中国东部大地幔楔形成时代和华北克拉通岩石圈减薄新机制——深部再循环碳的地球动力学效应

地震P波速度成像显示,西太平洋俯冲板片滞留在地幔过渡带,在中国东部形成"大地幔楔"结构.中国东部大陆玄武岩的Mg同位素调查揭示了该俯冲滞留板片携带大量碳酸盐交代地幔过渡带上覆的对流地幔,形成了碳酸盐化橄榄岩,它是中国东部晚白垩世和新生代大陆强碱性玄武岩的源岩.该玄武岩的Mg-Sr同位素组成与年龄关系显示自106Ma以来,该地幔源区的碳酸盐种属为菱镁矿+少量白云石,发生初熔的深度为300~360km.因此,该地幔源区的碳酸盐化交代作用应发生在大于360km的深度,即在106Ma以前俯冲板片已经开始滞留地幔过渡带,形成了大地幔楔结构.这一时代支持大地幔楔的俯冲板片后撤形成机制.根据高温高压实验结果,碳酸盐化橄榄岩熔融产生的含碳酸盐硅酸盐熔体在到达至华北克拉通初步减薄的岩石圈底部(180~120km)时仍可以有高达25~18wt%的CO_2含量,其SiO_2和含量及类似于强碱性的霞石岩和碧玄岩,并具有较高的εNd值(2~6).该熔体向上渗透并交代底部岩石圈地幔可形成碳酸盐化橄榄岩.由于克拉通地热增温线与碳酸盐化橄榄岩固相线相交于130km深度,则华北克拉通岩石圈底部的碳酸盐橄榄岩将发生部分熔融导致其物理性质类似软流圈且较容易被对流上地幔置换.其新生成的碳酸盐-硅酸盐熔体又可以向上渗透交代上覆的岩石圈地幔.如此重复这一碳酸盐化交代-熔融过程,可以使岩石圈减薄,而碳酸盐-硅酸盐熔体也转变呈较富硅和具有较低εNd值(低至-2)的碱性玄武岩.随着华北克拉通岩石圈的减薄,其地热增温线逐步向大洋岩石圈靠近,岩石圈碳酸盐化橄榄岩的初熔深度可小于130km和逐步接近70km.因此,富碳酸盐熔体与岩石圈相互作用是华北克拉通岩石圈减薄过程在晚白垩世和新生代的一种可能机制.据中国东部低玄武岩的年龄统计,106~25Ma区间岩石圈的碳酸盐化交代-熔融引发的减薄过程仅零星存在,而在25Ma以后才大规模发生.因此,华北克拉通岩石圈的减薄可能存在两个峰期:与克拉通破坏峰期(135~115Ma)同时发生的岩石圈减薄,和25Ma以后由富碳酸盐硅酸盐熔体与岩石圈相互作用引发的岩石圈进一步减薄,它使得华北克拉通东部岩石圈减薄至现今的约70km左右.     

