华北东部中生代晚期-新生代软流圈上涌与岩石圈减薄

现今的地幔是由软流圈地幔(热的,主元素饱满、微量元素亏损的,塑性流变性质的)、古老岩石圈地幔(地幔1,冷的,主元素贫瘠、微量元素富集的,刚性的,以方辉橄榄岩为代表)以及现今的岩石圈地幔(地幔2,主元素饱满、微量元素亏损,以二辉橄榄岩为代表,可能包括多时期形成的)组成。古老岩石圈地幔与地幔2样品的共存、100~4·3Ma在地幔内部持续发生的古老岩石圈与软流圈的相互作用以及上述作用的时空不均一性,都表明了岩石圈减薄是软流圈呈“蘑菇云状”大规模上涌的结果。上述事件发生于100Ma以后。软流圈来源的玄武岩大范围喷发并伴随了岩石圈的强烈拉伸是事件发生的主要标志,岩石圈减薄是一个深部地质过程,不像是突发事件。     

华北克拉通岩石圈减薄机制: 来自山东白垩纪基性-中基性岩浆岩Re-Os同位素地球化学特征的制约

对华北山东地区不同构造单元中生代白垩纪基性-中基性岩浆岩进行了系统的Re-Os同位素研究.侵入岩样品采自鲁西济南岩体、鲁中沂南岩体和胶东的观水岩墙群, 火山岩样品采自鲁西蒙阴、费县、方城青山群和鲁中安丘青山群.所有样品均以低Re(0.076×10-9~0.711×10-9)和Os(0.006×10-9~1.030×10-9)含量以及高放射成因Os同位素比值为特征, 其相应的初始187Os/188Os比值和γ_Os(t)值分别为0.131 6~0.529 1和4.30~319.00(安丘粗面安山岩分别高达1.463和1 060.000), 并具有较大变化范围(0.125~2.090 Ga)的Os同位素模式年龄.在Os-Nd和Os-Sr同位素关系图上, 这些样品分布于典型的岩石圈地幔与地壳端元组成之间, 显示壳-幔源岩浆混合特征.然而, 除1件观水岩体(MGS0610)和费县玄武岩之外, 各地质单元样品之间或所有的中生代岩浆岩作为整体, 样品的γ_Os(t)与(La/Ta)_N和(Th/Nb)_N比值间缺乏明显的相关关系, 说明样品的混源Os同位素并非来自岩浆作用过程中的地壳围岩混染.区内基性岩浆岩Os同位素模式年龄T_MA明显小于古生代地幔橄榄岩包体的Re亏损模式年龄(T_RD), 可能为地幔条件下源岩与再循环地壳物质发生交代作用后Re/Os比值升高所致.蒙阴高镁安山岩和沂南闪长岩在Yb-Re/Yb图解中大致位于中生代辉石岩包体与地壳端元之间, 也指示了下地壳拆沉后产生的熔体与地幔岩石可能发生了交代作用.蒙阴安山岩MMY-12(SiO₂=56.4%)具有古老壳源特征的Os同位素模式年龄(2.090 Ga)、高Mg#(64.6)和高Os含量(0.089×10-9), 为这一解释提供了有力的佐证.      

华北克拉通东部中生代高Mg闪长岩——对岩石圈减薄机制的制约

在华北克拉通东部鲁西—徐淮地区,存在一套辉石闪长岩-二长闪长岩-花岗闪长岩组成的adakitic岩石。锆石SHRI MP和LA-ICP-MS U-Pb定年结果表明它们形成于早白垩世(130~132Ma)。该类岩石具有较高的MgO含量(质量分数为1·46%~9·76%)、高的Mg#值(0·46~0·68)和高的Sr/Y值(主体介于30~52之间,个别高达410)。这些特征类似于由俯冲大洋板片部分熔融形成的adakitic岩石。然而,它们所表现出来的相对较高的87Sr/86Sr初始比值(0·7051~0·7077)和较低的εNd(t)值(-4·43~-15·92)则反映岩浆形成或演化过程中应有陆壳物质的参与。徐淮地区该类岩石中榴辉岩类捕虏体和石榴石捕虏晶的存在和鲁西辉石闪长岩中众多地幔橄榄岩捕虏体的发现,以及这些捕虏体中普遍发育富硅质交代作用,由此可以判定该类岩浆应起源于拆沉下部大陆地壳的部分熔融及其在上升过程中与地幔橄榄岩的反应,石榴石作为残留相。华北克拉通东部早白垩世adakitic岩石的存在以及榴辉岩类捕虏体的年代学表明,中生代早期曾存在一次重要的陆壳加厚过程,之后相继出现的加厚岩石圈的拆沉应是中生代岩石圈减薄的主导机制。     

