下地壳拆沉作用及大陆地壳演化

讨论了下地壳拆沉作用的地球化学示踪方法,并以近来对秦岭－大别造山带和美国西部内华达岩基地区的研究成果为例,说明了下地壳拆沉在两地区壳－幔演化方面可能起的重要作用。     

大洋岩石圈拆沉与大陆下地壳拆沉：不同的机制及意义——兼评“下地壳＋岩石圈地幔拆沉模式”

拆沉作用（delamination）是地球科学中一个重要的科学问题。本文认为,大洋岩石圈拆沉和大陆下地壳拆沉是不一样的：（1）拆沉的物质不同。大洋岩石圈拆沉的物质包括大洋地壳、岩石圈地幔甚至一部分软流圈地幔,它们共同进入地幔深部;而大陆下地壳拆沉仅仅限制在下地壳,不包括岩石圈地幔。（2）拆沉的动力不同。大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲引起的,是地幔对流的产物,因此是一种快速的主动的拆沉;而下地壳拆沉是由于下地壳加厚使下地壳密度增加引起的,还要求其下刚性的岩石圈地幔转变成塑性的软流圈地幔才有可能发生。因此下地壳拆沉要克服许多阻力才能实现,使拆沉成为一个漫长的过程,是慢速的和被动的拆沉。（3）拆沉的过程不同,大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲触发的,俯冲导致碰撞,大洋岩石圈从根部断裂,拆沉进入地幔。大陆下地壳拆沉由地壳加厚开始,使下地壳转变为榴辉岩相;随后,岩石圈地幔减薄,直至全部转化为软流圈地幔;下地壳发生部分熔融,形成大规模的（埃达克质）岩浆,使下地壳榴辉岩的密度大于下伏的地幔,从而引发拆沉。大陆下地壳拆沉不大可能是整体进行的,可能是一块一块地被蚕食,被拆沉的。（4）拆沉后的效液压不同,大洋岩石圈地幔拆沉,使热的软流罪状地幔上涌,从而引发了一系列地质效应;如岩浆活动,地壳抬升,构造松弛以及随后的造山带垮塌等。而下地壳拆沉只引起地壳减薄,高原和山脉垮塌,并不伴有大规模的岩浆活动和地壳抬升等过程。（5）拆沉与岩浆活动的关系不同,主动拆沉导致大规模岩浆活动,而被拆沉是在大规模岩浆活动的基础上开始的。此外,文中还对“下地壳＋岩石圈地幔拆沉”模式提出了质疑,认为该模式有许多难以理解的问题和太多推测的成分,而且与现在保存的地质事实不符。     

大陆地壳演化的拆沉作用模式综述

近20年来,中外学者研究认为,拆沉作用导致大陆岩石圈物质快速下沉入软流圈中,伴随大规模的岩浆作用,山脉隆升、伸展和跨塌作用,最后形成拗陷盆地。原始地壳形成时是玄武质的,然而现今的大陆壳整体成分呈现中性,拆沉作用模式很好地解释了地学中的这一困惑,补充和完善了经典板块理论。通过地球物理测探、地球化学示踪和地质学、岩石学方面提供的证据和一些其它的辅助佐证基本可以判定拆沉作用的存在。     

拆沉作用(delamination)及其壳—幔演化动力学意义

拆沉作用导致下地壳和岩石圈地幔下沉，相应软流圈上涌至壳—幔边界，使下地壳、岩石圈地幔和软流圈三者发生物质交换，引起岩浆作用、山脉隆升、伸展、垮塌，形成坳陷盆地，并最终使大陆地壳向长英质方向演化，产生与其它行星不同的、独一无二的中性安山质或英云闪长质成分。拆沉作用是对经典板块构造理论的重要补充与完善     

