地幔富硅交代与大陆岩石圈的演化

富硅交代是弧下地幔中熔体岩石相互作用的主要表现形式 ,是造成古老克拉通陆下岩石圈地幔富硅的主要机制。在弧下地幔捕掳体中 ,橄榄岩被来自俯冲洋壳物质部分熔融生成的含水富硅熔体交代后 ,斜方辉石含量的增加使全岩富集SiO2 ,斜方辉石显示异常低的Al2 O3和Cr2 O3,微量元素上表现为强烈富集LILE ,强烈亏损Nb ,Ta和Ti。在古老克拉通地幔岩样品中 ,方辉橄榄岩具过剩的斜方辉石 ,橄榄石的Ni含量与斜方辉石的组成含量成正比 ,而和橄榄石的x(Mg) /x(Mg +Fe2 +)值没有正比关系 ,被解释为亏损的地幔橄榄岩和来自俯冲板片的富硅熔体相互作用的结果。熔体岩石相互作用最终导致了陆下岩石圈地幔富集SiO2 ,这种被含水富硅熔体改造后的地幔岩石的部分熔融可能是造成陆壳富硅富镁的主要原因。含水富硅熔体对岩石圈地幔的影响程度也可能是大陆岩石圈增生或裂解、增厚或减薄的关键因素之一。     

中国东部岩石圈上地幔的组成特征及其地质意义

无论是在岩石学领域,还是在地质学的其它研究领域,地幔的岩石学特征都具有十分重要的意义。本文试图把统计学方法引入区域岩石学研究,从中国东部新生代玄武质岩石中超镁铁岩包体的成分特征入手,应用统计学方法阐明中国东部岩石圈上地幔整体上为弱亏损上地幔的观点。并且认为,在中国东部,岩石圈上地幔具有东西分带的特点。地幔岩石的带状分布方向为NNE向,与中国东部上地幔隆起的长轴方向一致。从东向西可以分出3个带,即东南沿海带、长白山—郯庐断裂带及大兴安岭—太行山带。另一方面,岩石圈上地幔岩石成分的这种分带性又受到其它因素的影响,以致在东西分带的基础上显现南北分块的特征,大致划分出了东北、华北、华南三大地块,体现了中国东部岩石圈上地幔的南北差异。在这个基础上,进一步探讨了我国东部岩石圈上地幔的组成特征在玄武岩岩浆起源、裂谷作用及地质演化等方面的意义。     

太行山构造带及其以东地区上地幔地震层析成像

基于首都圈地区及河北邯郸台网共115个台站记录的地方震、近震和远震P波和S波走时,利用地震层析成像技术得到了太行山构造带及其以东地区下方300km深度范围内的P、S波速度结构。结果发现沿太行山构造带速度结构在上地幔中存在明显的横向不均匀性,其南、中、北段显示了各自不同的构造特征。太行山以东盆地区岩石圈厚度较薄,在约80km深度进入地幔软流层,但在160km深度下,P波和S波速度结构呈现较大差异,其中P波在华北东部地区逐渐以高速为主,而S波速度剖面上虽然低速体被切割,但仍然保持了大部分地区的相对低速。深部结构揭示,太行山中段受华北地区岩石圈减薄过程作用最为强烈,其速度结构与盆地区更为相似。而南段构造作用与浅部断裂关系明显,深部可能更多地保留了构造造山带岩石圈厚度大,高速介质多的特征。太行山北段处于多构造交界地区,速度结构比较复杂,部分S波低速区可能与深部地幔物质上涌作用有关。     

西藏及其周围地区地壳、地幔地震层析成像——印度板块大规模俯冲于西藏高原之下的证据

文中介绍有关西藏—喜马拉雅碰撞带的一项地震层析成像研究。根据一个用天然地震数据产生的全球波速模型 ,印度板块有可能以近水平状俯冲于整个西藏高原之下至 16 5～ 2 6 0km深度。西藏岩石圈具有低波速地壳和高波速下岩石圈 (75～ 12 0km深 )。在 12 0～ 16 5km深度范围 ,西藏岩石圈与俯冲的印度板块之间有一层低速软流圈物质。高原中部从地表到 310km深处有一低速体 ,说明地幔物质有可能穿过俯冲板块的脆弱部位上隆。这些结果以及野外实测的地壳缩短值说明高原的抬升得助于印度板块的近水平俯冲。我们推论俯冲印度板块的升温上浮以及上覆软流层的存在是造成西藏高原高海拔抬升以及内部地表仍相对平坦的主要原因。2 0 0 1年 1月 2 6日在印度西部发生的毁灭性大地震有可能是俯冲应力在印度板块后缘薄弱处引发的岩石圈大断裂。     