华北岩石圈减薄的时空不均一特征

总结了华北中生代基性岩浆活动的年代学资料和中一新生代岩浆的地球化学特征,认为岩浆随时问的演化趋势与岩石圈减薄过程密切相关。根据富集岩石圈地幔来源的岩浆作用持续时间(180～90Ma)认为该区岩石圈减薄时限约为100Ma。这暗示热机械侵蚀可能是华北岩石圈减薄的主要机制。华北东、西部新生代玄武岩岩浆具有相反的演化趋势,显示了该地区岩石圈减薄作用的时空不均一性。     

华北地区东部岩石圈导电性结构研究——减薄的华北岩石圈特点

华北古大陆克拉通解体、岩石圈减薄的深部过程,对于建立中国大陆中新生代演化动力学模型是亟待深入研究的重要科学问题,因而"华北克拉通破坏"也就成了当前学术界的热门话题。为了研究"华北克拉通破坏"首先需要给出较准确的华北岩石圈结构,这必须依靠包括超宽频带高精度大地电磁深探测在内的现代深部地球物理探测技术。2001和2005年在华北地区东部布置了应县—商河(HB-MT01)、文水—日照(HB-MT02)大地电磁测深剖面进行研究。研究结果表明,在华北地区东部沿地壳-上地幔探测剖面可划分为4个电性区,区内发现有下地壳高导带和上地幔高导层存在。文中依据研究区壳-幔电性结构特征,推断华北地区东部地壳和上地幔之间发生过大规模构造运动,导致壳-幔之间存在解耦现象。研究结果还发现,华北东部确实存在岩石圈减薄区,其岩石圈厚度约50~80km厚。岩石圈明显减薄的区域包括北太行山隆起、华北裂谷带北部和鲁西断隆,其范围比原先认识到的要复杂,并非以太行山重力梯度带为界划分东、西两区,简单地认为东区即是减薄区。此外,在华北地区东部的现代高精度大地电磁探测结果也进一步证明了地球物理观测对于大陆动力学研究的重要性,这使人们更加认识到在今后的研究中必须强调地球物理-地质-地球化学之间的有机结合。     

华北克拉通岩石圈和软流圈三维结构及其所反映的岩石圈破坏过程

华北克拉通是地球上最早形成的地块之一,并曾经有较厚的岩石圈.但伴随着中新生代在其周围发生的一系列板块构造运动,华北克拉通遭受了强烈的破坏和改造,导致现今华北克拉通实际上已经不再是稳定的克拉通,倒像是一个构造和地震异常活跃的造山带或沉降带.为深入了解华北克拉通岩石圈演化过程,地球科学工作者们利用各种手段和方法对华北克拉通进行了大量观测和研究.     

华北岩石圈减薄与克拉通破坏研究的主要学术争论

华北岩石圈减薄是近十年来国内外研究的热门课题,但关于岩石圈减薄的具体时间、减薄幅度、空间分布范围、机制及其构造控制因素,多有争论.本文对上述问题进行了全面的回顾与讨论,内容包括:(1)是克拉通破坏还是岩石圈减薄;(2)古生代以来华北克拉通岩石圈地幔时代与壳幔解耦;(3)岩石圈减薄与克拉通破坏发生的时间;(4)岩石圈减薄的垂向幅度;(5)克拉通破坏在中国东部的空间分布;(6)克拉通破坏机制;(7)克拉通破坏的地球动力学原因;(8)华北克拉通破坏在世界上的特殊性等.文后,汇编了近10余年来华北岩石圈减薄与克拉通破坏研究的重要文献.     

