不同时空背景幔源物质对比与华北深部岩石圈破坏和增生置换过程

华北克拉通地幔破坏作用, 使之成为世界研究大陆形成演化的最理想地区之一. 但有关破坏机制、时限、范围及其动力学背景, 甚至破坏前岩石圈状况等相关联问题都存争议. 华北东部不同时代(如古生代、中生代和新生代)、位置(如地块内部与边缘、郯庐断裂带和重力梯度带)火山岩所携带捕虏体橄榄岩, 及其南侧苏鲁-大别造山带地质体橄榄岩等直接的岩石圈地幔物质对比表明: 华北古老岩石圈是不均一的、存在幔内薄弱带, 中生代、新生代岩石圈减薄作用包括地幔伸展、熔体-岩石作用、不均匀侵蚀减薄与小幅增生增厚, 从而实现难熔克拉通地幔被新生饱满岩石圈地幔置换作用等复杂过程. 早中生代时, 扬子大陆深俯冲碰撞引起华北岩石圈的完整性受影响甚至破坏、边缘受俯冲陆壳释放熔/流体交代改造、岩石圈地幔伸展和构造侵位以及受山根断离扰动软流圈物质上涌侵蚀等; 早白垩世-早第三纪时, 太平洋板块俯冲进一步扰动软流圈并强烈上涌侵蚀上覆岩石圈引起它的巨大减薄作用; 晚第三纪以来上涌软流圈的热沉降作用带来小幅度岩石圈增生增厚过程, 最终实现了已存岩石圈被新生地幔置换和岩石圈整体的减薄作用, 并由此构成了陆内造山和克拉通盆地形成耦合过程的深部驱动力. 郯庐等岩石圈深大断裂带是软流体物质上涌的良好通道, 同时由于在岩石圈内部起通道作用的幔内薄弱带是不规则的, 它们引导着软流圈物质侵蚀岩石圈和岩浆喷出地表的时间存在早、晚不一致现象. 喷发时代为100 Ma的玄武岩所捕获的橄榄岩主体是饱满的, 说明华北东部的一些地区在此之前(如125~100 Ma)曾有过地幔置换作用发生.     

南极乔治王岛第三纪火山岩Sr,Nd和Pb同位素研究

1 地质背景乔治工岛是南极南设得兰群岛中最大的岛屿,面积约1200km~2,大部分地区长年被冰雪覆盖.全岛广泛分布第三纪火山岩,也零星出露相应侵入岩及晚中生代和第四纪火山岩.南设得兰群岛是一发育于硅铝质基底之上的、时代为侏罗纪-第三纪的陆缘火岩弧,其岩浆活动受太平洋板块向南极大陆板块的俯冲所制约;它曾是南极大陆西部濒太平洋边缘的一部分,直到约2Ma前,在俯冲作用停止和边缘盆地布兰斯菲尔德海峡张开后才从南极半岛西北部分离出来(图1).     

太行山中南段早白垩世岩石圈地幔的水含量:对华北克拉通破坏的动力因素的制约

已有的研究表明,华北克拉通东部的岩石圈地幔在克拉通破坏峰期(早白垩世)时是高度富水的,水化造成的岩石圈强度的显著降低为克拉通破坏提供了前提.古生代以来华北克拉通经历的大洋板块南向、北向和西向的俯冲都可能造成其水化.为了查明造成水化的主导过程,本文对太行山中南段符山早白垩世高镁闪长岩中的橄榄岩包体进行了水含量的测定.数据显示,太行山早白垩世岩石圈地幔的含水量(~40 ppm)远低于华北东部同期的岩石圈地幔(1000ppm).这些结果直观地表明,华北东部早白垩世岩石圈地幔的高水含量主要是由西向俯冲的太平洋板块造成的.从这个角度来说,华北克拉通破坏的主要动力因素可能是太平洋板块俯冲.     