青藏高原地壳与上地幔成层速度结构与深部层间物质的运移轨迹

在印度洋板块与欧亚板块碰撞、挤压作用下,促使深部物质重新分异、调整和运移,并导致了地壳的短缩增厚,而且造成了高原的整体隆升和深部壳、幔物质的侧向流展。基于青藏高原腹地和周边地域地壳与上地幔的成层速度结构,特别是其特异层序的展布研究表明,青藏高原地壳巨厚,但岩石圈却相对较薄;地壳中于深20±5km处存在一低速层,层速度为5.7±0.1km/s,厚度为8±2km;上地幔软流圈顶部深度为110±10km;下地壳与上地幔盖层物质以地壳低速层为上滑移面,以岩石圈漂曳的上地幔软流圈顶面为下滑移面,在印度洋板块N-NNE向力源作用下在同步运移,即形成了青藏高原腹地和周边地域特异的大陆地球动力学环境。     

欧亚大陆及边缘海岩石圈的结构特性

从地球层块结构的研究思路出发,运用构造解析的理论和方法,对东亚及西太平洋地区人工地震测深和天然地震面波层析成像进行构造解析,发现岩石圈中下部存在形态各异、大小不等的高速块体,结合地质学、地球化学及其他地球物理学标志的综合研究将其称为幔块构造,高速块体或幔块构造是控制东亚西太平洋岩石圈构造格局和岩石圈表层构造变形最基本条件之一。在系统研究该区岩石圈高速块体或幔块构造三维几何结构基础上,建立起东亚西太平洋岩石圈八种三维几何结构型式:克拉通陆根状结构、高原陆根状结构、造山带楔状结构、碎块状结构、香肠状结构、哑铃状结构、藕节状结构和板状结构,以及岩石圈形成与构造演化四种构造类型:克拉通型岩石圈、增厚型岩石圈、减薄型岩石圈和大洋型岩石圈。文章在详细论述岩石圈各结构构造类基本特征的基础上,认为全球最大的青藏高原具有增厚型岩石圈特性,存在大陆根,并且大陆根正在增厚过程中;地震层析成像显示,研究区存在全球最大的东亚大陆巨型裂谷体系,具有减薄型岩石圈特性,新生代晚期东亚大陆巨型裂谷体系被西太平洋沟弧盆体系叠加与改造。根据岩石圈三维结构型式,探讨了岩石圈形成机制与演化模式,东亚大陆边缘岩石圈大规模伸展拆沉减薄作用以及软流圈和地幔物质上涌加热作用与青藏高原岩石圈大规模俯冲碰撞?入增厚作用是东亚大陆及边缘海晚中生代以来地幔动力学最基本的表现型式,从而形成全球最大的青藏高原和全球最大的东亚大陆巨型裂谷体系。     

中国东部中生代岩石圈演化与太平洋板块俯冲消减关系的讨论

国内外不少学者认为中国东部中生代岩石圈演化与太平洋板块向欧亚大陆俯冲、消减有关,近年来作者从岩石圈-软流层深部地质过程审视中国东部岩石圈演化问题发现,中国东部中生代早期(三叠纪至侏罗纪)岩石圈演化与太平洋板块向欧亚大陆俯冲消减没有直接的关系,它们可能是一种源自中国东部周边东亚洋盆系的一些洋盆向中国东部大陆俯冲消减碰撞造山以及由它们引发的中国东部大陆内的软流层上涌的深部地质作用联合作用的结果。软流层上涌作用自始至终控制着中国东部大陆岩石圈与软流层之间以及壳幔之间的层圈拆离,底侵作用以及岩石圈变形缩短、伸展和岩浆活动。     