木吉村斑岩铜矿成矿作用:华北克拉通中生代岩石圈减薄的响应

木吉村铜(钼、金)矿位于华北克拉通太行山北段中生代岩浆岩带,为大型隐伏斑岩型矿床.矿体赋存于侏罗纪髫髻山组与火山岩相关的闪长玢岩次火山岩相中.木吉村髫髻山组安山岩中岩浆锆石的两组U-Pb年龄分别为(150.5±3.0) Ma和(140.8±3.0) Ma,与北京西山髫髻山组火山岩锆石U-Pb年龄范围(156.6～137...     

华北克拉通东部中生代岩石圈减薄的过程与机制:中生代火成岩和深源捕虏体证据

基于最新的同位素年代学资料 ,华北克拉通东部中生代的岩浆作用可划分成四个阶段 ,即晚三叠世 ( 2 0 5～ 2 2 5Ma)碱性岩浆作用 ;中晚侏罗世 ( 1 5 5～ 1 6 0Ma)花岗质岩浆作用 ;早白垩世 ( 1 1 2～ 1 32Ma)双峰式岩浆作用和晚白垩世 ( 92～ 73Ma)碱性玄武质岩浆作用。徐淮地区中生代侵入岩中榴辉岩捕虏体的发现及其地质年代学资料 ( 2 1 9Ma)表明 ,华北克拉通东部中生代早期曾发生过一次重要的陆壳加厚过程。俯冲板片的断离以及高压—超高压变质岩的快速折返和晚三叠世 ( 2 0 5～ 2 2 5Ma)的碱性岩浆作用的存在均暗示 ,华北克拉通中生代岩石圈减薄已经开始。拆沉作用则是引起中生代早期岩石圈减薄的主要机制。中、晚侏罗世 ( 1 5 5～ 1 6 0Ma)花岗质岩浆作用形成于造山期后的伸展环境 ,代表了中生代岩石圈减薄的继续和发展。早白垩世 ( 1 1 2～ 1 32Ma)双峰式岩浆作用表明中生代岩石圈减薄达到了峰期。而幔源纯橄岩捕虏体中富硅质熔体的交代作用和玄武岩的高87Sr/ 86Sr值、低ε(Nd ,t)值特征表明 ,软流圈对岩石圈底部的化学侵蚀可能是导致该阶段岩石圈减薄的主导机制。晚白垩世 ( 92～ 73Ma)碱性玄武质岩浆作用和“海洋型”地幔捕虏体的存在代表了等温面的下降和岩石圈地幔的增生     

华北克拉通重力梯度带两侧晚中生代火山岩地球化学特征对比研究及其对岩石圈减薄的时空制约

对华北克拉通重力梯度带东西两侧的河北承德袁家庄和内蒙古四子王旗白脑包出露的晚中生代火山岩进行了地球化
学对比研究。全岩主量元素、微量元素和Sr-Nd-Hf同位素数据表明,袁家庄火山岩和白脑包火山岩具有相似的地球化学特
征。这些火山岩轻、重稀土强烈分异,富集大离子亲石元素(如Rb,Ba,Th,U,K等),亏损高场强元素(如Nb,Ta,Zr,
Hf,Ti等);其同位素具有高(87Sr/86Sr)i,低εNd(t)和低εHf(t)的特征,因此认为袁家庄和白脑包火山岩具有相似的源区,即均来
源于被交代的古老岩石圈地幔的部分熔融。结合文献资料,作者认为,这些晚中生代火山岩是华北克拉通岩石圈减薄的直
接产物,中生代时期华北克拉通岩石圈的减薄不仅仅局限于重力梯度带以东地区,以西的部分地区也有发生。 chengxu       

