柴北缘野马滩超高压地体的成因:来自超高压榴辉岩中副片麻岩夹层年代学研究的启示

高压-超高压变质岩带是古板块汇聚边界的重要标志,若优俯冲环境和形成机制而言,可划分为大洋俯冲型和大陆俯冲型,前者与大洋岩石圈的消减和俯冲有关,常表现为高压-超高压榴辉岩和蓝片岩与具有洋壳性质的蛇绿岩和岛弧火山岩伴生,榴辉岩原岩为大洋火山岩;后者与陆壳的俯冲及陆-陆碰撞有关,常见高压-超高压榴辉岩呈透镜体状分布于长英质片麻岩、泥质片岩及大理岩等陆壳性质的变质岩石中,榴辉岩的原岩多为陆相火山岩.     

板块俯冲带水流体活动及其效应的定量化数值模拟

为探讨水流体活动对板块俯冲隧道过程及大陆碰撞造山的制约作用,采用热力学和动力学耦合的数值模拟方法,建立了系统的数值模型.结果显示俯冲隧道内的混杂岩存在两种不同的折返路径:（1）平行于俯冲隧道斜向上折返,形成靠近缝合带的高压-超高压变质岩;（2）近垂直穿过上覆地幔楔侵入地壳深度.这两种差异性的模式主要受控于俯冲带热结构.俯冲带的温度结构控制俯冲隧道内水流体和熔体活动,从而影响上覆地幔楔的弱化程度,最终导致俯冲带内物质的不同运移过程和折返路径.同时,大陆俯冲碰撞带的岩石圈变形和拆沉作用均与俯冲带的流体-熔体活动所导致的岩石圈弱化息息相关.数值模拟结果极大促进了对于板块俯冲带流体-熔体活动及其动力学过程的理解.      

大陆造山运动：从大洋俯冲到大陆俯冲、碰撞、折返的时限——以北祁连山、柴北缘为例

北祁连山和柴北缘是典型的早古生代大陆造山带,分别发育有北祁连山大洋型俯冲缝合带和柴北缘大陆型俯冲碰撞带.作为早古生代大洋冷俯冲的典型代表,北祁连山经历了从新元古代-寒武纪大洋扩张、奥陶纪俯冲和闭合及早泥盆世隆升造山的过程.高压变质岩变质年龄为490～440Ma,证明古祁连洋经历了至少50m．y．的俯冲过程.柴北缘超高压变质带是大陆深俯冲的结果,岩石学、地球化学和同位素年代学表明,柴北缘超高压变质带中榴辉岩的原岩分别来自洋壳和陆壳两种环境.高压/超高压变质的蛇绿岩原岩的年龄为517±11Ma,与祁连山蛇绿岩年龄一致.榴辉岩早期的变质年龄为443～473Ma,与祁连山高压变质年龄一致,代表大洋地壳俯冲的时代,而柯石英片麻岩和石榴橄榄岩所限定的超高压变质时代为420～426Ma,代表大陆俯冲的年龄.从大洋俯冲结束到大陆俯冲最大深度的转换时间最少需要20m．y．.自420Ma起,俯冲的大洋岩石圈与跟随俯冲的大陆岩石圈断离,大陆地壳开始折返,发生隆升和造山.北祁连山和柴北缘两个不同类型的高压-超高压变质带反映了早古生代从大洋俯冲到大陆俯冲、隆升折返的造山过程.     

高压超高压变质作用中流体—熔体—岩石相互作用

在高压超高压变质作用过程中所释放的流体对俯冲板块的演化起着重要作用,与岛弧岩浆活动有着直接联系,随着温度和压力的增加,俯冲板片将发生高压到超高榴辉岩相转变,大量的水将通过含水矿物的消失反应释放出来,这些流体可引起上覆岩圈大规模水化,并促进地幔楔状体的部分熔融,同时,通过流体的向上迁移可将某些组分带入上覆岩石圈板块,并改变其总体组成,许多含水矿物,同变质脉体,高压自形晶体组成的布丁,原生液态包裹体和     