地壳与弱化岩石圈地幔的相互作用:以燕山造山带为例

燕山造山带中生代发育4期钙碱性火山活动,它们的源区组成都是受壳幔相互作用的制约,其中髫髻山组和义县组分布广泛,具有代表性．髫髻山组岩性比较单一,地球化学参数变化范围小,岩浆的AFC作用不强烈,源区成分不复杂．依据Kay et al．(1991)的方法,估算了早-中侏罗世燕山地区的地壳厚度为40-45 km.髫髻山组粗安岩是在加厚的地壳 (40-45 km)条件下,源区是含角闪石的石榴石麻粒岩 底侵的基性岩的壳幔过渡带熔融形成．义县组火山岩的源区为下地壳 岩石圈地幔,地幔组分较髫髻山组增加．研究区中生代早期地壳开始加厚,发生下地壳拆沉,进入流变学性质改变了的“弱化的岩石圈地幔”,二者发生作用．岩石圈地幔在中生代晚期受到流体、熔体、地幔矿物中活化的分子水、剪切构造作用,以及温、压条件改变的影响,导致岩石圈地幔发生不均一的局部弱化,为容纳拆沉的下地壳提供了优化场所．推测弱化岩石圈地幔出现于135 Ma以后燕山地区发育的小型拉伸盆地之下,以及对应的小型软流圈底辟体之上．上述模型可以与俯冲带的楔形地幔与俯冲洋壳的相互作用相对比．     

大陆下地壳流变性质与华北克拉通破坏机制

综述了中国东部地壳结构与组成的基本特征,介绍了华北克拉通岩石圈减薄作用这一近年来备受国内外地球动力学界关注的重大科学问题,归纳和总结了目前关于华北克拉通减薄机制的各种模型,并结合大陆岩石圈流变学结构模型,强调从流变学角度探讨华北克拉通下地壳的流变性质对研究和解决华北克拉通破坏机制的意义,提出进行更精细的、结合定量结构水研究的高温高压流变学实验模拟研究可能是解决华北克拉通破坏机制问题的关键手段之一。     

北秦岭造山带中的拆沉作用

秦岭造山是一个非常有特色的碰撞造山带,来自地球物理、地球化学以及地质学的证据说明秦岭造山带中发生过拆沉作用,笔者主要讨论了北秦岭造山发生拆沉作用地地球物理、地球化学以及地质学证据,重点运用北秦岭地壳的地球化学特征进行对经,并用拆沉作用解释商丹地区的一些特殊地质现象。     

埃达克岩和大陆下地壳重熔的花岗岩类

文中简要讨论了埃达克岩的定义和具有类似埃达克岩地球化学特征的太古宙TTG的构造意义,探讨了中国东部中生代埃达克岩与东部高原以及其与成矿作用的关系问题。     

南秦岭下地壳组成及岩石圈的拆离俯冲作用

根据新提供的Pb同位素组成及岩石地球化学研究成果，本文进一步证实了位于北秦岭北界的明港地区发育的早中生代安山玄武质火山角砾岩岩筒所携带的下地壳捕虏体属于南秦岭。所恢复的南秦岭下地壳剖面自下而上为：底侵成因的变辉长岩-基性麻粒岩(其中含有榴辉岩及辉石岩的透镜体)-酸性麻粒岩。秦岭造山带总体的岩石因模型为：南秦岭(扬子块体)向北拆离俯冲，北秦岭地壳向华北仰冲，华北岩石因呈楔状插入秦岭造山带，拆离面约在中、下地壳之间。南秦岭俯冲岩片延伸的范围在平面上有可能达到400km。     

