太古宙岩石圈构造变形过程与岩浆作用的数值模拟研究

太古宙岩石圈构造变形是岩石圈与软流圈在高温条件下发生垂向运动的结果,反映了太古宙非板块构造体制下的地球动力学过程.为了解释这个已经消失的过程,前人利用数值模拟方法并结合较少的地质实例,提出了盖子构造、热管构造、湿盖子构造、地幔柱构造等多种可能存在于太古宙的前板块构造体制.这些体制的主要差异源于前人实验中对岩浆作用的简化...     

太古宙热体制及板块构造模式

本文综述了已有种种太古宙热体制及板块构造模式。太古宙不只存在一个单一的热体制,且温度高、变化大。越来越多的证据表明,板块构造在太古宙即可能起作用,并且以洋壳厚、速度快、俯冲角度低等为特征。岛弧的侧向增生、地幔柱和板底垫托所产生的垂向增长,都是板块构造体制下太古宙地壳生长的有效方式。     

太古宙TTG岩石是什么含义?

太古宙TTG岩石的成因是一个热门话题,它与太古宙麻粒岩地体并称为太古宙两大疑案.TTG岩石关系到地球早期陆壳是如何形成、生长和演化的.现在流行的观点是,太古宙TTG要么产于板块消减带,要么来自加厚的下地壳,这两种说法孰对孰错?笔者认为二者证据都不充分.上述认识是将太古宙TTG与现代埃达克岩简单对比得出来的,而这种对比忽略了地质时代和构造背景的差异,正确的对比应当是在太古宙不同类型花岗质岩石之间进行.太古宙地壳异常的热,什么时候开始出现板块构造至今没有得到明确的结论.太古宙TTG是太古宙地壳的主要成分,太古宙TTG地体反映的是太古宙地壳的平均厚度,加厚是相对于正常地壳厚度而言的.太古宙地质研究存在一个明显的误区,即不恰当地运用“将今论古”的原则,“将今论古”只适合显生宙或中-新元古代.研究TTG岩石意义十分重大,对我们理解前板块构造以及板块构造何时开始的是很关键的.     

大陆的起源

太阳系固体星球都有类似的核-幔-壳结构,但唯独人类居住的地球具有长英质组成的大陆壳。太古宙大陆克拉通主要由英云闪长岩(Tonalite)-奥长花岗岩(Trondhjemite)-花岗闪长岩(Granodiorite)为主的TTG深成侵入体变质而成的正片麻岩和由基性-超基性酸性火山岩及少量沉积岩变质的表壳岩(绿岩)组成。已有的资料显示这些太古宙大陆岩石组合起源于大洋壳的部分熔融。大洋壳分为大洋盆地、洋中脊、岛弧和洋底高原(大洋岛)。前两者地壳的平均厚度只有5～10km,不可能成为形成太古宙TTG深成侵入体的场所。因此,长英质大陆或起源于板块构造体制下的岛弧,或起源于地幔柱体制下的洋底高原。板块构造体制下的岛弧模式能够很好地解释太古宙克拉通TTG深成岩的成因,即俯冲大洋板片部分熔融所形成的埃达克岩相当于太古宙高压(高Al₂O₂)型TTG,而俯冲板片脱水导致地幔楔部分熔融形成的玄武质地壳再次熔融所形成的钙碱性花岗质岩石相当于太古宙低压(低Al₂O₂)型TTG。然而,板块构造体制下的岛弧模式不能令人满意地解...     

