地幔内板片俯冲运动模式及其大地构造意义 ——俯冲的屏障与穿越机制

地震层析成像揭示了地幔内存在俯冲板片的重要证据,它们涉及多种几何形态和运动方式,地幔过渡带为其下沉的重要屏障,俯冲板片在这里发生停滞、变形和岩石圈物质积累。板片在个别地区可以俯冲到地核—地幔边界,堆积形成板块墓地,造成D″ 层物质组成和热学的不均一性。高温高压实验以及流变学计算模拟,对地幔组成及其物性提供了新的制约,板片俯冲地幔过程中,涉及矿物相变、黏度、密度、力学强度等因素的制约,地幔过渡带为俯冲重要屏障和相变界面。围绕板片俯冲的研究,提出地幔整体对流的新模式,板块墓地与超级地幔柱具有成因联系,成为全球地幔对流的重要环节,有待深入研究。板片俯冲是浅表板块构造与深部超级地幔柱的联系纽带和重要驱动力。     

印度大陆与亚洲大陆早期碰撞过程与动力学模——来自西藏冈底斯新生代火成岩证据

为了揭示青藏高原的形成演化及其隆升历史,本文主要立足于西藏冈底斯带新生代岩浆岩,研究了印度-亚洲大陆碰撞早期阶段的关键岩石记录、详细碰撞过程和深部动力机制.西藏新生代火山-岩浆活动贯穿于主碰撞造山过程的始终,形成规模巨大的冈底斯火成岩浆岩带,其中,火山活动形成著名的林子宗第三纪火山岩系(64～43 Ma),岩浆作用则形成3个时间连续、但组合不同的岩浆序列,即: ①壳源花岗岩组合(65～50 Ma)、②正εNd花岗岩-辉长岩组合(52～47 Ma)和③幔源玄武质次火山岩-辉绿岩组合(53～42 Ma).林子宗第三纪火山岩系形成于印度-亚洲大陆对接碰撞之后(～65 Ma),不整合覆盖于中生代褶皱构造层之上,中下部钙碱性-高钾钙碱性火山岩显示岛弧/陆缘弧地球化学特征,主要来自于洋壳板片流体交代的地幔楔形区,上部钾玄岩系火山岩则更多地显示壳源特征.壳源花岗岩主要侵位于冈底斯东段腾冲地区,成因类型为白云母过铝花岗岩和富钾钙碱性花岗岩,其高(87Sr/86Sr)i (＞0.710)和低εNd(＜-7)同位素组成反映其源于碰撞加厚的砂泥质地壳的深熔作用.正εNd值(+2～+5)花岗岩和辉长岩沿冈底斯带成对侵位,花岗岩具有埃达克岩与弧花岗岩过渡特征,其形成有较多的幔源物质贡献;辉长岩正εNd值特征(+2.5～+7.0)、REE平坦型或弱富集型以及亏损大部分不相容元素(Nb, P, Ti, U, Th, LREE)特征,反映软流圈地幔对岩浆形成产生重要贡献.幔源玄武质次火山岩主要为钙碱性岩系,REE平坦型,低(87Sr/86Sr)i (＜0.7060) 、高εNd (高达+4.3,同位素组成接近于MORB,证明其来源于亏损的软流圈地幔.根据这些构造-岩浆事件的时空分布、岩石组合特征、岩石地球化学以及岩浆演变序列,提出了一个青藏高原大陆碰撞的四阶段演化模式.这个模式强调了①70～60 Ma,新特提斯洋板片回转,印度大陆与亚洲大陆发生碰撞(≥65 Ma),并导致加厚地壳深熔;②60～54 Ma,印度大陆板片向北陡深俯冲,下地壳缩短加厚,地壳深熔作用持续;③53～41 Ma,新特提斯洋板片发生断离,并向下拆沉.软流圈物质透过板片断离窗上涌,诱发地幔楔、上覆加厚的镁铁质下地壳熔融;④陡深俯冲的印度大陆板片因特提斯洋板片断离而发生折返,开始低角度俯冲(＜40 Ma),导致高原内部的陆内俯冲、走滑剪切与地壳缩短,造成冈底斯岩浆间断(40～26 Ma)和拉萨地体初始抬升.因此,在青藏高原碰撞造山过程中,主碰撞期造山(65～41 Ma)的动力机制主要是印度大陆板片的陡角度俯冲和特提斯洋板片断离,晚碰撞期造山(40～26 Ma)的动力机制主要为印度大陆板片的低角度俯冲.     

