的大地构造单元的区域地壳热流值，必定不能大于区域的平均热流值，根据700余个实测大地热流数据，对目前发表的中国大陆地壳和岩石圈的化学成分模型进行了检验，结果表明，多数模型不能满足大地热充约束，如黎彤等的关于中国大陆及其内部构造单元的地壳和岩石圈成分模型，倪守斌等提出的新疆北部地壳生热率模型，以及高山等提出的扬子地台北缘地壳成分模型，这些模型的U，Th,K丰度值不太可靠，其他强不相容元素的丰度值的可信程度亦值得怀疑，而迟清华，鄢明才提出的华北地台地壳成分模型和高山等建立的中国东部及华北地台和秦岭造山带的地壳成分模型通过了区域大地热流的检验。     

内蒙古中南部出露地壳元素丰度值的估算

运用区域大规模采样方法,对内蒙古中南部地区所采样品进行元素丰度值加权计算,这是建立区域地壳模型的基础工作之一,同时也为化探异常的检出提供较为准确的背景值。研究区涉及内蒙古地轴和内蒙古中部造山系2个构造单元。采用加权求平均值的方法,得到内蒙古中南部出露地壳10种常量元素氧化物和40种微量元素的丰度值。经地表热流值、地震平均波速和元素比值方法检验后证明所得结果合理。计算所得内蒙古中南部出露地壳平均成分为花岗闪长质,与目前一般认为的结论相同。将结果与其他地区进行比较分析后可知,内蒙古中南部出露的地壳与全球上地壳的组成基本一致。由微量元素、稀土元素的图解和内蒙古中南部出露地壳的元素丰度与中国东部出露地壳元素丰度的对比可以看出,整体上,内蒙古中南部具有较强的壳内分异作用和地壳增生作用(地幔物质加入)。     

内蒙古中南部出露地壳元素丰度值的估算

运用区域大规模采样方法,对内蒙古中南部地区所采样品进行元素丰度值加权计算,这是建立区域地壳模型的基础工作之一,同时也为化探异常的检出提供较为准确的背景值。研究区涉及内蒙古地轴和内蒙古中部造山系2个构造单元。采用加权求平均值的方法,得到内蒙古中南部出露地壳10种常量元素氧化物和40种微量元素的丰度值。经地表热流值、地震平均波速和元素比值方法检验后证明所得结果合理。计算所得内蒙古中南部出露地壳平均成分为花岗闪长质,与目前一般认为的结论相同。将结果与其他地区进行比较分析后可知,内蒙古中南部出露的地壳与全球上地壳的组成基本一致。由微量元素、稀土元素的图解和内蒙古中南部出露地壳的元素丰度与中国东部出露地壳元素丰度的对比可以看出,整体上,内蒙古中南部具有较强的壳内分异作用和地壳增生作用(地幔物质加入)。     

大陆深部地壳物质成分识别方法综述

本文系统总结了大陆深部地壳物质成分识别研究方法和元素丰度合理性检验的方法,以期为大陆深部地壳物质成分探测提供技术方法体系。深部地壳物质成分识别的主要方法有:①因构造运动抬升出露到地表的中下地壳剖面;②地表出露的高级变质地体;③产于火山岩中的深部地壳捕掳体,如麻粒岩捕掳体;④地球物理测深资料与深部岩石物理性质的高温高压实验测定结果之间的拟合和⑤壳源岩浆岩源区地球化学示踪。元素丰度合理性检验的方法主要有地表热流和元素比值法。     

新疆天山表壳元素地球化学特征

根据天山地区(42～44^oN，81～89^oE)1：20万，七探采集的900余个岩石样品的分析结果，基于全样本统计和迭代剔除方法，得到新疆天山地区表壳(出露地壳)的39种元素丰度值；对其中的SiO2、TiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、MnO、CaO、Na2O、K2O、P2O5 10种常量元素，按氧化物之和为100％进行归算。与全球大陆上地壳元素丰度值相比，天山地区表壳元素丰度富集SiO2、MnO和Ag、As、Hj、Sb元素，明显亏损CaO和。Be、Co、Cr、Ni、Mo、Sn，V、W等元素。从元素比值来看，该区表壳的Ba/La、K／La、K／Th、Nb/La、Th/La、Y／La值与全球大陆上地壳相应元素值相当；而K／Na、La／As、La／Sb值明显低于全球大陆上地壳。该区表壳化学成分相当于花岗闪长岩，同时表现出相对富钠和As、Sb元素的特征；这一地球化学特征与区内出露的表壳岩石主要是加里东期和海西期岛弧造山作用的产物有关，相对富钠的成分特征与岛弧岩浆活动中的Adakite质岩浆作用有关。     

