华北克拉通破坏过程中下地壳的改造——捕虏体证据

华北克拉通出露的前寒武纪麻粒岩地体和显生宙不同时期火山岩中的麻粒岩捕虏体是地质历史上不同时期下地壳的代表性样品,对它们的对比研究为华北克拉通下地壳的演化提供了重要制约。本文在前人工作基础上,主要从地体麻粒岩和不同时代火山岩中捕虏体麻粒岩的锆石年代学和Hf同位素组成特征角度,指出在华北克拉通岩石圈破坏过程中,不仅岩石圈地幔发生了减薄和改造,岩石圈地幔之上的下地壳也发生了不同程度的减薄和改造,这种改造存在区域上的差异,包括改造的时间、改造的程度等。下地壳的改造方式主要以幔源岩浆的底侵为主,古老地壳物质的重熔也是可能的一种方式。     

鲁西中生代辉长-闪长岩中辉石岩捕虏体的岩石成因

鲁西中生代辉长-闪长岩中包含有变晶结构和堆积结构两种类型辉石岩类捕虏体,它们的矿物化学和岩石地球化学特征可同中国东部新生代玄武岩中的辉石岩类包体相对比.它们代表了上地幔两次岩浆底侵事件的产物.辉石岩类捕虏体母岩浆来自于含有陆壳物质的软流圈及其上部岩石圈地幔的部分熔融.辉石岩类捕虏体是由该母岩浆高压分离结晶堆积的产物.辉石岩的母岩浆在上地幔的运移是引起鲁西中生代岩石圈地幔富硅质交代作用的主要因素.     

华北克拉通北缘晚中生代火山岩

辽宁西部广泛分布着晚中生代火山岩，横跨华北克拉通和兴－蒙造山带两大构造单元，一般认为它们是以在这一地区发育的两条主要断裂－西拉木伦河断裂和赤峰－开源断裂为界。这些火山作用曾被认为是中生代伊泽奈崎板块西向或西北向消减作用的结果。在岩性上它们主要以中酸性岩石为主，玄武岩等中基性岩石较少。为查明下伏岩石圈对这些岩浆作用成因的影响，对其中的SiO2含量＜60％的中基性火山岩进行了详细的Sr-Nd-Pb同位素研究。结果显示，以西拉木伦河断裂和赤峰－开源断裂两侧为界，两侧火山岩的同位素特征存在显著区别。南区有明显的EMI特征并具EMI－PM混合趋势，而北区则显示了原始或略亏损的特征。南北两区之间的过渡带（介于西拉木伦河断裂和赤峰－开源断裂之间）则表现了同位素组成上相应的过渡特征。这一地球化学观测与已有的地质和地球物理资料颇为吻合。基于新生代幔源岩石化学反演的中国东部陆下地幔化学区划研究揭示了克拉通下（subcratonic)岩石圈地幔与EMI存在密切关系。本研究所提供的地球化学证据说明了采用中生代中基性在作为类似研究途径的可行性，并进一步提出对华北克拉通边缘中生代火山作用成因另一种可能的解释，即古消减带物质的活化有可能对华北北缘火山岩源区物质组成产生重要影响。     

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.     

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     

由深源捕虏体限定的华北克拉通下地壳特征

文中收集了新生代、中生代和古生代由喷出/浅成岩携带的下地壳麻粒岩捕虏体及其锆石年龄的资料。结果显示,它们代表了不同时代、不同地区下地壳最下部的组成及年龄。新生代汉诺坝、女山、莒南和青岛等地的玄武岩和其中捕虏体的资料,几乎可以涵盖华北相当一大部分下地壳底部的状态。金伯利岩虽然只能提供500Ma以前的信息,但它们能够检验并确认古老地质事件发生时间的准确性。内蒙古中生代闪长岩中出露的麻粒岩属于同源捕虏体,只能代表该岩浆活动波及地区下地壳的状态。华北克拉通发育了多次以地幔物质添加为主的地质事件(地壳增生),主要有:2.8～3.0Ga,2.5Ga,1.8Ga,140～90Ma及47～45Ma,其中以2.5Ga和140～90Ma最为重要。2.5Ga的地幔岩浆底侵事件在不少地区出现,推测与地幔柱活动有关。中生代(140～90Ma)的底侵作用在克拉通分布相当广泛,包括华北北部,华北东部及东南部都有明显的记录。女山和莒南地区出现了2.3Ga的年龄,是中生代的底侵岩浆与先存的古老基底发生混合与反应的产物。1.9～2.0Ga以及1.8Ga可能与地壳的造山运动和与其伴随的短暂的热扰动造成的锆石再结晶有关。在研究下地壳捕虏体时一个重要的问题是,要注意构造背景。在一级构造单元的交界处,由于该处块体之间的相互作用复杂,需要注意判别捕虏体的块体归属,以便对华北克拉通不同部位的复杂演化历史获得更全面的认识。     

