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。     

华北克拉通中部中生代岩石圈地幔的性质:来自橄榄岩捕虏体的证据

目前对华北克拉通中生代岩石圈地幔性质的认识主要来源于中生代火成岩元素和同位素的地球化学示踪,而缺乏由地幔橄榄岩捕虏体所代表的直接证据.太行山南段中生代闪长岩中的地幔橄榄岩捕虏体为了解华北克拉通中部岩石圈地幔的性质提供了可能.     

中国东部显生宙地幔演化的主要样式 :“蘑菇云”模型

从地幔类型、地球物理资料、岩石学研究成果 3方面讨论了中国东部显生宙地幔演化的主要样式 ,认为古老岩石圈地幔物质以亏损玄武质组分的橄榄岩为主 ,岩石密度低 ,具上浮性质 ,是克拉通稳定的主要原因 ,不可能发生因重力诱发的拆沉作用。白垩纪晚期—新生代地幔成分为饱满的二辉橄榄岩 ,地温高 ,明显有别于古老地幔。该热地幔物质呈“蘑菇云”状上涌 ,蘑菇云之间仍有古老地幔的残留体 ,二者多数呈陡边界接触 ,这是东部地幔演化的主要样式。与此同时岩石圈伸展导致岩石圈减薄。中生代中国东部绝大部分地区地温很高、地壳厚度大 ,但许多问题尚待研究。古老岩石圈地幔中的低速、低阻物质为流体和低熔程度的熔体 ,它们呈脉状、透镜状 ;新生代地幔中的该物质为含熔体的软流圈物质 ,它们呈多个蘑菇云状 ;中生代地幔中的低速物质可能为大量的玄武质熔体 ,呈蘑菇云平流层状。中生代壳幔相互作用明显 ,克拉通稳定时期及新生代时期层圈之间相互作用的活跃带位于岩石圈与软流圈之间。     

含水熔体-橄榄岩反应-结晶实验——对高镁角闪闪长岩成因的制约

<正>鲁西地区和太行山南段产出大量早白垩世角闪闪长岩(或角闪辉长岩)。这些闪长岩具有高Mg、Ni含量、轻/重稀土元素高分异、Sr/Y值高等地球化学特征,并且,常携带含斜方辉石岩脉的橄榄岩捕掳体。前人研究表明,这些高镁闪长岩可能形成于再循环拆沉陆壳熔体与地幔橄榄岩的反应[1-2]或陆壳熔体与幔源玄武质熔体的混合[3]。橄榄岩捕掳体中的斜方辉石岩脉含有角闪石和金云母,暗示其来源于经历了含水熔体交代的岩石圈地幔。并且,结合寄主岩的高Mg、Ni特征,表明角闪闪长岩可能是与橄榄岩反应     

吉林东部汪清新生代玄武岩中地幔包体的矿物化学：对该地区岩石圈地幔形成过程的启示

在对吉林汪清新生代玄武岩中橄榄岩包体进行全岩主、微量元素分析的基础上,重点分析了矿物的主、微量元素含量,讨论了华北克拉通东北缘与兴蒙造山带结合部位陆下岩石圈地幔所经历的部分熔融作用和地幔交代作用。橄榄石的Fo、单斜辉石以及尖晶石的Mg#和Cr#均表明该地区陆下岩石圈地幔相对饱满。对地幔橄榄岩透辉石微量元素模拟计算证实,汪清陆下岩石圈地幔经历了1%~3%的部分熔融作用,并遭受后期硅酸盐熔体交代作用。这些地幔特征与中国东部其他地区新生代主体岩石圈相似。研究结果证明,吉林汪清中、新生代以来岩石圈性质的转变是在汇聚板块构造体制下通过“拆沉作用”实现的。     

华北克拉通东南缘约1.8 Ga高压麻粒岩相变质作用:岩石学和锆石U-Pb年代学证据

华北克拉通北邻中亚造山带,南接秦岭-大别-苏鲁造山带.它通常被认为是约18亿年固结形成的陆块.其基底的形成与演化,一直受到广泛关注(Zhao et al.,1998,2000,2005;Zhai et al.,2000,2005;Wilde et al.,2002,2005;Guo et al.,2005;Kroner et al.,2005,2006;Lu et al.,2008).大多数研究者都注重于华北克拉通内部、北部和东西陆块结合带(中间带),较少关注东南缘基底的形成与演化研究.     