前寒武纪地球动力学(Ⅷ):华北克拉通太古宙末期地壳生长方式

地球早期大陆地壳的生长方式和壳幔动力学机制一直是国际前寒武纪研究的热点问题。尽管太古宙是大陆地壳生长的主要时期已基本获得共识,但是对于太古宙时期地壳生长的具体方式和壳幔动力学过程仍然存在很大的争议。部分学者提出地幔柱或者与拆沉相关的垂向构造体制,而其他学者主张与俯冲相关的侧向增生模式或者地幔柱-岛弧的联合作用体制。研究表明,太古宙末期科马提岩明显减少、富钾花岗质岩石普遍发育、地壳再循环速度显著增强,反映地壳演化的壳幔动力学机制发生了明显的转变。华北克拉通以发育大规模2.5~2.6Ga构造岩浆活动为特征,是探讨太古宙末期地壳生长方式和壳幔动力学机制转变的关键地区。本文系统总结了近些年来华北克拉通东部陆块西北缘早前寒武纪研究的最新进展,特别是对辽西、冀东、辽北和五台地区的新太古代晚期(约2.5~2.6Ga)表壳岩变质火山岩系进行了系统的岩石成因和壳幔作用探讨。研究表明,上述地区的变质铁镁质岩石可以划分为3个岩石成因系列:MORB型、IAT(岛弧拉斑玄武岩)型和CAB(岛弧钙碱性玄武岩)型,它们的原岩分别起源于洋中脊软流圈地幔以及受到不同程度俯冲流体交代的地幔楔的部分熔融。变质安山质-英安质火山岩分别具有类似高镁安山岩和埃达克岩的地球化学特征,它们的原岩形成过程可能与俯冲板片的部分熔融以及板片熔体与地幔楔的相互作用有关。结合整个东部陆块早前寒武纪的研究进展,我们提出华北克拉通在太古宙末期(约2.5和约2.7Ga)经历了强烈的地壳生长过程,其中新太古代早期(约2.7Ga)地壳生长以地幔柱-岛弧联合作用体制为主,而新太古代末期(约2.5~2.6Ga)以洋内俯冲和弧陆增生作用体制占主导地位。新太古代末期与俯冲增生相关的构造岩浆活动在Tarim克拉通、印度南部、南极洲Vestfold Hills地体以及南澳Gawler克拉通被广泛报道,这可能与类似显生宙板块构造体制的启动以及太古宙末期Kenorland超大陆的汇聚过程有关。     

地质历史中板块构造启动时间

地质历史中板块构造是何时开始启动的长期存在着激烈的争论,最极端的一是认为板块构造在新元古代的800 Ma前开始,二是在冥古宙4.3 Ga就已启动,多数学者认为在太古宙末开始启动。确定板块构造启动时间主要依据以下几方面:(1)地球动力学特点,如地幔的热状态以及粘塑性地幔对流模拟表明,板块构造可能是在地球热和冷停滞状态之间演化的一个相。在太古宙较热的地球中,板片强度低,板片的频繁断离阻止了形成类似现代样式的长期俯冲体系,太古宙的板块构造是短期的、阵发性的;(2)代表俯冲的标志的蛇绿岩、蓝片岩和超高压(UHP)变质地体;(3)具有弧特征的岩石组合,如拉斑玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩及英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG)岩套;(4)增生楔中混杂岩和大洋板块地层、前陆盆地、大陆裂谷、双变质带、造山带;(5)与俯冲带关系密切的造山型Au矿、斑岩Cu矿和浅成热液矿床、火山岩型块状硫化物矿床(VHMS),它们最早出现的年龄一致在3.5~3.1 Ga,指示了板块构造的开始;(6)世界不同地区大陆的Ni/Co、Cr/Zn比值随沉积年龄变年轻而降低,陆壳从3.0 Ga前的镁铁质转变为2.5 Ga时的长英质,表明全球板块构造的启动应在3.0 Ga的古中太古代;(7)冥古宙锆石、太古宙金刚石中矿物包裹体及Hf、O、C、N同位素组成研究表明,冥古宙地球表面存在类似板块汇聚边缘,太古宙含有大陆沉积物的海洋岩石圈俯冲进入地幔。     

全球苦橄岩与太古宙科马提岩对比：全数据模式的启示

苦橄岩和科马提岩都是富镁的超镁铁质火山岩,早先,学术界大多关注它们之间的相似性,而对于它们之间的差异性很少强调。于是认为二者的地球化学性质近似,成因类似,形成条件类似。本文采用全数据模式的研究方法,从数据库收集了全球太古宙全部科马提岩和后太古宙全部苦橄岩数据,对比的结果表明,太古宙科马提岩与后太古宙苦橄岩完全不同,它们之间几乎没有可比性。科马提岩与苦橄岩,不仅地球化学特征不同,而且成因不同,形成条件不同,产出时代不同,源区组成也不同。这种不同,反映了太古宙和后太古宙不可能属于同样的构造体制。太古宙是火球时代, 地球异常的热, 主导的可能是静止盖幔构造（stagnant lid tectonics）;后太古宙是热球时代,地球相对冷了许多,主导的是板块构造（plate tectonics）。科马提岩在太古宙广泛出露,无需地幔柱模式;而苦橄岩在后太古宙很少出露,才真正需要地幔柱模式。     