俯冲带深海-岩石圈流体交换及其效应

俯冲带是地球上构造活动最复杂、最强烈的区域,也是地球物质循环系统的重要组成部分,对俯冲带的深入研究有助于加深我们对地球系统科学的认识。通过系统地梳理分析国内外相关文献,大洋岩石圈通过在汇聚板块边界的俯冲将大量水带入到地幔中,并对俯冲带地震的发生、地幔的熔融、岩浆的产生、陆壳的形成乃至矿产资源富集都起到了重要的控制作用。弧前隆起区的岩石圈地幔在顺断层渗透的深海水作用下发生强烈水化作用并形成水化地幔,是水富集在岩石圈的主要方式之一。随着俯冲板片深度的增加,在一定的温压条件下,水化地幔(蛇纹岩)发生脱水相变,引发俯冲带中源地震。脱出的水则由于运移的差异,既可以产生板内的水压致裂,也会影响俯冲界面的耦合,进而导致慢滑移地震区的形成。由此可见,俯冲带地区深海-岩石圈流体交换及其在深部的效应是一个包含化学反应-温度-流体流动-应力变形/破坏的多物理场耦合的复杂动力学系统。然而,目前的相关研究工作主要侧重于对其中某个因素、现象或者某个特定条件下具体过程的探索性观测分析研究。因此,我们需要从地球系统科学的角度出发,将流体运移、化学反应与传统的固体地球研究相结合,着眼于多学科交叉的多场耦合动力学综合研究,对俯冲带地区深海-岩石圈流体交换及其效应进行多时空尺度定量化表征和分析。     

地球中的流体和穿越层圈构造

地球中的流体是当前科学研究的重点。从地球科学的角度来说,流体应包括气体、液体（水和石油）、熔体和地球中受应力作用而移动的物体。在半经为6378 km的固体地球中可分为7个层圈。目前对地球内部流体的了解很少,为探索流体在各层圈中的成分,物理化学性质和分布,以现阶段对地球层圈和流体研究程度来看,其重点应放在地球中穿越层圈的构造部分和地壳。地球中穿越层圈的构造主要有三个:板块构造的俯冲带是由上到下的穿越层圈构造,向下俯冲的大洋岩石圈可以抵达地幔过渡带;大洋中脊的扩张引起的由下而上的穿越层圈构造,使岩石圈和地幔的熔流体从下向上运移;地幔柱引起的由下而上的穿越层圈构造,使地幔的熔流体从下向上迁移。通过对三个穿越层圈构造和地壳中流体的研究,可以得出地壳、岩石圈、上地幔、过渡带、下地幔和核幔边界层流体的种类和成分、流动和演化。这是至今为至能鉴定到地球中深部流体的方法。这四个方面的研究是当前地球中流体科学研究的重点,并对开展深部找矿有实际意义。      

缅甸硬玉岩的Fe-Mg同位素地球化学

<正>缅甸硬玉岩是世界上最大和最重要的玉石矿床之一,位于印度板块和欧亚板块之间的新特提斯洋缝合带中。缅甸硬玉岩的研究对于了解新特提斯洋俯冲带流体作用过程具有重要意义,有利于了解洋壳俯冲过程中流体、元素迁移/循环。一般认为硬玉岩的成因和俯冲的大洋岩石圈析出流体相关,但是目前关于其成因还存在争议。根据硬玉的韵律环带特征以及流体包裹体,前人认为它可能来自矿物从流体中的结晶[1];然而硬玉岩中存在有较多的锆石,又说明其可能由流体交代中酸性岩石而形成[2-3]。     

