大陆俯冲带壳幔相互作用

由板块俯冲引发的深部物质循环过程是地球内部的一级运行机制,主宰了地球从内到外的演化进程,是地球科学研究的重要前沿.俯冲带化学地球动力学研究不仅需要确定俯冲带地壳物质再循环的机制和形式,而且需要确定俯冲带动力来源和热体制及其随时间的变化.为了识别不同类型壳源熔/流体对地幔楔的交代作用、寻求板片-地幔界面反应的岩石学和地球化学证据、理解汇聚板块边缘地壳俯冲和拆沉对地幔不均一性的贡献,我们必须将俯冲带变质作用、交代作用和岩浆作用作为一个地球科学系统来考虑.板块俯冲带变质过程中发生一系列物理化学变化,这些变化不但是导致板块进一步俯冲的主要驱动力,同时也控制着释放的熔/流体组成和俯冲到地球深部的物质组成,对俯冲带化学地球动力学过程产生重要影响.地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面起着重要作用.造山带地幔楔橄榄岩直接记录了俯冲带多种性质的熔/流体交代作用,以及复杂的壳幔物质循环过程.俯冲带岩浆岩是大洋/大陆板块俯冲物质再循环的表现形式,这些岩石样品记录了俯冲带从深部地幔到浅部地壳的过程,也为认识地球深部物质循环提供了理想的天然样品.尽管国际上在俯冲带岩石学和地球化学领域针对地球深部过程的研究方面取得了多项重要进展,但由于研究工作缺乏密切的协同配合,包括俯冲带熔/流体的物理化学性质、俯冲带壳幔相互作用的机制和过程、俯冲带幔源岩浆活动的物质来源和启动机制以及深部地幔过程对地表环境的影响等许多关键科学问题尚未得到根本解决.将来的研究需要聚焦俯冲带物质循环这一核心科学问题,进一步查明俯冲带变质作用、交代作用、岩浆作用等过程的各自特征和相互联系,包括挥发性组分在地球深部的迁移过程及其资源和环境效应,着力考察研究相对薄弱的古俯冲带,阐明板块俯冲与地球深部物质循环之间的耦合机制.      

大陆俯冲带超高压变质岩部分熔融与壳幔相互作用研究进展

自20世纪80年代在大陆地壳岩石中发现柯石英和金刚石等超高压变质矿物以来,大陆深俯冲和超高压变质作用就成为了固体地球科学研究的前沿和热点领域之一.经过三十余年的研究,已经在大陆地壳的俯冲深度、深俯冲岩石变质P-T-t轨迹、俯冲地壳岩石的折返机制、深俯冲岩石的原岩性质、大陆碰撞过程中的熔/流体活动与元素活动性、俯冲隧道内...     

同位素地球化学填图与化学地球动力学在东秦岭造山带研究中的应用

总结了应用同位素地球化学填图和化学地球动力学研究东秦岭造山带的初步经验，并以较成功的实例来说明，内容包括：（１）华北和扬子克拉通幔源和壳源岩石化学和Ｎｄ、Ｐｂ同位素组成及壳幔演化差异的确定；（２）南秦岭前寒武纪基底应归属于扬子陆块构造－地球化学省的地球化学论证；（３）关于东秦岭蛇绿岩铅同位素的Ｄｕｐａｌ型特征及其同三江地区（属古特提斯范围）蛇绿岩的相似性的揭示；（４）北秦岭元古宙基底可能为古洋岛型微陆块的地球化学证据；（５）东秦岭新元古代和早古生代洋壳俯冲消减及聚汇带壳－幔再循环的地球化学证据；（６）关于陆－陆碰撞过程中杨子陆块边缘（南秦岭）俯冲于华北陆块边缘（北秦岭）之下，从碰撞型花岗质岩浆源区地球化学研究获得的直接证据。这些初步成果说明同位素填图与化学地球动力学在造山带研究中是具有重要前景的技术途径。     