试论陆内型造山作用：以秦岭—大别山造山带为例

板块构造学说的大陆碰撞作用和槽台学说的地槽回返作用不能解释秦岭－大别山造山带的成因机制。壳幔拆离构造导致陆内Ａ型俯冲是陆内型造山作用的成因机制。     

太古宙构造研究进展

太古宙构造研究倍受地质学家们重视，它对研究大陆岩石圈乃至整个地球形成和演化，创立地球动力学模式具有重大地质意义，近年来，太古宙构造研究取得巨大进展，通过对世界上一些经典地区研究，越来越多的地质学家认为太古宙克拉通内的高级区和绿岩带及其内部都是由异地构造层或地体水平拼贴形成的，尽管太古宙克拉通的大地构造模式众多，但就目前的研究成果看，板块构造模式在太古宙构造演化中仍处于主导地位。     

华北克拉通的形成以及早期板块构造

地球上最早的地壳岩石是高钠的花岗质(TTG)岩石,但是否有更老的洋壳存在过、以及陆壳是怎样形成的,涉及到地球动力学几乎所有的问题。其中板块构造是在什么时候开始的,就是个延续了数十年热度不减的前沿科学问题。流行的说法是板块构造始于新元古代,也有一些学者认为在新太古代就已经开始,或者认为自从地球上有了水的记录,就开始有板块构造。在众多的判别板块构造的标志中,蛇绿岩残片和古老的高压变质岩无疑是两个最具影响力的问题。前者可以确定有远古的古老洋壳存在过并成为缝合带中的残片,后者可以指示曾有地表的岩石单元被俯冲到深部,是俯冲、消减与碰撞的岩石学证据。本文在讨论和比较了太古宙绿岩带与蛇绿岩,以及早前寒武纪高温高压(HTHP)麻粒岩/高温—超高温(HT-UHT)麻粒岩与造山带高压变质带之后,认为尚不能作为板块构造的证据。本文还对华北的新太古代末的稳定大陆形成以及古元古代活动带的裂谷-俯冲-碰撞进行了论述。提出华北克拉通在新太古代末的绿岩带-高级区格局可能标志着热体制下有限的横向活动构造,微陆块被火山-沉积岩系焊接,随后发生变质作用和花岗岩化,完成稳定大陆的克拉通化过程。其构造机制可能是适度规模且多发的地幔柱构造控制下小尺度的横向构造运动的机制。华北克拉通的古元古代活动带有与绿岩带-高级区不同的构造样式,表壳岩带状分布,经受了强烈的变形以及中级变质作用,伴随花岗岩的侵入,虽然没有蛇绿岩和高压变质带,但已表现出板块构造的雏形特征。     

前寒武纪地球动力学(Ⅳ):前板块体制

前寒武纪地球动力学关注地球45.6~5.43亿年期间的沉积、岩浆、变质、变形、地幔和岩石圈的动力学机制,是永恒的地球科学前沿研究内容。现今研究积累表明:早前寒武纪构造还难以完全用板块构造理论给予说明,板块构造起源的时间虽然可能因地而异,但主流认识是27~21亿年期间,华北克拉通也是如此。板块构造出现之前的前板块构造体制也业已提出了多种认识:地幔柱理论、地幔翻转、重力构造、小板块构造等,其中重力构造被认为主要发生在冥古宙的地球层圈分异阶段,尤其是45.4~44.5亿年间地核形成和地幔的岩浆海阶段。迄今,对于地壳层次的卵形构造成因,也有8种模式之多:底辟构造、中下地壳流动构造、水平渠道流、多期褶皱叠加构造、变形分解构造、龟裂-拗沉俯冲构造、卵形构造的多层Top-down流变构造、岩基侵入-挠曲分解构造等,它们皆可出现在挤压、伸展、走滑构造背景下。无论是板块构造还是前板块构造阶段,全球构造过程似乎都是Top-down机制。     