长江中下游溧水盆地中基性次火山岩-侵入岩的锆石U-Pb定年和Lu-Hf同位素

对溧水盆地8件典型的中生代次火山岩-侵入岩进行了详细的锆石U-Pb年代学和Lu-Hf同位素研究.结果显示,老虎头角闪闪长玢岩年龄为130.5±1.6 Ma,大铜山角闪闪长玢岩年龄为136.0±3.4 Ma,大魏庄角闪闪长玢岩年龄为132.7±2.7 Ma,野山凹粗安斑岩年龄为127.0±1.9 Ma,砚瓦桥石英闪长玢岩年龄为129.4±1.7 Ma,西北山辉石闪长玢岩年龄为133.2±2.1 Ma,长山头黑云母安山玢岩年龄为131.1±2.3 Ma,尖山黑云母粗安斑岩年龄为127.4±1.8 Ma.所有岩浆岩均为早白垩世产物,指示了溧水盆地岩浆活动的峰期时代.岩浆岩的锆石?Hf(t)值变化于-3.54~-9.11,其中大多数变化于-3.54~-5.93,与长江中下游其他火山岩盆地中同时代火山岩和侵入岩的锆石Hf同位素组成相似,表明它们具有相似的源区组成.在分析长江中下游地区以及邻区同时代岩浆特征的基础上,提出俯冲太平洋板块后撤模式来解释中国东部晚中生代岩浆活动.侏罗纪中晚期-白垩纪早期(170~135 Ma),太平洋板块向欧亚大陆俯冲,总体处于挤压背景,岩浆活动呈现出由沿海向内陆年轻化的趋势,且多具壳源特征;白垩纪早期(~135 Ma)之后,太平洋板块的俯冲作用减弱,俯冲板片发生后撤,研究区总体转变为拉张背景,从而形成了一系列火山盆地,造成大量富集地幔和较少量古老地壳物质的熔融,形成大量中基性岩浆岩.     

苏鲁造山带西北缘五莲花岗岩中锆石U-Pb年龄及其地质意义

苏鲁造山带西北缘五莲杂岩带中产有绿片岩相浅变质杂岩组合.对其中3个代表性花岗岩体进行了锆石U-Pb年龄测定,得到的谐和年龄分别为672±4,742±9和747±14 Ma,证明这些花岗岩为新元古代岩浆活动的产物.由此可见,这些五莲花岗岩是新元古代时期侵位于扬子板块北缘的侵入岩,与大别山北麓的卢镇关岩浆杂岩相对应,都是三叠纪扬子板块俯冲过程中刮削下来的构造岩片,隶属于大陆板块俯冲构造加积楔的一部分.新元古代岩浆岩在五莲地区的产出说明,苏鲁造山带的板块缝合带位于五莲杂岩带的北侧,因此其位置在五莲断裂以北.     

大陆俯冲隧道过程:大陆碰撞过程中的板块界面相互作用

研究俯冲带过程是发展板块构造理论的关键.板块界面相互作用是实现地球表层与内部之间物质和能量交换的基本机制.将俯冲隧道模型拓展到大陆碰撞造山带,能够透视大陆俯冲带构造过程及其产物.由长英质到镁铁质岩石组成的大陆地壳于不同深度从大陆岩石圈上部拆离并迁移进入大陆俯冲隧道,由橄榄岩组成的大陆岩石圈地幔楔底部也受到俯冲板片刮削进入俯冲隧道.大小不同的地壳和地幔碎块在俯冲隧道中受到角力流作用向上或向下运动,导致它们经历不同程度的变质作用,并伴有不同程度的变形乃至局部深熔.在俯冲隧道中壳源岩石与幔源岩石之间发生机械混合,结果形成了超高压变质混杂岩.它们在折返到地壳层位时与低级变质岩拼合到一起,形成构造混杂岩,结果在同一造山带出露有不同变质程度的岩石.俯冲陆壳基底花岗岩和上覆沉积物衍生的熔/流体与上覆大陆岩石圈地幔楔橄榄岩之间发生化学反应,实现了大陆俯冲隧道中的壳幔相互作用.超高压变质岩原岩性质支配了碰撞造山带的类型、超高压变质地体的大小和折返速率.     