俯冲带硫的地球化学行为及硫循环SCIEI北大核心CSCD

俯冲带是全球最大的物质循环系统,控制着硫(S)在地球内部圈层及表层的循环,影响着大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的稳定性以及地球的宜居性。厘清S在俯冲带中的地球化学行为和循环特征对理解地球各储库的氧化还原状态、岩浆作用与演化、成矿物质聚集、以及地球大气成分等具有重要意义。本文首先总结了进入俯冲带之前的大洋岩石圈的S结构模型,对S在大洋板片中的分布状态和地球化学特征进行了系统归纳。随后,系统阐述了俯冲带高压-超高压变质岩记录的板片变质及脱水过程中硫的地球化学行为。岩石学研究表明俯冲板片中的S多以硫化物相存在,硫酸盐矿物在弧前深度就已被释放或分解。相较于熔体,俯冲带流体中S的溶解度更高,是运移硫的更有效方式。DEW模型计算结果显示,流体中S含量总体较低,但在俯冲板片~90km处其含量有一个峰值(浓度0.5%~1.0%)。岩相学证据、地球化学测试结果、磷灰石S近边吸收结构(S-XANES)特征以及模拟结果都显示俯冲深部流体中S多以HS^(-)及H_(2)S形式存在,不含大量的SO_(4)^(2-)及硫酸盐;中f_(S_(2))流体有利于S迁移出俯冲板片,从而促进俯冲带大规模S循环,而高f_(S_(2))流体在流-岩交换过程沿流体通道发生S的锁固作用而不利于俯冲带S循环。质量平衡计算显示全球俯冲带S输入通量为4.65×10^(13)g/yr,弧下深度板片S输出通量为2.91×10^(12)g/yr,板片-岛弧S循环效率仅6.3%。俯冲板片在弧下深度可能存在一个短暂高效的S释放窗口,释放流体的δ^(34)S值为-2.1±3.0‰。基于高压-超高压变质岩中硫化物的研究,初步厘清了俯冲板片中S的地球化学行为,首次从板片角度全面、定量地限定了俯冲带的脱硫通量、效率、种型和同位素特征,提出俯冲带循环的S不是岛弧岩浆的氧化剂,与岛弧环境的正δ^(34)S值也无直接因果联系,对解析俯冲带S循环和理解地球长期的S循环具有重要意义。最后,本文还展望了俯冲带S循环的未来发展方向,应在俯冲带流体氧化还原性质(硫酸盐的命运)、俯冲沉积物对S循环的制约、俯冲带环境下多硫同位素的分馏效应、S循环与其它挥发分(如C等)循环之间的耦合关系、地球历史上深部S循环等方向做出探索,更深入地理解俯冲带及全球S循环过程。     

大洋岛弧的前世今生

根据板块构造理论,板块的边界是地质作用最为强烈的地区,因而它们是当今固体地球科学研究的重点。依据应力性质的不同,地球上板块的边界类型有扩张的洋中脊、汇聚的俯冲带和调节板块运动差异的转换断层三种。就汇聚型板块边界而言,它又可进一步划分为洋-洋俯冲的大洋或洋内岛弧带(Intra-oceanic arc)、洋-陆俯冲的安第斯型活动大陆边缘带和陆-陆接触的大陆碰撞带三种。相对而言,大洋岛弧的研究程度最低。传统认为最典型的大洋岛弧——日本诸岛,已不再被认为是洋-洋俯冲的产物,因为已有研究显示它是从亚洲大陆裂解的碎块。根据目前的调查,现今的大洋岛弧主要集中在西太平洋地区,以太平洋与菲律宾板块间的Izu-Bonin-Mariana弧和太平洋-澳大利亚间的西南太平洋岛弧为代表。大洋岛弧研究的最重要问题是,洋洋之间如何产生了俯冲。目前多倾向于认为:大洋中的转换断层可使不同时代的大洋岩石圈相互接触,在这种情况下,较老的岩石圈由于冷却时间较长而密度相对较大,因而可下沉而俯冲到较年轻的岩石圈之下。这一模型也被誉为蛇绿岩形成的初始俯冲定律(Subduction Initial Rule,简称SIR)。但存在的问题是,目前全球还没发现有转换断层转变为俯冲带的实例。更何况,全球大洋中发育如此众多的转换断层,但为何只在西太平洋发育大洋岛弧?本文通过对资料的总结还发现,这些大洋岛弧基本都是从亚洲或者澳大利亚大陆东部边缘裂解的碎块,只是后期的弧后扩张作用使裂解的碎块发生强烈的改造,形成具有类似大洋岩石圈的特点。目前提出的洋-洋自发形成俯冲带的模型并没有理论基础,也没有实际地质事实的支持。但在加勒比海、斯科舍海和阿留申地区,大洋岛弧的出现与洋底高原诱发的俯冲带跃迁或俯冲极性反转有关。因此,板块构造理论中的洋洋初始俯冲模式需要进一步资料的验证。     