大陆板块俯冲和折返的同位素地球动力学

大别 -苏鲁造山带是扬子大陆板块与华北大陆板块之间在三叠纪时期俯冲 -碰撞所形成的超高压变质带。对该带超高压变质岩的稳定同位素研究发现 ,不仅含柯石英榴辉岩出现局部氧同位素负异常 (δ18O =- 10‰ ) ,而且区域上存在氧同位素分布的不均一性 (δ18O =- 10‰～+10‰ )。前者要求榴辉岩原岩在变质前经历过大气降水热液蚀变 ,说明俯冲板块具有大陆地壳特点 ;后者反映扬子板块具有快速俯冲变质的特征 ,否则将达到同位素均一化。榴辉岩氧同位素负异常的保存显示 ,这些超高压变质岩与地幔之间没有发生显著的化学相互作用。因此 ,载有榴辉岩原岩的板块俯冲到 2 0 0多公里深的地幔内部时 ,超高压岩石形成后在地幔中的滞留时间很短(<10Ma) ,致使它们与地幔之间的氧同位素交换没有达到再平衡。榴辉岩中不同矿物对氧同位素测温不仅给出了相互一致的结果 (6 5 0～ 75 0℃ ) ,而且这些温度与阳离子交换温度计的结果 (6 0 0～80 0℃ )相一致。因此 ,在榴辉岩相变质温度下共生矿物之间的氧同位素平衡已被“冻结” ,岩石冷却过程中的氧同位素交换再平衡没有发生 ,从而证明超高压榴辉岩在变质作用后经历了快速降压/冷却过程 ,对应于板块的快速抬升。这些结果首次从地球化学角度证明了大陆板块俯冲—超高压变质—折     

造山带橄榄岩记录的大陆俯冲带多期壳幔相互作用

俯冲带是地壳与地幔之间物质交换的主要场所.前人对大洋俯冲带壳幔相互作用进行了大量研究,但是对俯冲带壳幔相互作用的物理化学过程和机理仍缺乏明确认识.在大陆俯冲带出露有造山带橄榄岩,它们来自俯冲板片之上的地幔楔,是解决这个问题的理想样品.通过对大别-苏鲁和柴北缘造山带橄榄岩进行系统的岩石学和地球化学研究,发现地幔楔橄榄岩由于俯冲地壳的交代作用而含有新生锆石和残留锆石,它们能为地壳交代作用时间、交代介质来源、性质和组成提供制约.地幔楔橄榄岩在大陆碰撞过程的不同阶段受到了俯冲大陆地壳衍生的多期不同性质流体的交代作用.地幔楔橄榄岩还受到了陆壳俯冲之前古俯冲洋壳衍生流体的交代作用.深俯冲陆壳衍生熔体与橄榄岩反应形成的石榴辉石岩具有高的水含量,能提供高水含量的地幔源区.      

大陆碰撞造山带镁铁质岩浆岩记录俯冲古洋壳物质再循环

在大陆碰撞造山带中寻找消失的古洋壳再循环及其壳幔相互作用的证据,对理解从洋壳俯冲到陆壳俯冲化学地球动力学过程的转变,以及板块构造理论的发展具有重要意义.通过对桐柏-红安造山带晚古生代和晚中生代镁铁质岩浆岩的岩石地球化学特征进行总结,可以识别出俯冲古洋壳再循环的岩石学和地球化学记录.晚古生代岛弧型镁铁质岩石具有弧型微量元素特征和相对亏损的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧下深度（80~160 km）的流体交代作用;而晚中生代洋岛型镁铁质岩石OIB型微量元素特征和亏损-弱富集的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧后深度（>200 km）的熔体交代作用.这一定性的解释也进一步得到了定量计算的证实,其结果表明镁铁质岩浆岩中的不相容元素的含量以及放射性成因同位素的富集程度,主要受控于地幔源区中所加入的地壳组分的性质和比例.因此,碰撞造山带中的岛弧型和洋岛型镁铁质岩浆岩,分别记录了弧下和弧后深度的俯冲古洋壳物质再循环.      

