Mg同位素示踪中国东部中生代深部碳循环

地球深部碳循环对全球气候变化、生命探索和岩石圈演化的研究具有重要意义。中国东部岩石圈是地球深部碳循环的重要场所,其减薄与破坏与深部碳循环密切相关。中生代太平洋板块俯冲是制约中国东部岩石圈减薄与破坏的关键,对华北克拉通和华南板块的大规模金属成矿作用具有重要作用。笔者等系统阐述了Mg示踪地球深部碳循环原理,例举了镁同位素示踪中国东部深部碳循环的实例,论述了中生代俯冲的古太平洋板块所释放的碳酸盐熔体/流体与地幔相互作用,是造成中国东部地幔具有普遍的轻Mg同位素组成的重要原因。此外,指出轻镁同位素的多解性,提出多同位素联合示踪是未来研究地球深部碳循环的趋势。     

深部碳循环的Mg同位素示踪

大洋板块俯冲导致的深部碳循环可影响地球历史的大气CO2的收支情况及气候变化。沉积碳酸盐岩是地球中轻镁同位素的主要储库,它通过板块俯冲再循环进入地幔有可能引起地幔局部的Mg同位素组成不均一性。因此,在这样一个基本假设基础上,即俯冲岩石的镁同位素在变质脱水和岩浆过程中不发生显著变化,镁同位素有可能成为深部碳循环的示踪剂。前人研究已经证明岩浆过程不会发生显著镁同位素分馏。然而,至今对俯冲、变质过程镁同位素的分馏程度以及低δ26Mg玄武岩成因还属未知。为此,本研究聚焦在高温高压条件下碳酸盐的稳定性和相转换、板块俯冲过程中的镁同位素行为、循环碳酸盐对地幔镁同位素组成可能产生的影响。     

中国东部无机CO_2气藏与(古)太平洋板块俯冲关联

中国东部受(古)太平洋板块俯冲的影响,无机CO_2气藏发育广泛,分布层位复杂。本文通过对中国东部松辽、渤海湾、苏北、三水、东海、珠江口、莺歌海等盆地无机CO_2气藏的成因及运聚规律分析,结合深部碳循环以及(古)太平洋板块俯冲过程,探讨了中生代以来(古)太平洋板块俯冲对中国东部无机CO_2气藏的影响。这些无机CO_2气藏在空间分布上与中生代以来(古)太平洋板块俯冲造成的中国东部高地热流区、深大断裂分布及火山岩带展布一致。(古)太平洋板块俯冲改变了中国东部的深部构造状态,导致大规模岩浆喷发、地热升高,并控制了深大断裂系统,有利于无机CO_2运移储集;俯冲作用引起的软流圈上涌、地幔脱气作用以及印度-欧亚板块碰撞的远程效应使中国东部形成大量高CO_2含量的源区,为幔源CO_2的形成提供了条件。     

深部碳循环的锌同位素示踪研究进展

深部碳循环和地球表层的碳循环一起构成了全球的碳循环.因为地球超过90%的碳都位于深部,深部碳循环研究对于理解地球长期的气候变化具有重要的科学意义.深部碳循环研究涉及多个科学问题,其中最重要的科学问题之一是如何准确识别地幔中的碳是再循环的地表碳.锌作为亲石元素,广泛存在于岩浆岩、地幔和碳酸盐岩中.地幔和地表沉积碳酸盐岩之间锌同位素组成存在显著的差异,而板块俯冲脱水、地幔部分熔融和岩浆结晶分异等过程导致的锌同位素分馏较为有限,因此锌同位素具有示踪深部碳循环的潜力.系统阐述了锌同位素示踪深部碳循环的原理,回顾了目前应用锌同位素示踪深部碳循环取得的阶段性成果,并指出锌、镁同位素联合示踪有望成为未来深部碳循环研究的主流.      

中国东部中生代岩浆作用与岩石圈减薄

对中国东部新生代玄武岩及其包体的Ｓｒ Ｎｄ 同位素资料的总结表明,中国东部现今岩石圈地幔具有强烈亏损性质,现今岩石圈地幔是新生的。岩石圈减薄主要发生在中生代晚期,并与中国东部大面积、强烈的中生代岩浆活动在时间上相对应,且具有自西向东岩石圈减薄逐渐增强的趋势。分析表明,中生代期间印度洋型软流圈地幔的侵入与中国东部的岩石圈减薄密切相关。     