试论陆内型造山作用──以秦岭-大别山造山带为例

 板块构造学说的大陆碰撞作用和槽台学说的地槽回返作用不能解释秦岭-大别山造山带的成因机制。壳幔拆离构造导致陆内A型俯冲是陆内型造山作用的成因机制。     

太古宙花岗质岩石Si-O同位素对岩石成因和板块构造的约束

板块构造的起源是地球科学核心问题之一,而表壳物质循环是现代板块构造的重要表现之一,因此检验地球表壳物质循环起始时间是约束板块构造启动时间的重要切入点。近年来,岩浆岩的Si-O同位素联合示踪开始被用来约束太古宙构造环境,但由于大多太古宙样品经历了强烈的变质作用,Si同位素数据是否代表原岩信息需要进一步的评估;此外,Si同位素在高温岩浆分异过程中变化非常小,在分析精度不够高的情况下,其分析结果则很可能无法揭示其潜在的变化规律。本文结合当前地球早期构造环境研究进展以及Si-O同位素的应用情况：(1)重点总结介绍了太古宙花岗质岩石(主要包括英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩;简称TTG)的Si同位素应用原理,及应用Si-O同位素约束地球早期构造环境的优势;(2)分析了目前研究中存在的问题,并给出了具体的改进建议和方法;(3)进一步总结了太古宙TTG Si同位素和全球规模的O同位素,Ge/Si比值,及其他地质学和地球化学指标,确认了在大约3.8Ga开始有表壳物质再循环特征的出现;(4)最后依据当前的研究进展,提出了未来具体研究方向。     

板块俯冲起始与成熟阶段的差异变质响应

板块俯冲起始是俯冲带最不为人知的关键过程之一,对理解全球板块构造如何启动有重要意义。本文综合了最新的数值模拟、变质岩石学和年代学研究结果,探讨板块俯冲起始到成熟阶段的热结构和变质作用差异。从俯冲起始到成熟阶段,俯冲带热结构由"热"变"冷",初始俯冲更可能形成的是角闪岩或麻粒岩,形成于热俯冲环境,以逆时针p-t轨迹为主,通常伴随板块部分熔融过程;而成熟阶段形成的主要是低温蓝片岩和榴辉岩,形成于冷俯冲环境,具有典型的顺时针p-t轨迹,以板块变质脱水为主。对俯冲带高t/p变质岩(如变质底板)的进变质过程、时间以及构造背景等方面需进一步加强研究,以获取更详实的现代板块俯冲起始阶段的地质过程。     

早前寒武纪洋壳的地质记录及其板块构造意义

元古宙蛇绿岩的不断发现表明威尔逊旋回至少在早元古代已经明显起作用，部分太古宙绿岩带由不同的构造单元拼合而成，并发育不同于显生宙蛇绿岩的大洋壳岩石组合，地幔柱在早太古代构造演化过程中起重要作用，是板块构造的重要补充机制，地球早期热产量较高，可能是造成板块规模较小，洋壳较厚，板块运动速度较快的原因，并以缓倾角俯冲为特征。     

西准噶尔唐巴勒地区蛇绿岩套岩石化学和稀土元素特征及其地质意义

唐巴勒地区早古生代蛇绿岩带是新疆西准噶尔大洋板块向南(向陆)阶段性俯冲、消亡和塔里木大陆板块向北增生期间的最老遗迹。近几年来,引起了许多从事板块构造研究者的注目,从构造、岩石组合及层序,板块运动模式等方面提出了许多见解。本文试图就蛇绿岩套岩石化学和稀土元素特征方面提出讨论,并对其岩性特点、岩浆成因及演化、构造背景及构造发展史等提出一些看法。     

