地幔柱活动对克拉通岩石圈地幔的影响：西伯利亚克拉通地幔橄榄岩包体Sr-Nd-Hf同位素制约

利用单矿物溶液法分析了Obnazhennaya金伯利岩中橄榄岩包体单矿物的Sr-Nd-Hf同位素组成,并且与Udachnaya金伯利岩中橄榄岩包体单矿物的Sr-Nd-Hf同位素组成进行了对比。结果显示,Obnazhennaya金伯利岩中橄榄岩包体单斜辉石具有亏损的Sr同位素组成和富集的Nd、Hf同位素组成。橄榄岩包体石榴子石的Sr-Nd-Hf同位素组成表现出原始的特征,没有受到交代作用的影响。通过对比Udachnaya和Obnazhennaya金伯利岩中地幔包体的特征和单斜辉石的二元混合模拟发现,Udachnaya金伯利岩中的地幔包体的Sr-Nd-Hf同位素组成更偏向于金伯利岩的特征,而与之相反,Obnazhennaya金伯利岩中的地幔包体的Sr-Nd-Hf同位素组成则位于金伯利岩和地幔柱溢流玄武岩之间,且更加偏向于溢流玄武岩的同位素特征。因此,地幔柱活动对西伯利亚克拉通岩石圈产生了影响,改变了其岩石圈地幔的同位素组成。     

南海区域的上地幔活动特征及印支地幔柱

根据不同阶次的卫星模型重力异常计算岩石层下的地幔拖曳力场，揭示南海区域存在三种尺度的地幔对流是控制其地球动力学的主要因素。其中大尺度和中等尺度的地幔对流模型已为震波层析成像的资料所证实，并可用现行的地幔柱概念进行解释。本文着重讨论了印支地幔柱的表现形式、成因和时代以及对沉积盆地中的有机质转化和烃类富集等所起的重要作用。     

华北克拉通东部岩石圈破坏与幔柱的成因

华北克拉通东部是指大兴安岭—太行山重力梯度带以东的地区。该地区与东北及华南地区一样,也存在着岩石圈减薄和岩石圈破坏的现象。华北克拉通古生代与新生代的橄榄岩包体地热值分别为40mW/m~2和80mW/m~2,地热增高是岩石圈破坏的重要因素。中国东部—朝鲜半岛的GRACE卫星布格重力异常呈巨型环状展布,可能是地幔亚热柱所致。区内郯庐断裂带呈NNE向纵贯切割,最新的地震反射剖面成果反映,该断裂带以走滑为主,兼有逆冲和正断层,所组成的大型"花状"复杂断裂构造带,切穿地壳、莫霍面,直至岩石圈地幔,起到破坏岩石圈的作用。S波速成像结果证实,在苏鲁造山带下方,分布的碎块状波速扰动带延伸300km,应是中生代扬子板块走滑俯冲、断离、折返的产物;而在渤海湾盆地下方,下地幔也存在陡倾的破碎带,延伸300km,在岩石圈76km处及其深部,S波速降低,扰动很剧烈,可能是地幔柱头部呈粗大状的反映,故可认为渤海湾盆地是由蘑菇云状的地幔柱形成。再从华北克拉通的大陆根来看,东部为A型反时针pT轨迹麻粒岩分布,而中西部则为B型麻粒岩,这是因为东部新太古代绿岩带中赋存有科马提岩,其岩浆温度可高达1 600℃,如用幔柱构造模型解释成因最为合适。通过研究近年大量地震反射P波和S波层析资料,华北克拉通的东部在晚侏罗-早白垩世及新生代期间,受太平洋板块俯冲和地幔热柱上隆的相互作用,深部的地幔流体常沿构造破裂带运移,促使岩石圈拆沉,并发生热侵蚀作用,形成酸性大火成岩省(SLIP)、裂谷型盆地的广泛分布和成矿成藏作用的"大爆发"。由此认为,建立区域构造模型将有利于指导深部找矿工作。     