华北中生代镁铁质岩浆作用与克拉通减薄和破坏

华北克拉通在中生代发生了岩石圈减薄,古老的大陆岩石圈地幔在减薄后被年轻的新生岩石圈地幔所取代.与此同时,华北克拉通发生了破坏,以大规模早白垩世岩浆作用为标志.尽管对这个现象有了共识,但是对华北克拉通岩石圈破坏的机制仍然存在争议.文章以华北中生代镁铁质岩浆作用为视角,试图对上述争议提出解决办法.华北中生代镁铁质岩浆作用以早白垩世的~121Ma为分界点,在此之前的镁铁质岩浆岩兼具岛弧玄武岩微量元素组成和明显富集Sr-Nd同位素组成的特点,而在此之后才开始出现兼具洋岛玄武岩微量元素组成和亏损至弱富集Sr-Nd同位素组成的镁铁质岩浆岩.这个差异表明,华北克拉通岩石圈地幔的地球化学性质在~121Ma发生了根本性转变.尽管华北克拉通在晚三叠世也出现过镁铁质岩浆作用,但是其成因是深俯冲华南陆块折返的结果,而古太平洋板块俯冲在那时尚未启动.古太平洋板块自侏罗纪开始向欧亚大陆东部之下俯冲,俯冲板片与上覆岩石圈地幔楔之间处于耦合状态,是俯冲板片脱水导致华北克拉通地幔的弱化阶段.古老岛弧型镁铁质岩浆岩的地幔源区可能既有侏罗纪时期俯冲古太平洋板片衍生流体与华北克拉通岩石圈地幔之间反应的产物,也有三叠纪时期俯冲华南陆壳衍生熔体与华北克拉通岩石圈地幔之间反应的产物.对于新生洋岛型镁铁质岩浆岩的地幔源区来说,则可能是俯冲古太平洋板片衍生熔体与华北岩石圈之下软流圈地幔之间反应的产物.从~144Ma开始,俯冲的古太平洋板片发生回卷,克拉通岩石圈底部受到侧向充填的软流圈地幔加热,导致弱化的克拉通岩石圈地幔发生减薄.在130~120Ma期间,减薄后的大陆岩石圈发生大规模破坏,不仅地幔楔下部超镁铁质交代岩发生部分熔融形成具有古老岛弧型地球化学信息的镁铁质岩浆岩,而且这些地区的下地壳岩石也受到加热发生大规模长英质岩浆作用.与此同时,回卷板片地壳岩石受到侧向充填的软流圈地幔加热,产生长英质熔体交代上覆软流圈地幔橄榄岩,这样在~121Ma开始部分熔融形成具有新生洋岛型地球化学信息的镁铁质岩浆岩,标志着华北克拉通岩石圈地幔已经被新生岩石圈地幔所取代.古太平洋板片在中生代时期向中国东部大陆之下的俯冲并不像现今地震层析成像所观察到的那样直接俯冲至地幔过渡带,而是像纳斯卡板块向美洲大陆之下俯冲那样为低角度俯冲.这种低角度俯冲不仅物理上可以直接侵蚀岩石圈地幔,而且化学上可以交代岩石圈地幔.因此,古太平洋板片与大陆岩石圈地幔之间的相互作用才是导致华北克拉通岩石圈地幔减薄和破坏的一级地球动力学机制.     

华北克拉通岩石圈地幔特征与演化过程

克拉通能否长期稳定存在,主要取决于岩石圈地幔的特征和属性.中生代以来,华北岩石圈地幔的组成和性质发生了根本性转变,导致了克拉通破坏.尽管目前取得了上述共识,但是对岩石圈地幔转变形式与机制的认识仍然存在分歧.本文以华北克拉通破坏前后岩石圈地幔的特征为视角,对华北不同时代幔源岩石及地幔捕虏体的研究结果进行综述,旨在为上述问题的讨论提供新的思路.华北古生代岩石圈厚达200km,具有高度难熔、SrNd同位素富集的克拉通型岩石圈地幔特征;中生代岩石圈地幔具有易熔、同位素高度富集的特征,在空间上具有明显的不均一性和分布规律;在新生代,华北东部岩石圈厚约60～80km,具有易熔、同位素亏损的大洋型岩石圈地幔特征;中部带岩石圈厚度大于100km,岩石圈地幔具有上老下新的双层结构;西部岩石圈厚达200km,仍然保存有克拉通型古老地幔.岩石圈地幔组成的转变主要是通过橄榄岩-熔体反应的方式实现的.古生代周边板块的多次俯冲作用使华北克拉通边缘地区岩石圈地幔的组成发生了明显改变.中生代古太平洋板块俯冲作用的叠加,促成华北东部岩石圈地幔组成和性质的根本转变,导致克拉通破坏区域的面积占华北总面积的1/2以上.从克拉通破坏的峰期时间和破坏区域空间展布来看,古太平洋板块俯冲及其驱动的深部动力学过程是华北克拉通破坏的一级控制因素.造成东部岩石圈巨厚减薄的主导因素是俯冲板块回转、海沟后撤引起的大陆岩石圈伸展.俯冲板块机械侵蚀、熔流体交代作用造成的岩石圈弱化、非稳态地幔流动伴随的热-化学侵蚀和岩石圈局部拆沉共同加剧了岩石圈减薄和克拉通破坏的进程.     