从变质作用观看板块构造何时在华北克拉通开始

了解板块构造在地球上何时和怎样开始的是地球科学领域还没有解决的重要问题之一。作为板块运动的最终结果,大陆碰撞造山带是识别地球历史演化中板块构造机制起主导作用的重要标志。大陆碰撞带变质作用一般以顺时针p-T轨迹演化为特征,尤其伴有峰期变质之后的等温减压过程。这样,具有峰后等温减压过程的顺时针p-T轨迹是识别地球早期的板块构造作用的重要标志之一。作为世界上最古老的克拉通陆块之一,华北克拉通基底岩石变质作用p-T演化在过去几年已得到广泛深入的研究,使得该克拉通可能成为应用大规模变质作用p-T轨迹途径来探讨构造环境和构造演化过程的最佳场所。构造上,华北克拉通可划分为三个小的陆块(东部陆块、阴山陆块和鄂尔多斯陆块)和三个古元古代活动带(华北中部碰撞带、孔兹岩带和胶—辽—吉带)。东部陆块和阴山陆块新太古代基底岩石变质作用具有等压冷却型逆时针p-T演化轨迹特征,反映变质作用热源与大量地幔岩浆底板垫托或侵位有关。尽管理论上这样大规模的地幔岩浆可形成在大陆岩浆弧、地幔柱或大陆裂谷环境,只有地幔柱模式才能合理地解释东部陆块和阴山陆块新太古代基底岩石时空分布、岩石组合和构造特征。这样,地幔柱可能是主导东部陆块和阴山陆块新太古代地壳形成和演化的主要构造机制,而板块构造在晚太古宙并不是其主要的构造机制。古元古代孔兹岩带和华北中部碰撞带基底岩石变质作用均具有等温减压型顺时针p-T演化特征,反映两造山带都经历地壳加厚和随后的隆升剥蚀构造过程。这样的构造过程是板块构造体制下的碰撞造山带的典型标志。古元古代胶—辽—吉带可进一步划分为南部带和北部带,其中南部带基底岩石具有逆时针p-T演化特征,而北部带基地岩石具有顺时针p-T演化特征,也反映板块构造机制下的产物。现代规模的板块构造在华北克拉通上的启动时间可以由三个活动带中最老的与板块俯冲有关的新生地壳形成时间来大致标定。目前,华北克拉通内部三个活动带中可识别出来的最老的与板块俯冲有关的新生地壳是华北中部碰撞带2·56Ga五台花岗岩,它们的形成可能大致标志着现代样式的板块构造在华北克拉通大规模作用的开始。     

前寒武纪地球动力学(Ⅴ):板块构造起源

文中系统综述了板块构造启动时间的不同观点及其依据,并探讨了板块构造启动的三个必备条件:刚性岩石圈、俯冲作用、地幔对流循环的起源,进而探讨了前寒武纪俯冲作用、板块构造体制与现代俯冲作用、板块体制的差异。板块构造体制启动的三个缺一不可的条件:刚性、俯冲和地幔对流,直到27~21亿年期间才在全球不同地点同时满足。但现代板块构造体制起始的时间为10(或19)~8(或6)亿年,其标志性物质记录或识别标志依然是蛇绿岩建造、高压-超高压变质、岛弧型岩浆建造等。最后,系统描述了板块构造可能的启动机制和过程,为认识前板块构造和板块构造差异提供一个约束,也为推动地球动力学统一理论的思考和探索提供一些最新认识。     

东秦岭-大别山及邻区挠曲类盆地演化与碰撞造山过程

东秦岭-大别造山带是3 个板块沿两条缝合带俯冲碰撞而形成的近东西向不对称的反向多层次构造叠置的复合型造山带。在泥盆纪至三叠纪板块构造阶段中不同陆块间由于俯冲碰撞作用形成了多种挠曲类盆地。盆地时空演化充分体现了商丹古洋盆俯冲消减过程、北秦岭弧后区弧陆碰撞过程以及勉略古洋(海)盆斜向的、由东向西的碰撞造山过程。     

中国高压低温变质带概述兼论蓝闪石冻蓝闪石有关问题

双变质带是地球岩石圈板块构造运动产生的重要地质图象,高压低温变质带是大陆上开展板块构造研究的重要目标。它是大洋板块在岛弧和大陆边缘之下俯冲形成的。蓝闪石及其共生矿物的存在是鉴别高压变质岩石产出的标志。板块构造理论问世以来,区域成因岩石学和板块构造矿物学有很大发展。这个理论引进我国十余年来,高压变质带(即高压低温变质带,下同)作为板块构造研究的一个重要方面也取得了成果。本文着重论述我国这方面研究情况,并对蓝闪石、冻蓝闪石的有关问题进行介绍和讨论。