印度大陆与亚洲大陆早期碰撞过程与动力学模型——来自西藏冈底斯新生代火成岩证据

为了揭示青藏高原的形成演化及其隆升历史,本文主要立足于西藏冈底斯带新生代岩浆岩,研究了印度—亚洲大陆碰撞早期阶段的关键岩石记录、详细碰撞过程和深部动力机制。西藏新生代火山-岩浆活动贯穿于主碰撞造山过程的始终,形成规模巨大的冈底斯火成岩浆岩带,其中,火山活动形成著名的林子宗第三纪火山岩系(64~43Ma),岩浆作用则形成3个时间连续、但组合不同的岩浆序列,即:1壳源花岗岩组合(65~50Ma)、2正εNd花岗岩-辉长岩组合(52~47Ma)和3幔源玄武质次火山岩-辉绿岩组合(53~42Ma)。林子宗第三纪火山岩系形成于印度—亚洲大陆对接碰撞之后(~65Ma),不整合覆盖于中生代褶皱构造层之上,中下部钙碱性—高钾钙碱性火山岩显示岛弧/陆缘弧地球化学特征,主要来自于洋壳板片流体交代的地幔楔形区,上部钾玄岩系火山岩则更多地显示壳源特征。壳源花岗岩主要侵位于冈底斯东段腾冲地区,成因类型为白云母过铝花岗岩和富钾钙碱性花岗岩,其高(87Sr/86Sr)i(>0.710)和低εNd(<-7)同位素组成反映其源于碰撞加厚的砂泥质地壳的深熔作用。正εNd值(+2~+5)花岗岩和辉长岩沿冈底斯带成对侵位,花岗岩具有埃达克岩与弧花岗岩过渡特征,其形成有较多的幔源物质贡献;辉长岩正εNd值特征(+2.5~+7.0)、REE平坦型或弱富集型以及亏损大部分不相容元素(Nb,P,Ti,U,Th,LREE)特征,反映软流圈地幔对岩浆形成产生重要贡献。幔源玄武质次火山岩主要为钙碱性岩系,REE平坦型,低(87Sr/86Sr)i(<0.7060)、高εNd(高达+4.3),同位素组成接近于MORB,证明其来源于亏损的软流圈地幔。根据这些构造-岩浆事件的时空分布、岩石组合特征、岩石地球化学以及岩浆演变序列,提出了一个青藏高原大陆碰撞的四阶段演化模式。这个模式强调了170~60Ma,新特提斯洋板片回转,印度大陆与亚洲大陆发生碰撞(≥65Ma),并导致加厚地壳深熔;260~54Ma,印度大陆板片向北陡深俯冲,下地壳缩短加厚,地壳深熔作用持续;353~41Ma,新特提斯洋板片发生断离,并向下拆沉。软流圈物质透过板片断离窗上涌,诱发地幔楔、上覆加厚的镁铁质下地壳熔融;4陡深俯冲的印度大陆板片因特提斯洋板片断离而发生折返,开始低角度俯冲(<40Ma),导致高原内部的陆内俯冲、走滑剪切与地壳缩短,造成冈底斯岩浆间断(40~26Ma)和拉萨地体初始抬升。因此,在青藏高原碰撞造山过程中,主碰撞期造山(65~41Ma)的动力机制主要是印度大陆板片的陡角度俯冲和特提斯洋板片断离,晚碰撞期造山(40~26Ma)的动力机制主要为印度大陆板片的低角度俯冲。     