东亚西太平洋岩石圈三维结构及其地幔动力学

欧亚大陆及其边缘海地区是由约30多块尺度不同、形成时代和性质各异的板块或地块拼合而成。这些岩石圈板块或地块经过长时间的漂移,多次聚合与分离,碰撞与增生,在新生代最后形成现代的拼合欧亚大陆。欧亚大陆及其边缘海的板块或地块可以分为以下六类:(1)前寒武纪巨型克拉通地块及地盾;(2)前寒武纪小型克拉通地块及板块;(3)显生宙造山带及汇聚地块;(4)陆陆碰撞型地块及造山带;(5)新生代边缘海海盆;(6)大陆裂谷盆地及增生地块。高分辨率地震面波层析成像,显示同一类型的板块或地块的岩石圈和软流圈的速度结构十分相似,呈现出其独有的速度分布特征。不同类型板块或地块的速度结构有重大差异。直到400km深度,各个板块和地块的横向差异才逐渐减小。一般而言,前寒武纪克拉通板块及地块的岩石圈巨厚具有高速性质、软流圈很薄或不存在;边缘海、造山带等区域岩石圈较薄和速度较低,软流圈发育。根据欧亚大陆及边缘海地区天然地震层析成像,人工地震剖面数据及其他有关资料,建立了欧亚大陆及其边缘海岩石圈模型。     

西昆仑岩石圈的拆沉作用及其深部构造含义——地震层析成像及航磁异常证据

西昆仑构造带及其邻区的宽频带地震探测和航磁异常研究结果表明,西昆仑构造带的南部(亦即青藏板块)的岩石圈向塔里木盆地下部俯冲,西昆仑的蛇绿岩带是闭合于加里东造山时期的古特提斯洋的残迹;青藏板块在向塔里木盆地俯冲的过程中,受到来自北部坚硬、古老的塔里木地体的强力阻挡,使得向北俯冲的岩石圈产生裂解,发生拆沉;在青藏板块岩石圈发生拆沉作用的同时,南部青藏板块岩石圈的回弹及软流层的浮力作用导致上部地壳发生引张断陷,深部熔岩上涌造成了碱质型熔岩沿断陷裂隙喷溢,同时也形成了构造带两侧反逆冲构造格局;西昆仑中央断裂是青藏高原的“第四缝合带”,北昆仑构造带仅仅是由于在青藏板块岩石圈发生拆沉作用时,西昆仑构造带中地壳浅部物质逆冲于塔里木前陆之上形成的。     

Lithosphere mapping beneath the North American plate

Major- and trace-element analyses of garnets from heavy-mineral concentrates have been used to derive the compositional and thermal structure of the subcontinental lithospheric mantle (SCLM) beneath 16 areas within the core of the ancient Laurentian continent and 11 areas in the craton margin and fringing mobile belts. Results are presented as stratigraphic sections showing variations in the relative proportions of different rock types and metasomatic styles, and the mean Fo content of olivine, with depth. Detailed comparisons with data from mantle xenoliths demonstrate the reliability of the sections.

In the Slave Province, the SCLM in most areas shows a two-layer structure with a boundary at 140–160 km depth. The upper layer shows pronounced lateral variations, whereas the lower layer, after accounting for different degrees of melt-related metasomatism, shows marked uniformity. The lower layer is interpreted as a subcreted plume head, added at ca. 3.2 Ga; this boundary between the layers rises to <100 km depth toward the northern and southern edges of the craton. Strongly layered SCLM suggests that plume subcretion may also have played a role in the construction of the lithosphere beneath Michigan and Saskatchewan.

Outside the Slave Province, most North American Archon SCLM sections are less depleted than similar sections in southern Africa and Siberia; this may reflect extensive metasomatic modification. In E. Canada, the degree of modification increases toward the craton margin, and the SCLM beneath the Kapuskasing Structural Zone is typical of that beneath Proterozoic to Phanerozoic mobile belts.