造山带地球化学研究的理论构想与实践

简要地评述了现今造山带地球化学研究的状况,为适应造山带研究与大陆动力学接轨的需要,讨论了提出了对大陆造山带开展系统性地球化学研究的理论构想及在造山带多学科研究中发挥地球化学专长和优势的技术路线。并以近５年秦岭造山带研究的主要成果为例,说明实践的效果。     

化学地球动力学

化学地球动力学是地球化学的分支学科,它在研究地球内部化学组成和演化时,把地球视为一个完整的动力学系统而不是彼此孤立的地质集合体。它通过研究地球各层圈内部的化学结构和过程以及不同层圈之间的化学相互作用,从而从本质上研究和认识发生在地球内部的各种地质作用。简述了化学地球动力学研究在固体地球科学中的重要性,概括了化学地球动力学的特点和突出成果,分析了化学地球动力学研究的科学意义,并对在中国开展壳幔相互作用的化学地球动力学研究提出了建议。     

柴北缘超高压变质带：从大洋到大陆的深俯冲过程

    柴北缘超高压变质带同我国大别- 苏鲁造山带类似,同属典型的大陆型俯冲碰撞带。柯石英在榴辉岩和片麻岩中均 有发现,且石榴橄榄岩锆石中含有金刚石。本文从岩石学、温压计算、地球化学和年代学四个方面,对此带中的鱼卡、绿 梁山、锡铁山和都兰4 个榴辉岩和石榴橄榄岩出露地区近些年的研究进展进行了系统详细的综述。与典型的大陆型俯冲碰 撞带不同,柴北缘超高压变质带保存了早期陆壳俯冲前发生的洋壳深俯冲的证据。因此,结合现有数据,本文对柴北缘超 高压变质带从大洋俯冲到大陆俯冲碰撞的构造演化模式进行了探讨。     

大陆俯冲带的深部流体及变质化学地球动力学——以苏鲁超高压变质带为例

通过苏鲁超高压变质带的岩石学、矿物化学、地球化学和年代学研究,在大陆俯冲带深部流体与变质化学地球动力学方面取得了重要的创新性成果。研究证明大陆俯冲带的深部流体是高氧逸度、富硅酸盐的超临界流体,揭示出超高压变质极端条件下的流体－矿物(岩石)相互作用可以导致不活动元素发生溶解和迁移,可以导致金红石的Nb/Ta之间发生强烈的分异,提出俯冲到地幔深处的超高压榴辉岩是地球内部“隐藏”的超球粒陨石Nb/Ta比值的物质源区,与低球粒陨石Nb/Ta比值的物质源区大陆地壳和亏损地幔在化学成分上形成互补。     

大陆深俯冲实验模拟研究进展

介绍了大陆深俯冲及超高压变质岩在物理实验模拟和数值实验模拟方面的进展及由实验得出的主要结论和板片断离模式的应用；综合各研究成果，总结出大陆深俯冲的3个基本要素是周边板块的推力、洋壳及地幔岩石圈的拉力和大陆岩石圈内发育的主断层，3个可能的板片断离过程，以及俯冲过程中大陆岩石圈可能的形态变化；对实验模拟在该领域的应用研究进行了简要评述及前景展望。     

从同位素到板块构造:化学地球动力学

化学地球动力学是地球化学的分支学科,它在研究地球内部化学组成和演化时,把地球视为一个完整的动力学系统而不是彼此孤立的地质集合体。通过研究地球各层圈内部的化学结构和过程以及不同层圈之间的化学相互作用,从本质上研究和认识发生在地球内部的各种地质作用。文中概括了化学地球动力学的特点和突出成果,分析了化学地球动力学研究的科学意义,并对在中国开展壳幔相互作用的化学地球动力学研究提出了建议。     

碰撞造山带与成矿区划

碰撞造山事件与成矿作用具有强烈的对应耦合关系,而且成矿规模与碰撞的强度呈正相关关系。碰撞造山带的壳幔物质相互作用与成矿作用的强度也呈正相关关系,特别是多期次碰撞造山带,均发生过强烈的壳幔物质相互作用,孕育着丰富的矿产资源。详细地研究了碰撞造山的构造演化过程,划分了相应的成矿构造单元和成矿区带。从碰撞造山的角度提出西天山、西昆仑山、阿尔金-北祁连山、东昆仑山、秦岭-大别山、西南三江、康滇陆缘等造山带为重要的成矿区带。     