大陆板片-地幔相互作用:来自大别造山带碰撞后安山质火山岩的地球化学证据

俯冲到地幔深度的地壳物质不可避免地在板片-地幔界面与地幔楔发生相互作用,由此形成的超镁铁质交代岩就是造山带镁铁质火成岩的地幔源区.因此,造山带镁铁质火成岩为研究俯冲地壳物质再循环和壳-幔相互作用提供了重要研究对象.为了揭示俯冲陆壳物质再循环的机制和过程,对大别造山带碰撞后安山质火山岩开展了元素和同位素地球化学研究.这些安山质火山岩的SIMS锆石U-Pb年龄为124±3~130±2 Ma,表明其形成于早白垩世.此外,残留锆石的U-Pb年龄为中新元古代和三叠纪,分别对应于大别-苏鲁造山带超高压变火成岩的原岩年龄和变质年龄.它们具有岛弧型微量元素特征、富集的Sr-Nd-Hf同位素组成,以及变化的且大多不同于正常地幔的锆石δ18O值.这些元素和同位素特征指示,这些安山质火山岩是交代富集的造山带岩石圈地幔部分熔融的产物.在三叠纪华南陆块俯冲于华北陆块之下的过程中,俯冲华南陆壳来源的长英质熔体交代了上覆华北岩石圈地幔楔橄榄岩,大陆俯冲隧道内的熔体-橄榄岩反应产生了富沃、富集的镁铁质地幔交代岩.这种地幔交代岩在早白垩世发生部分熔融,就形成了所观察到的安山质火山岩.因此,碰撞造山带镁铁质岩浆岩的地幔源区是通过大陆俯冲隧道内板片-地幔相互作用形成的,而加入地幔楔中长英质熔体的比例决定了这些镁铁质岩浆岩的岩石化学和地球化学成分.      

古亚洲洋俯冲板片断离与后造山伸展：贺根山缝合带火山岩年代学和地球化学证据

本文以出露于贺根山缝合带迪彦庙蛇绿混杂岩北侧的乌兰拜其白音高老组流纹岩- 粗面岩为研究对象,通过野外地质调查和岩石学、地球化学、锆石U- Pb年代学研究,探讨岩石成因类型、构造环境和古亚洲洋俯冲板片断离与后造山伸展过程。岩石地球化学研究表明, 乌兰拜其地区白音高老组流纹岩具有较高的SiO 2、Al 2O 3、K 2O和Na 2O+K 2O含量,以及较高的Ga/Al比值,相对贫CaO、MgO、Sr、Ba、Eu、Ti和P,稀土元素配分曲线为右倾海鸥式分布,负铕异常显著。该区粗面岩属于钾玄岩系列,具有高碱(Na 2O+K 2O)、高K 2O、高Al 2O 3、低TiO 2,富集Rb、Ba、U和轻稀土元素, 亏损 Nb、Ta 和 Ti,稀土元素配分曲线为右倾式分布。岩石学和岩石地球化学特征表明,乌兰拜其地区白音高老组流纹岩为迪彦庙- 白音布拉格蛇绿混杂岩带早白垩世后造山A型花岗岩浆的喷出相- A型流纹岩,其形成于后造山伸展构造环境;粗面岩为后造山型钾玄质火山岩,与洋壳俯冲作用有关,形成于俯冲板片断离- 后造山伸展构造背景。流纹岩和粗面岩锆石LA- ICP- MS U- Pb同位素测年,获得206Pb/238U加权平均年龄分别为140. 4±1. 2Ma和134. 9±1. 1Ma,表明白音高老组流纹岩- 粗面岩喷发于早白垩世,反映了贺根山缝合带早白垩世后造山A型花岗岩浆- 钾玄质岩浆作用事件。结合贺根山缝合带的壳幔电性结构特征和晚古生代蛇绿岩- 岛弧岩浆岩、中生代后造山A型岩浆岩的时空分布与演化关系,认为根山缝合带三叠纪- 早白垩世后造山伸展岩浆作用与古亚洲洋俯冲板片断离作用有关,提出了该区后造山A型花岗岩浆- 钾玄质岩浆作用的俯冲板片断离- 后造山伸展地球动力学模式。     