早白垩世华北克拉通东部岩石圈减薄过程和机制:来自河北西石门杂岩体的证据

白垩纪华北克拉通岩石圈经历了巨大的减薄事件,但减薄过程及机制仍存在较大争论。早白垩世的西石门杂岩体是华北克拉通东部与岩石圈减薄相关的重要杂岩体。根据西石门杂岩体形成时代和岩石结构特征将其划分为两套岩石组合。早期岩套由二长闪长岩-二长岩-正长岩系列组成,具等粒结构,形成时代约为135. 6Ma,岩石地球化学成分为SiO_2=51. 72%～68. 56%、MgO=0. 17%～4. 88%,少部分样品表现出C型埃达克岩的特征;晚期岩套由斑状二长岩-斑状正长岩系列组成,具似斑状结构,形成时代约为125. 3Ma,岩石地球化学成分为SiO_2=57. 00%～67. 51%、MgO=0. 61%～3. 37%,其中还存在大量年龄约2500Ma的继承锆石。两套侵入岩均为高钾钙碱性系列但早期岩套多具埃达克质岩特征,晚期岩套岩石中锆石具有更负的ε_(Hf)(t),显示其具有更多的壳源物质组成。角闪石温度计、压力计显示,早期岩套的定位环境为T=883. 66℃、P=194. 95MPa,相当于7. 36km深处;晚期岩套的定位环境为T=642. 34℃、P=26. 81MPa,相当于1. 01km深处。从135. 6Ma至125. 3Ma,地壳快速抬升了约6. 35km。研究认为,在约135. 6Ma时陆内岩浆作用开始影响研究区,软流圈地幔上涌促使地壳物质熔融、混合形成了早期岩套,同时大规模的岩浆活动及地壳褶皱变形导致陆壳加厚。之后岩石圈地幔发生拆沉作用,地壳快速抬升。在约125. 3Ma后,软流圈地幔继续上涌,回弹的陆壳开始发生大规模的熔融形成了晚期岩套。据此认为拆沉作用是中生代华北克拉通岩石圈减薄的主要机制。     

华北地区新生代岩石圈伸展减薄机制的数值模拟

新生代时期华北东部裂谷的伸展减薄机制及其周边的构造应力场,西部鄂尔多斯克拉通的抬升和周边断陷盆地的形成机制是目前研究的热点问题,但是较少有人从数值模拟的角度进行探讨。笔者采用有限元程序FEVPLIB对该地区5个剖面进行了模拟,初步取得如下认识:①在太平洋俯冲带的附近岩石圈伸展减薄较强,这与剖面经过的冲绳海槽正在拉开是吻合的,而太平洋的俯冲对较远的华北盆地的伸展减薄的影响较弱;②火山喷发时期,华北盆地有大的软流圈物质上涌造成华北裂谷的伸展减薄,符合纯剪切的机制,现今华北地区已趋于均衡,动力正趋于稳态;③六盘山逆冲在鄂尔多斯块体之上,代表着青藏高原东北缘的挤压,对华北是一个大的推挤力,可诱发鄂尔多斯块体的隆升,而鄂尔多斯向东北方向移动时提供了周边盆地的拉张的背景;④华北地区岩石圈的伸展减薄是六盘山处的挤压和东部太平洋板块俯冲两者联合的影响。模拟的结果与研究区GPS、重力异常以及岩石圈三维结构是吻合的。     

华北地区新生代岩石圈伸展减薄的机制与过程

华北地区可划分出2个岩石圈尺度的构造单元:西面的鄂尔多斯克拉通块体和东部的华北裂谷盆地。华北裂谷由主体的似环状盆地和周边山岭组成,还有大的似环状盆地中央的苏鲁淮山岭。华北裂谷盆地,在古近纪(E)和新近纪(N)—第四纪(Q)时期分别通过主要的纯剪切(pureshearing)和分布剪切(distributedshesring)(均含简单剪切组分)变形机制形成,它们导源于软流圈上涌诱发的巨大岩石圈减薄作用。然而,鄂尔多斯块体周边的断陷盆地带则是通过简单剪切(simpleshearing)变形机制形成,它们导源于鄂尔多斯克拉通块体的隆升和作用于鄂尔多斯南缘的六盘山与来自青藏高原碰撞带的北东向挤压力的联合作用。新生代时期,在快速的岩石圈大幅度减薄的时期内,华北地区东部向东伸展的速率比西部的鄂尔多斯块体大得多,它暗示软流圈物质向东的流动可能主动地拖拉着上覆岩石圈向东移动。可能有3条这样的通道,允许青藏碰撞带下面的软流圈物质向东流动,它们是:(a)高原南部过松潘—甘孜、三江达南海;(b)高原北部经六盘山、鄂尔多斯周边和华北—东北平原达日本海;(c)帕米尔经天山、蒙古西部、贝加尔达鄂霍次克海。     