The age of continental roots

Determination of the age of the mantle part of continental roots is essential to our understanding of the evolution and stability of continents. Dating the rocks that comprise the mantle root beneath the continents has proven difficult because of their high equilibration temperatures and open-system geochemical behaviour. Much progress has been made in the last 20 years that allows us to see how continental roots have evolved in different areas. The first indication of the antiquity of continental roots beneath cratons came from the enriched Nd and Sr isotopic signatures shown by both peridotite xenoliths and inclusions in diamonds, requiring isolation of cratonic roots from the convecting mantle for billions of years. The enriched Nd and Sr isotopic signatures result from mantle metasomatic events post-dating the depletion events that led to the formation and isolation of the peridotite from convecting mantle. These signatures document a history of melt– and fluid–rock interaction within the lithospheric mantle. In some suites of cratonic rocks, such as eclogites, Nd and Pb isotopes have been able to trace probable formation ages. The Re–Os isotope system is well suited to dating lithospheric peridotites because of the compatible nature of Os and its relative immunity to post-crystallisation disturbance compared with highly incompatible element isotope systems. Os isotopic compositions of lithospheric peridotites are overwhelmingly unradiogenic and indicate long-term evolution in low Re/Os environments, probably as melt residues. Peridotite xenoliths from kimberlites can show some disturbed Re/Os systematics but analyses of representative suites show that beneath cratons the oldest Re depletion model ages are Archean and broadly similar to major crust-forming events. Some locations, such as Premier in southern Africa, and Lashaine in Tanzania, indicate more recent addition of lithospheric material to the craton, in the Proterozoic, or later. Of the cratons studies so far (Kaapvaal, Siberia, Wyoming and Tanzania), all indicate Archean formation of their lithospheric mantle roots. Few localities studied show any clear variation of age with depth of derivation, indicating that >150 km of lithosphere may have formed relatively rapidly. In circum-cratonic areas where the crustal basement is Proterozoic in age kimberlite-derived xenoliths give Proterozoic model ages, matching the age of the overlying crust. This behaviour shows how the crust and mantle parts of continental lithospheric roots have remained coupled since formation in these areas, for billions of years, despite continental drift. Orogenic massifs show more systematic behaviour of Re–Os isotopes, where correlations between Os isotopic composition and S or Re content yield initial Os isotopic ratios that define Re depletion model ages for the massifs. Ongoing Sr–Nd–Pb–Hf–Os isotopic studies of massif peridotites and new kimberlite- and basalt-borne xenolith suites from new areas, will soon enable a global understanding of the age of continental roots and their subsequent evolution.     

大陆下地壳和岩石圈地幔含水性的差异——山东莒南玄武岩中深源包体的初步观察

对产于莒南晚中生代玄武岩中的镁铁质麻粒岩和橄榄岩包体矿物进行了傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析.结果显示,麻粒岩矿物和全岩中水含量分别为:单斜辉石300×10-6～1 180×10-6,斜方辉石80×10-6～169×10-6,斜长石717×10-6～1 239×10-6,全岩525×10-6～855×10-6;橄榄岩矿物和全岩中水含量分别为:单斜辉石466×10- 6～746×10-6,斜方辉石187×10-6～304×10-6,橄榄石6×10-6～15×10-6,全岩81×10-6～245×10-6.从单矿物看,麻粒岩和橄榄岩之间水含量的差距不是很明显,但麻粒岩的全岩水含量明显高于橄榄岩,表明大陆深部岩石圈的水含量在垂向上具有不均一性.     

Effects of buoyancy and mechanical layering on collisional deformation of continental lithosphere: Results from physical modeling