大别山腹地浅变质岩层中富硅凝灰岩Ar-Ar年龄及其地质意义

大别-苏鲁造山带内部出露的浅变质岩与超高压变质围岩之间的成因关系是研究大陆板块俯冲过程中地壳拆离的重要对象之一. 本文通过对大别山岳西县菖蒲地区产于超高压带内浅变质岩层中富硅凝灰岩进行40Ar/39Ar定年, 得到与超高压变质火成岩原岩一致的两组新元古代年龄. 一组Ar-Ar坪年龄为784.4±2.0 Ma, 等时线年龄为785.0±4.7 Ma; 另一组坪年龄为770.9±2.0 Ma, 等时年龄为769.5±3.1 Ma. 由于火山岩Ar-Ar同位素体系具有低的扩散封闭温度, 这些新元古代Ar-Ar年龄的保存说明, 浅变质火山岩未受到三叠纪超高压变质事件的明显影响, 因此在扬子板块向华北板块俯冲过程中并未发生深俯冲, 而是大陆板块俯冲过程中盖层与基底之间发生拆离后被刮削下来的构造残片. 浅变质岩与超高压变质岩之间的共存指示, 深俯冲岩片折返过程能够导致构造混杂现象.     

兴蒙造山带东段斑岩型Cu, Mo矿床成矿时代及其地球动力学意义

兴蒙造山带东段是中国斑岩型铜-钼矿床发育的重要地区, 但对这些矿床形成的具体时代及其动力学意义一直缺乏应有的研究. 选择多宝山地区铜矿和大黑山钼矿的花岗闪长质岩石进行了SHRIMP锆石U-Pb年代学研究, 结果表明, 多宝山地区铜矿的形成有两期, 与多宝山斑岩Cu矿有关的花岗闪长岩形成于早古生代((485±8) Ma), 而与三矿沟矽卡岩型Cu矿有关的花岗闪长岩形成于侏罗纪((176±3)和(177±3) Ma); 吉林大黑山地区与斑岩钼矿有关的花岗闪长斑岩形成时代为(170±3) Ma, 而与成矿无关的二长花岗岩形成时代为(178±3) Ma. 因此, 兴蒙造山带东段存在两期斑岩型铜钼成矿作用. 根据东北地区的地质演化历史, 以及东北地区花岗岩的时空分布规律, 则认为多宝山铜矿的形成与兴安地块和额尔古纳地块间的拼合造山事件有关, 而中生代三矿沟铜矿和大黑山钼矿的形成与古太平洋板块的俯冲作用密切. 结合近年来发表的与铜钼矿有关的年代学资料, 对中国东部侏罗纪-早白垩世斑 岩-矽卡岩型铜钼矿的时空分布及其动力学意义进行了讨论.     

诸广山南体印支期花岗岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄及其构造意义

诸广山南体是一个由加里东期、印支期和燕山期花岗岩组成的巨型复式岩体.但先前主要依据K-Ar年龄数据,认为复式岩体的绝大部分属燕山期.本文对位于诸广山南体东部的6个岩体(白云、乐洞、江南、龙华山、大窝子和寨地,除白云和江南岩体外,其余均被认为属燕山期)采用SHRIMP锆石U-Pb法进行精确定年,测定结果分别为239±4Ma(MSWD=3.2),239±5Ma(MSWD=2.5),239±2Ma(MSWD=1.7),236±2Ma(MSWD=1.3),231±2Ma(MSWD=0.81)和231±3Ma(MSWD=1.8),表明它们都是印支早期岩浆活动产物.根据这些岩体的岩石地球化学特征以及相邻地区研究成果,可以认为它们形成于伸展构造环境.因此,诸广山南体中的印支期花岗岩是在华南地块和印支地块碰撞结束后不久发生的加厚岩石圈构造垮塌过程中,由位于中-下地壳部位的古元古-中元古代地壳组分通过升温减压熔融而形成.     