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。     

地幔柱构造对松辽盆地及渤海湾盆地形成的制约

中国东部松辽盆地和渤海湾盆地形成与演化的深部动力学机制尚未得到很好的解释．通过对区域地震资料盆地沉积记录、火山岩岩石探针和大地构造演化历史的综合分析,认为地幔柱(柱头直径约500km)在晚侏罗世一晚白垩世时形成于松辽地区,经历了软流圈地幔上涌、地壳抬升与伸展、火山活动,导致松辽盆地的形成;由于华北板块向北移动,始新世时地幔柱(柱头直径600-800km)移动到京津一渤海湾地区,类似的地质过程形成了渤海湾盆地．渤海湾地幔柱的活动还可能是京津唐地区地震多发的根本原因。     

变粘滞度地幔蠕动流的数学模型研究及其应用(二)

本文首先讨论了计算中的有关问题,然后分析了用前篇文章(刘代志,1988)中导出的计算公式,对中国及邻区(东经70°-140°,北纬15°-55°)岩石圈底部切向应力场的计算结果,探讨了其地质应用,特别是在地震危险区划中的应用。     

华北克拉通中部新生代岩石圈地幔的特征与长期演化:来自地幔橄榄岩捕虏体的岩石学和地球化学制约

岩石圈-软流圈的相互作用可以通过向古老、难熔的岩石圈地幔中输入主量元素饱满的物质、从而将其改造成为主量元素相对饱满的岩石圈.     

青藏高原的地幔结构:地幔羽、地幔剪切带及岩石圈俯冲板片的拆沉

通过横穿青藏高原近 80 0 0km长的 4条天然地震层析剖面 ,获得 4 0 0km深度以上的地壳和地幔速度图像及地震波各向异性 ,揭示了青藏高原 4 0 0km深度范围内的地壳和地幔结构特征。地幔速度图像显示 ,青藏高原腹地的深地幔中存在以大型低速异常体为特征的地幔羽 ,其可能通过热通道与大面积分布的可可西里新生代高钾碱性火山作用有成因联系 ;阿尔金、康西瓦、金沙江、嘉黎及雅鲁藏布江等走滑断裂可下延至 30 0～ 4 0 0km深度 ,显示了低速高热物质组成的垂向低速异常带特征及大型超岩石圈或地幔剪切带的产出 ;发现康西瓦、东昆仑—金沙江、班公湖—怒江和雅鲁藏布缝合带下部存在不连续的高速异常带 ,可以解释为青藏高原地体拼合及碰撞过程中可能保留的加里东、古特提斯和中特提斯大洋岩石圈“化石”残片 ,是“拆沉”的地球物理证据。印度大陆岩石圈的巨厚俯冲板片以 15～ 2 0°倾角向北插入唐古拉山下 30 0km深处 ,并被高热物质组成的地幔剪切带分开。结合新的横穿喜马拉雅及青藏高原的地幔层析资料 ,提出青藏高原碰撞动力学新模式 :青藏高原南部印度岩石圈板片的翻卷式陆内超深俯冲 ,北缘克拉通向南的陆内俯冲 ,腹地深部的地幔羽上涌 ,以及地幔范围内的高原“右旋隆升”及物质向东及北东方向运动及挤出。     

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。     

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.     

Seismic evidence for a mantle plume beneath the Cape Verde hotspot

P- and S-wave tomography of the upper mantle beneath the Cape Verde hotspot is determined using arrival-time data measured precisely from three-component seismograms of 106 distant earthquakes recorded by a local seismic network. Our results show a prominent low-velocity anomaly imaged as a continuous column <100 km wide from the uppermost mantle down to about 500 km beneath Cape Verde, especially below the Fogo active volcano, which erupted in 1995. The low-velocity anomaly may reflect a hot mantle plume feeding the Cape Verde hotspot.     

