下地壳拆沉作用及大陆地壳演化

讨论了下地壳拆沉作用的地球化学示踪方法,并以近来对秦岭－大别造山带和美国西部内华达岩基地区的研究成果为例,说明了下地壳拆沉在两地区壳－幔演化方面可能起的重要作用。     

大洋岩石圈拆沉与大陆下地壳拆沉：不同的机制及意义——兼评“下地壳＋岩石圈地幔拆沉模式”

拆沉作用（delamination）是地球科学中一个重要的科学问题。本文认为,大洋岩石圈拆沉和大陆下地壳拆沉是不一样的：（1）拆沉的物质不同。大洋岩石圈拆沉的物质包括大洋地壳、岩石圈地幔甚至一部分软流圈地幔,它们共同进入地幔深部;而大陆下地壳拆沉仅仅限制在下地壳,不包括岩石圈地幔。（2）拆沉的动力不同。大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲引起的,是地幔对流的产物,因此是一种快速的主动的拆沉;而下地壳拆沉是由于下地壳加厚使下地壳密度增加引起的,还要求其下刚性的岩石圈地幔转变成塑性的软流圈地幔才有可能发生。因此下地壳拆沉要克服许多阻力才能实现,使拆沉成为一个漫长的过程,是慢速的和被动的拆沉。（3）拆沉的过程不同,大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲触发的,俯冲导致碰撞,大洋岩石圈从根部断裂,拆沉进入地幔。大陆下地壳拆沉由地壳加厚开始,使下地壳转变为榴辉岩相;随后,岩石圈地幔减薄,直至全部转化为软流圈地幔;下地壳发生部分熔融,形成大规模的（埃达克质）岩浆,使下地壳榴辉岩的密度大于下伏的地幔,从而引发拆沉。大陆下地壳拆沉不大可能是整体进行的,可能是一块一块地被蚕食,被拆沉的。（4）拆沉后的效液压不同,大洋岩石圈地幔拆沉,使热的软流罪状地幔上涌,从而引发了一系列地质效应;如岩浆活动,地壳抬升,构造松弛以及随后的造山带垮塌等。而下地壳拆沉只引起地壳减薄,高原和山脉垮塌,并不伴有大规模的岩浆活动和地壳抬升等过程。（5）拆沉与岩浆活动的关系不同,主动拆沉导致大规模岩浆活动,而被拆沉是在大规模岩浆活动的基础上开始的。此外,文中还对“下地壳＋岩石圈地幔拆沉”模式提出了质疑,认为该模式有许多难以理解的问题和太多推测的成分,而且与现在保存的地质事实不符。     

大陆地壳演化的拆沉作用模式综述

近20年来,中外学者研究认为,拆沉作用导致大陆岩石圈物质快速下沉入软流圈中,伴随大规模的岩浆作用,山脉隆升、伸展和跨塌作用,最后形成拗陷盆地。原始地壳形成时是玄武质的,然而现今的大陆壳整体成分呈现中性,拆沉作用模式很好地解释了地学中的这一困惑,补充和完善了经典板块理论。通过地球物理测探、地球化学示踪和地质学、岩石学方面提供的证据和一些其它的辅助佐证基本可以判定拆沉作用的存在。     

大陆下地壳拆沉模式初探

下地壳拆沉是人们关注的问题,文中指出下地壳拆沉必须满足至少三个条件：（1）地壳加厚使其下部达到熘辉岩相是拆沉的前提.（2）大规模岩浆活动使大量低密度的中酸性物质移出下地壳,使下地壳密度增加直至超过下伏地幔.由于下地壳榴辉岩石部分熔融所形成的岩浆具有埃达克岩的地球化学特征,因此,大规模魂达克岩的熔出是下地壳拆沉的先决和必要条件.（3）岩石圈地幔转化为软流圈地幔,使下地壳能够进入地幔.陆壳下的岩石圈地幔原先是冷的、刚性的和不易流动的,如果有热和水的加入,可以被软化,使其变成热的、塑性的和易流动的软流圈地幔。因此,岩石圈了幔转化为软流圈地幔是下地壳拆沉的必要条件。作者认为,下地壳不大可能整体拆沉,而很可能是一块一块如飘雪花似地拆沉。如果下地壳的密度降低（低于下伏地幔）,如果地幔停止热的供给,如果陆壳底部的软流圈地幔幔又恢复为岩石圈地幔,拆沉即终止。文中讨论了中国东部中生代下地壳拆沉的可能性,探讨了岩石圈减薄的机制,认为下地壳不需要也不可能与岩石圈地幔一道拆况。     