华北克拉通东部岩石圈地幔碳酸盐熔体交代作用与克拉通破坏

华北克拉通东部在早白垩世经历了显著的破坏作用,不同性质熔/流体活动对岩石圈地幔的改造在克拉通破坏过程中起到了至关重要的作用.碳酸盐熔体作为一种非常重要的地幔交代介质,可以对岩石圈地幔的物理化学性质产生显著影响,并在地幔橄榄岩的单斜辉石中留下独特的地球化学指纹(例如,高Ca/Al、低Ti/Eu比值等),为示踪地幔碳酸盐熔体交代作用提供了依据.文章系统总结了华北克拉通破坏最为显著的东部地区岩石圈地幔经历碳酸盐熔体交代作用的时空变化规律,揭示出三种不同类型的地幔碳酸盐熔体交代作用.第一类碳酸盐熔体交代作用形成的单斜辉石具有异常高的Ca/Al比值(15～70)和富集的Sr同位素组成(~(87)Sr/~(86)Sr=0.706～0.713);第二类碳酸盐熔体交代作用形成的单斜辉石具有相对较高的Ca/Al比值(5～18)和Sr同位素组成(~(87)Sr/~(86)Sr=0.703～0.706);第三类碳酸盐熔体交代作用形成的单斜辉石具有略微偏高的Ca/Al比值(5～9)和低Sr同位素组成(~(87)Sr/~(86)Sr=0.702～0.704).时间上,华北克拉通东部苏鲁造山带及其邻区晚三叠世之前深部石榴石相和浅部尖晶石相岩石圈地幔均经历了第一类碳酸盐熔体交代作用的强烈改造,这可能与携带碳酸盐岩的华南陆块向华北克拉通深俯冲过程中碳酸盐熔体-橄榄岩反应作用有关.第一类碳酸盐熔体交代作用可以显著弱化岩石圈地幔的强度,可能为华北克拉通东部岩石圈地幔的最终破坏提供了关键前提条件.华北克拉通破坏峰期之后(晚白垩世-新生代)火山岩捕获的古老岩石圈地幔残余(全部为尖晶石相方辉橄榄岩)只记录了第二类碳酸盐熔体交代作用的改造,表明那些经历了第一类碳酸盐熔体交代作用强烈改造的古老岩石圈地幔在克拉通破坏过程中并未保留下来,已经被完全改造.相比之下,火山岩中的二辉橄榄岩地幔包体代表了克拉通破坏之后新生、饱满的岩石圈地幔,其中只有部分样品记录了第二类或者第三类碳酸盐熔体交代作用的改造,反映了克拉通破坏之后含有不同比例再循环地壳物质的软流圈来源碳酸盐熔体的改造作用.空间上,胶东及其邻区岩石圈地幔经历碳酸盐熔体交代作用的特征最明显,这与该地区岩石圈地幔减薄和克拉通破坏最显著以及巨量金成矿的特征具有空间一致性.所有这些特征表明碳酸盐熔体交代作用在华北克拉通岩石圈地幔改造、破坏和大规模金成矿过程中可能起到了至关重要的作用.     

大地幔楔与克拉通破坏型金矿

环太平洋俯冲带是全球著名的金矿成矿域,其中华北克拉通和内华达是环太平洋俯冲带最重要的两个金成矿省,其成因分别与华北克拉通和怀俄明克拉通的破坏有关,成矿流体可能与俯冲板块在地幔过渡带的滞留相关.俯冲的大洋岩石圈地幔通常有数千米厚的蛇纹石化层,在板块俯冲过程中,蛇纹石在小于200km的深度内脱水转变为高压含水相——phase A,将水带到大于300km的深处.当滞留在地幔过渡带的俯冲板片中含水高压相脱水,会导致上覆大地幔楔的水化,这是克拉通破坏型金矿形成的先决条件.俯冲板片脱水释放出的富硫流体萃取周围岩石中的金等亲硫元素,形成富金流体.由于克拉通地温线低于二辉橄榄岩水饱和固相线,流体在克拉通岩石圈地幔内向上运移到100km以浅后交代岩石圈地幔,形成韭闪石等含水矿物,在克拉通岩石圈地幔中形成富水、富金的弱化层.随着克拉通岩石圈的破坏,该弱化层失稳,释放含金流体,并沿地壳浅部薄弱带迁移、聚集和沉淀,形成爆发式金矿床.由此可见,大地幔楔是形成克拉通地幔含矿弱化层,进而导致金爆发式成矿的关键.俯冲板片析出的流体富含二价铁,流体向上运移过程中,二价铁在低压下发生水解,释放出氢气;地幔楔岩浆岩可以具有较高的氧逸度,而成矿流体则是还原性的——即克拉通破坏型金矿往往属于还原性矿床.     