俯冲带的流体地质作用

俯冲带是地球上流体活动最活跃的地区之一，也是流体由表层进入深部岩石圈的主要通道。流体活动对岩石成分、成岩作用、构造变形、变质作用、部分熔融和岩浆－火山作用，以及海洋生物－化学环境都有重要的控制和影响。本文回顾和总结了俯冲带流体地质作用研究的现状和进展，对古俯冲带流体地质作用的若干问题进行了探讨。     

俯冲带变质作用与构造机制

形成在汇聚板块边缘的俯冲带由俯冲岩石圈板块和上部岩石圈板块组成,具有不对称的热结构。俯冲岩石圈板块具有冷的地温梯度,而上部岩石圈板块具有热的地温梯度。俯冲板块的变质作用发生在5~15℃/km地温梯度下,可进一步划分为冷俯冲板块型（5~10℃/km）和热俯冲板块型（10~15℃/km）,即西阿尔卑斯型和古巴型。俯冲带上板块的变质作用发生15~50℃/km地温梯度下,可进一步划为冷地壳型（15~25℃/km）和热地壳型（25~50℃/km）,统称为科迪勒拉型。冷俯冲板块的变质作用是以大洋和大陆地壳岩石深俯冲到地幔,发生低温/高压及超高压变质作用为特征。所形成的低温/高压和超高压变质岩具有顺时针型P-T轨迹,其折返过程是以近等温或升温降压和部分熔融为特征。热俯冲板块型变质作用发生在年轻板块的正常俯冲和古老板块的平缓俯冲过程中。从大洋岩石圈初始俯冲到成熟俯冲,俯冲板块的地温梯度由热到冷,从热俯冲型转变成冷俯冲型。热俯冲板块的变质岩可具有顺时针型,也可具有逆时针型P-T轨迹,可以发生高温和高压下的部分熔融,形成埃达克质岩浆岩。俯冲带上板块的冷地壳型变质作用发生在构造挤压导致的加厚地壳环境,加厚的下地壳发生高温、高压麻粒岩相和榴辉岩相变质作用,可具有顺时针和逆时针型P-T轨迹。加厚新生下地壳的部分熔融形成埃达克质岩浆和高密度的基性残留体（弧榴辉岩）。热地壳型变质作用发生在构造伸展导致的减薄地壳环境。由于强烈的幔源岩浆增生和软流圈上涌,下地壳发生高温或超高温麻粒岩相变质作用和部分熔融,所形成的变质岩可具有顺时针型或逆时针型P-T轨迹。在岩浆弧加厚地壳的伸展过程中,早先形成的高温和高压变质岩可以叠加超高温变质作用。俯冲带上板块的岩浆弧可能是超高温变质岩形成的最主要构造环境。上板块下地壳的部分熔融可以形成大体积的花岗岩,由此导致新生地壳组成和成分的分异,是大陆地壳生长和成熟的重要机制。大陆碰撞造山带的加厚下地壳具有冷的地温梯度,可以发生高压麻粒岩和榴辉岩相变质作用。这些高级变质岩具有顺时针型P-T轨迹,在其折返过程中叠加中压、高温,甚至超高温变质作用。碰撞造山带下地壳的长期部分熔融可以形成不同成分的壳源花岗岩。     

蛇绿岩研究进展、存在问题及思考

20世纪70年代建立的蛇绿岩（Ophiolite）概念认为出露在缝合带中的一套镁铁一超镁铁岩组合是大洋岩石圈的残留，其岩性单元可以与现代大洋岩石圈各个层圈一一对应，所以蛇绿岩是确定古板块边界的重要证据，该认识促进了板块构造学说的发展。近年来完善的MOR型和SSZ型蛇绿岩理论体系认为MOR型蛇绿岩形成于洋中脊（MOR），SSZ型蛇绿岩形成于俯冲带上（Supra—Subduction Zone），二者的地幔橄榄岩、堆晶岩组合及上部熔岩在岩石学、矿物学和地球化学方面均有不同的特征，洋陆俯冲和洋内俯冲是形成SSZ型蛇绿岩的两种机制，较为合理地解释了蛇绿岩的多样性及其与大洋岩石圈的差异。由于大洋板块的俯冲作用，在缝合带中MOR型蛇绿岩很少被保存下来，保存较好的大多数为SSZ型蛇绿岩。本文探讨了蛇绿岩研究中经常遇到的问题并提出了解决的思路，同时认为Rodinia超大陆前是否存在蛇绿岩、太古宙绿岩是否为蛇绿岩均为有待深入研究的问题。     