青藏高原南部与北部新生代高镁钾质岩地球化学对比:南北地幔源区差异

青藏高原广泛分布有一些新生代高镁钾质岩(Mgo≥6%,K2O/Na2O>1),通常认为它们应起源于地幔源区,虽然它们均有着富钾、富集大离子亲石元素和亏损高场强元素的共同特征,但青藏高原南部和北部的这些新生代火山岩在形成时代和地球化学特征方面均有明显的不同.青藏高原南部和北部新生代火山岩在形成时间和空间上是不连续的.青藏高原南部和北部的高镁钾质岩可能均源于与古俯冲环境相联系的富集地幔源区,但它们的地幔源区矿物组成和形成深度却是不同的;高原南北高镁钾质岩明显不同的组成可能是因它们源区的壳源物质的来源或含量不同所致,而高原南部比北部高镁钾质岩明显低的143Nd/144Nd但高的87St/86Sr同位素比值特征,暗示后者起源于一个相对亏损的(含较少沉积物组分的)富集地幔源区.虽然对流减薄和陆内俯冲模式分别可以解释青藏高原抬升和与其共生的新生代火山岩的部分现象,但从总体上看北向俯冲的印度岩石圈的多次断离和南向俯冲的亚欧板块相结合的模式可能是解释新生代以来青藏高原的抬升和与其共生的火山岩最有效的形成机制.     

青藏高原北部可可西里地区新生代钾质火山岩地球化学特征及成因

青藏高原北部可可西里地区分布的中新世钾质火山岩(7.77～17.82Ma)主要为粗面安山岩、粗面岩和少量次火山相的流纹斑岩.主量、微量元素及Sr-Nd-Pb同位素地球化学研究表明,该套钾质火山岩强烈富集大离子亲石元素和轻稀土元素,明显亏损Nb-Ta-Ti元素,具有较高的87Sr/86Sr:0.707346～0.714915,较低的εNd值:-3.70～-6.97,和较高的放射性成因Pb同位素组成(207Pb/204Pb=15.65～15.76,208Pb/204Pb=38.98～39.35,206Pb/207Pb=18.67～18.78).上述特征指示岩浆源区可能是与古俯冲消减物质有关的EMⅡ型富集地幔.三大岩类的地球化学成分变异表明:该钾质火山岩系列是富集地幔(金云母-尖晶石二辉橄榄岩和金云母-石榴石二辉橄榄岩)低度部分熔融产生的母岩浆经过较强结晶分异形成的,其中流纹斑岩在岩浆后期可能经历了更为复杂的地壳混染和结晶分异过程.     

印度大陆板片前缘撕裂与分段俯冲：来自冈底斯新生代火山-岩浆作用证据

青藏高原碰撞造山带不仅呈现南北不均一性,而且显示东西分段性。以横贯高原腹地的NNE向负磁异常带为界,将冈底斯分为三段。在宽约300km的负磁异常带为代表的中段,近SN向的裂谷和正断层系统、重要地震和现代热水活动、古新世林子宗火山岩系和中新世超钾质火山岩系、以及日喀则弧前盆地集中发育,伴有斑岩型Cu-Mo和成因独特的Au-Cu矿化;在85°E以西的西段,主要发育强烈逆冲推覆系、同碰撞期花岗岩和中新世钾质-超钾质火山岩系,伴有造山型Au矿化;而在90°E以东的东段,主要发育走滑断裂系、同碰撞期花岗岩和中新世埃达克质斑岩,伴有斑岩型Cu-Mo矿化。古新世林子宗火山岩的精细定年和地球化学特征揭示,印度大陆板片向北的俯冲-汇聚至少在50Ma前没有表现出明显的时间差异性。然而,中新世钾质-超钾质岩和大规模花岗岩基的时空分布和地球化学特征反映,印度大陆板片前缘可能发生撕裂,并发生分段式差异俯冲,西段(85°E以西)俯冲规模大,距离远,东段(90°E以东)俯冲规模小,可能未跨过雅江缝合带。沿着负磁异常带两侧的边界裂谷带,高SiO_2煌斑岩和念青唐古拉花岗岩基及相伴钾质火山岩的发育,揭示来源于软流圈地幔的岩浆和高热流穿过板片撕裂带并沿耦合上覆的裂谷带上涌,前者侵位和喷发,后者诱发地壳熔融。90°E与85°E之间的俯冲板片可能由于撕裂、断离和破碎,因而导致斜跨高原腹地的大面积通道式负磁异常带。     