东非裂谷Oldoinyo Lengai火山碳酸岩浆作用过程中的镁同位素分馏

<正>碳酸盐熔体具有极低的粘度和独特的元素配分型式,是引起地幔交代作用和化学组成不均一性的重要介质之一(Yaxley et al.,1991;Rudnick et al.,1993;Coltorti et al.,1999)。火成碳酸岩是碳酸盐熔体结晶的产物,其镁(Mg)同位素组成可以为碳酸岩浆作用过程中镁同位素的分馏行为和地幔的镁同位素组成特征提供重要制约。为此,我们系统研     

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。     

陆壳的垂向增生

陆壳的垂向增生是幔源物质进入到下地壳和下地壳物质进入到地幔的双向过程 ,前者主要表现为壳下底侵作用 ,后者主要表现为岩石圈规模的拆沉作用 ,其中拆沉作用往往诱发了陆壳下大规模的底侵作用。下地壳部分熔融残余的超镁铁质岩沉入到岩石圈地幔的过程称为陆壳沉没作用 ,它可能是陆壳物质进入地幔的一种重要方式。     

华北克拉通岩石圈地幔的锂同位素特征与熔体改造作用

华北克拉通是显生宙以来全球古老克拉通破坏最为剧烈的地区。华北克拉通破坏及其相关的科学问题引起了国内外地质学家的广泛关注。有关华北克拉通破坏的研究已取得了许多重要进展,使我们认识到其破坏不仅表现为岩石圈厚度的剧烈减薄,更重要的是岩石圈地幔的物质组成与性质发生了巨大转变,即从古生代克拉通型转变为新生代大洋型。本文在综述华北地幔捕虏体锂同位素地球化学特征的基础上,进一步揭示了华北岩石圈地幔高度不均一的组成特征,以及不同来源的熔体对岩石圈地幔的改造作用,为深入认识华北岩石圈地幔的转变过程提供进一步的制约。     

华北东部大陆地幔橄榄岩组成、年龄与岩石圈减薄

对比分析了华北东部地块陆下岩石圈地幔橄榄石Mg#值和单斜辉石的REE配分形式。报道了汉诺坝和鹤壁橄榄岩中不同产状硫化物的激光MC-ICPMS原位Re-Os年龄和信阳橄榄岩中锆石的U-Pb年龄和信阳橄榄岩锆石的U-Pb年龄。在这些资料基础上,进一步讨论了华北东部岩石圈中、新生代时的减薄机制。原位分析在揭示岩石圈深部过程的细节上,有比全岩分析更大的优越性,并揭示出了在华北深部有中元古代(14亿年)和新元古代(7～8亿年)热活动的记录。岩石圈拆沉作用不能很好地解释古老难熔地幔、过渡型地幔和新生饱满地幔并存的事实;同时,单纯的熔体-橄榄岩相互作用也难以解释中、新生代岩石圈的减薄过程和新生地幔单斜辉石中出现强烈LREE亏损现象,即历史复杂的克拉通岩石圈向历史明显简单的“大洋型”地幔的转换。因此,华北东部岩石圈减薄包括地幔伸展、熔-岩作用、侵蚀置换等复杂过程。这些过程可能包括:(1)早中生代时,扬子地块向北俯冲碰撞所引起华北岩石圈的熔/流体交代富集作用、地幔伸展和受扰动软流圈物质上涌并侵蚀被改造了的岩石圈;(2)晚中生代—古近纪,因太平洋俯冲的热扰动致使软流圈物质进一步的强烈侵蚀作用引起岩石圈的巨大减薄;(3)晚第三纪以来的软流圈热沉降作用所带来的小幅度岩石圈增厚过程。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的减薄过程。喷发时代为100Ma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曾有过地幔置换作用。     