SCLM sections from several Proterozoic areas around the margin of the Laurentian continental core (W. Greenland, Colorado–Wyoming district, Arkansas) show discontinuities and gaps that are interpreted as the effects of lithosphere stacking during collisional orogeny. Some areas affected by Proterozoic orogenesis (Wyoming Craton, Alberta, W. Greenland) appear to retain buoyant, modified Archean SCLM. Possible juvenile Proterozoic SCLM beneath the Colorado Plateau is significantly less refractory. The SCLM beneath the Kansas kimberlite field is highly melt-metasomatised, reflecting its proximity to the Mid-Continent Rift System.

A traverse across the continent shows that the upper part of the cratonic SCLM is highly magnesian; the decrease in mg# with depth is interpreted as the cumulative effect of metasomatic modification through time. The relatively small variations in seismic velocity within the continental core largely reflect the thickness of this depleted layer. The larger drop in seismic velocity in the surrounding Proton and Tecton belts reflects the closely coupled changes in SCLM composition and geotherm.     

华北中—新生代大陆岩石圈转型的研究现状与方向 ——兼评“岩石圈减薄”和“克拉通破坏”

对我国大陆岩石圈的持续热点研究领域——华北中-新生代大陆岩石圈巨厚减薄研究中所涉及的问题再次进行了评述,特别是将对问题认识过程与克拉通陆内造山研究相联系。综述了岩石地球化学、地球物理、构造地质等不同学科对中生代华北大陆岩石圈演化特征研究的最新进展,以及对大陆岩石圈诸多学科不同定义内涵及由此产生的讨论。在分述了国际大陆岩石圈研究背景,岩石圈转型的空间特征及时间特征,新技术方法的应用,地表构造体系转折的再认识,以及几种可能的转型机制基础上,再次建议以大陆岩石圈全面转型,即一系列大陆岩石圈地质、物理及化学参量的系统变化,来描述这一大尺度东亚地球动力学过程,并提出目前以“克拉通破坏”作为大陆岩石圈改造研究的提法应予修正。呼吁大力鼓励及进行多学科交叉综合研究,重视各学科新技术新方法的引进及应用。在相关研究中高度重视地球深部圈层相互作用,将中生代全球深部地幔事件对中国东部岩石圈地幔全面转型的影响作为今后研究重点。     

中生代华北南缘带状岩石圈结构特征及其大陆形成演化意义

大陆岩石圈根的形成与破坏是当前固体地球科学的重大研究课题之一.对独具时空特色的华北东部地块南缘信阳中生代火山岩中一系列包括下地壳镁铁质-长英质的麻粒岩、榴辉岩、变辉长岩、辉石岩和上地幔橄榄岩等岩石包体进行了系统的定深、定年研究, 建立了华北中生代(~160Ma) 多块体结合部位的组成和年龄呈带状结构的岩石圈几何模型, 并在此基础上分析了形成的动力学过程.在华北南缘地表出露最老~2.85Ga的岩石之下的30km处(上部下地壳), 由年龄为3.6~3.4Ga的长英质麻粒岩和辉石岩组成; 更深处30~40km位置, 则由具古元古代年龄(2.0~1.8Ga) 的镁铁质-长英质麻粒岩和变辉长岩构成, 其形成过程与华北东部地块与西部地块的碰撞有关, 记录着全球性的哥伦比亚超大陆汇聚事件.Hf同位素数据显示在这次重要事件里, 既有新生地幔物质加入, 也有古老地壳(3.8~3.0Ga) 组分的再熔融作用.在来自下地壳更深处的榴辉岩(40~45km) 和上地幔橄榄岩(> 45km), 它们的主要年龄分别是古生代(440~260Ma) 和早中生代(228~219Ma), 记录着在显生宙不同时期扬子与华北碰撞的动力学过程.      

藏北高原夏季典型天气大气边界层特征分析

利用加密探空资料,分析了藏北高原那曲和安多地区夏季典型晴天与阴天边界层风速、位温与比湿时空分布及变化特征.结果发现:在夏季8月,上述地区东西分量风速(切变)晴天均比阴天小,安多地区盛行偏西风,那曲地区盛行偏东风;南北分量风速(切变)晴天比阴天大.边界层晴天和阴天白天(晚上)的对流(稳定)边界层特征明显,阴天稳定边界层的厚度和对流边界层的高度较晴天时的都低;比湿夜间比白天大,阴天比晴天大.在安多地区和那曲地区都出现了逆湿现象,强逆湿主要出现在午夜或正午.     