地壳的拆离作用与华北克拉通破坏:晚中生代伸展构造约束

伸展条件下的地壳拆离作用是岩石圈减薄的重要浅部构造响应。晚中生代时期的伸展构造(包括拆离断层、变质核杂岩构造和断陷盆地)在华北、华南、东北和东蒙古及贝加尔地区普遍发育,它们切过上部地壳(断陷盆地)、中、上地壳(拆离断层)或中部地壳(变质核杂岩)。地壳拆离作用具有运动学极性(NWW或SEE)、几何学宏观(区域)对称与微观(局部)不对称性、遍布全区但不均匀性,以及形成时间的跨越性(140~60Ma)等特点,并使得地壳和岩石圈发生显著的减薄。本文研究揭示出现今岩石圈厚度变化与晚中生代伸展构造的发育程度和分布之间并没有必然的联系。其变化的基本规律是,除新生代裂陷发育区岩石圈厚度明显较小且厚度有迅速变化外,从华北向贝加尔地区总体的变化趋势是逐渐加厚,也即东亚地区岩石圈具有楔形形态。晚中生代时期的地壳(或地幔)拆离作用伴随着广泛的岩石圈减薄作用,区域岩石圈同时遭受到一定程度的减薄和破坏,华北克拉通在这一时期的破坏仅仅是区域岩石圈减薄在华北的具体体现。     

东秦岭河南伊川—湖北宜昌地学断面地壳岩石组成,化学成分及形成机制

系统测定了河南伊川－湖北宜昌地学断面及其邻区主要岩性９９件样品高温高压条件下地震纵波速Ｖｐ值,将结果与地表地质、地震测深获得的地壳速度结构资料相结合,建立了研究区内四个构造单元地壳岩石组成模型,估算出地壳各层的平均成分。秦岭地壳总体成分是闪长－花岗闪长质的,地壳分异程度较低,地完成分和地球物理研究结果表明,秦岭造山带在其发展过程中可能存在过板底垫托物质,但拆离作用已使现今造山带不存在山根,垫托物质很少或已返回上地幔。     

西藏南羌塘增生杂岩中俯冲反向驱动高压变质岩折返:来自猫耳山大型拆离断层的启示

大洋岩石圈俯冲增生过程中可能伴随着复杂的深部板片运动过程。高压变质岩无疑是记录这些深部过程的良好载体。最近的研究提出,在特定情况下,双向俯冲中占主导的俯冲板块拖曳另一侧板块发生反向运动,从而短板片可能被另一侧长板片拖出。该研究提示我们关注俯冲增生过程中这种可能的“不正常”的板片运动方式,从而客观而全面地剖析碰撞造山带。现有高压变质岩折返模式中,除了俯冲隧道流模式,其余模式均强调单次快速折返。然而,俯冲反向运动导致的折返过程有所不同:对单个高压变质岩来说仍是快速折返,但是对整体高压变质岩带来说,整个俯冲反向期间必然都存在高压变质岩折返,从而形成较长的折返过程持续时间。对上地壳层次的折返相关构造变形的研究有助于揭示上述过程。     

西秦岭中生代花岗岩类岩浆作用及成矿

西秦岭是我国重要的有色金属和贵金属成矿省。本文论述了该地区主要矿床的空间分布特点;分析讨论了主要成矿带和矿集区中的矿化组合及其与花岗岩类的空间、时间和成因关系。提出该地区大规模成矿作用出现在220~100Ma之间,最高峰值为170Ma左右。花岗岩类岩浆作用及成矿相应的地球动力学背景为陆—陆碰撞造山运动的晚期表现为一侧陆壳向另一侧陆壳之下的俯冲叠置过程。中生代花岗岩类在成因上与陆壳的俯冲有联系,大多属高钾钙碱性系列。部分为钾玄武岩系列,它们来自加厚的下地壳。部分花岗岩类具壳幔混合成因。一个地区花岗岩类的Pb-Sm-Nd同位素主要受该地区源岩基底地层的控制,因此同一地区花岗岩类具有相近的Pb-Sm-Nd同位素特征。基底地层对花岗岩类的分布成因类型、有关的成矿作用具有重要的控制作用。依据花岗岩Sr和Yb的含量,本文将该地区花岗岩类大致分为两类:埃达克岩和喜马拉雅型花岗岩。铜钼矿大都同埃达克岩有关,而两类花岗岩均可形成金矿。     