信阳基性麻粒捕虏体及其华北南缘早中生代下地壳性质

报道了信阳早中生代火山角砾岩中高压基性麻粒岩捕虏体的岩相学、矿物化学、和岩石主元素、微量元素、Nd同位素组成及计算的温压条件和岩石物性结果。这些基性麻粒岩主体为具细粒变晶结构的石榴石 单斜辉石 斜长石 角闪石±碱性长石±石英±钛铁矿组合,其中可见残斑单斜辉石±石榴石组合。它们的全岩化学成分相当于橄榄拉斑-石英拉斑玄武岩,具LREE平坦到富集的稀土配分形式(LaN/YbN=0.98-9.47),且Eu异常不明显(Eu/Eu=0.95-1.11)由细粒变晶矿物组合所计算的温压条件是765-890℃和1.25-1.59GPa(相当于存在深达52km的厚地壳)。麻粒岩的计算波速(Vp)和密度(D)分别为7.04-7.56km/s和3.05-3.30g/cm3。全岩143Nd/144Nd测试值为0.512267-0.512700,εNd(T)为-5.72至 1.01,Nd模式年龄(TDM)为1.8-1.9Ga。由这些高压基性麻粒岩所反映的华北南缘早中生代下地壳,其初始物质可能形成于早元古代的基性岩浆底侵作用,并受扬子板块俯冲碰撞作用的影响。它们在晚第三纪玄武岩喷发前大部分发生了拆沉作用。     

华北克拉通和华南地区下地壳麻粒岩捕虏体的研究进展及其地质意义

本文主要在前人研究的工作基础上,对华北克拉通(中朝克拉通)和华南地区产出的下地壳麻粒岩捕虏体的研究进展及其地质意义作一简要综述。文中共涉及8个方面:①基本情况;②国内外研究现状;③麻粒岩捕虏体的产出特征;④麻粒岩捕虏体的岩石类型,伴生的地幔岩、共生矿物组合、温压条件;⑤麻粒岩捕虏体的原岩年龄和变质年龄;⑥麻粒岩捕虏体的岩石化学和地球化学特征;⑦华北和华南麻粒岩捕虏体所代表的下地壳位置;⑧麻粒岩捕虏体同位素年龄的地质意义和麻粒岩捕虏体的成因。并提出了4个科学问题和今后工作的建议。     

华北克拉通中生代破坏前的岩石圈地幔与下地壳

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,有 38亿年的古老陆壳存在,它经历了复杂的地质变迁,在太古宙末(约2500Ma)基本完成克拉通化,在古元古代(约1900~1850Ma)整体受到了高级变质作用,最终完成了克拉通化。它的东部在中生代发生了重大的构造机制的转变,克拉通基底发生了破坏、置换和再造。在太行山重力梯度带以西的华北克拉通受中生代构造转折的改造程度较低,它们的下地壳和岩石圈地幔结构,大致保持了华北克拉通破坏前的状态。前寒武纪麻粒岩地体代表了掀翻抬升到地表的古元古代下地壳,出露地表的时间大致在1850~1800Ma。中、新生代火山岩中的地幔和麻粒岩捕虏体代表了现代的岩石圈地幔和下地壳的岩石。岩石学、地球化学和地球物理的研究,推测华北克拉通西部的岩石圈厚约200km,地壳厚度约45km~50km,是在古元古代(约1.9Ga)时期终极克拉通化作用形成的,其厚度和结构与全球典型的元古宙克拉通岩石圈相同。而太行山重力梯度带以东的克拉通岩石圈地幔受到程度不等的交代、改造、置换和减薄,下地壳大规模重熔,地壳厚度也发生减薄,指示了强烈的壳幔解耦、物质交换和重新耦合的过程。     