华北克拉通中部早白垩世岩石圈地幔性质：来自狐偃山科头钾质正长岩年代学、同位素的限制

华北克拉通东部中生代岩石圈减薄已经取得了大量进展,相比之下对克拉通中部岩石圈演化认识不足。本文对华北克拉通中部狐偃山杂岩体中科头正长岩进行了锆石U-Pb年代学、主量和微量元素、Sr-Nd-Hf同位素地球化学研究。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果显示,科头正长岩侵位于早白垩世晚期(～111Ma)。岩石样品均为钾质—超钾质,属于碱性系列岩石。这些岩石相对富集轻稀土,亏损重稀土和中稀土,具有明显的正Eu异常(Eu/Eu~*=1.22～1.96)、富集大离子亲石元素LILE(Rb、Sr、Ba),亏损高场强元素HFSE(Nb、Ta、Ti)。所有岩石样品具有相对高的初始~(87)Sr/~(86)Sr比值(0.7058～0.7062)和低的ε_(Nd)(t)(-10.4～—11.1),ε_(Hf)(t)介于—12.2～—5.2之间。详细的元素和同位素地球化学研究表明科头正长岩的原始岩浆可能来源于富集岩石圈地幔中富金云母的尖晶石二辉橄榄岩源区的部分熔融,岩浆演化过程中经历了地壳混染与结晶分异(AFC)过程。结合华北克拉通中部岩浆资料,将华北克拉通中部早白垩世岩浆作用分为早晚两期:早期(123～135Ma)为岩浆作用高峰期,晚期(～114Ma)为最后一期弱的岩浆期;华北克拉通中部陆下岩石圈地幔是富集的、不均一的,其至少在早白垩世(138～111Ma)一直处于减薄状态。     

Lithosphere formation in the central Slave Craton (Canada): plume subcretion or lithosphere accretion?

Major-element compositions of minerals in peridotite xenoliths from the Lac de Gras kimberlites provide constraints on the mode of lithosphere formation beneath the central Slave Craton, Canada. Magnesia contents of reconstructed whole rocks correlate positively with NiO and negatively with CaO contents, consistent with variable partial melt extraction. Alumina and Cr₂O₃ contents are broadly positively correlated, suggestive of melt depletion in the absence of a Cr–Al phase. Garnet modes are high at a given Al₂O₃ content (a proxy for melt depletion), falling about a 7 GPa melt depletion model. These observations, combined with high olivine Mg# and major-element relationships of FeO-poor peridotites (<7.5 wt%) indicative of melt loss at pressures >3 GPa (residual FeO content being a sensitive indicator of melt extraction pressure), and similar high pressures of last equilibration (∼4.2 to 5.8 GPa), provide multiple lines of evidence that the mantle beneath the central Slave Craton has originated as a residue from high-pressure melting, possibly during plume subcretion. Apparent low melt depletion pressures for high-FeO peridotites (>7.5 wt%) could suggest formation in an oceanic setting, followed by subduction to their depth of entrainment. However, these rocks, which are characterised by low SiO₂ contents (<43 wt%), are more likely to be the result of post-melting FeO-addition, leading to spuriously low estimates of melt extraction pressures. They may have reacted with a silica-undersaturated melt that dissolved orthopyroxene, or experienced olivine injection by crystallising melts. A secular FeO-enrichment of parts of the deep mantle lithosphere is supported by lower average Mg# in xenolithic olivine (91.7) compared to olivine inclusions in diamond (92.6).     

中国东部燕山期大规模岩浆活动与岩石圈减薄:与大火成岩省的关系

论述了大规模岩浆活动与岩石圈减薄的关系,指出软流圈地幔与地壳直接接触时,即岩石圈最大减薄时(岩石圈地幔厚度为0),岩石圈厚度等于地壳厚度。中国东部岩石圈最大减薄的时间在燕山期,在这之前和之后,岩石圈是厚的。讨论了中国东部大规模岩浆活动与板块俯冲的关系,认为中国东部燕山期岩浆活动与太平洋板块没有关系:中国东部不属于环太平洋构造带,不是安第斯型活动陆缘,中生代玄武岩不具有岛弧玄武岩的特征,从中酸性岩浆岩得不出岛弧的结论,从三叠纪开始的古太平洋板块扩张方向的演变也不支持板块向西俯冲的认识。认为中国东部燕山期大规模岩浆活动可能与超级地幔柱的活动有关,是一种新的大火成岩省类型。文中将大火成岩省分为两类:一类为B型大火成岩省,部分熔融发生在岩石圈底部,以发育玄武岩为特征;另一类为G型大火成岩省,部分熔融发生在下地壳底部,以发育大规模花岗质岩浆为特征。根据中国东部大规模岩浆活动的时空分布分出5个大火成岩省:鄂霍茨克(大兴安岭北端)、张广才岭—小兴安岭、华北—大兴安岭、华南和东部沿海大火成岩省。认为岩石圈减薄可以产生多种效应,是地壳演化的最重要的动力学因素,但唯独与地壳浅部的伸展事件无关。还评论了流行的岩石圈减薄的见解,认为流行的见解将岩石圈减薄定位在新生代(岩石圈厚80～120km)是似是而非的,不是科学的命题。     