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。     

克拉通、下地壳与大陆岩石圈——庆贺沈其韩先生百年华诞

把克拉通、下地壳和大陆岩石圈这几个重要的地质名词放在一起做文章的标题,其实只是想强调一个事情,即陆壳形成和稳定化的结果是形成大陆岩石圈。大陆岩石圈是地球圈层的基本单元,是现代板块构造运动的核心构件和核心载体。忽视大陆岩石圈,要讨论地球上大陆与大洋、地壳与地幔、地球的深部圈层与外部圈层、内部圈层间相互作用以及物质与能量的交换等问题都无法深入。大陆岩石的最初形成可能在冥古宙早期已经开始,全球大陆的稳定化即克拉通化一般认为完成于太古宙末,并开启了元古宙的新纪元。对大陆壳的形成机制和演化过程,已经有很多讨论,但是还存在许多争议。而对大陆岩石圈人们知之不多,文献中常常在早期的小的陆壳形成,即陆核或微陆块阶段,就将其与大陆岩石圈的概念混为一谈。岩石圈的形成固然是大陆形成演化的结果,但是岩石圈的物质组成、结构和物理性质等从最初形成到成熟并成为稳定的地球独立圈层并足以承担板块构造的重任,可能经历了不止一个阶段。本文强调应对岩石圈的形成和演化给予更多的关注,并深化研究大陆地壳形成、克拉通化对大陆岩石圈形成的贡献。

     

燕山期中国东部高原下地壳组成初探：埃达克质岩Sr、Nd同位素制约

大陆地壳组成是地球科学家关注的课题，但困难的是如何确定深部地壳，尤其是下地壳的组成。埃达克质岩的厘定从一个方面有助于这个难题的解决。中国东部“C型”埃达克质岩（adakite-like)的地球化学性质表明其形成的深度大，熔融的温度高，为下地壳中基性麻粒岩部分熔融的产物。因此，可以尝试通过埃达克质岩的地球化学特征来反演下地壳的组成。本文的初步研究表明，中国东部埃达克质岩的Sr-Nd同位素组成有很大的变化，反映埃达克质岩熔融的源区下地壳组成有明显的不同。根据埃达克质岩石的Sr-Nd同位素组成，推测中国东部高原下地壳大体由胶东－大别、北京－辽西和下扬子（长江中下游）3个不同的块体组成。1，胶东－大别区：胶东区的下地壳以富Si,Na2O/K2O低（0．8－1．3）、Isr高（0．709－0．712）、εNd(t)低（－15－－21）和TDM高（1．9－2．1Ga)为特征；大别区的Isr值较低，可能代表了中生代时基底的特征，大体相当于该区下地壳的上限值。2，下扬子区位于扬子地块内，中生代埃达克质岩的Sr初始值，εNd和TDM变化大，说明元古宙的下地壳基底中可能有较多年轻的玄武质岩石底侵加入。相比而言，铜陵区的Isr较高（0．707－0．709）、εNd(t)较低（－11－－16）、TDM高（1．7－2．2Ga)，接近扬子下地壳的特征。3，辽西－北京地区的Sr-Nd高位素组成以低的Isr(0.705-0.707)、变化的εNd(t)(-4--20)和TDM（0．7－2．1Ga)为特征，反映辽西－北京区下地壳组成比较复杂。其中北京－彰武地区的Sr-Nd同位素组成与汉诺坝玄武岩中的麻粒岩包体类似，远高于华北下地壳的εNd(t)值（－32－－44），推测埃达克质岩石并非来自古老的华北太古宙下地壳，而可能是中生代时增生在华北下地壳底部的年轻基性麻粒岩部分熔融形成的。此外，文中还讨论了用埃达克岩反演下地壳组成存在的不足。     