Heterogeneity of the Lithosphere in Tibetan Plateau on the Constraints of Magmatism

HETEROGENEITY OF THE LITHOSPHERE IN TIBETAN PLATEAU ON THE CONSTRAINTS OF MAGMATISM     

华北中部岩石圈电性结构——应县—商河剖面大地电磁测深研究

20 0 1年, 沿着山西应县到山东商河, 重新布置大地电磁测深剖面进行研究.采用现代先进的大地电磁数据处理技术和快速松弛二维反演方法获得该剖面二维电性结构模型, 从而充分展示了华北地区岩石圈电性结构的特点.从电性特征上讲, 华北岩石圈以太行山前断裂为界划分为东、西两区, 东区为低阻区, 西区为高阻区.在东区, 上地壳电性结构基本与华北裂谷系的隆、坳构造格局相对应, 岩石圈的电导最高达3× 104 S, 远远大于强烈活动的安第斯山岩浆弧区和西藏高原岩石圈的电导.这里, 在构造连接部位的地壳中有不连续的高导体存在, 电导率大约0.1~ 0.8S/m.在西区, 太行山和恒山的岩石圈为高阻块体, 表现出稳定大陆区岩石圈导电性结构的特点.但恒山高阻块体之下发现一组向西缓倾的高导层, 其电导率为0.0 4~0.2 5S/m, 顶面在2 0km深处, 底面深度大约40km.      

华北早白垩世末岩石圈局部被扰动的时空证据

对比研究了辽西阜新碱锅和内蒙古平庄含地幔捕虏体的阜新组玄武岩与碱锅义县组的安山岩，并结合前人的同位素年代学研究，确认在早白垩世117—106Ma期间，该区火山岩岩浆来源从富集的岩石圈地幔转变成亏损的软流圈地幔．即岩浆作用从以壳幔相互作用为主转化成软流圈的底辟体上升。将岩浆来源的巨大变化与前人关于古地磁和白垩纪超静磁带的研究成果以及研究区脊椎动物群集群死亡事件联系起来，认为这是一次重要的岩石圈圈层结构被扰动的事件。通过区域对比，发现阜新、平庄岩浆源区从富集地幔向亏损地幔转化的事件同样存在于山东沂水以及松辽盆地。而且岩浆来源转化的时间大体一致，均发生在100～80Ma前后。根据前人提供的小比例尺的三维面波速度结构，推断中国东部软流圈物质沿着构造薄弱带上涌，使岩石圈发生局部扰动的起始时问可能是晚中生代100Ma，由于各地构造差异它们可以表现为若干软流圈上涌的底辟体。     

华北克拉通西部陆块北缘新生代岩石圈地幔特征的初步研究

凉城、四子王旗、三义堂和大同的地幔包体的岩石学和矿物的主、微量元素成分显示华北克拉通中、西部北缘总体为过渡型岩石圈地幔,为原始地幔经过不同程度的熔体抽取和后期交代富集作用的残留.凉城岩石圈地幔经历的熔体抽取程度最低,后期交代富集作用比较强烈,这与其橄榄岩中尖晶石的Cr#较低,并且共存的单斜辉石的Mg#较低一致.三义堂岩石圈地幔经历的熔体抽取程度最高,后期交代富集作用最强烈,不同样品甚至同一样品中不同单斜辉石颗粒的La/Yb和LREE配分模式变化范围非常大,且矿物边部比核部更富集微量元素.大同、四子王旗岩石圈地幔经历的熔体抽取程度介于凉城和三义堂之间,但后期的交代富集作用明显不如凉城和三义堂强烈.研究区的岩石圈地幔主要受硅酸盐熔体交代作用的影响,只有三义堂岩石圈地幔还可能也受到了碳酸盐交代作用的影响.     