日本岛弧的滚卷趋势与亚洲大陆边缘的蠕散

亚洲东部与东南部边缘海沟-岛弧-弧后盆地系统是以大陆型地壳向大洋型地壳转化为主要趋势的一类过渡型地壳区。这一转化过程是由于大陆岩石圈向大洋岩石圈的仰冲及蠕散运动完成的。大洋岩石圈向大陆岩石圈下面的俯冲晚于大陆向大洋的仰冲,这种俯冲对沟弧盆系的最后定型起辅助作用。日本岛弧的滚卷是大陆岩石圈仰冲的一种特殊形式。     

辽东半岛煌斑岩SHRIMP锆石U-Pb年龄及其对中国东部岩石圈减薄开始时间的制约

中国东部在中生代期间发生了大规模的岩石圈减薄已是不被争论的事实, 但关于岩石圈减薄开始的时间, 目前还缺乏应有的资料. 辽东半岛位于华北克拉通的东部, 是研究中国东部中生代岩石圈减薄事件的重要地区之一. 本次工作对辽东铧子裕菱镁矿矿区侵入于早元古代辽河群大石桥组菱镁矿矿层中的煌斑岩脉岩群开展了SHRIMP锆石U-Pb定年和地球化学初步研究. 结果表明, 这些煌斑岩脉是在晚侏罗世(155±4 Ma)侵位的, 并具有钾质岩浆的地球化学特征. 目前初步认为, 中国东部岩石圈减薄发生在晚中生代, 且在130~120 Ma的早白垩世达到高潮. 考虑到富钾镁铁质岩浆活动是岩石圈开始减薄的标志, 因此, 本次年代学工作所发现的辽东地区晚侏罗世钾质煌斑岩脉岩群, 可能暗示岩石圈开始减薄发生在晚侏罗世.     

西太平洋中生代板块俯冲过程与东亚洋陆过渡带构造-岩浆响应

中生代期间,华北与华南地块受西太平洋的板块俯冲过程、东亚大陆边缘深浅部过程的影响,其构造、岩浆、成矿、地貌演化趋势表现出一些共性,但也存在显著差异,其动力机制一般认为由古太平洋板块俯冲所致,但是它们是如何关联的,长期未得到解决,是地质研究的难点和热点,存在巨大争论.本文系统评述了近十年来已有东亚大陆边缘的构造变形分析、岩浆岩年代学、层析成像等多学科成就,简要探讨了前燕山期的中国陆块的最终聚合、统一陆缘的形成,随后主要侧重综述侏罗纪、白垩纪东亚洋陆过渡带燕山期地质过程的新认识.本文将浅部构造变形规律、岩浆岩年龄分带和迁移、地形巨大反转,与深部过程紧密结合,提出:华北克拉通破坏过程总体受深部岩石圈早幕向西的分层回卷拆沉、减薄制约,导致早期构造、岩浆作用伴随西迁,中幕多向拆沉,晚幕拆沉向东回撤;同时,北部鄂霍茨克洋闭合与南部班公湖-怒江俯冲系统的同期联合作用使得东亚洋陆过渡带总体处于挤压背景下,且深部上涌的软流圈不断向东跃迁,带动岩石圈不断向东、幕式、交替性伸展和挤压.华南深部早期则经历了向西平板俯冲,导致变形和岩浆作用西迁;后期发生两幕拆沉,导致构造-岩浆作用向东跃迁.总之,华北与华南构造-岩浆差异的内因是深部过程,外因是东亚大汇聚的差异所致.     