We use two suites of lithospheric-scale physical experiments to investigate the manner in which deformation of the continental lithosphere is affected by both (1) variations of lithospheric density (quantified by the net buoyant mass per area in the lithospheric mantle layer, M_B), and (2) the degree of coupling between the crust and lithospheric mantle (characterized by a modified Ampferer ratio, Am). The dynamics of the experiments can be characterized with a Rayleigh–Taylor type ratio, _CLM. Models with a positively buoyant lithospheric mantle layer (M_B > 0 and _CLM > 0) result in distributed root formation and a wide deformation belt. In contrast, models with a negatively buoyant lithospheric mantle layer strongly coupled to the crust (M_B < 0, 0 > _CLM > ≈ − 0.2, and Am > ≈ 10^{− 3}) exhibit localized roots and narrow deformation belts. Syncollisional delamination of the model lithospheric mantle layer and a wide deformation belt is exhibited in models with negatively buoyant lithospheric mantle layers weakly coupled to the crust (M_B < 0, _CLM < 0, and Am < ≈ 10^{− 3}). Syncollisional delamination of the continental lithosphere may initiate due to buoyancy contrasts within the continental plate, instead of resulting from wedging by the opposing plate. Rayleigh–Taylor instabilities dominate the style of deformation in models with a negatively buoyant lithospheric mantle layer strongly coupled to the crust and a slow convergence rate (M_B < 0 and _CLM > ≈ − 0.2). The degree of coupling (Am) between the model crust and lithospheric mantle plays a lesser role in both the style of lower-lithospheric deformation and the width of the crustal deformed zone with increasing density of the lithospheric mantle layer.     

华北新太古代和中生代大陆下地壳中的水:以汉诺坝地区为例

应用显微傅里叶变换红外光谱技术,对华北克拉通北缘汉诺坝地区的太古宙地体麻粒岩和新生代玄武岩中捕虏体麻粒岩(中生代底侵成因)的主要组成矿物(单斜辉石、斜方辉石、斜长石和石榴子石)进行了详细分析.结果表明,无论是地体麻粒岩还是捕虏体麻粒岩,岩石中的主要组成矿物均含有结构水,主要以OH形式存在.同种产状麻粒岩的矿物水含量(H2O%)均存在较大的变化,而且都远远超出实验误差,表明下地壳内水的分布可能是不均一的.两种产状麻粒岩的矿物结构水含量有着显著的不同,地体麻粒岩中矿物的水含量是捕虏体麻粒岩的2倍以上.太古宙-古元古代形成的安徽女山新生代玄武岩中的捕虏体麻粒岩具有与汉诺坝太古宙地体麻粒岩相似的水含量范围,但明显高于汉诺坝中生代形成的捕虏体麻粒岩.由此看来,早期(太古宙-古元古代)下地壳的水含量要比中生代形成的下地壳高得多,这可能指示不同时代下地壳在形成机制和性质上的不同.     

Rheology of Indian continental crust and upper mantle

A rheological model of the Indian shield has been constructed using the thermal structure derived from available surface heat flow and heat generation data and the flow properties of characteristic minerals and rocks like quartz, diabase and olivine which respectively represent the upper crust, lower crust and upper mantle. Lateral variations in the thicknesses of the brittle and ductile crust and of the brittle upper mantle have thus been obtained for different tectonic environments. Implications of these results to interpretation of the seismic structure of the Indian shield have been pointed out.     

Creation and destruction of lower continental crust

Bulk continental crustal composition results from the net mass exchange between crust and mantle. Crustal addition is mainly by the rise of mantle-derived melts into and through the crust at convergent plate margins and (at a lower rate) within plate interiors. Crustal subtraction occurs by subduction of uppermost crust (sediment, continent-derived elements in hydrothermally altered oceanic crust), by subcrustal erosion at convergent margins and by delamination of lowermost crust following densifying gabbro-eclogite phase transformations that result in a crust-mantle density inversion. As the phase transformations only occur at high pressure, tectonic overthickening of the crust (to > 50 km) is required. The lowermost crust at continent-ocean and continent-continent convergent plate margins is more likely to experience these transient overthickening events (compressional orogenies) than is intraplate crust. Correspondingly, the preservation probability of mafic lower crust is greater for intraplate than for plate margin localities. Delamination of mafic lower crust is the main process for removing basic composition rocks from the crust, thereby creating »andesitic« crustal composition. Evidence for lower crustal delamination comes from »geochemically balanced« cross section of compressional belts, and from the high La/Yb ratios, lack of Eu anomalies, and high Sr contents in deep crustallyderived magmas from the base of tectonically over-thickened crust. These crustal magmas are often accompanied by mantle-derived basalts associated with crustal uplift and extension, both related to the coincident delamination of underlying mantle lithosphere.