辽东-胶东半岛三叠纪镁铁质岩浆岩:记录从洋壳俯冲到大陆碰撞的构造转换

大陆碰撞造山带中出露的镁铁质岩浆岩,特别是形成于洋陆转换和大陆碰撞关键时期的镁铁质岩浆岩,对理解从大洋俯冲到大陆碰撞化学地球动力学过程的转变,以及发展板块构造理论具有重要意义.本文通过对苏鲁造山带和华北东南缘(胶东和辽东地区)三叠纪镁铁质岩浆岩同位素年代学和地球化学的系统总结,概括出从大洋俯冲到大陆碰撞过程中古洋壳和大陆地壳物质再循环的岩石地球化学记录.早-中三叠世洋岛型镁铁质岩浆岩属于同碰撞岩浆岩,具有洋岛型微量元素特征和弱富集的放射成因同位素组成,记录了先前俯冲古特提斯洋壳来源的熔体与上覆地幔楔橄榄岩的相互作用;晚三叠世岛弧型镁铁质岩浆岩属于同折返岩浆岩,具有弧型微量元素特征和相对富集的放射成因同位素组成,记录了随后俯冲的华南陆壳来源的熔体与上覆华北岩石圈地幔之间的相互作用.因此,辽东-胶东半岛三叠纪镁铁质岩浆岩记录了大陆俯冲带不同类型的壳幔相互作用及其形成的化学动力学过程.     

造山带橄榄岩起源和大陆俯冲带壳幔相互作用

俯冲地壳衍生流体交代地幔楔,是产生俯冲带岩浆作用的重要机制.但是,目前人们对俯冲大陆物质改造地幔楔的岩石学过程和机理仍缺乏深入认识,造山带橄榄岩是解析这一问题的直接样品.通过对大别-苏鲁造山带橄榄岩进行系统的矿物学、岩石学和地球化学研究,发现橄榄石Ni/Co比值可有效区分幔源和壳源造山带橄榄岩,揭示幔源造山带橄榄岩起源于华北岩石圈地幔.苏鲁李家屯纯橄岩在进入俯冲带之前就已在地幔内部经历了碳酸盐熔体交代.大别毛屋和苏鲁蒋庄橄榄岩及其交代脉体记录了约170~200 km深度的俯冲带壳幔相互作用过程.深俯冲陆壳释放的富Si-Al质熔体可不同程度地改造地幔楔底部,形成富石榴石和富辉石的交代岩,并引发强烈的Os同位素分馏效应.该过程不仅改变地幔楔岩性和化学组成,还能够改变交代介质成分,为俯冲带各类深部地幔岩浆提供源区物质.因此,大陆深俯冲是导致上地幔不均一的重要途径.      

大陆俯冲带热结构的数值模拟

俯冲带热结构是控制俯冲板块演化的最主要因素之一.前人通过建立解析模型和数值模型对大洋俯冲带热结构进行了一系列研究,发现俯冲板块年龄和俯冲速度是影响俯冲带热结构的关键因素.为了认识大陆俯冲带热结构,特别是理解数值模型结果与岩石学结果之间的差异,我们建立了二维大陆俯冲带运动学和动力学数值模型研究其热结构演化.模型结果显示,如果大陆俯冲板块的俯冲速度与角度和大洋板块一致的话,较低的大陆俯冲带初始温度导致其板块温度比大洋俯冲带低.但是,当大陆俯冲板块的初始温度较高,俯冲速度超慢并且考虑大陆地壳中的放射性元素生热时,模型得到的大陆俯冲带热结构能够解释通过高压和超高压变质岩得到的较热的俯冲板块温度.另一方面,如果俯冲板块与上覆板块存在动力学解耦作用,也能够得到较热的俯冲温压数据.      

大别-苏鲁造山带橄榄岩记录的碰撞造山过程中地幔楔的地壳交代作用

地壳交代作用是洋壳俯冲带板片-地幔界面的普遍现象,由于地幔楔样品的缺乏,其识别存在困难。而碰撞造山带广泛出露的地幔楔来源的造山带橄榄岩则是理想的研究对象。本文对大别-苏鲁造山带橄榄岩的已有研究成果进行了系统总结。这些成果表明这些橄榄岩在大洋俯冲向大陆碰撞转换的不同阶段经历了多期地壳来源流体的交代作用。地壳交代作用不仅改变了地幔楔橄榄岩的地球化学成分,而且导致了交代矿物的生长以及超镁铁质交代体的形成。这些交代体或作为同碰撞和碰撞后镁铁质火成岩的地幔源区,或将地壳组分传输到深部地幔,或释放流体交代大陆俯冲隧道中的俯冲陆壳。本文对地壳交代作用研究中存在的重要问题和解决思路提出了建议。     