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。     

中国东部岩石圈减薄研究中的几个问题

中国东部岩石圈减薄是近 10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、机制及其构造控制因素 ,多有争论。根据目前的研究资料 ,文中对上述问题进行了全面的讨论。初步认为该岩石圈减薄发生在晚中生代 ,且在 12 0～ 130Ma的早白垩世达到高潮。综合分析认为 ,岩石圈的减薄与东侧太平洋板块的俯冲有关 ,即大洋板块的俯冲作用导致岩石圈加厚 ,进而发生岩石圈拆沉。Os同位素资料显示 ,由地幔橄榄岩包体所反映的新生代岩石圈地幔具有年轻性质 ,与古生代时的岩石圈地幔截然不同。因此笔者认为 ,中国东部现今的岩石圈地幔并不是减薄后的残留 ,它表明中生代时 ,岩石圈地幔和部分下地壳一起通过拆沉作用而沉入软流圈地幔 ,由此而导致软流圈地幔与地壳的直接接触。幔源岩浆的底侵及软流圈对地壳的直接加热作用 ,使上覆地壳发生大规模的岩浆和成矿作用 ,并导致中国东部中生代时期伸展构造的广泛发育。     

中国东部中生代岩浆活动与太平洋板块向西俯冲有关吗?

通常认为,中国东部中生代岩浆活动与太平洋板块的向西俯冲有关,而本文的研究表明,中生代时中国东部不属于环太平洋构造带,不处于安第斯活动陆缘环境,没有岛弧玄武岩和岛弧花岗岩.许多资料表明,在中生代早期,太平洋板块基本上是向北俯冲的,至早白垩世中期(125 Ma左右)才转向西俯冲,而中国东部大规模岩浆活动主要发生于侏罗纪—早白垩世(约180～130 Ma),因此,中国东部中生代大规模岩浆活动与太平洋板块的向西俯冲无关.太平洋板块真正向西俯冲的时间非常短暂,只有125～110 Ma和43～0 Ma两个时段.在前一时段,中国东部岩浆活动仅限于中国东部沿海;在后一个时段,中国东部岩浆活动几乎绝迹.因此,中国东部中生代大规模岩浆活动与太平洋板块向西俯冲有关的命题是错误的.     

太平洋板块俯冲与中国东部中生代地质事件

中国东部至少自侏罗纪开始就一直处于俯冲大洋板块之上,但是有关俯冲板块对其影响程度一直有不同的认识。最近的研究表明,太平洋海山岛链的时空分布显示太平洋板块的漂移方向曾发生多次转折,这些转折与白垩纪中国东部的构造演化和岩浆事件有着密切的时空耦合关系。从时代和力学性质上看,太平洋板块俯冲方向的改变在很大程度上控制着中国东部中生代的盆地演化和郯庐断裂活动等重要地质事件。这些认识为理解中国东部构造演化提供了新的视角,包括岩石圈减薄的机制、郯庐断裂的演化,以及燕山期大规模岩浆活动等。本文重点分析了太平洋板块俯冲与中国东部中生代岩浆活动的对应关系。在125～140Ma太平洋板块向南西方向俯冲,造成中国东部岩石圈减薄,软流圈卸载上涌,发生减压部分熔融;约125Ma,太平洋板块漂移方向发生了大幅度转折,形成安第斯式的俯冲挤压,岩石圈停止减薄和减压部分熔融,出现岩浆宁静期。随着俯冲的深入,到110Ma前后俯冲板块后撤,形成弧后拉张,岩浆活动又重新开始。     

中国东部中—新生代基性岩的同位素特征:源区性质及深部过程

胶州大西庄玄武岩的形成时代处于中生代和新生代之间,这给追索深部过程以及岩石圈演化提供了有利条件.其Pb同位素组成较为均一,[n(206Pb)/n(204Pb)](t)=18.18-18.24,[n(206Pb)/n(204Pb)](t)=15.42-15.44,[n(206Pb)/n(204Pb)](t)=37.87-...     