中国岩石圈的基本特征

中国及邻区岩石圈结构构造十分复杂,并具有若干明显的特点:中国大陆地壳西厚东薄、南厚北薄,青藏高原地壳平均厚度为60~65 km,最厚达80 km;东部地区一般为30~35 km,南中国海中央海盆平均只有5 km;中国大陆地壳平均厚度为476 km,大大超过全球地壳392 km的平均厚度。中国大陆及邻区岩石圈亦呈西厚东薄、南厚北薄的变化趋势,青藏高原及西北地区岩石圈平均厚度为165 km,塔里木盆地中东部、帕米尔与昌都地区岩石圈厚度可达180~200 km。大兴安岭-太行山-武陵山以东,包括边缘海为岩石圈减薄区,厚度为50~85 km。西部岩石圈、软流圈“层状结构”明显,反映了板块碰撞汇聚的动力学环境;东部岩石圈、软流圈呈“块状镶嵌结构”,岩石圈薄,软流圈厚,反映了地壳拉张、软流圈物质上涌的特点,并在东亚及西太平洋地区85~250 km深处形成一巨型低速异常体。中国东部上、下地壳及地壳、岩石圈地幔之间普遍存在“上老下新”年龄结构。     

天然火山作用探测华北下地壳组成、结构及其形成过程

与中上地壳相比，对下地壳组成、结构的认识受限于样品的获取，然而天然火山作用携带的下地壳捕虏体可以为了解下地壳提供关键样品。华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，显生宙以来的火山作用携带有丰富的下地壳捕虏体，为探测华北下地壳组成、结构及其形成过程提供了可能。通过对这些捕虏体定深、定性及定年的综合研究，构建了以信阳，莒南，汉诺坝和女山等典型地区为代表的下地壳组成、结构剖面模型。这些剖面表明，华北克拉通下地壳具有分层的特点，且上老下新，暗示可能与底侵作用有关。其中捕虏体的锆石U- Pb年龄和Hf同位素的研究，揭示了该克拉通下地壳复杂的形成与演化过程：最古老的组成部分可能老至~4. 0 Ga冥古宙，此后经历了3. 80~3. 65 Ga古太古代的再造作用，2. 8~2. 5 Ga 新太古代和2. 3~1. 8 Ga 古元古代的增生与再造共存，同时还经历了显生宙以来包括462~220 Ma，140~90 Ma和47~45 Ma的增生与再造事件。     

Petrochemistry of granulite xenoliths from the Cenozoic Qiangtang volcanic field,northern Tibetan Plateau: implications for lower crust composition and genesis of the volcanism

High-K calc-alkaline magmas from the Cenozoic Qiangtang volcanic field, northern Tibetan Plateau, contain lower crustal two-pyroxene and clinopyroxene granulite xenoliths. The petrology and geochemistry of six mafic and three felsic xenoliths from the Hol Xil area south of Ulan Ul Lake are discussed. Mafic granulites (Pl, Opx, Cpx, Ksp, and Bt) contain 48.76–58.61% SiO₂, 18.34–24.50% Al₂O₃, 3.16–5.41% Na₂O, 1.58–3.01% K₂O, low Mg# (30–67), LREE and LILE enrichment, high Rb/Sr (0.09–0.21), (La/Yb)_N (17.32–49.35), low Nb/Ta (9.76–14.92), and variable Eu anomalies (Eu?=?0.19?0.89). They also have more evolved Sr-Nd-Pb isotopic compositions in comparison with the host dacites ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.710812 vs. 0.713241), ?_Sr (+169.13 vs.?+203.88), ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd (0.512113 vs. 0.512397), ?_Nd (?4.70 to??10.05), ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb (18.7000 vs. 18.9565), ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb (15.7135 vs. 15.7662), and ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb (39.1090 vs. 39.4733). Felsic granulites (Qtz, Pl, Ksp, Bt, and Cpx) show enrichment of LREE and LILE and have evolved Sr-Nd-Pb isotopic compositions with (La/Yb)_N (2.04–10.82), ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.712041–0.729088), ?_Sr (+180.71–+430.59), ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd (0.512230–0.512388); ?_Nd (?4.74 to??7.96), ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb (18.9250–19.1717), ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb (15.7662–15.7720), and ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb (39.2109–39.6467). These geochemical data suggest that the protolith of the mafic granulites could have been a hybrid mafic magma (e.g. enriched mantle type II) or metasomatized restite derived from the partial melting of metamafic-intermediate rocks rather than basaltic cumulates, whereas the felsic granulite protolith was a quartzofeldspathic S-type granitic rock. We argue that the lower crust of the northern Tibetan Plateau is hot and heterogeneous rather than wholly gabbroic. Interaction between the mantle-derived magma and the metasedimentary/granitic lower crust of the Tibetan Plateau may have played an important role in the generation of shoshonitic and high-K calc-alkaline andesite-dacite rocks.     