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Zusammenfassung Die Gesamtzusammenfassung der Kontinentalen Kruste resultiert aus dem Massenaustausch zwischen Kruste und Mantel. Krustenzuwachs erfolgt hauptsächlich beim Aufstieg in und durch die Kruste von aus dem Mantel abstammenden Basalt an konvergierenden Plattengrenzen und zum geringeren Teil Plattenintern. Der Krustenabbau wird erreicht per Subduktion der obersten Kruste, durch subkrustale Erosion an konvergierenden Plattengrenzen (Sedimente, Elemente kontinentaler Herkunft von hydrothermal veränderter ozeanischer Kruste). Dies wird hervorgerufen von der Schichtspaltung der untersten Kruste nach der Verdichtung durch die Gabbro-Eklogit-Phasentransformation, welche in der Krusten-Mantel-Dichte-Inversion resultiert. Da die Phasentransformation nur unter hohen Drücken stattfindet, werden tektonische Mächtigkeitszunahmen der Kruste (> 50 km) benötigt. Die unterste Kruste in Bereichen von konvergierenden Kontinent-Ozean und Kontinent-Kontinent Plattengrenzen unterliegt einer größeren Wahrscheinlichkeit vorübergehende Mächtigkeitszunahmen zu erfahren als platteninterne Kruste. Dementsprechend ist die Erhaltungswahrscheinlichkeit von mafischer unterer Kruste für platteninterne Bereiche größer als für Plattengrenzen. Schichtspaltung von mafischer unterer Kruste ist der Hauptprozeß basisch zusammengesetzte Gesteine aus der Kruste zu entfernen, hierbei wird die Kruste in Richtung »andesitische« Zusammensetzung verändert. Hinweise für Schichtspaltung der unteren Kruste stammen von »geochemisch bilanzierten« Profilen aus druckhaft deformierten Zonen. Weiterhin sprechen dafür hohe La/Yb-Werte, das Fehlen von Eu-Anomalien und hohe Sr-Gehalte, wie sie an der Basis tektonisch verdickter Kruste in Magmen, die aus der tiefen Kruste stammen, gefunden werden. Diese krustalen Magmen werden häufig von Mantelbasalten begleitet, die zu Krustenhebung und Dehnung in Verbindung stehen; beides im Zusammenhang stehend zu der gleichzeitig stattfindenden Schichtspaltung der unterlagernden Mantellithosphäre.

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Résumé La composition d'ensemble de la croûte continentale résulte des échanges entre la croûte et le manteau. L'apport dans la croûte provient en ordre principal de la montée de basalte d'origine mantélique qui s'opère aux bordures des plaques convergentes et, dans une moindre mesure, à l'intérieur des plaques. Le départ hors de la croûte se produit par la subduction de la croûte supérieure (sédiments, éléments dérivés des continents dans la croûte océanique affectée d'altération hydrothermale), par érosion subcrustale le long des marges convergentes et par délamination à la base de la croûte, les transformations de phase gabbro-éclogitiques entraînant une augmentation de densité et une inversion de densité entre croûte et manteau. Comme ces transformations de phases ne se produisent qu'à haute pression, elles impliquent un épaississement tectonique de la croûte (jusqu'à plus de 50 Km). Le domaine probable de tels épaississement est la partie inférieure de la croûte en bordure des plaques convergentes continentocéan ou continent-continent (orogènes de compression), plutôt que la croûte intra-plaque. Inversement, la probabilité de conversion d'une croûte inférieure mafique est plus élevée au milieu des plaques que sur leurs bordures. La délamination de la croûte inférieure est le processus courant d'appauvrissement de la croûte en roches mafiques, avec création d'une composition crustale »andésitique«. Les arguments en faveur de cette delamination sub-crustale sont tirés de profils »géochimiquement équilibrés« dans les ceintures en compression, ainsi que des rapports La/Yb élevés, de l'absence d'anomalie de l'Eu et des hautes teneurs en Sr dans les magmas dérivés de la partie profonde des croûtes tectoniquement épaissies. Ces magmas crustaux sont souvent accompagnés de basaltes d'origine mantélique associés à un soulèvement et à une extension crustale, ces deux processus étant liés à la délamination concommittante de la lithosphère mantélique sousjacente.