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     

华北克拉通东部岩石圈破坏与幔柱的成因

华北克拉通东部是指大兴安岭—太行山重力梯度带以东的地区。该地区与东北及华南地区一样,也存在着岩石圈减薄和岩石圈破坏的现象。华北克拉通古生代与新生代的橄榄岩包体地热值分别为40mW/m~2和80mW/m~2,地热增高是岩石圈破坏的重要因素。中国东部—朝鲜半岛的GRACE卫星布格重力异常呈巨型环状展布,可能是地幔亚热柱所致。区内郯庐断裂带呈NNE向纵贯切割,最新的地震反射剖面成果反映,该断裂带以走滑为主,兼有逆冲和正断层,所组成的大型"花状"复杂断裂构造带,切穿地壳、莫霍面,直至岩石圈地幔,起到破坏岩石圈的作用。S波速成像结果证实,在苏鲁造山带下方,分布的碎块状波速扰动带延伸300km,应是中生代扬子板块走滑俯冲、断离、折返的产物;而在渤海湾盆地下方,下地幔也存在陡倾的破碎带,延伸300km,在岩石圈76km处及其深部,S波速降低,扰动很剧烈,可能是地幔柱头部呈粗大状的反映,故可认为渤海湾盆地是由蘑菇云状的地幔柱形成。再从华北克拉通的大陆根来看,东部为A型反时针pT轨迹麻粒岩分布,而中西部则为B型麻粒岩,这是因为东部新太古代绿岩带中赋存有科马提岩,其岩浆温度可高达1 600℃,如用幔柱构造模型解释成因最为合适。通过研究近年大量地震反射P波和S波层析资料,华北克拉通的东部在晚侏罗-早白垩世及新生代期间,受太平洋板块俯冲和地幔热柱上隆的相互作用,深部的地幔流体常沿构造破裂带运移,促使岩石圈拆沉,并发生热侵蚀作用,形成酸性大火成岩省(SLIP)、裂谷型盆地的广泛分布和成矿成藏作用的"大爆发"。由此认为,建立区域构造模型将有利于指导深部找矿工作。     

中国东部中、新生代岩石圈转型与减薄研究若干问题

文中对中国大陆岩石圈的持续热点研究领域?东部中、新生代岩石圈巨厚减薄所涉及的问题进行了简要评述,特别是对减薄问题的提出和认识的历史过程作了较详细的回顾。笔者特别强调了中生代华北岩石圈地幔高度化学不均一性所反映的减薄作用时空分布特征,以及中生代岩石圈地幔的两次转型所导致的高度化学不均一性,进而建议以岩石圈全面转型来描述这一大尺度地球动力学过程。在此基础上讨论了减薄过程的可能机制,认为虽然在局部地区有可能存在拆沉作用,但从全局来看目前更多的岩石地球化学证据与热减薄-化学减薄的假说相兼容。而反映地球深部圈层相互作用的中生代全球事件则被解释为中国东部岩石圈地幔全面转型的动力学背景。显然,对此问题的深化仍将构成本世纪我国固体地球科学一个重要研究领域。     

华北地块东部晚中生代至新生代岩石圈不均一减薄与改造模式

本文综合运用不同时代幔源包体平衡温压对比、玄武岩地球化学性质对岩石圈厚度的反演以及不同时代岩石圈地幔地球化学性质的对比的方法，把华北地块东部岩石圈的减薄时间限定在晚中生代至新生代之间。减薄的机制可能是华北东部地区晚白垩世以来大陆岩石圈的拉张作用。由于机械性拉薄和热、机械和化学侵蚀作用，岩石圈厚度最终减薄到70km以下。但古老的岩石圈地幔并没有完全因减薄而消失，残留部分受到了来自软流圈物质的强烈改造，使其Sr、Nd同位素组成类似于软流圈，但Os同位素没有受到明显的改变。改造后的岩石圈地幔成为华北地块东部新生代岩石圈地幔的主体。在时空上，岩石圈的减薄具有不均一的性质。     

中国东部中生代岩石圈演化与太平洋板块俯冲消减关系的讨论

国内外不少学者认为中国东部中生代岩石圈演化与太平洋板块向欧亚大陆俯冲、消减有关,近年来作者从岩石圈-软流层深部地质过程审视中国东部岩石圈演化问题发现,中国东部中生代早期(三叠纪至侏罗纪)岩石圈演化与太平洋板块向欧亚大陆俯冲消减没有直接的关系,它们可能是一种源自中国东部周边东亚洋盆系的一些洋盆向中国东部大陆俯冲消减碰撞造山以及由它们引发的中国东部大陆内的软流层上涌的深部地质作用联合作用的结果。软流层上涌作用自始至终控制着中国东部大陆岩石圈与软流层之间以及壳幔之间的层圈拆离,底侵作用以及岩石圈变形缩短、伸展和岩浆活动。     

中国东北东部中生代火山活动与泛太平洋板块

长白山脉中生代火山岩带与东侧之洋陆边界平行展布。火山岩浆作用可划分为三大构造阶段(2 30~ 190Ma ,178~ 12 5Ma ,118~ 6 5Ma) ,四大旋回 ,11个旋回和 2 4个火山事件。由安粗岩系和钙碱性岩系组成的一个新的火山岩浆作用构造类型 ,称之为走滑大陆边缘—拉分张裂性火山岩系。洋陆板块互动方式的更迭及速率的变化是火山岩浆作用地球动力学深部发展过程的主控因素。