内蒙古地区出露地壳元素丰度估算

运用区域大规模采样方法,通过对采集于内蒙古5条地震剖面的392个样品的元素含量进行计算,得到内蒙古地区出露地壳的12种常量元素(氧化物)及40种微量元素的丰度。计算方法主要采取每个时代地层用其标准剖面中各个岩性岩石厚度权重进行加权,而后按地质图上各地层及岩体出露面积进行加权的方法。计算得到的元素丰度经地表热流值、地震平均波速及元素比值方法检验后证明在合理范围内。将常量元素与不同研究者所得的上地壳元素平均值进行比较分析后可知,内蒙古地区出露地壳与全球上地壳组成基本一致,平均成分为花岗闪长岩,只是其中Ca、Mg的含量略低。由微量元素、稀土元素及元素比值等方面的分析结果可以看出,内蒙古地区两个主要构造单元——内蒙古地轴和兴蒙造山带存在较大差异,内蒙古地轴具有强烈的壳内分异作用,而兴蒙造山带则具有较强烈的地壳增生作用。     

应用大地热流和地下流体氦同位素组成资料计算中国大陆地壳生热元素丰度

根据能量守恒原理和中国大陆实测热流数据,给出中国大陆地壳生热率上限值为1.3μWm-3。根据热流值和地下流体氦同位素组成资料,估算出中国大陆地壳生热率为0.58～1.12μWm-3,中位数为0.85μWm-3,相应的铀、钍、钾丰度范围分别是0.83～1.76μg/g、3.16～6.69μg/g和1.0%～2.12%。中国陆壳铀、钍、钾元素整体丰度值明显高于太古宇地壳,反映中国陆壳成分演化程度较高。同时,中国大陆地壳成分具有明显的横向非均匀性特征:东部地壳相对西北部富集铀、钍、钾等强不相容元素,褶皱带相对克拉通地区富集铀、钍、钾元素。基于大陆地壳SiO2含量与地壳生热率之间的正相关关系推断,中国东部地壳较西部富长英质组分,褶皱带地壳成分较克拉通富长英质组分。此区域性变化特征与基于地震波速资料推断的结果相符。基于中国大陆地壳生热率变化范围以及地震波速低于全球平均值的特征,推断Rudnick和Fountain(1995)、Rudnick和Gao(2003)、Weaver和Tarney(1984)、Shaw等(1986)以及Wedepohl(1995)的全球陆壳成分模型均高估了铀、钍、钾等强不相容元素丰度。     

新疆东准噶尔地区表壳元素地球化学特征及其地质意义

根据东准噶尔地区1：20万化探均匀采集的900余个岩石样品的分析结果，基于全样本统计和迭代剔除方法，得到新疆东准噶尔地区表壳(出露地壳)的39种元素丰度值；同时对其中的SiO2、TiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、MnO、CaO、Na2O、K2O、P2O5 10种常量元素，按氧化物之和为100％进行了归算。东准噶尔地区表壳在化学成份上相当于花岗闪长岩。与全球大陆上地壳元素丰度值相比，明显富集Na2O、MnO和As、Sb、Ag元素，略富集SiO2、TiO2、P2O5和Y，明显亏损Co、Cr、Mo、Ni、Sn、W等元素，亏损CaO、K2O、MgO和Be、La、Nb、Pb、Sr、Th、U等元素。从元素比值来看，东准噶尔地区地区表壳的K／La、K／Th、Nb／La、Th／La、La／As、K／Na比值低于全球大陆上地壳相应元素比值；而La／Cr比值高于全球大陆上地壳。东准噶尔地区表壳在成分特征上与典型的岛弧造山带上地壳更为接近，但较后者略为成熟。加里东和海西期造山作用是影响和制约东准噶尔地区表壳的元素地球化学特征的重要地质因素。     