华北克拉通中生代拆沉陆壳物质对岩石圈地幔的改造:来自橄榄岩捕虏体中角闪石的成分制约

对鲁西和太行山南段早白垩世高镁闪长岩中橄榄岩捕虏体中的角闪石进行了主量元素和痕量元素分析,并讨论了角闪石成分与改造岩石圈地幔熔体的性质与来源之间的关系。研究结果表明,橄榄岩类捕虏体中的角闪石主要为交代成因。在化学上,它们属于钙质角闪石。太行山南段符山橄榄岩捕虏体中的角闪石属于镁质普通角闪石和浅闪石或浅闪石质普通角闪石;鲁西铁铜沟橄榄岩捕虏体中的角闪石为韭闪石质普通角闪石、浅闪石质普通角闪石和镁绿钙闪石质普通角闪石。与板内橄榄岩捕虏体中的角闪石相比,鲁西和太行山南段早白垩世高镁闪长岩橄榄岩捕虏体中的角闪石具有相对高的Mg#(鲁西:86.0~90.8;太行山:90.7~94.2)和SiO2(鲁西:44.04%~46.98%;太行山:47.09%~49.79%)以及相对低的Na2O(1.92%~2.51%)、TiO2(0.01%~1.46%)、Nb(0.29×10-6~1.98×10-6)和Zr(1.61×10-6~5.34×10-6),这与来自俯冲带之上地幔楔橄榄岩捕虏体中的角闪石相类似。综合橄榄岩捕虏体的地球化学特征,可以判定华北克拉通早白垩世岩石圈地幔遭受了起源于拆沉陆壳物质熔融熔体的改造。     

胶东青山群基性火山岩的Ar-Ar年代学和地球化学特征: 对华北克拉通破坏过程的启示

青山群火山岩是华北克拉通破坏期间最具代表性的地幔或地壳熔融产物,记录了华北深部地质演化的重要信息。本文对胶东青山群基性火山岩进行了40Ar/39Ar定年和岩石地球化学分析,结合前人报道的胶东青山群酸性火山岩资料,发现:(1)基性火山岩喷发年龄为122～113Ma,早于青山群酸性火山岩(110～98Ma);(2)基性和酸性火山岩显示了不同的元素和同位素地球化学特征。岩石成因分析表明,基性火山岩为交代富集地幔部分熔融作用的产物,而酸性火山岩为古老下地壳和中生代底侵岩浆的熔融产物(Ling et al.,2009)。因此,胶东地区青山群火山岩记录了岩浆熔融源区从地幔向下地壳的转变。这与长时间尺度的岩石圈减薄过程中热能由地幔向地壳传递过程相吻合,而不同于地壳拆沉作用所预测的岩浆演化趋势。     

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。     

地幔橄榄岩中橄榄石的指示意义

橄榄石是地幔橄榄岩和辉石岩的主要组成矿物,但也经常以斑晶和捕虏晶的形式出现在玄武质岩石中。结合近年来在地幔橄榄岩的主要元素（如Mg和Fe）组成特征以及Li、Mg和Fe稳定同位素地球化学方面的研究成果,重点对橄榄石的地球化学特征与华北克拉通岩石圈地幔演化过程之间的联系进行了讨论,旨在加深对华北克拉通岩石圈地幔演化过程的理解。现有研究表明：地幔橄榄岩中橄榄石的矿物学特征、元素和同位素地球化学组成能够很好地指示岩石圈地幔的特征及其演化过程,因而具有重要的意义。对于克拉通地区的地幔橄榄岩来说,橄榄石的Mg#通常可以指示岩石圈地幔的属性,古老、难熔的地幔橄榄岩中的橄榄石一般具有较高的Mg#（〉92）,而新生的岩石圈地幔橄榄岩中的橄榄石则具有较低的Mg#（〈91）。因此,地幔橄榄岩中橄榄石的Mg#在一定程度上具有年龄意义。橄榄岩中橄榄石的Li、Mg和Fe同位素组成也可以明确指示岩石圈地幔的属性及其所经历的演化过程,正常地幔的δ7Li、δ26Mg和δ57Fe组成相对均一,如果上述同位素组成偏离正常地幔值,则说明岩石圈地幔经历了熔体/流体的交代作用。华北克拉通地区地幔橄榄岩捕虏体中橄榄石的Li、Mg和Fe同位素组成研究表明：该区的岩石圈地幔经历了多个阶段、不同来源的熔体/流体的改造过程。     