新特提斯单向俯冲的动力学机制

新特提斯洋向北单向俯冲的机制涉及两个核心问题,分别是南侧冈瓦纳被动大陆的不断裂解和拼贴到欧亚大陆南缘陆块诱发的俯冲起始.本文统计了大火成岩省的分布规律,发现200～80 Ma期间,与地幔柱相关的大火成岩省主要分布于南半球,暗示该时期南半球地幔温度高于北半球地幔温度.在南北半球地幔温差和地幔柱/大火成岩省作用下,引起上覆岩石圈抬升、破裂,结合新特提斯洋的北向俯冲,共同诱发冈瓦纳大陆的多期裂解.由于南北半球地幔温差会造成地幔柱头岩浆向北扩散并与新特提斯洋中脊发生相互作用,在特殊情况下,会引发原来大洋中脊的堵塞和跃迁,形成新的洋中脊,促进了陆块不断向北漂移.在古特提斯洋闭合后洋壳持续俯冲引发的应力作用下,欧亚大陆南缘具有高含水特性的洋陆过渡带率先破裂并产生向北的俯冲起始.驱动新特提斯大洋岩石圈持续向北俯冲的动力,除俯冲板片的拖曳力/重力外,还应该包含南半球高地幔温度和洋中脊产生的向北推力.     

中国大陆岩石圈的形成、演化与特征

中国大陆岩石圈是由37个以上的小地块所组成的,各地块统一结晶基底的形成时期各不相同。它们从元古宙到新生代一直在运移、变位：古生代处在以离散为主的状态,都位于特提斯洋内;古生代晚期、中生代与新生代则为逐渐聚合的过程,最后就汇聚成现在的中国大陆岩石圈。在周边板块运动的影响下,中国中部与西北部形成基本正常的大陆岩石圈,东部在侏罗纪以来则形成具有陆壳洋幔型的、较薄的岩石圈,而西南部的青藏地区形成陆壳增厚型岩石圈。中国大陆岩石圈内部可以发生多圈层的滑脱作用,除岩石圈底面的滑脱作用之外,还可以在莫霍面与中地壳低速高导层等界面发生滑脱,使岩石圈的内部结构变得十分复杂,并由此派生出较强的构造变形、岩浆活动与内生成矿作用。针对中国大陆岩石圈的特殊性,深入研究岩石圈演化的具体特征,具有十分重大的理论意义与实用价值,也可进一步丰富和发展全球板块构造学说。     

新疆北部阿尔泰地区库尔提蛇绿岩中斜长花岗岩的SHRIMP年代学研究

研究显示, 库尔提蛇绿岩中斜长花岗岩的野外地质产状、岩石学和岩相学以及地球化学特征均与剪切成因的斜长花岗岩一致, 是由洋壳运移过程中下部第三层发育的剪切带中的辉长岩经低角度剪切变形形成的角闪岩的部分熔融形成的. 斜长花岗岩的锆石SHRIMP年代学研究表明, 该蛇绿岩形成于泥盆纪, 形成时间为372±19 Ma, 这同时代表了库尔提弧后盆地的扩张时代. 该年代学研究结果表明, 古亚洲洋板块向西伯利亚板块俯冲消减作用应始于晚古生代早期.     

大陆演化与花岗岩研究的变革

花岗岩是地球岩石圈区别于太阳系其他行星的标志之一,也是地球岩石圈中陆壳区别于洋壳的重要标志.洋壳形成演化的核心问题是玄武岩,大陆形成演化的核心问题是花岗岩.洋壳的寿命仅2~3亿年,陆壳的寿命长达40~45亿年.大陆花岗岩记录了岩石圈形成演化的各种信息,对于人类认知固体地球具有无法替代的作用.最早的陆壳主要由一类富钠的、以奥长花岗岩-英云闪长岩-花岗闪长岩为主的花岗岩类岩石(TTG)组成.TTG不是早期岩浆海洋结晶分异的产物,也不可能来自地幔岩石的直接熔融.查明TTG的起因即能揭开大陆形成之谜.显生宙大陆演化表现为大陆面积增长和大陆克拉通活化两个方面,两者均伴随海量花岗岩的产出,同时伴随有大规模的成矿作用.花岗岩所凝聚的科学问题是对板块构造理论的巨大挑战,也是固体地球科学理论创新的重大机遇.花岗岩研究从岩石地球化学层面跃升到陆壳演化层面,是研究思维和理论创新的突破,是21世纪花岗岩研究的重大转折.第540次香山科学会议就如何推动花岗岩研究层面的跃升问题展开讨论,汇集智慧、凝聚共识,对我国未来5年和更长时间的花岗岩研究进行顶层设计,进一步推动花岗岩与大陆演化、大陆流变学、大陆动力学和热力学等方面的研究进展.     