胶莱盆地晚白垩世玄武岩的年代学和地球化学特征及其对华北岩石圈减薄-增生的制约

已有研究认为华北岩石圈减薄的时空不均一是显著的,主要表现在软流圈来源的岩浆最早出现的时间呈现南北差异。本文通过40Ar-39Ar法获得胶莱盆地西官庄拉斑玄武岩的年龄为96±3Ma,属于青山群火山岩的一部分,早于王氏群大西庄碱性玄武岩(73Ma)。两套岩石均缺乏Nb、Ta负异常,分别具有与E-MORB和OIB类似的微量元素配分特征。西官庄拉斑玄武岩((87Sr/86Sr)t=0.7058,εNd(t)=0.37～0.57)和大西庄碱性玄武岩((87Sr/86Sr)t=0.7040,εNd(t)=5.5～5.7)的同位素组成特征均显示软流圈的印记。前者为软流圈熔体与古老富集岩石圈地幔相互反应的产物,而后者是软流圈部分熔融的产物。研究区岩浆的εNd(t)值随年龄的降低而逐渐增大,暗示古老岩石圈减薄过程中软流圈的上涌,说明研究区晚白垩世-早新生代岩石圈仍在经历减薄作用。类似的岩浆演化趋势在辽西和辽东地区也有发现,不过演化的时间分别为120～100Ma和80～60Ma,再次证明华北岩石圈减薄作用的时空不均一性。     

岩石圈—软流圈物质循环促进大陆增生的新方式

大陆动力学研究地球内能量和物质的运动和伴随的信息传播,上地幔中的软流圈是地球内部的物质运动的关键部位之一。由于观测的技术方法少,人类对软流圈内部的地质作用过程所知甚少。在青藏高原,过去地震波三维层析成像的分辨率不高,难以对地壳上地幔构造进行准确的定位。我们收集和整理了地方地震台的数字化观测数据,使地震体波三维层析成像的准确度大大提高,为解决软流圈的地质构造准确成像提供了新的可能性。根据地震体波三维层析的成像结果,在古特提斯洋和特提斯洋俯冲板块前沿的软流圈底部410 km间断面上方,存在反映古大洋俯冲板块的高速体,它们在青藏高原、苏鲁和伊朗都有出现。清晰和稳定的高波速异常的位置表明,特提斯洋俯冲板块现在已经拆沉在软流圈的底部,古特提斯洋俯冲板块也可能曾经拆沉在软流圈的底部。对比青藏高原和苏鲁的地壳上地幔波速结构推测,拆沉造成软流圈中的轻元素物质上涌,进入大陆岩石圈,造成岩浆活动。上涌还使碰撞造山带地壳厚度减小,而岩石圈厚度增加。大约100 Ma后,俯冲下去的大洋残块会被软流圈物质磨蚀交代,使岩石圈厚度增加, 形成大陆下方的大陆根,造成大陆克拉通化和体积增生。大洋板块俯冲后在软流圈拆沉是岩石圈—软流圈物质循环的一种重要方式,对软流圈中物质均衡和体积稳定也起重要作用。     

华北陆块岩石圈减薄作用:热薄化与机械拉伸的数值模拟研究

针对华北陆块岩石圈减薄作用的动力学机制开展了一系列二维定量数值模拟研究。其模拟结果表明,在给定的岩石圈热传导和放射性生热条件下,岩石圈底部地幔热流(mantlethermalflux)的增加能导致岩石圈内热状态的明显改变,导致早古生代以来华北岩石圈厚度的巨大变化,当地幔热流达到35～40mWm-2,华北陆块的岩石圈厚度将减薄至100km以内。单纯的机械拉张同样能导致岩石圈厚度的薄化,但岩石圈厚度的减薄相对有限。即使拉张伸展率达25%,其岩石圈厚度最大减薄至150km。因此通过数值模拟的研究揭示了这样的事实,即华北陆块岩石圈厚度的减薄主要受制于岩石圈内热状态的变化,以热侵蚀的减薄方式为主,机械拉张作用可能对华北陆块岩石圈厚度的减薄作用有一定贡献。     