青藏高原北缘火山岩中辉石岩包体研究

青藏高原北缘可可西里鲸鱼湖、雄鹰台、双泉子火山岩中含有辉石岩包体 ,其主要矿物组成为单斜辉石和斜方辉石。辉石的化学成分与国内外幔源包体 -橄榄岩和辉石岩中的类似 ,与麻粒岩中的明显不同 ;辉石温压计计算结果表明 ,辉石形成的温度为 110 1～ 140 0℃ ,压力为 30× 10 8～ 6 0× 10 8Pa,结合岩浆动力学计算结果 ,推测岩浆的来源深度大于 15 0km ,这与地球物理研究得出本区地下深处存在低速层的结果相吻合。     

岚皋金云角闪辉石岩类捕虏体：地幔交代作用的证据

产于陕西岚皋地区碱质基性－超基性潜火山杂岩中的金云角闪辉石岩类捕虏体，主要由透辉石、富钛韭闪石、金云母、磷灰石、榍石、及钛铁矿组成。捕虏体发育三联晶、碎裂边、肯克变形等固相线下变形变质结构，矿物学特征表明，透辉石、富钛韭闪石、金云母为地幔来源，是地幔交代作用的产物；与正常地幔尖晶石二辉橄榄岩相比，捕虏体富ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ，贫ＭｇＯ，其稀土元素具富集特征，尤其富集ＬＲＥＥ；微量元素分配型式显示了富亲石不相容元素的特征。岩相学、矿物学及岩石化学特征表明：该类捕虏体为交代地幔捕虏体，它代表了北大巴山早古生代裂谷作用时期的异常地幔，是地幔交代作用的产物。交代营力可能源于地幔热缕的上升，交代过程推测为深处小范围的流体交代及随后硅酸岩熔体的“弥散”性交代     

伊通新生代玄武岩中辉石岩捕虏体的尖晶石成分分带

伊通新生代玄武岩中存在3种不同成因的捕虏体,其中上地幔岩浆分异结晶形成的辉石岩捕虏体中尖晶石具有独特的成分分带。电子探针分析显示在尖晶石矿物的边缘富Al,而贫Mg、Fe和Cr,矿物中心富Mg、Fe和Cr,而贫Al,从中心向两侧基本对称。从尖晶石成分分带的元素分布特征判断,其形成不是固溶体相平衡过程中的离子扩散,而可能是化学平衡过程中结晶矿物与熔浆之间化学成分平衡的结果,属于化学平衡导致的成分分带。从尖晶石矿物中心到边缘的温度变化不能反映矿物形成后所经历的温度变化状况,与尖晶石共生矿物的二辉石地质温度计所能代表的地质意义是矿物中心的温度(~1 006℃),反映矿物开始结晶时的温度状态。     

岚皋金云角闪辉石岩类捕虏体特征

陕西岚皋地区碱质基性超基性潜火山杂岩中的金云角闪辉石岩类捕虏体，主要由透辉石、富钛韭闪石、高Ｔｉ金云母、磷灰石及钛铁矿组成。捕虏体发育三联晶、碎裂边、扭折变形等固相线下变形变质结构，与正常地幔尖晶石二辉橄榄岩成分相比，捕虏体富ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ，贫ＭｇＯ；其稀土元素具富集特征，尤其富集ＬＲＥＥ；微量元素配分型式显示富亲石不相容元素的特征。岩相学、矿物学及岩石化学特征表明，该类捕虏体为交代地幔捕虏体，它代表了北大巴山早古生代裂谷作用时期的异常地幔。交代营力可能源于地幔热柱的上升，在地幔深处可能以熔体交代作用为主，往上逐渐以流体交代作用为主     

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。     

金伯利岩中石榴石辉石岩捕虏体的特征及其成因意义

在辽宁复县金伯利岩中发现了石榴石辉石岩的深源捕虏体,它是来自软流层的熔／流体在１００～１２０ｋｍ结晶的产物,其中的石榴石及磷灰石富含流体包裹体,有可能代表了地幔中富流体活动的幔内薄弱带的样品,如果该带普遍发育,则可能是中新生代中国东部活化阶段岩石圈地幔的一个拆沉界面。     