华北东部地幔改造作用和置换作用:单斜辉石激光探针研究

对山东蒙阴古生代金伯利岩中石榴石方辉橄榄岩、河南鹤壁新生代玄武岩中 铬尖晶石方辉橄榄岩、山东栖霞新生代玄武岩中央晶石二辉橄榄岩和山东山旺新生代 玄武岩中尖晶石（富ＣｐＸ）二辉橄榄岩单斜辉石的常量、微量元素的研究和对比表明：华 北地块古生代稳定存在的克拉通岩石圈地幔在中、新生代其东部被具大洋地幔性质的 显生宙地幔不均匀地发生了置换作用,残存于南北重力梯度带（岩石圈减薄过渡带）上 的鹤壁浅部克拉通地幔除保存有置换作用前改造作用的丰富信息外,也包含有其深部 被置换后的地幔改造作用信息;郯庐断裂带东部栖霞的新生地幔仍保留有较多的大洋 地幔成分特征,而郯庐断裂带内山旺的新生地幔受后续地幔改造作用的影响有向大陆 地幔演化的趋向．发生于华北地块东部中、新生代的岩石圈巨厚减薄作用与地幔的置换 作用有关,由渐进的富ＣＯ_２流体或碳酸岩熔体对岩石圈地幔的交代改造作用以及由此 所引起的熔体抽取作用是完成新生地幔对古老地幔置换作用的关键．郯庐断裂带等岩 石圈深大断裂为地幔改造作用和地幔置换作用提供了良好的通道作用．     

东亚大地幔楔与中国东部新生代板内玄武岩成因

西太平洋板块俯冲、东亚大地幔楔及其在东亚大陆边缘演化中的作用逐渐被学术界重视.文章对东亚大地幔楔的物质组成、化学不均一性以及中国东部新生代板内玄武岩的成因进行综述,并尝试提出大地幔楔体系中板内岩浆的成因机制.主要认识包括:(1)中国东部新生代玄武岩大致可以解释为高硅和低硅端员熔体的混合物.东北、华北和华南玄武岩共享一个低硅熔体端员,它具有高全碱、和型微量元素特征,其~(206)Pb/~(204)Pb较典型HIMU玄武岩偏低,Nd-Hf同位素具有(年轻的)太平洋洋壳特征,源区为含碳酸盐的榴辉岩+橄榄岩地幔.高硅玄武岩端员具有低全碱、和其Pb-Nd-Hf同位素落入印度洋型地幔范围,源区为石榴石辉石岩.高硅玄武岩同位素组成表现出地区差异:华北具有EM1型富集组分特征,华南具有EM2型富集组分特点,而东北兼有EM1和EM2两种富集组分.(2)中国东部新生代玄武岩源区含有洋壳、水、沉积碳酸盐和岩石圈地幔组分,说明东亚大地幔楔含有大量再循环物质.根据其主要出现在大兴安岭-太行山重力梯度带以东地区,并结合滞留板块的空间分布和地幔导电率特征,推测这些再循环组分主要来源于滞留在地幔过渡带的太平洋板片,而EM1或EM2组分来自浅部的岩石圈地幔.(3)根据石榴石辉石岩和碳酸盐化榴辉岩/橄榄岩的固相线,限定高硅玄武岩和低硅玄武岩的初始起源深度分别为100km和~300km.东亚大地幔楔具有垂向不均一的结构:上部含有EM1或EM2地幔组分,显示为印度洋地幔型同位素特征,下部含有太平洋板块物质组分;自下而上H_2O和CO_2含量逐渐降低.(4)在地幔过渡带中滞留板片的脱碳和脱水作用及相关的熔融和交代作用是大地幔楔体系中板内岩浆成因的主要驱动力.     

名义上无水矿物的水含量及其地质应用

名义上无水矿物(NAMs)中能够保存微量的与晶体缺陷相关的结构水.这些水可以使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和二次离子质谱(SIMS)等分析方法进行测定.到目前为止,已有相当多的研究系统地报道了不同岩相中NAMs的水含量,特别是地幔橄榄岩包体.在橄榄岩包体中,水在橄榄石中的分布经常呈核部浓度高,边部浓度低的扩散曲线,这显示橄榄石中的水在包体随岩浆上升过程中发生了扩散丢失,而辉石中水的分布通常是均一的,并且一般认为辉石保留了地幔值.利用水在硅酸盐矿物-熔体间的分配系数可以计算与这些矿物平衡的岩浆的水含量.此方法可以进一步被用于估算母岩浆以及源区的水含量,但方法受制于适合于研究体系的分配系数的选取.利用地幔NAMs的氢同位素组成以及H_2O/Ce比值可以示踪上地幔中水的源区和地幔中水含量的不均一性.水对克拉通岩石圈地幔的稳定性有重大影响,但是不同克拉通岩石圈的水含量和垂向分布存在显著差异,这是由于不同的地质活动所导致,而地幔柱和克拉通的相互作用可能并不会导致克拉通岩石圈水含量的显著变化.由于地幔NAMs含水量数据的局限性,目前上地幔水含量的估算仍建立于地球化学模型的基础之上.     