大陆俯冲过程中的流体

含水矿物矿物稳定性的实验研究和超高压岩石的同位素地球化学研究表明 ,大陆地壳在俯冲过程中 ,随着变质程度的升高和部分含水矿物的相继分解 ,会有流体释放出来。当俯冲深度接近5 0km ,俯冲陆壳岩石中大量低级变质含水矿物 (如绿泥石、绿帘石、阳起石 )会脱水并从俯冲陆壳逸出形成流体流。这一流体流可溶解带走俯冲陆壳内已从云母类矿物逸出的放射成因Ar及部分U、Pb ,并导致w(U) /w(Pb)升高。这一阶段逸出的流体有可能交代、水化仰冲壳楔 ,为其发生部分熔融形成同碰撞花岗岩或加速山根下地壳的榴辉岩化创造条件。在俯冲深度为 5 0～ 10 0km ,变镁铁质岩石中的角闪石相继分解并释放出H2 O。由于变镁铁质岩石在陆壳中所占比例较少 ,因此 ,这一阶段释放的水不能形成大规模的流体流 ,因而不能使体系内的过剩Ar大量散失 ,但足以形成局部循环 ,加速变镁铁质岩石及其互层或邻近围岩的榴辉岩化变质反应。在俯冲深度 >10 0km的超高压变质阶段 ,仅有少量的含水矿物分解 ,而多硅白云母仍保持稳定。这时俯冲陆壳内只可能有少量粒间水存在 ,从而导致俯冲陆壳与周围软流圈地幔不能发生充分的相互作用。     

利用石榴橄榄岩重建大陆俯冲带的古动力学环境及其演化过程

本文提出一种对于造山带石榴橄榄岩的简单概念分类模型。该模型将造山带石榴橄榄岩划分为地幔楔型和俯冲带型两种类型,根据所记录温压条件及P-T轨迹的差异,地幔楔型石榴橄榄岩进而被划分为A-D四个亚类,分别对应不同厚度的克拉通型岩石圈地幔及普通大陆岩石圈地幔环境中冷的/古老的/稳定的地幔环境及与之对应的相对热的/年轻的/活动地幔环境。我们选择研究程度较高的斯堪的纳维亚加里东期造山带及我国柴北缘造山带中出露的石榴橄榄岩来检验该模型的适用性。出露于挪威西片麻岩地区的Mg-Cr型及Fe-Ti型石榴橄榄岩分别属于地幔楔型的A亚类(来自于古老的/冷的/厚的/亏损的克拉通岩石圈地幔)及壳源俯冲带石榴橄榄岩,而来自Seve,Troms和Linds地体的石榴橄榄岩则属于地幔楔型的C亚类(来自于古老的/冷的/薄的/亏损的大陆岩石圈地幔)后经历俯冲过程变为俯冲带石榴橄榄岩。对我国柴北缘超高压带绿梁山石榴橄榄岩的检验结果相对复杂。前人的研究表明绿梁山石榴橄榄岩存在三种不同的成因方式,对应分类模型中的:1)D亚类橄榄岩(阿拉斯加型岩浆岩堆晶体);2)壳源俯冲带型石榴橄榄岩;3)A亚类来自克拉通岩石圈地幔的太古代石榴橄榄岩。检验结果表明,该分类模型能较好的解释斯堪的纳维亚加里东期造山带中的石榴橄榄岩的出露规律,岩石学及矿物学特征及不同期次矿物之间的年代学关系,但对于我国绿梁山石榴橄榄岩的成因分类仍需进一步研究。假设该分类模型能适用于大多研究程度较高的造山带石榴橄榄岩,起到决定性作用的两个分类参数为地幔楔形成初期的平均温度(T)及造山带岩石圈地幔的厚度(P)。熔融作用发生的时间及深度同样是区分不同类型石榴橄榄岩的重要因素。     

超高压变质作用与成矿

超高压变质作用是指在地温梯度小于１０℃／ｋｍ条件下发生的高于“石英－柯石英”相变线压力的变质作用，一般发生在陆－陆碰撞造山带深部。由于其生成条件特殊，超高压变质岩中存在着金刚石、硬玉、蓝晶石及金红石等潜在的矿产资源。