华北克拉通丰镇碳酸岩中榴辉岩捕虏体岩石学研究:现今板块体制古元古代开始启动证据

关于现今板块构造体制何时启动是目前地球科学研究的焦点问题。本文在原报道的古元古代丰镇火成碳酸岩中发现的榴辉岩捕虏体基础上,开展了详细的岩石学研究。该榴辉岩捕虏体分为两种类型:即相对富石榴石的Fz-2和贫石榴石的Fz-16,它们产于同一地点,且具有相同的矿物成分和结构构造特征。Xu et al.(2018)的研究表明该捕虏体具有1839±26Ma和1766±7Ma的独居石U-Th-Pb年龄且具有大洋辉长岩原岩的全岩成分特征。本文通过进一步的岩相学研究发现该榴辉岩至少经历了两期变质阶段:M1,角闪石/绿帘石-榴辉岩阶段;M2,硬柱石-榴辉岩阶段。具有放射状裂纹包裹特征的柯英石假象在石榴石变斑晶和基质绿辉石中以包体形式出现。以蓝晶石与黝帘石共存为特征的柱状硬柱石假象,也偶尔以包体形式存在于石榴石中。变斑晶石榴石分为富含包体的核部和比较干净的边部。石榴石从中心到边部具有明显的镁铝榴石含量增加和钙铝榴石含量降低的环带特征,通过相平衡模拟和等值线投图得到其温压范围为2.6~3.7GPa和655~670℃,记录了从M1到M2的近等温增压的进变质过程。通过石榴石边部-绿辉石-蓝晶石-石英的地质温压计计算得到温压条件为3.0GPa、734℃。金红石中的锆含量温度计也给出了相似的温度条件,即在2.6~3.7GPa压力时为601~685℃。石榴石边部的柯石英假象和硬柱石假象支持了M2硬柱石-榴辉岩阶段的存在,这表明丰镇古元古代榴辉岩可能是目前发现的世界上最古老的低温超高压变质岩。同时,我们得到该榴辉岩代表的进变质过程中的地温梯度为216±35℃/GPa,证明至少在~1.8Ga以来代表现今板块构造体制的板块冷俯冲作用就开始启动了。     

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。     

华北克拉通中生代下地壳置换：非造山过程的壳幔交换

华北克拉通内部前寒武纪麻粒岩地体和新生代火山岩的麻粒岩捕虏体的研究表明，前寒武纪下地壳与现今下地壳的是不同的。下地壳的主要置换发生在中生代。这表明，华北克拉通中生代的构造重大转折，不仅使得盆山格局发生了变化，而且下地壳和上地幔的组成和结构发生了变化。已发表的关于东部岩石圈减薄的机理有折沉作用、幔柱构造模式，均与造山带的演化相联系。本文注意到，华北克拉通最下部地壳的部分或大部都已被中代的下地壳置换，它们不仅发生在克拉通边部，而且发生在克拉通内部。因此华北克拉通中生代的下地壳被中生代的下地壳取代的作用，可称为华北克拉通中生代换底作用。中生代时期的华北拉通下可能存在有规模的地幔柱，强烈的壳幔交换是换底的作用的主要方式，热侵蚀和化学侵蚀的细节还不清楚。但可以推测这与造山带的演化没有直接关系，和造山带岩石圈根部的折沉作用有一般意义的底侵作用不同。     

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。

     

华北克拉通西北缘中元古代火山岩特征与成矿作用

华北克拉通西北缘中元古代火山岩分布在狼山和渣尔泰山地区,并产在中元古界渣尔泰山群中,主要属正常岩石系列的基性岩石。其岩石化学和地球化学特征表明该套火山岩为低钾—中钾玄武岩,并与大洋拉斑玄武岩类似。反映了中元古代火山活动是发生在狼山—渣尔泰山南、北两支裂陷槽发育的强烈裂陷阶段。岩石、矿石和矿物的稳定同位素、稀土和微量元素特征揭示,本区大型—超大型铜多金属矿床的形成与中元古代岩浆活动密切相关。