大陆岩石圈地幔形成与演化研究的新进展

研究大陆岩石圈地幔形成与演化的主要途径是利用岩石－地球化学探针研究幔源橄榄岩的年龄、组成及其演化，目前多将岩石圈地幔划分为大洋型和克拉通型，并认识到，岩石圈地幔的矿和相、成分、年龄在垂向上具有分层性；根据研究资料，目前已提出了以熔体抽取为岩石圈地幔形成的主要方式，并通过交代、拆沉等过程使岩石圈地幔遭受改造，中国东部岩石圈地幔的成分主体上是饱满的，与其上的太古代地壳并不协调，一些研究者提出了岩石圈拆沉和地幔置换两种具有代有性的模型来解释岩石圈地幔成分的这种特点，人们对中国东部岩石圈地幔作了大量的研究工作，然而，若要形成较为合理的解释，还需应用新技术（如，Re/Os同位素技术）做进一步的工作。     

克拉通岩石圈减薄与破坏机制的动力学数值模拟

大陆克拉通岩石圈的减薄是一种常见现象,但是其破坏并不常见.尽管前人针对这两种过程开展了不少研究,但是对其动力学机制尚缺乏统一认识.文章以大陆克拉通岩石圈,尤其是华北克拉通作为研究对象,基于前人的地质地球物理学观测以及动力学数值模拟研究,对克拉通岩石圈减薄与破坏的过程和机制进行了系统的分析和总结.其中,华北克拉通减薄和破坏的动力学机制限定为与大洋板块俯冲相关的两种主要模式,分别是:(1)"自下而上"过程,即俯冲板片扰动富水的地幔转换带,使其中流体上涌,软流圈物质受到扰动而发生对流,对上覆岩石圈底部进行"烘烤",并可能伴随流体/熔体-岩石反应,改变岩石圈地幔的矿物组成和流变学性质,导致岩石圈底部物质混合进入软流圈而发生减薄乃至破坏.(2)"自上而下"过程,强调大洋板片在克拉通岩石圈底部平俯冲并发生脱水,水化蚀变上覆岩石圈地幔,降低岩石圈地幔岩石流变特性;随后平俯冲转变为陡俯冲,伴随软流圈侧向上涌,被弱化的岩石圈地幔由于热侵蚀作用而进入软流圈,从而发生减薄乃至破坏.这两大类过程都是比较复杂的、多过程耦合的模式,都把大洋板块的俯冲及其流体活动作为上覆克拉通岩石圈减薄/破坏的主要驱动机制;不同之处在于俯冲大洋板片的位置,一种是在地幔转换带的平卧与滞留,另一种是沿着克拉通岩石圈底部的平俯冲.对于华北克拉通而言,东部岩石圈在中生代时期受到古太平洋板片的俯冲,板块俯冲带对华北克拉通之下的地幔和转换带物质的扰动及其伴随的流体活动,很大程度上控制着华北克拉通岩石圈的改造.为了更好的探讨和对比这两种模式,其核心关键点在于大洋俯冲带中水的活动.因此,文章重点对含水矿物相变及俯冲带和地幔转换带中水的迁移过程进行了探讨,分析了大洋俯冲带中可能的流体活动模型、各自存在的问题及其可行性.此外,为了全面认识克拉通岩石圈的减薄与破坏机制,还对其他可能的机制进行了总结,包含以下四组模式:拉张减薄模型、挤压增厚拆沉模型、大尺度地幔对流侵蚀模型以及地幔柱侵蚀模型.相对于前面介绍的两种大洋俯冲相关模型,这四种模型主要是由相对简单的单一过程和机制所致(分别是拉张、挤压、对流和地幔柱),可能是华北克拉通减薄与破坏的二级驱动机制.     

中国东部地幔岩包体及其中硫化物相金含量的比较研究

分析了中国东部8个地区59件新生代地幔岩包体的金含量, 并分析了相应地区85件地幔岩硫化物相的金含量, 结合文献共报道了130件硫化物相的金含量. 将两种金含量进行比较, 发现地幔岩包体全岩金含量通常为10^-9~10^-8, 而一些地幔岩包体硫化物中Au含量可达10^-4~10^-2, 是全岩的数十万倍, 证实地幔岩中Au主要赋存于地幔硫化物相中. 将两种金含量分布进行比较, 发现空间上地幔岩包体全岩和地幔岩包体硫化物相中金含量分布都是不均一的, 但二者金含量分布变化规律相一致, 即地幔岩包体中Au含量高的地区, 地幔岩包体硫化物相中金含量也高. 除海南岛外, 位于华北地台南北缘的山东临朐、昌乐和河北汉诺坝地幔岩包体全岩和包体硫化物相中金含量分布均较高, 与冀北西部和山东胶东半岛的金矿集中区有对应关系, 反映地幔的高金含量可能为相应地区金矿的形成提供了物质基础. 古老的华北地台原始地幔曾有富金的物质基础, 经后期地幔事件后仍富金, 说明后期地幔事件(如减薄、去根、底侵、拆沉、置换、交代等)及有关的富CO₂含金地幔流体对金活化、富集和转移直到成矿作用是在先期岩石圈地幔的物质基础上发生的.     