蛇纹石化和俯冲带蛇纹岩变质脱水过程中流体活动性元素的行为

蛇纹石是大洋岩石圈和俯冲带内水和流体活动性元素最重要的载体之一。研究蛇纹石化和蛇纹岩变质脱水过程中流体活动性元素的行为是认识俯冲带元素地球化学循环的关键。蛇纹岩是指主要由蛇纹石类矿物构成的岩石,包括利蛇纹石、纤蛇纹石和叶蛇纹石。蛇纹石化过程中会造成流体活动性元素(B、Li、As、Sb、Pb、Cs、U、Sr和Ba等)的显著富集,并且由于原岩性质、流体成分和氧逸度等条件的不同,大洋岩石圈蛇纹岩和弧前蛇纹岩的特征也略有不同。例如,弧前蛇纹岩具有相对高的As、Sb、B和相对低的U,这反映了俯冲沉积物来源流体的贡献。在俯冲带蛇纹岩的变质脱水过程中,利蛇纹石向叶蛇纹石的转变伴随着矿物内超过50%F和Cl的释放,以及一些流体活动性元素(如B和Li)的迁出;此外,蛇纹石分解形成的变质橄榄石中的流体包裹体指示,蛇纹石脱水分解所产生的流体具有高于原始地幔几个数量级的Cl、Cs、Pb、As、Sb、Ba、Rb、B、Sr、Li和U含量。由于利蛇纹石中的Fe~(3+)含量较叶蛇纹石高,这种矿物相转变过程中也伴随着俯冲通道内的一系列氧化还原过程,从而影响流体性质和新形成的叶蛇纹石的成分。蛇纹岩与岛弧岩浆在流体活动性元素富集规律上的相似性说明蛇纹岩在俯冲带元素循环中扮演着重要的角色。此外,蛇纹石矿物相转变过程中F、Cl、B等元素的释放,可能对于斑岩型金矿、蛇绿岩中的金矿和某些蛇纹岩作为赋矿围岩的硼矿的形成起到重要的作用。     

东南沿海地区古近纪大陆岩石圈地幔特征及成因

东南沿海地区新生代玄武岩中的橄榄岩包体来自岩石圈地幔 ,上地幔橄榄岩包体的岩石学及地球化学特征都记录了地幔演化的历史。普宁橄榄岩包体斜方辉石含量与太古宙克拉通地幔类似 ,但在矿物学、REE、痕量元素和Sr Nd同位素上又与太古宙岩石圈地幔不同。橄榄岩包体的岩相学、矿物学、REE、痕量元素特征都提供了含H2 O富Si流体交代橄榄岩的证据 ,这种流体可能主要是洋壳物质局部熔融而成。流体交代使橄榄岩富Si,同时富Sr、Pb和强不相容元素等大洋岩石圈物质。这表明普宁大陆岩石圈地幔既保留太古宙岩石圈地幔的特征 ,又具有大洋俯冲地幔的特征 ,它是古老岩石圈地幔向大洋岩石圈地幔转换的一部分 ,这种转换可能是大洋岩石圈与大陆岩石圈地幔相互作用的结果。     

大洋板块运动方向反转控制活动陆缘岩石圈张裂过程数值模拟

为了更好的探究大洋板块运动方向反转与大陆岩石圈张裂之间的动力学关系,以数值模拟为手段来正演大洋板块的反向俯冲,同时考虑光滑洋壳、海山链、海底高原、薄弱带等构造单元加入先期俯冲时对大陆岩石圈张裂的影响.结果显示:大陆岩石圈在大洋板块反向俯冲的过程中会被拉伸减薄,并出现局部岩石圈的颈缩直至张裂、同时伴随有软流圈地幔的上涌和减压熔融等现象.此外,含有不同构造单元的洋壳参与先期俯冲会对陆缘造成不同程度的破坏,从而影响拖曳过程中大陆岩石圈的应变集中,并导致大陆岩石圈在不同时间、不同位置出现张裂.模拟结果可用于对比南海陆缘在新生代张裂中表现的穿时等特征,亦可为其他被动陆缘张裂的动力学研究提供借鉴.      