河北承德盆地114 Ma大北沟组玄武岩地球化学及其对华北克拉通岩石圈地幔减薄作用的制约

华北克拉通罕见年龄界于120～100Ma的火山岩。承德盆地大北沟组火山岩下部主要由柱状节理橄榄玄武岩组成,中上部主要由安山岩组成。对紧邻玄武岩的上覆安山岩的火山锆石U-PbLA-ICPMS定年结果表明,形成年龄为(113.6±0.87)Ma,代表了该套火山岩的喷发年龄,表明它们形成于早白垩世晚期。对3件玄武岩样品的分析结果表明,它们亏损高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf),初始87Sr/86Sr同位素比值为0.7059,εNd(114Ma)为-11.04,具有富集型岩石圈地幔的特征。但该套玄武岩的主量和微量元素特征则介于华北克拉通中生代年龄>120Ma具古老富集型地幔特征的玄武岩和年龄<100Ma具亏损软流圈性质的玄武岩之间,表明113.6Ma时华北克拉通岩石圈地幔在元素组成方面已具有由富集地幔向亏损型软流圈地幔转变的特征。大北沟组玄武岩的地球化学特征表明,114Ma时华北克拉通岩石圈地幔已减薄。     

中国东部岩石圈减薄时间的制约及构造控制因素探讨

华北地块中生代含幔源包体玄武岩同位素年龄、岩石化学、地球化学及Sr-Nd同位素研究成果表明:119 Ma~110 Ma之间华北地块岩石圈地幔性质由富集型岩石圈地幔转化为亏损的软流圈地幔,岩石圈地幔性质的显著变化,说明中国东部岩石圈减薄的主要时间发生在早白垩世晚期119~100 Ma之间。中生代古太平洋伊泽奈崎大洋板块(Izanagi Plate)向欧亚板块俯冲所导致的拆沉,应是岩石圈减薄的重要控制因素。     

太行山重力梯度带的形成与华北岩石圈减薄的时空差异性有关

通过对比华北太行山重力梯度带两侧新生代玄武岩及其中幔源包体的成分, 发现: (1)华北东、西部新生代玄武岩具有相反的演化趋势, 说明新生代以来西部岩石圈逐渐减薄, 而东部岩石圈逐渐加厚; (2)西部岩石圈地幔组成相对复杂, 年龄多为晚太古代-元古代; 而东部岩石圈地幔组成相对单一, 年龄多为现代值, 少数为元古代; (3)西部壳幔过渡带较厚而东部较薄, 反映两地不同的岩浆底侵作用程度.华北岩石圈组成的空间不均一性可能与岩石圈减薄过程的时空差异有关. 岩相古地理分析说明太行山重力梯度带的雏形形成于早白垩世, 与华北中生代岩浆活动的高峰相吻合.由于岩浆作用与岩石圈减薄作用密切相关, 因此认为华北岩石圈减薄的时空不均一性是形成太行山重力梯度带的重要机制.      

论胶东地区中生代岩石圈减薄的证据及其动力学机制

胶东地区可划分为两个大地构造单元：胶北断块和胶南造山带。前者为华北板块组成部 分，后者为华北和扬子板块的碰撞拼合带。五莲－青岛－海阳－牟平深断裂构成上述两个构造单 元的边界。本文从地质（陆壳隆升、构造岩浆活动与断陷盆地形成）和地球物理（重、磁异常与地震 测深）两个方面论述了胶东地区中生代经历了两个不同构造演化时期：前期（Ｔ３－Ｊ２）陆壳隆升和后 期（Ｊ－Ｋ）陆壳拉伸。我们认为，岩石圈减薄的动力学条件是与库拉－太平洋板块以不同边界类型 向欧亚大陆俯冲以及郯庐断裂以不同方式的强烈活动密切相关。在综合分析基础上建立了胶东地 区岩石圈减薄的动力学模式。