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克拉通、下地壳与大陆岩石圈——庆贺沈其韩先生百年华诞

把克拉通、下地壳和大陆岩石圈这几个重要的地质名词放在一起做文章的标题,其实只是想强调一个事情,即陆壳形成和稳定化的结果是形成大陆岩石圈。大陆岩石圈是地球圈层的基本单元,是现代板块构造运动的核心构件和核心载体。忽视大陆岩石圈,要讨论地球上大陆与大洋、地壳与地幔、地球的深部圈层与外部圈层、内部圈层间相互作用以及物质与能量的交换等问题都无法深入。大陆岩石的最初形成可能在冥古宙早期已经开始,全球大陆的稳定化即克拉通化一般认为完成于太古宙末,并开启了元古宙的新纪元。对大陆壳的形成机制和演化过程,已经有很多讨论,但是还存在许多争议。而对大陆岩石圈人们知之不多,文献中常常在早期的小的陆壳形成,即陆核或微陆块阶段,就将其与大陆岩石圈的概念混为一谈。岩石圈的形成固然是大陆形成演化的结果,但是岩石圈的物质组成、结构和物理性质等从最初形成到成熟并成为稳定的地球独立圈层并足以承担板块构造的重任,可能经历了不止一个阶段。本文强调应对岩石圈的形成和演化给予更多的关注,并深化研究大陆地壳形成、克拉通化对大陆岩石圈形成的贡献。

     

大陆岩石圈地幔异剥橄榄岩化的证据和意义

异剥橄榄岩化是地幔橄榄岩与硅不饱和熔体发生强烈相互作用的地幔过程。这一过程通常伴随地幔物理-化学性质的显著改变,与克拉通岩石圈减薄和破坏密切相关。本文梳理了前人对异剥橄榄岩化的驱动机理、结构和成分特征及其对大陆稳定性影响等方面的定性认识,并在此基础上通过热力学模拟,刻画了不同属性地幔与熔体在不同温度压力条件下的相互作用过程,目标是为定量限定异剥橄榄岩化的发生条件、物理-化学效应及地球动力学意义。研究显示,异剥橄榄岩化通常会出现磷灰石、角闪石、金云母和碳酸盐等标志性交代矿物,并以斜方辉石被单斜辉石替换为典型特征,还可发育海绵边、熔体囊（已冷却结晶为单斜辉石、橄榄石等细粒矿物）和矿物环带等非平衡结构。热力学模拟表明,熔岩反应过程受原岩、熔体性质以及熔/岩比例的共同控制,不同属性地幔（难熔方辉橄榄岩、饱满二辉橄榄岩）与贫硅（如霞石岩）熔体反应都能生成富单斜辉石橄榄岩,且在较高压力（如2.5GPa和4.0GPa）条件下更容易形成异剥橄榄岩;相比之下,不同性质地幔与富硅（如MORB）熔体反应在任何压力条件下均不能产生异剥橄榄岩。此外,两类熔体参与的熔岩反应均能引起围岩密度逐渐增加,并在高压条件下能导致饱满岩石圈地幔密度超过地幔参考值、达到岩石圈失稳的条件。因此,本文从热力学的角度定量约束了异剥橄榄岩化的发生条件和对岩石圈地幔的影响,为前人提出的橄榄岩-熔体反应能够造成岩石圈地幔减薄和破坏这一概念模型提供了理论实证,对评估大陆稳定性具有重要意义。