大别-苏鲁造山带橄榄岩:进展和问题

大别-苏鲁造山带橄榄岩原岩属性可分为壳源和幔源橄榄岩,它们在矿物结构、变质演化以及全岩和单矿物化学成分上存在一系列差别.幔源橄榄岩来自于俯冲板块之上的古老华北克拉通岩石圈地幔,记录了俯冲板块与地幔楔之间相互作用的信息.石榴橄榄岩峰期条件下都显示石榴石和尖晶石共存,石榴石和尖晶石的稳定性和成分都受全岩富化程度控制,尖晶石成分不能用来判别部分熔融程度.难熔幔源纯橄岩中普遍发育低Mg高Ca橄榄石取代早期斜方辉石结构,指示硅不饱和熔体-橄榄岩反应过程,它可能是导致纯橄岩Re-Os同位素年龄偏年轻的原因之一.幔源橄榄岩/辉石岩中的金红石、钛斜粒硅镁石和锆石是俯冲地壳熔/流体迁移高场强元素进入地幔楔的直接矿物学证据,只有通过精细的原位元素和同位素工作,才能准确限定交代介质来源、时间和交代过程.大陆俯冲带地幔楔氧逸度变化范围宽泛(FMQ=5.50~1.75),并随深度增加而减小,但其氧逸度计算结果受矿物组合、温压条件以及折返过程中的脱氢-氧化作用等因素影响.本文对橄榄岩-辉石岩复杂体系相关系、大陆俯冲之前的地幔过程、地壳交代对地幔楔元素-同位素-氧逸度以及物理性质的改造等重要研究方向提出了建议.     

大别山俯冲陆壳的再循环——地球化学证据

大别山超高压榴辉岩与邻区新生代大陆玄武岩的地球化学对比研究表明,碰撞造山带俯冲陆壳可以再循环进入软流圈地幔,并形成上地幔的EM Ⅰ富集端元它与交代富集不相容元素的岩石圈地幔不同,具有低Rb/Ba和La/Yb的特征.位于大别山和苏-鲁超高压变质带之间的嘉山具有EM Ⅰ特征的新生代大陆玄武岩可能就与大别造山带俯冲陆壳再循环有关.     

华北地区岩石圈类型: 地质与地球物理证据

根据华北地区的地质和地球物理特征, 区分出华北地区的克拉通型、造山带型和裂谷型3 种岩石圈类型, 依据岩石学方法以及地震波速与成分的关系, 建立了华北地区克拉通型、造山带型和裂谷型岩石圈的壳幔岩石学结构和化学结构. 研究表明, 华北地台具有与全球典型克拉通一致的特征, 鄂尔多斯为经历了中新生代地台“活化”和“改造”后残存的克拉通岩石圈, 陆壳主体成分由TTG构成, 岩石圈地幔主要由强亏损的方辉橄榄岩构成, 它于晚太古宙-早元古宙最终形成以后, 一直保持至今, 其壳幔岩石学结构可以作为华北乃至中朝地台克拉通型岩石圈的一个参照. 中生代时期, 华北地台中东部地区在燕山造山过程中被“活化”, 大量对流地幔物质与热输入使该区原来的TTG陆壳组分被改造成为花岗质陆壳, 岩石圈地幔被燕山期形成的方辉橄榄岩-二辉橄榄岩所代替. 燕山-太行山是华北东部地区新生代发育裂谷作用后残留的造山型岩石圈, 因为经历了新生代的伸展减薄, 现今的厚度不能代表燕山期造山时的地壳和岩石圈地幔厚度, 但岩石圈地幔和陆壳的物质及其结构仍然是燕山运动期间造山时形成的. 新生代时期, 华北东部的大陆裂谷作用形成以华北东部平原为代表的裂谷型岩石圈; 随着裂谷发育, 大量玄武岩喷发, 使燕山期的“酸性化”陆壳又被“基性化”, 燕山期形成的岩石圈地幔被破坏形成以二辉橄榄岩为主体的喜山期岩石圈地幔; 裂谷型地壳和岩石圈地幔经历了岩石圈尺度上伸展减薄和热侵蚀, 现今地球物理探测的岩石圈地幔和陆壳的物质和结构是新生代形成的. 华北地区岩石圈形成和演化表明, 大量对流地幔物质与热输入是不同类型岩石圈形成的关键, 壳幔岩石学结构是岩石圈演化的综合记录, 它们是中新生代中国大陆动力学系统与华北地台东侧的太平洋板块共同作用的结果.     