南海复蘑菇状地幔低速柱结构及其地幔动力学

运用高分辨率天然地震面波层析成像和体波层析成像技术,研究东亚西太平洋地区及全球地幔三维速度结构时发现南海地区地幔存在深达2000km以上的巨型复蘑菇状地幔低速柱,结合地质、地球化学和地球物理相关标志,将复蘑菇状地幔低速柱称为南海复蘑菇状地幔柱。本文在论述南海复蘑菇状地幔柱的地质地球物理特征基础上,将地幔柱划分为柱头、柱体、柱尾、幔枝和热点等部分,建立起地幔柱三维几何结构模型,探讨了复蘑菇状地幔柱在南海海盆扩张过程中的主导作用以及欧亚板块、菲律宾海板块和印度洋板块相互作用对南海演化过程的影响。     

岩浆Cu-Ni-PGE硫化物矿床的克拉通边缘成矿模型

对比分析了世界范围内岩浆Cu-Ni-PGE硫化物矿床的空间分布,以及其与大火成岩省(LIPs)的成因联系,认为此类矿床的产出位置与岩石圈结构关系密切.这种密切关系表现在此类矿床主要分布在克拉通边缘或古克拉通边缘;矿床与铁镁质-超铁镁质岩石关系密切,表现在许多矿床与基性-超基性火山岩浆作用间具有密切的的时空联系.构建了岩浆Cu-Ni-PGE硫化物矿床的(古)克拉通边缘成矿模型,认为此类矿床形成需要5个作用过程:①地幔中大规模超镁铁质熔体的产生.②大规模超镁铁质熔体朝克拉通边缘运移.③地幔熔体穿过岩石圈.④地幔熔体与地壳物质间相互作用.⑤岩浆喷发及矿质堆积成矿.概括了克拉通边缘三方面的成矿优越性:①克拉通内部岩石圈厚大,边缘岩石圈相对薄弱,这就促使了地幔柱熔体顺陆下岩石圈地幔(SCLM)基底发生侧向运移.②克拉通边缘是大地构造运动的应力集中区,这就使得沿克拉通边缘分布的转换断层将在局部变异,形成地球物理障.③顺克拉通边缘分布的矿床或位于大陆内古克拉通边缘的矿床具有更好的保存条件,免遭了造山后因差异抬升而形成的剥蚀作用的破坏.     

华北东部地幔热柱的特征与演化

燕山运动以来,华北东部地区发生了翻天覆地之构造转变,构造体制从印支期末华北地块与扬子地块的拼贴-增生,转变为地幔热柱演化-区域伸展断陷。华北地幔热柱强烈上隆过程中,在岩石圈底部受阻并呈蘑菇状向外拆离流变,在使上部岩石圈发生热减薄-断陷的同时,向外拆离流变的地幔岩在盆地外围受到韧性剪切带的切割,导致深熔岩浆活动并带动围岩上隆,形成一系列次级隆起(幔枝构造)。地形地貌上亦从东部隆起的高原转变为一盆多山耦合格局——地幔热柱上部的热减薄断(拗)陷与外围的一系列幔枝构造的空间有机组合,即华北东部裂陷盆地西与太行造山带、北与燕山造山带、东与朝鲜半岛、南与大别造山带(即中心裂陷盆地与外围各幔枝构造)均为盆-山耦合关系。