地幔楔体的热结构:水注入触发的对流作用

在岛弧下面是消减的“冷”大洋岩石圈。而另一方面,消减带又是以“热”岩浆的产生为特征的,这是地球科学应当探讨的一个模糊问题。实验岩石学已经指出,在地幔楔体中需要一个高温区以便产生岛弧型玄武岩岩浆。获得这样高温的一种可能机制可以是在由大洋岩石圈的俯冲所诱导的地幔楔体进入上地幔中所产生的次级对流。由于板状次生流体的增加产生的地幔楔体的基底,是有足够低粘度的向下拖曳的含水层,可能压制大规模的建造     

大洋平板俯冲的数值模拟再现:洋–陆汇聚速率影响

利用地球动力学数值模拟方法探讨了洋-陆汇聚时,大洋岩石圈的绝对俯冲速率和上覆大陆岩石圈的向洋绝对逆冲速率对俯冲模式的影响,尤其是上覆大陆的向洋绝对逆冲速率与平板俯冲之间的关系。模型结果显示,对于年龄为40 Ma的含正常洋壳厚度的大洋岩石圈,在初始俯冲角度为现今洋–陆俯冲平均倾角的极小值(19°)条件下,低速大洋俯冲(绝对俯冲速率≤3 cm/a)且上覆大陆岩石圈向洋绝对逆冲速率≥1 cm/a时,具备形成平板俯冲的条件。当中–高速大洋俯冲(绝对俯冲速度3 cm/a)时,在上覆大陆的绝对逆冲速率不小于俯冲速率时可以形成平板俯冲。当增加初始俯冲角度到平均倾角的极大值(36°)时,仅在低速大洋俯冲(绝对俯冲速率≤3 cm/a)且绝对逆冲速率达到10 cm/a时(自然界中基本不存在),才有可能出现平板俯冲,其他情况均表现为陡俯冲。我们的模拟结果表明:(1)较高的大洋岩石圈绝对俯冲速率更容易克服板间耦合作用力而有利于陡俯冲形成;(2)较高的上覆大陆绝对逆冲速率更有利于俯冲板片弯曲而趋向于平板俯冲形成;(3)上覆大陆朝向海沟的逆冲速率会在俯冲板片下方产生水平向陆的地幔流,绝对逆冲速率越大该地幔流越强烈,导致作用于板片下表面的水平剪切分量越大而有利于板片弯折和平板俯冲发生;(4)初始俯冲角度的增加对平板俯冲的形成起到强烈抑制作用。这些能被现今平板俯冲,如具相似洋–陆汇聚速率条件的南美洲西海岸平板俯冲实例所验证。     

对次点火山岩中地幔包体的研究揭示大洋岩石圈在俯冲消减前的交代作用

<正>次点火山(petit-spot volcano)是指远离大洋中脊和地幔柱的大洋板块在即将进入俯冲带之前,由于板块的弯曲引发部分熔融所导致的局部海底火山作用。次点火山有时夹带有来自深部岩石圈的包体和捕虏晶,是了解大洋岩石圈深部物质组成的重要信息载体。次点火山自从在日本外海发现以来,在智利,汤加及巽他等俯冲带外围     

俄罗斯远东南部的增生构造

从岩石圈板块构造立场解释了俄罗斯远东地区南部的地质构造与演化。同时指出在构造形成过程中，中生代大洋岩石圈板块向欧亚大陆的俯冲起了主导作用。特别注意到活动性大陆边缘，沿其形成了弧前盆地和增生楔。     

蛇绿岩就位机制及时限

蛇绿岩就位机制可以划分出4种:1)碰撞仰冲型:被动大陆边缘或岛弧与洋壳碰撞时,俯冲到一定深度的硅铝质物质在浮力作用下折返,并上驮相对完整的大洋岩石圈残片到达地表;2)增生底垫型:洋底、海沟沉积物及海底较高地形的上层物质从俯冲板块上刮削下来,持续底垫到上覆板块之下,使大洋岩石圈残片逐渐被动抬高;3)俯冲剥离型:断裂发育相...