藏北蚕眉山地区火山岩和夷平面的时代

藏北蚕眉山地区发育2个时代的新生代火山岩①上新世的花岗斑岩和流纹斑岩,白云母K-Ar同位素年龄为(3.65±0.31)MaBP.;②中新世的粗面英安岩、粗安岩和玄武粗安岩等火山熔岩,全岩K-Ar同位素年龄为(12.81±0.4)MaBP、(12.85±0.56)MaBP和(14.51±0.23)MaBP。由中新世各火山熔岩体周边的下伏地表高程和非火山岩构成的局部区域最高山岭的顶部高程恢复出火山喷发时的古地表形态,完全可与现代夷平面形态特征相对比。结合火山熔岩下伏地面表层古风化壳的发育,认为蚕眉山地区火山熔岩的下伏地面为古夷平面,本区为古夷平面残留区。     

藏北改则地区鱼鳞山组火山岩同位素年代学

鱼鳞山组火山岩是青藏高原隆升过程中一次重要的碱性钾质火山活动的产物,自发现之日起时代一直定为上新世末至早更新世,对比范围跨羌塘南部到冈底斯地区。通过对鱼鳞山组火山岩同位素测年研究,鱼鳞山组白榴石响岩^40Ar-^39Ar积分年龄为27．8Ma、K－Ar法年龄为30－18Ma,确定鱼鳞山组时代为渐新世至中新世,其分布仅限于班公湖－怒江缝合带以北地区。     

青藏高原西部赛利普中新世火山岩源区:地球化学及Sr-Nd同位素制约

青藏高原拉萨地块西部赛利普地区新生代火山岩依据主量元素可划分为超钾质、钾质和钙碱性系列,主要的岩石类型为粗面安山岩、粗面岩,一个超钾质岩石的40Ar-39Ar年龄为17.58Ma,指示出火山活动为中新世.超钾质、钾质和钙碱性火山岩都显示出富集LREE及LILE(Th、U)、亏损HFSE(Nb、Ta、Ti)的特征.超钾质火山岩具有较高的K2O(6.31%～8.55%)、MgO(6.75%～8.96%)、Cr(270.7×10-6～460.4×10-6)、Ni(142.3×10-6～233.9×10-6)含量,较高的(87Sr/86Sr)i(0.71883～0.72732)和较低的εNd(-14.78～-15.37),指示可能起源于一个前期亏损并经后期俯冲作用改造的富钾的方辉橄榄岩富集地幔源区.钾质火山岩具有比超钾质火山岩低的K2O、MgO、Cr、Ni含量以及高的Ba、Sr含量,初始87Sr/86Sr为0.71553～0.71628,初始143Nd/144Nd为0.51197～0.51198,在空间上与超钾质火山岩共生,可能是前者母岩浆的演化产物.钙碱性火山岩具有较高的Sr(881.7×10-6～1309.2×10-6)、Sr/Y比值(50～108)和较低的Y(12.05×10-6～18.02×10-6),明显亏损重稀土Yb(0.93×10-6～1.30×10-6),类似于典型的埃达克质岩成分特征但相对高钾,并具有相对低的(87Sr/86Sr);(0.70928～0.71374)以及高的εNd(-7.90～-10.91),指示起源于富钾增厚下地壳物质的部分熔融.区域上拉萨地块超钾质岩、钾质岩与N-S向地堑系在空间上共存、时间上相吻合,由此本文认为拉萨地块中新世钾质.超钾质岩和南北向地堑系的形成可能与中新世早期北向俯冲的印度大陆岩石圈断离有关.     