大洋地壳和大陆地壳的元素丰度

大洋地壳和大陆地壳是全球大地构造的两个基本构造单元,研究大地构造各级单元中化学元素及其同位素的丰度,是构造地球化学的一个基础研究课题。这个研究课题的基本内容,包括丰度值的计算和丰度规律的研究,以及这些丰度值和规律在解决理论问题和实际问题上的应用。     

中国大陆科学钻探主孔揭示的大陆地壳生热模型

本文对大陆科学钻探主孔149块岩心样品进行了系统的岩石放射性生热元素 U、Th 和 K 的含量测试,同时结合该井浅部井段前人的实测数据,揭示了上地壳5km 生热率的垂向分布。结果显示,以1650m 为界,上下两段生热率均随深度呈增加趋势,与正常地壳生热率特征不同,显示出超高压变质带独特的生热率垂向变化特征。结合地壳的岩性分布,建立了苏鲁超高压变质带地壳的生热模型。该模型中,地壳厚32km,其中上地壳0～10km,由超高压变质岩片组成,按岩性又详细分为8层,生热率变化在0.49～1.73μWm~(-3)。中地壳10～20km,由片麻岩组成,生热率为生热率1.51μWm~(-3)。下地壳20～32km为麻粒岩,生热率0.31μWm~(-3)。整个地壳热流约31mw/m~2,其中上地壳12mW/m~2。上地壳厚度和热流分别占整个地壳的31%和39%。与华北和下扬子地壳生热模型相比,上地壳热流整个地壳热流的比例最低。这表明,苏鲁超高压变质带,作为中朝与扬子板块俯冲-碰撞的产物,其地壳生率垂向分布与正常大陆地壳(华北、下扬子)相比,具有显著的不同。     

岩石化学元素丰度在地球化学块体研究中的意义

以Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Sb、Hg、W、Sn、Mo、U、Cr、Ni、Co等14种成矿元素为例,利用中国东部不同构造单元的出露地壳和不同类型岩石的元素丰度阐明其在水系沉积物地球化学块体划分与研究中的意义.利用岩石元素丰度对地球化学块体进行研究,既可查明不同地球化学景观区水系沉积物地球化学块体的成因,又可为地球化学块体的研究对比提供条件.因此,应建立不同大地构造单元或不同地球化学景观区的岩石元素丰度并加强其与水系沉积物元素含量的对应关系的研究,这将会对地球化学块体的划分与推断解释提供重要的更加合理的依据.     

大地热流研究揭示的中国地壳成分横向变化

依据大地热流值、地壳厚度以及大陆壳／幔热流比与地下流体氦同位素比值的相关关系，计算出中国主要构造单元地壳生热率。同时，根据Rudnick和Fountain(1995）的数据得到地壳生热率和SiO2质量分数的线性关系，进而利用生热率数据得到地壳SiO2质量分数。此方法得到的中国东部地壳生热率和SiO2质量分数与基于地震波速的成分模型相符。中国大陆地壳生热率和SiO2质量分数横向变化明显，东部地区地壳为中性成分，相对富集强不相容元素；而西北部盆地地壳成分偏于中基性。华北、扬子和塔里木地壳成分差异较大，克拉通内部表现出明显的成分非均匀性，褶皱带地壳一般较克拉通略富长英质组分。     

中国东部地壳元素丰度与岩石平均化学组成研究

迄今我们习用的地壳化学元素丰度和岩石平均化学组成的文献值大多是收集的汇编数据,不少微量元素特别是贵金属等难测元素的丰度所依据的样品的代表性和测试质量难以考证,其值存在着颇大的不确定度。本研究立足于实测资料,在中国东部系统采集了各类火成岩和变质杂岩体及各时代的标准地层剖面岩石样品28253个,组合成2718个分析样。采用中子活化等15种可靠分析方法测试,以国家一级标准物质作质量监控。求得的华北地台地壳、中国东部上地壳和出露地壳及各类岩石的78种化学元素丰度,显著改善了地壳和岩石的化学元素丰度,填补了多种岩石微量元素丰度的空白。     