华北克拉通破坏对地表地质与陆地生物的影响

晚中生代古太平洋板块俯冲导致东亚古大地幔楔形成和华北克拉通破坏,该动力过程引发华北克拉通发生强烈伸展和岩浆活动,广泛形成裂谷盆地和变质核杂岩,并造成燕辽和热河生物群的繁盛与消亡.古太平洋板块俯冲角度的变化导致东亚大陆经历了三次短暂挤压事件和两次强烈伸展构造.多学科综合研究进一步揭示,晚中生代燕辽和热河生物群的演化与华北克拉通的破坏强度、岩浆活动强弱以及盆地发展存在明显的时空相关性.上述现象表明地球深部动力过程不仅控制了克拉通破坏和地壳构造演化,而且也极大地影响了地表环境的变迁和陆地生态系统的演变.因此,地球生命是与环境协同演化,并且共同受地球深部过程的控制.     

“岩浆引擎”与板块运动驱动力

从能量的角度看,地球内部的热是驱动板块运动的主要能量.热能要转化为动能需要集中有序释放.在地球上,热能最主要的集中有序释放发生在洋中脊岩浆作用过程中.根据"岩浆引擎"模型,在洋中脊不断形成新洋壳,新洋壳轻而薄,老洋壳厚而重,致使整个板片斜置于软流圈上,产生下滑力,导致洋中脊不断扩张,形成新洋壳并推动俯冲带老洋壳的消亡,从而驱动板块运动.地幔柱岩浆活动是"岩浆引擎"的另一种表现形式.大的地幔柱头会引起上覆岩石圈受热,与大量上涌的岩浆共同作用,在其中心部位产生千米级的隆升,从而导致地壳局部大幅度的倾斜,产生向外的下滑力.当下滑力足够大时,岩石圈拉张破裂,向两边推挤扩张,同时远端洋壳在薄弱地带挤压破裂,产生板块俯冲.这是板块运动最初起始和"岩浆引擎"的点火器.在板块构造体制下,板块俯冲起始有两种主要形式,自发俯冲和诱导俯冲.自发俯冲起始往往发生在老洋盆,通常产生双向俯冲;诱导俯冲起始则往往发生于年轻洋盆,通常产生单向俯冲.新特提斯洋的多次单向俯冲闭合是诱导俯冲起始所致."岩浆引擎"主要作用于与洋中脊和地幔柱相关的板块.其他板块构造运动的能量主要来自于板块相互作用.     

中国东南沿海及台湾中生代古构造体系

中国东南沿海及台湾中生代古构造格局主要表现为形成燕山期大陆边缘岩浆弧体系,其蒋沟及俯冲带的位置推测在台湾中央山脉东侧,所称海西印支期古岛弧褶皱系实际上可能并不存在,这是作者近年从事中国东南海陆岩石圈研究的初步结论。     

松辽盆地南部变闪长岩SHRIMP锆石U-Pb年龄及其地质意义

松辽盆地南部基底主要由浅变质火山-沉积建造及花岗岩类等组成, 对于是否存在早前寒武纪基底没有定论. 采用高分辨率二次离子探针(SHRIMPⅡ)方法对松辽盆地南部四5井岩心中的变质闪长岩样品的精确定年结果表明, 该变质闪长岩年龄为(1839±7) Ma, 说明其侵位于古元古代. 此外, 该样品具有古老的Nd模式年龄(TDM1: 2999 Ma; TDM2: 2849 Ma). 这些资料表明松辽盆地南部存在早前寒武纪基底.