滇西地区下地壳铅同位素的组成及其意义

滇西地区新生代碱性侵入岩中广泛分布的麻粒岩包体可以代表该地区的下地壳岩石,为了确定滇西下地壳岩石的铅同位素组成,我们系统采集了该区碱性岩中的麻粒岩包体,挑选出其中的长石、石榴子石等造岩矿物,测定了其铅同位素组成,在Zartman等的铅构造演化模式图上,剔除个别异常的铅同位素组成,圈出投影于下地壳铅同位素演化趋势线上及附近的铅同位素分布范围,由此确定了该区下地壳的铅同位素组成的区域,并进一步结合作者先前确定的该区上地壳及上地幔铅同位素组成,构建了该区三维岩石圈铅同位素组成,并将这一结果用于滇西金顶超大型铅锌矿床的成矿物质来源的研究中,发现颇受争议的金顶铅锌矿床中的铅并非来自上地幔,而相当于下地壳来源的铅与兰坪盆地沉积岩铅二者的混合铅。     

应用大地热流和地下流体氦同位素组成资料计算中国大陆地壳生热元素丰度

根据能量守恒原理和中国大陆实测热流数据,给出中国大陆地壳生热率上限值为1.3μWm-3。根据热流值和地下流体氦同位素组成资料,估算出中国大陆地壳生热率为0.58～1.12μWm-3,中位数为0.85μWm-3,相应的铀、钍、钾丰度范围分别是0.83～1.76μg/g、3.16～6.69μg/g和1.0%～2.12%。中国陆壳铀、钍、钾元素整体丰度值明显高于太古宇地壳,反映中国陆壳成分演化程度较高。同时,中国大陆地壳成分具有明显的横向非均匀性特征:东部地壳相对西北部富集铀、钍、钾等强不相容元素,褶皱带相对克拉通地区富集铀、钍、钾元素。基于大陆地壳SiO2含量与地壳生热率之间的正相关关系推断,中国东部地壳较西部富长英质组分,褶皱带地壳成分较克拉通富长英质组分。此区域性变化特征与基于地震波速资料推断的结果相符。基于中国大陆地壳生热率变化范围以及地震波速低于全球平均值的特征,推断Rudnick和Fountain(1995)、Rudnick和Gao(2003)、Weaver和Tarney(1984)、Shaw等(1986)以及Wedepohl(1995)的全球陆壳成分模型均高估了铀、钍、钾等强不相容元素丰度。     

下地壳流变学性质对南大西洋两岸盆地结构不对称性的控制

南大西洋两岸被动陆缘盆地蕴藏大量的油气资源,是近年来油气勘探的热点区域。南大西洋两侧共轭盆地的结构存在明显的不对称性,南美侧的桑托斯盆地垂直走向方向的宽度(约850 km)是位于非洲侧的南宽扎盆地(约200 km)的4倍。盆地结构的不对称性导致南大西洋两岸被动陆缘盆地油气分布与成藏规律具有明显的差异,但是盆地结构不对称性的动力学成因目前还存在较大争议。为此开展2D热力学耦合的地球动力学数值模拟实验,数值模拟中采用有限元方法求解黏-弹-塑性连续介质的本构方程。实验结果证明了下地壳流变学性质差异是控制盆地结构的关键因素。当下地壳流变学性质不对称时,在克拉通上发育的盆地往往为狭窄盆地,而在造山带上发育的盆地为宽广盆地。克拉通深厚地壳通过改变软流圈的流动影响地壳破裂和盆地结构。与前人数值模拟结果相比,本文的模型不仅能正演不对称盆地的形成过程,也能预测共轭盆地不对称极性,与南大西洋地质情况能够更好吻合。