华北克拉通岩石圈破坏的榴辉岩熔体-橄榄岩反应机制:实验约束

以碧溪岭榴辉岩和大麻坪尖晶石二辉橄榄岩为起始原料,在压力2.0GPa,温度1250～1400℃条件下进行榴辉岩熔体-橄榄岩反应的高温高压实验.实验结果显示,在榴辉岩熔体-二辉橄榄岩反应过程中,熔体消耗橄榄岩中的橄榄石和斜方辉石生成单斜辉石.实验产物的岩石序列为橄榄岩-辉石岩-石榴辉石岩,与Liu等在华北克拉通内部的汉诺坝地区发现的大量中生代地幔复合包体结构非常吻合.在温度1300和1350℃时,榴辉岩熔体-二辉橄榄岩反应产生的熔体具有高镁安山岩的成分特征(Mg#>45),表明榴辉岩熔体-橄榄岩反应可能是高镁安山岩形成的主要原因之一.实验结果表明华北克拉通下地壳榴辉岩在中生代可能发生过拆沉作用;榴辉岩拆沉进入软流圈地幔后,部分熔融产生的熔体可以消耗岩石圈地幔橄榄岩,导致华北克拉通的减薄,从而为华北克拉通岩石圈地幔被软流圈地幔改造的熔体-橄榄岩反应机制提供实验约束.     

岩石圈地幔分层性对克拉通稳定性的影响

克拉通是大陆岩石圈中长期稳定存在的古老构造单元, 通常被相对年轻的活动带所包围, 二者之间岩石圈厚度的横向差异会诱发边界驱动地幔对流.近年来, 越来越多的证据显示克拉通岩石圈地幔内部存在成分和结构的垂向分层性.在边界驱动地幔对流的环境中, 岩石圈地幔分层性如何影响克拉通的稳定性仍然不清楚.本文利用二维热-力学数值模拟方法, 系统探讨了在边界驱动对流作用下, 克拉通岩石圈地幔密度和黏度的垂向分层性以及中岩石圈不连续面(MLD)的分布样式对克拉通稳定性的影响.模拟结果显示: (1)当克拉通岩石圈内部不存在MLD时, 即使克拉通具有密度分层的岩石圈地幔, 克拉通岩石圈减薄的水平范围也是有限的(＜100 km), 且主要发生在克拉通边缘处; (2)当克拉通岩石圈内部存在一层连续的MLD时, 克拉通岩石圈减薄的水平范围随着克拉通下层岩石圈地幔密度的增加而增大, 岩石圈地幔的减薄方式随着其强度的增加从缓慢丝状剥离转变为快速块状拆沉; (3)当克拉通岩石圈内部存在一层不连续分布的MLD时, 分段MLD之间的间隙可以有效延缓岩石圈地幔的减薄, 间隙越稀岩石圈减薄越快, 反之亦然, 减薄方式表现为: 早期缓慢丝状剥离, 中后期快速块状拆沉.华北克拉通破坏持续时间长(＞100 Ma), 破坏的峰期集中在早白垩世(130~120 Ma), 且现今东部陆块岩石圈破坏的前缘位置与华北中部造山带下方MLD的东端对应.根据模拟结果, 我们推测华北克拉通破坏的时空范围主要是由岩石圈地幔分层性和MLD不连续分布引发的岩石圈地幔逐段拆沉所导致.