新疆阿尔泰表壳元素地球化学特征

根据阿尔泰地区1：20万化探均匀采集的1100余个岩石样品的分析结果，基于全样本统计和迭代剔除方法，得到新疆阿尔泰地区表壳(出露地壳)的39种元素丰度值；同时对其中的SiO：、Tio：、A12O3等10种常量元素，按氧化物之和为100％进行了归算。阿尔泰地区表壳在化学成分上相当于花岗闪长岩。与全球大陆上地壳元素丰度值相比，明显富集。MnO、P205和As、Li元素，略富集SiO2和Sb元素，亏损CaO、Na2O和Pb、U以及相容元素Co、Cr、Ni等。阿尔泰地区表壳的K/La、K／Na、K／Th等元素比值与全球大陆上地壳相应元素比值相当；而La／As比值低于全球大陆上地壳，Th／Pb、Th/U、La／Cr比值高于全球大陆上地壳。阿尔泰表壳在成分特征上较典型的岛弧造山带上地壳更为成熟。加里东期、海西期岛弧造山作用以及海西期后的成岩成矿事件是影响和制约阿尔泰表壳元素地球化学特征的重要地质因素。     

地壳放射性生热效应对大陆俯冲过程影响的数值模拟研究

岩体中的放射性生热是地幔对流和地壳变质作用的关键热源之一,但地壳放射性生热率是如何影响大陆俯冲-碰撞的动力学过程,尤其是大陆碰撞区域的热结构演化,尚未获得共识。本文使用热-力学数值模拟方法对上、下地壳放射性生热率进行系统的模拟实验,以研究其对大陆俯冲动力学演化过程的影响。模型实验表明,由于大陆上地壳富集U、Th和K等主要放射性生热元素,且放射性生热率的变化区间较大(1.0~3.0μW/m~3),导致其对大陆俯冲碰撞动力学演化过程的影响较为显著,主要包括进入俯冲通道内的上地壳体积大小、碰撞区域内地壳熔融范围、俯冲下地壳物质折返的规模和两大陆的耦合程度等四个方面。而大陆下地壳则以中-基性岩为主,相对亏损U、Th、K等主要放射性生热元素,且放射性生热率的变化区域较小(0.2~0.8μW/m~3),致使其对大陆俯冲演化过程的影响相对有限,主要通过控制俯冲下地壳以及大陆板片的粘滞度和流变强度的大小,进而制约大陆俯冲过程下地壳物质折返的规模以及板片倾角的大小。     

对中国大陆壳体的放射性生热元素丰度的大地热流检验

本文作者据《中国大陆壳体的区域元素丰度》一文给出的壳体放射性生热元素铀、钍、钾的丰度，计算出中国大陆三个主要壳体的平均热流值，将其与实测大地热流平均值进行对比。结果表明计算值不满足实测大地热流值的约束，这意味着该文给出的铀、钍、钾的丰度值偏高。我们认为，根据区域地震剖面地震波速推断岩性，再利用出露地表的相应岩石的成分估计地壳或地幔放射性生热元素丰度的方法，缺乏十分可靠的理论或实验基础。同时该文给出的中国大陆壳体的其他强不相容元素的丰度值是否可靠也值得商榷。     

中国西部地壳岩石密度及其组成

本研究采用前人归纳的中国西部主要构造单元的P波波速结构来研究中国西部的地壳密度及组分特征。对地壳岩性推测依据:(1)实测地壳V_p值与实验室测量的常见不同岩性V_p值的对比,(2)根据波速(V_p)-密度(ρ)转换方法,将下地壳的P波波速结构转化为密度结构,并采用Monte Carlo法对密度值的误差进行估算。结果显示:除川西地区以外,中国西部各构造单元的(结晶)地壳密度值大于全球大陆地壳平均值2830 kg/m~3。中国西部各构造单元上地壳P波波速和密度均与中酸性岩类相当,中地壳P波波速和密度均与中性岩相当,下地壳P波波速和密度均与基性岩类相当。因此,中国西部上地壳是中酸性的,中地壳是中性的,下地壳是基性的。     

中国满州里—绥芬河地学断面地壳—上地幔化学组成及垂向地球化学分带

通过地质、地球物理和地球化学综合研究，建立了断面域兴安、松嫩地块地壳－上地幔结构及岩石组成模型，估算了地壳－上地幔各结构层的元素丰度（地壳５３种，地幔３４种）。根据不同结构层的元素丰度，建立了兴安、松嫩地块地壳－上地幔垂向地球化学分带。兴安、松嫩地块化学组成的横向对比表明每个地块都有其独立演化历史。与华北地台南缘化学组成对比表明两地块与华北地台无明显成因联系。