埃达克质岩的构造背景与岩石组合

本文介绍了埃达克质岩形成的构造背景与岩石组合。埃达克质岩可以形成于不同的构造背景并与不同类型的岩石同时出现：1）火山弧环境中常出现埃达克质岩一高镁安山岩-富Nb玄武质岩组合,它的形成可能与板片熔融以及熔体一地幔橄榄岩的相互作用有关;2）大陆活动碰撞造山带环境（如羌塘）中埃达克质岩常与同期钾质或橄榄玄粗质岩共生,这可能与俯冲陆壳熔融和俯冲陆壳熔体交代的地幔橄榄岩熔融有关;3）造山带伸展垮塌环境（如大别山）中埃达克质岩会伴随有镁铁质一超镁铁质岩浆出露,增厚下地壳产生埃达克质岩浆后的榴辉岩质残留体拆沉进入地幔,与地幔橄榄岩的混合可能形成后期镁铁质一超镁铁质岩浆的源区;4）大陆板内伸展环境中埃达克质岩常与同期橄榄玄粗质的岩石共生,增厚、拆沉下地壳,以及富集地幔的熔融或岩浆混合在岩石的成因中发挥了重要作用。     

大兴安岭—太行山重力梯度带以西的第四纪火山活动

中国东北部(包括东北三省和内蒙东部)是我国第四纪火山最主要的分布区,火山活动主要沿松辽盆地东西两侧分布:东侧沿郯庐断裂带及其以东到中朝边境,自北往南有镜泊湖(小北湖)火山群、长白山火山群、龙岗火山群、宽甸火山群等;西侧主要沿大兴安岭—太行山重力梯度带以西至中蒙边境,自北往南有北部诺敏河火山群和绰尔河—哈拉哈河火山群,中部阿巴嘎火山群和达里诺尔火山群,南部大同火山群和乌兰哈达火山群,整个火山带延伸上千公里。该重力梯度带以西的第四纪火山占中国东北部第四纪火山活动的半壁江山,主要由单成因火山组成(个别达亚布里尼式),少则几十座,多则200余座,如阿巴嘎火山群向北延入蒙古达里干加,构成亚洲东部面积最大的新生代火山区。昙花一现和打一枪换个地方可以形容上述单成因火山之喷发特点,由于年代新和免遭后期的改造与破坏(人为破坏除外),它们大多保留了较好的火山锥体和火山地貌特征,成为第四纪火山之重要地质标志。上述火山活动延续到全新世,成为我们开展活动火山监测与研究、探讨大陆内部火山活动构造背景与成因机制的理想场所,它们所带来的深部信息(火山岩及其尖晶石橄榄岩和石榴石橄榄岩捕虏体),还是我们获取大兴安岭—太行山重力梯度带东西两侧和华北克拉通与兴蒙造山带南北两个大地构造单元岩石圈差异演化的重要窗口(樊祺诚等,2015)。火山岩和地幔橄榄岩捕虏体的研究表明,大兴安岭—太行山重力梯度带东西两侧与南北方向上岩石圈性质均存在差异(徐义刚等,2006;赵勇伟等,2012;Zhao et al.,2014;陈生生等,2012;樊祺诚等,2008,2015)。地球物理探测资料也显示,太平洋板块的西向俯冲触发软流圈的上涌,并且部分岩浆可能起源于处在地幔过渡带(~600 km)的停滞板块(Zhang et al.,2012),横向上已经到达重力梯度带附近(Zhao et al.,2011;Li et al.,2013)。新近从华北克拉通西部北缘与兴蒙造山带南缘接壤的乌兰哈达玄武岩的元素和同位素示踪,均显示其岩浆源区橄榄岩具有碳酸盐化的趋势,不能排除碳酸盐化熔体的贡献,是否与太平洋板块向西俯冲所携带的沉积物或流体有关还待证实(Fan et al.,2014)。毫无疑问,太平洋俯冲板块向西俯冲对中国大陆之下软流圈与岩石圈的影响,势必在中国东部中—新生代火山岩中留下印记,需要地质、地球化学与地球物理的协同探索。     