     

大陆俯冲带两类壳幔相互作用

板块俯冲作用是实现地壳与地幔之间物质和能量转换的重要机制,俯冲带岩浆岩是研究地壳物质再循环及其壳幔相互作用的重要载体.本文通过对红安-大别-苏鲁造山带和华北东南缘碰撞后镁铁质岩浆岩的同位素年代学和地球化学的系统总结,概括出两种类型的大陆俯冲带壳幔相互作用,对应于两类地球化学性质截然不同的镁铁质火成岩.第一类岩石显示弧型微量元素分布特征(富集LILE,LREE和Pb,亏损HFSE)和相对富集的放射成因Sr-Nd同位素组成,而第二类具有OIB型微量元素分布特征(富集LILE和LREE,HFSE不亏损)和相对亏损的放射成因Sr-Nd同位素组成.它们都具有变化的且不同于正常地幔的锆石O同位素组成,含有残留的地壳锆石.这些地球化学特征表明,这两类镁铁质火成岩来源于不同地球化学性质的地幔源区,其中第二类岩石的地幔源区是先前俯冲古洋壳来源的熔体与上覆新生岩石圈地幔反应形成的,而第一类岩石的地幔源区是随后俯冲的华南陆壳来源的长英质熔体与上覆华北古老岩石圈地幔反应形成的.因此,在大陆俯冲带存在两种类型的壳幔相互作用,碰撞后镁铁质岩浆岩为大陆碰撞造山带不同类型的板片-地幔相互作用提供了岩石学和地球化学记录.     

地球物理观察和岩石包体约束华北岩石圈地幔结构、性质及过程

对岩石圈物理、化学结构进行多维度的高精度限定,可为其形成演化等重要基础科学问题提供可靠依据.华北深部岩石圈经历多期次复杂改造过程,导致物理、化学结构参数的改变.厘清岩石圈精细结构中各参数空间分布特征,有助于对改造范围、程度及机制进行有效制约.通过地震学、重力学及地热学综合研究,结合深源岩石包体的定深(岩石圈中的层位)、定性(化学的和物理的)和定年(形成和改造年龄)成果,文章构建了华北岩石圈地幔多维度物理、化学结构模型.研究表明:华北陆块岩石圈地幔横向上存在高度不均一性,除陆块内部的局部地区保留有太古宙-古元古代难熔、强烈交代的地幔,大部分已转变为元古代甚至显生宙饱满、弱交代的地幔.岩石圈地幔结构组成特征表明,华北东部地幔受改造强烈,甚至最终完全置换;华北中部过渡带和西部保持相对稳定,但是西南缘岩石圈受到明显改造.     

中生代古太平洋板块俯冲诱发华北克拉通破坏的物质记录

华北克拉通破坏与古太平洋板块俯冲密切相关是当今学界的重要共识,但缺乏华北克拉通破坏峰期古太平洋板块俯冲的物质证据.为解决这一问题,本文对华北克拉通东北缘(辽东-吉南地区)中生代火山岩开展了详细的岩石学、锆石U-Pb年龄和Hf-O同位素、全岩地球化学和Sr-Nd-Hf同位素研究.研究发现,辽东-吉南地区中生代火山岩主要为玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩和安山岩组合,形成于早白垩世(129~124Ma),均富集大离子亲石元素(Rb、Sr、Ba、Th等)和轻稀土元素、亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti等),表明其来源于与俯冲相关的地幔源区.这些岩石具有不均一的同位素组成,其中,碱性玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩具有富集的全岩Sr-Nd-Hf、锆石Hf同位素组成和与地幔类似的锆石O同位素,表明其母岩浆来源于同位素富集的岩石圈地幔的低程度部分熔融,而钙碱性安山岩则具有相对亏损的同位素组成(锆石εHf(t)高达+5.2)和高的锆石O同位素组成(δ18O=+8.1^+9.0‰),揭示它们来源于遭受俯冲流体/熔体交代的地幔源区,交代介质来源于俯冲到深部的低温热液蚀变洋壳.辽东-吉南地区早白垩世火山岩是由来源于富集地幔和交代地幔的两种不同性质的岩浆混合形成,利用锆石Hf-O同位素组成有效识别出的低温热液蚀变洋壳组分,为中生代古太平洋板块俯冲对华北克拉通破坏影响提供了确凿的物质记录和同位素证据.     

上地幔尖晶石-石榴石相转变实验研究及其意义

采用新生代玄武岩中地幔岩捕掳体的矿物、岩石天然样品进行尖晶石与石榴石的相转变实验研究,结果发现尖晶石二辉橄榄岩与石榴石二辉橄榄岩相转变条件(T=1100℃和P=1.8～2.0GPa)与中国东部五相共存的尖晶石/石榴石二辉橄榄岩P-T平衡条件一致.提出中国东部大陆上地幔55～70km深处存在几公里至十几公里厚的尖晶石二辉橄榄岩与石榴石二辉橄榄岩相转变带.尖晶石辉石岩向石榴石辉石岩相转变深度小于55km.实验结果还揭示水促使地幔交代作用,但又抑制了相转变.同时讨论了矿物成分分带现象.