Genesis and evolution of the lithospheric mantle beneath the Buffalo Head Terrane, Alberta (Canada)

Mantle xenoliths and xenocrysts were retrieved from three of the 88–86 Ma Buffalo Hills kimberlites (K6, K11, K14) for a reconnaissance study of the subcontinental lithospheric mantle (SCLM) beneath the Buffalo Head Terrane (Alberta, Canada). The xenoliths include spinel lherzolites, one garnet spinel lherzolite, garnet harzburgites, one sheared garnet lherzolite and pyroxenites. Pyroxenitic and wehrlitic garnet xenocrysts are derived primarily from the shallow mantle and lherzolitic garnet xenocrysts from the deep mantle. Harzburgite with Ca-saturated garnets is concentrated in a layer between 135–165 km depth. Garnet xenocrysts define a model conductive paleogeotherm corresponding to a heat flow of 38–39 mW/m². The sheared garnet lherzolite lies on an inflection of this geotherm and may constrain the depth of the lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) beneath this region to ca 180 km depth.

A loss of >20% partial melt is recorded by spinel lherzolites and up to 60% by the garnet harzburgites, which may be related to lithosphere formation. The mantle was subsequently modified during at least two metasomatic events. An older metasomatic event is evident in incompatible-element enrichments in homogeneous equilibrated garnet and clinopyroxene. Silicate melt metasomatism predominated in the deep lithosphere and led to enrichments in the HFSE with minor enrichments in LREE. Metasomatism by small-volume volatile-rich melts, such as carbonatite, appears to have been more important in the shallow lithosphere and led to enrichments in LREE with minor enrichments in HFSE. An intermediate metasomatic style, possibly a signature of volatile-rich silicate melts, is also recognised. These metasomatic styles may be related through modification of a single melt during progressive interaction with the mantle. This metasomatism is suggested to have occurred during Paleoproterozoic rifting of the Buffalo Head Terrane from the neighbouring Rae Province and may be responsible for the evolution of some samples toward unradiogenic Nd and Hf isotopic compositions.

Disturbed Re–Os isotope systematics, evident in implausible model ages, were obtained in situ for sulfides in several spinel lherzolites and suggest that many sulfides are secondary (metasomatic) or mixtures of primary and secondary sulfides. Sulfide in one peridotite has unradiogenic ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os and gives a model age of 1.89±0.38 Ga. This age coincides with the inferred emplacement of mafic sheets in the crust and suggests that the melts parental to the intrusions interacted with the lithospheric mantle.

A younger metasomatic event is indicated by the occurrence of sulfide-rich melt patches, unequilibrated mineral compositions and overgrowths on spinel that are Ti-, Cr- and Fe-rich but Zn-poor. Subsequent cooling is recorded by fine exsolution lamellae in the pyroxenes and by arrested mineral reactions.

If the lithosphere beneath the Buffalo Head Terrane was formed in the Archaean, any unambiguous signatures of this ancient origin may have been obliterated during these multiple events.     

华北克拉通西北部显生宙岩石圈地幔属性与演化特征: 橄榄岩捕虏体证据

众所周知,华北克拉通东部岩石圈地幔的组成和性质在显生宙发生了显著变化,但由于西部出露含有捕虏体的火山岩较少,这在一定程度上限制了人们对该区岩石圈地幔属性与演化特征的认识。本文将华北克拉通西北部晚白垩世-新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的研究成果归纳总结,旨在进一步揭示该区岩石圈地幔的属性与演化特征。研究表明,华北克拉通西北部岩石圈地幔主要由低Mg^#的二辉橄榄岩和少量高Mg^#的方辉橄榄岩组成。高Mg^#橄榄岩代表该区受轻微再富集作用影响的古老岩石圈地幔残余,低Mg^#橄榄岩是软流圈来源熔体与高Mg^#橄榄岩反应的产物,代表地幔再富集作用对古老岩石圈地幔改造的结果。该区岩石圈地幔经历了多期地幔交代作用的改造,早期交代事件与古亚洲洋俯冲有关,近期与软流圈来源的玄武质熔体有关。这种广泛的地幔再富集作用对华北克拉通古老岩石圈地幔的转变做出了重要贡献。