辉南新生代玄武岩中捕虏体橄榄岩矿物化学与华北岩石圈地幔演化

内容提要：在对吉林辉南新生代玄武岩中捕虏体橄榄岩详细的岩相学和矿物主量元素研究基础上,重点分析了单斜辉石激光原位微量元素,并讨论了辉南陆下岩石圈地幔的性质及其在华北克拉通破坏过程中的意义。橄榄石、单斜辉石和尖晶石的Mg#和Cr#均表明该区陆下岩石圈地幔主体是饱满的,同时也存在少量过渡和难熔型地幔。单斜辉石REE配分形式包括LREE亏损、倒U字型REE和LREE富集等不同类型。这些橄榄岩是地幔经历不同程度的部分熔融作用(低于10%)和复杂地幔交代作用的产物。交代介质主体是硅酸盐熔体,但个别样品有碳酸岩熔体交代的残留。橄榄石Mg#和平衡温度无相关性,说明辉南陆下岩石圈地幔不存在明显的分层而是交叉的。这些地幔特征和华北东部其他地区新生代的主体地幔性质相似,是熔-岩反应、侵蚀作用和上涌软流圈物质冷却转变置换的综合结果。     

造山带橄榄岩记录的大陆俯冲带多期壳幔相互作用

俯冲带是地壳与地幔之间物质交换的主要场所.前人对大洋俯冲带壳幔相互作用进行了大量研究,但是对俯冲带壳幔相互作用的物理化学过程和机理仍缺乏明确认识.在大陆俯冲带出露有造山带橄榄岩,它们来自俯冲板片之上的地幔楔,是解决这个问题的理想样品.通过对大别-苏鲁和柴北缘造山带橄榄岩进行系统的岩石学和地球化学研究,发现地幔楔橄榄岩由于俯冲地壳的交代作用而含有新生锆石和残留锆石,它们能为地壳交代作用时间、交代介质来源、性质和组成提供制约.地幔楔橄榄岩在大陆碰撞过程的不同阶段受到了俯冲大陆地壳衍生的多期不同性质流体的交代作用.地幔楔橄榄岩还受到了陆壳俯冲之前古俯冲洋壳衍生流体的交代作用.深俯冲陆壳衍生熔体与橄榄岩反应形成的石榴辉石岩具有高的水含量,能提供高水含量的地幔源区.      

中国东部部分地区新生代岩石圈地幔的成因:主量和微量元素制约

为厘定中国东部新生代岩石圈地幔的成因,进而探讨岩石圈减薄的方式,本文选择汉诺坝、女山、盘石山和方山尖晶石二辉橄榄岩作为研究对象,系统分析了其主、微量元素。结果表明,这些地区新生代岩石圈地幔具有"新生"的性质,为上涌的软流圈物质经过小于10%的部分熔融程度后的残留相形成,后又经历了类似新生代玄武岩性质的富硅熔体的交代,交代介质的物质贡献小于3%。新生代岩石圈地幔与古老克拉通岩石圈地幔在主、微量元素上的显著差异以及新生代岩石圈地幔微量元素特征的拟合,支持拆沉为华北克拉通东部减薄的主要方式。