Variable involvements of mantle plumes in the genesis of mid-Neoproterozoic basaltic rocks in South China: A review

Ca. 825–720 Ma global continental intraplate magmatism is generally linked to mantle plumes or a mantle superplume that caused rifting and fragmentation of the supercontinent Rodinia. Widespread Neoproterozoic igneous rocks in South China are dated at ca. 825–760 Ma. There is a hot debate on their petrogenesis and tectonic affiliations, i.e., mantle plume/rift settings or collision/arc settings. Such competing interpretations have contrasting implications to the position of South China in the supercontinent Rodinia and in Rodinia reconstruction models.Variations in the bulk-rock compositions of primary basaltic melts can provide first order constraints on the mantle thermal–chemical structure, and thus distinguish between the plume/rift and arc/collision models. Whole-rock geochemical data of 14 mid-Neoproterozoic (825–760 Ma) basaltic successions are reviewed here in order to (1) estimate the primary melts compositions; (2) calculate the melting conditions and mantle potential temperature; and (3) identify the contributions of subcontinental lithosphere mantle (SCLM) and asenthospheric mantles to the generation of these basaltic rocks.In order to quantify the mantle potential temperatures and percentages of decompression melting, the primary MgO, FeO, and SiO₂ contents of basalts are calculated through carefully selecting less-evolved samples using a melting model based on the partitioning of FeO and MgO in olivine. The mid-Neoproterozoic (825–760 Ma) potential temperatures predicted from the primary melts range from 1390 °C to 1630 °C (mostly > 1480 °C), suggesting that most 825–760 Ma basaltic rocks in South China were generated by melting of anomalously hot mantle sources with potential temperatures 80–200 °C higher than the ambient Middle Ocean Ridge Basalt (MORB)-source mantle.The mantle source regions of these Neoproterozoic basaltic rocks have complex histories and heterogeneous compositions. Enriched mantle sources (e.g., pyroxenite and eclogite) are recognized as an important source for the Bikou and Suxiong basalts, suggesting that their generations may have involved recycled components. Trace elements variations show that interactions between asthenospheric mantle (OIB-type mantle) and SCLM played a very important role in generation of the 825–760 Ma basalts. Our results indicate that the SCLM metasomatized by subduction-induced melts/fluids during the 1.0–0.9 Ga orogenesis as a distinct geochemical reservoir that contributed significantly to the trace-elements and isotope inventory of these basalts.The continental intraplate geochemical signatures (e.g., OIB-type), high mantle potential temperatures and recycled components suggest the presence of a mantle plume beneath the Neoproterozoic South China block. We use the available data to develop an integrated plume-lithosphere interaction model for the ca. 825–760 Ma basalts. The early phases of basaltic rocks (825–810 Ma) were most likely formed by melting within the metasomatized SCLM heated by the rising mantle plume. The subsequent continental rift allowed adiabatic decompression partial melting of an upwelling mantle plumes at relatively shallow depth to form the widespread syn-rifting basaltic rocks at ca. 810–800 Ma and 790–760 Ma.     

吉林省长白山地区新生代火山岩基本特征及成因模式探讨

长白山火山岩区位于滨太平洋构造域西侧,东北大陆裂谷系的东部,北东向断裂较为发育,有敦密断裂、鸭绿江断裂、伊通—依兰断裂等超壳断裂,这些断裂为后期岩浆喷溢提供了通道,也基本控制了火山岩的展布方向。该区新生代以来的火山活动可分为甑峰山期、奶头山期、平顶村期、军舰山期、广坪期、白头山期和天文峰期7个期次,通过对该区的深部构造研究,结合板块运动理论综合分析,笔者将该区火山岩的形成分为了6个阶段,提出了长白山地区火山活动的成因模式。     

藏南喜马拉雅北坡色龙地区二叠系基性火山岩的发现及其构造意义

藏南喜马拉雅北坡二叠系基性火山岩位于聂拉木县色龙东山。岩石地球化学特征表明,无论是基龙组火山岩还是色龙群火山岩,都具有大陆拉伸-大陆裂谷环境火山岩系的主、微量元素地球化学特征。据此,判断两套基性火山岩的性质和喷发构造环境相同。该区二叠纪大陆拉伸-裂谷火山活动标志着冈瓦纳超级古大陆开始裂离、解体。